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KR101257015B1 - 타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 ｏｆｄｍ 수신기 - Google Patents

타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 ｏｆｄｍ 수신기 Download PDF

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KR101257015B1
KR101257015B1 KR1020110065610A KR20110065610A KR101257015B1 KR 101257015 B1 KR101257015 B1 KR 101257015B1 KR 1020110065610 A KR1020110065610 A KR 1020110065610A KR 20110065610 A KR20110065610 A KR 20110065610A KR 101257015 B1 KR101257015 B1 KR 101257015B1
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KR
South Korea
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timing
function
equation
timing offset
signal
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KR1020110065610A
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김준환
강승구
정다해
이영포
윤석호
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020110065610A priority Critical patent/KR101257015B1/ko
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
    • H04L27/2601—Multicarrier modulation systems
    • H04L27/2647—Arrangements specific to the receiver only
    • H04L27/2655—Synchronisation arrangements
    • H04L27/2689—Link with other circuits, i.e. special connections between synchronisation arrangements and other circuits for achieving synchronisation
    • H04L27/2692—Link with other circuits, i.e. special connections between synchronisation arrangements and other circuits for achieving synchronisation with preamble design, i.e. with negotiation of the synchronisation sequence with transmitter or sequence linked to the algorithm used at the receiver

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 OFDM 수신기가 개시되어 있다. 타이밍 옵셋 추정 방법은 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하고, 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하는 단계와 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 제1 타이밍 매트릭 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 타이밍 옵셋을 추정시 신호 경로 성분의 랜덤성에 강인한 특성을 갖는다.

Description

타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 ＯＦＤＭ 수신기{METHODS OF ESTIMATING TIMING OFFSET USING MULTI STAGE FOR TIMING SYNCHRONIZATION AND OFDM RECIEVER}
본 발명은 타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 OFDM 수신기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 타이밍 동기화 방법 및 이러한 방법을 사용하는 장치에 관한 것이다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 변조 방식은 다중 반송파를 사용하여 높은 전송률을 가지며 단일 반송파 방식에 비해 주파수 선택적 페이딩과 시간 영역 충격 잡음에 강하다. 좁은 부반송파 간격 내에서 수신 신호는 같은 크기로 왜곡되므로 비교적 간단한 채널 등화기만으로 다중 경로의 영향을 보상할 수 있다. 이러한 장점들로 인해 OFDM 방식은 고속 무선 LAN 규격인 IEEE 802.11a에 채택되었다. IEEE 802.11a 무선 LAN 시스템은 랜덤 액세스 네트워크이다. 따라서 수신기는 신호의 시작을 정확히 알지 못한다. IEEE 802.11a 시스템에서는 신호의 검출과 함께 OFDM 심볼의 FFT(Fast Fourier Transform) 윈도우 시작점을 찾는 심볼 타이밍 동기를 수행한다. OFDM 심볼의 시작점을 잘못 판단하게 되면 FFT 이후 수신 신호의 위상 천이와 심볼 간 간섭(ISI, Inter-Symbol Interference)을 발생시킨다.
따라서, 패킷 방식의 통신에서는 패킷의 시작점을 아는 것이 시스템의 성능을 크게 좌우하기 때문에 신호 검출과 심볼 타이밍 동기는 매우 중요하다. IEEE 802.11a 시스템의 신호 검출과 심볼 타이밍 동기에는 두 가지 알고리즘이 많이 사용되고 있다. 신호의 전력을 측정하여 신호를 검출하고 심볼 타이밍 동기를 수행하는 신호 전력 검출(signal energy detection) 알고리즘은 신호의 반송파 주파수 옵셋을 포함한 동기 옵셋에는 강인하지만 IEEE 802.11a 패킷이 아닌 경우에도 검출을 할 수 있으며 정확한 심볼의 시작점을 찾지 못한다. 짧은 훈련 심볼의 상관(Correlation)을 이용한 알고리즘은 IEEE 802.11a 패킷만을 검출하며 정확한 심볼의 시작점을 찾을 수 있지만 반송파 주파수 옵셋에 매우 민감하다. 짧은 훈련 심볼은 전치부호(preamble)라고 하는 훈련 심볼에 포함되어 있다. IEEE 802.11a에서는 전치부호를 이용하여 신호 검출과 동기를 수행한다. 전치부호는 10개의 짧은 훈련 심볼과 2개의 긴 훈련 심볼로 나누어지는데 신호 검출 및 심볼 타이밍 동기는 7개의 짧은 훈련 심볼을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명의 제1 목적은 타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법을 수행하는 OFDM 수신기를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법은 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하고, 상기 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 상기 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하는 단계와 상기 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 상기 제1 타이밍 매트릭 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 상기 제1 타이밍 매트릭의 분산은 신호 성분이 포함되지 않는 초기 샘플 구간에서 신호 성분이 존재하는 구간으로 상기 제2 구간의 구간 크기를 변화시켜 측정할 수 있다. 상기 제3 함수는 아래의 식 1
(식 1)
Figure 112011050670958-pat00001
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00002
는 샘플 구간이고,
Figure 112011050670958-pat00003
는 상기 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균을 제곱한 값을 분산값으로 나눈 값임.)에 의해 산출될 수 있다. 상기 제3 타이밍 옵셋은 아래의 식 2
(식 2)
Figure 112011050670958-pat00004
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00005
은 제2 타이밍 옵셋,
Figure 112011050670958-pat00006
는 Cyclic Prefix(CP)의 샘플수를 의미함.)를 통해 산출될 수 있다. 상기 프리앰블 신호는
Figure 112011050670958-pat00007
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00008
은 자연수)개의 샘플이 시간 영역에서 두 번 반복되는 구조가 될 수 있다.
또한 상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 OFDM 단말은 OFDM 신호를 수신하는 RF부와 상기 RF부로부터 수신된 OFDM 신호를 제공받아 복수의 타이밍 옵셋 추정 단계를 기초로 소정의 상관 함수의 평균 및 표준 편차값을 이용해 타이밍 옵셋 정보를 산출하는 타이밍 옵셋 산출부를 포함할 수 있다. 상기 타이밍 옵셋 추정부는 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하는 제1 타이밍 옵셋 추정부, 상기 제1 타이밍 옵셋 추정부에서 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 상기 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하는 제2 타이밍 옵셋 추정부, 상기 제2 타이밍 옵셋 추정부에 입력될 프리앰블을 생성하는 프리앰블 신호 생성부와 상기 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출하는 제3 타이밍 옵셋 추정부를 포함할 수 있다. 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 상기 제1 타이밍 매트릭의 분산은 신호 성분이 포함되지 않는 초기 샘플 구간에서 신호 성분이 존재하는 구간으로 상기 제2 구간의 구간 크기를 변화시켜 측정될 수 있다. 상기 제3 함수는 아래의 식 3
(식 3)
Figure 112011050670958-pat00009
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00010
는 샘플 구간이고,
Figure 112011050670958-pat00011
는 상기 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균을 제곱한 값을 분산값으로 나눈 값임.)에 의해 산출될 수 있다. 상기 제3 타이밍 옵셋은 아래의 식 4
(식 4)
Figure 112011050670958-pat00012
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00013
은 제2 타이밍 옵셋,
Figure 112011050670958-pat00014
는 Cyclic Prefix(CP)의 샘플 수를 의미함)를 통해 산출될 수 있다. 상기 프리앰블 신호는
Figure 112011050670958-pat00015
(여기서,
Figure 112011050670958-pat00016
은 자연수)개의 샘플이 시간 영역에서 두 번 반복되는 구조가 될 수 있다. OFDM 단말은 상기 타이밍 옵셋 산출부에서 산출된 타이밍 옵셋에 기초하여 FFT를 수행하는 제어부와 상기 타이밍 옵셋 및 상기 상관 함수에 관련된 정보를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 타이밍 동기화를 위한 다중 단계 타이밍 옵셋 추정 방법 및 OFDM 수신기에 따르면, 샘플의 평균 및 표준 편차를 이용하여 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다. 따라서, 각 신호 성분의 랜덤성에 강인한 타이밍 옵셋 추정을 위해 첫 번째 신호 경로 성분에 의한 변화량을 극대화하고 다른 신호 경로 성분에 의한 변화량을 억제하여 타이밍 옵셋을 추정시 신호 경로 성분의 랜덤성에 강인한 특성을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 단계를 이용한 타이밍 옵셋 추정 방법을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 기반의 타이밍 옵셋 추정 방법에서 OFDM 단말과 기지국의 구성을 개략적으로 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 산출부를 나타낸 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법 및 이러한 방법을 사용하는 장치에서는 무선 통신 시스템에 적용되는 다중 접속 기법으로 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA와 같은 OFDM 기술 기반의 다양한 다중 접속 기법을 사용하는 것으로 가정한다. 또한, 상향링크 전송 및 하향링크 전송은 서로 다른 시간을 사용하여 전송되는 TDD(Time Division Duplex) 방식이 사용될 수 있고, 또는 서로 다른 주파수를 사용하여 전송되는 FDD(Frequency Division Duplex) 방식이 사용될 수 있다.
이하, 이러한 다중 접속 방식을 사용하는 시스템을 OFDM 시스템, 이러한 OFDM 방식을 수신하는 수신부를 OFDM 수신부 또는 OFDM 단말이라는 용어로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 단계를 이용한 타이밍 옵셋 추정 방법을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, OFDM 단말에서는 가장 큰 전력 신호를 갖는 신호 경로의 타이밍 지점을 추정하는 제1 추정 단계(130)와 제2 추정 단계(150)를 통해 입력 신호의 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다.
제1 추정 단계(130)에서는 아래의 수학식 1으로 표현될 수 있는 입력 신호를 수신할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00017
위의 수학식 1은 OFDM 수신 신호의
Figure 112011050670958-pat00018
번째 시간 영역 샘플을 나타낸다. 여기에서
Figure 112011050670958-pat00019
는 정수 타이밍 옵셋을 의미하고,
Figure 112011050670958-pat00020
은 채널 길이,
Figure 112011050670958-pat00021
의 다중 경로 페이딩 채널에서 샘플 지연
Figure 112011050670958-pat00022
을 갖는 채널 경로의 임펄스 응답을,
Figure 112011050670958-pat00023
는 평균 0의 복소(complex) AWGN(Additive White Gaussian Noise)를 의미한다.
Figure 112011050670958-pat00024
는 전송 신호의
Figure 112011050670958-pat00025
번째 시간 영역 샘플로서 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00026
Figure 112011050670958-pat00027
은 역 고속 푸리에 변화(Inverse Fast Fourier Transform) 크기,
Figure 112011050670958-pat00028
는 시간 영역에서 Cyclic Prefix(CP)의 샘플 수를 의미한다.
Figure 112011050670958-pat00029
은 주파수 영역에서
Figure 112011050670958-pat00030
번째 부반송파에 실리는 위상 편이 변조(Phase Shift Keying, PSK) 혹은 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 데이터를 의미한다. 본 발명에서는 OFDM 수신신호의 타이밍 옵셋을 구하기 위해 임의로 생성된
Figure 112011050670958-pat00031
개의 샘플이 시간영역에서 두 번 반복되는 구조의 프리엠블
Figure 112011050670958-pat00032
를 사용하였다. 이 프리엠블 앞에 길이
Figure 112011050670958-pat00033
의 CP를 덧붙여 시간영역의 기저대역 OFDM 프리엠블 신호
Figure 112011050670958-pat00034
를 생성할 수 있다.
OFDM 신호가 소정의 채널을 통해 수신기로 들어오면, 먼저 제1 추정 단계(130)에서는 프리엠블 신호의 반복구조를 이용하여 아래의 상관 함수를 바탕으로 개략적인 타이밍 옵셋 추정(coarse timing estimation)을 실행할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에서는 이러한 개략적인 타이밍 옵셋 추정을 위한 상관 함수를 제1 함수, 이러한 제1 함수를 통해 산출된 타이밍 옵셋을 제1 타이밍 옵셋이라고 한다.
아래의 수학식 3을 통해 제1 추정 단계에서 개략적인 타이밍 옵셋인 제1 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00035
여기서,
Figure 112011050670958-pat00036
는 신호 상관이 이루어지는 첫 번째 샘플의 타이밍 지점이며, 이는 곧 추정하고자 하는 정수 타이밍 옵셋
Figure 112011050670958-pat00037
의 후보 타이밍 지점을 의미한다.
Figure 112011050670958-pat00038
는 복소 공액 연산(complex conjugation)을 나타낸다.
Figure 112011050670958-pat00039
가 갖는 상관 함수 첨두의 평탄한 부분을 제거하기 위하여 길이
Figure 112011050670958-pat00040
의 윈도우를 씌워
Figure 112011050670958-pat00041
값을 평균화 할 수 있다. 아래의 수학식 4는
Figure 112011050670958-pat00042
의 윈도우를 이용해
Figure 112011050670958-pat00043
값을 평균화한 것을 나타낸 것이다.
Figure 112011050670958-pat00044
위의 수학식 4에서 산출된
Figure 112011050670958-pat00045
값이 최대값을 갖는 지점을 찾아 제1 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다. 아래의 수학식 5는 제1 타이밍 옵셋 추정값을 산출하는 것을 나타낸 것이다.
Figure 112011050670958-pat00046
Figure 112011050670958-pat00047
이 얻어지면 보다 정밀한 타이밍 추정을 위하여 수신 신호와 수신기 내의 신호 생성기에서 생성된 프리엠블 레퍼런스 신호
Figure 112011050670958-pat00048
와의 상호 상관을 실행한다. 이때, 계산 복잡도를 줄이기 위해, 위 식에서 구한 개략적인 타이밍 옵셋 추정값
Figure 112011050670958-pat00049
을 이용하여
Figure 112011050670958-pat00050
의 범위에서만 아래의 수학식 6을 기초로 상관을 실행할 수 있다. 이러한, 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 구간을 제1 구간이라고 할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00051
채널과 잡음이 없는 상황에서
Figure 112011050670958-pat00052
는 올바른 동기화 지점에 임펄스 (impulse) 형태의 주 첨두값을 갖고, 수신 프리엠블 신호의 반복 구조로 인해 올바른 동기화 지점을 중심으로
Figure 112011050670958-pat00053
샘플 떨어진 지점에 부 첨두값들을 가진다. 이러한 부 첨두값들은 올바른 동기화 지점을 찾는 것을 방해하므로 그 크기를 줄여주기 위한 간단한 방법으로
Figure 112011050670958-pat00054
에
Figure 112011050670958-pat00055
을 곱하여 필터처럼 이용한다. 아래의 수학식 7은 필터링 결과를 나타낸 것이다. 전술한 수학식 6은 제2 함수라는 용어로 동일한 의미로 사용될 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00056
Figure 112011050670958-pat00057
는
Figure 112011050670958-pat00058
에 의해 매우 작아진 부 첨두값들을 갖는다(이하, 본 발명의 실시예에서는
Figure 112011050670958-pat00059
를 제1 타이밍 매트릭이라는 용어로 동일한 의미로 사용함).
Figure 112011050670958-pat00060
를 제1 타이밍 메트릭으로 이용하여, 최대값을 갖는 타이밍 지점을 찾아 아래의 수학식 8을 이용해 정밀한 타이밍 옵셋 추정값
Figure 112011050670958-pat00061
을 구할 수 있다. 새롭게 산출된 타이밍 옵셋 추정값
Figure 112011050670958-pat00062
을 제2 타이밍 옵셋이라는 용어로 동일한 의미로 사용할 수 있다. 또한 제2 타이밍 옵셋을 산출하기 위한 수학식 6과 같은 함수를 제2 함수라는 용어로 사용할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00063
다중 경로 페이딩 채널 환경에서
Figure 112011050670958-pat00064
은 가장 큰 전력을 갖는 신호 경로의 타이밍 지점 추정값이다.
각 채널경로 성분의 전력이 랜덤하게 분포하기 때문에, 상관값의 크기가 처음으로 문턱값을 넘는 지점이 첫 번째 신호경로의 지점일 확률은 첫 번째 경로 성분의 랜덤성에 민감하게 의존한다. 따라서 전송 신호가 여러 경로로 분산되거나 감쇠가 심해 첫 번째 신호 경로 성분의 순간 전력이 약해질 경우 올바른 타이밍 지점을 찾지 못하게 된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법에서는 가능한 모든 신호 경로성분에 의한 상관 함수 샘플 분산 및 평균값을 이용하여 타이밍 샘플을 추정하는 다중 단계 추정 기법을 사용하여 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다.
OFDM 수신 신호의 첫 번째 경로성분의 타이밍 지점을 찾기 위해 제1 추정 단계(130)에서 얻어진 최종 타이밍 메트릭인
Figure 112011050670958-pat00065
와 타이밍 옵셋 추정값
Figure 112011050670958-pat00066
을 이용한다. 이때,
Figure 112011050670958-pat00067
임을 이용하여
Figure 112011050670958-pat00068
의 범위 내에서 올바른 타이밍 동기 지점의 추정값
Figure 112011050670958-pat00069
를 추정할 수 있다.
신호 경로 성분으로 인한 상관함수 변화를 알기 위해 먼저
Figure 112011050670958-pat00070
의 샘플 평균 및 샘플 분산을 계산한다. 이때,
Figure 112011050670958-pat00071
에 남아있는 부 첨두 부분이 샘플구간에 포함되지 않도록
Figure 112011050670958-pat00072
을 이용해
Figure 112011050670958-pat00073
의 초기 샘플구간을
Figure 112011050670958-pat00074
로 설정하여 초기 샘플구간에 어떠한 신호성분도 포함되지 않도록 설정한다.
Figure 112011050670958-pat00075
값에 따라 샘플 구간의 크기를 늘려가면서 샘플 평균 및 분산을 구한 뒤 아래의 수학식 9와 같은 함수를 얻을 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00076
수학식 9에서
Figure 112011050670958-pat00077
및
Figure 112011050670958-pat00078
는 각각
Figure 112011050670958-pat00079
의 샘플구간에서
Figure 112011050670958-pat00080
의 샘플 평균 및 분산을 의미한다. AWGN이 존재하지 않는 환경에서
Figure 112011050670958-pat00081
는 OFDM 신호성분이 존재하지 않는 타이밍 지점에서는 상관값이 거의 존재하지 않고, 각 다중경로 신호성분에 해당하는 타이밍 지점에서 채널경로 성분의 수만큼 임펄스 형태의 주 첨두값들을 갖는다. 따라서 첫 번째 신호 경로 성분이 포함되는 샘플 구간을 기준으로
Figure 112011050670958-pat00082
샘플 평균 및 분산이 크게 변화하게 된다.
Figure 112011050670958-pat00083
는 신호 성분이 포함되지 않은 초기 샘플 구간에서는 상관값이 거의 존재하지 않아 큰 값을 가지고, 신호 경로 성분이 포함되는 샘플 구간에서는 랜덤한 전력을 갖는 각 신호성분의 상관값에 따라 작은 값을 가진다. 따라서 본 발명에서는 각 신호성분의 랜덤성에 강인한 타이밍 옵셋 추정을 위해 첫 번째 신호 경로 성분에 의한 변화량을 극대화하고 다른 신호경로성분에 의한 변화량을 억제하기 위해서 아래의 수학식 10과 같이
Figure 112011050670958-pat00084
의 변화에 따른
Figure 112011050670958-pat00085
의 감소량을 타이밍 메트릭으로 이용할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00086
위의 수학식 10을 기초로
Figure 112011050670958-pat00087
가 최소가 되는 지점을 찾아 아래의 수학식 11을 기초로 첫 번째 신호 경로 성분의 타이밍 지점
Figure 112011050670958-pat00088
를 추정한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따르면, 수학식 11을 기초로 첫 번째 신호 경로 성분의 타이밍 지점
Figure 112011050670958-pat00089
를 제3 타이밍 옵셋이라는 용어로 동일한 의미로 사용할 수 있고 제3 타이밍 옵셋
Figure 112011050670958-pat00090
을 산출하기 위한
Figure 112011050670958-pat00091
를 제3 함수라는 용어로 사용할 수 있다.
Figure 112011050670958-pat00092
위의 수학식 11을 기초로 추정된 첫 번째 신호 경로 성분의 타이밍 지점인 제3 타이밍 옵셋
Figure 112011050670958-pat00093
를 통해 수신 신호를 기초로 타이밍 동기화를 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법 및 장치에서는 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하고, 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하고 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법에서는 타이밍 옵셋을 추정하는 단계를 설명의 편의상 제1 추정 단계 및 제2 추정 단계로 분류하였으나, 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 제1 추정 단계 및 제2 추정 단계는 하나의 단계로 수행되거나, 적어도 두 개의 복수의 단계로 나누어져 수행될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 제1 타이밍 옵셋을 추정한다(단계　S200).
수신된 OFDM 신호를 기초로 전술한 수학식 3 내지 수학식 5의 상관 함수, 즉, 제1 함수를 이용하여, 제1 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 제1 타이밍 옵셋을 추정하는 단계를 통해 개략적인 타이밍을 추정할 수 있다.
프리앰블 신호를 생성한다(단계 S210).
본 발명의 일실시예에 따르면, 수신부에서는 프리앰블 신호를 생성하여 입력된 OFDM 신호를 함께 이용해 제2 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다. 따라서, 수신부에서는
Figure 112011050670958-pat00094
와 같은 프리앰블 신호를 생성하여 제2 타이밍 옵셋을 추정하는 데에 사용할 수 있다.
제2 타이밍 옵셋을 추정한다(단계 S220).
수신된 OFDM 신호와 프리앰블의 반복구조를 이용하여 개략적인 타이밍 추정을 통해 제2 타이밍 옵셋값을 추정할 수 있다. 제2 타이밍 옵셋값은 수학식 6 내지 수학식 7에서 전술한 상관 함수를 이용하여 산출된 개략적인 타이밍 옵셋값으로써 상관 함수가 최대가 되는 지점을 이용해 산출될 수 있다. 단계 S200에서 산출된 제1 타이밍 옵셋 값을 기초로 새롭게 설정된 범위 제1 구간에서 전술한 수학식 6과 같은 제2 함수를 이용하여 수학식 7과 같은 제1 타이밍 매트릭을 산출하고 산출된 제1 타이밍 매트릭을 이용하여 제2 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다.
제1 타이밍 매트릭과 제2 타이밍 옵셋을 이용하여 제2 타이밍 옵셋을 기초로 한 샘플 구간의 크기에 따른 샘플 평균 및 샘플 분산을 산출한다(단계 S230).
전술한 수학식 9에서와 같이 산출된 제2 타이밍 옵셋을 기초로 소정의 구간인 제2 구간 범위에서, 샘플 구간의 크기를 늘려가면서 제1 타이밍 매트릭의 평균과 표준 편차값을 산출할 수 있다.
제3 함수를 이용하여 제3 타이밍 옵셋을 추정한다(단계 S240).
전술한 수학식 9와 같이 제1 타이밍 매트릭의 평균과 표준 편차를 이용한 새로운 함수를 정의하고 수학식 10에서와 같은 제3 함수를 산출할 수 있다. 이러한 제3 함수를 산출한 후 제3 함수가 최대가 되는 지점을 찾아 제3 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM 기반의 타이밍 옵셋 추정 방법에서 OFDM 단말(300)과 기지국(370)의 구성을 개략적으로 설명하는 블록도이다.
OFDM 단말(300)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), MT(Mobile Terminal), 무선 기기(Wireless Device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(350)은 OFDM 단말(300)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, BS(Base Station), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point), 펨토 기지국(Femto BS), 피코 기지국(Pico BS), 릴레이(relay) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
도 3을 참조하면, OFDM 단말(300)은 RF부(310), 메모리(320), 프로세서(330)를 포함한다. OFDM 단말(300)는 RF부(310)를 통하여 데이터를 송수신한다.
메모리(320)는 시스템 상에서 통신을 수행하기 위해 필요한 정보를 저장한다. 예를 들어, 메모리는 산출된 타이밍 옵셋 및 상관 함수에 관련된 정보를 저장하거나, RACH 설정 정보, PRACH 설정 정보 등과 같은 시스템 정보와 기지국(370)으로부터 수신한 측정 제한에 관한 정보 등을 저장할 수 있다.
프로세서(330)는 상술한 본 발명에서 제안한 기능을 구현하고 이를 위해서 RF부(310) 및 메모리(320)와 연결되어 이들을 제어할 수 있다. 프로세서(330)는 측정부(340)와 제어부(350)를 포함한다.
측정부(340)는 RSRP(Reference Signal Received Power), RSRQ(Reference Signal Received Quality), SINR(Signal-to-Interference plus Noise Ratio) 등과 같은 채널 품질을 측정할 수 있다. 측정부(340)는 기지국(370)으로부터의 측정 제한에 따라서 정해진 서브 프레임에서 측정을 수행할 수도 있다.
또한 측정부(340)에는 타이밍 옵셋 산출부(345)가 포함되어 수신된 신호에 기초하여 타이밍 옵셋을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 산출부를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 타이밍 옵셋 산출부(400)는 제1 타이밍 옵셋 추정부(410), 프리앰블 신호 생성부(420), 제2 타이밍 옵셋 추정부(430), 제3 타이밍 옵셋 추정부(440)를 포함할 수 있다.
제1 타이밍 옵셋 추정부(410)는 입력 신호를 기초로 Schmidl의 상관 함수와 같은 소정의 상관 함수인 제1 함수를 이용하여 개략적인 타이밍 추정을 통해 제1 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 수학식 4에서 전술한 상관 함수를 이용하여 상관 함수가 최대값이 되는 타이밍 옵셋 추정값을 산출할 수 있다. 즉, 제1 타이밍 옵셋 추정부(410)에서는 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다.
프리앰블 신호 생성부(420)는 프리앰블 레퍼런스 신호를 생성할 수 있다. 생성된 프리앰블 레퍼런스 신호는 제2 타이밍 옵셋 추정부(430)에 입력되어 제2 타이밍 옵셋을 추정하는데 사용될 수 있다. 즉, 프리앰블 신호 생성부(420)에서는 2 타이밍 옵셋 추정부에 입력될 프리앰블을 생성할 수 있다.
제2 타이밍 옵셋 추정부(430)는 프리앰블 신호 생성부, 입력된 OFDM 신호를 이용한 상관 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 제2 타이밍 옵셋을 산출하는 구간은 제1 타이밍 옵셋 추정부(410)에서 산출된 제1 타이밍 옵셋을 기초로 한 구간이 될 수 있다. 제2 타이밍 옵셋 추정부(430)에서는 전술한 수학식 6 내지 수학식 8의 과정을 기초로 제2 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 즉, 제2 타이밍 옵셋 추정부(430)에서는 제1 타이밍 옵셋 추정부에서 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출할 수 있다.
제3 타이밍 옵셋 추정부(440)는 제2 타이밍 옵셋 추정부(430)로부터 입력된 제1 타이밍 매트릭과 제2 타이밍 옵셋값을 기초로 제3 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 제3 타이밍 옵셋 추정부(440)에서는 전술할 수학식 9 내지 수학식 11의 과정을 통해 제2 타이밍 옵셋 추정부(430)에서 산출된 제1 타이밍 매트릭을 이용해 새로운 제2 타이밍 매트릭을 산출하고, 제2 타이밍 옵셋 추정값을 이용한 소정의 범위 내에서 제3 타이밍 옵셋을 추정할 수 있다. 즉, 제3 타이밍 옵셋 추정부(440)에서는 상기 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 분산과 평균값을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출할 수 있다. 제3 타이밍 옵셋 추정부(440)에서 측정된 제3 타이밍 옵셋은 제어부(350)으로 전송될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 산출부는 설명의 편의상 제1 타이밍 옵셋 추정부, 제2 타이밍 옵셋 추정부, 제3 타이밍 옵셋 추정부와 같은 복수의 추정부를 포함하는 구조로 설명하였으나, 본 발명의 본질에서 벋어나지 않는 한 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 옵셋 추정 장치는 복수의 구성부는 하나의 구성부로 구현되거나, 하나로 표현된 구성부가 복수의 구성부로 나누어진 형태로 구현될 수 있다.
제어부(350)는 측정부(340)에서 산출된 타이밍 옵셋에 기초하여 FFT를 수행할 수 있다. 또한 제어부(350)에서는 기지국(370)으로부터 수신한 시스템 정보 의 설정을 적용하여 랜덤 액세스 등의 필요한 절차를 수행할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 동일한 샘플이 시간 영역에서 두 번 반복되는 프리앰블 신호를 가지는 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 타이밍 추정을 위한 상관 함수인 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하는 단계;
    상기 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 상기 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 상기 제1 함수로 필터링한 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하는 단계; 및
    상기 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 상기 제1 타이밍 매트릭 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 함수는 아래의 수학식 1로서 상기 수학식 1의 최대값으로 상기 제1 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00115
    을 추정하는 함수이고,
    <수학식 1>
    Figure 112013016810712-pat00116

    <수학식 1-1>
    Figure 112013016810712-pat00117

    <수학식 1-2>
    Figure 112013016810712-pat00118

    (상기 수학식 1에서
    Figure 112013016810712-pat00119
    는 수학식 1-1에 의해 산출되는 값 , r(K)는 상기 수학식 1-2에 의해 산출되는 OFDM 수신 신호의
    Figure 112013016810712-pat00120
    번째 시간 영역 샘플,
    Figure 112013016810712-pat00121
    는 정수 타이밍 옵셋,
    Figure 112013016810712-pat00122
    은 채널 길이
    Figure 112013016810712-pat00123
    의 다중 경로 페이딩 채널에서 샘플 지연
    Figure 112013016810712-pat00124
    을 갖는 채널 경로의 임펄스 응답,
    Figure 112013016810712-pat00125
    는 평균 0의 복소(complex) AWGN(Additive White Gaussian Noise),
    Figure 112013016810712-pat00126
    는 전송 신호의
    Figure 112013016810712-pat00127
    번째 시간 영역 샘플,
    Figure 112013016810712-pat00128
    는 신호 상관이 이루어지는 첫 번째 샘플의 타이밍 지점,
    Figure 112013016810712-pat00129
    은 역 고속 푸리에 변화(Inverse Fast Fourier Transform) 크기,
    Figure 112013016810712-pat00130
    는 시간 영역에서 Cyclic Prefix(CP)의 샘플 수)
    상기 제2 함수는 아래의 수학식 2이고 상기 제2 함수를 상기 제1 함수로 필터링하여 아래의 수학식 2-1을 기초로 상기 제1 타이밍 매트릭
    Figure 112013016810712-pat00131
    및 상기 제1 타이밍 매트릭
    Figure 112013016810712-pat00132
    이 최대값을 가지는 타이밍 지점인 제2 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00133
    을 산출하는 함수이고,
    <수학식 2>
    Figure 112013016810712-pat00134

    <수학식 2-1>
    Figure 112013016810712-pat00135

    (여기서,
    Figure 112013016810712-pat00136
    는 프리엠블 레퍼런스 신호)
    상기 제3 함수는 아래의 수학식 3(여기서,
    Figure 112013016810712-pat00137
    는 아래의 수학식 3-1의 함수)에 의해 최대가 되는 지점을 상기 제3 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00138
    로 결정하는 함수인
    <수학식 3>
    Figure 112013016810712-pat00139

    <수학식 3-1>
    Figure 112013016810712-pat00140

    (수학식 3-1에서
    Figure 112013016810712-pat00141
    및
    Figure 112013016810712-pat00142
    는 각각
    Figure 112013016810712-pat00143
    의 샘플구간에서
    Figure 112013016810712-pat00144
    의 샘플 평균 및 분산)
    타이밍 옵셋 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. OFDM 신호를 수신하는 RF부; 및
    상기 RF부로부터 수신된 OFDM 신호를 제공받아 복수의 타이밍 옵셋 추정 단계를 기초로 소정의 상관 함수의 평균 및 표준 편차값을 이용해 제3 타이밍 옵셋을 산출하는 타이밍 옵셋 산출부를 포함하되,
    상기 제3 타이밍 옵셋은 동일한 샘플이 시간 영역에서 두 번 반복되는 프리앰블 신호를 가지는 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 타이밍 추정을 위한 상관 함수인 제1 함수를 이용해 제1 타이밍 옵셋을 추정하고, 상기 제1 타이밍 옵셋을 이용하여 산출된 제1 구간에서 프리앰블 신호 및 상기 OFDM 수신 신호를 입력으로 하는 상기 제1 함수로 필터링한 제2 함수를 이용해 제2 타이밍 옵셋 및 제1 타이밍 매트릭을 산출하고 상기 제2 타이밍 옵셋을 기초로 산출된 제2 구간에서 상기 제1 타이밍 매트릭의 평균 및 상기 제1 타이밍 매트릭 분산을 입력으로 하는 제3 함수를 이용해 산출되고,
    상기 제1 함수는 아래의 수학식 1로서 상기 수학식 1의 최대값으로 상기 제1 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00145
    을 추정하는 함수이고,
    <수학식 1>
    Figure 112013016810712-pat00146

    <수학식 1-1>
    Figure 112013016810712-pat00147

    <수학식 1-2>
    Figure 112013016810712-pat00148

    (상기 수학식 1에서
    Figure 112013016810712-pat00149
    는 수학식 1-1에 의해 산출되는 값 , r(K)는 상기 수학식 1-2에 의해 산출되는 OFDM 수신 신호의
    Figure 112013016810712-pat00150
    번째 시간 영역 샘플,
    Figure 112013016810712-pat00151
    는 정수 타이밍 옵셋,
    Figure 112013016810712-pat00152
    은 채널 길이
    Figure 112013016810712-pat00153
    의 다중 경로 페이딩 채널에서 샘플 지연
    Figure 112013016810712-pat00154
    을 갖는 채널 경로의 임펄스 응답,
    Figure 112013016810712-pat00155
    는 평균 0의 복소(complex) AWGN(Additive White Gaussian Noise),
    Figure 112013016810712-pat00156
    는 전송 신호의
    Figure 112013016810712-pat00157
    번째 시간 영역 샘플,
    Figure 112013016810712-pat00158
    는 신호 상관이 이루어지는 첫 번째 샘플의 타이밍 지점,
    Figure 112013016810712-pat00159
    은 역 고속 푸리에 변화(Inverse Fast Fourier Transform) 크기,
    Figure 112013016810712-pat00160
    는 시간 영역에서 Cyclic Prefix(CP)의 샘플 수)
    상기 제2 함수는 아래의 수학식 2이고 상기 제2 함수를 상기 제1 함수로 필터링하여 아래의 수학식 2-1을 기초로 상기 제1 타이밍 매트릭
    Figure 112013016810712-pat00161
    및 상기 제1 타이밍 매트릭
    Figure 112013016810712-pat00162
    이 최대값을 가지는 타이밍 지점인 제2 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00163
    을 산출하는 함수이고,
    <수학식 2>
    Figure 112013016810712-pat00164

    <수학식 2-1>
    Figure 112013016810712-pat00165

    (여기서,
    Figure 112013016810712-pat00166
    는 프리엠블 레퍼런스 신호)
    상기 제3 함수는 아래의 수학식 3(여기서,
    Figure 112013016810712-pat00167
    는 아래의 수학식 3-1의 함수)에 의해 최대가 되는 지점을 상기 제3 타이밍 옵셋
    Figure 112013016810712-pat00168
    로 결정하는 함수인
    <수학식 3>
    Figure 112013016810712-pat00169

    <수학식 3-1>
    Figure 112013016810712-pat00170

    (수학식 3-1에서
    Figure 112013016810712-pat00171
    및
    Figure 112013016810712-pat00172
    는 각각
    Figure 112013016810712-pat00173
    의 샘플구간에서
    Figure 112013016810712-pat00174
    의 샘플 평균 및 분산) OFDM 단말.
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