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KR100782627B1 - 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및상기 방법을 수행하는 통신 단말기 - Google Patents

통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및상기 방법을 수행하는 통신 단말기 Download PDF

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KR100782627B1
KR100782627B1 KR1020050135948A KR20050135948A KR100782627B1 KR 100782627 B1 KR100782627 B1 KR 100782627B1 KR 1020050135948 A KR1020050135948 A KR 1020050135948A KR 20050135948 A KR20050135948 A KR 20050135948A KR 100782627 B1 KR100782627 B1 KR 100782627B1
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South Korea
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phase difference
frequency offset
carrier frequency
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value
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곽기영
이강민
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포스데이타 주식회사
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Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IEEE 802.16d/e, WiBro, WiMAX 표준 규격을 사용하는 무선통신 시스템에서 DL FUSC와 DL Band-AMC 채널 모드를 지원하는 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 통신 단말기에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset) 추정기(estimator)는, 수신신호에 포함된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심벌 간의 위상차를 계산하는 위상차(Phase Difference) 연산부; 상기 위상차를 누적하여 위상차 누적치를 생성하는 위상차 누적부(accumulator); 및 상기 위상차 누적치를 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
반송파 주파수, 오프셋, 하향링크, 위상차, 추정

Description

통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 통신 단말기{METHOD OF ESTIMATING AND COMPENSATING CARRIER FREQUENCY OFFSET IN COMMUNICATION TERMINAL AND COMMUNICATION TERMINAL OF ENABLING THE METHOD}
도 1은 일반적인 OFDM/OFDMA 송수신기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 DL FUSC 채널 모드에 따른 파일럿 심볼 위치를 도시한 도면이다.
도 4는 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC 채널 모드에 따른 파일럿 심볼 위치를 도시한 도면이다.
도 5는 DL FUSC 채널 모드에서, 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC 채널 모드에서, 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정 방법의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
201: FFT 부 202: 위상차 연산부
203: 위상차 누적부 204: 아크탄젠트 연산부
205: 컨버전 연산부 206: 평균 연산부
207: 오실레이터
본 발명은 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 IEEE 802.16d/e, WiBro, WiMAX 표준 규격을 사용하는 무선통신 시스템에서 DL FUSC와 DL Band-AMC 채널 모드를 지원하는 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 통신 단말기에 관한 것이다.
일반적인 무선통신 시스템에서 데이터 수신이 안정적으로 수행되기 위해서, 통신 단말기에서 반송파(carrier) 주파수 오프셋 추정이 필요하다. IEEE 802l16d/e, 와이브로(WiBro) 또는 와이맥스(WiMAX) 표준 규격을 지원하는 무선 시스템에서, 기지국(Base Station)은 소정의 GPS(Global Positioning System)로부터 동기 신호를 수신하고, 통신 단말기는 기지국에 동기를 맞춘다. 이 경우, 채널 상황의 급변 등과 같이 전송 채널에 존재하는 다양한 변수로 인해 반송파 주파수가 부정확해 지고, 이로 인해 통신 단말기 내의 오실레이터(oscillator)의 동작에 영향을 미치게 되며, 이로 인해 통신 단말기의 수신 성능이 저하된다. 따라서, 통신 단말기에서는 이러한 반송파 주파수 오프셋을 추정하고, 추정된 결과에 따라 반송파 주파수 오프셋을 보상하는 것이 필요하다.
본 발명은 이러한 반송파 주파수 오프셋의 추정을 위해 하향링크 채널을 통해 전송된 수신신호의 파일럿 심볼을 이용함으로써 통신 단말기의 수신 성능을 제고할 수 있는 새로운 반송파 주파수 오프셋의 추정 방식을 제안한다.
본 발명은 하향링크의 파일럿 심볼을 이용하여 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 각 프레임에 대해 측정하고, 측정된 결과를 이용하여 오실레이터에서 발생하는 반송파 주파수 에러를 보정하도록 함으로써, 반송파 주파수 에러에 의해 발생하는 통신 단말기의 신호 수신 성능의 열화를 방지하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 채널 환경의 급격한 변화와 같이 예기치 못한 상황이 발생되는 경우에도 통신 단말기에서 안정적인 반송파 주파수 오프셋 추정이 수행될 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset) 추정기(estimator)는, 수신신호에 포함된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심벌 간의 위상차를 계산하는 위상차(Phase Difference) 연산부; 상기 위상차를 누적하여 위상차 누적치를 생성하는 위상차 누적부(accumulator); 및 상기 위상차 누적치를 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 방법은, 수신신호에 포함된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심벌 간의 위상차를 연산하는 단계; 상기 위상차를 누적하여 위상차 누적치를 생성하는 단계; 및 상기 위상차 누적치를 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
참고로, 본 명세서에서 사용되는 "통신 단말기"라 함은 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식 또는 직교 주파수 분할 다중 억세스(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)를 지원하는 통신 단말기를 의미하는 것으로서, 바람직하게는 IEEE 802.16d/e, WiBro, WiMAX 표준 규격을 사용하는 무선통신 시스템에서 DL FUSC와 DL Band-AMC 채널 모드를 지원하는 통신 단말기를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "무선통신 시스템" IEEE 802.16d/e 표준, WiBro, 및 WiMAX 중에서 어느 하나를 기반으로 하는 시스템일 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "심볼"은 OFDMA 또는 OFDM 심볼을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무선통신 시스템의 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법 및 상기 방법을 수행하는 통신 단말기에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 일반적인 OFDM/OFDMA 송수신기의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도면에 도시한 바와 같이, 일반적인 OFDM/OFDMA 송수신기는 직렬/병렬 변환기, FFT기 또는 IFFT기, 및 주파수 변환기를 포함한다.
송신단의 상기 직렬/병렬 변환기에서는 직렬로 입력되는 데이터 스트림을 부반송파 수만큼의 병렬 데이터 스트림으로 전환하고, IFFT기에서 각각의 병렬 데이터 스트림을 역 푸리에 변환한다. 또한, 역 푸리에 변환된 데이터는 다시 직렬 데이터로 전환되어 주파수 변환을 거쳐 송신된다. 수신측에서는 유, 무선 채널을 통하여 전송된 신호를 수신하여 송신단의 역과정인 복조 과정을 거쳐 데이터를 출력한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른, 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 장치는 FFT 부(201), 위상차 연산부(202), 위상차 누적부(203), 아크탄젠트 연산부(204), 컨버전 연산부(205), 및 평균 연산부(205)를 포함할 수 있다. 구현에 따라서, 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 장치의 FFT 부(201)는 포함되지 아니할 수 있고, 이 경우 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 장치는 기저대역(baseband)의 수신신호에 대해 FFT 변환을 수행하여 주파수 영역으로 바꾸는, 소정의 전처리(pre-processing) 과정을 거친 신호를 이용하게 된다.
도 2에 도시된 FFT 부(201)을 통해 주파수 영역으로 변환된 수신신호는 초기 동기 또는 셀 탐색에 사용할 수 있는 프리앰블 신호, 채널 및 동기 추정에 사용하는 파일럿 심볼, 실제 데이터를 포함하는 데이터 심볼 등을 포함하고, 본 발명에 따른 통신 단말기는 이러한 신호들 중 상기 파일럿 심볼을 이용하여 반송파 주파수 오프셋을 추정한다.
도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 장치에 대해 상술하면 아래와 같다.
기저대역에서 수신된 시간 영역(time domain)의 수신신호는 FFT 부(201)를 거쳐 주파수 영역으로 천이(transition)된다. 하향링크 채널의 구조를 참조하여, FFT 부(201)에서 푸리에 변환된 수신신호에서 파일럿 심볼을 추출한다. 파일럿 심볼을 추출하기 위하여, OFDM 또는 OFDMA 신호인 수신신호 상의 복수 개의 부반송파에, 미리 설정되어 있는 파일럿 시퀀스(sequence)를 상관 연산하여 복수 개의 부반송파에 대한 상관값으로부터 파일럿 심볼을 획득할 수 있다. 즉, 파일럿 심볼은 OFDM/OFDMA을 지원하는 통신 시스템에서 하향링크 채널에 따라 그 전송 위치가 미리 정해져 있으므로, 수신신호의 부반송파에 선정된(predetermined) 패턴의 파일럿 시퀀스를 상관 연산하는 방식으로 파일럿 심볼을 추출할 수 있다.
위상차 연산부(202)에서는 주파수 영역(frequency domain)에서 위치가 동일 한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산한다. 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 이유는 파일럿 심볼의 선형 위상(linear phase)이 동일하기 때문이다. 또한, 시간 영역에서 얼마나 멀리 떨어져 있는 파일럿 심볼들 간의 위상차를 계산할 것인지(후술하는 "파일럿 심볼 간 거리")는 기본적으로 하향링크 채널의 구조에 따라 달라질 수 있고, 측정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋의 범위, 연산량 등에 의하여 가변적일 수 있다.
본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정기의 기본적인 원리는 파일럿 심볼 간의 위상차를 이용하여 반송파 주파수 오프셋 추정치를 생성하는데 있다. 이러한 본 발명에서는 위상차를 계산하기 위한 파일럿 심볼 간 거리가 중요한 문제일 수 있다. 이러한 위상차를 계산하고자 하는 파일럿 심볼 간 거리가 커질수록 추정할 수 있는 주파수 대역이 작아지게 되고, 위상차를 계산하고자 하는 파일럿 심볼 간 거리가 가까울수록 위상차를 구하기 위한 연산량이 많아져 시스템에 부하가 가중될 수 있으므로 적절한 파일럿 심볼 간 거리를 선정하는 것이 중요하다.
도 3에는 상술한 DL FUSC 채널 모드에서 가변 셋(variable set)에 의해서 결정된 파일럿 심볼의 위치가 도시되어 있고, 도 4에는 상술한 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC 채널 모드에 따른 파일럿 심볼의 위치가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, DL FUSC에서의 파일럿 심볼의 위치는 가변 셋(variable set)과 고정 셋(constant set)에 의해 결정된다. 고정 셋은 파일럿 심볼의 위치를 항상 고정하여 지정하며, 가변 셋은 선정된(predetermined) 함수에 의해 파일럿 심볼의 위치가 지정된다. 가변 셋에서 파일럿 심볼의 위치(PilotLocation)를 결정하 는 함수는 다음과 같다.
PilotLocation = VariableSet# + 6*(FUSC_SymbolNumber%2)
상기 함수에서 각 파라미터는 FFT 사이즈에 따라 변화하며, 구체적인 값은 IEEE 802.16d/e, WiBro, 그리고 WiMAX 표준을 참조할 수 있다. 도 3에 도시된 파일럿 심볼의 위치는 상기 함수에 의해 결정된 것이다.
도 4는 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC 채널 모드에 따른 파일럿 심볼의 위치를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, DL Band-AMC를 구성하는 기본 단위는 빈(bin)이며, 연속되는 9개의 부반송파로 구성되는 상기 빈 내에서 특정 부반송파 한 개를 파일럿 심볼로 할당한다. 또한, 상기 빈 내에서 상기 파일럿 심볼의 위치는 심볼 인덱스에 따라 달라진다. Band-AMC의 서브 채널 구조에는 여러 가지 타입이 존재하며, 도 4는 2 bins x 3 symbols 타입을 도시하고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 살펴본 것과 같이, 하향링크 채널 모드인 DL FUSC(Full Usage of Subchannel) 또는 DL Band-AMC에서는 시간 영역에서 임의의 심볼 구간 동안 파일럿 심볼의 위치가 다르고, 임의의 심볼 구간을 주기로 파일럿 심볼 위치에 관한 패턴은 동일하게 반복된다. 기본적으로 DL FUSC의 경우, 시간 영역의 두 심볼 구간 동안 파일럿 심볼의 위치가 다르고, 두 심볼 구간을 주기로 동일한 패턴이 반복된다. 한편, 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC의 경우에는, 시간 영역의 세 심볼 구간 동안 파일럿 심볼의 위치가 다르고, 세 심볼 구간을 주기로 동일한 패턴이 반복된다. 기타 타입의 DL Band-AMC에서는 해당 구조에 맞는 패턴을 가지고 있다. 따라서, DL FUSC의 경우 시간 영역에서의 위상차를 계산 할 수 있는 최소 간격은 2이며, 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC의 경우는 시간 영역에서의 위상차를 계산할 수 있는 최소 간격은 3이 된다.
즉, 하향링크 채널은 일정한 시간 영역의 주기 내에서 파일럿 심볼의 위치가 서로 상이하고, 이와 같은 패턴(pattern)은 일정한 시간 영역을 주기로 반복된다. 따라서, 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하기 위해서는 상술한 패턴의 반복되는 주기성을 이용하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, DL FUSC인 경우는 시간 영역에서 파일럿 심볼 간 거리는 2가 될 수 있고, 2 bits x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC의 경우 파일럿 심볼 간 거리는 3이 될 수 있다. 특히, DL Band-AMC는 타입에 따라서 파일럿 심볼 간 거리는 달라질 수 있음은 상술한 바와 같다. 이와 같이, 위상차를 계산하기 위한 파일럿 심볼 간 거리는 구현 관점에 따라, 또는 측정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋의 범위에 따라 유연하게 설정될 수 있다. 이에 따라서 아래 수학식 1에서의 d 값이 결정될 수 있다.
Figure 112005078618661-pat00001
상기 수학식 1에 포함된 각 파라미터(parameter)는 아래와 같이 정의된다.\
(1) j 는 심볼 당 파일럿 서브케리어(sub-carrier)의 인덱스,
(2) n 은 DL 존(zone) 내에서의 심볼 인덱스,
(3) d 는 두 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하기 위한 파일럿 심볼 간 거리,
(4)
Figure 112005078618661-pat00002
는 현재 프레임에서 측정된 반송파 주파수 오프셋 추정치,
(5)
Figure 112005078618661-pat00003
는 이전 프레임까지 평균 연산된 반송파 주파수 오프셋 추정치,
(6) Gain 은 라디안(radian) 단위의 위상 값을 주파수 단위의 값으로 천이하기 위한 파라미터,
(9)
Figure 112005078618661-pat00004
는 평균(averaging) 연산에 루프 필터(loop filter)를 이용하는 경우의 필터 계수.
도 5에는 DL FUSC 채널 모드에서, 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법의 일례가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, DL FUSC 채널에서 파일럿 심볼 간 거리가 2인 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 방법을 이용하는 경우 대략 2.7KHz 범위의 오프셋 추정이 가능함을 확인하였다.
도 6에는 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC 채널 모드에서, 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법의 일례가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 2 bins x 3 symbols 타입의 DL Band-AMC에서 파일럿 심볼 간 거리가 3인 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방법의 일례가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 방법을 이용하는 경우 대략 1.7KHz 범위의 오프셋 추정이 가능함을 확인하였다.
도 5 및 도 6에는 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼, 즉 선형 위상(linear phase)이 동일한 두 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 일례가 도시되 어 있으나, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 선형 위상(linear phase)이 동일하지 아니한 두 파일럿 심볼 간이라도 둘 중 하나의 파일럿 심볼에 적절한 보정치(calibration value)를 합산하여 두 파일럿 심볼의 선형 위상을 동일하게 보정한 후에 두 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 방식이 채용될 수 있다.
파일럿 심볼 별로 측정된 위상차는 위상차 누적부(203)에서 누적 연산되고, 복소수(complex number) 단위의 제1 위상차 누적치는 아크탄젠트 연산부(204)로 입력 된다.
아크탄젠트 연산부(204)는 복소수 단위의 제1 위상차 누적치를 라디안(radian) 단위의 제2 위상차 누적치로 변환한다. 이러한 아크탄젠트(Arc-tangent) 연산은 일례로, 룩업 테이블(Look Up table; LUT) 방식이 이용될 수 있다. 룩업 테이블 방식을 이용하는 경우, 복소수 단위의 제1 위상차 누적치에 대응하는 라디안(radian) 단위의 제2 위상차 누적치를 룩업 테이블에 기록해 두고, 위상차 누적부(203)에서 입력된 복소수 단위의 제1 위상차 누적치에 따라 상기 룩업 테이블을 참조(refer) 하여 상기 복소수 단위의 제1 위상차 누적치에 대응하는 라디안 단위의 제2 위상차 누적치를 독출(read)하는 방식으로 아크탄젠트 연산이 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 아크탄젠트 연산부(204)는 코딕(Cordic) 알고리즘 등 다양한 아크탄젠트 연산을 위한 알고리즘을 이용하여 복소수 단위의 제1 위상차 누적치를 라디안(radian) 단위의 제2 위상차 누적치로 변환할 수 있다.
아크탄젠트 연산부(204)에서 변환된 라디안 단위의 제2 위상차 누적치는 컨 버전(Conversion) 연산부(205)에서 주파수 단위의 값인 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정기에서 라디안 단위의 제2 위상차 누적치를 이용하여 반송파 주파수 오프셋이 추정되는 경우, 즉 라디안 단위의 제2 위상차 누적치로 통신 단말기의 오실레이터(oscillator)(207)의 제어가 가능한 경우에는 컨버전 연산부(205)는 불필요할 수 있다.
상술한 FFT 부(201) 내지 컨버전 연산부(205)를 통하여 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋 추정치가 생성된다. 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치는 통신 단말기의 오실레이터(oscillator)(207)를 제어하기 위한 기준 신호로 사용된다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 상술한 반송파 주파수 오프셋 추정기는 추가적으로 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정이 안정적으로 수행될 수 있도록 평균(averaging) 연산부(206)를 더 포함할 수 있다. 평균 연산부(206)은 매 프레임에 대해 측정된 반송파 주파수 오프셋 추정치를 평균 연산함으로써, 채널 환경 등이 급격히 변화하여 통신 단말기가 측정한 반송파 주파수 오프셋이 부정확한 경우에도 안정적인 반송파 주파수 오프셋 추정이 수행될 수 있도록 한다. 평균 연산부(206)에서 수행되는 평균 연산 방식으로는 루프 필터(Loop Filter)를 이용할 수도 있고, 선정된(predetermined) 프레임에 대하여 통신 단말기가 측정한 반송파 주파수 오프셋 추정치의 평균을 취하는 방법을 포함하는 다양한 알고리즘이 적용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 방법은 아래의 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
기저대역에서 수신된 시간 영역(time domain)의 수신신호를 푸리에 변환하여 주파수 영역으로 천이(transition)시키고, 푸리에 변환된 수신신호에서 파일럿 심볼을 추출한다(단계 701). 도 2에 대한 설명에서 상술한 것과 같이, 파일럿 심볼을 추출하기 위하여, 수신신호 상의 복수 개의 부반송파에, 미리 설정되어 있는 파일럿 시퀀스(sequence)를 상관 연산하여 복수 개의 부반송파에 대한 상관값으로부터 파일럿 심볼을 획득할 수 있다.
다음으로, 주파수 영역(frequency domain)에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산한다(단계 702). 주파수 영역에서 위치가 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하는 이유는 해당 파일럿 심볼들의 선형 위상(linear phase)이 동일하기 때문이다. 또한, 위상차를 계산하기 위한 파일럿 심볼 간 거리가 중요한 문제일 수 있다. 이러한 파일럿 심볼 간 거리는 상술한 바와 같이 하향링크 채널의 구조에 따라 달라질 수 있고, 측정하고자 하는 반송파 주파수 오프셋의 범위, 연산량 등에 의하여 가변적일 수 있다. 단계(702)에 대한 설명은 도 2를 참조하여 상세히 설명한 것으로 갈음한다.
주파수 영역(frequency domain)에서 위치가 동일한 파일럿 심볼마다 측정된 위상차는 이전에 수행된 위상차 누적치에 누적 연산된다(단계 703). 이러한 단계(702) 및 단계(703)은 DL 존(zone)에 있는 모든 파일럿 심볼에 대해 수행될 때까지 반복될 수 있다(단계 704 및 단계 705).
단계(704)에서 DL 존에 있는 모든 파일럿 심볼에 대한 위상차 누적치 계산이 완료된 것으로 판단한 경우, 누적된 복소수(complex number) 단위의 제1 위상차 누적치는 아크탄젠트 연산을 통해 라디안(radian) 단위의 제2 위상차 누적치로 변환된다(단계 706). 단계(706)에서 수행되는 아크탄젠트(Arc-tangent) 연산에 대한 상세한 설명은 도 2의 설명으로 갈음한다.
단계(706)의 아크탄젠트 연산 결과로 생성된 라디안 단위의 제2 위상차 누적치는 주파수 단위의 값인 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환된다(단계 707).
도 2에서 상술한 것과 같이, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정 방법에서 라디안 단위의 제2 위상차 누적치를 이용하여 반송파 주파수 오프셋 보상이 수행되는 경우, 즉 라디안 단위의 제2 위상차 누적치로 통신 단말기의 오실레이터(oscillator)의 제어가 가능한 경우에는 단계(707)은 불필요할 수 있다.
상술한 단계(701) 내지 단계(707)을 통하여 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋 추정치가 생성된다. 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치는 통신 단말기의 오실레이터(oscillator)를 제어하기 위한 기준 신호로 사용된다(단계 708).
본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면, 상술한 반송파 주파수 오프셋 추정 방법은 추가적으로 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정이 안정적으로 수행될 수 있도록 평균(averaging) 연산을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 평균 연산 수행 단계를 포함함으로써, 채널 환경 등이 급격히 변화하여 통신 단말기가 측정한 반송파 주파수 오프셋이 부정확한 경우에도 안정적인 반송파 주파수 오프셋 추정이 수행될 수 있도록 할 수 있음을 상술한 것과 같다.
본 발명에 따른 통신 단말기에서 파일럿 심볼 간의 위상차를 측정하여 반송파 주파수 오프셋을 추정하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트 웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정 방법의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 8에 도시된 시뮬레이션 결과 그래프는, 채널은 AWGN(Additive White Gaussian Noise)이고, 목표(target) 반송파 주파수 오프셋은 500Hz를 가정한 것이다.
도 8의 (801)은 DL FUSC에서 IIR(Infinite Impulse Response) 필터의 계수에 따라 반송파 주파수 오프셋의 추적(tracking) 결과를 나타낸 그래프이다. 본 시뮬레이션에서 파일럿 심볼 간 거리는 2를 사용하였고, 그래프 상에 도시된 alpha는 IIR 필터의 계수를 의미한다. 도 8의 (801)을 보면, 계수(alpha)가 작을수록 응답 속도가 다소 느리고, 계수(alpha)가 클수록 과도응답이 커짐을 알 수 있다.
도 8의 (802)는 DL Band-AMC에서 민 스퀘어 에러(Mean Square Error; MSE) 관점의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. (802)에서 플롯팅 포인트(floating point)는 이상적인(ideal) 상황에서의 MSE 결과이고, 고정 포인트(fixed point)는 본 발명에 따른 반송파 주파수 오프셋 추정 알고리즘을 적용한 경우의 MSE 결과이다. 본 시뮬레이션에서 파일럿 심볼 간 거리는 3을 사용하였다. 도 8의 (802)를 보면, 본 발명에 따른 알고리즘을 적용한 결과 이상적인 상황에서의 MSE 결과와 거의 동일한 결과가 산출됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정기 및 그 방법에 의하면, 하향링크의 파일럿 심볼을 이용하여 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋을 각 프레임에 대해 측정하고, 측정된 결과를 이용하여 오실레이터에서 발생하는 반송파 주파수 에러를 보정하여 줄 수 있으므로, 반송파 주파수 에러에 의해 발생하는 수신 성능의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정기 및 그 방법에 의하면, 채널 환경의 급격한 변화와 같이 예기치 못한 상황이 발생되는 경우에도 안정적인 반송파 주파수 오프셋 추정이 수행될 수 있으므로, 통신 단말기의 안정적인 동작을 보장할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (26)

  1. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset) 추정기(estimator)에 있어서,
    수신신호에 포함된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심벌 간의 위상차를 계산하는 위상차(Phase Difference) 연산부;
    상기 위상차를 누적하여 위상차 누적치를 생성하는 위상차 누적부(accumulator); 및
    상기 위상차 누적치를 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환하는 연산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 오프셋 추정치는 라디안(radian) 단위를 갖는 값인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 오프셋 추정치는 주파수(frequency) 단위를 갖는 값인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 위상차 누적치에 대해 아크 탄젠트(arc-tangent) 연산을 수행하여 제2 위상차 누적치로 변환하는 아크 탄젠트 연산부; 및
    상기 제2 위상차 누적치를 상기 주파수(frequency) 단위를 갖는 값으로 변환하는 컨버전(conversion) 연산부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 아크 탄젠트 연산부는,
    하나 이상의 상기 위상차 누적치 및 상기 위상차 누적치에 대응하는 상기 제2 위상차 누적치를 기록하는 룩업 테이블
    을 포함하고,
    상기 아크 탄젠트 연산부는 상기 룩업 테이블을 참조하여 상기 위상차 누적치에 대응하는 상기 제2 위상차 누적치를 독출(read)하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 아크 탄젠트 연산부는 코딕(Cordic) 알고리즘을 이용하여 상기 위상차 누적치를 상기 제2 위상차 누적치로 변환하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신신호의 각 프레임 별로 측정된 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치에 대한 평균 값을 생성하는 평균(averaging) 연산부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 평균 연산부는 루프 필터(Loop Filter)로 구현되는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 위상차 연산부는,
    상기 파일럿 심볼의 선형 위상이 동일하지 아니한 경우, 선정된(predetermind) 보정값(calibration value)을 이용하여 파일럿 심볼의 선형 위상(linear phase)을 보정한 후 상기 파일럿 심볼의 상기 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 IEEE 802.16d/e 표준, WiBro, 및 WiMAX 중 어느 하나를 기반으로 하는 시스템인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 파일럿 심볼은 DL(Downlink) FUSC(Full Usage of Subchannel) 또는 DL Band-AMC 중 어느 하나의 채널 모드와 관련한 심볼 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위상차 누적부는 상기 채널 모드에 대응하는 DL 존(zone) 별로 상기 파일럿 심볼 간의 상기 위상차를 누적하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수신신호는 기저대역(baseband) 신호이고,
    상기 기저대역 신호를 푸리에 변환(Fourier Transform)하는 FFT(Fast Fourier Transform) 부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정기.
  14. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기에 있어서,
    상기 통신 시스템으로부터 전송된 하향링크 신호를 수신하는 수신부; 및
    상기 하향링크 신호에 포함된 파일럿 심볼을 추출하고, 상기 추출된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하여 반송파 주파수 오프셋 추정치를 생성하는 반송파 주파수 오프셋 추정기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 단말기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 파일럿 심볼은 DL(Downlink) FUSC(Full Usage of Subchannel) 또는 DL Band-AMC 중 어느 하나의 채널 모드와 관련한 심볼 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 단말기.
  16. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기에서 반송파 주파수 오프셋(carrier frequency offset)을 추정하는 방법에 있어서,
    수신신호에 포함된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심벌 간의 위상차를 연산하는 단계;
    상기 위상차를 누적하여 위상차 누적치를 생성하는 단계; 및
    상기 위상차 누적치를 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치로 변환하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주파수 오프셋 추정치는 라디안(radian) 단위를 갖는 값인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 주파수 오프셋 추정치는 주파수(frequency) 단위를 갖는 값인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반송파 주파수 오프셋 추정치를 변환하는 단계는
    상기 위상차 누적치에 대해 아크 탄젠트(arc-tangent) 연산을 수행하여 라디안(radian) 단위의 제2 위상차 누적치로 변환하는 단계; 및
    상기 제2 위상차 누적치를 상기 주파수(frequency) 단위를 갖는 값으로 변환하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 수신신호의 각 프레임 별로 측정된 상기 반송파 주파수 오프셋 추정치에 대한 평균 값을 생성하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 파일럿 심볼 간의 위상차를 연산하는 단계는,
    상기 수신신호를 푸리에 변환하는 단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 IEEE 802.16d/e 표준, WiBro, 및 WiMAX 중 어느 하나를 기반으로 하는 시스템인 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 파일럿 심볼은 DL(Downlink) FUSC(Full Usage of Subchannel) 또는 DL Band-AMC 중 어느 하나의 채널 모드와 관련한 심볼 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 위상차 누적치는 상기 채널 모드에 대응하는 DL 존(zone) 별로 상기 파일럿 심볼 간의 상기 위상차를 누적하는 것을 특징으로 하는 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  25. 직교 주파수 분할 다중(OFDM) 또는 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 지 원하는 통신 시스템에서 동작하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정 방법에 있어서,
    상기 통신 시스템으로부터 전송된 하향링크 신호를 수신하는 단계;
    상기 하향링크 신호에 포함된 파일럿 심볼을 추출하는 단계; 및
    상기 추출된 파일럿 심볼 중 선형 위상이 동일한 파일럿 심볼 간의 위상차를 계산하여 반송파 주파수 오프셋 추정치를 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 단말기의 반송파 주파수 오프셋 추정 방법.
  26. 제16항 내지 제25항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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