权利要求

무선통신시스템에서 상향링크 주파수 옵셋 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING UPLINK FREQUENCY OFFSET IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 억세스 채널의 송신 형태를 보여주는 도면.

도 2는 복수의 사용자 단말기들로부터 송신되는 랜덤 억세스 채널 신호들이 기지국에 동시에 수신되는 모습을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널 송신 장치를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널 수신장치를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신시스템에서 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 동작 절차를 도시하는 도면.

본 발명은 무선 통신시스템에서 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 랜덤 억세스 채널을 이용하여 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

근래, 차세대 무선통신 시스템이라 불리는 4세대(4th Generation) 시스템에서는 고속(약 100Mbps이상)의 전송 속도를 가지는 다양한 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 고속의 서비스를 제공하기 위해서 물리 계층 혹은 그 상위계층에서 다양한 기법들이 필요하게 되는데, 상기 물리 계층에서는 고속의 데이터 전송을 위해 하나의 회선(무선의 경우 한 조의 송수신기)을 분할하여 개별적으로 독립된 신호를 동시에 송수신 할 수 있는 다수의 통신로(이하 '채널'이라 칭하기로 한다)를 구성하는 기술로서 다중화(Multiplexing) 기술을 사용하고 있다. 대표적인 다중화 기술로는, 주파수 분할 다중화 (FDM: Frequency Division Multiplexing), 시간 분할 다중화(TDM: Time Division Multiplexing) 등이 존재한다. 특히, 상기 주파수 분할 다중화 기술 중 고속의 데이터 전송을 위한 직교 주파수 분할 다중(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식은, 현재 구현중인 4세대 무선통신 시스템에서 물리계층의 다중화 기술로 채택되어 연구되어 지고 있다.

상기 OFDM 방식은 멀티 캐리어(Multi Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(symbol)열을 병렬로 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(sub-carrier)들로 변조하여 전송하는 다중 반 송파 변조(MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.

상기 OFDM 방식은 고속의 데이터 전송에 적합하기 때문에 무선통신에서는 IEEE 802.11a, HIPERLAN/2의 고속 무선 LAN(Local Area Network), IEEE 802.16의 광대역 무선접속(BWA: Broadband Wireless Access), 디지털 오디오 방송(DAB: Digital Audio Broadcasting) 등에 표준방식으로 채택되었고, 유선통신에서도 ADSL(asymmetric digital subscriber line)과 VDSL(very high-data rate digital subscriber line)의 표준방식으로 채택되었다.

상기 OFDM 방식 통신시스템의 성능은 주파수 옵셋에 크게 영향을 받기 때문에, 이를 해결하고자 그동안 많은 연구가 이루어져왔다. 그러나 대부분의 연구는 기지국에서 브로드캐스트한 신호를 단말기에서 받아 처리하는 하향링크 상황을 가정한 것이고, 상향링크 상황을 가정한 주파수 옵셋 추정 및 보정 방법은 아직 미미한 상태이다.

상향 링크에서는 하향링크와 달리 여러 사용자의 신호가 더해져서 수신되기 때문에, 하향링크를 가정하여 연구된 기존의 주파수 옵셋 추정 및 보정 기법들을 상향링크에 직접적으로 적용하는 것은 불가능하다. 그래서 사용자별로 서로 다른 대역을 사용하게 한 뒤 대역별로 필터를 두어 사용자별 신호를 분리함으로써, 하향링크와 같은 상황을 만들고 기존 하향링크 주파수 옵셋 추정 방법을 적용하고자 한 이론적 시도가 있었다. 그러나 이 방법은 대역을 세밀하게 분리하는 필터가 사용자 수만큼 필요하기 때문에, 현실적으로 구현하기가 매우 어려운 문제가 있다.

상술한 바와 같이, 기존에는 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 기술이 전무한 실정이다. 특히, OFDM 기반의 시스템은 주파수 동기가 중요하기 때문에 상향링크 주파수 옵셋을 추정할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널을 이용해 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 통신시스템에서 주파수 옵셋 추정을 위한 랜덤 억세스 채널 신호를 송수신하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 동일한 2개의 시퀀스들로 구성되는 랜덤억세스채널을 사용하는 무선통신시스템에서의 송신 장치에 있어서, 수신되는 랜덤억세스채널 신호에서 상기 2개의 시퀀스들에 해당하는 샘플들을 추출하는 채널수신기와, 상기 채널수신기로부터의 샘플들중 소정 앞구간 샘플들과 뒷구간 샘플들을 미리 알고 있는 시퀀스와 상관하여 제1 및 제2상관값을 계산하는 상관기와, 상기 상관기로부터의 상기 제2상관값과 상기 제1상관값의 비를 이용해서 주파수 옵셋을 추정하는 주파수 옵셋 추정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 무선통신시스템에서의 송신 장치는, 기지국으로부터 할당받는 특정 시퀀스를 발생하는 코드 발생기와, 상기 코드 발생기로부터의 시퀀스를 한번 반복하여 출력하는 반복기와, 상기 반복기로부터의 샘플데이터의 앞과 뒤에 보호구간을 추가하여 기저대역 랜덤억세스채널 신호를 발생하는 보호구간 추가기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 동일한 2개의 시퀀스들로 구성되는 랜덤억세스채널을 사용하는 무선통신시스템에서 수신 방법에 있어서, 수신되는 랜덤억세스채널 신호에서 상기 2개의 시퀀스들에 해당하는 샘플들을 추출하는 과정과, 상기 추출된 샘플들중 소정 앞구간 샘플들과 뒷구간 샘플들을 미리 알고 있는 시퀀스와 상관하여 제1 및 제2상관값을 계산하는 과정과, 상기 제2상관값과 상기 제1상관값의 비를 이용해서 주파수 옵셋을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 무선통신시스템에서 상향링크 랜덤억세스채널 신호를 송신하기 위한 방법에 있어서, 기지국으로부터 할당받는 특정 시퀀스를 발생하는 과정과, 상기 발생된 시퀀스를 한번 반복하는 과정과, 상기 반복된 샘플데이터의 앞과 뒤에 보호구간을 추가하여 기저대역 랜덤억세스채널 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이 다.

이하 본 발명은 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널(예 : 레인징 채널)을 이용해 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 방안에 대해 살펴하기로 한다. 이하, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 시스템을 예를 들어 설명하지만, 본 발명은 주파수 동기를 필요로 하는 여타 시스템에도 용이하게 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 억세스 채널의 송신 형태를 보여준다.

도시된 바와 같이,

는 유효 OFDM심볼의 샘플 개수를 나타내고, 는 보호구간의 샘플 개수를 나타내며, 은 OFDM심볼을 구성하는 샘플 개수를 나타낸다. 여기서, 는 시스템에서 사용되는 FFT(또는 IFFT)의 사이즈와 동일하다. 이와 같이, 본 발명에 따른 랜덤 억세스 채널 신호는, 길이의 PN(Pseudo Noise) 시퀀스(코드)를 1번 반복하고, 상기 PN시퀀스의 소정 뒷부분(C 부분)을 복사하여 상기 반복된 시퀀스의 앞에 붙이고, 상기 PN시퀀스의 소정 앞부분(A 부분)을 복사하여 상기 반복된 시퀀스의 뒤에 붙여 구성된다. 즉, 단말기는 사용 가능한 PN시퀀스들 가운데 하나를 선정하고, 상기 선정된 PN시퀀스를 가지고 도 1과 같은 랜덤 억세스 채널 신호를 생성하여 기지국으로 송신한다. 상기 생성된 랜덤 억세스 채널 신호의 앞 부분( )과 뒷 부분( )은 보호구간이다. 상기 보호구간은 서로 다른 사용자들의 랜덤 억세스 채널 신호들이 서로 다른 시간 옵셋을 가지고 기 지국에 도착했을 경우, 랜덤 억세스 채널 신호들 사이의 교차상관 특성이 낮게 유지될 수 있도록 추가되는 구간이다.

도 2는 복수의 사용자 단말기들로부터 송신되는 랜덤 억세스 채널 신호들이 기지국에 동시에 수신되는 모습을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 기지국은 도 1과 같이 송신되는 랜덤 억세스 채널 신호를 수신하기 위해 3개의

구간들을 할당한다. 그리고 이 구간 내에서 만큼의 샘플들을 매 샘플 타이밍마다 읽어 랜덤 억세스 코드(또는 레인징 코드)의 도착여부를 탐지한다. 특정 랜덤 억세스 코드의 도착이 감지되면, 상기 기지국은 랜덤 억세스 채널 신호의 반복 특성을 이용해서 주파수 옵셋을 추정한다. 이렇게 추정된 주파수 옵셋은 해당 단말로 피드백되어 단말의 주파수 옵셋 보정에 사용된다.

이하, 수식의 참조와 함께 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, n번째 샘플타이밍에 수신된 신호

은 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서,

은 번째 랜덤 억세스 코드(또는 레인징 코드)에 해당하는 PN시퀀스를 나타내고, 이다. 는 단말기로부터의 신호들이 도착하 도록 하는 목표 시점을 고려하여 결정한 값(시간)으로, 기지국으로부터 단말기 사이의 왕복 전송 지연(RTD: Round Trip Delay)보다 큰 값으로 고정된다.

은 번째 랜덤 억세스 코드가 기지국에 도착하는 시점과, 슬롯 시작으로부터 시간 이후 시점 사이의 시간 옵셋이다. 따라서, 번째 랜덤 억세스 코드가 슬롯 시작으로부터 시간 이후 시점보다 늦게 수신되면 상기 값은 양수이고, 상기 시간 이후 시점보다 먼저 수신되면 상기 값은 음수가 된다.

은 번째 랜덤 억세스 코드를 사용하는 사용자 단말기의 송신 오실레이터(oscillator) 주파수와 기지국 수신 오실레이터 주파수 사이의 주파수 옵셋을 나타낸다. 은 번째 랜덤 억세스 코드를 사용하는 단말기의 송신 오실레이터와 기지국 수신 오실레이터 사이의 초기 위상차를 나타낸다. 이 값은 등화기를 통해 보상되는 것으로, 본 발명에서는 이 값에 관련된 추정 및 보상에 대해서는 고려하지 않기로 한다.

기지국은 특정 랜덤 억세스 코드

을 송신한 사용자의 시간 옵셋 및 주파수 옵셋을 찾기 위해 매 샘플 타이밍에서 획득된 개의 샘플들중 앞부분 개의 샘플들과 상기 를 상관하고, 또한 뒷부분 개의 샘플들도 상기 와 상관한다. 이 두 번의 상관결과가 모두 기준값보다 클 경우, 그 시점을 코드가 도착한 시점으로 판정한다.

구체적으로, 기지국의 샘플링 시작점이 n일 때, 앞부분

개의 샘플들과 의 상관은 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

그리고, 뒷부분

개의 샘플들과 의 상관은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

일 경우, 상기 수학식 2는 다음 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 4의 두 번째 줄에서 첫 번째 항은

인 반면, 두 번째 항은 '0'에 가까운 값을 갖는다.

마찬가지로,

일 경우, 상기 수학식 3은 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

마찬가지로, 상기 수학식 5의 두 번째 줄에서 첫 번째 항은

인 반면, 두 번째 항은 '0'에 가까운 값을 갖는다.

따라서, 기지국은 특정 랜덤 억세스 코드

을 상기 수학식 2와 상기 수학식 3과 같이 수신신호와 상관하다가 두 상관결과가 모두 기준값보다 크게 발생하는 시점을 찾아 시간 옵셋 을 계산한다.

한편, 다음 수학식 6과 같이 2개의 상관값들을 나누어 위상성분을 추출한다.

그리고, 다음 수학식 7과 같이 주파수 옵셋(

)을 추정한다.

이하, 구체적인 실시예를 도면의 참조와 함께 상세히 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널 송신 장치를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 랜덤 억세스 채널 송신장치는, 랜덤 억세스 코드 발생기(300), 반복기(302), 보호구간 (C,A) 추가기(304), D/A변환기(306) 및 RF처리기(308)를 포함하여 구성된다.

도 3을 참조하면, 제어기(도시하지 않음)로부터 랜덤억세스코드에 대한 정보가 랜덤억세스코드 발생기(300)에 입력되면, 상기 랜덤억세스코드 발생기(300)는 상기 입력된 코드 번호에 해당하는 랜덤억세스코드(예 : PN시퀀스)를 발생한다.

반복기(302)는 상기 랜덤억세스코드 발생기(300)로부터의 특정 시퀀스를 연속하여 1번 반복하여 출력한다. 보호구간 추가기(302)는 상기 반복기(302)로부터의

길이의 샘플데이터의 앞과 뒤에 보호구간(C, A)을 추가하여 기저대역 랜덤억세스채널 신호를 출력한다. 이렇게 생성된 랜덤엑스채널 신호는 주파수 옵셋 추정을 요구하는 모든 시스템에 사용될 수 있다.

디지털/아날로그 변환기(306)는 상기 보호구간 추가기(304)로부터의 샘플데이터를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. RF처리기(308)는 필터(filter)와 전처리기(front and unit) 등을 포함하며, 상기 디지털/아날로그 변환기(306)로부터의 신호를 실제 전송 가능하도록 RF처리한후 안테나를 통해 기지국으로 전송한다.

도 4는 본 발명에 따른 무선 통신시스템에서 랜덤 억세스 채널 수신장치를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 랜덤 억세스 채널 수신장치는, RF처리기(400), A/D변환기(402), 샘플추출기(404), 스위치(406), 지연기(408), 곱셈기들(410,412), 랜덤억세스코드 발생기(414), 공액 발생기(416), 가산기들(418,420) 및 시간/주파수 옵셋 추정기(422)를 포함하여 구성된다.

도 3을 참조하면, 먼저 RF처리기(400)는 전처리기(front end unit)와 필터 등을 포함하며, 안테나를 통해 수신되는 RF대역의 신호를 기저대역 신호로 변환하여 출력한다. 아날로그/디지털 변환기(402)는 상기 RF처리기(400)로부터의 아날로그 기저대역 신호를 디지털 신호(샘플데이터)로 변환하여 출력한다.

샘플추출기(404)는 상기 아날로그/디지털 변환기(402)로부터의 샘플데이터중 소정 기준(슬롯 시작점)에서 m(m=0,1,2..)번 이동된 위치로부터

개의 샘플들을 추출하여 출력한다. 스위치(406)는 상기 샘플추출기(404)로부터의 개의 샘플들중 앞구간 개의 샘플들은 지연기(408)로 출력하고, 뒷구간 개의 샘 플들은 곱셈기(412)로 출력한다. 상기 지연기(408)는 상기 스위치(406)로부터의 샘플들을 소정시간 지연시켜 출력한다.

랜덤억세스코드 발생기(414)는 제어기(도시하지 않음)의 제어하에 특정 랜덤억세스코드(예 : PN시퀀스)를 발생한다. 공액발생기(416)는 상기 랜덤억세스코드 발생기(414)로부터의 시퀀스를 공액 복소수화하여 출력한다.

곱셈기(410)는 상기 지연기(410)로부터의 상기 앞구간 샘플들과 상기 공액발생기(416)로부터의 시퀀스를 곱하여 출력한다. 가산기(418)는 상기 곱셈기(410)로부터의

개의 값들을 가산하여 제1상관값을 출력한다. 곱셈기(412)는 상기 스위치(406)로부터의 상기 뒷구간 샘플들과 상기 공액발생기(416)로부터의 시퀀스를 곱하여 출력한다. 가산기(420)는 상기 곱셈기(412)로부터의 개의 값들을 가산하여 제2상관값을 출력한다.

시간/주파수 옵셋 추정기(422)는 상기 제1상관값과 상기 제2상관값을 이용해 시간 옵셋(TO : Time Offset)과 주파수 옵셋(FO : Frequency Offset)을 추정하여 출력한다. 구체적으로, 상기 시간/주파수 옵셋 추정기(422)는 상기 제1상관값과 상기 제2상관값을 평균 상관값과 비교하여 특정 수준 이상인지 판단한다. 상기 제1상관값과 상기 제2상관값 모두 특정 수준 이상이면, 상기 제2상관값과 제1상관값의 비가 특정 수준 이하인지 판단한다. 이 두 상관값들의 비가 특정 수준 이하이면, 상기 시간/주파수 옵셋 추정기(422)는 랜덤억세스코드가 수신된 것으로 판단하여 수신 시점의 샘플링 인덱스(또는 시간 인덱스)를 이용해 시간 옵셋을 추정한다. 또한, 상기 시간/주파수 옵셋 추정기(422)는 상기 수학식 6과 상기 수학식 7에서 설명한 바와 같이 상기 제2상관값을 상기 제1상관값으로 나누어 위상값을 추출하고, 상기 위상값을

로 나누어 주파수 옵셋을 추정한다. 이렇게 추정된 시간 옵셋 및 주파수 옵셋은 해당 단말기로 피드백되어 상향링크 시간 옵셋 및 주파수 옵셋을 보정하는데 사용된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신시스템에서 상향링크 주파수 옵셋을 추정하기 위한 동작 절차를 도시하고 있다.

도 5를 참조하면, 먼저 기지국은 501단계에서 시간 인덱스 m을 순차로 증가한다. 이후, 상기 기지국은 503단계에서 수신되는 샘플데이터에 대하여 소정 기준(슬롯 시작점)에서 m번 이동된 위치로부터

개의 샘플들을 추출한다.

이후, 상기 기지국은 505단계에서 상기 추출된 샘플들중 앞구간

개의 샘플들과 미리 알고 있는 랜덤억세스코드(또는 레인징코드)를 상관하여 제1상관값을 계산한다. 그리고, 상기 기지국은 509단계에서 상기 제1상관값을 평균 상관값으로 나눈 값의 절대값을 계산하고, 상기 절대값이 소정 제1기준값보다 큰지를 판단한다. 이때, 상기 절대값이 상기 제1기준값보다 작거나 같으면, 상기 기지국은 513단계에서 상기 평균 상관값을 갱신한다. 반면, 상기 절대값이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 기지국은 515단계로 진행한다.

또한, 상기 기지국은 507단계에서 상기 추출된 샘플들중 뒷구간

개의 샘플들과 미리 알고 있는 랜덤억세스코드(또는 레인징코드)를 상관하여 제2상관값을 계산한다. 그리고, 상기 기지국은 511단계에서 상기 제2상관값을 평균 상관값으로 나눈 값의 절대값을 계산하고, 상기 절대값이 상기 제1기준값보다 큰지를 판단한다. 이때, 상기 절대값이 상기 제1기준값보다 작거나 같으면, 상기 기지국은 상기 513단계에서 상기 평균 상관값을 갱신한다. 반면, 상기 절대값이 상기 제1기준값보다 크면, 상기 기지국은 상기 515단계로 진행한다.

한편, 상기 기지국은 상기 515단계에서 상기 제2상관값을 상기 제1상관값으로 나눈 값의 절대값(이하 "비의 절대값"이라 칭함)을 계산하고, 상기 계산된 비의 절대값이 소정 제2기준값보다 작은지를 판단한다. 만일, 상기 비의 절대값이 상기 제2기준값보다 크거나 같으면, 상기 기지국은 상기 513단계로 진행하여 상기 평균 상관값을 갱신한다.

만일, 상기 비의 절대값이 상기 제2기준값보다 작으면, 상기 기지국은 517단계로 진행하여 랜덤억세스코드가 수신된 것으로 판단하여 수신 시점(또는 피크 검출 시점)의 시간 인덱스(m)를 이용하여 시간 옵셋(TO : Time Offset)을 추정한다. 그리고, 상기 기지국은 519단계에서 상기 수학식 6과 상기 수학식 7에서 설명한 바와 같이 상기 제2상관값을 상기 제1상관값으로 나누어 위상값을 추출하고, 상기 위상값을

로 나누어 주파수 옵셋(FO : Frequency Offset)을 추정한다. 이렇게 추정된 시간 옵셋 및 주파수 옵셋은 해당 단말기로 피드백되어 상향링크 시간 옵셋 및 주파수 옵셋을 보정하는데 사용된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 주파수 동기가 중요한 무선통신시스템에서 상향링크 주파수 옵셋을 정확히 추정할 수 있는 이점이 있다. 본 발명에 따른 주파수 옵셋 추정 기술은 기존에 운용되는 랜덤 억세스 채널을 이용하기 때문에 별도의 자원할당이 필요하지 않은 이점이 있다.