ＧＰＳ 수신기를 사용하지 않는 와이브로 시스템의 소수배주파수 동기 획득 방법 및 장치 document_id A220623047708

차세대 이동통신 시스템에 있어서 기지국 증설 비용을 줄이는 동시에 서비스 셀의 반경을 확장하고 혼잡한 지역에 대한 용량을 확대하기 위하여 초소형 기지국과 지능화된 무선 중계기의 도입이 필수적이다. 새롭게 시스템에 추가된 장치가 고품질의 데이터를 단말에 전송하기 위하여 무선 중계기 네트워크 동기 및 시스템 클럭 동기 과정이 중요한 요소 기술이 된다. 특히, 차세대 이동통신 시스템으로 개발 중인 와이브로(WiBro) 시스템에서 초소형 기지국과 무선 중계기가 고품질의 데이터를 서비스 지역의 단말에 전달하기 위하여는 안정적인 시간 동기 및 주파수 동기가 유지되어야 한다. 이때 정확한 시간 동기 및 주파수 동기를 위하여 원자시계를 구비한 GPS 위성의 신호를 수신하여 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 다수의 무선 장치가 모두 GPS 수신기를 사용하여 시간 동기 및 주파수 동기를 유지하는 경우 비용이 급격히 증가하는 문제와 대부분의 실내에서 GPS 신호의 수신이 불가능하여 설치를 제한받는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 GPS 수신기를 사용하지 않고 목적 기지국(인접한 기지국 중 신호의 수신 상태가 가장 양호한 기지국)으로부터 무선 채널을 통해 수신되는 와이브로 프레임 신호를 바탕으로 시간 및 주파수 동기를 획득하는 방법을 생각해 볼 수 있다. GPS 수신기를 사용하지 않는 시간 및 주파수 동기를 위하여 일반적인 OFDM 동기화 과정을 적용할 수 있다. Paul H. Moose은 "A Technique for Orthogonal Frequency Division Multiplexing Frequency Offset Correction(IEEE Trans. Communications, vol.42, No.10, Oct 1994, pp2908-2914 참조)"을 통해 일반적인 OFDM 전송 방식에 대한 고속의 프레임 신호 검출 및 시간 및 주파수 동기 획득 방식을 제안하였다. Moose의 방식은 시간 영역에서의 상관 값을 이용하는 방식으로 그 원리를 간략히 서술하면 다음과 같다. 도 1은 Moose 방식에 의한 시간 동기 획득 방식을 도시한 참고도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 동일한 복소수 값을 갖는 길이 L의 두 훈련심볼(training symbol)을 프리엠블(preamble)로 전송하고, 수신 단에서는 동기 획득을 위하여 길이 2L의 시간 윈도우를 설정한 후 이하에 [수학식 1]로 정의된 타이밍 매트릭(timing metric) M(d)를 이용하여 시간 동기를 획득한다. 여기서 d는 첫번째 훈련 심볼에 대한 시간 인덱스(time index)를 나타낸다. P(d)는 시간 영역에서의 상관 값으로서 다음과 같이 연속적으로 수신된 훈련 심볼 간의 곱의 합으로 표현된다. R(d)는 수신된 두번째 훈련 심볼의 에너지 값으로 다음과 같은 수식으로 나타낸다. 한편, [수학식 1]에 의하여 시간 동기를 획득한 이후에는 최적의 시간 동기와 시간 영역에서의 상관값을 나타낸 [수학식 2]를 이용하여 주파수 옵셋을 추정한다. 주파수 옵셋은 다음과 같은 식으로 표현된다. 이제, 전술한 시간 영역에서의 상관 값을 이용한 Moose 방식에 의한 동기 획득 과정을 와이브로 시스템에 적용해 본다. 와이브로 시스템의 경우 수신 단에 시간 및 주파수 동기를 획득하기 위하여 프레임의 첫번째 OFDM 심볼을 프리엠블로 전송한다. 이러한 프리엠블은 각 284개의 부반송파(subcarrier)를 가지는 3종류의 프리엠블 부집합(segment)으로 구성된다. 이와 같이 프레임의 첫번째 OFDM 심볼이 시간 영역에서 세 개의 동일한 훈련 심볼로 이루어져 있으므로, 인접한 두 훈련 심볼에 대하여 전술한 일반적인 OFDM 동기화 과정(Moose 방식)을 그대로 적용할 수 있다. 즉, 인접한 두 훈련 심볼에 대하여 [수학식 1]에 표현된 타이밍 매트릭(timing metric) M(d)을 적용하여 시간 동기를 획득할 수 있다. 또한, 획득된 최적의 시간 동기와 시간 영역에서의 상관값(수학식 2)을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 [수학식 4]를 적용하여 주파수 동기를 획득할 수 있다. 그러나, Moose 방식을 적용한 주파수 동기 획득 방법은 다양한 간섭 신호가 존재하는 실제 와이브로 환경에 적용하기 어려운 문제점이 있다. 무선 채널을 통해 수신되는 신호는 목적 기지국 신호 뿐만 아니라 주변의 타 기지국 또는 중계기의 신호 등 다양한 간섭 신호와의 합으로서, 이 간섭 신호의 영향을 받아 정밀한 주파수 옵셋 추정이 어렵기 때문이다. 특히 도심의 핫스팟 지역에 설치된 중계기의 경우 간섭 신호의 영향이 매우 크게 증가하게 된다. 실제로 와이브로 무선 중계기의 주파수 동기에 관한 요구사항은 다음과 같다. 기지국의 기준 주파수 정확도에 대한 요구사항은 2 PPM 내외이고 핸드오프(handoff)를 위해 요구되는 기지국 간 주파수 동기 정확도는 OFDM 부반송파 간격의 1%로서 약 97Hz 옵셋의 주파수 동기 정확도를 요구한다. 따라서, 핸드오프를 지원하기 위해 요구되는 하나의 기지국의 주파수 동기 정확도는 약 48Hz가 된다. 이와 같이 무선 중계기가 기지국의 신호를 중계하여 고품질의 데이터를 서비스 지역 내의 단말에 전송하고 특히 핸드오프를 지원하기 위해서는 안정적으로 주파수 동기 요구사항(주파수 동기 정확도 약 48Hz)를 만족하는 정확한 주파수 동기가 필수적이다. 그러나, 전술한 시간 영역에서의 상관값을 이용하여 주파수 옵셋을 추정하는 Moose 방식을 적용하는 경우, 무선 링크에 다양한 간섭 신호가 존재하는 와이브로 환경에서 48Hz 정도의 주파수 동기 정확도를 충족하는 정밀한 주파수 옵셋 추정이 매우 어렵다는 문제점이 있다.