무선 통신 시스템에서 주파수 추정 방법 및 장치 document_id A220623061219

직교 주파수 분할 다중화(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송 방식은 다중 반송파 변조 방식의 한 종류로서 1990년대 초반 이후 VLSI(Very Large Scale Integration) 기술의 발전에 따라서 각광 받기 시작한 기술이다. OFDM 전송 방식은 상호간 직교성(orthogonality)을 유지하는 부반송파에 데이터를 병렬 전송함을 특징으로 하며 FFT(Fast Fourier Transform) 사용하여 간단하게 구현될 수 있다. 이와 같은 OFDM 시스템은 단일 주파수 변조 방식(single carrier modulation scheme)에 비해 전송 대역을 효율적으로 사용할 수 있어 광대역 전송 방식에 많이 적용되고 있다. 수신 특성에 있어서 OFDM 전송 방식은 단일 반송파 전송 방식에 비해 주파수 선택적 다중 경로 페이딩 채널(frequency selective multi-path fading channel)에 강한 특성을 보인다. 이것은 수신기의 입력 신호 특성이 복수 개의 부반송파가 차지하는 대역에 있어서는 주파수 선택적 채널이 되지만 각각의 부반송파 대역에 있어서는 주파수 비선택적 채널(frequency nonselective channel)이 되므로 간단한 채널 등화 과정을 거쳐서 쉽게 채널 보상이 가능하기 때문이다. 특히, 각각의 OFDM 심벌 앞에는 그 OFDM 심벌의 후반부를 복사하여 전송하는 순환 전치 심벌 (cyclic prefix)을 전송함으로써 이전 심벌로부터의 간섭 성분(inter-symbol interference, ISI)을 제거할 수 있다. 따라서 이와 같은 다중 경로 페이딩 채널에 강한 특성은 OFDM 전송 방식을 광대역 고속 통신에 적합한 전송 방식이 되도록 한다. OFDM 시스템의 반송파 주파수 동기 알고리듬은 송수신기들간의 반송파 주파수 오프셋을 보정하는 기능을 수행하는데 반송파 주파수 오프셋은 주로 송수신기들간의 오실레이터(oscillator) 주파수의 차이 및 도플러 주파수 오프셋에 의해 발생된다. 수신단(Rx)으로 입력되는 신호의 반송파 주파수 오프셋은 부반송파 간격보다 클 수 있다. 이와 같이 부반송파 간격의 정수배에 해당되는 반송파 주파수 오프셋을 보정하는 과정을 초기 반송파 주파수 동기로 정의하고, 부반송파 간격의 소수배에 해당되는 반송파 주파수 오프셋을 보정하는 과정을 미세 반송파 주파수 동기로 정의한다. 부반송파의 정수배에 해당되는 오프셋은 전송된 OFDM 신호를 주파수 영역에서 부반송파 단위의 정수배만큼 이동시키므로 FFT 출력 시퀀스를 그 정수배만큼 이동시키는 역할을 하게 된다. 반면, 부반송파의 소수배에 해당되는 오프셋은 FFT 출력 상호간에 간섭을 일으켜 심각한 BER(bit error rate) 성능 저하를 일으키게 된다. 일반적으로 OFDM 시스템에서는 단일 반송파 전송 시스템에 비해 반송파 주파수 오프셋으로 인한 성능 저하가 상대적으로 큰 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 미세 반송파 주파수 보정 방식을 위한 것이다. 주파수 오프셋을 추정하는 기존의 방식은 크게 두 가지로 구분될 수 있다. 하나는 시간 영역에서의 블라인드 주파수 오프셋 추정 방식이며, 다른 방식은 주파수 영역에서의 특정 심벌 패턴을 가정하는 주파수 오프셋 추정 방식이다. 기존 주파수 추정 방식인 블라인드 주파수 오프셋 추정 방식은 CP(Cyclic Prefix)를 사용하는 방식으로 CP가 한 OFDM 심벌의 뒷부분을 복사하여 그 심벌의 앞에 전송하는 점을 이용한다. 즉, CP와 동일한 패턴이 OFDM 심벌의 뒷부분에 전송되므로 이를 이용하여 상관(correlation)을 구하면 해당 상관(correlation) 출력의 각 변동량이 주파수 오프셋에 해당된다는 사실을 이용하는 방식이다. 이러한 방식은 널리 사용되어 왔으나, 멀티패스가 증가할수록 주파수 오프셋 추정 성능이 급격하게 열화 되며, CP에 DC offset이 있는 경우 주파수 오프셋 추정값에 바이어스(bias)를 일으켜 주파수 추정 성능을 저하시키게 된다. 다른 주파수 추정 방법은 연속된 두 OFDM 심벌에 동일한 패턴이 전송됨을 가정하고, 동일한 부반송파(subcarrier)에 대하여 두 연속된 OFDM 심벌로부터의 신호 사이의 상관(correlation)을 구하면 해당 상관(correlation) 출력의 각 변동량이 주파수 오프셋에 해당된다는 사실을 이용하는 방식이다. 블라인드 주파수 오프셋 추정 방식이 시간영역에서의 처리 방식이라면, 연속된 OFDM 심벌을 전송하는 방식은 주파수 영역에서의 처리 방식이며, 따라서 채널 특성에 따른 성능이 달라진다. 다수의 기지국으로부터 신호를 수신해야 하는 셀룰러 환경하에서 단말이 이동하는 경우 각 기지국으로부터의 수신 신호가 갖는 주파수 오프셋 값이 달라질 수 있다. 특히, 셀 가장자리(cell edge)에서 고속으로 이동하는 환경에서는 이와 같은 현상이 빈번히 발생될 수 있으며, 이때, 서빙 셀(serving cell)로부터의 복조 성능이 다른 기지국으로부터 수신되는 신호의 주파수 오프셋으로 인하여 크게 열화될 수 있다. 기존의 OFDM 수신기에서 사용되는 주파수 동기화 방법 중, 한 OFDM 심벌 내에서 CP를 사용하는 시간 영역의 주파수 오프셋 추정 방식은 상기 셀룰러 환경에서 모든 기지국으로부터의 신호로부터 주파수 오프셋 값을 추정하게 된다. 따라서 서빙 셀(또는 서빙 기지국)로부터의 신호는 다른 기지국으로부터의 수신 신호에 영향을 받아 주파수 오프셋 값이 커질 수 있고 이로 인한 수신 BER 성능이 크게 저하될 수 있다. 반면, OFDM 수신기의 주파수 영역에서의 주파수 오프셋을 추정하는 기존의 방식은 연속된 OFDM 심벌이 동일한 심벌이며 동일한 부반송파(subcarrier)간에서 주파수 오프셋을 추정하는 알고리듬을 사용한다. 그러나 LTE 시스템은 상기 가정하는 연속된 두 OFDM 심벌이 동일한 심벌 패턴(pattern)을 제공하지 않음에 따라서 주파수 영역에서의 기존 주파수 추정 방식은 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다.