이동통신시스템에서 속도추정 장치 및 방법 document_id A220623110668

무선이동 통신시스템은 한정된 주파수 및 채널 자원 내에서 대용량 멀티미디어 패킷 서비스를 지원하기 위해서는 정확한 채널 정보를 이용한 자원할당이 필요하다. 채널상태를 나타내는 중요한 채널 특성 중의 하나로써, 효율적인 무선자원 관리를 위해 사용자의 속도가 이용된다. 예를 들어, 이동통신 시스템에서 자원할당할 이동 단말을 결정해야 하는 경우, 상기 이동 단말의 속도정보를 이용하여 자신의 셀 내에 오래 머물러 있을 단말인지를 결정할 수 있다. 종래에 단말의 속도를 추정하기 위한 방법으로, 시간 영역에서 수신 신호의 자기 상관 함수(Auto-correlation)를 이용하는 방법과 공분산(Covariance) 함수를 이용하는 방법 등이 있다. 상기 수신 신호의 자기 상관 함수를 이용하는 방법과 공분산 함수를 이용하는 방법에서, 속도 추정은 수신신호의 최대 도플러 주파수(maximum Doppler frequency)를 측정하여 상기 최대 도플러 주파수와 일대일 대응(mapping)되는 속도를 찾는다. 즉, 종래의 속도 추정은 도플러 속도(Doppler spread)에 따른 자기 상관 함수나 공분산의 변화를 예측하여 속도를 추정한다. 이러한 속도추정 방법들은 충분한 측정시간을 가정할 경우, 고속, 중속, 혹은 저속의 환경에 상관없이 정확한 단말의 속도를 추정할 수 있다. 하지만, 실시간으로 변하고 있는 이동 단말의 속도를 측정하기 위해서는 시간에 제한을 받을 수밖에 없다. 특히 저속의 환경에서 속도 추정 오차가 커지는 단점이 있다. 또한 잡음에 의한 영향도 저속의 환경에서 심하게 받기 때문에, 저속의 이동 단말을 신뢰성 있게 구별할 수 없는 문제점이 발생하게 된다. 도 1은 종래기술에서 도플러 주파수에 따른 속도 추정 오류를 나타내는 그래프이다. 상기 도 1을 참조하면, 가로축은 일반화된 도플러 주파수(fdTs)이고, 세로축은 평균 오차 값이다. fd는 최대 도플러 주파수이고, Ts는 샘플링 주기이다. 실험환경은 레일리 페이딩(Rayleigh fading) 환경에서 신호대잡읍비(Signal to Noise Ratio: SNR)가 10dB와 20dB인 신호에 대하여 매 1000개의 샘플을 이용하여 추정한 결과에 대한 평균 오차 값이다. 그래프 결과를 보면, SNR이 높은 20dB 환경에서 속도가 높은 영역인 에서는 평균 오차가 10-1 이하를 유지하지만, 속도가 낮은 영역인 에서는 평균 오차가 급격히 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 현상은 SNR이 10dB로 낮아지면 급격히 증가하여 SNR=10dB 환경에서는 의 구간에서만 신뢰성 있는 추정 결과를 얻을 수 있다. 실제로 2GHz 대역을 사용하는 이동통신시스템에서 1k의 심볼율(symbol rate)을 적용한 경우에 fdTs=0.05에 해당하는 이동 단말의 속도는 27km/h에 해당한다. 따라서 종래 기술을 적용한 경우에 SNR이 20dB 정도로 충분히 높다고 하여도 영역에서 단말의 속도는 부정확하게 추정될 수 있다. 종래 기술에서, 저속도의 단말 속도 추정시 큰 오차를 보이는 현상은 크게 세 가지 원인으로 설명할 수 있다. 첫 번째 원인은 최대 도플러 주파수를 추정하기 위해 사용되는 베셀함수(Bessel function)의 역(inverse)이 저속도( )에서 더 민감하게 동작하는 것이다. 도 2는 종래 기술에 따른 베셀함수와 제곱 베셀함수(squared bessel function) 그래프를 도시하고 있다. 상기 도 1을 참조하면, 속도가 높은 'B' 영역 에서 측정되는 평균 오차 값의 변화에 대한 추정되는 의 변화가 작다. 반면 속도가 낮은 'A" 영역 에서는 측정되는 평균오차 값의 변화에 대한 추정되는 의 변화가 많이 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 측정구간이 짧아지면서 측정신호의 순시변화가 커질수록 두드러지게 나타난다. 두 번째 원인은 부가잡음에 의한 오버 바이어스(over bias) 현상이 미치는 영향이 속도가 낮은 영역에서 더 두드러지게 나타나기 때문이다. 즉, 부가잡음은 이동 단말의 속도와 상관없이 샘플링 주기와 SNR에 의해 일정하게 나타나게 되므로, 낮은 속도 영역에서 측정값의 변화에 민감한 특징으로 부가잡음의 영향은 속도가 낮은 영역에서 상대적으로 커지게 된다. 마지막으로, 만일 속도 추정시 SNR 값을 알고 있지 못할 경우, 잡음에 의해 측정값의 왜곡이 발생한다. 도 3은 종래기술에 다른 SNR이 10dB와 20dB인 경우에 추정 평균값을 나타내는 그래프이다. 상기 도 3을 참조하면, 가로축은 일반화된 도플러 주파수(fdTs)이고, 세로축은 추정된 도플러 주파수이다. fd는 최대 도플러 주파수이고, Ts는 샘플링 주기이다. 결과를 보면 부가잡음이 있는 경우에 속도가 낮은 영역에서의 오버 바이어스 현상이 매우 심각하게 나타남을 알 수 있다. 따라서, 이동통신시스템에서 저속도의 단말을 오차 없이 추정하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.