[국내논문]3GPP LTE FDD/TDD 듀얼 모드 하향 링크 수신기를 위한 개선된 주파수 동기 알고리즘 An Enhanced Frequency Synchronization Algorithm for 3GPP LTE FDD/TDD Dual Mode Downlink Receiver원문보기
본 논문에서는 3GPP(3rd GenerationPartnershipProject) LTE(Long Term Evolution) FDD(Frequency Division Duplexing) / TDD(Time Division Duplexing) 듀얼 모드 하향 링크 수신기를 위한 주파수 동기 알고리즘을 제안한다. 일반적으로 3GPP LTE OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서의 대략적 주파수 동기는 PSS(Primary Synchronization Signal)를 이용한 상관 방식이 적용되며, 미세 주파수 동기는 OFDMA 심볼의 보호 구간(CP: Cyclic Prefix) 상관 방식이 적용된다. 그러나 기존의 대략적 주파수 동기 알고리즘들은 페이딩 환경에서 상관 패턴의 열화와 잡음의 제곱으로 인한 SNR(Signal to Noise Ratio) 손실로 충분한 성능 이득을 얻지 못한다. 또한 주파수 분할을 통하여 양방향 송수신되는 FDD 모드와 달리 TDD 모드에서는 상향링크 구간과 하향링크 구간이 시분할로 전송되기 때문에 TDD 모드에서 기존 미세 주파수 동기 알고리즘은 상향링크와 하향링크의 신호 전력의 차이로 인해 안정적인 동작을 수행할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 기존 방식의 문제점을 분석하고, 이를 기반으로 3GPP LTE FDD 모드뿐 아니라, TDD 모드에서도 안정적인 동작이 가능한 주파수 동기 알고리즘을 제안하였다. 다양한 환경에서의 컴퓨터 모의실험을 통해 제안된 주파수 동기 알고리즘은 기존 방식들에 비해 우수한 성능을 보이며, 3GPP LTE FDD/TDD 듀얼 모드 하향 링크 수신기에서 안정적인 동작이 가능함을 입증하였다.
본 논문에서는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) FDD(Frequency Division Duplexing) / TDD(Time Division Duplexing) 듀얼 모드 하향 링크 수신기를 위한 주파수 동기 알고리즘을 제안한다. 일반적으로 3GPP LTE OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템에서의 대략적 주파수 동기는 PSS(Primary Synchronization Signal)를 이용한 상관 방식이 적용되며, 미세 주파수 동기는 OFDMA 심볼의 보호 구간(CP: Cyclic Prefix) 상관 방식이 적용된다. 그러나 기존의 대략적 주파수 동기 알고리즘들은 페이딩 환경에서 상관 패턴의 열화와 잡음의 제곱으로 인한 SNR(Signal to Noise Ratio) 손실로 충분한 성능 이득을 얻지 못한다. 또한 주파수 분할을 통하여 양방향 송수신되는 FDD 모드와 달리 TDD 모드에서는 상향링크 구간과 하향링크 구간이 시분할로 전송되기 때문에 TDD 모드에서 기존 미세 주파수 동기 알고리즘은 상향링크와 하향링크의 신호 전력의 차이로 인해 안정적인 동작을 수행할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 기존 방식의 문제점을 분석하고, 이를 기반으로 3GPP LTE FDD 모드뿐 아니라, TDD 모드에서도 안정적인 동작이 가능한 주파수 동기 알고리즘을 제안하였다. 다양한 환경에서의 컴퓨터 모의실험을 통해 제안된 주파수 동기 알고리즘은 기존 방식들에 비해 우수한 성능을 보이며, 3GPP LTE FDD/TDD 듀얼 모드 하향 링크 수신기에서 안정적인 동작이 가능함을 입증하였다.
In this paper, we propose a coarse and fine frequency synchronization method which is suitable for the 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) FDD(Frequency Division Duplexing) / TDD(Time Division Duplexing) dual mode system. In general, PSS(Primary Synchronization Signal) ...
In this paper, we propose a coarse and fine frequency synchronization method which is suitable for the 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) FDD(Frequency Division Duplexing) / TDD(Time Division Duplexing) dual mode system. In general, PSS(Primary Synchronization Signal) correlation based estimation method and CP(Cyclic Prefix) correlation based tracking loop are applied for coarse and fine frequency synchronization in 3GPP LTE OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system, respectively. However, the conventional coarse frequency synchronization method has performance degradation caused by fading channel and squaring loss. Also, the conventional fine frequency synchronization method cannot guarantee stable operation in TDD mode because of signal power difference between uplink and downlink subframe. Therefore, in this paper, we propose enhanced coarse and fine frequency synchronization methods which can estimate more accurately in multi-path fading channel and high speed channel environments and has stable operation for TDD frame structure, respectively. By computer simulation, we show that the proposed methods outperform the conventional methods, and verify that the proposed frequency synchronization method can guarantee stable operation in 3GPP LTE FDD/TDD dual mode downlink receiver.
In this paper, we propose a coarse and fine frequency synchronization method which is suitable for the 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) FDD(Frequency Division Duplexing) / TDD(Time Division Duplexing) dual mode system. In general, PSS(Primary Synchronization Signal) correlation based estimation method and CP(Cyclic Prefix) correlation based tracking loop are applied for coarse and fine frequency synchronization in 3GPP LTE OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) system, respectively. However, the conventional coarse frequency synchronization method has performance degradation caused by fading channel and squaring loss. Also, the conventional fine frequency synchronization method cannot guarantee stable operation in TDD mode because of signal power difference between uplink and downlink subframe. Therefore, in this paper, we propose enhanced coarse and fine frequency synchronization methods which can estimate more accurately in multi-path fading channel and high speed channel environments and has stable operation for TDD frame structure, respectively. By computer simulation, we show that the proposed methods outperform the conventional methods, and verify that the proposed frequency synchronization method can guarantee stable operation in 3GPP LTE FDD/TDD dual mode downlink receiver.
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문제 정의
그러나 기존 대략적 주파수 동기 알고리즘들은 페이딩 환경에서의 상관 패턴의 열화와 잡음의 제곱으로 인한 SNR 손실로 충분한 성능 이득을 얻지 못한다. 또한 주파수 분할을 통하여 양방향 송수신되는 FDD 모드와 달리 TDD 모드에서는 상향링크 구간과 하향링크 구간이 시분할로 전송되기 때문에 TDD 모드에서 기존 미세 주파수 동기 알고리즘은 상향링크와 하향링크의 신호 전력의 차이로 인해 안정적인 동작을 수행할 수 없다 따라서 본 논문에서는 고속의 이동체 속도를 고려한 다중 경로 채널 환경에서도 정확하게 주파수 옵셋이 추정 가능한 대략적 주파수 동기와 TDD 모드에서 안정적인 추적성능을 보장할 수 있는 미세 주파수 동기 알고리즘을 제안한다.
일반적으로 대략적 주파수 동기는 시간 영역 추정 성능이 비교적 좋지 않기 때문에 주로 FFT(Fast Fourier Transform) 연산 이후 주파수 영역에서 이루어진다 주파수 영역 추정 기법은 대부분 기준 신호와 수신 신호와의 상관을 통해 이루어지며, 상관을 취하는 범위가 증가할수록 추정에 필요한 시간이 늘어나므로 최대 발생 가능한 주파수옵셋 범위에 따라 상관 구간을 적절하게 설정해야 한다. 본 논문에서는 다양한 주파수 영역 추정 기법 중 대표적인 3가지 방식에 대해 설명하고 각각의 문제점을 분석한 후 전체적인 성능을 개선시킬 수 있는 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 3GPP LTE FDD/TOD 듀얼 모드 하향 링크 수신기를 위한 개선된 대략적 주파수 동기 및 미세 주파수 동기 알고리즘을 제안하였다. 제안된 대략적 주파수 동기 방식은 PSS를 구성하는 ZC 시퀀스의 상관 패턴 열화와 잡음의 제곱으로 인한 SNR 손실에 의한 성능 열화를 개선한 방식이며, 제안된 미세 주파수 동기 방식은 3GPP LTE TDD 모드에서의 상향링크와 하향링크의 신호 전력 차로 인한 성능 열화를 개선한 방식으로 다양한 환경에서의 성능 분석을 통해 제안된 주파수 동기 방식이 3GPP LTE FDD/TDD 듀얼 모드 하향 링크 수신기의 안정적이고 신뢰성 있는 주파수 동기 성능을 보장함을 입증하였다.
본 논문에서는 발생 가능한 잔류 미세 주파수 옵셋을 추적하기 위해 그림 9와 같이 개선된 1차 PLL 구조를 제안하였다. 전체적인 미세 주파수 동기 구조는 주파수 옵셋 추정기와 루프 필터, 스위칭 모드, 그리고 전압 제어 발진기 (VCO:Voltage Controlled Oscillator) 로 구성된다.
제안 방법
본 논문에서는 보다 안정되고 향상된 성능을 얻기 위하여 그림 7에서 보듯이 m마tiple differential 句坷를 적용하였다. 1개 이상의 diffgnti사 句 通에서 출력되는 각 d에 따른 상관 값을 누적하게 되면, 피크 지점의 상관 값과 그 이외의 인접 지점 상관 값 차이가 커지게 되며, 이에 따라 검출 성능을 향싱시킬 수 있다问 叫 그림 7은 multiple differential fihei와 1-아1眼nnel srreMor로 구성된 개선된 대략적 주파수 동기 알고리즘의 블록도이다
또한, 초기 보상 이후 발생 가능한 잔류 주파수 옵셋을 추적(tracking)하고 연속적으로 보상하여 데이터 복조 과정에서 위상 오류로 인한 성능 열화를 막는 역할을 수행한다. 주파수 옵셋의 추적은 특정 이득을 적용한 간단한 루프 필터를 통해 설계 가능하며, 잔류 주파수 옵셋의 분산 값을 일정허용범위 이내로 줄일 수 있도록 해야 한다
또한 슬립 모드와 액티브 모드의 스위칭 시간에 대한 정보는 초기 셀 탐색 과정으로부터 얻는 5ms 와 10ms에 대한 타이밍 정보를 이용한다.
다중岳 경로 페이딩 환경에서 기존 방식과 제안한 방식의 tracking 성능 비교를 나타낸다. 본 논문에서는 미세 주파수 옵셋 추적 성능 비교를 위해 CP 길이 검출을 가정한 상태에서 진행하였다 기존방식의 경우 상향링크와 하향링크 신호의 전력 차이를 고려하지 않고 상향링크 구간에서도 미세 주파수옵셋 추정이 이루어지기 때문에 잔류 주파수 옵셋의추적이 정상 상태로 수렴하지 않고 발산한다. 하지만 스위칭 모드를 적용한 제안된 방식은 3GPP LTE 시스템의 TDD 모드에서 잔류 주파수 옵셋을안정적으로 추적함으로써 정상 상태에 진입 가능함을 확인할 수 있다.
본 절에서는 대략적 주파수 동기와 미세 주파수 동기를 연동하여 컴퓨터 모의 실험을 통한 성능 비교 분석을 수행하였다. 모의 실험 파라미터는 표 4 에 제시되어 있으며 3GPP LTE 규격에 맞추어 설정하였다μ 다중 경로 페이딩 채널 모델은 Extended COST 207 TU(Typical Urban)를 고려하며, 도플러 주파수와 관련된 이동체 속도의 경우 3GPP에서 제시한 0~350km/h 범위 중 미세 주파수 동기의 성능 열화가 상대적으로 크게 발생하는 고속 환경 즉, 350km/h만 고려한다
그림 11에서 보는 바와 같이 FDD 모드의 경우 TDD 모드와 달리 주파수 분할을 통하여 상*하향링크의 연속적인 신호가 수신되기 때문에 스위칭 계수를 적용한 미세 주파수옵셋 추정 방식을 적용해도 기존 방식과 같은 추적성능을 나타내지만 TDD 모드의 경우 상향링크와 하향링크 구간이 시분할되어 수신되고 상.하향링크 configuration에 따라 구간 비율이 각각 다르기 때문에 제안된 방식을 적용하였다. 하향링크 구간이 많은 configuration의 경우 기존 방식과 제안된 방식의 RMSE 성능이 큰 차이를 보이지 않지만 상대적으로 상향링크 구간이 많은 configuration 1번은 기존 방식을 적용하였을 경우 안정적으로 미세 주파수 옵셋을 추적할 수 없기 때문에 RMSE 성능이 열화 되는 것으로 나타난다.
이론/모형
Error) 성능을 나타낸다. 기존 방식의 대략적 주파수 동기 알고리즘으로는 가장 성능이 우수한 부분 상관방식을 적용하였다. 그림 11에서 보는 바와 같이 FDD 모드의 경우 TDD 모드와 달리 주파수 분할을 통하여 상*하향링크의 연속적인 신호가 수신되기 때문에 스위칭 계수를 적용한 미세 주파수옵셋 추정 방식을 적용해도 기존 방식과 같은 추적성능을 나타내지만 TDD 모드의 경우 상향링크와 하향링크 구간이 시분할되어 수신되고 상.
기존 대략적 주파수 동기 알고리즘의 문제점으로 인해 발생 가능한 성능 열화를 해결하기 위해 본 논문에서는 그림 5와 같은 differential filter 구조를 적용하였다.
성능/효과
또한 부반송파 간 CFR(Charmel Frequency Response) 이 유사하기 때문에 differential filter를 수행함으로써 페이딩 채널에 의한 영향을 감소시킬 수 있고 이로 인해 기존 알고리즘과 달리 상관 전력 값을 이용하지 않고 inphase 성분과 quadrature 성분을 각각 분리하여 상관을 취한 I-chanmel correlator의 줄력만을이용할 수 있다. 따라서 제안한 방식은 제곱 연산 및 Q-channel을 제거하여 성능뿐만 아니라 복잡도도 감소시킬 수 있고 잡음의 제곱으로 인한 SNR 손실에 의한 성능 열화가 발생하지 않는다.
5ppm(13kHz)으로 설정하고 있다. 이는 부반송파간격(15kHz)보다 크지 않기 때문에 최대 상관 값이 나타나는 지점을 기준으로 인접 부반송파 위치만을 관찰하여 주파수 옵셋을 검출할 수 있다는 것을 의미한다 따라서 그림 6에서 표시한 관찰 구간 안에서 differential filter를 적용하였을 경우 최대 상관값과 인접 위치 상관 값 간의 비율이 기존 방식과 비교하여 커지므로 제안된 방식의 성능 향상을 기대할 수 있다
그림 8에서 보듯이 제안된 방식이 기존 방식보다 월등히 우수한 추정 성능을 보임을 확인할 수 있으며, 또한 기존 방식 중 가장 성능이 우수한 부분 상관 방식과의 비교보다 제안된 방식이 DER=10T에서 최대 약 4dB 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다. 나머지 방식들은 주파수 선택적 페이딩 채널에 대한 상관 특성 변화가 성능 열화의 주된 요인으로 작용한다.
나머지 방식들은 주파수 선택적 페이딩 채널에 대한 상관 특성 변화가 성능 열화의 주된 요인으로 작용한다. 또한 제안된 방식의 differential filter 수 Z의 증가에 따라 최대 상관 값과 인접 위치 상관 값 간의 비율이 커지게 되므로 성능이 개선되나, differential filter 수는 2개 이상에서 큰 성능 개선이 없기 때문에 복잡도를 고려하여 differential filter 수는 2개로 설정하는 것이 제안된 방식의 최적 구조로 판단된다.
본 논문에서는 미세 주파수 옵셋 추적 성능 비교를 위해 CP 길이 검출을 가정한 상태에서 진행하였다 기존방식의 경우 상향링크와 하향링크 신호의 전력 차이를 고려하지 않고 상향링크 구간에서도 미세 주파수옵셋 추정이 이루어지기 때문에 잔류 주파수 옵셋의추적이 정상 상태로 수렴하지 않고 발산한다. 하지만 스위칭 모드를 적용한 제안된 방식은 3GPP LTE 시스템의 TDD 모드에서 잔류 주파수 옵셋을안정적으로 추적함으로써 정상 상태에 진입 가능함을 확인할 수 있다.
하향링크 구간이 많은 configuration의 경우 기존 방식과 제안된 방식의 RMSE 성능이 큰 차이를 보이지 않지만 상대적으로 상향링크 구간이 많은 configuration 1번은 기존 방식을 적용하였을 경우 안정적으로 미세 주파수 옵셋을 추적할 수 없기 때문에 RMSE 성능이 열화 되는 것으로 나타난다. 하지만 제안된 방식을 적용함으로써 미세 주파수 옵셋을 안정적으로 추적 할 수 있다. 따라서 제안한 방식은 FDD 모드뿐만 아니라 TDD 모드에서도 정상적으로 대략적 주파수 옵셋을검출하고 잔류 주파수 옵셋 추적이 가능함을 확인할 수 있다.
따라서 제안한 방식은 FDD 모드뿐만 아니라 TDD 모드에서도 정상적으로 대략적 주파수 옵셋을검출하고 잔류 주파수 옵셋 추적이 가능함을 확인할 수 있다. 또한 RMSE 성능 비교를 통하여 제안한 방식이 TDD 모드에서 기존 방식에 비하여 정상 상태에서 안정적으로 동작 가능함을 알 수 있다
제안된 대략적 주파수 동기 방식은 PSS를 구성하는 ZC 시퀀스의 상관 패턴 열화와 잡음의 제곱으로 인한 SNR 손실에 의한 성능 열화를 개선한 방식이며, 제안된 미세 주파수 동기 방식은 3GPP LTE TDD 모드에서의 상향링크와 하향링크의 신호 전력 차로 인한 성능 열화를 개선한 방식으로 다양한 환경에서의 성능 분석을 통해 제안된 주파수 동기 방식이 3GPP LTE FDD/TDD 듀얼 모드 하향 링크 수신기의 안정적이고 신뢰성 있는 주파수 동기 성능을 보장함을 입증하였다.
하지만 제안된 방식을 적용함으로써 미세 주파수 옵셋을 안정적으로 추적 할 수 있다. 따라서 제안한 방식은 FDD 모드뿐만 아니라 TDD 모드에서도 정상적으로 대략적 주파수 옵셋을검출하고 잔류 주파수 옵셋 추적이 가능함을 확인할 수 있다. 또한 RMSE 성능 비교를 통하여 제안한 방식이 TDD 모드에서 기존 방식에 비하여 정상 상태에서 안정적으로 동작 가능함을 알 수 있다
참고문헌 (8)
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3GPP WG1, "TS 36.104 V8.6.0: Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception," www.3gpp.org, 2009.
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D. Makrakis, P. T Mathiopoulos, and D. P Bouras, "Optimal decoding of coded PSK and QAM signals in correlated fast fading channels and AWGN: A combined envelope, multiple differential and coherent approach," IEEE Trans. Commun., Vol.42, pp.63-75, Jan. 1994.
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