[논문]다중 반송파 통신 시스템에서 효과적인 CFO와 STO추정 및 보상방법

이희규; 유흥균

doi:10.7840/kics.2011.36a.5.441

다중 반송파 통신 시스템에서 효과적인 CFO와 STO추정 및 보상방법
Efficient Estimation and Compensation of CFO and STO in Multi-carrier Communication System 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.36 no.5A, 2011년, pp.441 - 449

이희규 (충북대학교 전자공학과 및 컴퓨터정보통신연구소) , 유흥균 (충북대학교 전자정보대학 전자공학과)

초록
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Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 환경에서 sample timing offset(STO)과 carrier frequency offset(CFO)은 inter-symbol interference (ISI), inter-carrier interference (ICI) and phase error를 발생 시키는 원인으로 작용하고 있다. OFDM의 특성상 STO와 CFO에 민감하고, 특히 ICI 가 발생될 경우 보상이 어렵다. 또한 보상을 위해 많은 복잡도를 가진 equalizer가 요구된다. 이 논문에서는 블록 파일럿과 동기화 신호를 가지고, feedback방법을 이용해 STO와 CFO의 효과적인 정정 방법을 제시한다. 주파수 축에서 동기화 신호와 pilot을 이용해 추정한 값들을 시간 축으로 피드백 시킨 후, 시간 영역에서 sample & holder의 시간 타이밍과 oscillator의 주파수의 교정을 통해 정정한다. 시뮬레이션 결과 보상기 없이 피드백 구조만으로 STO와 CFO를 보상하여 성능을 개선 시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sample timing offset (STO) and carrier frequency offset (CFO) are caused by inter-symbol interference (ISI), inter-carrier interference (ICI) and phase error in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. OFDM characteristic is sensitive about STO and CFO. So when ICI occurs, compensation is hard and complex equalizer is needed. In this paper, we propose an effective correction method using feedback process with pilot and synchronization symbol. After feedback with estimated value in frequency domain, STO and CFO are corrected by control sample & and holder and oscillator. As a result of simulation, we confirm that STO and CFO can be corrected without equalizer through feedback.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, CFO와 STO의 복합 된 영향이 OFDM 시스템에서 어떤 영향을 미치는가를 분석한다. 특히 샘플 타이밍은 연속신호가 이산신호로 샘플링 되면서, 샘플 단위의 불일치뿐만 아니라 샘플 단위 작은 지연이 발생 했을 때를 영향을 분석한다.
우리는 도플러, 송 . 수신 발진기의 오차로 인해 발생하는 CFO와 STO에 대해서 영향을 알아보고 보상에 대해 연구하였다. CFO와 STO 모두 OFDM 시스템에서 성능 열화에 큰 원인이다.

가설 설정

OFDM에서 N개의 부 반송파를 가지는 신호는, IFFT 과정을 통해 N 번의 샘플 횟수를 가진 심볼로 전송된다고 가정한다.
042이다. 여기서 방향은 수신기가 송신기의 방향을 향하고 있다고 가정한다. CFO는 도플러 주파수뿐만 아니라, 송.
64개의 부 반송파를 가진 OFDM 신호를 발생시켜 전송하였고, 모듈레이션은 QPSK로 하였다. 채널 상황은 AWGN으로 가정하여 시뮬레이션하였다.

제안 방법

64개의 부 반송파를 가진 OFDM 신호를 발생시켜 전송하였고, 모듈레이션은 QPSK로 하였다. 채널 상황은 AWGN으로 가정하여 시뮬레이션하였다.
그리고 발생된 문제를 파일럿을 이용해 추정하고, 피드백을 통해 시간 축에서 상쇄하는 방법을 제한한다. CFO의 경우는 소수 분주 방식의 주파수 합성기의 주파수를 조절하고 STO의 경우는 샘플 앤 홀더의 샘플링의 타이밍을 조절해 성능을 확인하고 평가한다.
STO의 경우 제안된 방식은 시간 축에서 정수 단위 STO를 추정 보상하고 주파수 축에서 소수 단위 STO 를 추정했다. 하지만 주파수축 보상 방법으로 주파수축에서 동시에 정수, 소수 단위의 STO를 추정할 수 있다.
05의 값으로 시뮬레이션 하였다. STO의 경우는 샘플 지연 값을 바꿔 주면서 변화에 따른 결과를 확인하였다. CFO의 영향으로 최종 보상된 값은 대략 AWGN의 경우보다 IdB상승하는 것을 알 수 있다.
간격으로 나눈 값이다. 도플러 주파수는 다음과깉이 최대 효과를 낼 수 있는 방향, 즉 수신기의 이동이 전파 방향과 같이 이동하는 경우를 고려하여 계산하였다.
CFO와 STO 모두 OFDM 시스템에서 성능 열화에 큰 원인이다. 본 논문은 이런 영향이 추정된 값의 피드백을 통해 위상 회전과 샘플링 타임의 조절하여 보상하는 방법을 제안하고 성능을 시뮬레이션을 통해 분석, 확인하였다. 그리고 시뮬레이션의 결과로서 피드백을 통한 시간축에서 보상방법이 성능개선 면에서 보상기를 이용한 성능 개선방법에 떨어지지 않는 좋은 방법임을 증명하였다.
수신단간에 오실레이터의 불일치로 인해 발생하는 CFO와 송 . 수신 단의 DAC와 ADC 사이에서 발생 할 수 있는 STO에 대해서 고려한다. 위에서 언급한 바와 같이, CFO의 경우는 송.
두 번째는 소수 단위로 발생했을 경우, 즉, 지연 정도가 한 샘플이 길이보다 작은 경우이다. 이 논문에서는 두 가지의 경우를 모두 고려하고 각각의 현상을 분석하고 보상하였다.
수신단의 DAC 와 ADC의 차이로 발생하기 때문에, 수신단에서 조절로 그 영향을 경감시킬 수 있다. 이와 같이 피드백 구조는 주파수 축에서 수신된 파일럿을 이용해 이 영향을 분석하고 시간 축으로 피드백 시켜 에러를 정정하는 방식을 제안한다.
보상 과정에선 주파수축 보상 방식은 추정된 값을 수신 신호 Rreceiveddata에 곱하는 연산이 추가된다. 제안된 방식은 추정된 값을 feedback을 통해 아날로그 소자인 fractional PLL을 조절함으로 디지털 영역에서 연산량을 비교하지 않는다. 추정과정에선 파일럿 블록의 평균과 송수신 파일럿을 비교를 통한 추정만 이뤄지고 보상에선 추정된 값을 통해 각각의 부 반송파의 위상회전을 보상하게 된다.
분석한다. 특히 샘플 타이밍은 연속신호가 이산신호로 샘플링 되면서, 샘플 단위의 불일치뿐만 아니라 샘플 단위 작은 지연이 발생 했을 때를 영향을 분석한다. 그리고 발생된 문제를 파일럿을 이용해 추정하고, 피드백을 통해 시간 축에서 상쇄하는 방법을 제한한다.

성능/효과

STO의 경우는 샘플 지연 값을 바꿔 주면서 변화에 따른 결과를 확인하였다. CFO의 영향으로 최종 보상된 값은 대략 AWGN의 경우보다 IdB상승하는 것을 알 수 있다. 이것은 각각의 추정 값들이 가지는 오차로 인한 영향 때문이다.
주파수축 보상 방식은 CFO의 보상과 같이 각 부반송파에 대한 보상이 이루어진다. 결과적으로 제안된 방식은 보상을 아날로그 단에서 처리하고 feedback을 통해 보상함으로 아날로그 부분에 대한 수신기 구조가 복잡해 질 수 있다. 하지만, 감소된 연산량과 향상된 성능으로 인해 고속의 시스템에서 사용이 적합합니다.
하지만 추정오차가 많이 발생할 것이다. 그리고 또한, 보상의 경우 제안된 방식은 정수 단위의 STO는 신호 지연을 통해 보상함으로 연산량을 측정하지 않고, 소수 단위 STO방식은 시간 축에서 샘플 타이밍을 조절함으로 디지털 영역에서의 연산량을 비교하지 않는다. 주파수축 보상 방식은 CFO의 보상과 같이 각 부반송파에 대한 보상이 이루어진다.
본 논문은 이런 영향이 추정된 값의 피드백을 통해 위상 회전과 샘플링 타임의 조절하여 보상하는 방법을 제안하고 성능을 시뮬레이션을 통해 분석, 확인하였다. 그리고 시뮬레이션의 결과로서 피드백을 통한 시간축에서 보상방법이 성능개선 면에서 보상기를 이용한 성능 개선방법에 떨어지지 않는 좋은 방법임을 증명하였다. 또한 피드백 시스템은 성능열화시키는 요인을 보상기 이전에 보상함으로써, 보상기의 복잡도를 줄일 수 있고 보상기는 성능 열화의 요인이 줄어든 상태에서 연산을 수행함으로 더 좋은 성능을 낼 수 있다는 것을 고려하면, 피드백 방식 보상 방법은 뛰어난 성능을 낼 수 있음을 알 수 있다
두 번째, 소수 단위로 발생하는 STO의 경우이다 시간 영역에서 N개의 샘플을 가지는 OFDM 신호의 경우, ADC를 통해 연속 신호가 N개의 이산신호로 샘플링된다. 이때, 하나의 샘플 간격보다 작은 지연신호가 발생할 수 있다.
그리고 시뮬레이션의 결과로서 피드백을 통한 시간축에서 보상방법이 성능개선 면에서 보상기를 이용한 성능 개선방법에 떨어지지 않는 좋은 방법임을 증명하였다. 또한 피드백 시스템은 성능열화시키는 요인을 보상기 이전에 보상함으로써, 보상기의 복잡도를 줄일 수 있고 보상기는 성능 열화의 요인이 줄어든 상태에서 연산을 수행함으로 더 좋은 성능을 낼 수 있다는 것을 고려하면, 피드백 방식 보상 방법은 뛰어난 성능을 낼 수 있음을 알 수 있다
5dB 정도로 성능이 향상되는 것을 볼 수 있다. 특히 오프셋이 크게 작용하는 경우에 성능개선에서 뛰어난 결과를 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 결과로 fractional PLL을 사.
이때 STO가 보상되면 성능은 좋아진다. 하지만 STO를 0.05 단위로 보상할 때, 0.05 단위 정도에선 AWGN이나 ICI의 영향으로 정확한 추정이 나오지 않아 다른 입력의 STO에서도 서로 간의 약간의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.

후속연구

방식들로 성능을 개선하고 있다. 그러므로 많은 연산 과정을 필요로 하고 더 좋은 성능을 내기 위해서 복잡도가 증가할 것이다

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