Channel Estimation Schemes for ECMA-392 based CR systems
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(2) 2012년 5월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 5 호. 본 논문에서는 ECMA-392 표준에 정의된 long. 표 1. MCS 종류 Table 1. Modulation and coding scheme (MCS).. preamble과 pilot sub-carrier를 사용하여 채널을 추정 하는 방법을 제시하고자 한다. 세부적으로는, 수신된. Modulation. long preamble과 pilot sub-carrier 신호에 1차 순환 필. MSC0 MSC1 MSC2 MSC3 MSC4 MSC5 MSC6 MSC7 MSC8 MSC9. 터(first order recursive filter)[4]를 적용하여 채널 추정 치를 얻고, 이 값들을 적절히 보간(interpolation)하여 pilot sub-carrier로 사용되지 않는 52개의 sub-carrier 에 대한 채널 추정치를 구한다. 또한, 동일한 pilot sub-carrier가 13 OFDM 심볼마다 반복됨으로 인한 채 널 추정 지연을 줄이기 위한 방법을 제안할 것이며, 컴 퓨터 모의실험을 통해 다중경로 페이딩 환경에서의 성 능을 분석하고자 한다.. 길이의 long. Inner Coding Rate 1/2 2/3 1/2 7/12 2/3 1/2 7/12 2/3 3/4 5/6. preamble로 구성된다.. 당연히 short. preamble과 long preamble에 실리는 데이터 패턴은 항. ECMA-392 시스템의 물리계층은 128-point FFT. 상 일정하며, 표준에 정의되어 있다.. (fast Fourier transform)를 사용하는 OFDM 구조를 바. PLCP header는 2 OFDM 심볼로 구성되며, 물리 계. 탕으로 설계되어 있으며, 간략히 정리하면 다음과 같다.. 층과 MAC (medium access control) 계층 관련 파라미 터가 전송된다.. 2.1 PPDU 프레임 구조 시스템은. QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM. Outer Coding (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5) (245,255,5). 세 조정 및 채널 추정을 위해 전송되는 2 OFDM 심볼. [3]. Ⅱ. ECMA-392 기반 CR 시스템. ECMA-392. 45. PLCP. (Physical. PSDU는 실제 전송하고자 하는 데이터 부분과 32bit. Layer. 의 FCS (frame check sequence)로 구성되어 있다. 여. Convergence Protocol) preamble, PLCP header, 그리고. 기서 데이터의 길이는 가변적이며, PLCP header를 통. PSDU (PHY Service Data Unit)로 구성된 PPDU. 해 PSDU의 길이를 전송해 주고 있다(참고로, PSDU는. (PHY Protocol Data Unit) 프레임 단위로 데이터를 전. 0 ~ 4095 Byte까지의 길이를 가질 수 있다).. 송하게 되며, 그 구조는 그림 1(a)와 같다. PLCP preamble은 수신기에서의 동기 획득 및 채널. 2.2 MCS (Modulation and Coding Scheme). 추정 목적으로 전송되며, normal PLCP preamble과. ECMA-392 시스템은 표 1과 같이 총 10종류의 MCS. burst PLCP preamble로 나뉜다. 본 논문에서는 일반. 를 제공한다. 디지털 변조 방식으로는 QPSK, 16-QAM,. 모드(normal mode) 동작 시 사용되는 normal PLCP. 64-QAM을 사용하며, outer code로는 (245,255,5)의 RS. preamble만을 고려하며, 그림 1(b)와 같이 3 OFDM 심. code (Reed-Solomon code)를 사용한다. Inner code로. 볼 길이로 되어 있다―대략적인 동기화를 위해 전송되. 는 {1/2, 7/12, 2/3, 3/4, 5/6} rate의 convolutional code. 는 1 OFDM 심볼 길이의 short preamble과 동기의 미. 가 사용된다―실제로는 1/2 rate의 convolutional code 를 적절히 puncturing하여 사용한다. 2.3 Pilot sub-carrier 패턴 설명의 편의를 위해, ECMA-392 시스템의 128개. (a) PPDU 프레임 구조. sub-carrier에 [-64 ~ 63]의 인덱스(index)를 부여하기 로 하자(즉, 인덱스가 0인 sub-carrier가 DC에 해당되 며, 인덱스가 -64인 sub-carrier는 디지털 주파수로 (b) Normal PLCP preamble 구조 그림 1. Fig. 1.. 에 해당된다). ECMA-392 시스템의 OFDM 심볼은 sub-carrier index가 ⋯ ⋯인 102개. PPDU 프레임 및 normal PLCP preamble 구조 PPDU frame format and normal PLCP preamble structure.. 의. (340). sub-carrier로. 구성되며,. 이. 중. 98개는. data.
(3) 46. ECMA-392 기반 CR 시스템을 위한 채널 추정 기법 연구. 표 2. Pilot sub-carrier 패턴 Table 2. Pilot sub-carrier pattern.. 최원응 외. 다음과 같이 얻을 수 있다.. (2) ⋯ ⋯ 만일 PPDU 프레임이 전송되는 동안 채널이 변하지 않 는다면 식 (2)에서 얻은 채널 추정치를 전체 프레임에 적용하여 채널 보정을 해 주면 충분하다. sub-carrier로, 나머지 4개는 pilot sub-carrier로 사용된. 그러나 ECMA-392 시스템은 개인 휴대용 장치를 지. 다. 또한, 전체 102개의 sub-carrier 중 index가 홀수인. 원해야 되므로, 휴대 장치의 이동성으로 인해 PPDU 프. 52개의 sub-carrier만 pilot sub-carrier로 사용되며,. 레임동안 채널이 변할 수 있다. PPDU 프레임 내에서의. OFDM 심볼에 따라 전송되는 pilot sub-carrier의 인덱. 채널 변화를 추정할 수 있도록 도와주기 위해 PLCP. 스는 표 2와 같이 정의되어 있다. 즉, 13 OFDM 심볼. header부터 13 OFDM 심볼 주기로 한 심볼 당 4개의. 구간 마다 pilot sub-carrier가 반복되는 구조를 갖는다.. pilot sub-carrier를 전송해 주고 있다(위의 2.3절 참고). 우선 표 2의 pilot sub-carrier 패턴에 해당되는. Ⅲ. 채널 추정 알고리즘. sub-carrier index를 다음과 같이 정의하기로 하자.. ⋯ . ECMA-392 시스템에서의 데이터는 그림 1(a)와 같. (3). . 은 PPDU 프레임 단위로 전송되므로 채널 추정도 매. 즉,. 프레임 단위로 수행되어야 한다. 우선, PPDU 프레임의. 이며, . 앞부분에 전송되는 PLCP preamble의 long preamble. 를 나타낸다.. (그림 1(b) 참고)로부터 해당 프레임을 위한 초기 채널. PLCP header부터 프레임 끝까지의 OFDM 심볼에. 추정치를 얻을 수 있다. 설명의 편의를 위해, 수신단에. 대한 인덱스로 를 사용할 경우, 수신된 번째 OFDM. 서 cyclic prefix (CP)를 제거하고 128-point FFT를 수. 심볼에 대해 CP 제거 후 128-point FFT 출력신호는 다. 행한 다음의 출력신호부터를 고려하기로 한다.. 음과 같이 표현될 수 있다.. 2개의 OFDM 심볼로 되어 있는 long preamble 신호. ⋯ ⋯ ⋯. 에 대한 수신단에서의 128-point FFT 출력신호는 다음 과 같이 표현될 수 있다.. (4). ⋯ ⋯. 여기서 와 는 PLCP header부터 시작해 서 번째 OFDM 심볼의 번째 sub-carrier가 겪는 채. (1). 널 값과 잡음을 나타낸다.. 여기서 는 번째 long preamble. 추가로, 수식 유도의 편의를 위해 PLCP header부터. OFDM 심볼의 128-point FFT 출력신호를 나타내며, . 수신된 OFDM 심볼을 13개씩 그룹으로 나눠 고려하기. 는 sub-carrier index를 의미한다. 또한 와. 로 한다. 즉, 번째 그룹에 속하는 OFDM 심볼 인덱스. 는 번째 long preamble OFDM 심볼의 번째. 는 ⋯ 이다.. sub-carrier가 겪는 채널 값과 잡음을 나타낸다(참고로,. 는 평균이 0이고 분산이 인 복소 AWGN. 3.1 One-shot 채널 추정. (additive white Gaussian noise)으로 가정하였다).. 가장 기본적으로 생각할 수 있는 채널 추정 방식으로. 는 preamble data이며( ∈ ), 두 개의. 는 각각의 그룹에 속해 있는 13개의 OFDM 심볼 만을. [3]. long preamble OFDM 심볼에 동일한 값이 전송된다 .. 사용하여 채널을 추정하고, 이 때 얻어진 채널 추정치. 식 (1)로부터 해당 프레임에 대한 초기 채널 추정치는. 를 다음번 그룹의 신호 복원에 사용하는 방식이다. 이. (341).
(4) 2012년 5월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 5 호. 와 같은 방식을 본 논문에서는 ‘one-shot 채널 추정’이. . 라 하였으며, 채널 추정 과정을 정리하면 다음과 같다.. (7). step3: for ⋯ ⋯. For each -th group ( ⋯ ),. . step1: for ⋯ ⋯. . 47. (5). 위에서 step1은 one-shot 채널 추정에서와 동일하며, step2: for ⋯ ⋯. 이 과정을 통해 홀수 인덱스의 sub-carrier에 대한 채널. . 추정치가 얻어 진다. Step2는 step1에서 얻어진 추정치 에 대해 1차 순환 필터를 적용하는 과정이다. 식 (7)에. (6). 서 는 smoothing factor이며, 의 범위를 갖 는다[4]. 또한, 1차 순환 필터의 초기 조건으로 을 사용한다(즉, PLCP preamble에서. 위에서 step1은 각각의 OFDM 심볼에 포함된 4개의 pilot sub-carrier로부터 채널 값을 추정하는 과정이며,. 은. 추정한 초기 채널 추정치(식 (2))를 초기 값으로 사용한. 번째 OFDM 심볼의. 다). Step3은 one-shot 채널 추정의 step2와 동일한 과. 번째 sub-carrier로 전송되는 pilot symbol을 나. 정으로 짝수 번째 sub-carrier에 대한 채널 추정치를 보. 타낸다. 또한, 표 2로부터 알 수 있듯이 홀수 번째. 간 기법을 사용하여 계산한다.. sub-carrier만 pilot sub-carrier로 사용되므로, 짝수 번. 제안된 방식은 식 (7)과 같이 one-shot 채널 추정치. 째 sub-carrier에 대한 채널 추정치는 인접한 홀수 번째. 에 1차 순환 필터를 사용함으로써 noise averaging 효. pilot sub-carrier에서 추정된 값(즉, step1의 결과 값)을. 과를 얻을 수 있어, 잡음의 영향이 줄어든 보다 정확한. 보간하여 얻게 되며 그 과정이 step2이다.. 채널 추정이 가능할 것으로 기대된다.. 번째 그룹에서 식 (5)와 (6)으로부터 얻은 채널 추 정치, ⋯ ⋯는 . 3.3 1차 순환 필터 기반 채널 추정(Type 2). 번째 그룹의 OFDM 심볼들에 적용된다. 참고로 맨 처. ‘1차 순환 필터 기반 채널 추정(Type 1)'의 경우, 그. 음 그룹( )의 OFDM 심볼들에 대해서는 식 (2)에. 룹 내의 13개 OFDM 심볼동안 전송된 모든 pilot. 서 얻은 초기 채널 추정치가 사용된다.. sub-carrier에 대한 one-shot 채널 추정치를 얻은 (step1) 후에 1차 순환 필터링(step2)과 보간(step3) 과. 3.2 1차 순환 필터 기반 채널 추정(Type 1). 정을 통하여 최종적으로 채널 추정치를 구한다. 따라서. One-shot 채널 추정의 경우, 동일한 그룹 내의 13개. 번째 그룹에서 얻은 채널 추정치가 번째 그룹. OFDM 심볼만을 사용하므로 잡음의 영향을 많이 받게. 의 OFDM 심볼들에 적용되게 되어 13 OFDM 심볼 만. 된다. 이와 같은 잡음의 영향을 줄이기 위해 one-shot. 큼의 지연이 생긴다.. 채널 추정으로 얻은 추정치에 1차 순환 필터를 적용하. ‘1차 순환 필터 기반 채널 추정(Type 1)'에서 생기는. 는 ‘1차 순환 필터 기반 채널 추정(Type 1)' 방식을 제. 채널 추정 지연을 줄이기 위해, 채널 추정 과정을 그룹. 안하며, 이를 정리하면 다음과 같다.. 내의 심볼 단위로 수행하는 방식을 추가로 제안하고자 한다. 즉, 매 심볼마다 얻은 4개의 one-shot 채널 추정. For each -th group ( ⋯ ),. 치에 곧바로 1차 순환 필터링을 적용하여 4개의 최종적. step1: for ⋯ ⋯. 인 채널 추정치를 얻고 이 값들에 보간 기법을 적용하. . 여 인접한 짝수 번째 sub-carrier에 대한 채널 추정치를 계산한 후, 바로 다음 심볼부터의 채널 보정에 사용하 도록 하는 방식이다. 이를 ‘1차 순환 필터 기반 채널 추. step2: for ⋯ ⋯. 정(Type 2)'로 명명하였으며, 수식을 이용하여 정리하. (342).
(5) 48. ECMA-392 기반 CR 시스템을 위한 채널 추정 기법 연구. 면 다음과 같다.. 최원응 외. 고려하였으며, 채널 코딩은 inner code인 convolutional code만 고려하였다. ECMA-392 표준은 개인 휴대용 장. Initial Condition:. 치를 지원해야 하므로, CR 사용자가 저속으로 이동하 는 환경을 고려하였다―이동 속도는 3 km/h이고 rms. ⋯ ⋯. delay spread가 100 nsec인 Rayleigh 페이딩 환경을 고 For each -th group ( ⋯ ),. 려하였으며, delay-power profile은 IEEE 802.11에서 사 [5]. 용하는 exponential channel model 에 맞춰 정하였다.. ⋯ ⋯. 표 3은 전반적인 모의실험 환경을 정리한 것이다.. for ⋯. 그림 3은 AWGN만 존재하는 환경에서 채널 추정이. for ⋯. 완벽할 경우, MCS 10 종류에 대한 수신 성능을 나타낸. . 것이다―여기서 BLER (block error rate)은 OFDM 심 볼 단위로 적용된 convolutional code에 대한 수신 성능. . IV. 컴퓨터 모의실험 결과 그림 3.. 본 장에서는 앞에서 제안한 채널 추정 알고리즘들의 성능을 컴퓨터 모의실험을 통해 비교하고자 한다.. Fig.. 3.. ECMA-392 기반 CR 사용자가 UHF 채널 41(635. 채널 추정이 완벽한 경우, AWGN 환경에서 SNR에 따른 BLER 성능 BLER performance according to SNR in AWGN channel (perfect channel estimation).. MHz)을 사용하여 데이터를 전송하는 환경을 가정하였 으며, 매 프레임의 PSDU 길이는 가능한 최대 값인 4095 Byte로 고정하였다. MCS로는 표 1의 모든 경우를 표 3. Table 3.. 모의실험 환경 Simulation environments.. 그림 4. Fig.. (343). 4.. AWGN 환경에서 smoothing factor에 따른 제안 된 방식의 채널 추정 성능 비교 Performance of the proposed schemes according to a smoothing factor in AWGN channel..
(6) 2012년 5월 전자공학회 논문지 제 49 권 TC 편 제 5 호. 그림 5. Fig.. 5.. (a) QPSK 사용(MCS0, MCS1). (a) QPSK 사용(MCS0, MCS1). (b) 16QAM 사용(MCS2, MCS4). (b) 16QAM 사용(MCS2, MCS4). (c) 64QAM 사용(MCS5, MCS7, MCS9). (c) 64QAM 사용(MCS5, MCS7, MCS9). AWGN 환경에서 채널 추정 성능 비교 (smoothing factor = 0.75) Channel estimation performance comparison in AWGN channel (smoothing factor = 0.75).. 그림 6. Fig.. 6.. 49. 저속 이동 환경에서 채널 추정 성능 비교 (smoothing factor = 0.75) Channel estimation performance comparison in slow Rayleigh fading channel (smoothing factor = 0.75).. 을 나타낸다. 결과로 알 수 있듯이, ECMA-392 시스템 나며, 동일한 디지털 변조 방식 내에서 대략 1 ~ 2 dB. 은 디지털 변조 방식간의 성능 차이가 상대적으로 많이. (344).
(7) 50. ECMA-392 기반 CR 시스템을 위한 채널 추정 기법 연구. 최원응 외. 참고문헌. 정도의 성능 차이가 생기도록 설계되어 있다. 그림 4는 제안된 1차 순환 필터 기반 채널 추정 방식 에 사용할 smoothing factor, 값을 결정하기 위한 모. [1] M. Nekovee, “A survey of cognitive radio access to TV white spaces,” International Journal of Digital Multimedia Broadcasting, Vol. 2010, pp. 1-11, April 2010. [2] A. Wyglynski, M. Nekovee, and T. Hou, Eds., Cognitive Radio Communication and Networks: Principle and Practice, Academic Press, London, UK, 2010. [3] ECMA International, “ECMA-392: MAC and PHY for operation in TV white space,” 1st Edition, December, 2009. [4] 최원응, 주정석, “W-CDMA 시스템의 초기 프레임 동기 획득을 위한 Coherent 검출 방식의 성능 개 선,” 전자공학회 논문지 제47권, TC편, 제10호, 43-48쪽, 2010년 10월. [5] N. Chayat, “Tentative criteria for comparison of modulation methods," Doc: IEEE P802.11-97/96, Sep. 1997.. 의실험 결과이다. 일반적으로, 채널이 변하지 않으면 1 차 순환 필터의 값이 1에 가까워질수록 수렴 후의 추정 오차가 줄어든다. 그러나 ECMA-392 시스템의 경 우, 초기 채널 추정을 위한 2 OFDM 심볼의 preamble 을 전송해 줄뿐, 채널 추정기의 수렴을 위한 별도의 연 습 구간(training period)을 두지 않는다. 따라서 값을 1에 가깝게 하면 수렴 속도가 느려져, 초기 값에서부터 수렴하는 동안의 검출 오류가 증가할 수 있다. 또한 이 러한 현상은 디지털 변조 방식의 차수가 증가할수록 두 르러 진다(그림 4 참조). 이는 프레임 당 보내야 되는 데이터 량이 고정된 상황에서, 디지털 변조 방식의 차 수가 증가할수록(정확히는 MCS index가 커질수록) 전 송되는 OFDM 심볼 수가 줄어들어 수렴할 때까지의 구 간의 영향이 상대적으로 커지기 때문이다. 같은 이유로, MCS index가 커질수록 채널 지연을 줄여줌에 따른 성. 저 자 소 개. 능 이득('Type 1'에 대한 ‘Type 2'의 성능 이득)도 증. 최 원 응(학생회원) 2007년 한국외국어대학교 전자공학전공 학사 졸업. 2009년 한국외국어대학교 전자 정보공학과 석사 졸업. 2012년 한국외국어대학교 전자 정보공학과 박사 수료. 2012년~현재 이노와이어리스(병역특례 연구원) <주관심분야 : 이동통신, 신호처리>. 가한다. 본 논문에서는 모든 MCS에 동일한 smoothing factor 값을 적용하는 경우를 가정하였으며, 그림 4의 결과를 바탕으로 로 고정하였다(참고로, 그림 4에서 MCS별로 SNR을 다르게 한 이유는 단지 그래프 의 구별을 쉽게 해 주기 위함이다). 그림 5와 그림 6은 각각 AWGN 환경과 저속 이동 환경에서 채널 추정 방식의 성능을 비교한 것이다. 예 상했던 대로, 제안된 채널 추정 방식들이 one-shot 채. 주 정 석(정회원)-교신저자 1994년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 학사 졸업. 1996년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 석사 졸업. 2001년 한국과학기술원 전자전산 학과 박사 졸업. 2001년~2003년 삼성전자(책임연구원) 2003년~현재 한국외국어대학교 전자공학과 부교수 <주관심분야 : 이동통신, 신호처리>. 널 추정 방식에 비해 모든 환경에서 우수한 성능을 보 였다. 또한 MCS index가 커질수록, 'Type 1'에 대한 ‘Type 2'의 성능 개선 효과가 커짐을 확인할 수 있었다.. V. 결 론 본 논문에서는 ECMA-392 표준에 정의된 long preamble과 pilot sub-carrier를 사용하여 채널을 추정 하는 방법을 제안하였다. 세부적으로, pilot sub-carrier 신호로부터 얻은 one-shot 채널 추정치에 1차 순환 필 터를 적용하는 방식을 제안하였으며, 채널 추정 지연을 줄일 수 있는 방안도 제시하였다. 또한 컴퓨터 모의실 험을 통해, one-shot 채널 추정 방식에 비해 제안된 채 널 추정 방식들이 저속 이동 채널 환경에서 우수한 성 능을 보임을 확인하였다.. (345).
(8)
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