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WCDMA 기지국 모뎀의 구현을 위한 상위 레벨 설계 및 통합 성능 평가
도주현,이영용,정성현,최형진,Do Joo-Hyun,Lee Young-Yong,Chung Sung-Hyun,Choi Hyung-Jin 한국통신학회 2005 韓國通信學會論文誌 Vol.30 No.1a
본 논문에서는 다년간에 걸쳐 진행되었던 WCDMA(UMTS) 기지국 모뎀 개발을 위한 상위 레벨 설계 및 설계에 적용된 기저대역 동기 알고리즘에 대한 분석과 고정 소수점 설계를 통한 성능 평가 결과를 제시하였다. 설계 대상 시스템이 기지국임을 고려하여 모뎀을 구성하는 각 동기 모듈은 빠른 추적 성능보다 안정적인 성능을 보장할 수 있도록 설계되었으며, 구현을 위한 고정 소수점 설계시 각 모듈의 내부 연산에 대한 최적의 비트설정을 통하여 복잡도를 최소화하였다. 본 논문에서는 먼저 모뎀 설계를 위하여 개발된 각 기저대역 동기 모듈에 대한 분석을 수행하였으며, 이후 구현을 위하여 고정 소수점 설계된 모뎀과 부호화/다중화를 포함하는 심볼 레벨 프로세싱(Symbol Level Processing; SLP)파의 링크 성능을 제시하였다. 성능 평가는 3GPP TS 25.104(Release 5)에 제시된 12.2kbps, 64kbps, 144kbps, 384kbps의 전송 속도에 대하여 참조 무선 채널 환경을 기반으로 수행되었으며, 규격에 제시된 최소 요구 성능과의 비교를 통하여 약 2dB 이상의 성능 여유(margin)를 갖는 매우 안정적인 동작을 보임을 증명하였다. 본 논문에서 제시된 WCDMA 기지국 모뎀은 기지국 모뎀 칩으로 성공적으로 구현되었다. In this paper, we propose a high level design architecture of WCDMA(UMTS) base station modem and synchronization algorithms applied to the proposed architecture. Also analysis of each synchronization algorithm and performance evaluation of fixed point designed modem are shown. Since the target system is base station modem, each synchronization algorithm is designed for its stable operation. To minimize implementation complexity, optimum fixed point design for best operation of synchronization algorithms is performed. We performed symbol level link simulation with fixed point designed modem simulator for data rate of 12.2kbps, 64kbps, 144kbps, and 384kbps. We compared performance results to the minimum requirements specified in 3GPP TS 25.104(Release 5). Extensive computer simulation shows that the proposed modem architecture has stable operation and outperform the minimum requirement by 2 dB. The proposed modem architecture has been applied in the implementation of WCDMA reverse link receiver modem chip successfully.
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2.45GHz LR-WPAN 수신기를 위한 Timing Estimator 알고리즘의 설계
강신우,도주현,박타준,최형진,Kang Shin-Woo,Do Joo-Hyun,Park Tha-Joon,Choi Hyung-Jin 한국통신학회 2006 韓國通信學會論文誌 Vol.31 No.3A
본 논문에서는 2.45GHz 대역 IEEE 802.15.4 LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network; ZigBee) 시스템의 수신기를 위한 개선된 방식의 Timing estimator의 알고리즘을 제안한다. 저가 구현을 지향하는 LR-WPAN 시스템의 특성상 고가의 오실레이터를 사용할 수 없으므로 반송파 중심 주파수의 80ppm에 해당하는 주파수 옵셋 환경에서 안정된 동작이 가능한 Timing estimator 알고리즘이 요구된다. 본 논문에서는 이러한 수신 환경을 고려하여 Multiple delay differential filter를 적용함으로써 주파수 옵셋에 대한 강인성 및 수신 성능의 안정성을 증대시켰으며, Multiple delay differential filter의 출력 신호에 대한 reference 신호의 상관 결과가 I-channel 에만 국한되는 특성을 이용하여 일반적인 noncoherent 방식 대신 coherent 방식의 correlator를 적용함으로써 non-coherent 방식의 제곱 손실을 제거하여 검출 성능을 향상시킴과 동시에 복잡도를 감소시켜 초소형, 저전력, 저가를 지향하는 LR-WPAM 수신기에 보다 적합하도록 설계하였다. 다양한 채널 환경에서의 성능정가를 통하여 제안된 알고리즘이 differential detection 기반의 noncoherent 방식보다 평균적으로 2dB의 향상된 성능을 보임을 입증하였다. In this paper, we propose an enhanced Timing Estimator algorithm for 2.45GHz LR-WPAN receiver. Because an expensive and highly efficient oscillator can't be used for low-cost implementation, a Timing Estimator algorithm having stable operation in the channel environment with center frequency tolerance of 80 ppm is required. To enhance the robustness to frequency offset and the stability of receiver performance, multiple delay differential filter is adopted. By utilizing the characteristic that the correlation result between the output signal of Multiple delay differential filter and reference signal is restricted on the In-phase part of the correlator output, a coherent detection scheme instead of the typical noncoherent one is adopted for Timing Estimator. The application of the coherent detection scheme is suitable for LR-WPAN receiver aimed at low-cost, low-power, and low-complexity, since it can remove performance degradation due to squaring loss of I/Q squaring operation and decrease implementation complexity. Computer simulation results show that the proposed algorithm achieved performance improvement compared with the differential detection-based noncoherent scheme by 2dB in average.
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Burst OFDM 시스템을 위한 차동 상관 기반의 프레임 동기 알고리즘
엄중선,도주현,김민구,최형진,Um Jung-Sun,Do Joo-Hyun,Kim Min-Gu,Choi Hyung-Jin 한국통신학회 2005 韓國通信學會論文誌 Vol.30 No.10C
버스트 방식 OFDM 시스템에서의 프레임 동기는 수신된 프레임의 시작 위치를 판단하고, 정확한 FPT-window 위치 추정을 위해 가장 우선적으로 수행되어야 한다. 유효 OFDM 심볼 내의 규정된 반복 패턴 또는 보호 구간의 상관을 이용하는 기존의 일반적인 프레임 동기 방식은 연속적으로 증가하다 감소하는 상관 출력 특성에 의해 정확한 프레임 시작 지점 검출이 어려우며, 수신 신호와 기준 신호 간의 상관 특성을 이용하는 방식은 주파수 옵셋으로 인한 성능 열화를 초래한다. 따라서, 본 논문에서는 프레임 동기 방식으로서 주파수 옵셋에 강인하고 정확한 프레임 시점 검출이 가능한 차동 상관(Differential Correlation) 방식을 기반으로 한 새로운 알고리즘을 제안하였다. 그러나, 일반적인 차동 신호의 상관 결과는 프리앰블의 반복 구조에 의해 다수의 Peak를 가지게 되며 이로 인하여 정확한 프레임 동기의 검출 성능이 열화된다. 본 논문에서는 이러한 차동 검출 방식의 단점을 보완하기 위하여 차동 신호 생성 시 반복되는 동일 패턴 구간의 샘플을 이용하여 단일 상관 Peak를 갖는 알고리즘을 제안한다. 또한 다중경로 페이딩 채널 환경에서 페이딩에 의한 프레임 시작 위치 검출 에러를 줄이기 위하여 신호 전력으로 상관 출력 값을 정규화하는 블록을 도입함으로써 고속 이동 채널 환경에서의 프레임 시작 지점 검출 확률을 높였다. In burst OFDM system, the frame synchronization should be performed first for the acquisition of received frame and the estimation of the correct FFT-window position. The conventional frame synchronization algorithms using design features of the preamble symbol, the repetition pattern of the OFDM symbol by pilot sub-carrier allocation rule and Cyclic Prefix(CP), has difficulty in the detection of precise frame timing because its correlation characteristics would increase and decrease gradually. Also, the algorithm based on the correlation between the reference signal and the received signal has performance degradation due to frequency offset. Therefore, we adopt a differential correlation method that is robust to frequency offset and has the clear peak value at the correct frame timing for frame synchronization. However, performance improvement is essential for differential correlation methods, since it usually shows multiple peak values due to the repetition pattern. In this paper, we propose an enhanced frame synchronization algorithm based on the differential correlation method that shows a clear single peak value by using differential correlation between samples of identical repeating pattern. We also introduce a normalization scheme which normalizes the result of differential correlation with signal power to reduce the frame timing error in the high speed mobile channel environments.
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DVB-H 수신기 모뎀을 위한 고속 분산 파일럿 동기 알고리즘
엄중선,도주현,이현,최형진,Um Jung-Sun,Do Joo-Hyun,Lee Hyun,Choi Hyung-Jin 한국통신학회 2005 韓國通信學會論文誌 Vol.30 No.11A
기존 DVB-T 시스템에서의 Streaming 방식이 아닌 IPDC(IP Data Casting) 방식으로 전송하는 DVB-H 시스템은 수신기의 소모 전력 감소를 통한 휴대성의 극대화를 위하여 Time-Slicing 기법을 사용한다. 해당 time slot의 Burst에 대해서만 수신기 동작을 수행함으로써 수신기의 전력 효율을 증대시킬 수 있는 Time-Slicing 기법은 각 Burst에 대한 동기 시간의 단축을 통하여 더욱 향상된 절전 효과를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 현재 수신된 OFDM 심볼의 파일럿 패턴을 검출하는 고속 분산 파일럿 동기 알고리즘을 제안한다. 제안된 방식은 연속적으로 수신된 두 OFDM 심볼에 대하여 가능한 분산 파일럿 위치의 인접 부반송파 간의 상관을 이용하므로 기존의 DVB-T에 적용된 방식에 비하여 동기 수행 시간을 두 심볼로 크게 줄일 수 있으며, DVB-H 시스템을 위해 노키아에서 제안된 두 가지의 방식 및 기준 신호와의 상관을 이용하는 방식에 비하여 우수한 성능을 나타낸다. 컴퓨터 모의 실험은 ETSI의 EN300 744를 기반으로 수행되었으며, 성능 평가 결과 제안된 방식이 기존 방식에 비하여 보다 효율적이며 안정된 성능을 보임을 확인할 수 있었다. Unlike conventional DVB-T transmission with the streaming method, DVB-H system based on the IPDC(IP Data Casting) method uses Time-slicing scheme to achieve the maximization of portability by reducing the power consumption of a receiver. To enhance the power efficiency of the receiver, Time-slicing scheme controls the receiver operation to perform only for corresponding burst in specific time slot. The additional power saving can also be achieved by reducing the required time for synchronization. In this paper, we propose a fast scattered pilot synchronization algorithm, which detects the pilot pattern of currently received OFDM symbol. The proposed scheme is based on the correlation between the adjacent subcarriers of potential scattered pilot position in two consecutively received OFDM symbols. Therefore, it can reduce the time for the scattered pilot synchronization within two symbols as com-pared with the conventional method used for DVB-T. And the proposed algorithm has better performance than the two schemes proposed by Nokia for DVB-H and the method using correlation with reference signal. Extensive com-puter simulation is performed based on ETSI EN300 744 ETSI and performance results show that the proposed algorithm has more efficient and stable operation than the conventional schemes.
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2.45GHz LR-WPAN 수신기를 위한 Coherent 기반의 Symbol Detector
한정수,도주현,박타준,최형진,Han Jung-Su,Do Joo-Hyun,Park Tha-Joon,Choi Hyung-Jin 한국통신학회 2006 韓國通信學會論文誌 Vol.31 No.2A
본 논문에서는 2.45GHz 대역 IEEE 802.15.4 LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network; ZigBee) 시스템의 수신기를 위한 개선된 방식의 symbol detector 알고리즘을 제안한다. 저가 구현을 지향하는 LR-WPAN 시스템의 특성상 규격에서 권고하는 frequency tolerance는 $\pm$80ppm(196KHz, 송수신 각각 $\pm$40ppm)으로서 이러한 큰 주파수 옵셋 환경에서도 안정된 동작이 가능한 symbol detector 알고리즘이 요구된다. 일반적으로 LR-WPAN의 수신 모뎀을 위해 주파수 옵셋에 강인한 noncoherent 기반의 symbol detector 사용되나 noncoherent 방식은 I/Q 제곱 과정에서의 제곱 손실에 의해 성능 열화 및 구현의 복잡도 증가를 유발하게 된다. 따라서 본 논문에서는 단일 preamble 심볼을 이용한 주파수 옵셋 추정기를 통해 주파수 옵셋을 보상해주는 coherent 방식의 symbol detector를 제안한다. 제안된 방식은 noncoherent 방식의 제곱 손실을 제거하여 성능을 향상시킴과 동시에 복잡도를 감소시켜 초소형, 저전력, 저가를 지향하는 LR-WPAN 수신기에 보다 적합하도록 설계되었으며, 다양한 채널 환경에서의 성능 평가를 통하여 제안된 알고리즘이 differential detection 기반의 noncoherent 방식보다 1dB의 향상된 성능을 보임을 입증하였다 In this paper, we propose an enhanced symbol detector algorithm for 2.45GHz LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network) receiver. Because the frequency offset of $\pm$80ppm on 2.45GHz band is recommended in IEEE 802.15.4 LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network) specification, a symbol detector algorithm having stable operation in the channel environment with large frequency offset is required. For robustness to the frequency offset, non-coherent detection-based symbol detector algorithm is typically applied in the LR-WPAN receiver modem. However, the noncoherent symbol detector has increased performance degradation and hardware complexity due to squaring loss of I/Q squaring operation. Therefore we propose a coherent detection-based symbol detector algorithm with frequency offset compensation using a preamble symbol. The proposed algorithm is more suitable for LR-WPAN receiver aimed at low-cost, low-power and low-complexity than the non-coherent symbol detector, since it can reduce performance degradation due to squaring loss of I/Q squaring operation and implementation complexity. Simulation results show that the proposed algorithm has performance improvement of about 1dB in various channel environments.
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