KR0145982B1 - 수신기에서의 경로 이득 평가 - Google Patents

Abstract

코히어런트 RAKE 수신기는 수신기에서의 경로 이득을 평가하기 위해 최대 가능 표준에 근거하여 블라인드 블럭(blind block) 경로 이득 평가 방식을 이용한다. 블라인드는 코드화된 비트(즉, 손상된 전송 비트로부터 나온 코드화된 비트)에 대해 예비 하드 판정이 사용되지 않은 점에서 붙혀진 것이다. 대신에, 소프트 판정 형식을 사용한다. 블럭방식은 복소치 경로이득이 독립된 블럭, 예를 들어 B상관기 출력의 블럭마다 평가된다는 점에서 붙여진 것이다. 시간에 따라 변화하는 경로이득은 평균 경로이득과 경로당 경로이득 변화율(슬롭)을 이용하여 경로이득을 평가하도록 시간에 대해 선형으로 근사되어진다. 경로이득 평가 방식은 FIR 필터-형 예측 방식에 근거하여(전속도 9600/bs 전송을 제외하고) 연속 전송을 보증할 수 없는 전형적인 CDMA 시스템의 단점들은 극복할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

수신기에서의 경로 이득 평가

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 전체적으로는 다수의 경로가 존재하는 곳에서 동작하는 스프레딩 스펙트럼 통신 시스템(spread spectrum communication systems)에 관한 것으로, 더 상세하게는 이와 같은 통신 시스템의 수신기에서 경로 이득을 평가하는 것에 관한 것이다.

[발명의 배경]

동일한 통신 채널로 약간의 시간간격 동안 많은 원거리 가입자 유닛과 통신하는 특성을 구현하도록 의도된 통신 시스템을 다중 액세스 통신 시스템(multiple access communication systems)이라 한다. 다중 액세스 시스템일 수 있는 한 가지 유형의 통신 시스템이 스프레딩 스펙트럼 시스템이다. 스프레딩 스펙트럼 시스템의 경우에는, 전송된 신호가 통신 채널내의 광대역 주파수에 걸쳐 스프레딩되는 변조 기술을 이용하고 있다. 이 주파수 대역은 전달되는 정보를 전송하는데 필요한 최소 대역폭보다 훨씬 넓다. 예를 들어, 정보 자체의 대역 보다 단지 2배의 대역으로 진폭 변조(AM)하는 음성 신호가 전달될 수 있다. 또한 저주파수 편차 변조(FM) 또는 단일 측파대역(single sideband) AM과 같은 다른 형태의 변조에 의해서도 정보 그 자체의 대역폭에 상당하는 대역폭으로 정보가 전송될 수 있다. 그러나, 스프레딩 스펙트럼 시스템의 경우, 흔히 전송될 신호의 변조에는 단지 수 킬로헤르쯔의 대역을 갖는 기저대역 신호(즉, 음성 채널)를 취하여, 전송될 신호를 수 메가헤르쯔 폭일 수 있는 주파수 대역에 걸쳐 분산시키는 단계가 포함된다. 이것은 전송해야할 정보를 전송될 정보와 광대역 엔코딩 신호로서 변조시킴으로써 달성된다.

일반적으로, 세가지 유형의 스프레딩 스펙트럼 통신 기술이 존재하는데 이는 다음과 같다:

직접 시퀀스(Direct Sequence)

비트율이 정보 신호 대역폭 보다 훨씬 높은 디지탈 코드 시퀀스로서 반송파를 변조. 이와 같은 시스템을 직접 시퀀스 변조 시스템이라 한다.

호핑(Hopping)

코드 시퀀스로 지시된 패턴으로 개별적으로 증가 이동하는 반송 주파수, 이들 시스템은 주파수 호퍼(frequency hoopers)라 한다. 송신기는 소정된 셋트내에서 주파수에서 주파수로 점프한다:주파수 사용의 순서는 코드 시퀀스로서 결정된다. 이와 유사하게, 시간 호핑(time hipping) 및 시간-주파수 호핑은 코드 시퀀스로서 정규화되는 전송 시간을 갖는다.

처업(Chirp)

소정의 펄스 간격 동안 반송파가 광대역에 걸치는 펄스-FM 또는 처업 변조.

정보(즉, 메시지 신호)는 몇 가지 방법에 의해 스프레딩 스펙트럼에 실릴(embedded)수 있다. 한가지 방법은 정보가 스프레딩 변조에 사용되기 전에 스프레딩 코드에 정보를 부가하는 것이다. 이러한 방법은 직접 시퀀스와 주파수 호핑 시스템에서 사용될 수 있다. 스프레딩 코드와 정보의 결합체, 즉 전형적으로 2진 코드가 모듈-2가산을 포함하기 때문에 스프레딩 코드에 정보를 부가하기 전에 전달될 정보는 디지탈 형태이어야 한다는 것을 알아야 한다. 선택적으로, 정보 즉 또는 메시지 신호는 스프레딩하기 전에 반송파를 변조시키는데 사용될 수 있다.

이 때문에, 스프레딩 스펙트럼 시스템은 다음과 같은 두 가지 특성을 가져야만 한다:(1) 전송된 대역폭은 또는 전달될 정보의 대역폭 즉 주파수보다 훨씬 커야 하고, (2) 전달될 정보 이외의 일부 기능을 사용하여 최종변조된 채널대역폭을 결정해야 한다. 스프레딩 스펙트럼 통신 시스템은 여러가지 방법으로 다중 액세스 시스템으로서 구현될 수 있는데, 즉 다중 액세스 스프레딩 스펙트럼 시스템의 한 형태가 직접 시퀀스 코드 분할 다중 액세스(DS-CDMA) 시스템이다.

다수의 통신 채널은 공유 주파수 대역에 각(및 모든) 사용자에게 고유의 스프레딩 코드를 지정함으로써 할당된다. 결국, 전송된 신호는 통신 채널의 동일하게 넓은 대역의 주파수에 있지만, 고유의 스프레딩 코드로 지정된 넓은 주파수 대역의 고유의 부분내에 존재한다. 이와 같은 고유의 스프레딩 코드는 스프레딩 코드간의 상관관계가 거의 제로일 정도로 바람직하게 서로에 대해 직교관계에 있다. 전송된 특정 신호는 스프레딩 코드가 통신 채널로부터 검색될 전송된 특정 신호와 관련되어 있어 통신 채널에서 신호의 합을 나타내는 신호를 디스프레딩(despreading)함으로써 통신 채널로부터 검색될 수 있다. 더우기, 스프레딩 코드가 서로에 대해 직교할 경우 다른 신호는 증강되지 않으면서 특정의 스프레딩 코드와 관련된 희망의 신호만이 증강되도록 수신 신호가 특정한 스프레딩 코드와 상관관계를 갖을 수 있다.

스프레딩 스펙트럼 및 다른 통신 시스템에서는 흔히 전송된 신호의 여러 복사(copies)가 다수의 무선경로 반사의 결과로서 지연, 이득 및 위상이 서로 다르게 수신되어지는 다수경로 왜곡이 발생한다. 다수경로 스프레딩 스펙트럼 신호를 수신하기에 특히 적합한 수신기의 한 형태가 RAKE 수신기이며, 이것은 본 기술분야에서는 잘 알려져 있는 것이다. RAKE 수신기는 수신기에서 독립된 경로를 최적으로 결합시키는 핑거(figers)로 구성되어 있다. 일반적으로, RAKE 수신기는 정합필터와 유사한 구성을 갖을 수 있는데, 이 경우에는 정합필터의 탭과 같이 각 핑거의 경로 이득을 RAKE 수신기가 전송된 신호를 정확하게 수신하도록 평가할 필요가 있다. 전송된 신호는 수신기로의 도중에 많은 손상[다수경로의 영향, 레이리 페이딩(Raylegigh fading)]을 받게 되므로, 수신기는 손상된 전송신호를 이용하여 경로 이득을 평가할 것이다. 명백하게도 최종 수신된 신호는 RAKE 수신기의 핑거마다 경로 이득을 평가하는 것이나 다름없다.

따라서, 평가를 하기 위해 손상된 전송신호를 사용하지 않고 RAKE 수신기의 각 핑거에 대해 정확한 경로 이득을 평가하는 수신기, 특히 RAKE 수신기가 필요로 된다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명에 따라 경로 이득을 평가하는 코히어런트 RAKE 수신기의 일부에 대한 전체도.

제2도는 쌍곡선 탄젠트 함수 tanh(x)를 도시.

[바람직한 실시예의 설명]

최대가능 표준에 근거한 블라인드 블럭(blind block) 경로 이득 평가수단이 본 발명에 따라 설명되어 있다. 코드화된 비트(즉,손상된 전송신호로부터의 코드화된 비트)에 대한 예비적 하드판정(preliminary hard decisions)을 사용하지 않는다는 점에서 '블라인드라 하였고, 대신에 소프트 판정(soft decisions)의 형태를 사용한다. 복소수 경로 이득이 독립된 블럭, 예를들어, B상관기 출력의 블럭에 대해 평가한다는 점에서 블럭방식이라 한다. 바람직한 실시예의 경우, 블라인드 블럭 경로 이득 평가방식을 효율적으로 이용하는 수신기가 코드-분할 다중 액세스(CDMA) 통신 시스템으로 구현되는 코히어런트 RAKE 수신기이다. 예시적인 실시예의 경우, 1.25ms동안 지속되는 B=36코드화된 비트를 구비하는 데이타 블럭의 의사-무작위(pseudo-random) 시간간격에 의해 다른 블럭과 독립하여 전송된다. 블라인드 블럭 경로 이득 평가방식은 FIR 필터형 예측방식에 근거하여 연속하는 전송을 보증할 수 없는 전형적인 CDMA 시스템의 단점을 해결한다. 이것의 한 결과나 또는 전송된 데이타 심볼을 알고 있지 않은 임의의 다른 평가방식에서는 평가치에서 위상이 애매모호해 진다. 즉, 데이타 비트는 서로 다르게 엔코드되어 데이타 비트쌍에서 에러가 발생되어진다.

코히어런트 RAKE 수신기에서는 코히어런트 스프레딩 스펙트럼 통신 시스템에서 최적의 결합을 행하기 위해 채널 다수경로의 성분을 정확하게 평가하는 것이 필요로 된다. 이 수신기는 여러 다수경로 L성분 또는 다이버시티 안테나(diversity antennas)로부터 상관기 또는 정합필터의 복소수치 출력

을 처리한다. 전형적으로 L은 1 내지 4이다. 방정식(1)에서, n은 시간지표이고, N은 코드화된 비트당 CDMA 칩의 수이고, Tc는 칩 간격이고, y(t)는 잡음이 포함되어 있는 희망 신호를 포함한 복소수 수신 파형이고, s(t)는 희망신호에 대한 CDMA 스프레딩 코드이고, t_m은 m번째 경로의 시간지연(정확하게 평가된 것으로 가정함)이고, *는 복소치 공액자를 의미한다. 각 샘플 u_m(n)은 다음 방정식(2)와 같다. 즉

여기서 C(n)=±1은 미지의 2진 코드화된 비트이고 ν_m(n)은 복소수 잡음샘플이다. 잡음 ν_m(n)은 사실상 간섭 CDMA 신호, 열 잡음 및 다른 경로 지연에서의 다른 다중 경로 성분을 포함한다.[이들 다른 다중 경로 성분의 기여는 스프레딩 시퀀스가 자동상관 사이드로브(auto correlation sidelobes)이고 N이 크면 작게되는 것으로 예기됨].

이것의 목적은 소정의 경로 지연 동안 B연속 상관기 출력{u_m(n), m=1,2…L, n=1,2,…B}의 블럭이 주어지면, 경로이득의 평가치{(n), m=1,2…L, n-1,2,…B}를 구하기 위한 것이다. 일단 이러한 평가치가 구해지면 RAKE 수신기는 다음과 같은 방정식(3)의 형식을 취한다. 즉

이것은 처리를 위해 디코더로 전달되어진다.

L 복합경로이득은 도플러 효과(Doppler effects)로 인해 시간에 따라 상당하게 변화할 수 있다. 더우기, 공-채널 간섭은 {u_m(n)}에 비교적 높은 잡음성분을 일으킬 수 있다. 평가치은 9.6kb/s 데이타 레이트를 갖는 대표적인 CDMA 시스템에서 1.25ms의 시간지속기간에 대응하며 레이트 1/3 2진 코드를 사용하는 B 연속 샘플 u_m(n)의 블럭으로부터 구해질 것이다. 또한 이들 평가치는 C(n)의 지식 또는 명백한 평가치를 알지 못하는 경우에도(즉, 손상된 전송신호를 사용함이 없이) 구해질 수 있다.

블라인드 블럭 평가 방식은 최대 가능(ML)원리에 근거하여 유출 및 평가될 수 있다. 제1도는 본 발명에 따른 경로 이득을 평가하는 코히어런트 RAKE 수신기의 일부를 전체적으로 도시한 것이다. B샘플 u_m(n)의 블럭은 재순환 지연라인이나 다른 메모리 장치에 기억되어 있다. 이하에서는 이러한 블럭을 처리하여 평가치를 구하는 반복 알고리즘에 대해 기술하고 있다.

(1) 파라미터 a_m(i)=1, B_m(i)=0, m=1,…L, i=1에서 시작.

(2) 제1도의 지점 1에서 도시된 바와 같이 f_m(n)을

로 근사시켜 i번째 반복을 시작.

여기서 a_m(i)는 블럭에서 f_m(n)의 평균치의 i번째 반복 평가치이고 bm(i)는 변화율(슬롭)의 i번째 반복 평가치이다. 블럭 지속기간은 시간에 따라 거의 선형적으로 변화하는 경로시간 변화에 비해 충분히 짧은 것으로 가정한다.

(3) 제1도의 지점 2에서 도시된 바와 같이 소프트 판정를 다음과 같이 구성, 즉

여기서 제2도에서 도시된 바와 같이 tanh는 포화 증폭기(saturating amplifier) 또는 소프트 리미터(soft limiter)와 같이 작용하는 쌍곡선 탄젠트 함수이다.는 복소수 잡음 샘플의 실수부와 허수부 각각의 변화에 대 수신기의 평가치이다.

(4) 제1도의 지점 3에서 도시된 바와 같이를 (1/B) u_m(n)으로 증배시키고

을 구성하도록 누산

(5) 제1도의 지점 4에서 도시된 바와 같이를 (12/B(B²-1)(n-(B+1)/2)u_m(n)으로 증배시키고

을 구성하도록 누산

(6) 제1도의 지점 5 및 6에서 도시된 바와 같이, 추계(stochastic) 근사 알고리즘을 이용하여 a_m(i) 및 b_m(i)를 갱신

여기서 k_i=i/(i+k), k는 k=20과 같은 적정상수

(7) i가 i=30과 같은 고정수에 도달할때까지 i를 1만큼 증분시키고 단계(2)로 복귀.

반복실행이 완료되면 평가치은 (4)에 의해 주어진다. 이러한 평가 알고리즘이나 또는 진(true) 비트{c(n)}를 이용하지 않는 임의의 다른 평가 알고리즘에서는 부호의 모호성(±1)이 존재할 수 있다는 것에 주목할 필요가 있다. 따라서, 비트의 미분엔코딩이 사용되는 것이다. i번째 반복이 완료되면, B정합 필터 출력 u_m(n)의 전체 블럭이 처리되고, 대응하는 소프트 판정이 형성되어 a_m(i) 및 b_m(i)가 갱신되어진다.

a_m(i) 및 b_m(i)에 대한 식은 다음과 같이 유출된다. 경로 이득 평가기는복소수탭 이득을 나타내는 벡터, 소정의 u 및 B정합 필터 출력의 시퀀스를 나타내는 벡터를 결정한다. 이 때문에, 상기에서 기술된 바와 같이, 최대 가능(ML)이 최적의 표준 즉

로서 선택되며, 여기서주어지면 u의 조건가능 밀도이다.

u에 포함되어 있는 B_c(n)의 셋트는 벡터 c로 표시된다. c성분은 각각 +1 또는 -1인 것으로 가정되며 가능성은 동일하다. 다음에

여기서

경로이득 f_m(n)은 도플러 효과로 인해 시간 n에 따라 변화된다. 예를 들어, 85Hz의 도플러 주파수는 약 60m/n의 차량 속도와 약 900Mhz의 반송파 주파수에 상당한다. 1.25ms의 블럭 길이 B는 한 도플러 사이클의 약 11%에 상당한다. 이러한 단시간 기간 동안, f_m(n)의 변화를 n에 대해 선형으로서 근사시키는 것이 이상적인데, 즉

여기서 a_m및 b_m은 평가해야할 고정 파라미터이며, a_m은 한 블럭에서 m번째 경로의 평균 경로 이득이고, b_m은 이것의 변화율 즉 슬롭이다. 방정식(11)에서 나타나는 (b+1)/2의 크기는 방정식(11)중 제2항의 1 내지 B까지의 합이 0이 되도록 선택되어졌다. 여기서 평가문제는 {a_m} 및 {b_m}을 나타내는 벡터 a 및 b에 대하여 p(u|a,b)를 극대화시킨다는 것에 주목해야 한다.

독립적인 무작위 변수 {c(n)=±1}에 대하여 방정식(9)의 평균화를 행하면

를 얻을 수 있다.

a와 b에 관하여 p(u|a,b)를 극대화시키기 위해, a_m및 b_m에 관하여 p(u|a,b)의 도함수를 0로 설정하여 m=1,2,…L에 대하여

및

m=1,2,…L에 대하여

를 얻는다.

방정식(13) 및 (14)에서 tanh 함수의 인수는 방정식(11)에서 주어진 경로 평가치에 대한 RAKE 경로 결합기의 출력이다. 신호대 잡음비가 높을 경우(즉,가 0에 근접) 방정식(13) 및 (14)에서 tanh 함수는 signum 함수 ±1에 근접하여 RAKE 수신기의 출력에 근거한 c(n)에 대한 예비 하드 판정을 구성한다는 것에 주목할 필요가 있다. 방정식(13) 및 (14)는 c(n)에 대한(tanh 함수로 정해진) 소프트판정으로 u_m(n)과의 곱의 가중 평균으로써 해석할 수 있다. 또한, 평가치에 ±1 모호성이 존재하여 상술된 바와 같이 데이타 비트의 미분엔코딩이 필요하다는 것에 주목해야 할 필요가 있다.

방정식(13) 및 (14)은 a_m및 b_m을 구하기 위한 비선형 방정식으로써,

으로 표현될 수 있으며,

여기서 p(a,b) 및 q(a,b)는 m번째 성분이 방정식(13) 및 (14)의 우측인 L차원 벡터이다. 이들 방정식은 추계근사식을 이용하여 반복적으로 해결될 수 있는데, 즉 i번째 반복에 의해

여기서 k_i는 감소하는 스텝사이즈로서, 예를 들어 k_i=1/(i+1)이다. 이들 방정식에 대한 한가지 해답이 a=b=0이다. 그러나, 이러한 해답은 최소의 가능함수에 대응하여 넌-제로 초기 조건의 경우 추계 근사 알고리즘의 위험은 존재하지 않기 때문에 상기 해답을 커버할 수 있다는 분석이 나왔다.

블라인드 블럭 경로이득 평가방식은 페이딩이 빠르며 간섭제한된 환경에서 동작하는 디지탈 셀룰러 CDMA 통신시스템의 코히어런트 BPSK 코드 변조를 가능하게 한다. 전형적인 CDMA 통신 시스템의 역방향 채널에서 사용되는 넌-코히어런트 직교 방식에 비해 개략 3dB 개선된 시뮬레이션이 도시된다. 더우기, 이 방식은 예비 데이타 판정의 존재에 의하지 않고 연속 전송보다는 블럭단위의 전송에 근거한다. 또한, 이 방식에 의해 가능해진 코히어런트 동작 모드는 적당한 스프레딩 시퀀스에 일치하는 수신기에서 단일 정합 필터로 구현될 수 있다. 이 때문에 동기화를 단순화할 수 있고, 도시 환경에서 차량의 이동에 관련된 다수경로 성분의 급작스러운 출현 및 사라짐에 대해 신속하게 응답할 수 있다.

비록 본 발명이 특정의 실시예에 대해서만 도시 및 기술되어졌더라도, 당해 기술분야의 숙련자가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않는 한 여러가지의 변형 실시예를 행할 수 있다는 것은 물론이다. 예를들어, 다른 실시예의 경우, 미약 경로의 존재를 확인하기 위한 모니터를 포함할 수 있으며, 이것이 검출되면, 제거될 수 있다. 이것은이 비교적 작은 방정식(3)에서 포함하는 경로에 적은 값이 존재하는 것을 발견할 수 있으므로 실행될 수 있다.

더우기, 방정식(5)와 제2도에서 나타난 쌍곡선 탄젠트 함수는 판독 전용 메모리(ROM)로 구현된 디지탈 참조표나 또는 소프트 리미터 장치에 의해 근사될 수 있다.

Claims (10)

1. 수신기에서의 복소치 경로이득을 평가하는 방법에 있어서, 경로이득을 B 샘플 블럭에 대해 평균 경로이득과 경로이득 변화율의 함수로서 근사시키는 단계와, B샘플 블럭에 관련된 데이타 심볼에 대해 행해진 소프트 판정과 정합 필터 출력을 이용하여 B샘플 블럭에 대한 경로이득 평가치를 생성시키는 단계와, 제1 및 제2조정인자를 얻기 위해 생성된 경로이득 평가치를 제1 및 제2인자로 수정시키는 단계와, 갱신된 경로이득 근사치를 얻기 위해 평균 경로이득을 제1조정 인자를 이용하여 수정하고 경로이득 변화율을 제2조정 인자를 이용하여 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 복소치 경로이득 평가방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 수신기는 코히어런트 RAKE 수신기인 것을 특징으로 하는 수신기에서의 복소치 경로이득 평가방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 소프트 판정 생성 단계는 쌍곡선 탄젠트 함수를 이용하는 소프트 판정을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 복소치 경로이득 평가방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 생성단계, 제1수정 단계 및 제2수정 단계는 경로이득 평가치를 얻기 위해 반복되어지는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 복소치 경로이득 평가방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 경로이득 평가치는 다른 처리를 하기 위해 코히어런트 RAKE 수신기에 입력되는 것을 특징으로 하는 수신기에서의 복소치 경로이득 평가방법.
6. 복소치 경로이득을 평가하는 수신기에 있어서, 경로이득 B샘플 블럭에 대해 평균 경로이득과 경로이득 변화율의 함수로서 근사시키고 B샘플 블럭에 관련된 데이타 심볼에 대해 행해진 소프트 판정과 정합필터의 출력을 이용하여 경로이득 평가치를 B샘플 블럭에 대해 생성시키는 수단과, 제1 및 제2조정 인자를 얻기 위해 상기 생성된 경로이득 평가치를 수정하고 제1조정인자를 이용하여 평균 경로이득을 수정하고 갱신된 경로이득 근사치를 얻기 위해 제2조정인자를 이용하여 경로이득 변화율을 수정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 복소치 경로이득을 평가하는 수신기.
7. 제6항에 있어서, 상기 수신기는 코히어런트 RAKE 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복소치 경로이득을 평가하는 수신기.
8. 제7항에 있어서, 상기 소프트 판정 생성 수단은 쌍곡선 탄젠트 함수를 이용하여 소프트 판정을 생성시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복소치 경로이득을 평가하는 수신기.
9. 제7항에 있어서, 상기 생성 수단 및 상기 수정 수단은 경로 이득 평가치를 얻기 위해 반복되어지는 것을 특징으로 하는 복소치 경로이득을 평가하는 수신기.
10. 제9항에 있어서, 상기 경로이득 평가치는 다른 처리를 행하기 위해 코히어런트 RAKE 수신기에 입력되는 것을 특징으로 하는 복소치 경로이득을 평가하는 수신기.