KR0175613B1 - 부호 분할 다원 접속 시스템에서 파일럿 신호를 이용한 기지국간 동기 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부호 분할 다원 접속 시스템에서의 기지국간 동기 방법에 관한 것으로, 부호 분할 다원 접속 이동 통신 시스템에서 인접 기지국의 파일럿 신호를 이용하여 기지국간을 동기시키는 기지국간 동기 방법을 제공하기 위하여, 각 인접 기지국으로부터 각각의 파일럿 신호를 수신한 측정 기지국은 상관 에너지를 검출하여 인접 기지국의 파일럿 위상 점유 여부를 확인하고 신호대 간섭비(SIR)를 계산한 후에 PN(Pseudo Noise)부호 전주기에 대하여 탐색을 완료하였는지 판단하는 제1단계(301 내지 303); PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되지 않았으면 파일럿 부호의 위상점을 이동한 후에 상기 제1단계(301 내지 303)부터 반복 수행하는 제2단계(304); 및 PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되었으면 기지국간 전파 지연에 따른 전파 지연 시간을 보정하고 기지국별 파일럿 위상 에러를 계산한 후에 인접 기지국이 측정 기지국에 미치는 위상 에러에 대하여 신호대 간섭비에 따라 가중치를 주어 결합하여 위상 보정을 수행한 다음에 보정된 파일럿 신호를 발신하는 제3단계(305내지 308)를 포함하여 간단하게 기지국간 동기를 수행함으로써 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

부호 분할 다원 접속 시스템에서 파일럿 신호를 이용한 기지국간 동기 방법

제1도는 부호 분할 다원 접속 방식 이동 통신 시스템에서의 통화 채널 전환 예시도.

제2도는 셀룰라 시스템의 부호 클러스터 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 파일럿 신호를 이용한 기지국간 동기 방법에 대한 처리 흐름도.

제4도는 파일럿 위상 검출 및 신호대 간섭비 측정 과정에 대한 구성의 일예시도.

제5도는 위상 에러 추정 및 보정 과정에 대한 구성의 일예시도.

제6도는 기지국간 동기를 위한 위상 보정 과정에 대한 설명도.

제7도는 시뮬레이션 결과에 대한 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

401 : 적분 방전 필터 402 : 상관 에너지 검출부

403 : 파일럿 위상 점유 여부 확인부 405 : PN 부호 위상 조절부

404 : SIR 계산부 501 : 전파 지연 보상부

406 : 곱셈부 503 : 가중치에 따른 결합부

502 : 곱셈부 504 : 위상값 보정부

본 발명은 부호 분할 다원 접속 시스템에서 기지국간 동기를 실현하는 데 있어 GPS(Global Positioning System)를 사용하지 않고 각 기지국간 파일럿 신호를 검출하여 그 부호 위상을 조절하여 동기를 실현하는 기지국간 동기 방법에 관한 것이다.

여기서, 파일럿이란 부호 분할 다원 접속 방식의 이동 통신 시스템에서 이동국이 PN(Pseudo Noise) 시퀀스의 동기를 쉽게 찾을 수 있게 해주고, 또한 기지국의 구별을 용이하도록 하기 위하여 사용되는 채널이다.

한편, 이동 무선 통신망에서 부호 분할 다원 접속 방식은 공통의 무선 전송로를 통하여 전송되어지는 정보들을 부호간 상관 특성이 우수한 부호로 변조하여 다원 접속으로 운영할 수 있게 하는 방식이다. 이때, 부호간 상관 특성을 얻기 위하여 먼저 부호간 동기를 이루어야 한다.

부호간 동기란 송신된 부호 신호의 위상과 수신단에서 곱해주는 부호가 일정한 시간적 관계로 유지되거나 일치시키는 것을 말하며, 이와 같은 동기는 한 셀내에 있을 경우와 셀과 셀간의 이동시에 동기가 유지되어야 한다.

종래의 부호 분할 다원 접속 방식을 사용하는 이동 무선 통신망에서는 기지국간 동기를 유지하기 위하여 기지국마다 GPS 수신기를 사용한다. 부호 분할 다원 접속 시스템에 기준 시간을 제공하는 GPS는 미국 국방성이 1970년대부터 개발을 추진한 인공 위성을 이용한 위치 측정 시스템이다. 따라서 언제 어디에 기지국이 설치되어도 인공 위성을 이용하여 언제 어디서나 자신의 위치나 시간 정보를 정확히 측정할 수 있다. 따라서, 이를 이용할 경우에 각 기지국은 부호 분할 다원 접속 시스템 시간에 ±3μsec 안에서 파일럿 시퀀스를 송신할 수 있고, 기지국에 의하여 방출되는 부호 분할 다원 접속 채널 신호는 ±1 μsec 안에 있게 된다.

따라서, 상기와 같은 종래의 기지국간 동기 방법은 마이크로/피코 셀룰라 시스템에서 기존 셀룰라 시스템에 비하여 같은 영역에서 셀 반경 축소 비율의 자승에 비례하는 기지국 수를 필요로 하기 때문에 대단히 많은 비용이 소요되므로 향후 개인 통신 서비스 등의 마이크로셀/피코셀 환경에 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 기지국간 동기를 유지하기 위한 시간 유지에 대한 요구 조건은 기지국간 시간 오차에 대한 양으로서, GPS를 꼭 사용하여야 하는 엄격한 제한 조건이 되는 것은 아니다. 통화 채널 전환 환경에서 동기를 위하여 이동국은 부호 탐색 윈도우의 크기를 변화시켜 가며 파일럿 위상을 탐색하므로써 다른 부호 위상을 갖는 기지국간 시간 오차에 따른 비동기 성분을 극복할 수 있다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 부호 분할 다원 접속 이동 통신 시스템에서 인접 기지국의 파일럿 신호를 이용하여 기지국간을 동기시키는 기지국간 동기 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 부호 분할 다원 접속 시스템에 적용되는 기지국간 동기 방법에 있어서, 각 인접 기지국으로부터 각각의 파일럿 신호를 수신한 측정 기직국은 상관 에너지를 검출하여 인접 기지국의 파일럿 위상 점유 여부를 확인하고 신호대 간섭비(SIR)을 계산한 후에 PN(Pseudo Noise)부호 전주기에 대하여 탐색을 완료하였는지 판단하는 제1단계; 상기 제1단계의 판단 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되지 않았다면 파일럿 부호의 위상점을 이동한 후에 상기 제1단계부터 반복 수행하는 제2단계; 및 상기 제1단계의 판단 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되었으면 기지국간 전파 지연에 따른 전파 지연 시간을 보정하고 기지국별 파일럿 위상 에러를 계산한 후에 인접 기지국이 측정 기지국에 미치는 위상 에러에 대하여 신호대 간섭비에 따라 가중치를 주어 결합하여 위상 보정을 수행한 다음에 보정된 파일럿 신호를 발신하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첩부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 상세히 설명한다.

제1도는 부호 분할 다원 접속 방식 이동 통신 시스템에서의 통화 채널 전환 예시도로써, 이동국이 셀과 셀간을 이동하는 경우에 위상 변화 관계를 보여준다.

도면에서 셀이란 기지국과 이동국이 무선으로 통신하여 서비스를 제공하는 단위 구역을 뜻한다. 기지국은 이동국의 통신을 중계해 주기 위하여 셀 마다 하나씩 고정되어 위치하는 장치이다.

셀 A내의 각 이동국은 각기 독립된 채널을 부여받아 기지국 A와 통신을 수행한다. 이때, 이동국과 기지국은 통화 시에 한 쌍의 송수신 무선 채널을 점유할 수 있고, 그중 파일럿 채널을 이용하여 지속적으로 송수신을 위한 부호간 동기를 유지할 수 있다. 이동국이 셀A에서 셀B영역으로 이동할 경우에 통화 채널 전환(hand-over)을 겪게 된다.

통화 채널 전환이란 통화자가 한 기지국에서 인접 기지국으로 이동할 때 두 기지국은 서로 다른 부호 위상을 사용하고 있지만 통화자가 거의 의식할 수 없는 상태에서 단말기가 자동적으로 새로운 기지국의 코드 위상으로 동기화되어 통화가 끊어지지 않고 지속되도록 하는 처리이다.

제1도에서 보듯이 기지국 A와 통화 중에 이동국의 이동에 따라 다른 부호 위상을 갖는 기지국 B의 무선 채널로 통화 채널을 변경하게 되면, 지역에 따라 어떤 통화 채널로든지 통화가 가능하다. 여기서, 이동국이 기지국 B의 무선 채널을 점유하여 통화를 유지하기 위해서는 다른 부호 위상을 갖는 기지국 B에 동기가 이루어져 있어야 한다.

제2도는 셀룰라 시스템의 부호 클러스터 구성도로써, 각 기지국들은 모두 동일한 발생 다항식을 갖는 긴 길이의 PN 부호(ML 부호등)P(t)를 파일럿 채널의 확산 부호로 사용하며, 부호 클러스터마다 그 위상 오프 셋을 이용하여 코드 자원을 재 사용하게 된다.

여기서, 부호 클러스터란 여러 개의 셀 들이 모여서 형성된 클러스터에서 각 셀은 다른 파일럿 부호 위상을 갖고 있는 데, 이와 같이 셀별로 갖게 되는 파일럿 위상을 재 사용하게 되는 셀의 모임을 말한다. 이때, 같은 동일 파일럿 위상을 사용하는 기지국간 거리는 공통 채널 간섭을 무시할 수 있을 정도로 떨어져 있어야 한다.

제3도는 본 발명에 따른 파일럿 신호를 이용한 기지국간 동기 방법에 대한 처리 흐름도이다.

먼저, 측정 기지국은 인접된 타 기지국들로부터 각각의 파일럿 신호를 수신하여 상관 에너지를 검출한다(301). 이후, 파일럿 수신 신호에 대한 상관 에너지에서 인접 기지국의 파일럿 위상 점유 여부를 확인하고 신호대 간섭비(SIR)를 계산한 후에(302) PN 부호 전주기에 대하여 탐색을 완료하였는지 판단한다(303).

판단 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되지 않았으면 파일럿 부호의 위상점을 이동한 후에(304) 처음부터 반복 수행한다.

위의 전 과정을 제4도를 통하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

수신된 각 파일럿 신호 r(t)는 확산 PN 시퀀스이므로 역확산을 위하여 임의의 위상을 갖는 P(t-t_i-θ_i)와 곱하여 진 후에(406) 적분 방전 필터(401)를 거친다. 적분 방전 필터(401)의 출력으로부터 PN 부호 위상점에서 상관 에너지{T_D체재 시간(dwell time) 동안의 에너지} R_P(T_i+ θ_i)를 얻을 수 있다(402). 상관 에너지 R_P(T_i+ Δθ_i)는 수신 신호 전력의 적분 기간, 즉 체재 시간 T_D에 따라 커진다. 상관 출력 신호 R_P(t_i+ θ_i)는 인접셀 i의 파일럿 신호에 따른 상관 에너지가 된다.

여기서,

r(t) : 측정 기지국 수신 신호

t_i: i번째 인접 기지국 파일럿 위상 오프셋(offset)

θ_i: 기직국간 비동기 요소

N : 인접 기지국 수

를 각각 나타낸다.

위에서 값 A는 원하는 파일럿 신호의 복조 신호 크기를 나타내고, 나머지 항은 다른 인접 기직국으로부터 간섭 신호를 나타낸다.

파일럿 수신 신호에 대한 상관값에서 인접 기지국의 파일럿 위상 점유 여부 확인(403)은,

(V_T: 파일럿 동기 위상 점유 여부 확인을 위한 임계치)

를 통하여 구할 수 있다.

위의 조건에 따라 검출된 부호 위상에 따른 상관값 R_P(t_i+θ_i)에서 파일럿 신호와 간섭 신호 사이의 전력비를 나타내는 신호대 간섭비(SIR : Signal to Interference Ratio)를 구할 수 있다(404). 즉, 파일럿 복조 신호 값에서 상관 검파 후의 신호대 간섭비를 아래와 같이 얻을 수 있다.

간섭으로 인한 잡음 전력을 나타내는 σ²은 파일럿 확산 신호 P(t)가 충분히 긴 랜덤 잡음 부호로 근사화할 수 있으며, 확산 부호의 매 칩은 ±1의 이항 분포를 가지므로 상관 주기 T_D값의 증가에 따라 이항 분포는 평균이 0이고 분산이 σ²인 정규 분포로 근사화될 수 있다.

검출된 부호 위상에 따른 상관 신호 R_P(t_i+θ_i)와 기지국간 비동기 요소 θ_i에 따른 신호대 간섭비(SIR)의 위상점을 이동(405)하여 파일럿 PN 부호 전주기에 대하여 탐색하는 과정을 반복하면 측정 기지국은 PN 부호 P(t)의 전주기 위상에 이산적으로 분포하고 있는 무선 채널의 인접 기직국들의 파일럿 동기점을 찾을 수 있다.

이와 같은 과정을 통하여 인접 기지국에 대한 R_P(t_i+θ_i)를 얻으면 셀 k의 측정 기지국은 인접셀 i의 파일럿 위상 t_i를 미리 알고 있으므로 위상 오차 θ_i를 구할 수 있다. 위상 t_i는 유선망을 통하거나 인접 기지국의 파일럿 신호와 함께 송출되는 동기 채널 신호의 시스템 정보로부터 얻을 수 있다.

기지국간 비동기 요소인 θ_i는 가변적 성분과 고정된 성분으로 구성되는 데, 기지국간 전파 지연에 따른 위상 지연(고정된 성분)에 대한 값을 보상해 주면 θ_i를 0으로 수렴시킬 수 있다.

PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되었는지를 판단(303)한 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되었으면 기지국간 전파 지연에 따른 전파 지연시간을 보정한 후에(305) 기지국별 파일럿 위상 에러를 계산한다(306). 이후, 인접 기지국의 측정 기지국에 대한 위상 보정 영향을 신호대 간섭비에 따라 가중치를 준 후에 가중치에 따른 위상 에러를 결합하여 위상 보정값을 계산하여 위상 보정을 수행한다(307).

위의 과정을 제5도를 통하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

위상 보정 과정에서 현재까지의 수정 과정의 전체 수를 n이라 하고, 인접셀 i에서의 파일럿 신호에 의한 셀k에 위치한 기지국에서의 측정된 검출 위상을 θ_ki(n)이라 하자.

셀 k 측정 기지국의 위상 동기에 영향을 주는 인접셀 i의 파일럿 신호로 인한 위상 보정을 위하여 먼저 셀간 전파 지역으로 인한 위상 지연값 τ_P가 보정(501)된 오차를 Δθ_ki라 하면,

여기서,

τ_ki: 인접셀 i 기지국에서 측정 기지국 k 전파 지연(propagation delay)

(x_k,y_k,z_k) : k 기지국 위치 좌표

(x_i,y_i,z_i) : i 기지국 위치 좌표

ν : 전파 속도(3×10⁸m/s)

를 각각 나타낸다.

인접 기지국의 파일럿 신호로부터 얻은 위상 보정치 Δθ_ki들로부터 측정 기지국의 위상 보정에 대한 영향을 신호대 간섭비에 따라 가중치를 준다(502). 가중치에 따른 위상 에러를 결합하여 위상 보정값을 구할 수 있다(503).

위상 보정 Δθ_k는 다음과 같다.

Δθ_ki보정값으로 부터 k 기지국의 위상 보정 과정을 수행하면 다음과 같은 새로운 위상을 얻게 된다(504).

이와 같은 위상 보정 과정을 거친 파일럿 신호를 발신하면(308), 보정된 파일럿 신호는 다시 인접 기지국의 위상 보정에 영향을 주어 각 가지국의 파일럿 기준 위상은 동일점으로 수렴해 간다.

제6도는 기지국간 동기를 위한 위상 보정 과정에 대한 설명도이다.

도면에서 측정셀(1) 기지국은 인접셀(2,3, ...N)의 기지국들의 파일럿 위상을 측정하고 인접 기지국으로부터의 파일럿 위상 오프셋(offset)과 전파 지연으로 인한 위상 오차를 보정한 값에서 각 파일럿 신호의 신호대 간섭비 측정값의 가중치만큼 파일럿 위상 t₁의 위상 보정에 영향을 주는 것을 보여준다. 이와 같은 위상 보정은 인접셀 2, 3,...,N 등에 대하여도 반복적으로 이루어져 기지국간 동기를 유지할 수 있다. 각 기지국은 상관 주기 동안의 위상 보정을 거친 후에 다시 위상 보정 과정을 수행할 때까지의 변화율을 빠르게 함으로써 빠르게 변화하는 기지국간 동기 오차의 동적 요소(dynamic)를 추적하게 된다.

이와 같은 과정에서 파일럿 기준 위상은 여러 개의 인접셀들의 동기 정보를 이용하여 얻어지므로 평균화된 셀간 동기 정보를 갖고 기지국간 동기가 이루어지도록 해준다. 이때, 각 셀의 동기점은 일정값으로 수렴하거나 위상 보정률에 따라 지속적으로 이동할 수도 있을 것이다.

제7도는 시뮬레이션 결과에 대한 설명도로써, 기지국간 위상 오차가 일정 초기값으로 주어지고 동기 에러의 발생이 코드간 간섭에 따른 영향으로 정규화된 분포 특성을 갖는다고 할 때의 기지국간 동기화 과정을 보여주고 있다.

여기서, 셀 환경은 제3도와 같은 부호 클러스터에서 셀이 2티어(tier)까지 포함하는 육각 모양의 19개의 셀로 구성되고 각 셀의 위상차가 불규칙적으로 주어질 경우에 중심 셀과 1티어(tier)셀의 7개 셀에 대한 기준 위상 수렴 과정을 시뮬레이션을 통하여 보여준다. 이때, 코드간 간섭으로 인한 효과는 가산성 정규 잡음으로 처리하였다.

상기와 같은 본 발명은 향후 도래할 개인 통신 시스템의 마이크로셀/피코셀 환경에 간단하게 동기 기술을 제공할 수 있어 천문학적인 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에세 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

Claims (7)

1. 부호 분할 다원 접속 시스템에 적용되는 기지국간 동기 방법에 있어서, 각 인접 기지국으로부터 각각의 파일럿 신호를 수신한 측정 기지국은 상관 에너지를 검출하여 인접 기지국의 파일럿 위상 점유 여부를 확인하고 신호대 간섭비(SIR)를 계산한 후에 PN(Pseudo Noise)부호 주기에 대하여 탐색을 완료하였는지 판단하는 제1단계(301 내지 303); 상기 제1단계(301 내지 303)의 판단 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되지 않았으면 파일럿 부호의 위상점을 이동한 후에 상기 제1단계(301 내지 303)부터 반복 수행하는 제2단계(304); 및 상기 제1단계(301 내지 303)의 판단 결과, PN 부호 전주기에 대한 탐색이 완료되었으면 기지국간 전파 지연에 따른 전파 지연 시간을 보정하고 기지국별 파일럿 위상 에러를 계산한 후에 인접 기지국이 측정 기지국에 미치는 위상 에러에 대하여 신호대 간섭비에 따라 가중치를 주어 결합하여 위상 보정을 수행한 다음에 보정된 파일럿 신호를 발신하는 제3단계(305 내지 308)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계(301 내지 303)의 상관 에너지 R_P(t_i+θ_i)는,

   (여기서, r(t) : 측정 기지국 수신 신호, t_i: i번째 인접 기지국 파일럿 위상 오프셋, θ_i: 기지국간 비동기 요소, N : 인접 기지국 수)에 의하여 검출하는 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1단계(301 내지 303)의 파일럿 위상 점유 여부는, R_P(t_i+θ_i)≥V_T(여기서, V_T: 파일럿 동기 위상 점유 확인을 위한 임계치)에 의하여 확인하는 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1단계(301 내지 303)의 신호대 간섭비(SIR)는,

   (여기서, A : 파일럿 복조 신호 값, σ²: 간섭항의 분산)에 의하여 계산한 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제3단계(305 내지 308)의 위상 오차 Δθ_ki는,

   (여기서, τ_ki: 인접셀 i 기지국에서 측정 기지국 k 전파 지연, (x_k,y_k,z_k) : k 기지국 위치 좌표, (x_i,y_i,z_i) : i 기지국 위치 좌표, ν : 전파 속도)에 의하여 계산하는 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제3단계(305 내지 308)의 위상 보정 Δθ_k는,

   에 의하여 계산한 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.
7. 제1항에 있어서, 각 인접 기지국에 대하여 위상 보정 과정을 반복 수행하는 경우에 상기 제3단계(305 내지 308)의 위상 보정은, θ_k(n+1)=θ_k(n)+λ·Δθ_k(λ : 반복 과정시 위상 보정 비율)에 의하여 계산된 것임을 특징으로 하는 기지국간 동기 방법.