KR100243106B1 - The structure of mc-cdma receiver using antenna array and receiving method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나 어레이를 이용한 다중 반송파 코드 분할 다중 접속(MC-CDMA) 수신기의 구조 및 신호 수신 방법에 관한 것으로, 단위 셀 내에서 이동체의 위치를 파악하는 위치 구성단을 사용하지 않는 안테나 어레이를 MC-CDMA 방식에 적용하여 안테나 어레이에 수신되는 신호를 공간적으로 프로세싱하므로써, 수신되는 각 이동국 신호에 대한 어레이 응답 벡터를 추정하고 이 백터를 통해 최적의 빔 포밍(beam forming)을 하는 계수(weight)를 구한 후 원하는 사용자는 안테나 빔을 향하게 하고 원하지 않는 사용자는 신호를 감소시켜 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 MC-CDMA 수신기의 구조 및 신호 수신 방법이 제시된다.The present invention relates to a structure and a signal receiving method of a multi-carrier code division multiple access (MC-CDMA) receiver using an antenna array. The present invention relates to an antenna array which does not use a position configuration stage for identifying a position of a mobile within a unit cell. By applying the CDMA scheme to spatially processing the signal received by the antenna array, we estimate the array response vector for each received mobile station signal and use this vector to determine the weight for optimal beamforming. After this, the structure of the MC-CDMA receiver and the signal receiving method are presented, which can direct the desired user to the antenna beam and reduce the unwanted user to increase the system capacity.

Description

안테나 어레이를 이용한 다중 반송파 코드 분할 다중 접속 수신기의 구조 및 신호 수신 방법Structure and Signal Receiving Method of Multicarrier Code Division Multiple Access Receiver Using Antenna Array

본 발명은 다중 반송파 코드 분할 다중 접속(Multi Carrier Code Division Multiple Access ;이하 MC-CDMA라 함) 이동통신 시스템의 수신기의 구조 및 신호 수신 방법에 관한 것으로, 특히 별도의 위치 추정단을 사용하지 않고 최적의 빔 포밍(beam forming)을 수행하여 심벌간 간섭을 줄이고 시스템의 용량을 향상시키 위한 MC-CDMA 수신기의 구조 및 신호 수신 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a receiver and a signal receiving method of a multi-carrier code division multiple access (hereinafter referred to as MC-CDMA) mobile communication system. The present invention relates to a structure of a MC-CDMA receiver and a signal receiving method for performing beamforming to reduce intersymbol interference and to improve system capacity.

일반적인 셀룰라 시스템에서는 셀 공간을 서비스 범위에 맞도록 120도로 분할하여 상호 간섭 현상을 방지할 수 있도록 기지국에 안테나를 설치하여 운영하고 있다. 그러나 이 방법은 아직 초보 단계이며 최근에는 직접 시퀀스 코드 분할 다중 접속(Direct Sequence Code Division Multiple Access ;이하 DS-CDMA라 함) 시스템에 지능형 안테나를 설치하여 공간상의 다양성을 부여하고 가용 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 있는 방식이 제시되었다. 이러한 지능형 안테나는 일반적으로 위치 추정단과 적응빔 형성단으로 구성된다. 위치 추정단은 단위 셀 내에서 이동체의 위치를 파악하는 역할을 하며, 적응빔 형성단은 위치 추정단에서 추정된 이동체의 분포를 고려하여 신호대 잡음비 및 신호대 간섭비를 최대화할 수 있도록 적절한 빔을 형성시키는 역할을 한다.In a typical cellular system, an antenna is installed and operated in a base station to prevent cell interference by dividing the cell space into 120 degrees according to a service range. However, this method is still in its infancy, and recently, intelligent antennas have been installed in direct sequence code division multiple access (DS-CDMA) systems to provide spatial diversity and efficiently use available spectrum. A way of doing this is presented. Such an intelligent antenna is generally composed of a position estimating stage and an adaptive beam forming stage. The position estimating stage identifies the position of the moving object within the unit cell, and the adaptive beam forming stage forms an appropriate beam to maximize the signal-to-noise ratio and the signal-to-interference ratio in consideration of the distribution of the moving object estimated by the position estimating stage. It plays a role.

그러나 DS-CDMA 방식은 데이터를 고속으로 전송할 때 칩(chip)간 간섭이 증가게 되어 하드웨어의 복잡도가 증가하고 다중 사용자 간섭에 의해 수용 가능한 사용자의 용량이 한정되어 있는 단점이 있다.However, the DS-CDMA scheme has a disadvantage in that interference between chips increases when data is transmitted at high speed, which increases the complexity of hardware and limits the capacity of a user that can be accommodated by multi-user interference.

따라서, 본 발명은 MC-CDMA 방식에 별도의 위치 추정단이 없는 안테나 어레이를 적용하므로써 채널의 주파수 선택적 패이딩에 의한 왜곡을 보상할 수 있어 심벌간 간섭(Inter Symbol Interference ;이하 ISI라 함)를 감소시키고 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 MC-CDMA 수신기의 구조 및 신호 수신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention can compensate for distortion caused by frequency selective fading of a channel by applying an antenna array without a separate position estimator to the MC-CDMA scheme, thereby reducing inter-symbol interference (hereinafter referred to as ISI). It is an object of the present invention to provide a structure and a signal receiving method of an MC-CDMA receiver which can reduce and improve system capacity.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MC-CDMA 수신기의 구조는 위치 추정단을 구성하지 않고 빔 포밍을 수행하는 안테나 어레이, 부반송파 및 월쉬 코드를 이용하여 상기 안테나 어레이에서 수신된 신호를 복조하는 다수의 다중 반송파 코드 분할 다중 접속 수신기, 상기 안테나 어레이에 전송된 신호의 어레이 응답 벡터를 추정하고, 상기 추정된 어레이 응답 벡터를 갖는 신호와 복조된 신호를 이용하여 빔 포밍이 가능한 계수를 구하는 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기, 상기 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기에 의해 구해진 응답 벡터를 추정하여 구한 계수에 의하여 최적의 빔 포밍을 수행하는 다수의 최적 빔 형성기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The structure of the MC-CDMA receiver according to the present invention for achieving the above object is to demodulate the signal received at the antenna array using an antenna array, a subcarrier and a Walsh code to perform beamforming without configuring a position estimating stage. A plurality of multicarrier code division multiple access receivers, an array response vector for estimating an array response vector of a signal transmitted to the antenna array, and obtaining a beamformable coefficient using a signal having the estimated array response vector and a demodulated signal And a plurality of optimal beamformers for performing optimal beamforming based on coefficients obtained by estimating the vector and the beamforming controller, the array response vector, and the response vector obtained by the beamforming controller.

또한 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MC-CDMA 수신기의 신호 수신 방법은 안테나 어레이를 통하여 수신한 분할된 신호를 다수의 복조기와 해당 사용자 월쉬 코드를 이용하여 각각 복조하는 단계와, 상기 안테나 어레이를 통하여 수신한 분할된 신호의 각 어레이 공분산 및 상기 복조된 신호의 각 어레이 공분산을 이용하여 해당 사용자의 응답 벡터를 추정하는 단계와, 상기 추정된 어레이 응답 벡터를 이용하여 빔 형성기의 계수를 구하는 단계와, 상기 빔 형성기의 계수를 이용하여 다른 사용자의 간섭신호를 배제한 해당 사용자의 신호를 각각 출력한 후 결합하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the signal receiving method of the MC-CDMA receiver according to the present invention for achieving the above object comprises demodulating the divided signal received through the antenna array using a plurality of demodulator and the corresponding user Walsh code, respectively, Estimating a response vector of a corresponding user using each array covariance of the divided signals received through the array and each array covariance of the demodulated signal, and obtaining a coefficient of a beam former using the estimated array response vector. And outputting and combining the signals of the corresponding users excluding the interference signals of other users by using the coefficients of the beam former.

도 1은 본 발명에 따른 MC-CDMA 수신기의 블록도.1 is a block diagram of an MC-CDMA receiver in accordance with the present invention.

도 2는 도 1의 MC-CDMA 수신기의 m 번째 모듈을 나타낸 기능 블럭도.FIG. 2 is a functional block diagram illustrating an m th module of the MC-CDMA receiver of FIG. 1. FIG.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉<Description of Signs of Major Parts of Drawings>

11 : 안테나 어레이 12 : MC-CDMA 수신기 블록11 antenna array 12 MC-CDMA receiver block

13 : 어레이 응답 백터 및 빔 형성 제어기13: array response vector and beamforming controller

14 : 최적 빔 형성기 블록14: Optimal Beamformer Block

본 발명에서는 MC-CDMA 방식에 별도의 위치 추정단을 사용하지 않는 안테나 어레이를 적용한 수신 방식이 제시된다. MC-CDMA 방식은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Modulation ;OFDM) 구조의 다중 반송파 변조(multi-carrier modulation)와 DS-CDMA 방식을 결합한 방식으로 채널의 지연분산보다 큰 심벌로 구성된 N개의 협대역(narrow band) 부반송파 신호를 전송하므로써 ISI를 줄일 수 있으며 단일 탭 등화기를 사용하여 채널의 주파수 선택적 페이딩에 의한 왜곡을 보상할 수 있는 방법이다. 이러한 MC-CDMA 방식의 수신기 구조에 안테나 어레이를 설치하여 안테나 어레시에 수신된 신호를 공간 영역상에서 프로세싱하므로써 수신되는 각 이동국 신호에 대한 어레이 응답 벡터를 추정하고 이 벡터를 이용하여 최적의 빔 포밍이 가능한 계수(weight)를 구한다. 이후 이 계수에 따라 원하는 사용자는 안테나 빔을 향하게 하고 원하지 않는 사용자의 신호는 감소시켜 시스템의 용량을 향상시킬 수 있다.In the present invention, a reception method using an antenna array that does not use a separate position estimation stage in the MC-CDMA scheme is presented. The MC-CDMA scheme combines multi-carrier modulation of Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) and DS-CDMA scheme, with N narrowbands consisting of symbols larger than the delay dispersion of the channel. (narrow band) It is possible to reduce ISI by transmitting a subcarrier signal and to compensate for distortion caused by frequency selective fading of a channel using a single tap equalizer. By installing an antenna array in the MC-CDMA receiver structure and processing the received signal in the antenna array in the spatial domain, the array response vector for each received mobile station signal is estimated and the optimal beamforming is obtained using the vector. Find the possible weight. This coefficient can then be directed to the antenna beam and reduce the unwanted user's signal to improve system capacity.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 MC-CDMA 수신기의 블록도로서, 안테나 어레이(11), MC-CDMA 수신기 블럭(12), 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기(13) 및 최적 빔 형성기 블록(14)으로 구성된다.1 is a block diagram of an MC-CDMA receiver in accordance with the present invention, with an antenna array 11, an MC-CDMA receiver block 12, an array response vector and beamforming controller 13, and an optimal beamformer block 14. It is composed.

MC-CDMA 수신기 블록(12)은 안테나 어레이(11)로부터 수신한 신호를 복조하기 위한 N개의 부반송파와 월쉬 하다마드(Walsh Hadarmard) 코드로 구성된다. 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기(13)는 안테나 어레이(11)에 도착한 신호의 어레이 응답 벡터를 추정하고, 이 추정된 어레이 응답 벡터를 가진 신호와 복조된 신호를 이용하여 빔 포밍이 가능한 계수를 구한다. 최적 빔 형성기 블록(14)은 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기(13)에 의해 구한 계수값에 의해 최적의 빔 포밍을 수행한다.The MC-CDMA receiver block 12 is composed of N subcarriers and Walsh Hadarmard codes for demodulating the signal received from the antenna array 11. The array response vector and the beamforming controller 13 estimate the array response vector of the signal arriving at the antenna array 11 and obtain the beamforming coefficients using the signal having the estimated array response vector and the demodulated signal. . The optimal beamformer block 14 performs optimal beamforming based on the array response vector and the coefficient values obtained by the beamforming controller 13.

도 2는 도 1의 MC-CDMA 수신기의 m 번째 모듈을 나타낸 기능 블록도로서, 안테나 어레이를 통해 하나의 사용자 신호가 수신된 경우를 보여준다.FIG. 2 is a functional block diagram illustrating an m th module of the MC-CDMA receiver of FIG. 1 and illustrates a case where one user signal is received through an antenna array.

사용자로부터 S개의 안테나 어레이를 통하여 수신된 신호는 다수의 반송파를 이용하여 복조될 수 있도록 S개의 신호(X0(t) 내지 XS-1(t))로 나뉘어진다. 이 수신된 신호(X0(t) 내지 XS-1(t))는 각각 N개의 부반송파(cos(w0t+θm,0)내지 cos(wN-1t+θm,N-1)로 구성된 복조기와 m번째 사용자 코드에 해당하는 월쉬 하다마드 코드(cm[0] 내지 cm[N-1])에 의하여 MC-CDMA 수신기에서 복조된다. 이때, 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기는 S개의 안테나 어레이에서 수신된 신호의 어레이 공분산(array covariance)(Z0내지 ZS-1)과 m 번째 사용자 코드에 의해 복조된 신호의 어레이 공분산을 사용하여 m 번째 사용자의 어레이 응답 벡터를 추정한다. 이후 추정된 벡터를 사용하여 m 번째 사용자의 신호대 잡음비 및 신호대 간섭비를 최대화하기에 적절한 빔을 형성하기 위한 빔 형성기의 계수(W* m,0내지 W* m,S-1)를 구한다. 이 빔 형성기의 계수(W* m,0내지 W* m,S-1)에 의해 해당 사용자의 신호 외의 다른 사용자의 간섭 신호는 배제될 수 있다. 이후 m 번째 출력단에서 다른 사용자로부터의 간섭 신호가 감소된 m 번째 사용자의 신호를 결합하여 출력한다.The signals received through the S antenna arrays from the user are divided into S signals (X 0 (t) to X S-1 (t)) so that they can be demodulated using a plurality of carriers. The received signals X 0 (t) to X S-1 (t) each have N subcarriers (cos (w 0 t + θ m, 0 ) to cos (w N-1 t + θ m, N−). Demodulated in the MC-CDMA receiver by a demodulator composed of 1 ) and Walsh Hadamard codes (c m [0] through c m [N-1]) corresponding to the m th user code, wherein the array response vector and beamforming The controller uses the array covariance (Z 0 to Z S-1 ) of the signals received at the S antenna arrays and the array covariance of the signal demodulated by the m th user code to obtain the array response vector of the m th user. The estimated vector is then used to determine the coefficients of the beamformers (W * m, 0 to W * m, S-1 ) to form a beam suitable for maximizing the signal-to-noise ratio and signal-to-interference ratio of the m-th user. is obtained. the coefficients of the beamformer (W * m, 0 to W * m, S-1) interference signal from the other user signals of that user is ruled out by the It can be and outputs a combination of the m-th output terminal after the interference signal is decreased in the m-th user signals from different users on.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 고속의 데이터 전송에 적합한 MC-CDMA 방식의 수신기 구조에 안테나 어레이를 적용하므로써 채널의 주파수 선택적 페이딩에 의한 왜곡을 보상하여 ISI를 감소시키고 시스템의 용량을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by applying the antenna array to the MC-CDMA receiver structure suitable for high-speed data transmission, the ISI can be reduced and the system capacity can be improved by compensating for distortion caused by the frequency selective fading of the channel. Excellent effect

Claims (2)

위치 추정단을 구성하지 않고 빔 포밍을 수행하는 안테나 어레이,An antenna array for performing beamforming without configuring a position estimator; 부반송파 및 월쉬 코드를 이용하여 상기 안테나 어레이에서 수신된 신호를 복조하는 다수의 다중 반송파 코드 분할 다중 접속 수신기,A plurality of multicarrier code division multiple access receivers that demodulate signals received at the antenna array using subcarriers and Walsh codes; 상기 안테나 어레이에 전송된 신호의 어레이 응답 벡터를 추정하고, 상기 추정된 어레이 응답 벡터를 갖는 신호와 복조된 신호를 이용하여 빔 포밍이 가능한 계수를 구하는 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기,An array response vector and a beamforming controller for estimating an array response vector of the signal transmitted to the antenna array and obtaining a beamforming coefficient using a signal having the estimated array response vector and a demodulated signal; 상기 어레이 응답 벡터 및 빔 형성 제어기에 의해 구해진 응답 벡터를 추정하여 구한 계수에 의하여 최적의 빔 포밍을 수행하는 다수의 최적 빔 형성기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다중 반송파 코드 분할 다중 접속 수신기의 구조.And a plurality of optimal beamformers for performing optimal beamforming based on coefficients obtained by estimating the response vector obtained by the array response vector and the beamforming controller. 안테나 어레이를 통하여 수신한 분할된 신호를 다수의 복조기와 해당 사용자 월쉬 코드를 이용하여 각각 복조하는 단계와,Demodulating the divided signals received through the antenna array using a plurality of demodulators and corresponding user Walsh codes; 상기 안테나 어레이를 통하여 수신한 분할된 신호의 각 어레이 공분산 및 상기 복조된 신호의 각 어레이 공분산을 이용하여 해당 사용자의 응답 벡터를 추정하는 단계와,Estimating a response vector of the corresponding user using each array covariance of the divided signals received through the antenna array and each array covariance of the demodulated signal; 상기 추정된 어레이 응답 벡터를 이용하여 빔 형성기의 계수를 구하는 단계와,Obtaining coefficients of a beam former using the estimated array response vector; 상기 빔 형성기의 계수를 이용하여 다른 사용자의 간섭신호를 배제한 해당 사용자의 신호를 각각 출력한 후 결합하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 반송파 코드 분할 다중 접속 수신기의 신호 수신 방법.And outputting and combining the signals of the corresponding users, excluding the interference signals of other users, by using the coefficients of the beam former.
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