KR100277697B1 - 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형수신 장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속하는 기술분야

본 발명은 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치에 과한 것임.

2. 발명이 해결하고자하는 과제

본 발명은 적응 필터의 출력 신호를 이용하여 MMSE를 최소화하는데 이용되는 탭 계수가 정상적으로 적응할 수 있도록 하므로써, 수신 장치의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있는 적응형 수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 수신신호를 필터링하는 적응 필터링수단; 필터링된 신호를 이용해 채널의 위상과 진폭을 예측하는 채널 추정수단; 전송된 신호를 복원하는 신호 복원수단; 갱신 신호와 신호 복원수단의 출력신호를 선택하는 선택수단; 기준신호를 발생하는 기준신호 발생수단; 기준신호를 이용해 필터링된 신호의 오차를 계산하는 오차 계산수단; 및 오차에 따라 탭 계수를 변화시키는 탭 계수 조절수단을 포함한다.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 CDMA 시스템에서의 적응형 수신 장치에 이용됨.

Description

제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치

본 발명은 코드분할다중접속(CDMA : Code Division Multiple Access) 시스템에서의 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치에 관한 것으로서, 특히 적응 필터내의 탭(tap) 계수를 변환하여 평균평방오차(MSE : MEAN SQUARE ERROR)를 최소화할 수 있는 적응형 수신 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 적응형 MMSE 수신 장치의 구조와 관련된 종래의 기술은 논문 [S. L. Miller and A. N. Barbosa, "A Modified MMSE Receiver for Detection of DS-CDMA Signals in Fading Channels", Proc. MILCOM'96, pp. 898-902.]와 [M. Latva-aho and M. Juntti, "Modified Adaptive LMMSE Receiver for DS-CDMA Systems in Fading Channels", Proc. PIMRC'97, pp. 554-558.]이 있다.

일반적인 적응형 MMSE 수신 장치는 간단한 구조로 고정된 채널 환경에서 좋은 성능을 보이는 장점을 가지는 반면, 페이딩(fading) 채널 환경에서 성능이 급격히 저하되는 단점을 가지고 있다. 이는 적응 필터가 채널의 위상과 진폭의 급격한 변화에 적응하지 못해서 발생하는 현상이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 다음과 같은 여러 가지 변형된 구조의 수신 장치들이 제안되었다.

우선, 첫 번째 방식에서는 적응 필터의 입력 신호에 채널의 위상 변화 성분을 보상하여 적응 필터의 부담을 줄여주었으나, 이 방식은 채널의 위상 성분만을 보상하기 때문에 채널의 진폭 성분의 변화가 클 때에는 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다.

두 번째 방식에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 채널의 위상과 진폭의 변화를 동시에 보상하여 성능 향상을 얻고자 하였다.

그러나, 이와 같은 적응 필터의 출력 신호를 이용하여 채널 예측을 수행하고, 예측된 채널 정보를 이용하여 위상과 진폭을 보상하면, 적응 필터의 모든 탭 계수가 '0'으로 수렴하여 수신기가 동작하지 않는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 코드분할다중접속 시스템에서의 MSE를 최소화함에 있어, 필터링된 신호를 이용하여 채널의 위상과 진폭을 예측하고 예측된 채널의 위상과 진폭을 동시에 보상하여도 MSE를 최소화하는데 이용되는 탭 계수가 정상적으로 적응할 수 있도록 하므로써, 수신 장치의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있는 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치의 일실시예 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치의 특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

110: 적응 필터 120: 채널 추정부

130: 신호 복원부 131, 150: 승산기

132: 실수 추출부 133: 비트값 결정부

140: 선택부 160: 가산기

170: 탭 계수 조절부

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적응형 수신 장치에 있어서, 소정의 탭 계수를 이용하여 수신신호를 필터링하여 간섭을 제거하는 적응 필터링수단; 상기 적응 필터링수단의 출력신호를 통해 채널을 추정하여 특정 사용자의 채널의 위상 성분과 진폭 성분을 예측하는 채널 추정수단; 상기 적응 필터링수단에 의해 필터링된 신호와 상기 채널 추정수단의 채널 추정값을 이용하여 상기 특정 사용자로부터 전송된 신호를 복원하는 신호 복원수단; 외부로부터 입력되는 갱신 신호와 상기 신호 복원수단의 출력신호를 선택적으로 전달하기 위한 선택수단; 상기 선택수단에 의해 선택된 신호와 상기 채널 추정수단의 출력신호를 이용하여 기준신호를 발생하는 기준신호 발생수단; 상기 기준신호를 이용하여 상기 적응 필터링수단에 의해 필터링된 신호의 오차를 계산하는 오차 계산수단; 및 상기 오차 계산수단에 의해 계산된 오차에 따라, 상기 소정의 탭 계수를 변화시키는 탭 계수 조절수단을 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치의 일실시예 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 적응형 수신 장치는, 소정의 탭 계수를 이용하여 수신신호를 필터링하여 원하는 사용자의 신호를 추출하는 적응 필터(110)와, 적응 필터(110)의 출력신호를 통해 채널을 추정하여 특정 사용자의 채널의 위상 성분과 진폭 성분을 예측하는 채널 추정부(120)와, 적응 필터(110)에 의해 필터링된 신호와 채널 추정부(120)의 채널 추정값을 이용하여 특정 사용자로부터 전송된 신호를 복원하는 신호 복원부(130)와, 이미 알고있는 학습 데이터와 신호 복원부(130)의 출력신호를 선택적으로 전달하기 위한 선택부(140)와, 선택부(140)에 의해 선택된 신호와 채널 추정부(120)의 출력신호를 승산하여 기준신호를 발생하는 승산기(150)와, 승산기(150)로부터 전달되는 기준신호와 적응 필터(110)의 출력신호를 가산하여 적응 필터(110)에 의해 필터링된 신호의 오차를 출력하는 가산기(160)와, 가산기(160)에 의해 계산된 오차에 따라, 적응 필터(110)내의 탭 계수를 변화시키는 탭 계수 조절부(170)를 구비한다.

신호 복원부(130)는, 적응 필터(110) 및 채널 추정부(120)의 출력신호들을 승산하여 복소수의 승산값을 출력하는 승산기(131)와, 승산기(131)에 의해 승산된 복소수의 승산값에서 실수성분을 추출하기 위한 실수 추출부(132)와, 실수 추출부(132)에 의해 추출된 실수의 비트값을 결정하기 위한 비트값 결정부(133)로 구성된다.

파일롯 심벌의 도움을 받는(Pilot Symbol Aided) 2진 위상 천이 변조 (BPSK: Binary Phase Shift Keying) 방식의 CDMA 송신 장치가 신호를 송신한다고 가정할 경우, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 적응형 수신 장치의 동작에 대하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

여기서는, 수신하고자 하는 신호의 사용자를 첫 번째 사용자라 가정한다.

복소 수신 신호 r(m)은 적응 필터(110)에 입력되어 탭 계수 w(m)과 곱해진다. 채널 추정기(120)는 적응 필터(110)의 출력 신호를 이용하여 첫 번째 사용자의 채널의 위상 성분 1(m)과 진폭 성분 1(m)을 예측한다.

이렇게, 채널 추정기(120)에 의해 예측된 채널의 역 위상 정보 - 1(m)은 승산기(131)를 통해 적응 필터(110)의 출력 신호와 곱해진다. 이때, 곱셈기(131)의 출력 신호는 복소수인데, 이 복속수중 실수 성분만이 실수 추출부(132)에 의해 추출되어 비트값 결정부(133)로 전달된다.

이어서, 비트값 결정부(133)는 실수 추출부(132)에 의해 추출된 실수값이 '0'보다 크면 비트값은 '1'로 결정하고, '0'보다 작으면 비트값은 '0'으로 결정하여 첫 번째 사용자로부터 전송된 신호를 복원한다.

일반적으로, 적응형 수신 장치가 정상적으로 동작하기 위해서는 탭계수의 학습이 필요하다.

선택기(140)는 탭 계수의 학습 구간에서는 이미 알고있는 학습 데이터를 선택하여 승산기(150)로 전달하고, 학습 구간이 아닐 때에는 비트값 결정부(133)에 의해 결정된 비트값을 선택하여 승산기(150)로 전달한다.

본 발명에서는 탭 계수의 학습에 이용되는 학습 데이터로 송신 장치에서 전송된 파일롯 심벌을 이용하기 때문에, 일반적인 적응형 수신 장치에 필요한 부가적인 학습 데이터가 필요 없다.

승산기(150)는 선택기(140)의 출력 신호와 채널 추정기(120)에서 예측된 위상 성분과 진폭 성분을 승산하여 기준신호를 가산기(160)로 출력한다.

탭 계수 조절부(170)는 가산기(160)로부터 전달되는 기준신호와 적응 필터(110)의 출력 신호 간의 오차를 최소화하기 위해 적응 필터(110)의 탭 계수를 변화 시킨다.

그리고, 탭 계수 조절부(170)가 기존의 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 적응 필터(110)의 탭 계수 w(m)를 변화시키는 방식은 다음 [수학식 1]과 같이 표현된다.

여기서, ( )^*는 공액 복소수이고, μ는 적응 필터(110)의 탭 계수를 어느 정도 빠르기로 변화시킬지를 결정하는 스텝 크기(step size)이다.

그러나, [수학식 1]과 같은 탭 계수 적응 알고리듬을 본 발명의 적응형 수신 장치에 사용할 경우, 도 2에서와 같이 적응 필터(110)의 탭 계수가 '0'으로 수렴하는 문제가 발생하였다.

따라서, 기존의 LMS 알고리즘은 본 발명의 적응형 수신 장치에서 사용할 수 없다. 기존의 LMS 알고리즘을 사용하려면, 채널 추정기(120)에 입력되는 신호를 적응 필터(110)의 출력 신호에서 적응 필터(110)의 입력 신호로 변경해야 하는데, 이러한 구조의 변경은 수신 장치의 성능을 저하시키게 되는 문제가 발생한다.

이러한, 문제점을 해결하기 위한 본 발명에서 사용하는 제약조건을 갖는 MSE 표준은 다음 [수학식 2]와 같다.

여기서, 1(m) = 1(m)exp( ₁(m))은 채널 추정부(120)에 의해 예측된 채널이며, s1은 확산 코드(spreading code) 벡터이고, (·)^H는 헤르미티안(Hermitian) 연산을 의미한다.

상기 [수학식 2]의 제약조건을 갖는 MSE 최소화 방법은 직교 분할 방식을 이용하여 구현할 수 있다. 직교 분할 방식을 이용하면, 적응 필터(110)의 탭 계수를 다음 [수학식 3]과 같이 표현 할 수 있다.

w(m) = s1 + x(m)

여기서, s1은 확산 코드(spreading code) 벡터이고, x(m)은 탭 계수 벡터의 적응 성분(adaptive component)이며, 두 벡터는 직교이다.

따라서, 탭 계수 벡터와 확산 코드의 곱은 다음 [수학식 4]와 같이 표현된다.

w(m)^Hs1 = (s1 + x(m))^Hs1 = s1^Hs1 = ∥s1∥²

여기서, 확산 코드 벡터의 곱 ∥s1∥²은 '1'로 정규화(즉, w(m)^Hs1 = 1 임)한다. 최종적으로, 직교 분할 방식의 LMS(Least Mean Square) 알고리듬은 다음 [수학식 5]와 같이 주어진다.

여기서, r_x(m)는 수신 신호 r(m)를 탭 계수의 적응 성분에 투영(project)시킨 성분이다.

상기 [수학식 5]의 직교 분할 방식의 LMS 알고리듬을 사용하면, 도 2에 도시된 바와 같이 적응 필터(110)가 정상적으로 동작함을 알 수 있다.

그리고, 탭 계수 조절부(170)의 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첫째, 상기 적응 필터의 출력신호를 이용하여 채널의 위상과 진폭을 예측하고, 예측된 채널의 위상과 진폭이 동시에 보상된 신호를 기준신호로 사용한다.

둘째, 기준신호와 상기 적응 필터에 의해 필터링된 신호의 오차를 사용하여 상기 적응 필터의 탭계수를 적응시켜도 탭계수가 '0'으로 수렴하지 않고 정상적으로 적응하도록, MSE 최소화 방식을 이용하여 탭 계수를 적응시킬 때, 상기 [수학식 2]와 같이 탭 계수가 확산 코드 벡터의 곱을 '1'로 제한하는 방식을 사용한다.

셋째, 전술한 바와 같은 제약조건을 갖는 MSE 최소화 방식은 상기 [수학식 5]와 같은 직교분할방식의 LMS 알고리듬을 사용하여 구현한다.

넷째, 상기 직교분할방식의 LMS 알고리듬은 상기 [수학식 3]과 같이 탭 계수를 확산코드 벡터에 직교인 적응 성분과 확산 코드 벡터 성분으로 직교 분할한다.

다섯째, 상기 확산코드 벡터에 직교인 적응 성분을 변화시키기 위해 수신신호를 바로 사용하지 않고, 수신 신호를 상기 확산코드벡터에 직교인 적응 성분에 투영시킨 성분을 사용한다.

여섯째, 기존의 적응형 수신기에 필요한 부가적인 학습 데이터로 전송된 파일롯 심볼을 이용하므로써, 부가적인 학습 데이터 전송이 필요없는 적응형 수신기의 학습 방식도 포함한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 적응 필터의 출력신호를 이용하여 예측한 채널의 위상과 진폭을 동시에 보상하여도 적응 필터의 탭 계수가 정상적으로 적응할 수 있도록 하므로써, 수신 장치의 성능이 향상되어 고속 및 양질의 서비스를 제공할 수 있으며, 하나의 기지국으로 보다 넓은 지역을 서비스할 수 있고, 또한 단말기의 송신 전력을 낮출 수 있기 때문에 단말기의 배터리 수명이 길어지는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 적응형 수신 장치에 있어서,

   소정의 탭 계수를 이용하여 수신신호를 필터링하여 원하는 사용자의 신호를 추출하는 적응 필터링수단;

   상기 적응 필터링수단의 출력신호를 이용해 특정 사용자의 채널의 위상 성분과 진폭 성분을 예측하는 채널 추정수단;

   상기 적응 필터링수단에 의해 필터링된 신호와 상기 채널 추정수단의 채널 추정값을 이용하여 상기 특정 사용자로부터 전송된 신호를 복원하는 신호 복원수단;

   소정의 학습 신호와 상기 신호 복원수단의 출력신호를 선택적으로 전달하기 위한 선택수단;

   상기 선택수단에 의해 선택된 신호와 상기 채널 추정수단의 출력신호를 이용하여 기준신호를 발생하는 기준신호 발생수단;

   상기 기준신호와 상기 적응 필터링수단에 의해 필터링된 신호의 오차를 계산하는 오차 계산수단; 및

   상기 오차 계산수단에 의해 계산된 오차를 최소화하기 위해 상기 소정의 탭 계수를 변화시키는 탭 계수 조절수단

   을 포함하여 이루어진 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 신호 복원수단은,

   상기 적응 필터링수단 및 상기 채널 추정수단의 출력신호들을 승산하여 복소수의 승산값을 출력하는 승산수단;

   상기 승산수단에 의해 승산된 복소수의 승산값에서 실수성분을 추출하기 위한 실수 추출수단; 및

   상기 실수 추출수단에 의해 추출된 실수의 비트값을 결정하기 위한 비트값 결정수단

   을 포함하여 이루어진 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준신호 발생수단은,

   상기 선택수단에 의해 선택된 신호와 상기 채널 추정수단의 채널 추정값을 승산하기 위한 승산수단

   을 포함하여 이루어진 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 오차 계산수단은,

   상기 기준신호와 상기 적응 필터링수단의 출력신호를 가산하기 위한 가산수단

   을 포함하여 이루어진 제약조건을 갖는 평균평방 오차 최소화 방법을 이용한 적응형 수신 장치.