KR100319751B1 - 공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치 및 그 방법.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

공간-시간 다이버시티 수신기에서 안테나별 파일럿 패턴의 직교성 잡음을 해결하고 지연을 적게 함으로써, 채널 예측 성능을 개선하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

프레임 시작신호를 발생하는 수단; 각 안테나에 대응되는 I채널 및 Q채널 처리수단을 포함하되, 상기 각 채널 처리수단은, 입력되는 신호를 칩 단위 클럭에 따라 적분하는 제1 적분수단; 심볼 단위 클럭에 동기되어 파일럿 패턴을 발생하는 수단; 상기 제1 적분수단의 출력을 심볼 단위 클럭으로 입력받아 상기 파일럿 패턴과 혼합하는 수단; 상기 혼합수단의 출력을 심볼 단위 클럭에 따라 적분하는 제2 적분수단; 및 상기 제2 적분수단의 출력을 누적된 이전 값과 가산하여, 각 채널에 대한 위상 왜곡 예측값을 출력하는 가산 및 누적수단을 포함한다.

Description

공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치 및 그 방법{CHANNEL ESTIMATION FOR SPACE-TIME TRANSMIT DIVERSITY RECEIVER}

본 발명은 공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 비동기식 광대역 부호분할다중접속(CDMA) 방식 이동통신 시스템에서 채택하고 있는 공간-시간 다이버시티 수신기에서의 채널 예측장치 및 그 방법에 관한 것이다.

부호분할다중접속(CDMA) 대역 확산방식을 사용하는 기지국간 비동기 방식의 광대역 이동 통신 시스템에서는 순방향 용량을 증가시키기 위한 방법으로 공간-시간 다이버시티(STTD: Space-Time Transmit Diversity)를 이용한다. 이 방법은 변조기 출력의 연속된 두 심벌을 시공간 코딩을 이용하여 동일한 심벌 정보를 담지만, 서로 직교하는 두개의 신호를 발생시켜서 각각 두 개의 안테나에 전송하고, 이동국의 복조단에서는 안테나별로 서로 다른 무선 채널 경로를 거친 신호의 채널 위상 왜곡(phase distortion)을 보상하여, 전송되어진 심볼을 복조하게 된다. 상기 수신된 신호의 복조는 각 안테나별 서로 다른 채널 경로를 거친 신호들의 채널 위상 왜곡을 얼마나 정확히 예측하느냐에 따라서 시스템의 성능이 결정된다. 이를 위하여 기지국에서는 데이터와 함께 미리 약속된 데이터 패턴인 파일럿을 함께 전송하고, 이동국에서 이를 수신하여 채널 왜곡 정보를 추출한다. 이 때, 두 개의 안테나 파일럿을 구별하기 위해서는 각 안테나별 서로 직교하는 특별한 패턴을 이용하게 되는데, 이 패턴의 특성으로 인하여 기존의 동기 방식의 CDMA 시스템 등 일반적으로 사용되는 채널 예측 방식은 성능 열화로 인하여 사용할 수 없다.

다시 말해, 기존의 대역확산 시스템에서 사용하는 채널 예측방식의 구조는 크게 두 가지로 대별되는데, 한 방법은 역확산(de-spreading) 또는 디스크램블링(de-scrambling)된 파일럿 데이터를 칩 클럭(chip clock)단위로 처리하여, 채널 왜곡 정보를 추출하는 방법이고, 다른 방법은 역확산 또는 디스크램블링된 파일럿 데이터를 칩 클럭 단위로 데이터 심벌구간동안 적분한 후, 심볼 클럭(symbol clock)으로 처리하여 채널 왜곡 정보를 추출하는 방법이다. 여기서, 칩 클럭 단위의 처리는 처리 지연이 적은 장점이 있는 반면, 파일럿 심벌과 데이터(트래픽) 심벌과의 불완전한 직교성으로 인하여 직교성 잡음이 존재하고, 심벌 단위의 처리는 처리 지연이 문제가 된다. 일반적인 CDMA 대역확산 이동 통신 시스템에서는 이러한 문제가 크지 않지만, 공간-시간 다이버시티 방식을 채택한 비동기식 CDMA 대역확산 이동 통신 시스템에서는 두개의 송신 안테나를 구별하기 위하여 특별한 직교성 파일럿 패턴을 사용하므로, 이러한 종래의 채널 예측방식을 사용하면 성능의 열화를 가져오게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 공간-시간 다이버시티 방식을 채택한 광대역 CDMA 이동 통신 시스템에서 안테나별 파일럿 패턴의 직교성 잡음을 해결하고 지연을 적게 함으로써, 채널 예측 성능을 개선시켜 전체 시스템의 성능을 개선할 수 있는 채널 예측장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도1은 비동기식 대역 확산 통신시스템의 공간-시간 다이버시티 수신기의 블록 구성도.

도2는 본 발명에 따른 채널 예측장치의 블록 구성도.

도3은 본 발명에 따른 하나의 채널 처리기의 상세 블록 구성도.

도4는 본 발명에 따른 동작 타이밍도.

도5는 본 발명에 따른 채널 예측방법과 종래 채널 예측방법과의 성능을 비교하기 위해 실행한 컴퓨터 모의 실험 결과를 도시한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 프레임 시작신호 발생기 12, 15 : 적분기

13 : 파일럿 패턴 발생기 14 : 혼합기

16 : 가산 및 누적기 17 : 쉬프트 레지스터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공간-시간 다이버시티 수신 시스템에서의 채널 예측장치에 있어서, 프레임 시작신호를 발생하는 수단; 각 안테나에 대응되는 I채널 처리수단 및 Q채널 처리수단을 포함하되, 상기 각 채널 처리수단은, 입력되는 신호를 칩 단위 클럭에 따라 적분하는 제1 적분수단; 상기 프레임 시작신호 발생수단의 제어에 따라 심볼 단위 클럭에 동기되어 파일럿 패턴을 발생하는 수단; 상기 제1 적분수단의 출력을 심볼 단위 클럭으로 입력받아 상기 발생된 파일럿 패턴과 혼합하는 수단; 상기 혼합수단의 출력을 심볼 단위 클럭에 따라 적분하는 제2 적분수단; 및 상기 제2 적분수단의 출력을 누적된 이전 값과 가산하여, 각 채널에 대한 위상 왜곡 예측값을 출력하는 가산 및 누적수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 채널 예측방법은, 공간-시간 다이버시티 수신 시스템에 적용되는 채널 예측방법에 있어서, 각 안테나에 대응되는 I 채널 및 Q 채널 각각에 대해 칩 단위 클럭에 동기시켜 입력되는 신호를 적분하는 제1 단계; 프레임 시작시점에 맞추어 각 안테나의 각 채널에 대응되는 파일럿 패턴을 심볼 단위 클럭에 동기시켜 발생하는 제2 단계; 상기 제1 단계에서 적분된 값과 상기 제2 단계에서 발생된 파일럿 패턴을 상기 심볼 단위 클럭에 동기시켜 혼합하는 제3 단계; 상기 제3 단계의 혼합된 신호를 상기 심볼 단위 클럭에 동기시켜 적분하는 제4 단계; 및 상기 제4 단계의 적분된 신호를 이전의 누적된 값과 2심볼 단위 클럭에 동기시켜 가산하여, 채널 위상 왜곡 예측값을 출력하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 공간-시간 다이버시티 파일럿 패턴의 특성은 4개의 심벌이 한 그룹을 이루지만, 두 개의 심벌 패턴이 직교하도록 되어 있으므로, 본 발명은 이 두 개의 심벌구간동안 적분한 값으로 파일럿 필터링을 하게 함으로써, 패턴의 직교성으로 인한 잡음을 줄이게 하였다. 또한 본 발명은 칩 단위의 파일럿을 심벌단위로 적분한 후, 안테나의 패턴의 자기 상관값을 구하고, 두 심벌에 해당되는 값을 취하여 파일럿 필터의 입력 값으로 보내므로, 불필요한 칩 단위의 동작을 피하고 심벌 단위 및 두 심벌 단위의 동작을 하도록 하여 하드웨어 구현 시에 전력의 소모도 줄일 수 있다. 더구나 성능면에서 전력제어 등을 효율적으로 하기 위하여 빠른 복조가 요구되는데, 본 발명은 파일럿 필터 지연을 최소화하기 위하여 매 신호당 출력 값의 반이 귀환되는 방법을 사용하여 지연이 적도록 하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도1은 본 발명이 적용되는 비동기식 대역 확산 통신 시스템의 공간-시간 다이버시티 수신기의 블록 구성도를 나타낸다.

도면에서 '1'은 수신 안테나를 나타내며, '2-1, 2-2'는 의사잡음(PN) 코드의 일종인 스크램블링(Scrambling) 코드의 자체 상관을 계산하는 스크램블링 코드 상관기를 나타낸다. 이 스크램블링 코드는 이동국이 수신하고자 하는 기지국을 구별하기 위해 사용된다. 또한 이동국이 자신에게 할당된 통신 채널을 타 채널과 구분하기 위해 직교코드의 일종인 직교 채널화 코드(Orthogonal channelization code)를 사용하는데, '4'는 이를 위한 자체 상관기를 나타낸다. 스크램블링 코드 상관기(2-1, 2-2) 각각은 스크램블 코드 발생기(3)로부터 입력된 코드를 이용해 자기 상관을 수행하며, 역채널화를 위한 상관기(4)는 직교 코드 발생기(5)로부터 입력된 코드를 이용해 상관을 수행한다. 도면에서 '7'은 디코딩을 수행하는 복조부를 나타내며, '6'은 본 발명인 각각의 안테나에 대한 채널 위상 왜곡값을 예측하여, 복조부(7)에 제공하는 채널 예측기를 나타낸다.

도2는 본 발명에 따른 채널 예측기(6)의 블록 구성도로서, 도면에서 '11'은 프레임 시작신호 발생기, '12, 15'는 적분기, '13'은 파일럿 패턴 발생기, '14'는 혼합기, '16'은 가산 및 누적기, '17'은 쉬프트 레지스터를 각각 나타낸다.

안테나별 파일럿 패턴의 직교성 잡음을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 두 심벌 적분 값을 이용하며, 이 때 두 심벌을 적분하는 시간정보를 프레임 시작신호 발생기(11)로부터 받는다. 또한, 두 심벌을 적분하는 과정 중에서 한 심벌을 적분한 다음, 그 출력 값을 안테나별로 안테나 패턴의 자기 상관 값을 구한 후, 두 심벌에 해당되는 적분 값을 구함으로써, 칩 클럭 동작을 피하고, 심벌 클럭으로 동작하게 함으로써, 수신기의 전력을 절약하게 한다. 또한, 채널 예측에 따른 지연을 적게 하도록 하기 위하여, 합산과 누적한 출력값의 1/2 값만을 귀환시켜, 새로운 입력 값과 합산 및 누적하게 하여 새로운 출력값을 얻는다.

이를 도2를 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 채널 예측장치는 프레임 시작신호 발생기(11)와 각각의 안테나에 대응되는 동일한 구조를 갖는 I채널 처리기 및 Q채널 처리기를 구비한다. 즉, 디스크램블러에 의해 디스크램블링된 신호들 중에서 I-신호는 안테나 1을 위한 I-채널 처리기, 안테나 2를 위한 I-채널 처리기로 동시에 입력되고, Q-신호는 안테나 1을 위한 Q-채널 처리기 및 안테나 2를 위한 Q-채널 처리기로 동시에 입력된다.

이하의 설명에서는 I 채널 및 Q 채널 처리기의 구조가 동일하므로, I-채널 처리기만에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 입력된 디스크램블링 신호는 제1 적분기(11)에서 한 심벌 구간동안 적분되어 심벌단위로 출력된다. 이 적분기(11)의 출력 값은 파일럿 심볼 값을 나타내며, 안테나 1과 2에 대한 정보를 담고 있다. 안테나 1을 위한 채널 예측값을 구하기 위하여, 파일럿 패턴 발생기(13)로부터 출력된 안테나 1의 파일럿 심벌 패턴과 제1 적분기(12)에 의해 적분된 신호를 혼합기(14)에서 합성하여, 역 패턴화(de-patternizing)을 수행한다. 마찬가지로 안테나 2를 위한 채널 예측 값을 구하기 위하여 안테나 2를 위한 채널 처리기에서도 동일하게 수행한다. 여기서, 파일럿 심벌 패턴은 프레임 단위로 반복되므로, 파일럿 패턴 발생기(13)는 프레임 시작신호 발생기(11)로부터 입력된 프레임 시작시점 신호를 기준으로, 파일럿 심벌 패턴을 발생한다. 한편, 혼합기(14)로부터 출력된 신호는 제2 적분기(15)에 의해 두 심벌의 값이 적분되고, 제2 적분기(15)의 출력은 가산 및 누적기(16)로 입력된다. 가산 및 누적기(16)는 쉬프트 레지스터(17)로부터 이전의 값을 반으로 줄인 후 귀환된 값을 입력받고, 제2 적분기(15)의 출력을 입력받아 귀환된 값과 적분된 값을 더해, I채널에 대한 예측된 채널 위상 왜곡값을 출력한다. Q-채널 처리기 또한 동일한 과정을 수행한다.

도3은 본 발명에 따른 하나의 채널 처리기의 상세 블록 구성을 도시한 것이다.

적분기(12, 15)는 일반적으로 하나의 가산기와 레지스터로 이루어진다. 제1 적분기(12)의 입력은 칩(chip) 단위의 클럭으로 입력되고, 출력은 파일럿 심벌 단위 클럭으로 출력된다. 즉, 가산기는 칩 단위 클럭으로 입력된 값과 칩 단위 클럭으로 동작되는 레지스터의 이전 값을 가산하고, 상기 가산된 값은 파일럿 심볼 단위 클럭에 동기되어 혼합기(14)에 입력된다. 이와 같이 칩 단위의 클럭과 파일럿 심볼 단위 클럭에 의한 불일치를 보상하기 위해 덤프(dump)(A)가 구비된다.

혼합기(14) 및 파일럿 패턴 발생기(13)는 파일럿 심벌 단위 클럭으로 동작된다. 한편, 제2 적분기(15)의 입력은 파일럿 심벌 단위 클럭(Ts)으로 수행되고, 출력은 2개의 파일럿 심벌 단위 클럭(2Ts)으로 수행된다. 즉, 제2 적분기(15)의 가산기는 심볼 단위 클럭으로 입력된 값과 심볼 단위 클럭으로 동작되는 레지스터의 이전 값을 가산하고, 상기 가산된 값은 파일럿 심볼 단위 클럭에 동기되어 가산 및 누적기(16)로 입력된다. 이를 위해 마찬가지로 덤프(dump)(B)가 구비된다.

가산 및 누적기(16)와 쉬프트 레지스터(17)는 2심볼 단위 클럭에 의해 동작되는데, 이는 하나의 가산기와 분배기 및 레지스터로 이루어진다. 즉, 가산기는 2심볼 클럭으로 입력되는 값과 1/2로 분배되어 2심볼 클럭으로 동작되는 레지스터의 출력값을 가산하여, 채널 위상 왜곡 예측값을 출력한다.

도4는 이와 같은 본 발명에 따른 채널 예측기의 동작 타이밍도로서, 프레임시작 신호는 프레임의 경계에서 '액티브 하이'가 되며, 이때 파일럿 심벌의 패턴이 항상 처음부터 시작된다. 즉, 안테나 2에 대한 파일럿 패턴을 예로 들자면, 'A, -A, -A, A'가 반복되는데, 이를 심볼 패턴 그룹이라 하며, 한 프레임이 끝나는 시점에는 이 심볼 패턴 그룹의 앞의 두개에서 잘리게 되는데(30), 다음 프레임의 시작시점에서는 나머지가 이어지지 않고, 파일럿 패턴이 항상 다시 시작된다. 본 타이밍 도에서는 하강 에지(falling edge)에서 동작된다고 가정한 것이다.

도5는 본 발명에 따른 채널 예측방법과 종래 일반적인 채널 예측 방법의 성능을 비교하기 위해 실행한 컴퓨터 모의 실험 결과를 도시한 그래프이다. 본 그래프의 수평축은 이동체 속도를 나타내고, 수직축은 비트 오율이 0.01이 되는데 필요한 비트 에너지 대비 잡음 전력 스펙트럼 밀도(Eb/No)이다. 도면에서 (●)로 표현된 그래프(31)는 수신기에서 채널의 왜곡 위상을 정확히 예측했다고 가정했을 때의 성능으로서, 이는 이동체 속도 환경에 무관하다. 또한, (■)와 (▲)로 표현된 그래프 '33'과 '34'는 일반적인 방법에 의한 채널 예측 성능 결과이다. 이에 대하여 (×)로 표현된 본 발명의 방법을 사용한 채널 예측 성능 그래프(32)는 적은 값의 Eb/No로서 목표 비트 오율(바람직하게는 0.01)을 얻음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 공간-시간 다이버시티 복조시에, 안테나 패턴에 따른 불완전 직교 잡음을 줄이고, 채널 예측 지연을 적게 함으로써, 전력제어 명령 비트의 추출 지연 등과 같은 시스템의 지연 오류에 따른 성능열화 등을 개선시키며, 특히 합산과 누적한 출력값의 일부(바람직하게는 0~1/2)를 귀환하는 구조를 채택함으로써, 페이딩율 등 이동체 속도에 따른 무선 채널의 조건에 관계없이 효율적인 채널 예측을 가능하게 하는 효과를 갖는다. 또한 안테나 패턴의 상관값을 구할 때, 칩 단위로 하지 않고, 심벌 단위로 하게 함으로써, 수신기의 전력을 절약하는 효과도 갖게 된다.

Claims (5)

1. 공간-시간 다이버시티 수신 시스템에서의 채널 예측장치에 있어서,

   프레임 시작신호를 발생하는 수단;

   각 안테나에 대응되는 I채널 처리수단 및 Q채널 처리수단을 포함하되,

   상기 각 채널 처리수단은,

   입력되는 신호를 칩 단위 클럭에 따라 적분하는 제1 적분수단;

   상기 프레임 시작신호 발생수단의 제어에 따라 심볼 단위 클럭에 동기되어 파일럿 패턴을 발생하는 수단;

   상기 제1 적분수단의 출력을 심볼 단위 클럭으로 입력받아 상기 발생된 파일럿 패턴과 혼합하는 수단;

   상기 혼합수단의 출력을 심볼 단위 클럭에 따라 적분하는 제2 적분수단; 및

   상기 제2 적분수단의 출력을 누적된 이전 값과 가산하여, 각 채널에 대한 위상 왜곡 예측값을 출력하는 가산 및 누적수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가산 및 누적수단은,

   2심볼 단위 클럭에 동기되어 동작하는 것을 특징으로 하는 공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 가산 및 누적수단은,

   출력의 일부(바람직하게는 0~1/2)를 누적하여 상기 제2 적분수단의 출력과 가산하는 것을 특징으로 하는 공간-시간 다이버시티 수신기용 채널 예측장치.
4. 공간-시간 다이버시티 수신 시스템에 적용되는 채널 예측방법에 있어서,

   각 안테나에 대응되는 I 채널 및 Q 채널 각각에 대해 칩 단위 클럭에 동기시켜 입력되는 신호를 적분하는 제1 단계;

   프레임 시작시점에 맞추어 각 안테나의 각 채널에 대응되는 파일럿 패턴을 심볼 단위 클럭에 동기시켜 발생하는 제2 단계;

   상기 제1 단계에서 적분된 값과 상기 제2 단계에서 발생된 파일럿 패턴을 상기 심볼 단위 클럭에 동기시켜 혼합하는 제3 단계;

   상기 제3 단계의 혼합된 신호를 상기 심볼 단위 클럭에 동기시켜 적분하는 제4 단계; 및

   상기 제4 단계의 적분된 신호를 이전의 누적된 값과 2심볼 단위 클럭에 동기시켜 가산하여, 채널 위상 왜곡 예측값을 출력하는 제5 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 예측방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제5 단계는,

   출력의 일부(바람직하게는 0~1/2)를 누적하여 상기 제4 단계의 적분 값과 가산하는 것을 특징으로 하는 채널 예측방법.