KR100327192B1 - 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법 - Google Patents

부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기지국에 수신되는 역방향 링크의 통화품질을 실시간으로 측정하고, 그 측정 데이터에 의거하여 신뢰성 있는 호수락 제어를 가능토록하기 위한 CDMA 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 측정되어 샘플링된 기지국 수신전력(S1)에 의거하여 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고(S2), 이를 이용하여 셀로딩(X)을 계산하고 셀로딩(X)의 확률밀도함수를 구하며(S3), 상기 셀로딩(X)의 확률밀도함수에 근거하여 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수를 구하고(S4), 이를 이용하여 링크불용확률을 구하며(S5). 이어, 상기 링크불용확률과 기지국에서 제공되는 실시간 점유 채널수(S6) 및 기설정된 품질 모수(某數)(S7)를 이용하여 채널자원의 실질 잔여용량을 구한 다음(S8), 상기 구해진 링크불용확률과 잔여용량을 기설정된 각각의 임계값과 비교하여(S9), 그 결과를 호수락 제어를 위한 기준 데이터로 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하도록 함으로써(S10). CDMA 시스템의 역방향 링크의 통화품질을 셀로딩, 링크불용확률, 및 잔여용량등으로 실시간 측정함으로서, 호수락 제어를 위한 신뢰성 있는 기준데이터를 제공 및 FA증설/기지국 신설등의 무선망엔지니어링을 효율적으로 수행할 수 있다.

Description

부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring quality of reverse link in CDMA system}
본 발명은 부호분할 다중접속(CDMA) 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기지국에 수신되는 역방향 링크의 통화품질을 실시간으로 측정하고, 그 측정 데이터에 의거하여 신뢰성 있는 호수락(呼受諾) 제어를 가능토록하기 위한 CDMA 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
CDMA 시스템에서 역방향 링크의 품질을 측정할 수 있는 기존의 방법은 주로 순방향 링크의 품질을 중심으로 추정하는 방식이 많이 이용되었다. 즉, 이동국에서 측정된 RSSI(Received signal strength Indicator)나 Ec/Io(Pilot power / total received power) 등과 이동국의 송신전력(TX Power)값 또는 이동국 송신조절(TX Adjust)값 등을 이용한 순방향 링크의 품질 측정값을 근거로하여, 역방향 링크의 품질을 산출 추정하였기 때문에, 신뢰성이 떨어질뿐만 아니라 실시간 개념의 품질도 아니었으며, 이로 인해 직접적으로 호탈락(call drop)이나 접속(access)불량 등에 대한 서비스 품질을 알려주기 어려웠다.
또한, 현실적으로 주변의 건물이 전파조건을 바꾼다든지, 기지국 또는 중계기가 주위에 설치되었다거나 하는 여러 가지 변화에 대해 여러 번 수 천개의 기지국 환경을 실질적으로 조사하는 것은 매우 어렵고 비경제적이며, 한편 CDMA 시스템의 용량을 이론적으로 계산할 수는 있으나, 실제 환경에서 기지국의 주변환경에 따른 간섭을 고려한 용량을 계산하기도 힘들거니와 직접 셀로딩을 측정하기는 더욱어렵다.
또한, 역방향링크의 실제 수신전력값을 측정하고 그 측정된 순시값이나 평균값을 이용하여 셀로딩을 계산할 수는 있으나, 실제 수신전력의 변화가 많고 변화에 따르는 규칙성을 발견하기가 힘들기 때문에, 수신전력의 순시값이나 평균값을 단순 이용한 셀로딩의 계산은 신뢰성을 가지기가 힘들다.
따라서, 상술된 바와 같이 기존의 방법으로는 실시간의 신뢰성있는 셀로딩을 알기어렵기 때문에 호 수락제어를 효율적으로 하지 못함은 물론, 시스템 성능 최적화와 용량 최대화를 위한 FA증설 및/또는 기지국 신설등의 무선망 엔지니어링도 효율적으로 수행할 수 없는 문제점이 있었다
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 기지국에 수신되어 측정된 수신전력 값을 기반으로 섹터별/FA별 셀 로딩(cell loading) 및 링크불용확률(Outage Probability)을 산출하고, 그 산출된 링크불용확률값에 의거하여 FA당 채널 자원의 신뢰성 있는 실시간 잔여용량(Space Capacity)을 구함으로써, 역방향의 통화품질을 측정함과 아울러 호 수락 제어 및/또는 최적의 무선망 엔지니어링의 수행을 가능토록하는, CDMA 시스템의 통화품질 측정장치 및 그 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 셀로딩의 정규분포와 절삭된 분포의 누적분포함수에 따른 그래프이고,
도 2는 본 발명에 따라 확장된 셀로딩의 평균과 표준편차를 추정하기 위한 알고리즘을 나타내는 흐름도이고,
도 3(a)(b)(c)는 각각 사용자수가 35명인 경우의 도 2의 알고리즘을 적용한 셀로딩의 분포를 나타낸 그래프이고,
도 4 및 도 5는 시뮬레이션의 결과로부터 얻은 meanX<1, stdvX<1, meanALL, stdvALL의 관계를 나타낸 도면이고,
도 6은 사용자수와 셀로딩의 평균과의 상관 관계를 나타내는 도면이고,
도 7은 사용자수와 셀로딩의 표준편차와의 상관 관계를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정장치의 블록도이고,
도 9는 본 발명에 따른 도 8의 통화 품질 측정 장치가 적용되는 전체적인CDMA 시스템의 일예를 나타내는 구성도이고,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 CDMA 시스템의 통화 품질 측정 방법의 흐름도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 기지국(BTS) 120 : 기지국 제어기(BSC)
130 : 중앙 운용 보존 센터(OMC) 140 : Portable OMC
200 : 통화품질 측정장치 210 : 전력측정부
211 : 저잡음 증폭기 212 : 주파수 변환기
213 : 여파기 214 : 전력 검출기
215 : 레벨 변환기 220 : A/D 변환부
230 : 제어부 231 : 제어기
232 : 처리기 233 : 메모리
240 : 인터페이스 장치
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정장치는, 기지국의 수신전력을 측정하는 전력 측정 수단; 상기 측정된 수신전력을 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 변환수단; 상기 변환된 디지털 신호에 의거하여 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고, 이 값(Z)을 이용하여 셀로딩(X)과 그 셀로딩(X)의 통계적 확률특성을 나타내는 확률밀도함수를 구하며, 그 확률밀도함수에 근거하여 상기 셀로딩을 1보다 큰 영역까지 확장시켰을 경우의 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수를 추정한 다음, 그 추정 결과를 이용하여 링크불용확률과 채널자원의 잔여용량을 구하는 제어수단; 및 상기 제어수단과 외부와의 상호 데이터 통신을 위한 인터페이스 수단을 포함하여 구성되고, 상기 제어수단은 상기 산출된 링크불용확률 및 잔여용량을 기 설정된 각각의 임계값과 비교하고, 그 비교 결과를 호 수락 제어를 위한 기준 데이터로 상기 인터페이스 수단을 통하여 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정 방법은, 측정되어 샘플링된 기지국 수신전력에 의거하여 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비를 구하고, 이를 이용하여 셀로딩을 계산하고 셀로딩의 통계적 확률특성을 나타내는 확률밀도함수를 구하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구한 셀로딩의 확률밀도함수에 근거하여 확장된 셀로딩의 확률밀도함수를 구하고 이를 이용하여 링크불용확률을 구하는 제 2 단계; 상기 링크불용확률과, 기지국에서 제공되는 실시간 점유 채널수 및 기설정된 품질 모수(某數)를 이용하여 채널자원의 실질 잔여용량을 구하는 제 3 단계; 상기 2,3단계에서 구한 링크불용확률과 잔여용량을 기설정된 각각의 임계값과 비교하여 그 결과를 호수락 제어를 위한 기준 데이터로 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하는 제 4 단계를 포함하여 구성된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 하되, 본 발명을 구현하는데 기반이 되는 이론적인 호 통계 알고리즘에 대하여 먼저 설명한 후, 그 이론적인 설명을 기반으로 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명을 구현하기 위한 이론적인 호 통계 알고리즘에 대하여 설명한다.
CDMA시스템의 역방향 용량을 결정하는 데 중요한 모수 중의 하나로 기지국 측에서의 총수신전력(C)이 있다. 하나의 독립된 셀(섹터) 안의 사용자의 수가 M명일 때, 총수신전력 C는 다음과 같은 수학식(1)로 나타낼 수 있다.
여기서, vi는 i번째 사용자의 음성 활성계수(voice activity)를 나타내고, Pi는 i번째 사용자에 대한 수신전력을 나타내며, N0W는 베경잡음전력에 해당한다.
Z는 배경잡음전력에 대한 총수신전력값 즉, Z=C/(N0W)로서, 그 Z를 신호-대-잡음 및 간섭 비(signal-to-noise and interference ratio)(Eb/(No+Io))의 값으로 표현하면 하기 수학식(2)가 된다.
여기서 R은 데이터율(bps), W는 대역폭을 나타낸다.
Z를 셀로딩 X로 표현하는 것은 X를 이루고 있는 Eb/(No+Io), vi의 분포는 알려져 있으므로, X의 분포는 쉽게 얻을 수 있기 때문이다.
일반적으로, Eb/(No+Io)는 대수정규분포(평균εdB, 표준편차σdB)의 특성을 가지며, vi는 평균이 E(v)인 랜덤변수(quarternaary random varible)이므로 X는 씨엘티(CLT : Central Limit Theorem)에 따라 정규 분포에 따른다고 할 수 있다.
시스템안에 사용자수가 증가하면, Z값이 급속도로 커지게 되고(Z→∞), 시스템은 불안정한 상태가 된다. 따라서 본 발명에서는 Z와 X의 관계에 의해, P(Z→∞)=P(X→1)가 되고, 링크불용확률(outage probability)을 예측하기 위해 P(X>1)를 이용한다.
즉, 기지국에서 수신된 Z값들에서 X값들을 계산하고, 평균과 분산을 적절한 값으로 추정하면 X의 분포를 알게되므로 P(X>1)를 계산할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 기지국에서 수신한 Z값으로 X값을 계산하고, X값의 분포를 추정하여 시스템의 링크불용확률 P를 계산하며, 더 나아가 상기 링크불용확률에 근거하여 잔여용량(Spare Capacity)를 알고자 한다.
상기 링크불용확률 P(X>1)을 구하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
파도바니(Padovani Roberto Padovani, Reverse Link Performance of IS-95Based Cellular Systems, IEEE Personal Communications Third Quarter, pp28-34, 1994)의 논문에서 제시된 대로 X가 정규 분포를 따른다고 가정하고, P(X>1)을 구한다.
이 확률을 구하려면, X의 분포를 알아야 하는데, X가 정규 분포를 따른다는 가정은 그대로 받아들이고, 평균과 표준편차를 찾아야 한다.
관측된 Z로부터 얻어지는 X(=(Z-1)/Z)값의 평균과 표준편차를 구하는데 있어서, 문제는 실측 상황에서 얻게되는 X값들이 1보다 작은 값만을 갖게된다는 것이다. 즉, 실측 상황에서 갖게될 X 값들은, 어떤 정규 분포로부터 1보다 큰 영역을 잘라낸 절삭된(truncated) 정규 분포를 갖는 것이다.
도 1은 정규 분포를 따르는 X와 X<1인 절삭된 정규 분포의 누적분포함수(CDF:Cumulative Distribution Function)를 보여준다.
E0를 X의 평균이라고 하고 σ0를 표준편차라고 하면, 정규 분포의 성질에서 아래 수학식(3)을 만족한다.
P(X< E0) = 0.5, P(X< E0-σ0)=0.159, P(X<E0-2σ0)=0.023
그리고, 절삭된 정규(truncated Normal) 분포의 정의에 의해 하기 수학식(4)가 성립한다.
P(Xt<E0)/0.5≒P(Xt< E0-σ0)/0.159≒P(Xt<E0-2σ0)/0.023
상기 수학식(4)를 이용하여, E0값만 안다면 P(Xt< E0-σ0)와 P(Xt<E0-2σ0)를 구할 수 있고, 이 값들로부터 σ0를 구할 수 있다.
여기서는 E0값도 알지 못하므로, 적절한 값(예를 들면, 0과 1사이의 임의 값)으로 추정해서 사용한다.
도 2를 참조로 E0와σ0를 추정하는 방법을 설명하도록 하고, 여기서 σn는 평균으로부터 1σn만큼 작은값을 나타내고, 2σn는 평균으로부터 2σn만큼 작은값을 나타낸다.
먼저, n=1로, E1은 0과 1사이의 임의값으로 설정한다(S1). 다음에, 상기 수학식(4)를 이용하여 1σ1및 2σ1를 구한다(S2). 다음에 En+1=1σn+(1σn-2σn)으로 설정하고(S3), │En+1- En│의 값을 구하여 기 설정된 임계값(△)과 비교 판단한다(S4). 판단 결과, 임계값보다 작으면 E0=En으로, σ0=(1σn-2σn)으로 셋팅하고 종료하며(S5), 임계값보다 크면 상기 단계 S2부터 조건을 만족할 때까지 상기 단계들을 반복하도록 한다.
상기와 같이 도 2의 방법을 이용하여 절삭된 정규분포의 평균 E0와 표준편차 σ0의 추정치를 찾아낼 수 있으나, 이렇게 얻은 절삭된 정규 분포의 평균과 표준편차는 X<1인 데이터로부터 X의 평균을 추정하기 때문에 실제 X의 평균값보다 작게 나오는 데, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3의 (a)(b)(c)는 각각 사용자 수가 35명인 경우에 도 2의 방법을 적용하여 구한 X 분포(CDF)를 보여준다. ①raw data로 표시된 곡선은 도 2의 알고리즘을 적용하기 위한 실험 데이터의 분포를 나타낸다. ②all data로 표시된 곡선은 X>1인 데이터까지도 모두 포함한 전체 데이터를 가지고 도 2의 알고리즘을 적용하여 평균과 표준편차를 추정한 X의 분포를 나타내고, ③fitted(algorithm 1)로 표시된 곡선은 X<1인 데이터만 가지고 도 2의 알고리즘을 적용하여 추정한 X의 분포를 나타낸다.
도 3(a)(b)(c)에서 보듯이, X<1인 절삭된(truncated) 데이터로 찾은 X분포 ③은 본래의 분포 ②에 비해서 X<1인 쪽으로 기울어져 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 원래의 분포가 평균을 중심으로 정확히 대칭이 아닐 수 있다는 것을 말해 준다. 이 경우 분포의 평균보다 왼쪽에 위치한 두 점(위에서 설명한 1σn, 2σn)만으로 전체 분포를 찾는다면 평균값이 실제보다 작은 값(왼쪽으로 기울어짐)이 나오게 되기 때문에, 이에 대한 수정이 필요하다.
이러한 문제에 대한 해결책으로 시뮬레이션(simulation)으로 얻은 여러 데이터들을 분석하여, 도 2의 알고리즘으로부터 얻은 평균과 표준편차 및 전체 데이터(X>1도 포함)의 평균과 표준편차와의 관계를 찾아보기로 한다.
도 2의 알고리즘에서 구한 X의 평균과 표준편차는 X<1인 데이터에서 구한 값이다.
여기서는 이 값들이 원래 X(X>1인 값들도 포함)의 평균과 표준편차와 선형관계가 있다고 보고 회귀(Regression) 방법을 이용하여 그 값들을 추정한다.
도 2의 알고리즘을 이용하여 X<1인 데이터로부터 추정한 X의 평균과 표준편차를 각각 meanX<1, stdvX<1로, X>1인 값도 모두 포함할 때의 평균과 표준편차를 각각 meanALL, stdvALL로 표기하기로 한다.
시뮬레이션의 결과로부터 얻은 meanX<1, stdvX<1, meanALL, stdvALL의 관계를 도 4 및 도 5에서 볼 수 있다. 여기서 meanX<1와 meanALL, stdvX<1와 meanALL각각들이 대체적으로 선형의 관계를 갖고 있음을 알 수 있고, 다음 식(5)와 같은 회귀 모형을 세울 수 있다.
meanALL= αmeanX<1+ βmeanX<1
stdvALL= γstdvX<1
여러 가지 configuration으로 얻어진 시뮬레이션 결과의 데이터로 이 변수들을 회귀하여 α,β,γ 값을 찾아낸다. 적절한 오차의 α,β,γ 값들은 이후에 X 데이가 주어졌을 때 그 데이터로부터 X의 적절한 평균과 표준편차를 추정할 수 있게 한다.
하기 [표 1] 및 [표 2]에 상기 수학식(5)의 회귀 모형(Regression Model)에 대한 회귀 분석 결과가 정리되어 있다.
[표 1]
Model meanALL= αmeanX<1+ βstdvX<1
Regression Result 계수 추정치 표준오차
α 1.230434 0.065468
β -0.65604 0.372028
회귀분석통계량
다중 상관계수 0.989818
결정계수 0.979739
조정된 결정계수 0.948822
표준 오차 0.031158
관측수 35
[표 2]
Model stdvALL= γ stdvX<1
Regression Result 계수 추정치 표준오차
γ 1.4154 0.030036
회귀분석통계량
다중 상관계수 0.846601
결정계수 0.716734
조정된 결정계수 0.687322
표준 오차 0.01947
관측수 35
이제, X의 분포에서 링크불용확률을 계산하기로 한다.
링크불용확률(Outage Probability)은 상기에서 .Prob(X>1)로 정의하였으므로, X의 분포로부터 구할 수 있다. 즉, 앞에서 추정한 X의 평균과 표준편차를 이용하여 링크불용확률을 추정할 수 있다.
[표 3]은 우리가 추정한 링크불용확률을 시뮬레이션 결과로 알 수 있는 값과 비교하여 위 방법에 대한 오차를 보여주고 있다.
[표 3]
blocking probability
M(#ofusers) 예측치 실험치 오차
20 7.6607E-08 0.000999 -0.0009989
1.1099E-06 0 1.1099E-06
1.5993E-12 0 1.5993E-12
2.3826E-06 0 2.3826E-06
1.1099E-06 0.00199601 -0.0019949
0.00359474 0.00596421 -0.0023695
0.00369358 0.01185771 -0.0081641
25 0.00025206 0.00398406 -0.003732
0.00025206 0.00398406 -0.003732
2.1694E-10 0 2.1694E-10
1.804E-06 0 1.804E-06
0.00012548 0.01088032 -0.0107548
0.0090156 0.0430622 -0.0340466
0.02994246 0.07918969 -0.0492472
30 0.00621744 0.01574803 -0.0095306
0.00488325 0.0281827 -0.0232995
7.4945E-07 0 7.4945E-07
0.00049065 0 0.00049065
0.00988481 0.03474903 -0.0248642
0.08934249 0.1394148 -0.0500723
0.34656875 0.27219796 0.07437079
35 0.08557209 0.05033238 0.03523971
0.06657917 0.09173479 -0.0251556
1.6233E-05 0 1.6233E-05
0.00621744 0.00497512 0.00124232
0.15407233 0.10952805 0.04454428
0.26155775 0.36467598 -0.1031182
0.66532876 0.56728689 0.09804187
40 0.19106674 0.17423617 0.01683057
0.20837632 0.21073402 -0.0023577
0.01234372 0.00199601 0.01034771
0.02186579 0.03567985 -0.0138141
0.37951679 0.28673324 0.09278356
0.65978041 0.60906959 0.05071082
0.74429719 0.78165939 -0.0373622
앞에서 구한 X의 분포를 이용하여, 품질모수가 주어지고 모든 조건이 변하지 않는 다고 가정할 때 시스템의 잔여용량(Spare capacity)를 예측해 볼 수 있다.
X+K를 현재의 가정과 동일한 상태에서 사용자 수만 M에서 M+K로 증가하였을때의 X의 확률변수라고 정의 하면 잔여용량은 다음 수학식(6)과 같이 정의 될 수 있다.
잔여용량 = max argK{P(X+K1)<품질모수}
여기서,max argK{ }는 { }를 만족하는 가장 큰 정수를 의미한다.
현재의 사용자수와 X분포에 대한 정보(X의 평균,표준편차)로부터 사용자수가 K명 증가할 경우의 X분포를 추정할 수 있다면, 현재 시스템의 잔여용량을 찾을 수 있다.
도 6에서 보면 각각의 데이터 셋(data set)에 대해 사용자수(M)과 X의 평균(mean)이 선형관계에 있음을 알 수 있다. 마찬가지로 도 7에서 사용자수(M)과 X의 표준편차(standard deviation)도 선형관계에 있음을 알 수 있다.
즉, 사용자의 수가 K명 증가할 때, X의 평균과 표준편차도 K값에 비례하여 증가한다는 것을 알 수 있다.
현재의 X의 평균값을 meanM, 표준편차값을 stdvM으로 나타내고, 사용자수가 K명 증가했을 때의 X+K의 평균값을 mean+K, 표준편차값을 stdv+K로 나타내면, X+K의 확률분포는 다음 식(7)과 같이 정의된다.
mean+K= meanM+ △mean×K
stdv+K= stdvM+ △stdv×K
여기서, △mean과 △stdv는 사용자수가 1명 추가로 증가할 때의 X의 평균값과 표준편차값의 증가분이다.
예를 들어, 시뮬레이션 결과에 의하면, △mean값으로는 약 0.111을 사용할 수 있을 것이다.
여기서 한가지 주목할 것은, △mean값이 모든 경우에 모두 같지 않을 수 있다는 점이다. 도 6를 보면, 사용자수가 작을 때 보다 작은 평균값을 갖는 X분포에 대해서 △mean값도 상대적으로 더 작다는 것을 알 수 있다. 이것은 같은 사용자수에 대해서 더 작은 X값을 갖는 환경이라면 시스템이 보다 안정적이라 볼 수 있고, 한 명의 추가적인 사용자가 발생시키는 시스템의 간섭량이 상대적으로 작다는 것을 나타낸다고 할 수 있겠다. 물론, 같은 환경(simulation에서 같은 configuration의 data set)일 때는 X의 평균은 사용자수에 대해서 선형 비례한다.
따라서, 시스템 환경에 따른 적절한 △mean값을 알 수 있다면, 보다 정확한 잔여용량에 대한 예측이 될 것이다.
이어, 상술된 본 발명의 이론적인 설명을 기반으로 본 발명의 일 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정장치(200)의 블록도로서, 기지국에 수신되어 저잡음 증폭된 각 섹터별(α,β,γ섹터), 패스별(Primary, Diversity) 역방향 고주파신호에 해당하는 입력신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기(211)와, 상기 저잡음 증폭된 고주파신호를 해당FA의 중간주파신호로 변환하는 주파수 변환기(212)와, 상기 변환된 중간주파 신호를 대역통과 여파하는 여파기(213)와, 상기 여파된 중간주파 신호의 전력레벨을 전압으로 변환하는 전력 검출기(214)와, 상기 변환된 전압레벨을 아날로그/디지털(A/D) 변환부(220)의 적정 입력레벨 범위로 조정하는 레벨 변환기(215)로 구성된 전력 측정부(210); 상기 측정된 수신전력을 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(220); 전체적인 제어를 수행함과 아울러 상기 A/D 변환부(220)로부터 제공된 디지털 신호에 의거하여 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고, 이를 이용하여 셀로딩(X)을 계산하고 셀로딩의 통계적 확률특성으로서의 확률밀도 함수를 구하며, 상기에서 구한 셀로딩의 확률밀도함수에 근거하여 확장된 확률밀도함수를 구하고, 이를 이용하여 링크불용확률을 구하며, 기지국에서 제공되는 실시간 점유 채널수와 기설정된 품질 모수를 이용하여 잔여용량을 구하고, 상기에서 구한 링크불용확률과 잔여용량을 기설정된 각각의 임계값과 비교하여 그 결과를 호수락 제어를 위한 기준 데이터로 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하는 제어부(230); 실시간 점유채널수를 제공하는 기지국 프로세서(BSP), 호수락 제어를 위한 기준데이터를 전해주는 기지국 제어기의 호처리 프로세서(CCP), 중앙의 운용보존센터(OMC), 및 포터블 OMC등과의 인터페이스를 위한 인터페이스 장치(240)로 구성된다.
상기 제어부(230)는 상기 주파수변환기(212)의 믹싱 및 주파수 합성, A/D변환부(220)의 샘플링율등을 제어하는 제어기(231), 상기 A/D 변환부(220)로부터 제공되는 디지털 데이터에 의거하여 상기와 같은 일련의 계산, 비교, 판단등을 처리하는 데이터 처리기(232), 및 상기 처리기에서 처리된 데이터를 저장하는 메모리(233)로 구성된다.
도 9는 본 발명에 따른 도 8의 통화품질 측정장치(200)가 적용되는 전체적인 CDMA 시스템의 일예를 설명하기 위한 구성도로서, 기지국(100)의 안테나(101)를 통해 수신된 무선 RF신호는 저잡음 증폭기(LNA)(102)와 자동 이득조정기능이 내장된 주파수하향 변환기(DNC)(103)를 거쳐 복조화(demodulation) 과정을 거치게 된다. 상기 LNA(102)의 출력은 통화품질 측정장치(200)의 입력단과 연결되고 기지국에 내장되어 있는 GPS(Global Positioning System)수신장치(104)에서 발생한 고품질의 10MHz 기준 주파수신호도 상기 통화품질 측정장치(200)의 입력단으로 전달된다. 여기서, 10MHz 신호는 상기 통화품질 측정장치(200)에서 수행하는 주파수 변환기능을 위해 제공되는데, 경우에 따라서는 통화품질 측정장치(200) 내부에 별도의 국부 주파수발진기(Local oscillator)를 설치하여 주파수변환을 위한 발진 주파수를 자체 생산할 수 있다. 통화품질 측정장치(200)는 기지국의 LNA(102)에서 저잡음 증폭된 신호를 받아 그 전력세기를 검출하고 이를 아날로그/디지털(A/D) 변환하여 본 발명에서 제안하는 알고리즘에 따라 분석하고 처리하는 데, 상기 통화품질 측정장치(200)의 입력단은 기지국 안테나(101)에서 수신된 역방향 고주파 신호의 전력이 선형적으로 전달되는 기지국(100)의 어떤 임의 경로상에서 커플링을 하여도무방하다.
상기 통화품질 측정장치(200)는 원격지 및 현장에서 제어관리가 가능한 바, 중앙운용보존센터(OMC)(130) 에서는 CDMA 시스템 네트워크 및 상기 기지국(100)내의 네트워크 링커(106)(예컨대, IPC(inter-processor communication)통신용 노드분배기 등)를 통해 상기 통화품질 측정장치(200)를 제어관리하며 이 장치를 통해 얻어진 정보를 프로세싱하여 운용자에게 전달할 수 있다. 또한, 상기 통화품질 측정장치(200)는 인터페이스 장치(240)를 이용하여 포터블 OMC(Notebook computer)(140)를 통한 제어가 가능하며 데이터도 다운로드할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 통화품질 측정 방법을 설명하기위한 흐름도로서, 도 8의 제어부(220)의 처리기(232)에서 수행하는 알고리즘으로 적용되는 바, 측정되어 샘플링된 기지국 수신전력(S1)에 의거하여 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고(S2), 이를 이용하여 셀로딩(X)을 계산하고 셀로딩(X)의 통계적 확률특성으로서의 확률밀도함수를 구하며(S3), 상기 셀로딩(X)의 확률밀도함수에 근거하여 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수를 구하고(S4), 이를 이용하여 링크불용확률을 구한다(S5). 이어, 상기 링크불용확률과 기지국에서 제공되는 실시간 점유 채널수(S6) 및 기설정된 품질 모수(某數)(S7)를 이용하여 채널자원의 실질 잔여용량을 구한 다음(S8), 상기 구해진 링크불용확률과 잔여용량을 기설정된 각각의 임계값과 비교하여(S9), 그 결과를 호수락 제어를 위한 기준 데이터로 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하도록 한다(S10).
이하, 도 10의 통화품질 측정방법을 단계별로 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 상기 처리기(232)에서는 상기 A/D변환부(220)로부터 수신전력의 샘플 데이터를 전달받아(S1) 배경잡음전력에 대한 수신전력의 비(이하 Z라 약칭함)를 계산한다(S2).
상기 단계 S2에서, 상기 배경잡음전력은 실제 채널 점유가 없을 때 측정된 수신전력의 세기로서 미리 측정되어 상기 메모리(233)에 기 저장된 값을 사용하며, Z는 수학적으로 아래의 수학식(8)로 정의된다.
여기서, R은 데이터율(bps), W는 대역폭, Vi는 i번째 사용자의 음성 또는 데이터 활성계수, Ebi/(N0+I0)는 i번째 사용자의 신호대 간섭비, M은 사용자수, f는 인접셀에 의한 간섭의 영향을 고려하기위한 파라메터로서, 자기셀의 사용자에 의한 간섭에 대한 다른셀의 사용자에 의한 간섭의 비를 의미한다.
이어, 상기 단계 S2에서 구한 Z 값에 근거하여 셀로딩(이하 X라 약칭함)과 X의 확률밀도 함수를 구하는 단계 S3를 다음과 같이 수행한다.
상기에서 X는 개념적으로 최대 수용채널수에 대한 현재 점유 채널수의 비이며, 수학적으로 아래의 수학식(9)로 정의된다.
상기에서 X는 상술된 바와 같이 CLT(central limit theorem)에 따라 정규분포를 따른다고 근사화할수 있으며, X와 Z의 관계는 하기 수학식(10)으로 표시된다.
상기 단계 S3에서 X의 확률밀도함수를 구하는 이유는, 실제 수신전력값의 순시값이나 평균값을 이용하여 X의 순시값이나 평균값만을 구할경우에는 X값의 변화가 많고 그 변화에 따르는 규칙성을 발견하기가 힘들며 통화품질의 기준을 정하기도 어렵기 때문에, X의 통계적 특성을 나타내는 확률밀도함수를 구하여, 즉 X의 평균과 표준편차등의 확률분포를 이용하여 신뢰성있는 셀로딩을 구하고자 하는 것이다.
다음, 상기 단계 S3에서 구한 X의 확률밀도함수에 근거하여 확장된 X(이하 XEXT라 약칭함)의 확률밀도함수를 구하는 단계 S4를 다음과 같이 수행한다.
상기 XEXT의 확률밀도함수는 링크불용확률을 구하기 위한 것인 바, 이와 같이 링크불용확률을 구하기 위하여 XEXT의 확률밀도함수를 구하는 이유를 설명하면 다음과 같다.
상기 수학식(8)에서, 시스템의 사용자가 증가하면 Z값이 급속도로 커지게 되고(Z→∞), 이로인해 시스템은 불안정한 상태가 된다. 상기 식(10)의 Z와 X의 관계에 의해, 링크불용확률 P(Z→∞)는 P(X→1)가 되고, 결국 P(X>1)를 구하면 된다. 즉, X>1인 구간까지 확장된 X(XEXT)의 확률밀도함수를 구하면, 그 XEXT의 확률밀도함수에 근거하여 링크불용확률 P(X>1)를 구할 수 있는 바, 그 XEXT의 확률밀도함수(XEXT의 확률분포인 평균과 표준편차)를 구하는 방법은 상술된 이론적인 설명에서 상세히 설명한 바 있으나, 아래에서 함축적으로 재설명하기로 한다.
실제 측정을 통해 구한 X는 1보다 작은 값만을 갖는다. 즉, 실제측정을 통해 갖게 되는 X값들은 어떤 정규분포로부터 1보다 큰 영역을 잘라낸 절삭된(Truncated) 정규분포 X(x)를 갖는 것이므로, 본 발명에서는 상기 절삭된 정규분포에 근거하여 X를 1보다 큰 영역까지 확장시켰을 때의 X의 확률분포 XEXT(x)를 다음과 같이 구하도록 한다.
먼저, E0를 XEXT의 평균이라고 하고, σ0를 XEXT의 표준편차라고 하면, 정규 분포의 성질에서 상기 수학식(3)과 같이 하기 수학식(11)을 만족한다.
P(XEXT< E0) = 0.5, P(XEXT< E0-σ0)=0.159, P(XEXT<E0-2σ0)=0.023
그리고, 절삭된 정규(truncated Normal) 분포의 정의에 의해 상기 수학식(4)와 같이 하기 수학식(12)가 성립한다.
P(X<E0)/0.5≒P(X< E0-σ0)/0.159≒P(X<E0-2σ0)/0.023
상기 수학식(11)과 (12)의 관계식을 이용하여, E0값만 안다면 P(X< E0-σ0)와 P(X<E0-2σ0)를 구할 수 있고, 이 값들로부터 σ0를 구할 수 있다.
여기서는 E0값도 알지 못하므로, 적절한 값(예를 들면, 0과 1사이의 임의값)으로 추정해서 사용하되, 앞서 이론적인 설명 시 상세히 설명된 바와 같이 도 2의 알고리즘을 이용하여 E0와σ0구하도록 한다.
상기 구해진 XEXT의 E0와σ0는 X<1인 데이터로부터 XEXT의 값들을 추정하기 때문에, 실제 XEXT의 값들보다 작게 나온다. 따라서, 상기 수학식(5)를 이용하여 이 값들을 보정하도록 하되, 그 수학식(5)에서 α,β,γ 값들은 해당 기지국의 특성을 고려한 회귀분석(Regression)을 통하여 적정한 값을 구하여 설정하도록 한다.
다음, 상기 단계 S4를 수행하여 최종적으로 구해진 XEXT의 확률밀도함수(평균 E0와 표준편차σ0)를 이용하여 링크불용확율을 계산하는 단계 S5를 수행하며, 여기서 링크불용확률은 P(X>1)이므로 XEXT의 확률밀도함수로부터 구할 수 있다. 즉, XEXT의 확률밀도함수로 형성되는 전체 면적 중에서 X>1 구간이 되는 면적이 차지하는 비율이 바로 링크불용확률 P(X>1)이 된다.
다음, 상기 단계 S6에서 기지국의 BSP로 부터 상기 단계 S1의 수신전력 측정시와 동일시점의 실제 점유채널수를 전달받고, 상기 단계 S7에서 OMC, 포터블 OMC또는 통화품질 측정장치에 부착된 키 패드를 통해 기 설정된 품질모수를 이용하여, 상기 단계 S8에서 잔여용량을 다음과 같이 계산한다.
X+K를 현재의 가정과 동일한 상태에서 사용자수(점유채널 수)만 M에서 M+K로 증가하였을 때의 XEXT의 확률변수라고 정의하면 잔여용량은 상기 수학식(6)을 이용하여 구해진다.
상기 단계 S6 및 상기 단계 S1-S4의 수행으로 실제 점유 채널수와 XEXT의 확률분포를 알고 있으므로, 상기 수학식(6)에서 사용자수가 K명 증가할때(점유채널 수가 K개 증가할때)의 확률분포인 X+K만 추정할수 있다면 잔여용량을 계산할수 있다.
상기 X+K의 확률분포는 상기 에서 정의된 수학식(7)을 이용하여 구할 수 있는 바, 상기 수학식(7)에서 사용자수가 M인 현재의 XEXT의 평균값을 meanM, 표준편차값을 stdvM으로 나타내고, 사용자수가 K명 증가했을 때의 X+K의 평균값을 mena+K, 표준편차값을 stdv+K로 나타낸다. 그리고 △mean과 △stdv는 사용자수가 1명 추가로 증가할 때의 XEXT의 평균값과 표준편차값의 증가분이다. 상기 △mean과 △stdv는 기지국의 특성을 고려한 회귀분석(Regression)을 통해서 적정한 값을 구하여 설정하도록 한다.
마지막으로, 상기 단계 S5에서 구한 링크불용확률과 상기 단계 S8에서 구한 잔여용량을 기설정된 각각의 임계값과 비교하여 그 결과에 따라 호수락 제어가 필요하다고 판단되면 그 결과를 기지국 제어기의 호 처리프로세서에 전달하고, 그렇지 않으면 종료토록하는 단계 S10을 수행한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 CDMA 시스템의 통화품질 측정장치 및 방법에 의하면, CDMA 시스템의 역방향 링크의 통화품질을 셀로딩, 링크불용확률, 및 잔여용량등으로 실시간 측정함으로서, 호수락 제어를 위한 신뢰성 있는 기준 데이터를 제공할 수 있으며, 시스템 성능 최적화와 용량 최대화를 위한 FA증설/기지국 신설등의 무선망 엔지니어링을 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 기지국의 수신전력을 측정하는 수신전력 측정 수단;
    상기 수신전력 측정수단의 출력신호를 샘플링하여 디지털 신호로 변환하는 변환수단;
    상기 변환된 디지털 신호에 의거하여 잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고, 이 값(Z)을 이용하여 셀로딩(X)과 그 셀로딩(X)의 통계적 확률특성을 구하며, 그 통계적 확률특성에 근거하여 상기 셀로딩을 1보다 큰 영역까지 확장시켰을 경우의 확장된 셀로딩(XEXT)의 통계적 확률특성을 추정한 다음, 그 추정 결과에 의거하여 무선링크의 품질을 나타내는 기준값을 산출하는 제어수단; 및
    상기 제어수단과 외부와의 상호 데이터 통신을 위한 인터페이스 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 산출된 기준값을 기 설정된 임계값과 비교하고, 그 비교 결과를 호 수락 제어를 위한 기준 데이터로 상기 인터페이스 수단을 통하여 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어수단은 상기 기준값으로서 링크불용확률과 채널자원의 잔여용량을 산출하는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어수단은 확률밀도함수(PDF)의 산출식을 이용하여 상기 통계적 확률특성을 구하는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 링크불용확률은 상기 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수 그래프로 형성되는 전체 구간의 총 면적 중에서 상기 셀로딩이 1보다 큰 구간의 면적이 차지하는 비율인 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 잔여용량은 상기 확장된 셀로딩의 확률밀도함수 및 현재의 사용자수에 의거하여, 증가한 사용자수에 대한 확률밀도함수를 추정하여 구하는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중접속 시스템의 통화품질 측정 장치.
  7. 측정되어 샘플링된 기지국 수신전력에 의거하여 잡음전력에 대한 수신전력의 비(Z)를 구하고, 이를 이용하여 셀로딩(X)을 계산하고 그 셀로딩(X)의 통계적 확률특성을 구하는 제 1 단계;
    상기 구해진 셀로딩(X)의 통계적 확률특성에 근거하여 상기 셀로딩(X)을 1보다 큰 영역까지 확장시켰을 경우의 확장된 셀로딩(XEXT)의 통계적 확률특성을 구하는 제 2 단계; 및
    상기 구해진 확장된 셀로딩의 통계적 확률특성에 근거하여 무선링크의 품질을 나타내는 기준값을 구하는 제 3 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 구해진 상기 기준값을 기설정된 임계값과 비교하여 그 결과를 호수락 제어를 위한 기준 데이터로 기지국 제어기의 호처리프로세서에 전달하는 제 4 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 통계적 확률특성은 확률밀도함수(PDF)를 나타내는 것으로서, 상기 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수는,
    "n=1, E1=0과 1사이의 임의값"으로 초기 설정하는 하위 1단계와, "P(X<E0)/0.5≒P(X<E0-σ0)/0.159≒P(X<E0-2σ0)/0.023"의 수학식에 의거하여, 1σn및 2σn를 구하는 하위 2단계와, En+1=1σn+(1σn-2σn)으로 설정하여, │En+1- En│의값을 구하는 하위 3단계와, 상기 구해진 │En+1- En│의 값과 기 설정된 임계값(△)과 비교하는 하위 4단계와, 상기 비교 결과, 상기 │En+1- En│의 값이 상기 임계값(△)보다 작으면 E0=En으로, σ0=(1σn-2σn)으로 셋팅하고 종료하며, 상기 임계값(△)보다 크면 n=n+1로 하여 상기 하위 2단계부터 조건을 만족할 때까지 상기 단계들을 반복하는 하위 5단계를 수행하여 구하되,
    여기서, X는 셀로딩으로서 X<1인 데이터, E0및 σ0는 그 X<1인 데이터로부터 상기 하위 1-5단계를 수행하여 추정한 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수의 평균과 표준편차, P( )는 ( )의 확률을 나타내고, 1σn및 2σn는 평균으로부터 각각 1σn및 2σn만큼 작은 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하위 5단계에서 구해진 "E0및 σ0"를 "meanALL= αmeanX<1+ βmeanX<1, 및 stdvALL= γstdvX<1"의 수식에 의거하여 보정하도록 하되,
    여기서 meanX<1는 상기 E0를, stdvX<1"는 상기 σ0를, meanALL및 stdvALL은 각각 상기 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수의 평균과 표준편차를 보정한 평균값과 표준편차를 나타내고, α,β,γ 값들은 보정을 위해 기 설정된 값을 나타내는 것을특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 α,β,γ 값들은 기지국의 특성을 고려한 회귀분석(Regression)을 통하여 설정됨을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 구해진 상기 기준값은 링크불용확률을 나타내는 것으로서, 상기 링크불용확율은 상기 보정된 평균값과 표준편차에 상응하는 상기 확장된 셀로딩의 확률밀도함수에 근거하여, 그 확장된 셀로딩의 확률밀도함수 그래프로 형성되는 전체 구간의 총 면적 중에서 상기 셀로딩이 1보다 큰 구간의 면적이 차지하는 비율로 산출함을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 구해진 상기 기준값은 채널자원의 잔여용량을 나타내는 것으로서, 상기 잔여용량은 상기 보정된 평균과 표준편차에 상응하는 상기 확장된 셀로딩의 확률밀도함수 및 제공되는 현재의 사용자수에 의거하여, 증가한 사용자수에 대한 확률밀도함수를 추정하고 이에 대한 링크불용확률 P(X+K1)를 구한 다음, "잔여용량 = max argK{P(X+K1)<품질모수}"의 수식에 의해 산출하되,
    여기서, max argK{ }는 { }를 만족하는 가장 큰 정수를 의미하며, 품질모수는 기설정된 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 증가한 사용자수에 대한 확률밀도함수는, "mean+K= meanM+ △mean×K 및 stdv+K= stdvM+ △stdv×K"의 수식에 의거하여 산출하되,
    여기서, meanM및 stdvM는 사용자수가 M인 현재의 확장된 셀로딩(XEXT)의 확률밀도함수의 평균값과 표준편차값을, mena+K및 stdv+K는 사용자수가 K명 증가했을 때의 X+K의 평균값과 표준편차값을, △mean과 △stdv는 사용자수가 1명 추가로 증가할 때의 XEXT의 평균값과 표준편차값의 증가분으로서 기 설정된 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 △mean과 △stdv는 기지국의 특성을 고려한 회귀분석(Regression)을 통해서 설정함을 특징으로 하는 부호분할 다중 접속 시스템의 통화품질 측정 방법.
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