KR100351125B1

KR100351125B1 - 다중경로 별 사전 빔 형성기와 다중경로 신호의 주파수 성분별적응 등화 결합기 구조를 갖는 스마트 안테나 시스템

Info

Publication number: KR100351125B1
Application number: KR1019990030463A
Authority: KR
Inventors: 오성근; 김필관
Original assignee: 오성근; 김필관
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2002-09-09
Also published as: KR20010011216A

Abstract

본 발명은 다수개의 안테나 배열을 통해 수신된 각각의 다중경로 신호들에 대하여 사전 빔 형성을 수행하고 지연 시간을 보상하여 주파수 영역의 적응 등화기를 통하여 원하는 신호를 효율적으로 추출하기 위한 것으로서, 다수개의 안테나로 각각 수신된 신호를 이용하여 신호의 프레임 동기, 타이밍 동기, 주파수 동기를 수행하는 동기부와, 상기 동기부에서 출력된 신호는 훈련 또는 학습 구간동안 파일럿 신호가 갖는 특성을 이용하여 다중경로에 대한 지연 시간을 추정하고, 상기 추정된 지연 시간 정보를 통하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 추정부와, 상기 추정부에서 출력된 사전빔 형성 가중치 벡터를 상기 동기부에서 출력된 신호에 적용하여 동일 경로별 신호 성분을 결합하기 위해 다중 경로 신호별로 독립 빔을 형성하는 사전 빔 형성부와, 상기 추정된 지연시간 만큼 상기 사전빔 형성부를 통해 출력된 다중경로 별 신호의 지연된 시간을 보상하여 각 다중경로 신호들의 수신된 시간을 일치시키는 보상부와, 상기 지연 시간 보상부에서 출력된 신호를 주파수 영역에서 등화시키는 적응형 등화부를 포함하여 구성된다.

Description

다중경로 별 사전 빔 형성기와 다중경로 신호의 주파수 성분별 적응 등화 결합기 구조를 갖는 스마트 안테나 시스템{smart antenna system using the structure of prebeamformer about each multipath and adaptive equalization combiner each frequency bins}

본 발명은 스마트 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 다중경로 신호별 사전빔 형성과 지연 시간 보상회로를 사용하는 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 적응 등화기에 관한 것이다.

정보의 고속 광대역화 되어감에 따라 시스템은 높은 동작주파수가 요구되며, 다중경로에 의한 지연 확산(delay spread) 현상은 심각한 인접 부호간의 간섭(Inter-Symbol Interference : ISI)을 초래한다.

이것은 무선 통신 시스템의 동작을 제한하는 중요한 요인으로 부각되고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해서 채널 등화기가 요구되어 진다.

높은 동작주파수의 사용은 서비스 반경을 점차 좁아지게 하여 동일채널을 사용한 인접 기지국셀 간의 거리를 더 가깝게 한다.

이것은 인접 기지국셀 간의 동일채널 간섭(Co-Channel Interference : CCI)의 증가를 초래하고, 시스템의 효율성 및 망의 성능 저하를 가지고 온다.

종래 시영역 채널 등화기는 정보의 고속 광대역화에 의한 지연 확산(delay spread)의 증가로 많은 수의 TDL(Tap Delay Line) 구조가 필요하다.

이로 인한 채널 등화기의 복잡도는 실시간 시스템의 구현을 어렵게 만들게 되었다.

따라서, 주파수 영역의 채널 등화기 구조가 제안되고 있다.

상기 주파수 영역의 채널 등화기 시스템은 광대역 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 각 주파수 성분별로 적응 신호 처리를 해준다.

이렇게 함으로써, 상기 변환된 신호는 각 주파수 성분별로 협대역 신호로 가정할 수 있어, 상기 채널 등화기의 구조는 TDL 구조에 비해 매우 간단하고 복잡도가 적다는 이점이 있다.

그러나, 동일채널 간섭(CCI) 환경에서는 느린 수렴성능을 보인다.

최근, 안테나 배열구조를 사용한 스마트 안테나 기술은 서비스 범위의 확대, 용량 증대, 시스템 효율성 증대, 실시간 시스템 구현의 용이성 등 많은 이점을 제공하기 때문에 고속의 무선 통신 시스템들을 구현할 때 필수적으로 고려되고 있다.

뿐만 아니라, 스마트 안테나 기술은 다중경로 신호들을 공간적으로 분리하여 유효 지연 확산을 줄일 수 있기 때문에, 정보의 고속화가 심화되어짐에 따라 채널 등화기의 요구조건을 완화시켜주는 중요한 수단으로 부각되고 있다.

그러나 이상에서 설명한 종래 기술에 따른 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 채널 등화기는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 다중경로 신호의 입사 방향 추정 및 적응 알고리즘 구현에 복잡도가 커서 실시간 구현에 많은 어려움이 있다.

둘째, 동일채널 혼신(CCI) 환경에서 느린 수렴성능을 보인다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 사이클릭 프리픽스(cycilc prefix) 프레임 구조를 갖는 단일 반송파 및 OFDM 전송방식의 고속 무선 통신 시스템에서, 사이클릭 프리픽스를 갖는 수신된 신호의 사이클릭(cyclic) 특성과 자기 상관 특성을 이용하여 다중경로 신호들의 지연 시간을 추정하고, 다중경로 신호별로 독립적인 빔 형성을 위한 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하고, 상기 추정된 결과로부터 선택된 다중경로 신호별로 사전 빔 형성과 지연시간 보상을 통하여 등화기에 입력하여 동일채널 간섭 신호를 효과적으로 제거하고, 주파수 영역의 적응 등화기를 이용하여 선택된 다중경로 신호들의 최적 결합을 하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 사이클릭 프리픽스 프레임 구조를 갖는 단일 반송파 광대역 스마트 안테나 시스템 구성도

도 2 는 본 발명에 따른 단일 반송파 전송방식의 경우 주파수 영역의 적응 등화기 구성도

도 3 은 본 발명에 따른 OFDM 전송방식을 채택하는 광대역 스마트 안테나 시스템 구성도

도 4 는 본 발명에 따른 OFDM 전송방식의 경우 주파수 영역의 적응 등화기 구성도

도 5 는 본 발명에 따른 사전빔 형성기 뱅크 구성도

도 6 은 본 발명에 따른 다중경로 신호들의 지연시간 및 사전 빔 형성 가중치 벡터 추정기의 구성도

도 7 은 본 발명에 따른 복소 순환 정합 여파 상관기 구성도

도 8 (a)는 본 발명에 따른 신호 전력 결합기 구성도

(b)는 본 발명에 따른 신호 진폭 결합기 구성도

도 9 는 본 발명에 따른 다중경로 빔 형성 가중치 벡터 추정기의 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10a, 10b : 동기부 20 : 사전 빔 형성부

21, 31 : 사이클릭 픽스 제거기 22 : 빔 형성기

23 : 직/병렬 변환부 30 : 추정부

32 : 복소 순환 정합 여파 상관기 32a : 심벌 패턴 발생부

32b : 순환 쉬프트 레지스터부 32c : 블록 데이터 버퍼부

32d : 교차 상관부 33 : 신호 결합기

34 : 빔 형성 가중치 벡터 추정기 34a : 빔 형성 가중치 발생부

34b : 빔 형성 가중치 벡터 발생부 34c : 빔 형성 가중치 생성기

35 : 지연 시간 추정기 40 : 지연 시간 보상부

50a, 50b : 적응형 등화부 51, 53 : FFT부

52 : IFFT 부 54 : 가중치 갱신부

55 : 벡터 생성기 56 : 차분기

57 : 등화기부 60 : 판정부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 적응 등화기의 특징은 다수개의 안테나 배열을 통해 수신된 신호를 이용하여 신호의 프레임 동기, 타이밍 동기, 주파수 동기등을 수행하는 동기부와, 상기 동기부에서 출력된 신호는 훈련 또는 학습 구간 동안 파일럿 신호가 갖는 특성을 이용하여 다중경로에 대한 지연 시간을 추정하고, 상기 추정된 지연 시간 정보를 통하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 추정부와, 상기 추정부에서 출력된 사전 빔 형성 가중치 벡터를 상기 동기부에서 출력된 신호에 적용하여 동일 경로별 신호 성분을 결합하기 위해 다중 경로 신호별로 독립 빔을 형성하는 사전 빔 형성부와, 상기 추정된 지연시간 만큼 상기 사전 빔 형성부를 통해 출력된 다중경로 별 신호의 지연된 시간을 보상하여 각 다중경로 신호들의 수신된 시간을 일치시키는 지연시간 보상부와, 상기 지연 시간 보상부에서 출력된 신호를 주파수 영역에서 등화시키는 적응형 등화부를 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 다중경로 및 동일채널 간섭 환경에서 일반적인 사이클릭 프리픽스 구조를 갖는 단일 반송파 전송방식을 채택하는 구조와 OFDM 전송방식을 채택하는 구조를 갖는 광대역 무선 통신 시스템을 위한 스마트 안테나 시스템으로서, 사전 빔 형성과 주파수 영역의 적응 등화기가 결합된 구조를 갖고있으며, 이를 통하여 다중경로 신호들의 최적 결합과 동일채널 간섭을 효과적으로 제거할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 적응 등화기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1, 3 은 광대역 무선 통신 시스템을 위한 스마트 안테나의 전체 구성도로 서, 도 1 은 사이클릭 프리픽스 프레임 구조를 갖는 단일 반송파 전송방식의 시스템 구성도이고, 도 3 은 다수의 부반송파를 통해 신호가 전송되는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송방식의 시스템 구성도를 나타낸다.

상기 도 1, 3을 보면 다수개의 안테나로 각각 수신되는 신호의 동기를 일치시킨 후, 상기 각각의 안테나에 상응하여 샘플된 신호를 출력하는 동기부(10a, 10b)와, 상기 동기부(10a, 10b)에서 출력된 신호를 이용하여 다중경로에 대한 지연 시간을 추정하고, 상기 추정된 지연 시간 정보를 통하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 추정부(30)와, 상기 추정부(30)에서 출력된 사전 빔 형성 가중치 벡터를 상기 동기부(10a, 10b)에서 출력된 신호에 적용하여 동일 경로별 신호 성분을 결합하기 위해 다중 경로 신호별로 독립 빔을 형성하는 사전 빔 형성부(20)와, 상기 추정된 지연시간 만큼 상기 사전 빔 형성부(20)를 통해 출력된 다중경로 별 신호의 지연된 시간을 보상하여 각 다중경로 신호들의 수신된 시간을 일치시키는 지연시간 보상부(40)와, 상기 지연 시간 보상부(40)에서 출력된 신호를 주파수 영역에서 등화시키는 적응형 등화부(50a)(50b)와, 상기 적응형 등화부(50a)(50b)에서 출력된 다수개의 시영역 신호를 보상하는 판정부(60)로 구성된다.

그리고 도 2, 4 는 각 다중경로 신호별로 사전 빔이 형성되어 들어온 신호를 주파수 영역에서 등화시키는 주파수 영역 적응 등화기의 구성도를 나타낸 것으로서, 도 2 는 단일 반송파 전송방식의 적응 등화기 구성도이고, 도 4 는 OFDM 전송방식의 적응 등화기 구성도이다.

상기 도 2를 보면 상기 지연 시간 보상부(40)에서 출력된 다수개의 다중경로 별 시영역 신호를 다수개의 주파수 영역 신호로 변환하는 다수개의 제 1 FFT부(51)와,

상기 제 1 FFT부(51)에서 출력된 다수개의 주파수 영역 신호의 왜곡을 각각 보상해주는 등화기부(57)와, 상기 등화기부(57)에서 출력된 다수개의 주파수 영역 신호를 다수개의 시영역 신호로 변환하는 IFFT부(52)와, 상기 IFFT부(52)에서 출력된 시영역 신호와 훈련신호 또는 상기 출력된 시영역 신호를 판정한 신호를 이용하여 차신호를 구하여 다수개의 주파수 영역 신호로 변환하는 제 2 FFT부(53)와, 상기 제 2 FFT부(53)와 제 1 FFT부(51)에서 출력된 각각의 주파수 영역 신호를 결합하여 주파수 영역에서 적응 빔을 형성하는 가중치 갱신부(54)로 구성된다.

그리고 도 4를 보면 상기 지연 시간 보상기(40)에서 출력된 다수개의 다중경로 별 시영역 신호를 다수개의 주파수 영역 신호로 변환하는 FFT부(51)와, 상기 FFT부(51)에서 출력된 다수개의 주파수 영역 신호의 왜곡을 각각 보상해주는 등화기부(57)와, 상기 등화기부(57)에서 출력된 다수개의 주파수 영역 신호를 하나의백터값으로 만들어 주는 벡터 생성기(55)와, 상기 벡터 생성기(55)에서 출력된 신호와 훈련신호 또는 상기 출력된 신호를 판정한 신호를 이용하여 차신호를 구하고, 상기 차신호와 FFT부(51)에서 출력된 각각의 주파수 영역 신호를 결합하여 적응 빔을 형성하는 가중치 갱신부(54)로 구성된다.

도 5 는 각각의 다중경로를 위한 독립 빔을 형성하기 위하여 사전 빔 형성 가중치 벡터와 안테나 배열에 입사된 동일 경로별 성분을 결합시키는 역할을 수행하는 빔 형성 뱅크 구성도이다.

상기 도 5를 보면 상기 동기부(10a, 10b)에서 출력된 다수개의 샘플 신호에서 프리픽스를 제거하는 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기(21)와, 상기 각 사이클릭 프리픽스 제거기(21)에서 출력된 신호와 상기 추정부(30)에서 출력된 사전 빔 형성 가중치 벡터에 의해서 가중합된 신호를 각각 결합하여 동일 경로 신호 별로 신호를 결합시키는 다수개의 빔 형성기(22)와, 상기 다수개의 빔 형성기(22)에서 출력되는 동일 경로별 신호를 병렬로 변환하는 다수개의 직/병렬 변환부(23)로 구성된다.

도 6 은 사전 빔 형성과 다중경로 신호별 지연 시간 보상을 위하여, 초기 학습 또는 훈련 구간 동안 안테나 배열을 통해 입사된 학습 또는 훈련 신호가 갖는 신호 특성을 이용하여 각각의 다중경로 신호별 지연 시간 추정기를 통해 다중 경로 신호별 지연 시간 추정 및 사전 빔 형성 가중치 벡터 추정기를 통해 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 구성도이다.

상기 도 6을 보면 상기 추정부(30)는 상기 동기부(10a, 10b)에서 출력된 다수개의 샘플 신호에서 프리픽스를 제거하는 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기(31)와, 상기 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기(31)에서 출력된 각각의 신호를 기준 신호와 교차상관을 시키는 다수개의 복소 순환 정합 여파 상관기(32)와, 상기 복소 순환 정합 여파 상관기(32)에서 출력된 신호를 하나의 신호로 결합하는 신호 결합기(33)와, 상기 신호 결합기(33)에서 출력된 신호로부터 각각의 다중경로에 대한 지연 시간을 추정하는 지연시간 추정기(35)와, 상기 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기(31)에서 출력된 신호와 상기 지연시간 추정기(35)에서 추정된 지연시간 정보를 이용하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 빔형성 가중치 벡터 추정기(34)로 구성된다.

도 7 은 입사된 학습 또는 훈련 신호와 상호 상관값을 얻기 위한 복소 순환 정합 여파 상관기 구성도이다.

상기 도 7을 보면 기준 신호를 출력시키는 심벌 패턴 발생부(32a)와, 상기 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력된 기준 신호를 순환 이동시키면서 출력하는 순환 쉬프트 레지스터부(32b)와, 상기 순환 쉬프트 레지스터(32b)를 통해 순환 이동시키면서 출력되는 기준 신호와 블록 데이터 버퍼(32c)에 저장된 사이클릭 프리픽스제거기(31)를 통해 출력된 한 블록 데이터 신호를 교차 상관시키는 교차 상관부(32d)로 구성된다.

그리고 상기 심벌 패턴 발생기(32a) 출력 값은 상기 도 1 과 같이 사이클릭 프리픽스 프레임 구조를 갖는 단일 반송파에 의한 전송방식인 경우 PN 신호열의 공액복소를 취한 값이 되며, 상기 도 3 과 같이 OFDM 전송방식인 경우 주파수 영역에서 균일한 진폭을 갖는 BPSK, QPSK, M진 PSK 등으로 변조된 기준이 되는 신호를 IDFT을 통해 시영역으로 변환된 신호의 공액복소를 취한 값이 된다.

도 8 은 다중경로 신호의 지연 시간을 추정기의 입력으로 사용하기 위하여, 상기 도 6에서 보듯이 복소 정합 여파 상관기(32)를 통해 독립적으로 얻어진 교차 상관값을 결합하는 신호 결합기로써, 도 8 (a)와 같이 전력 결합을 하는 신호 전력 결합기(33a)와, 도 8 (b)와 같이 진폭 결합을 하는 신호 진폭 결합기(33b)가 있다.

도 9 는 다중경로 신호별 사전 빔 형성 가중치 벡터 추정기를 나타낸 구성도이다.

상기 도 9를 보면 기준 신호를 출력시키는 심벌 패턴 발생부(32a)와, 상기 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력된 신호를 추정된 다중경로 신호별 지연 시간만큼 순환 이동 후 출력하는 순환 쉬프트 레지스터부(32b)와, 상기 순환 쉬프트 레지스터부(32b)의 출력신호를 각 안테나 요소 별로 사이클릭 프리픽스가 제거된 입력 신호들과 가중합을 구하여 다중경로 신호별 사전빔 형성가중치를 구하는 다수개의 빔형성 가중치 생성기(34c)와, 상기 다수개의 빔 형성 가중치 생성기(34c)의 출력신호를 하나의 벡터로 구성하여 다중 경로 신호별 사전 빔 형성 가중치 벡터를 구하는 다수개의 벡터 형성기(34b)로 구성된다.

이와 같이 구성된 빔형성 가중치 벡터 추정기(34)의 상기 심벌 패턴 발생기(32a)에서 발생된 신호는 추정된 다중경로 신호별 지연 시간만큼 순환 쉬프트 레지스터부(32b)를 통하여 순환 이동되고, 상기 순환 이동된 신호는 각 안테나 별로 사이클릭 프리픽스가 제거된 입력 신호들과의 가중합을 구한다.

여기서, 얻어진 값은 벡터 형성기를 통하여 다중경로 신호별 사전 빔 형성 가중치 벡터를 구한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 적응 등화기의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 다수개의 안테나를 통해 들어온 신호는 블록 단위로 처리되고, 안테나 배열을 통해서 입사된 신호는 동기부(10a, 10b)를 통하여 동기가 이루어진다.

그리고 이를 통해 샘플링된 입력 신호를 얻게 된다.

이어 도 7 과 같이 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력된 신호를 사이클릭 쉬프트(shift) 시키면서 도 6에서 보듯이 각 안테나의 복소 순환 정합 여파 상관기(32)를 통하여 사이클릭 프리픽스가 제거된 입력 신호 블록과의 상관값을 측정한다.

이와 같이 각각의 출력된 값은 신호 결합기(33)를 통하여 도 8 (a)와 같이 신호 전력 결합기(33a)에 의해 전력 결합을 하거나, 도 8 (b)와 같이 신호 진폭 결합기(33b)에 의해 진폭 결합을 한다.

상기 신호 결합기(33)를 통해 결합된 신호는 다중경로 지연 시간 추정기(35)를 통하여 특정 임계 상관값 이상인 곳에서, 기준 신호열의 순환 이동된 정도로부터 다중경로 신호의 지연 시간을 추정하게 된다.

이를 이용하여 입력 신호와 순환 이용된 기준 신호열과의 곱을 하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정한다.

이어 상기 정보로부터 각각의 다중경로 신호들을 위한 독립적인 빔을 형성하기 위하여, 도 5 와 같이 빔 형성 뱅크를 통하여 빔 형성 가중치 벡터와 안테나 배열에 입사된 동일 경로별 성분을 결합한다.

그리고, 지연 시간 보상기(40)를 통해 추정된 다중경로 신호별 지연 시간만큼 보상을 시켜준 후, 적응형 등화부(50a, 50b)의 입력으로 들어가게 된다.

상기 적응형 등화부(50a,50b)의 입력 신호는 도 2, 4에서 보듯이 FFT부(51)를 통하여 주파수 영역의 신호로 변환된다.

상기 변환된 신호는 각각의 주파수 성분별로 적응 알고리즘을 통하여 원하는 MSE(Mean Square Error)로 수렵시켜 나간다.

즉, 초기 학습 또는 훈련 구간 동안에는 알고 있는 기준 신호와의 MSE가 작아지는 방향으로 상기 적응형 등화부(50a, 50b)를 적응시켜 나간다.

그리고, 학습 또는 훈련기간이 지난 이후에는 상기 출력된 신호를 판단(decision)하여 상기 신호를 기준 신호로 삼고 상기 적응형 등화부(50a, 50b)를 계속 적응시켜 나간다.

제 1 실시예

도 1, 2 는 사이클릭 프리픽스 프레임 구조를 사용하는 단일 반송파 전송방식의 전체 시스템 구성도를 나타낸다.

다중경로 및 동일 채널 간섭 환경에서 안테나 배열을 통하여 입사된 신호는 동기부(10a)를 통해 프레임 동기, 타이밍 동기, 주파수 동기등을 수행하고, 각 안테나 별로 샘플링과 A/D 변환기를 통하여 입력 신호를 얻는다.

샘플링된 입력 신호는 도 5, 6에서 보듯이 앞단에서 사이클릭 프리픽스 제거기(21)(31)를 통해 사이클릭 프리픽스가 제거되고 신호 처리 과정을 거치게 된다.

임의의 a 번째 안테나를 통해 샘플링된 입력 신호 벡터와 사이클릭 프리픽스가 제거된 신호 벡터는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

, a = 1,, A

상기 수학식 1에서 m은 m 번째 전송된 블록을 나타내며, N 은 한 블록의 크기를 나타낸다.

그리고 우선적으로 다중경로 신호별 지연 시간을 추정하게 되는데, 도 7 과 같은 방법으로 다중 경로의 지연 시간을 추정한다.

도 7을 보면 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력된 기준 PN 코드 신호열의 공액복소를 취한 출력 값을 순환 이동 레지스터부(32b)를 통하여 순환 이동시키면서 샘플링된 입력신호와의 교차 상관을 얻어내는 복소 순환 정합 여파 상관기(32)를 나타낸다.

상기 복소 순환 정합 여파 상관기(32)의 교차 상관 출력 값은 도 6에서 보듯이 신호 결합기(33)를 통하여 결합되며, 다음 수학식 2와 같이 표현된다.

그리고 상기 신호 결합기(33)는 도 8 (a)와 같이 신호 전력 결합기(33a)에 의해 전력 결합을 하거나, 또는 도 8 (b)와 같이 신호 진폭 결합기(33b)에 의해 진폭 결합을 한다.

,

상기 수학식 2에서 d 는 기준이 되는 PN 코드 신호를 나타내며, * 는 공액복소를 뜻한다.

다중경로 신호의 지연 시간은 상관 값 R(τ)가 특정 임계값을 초과할 때, 상기 순환 이동 레지스터부(32b)의 순환 이동 정도를 선택함으로써, 다중경로 신호의 지연 시간들을 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

,

상기 수학식 3의 L 은 선택된 다중경로의 수이고은번째 분기를 뜻한다.

그리고 상기개수에 따라 다음 적응형 등화부(50a)의 분기 개수가 결정된다.

이어 상기 추정된 다중경로 신호별 지연 시간을 사용하여, 빔 형성을 위한 다중경로 신호별 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정한다.

도 9에서 보듯이, 심벌 패턴 발생부(32a)를 통하여 기준 PN 코드 신호열의 공액복소를 취한 신호가 발생되고, 각 다중경로 신호별 빔 형성 가중치 벡터부(34a)의 순환 쉬프트 레지스터부(32b)로 읽혀진다.

번째 분기의 순환 쉬프트 레지스터부(32b)는 다중경로 신호의 시지연만큼 순환 이동시켜 출력하고 각 안테나에서 샘플링된 입력 신호와의 가중합을 취한다.

이와 같이 얻어진 가중치 값들은 벡터 형성기(34b)를 통해 사전 빔 형성 가중치 벡터를 생성한다.

추정된 사전 빔 형성 가중치 벡터는 수학식 4와 같이 표현된다.

상기 수학식 4에서,은번째 다중경로 신호를 위한 사전 빔 형성 가중치 벡터를 나타내며, 입력 신호에 맞게 정규화 된다.

이와 같이 결정된 빔 형성 가중치 벡터을 이용하여 도 5에서 보듯이 안테나 배열에 입사된 동일 경로별 신호 성분을 결합한다.

그리고 사전 빔 형성에 의해서 가중합된 신호는 수학식 5와 같이 표현된다.

상기 H는 공액 트랜스포스(conjugate transpose)를 나타낸다.

상기 수학식 5를 통해 가중합된 출력 신호는 적응형 등화부(50a)로 들어가기 전에 각 분기마다 지연 시간을 추정된만큼 반대로 순환 이동시킴으로써 지연 시간을 보상해주고, 상기 적응형 등화부(50a)의 입력으로 들어간다.

따라서 상기 적응형 등화부(50a)의 최종입력은 수학식 6 과 같다.

도 1, 2를 보면 사전 빔 형성을 통해 나온 신호는 각 분기별로 제 1 FFT부(51)를 통하여 주파수 영역으로 변환하고, 각각의 주파수 성분별로, 적응 알고리즘을 통하여 각 분기의 신호를 다음 수학식 7과 같이 최대비 결합(Maximal Ratio Combining : MRC)을 하게된다.

임의의 m 번째 수신된 블록은 주파수 영역 적응 등화기부(57)의 각 독립된 주파수 성분별로 적응 알고리즘을 통하여 얻은 등화기 가중치 벡터와 가중합을 취한다.

따라서 n 번째 주파수 성분의 가중합 출력은 다음 수학식 8과 같다.

상기 H는 공액 트랜스포즈(conjugate transpose)를 나타낸다.

그리고 IFFT부(52)를 통하여 다시 시영역의 신호로 변환된다.

따라서 최종 적응형 등화부(50a) 출력은 상기을 판단(decision)부(60)를 통하여 판정치로 얻는다.

그리고 상기 적응형 등화부(50a)로 들어온 신호는 적응 알고리즘에 의해서, 학습 또는 훈련 구간동안 기준이 되는 PN 코드 신호열과 등화기 출련신호의 MSE가 최소가 되도록 등화기의 가중치를 각각의 주파수 성분별로 적응 시켜나간다.

그리고 학습 또는 훈련 구간 이후에는 상기 판정치을 기준 신호로 대치하여 계속 적응 알고리즘을 구현해나간다.

상기 적응 알고리즘으로는 주파수 성분별 전력 정규화된 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘을 사용한다.

그리고 출력 오차는 다음 수학식 10으로 표현되며, 이것은 주파수 영역에서사용하기 위해 제 2 FFT부(53)를 통해 주파수 영역으로 변환된다.

e(m) = d(m) - y(m)

E(m) =

그리고 다음 수학식 11은 NLMS(Normalized Least Mean Square)에 의한 등화기 가중치 갱신식이다.

상기 수학식 11에서 α는 적응 상수이며,은 등화기 n 번째 주파수 성분들의 m 번째 갱신된 평균 입력 전력을 나타낸다. 그리고 ||·||은 벡터 2-놈(norm) 연산자를 나타내며, λ는 퍼겟팅 팩터(forgetting factor)를 나타낸다.

이와 같이 NLMS 알고리즘은 등화기 가중치를 갱신시킬 값을 각 주파수 성분별로 추정된 입력 평균 전력으로 정규화 시켜준다.

그리고 상기 λ을 사용해서 등화기 입력 평균 전력을 순환적으로 구하게 되는데, 상기 수학식 11과 같은 방법은 입력 신호의 전력 변화 폭이 심할 때 더 유용하다.

제 2 실시예

도 3, 4 는 사이클릭 프리픽스를 갖는 OFDM 전송방식을 채택하는 광대역 무선 통신 시스템을 위한 스마트 안테나 시스템의 구성도이다.

상기 도 3, 4에서 보인 시스템의 동작은 상기 제 1 실시예와 거의 같다.

단지 OFDM 신호는 정보를 여러 개의 부반송파를 통해 전송하는 방식이며, 변조 방식으로는 주파수 영역에서 균일한 진폭을 갖는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature PSK), M진 PSK(M-ary PSK)의 변조 방식을 사용한다.

변조 신호는 IDFT(Inverse Discrecte Fourier Transform)를 통해 시영역으로 변환되고, 사이클릭 프리픽스를 첨가하여 전송하게 된다.

그리고 다중경로 신호들의 지연 시간 추정은 사이클릭 프리픽스를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호의 자기상관 특성을 이용하여 찾아낸다.

도 7 과 같이 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력되는 신호는 기준이 되는 신호D를 IDFT를 통해 변환하고, 공액복소를 취한 값이다.

따라서 상기 심벌 패턴 발생부(32a)에서 출력된 신호를 순환 쉬프트 레지스터부(32a)를 통해 순환 이동시키면서 샘플링된 입력 신호와의 교차 상관을 얻어는 복소 순환 정합 여파 상관기 장치이며, 상기 수학식 2와 같이 표현된다.

그리고 다음 수학식 12와 같이 자기 상관 함수를 정의한다면, 시영역에서의 자기 상관 특성이 수학식 13과 같은 특성을 갖는 것을 이용한 것이다.

상기 수학식 13에 있어서 변조 방식으로는 주파수 영역에서 균일한 진폭을 갖는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature PSK), M진 PSK(M-ary PSK)의 변조 방식을 사용함으로인 값을 취하게 된다.

그리고, 도 3, 4와 같은 OFDM 전송 방식에서는 주파수 영역 적응 등화부(57)에서 적응 처리된 신호의 출력Y(m)가 원하는 출력이며, 판단(decision)부(60)를 통하여 판정치을 얻는다.

이와 같이 출력된 각각의 신호는 벡터생성기(55)를 거쳐 순차적인 데이터 출력값을 얻는다.

따라서, 상기 수학식 10 과 같이 오차를 구하는 식은 수학식 14와 같이 표현된다.

E(m) = D(m) - Y(m)

E(m) =

그리고 NLMS(Normalized Least Mean Square)에 의한 등화기 가중치 갱신식은 상기 제 1 실시예에서 표현된 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

그리고 상기 λ을 사용해서 등화기 입력 평균 전력을 순환적으로 구하게 되며, 상기 수학식 11과 같은 방법은 입력 신호의 전력 변화 폭이 심할 때 더 유용하다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 안테나 배열을 사용한 주파수 영역의 적응 등화기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 동일 채널 간섭 신호(CCI)가 존재하는 환경하에서 안테나 배열을 통하여 입사된 각각의 다중경로 신호들에 대하여 사전 빔 형성을 수행하고 지연 시간 보상을 함으로써, 주파수 영역의 적응 등화기를 통하여 원하는 신호를 보다 효율적으로 추출해 낼 수 있다.

둘째, 다중경로 신호의 입사 방향 추정 및 적응 알고리즘 구현에 간단하고 복잡도가 작아서 실시간 구현에 효과적이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기제된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

다수개의 안테나 배열을 통해 수신된 신호를 이용하여 동기를 수행하는 동기부와,

상기 동기부에서 출력된 신호는 훈련 또는 학습 구간 동안 파일럿 신호가 갖는 특성을 이용하여 다중경로에 대한 지연 시간을 추정하고, 상기 추정된 다중 경로별 신호의 지연 시간 정보를 이용하여 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 추정부와,

상기 추정부에서 출력된 사전 빔형성 가중치 벡터를 상기 동기부에서 출력된 신호에 적용하여 동일 경로별 신호 성분을 결합하기 위해 다중경로 신호별로 독립 빔을 형성하는 사전 빔형성부와,

상기 추정된 지연 시간만큼 상기 사전 빔형성부를 통해 출력된 다중경로별 신호의 지연된 시간을 보상하여 각 다중경로 신호들의 수신된 시간을 일치시키는 지연 시간 보상부와,

상기 지연 시간 보상부에서 출력된 시간 동기가 맞춰진 각 경로 별 사전 결합된 신호들은 주파수 영역으로 변환하고 각 경로 별 신호의 동일 주파수 성분 별로 등화 결합 시켜주는 적응형 등화부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

사이클릭 프리픽스를 갖는 단일 캐리어 전송방식에서의 상기 적응형 등화부는 상기 지연 시간 보상부에서 시간동기가 맞춰진 각 경로 별 사전 결합된 신호들을 주파수 영역 신호로 변환하는 제 1 FFT부와,

상기 제 1 FFT부에서 각 경로 별로 주파수 영역으로 변환된 신호의 동일 주파수 성분 별로 등화 결합 시켜주는 등화기부와,

상기 등화기부에서 등화 결합된 다수개의 출력 신호를 시영역 신호로 변환하는 IFFT부와,

상기 IFFT부에서 출력된 시영역 신호와 훈련신호 또는 상기 출력된 시영역 신호를 판정한 신호를 이용하여 차신호를 구하는 차분기와,

상기 차분기에서 출력된 차신호를 주파수 영역 신호로 변환하는 제 2 FFT부와,

상기 제 2 FFT부와 제 1 FFT부에서 출력된 각각의 주파수 영역 신호를 이용하여 주파수 영역에서 적응 빔을 형성하는 가중치 갱신부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

OFDM 전송방식에서의 상기 적응형 등화부는 상기 지연 시간 보상부에서 시간동기가 맞춰진 각 경로 별 사전 결합된 신호들을 주파수 영역 신호로 변환하는 FFT부와,

상기 FFT부에서 각 경로 별로 주파수 영역으로 변환된 신호의 동일 주파수성분 별로 등화 결합 시켜주는 등화기부와,

상기 등화기부에서 등화 결합된 다수개의 출력 신호를 하나의 벡터로 묶어주는 벡터생성기와,

상기 벡터생성기에서 출력된 신호와 훈련신호 또는 상기 출력된 시영역 신호를 판정한 신호를 이용하여 차신호를 구하는 차분기와,

상기 차분기에서 출력된 차신호와 FFT부에서 출력된 각각의 주파수 영역 신호를 이용하여 주파수 영역에서 적응 빔을 형성하는 가중치 갱신부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 추정부는 상기 동기부에서 출력된 다수개의 샘플 신호에서 프리픽스를 제거하는 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기와,

상기 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기에서 출력된 각각의 신호를 기준 신호와의 교차상관을 구하는 다수개의 복소 순환 정합 여파 상관기와,

상기 복소 순환 정합 여파 상관기에서 출력된 신호를 하나의 신호로 결합하는 신호 결합기와,

상기 신호 결합기에서 출력된 신호의 값을 이용하여 각각의 다중경로 신호에 대한 지연 시간을 추정하는 지연시간 추정기와,

상기 지연시간 추정기에서 추정된 지연시간 정보를 이용하여 상기 사이클릭 프리픽스에서 출력된 신호로부터 사전 빔 형성 가중치 벡터를 추정하는 빔형성 가중치 벡터 추정기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 사전 빔 형성부는 상기 동기부에서 출력된 다수개의 샘플 신호에서 사이클릭 프리픽스를 제거하는 다수개의 사이클릭 프리픽스 제거기와,

상기 추정부에서 출력된 사전 빔형성 가중치 벡터를 상기 사이클릭 프리픽스 제거기에서 출력된 신호에 적용하여 동일 경로별 신호 성분을 결합하기 위해 다중경로 신호 별로 독립 빔을 형성하는 다수개의 빔 형성기와,

상기 다수개의 빔 형성기에서 출력되는 각 신호를 병렬로 변환하는 다수개의 직/병렬 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 복소 순환 정합 여파 상관기는 기준 신호를 출력하는 심벌 패턴 발생부와,

상기 심벌 패턴 발생부에서 출력된 다수의 신호를 순환 이동시키면서 출력하는 순환 쉬프트 레지스터부와,

상기 순환 쉬프트 레지스터부를 통해 순환 이동되면서 출력된 기준 신호와 블록 데이터 버퍼에 저장된 상기 사이클릭 프리픽스 제거기를 통해 출력된 한 블록 데이터 신호의 교차 상관을 구하는 교차 상관부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 신호 결합기는 지연 시간 추정기 입력신호로 사용하기 위해, 상기 다수의 복소 순환 여파 상관기의 출력을 전력 또는 진폭 결합하는 신호 전력 결합기 또는 신호 진폭 결합기 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 스마트 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 빔 형성 가중치 벡터 추정기는 기준 신호를 출력하는 심벌 패턴 발생부와,

상기 심벌 패턴 발생부에서 출력된 신호를 상기 지연 시간 추정기에서 추정된 다중경로 신호별 지연 시간만큼 순환 이동 시켜서 출력하는 순환 쉬프트 레지스터부와,

상기 순환 쉬프트 레지스터부의 출력신호를 각 안테나 요소 별로 상기 사이클릭 프리픽스 제거기를 통해 사이클릭 프리픽스가 제거된 입력 신호들과의 가중합을 구하여 다중경로 신호별 사전 빔형성 가중치를 구하는 다수개의 빔형성 가중치 생성기와,

상기 다수개의 빔형성 가중치 생성기의 출력 신호를 하나의 벡터로 묶어주는 빔형성 가중치 벡터 발생부와,

다중경로 별 신호의 사전 빔형성 가중치를 구하기 위한 다수개의 상기 빔형성 가중치 생성기와 빔형성 가중치 벡터 발생부를 포함하는 빔형성 가중치 발생부의 뱅크 구조가 다수개 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 적응형 등화부에서 출력된 다수개의 시영역 신호를 보상하는 판정부를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 스마트 안테나 시스템.