KR100358427B1 - 씨디엠에이 적응배열안테나 시스템을 위한 효율적 구조의 복조기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CDMA 적응배열안테나 이동통신 시스템을 위한 효율적 구조의 복조기에 관한 것이다. 현존하는 CDMA 이동통신 시스템은 일반적으로 시간 영역에서의 정보만을 RAKE 수신기에 의하여 결합하여 사용하기 때문에 공간영역에 존재하는 정보를 활용할 수 없어 유효 범위 (coverage)와 시스템 용량 (system capacity), 그리고 고속 데이터의 전송에 문제점을 안고 있다. 이러한 문제점들의 가장 강력한 해결책으로 배열안테나의 사용이 대두되고 있으나 구현상 여러 가지의 어려움이 따른다. 본 발명에서는 이러한 구현상의 난점을 현존하는 시스템의 구성을 최대한 유지하는 한에서 실현 가능하도록 복조기를 구성하였다. 본 발명에서 제안된 복조기들은 각기 (1) 복조기의 구현 복잡도를 최소화하거나, (2) 빔 형성에 의한 성능 향상을 최대로 하거나, 또는 (3) 구현 복잡도를 가능한 낮게 유지하며 성능 향상은 높게 하려는 세 가지의 대표적인 구조로 구성되어 있다.

Description

씨디엠에이 적응배열안테나 시스템을 위한 효율적 구조의 복조기{Hardware-Efficient Demodulator for CDMA Adaptive Antenna Array Systems}
본 발명은 CDMA 적응배열안테나 이동통신 시스템을 위한 효율적 구조의 복조기에 관한 것이다.
CDMA 시스템은 코드 열(code sequence)을 사용하기 때문에 TDMA 시스템에서와는 달리 적응배열안테나를 시스템에 적용하기위한 별도의 기준 신호(reference signal)를 필요로 하지 않게 되어 기본적으로 배열 안테나의 사용에 적합하다.
TDMA 시스템에서는 간섭 신호(interference signal)들의 수가 적고 각 간섭 신호의 전력 양이 크기 때문에 MUSIC과 같은 공간 기준 신호를 사용하는 알고리즘을 주로 사용하여 왔으나, CDMA 시스템의 경우에는 시스템 내에 간섭 전력 양이 적은 다수의 간섭 신호가 존재하기 때문에 배열 안테나 소자의 수에 의하여 간섭 신호의 제거 성능 (nulling performance)에 제한을 받는 MUSIC과 같은 종류의 알고리즘은 사용할 수 없다.
따라서, CDMA 시스템에서는 그 코드 열(code sequence)을 기준 신호로 하는 알고리즘의 적용을 주로 고려하여 왔으나, 구현 시 현존하는 CDMA 시스템의 장점을 그대로 유지하며 하드웨어를 최소화하고 성능 향상을 최대화 하려는 노력은 별도로 이루어지지 않고 있다. 이 밖에 별도의 기준 신호를 필요로 하지 않으며 입사 방향(Direction Of Arrival ; DOA)의 예측 없이 직접 빔 형성 계수 (beam forming weight vector)를 계산해내는 블라인드(blind) 알고리즘의 경우에는 수렴성(convergence)의 문제점을 가지고 있는 경우가 많다.
이와 같이, 적응배열안테나를 사용하지 않는 CDMA 시스템에서는 일반적으로 시간 영역에서의 정보만을 RAKE 수신기에 의하여 결합하여 사용하는 반면, 배열안테나를 사용하는 경우에는 시간 영역에서의 정보만이 아니라 공간 영역에서의 정보도 동시에 활용 가능하게 되어 이들 정보를 이용하는 효율적 구조의 복조기를 필요로 하게 된다.
본 발명에서는, (1) 복조기의 구현 복잡도를 최소화하거나, (2) 빔 형성에 의한 성능 향상을 최대로 하거나, 또는 (3) 구현 복잡도를 가능한 낮게 유지하며 성능 향상은 높게 하려는 세 가지의 대표적인 구조의 복조기를 제안하고자 한다.
첫 번째의 복조기의 구현 복잡도를 최소화하는 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 채택한 복조기는, 전형적인 RAKE 수신기에서와 같은 수의 핑거(finger) 만을 가지며, 선택 다이버시티 (selection diversity) 수의 배수 만큼의 탐색기(searcher)를 별도로 필요로 한다.
두 번째의 빔 형성에 의한 성능 향상을 최대로 하는 심볼-레벨(symbol-level) 빔 형성을 채택한 복조기는, 상기 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 확연히 증가된 핑거(finger) 수에 의한 전체적인 하드웨어의 복잡도가 증가하는 단점이 있으나, 빔 형성 계수가 역 확산된 심볼(symbol-level)의 트래픽 등의 신호에 곱하여지는 이유로 하여 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 유한어장효과(finite word-length effects)의 영향을 적게 받는 등의 장점이 있다. 또한, 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 채택한 복조기에서의 선택 다이버시티에 의한 탐색기(Searcher) 뱅크를 위한 빔 형성 대신, 각기 안테나 소자 수 만큼의 탐색기(searcher)를 이용하여 신뢰성있는 초기동기 및 다중경로탐색에 관한 시간정보를 계산한다.
상기의 구조들을 절충한 복조기 구조를 갖는 세 번째 복조기의 경우에는 심볼-레벨 탐색기(symbol-level searcher) 빔 형성을 갖는 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 수행하여, 구현 복잡도를 가능한 낮게 유지하는 동시에 가능한 성능 향상은 최대로 한다. 심볼-레벨(symbol-level) 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 전체적인 하드웨어의 복잡도가 감소하는 동시에, 선택 다이버시티에 의한 탐색기 빔 형성 대신 빔 형성 알고리즘을 사용한 신뢰성 있는 초기동기와 다중경로탐색에 관한 시간정보를 생성하여 성능 향상을 최대화 한다.
본 발명에 의한 효율적 구조의 복조기를 기지국에 채택한 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템은 배열안테나를 사용하지 않는 CDMA 시스템에 비하여 적절한 양의 기지국 복잡도 증가 만으로 상당한 양의 유효 범위와 시스템 용량의 증가 효과와 아울러 고속 데이터 서비스 등을 제공할 수 있는 능력을 갖는다.
도 1은 CDMA 적응배열안테나 시스템에서 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 한 실시 예.
도 2는 CDMA 적응배열안테나 시스템에서 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 한 실시 예.
도 3은 CDMA 적응배열안테나 시스템에서 심볼-레벨 탐색기 빔 형성을 갖는 칩-레벨 빔 형성 복조기의 한 실시 예.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
104,110,213,307 : 복소 곱셈기 106,202,302 : 탐색기 뱅크
112,209,309 : 상관기 뱅크 102,204,304 : 빔 형성 계산기
109,206,306 : 핑거 뱅크 117,215,314 : 다중경로 결합기
본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 셀은 한 개의 기지국과 다수의 이동국으로 구성되며, 이와 같은 셀들이 여러 개 모여 전체 이동통신망의 무선부를 구성한다.
본 발명에서의 기지국은 배열안테나를 가지고 있으며, 이는 수신과 송신의 모든 경우에 적용될 수 있다. 각 셀들은 또 다시 2개나 그 이상의 섹터로 구분될수 있으며, 이 때 송수신 배열안테나는 각 섹터 별로 존재한다. 배열안테나는 그 응용 분야에 따라 선형, 원형, 평면형 또는 그 밖의 형태를 취할 수 있고, M (2 이상) 개의 배열안테나 소자를 대략 반 파장 정도 거리에 위치시켜 구성한다. RF 신호는 적절한 IF 대의 신호로 주파수 하향 변환되고, 이는 다시 기저대역의 아날로그 신호로 주파수 하향 변환된다. 이러한 기저대역 아날로그 신호는 ADC에 의하여 표본화와 양자화되어 디지털 기저대역 신호 r1(k), r2(k), ∼ , rM(k) 로 변환된다. 여기서의 k는 이산 신호의 시간 지수이며, 디지털 기저대역 신호는 각기 동위상(in-phase)(I) 성분과 직교(quadrature)(Q) 성분으로 구성될 수 있다.
첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에서 칩-레벨(chip-level) 빔 형성을 채택한 복조기의 한 실시 예를 나타내며, 빔 형성 계수(103과 115)가 확산되어 있는 칩-레벨(chip-level)의 입력 신호(101)에 곱하여짐을 알 수 있다. 셀 내의 이동국이 송신한 신호는 M개의 배열안테나 소자를 가진 기지국 배열안테나에 수신되어 기저대역 신호로 주파수 하향 변환된 후 표본화와 양자화된 디지털 기저대역 신호 r1(k), r2(k), ~ , rM(k) (101)로 되어 칩-레벨(chip-level) 빔 형성 복조기의 입력 신호가 된다.
일반적으로 입력 신호(101)는 이동국 송신기에서의 코드 율보다 자연수 만큼 과도 샘플링(oversampling) 되어, 다중경로탐색(multipath search)과 다중경로추적(multipath tracking)에 사용된다. 해당 셀 내 활성화된(active) 이동국의 총 수를 U라 할 때, 기지국 채널 카드의 수는 핸드 오프(handoff) 등을 고려하면 적어도 U 보다는 커야 하고, 도 1에서는 그 중 i 번째 이동국이 송신한 신호를 복조하는 채널 카드에 존재하는 칩-레벨(chip-level) 빔 형성 복조기의 한 실시 예에 관하여 도시한다.
도 1에서는 데이터 경로에 관하여만 도시하였으나, 구현 시에는 마이크로 콘트롤러나 DSP (Digital Signal Processor)를 사용하여 별도의 제어 경로를 구성할 수 있다.
(M X 1) 디지털 기저대역 신호(101)는, 빔 형성 계수를 계산하는 빔 형성 계산기(BF ; Beamformer)(102)와, 이러한 빔 형성 계산기(102)에 생성된 지역 코드 열(local code sequence)과의 상관(correlation) 값을 제공하는 (M X L) 상관기 뱅크(112), 그리고 다중경로탐색을 수행하는 (P X S) 탐색기(Searcher) 뱅크(106)를 위한 빔 형성용 곱셈기(104)와, 다중경로추적을 수행하는 (1 X L) 핑거(Finger) 뱅크(109) 내의 빔 형성용 곱셈기(110)의 입력 신호가 된다.
도 1의 복조기는 (M x 1) 디지탈 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)(101)를 입력받아 지역 코드 열(local code sequence)과의 상관(correlation) 값을 계산하는 (M x L) 상관기 뱅크(112)와, 상기 (M x 1) 디지탈 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)(101)를 입력받아 상기 상관기 뱅크(112)의 상관 값에 의거하여 빔 형성계수를 계산하는 빔 형성 계산기(102)와, 상기 (M x 1) 디지탈 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)(101)를 입력받아 상기 빔 형성 계산기(102)의 빔형성계수(115)를 각 신호별로 곱한 후 합산하는 핑거를 위한 빔 형성용 곱셈기(110)와, 상기 (M x 1) 디지탈 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)(101)를 입력받아 상기 빔 형성 계산기(102)의 빔 형성계수(103)를 각 신호별로 곱한 후 합산하는 탐색기를 위한 빔 형성용 곱셈기(104)와, 그 빔 형성용 곱셈기(104)의 출력신호(105)를 입력받아 다중경로 탐색을 수행하는 (P x S) 탐색기 뱅크(106)와, 핑거를 위한 상기 빔 형성용 곱셈기(110)의 출력신호를 입력받아 상기 탐색기 뱅크(106)의 출력신호(108)에 의거하여 다중경로 추적을 수행하여 그 다중경로 추적신호를 상기 상관기 뱅크(112)에 공급하는 핑거뱅크(109)와, 그 핑거 뱅크의 다중경로 추적 결과신호를 입력받아 다중경로 결합을 하여 디코더측으로 출력하는 다중경로 결합기(117)로 구성된다.
도 1의 구조와 같은 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 경우, 빔 형성 계산기(102)는 수신 입력신호(101)와 P 탐색기 뱅크(106)로부터의 입력 데이터(107), 그리고 M 상관기 뱅크(112)로부터의 입력 데이터(114)를 이용하여, P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성 계수(103)와 핑거 뱅크(109)를 위한 빔 형성 계수(115)를 생성하고, 이를 상기 P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성용 곱셈기(104)와 핑거(111)를 위한 빔 형성용 곱셈기(110)에 제공한다.
셀 내 한 개의 섹터를 2개 이상의 부 섹터(subsector)로 구분하고 그 부 섹터의 수를 S라 하면, P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성 계수(103)의 차원은 (M X S)가 되고, 핑거 뱅크(109)를 위한 빔 형성 계수(115)의 차원은 (M X L)로 된다. 일반적으로, P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성 계수(103)는 다중경로탐색 정보를기초로 하여 계산되며, 핑거 뱅크(109)를 위한 빔 형성 계수(115)는 보다 정밀한 다중경로추적 정보를 기초로 하여 계산된다.
상기 빔 형성 계수(103과 115)는 모든 코드 열 마다 계산될 필요는 없으며, 채널의 시공 변동률을 고려하여 갱신될 수 있다. 이러한 경우, 여러 개의 입력 데이터에 동일한 빔 형성 계수가 곱하여 진다.
도 1의 구조에서 P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성은 선택 다이버시티(selection diversity)에 의하여 이루어지며, 여기서 선택 다이버시티란 셀 내 한 섹터 내 각 부 섹터에 해당되는 빔 형성 계수들을 빔 형성 계산기(102) 내에 미리 저장하고, 필요에 따라 그 중 한 (M X 1) 집합의 빔 형성 계수를 선택하여 사용하는 방법을 말한다.
따라서, 배열안테나를 적용치 않는 일반적인 CDMA 시스템에서 주어진 시간 내에 만족할 만한 해상도로 초기동기(initial acquisition)와 다중경로탐색을 마치기 위하여 필요한 탐색기의 수를 P라 하면, 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 경우 필요한 탐색기의 총 수는 P*S로 된다. S개의 P 탐색기 뱅크(106)는 초기동기모드와 다중경로탐색 모드 모두의 경우, S개의 (M X 1) 빔 형성 계수(103)를 빔 형성 계산기(102)로부터 제공 받은 후, 각 (M X 1) 빔 형성 계수에 대한 S집합의 지역 코드 열과의 상관결과(107)를 다시 빔 형성 계산기(102)나 도 1에는 도시되어 있지 않은 마이크로콘트롤러에 전달한다. 여기서, 미리 계산 가능한 S개의 (M X 1) 빔 형성 계수(103)는 셀의 종류나 셀이 구현되는 지형 또는 셀의 방향에 따라 그 값이 달라질 수 있어 운용 상의 유연성(flexibility)을 제공하기 위하여 빔 형성 계산기(102)가 그 값을 제공하도록 하였으나, 그 대신 빔 형성용 곱셈기(104) 내에 고정적인 하드웨어로 구현될 수도 있다. 빔 형성 계산기(102) 또는 도 1에 도시되어 있지 않은 마이크로콘트롤러는 이 중 가장 큰 상관 값에 해당하는 부 섹터 지수(index : 107)를 찾아내고, P 탐색기 뱅크(106)로 입력되는 (1 X S) 신호(105) 중 이러한 부 섹터 지수와 관련된 신호와의 상관 값으로부터 초기동기나 다중경로탐색에 관한 시간정보를 찾아내어 이를 P 탐색기 뱅크(106)로 궤환(feedback) 시킨다. 이에따라 다시 P 탐색기 뱅크(106)는 이러한 시간정보(108)를 핑거 뱅크(109)에 제공한다.
이러한 선택 다이버시티 (selection diversity) 형태의 탐색기를 위한 빔 형성은 상기와는 달리 빔 형성 계산기(102)로부터 전달받은 각 부 섹터 별 빔 형성 계수(103)를 이용하여 S개의 P 탐색기 뱅크(106)로 부터의 모든 상관값 중 설정된 임계치를 넘는 상관값에 해당하는 시간정보를 부 섹터 지수를 결정하는 정보로 사용치 않고, 곧 바로 초기동기나 다중경로탐색과 관련된 시간정보로 설정하여, 초기동기의 경우에는 초기동기 정보로 활용하고 다중경로탐색 시간정보(108)의 경우에는 이를 핑거 뱅크(109)에 제공하도록 구성될 수도 있다.
다중경로추적을 위한 핑거(111)용 빔 형성계수(115)는, 보다 정밀한 (1 X L) 다중경로추적 시간정보(113)에 기인한 L개의 M 상관기 뱅크(112)로부터의 (M X L) 상관 값(114)을 이용하여 계산된다. 즉, P 탐색기 뱅크(106)가 초기동기 모드에 있는 경우에 빔 형성 계산기(102)는 P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성계수(103)만을 생성하면 되나, P 탐색기 뱅크(106)가 다중경로탐색 모드에 있는 경우에는 P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성계수(103) 뿐만 아니라 핑거 뱅크(109)를 위한 빔 형성계수(115)의 생성과 관련된 일도 주관하여야 한다. M 상관기 뱅크(112)로부터 빔 형성 계산기(102)에 입력되는 상관 값(114)은 일반적으로 여러 코드 칩 구간 동안의 누적된 계산결과에 의하므로, 그 데이터 율(data rate)은 송신 이동국의 코드 율에 비하여 1/(누적 칩 수) 로 된다.
빔 형성 계산기(102)에 사용될 수 있는 빔 형성 알고리즘으로는 MUSIC, ESPRIT 등의 공간 기준 빔 형성(Spatial Reference Beamforming) 방법과 DSMI (Direct Simple Matrix Inversion), LMS, RLS, Conjugate Gradient 등의 시간 기준 빔 형성 (Temporal Reference Beamforming) 방법, 그리고 신호의 원천적인 성질을 이용하는 CMA (Constant Modulus Algorithm), Cyclostationary 알고리즘, FA(Finite Alphabet) 알고리즘 등의 Blind 빔 형성 방법 등이 있다. 이러한 방법 중에서도 CDMA 시스템에 이미 존재하는 코드 열을 별도의 기준 신호 없이 시간 기준 신호로 용이하게 사용할 수 있는 시간 기준 빔 형성 방법이 CDMA 시스템에 응용할 수 있는 하나의 적합한 빔 형성 방법으로 대두되고 있다.
P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성용 곱셈기(104)는 (M X S)의 복소 곱셈기 (Complex Multipliers)로 구성되며, 여기서 복소의 실수와 허수부는 각기 I와 Q에 해당되는 성분이다. 빔 형성용 곱셈기(104)에 입력되는 신호(101)는 일반적으로 송신 이동국의 코드 율보다 자연수 만큼 과도 샘플링된 신호로서 필요한 데이터 율로 데시메이션되어 각 블록으로 입력된다. 이러한 신호(101)를 (M X S)의 복소 곱셈기로 처리하는 경우에는 각 곱셈기의 속도에 관한 요구사항이 이동국에서의 코드 율과 같게 되어 고속의 곱셈기를 필요로 하게 된다.
선택 다이버시티를 위한 빔 형성 계산기(102)와의 입출력 신호(107)와 관련된 사항을 제외하고 P 탐색기 뱅크(106)는 배열안테나를 채용하지 않은 일반적인 CDMA 시스템에서의 탐색기 뱅크와 유사하게 동작하며, 다중경로 탐색시간과 탐색해상도를 고려하여 탐색기의 수 P를 정한다. 선택 다이버시티의 결과에 근거하여 얻어진 다중경로탐색의 결과인 다중경로 시간정보(108)를 핑거 뱅크(109)로 전송하여 보다 정밀한 다중경로추적을 행하도록 한다. 다중경로탐색은 최대 우도 검파(Maximum Likelihood Detection)나 병렬 검파 (Parallel Detection), 또는 이 들을 적절히 혼합한 복합 검파 (Hybrid Detection) 등과 같은 방식 중 하나를 사용할 수 있다. 예측된 다중경로에서의 신호와 지역 코드 열과의 상관 값을 계산한 후, 그 값이 미리 설정된 임계치 보다 큰 경우에만 신뢰성 있는 다중경로 시간정보(108)로 인식된다.
핑거 뱅크(109)는 핑거 뱅크를 위한 빔 형성용 곱셈기(110)를 제외하고는 배열안테나를 채용하지 않은 일반적인 CDMA 시스템에서의 핑거 뱅크와 동일하게 동작하며, P 탐색기 뱅크(106)로부터 제공되는 각 다중경로 정보(108)에 대하여 보다 정밀한 다중경로추적을 행하여 추적된 다중경로의 시간 정보(113)를 M 상관기 뱅크(112)에 제공한다. 일반적으로, 핑거(111)는 P 탐색기 뱅크(106)에 의하여 할당된 L개의 다중경로에 관한 시간정보(108), 즉 송신 코드의 위상 정보를 전달 받은 후, DLL (Delay Locked Loop)이나 TDL (Tau-Dither Loop) 또는 이들의 변형된 구조를 사용하여 각 다중경로 별로 보다 세밀하게 송신 코드와의 위상을 일치시키기 위한 코드 추적을 수행한다. 이와 같이 정밀 추적된 코드 열은 송신된 코드 열로 간주되어 트래픽 등의 신호의 역 확산에 사용된다. (1 X L) 핑거(111)를 위한 빔 형성용 곱셈기(110)는 모두 (M X L)의 복소 곱셈기로 구성되며, P 탐색기 뱅크(106)를 위한 빔 형성용 곱셈기(104)의 경우와 마찬가지로 일반적으로 데시메이션되어 입력되는 신호를 처리하는 핑거(111)를 위한 빔 형성용 곱셈기(110)의 속도에 관한 요구사항은 이동국에서의 코드 율과 같게 되어 고속의 곱셈기를 필요로 한다. 이와 같이 형성된 (1 X L)의 역 확산된 트래픽 등의 신호는 각 다중경로를 대변하며, 이들 정보는 경로별 시간 정렬 과정을 거쳐 핑거 뱅크(109)의 출력신호(116)로 되어 이들을 시간 축상에서 결합하기 위한 다중경로 결합기(Multipath Combiner : 117)로 입력된다. 파일럿 신호를 각 이동국 별로 사용하는 코히어런트(coherent) 방식의 경우에는 각 경로 별 위상 보정이 핑거(111)에 의하여 수행된다. 각 경로 별 주파수 추적 또한 핑거(111)에 의하여 수행되어 측정된 주파수 오차 성분도 다음 단의 다중경로 결합기(117)로 전달된다.
M 상관기 뱅크(112)는 수신 입력신호(101)와 핑거 뱅크(109)로부터 제공되는 다중경로추적 시간정보(113)에 해당되는 지역 코드 열과의 상관 값을 빔 형성 계산기(102)에 전달하여 빔 형성 계산기(102)로 하여금 핑거 뱅크(109)를 위한 (M X L) 빔 형성 계수(115)를 생성하도록 한다. M 상관기 뱅크(112)의 존재는 핑거 뱅크(109)에서 계산된 각 종 상관 값을 별도로 저장치 않아도 되도록 해준다.
시간 영역에서의 정보를 결합하는 다중경로 결합기(117)는 이러한 (1 X L) 신호 (116)를 EGC (Equal Gain Combining)나 MGC (Maximum Gain Combining), 또는기타의 방법으로 결합하여 출력 zi(k)(118)를 생성하고, 이러한 출력(118)은 도 1의 후 단에 별도로 존재하는 복호기(Decoder)에 의하여 복호된 후, 슬라이서에 의하여 '0'이나 '1' 중의 한 가지 정보로 결정되어 출력된다. 또한, 다중경로 결합기(117)는 핑거(111)에 의하여 추출된 각 경로 별 주파수 오차 성분에 대하여도 시간 영역에서의 결합을 행하여 RF단에 위치한 VCTCXO의 제어신호로 사용한다.
도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기는 파일럿 신호를 각 이동국 별로 사용하는 코히어런트 방식의 송신 신호나 파일럿 신호를 사용치 않는 논코히어런트 (noncoherent) 방식 송신 신호의 모든 경우에 적용 가능하며, 코히어런트 방식의 경우에는 코드의 동기를 탐색하고 추적하기 위하여 (106)과 (111)에서 파일럿 신호를 사용하나, 논코히어런트 방식의 경우에는 이를 위하여 트래픽 신호를 사용하거나 별도로 마련된 프리앰블 신호를 사용한다. 이 경우에는 P 탐색기 뱅크(106)와 핑거(111)에서 상관 값을 계산하기 위한 데이터의 누산 구간이 각 방식 별로 서로 달라질 수 있다. Walsh 코드와 같은 직교 코드나 사용자 구분을 위한 별도의 코드를 사용하였을 경우에는 이에 관한 디커버링을 P 탐색기 뱅크(106)와 핑거(111)에서 추가로 수행한다.
도 2는 본 발명에 의한 다른 실시 예를 도시하고 있으며, 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에서 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 한 실시 예를 나타낸다. 도 1과는 달리 빔 형성 계수(211)가 역 확산된 심볼-레벨(symbol-level)의 트래픽 등의 신호(212)에 곱하여짐을 알 수 있다. 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 확연히 증가된 핑거 수에 의한 전체적인 하드웨어의 복잡도가 증가하는 단점이 있으나, 빔 형성 계수(211)가 역 확산된 심볼-레벨의 트래픽 등의 신호(212)에 곱하여지는 이유로 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 유한어장효과(finite word-length effects)의 영향을 적게 받는 등의 장점이 있다.
또한, 도 1에서의 선택 다이버시티에 의한 탐색기 뱅크(202)를 위한 빔 형성 대신, 도 2에서는 각기 M개의 탐색기를 이용하여 보다 신뢰성있는 초기동기 및 다중경로탐색에 관한 시간정보(205)를 계산한다.
도 2의 (201), (205), (208), (209), (210), (211), (214), (215), (216)은 도 1의 (101), (108), (113), (112), (114), (115), (116), (117), (118)과 유사한 기능을 갖으므로, 이들에 대한 별도의 기능 설명은 생략한다. 도 1과 마찬가지로 도 2에서도 데이터 경로에 관하여만 도시하였으나, 구현 시에는 마이크로 콘트롤러나 DSP를 사용하여 별도의 제어 경로를 구성할 수 있다.
빔 형성 계산기(204)는 M 탐색기 뱅크(202)로부터 지역 코드 열과의 상관 값(203)을 전달 받은 후, 빔 형성 알고리즘을 이용하여 이러한 상관 값에 대한 정보로부터 신뢰성있는 초기동기 및 다중경로탐색에 관한 시간정보를 계산해낸다. 이러한 시간정보(203)는 M 탐색기 뱅크(202)로 궤환되고, 이는 또 다시 M 핑거 뱅크(206)로 입력(205)되어 보다 정밀한 다중경로탐색을 위한 기초정보로 사용된다. M 핑거 뱅크(206)를 위한 빔 형성도 이와 유사하게 진행되나, 단지 다중경로추적 시간정보(208)에 기인한 빔 형성 계수(211)를 계산하는 과정이 빔 형성 계산기(204)의 역할에 추가된다. 즉, 빔 형성 계산기(204)는 M 핑거 뱅크(206)로부터 수신 입력신호와 추적된 코드 열과의 상관 값(207)을 전달 받은 후, 빔 형성 알고리즘을 이용하여 신뢰성있는 다중경로추적에 관한 시간정보를 계산해낸다. 이러한 시간정보(207)는 M 핑거 뱅크(206)로 궤환되고, 이는 다시 추적된 다중경로 시간에서의 상관 값을 계산하기 위하여 M 상관기 뱅크(209)로 입력(208)된다. 위의 과정은 도 2에는 도시되어 있지 않은 마이크로콘트롤러와의 역할 분담으로 수행될 수도 있다.
M 탐색기 뱅크(202)는 입력되는 (M X 1) 신호(201)의 각각에 대하여 일반적인 탐색기가 수행하는 것과 동일한 과정의 다중경로탐색을 수행한다. 따라서, 도 2에서 탐색기 빔 형성을 위하여 요구되는 하드웨어의 복잡도는 총 탐색기의 수인 M*P로 되는 반면, 도 1의 경우에는 P*S개의 탐색기와 이동국 코드 율의 속도로 동작하는 M*S개의 고속 복소 곱셈기로 된다.
따라서, 부 섹터의 수(S)가 배열안테나 소자의 수(M)와 동일한 경우에는, 도 1의 탐색기 빔 형성에 더 많은 하드웨어가 요구된다. 도 2에서는 M개의 탐색기를 이용함으로서 다중경로탐색의 자유도(degree of freedom)를 증가시킬 수 있다.
M 핑거 뱅크(206)는 입력되는 (M X 1) 신호(201)의 각각에 대하여 일반적인 핑거가 수행하는 것과 동일한 과정의 다중경로추적을 수행한다. 따라서, 요구되는 총 핑거의 수는 M*L로 되어 도 1에서 필요로 하는 핑거의 수인 L에 비하여 M배 만큼 하드웨어 복잡도가 증가한다. M개의 핑거를 이용함으로서 다중경로추적의 자유도를 증가시킬 수 있다. M 핑거 뱅크(206)로부터 출력되는 (M X L) 역 확산된 트래픽 등의 신호(212)는 빔 형성용 곱셈기(213)로 입력된다.
파일럿 채널을 제외하고 이동국에서 기지국으로 동시에 전송되는 채널의 수를 C라 할 때, (M X (C*L)) 복소 빔 형성용 곱셈기(213)의 기능은 도 1에서의 빔 형성용 곱셈기(104와 110)와 유사하나, 역 확산된 신호(212)에 대하여 빔 형성 계수(211)와의 곱셈을 행하기 때문에 곱셈기의 동작속도에 관한 요구조건이 도 1의 빔 형성용 곱셈기(104와 110)와는 달리 크게 완화되어 있다. 따라서, 고속 곱셈기를 시분할(time sharing)로 사용하거나, 또는 별도의 곱셈 용 ALU (Arithmetic Logic Unit)를 설치하여 하드웨어의 복잡도를 줄일 수 있다. 빔 형성용 곱셈기(213)의 출력(214)은 다중경로 결합기(215)로 입력된다.
도 2의 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기는 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기와 마찬가지로 파일럿 신호를 각 이동국 별로 사용하는 코히어런트 방식의 송신 신호나 파일럿 신호를 사용치 않는 논코히어런트 방식 송신 신호의 모든 경우에 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 도 1과 도 2가 절충된 복조기 구조를 갖는다. 도 3은 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에서 심볼-레벨 탐색기 빔 형성을 갖는 칩-레벨 빔 형성 복조기의 한 실시 예를 나타낸다. 탐색기 빔 형성은 도 2의 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 방법을 사용하나, 나머지 부분은 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 동작 원리와 같다. 즉, M 탐색기 뱅크(302)를 위한 빔 형성은 심볼-레벨에서, 핑거 뱅크(306)를 위한 빔 형성은 칩-레벨에서 수행된다.
도 2의 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기와 비교하여 전체적인 하드웨어의복잡도가 감소하는 동시에, 도 1의 선택 다이버시티에 의한 탐색기 빔 형성 대신 도 2에서와 같이 빔 형성 알고리즘을 사용한 보다 신뢰성있는 초기동기와 다중경로탐색에 관한 시간정보(305)를 생성한다. 즉, 도 3의 심볼-레벨 탐색기 빔 형성을 갖는 칩-레벨 빔 형성 복조기의 하드웨어 복잡도는 M*P개의 탐색기, L개의 핑거, 송신 이동국의 코드 율과 같은 속도로 동작하는 M*L개의 복소 곱셈기, M*L개의 상관기로서, 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기의 경우와 유사하다.
도 3의 (301), (306), (307), (308), (309), (310), (311), (312), (313), (314), (315)는 도 1의 (101), (109), (110), (111), (112), (113), (114), (115), (116), (117), (118)과 유사한 기능을 가지며, 도 3의 (302), (303), (304), (305)는 도 2의 (202), (203), (204), (205)와 유사한 기능을 갖으므로, 이들에 대한 별도의 기능 설명은 생략한다. 도 1과 도 2에서와 마찬가지로 도 3에서도 데이터 경로에 관하여만 도시하였으나, 구현 시에는 마이크로 콘트롤러나 DSP를 사용하여 별도의 제어 경로를 구성 할 수 있다.
도 3의 심볼-레벨 탐색기 빔 형성을 갖는 칩-레벨 빔 형성 복조기도 도 1의 칩-레벨 빔 형성을 채택한 복조기나 도 2의 심볼-레벨 빔 형성을 채택한 복조기와 마찬가지로 파일럿 신호를 각 이동국 별로 사용하는 코히어런트 방식의 송신 신호나 파일럿 신호를 사용치 않는 논코히어런트 방식 송신 신호의 모든 경우에 적용 가능하다.
이제까지 언급한 모든 구조는 CDMA 시스템의 배열안테나를 갖는 기지국에서 이동국으로 송신하기 위한 신호의 빔 형성에도 활용이 가능하며, 배열 안테나를 갖는 이동국에도 마찬가지의 개념으로 사용될 수 있다.
본 발명에서는 CDMA 적응배열안테나 시스템을 위한 효율적 구조의 복조기를 제안함으로서 이러한 복조기가 시간과 공간에서 필요한 모든 정보를 추출하여 결합할 수 있도록 하며, 본 발명에 의한 구조의 복조기를 배열안테나를 갖는 기지국에 채택한 CDMA 시스템은 배열안테나를 사용하지 않는 CDMA 시스템에 비하여 적절한 양의 기지국 복잡도 증가 만으로 상당한 양의 서비스 영역과 시스템 용량의 증가 효과로 기지국 수를 감소시키므로 운용자(operator)의 초기 기반(infra) 구축 비용을 현저히 낮춰주며, 동시에 화상과 같은 고속 데이터 서비스가 가능하도록 하여 IMT-2000 뿐만 아니라 WLL, ITS, 이동 멀티미디어 등의 미래형 무선통신 시스템에 광범위한 파장 효과를 발생한다. 또한, 위치 추적 시스템에도 직접적으로 적용되어, 보다 향상된 정확도로 이동국의 위치를 파악할 수 있도록 하는 분야 등에의 응용도 가능케 한다.

Claims (7)

  1. 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에 있어서,
    기지국 배열 안테나를 통해 수신된 칩-레벨의 디지털 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼,rM(k)를 입력받아 다중경로 추적 시간정보에 의거하여 지역코드열과의 상관 값을 생성하는 섹터별 상관기 뱅크 수단과;
    상기 상관기 뱅크의 상관값과 상기 디지털 기저대역신호를 입력받아 다중경로 탐색정보에 의거하여 생성하는 탐색기를 위한 빔 형성계수와, 다중경로 추적정보에 의해 생성하는 핑거를 위한 빔 형성계수를 출력하는 빔 형성 수단과;
    상기 칩-레벨의 디지털 기저대역신호에 상기 탐색기를 위한 빔 형성 계수를 각각 복소 곱셈하는 다중경로 탐색기를 위한 빔 형성용 복소곱셈 수단과;
    그 다중경로 탐색기를 위한 빔 형성용 복소 곱셈 수단의 출력신호를 입력받아 다중 경로 탐색에 따른 상관관계가 가장 큰 부 섹터의 다중경로와 관련된 시간정보를 출력하는 탐색기 뱅크 수단과;
    상기 핑거를 위한 빔 형성계수와 상기 디지털 기저대역신호를 복소곱셈 후 합산하는 핑거를 위한 빔 형성용 복소곱셈 수단과;
    상기 섹터별 빔 형성용 복소곱셈 수단의 출력신호를 입력받아 상기 다중경로 시간정보에 의거하여 각 다중 경로별로 송신코드와 위상을 일치시키기 위한 코드 추적을 수행하여 추적된 다중경로의 시간 정보를 상기 상관기 뱅크 수단에 제공하고, 역확산된 다중 경로의 신호를 경로별 시간 정렬을 거쳐 출력하는 핑거를 포함하는 핑거 뱅크 수단과;
    그 핑거뱅크 수단의 출력신호를 시간 축상에서 결합하여 출력하는 다중경로 결합수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 형성수단은,
    셀 내 한 섹터 내 각 부 섹터에 해당하는 빔 형성계수들을 미리 저장하고, 각 빔 형성 계수에 대한 부 섹터 집합의 지역코드 열과의 상관 결과를 상기 탐색기 뱅크로부터 제공받아 가장 큰 상관값에 해당하는 부 섹터지수를 찾아내고, 부 섹터 지수와 관련된 신호와의 상관 값으로부터 초기동기나 다중 경로 탐색에 관한 시간 정보를 찾아내어 상기 탐색기 뱅크 수단으로 피드백시키도록 각 부 섹터에 해당하는 빔 형성 계수 중 한 집합의 빔 형성 계수를 선택하여 사용하는 선택 다이버시티에 의해 빔 형성 계수를 생성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 형성 수단은,
    빔 형성 계산기로 부터 전달받은 각 부 섹터 별 빔 형성 계수를 이용하여 탐색기 뱅크로 부터의 모든 상관값 중 설정된 임계치를 넘는 상관값에 해당하는 시간정보를, 부 섹터 지수를 결정하는 정보로 사용치 않고, 곧 바로 초기동기나 다중경로탐색과 관련된 시간정보로 설정하여, 초기동기의 경우에는 초기동기 정보로 활용하고 다중경로탐색 시간정보의 경우에는 이를 핑거 뱅크에 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 탐색기 뱅크 수단은,
    상기 빔 형성 수단으로부터 제공된 빔 형성 계수를 이용하여 상관 값 중 미리 설정된 임계치를 넘는 상관값에 해당하는 시간 정보를 초기 동기나 다중 경로 탐색과 관련된 시간 정보로 결정하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 상관기 뱅크 수단은,
    상기 핑거 뱅크 수단에서 제공되는 다중경로 추적 시간정보에 의거하여 여러 코드 칩 구간 동안의 누적된 계산 결과에 의한 상관값을 발생시켜 상기 빔 형성 수단에 입력하여, 탐색기 뱅크나 핑거 뱅크에서 각 종 상관값을 저장치 않아도 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  6. 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에 있어서,
    기지국 배열 안테나를 통해 수신된 디지털 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)를 입력받아 빔 형성 알고리즘을 이용하는 빔 형성 수단과의 공동 작업에 의하여 초기 동기 및 다중 경로 탐색에 관한 보다 신뢰성 있는 시간 정보를 계산해 내는 탐색기 뱅크 수단과;
    상기 디지털 기저대역신호를 입력받아 상기 다중경로 시간정보에 의거하여 빔 형성 알고리즘을 이용하는 빔 형성 수단과의 공동 작업에 의하여 각 다중 경로별로 송신코드와 위상을 일치시키기 위한 코드 추적을 수행하여 추적된 다중경로의 시간 정보를 상관기 뱅크 수단에 제공하며, 다중 경로의 신호를 경로별 시간 정렬을 거쳐 출력하는 핑거 뱅크 수단과;
    상기 디지털 기저대역신호를 입력받아 상기 다중경로 추적 시간정보에 의거하여 지역코드열과의 상관 값을 생성하는 상관기 뱅크 수단과;
    상기 디지털 기저대역신호를 입력받아 보다 신뢰성 있는 초기 동기 및 다중 경로 탐색에 관한 시간 정보와 다중 경로 추적에 관한 시간 정보를 상기 탐색기 뱅크와 상기 핑거 뱅크와의 공동 작업으로 생성해 내며, 상기 핑거 뱅크로부터 출력되는 역 확산된 심볼 레벨의 빔 형성 계수를 생성하는 빔 형성 수단과;
    상기 핑거 뱅크에서 출력되는 역 확산된 심볼-레벨의 디지털 기저대역 입력신호에 상기 빔 형성 계수를 각각 복소 곱셈하여 합산하는 복소곱셈 수단과;
    그 복소곱셈수단의 출력신호를 시간 축상에서 결합하여 출력하는 다중경로결합수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
  7. 배열안테나를 갖는 CDMA 시스템에 있어서,
    기지국 배열 안테나를 통해 수신된 디지털 기저대역신호 r1(k), r2(k),∼, rM(k)를 입력받아 빔 형성 알고리즘을 이용하는 빔 형성 수단과의 공동 작업에 의하여 초기 동기 및 다중 경로 탐색에 관한 보다 신뢰성 있는 시간 정보를 계산해 내는 탐색기 뱅크 수단과;
    상기 디지털 기저대역신호를 입력받아 핑거로부터의 다중경로 추적 시간정보에 의거하여 지역코드열과의 상관 값을 생성하는 상관기 뱅크 수단과;
    상기 디지털 기저대역신호와 상기 상관기 뱅크로부터의 상관값, 그리고 상기 탐색기 뱅크로부터의 다중 경로 탐색 정보를 받아 핑거 뱅크를 위한 칩-레벨의 빔 형성 계수를 계산해내는 빔 형성 수단과;
    상기 핑거를 위한 빔 형성계수와 상기 디지털 기저대역신호를 복소곱셈 후 합산하는 핑거를 위한 빔 형성용 복소곱셈 수단과;
    상기 빔 형성용 복소곱셈 수단의 출력신호를 입력받아 상기 다중경로 시간정보에 의거하여 각 다중 경로별로 송신코드와 위상을 일치시키기 위한 코드 추적을 수행하여 추적된 다중경로의 시간 정보를 상기 상관기 뱅크 수단에 제공하고, 역확산된 다중 경로의 신호를 경로별 시간 정렬을 거쳐 출력하는 핑거를 포함하는 핑거뱅크 수단과;
    그 핑거뱅크 수단의 출력신호를 시간 축상에서 결합하여 출력하는 다중경로 결합수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 CDMA 적응배열 안테나 시스템의 복조기.
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