KR100400897B1

KR100400897B1 - 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법

Info

Publication number: KR100400897B1
Application number: KR10-2001-0021496A
Authority: KR
Inventors: 심동희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2003-10-08
Also published as: KR20020082297A

Abstract

본 발명은 적응 안테나 어레이가 설치된 WCDMA 시스템에 있어서, 기지국 시스템에서의 빔 형성(Beamforming) 방법에 관한 것이다.

본 발명의 빔 형성 모듈은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 칩 레벨(chip level) 빔 형성을 실시하고 칩 레벨 빔 형성이 이루어진 출력신호를 다시 역확산하여 각 채널을 구분하고 각 채널의 심볼 레벨의 신호를 추출하는 방법으로 빔 형성을 수행함으로써 고속의 빔 형성이 가능하게 한다.

본 발명의 빔 형성 모듈은 상기 DPCCH 칩 신호를 이용하여 안테나 어레이의 웨이트 벡터를 구하기 위해, 각 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH 채널 코드(channelization code)로 역확산하기 전의 신호들을 벡터로 구성한 신호벡터와, 이 신호벡터의 자기 상관 행렬을 이용해서 웨이트 벡터를 구한다.

Description

적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법{BEAMFORMING METHOD USING SMART ANTENNA ARRAY}

본 발명은 적응 안테나 어레이가 설치된 WCDMA 시스템에 있어서, 기지국 시스템에서의 빔 형성(Beamforming) 방법에 관한 것으로서, 스마트 안테나가 적용된 기지국에서 빔 형성을 하기 위한 모듈 구조를 제시함으로써 WCDMA 기지국의 용량 및 통신 품질의 향상을 기할 수 있도록 한 빔 형성 알고리즘 및 그 모듈 구조에 관한 것이다.

특히 본 발명은 안테나 어레이를 사용하는 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이를 위한 빔 형성 모듈로서, WCDMA 시스템에서 DPCCH(Dedicated Physical Control CHannel)를 이용한 칩 레벨(chip level) 빔 형성 모듈을 제안하며, DPCCH칩 신호를 이용해서 안테나 어레이의 웨이트 벡터(weighted vector)w를 구하는 방법과, 특정 단말기가 전송한 칩 레벨의 DPCCH 신호를 기지국에서 추정(estimation)하는 방법을 제안하고, 빔 형성을 위한 알고리즘을 칩 레벨에서 적용함으로써 심볼 레벨(symbol level) 빔 형성 보다 고속의 신호 처리를 가능하게 한 빔 형성 방법을 제안한다.

도1은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 기지국에서의 신호 시공간 처리부분의 구조를 보여주며, 신호 송수신을 위한 N개의 안테나 어레이부(101)와, 상기 각 안테나로 수신된 초고주파 신호를 기저대역 신호로 변환하는 주파수 다운 컨버터(frequency down converter)부(102)와, 상기 주파수 다운 컨버터부에서 기저대역으로 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터부(103)와, 상기 디지털 변환된 신호로부터 코드 분할 다중 접속 시스템의 시간 처리 및 빔형성 알고리즘을 이용하여 실시하는 공간 처리를 동시에 수행하기 위한 2차원 갈퀴 수신기에 해당하는 빔 형성기(beamformer)(104)를 포함한다.

한편, 도1에서는 도시 생략되었으나 상기 A/D 컨버터부(103)를 거쳐서 디지털 변환된 신호로부터 이동 통신 상황에서 필수불가결하게 발생하는 다중 경로 신호의 세기를 측정하여 핑거(finger)에 할당하는 서처(searcher)와 상기 빔 형성기(104)의 출력신호를 입력받아 디지털 변조된 신호를 복조하는 디지털 복조기, 2차원 갈퀴 수신기 및 디지털 복조기의 출력신호를 이용해서 기지국간, 셀 및 섹터간의 핸드오프 실시를 위한 핸드오프 처리부(핸드오프 알고리즘 부분) 등을 더 포함하여 기지국의 신호 처리 시스템이 구성되어 있다.

도1에서 안테나 어레이부(101)의 안테나들은 초고주파 신호를 수신하고, 상기 안테나 어레이부(101)로 수신된 초고주파 신호는 주파수 다운 컨버터부(102)에서 e^jwt와 곱해져서 기저 대역의 신호로 변환되고, 이 기저 대역으로 변환된 신호는 A/D컨버터부(103)에서 각각의 ADC에 의해서 디지털 신호(x₁-x_N)로 변환되어 빔 형성기(104)에 입력된다.

빔 형성기(104)는 역확산기 전에 존재하고 있고 빔 형성을 위해서 역확산 전의 신호와 역확산 후의 신호를 모두 사용하여 시공간처리를 동시에 수행하고, 시공간 처리된 어레이 출력은 도시 생략된 디지털 복조기에 의해서 디지털 복조를 수행하게 된다. 디지털 복조된 신호는 도시 생략된 핸드오프 처리부에 의해서 소정의 핸드오프 알고리즘에 따른 핸드오프 실시가 이루어지게 된다.

이러한 빔 형성 모듈의 동작을 좀 더 상세하게 살펴본다.

도1에 도시된 빔형성 모듈(104)은 기존 코드 분할 다중 접속 시스템에서 하나의 핑거에 해당하는 것으로, 도시 생략된 서처(searcher)에서 미리 알고 있는 코드를 이용하여 역확산된 신호의 시간대별 신호 세기 중에서 핑거의 수만큼 싱기 신호 세기가 센 순서대로 배열한 후, 각 핑거에 각 경로의 신호를 수신하기 위한 시간 정보(각 경로의 신호를 수신하기 위한 미리 알고 있는 코드의 시작점 정보)를 전달해 주면, 빔형성 모듈(104)은 그 시간 정보대로 코드의 시작점을 설정하여 코드 시작점을 일정하게 유지하며, 각 안테나에서 유기된 신호를 역확산함과 동시에 역확산 전의 신호 및 역확산 후의 신호를 적절히 이용하여 각 안테나에 곱해줄 웨이트 벡터를 빔형성 알고리즘 모듈(104a)에서 빔형성 알고리즘을 이용하여 계산하여 각 안테나에 곱해주는 일을 동시에 수행하게 된다.

즉, 기존 코드 분할 다중 접속 시스템의 핑거가 시간 처리만을 수행하였음에 그쳤다면 도1의 빔형성 모듈(104) 부분은 기존 시스템의 시간 처리 뿐만 아니라 공간 처리를 동시에 수행하는 2차원 갈퀴수신기에 해당한다고 할 수 있다. 아울러 도1에는 빔형성 모듈(104) 부분이 하나만 도시되어 있으나 실제로는 다중 경로의 신호를 동시에 수신하여야 하기 때문에 2차원 갈퀴 수신기의 핑거의 수는 여러 개가 될 수 있다.

상기한 종래의 기술에서는 코드 분할 다중 접속 시스템을 위한 빔형성기에 적용할 웨이트 벡터(w_i- w_N-1)를 구하기 위해서, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 고속의 신호(x₁- x_N)와 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 저속의 신호(y₁- y_N)를 모두 이용하여 빔형성 알고리즘(104a)을 수행한다. 또한, 적응 알고리즘을 적용하기 위해서 역확산 전의 신호를 샘플링한 신호의 자기 상관 행렬과 역확산 후의 신호를 샘플링한 신호의 자기 상관 행렬을 계산하고 그 각각의 행렬을 이용하여 공간처리를 위한 웨이트 벡터를 계산하고 있다.

이러한 웨이트 벡터를 구하는 연산 과정과 그 연산량, 그리고 고려해야 할 팩터(factor)의 수 등은 적응 안테나 어레이를 이용한 WCDMA 기지국 시스템에서 빔 형성의 고속 실시간 처리를 어렵게 하는 요인이 된다.

상기의 웨이트 벡터를 계산하기 위한 종래의 적응 알고리즘에서는 역확산 전의 신호벡터, 역확산 후의 신호벡터, 각 벡터의 자기 상관 행렬을 이용해서 각 안테나 소자에 곱해주어야 할 복소 이득으로 구성된 웨이트 벡터를 구한다. 이 때 웨이트 벡터를 구하기 위해서 정(+)의 유한 매트릭스(Positive Definite Matrix)라는 성질을 이용하여 행렬 분해를 이용하고 있다.

웨이트 벡터를 계산하기 위한 종래의 적응 알고리즘을 간략히 설명하면 다음과 같다.

지금부터 설명되는 종래 및 본 발명의 적응 알고리즘에서 벡터는 밑줄을 그어서 표현하고, 행렬은 볼드(bold)체로 굵게 표현하여 구별하기로 한다.

도1에 나타낸 바와 같이, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 각 안테나(101)에서 수신된 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를x라고 하고, 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호들을 벡터로 구성한 신호를 신호 벡터y라고 한다. 이 때 벡터x의 자기 상관 행렬을 R_xx라고 하고 벡터y의 자기 상관 행렬을 R_yy라고 하면, 각 안테나 소자에 곱해 주어야 할 복소 이득으로 구성된 웨이트 벡터,w를 구하는 식은 다음과 같이 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)가 된다.

즉, R_yy w= λR_xx w이다.

그런데 기존의 적응 알고리즘은 R_yy w= λR_xx w를 풀기 위해 우선 R_xx가 정(+)의 유한 매트릭스(Positive Definite Matrix)라는 성질을 이용해서 행렬 분해를 하였다. 행렬 분해를 하는 이유는 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalueproblem)는 연산해야 할 행렬이 두 개이므로 계산상의 어려움이 있기 때문에 하나의 매트릭스 꼴로 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)를 변환하고자 하는데 그 목적이 있다.

행렬 분해를 거친 R_xx를 R_xx= R_xx ^H/2R_xx ^1/2로 쓸 수 있고, 여기서 H는 'hermitian' 연산을 의미한다.

R_xx를 행렬 분해를 거쳐서 두 개의 행렬로 분리한 후 다음과 같이 정리하여 두 개의 행렬로 구성된 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)를 일반적인 고유 벡터를 구하는 하나의 행렬 꼴로 전환한다.

우선 행렬 분해를 거친 R_xx를 상기 R_yy w= λR_xx w에 대입하면 R_yy w= λR_xx ^/H/2R_xx ^1/2 w로 쓸 수 있고, 하나의 행렬로 정리하기 위해서 다음의 두 단계를 거친다.

즉, R_xx ^-H/2R_yy w= λR_xx ^1/2 w, 그리고 R_xx ^-H/2R_yyR_xx ^-1/2R_xx ^1/2 w= λR_xx ^1/2 w.

여기서 R_xx ^-H/2R_yyR_xx ^-1/2= B로 치환하고, R_xx ^1/2 w=a로 치환하여 정리하면 Ba=λa로 고유치 문제(eigenvalue problem)가 정리된다.

일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)를 하나의 행렬 꼴로 정리한 후 B의 고유벡터(eigenvector)인a를 구하기 위해 반복적인 알고리즘을 사용하는데 이 것은 'power method'로 알려져 있고 다음과 같이 요약할 수 있다.

즉,c _m+1= Bc _m/｜Bc _m｜,

이 때 m은 알고리즘을 갱신하는 갱신 인덱스(index)를 나타낸다.c _m의 초기치, 즉c ₀는 임의로 설정한다. 이렇게a를 구한 후 원래 구하고자 했던w를 구하기 위해서 다음과 같이a에 R_xx ^-1/2를 곱하여w= R_xx ^-1/2 a로 정리한다. 이렇게 구해진 웨이트 벡터w를 도1과 같이 벡터y와 복소 내적을 취하여 안테나 어레이 출력 z를 z =w ^H y로 구할 수 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 적응 어레이를 위한 적응 알고리즘은 일반화된 고유치 문제(generalized eigenvalue problem)를 풀기 위해 행렬 분해를 해야 했고, 행렬 분해를 이용해서 분리된 두개의 행렬에 대해 하나의 행렬로 구성된 고유치 문제(eigenvalue problem)로 만들기 위해 그 역행렬을 구하여 연산해야 하는 번거로움이 있었으며, 그 계산량이 너무 많아 실시간 적응 어레이 알고리즘으로는 적당하지 않았다.

본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 고속의 실시간 처리를 가능하게 하는 빔 형성 모듈을 제공한다.

본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 칩 레벨(chip level) 빔 형성을 실시하고 칩 레벨 빔 형성이 이루어진 출력신호를 다시 역확산하여 각 채널을 구분하고 각 채널의 심볼 레벨의 신호를 추출하는 방법으로 빔 형성을 수행함으로써 고속의 빔 형성이 가능하도록 한 WCDMA 시스템의 빔 형성 모듈을 제공한다.

또한 본 발명은 WCDMA 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현할 때 필요한 빔 형성을 칩 레벨에서 적용함으로써 고속의 빔 형성이 가능하고 채널의 변화 등에 민감하게 반응함으로써 이동통신 시스템의 통신 품질을 향상시킬 수 있도록 한 WCDMA 시스템의 빔 형성 모듈을 제공한다.

또한 본 발명은 WCDMA 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현할 때 필요한 빔 형성을 칩 레벨에서 적용함에 있어서 특정 단말기가 전송한 칩 레벨의 DPCCH 신호를 기지국에서 추정하는 방법을 제공함으로써, 보다 빠르게 빔 형성을 실시하여 실시간 신호처리를 구현할 수 있도록 한 WCDMA 시스템의 빔 형성 모듈을 제공한다.

도1은 종래의 빔 형성방법을 설명하기 위한 블럭도

도2는 본 발명의 신호처리 방법을 설명하기 위한 블럭도

도3은 본 발명을 설명하기 위한 WCDMA 시스템의 채널 구조를 나타낸 도면

도4는 WCDMA 시스템의 역방향 신호 확산방법을 설명하기 위한 도면

본 발명은 적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템에 있어서, 기지국에서 역방향 채널의 신호를 수신하는 단계와; 상기 수신된 신호의 일부를 이용하여 칩 레벨의 DPCCH를 생성하고, 이를 통해 수신되는 신호의 칩 레벨 DPCCH 및 DPDCH를 추정하는 단계와; 상기 칩 레벨 DPCCH 및 DPDCH에 대하여 빔 형성을 실행하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법에 관한 것이다.즉, 본 발명은 적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템 기지국에서 역방향 채널에 대한 빔 형성을 칩 레벨에서 실행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법이다.또한 본 발명에서, 상기 칩 레벨의 빔 형성이 상기 DPCCH 및 DPDCH가 합하여진 칩 레벨의 신호에 대해서 이루어진 후, 상기 DPCCH 및 DPDCH를 각각의 채널 코드로 분리하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 수신된 신호의 일부를 이용하여 칩 레벨의 DPCCH를 생성하는 것은, 단말기에서 보내온 신호 중에서 미리 알고 있는 소정 신호를 이용해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 단말기에서 보내온 신호 중에서 미리 알고 있는 소정의 신호가 심볼 레벨의 파일럿 심볼인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서, 상기 DPCCH 및 DPDCH의 추정단계는, 기지국의 각 핑거에서 수신된 신호에서 기지국에서 미리 생성한 칩 레벨의 DPCCH 신호를 차감하여 칩 레벨의 DPDCH를 추정하는 단계, 상기 각 핑거에서 수신한 신호에서 상기 추정된 칩 레벨의 DPDCH를 차감하여 칩 레벨의 DPCCH를 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법이다.

또한, 본 발명에서, 상기 파일럿 심볼을 이용한 칩 레벨의 신호 생성을 위하여, 미리 알고 있는 파일럿 심볼 영역에는 파일럿 심볼을 넣고 나머지 부분에는 '0' 또는 '1'을 채워넣거나 랜덤(random)한 심볼들을 채워 넣는 방법으로 빔 형성이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 상기 DPCCH 칩 신호를 이용해서 안테나 어레이의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터를, 각 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH 채널 코드로 역확산하기 전의 신호 벡터와 이 벡터의 자기 상관 행렬을 이용해서 구하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 모듈을 포함하는 전체 구조를 도2에 나타내었다. 도2에서 점선 블럭으로 표현된 부분이 스마트 모뎀 구조(Smart Modem Structure)를 이룬다.

본 발명은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현하는데 있어서, 안테나 어레이(201)와, 상기 안테나 어레이로 수신된 초고주파 신호를 기저대역 신호로 전환하는 주파수 다운 컨버터(202)와, 상기 주파수 다운 컨버터의 출력 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D컨버터(203)와, 상기 변환된 디지털 신호의 핑거(finger) 탐색을 위한 탐색부(204)와, 단말기가 송신하는 칩 레벨(chip level)의 신호를 미리 알고 있는 심볼 레벨(symbol level)의 신호를 이용하여 생성하는 칩 레벨 신호 생성부(205)와, 상기 탐색된 핑거와 칩 레벨의 신호를 입력받아 상기 칩 레벨의 DPCCH 및 DPDCH를 추정하는 채널신호 추정부(206)(DPCCH, DPDCH 추정부)와, 상기 추정된 DPCCH 및 DPDCH 신호를 입력받아 칩 레벨의 빔 형성을 실행하는 칩 레벨 빔 형성부(207)와, DPCCH 및 DPDCH에 대해 각각 수개의 핑거(finger)로 이루어져서, 상기 칩 레벨의 빔 형성된 핑거신호를 입력받아 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단(단말기)에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해서 약속된 코드를 곱하여 역확산을 수행하는 역확산기(208a, 208b, 209a, 209b) 및 채널 정보를 계산하기 위한 채널 정보 추정기(208c, 209c)를 포함하는 역확산부(208, 209)와, 상기 각 핑거(finger)의 출력을 합산하여 주기 위한 합산부(210, 211)와, 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는SIR 추정부(212)를 포함하여 이루어지고 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 빔 형성 모듈에 따른 빔 기지국에서의 신호처리 과정을 도2를 참조하여 설명한다.

안테나 어레이(201)를 통해서 수신된 초고주파 신호는 주파수 다운 컨버터(202)에 의해서 기저 대역의 신호로 변환되고, 기저 대역으로 변환된 신호는 A/D컨버터(203)에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 변환된 I,Q신호는 빔 형성과 역확산 등을 위하여 입력된다.

핑거 탐색부(204)는 입력된 디지털 I,Q 신호의 핑거(finger1 - finger K)를 탐색하여 탐색 결과를 채널 신호 추정부(206)에 입력하며, 칩 레벨 신호 생성부(205)는 단말기가 송신하는 칩 레벨의 신호를 미리 알고 있는 심볼 레벨의 신호를 이용해서 생성하고 그 생성된 정보를 채널 신호 추정부(206)에 입력한다.

채널 신호 추정부(206)는 각 핑거에서 수신되는 칩 레벨의 DPCCH(Dedicated Physical Control CHannel) 및 DPDCH(Dedicated Physical Data CHannel)를 추정하여 칩 레벨 빔 형성부(207)에 보낸다. 칩 레벨의 빔 형성부(207)는 각 핑거(finger1 - fingerK)들에 대해서 칩 레벨의 빔 형성을 실행하여 빔 형성된 칩 레벨의 신호(beamformed finger 1 signal - beamformed finger K signal)을 출력한다.

역확산부(208, 209)는 DPCCH 역확산기(208a,209a)와 DPDCH 역확산기(208b, 209b), 그리고 채널 정보 추정기(208c, 209c)를 포함하여, 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해 약속된 코드를 곱하여 역확산을 실행한다. 이 역확산 방법은 후에 도4를 참조하여 설명하기로 한다.

한편, 도2에서 합산부(210, 211)는 각각 파일럿 채널(pilot channel)과 데이터 채널(data channel)을 위하여 각 핑거의 출력을 합산하고, SIR추정부(212)는 상기 파일럿 채널을 위한 핑거 출력의 합산 결과로부터 TPC(Transmit Power Control)를 위한 신호대 간섭 잡음비(SIR)를 추정한다.

상기한 바와 같이 동작하는 본 발명의 빔 형성 모듈에 따른 기지국 시스템에서의 신호처리 과정을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명을 적용하기 위한 WCDMA 시스템의 채널 구조부터 설명한다.

도3에 나타낸 바와 같이 본 발명을 적용하기 위한 WCDMA 시스템의 채널 구조를 살펴보면, 1 무선 프레임(1 radio frame: T_f= 10ms)의 슬롯(Slot#i)에 대하여 단말기로부터 기지국으로의 역방향 채널은 DPCCH와 DPDCH로 구성되어 있다.

여기서 DPCCH(T_slot= 2560chips, 10bits)는 채널 정보를 추정하기 위한 파일럿(pilot) 심볼들(N_pilotbits)과 역방향 채널의 SF(Spreading Factor) 정보 등을 포함하고 있는 TFCI(Transport Format Combination Indicator)(N_TFCIbits), 단말기가 전송 다이버시티(Transmit Diversity) 등을 위한 정보를 실어 나르는 피이드백(feedback) 신호인 FBI(FeedBack Information)(N_FBIbits), 전력제어(power control) 정보를 포함하고 있는 TPC(Transmit Power Control)(N_TPCbits) 등으로 구성되어 있고, DPDCH(T_slot= 2560chips, N_data= 10*2^kbits(k=0..6)는 실질적인 사용자의 데이터(N_databits)가 실리는 채널이다.

이 두 채널, 즉 DPCCH와 DPDCH를 합하여 DPCH(Dedicated Physical CHannel)이라고 부른다(DPCH = DPCCH + DPDCH).

도4는 WCDMA 시스템의 역방향 신호, 즉 단말기가 기지국으로 송신하는 신호의 확산 방법을 보여준다.

DPDCH와 DPCCH는 채널별로 해당 채널코드(c_d,c_c), 채널 이득(β_d,β_c)와 곱해지고 합산되어 I,Q 각각의 합산된 결과를 구하고, Q에 복소 성분 j를 곱하고 I와 합산하여 I+jQ를 구한 다음 스크램블링 코드(s_dpch)를 곱하여 최종 신호 S를 얻는 방법이다.

다시 말하면, 역방향 DPCCH 및 DPDCH의 확산 방법으로서, c_d, c_c는 DPDCH 및 DPCCH의 채널 코드를 나타내고, s_dpch는 DPCH를 위한 스크램블링(scrambling) 코드를 나타낸다. 도4에서 도시한 WCDMA 시스템에서 단말기에서 DPCH를 통해 전송되는 신호(역방향 신호)를 기지국에서 수신한 신호, s(t)를 다음과 같이 표현할 수 있다.

s(t) = [(b_i ^d(t)+jb_q ^d(t))c_d(t)β_d+jb_q ^c(t)c_c(t)β_c]s_dpch(t)

여기서 b_i ^d(t),b_q ^d(t)는 특정 사용자의 DPDCH의 인페이즈(inphase) 성분과 직교(quadrature) 데이터 성분을, b_q ^c(t)는 DPCCH 직교 성분을, β_d와 β_c는 DPDCH와 DPCCH의 채널 이득을 각각 나타낸다.

도4에서 알 수 있는 바와 같이 DPCCH는 DPCH의 직교 성분에만 전송하는 것으로 되어 있다. s_dpch(t)는 DPCH 전체의 스크램블링 코드를 나타낸다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 도3과 같은 WCDMA 채널 구조를 기반으로 하는 코드분할 다중접속 시스템에서, 빔 형성을 위하여 칩 레벨의 DPCCH를 생성하고, 각 핑거에서 수신되는 DPCCH, DPDCH를 추정하며, 칩 레벨의 빔 형성을 이룬 후에 역확산 과정에 의하여 역확산을 수행하는 일련의 수순으로 신호처리가 이루어지고 있다(도2 설명 참조).

본 발명에 따르면 칩 레벨의 빔 형성을 실시할 경우는 DPCCH(Dedicated Physical Control CHannel) 및 DPDCH(Dedicated Physical Data CHannel)를 빔 형성 전에 완벽하게 분리할 수 없기 때문에 미리 DPCCH 및 DPDCH가 합하여진 칩 레벨의 신호에 대해 빔 형성을 실시한 후, 그 후에 DPCCH 및 DPDCH를 각각의 채널의 코드로 분리하는 방법으로 실시한다.

이 과정을 상세히 설명한다.

역방향 채널의 DPCCH의 경우 SF(Spreading Factor)가 256으로 고정되어 있어서 미리 기지국이 채널 코드(channelization code)를 알 수 있고, 또 스크램블링코드는 사용자마다 다르지만 역시 기지국에서는 사용자마다 다른 스크램블링 코드를 알 수 있기 때문에 DPCCH안에 도3과 같이 송신단과 수신단이 동시에 알고 있는 파일럿 심볼(pilot symbol)이 유지되는 심볼 구간 안에서는 역시 기지국의 각 사용자의 DPCCH의 칩 레벨의 신호도 알고 있다는 것이 된다. 따라서 알고 있는 칩 레벨의 신호를 이용하여 빔 형성을 실시할 수 있다.

이 때 본 발명에서는 기지국에서 빔 형성을 실시하기 위해 단말기가 보내온 신호의 일부를 알고 있을 때 그 알고 있는 신호의 일부를 활용하여 빔형성을 실시하는 것이므로 기지국에서 미리 단말기가 보낼 신호의 일부를 알고 있어야 한다.

심볼 레벨에서는 단말기가 보내온 신호 중에서 WCDMA 채널 구조에서 살펴본 바와 같이 파일럿 심볼을 이용하면 되지만, 칩 레벨에서는 알 수가 없기 때문에 기지국에서 심볼 레벨에서 알 수 있는 파일럿 심볼을 이용해서 칩 레벨의 신호를 만들어 내야 한다.

단말기에서 전송되는 DPCCH 채널의 심볼 레벨 신호 중에서도 알 수 있는 신호는 파일럿 심볼에 한정되어 있고 TFCI 및 TPC, FBI는 모르기 때문에 칩 레벨의 신호를 만들 때 미리 알고 있는 파일럿 심볼 영역에는 파일럿 심볼을 넣고 나머지 부분에는 모두 '0'을 채우거나 '1'을 채우거나 혹은 랜덤한 심볼들을 채운 후 DPCCH 채널 코드로 확산하고, 다시 기지국이 미리 알고 있는 특정 단말기의 스크램블링 코드를 곱하여 파일럿 심볼이 존재하는 구간에서만 알고리즘을 수행하고 나머지 구간에서는 마지막 계산된 웨이트 벡터를 그대로 사용하도록 한다.

아울러, 각 안테나에서 수신된 신호는 DPCCH 및 DPDCH 모두가 합하여진 칩레벨의 신호이므로 기지국에서 단말기가 보내오는 DPCCH의 일부 칩 신호를 알고 있다고 하더라도 각 핑거(finger)에서 실제로 이동 통신 채널을 거쳐서 수신되는 칩 레벨의 DPCCH의 및 DPDCH를 알 수 없기 때문에 다음과 같이 각 핑거에서 수신되는 칩 레벨의 DPCCH 및 DPDCH를 추정한 후, 칩 레벨의 빔 형성을 실시하기 위한 알고리즘을 실시해야 한다.

우선, 각 핑거에서 수신된 신호에서 기지국에서 미리 생성한 칩 레벨의 DPCCH 신호를 차감하여 칩 레벨의 DPDCH를 얻은 후 다시 원래 각 핑거에서 수신한 신호에서 추정된 칩 레벨의 DPDCH 신호를 차감하여 각 핑거에서 수신한 DPCCH를 얻어낸다.

DPCCH의 경우 송신단과 수신단의 미리 알고 있는 파일럿 심볼이 있기 때문에 기존의 원하는 신호를 미리 알고 있을 경우 빔형성을 실시하는데 이용할 수 있는 Wiener's solution을 이용할 수 있다. 물론 본 발명에서는 파일럿 심볼을 사용하되 이 것을 칩 레벨로 바꾼 다음 칩 레벨의 신호를 이용해서 칩 레벨에서 빔형성을 실시하도록 한다.

이를 위한 Wiener's solution은w= (R_xx ^DPCCH)^-1 r _xc로 나타낼 수 있다.

이 때 각 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH channelization 코드로 역확산하기 전의 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를x ^DPCCH라고 정의한다. 이 벡터x ^DPCCH의 자기 상관 행렬을 R_xx ^DPCCH라고 정의한다. 아울러r _xc= E｛c^H x ^DPCCH｝라고 정의되며 이때 c는 미리 알고 있는 칩 레벨의 DPCCH신호(파일럿 심볼 구간만을 포함한 칩레벨의 DPCCH신호)를 나타내고, E는 평균치를 나타낸다.

r _xc는 식 그대로 평균을 취할 수도 있고 아니면 순시치를 이용할 수도 있다.

상기 웨이트 벡터w를 구하기 위해서는 R_xx ^DPCCH의 역행렬을 구해야 하는데 이 것도 계산량이 적지 않으므로 다음과 같이 실시한다.

일단 상기w= (R_xx ^DPCCH)^-1 r _xc를 (R_xx ^DPCCH)w=r _xc로 정리하고, R_xx ^DPCCH를 각각 그 R_xx ^DPCCH의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어 다음과 같이 표현할 수 있다.

(R_xx ^DPCCHd+ R_xx ^DPCCHo)w=r _xc. 여기서 R_xx ^DPCCHd는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 가진 행렬, 즉 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고 R_xx ^DPCCHo는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

따라서, 상기 (R_xx ^DPCCHd+ R_xx ^DPCCHo)w=r _xc는 R_xx ^DPCCHd w=r _xc-R_xx ^DPCCHo w로 다시 쓸 수 있고, 여기서 R_xx ^DPCCHd의 역행렬을 양변에 곱하여 정리하면w= (r _xc-R_xx ^DPCCHo w)(R_xx ^DPCCHd)^-1이 된다.

그런데, 이동 통신 상황에서 적응 안테나 어레이에 사용할 웨이트 벡터w는 계속 갱신되어야 하고, 이동체를 추적할 수 있어야 하기 때문에 지금까지의 웨이트 벡터w를 구하는 방법을 상기w= (r _xc- R_xx ^DPCCHo w)(R_xx ^DPCCHd)^-1로부터 다음과 같이 요약할 수 있다.

즉,w(k+1) = (r _xc- R_xx ^DPCCHo w(k))(R_xx ^DPCCHd)^-1

여기서 k는 웨이트 벡터 갱신 인덱스이다.

이 절차에서 R_xx ^DPCCH를 구하기 위해 R_xx ^DPCCH= fR_xx ^DPCCH+xx ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

일반적으로 R_xx ^DPCCH는 상기한 바와 같이 망각인자 f를 두어 평균을 취해야 우리가 원하는 R_xx ^DPCCH를 구할 수 있지만 채널이 급변하는 상황에서는 망각인자 f를 두어 평균치를 구하는 것 보다 순시치를 이용하여 매번의 스냅 샷에서 새로 입력되는 신호를 가지고 위의 절차를 수행할 수도 있다. 이 경우는 망각인자 f를 '0'으로 두는 경우이며, 이렇게 하면 행렬 연산을 실시하지 않기 때문에 알고리즘이 더 간단하게 정리될 수 있다.

상기한 바와 같이 구한 웨이트 벡터w는 각 안테나에서의 DPCCH를 구할 때함께 추정한 DPDCH에도 적용하여 칩 레벨의 빔 형성을 실시하고 칩 레벨의 빔 형성이 실시된 출력신호를 각각 DPCCH 및 DPDCH channelization 코드로 다시 역확산하여 각 채널을 구분하여 각 채널의 심볼 레벨의 신호를 추출해 낸다.

그리고 상기 칩 레벨의 빔 형성을 실시하기 위해 Wiener's solution을 구하는 잘 알려진 방법인 최소평균자승(LMS:Least Mean Square) 알고리즘을 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 칩 레벨의 DPCCH를 미리 생성하고, 각 핑거에서 수신되는 DPCCH 및 DPDCH를 상기 생성된 칩 레벨의 DPCCH를 이용해서 추정하여 칩 레벨의 DPCCH 및 DPDCH를 추정하고, 이 정보들을 기반으로 하여 칩 레벨에서 빔 형성을 이룬 다음, DPCCH 및 DPDCH를 각각의 채널 코드로 분리하는 방법으로 빔 형성을 실행하였다.

본 발명은 WCDMA 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현하는데 반드시 필요한 빔 형성을 위한 알고리즘을 칩 레벨에서 적용하여 심볼 레벨 빔 형성보다 빠르게 빔형성을 실시함으로써 채널의 변화 등에 민감하게 반응할 수 있고, 이에 따른 통신 품질 향상에 기여할 수 있다. 아울러 기존의 알고리즘에 비해 계산량이 훨씬 작은 알고리즘을 사용하여 시스템의 복잡도를 줄이는데 기여할 수 있다.

Claims

적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템에 있어서,

기지국에서 역방향 채널의 신호를 수신하는 단계와;

상기 수신된 신호의 일부를 이용하여 칩 레벨의 DPCCH를 생성하고, 이를 통해 수신되는 신호의 칩 레벨 DPCCH 및 DPDCH를 추정하는 단계와,

상기 칩 레벨 DPCCH 및 DPDCH에 대하여 빔 형성을 실행하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 칩 레벨의 빔 형성이 상기 DPCCH 및 DPDCH가 합하여진 칩 레벨의 신호에 대해서 이루어진 후, 상기 DPCCH 및 DPDCH를 각각의 채널 코드로 분리하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 칩 레벨의 DPCCH를 생성하는 것은 단말기에서 보내온 신호 중에서 미리 알고 있는 소정 신호를 이용해서 이루어짐을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 3항에 있어서,

상기 단말기에서 보내온 신호 중에서 미리 알고 있는 소정의 신호가 심볼 레벨의 파일럿 심볼인 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 칩 레벨 DPCCH 및 DPDCH의 추정단계는, 상기 기지국의 각 핑거에서 수신된 신호에서 기지국에서 미리 생성한 칩 레벨의 DPCCH 신호를 차감하여 칩 레벨의 DPDCH를 추정하는 단계와;

상기 각 핑거에서 수신한 신호에서 상기 추정된 칩 레벨의 DPDCH를 차감하여 칩 레벨의 DPCCH를 추정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 4항에 있어서,

상기 파일럿 심볼을 이용한 칩 레벨의 신호 생성을 위하여, 미리 알고 있는 파일럿 심볼 영역에는 파일럿 심볼을 넣고 나머지 부분에는 '0' 또는 '1'을 채워넣거나 랜덤한 심볼들을 채워 넣는 방법으로 빔 형성이 이루어지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 1항에 있어서,

상기 빔 형성을 위하여 DPCCH 칩 레벨의 신호를 이용해서 안테나 어레이의 웨이트 벡터w를 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 7항에 있어서,

상기 웨이트 벡터w는, 각 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH 채널 코드로 역확산하기 전의 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터, 이 벡터의 자기 상관 행렬 및 자기 상관 행렬의 대각 부분을 가진 행렬과 대각 부분을 제외한 부분을 가진 행렬을 이용해서 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 8항에 있어서,

상기 웨이트 벡터w는,w= (R_xx ^DPCCH)^-1 r _xc[R_xx ^DPCCH는 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH 채널 코드로 역확산하기 전의 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터x ^DPCCH의 자기 상관 행렬,r _xc= E｛c^H x ^DPCCH｝, c는 미리 알고 있는 칩 레벨의 DPCCH신호]로 표현되고,

이 웨이트 벡터w를,

w(k+1) = (r _xc- R_xx ^DPCCHo w(k))(R_xx ^DPCCHd)^-1[k는 웨이트 벡터 갱신 인덱스, R_xx ^DPCCHd는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬, R_xx ^DPCCHo는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬]의 연산을 통해서 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 9항에 있어서,

상기w(k+1) = (r _xc- R_xx ^DPCCHo w(k))(R_xx ^DPCCHd)^-1를 R_xx ^DPCCH= fR_xx ^DPCCH+xx ^H[f는 망각 인자]의 연산을 실행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 10항에 있어서, 상기 망각 인자 f는 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 10항에 있어서, 상기 망각 인자 f를 '0'으로 설정하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
WCDMA 시스템에서 역방향 채널의 신호를 수신하는 단계와;

상기 수신된 신호를 기저대역의 신호 및 디지털 신호로 변환하는 단계와;

상기 변환된 디지털 신호의 빔 형성 및 역확산을 위하여 칩 레벨의 DPCCH를 생성하고 이 것을 이용해서 칩 레벨의 DPCCH 및 DPDCH를 추정하는 단계와;

상기 칩 레벨의 DPCCH 및 DPDCH에 대하여 빔 형성을 실행하는 단계와;

상기 빔 형성된 신호를 각각 DPCCH 및 DPDCH 채널 코드로 역확산하여 각 채널의 심볼 레벨의 신호를 추출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 역방향 채널 신호 처리방법.
제 13항에 있어서,

상기 웨이트 벡터w는,w= (R_xx ^DPCCH)^-1 r _xc[R_xx ^DPCCH는 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH 채널 코드로 역확산하기 전의 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터x ^DPCCH의 자기 상관 행렬,r _xc= E｛c^H x ^DPCCH｝, c는 미리 알고 있는 칩 레벨의 DPCCH신호]로 표현되고,

이 웨이트 벡터w를,

w(k+1) = (r _xc- R_xx ^DPCCHo w(k))(R_xx ^DPCCHd)^-1[k는 웨이트 벡터 갱신 인덱스, R_xx ^DPCCHd는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬, R_xx ^DPCCHo는 R_xx ^DPCCH의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬]의 연산을 통해서 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 역방향 채널 신호 처리방법.
제 14항에 있어서,

상기w(k+1) = (r _xc- R_xx ^DPCCHo w(k))(R_xx ^DPCCHd)^-1를 R_xx ^DPCCH= fR_xx ^DPCCH+xx ^H[f는 망각 인자, 0 ≤f ≤1]의 연산을 실행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 15항에 있어서,

상기 망각 인자 f를 '0'으로 설정하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 역방향 채널 신호 처리방법.
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