KR100424537B1

KR100424537B1 - 적응 안테나 어레이 를 이용한 빔 형성 방법

Info

Publication number: KR100424537B1
Application number: KR10-2001-0020868A
Authority: KR
Inventors: 심동희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2004-03-27
Also published as: KR20020081516A

Abstract

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

본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 모두 이용하거나, 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호만을 이용한 심볼 레벨의 빔 형성방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여,역확산한후의 신호를 이용해서 칩 레벨의 빔 형성이 이루어지거나, 역확산 전의 신호를 이용해서 칩 레벨의 빔 형성이 이루어질 수 있도록 한 빔 형성방법을 제공한다.

Description

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

본 발명은 적응 안테나 어레이가 설치된 WCDMA 시스템에 있어서, 기지국 시스템에서의 빔 형성(Beamforming) 방법과 그 장치에 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 DPDCH(Dedicated Physical Data CHannel)를 위한 심볼 레벨(symbol level)의 빔 형성이 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 모두 이용하여 이루어지는 방법과, 역확산한 후의 신호만을 이용하여 심볼 레벨의 빔 형성이 이루어지는 방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 안테나 어레이를 사용하는 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이를 위한 빔 형성 모듈로서, WCDMA 시스템에서 DPCCH(Dedicated Physical Control CHannel)를 이용한 빔 형성 모듈에 관한 것이다.

또한 본 발명은 안테나 어레이를 사용하는 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이를 위한 빔 형성 모듈로서, WCDMA 시스템에서 역확산 후의 신호를 이용해서 칩 레벨(chip level)의 빔 형성을 실행하는 방법과, 역확산하기 전의 신호만을 이용해서 칩 레벨의 빔 형성을 실행하는 방법에 관한 것이다.

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 알고리즘 모듈(104a)을 이용하여 실시하는 공간 처리를 동시에 수행하기 위한 2차원 갈퀴 수신기에 해당하는 빔 형성기(beamformer)(104)로 구성되고 있다.

한편, 도1에서는 도시 생략되었으나 A/D 컨버터를 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 포함하여 기지국의 신호처리 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 역확산하기전의 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 이용해서 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 행렬을R _xx라고 하고 벡터y의 자기 상관 행렬을R _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 알고리즘은R _yy w= λR _xx w를 풀기 위해 우선R _xx가 정(+)의 유한 매트릭스(Positive Definite Matrix)라는 성질을 이용해서 행렬 분해를 하였다. 행렬 분해를 하는 이유는 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)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 거친R _xx를R _xx=R _xx ^H/2 R _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 거친R _xx를 상기R _yy w= λR _xx w에 대입하면R _yy w= λR _xx R _xx ^1/2 w로 쓸 수 있고, 하나의 행렬로 정리하기 위해서 다음의 두 단계를 거친다.

즉,R _xx ^-H/2 R _yy w= λR _xx ^1/2 w, 그리고R _xx ^-H/2 R _yy R _xx ^-1/2 R _xx ^1/2 w= λR _xx ^1/2 w.

여기서R _xx ^-H/2 R _yy R _xx ^-1/2=B로 치환하고,R _xx ^1/2 w=a로 치환하여 정리하면B a=λa로 일반화된 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)가 정리된다.

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

즉,c _m+1=B c _m/｜B c _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 같이a에R _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.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 실시간으로 생성할 수 있는 심볼 레벨의 빔 형성 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 모두 이용한 DPDCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호만을 이용한 DPDCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, DPCCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, DPCCH에서 구한 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용하여 심볼 레벨의 빔을 형성하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 생성하기 위하여, 역확산한 후의 신호를 이용해서 칩 레벨의 빔 형성이 이루어질 수 있도록 한 빔 형성방법을 제공한다.

또한 본 발명은 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 시스템에서 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 형성하기 위하여, 역확산 전의 신호를 이용해서 칩 레벨의 빔 형성이 이루어질 수 있도록 한 빔 형성방법을 제공한다.

도1은 종래의 빔 형성방법을 설명하기 위한 블럭도

도2는 WCDMA 시스템의 채널 구조를 나타낸 도면

도3은 WCDMA 시스템의 역방향 신호 확산방법을 설명하기 위한 도면

도4는 본 발명에서 심볼 레벨에서 빔 형성을 실시하는 경우의 빔 형성 모듈의 구조를 나타낸 도면

도5는 본 발명에서 칩 레벨에서 빔 형성을 실시하는 경우의 빔 형성 모듈의 구조를 나타낸 도면

본 발명을 적용하기 위한 WCDMA 시스템의 채널 구조부터 설명한다.

도2에 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 나르는피이드백(feedback) 신호인 FBI(FeedBack Information)(N_FBIbits), 전력 제어(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).

도3은 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.

도3에서 알 수 있는 바와 같이 DPCCH는 DPCH의 직교 성분에만 전송하는 것으로 되어 있다. s_dpch(t)는 DPCH 전체의 스크램블링 코드를 나타낸다.

본 발명에서는 적응 안테나 어레이를 적용한 WCDMA 기지국 시스템에서 빔 형성을 심볼 레벨에서 실행하거나 칩 레벨에서 실행한다. 심볼 레벨에서 빔 형성을 실행하는 경우는 WCDMA 시스템의 DPCCH와 DPDCH의 빔 형성을 각각 실행하여 그 채널의 특성에 맞는 빔 형성을 실시하며, 칩 레벨의 빔 형성을 실행하는 경우는 DPCCH 및 DPDCH를 빔 형성 전에 분리할 수 없기 때문에 미리 DPCCH 및 DPDCH가 합하여진 칩 레벨의 신호에 대해서 빔 형성을 실행한 후, DPCCH 및 DPDCH를 각각의 채널의 코드로 분리하는 방법을 사용한다.

따라서, 지금부터는 본 발명을 심볼 레벨에서의 빔 형성의 실시예와, 칩 레벨에서의 빔 형성의 실시예로 나누어 설명한다.

[심볼 레벨의 빔 형성방법]

심볼 레벨에서의 빔 형성은 앞서 설명한 바와 같이 WCDMA 시스템의 DPCCH와 DPDCH의 빔 형성을 각각 실시하여 그 채널의 특성에 맞는 빔 형성을 실시하는 스마트 모뎀 구조에 해당한다.

이 경우는 DPDCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성 방법과 DPCCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성 방법, DPCCH에서 구한 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용하는 방법으로 나누어 설명한다.

먼저, 본 발명의 심볼 레벨에서의 빔 형성 모듈을 포함하는 전체 구조를 도4를 참조하여 살펴본다.

본 발명은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현하는데 있어서, 안테나 어레이(401)와, 상기 안테나 어레이로 수신된 초고주파 신호를 기저대역 신호로 전환하는 주파수 다운 컨버터(402)와, 상기 주파수 다운 컨버터의 출력 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D컨버터(403)와, DPCCH 및 DPDCH에 대해 각각 수개의 핑거(finger)로 이루어져서, 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단(단말기)에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해서 약속된 코드를 곱하여 역확산을 수행하는 역확산기(DPDCCH despreader) (DPDCH despreader)를 포함하는 역확산부(404)와, 심볼 레벨의 빔 형성을 실시하는 심볼 레벨 빔 형성부(405)와, 상기 각 핑거(finger)의 출력을 합산하여 주기 위한 합산부(406, 407)와, 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 SIR 추정부(408)를 포함하여 이루어지고 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 빔 형성 모듈에 따른 빔 기지국에서의 신호처리 과정을 도4를 참조하여 설명한다.

안테나 어레이(401)를 통해서 수신된 초고주파 신호는 주파수 다운 컨버터(402)에 의해서 기저 대역의 신호로 변환되고, 기저 대역으로 변환된 신호는A/D컨버터(403)에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 변환된 I,Q신호는 빔 형성과 역확산 등을 위하여 스마트 모뎀부(Smart Modem Structure)에 입력된다.

스마트 모뎀부의 역확산부(404)는 DPCCH 역확산기와 DPDCH 역확산기, 그리고 채널 정보 추정기를 포함하여, 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해 약속된 코드를 곱하여 역확산을 실행한다. 이 역확산 방법은 앞서 설명한 도3을 참조하기로 한다.

심볼 레벨의 빔 형성부(405)는 상기 각 핑거(finger1 - fingerK)들에 대해서 역확산되기 전,후의 신호나 역확산 후의 신호를 입력으로 하여 심볼 레벨의 데이터 채널(data channel)과 파일럿 채널(pilot channel)의 빔 형성을 실행하고, 빔 형성된 심볼 레벨의 신호(beamformed finger N pilot signal ∼ beamformed finger N data signal, N=1,2,3,...,K)를 출력한다.

한편, 도4에서 합산부(406, 407)는 각각 파일럿 채널(pilot channel)과 데이터 채널(data channel)을 위하여 각 핑거의 출력을 합산하고, SIR추정부(408)는 상기 파일럿 채널을 위한 핑거 출력의 합산 결과로부터 TPC(Transmit Power Control)를 위한 신호대 간섭 잡음비(SIR)를 추정한다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 도2와 같은 WCDMA 채널 구조를 기반으로 하는 코드분할 다중접속 시스템에서 빔 형성을 위하여 심볼 레벨 빔 형성을 이루고 있다.

상기한 바와 같이 심볼 레벨에서의 빔 형성을 실시하는 방법을 DPDCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성 방법과 DPCCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성 방법, DPCCH에서구한 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용하는 방법으로 나누어 상세히 설명하면 다음과 같다.

[심볼 레벨의 빔 형성방법/DPDCH]

상기한 바와 같이 단말기에서 DPCH를 통해 전송되는 신호(역방향 신호)를 기지국에서 수신한 신호, 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) 즉, 단말기가 기지국으로 전송한 역방향 채널의 신호를 역확산하고 원래의 전송신호를 복원하면서 스마트 안테나가 적용된 WCDMA 모뎀에서 빔 형성을 실시하기 위해서 다음과 같은 절차를 수행한다.

우선, 스크램블링 코드로 암호화된 신호에서 스크램블링 코드를 벗겨내기 위해서 약속된 스크램블 코드를 곱한다. 이렇게 해서 디스크램블된 신호에서 DPCCH 및 DPDCH 채널 코드를 각각 다시 곱하여 DPCCH 및 DPDCH 원래 신호를 복원해낸다.

이 때 본 발명에서는 DPCCH와 DPDCH 각각의 채널 특성 및 신호의 성격을 고려하여 각각의 채널에 빔 형성을 실행하도록 하며, DPCCH와 DPDCH에 대해서 각각 수개의 같은 수의 핑거를 두고 각 핑거의 출력 신호에 대해 빔 형성을 실시한 후, 수 개의 빔 형성된 핑거 출력신호를 나중에 다시 조합(combining)하는 구조이다(도4 참조). 물론 여기서 DPCCH와 DPDCH에 대해 각각의 핑거가 존재하며, 그 각각의 채널의 핑거에 적용하는 알고리즘도 다르다.

다시 말하자면, WCDMA 시스템의 역방향 채널의 DPCCH의 SF(Spreading Factor)는 256으로 항상 고정되어 있고, 이에 비하여 역방향 채널의 DPDCH의 SF는프레임(frame) 단위로 변할 수 있도록 유동적인 것이 특징이므로 두 채널의 이와 같이 서로 다른 특성에도 불구하고 동일한 빔 형성 알고리즘을 적용하는 것은 두 채널의 특성을 충분하게 이용하지 못하는 것이 된다.

또한, DPCCH에서 빔 형성을 실시하기 위해 계산된 안테나 어레이의 웨이트 벡터를 DPDCH에 적용하거나 DPDCH에서 빔 형성을 실시하기 위해 계산된 안테나 어레이의 웨이트 벡터를 DPDCH에 적용하는 것도 두 채널의 특성을 충분하게 이용하지 못하게 된다. 아울러, DPCCH에는 WCDMA 역방향 채널의 송신기(단말기)와 수신기(기지국) 공히 알고 있는 파일럿 심볼(pilot symbol)을 포함하고 있으므로 이 것을 이용할 수 있지만, DPDCH 채널의 경우에는 달리 파일럿 심볼이 전송되지 않기 때문에 파일럿 심볼을 이용할 수 없다. 즉, DPCCH의 경우 파일럿 심볼이 존재함으로 인해 기존의 원하는 신호를 미리 알고 있을 때(즉, 송신기에서 송신하는 신호를 미리 알고 있을 때)의 빔 형성 알고리즘은 잘 알려진 Wiener's solution을 변형하여 적용할 수 있다. 이에 비해 DPDCH의 경우는 파일럿 심볼이 없기 때문에 Wiener's solution을 사용하는 것에는 무리가 따르므로 다른 알고리즘을 사용해야 한다.

따라서, 본 발명에서는 심볼 레벨 빔 형성일 경우 DPDCH와 DPCCH, 두 채널의 특성을 고려하여 각각의 채널에 대해 빔 형성 알고리즘을 실시한다.

이와 같이 DPDCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성은 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 모두 이용하는 방법과, 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호만을 이용하는 방법이 있다.

[심볼 레벨 빔 형성방법/DPDCH...역확산 전,후 신호를 모두 이용하는 방법]

이 방법은 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전과 후의 신호를 모두 이용하는 방법으로서, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 각 안테나에서 수신된 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를x라고 하고, 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호들을 벡터로 구성한 신호를 신호 벡터y라고 하고, 이 때 벡터x의 자기 상관 행렬을R _xx라고 하고 벡터y의 자기 상관 행렬을R _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.

여기서R _xx를 각각 그R _xx의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어R _yy w= λ(R _xx ^D+R _xx ^O ₎ w로 표현할 수 있다. 여기서R _xx ^D는R _xx의 대각 부분을 가진 행렬, 즉R _xx의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고R _xx ^O는R _xx의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

상기R _yy w= λ(R _xx ^D+R _xx ^O ₎ w를 다시 정리하면R _yy w- λR _xx ^O w= λR _xx ^D w로 표현할 수 있고, 여기서R _xx ^D의 역행렬 (R _xx ^D)^-1을 양변에 곱하여R _yy w- λR _xx ^O w=λR _xx ^D w를 (R _yy- λR _xx ^O)(R _xx ^D)^-1 w= λw로 정리한다.

여기서 λ= (w ^H R _yy w)/(w ^H R _xx w)(H는 hermitian 연산을 의미)로 구할 수 있고, 이 것을 이용해서 상기 (R _yy- λR _xx ^O)(R _xx ^D)^-1 w= λw에서 웨이트 벡터w는,w= [(R _yy(R _xx ^D)^-1- λR _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w]/[λ]로 표현될 수 있다.

그런데, 이동 통신 상황에서 적응 안테나 어레이에 사용할 웨이트 벡터w는 계속 갱신되어야 하고, 이동체를 추적할 수 있어야 하기 때문에 지금까지의 웨이트 벡터w를 구하는 방법은 웨이트 벡터 갱신 인덱스 k를 고려하여w(k+1) = [(R _yy(R _xx ^D)^-1- λR _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]로 표현될 수 있다.

즉, 초기의 웨이트 벡터를 설정하여 갱신 인덱스 k를 고려한w(k+1) = [(R _yy(R _xx ^D)^-1- λR _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]의 연산을 통해 계속 갱신하게 함으로써 수렴된 웨이트 벡터를 구할 수 있고, 각 신호원(단말기)의 이동을 추적하여 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 제공할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구해진 웨이트 벡터w를 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호들을 벡터로 구성한 신호를 신호 벡터y와 복소 내적을 취하여 안테나 어레이 출력, z_y를 z_y=w ^H y로 구할 수 있다.

지금까지 설명한 DPDCH를 위한 심볼 레벨 빔형성 방법(역확산 전후의 신호를 모두 이용한 방법)에서R _xx,R _yy를 구하기 위해R _xx= fR _xx+xx ^H,R _yy= fR _yy+yy ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

일반적으로R _xx,R _yy는 상기한 바와 같이 망각인자 f를 두어 평균을 취해야 우리가 원하는R _xx,R _yy를 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.

한편, 앞에서는R _xx를 각각R _xx의 대각 부분과 대각 부분을 제외한 나머지 부분으로 나누어 상기 절차를 실시하였으나,R _yy를 각각R _yy의 대각 부분과 대각 부분을 제외한 나머지 부분으로 나누어 상기 절차를 실시할 수도 있다. 이 과정을 설명한다.

R _yy w= λR _xx w에서R _yy를 각각 그R _yy의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어 (R _yy ^D+R _yy ^O ₎ w= λR _xx w로 표현할 수 있다. 여기서R _yy ^D는R _yy의 대각 부분을 가진 행렬, 즉R _yy의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고R _yy ^O는R _yy의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

상기 (R _yy ^D+R _yy ^O ₎ w= λR _xx w를 다시 정리하면R _yy ^D w= λR _xx w-R _yy ^O w로 표현할 수 있고, 여기서R _yy ^D의 역행렬 (R _yy ^D)^-1을 양변에 곱하여R _yy ^D w= λR _xx w-R _yy ^O w를 (λR _xx-R _yy ^O)(R _yy ^D)^-1 w=w로 정리한다.

여기서 λ= (w ^H R _yy w)/(w ^H R _xx w)(H는 hermitian 연산을 의미)로 구할 수 있다.

그런데, 이동 통신 상황에서 적응 안테나 어레이에 사용할 웨이트 벡터w는 계속 갱신되어야 하고, 이동체를 추적할 수 있어야 하기 때문에 지금까지의 웨이트 벡터w를 구하는 방법은 웨이트 벡터 갱신 인덱스 k를 고려하여w(k+1) = (λR _xx-R _yy ^O)(R _yy ^D)^-1 w(k)로 표현될 수 있다.

즉, 초기의 웨이트 벡터를 설정하여 갱신 인덱스 k를 고려한w(k+1) = (λR _xx-R _yy ^O)(R _yy ^D)^-1 w(k)의 연산을 통해 계속 갱신하게 함으로써 수렴된 웨이트 벡터를 구할 수 있고, 각 신호원(단말기)의 이동을 추적하여 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 제공할 수 있게 되는 것이다.

물론 이 경우에 있어서도R _xx,R _yy를 구하기 위해R _xx= fR _xx+xx ^H,R _yy= fR _yy+yy ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

[심볼 레벨 빔 형성방법/DPDCH...역확산 후의 신호만 이용하는 방법]

이 방법은 역확산한 후의 신호만을 이용해서 DPDCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성방법으로서, 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 각 안테나에서 수신된 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를y라고 하고, 이 때 벡터y의 자기 상관 행렬을R _yy라고 하면, 각 안테나 소자에 곱해 주어야 할 복소 이득으로 구성된 웨이트 벡터,w를 구하는 식은 다음과 같이 고유치 문제(eigenvalue problem)가 된다.

즉,R _yy w= λw이다.

R _yy w= λw에서R _yy를 각각 그R _yy의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어 (R _yy ^D+R _yy ^O ₎ w= λw로 표현할 수 있다. 여기서R _yy ^D는R _yy의 대각 부분을 가진 행렬, 즉R _yy의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고R _yy ^O는R _yy의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

상기 (R _yy ^D+R _yy ^O ₎ w= λw를 다시 정리하면R _yy ^D w= λw-R _yy ^O w로 표현할 수 있고, 여기서R _yy ^D의 역행렬 (R _yy ^D)^-1을 양변에 곱하여R _yy ^D w= λw-R _yy ^O w를w= (λw-R _yy ^O w)(R _yy ^D)^-1로 정리하고 이 것을 다시w= [ λ(R _yy ^D)^-1 w-R _yy ^O w(R _yy ^D)^-1]/[λ]로 정리할 수 있다.

여기서 λ=w ^H R _yy w(H는 hermitian 연산을 의미)로 구할 수 있다.

그런데, 이동 통신 상황에서 적응 안테나 어레이에 사용할 웨이트 벡터w는 계속 갱신되어야 하고, 이동체를 추적할 수 있어야 하기 때문에 지금까지의 웨이트 벡터w를 구하는 방법은 웨이트 벡터 갱신 인덱스 k를 고려하여w(k+1) =[(λ(R _yy ^D)^-1-R _yy ^O(R _yy ^D)^-1)w(k)]/[λ]로 표현될 수 있다.

즉, 초기의 웨이트 벡터를 설정하여 갱신 인덱스 k를 고려한w(k+1) = [(λ(R _yy ^D)^-1-R _yy ^O(R _yy ^D)^-1)w(k)]/[λ]의 연산을 통해 계속 갱신하게 함으로써 수렴된 웨이트 벡터를 구할 수 있고, 각 신호원(단말기)의 이동을 추적하여 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 제공할 수 있게 되는 것이다.

물론 이 경우에 있어서도R _yy를 구하기 위해R _yy= fR _yy+yy ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

일반적으로R _yy는 상기한 바와 같이 망각인자 f를 두어 평균을 취해야 우리가 원하는R _yy를 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.

[심볼 레벨 빔 형성방법/DPCCH]

DPCCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성방법에서는 DPCCH의 경우 송신단과 수신단에서 공히 미리 알고 있는 파일럿 심볼이 있기 때문에 기존의 원하는 신호를 미리 알고 있을 경우 빔 형성을 실시하는데 이용할 수 있는 Wiener's solution을 이용할 수 있다.

이 경우에 있어서 웨이트 벡터w를 위한 Wiener's solution은w= (R _yy ^DPCCH)^-1 r _yd로 나타낼 수 있다.

이 때 각 안테나에서 미리 알고 있는 DPCCH channelization 코드로 역확산한 후의 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를y ^DPCCH라고 정의한다. 이 벡터y ^DPCCH의 자기 상관 행렬을R _yy ^DPCCH라고 정의한다. 아울러r _yd= E｛d^H y ^DPCCH｝라고 정의되며 이 때 d는 미리 알고 있는 칩 레벨의 DPCCH신호를 나타내고 E는 평균치를 나타낸다.

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

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

일단 상기w= (R _yy ^DPCCH)^-1 r _yd를 (R _yy ^DPCCH)w=r _yd로 정리하고,R _yy ^DPCCH를 각각 그R _yy ^DPCCH의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어 다음과 같이표현할 수 있다.

(R _yy ^DPCCHd+R _yy ^DPCCHo)w=r _yd. 여기서R _yy ^DPCCHd는R _yy ^DPCCH의 대각 부분을 가진 행렬, 즉R _yy ^DPCCH의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고R _yy ^DPCCHo는R _yy ^DPCCH의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

따라서, 상기 (R _yy ^DPCCHd+R _yy ^DPCCHo)w=r _yd는R _yy ^DPCCHd w=r _yd-R _yy ^DPCCHo w로 다시 쓸 수 있고, 여기서R _yy ^DPCCHd의 역행렬을 양변에 곱하여 정리하면w= (r _yd-R _yy ^DPCCHo w)(R _yy ^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 _yd-R _yy ^DPCCHo w)(R _yy ^DPCCHd)^-1로부터 다음과 같이 요약할 수 있다.

즉,w(k+1) = (r _yd-R _yy ^DPCCHo w(k))(R _yy ^DPCCHd)^-1

여기서 k는 웨이트 벡터 갱신 인덱스이다.

이 절차에서R _yy ^DPCCH를 구하기 위해R _yy ^DPCCH= fR _yy ^DPCCH+y ^DPCCH+y ^DPCCHh의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

일반적으로R _yy ^DPCCH는 상기한 바와 같이 망각인자 f를 두어 평균을 취해야 우리가 원하는R _yy ^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.

[심볼 레벨 빔 형성방법/DPCCH 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용]

DPCCH에서 구한 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용하는 방법이다. DPDCH의 채널의 SF(Spreading Factor) 등은 DPCCH를 역확산한 후에 알 수 있기 때문에 DPDCH 빔 형성은 DPCCH를 확인한 후에야 실시할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 불편함을 없애기 위해서 DPCCH 내의 파일럿 심볼을 이용한 빔 형성 절차를 이용해서 DPCCH에서 구한 웨이트 벡터를 DPDCH에 그대로 적용하는 것이다. 물론 이 경우에는 앞에서 설명한 DPCCH를 위한 심볼 레벨의 빔 형성방법을 그대로 사용해서 웨이트 벡터를 구하며, 이렇게 구해진 웨이트 벡터를 DPDCH의 웨이트 벡터로 그대로 사용해서 DPDCH의 빔 형성을 실시하는 것이다.

[칩 레벨 빔 형성방법]

칩 레벨의 빔 형성을 실시간으로 실행하기 위해서는 심볼 레벨의 빔 형성 알고리즘과는 달리 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산 후의 신호를 이용할 수 없다.

그리고, 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호를 이용하려면 미리 알고 있는 코드로 역확산하는데 걸리는 시간과, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호를 이용하여 빔 형성을 위해 웨이트 벡터를 계산하는데 걸리는 시간을 합한 시간 지연이 불가하다.

또한 칩 레벨 빔 형성에서 역확산한 후의 신호를 이용하고자 하면, 먼저 역확산을 한번 실행하여 해당 벡터y를 구한 후, 다시 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 이용하여 빔 형성을 위한 웨이트 벡터를 구하고 그 웨이트 벡터와 역확산 전의 신호 벡터x와 내적을 취하여 칩 레벨의 신호를 복원한 다음, 다시 각 핑거에서 역확산 과정을 거쳐서 각 핑거의 출력신호를 조합(combining)해야 하는 번거로움이 따른다.

그러므로 본 발명에 따른 칩 레벨의 빔 형성도 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호를 이용하는 방법과, 역환산하기 전의 신호만을 이용한 칩 레벨의 빔 형성방법으로 나눌 수 있다.

먼저, 본 발명의 칩 레벨에서의 빔 형성 모듈을 포함하는 전체 구조를 도5를 참조하여 살펴본다.

본 발명은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현하는데 있어서, 안테나 어레이(501)와, 상기 안테나 어레이로 수신된 초고주파신호를 기저대역 신호로 전환하는 주파수 다운 컨버터(502)와, 상기 주파수 다운 컨버터의 출력 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 주는 A/D컨버터(503)와, 칩 레벨의 빔 형성을 실시하는 칩 레벨 빔 형성부(504)와, DPCCH 및 DPDCH에 대해 각각 수개의 핑거(finger)로 이루어져서, 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단(단말기)에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해서 약속된 코드를 곱하여 역확산을 수행하는 역확산기(DPDCCH despreader)(DPDCH despreader) 및 채널 추정기를 포함하는 역확산부(505)와, 상기 각 핑거(finger)의 출력을 합산하여 주기 위한 합산부(506, 507)와, 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 SIR 추정부(508)를 포함하여 이루어지고 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 빔 형성 모듈에 따른 빔 기지국에서의 신호처리 과정을 도5를 참조하여 설명한다.

안테나 어레이(501)를 통해서 수신된 초고주파 신호는 주파수 다운 컨버터(502)에 의해서 기저 대역의 신호로 변환되고, 기저 대역으로 변환된 신호는 A/D컨버터(503)에서 디지털 신호로 변환된다. 디지털 변환된 I,Q신호는 빔 형성과 역확산 등을 위하여 스마트 모뎀부(Smart Modem Structure)에 입력된다.

스마트 모뎀부의 칩 레벨 빔 형성부(504)는 상기 각 핑거(finger1 - fingerN)들에 대해서 역확산한 후의 신호 혹은 역확산되기 전의 신호를 입력으로 하여 칩 레벨의 빔 형성을 실행하고, 빔 형성된 칩 레벨의 신호(beamformed finger N signal; N=1,2,3,...,K)를 출력한다.

그리고, 스마트 모뎀부의 역확산부(505)는 DPCCH 역확산기와 DPDCH 역확산기, 그리고 채널 정보 추정기를 포함하여, 송신단과 수신단에서 약속된 코드를 미리 알고 송신단에서 미리 곱하여진 코드를 벗겨내기 위해 약속된 코드를 곱하여 역확산을 실행한다. 이 역확산 방법은 앞서 설명한 도3을 참조하기로 한다.

한편, 도5에서 합산부(506, 507)는 각각 파일럿 채널(pilot channel)과 데이터 채널(data channel)을 위하여 각 핑거의 출력을 합산하고, SIR추정부(508)는 상기 파일럿 채널을 위한 핑거 출력의 합산 결과로부터 TPC(Transmit Power Control)를 위한 신호대 간섭 잡음비(SIR)를 추정한다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 도2와 같은 WCDMA 채널 구조를 기반으로 하는 코드분할 다중접속 시스템에서 빔 형성을 위하여 칩 레벨 빔 형성을 이루고 있다.

상기한 바와 같이 칩 레벨에서의 빔 형성을 실시하는 방법을 역확산 후의 신호를 이용하여 칩 레벨 빔 형성을 실행하는 경우와, 역환산 전의 신호만을 이용하여 칩 레벨 빔 형성을 실행하는 경우로 각각 나누어 설명한다.

[칩 레벨 빔형성 방법/역확산 후의 신호를 이용하는 방법]

이 방법은 DPCCH 및 DPDCH의 역확산된 신호를 이용하는 경우로서, 칩 레벨의 빔 형성이라고 하더라도 역확산에 걸리는 시간을 감안하여 DPCCH 및 DPDCH 채널 각각에 대한 빔 형성을 실행할 수 있는 방법이다.

그러나 실질적으로는 칩 레벨에서 DPCCH 및 DPDCH를 분리할 수 없기 때문에 칩 레벨의 신호는 DPDCH 및 DPCCH 채널이 합하여진 칩 레벨의 신호를 이용하고, 심볼 레벨의 신호는 DPCCH 및 DPDCH 각각을 분리한 신호를 이용할 수 있다. 이 경우의 칩 레벨 빔 형성에는 역확산한 후의 신호를 각각 DPCCH 및 DPDCH를 따로 이용해서 각각 다르게 빔 형성을 실행할 수 있다.

역확산 후의 신호를 이용하여 칩 레벨 빔 형성을 실시하는 방법을 설명한다.

미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 각 안테나에서 수신된 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를x라고 하고, 각 안테나에서 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호들을 벡터로 구성한 신호를 신호 벡터y(여기서y는 DPCCH 빔 형성시에는 DPCCH 역확산 신호가 되고, DPDCH 빔 형성시에는 DPDCH 역확산 신호가 된다)라고 하고, 이 때 벡터x의 자기 상관 행렬을R _xx라고 하고 벡터y의 자기 상관 행렬을R _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.

상기R _yy w= λ(R _xx ^D+R _xx ^O ₎ w를 다시 정리하면R _yy w- λR _xx ^O w= λR _xx ^D w로 표현할 수 있고, 여기서R _xx ^D의 역행렬 (R _xx ^D)^-1을 양변에 곱하여R _yy w- λR _xx ^O w= λR _xx ^D w를 (R _yy- λR _xx ^O)(R _xx ^D)^-1 w= λw로 정리한다.

이와 같이 구해진 웨이트 벡터w를 상기 신호 벡터x와 복소 내적을 취하여안테나 어레이 출력, z_x를 z_x=w ^H x로 구할 수 있다.

이 z_x를 이용해서 다시 각 핑거에서 역확산을 거쳐서 각 핑거의 출력을 조합하여 원하는 출력을 구할 수 있다. 물론 이 경우에 DPCCH 및 DPDCH는 각각 분리하여 역확산을 실행한다.

지금까지 설명한 칩 레벨 빔형성 방법(역확산 후의 신호를 이용한 방법)에서R _xx,R _yy를 구하기 위해R _xx= fR _xx+xx ^H,R _yy= fR _yy+yy ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

즉, 초기의 웨이트 벡터를 설정하여 갱신 인덱스 k를 고려한w(k+1) =(λR _xx-R _yy ^O)(R _yy ^D)^-1 w(k)의 연산을 통해 계속 갱신하게 함으로써 수렴된 웨이트 벡터를 구할 수 있고, 각 신호원(단말기)의 이동을 추적하여 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 제공할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 칩 레벨의 빔형성이 이루어지므로 칩 레벨 신호 벡터인x벡터를 이용해서 안테나 어레이 출력을 구해야 한다. 따라서, 상기한 바와 같이 구해진 웨이트 벡터w를 상기 신호 벡터x와 복소 내적을 취하여 안테나 어레이 출력, z_x를 z_x=w ^H x로 구할 수 있다.

[칩 레벨 빔 형성방법/역확산 전의 신호만 이용하는 방법]

이 방법은 역확산하기 전의 신호만을 이용해서 칩 레벨의 빔을 형성하는 방법으로서, 역확산 후의 신호를 이용하지 않기 때문에 DPCCH 및 DPDCH를 분리하여 고려할 필요가 없다. 따라서, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 각 안테나에서 수신된 신호들을 벡터로 구성한 신호 벡터를x라고 하고, 이 때 벡터x의 자기 상관 행렬을R _xx라고 하면, 각 안테나 소자에 곱해 주어야 할 복소 이득으로 구성된 웨이트 벡터,w를 구하는 식은 다음과 같이 고유치 문제(Generalized eigenvalue problem)가 된다.

즉,R _xx w= λw이다.

R _xx w= λw에서R _xx를 각각 그R _xx의 대각(diagonal) 부분과 대각 부분을 제외한 부분으로 나누어 (R _xx ^D+R _xx ^O ₎ w= λw로 표현할 수 있다. 여기서R _xx ^D는R _xx의 대각 부분을 가진 행렬, 즉R _xx의 대각 부분을 취하고 나머지 부분은 모두 '0'인 행렬이고R _xx ^O는R _xx의 대각 부분을 제외한 부분을 취하고 나머지 대각 부분은 모두 '0'인 행렬을 각각 나타낸다.

상기 (R _xx ^D+R _xx ^O ₎ w= λw를 다시 정리하면R _xx ^D w= λw-R _xx ^O w로 표현할 수 있고, 여기서R _xx ^D의 역행렬 (R _xx ^D)^-1을 양변에 곱하여R _xx ^D w= λw-R _xx ^O w를w=(λw-R _xx ^O w)(R _xx ^D)^-1로 정리하고 이 것을 다시w= [ λ(R _xx ^D)^-1 w-R _xx ^O w(R _xx ^D)^-1]/[λ]로 정리할 수 있다.

여기서 λ=w ^H R _xx w(H는 hermitian 연산을 의미)로 구할 수 있다.

그런데, 이동 통신 상황에서 적응 안테나 어레이에 사용할 웨이트 벡터w는 계속 갱신되어야 하고, 이동체를 추적할 수 있어야 하기 때문에 지금까지의 웨이트 벡터w를 구하는 방법은 웨이트 벡터 갱신 인덱스 k를 고려하여w(k+1) = [(λ(R _xx ^D)^-1-R _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]로 표현될 수 있다.

즉, 초기의 웨이트 벡터를 설정하여 갱신 인덱스 k를 고려한w(k+1) = [(λ(R _xx ^D)^-1-R _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]의 연산을 통해 계속 갱신하게 함으로써 수렴된 웨이트 벡터를 구할 수 있고, 각 신호원(단말기)의 이동을 추적하여 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 제공할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구해진 웨이트 벡터w를 상기 신호 벡터x와 복소 내적을 취하여 안테나 어레이 출력, z_x를 z_x=w ^H x로 구할 수 있다.

이 z_x를 이용해서 다시 각 핑거에서 역확산을 거쳐서 각 핑거의 출력을 조합함으로써 원하는 출력을 구할 수 있다.

물론 이 경우에 있어서도R _xx를 구하기 위해R _xx= fR _xx+xx ^H의 연산을 실시한다. 여기서 f는 망각인자로서 '0'과 '1' 사이의 값으로 선택한다.

일반적으로R _xx는 상기한 바와 같이 망각인자 f를 두어 평균을 취해야 우리가 원하는R _xx를 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.

지금 까지 설명한 칩 레벨 빔 형성의 실시예에서 칩 속도가 비교적 빠르므로 칩 단위로 모두 웨이트 벡터를 구하는 속도를 DSP(Digital Signal Processor)가 지원하지 못할 경우 DSP가 허용하는 속도 안에서 수 개의 칩 마다 한번씩 웨이트 벡터를 구하는 방법도 가능할 것이다.

본 발명은 CDMA 시스템을 위한 적응 안테나 어레이를 구현하는데 반드시 필요한 빔 형성을 위한 알고리즘을 고속 실시간 처리가 가능하도록하였다.

따라서, 적응 안테나 어레이의 빔 패턴을 실시간으로 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 빔 형성기를 구현함에 있어서도 간단한 알고리즘을 적용할 수 있기 때문에 DSP의 수를 줄일 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 고속의 실시간 빔 형성이 가능하게 함으로써 채널의 변화 등에 민감하게 반응할 수 있고, 이에 따른 통신 품질 향상에 기여할 수 있다.

Claims

적응 안테나 어레이를 적용한 이동통신 시스템 기지국에서의 역방향 채널에 대한 심볼 레벨의 빔 형성 방법에 있어서,

DPCCH의 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w를 구하는 단계와,

상기 DPCCH에서 구한 웨이트 벡터w를 DPDCH에 적용하여 DPDCH에 대한 심볼 레벨의 빔 형성을 수행하는 단계를 포함하여, 상기 DPCCH 및 DPDCH의 빔 형성을 각각 실행함을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
적응 안테나 어레이를 적용한 이동통신 시스템 기지국에서의 역방향 채널에 대한 심볼 레벨의 빔 형성 방법에 있어서,

DPCCH 및 DPDCH의 빔 형성을 각각 실행하며, 상기 DPDCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w는, 미리 알고 있는 코드로 역확산하기 전의 신호와 역확산한 후의 신호를 모두 이용해서 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 웨이트 벡터w를R _yy w= λR _xx w로부터 구하기 위해서,

w(k+1) = [(R _yy(R _xx ^D)^-1- λR _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]

(여기서,x: 역확산 전의 수신된 신호들로 구성된 벡터,y: 역확산 후의 신호들로 구성된 벡터,R _xx: 벡터x의 자기 상관 행렬,R _xx ^D:R _xx의 대각 부분을 가진 행렬,R _xx ^O:R _xx의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬,R _yy: 벡터y의 자기 상관 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 웨이트 벡터w를,

w(k+1) = (λR _xx- λR _yy ^O)(R _yy ^D)^-1)w(k)

(여기서,x: 역확산 전의 수신된 신호들로 구성된 벡터,y: 역확산 후의 신호들로 구성된 벡터,R _xx: 벡터x의 자기 상관 행렬,R _yy: 벡터y의 자기 상관 행렬,R _yy ^D:R _yy의 대각 부분을 가진 행렬,R _yy ^O:R _yy의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기R _xx,R _yy를,

R _xx= fR _xx+xx ^H,R _yy= fR _yy+yy ^H(f는 망각인자)

;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 망각인자 f는 '0'에서 '1'사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 망각인자 f=0으로 선택하여 상기 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w가 구해지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
적응 안테나 어레이를 적용한 이동통신 시스템 기지국에서의 역방향 채널에 대한 심볼 레벨의 빔 형성 방법에 있어서,

DPCCH 및 DPDCH의 빔 형성을 각각 실행하며, 상기 DPDCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w는, 미리 알고 있는 코드로 역확산한 후의 신호만 이용해서 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 웨이트 벡터w를R _yy w= λw로부터 구하기 위해서,

w(k+1) = [(λ(R _yy ^D)^-1-R _yy ^O(R _yy ^D)^-1)w(k)]/[λ]

(여기서,y: 역확산 후의 신호들로 구성된 벡터,R _yy: 벡터y의 자기 상관 행렬,R _yy ^D:R _yy의 대각 부분을 가진 행렬,R _yy ^O:R _yy의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 9 항에 있어서, 상기R _yy를,

R _yy= fR _yy+yy ^H(f는 망각인자)

;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 망각인자 f는 '0'에서 '1'사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 망각인자 f=0으로 선택하여 상기 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w가 구해지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 1 항 또는 제 2항 또는 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 DPCCH를 위한 심볼 레벨 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w를w= (R _yy ^DPCCH)^-1 r _yd로부터 구하기 위하여,

w(k+1) = (r _yd-R _yy ^DPCCHo w(k))(R _yy ^DPCCHd)^-1

(여기서,y ^DPCCH는 DPCCH 채널 코드로 역확산한 후의 신호들로 구성된 벡터,R _yy ^DPCCH는 벡터y ^DPCCH의 자기 상관 행렬,R _yy ^DPCCHd:R _yy ^DPCCH의 대각 부분을 가진 행렬,R _yy ^DPCCHo:R _yy ^DPCCH의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬,r _yd= E｛d^H y ^DPCCH｝, k는 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 13 항에 있어서, 상기R _yy ^DPCCH를,

R _yy ^DPCCH= fR _yy ^DPCCH+y ^DPCCH+y ^DPCCHh(f는 망각인자)

;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 망각인자 f는 '0'에서 '1'사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 망각인자 f=0으로 선택하여 상기 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w가 구해지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
삭제
적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템 기지국에서, 역방향 채널에 대한 칩 레벨 빔 형성이 역확산 후의 신호를 이용해서 이루어지기 위한 웨이트 벡터w를R _yy w= λR _xx w로부터 구하기 위하여,

w(k+1) = [(R _yy(R _xx ^D)^-1- λR _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]

(여기서,x: 역확산 전의 수신된 신호들로 구성된 벡터,y: 역확산 후의 신호들로 구성된 벡터,R _xx: 벡터x의 자기 상관 행렬,R _yy: 벡터y의 자기 상관 행렬,R _xx ^D:R _xx의 대각 부분을 가진 행렬,R _xx ^O:R _xx의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템 기지국에서, 역방향 채널에 대한 칩 레벨 빔 형성이 역확산 후의 신호를 이용해서 이루어지기 위한 웨이트 벡터w를R _yy w= λR _xx w로부터 구하기 위하여,

w(k+1) = (λR _xx-R _yy ^O)(R _yy ^D)^-1)w(k)

(여기서,x: 역확산 전의 수신된 신호들로 구성된 벡터,y: 역확산 후의 신호들로 구성된 벡터,R _xx: 벡터x의 자기 상관 행렬,R _yy: 벡터y의 자기 상관 행렬,R _yy ^D:R _yy의 대각 부분을 가진 행렬,R _yy ^O:R _yy의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기R _xx,R _yy를,

R _xx= fR _xx+xx ^H,R _yy= fR _yy+yy ^H(f는 망각인자)

;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 20 항에 있어서, 상기 망각인자 f는 '0'에서 '1'사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 21 항에 있어서, 상기 망각인자 f=0으로 선택하여 상기 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w가 구해지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
적응 안테나 어레이를 사용한 이동통신 시스템 기지국에서, 역방향 채널에 대한 칩 레벨 빔 형성이 역확산 전의 신호만을 이용해서 이루어지기 위한 웨이트 벡터w를R _xx w= λw로부터 구하기 위하여,

w(k+1) = [λ(R _xx ^D)^-1-R _xx ^O(R _xx ^D)^-1)w(k)]/[λ]

(여기서,x: 역확산 전의 수신된 신호들로 구성된 벡터,R _xx: 벡터x의 자기 상관 행렬,R _xx ^D:R _xx의 대각 부분을 가진 행렬,R _xx ^O:R _xx의 대각 부분을 제외한 나머지 부분을 취한 행렬, k : 웨이트 벡터 갱신 인덱스) ;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 23 항에 있어서, 상기R _xx,R _yy를,

R _xx= fR _xx+xx ^H(f는 망각인자)

;의 연산을 수행하여 구하는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 24 항에 있어서, 상기 망각인자 f는 '0'에서 '1'사이의 값으로 선택되는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.
제 25 항에 있어서, 상기 망각인자 f=0으로 선택하여 상기 심볼 레벨의 빔 형성을 위한 웨이트 벡터w가 구해지는 것을 특징으로 하는 적응 안테나 어레이를 이용한 빔 형성 방법.