KR100515771B1

KR100515771B1 - 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법

Info

Publication number: KR100515771B1
Application number: KR10-2002-0044917A
Authority: KR
Inventors: 김철성; 오동진
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2005-09-23
Also published as: KR20040011791A

Abstract

본 발명은 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템의 대역폭에 따라 이동무선 환경에서 확산코드 한 칩 구간 내의 다중 경로 성분이 다수인 경우 다중경로 현상과 확산코드의 상관특성을 고려한, 자기상관함수 기울기와 위상을 고려하여 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로채널의 페이딩 영향을 보다 정확하게 반영할 수 있는 채널 시뮬레이팅 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법은, 광대역 코드분할 다중접속(W-CDMA) 시스템의 통신환경에 대응하여 다중경로 전력지연 프로파일을 선택하는 단계와, 상기 전력지연 프로파일에 따라 다중경로 신호의 지연시간을 결정하는 단계, 상기 한 칩의 범위 내에 있는 각 신호성분에 대해 확산코드의 자기 상관함수를 연산처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법{A method of multipath channel simulating for wideband code division multiple access system}

본 발명은 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이동통신 시스템의 성능을 평가하기 위한 시뮬레이션에서 이동통신 채널환경을 제공할 수 있는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법에 관한 것이다.주지된 바와 같이, 다중 경로 채널의 수신신호를 분석하기 위한 방법에 있어서는 지극히 짧은 펄스를 이동통신 채널을 통해 전송하는 경우에 도 1에 도시된 바와 같은 펄스열로 나타나게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 펄스열은 다중 경로 채널의 첫 번째 특징으로서의 시간 확산(Time Spread)을 나타내고, 두 번째 특징으로서 반사 매체의 시간적인 변동에 의해 야기되는 채널의 시간변동에 해당된다. 따라서, 펄스의 송/수신 과정을 반복하게 되는 경우에는 수신단에서 펄스크기, 펄스간의 상대적인 시간지연, 관측되는 펄스의 개수가 시간에 따라 변동하게 되는 것이다.그러나, 수신체가 천천히 이동한다고 가정하면 일정 시간동안에는 펄스열을 하나의 형태로 고정시켜 분석할 수 있다. 이러한 펄스열의 형태에서 각각의 펄스를 이동무선 환경의 다중경로 성분으로 나타내고 각 성분의 평균 전력을 기준으로 표현한 형태를 전력지연 프로파일이라 한다. 전력지연프로파일은 이동무선 환경에 따라 여러가지 형태를 갖는다.일반적으로 광대역 다중경로 채널은 하기한 수학식 1과 같이 선형 필터로 표현될 수 있다. 여기서, 은 전력 지연 프로파일(Power Delay Profile)의 l번째 요소의 전력이고, 과 은 서로 독립적인 제로-평균(Zero-Mean) 시변 복소 가우시안 프로세스의 크기로부터 얻어진 랜덤변수와 위상이다. 광대역 코드분할 다중접속 시스템(이하 'CDMA 시스템'이라 칭함)은 다중경로채널에 의한 영향을 줄이기 위한 다이버시티 방법으로 레이크 수신기능이 있다. 레이크 수신기는 서로 다른 시간지연을 가지고 있는 다중경로 신호들을 직접대역확산 특성을 이용하여 분리할 수 있는 기능을 가진 수신기이다. 그러나 확산코드 한 칩(chip: 확산코드 한 펄스의 간격) 이내의 시간지연을 갖는 다중경로 신호는 분리하지 못하고 하나의 다중경로 신호로 처리된다. CDMA 시스템의 대역폭에 따라 구분한 N-CDMA와 W-CDMA의 모의실험(시뮬레이션)을 위해 사용된 이동통신 채널모델에 대한 종래의 방식은 도 2a 및 도 2b에 도시된 전력지연 프로파일에서 확산코드의 한 칩 구간 내에 여러개의 다중 경로 성분이 존재하여도, 그 다중 경로 성분들의 평균전력을 더하여 일정한 평균 전력을 갖는 한 개의 다중 경로 성분으로 취급하였다. 예를 들어 전력지연 프로파일에서 다중경로 성분이 5개이고 첫 번째 다중경로를 기준으로 하여 CDMA 시스템의 한 칩 간격으로 구분하였을 때, 이 중 한 칩구간에 3개의 다중경로가 포함될 경우 레이크 수신기가 구분할 수 있는 다중경로는 3개가 되는 것으로 처리된다. 이는 다중경로 채널을 선형필터로 표현한 수학식 1과 같은 형태로 표시할 수 있으며, 이것을 CDMA 시스템의 채널 시뮬레이터로 지칭한다.하지만, 이러한 방식들은 실제 CDMA 시스템 수신기에서 다중경로 현상에 의한 상관기의 자기 상관 함수 기울기를 고려하지 않고 있기 때문에, 다중경로채널에 의한 영향을 정확하게 반영할 수 없다는 문제점이 있다.

삭제

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 이동무선 환경에서 CDMA 시스템의 대역폭에 따라 한 칩 구간 내의 다중 경로 성분이 다수일 때, 그 다중 경로 성분들의 평균전력을 더하여 일정한 평균 전력을 갖는 한 개의 다중 경로 성분으로 취급한 것과 달리 한 칩 구간내의 다중경로 성분에 대해 자기상관함수 기울기와 다중경로성분의 위상을 고려하여, 다중경로채널의 페이딩 영향을 보다 실제 상황에 근접하게 반영할 수 있도록 하는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법에 있어서, 광대역 코드분할 다중접속(W-CDMA) 시스템의 통신환경에 대응하여 다중경로 전력지연 프로파일을 선택하는 단계와, 상기 전력지연 프로파일에 따라 다중경로의 신호를 발생시키는 단계, 상기 전력지연 프로파일에 따라 다중경로 신호의 지연시간을 결정하는 단계, 상기 한 칩의 범위 내에 있는 각 신호성분에 대해 확산코드의 자기 상관함수를 연산처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법을 제공한다. 이 방법은 CDMA 수신신호에 대한 분석으로부터 원하는 사용자 신호와 다중접속 간섭신호 및 가우시안 잡음에 대한 특성을 고려한 결과로부터 도출된다.이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.즉, 도 3a 및 도 3b는 수신기 전체의 성능을 평가하는 시스템 레벨 시뮬레이팅 방법 중, 다중경로 채널과 CDMA 확산코드의 상관 특성에 의한 수신신호 분석기법을 통해 N-CDMA와 W-CDMA의 대역폭에 따른 다중경로의 신호성분을 분석하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바에 따르면, 이동무선 환경에 따른 전력지연 프로파일로 모델링되는 다중경로 채널에 대해, CDMA 시스템의 확산코드의 한 칩 간격에 따라 한 칩 구간 내에 존재하는 다수의 다중경로성분들에 자기상관함수(확산코드의 고유 특성값)의 기울기를 적용하고 다중경로성분들의 위상을 고려하여 이들을 페이저의 합(a', θ')으로 구현하게 된다. 그에 따라, 한 칩 구간 내에 존재하는 다중 경로 성분들이 발생시키는 페이딩에 대한 영향을 정확하게 반영할 수 있도록 한다. 시스템의 대역폭에 의해서 한 칩의 시간폭이 결정되는데, 1/대역폭이 한 칩의 시간폭이며, 확산코드와 신호(다중경로성분)를 곱했을 때 시간차가 발생하면 자기상관함수(확산코드의 고유특성값)의 기울기는 1(정규화된 값)보다 작은 값을 가진다(도 3a, 3b 참조). 즉, 다중경로성분을 한 칩 간격보다 작은 시간간격으로 지연시켜서 확산코드를 곱한 다음 적분을 취하면 자기상관함수의 기울기는 1보다 작은 값이 된다. 이러한 특성을 고려하여, 다중경로성분들에 대해 자기상관함수와 다중경로성분의 위상을 고려하여, 상관연산을 수행하면 한 칩 구간 내에 존재하는 다중 경로 성분들의 영향을 정확하게 반영할 수 있게 된다.도 4는 본 발명에 따른 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법이 적용되는 CDMA신호 수신장치의 구성을 나타낸 도면이다.도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 CDMA신호 수신장치에서는 W-CDMA 신호를 해석하기 위해서 수신된 전체 신호가 K개의 직접확산(Direct Sequence; DS) 신호의 합으로 구성되고, 각각 서로 비동기적인 것으로 하며, 코히어런트 변조방식과 전력제어 및 코드동기화가 가능한 것으로 한다. 여기에서 사용된 확산코드는 PN(pseudo noise)코드를 사용하는 것으로 가정한다.동 도면에 따른 CDMA신호 수신장치는 일반적으로 광대역채널필터(10)와, 국부 발진기(Oscillator)(20), 승산기(30), 상관기(40)로 구성된다. CDMA신호 수신장치에서는 상관기로서 수신기(40)로서 도 5의 레이크 수신기(Rake Receiver)가 이용된다. 상기 CDMA신호 수신장치에서 수신하게 될 k번째 사용자가 전송한 신호는 하기한 수학식 2과 같이 정의된다. 여기서, m_k(t)와 c_k(t)는 각각 k번째 사용자의 데이터와 확산코드를 나타내고 있다.도 4의 대역통과 필터는 사용대역 내의 수신신호를 출력시키는 역할을 하며, 필터를 통과한 전체적인 수신신호는 하기한 수학식 3으로 표현된다. 여기서 은 원하는 사용자의 신호를 나타내고, 은 원하지 않는 사용자를 나타낸다. 은 맨 처음 도착하는 신호를 나타내고, 은 첫번째, 두번째,번째 다중 경로 신호를 나타낸다.는번째 전력 지연 프로파일의 크기를 나타내고 은 임펄스 응답에서 번째 사용자의 번째 다중 경로의 크기를 나타낸다. 는 전력스펙트럼 밀도가 인 AWGN (additive white Gaussian noise) 이다.은 임펄스 응답에서 번째 사용자의번째 다중 경로 신호의 시간 지연을 나타내고, 은 이에 해당되는 위상 천이를 나타낸다. 시간 지연 와 위상 천이 을 해석의 편의상 "0"이라고 가정하고, 다른 시간 지연과 위상 천이를와 를 기준으로 한 상대적 위상 천이 로 표현하면 수학식 4와 같다. 여기서 이다.수신된 전체 신호는 세 개의 서로 다른 성분으로 나누어 표현하면 하기한 수학식5와 같다. 여기서 는 원하는 사용자의 다중경로성분, 는 원하지 않는 사용자의 다중경로성분이고 는 잡음 성분을 나타낸다.수신신호 r(t)가 국부 발진기(20)의 신호와 곱해진 후에 레이크 수신기(40)에서 하나의 상관기를 통과한 후의 출력을 라고 하면, t=T에서의 출력은 하기한 수학식 6와 같다. 여기서, S는 원하는 사용자의 다중경로 성분을 나타내고, I는 간섭신호의 크기를 나타내며, N은 가우시안 잡음을 나타낸다. S는 본 발명에서 강조한 내용을 나타내고 있다. 국부 발진기(20)는 수신신호를 기저대역으로 이동시켜 복조를 수행할 수 있도록 하며, 이 때 수신된 신호의 주파수와 위상을 일치시켜야 하며, 그 과정은 반송파동기회로(미도시)에 의해 조절된다. 이동통신 환경에서는 수신기의 상관기가 구분할 수 있는 다중경로 신호에 의해 반송파동기가 이루어진다. 반송파 동기가 이루어졌다고 가정하면, 다중경로 성분(S)은 하기한 수학식 7과 같이 정리할 수 있다. 이 때, S는 랜덤변수이며, 는 반송파동기가 이루어진 후의 다중경로 신호의 위상을 의미한다. 는 PN 확산코드의 자기상관함수이며 하기한 수학식 8로 나타낼 수 있다. 도 5는 도 4의 다수의 가지를 갖는 레이크 수신기를 나타낸 도면이다. CDMA 시스템은 성능개선을 위해 레이크 수신기를 사용한다. 레이크 수신기는 확산코드 동기가 이루어진 후의 전파지연 시간을 갖는 구분 가능한 다중 경로 성분들을 각각 개별적인 상관기(C1∼Cm)를 사용하여 결합하게 된다. 그리고, 동 도면에서, M개의 상관기로부터의 출력을 나타내는 랜덤변수가 Z₁,Z₂,Z₃,...,Z_M이면, 각각의 출력에 G₁,G₂,G₃,...,G_M의 가중치 계수를 곱하여 가지이득을 취한 후, 가산기(60)에서 더해진다.수신신호에 대한 상관기 출력의 분석에서 보통 다중 접속 간섭(Multiple Access Interference)인 간섭신호(I)의 통계적 특성은 각각의 간섭 성분이 독립적이라고 가정하면 가우시안 분포를 갖는다. 따라서, 간섭신호와 잡음이 가우시안 잡음으로 해석될 수 있으므로, 원하는 사용자 신호에 대한 특성만을 고려하는 본 발명의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법은 CDMA 시스템 성능평가를 위한 이동무선 채널 모델에 사용될 수 있게 된다.이하에서 상술한 수식들에서 나타나는 레이크 수신기의 특성을 반영하여 상관연산과정을 수행하는 채널 시뮬레이터의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법을 설명한다.도 6는 본 발명의 실시예에 따른 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법에 대한 과정을 도시한 흐름도이다. 먼저, 이동통신 환경에 대응하는 다중경로 전력지연 프로파일을 선택한다(10). 다중경로 전력지연 프로파일은 이동무선 환경에 따라 여러가지 형태를 갖는다. 그리고, 다중경로 신호의 크기와 위상을 나타내는 복소 가우시안 랜덤변수를 발생시킨다(20). 전력지연 프로파일에 따라 다중경로 신호의 지연시간을 확산코드 펄스의 간격인 한 칩 시간보다 작게 결정한다(30). 그리고 한 칩의 범위 내에 있는 각 다중경로 성분에 대해 확산코드의 자기 상관함수를 곱하고 가산한다(40).여기서, 시스템의 대역폭에 의해서 한 칩의 시간폭이 결정되는데, 1/대역폭이 한 칩의 시간폭이며, 확산코드와 신호(다중경로성분)를 곱했을 때 시간차가 발생하면 자기상관함수(확산코드의 고유특성값)의 기울기는 1보다 작은 값을 가진다(도 3a, 3b 참조). 즉, 다중경로성분을 한 칩간격보다 작은 시간간격으로 지연시켜서 확산코드를 곱한 다음 적분취하면 자기상관함수의 기울기는 1보다 작은 값이 된다. 이와 같이, 이동무선 환경에서 CDMA 시스템의 대역폭에 따라 한 칩 구간 내의 다중 경로 성분이 다�痔�때, 그 다중 경로 성분들의 평균전력을 더하여 일정한 평균 전력을 갖는 한 개의 다중 경로 성분으로 취급한 것과 달리, 본원 발명에서는 한 칩 구간내의 다중경로 성분에 대해 자기상관함수 기울기와 다중경로성분의 위상을 고려하여(도 3a, 도 3b 참조) 다중경로채널의 페이딩 영향을 보다 실제 상황에 근접하게 반영할 수 있도록 하는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅을 수행할 수 있게 된다. 도 2a,2b 와 도 3a,3b을 비교했을 때, 레이크 수신기가 구별할 수 있는 다중경로의 수는 동일하지만, 도 3a,3b는 한 칩 내에 존재하는 다중경로의 성분에 대해서 전파지연시간 차이에 따른 자기상관함수값을 반영하고 있다는 것이 주요한 차이점이다. 상기한 실시예를 갖는 본 발명은 그 실시 양태에 구애받지 않고 그 기술적 요지를 벗어나지 않는 한도 내에서 얼마든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있도록 되어 있음은 물론이다.

삭제

이상과 같이 본 발명에 따르면, 광대역 다중경로 채널에서 코드분할 다중접속(CDMA) 시스템의 대역폭에 따라 확산코드 한 칩 구간 내의 다중경로 성분이 다수일 경우, 확산코드의 자기상관함수 기울기와 자기상관함수의 위상을 고려하여 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로채널의 페이딩 영향을 보다 정확하게 반영할 수 있는 효과를 갖게 된다.그리고, 신규한 CDMA 응용시스템을 개발하는 경우에 상위 시스템의 성능을 예비평가함에 있어서 소요되는 시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 다중경로채널의 송신신호와 수신신호를 나타낸 도면,

도 2a는 종래의 수신신호 분석기법에 의해 N-CDMA의 대역폭에 따른 다중 경로의 신호성분을 분석하는 경향을 예시적으로 나타낸 도면, 도 2b는 종래의 수신신호 분석기법에 의해 W-CDMA의 대역폭에 따른 다중 경로의 신호성분을 분석하는 경향을 예시적으로 나타낸 도면,

삭제

도 3a은 본 발명에 따른 다중경로 채널시뮬레이팅 방법에 의한 수신신호 분석기법을 통해 N-CDMA의 대역폭에 따른 다중 경로의 신호성분을 분석하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면,도 3b는 본 발명에 따른 다중경로 채널시뮬레이팅 방법에 의한 수신신호 분석기법을 통해 W-CDMA의 대역폭에 따른 다중 경로의 신호성분을 분석하는 상태를 예시적으로 나타낸 도면,도 4는 본 발명의 다중경로 채널시뮬레이팅 방법이 적용되는 일반적인 CDMA신호 수신장치의 구성을 나타낸 도면,도 5는 도 4의 상관기로 동작하는 다수의 가지를 갖는 레이크 수신기를 나타낸 도면, 도 6은 본 발명에 따른 다중경로 채널시뮬레이팅 방법의 동작 순서도,

삭제

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:광대역 채널필터, 20:국부 발진기,

30:승산기, 40,C1∼Cn:상관기,

삭제

Claims

광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법에 있어서,

광대역 코드분할 다중접속(W-CDMA) 시스템의 통신환경에 대응하여 다중경로 전력지연 프로파일을 선택하는 단계,

상기 전력지연 프로파일에 따라 다중경로의 신호를 발생시키는 단계,

상기 전력지연 프로파일에 따라 다중경로 신호의 지연시간을 결정하는 단계,

상기 한 칩의 범위 내에 있는 각 신호성분에 대해 확산코드의 자기 상관함수를 곱하고 가산하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 다중경로의 신호를 발생시키는 단계는,

다중경로 신호의 크기와 위상을 나타내는 복소 가우시안 랜덤변수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광대역 코드분할 다중접속 시스템의 다중경로 채널 시뮬레이팅 방법.
삭제