KR100516894B1 - 배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 각 안테나에서 수신한 디지털 수신신호에서 획득한 칩 레벨 데이터를 이용하여 모든 핑거의 빔형성에 대해 공통 적용이 가능한 상관역행렬을 연산하는 1개의 상관역행렬 추정부, 칩 레벨 데이터와 기준 신호를 상관하여 상관 벡터를 연산하는 상관벡터 추정수단, 상관역행렬과 상관벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 연산하는 곱셈부, 및 칩 레벨 데이터에 상기 빔형성 가중치를 곱한 후 이를 모두 합하여 공간 필터링을 수행하는 빔형성 기능과 상기 칩 레벨 데이터와 확산코드를 상관하는 역확산 기능을 수행하는 적응 수신수단을 포함한다. 따라서, 본 발명은 칩 레벨에서 추정한 빔형성 가중치 연산시 상관역행렬을 다수의 핑거가 공유함으로써 빔형성 가중치를 연산하기 위한 하드웨어를 간소화할 수 있고, 칩 레벨 데이터를 이용한 빔형성 가중치를 심벌 레벨의 제어채널 신호와 데이터채널 신호에 적용하여 빔형성 함으로써 하드웨어를 간소화뿐만 아니라, 데이터 채널을 빔형성 가중치 갱신 주기동안 저장한 후 빔형성하므로 데이터채널에 대한 복조 성능을 향상시키는 효과를 제공하여 준다.

Description

배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법{ System for base station receiving of CDMA and method thereof }
본 발명은 코드분할 다중접속에서 배열 안테나 기지국 수신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최소자승오차에 근거하여 빔형성 가중치를 연산하는데 필요한 하드웨어를 간소화시키기 위한 코드분할 다중 접속에서의 기지국 수신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
기지국 수신 시스템은 기지국에 배열 안테나를 사용하여 적응 빔형성 기법을 적용하게 되면, 사용자들의 공간적인 분포 상태에 따라 전파를 지향적으로 송수신 함으로써 전력 효율의 증대는 물론이고, 불필요한 간섭을 줄여 궁극적으로 통신 품질과 기지국 당 서비스 반경 및 사용자 용량을 증대시킨다.
섹터마다 두 개의 다이버시티 안테나를 이용하는 기지국 시스템은 전방향성 섹터 빔 패턴을 이용하여 전파통신을 수행하므로 동일 섹터 영역에 있는 모든 사용자들은 서로 동일한 간섭신호로 작용한다.
이에 반해, 적응 배열 안테나 기술을 적용한 기지국 수신 시스템은 해당 사용자에게만 안테나 빔을 지향하도록 하여 원하는 사용자 신호 전력을 높임과 동시에 다른 사용자 신호 전력을 최소화하고, 이로 인해 통신 품질과 서비스 반경 및 시스템 채널 용량을 높일 수 있다.
위에서, 적응 배열 안테나 기술은 각 안테나로 수신된 디지털 신호에 빔형성 가중치를 곱한 값을 산출하고, 이렇게 산출된 값을 모두 합한다. 적응 빔형성 알고리즘은 여러 가지 기준(Criterion)을 이용하여 빔형성 가중치를 추정하는데, 가장 대표적인 기준으로는 최소평균자승오차(MMSE) 기준이 있다.
최소평균자승오차를 이용하는 대표적인 알고리즘에는 SMI(Sampled Matrix Inversion), RLS(Recursive Least Square) 등이 있다.
먼저, SMI는 일정 시간 동안 측정한 데이터를 이용하여 구한 상관역행렬과 상관 벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 곱하는 알고리즘으로 방대한 계산량이 요구된다.
다음, RLS는 SMI의 계산량을 줄이기 위해 회귀적으로 빔형성 가중치를 갱신(update)하는 알고리즘으로 SMI에 비해 계산량을 줄어드나 많은 사용자를 수용해야 하는 기지국 시스템에서 여전히 많은 계산량을 요구하고 있고 실제로 적용하는 것 또한 어렵다.
즉, RLS 알고리즘은 아래 수학식 1과 같이 각 안테나별로 수신된 데이터를 역확산 하여 심벌 데이터로 변환한 후 회귀적(recursive)으로 빔형성 가중치를 갱신한다.
여기서, y=[y1y2...yM]T는 안테나별 수신된 칩 레벨 데이터(xi)를 역확산 하여 구한 심벌 레벨 데이터, Ryy는 심벌 레벨 데이터 y에 대한 상관행렬을 각각 의미한다.
배열 안테나 기지국 수신 시스템에서는 각 핑거별로 최적 빔형성 가중치를 연산한다. 이때, 역확산 과정을 거친 후의 심벌 데이터를 이용하여 빔추정치를 추정하는 경우에, 상관역행렬이 핑거마다 서로 다른 값을 가지므로 빔형성 가중치 연산기를 핑거마다 하나씩 할당해야 한다.
다수의 사용자를 수용해야 하는 기지국 수신 시스템이 위의 방식을 실제로 구현하게 되면 하드웨어가 지나치게 복잡해진다. 또한, 심벌 레벨 데이터를 이용하여 빔형성 가중치를 연산하는 경우, 칩 레벨 데이터를 이용하는 방식에 비하여 아래 두 가지 이유로 인해 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
첫 번째, 심벌 레벨 데이터는 역확산 과정에서 이미 다른 사용자 신호의 전력이 감소하였으므로 상관행렬에서 다른 사용자에 대한 상관행렬 성분이 작고, 그로 인해 최종 계산된 빔형성 가중치는 다른 사용자 간섭 성분을 억제하는 효과가 작다.
두 번째, 상관행렬을 추정하는데 사용할 수 있는 데이터 수가 칩 레벨에 비하여 작아 상관행렬 추정 오차가 크다.
RLS의 상관행렬 추정 과정을 근사화하여 계산량을 줄이는 기술이 LMS(Least Mean Squares), NLMS(Normalized LMS)기술이다. 이 기술들은 RLS에 비하여 계산량이 훨씬 적으나, 초기에 최적 가중치를 수렴하는 속도가 느려서 복잡한 채널 환경에서 이동성이 있는 이동 통신 시스템에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 배열 안테나 이동 통신 시스템에서 빔형성 기법은 칩 레벨 빔형성 기법과 심벌 레벨 빔형성 기법으로 나눌 수 있다.
칩 레벨 빔형성 기법은 역확산 과정을 거치기 전의 칩 데이터에 빔형성 가중치를 곱하는 기법이며, 심벌 레벨 빔형성 기법은 역확산 과정을 거친 후의 심벌 데이터에 빔형성 가중치를 곱하는 기법이다.
위의 칩 레벨 빔형성 기법은 기존의 모뎀 구조 변동을 최소할 수 있으나 빔형성 가중치를 곱할 때 고속 연산이 필요하다는 문제점이 있다. 한편, 심벌 레벨 빔형성 기법은 연산속도가 낮아 하드웨어를 공유하는 구조를 용이하게 구현할 수 있으나 각 안테나로 수신된 신호를 역확산한 후 빔형성 가중치를 곱하므로 기존 모뎀 구조를 많이 바꾸어야 하는 문제점이 있다,
심벌 레벨 빔형성 기법은 최소평균자승오차에 근거하여 빔형성 가중치를 연산할 경우에, 역확산을 거친 후 상관행렬을 추정하므로 다른 사용자 간섭 성분을 억제하는 효과가 적으며, 상관행렬을 추정하는데 사용할 수 있는 심벌 데이터 수가 적어 상관행렬 추정 오차가 크다는 문제점이 있다.
본 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 심벌 레벨 대신 칩 레벨에서 빔형성 가중치를 추정하고, 이때의 상관역행렬을 여러 개의 핑거가 공유하게 함으로써 빔형성 가중치 추정에 필요한 하드웨어 구조를 간소화하기 위한 배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 특징은, 각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 디지털 수신신호로 변환 출력하는 다중채널 하향 변환부; 상기 다중채널 하향 변환부의 디지털 수신신호에서 획득한 칩 레벨 데이터를 이용하여 모든 핑거의 빔형성에 공통 적용이 가능한 상관역행렬을 연산하는 상관역행렬 추정부; 상기 칩 레벨 데이터와 기준 신호를 상관하여 상관 벡터를 연산하는 상관벡터 추정수단과, 상기 빔형성 가중치를 상기 디지털 수신신호에 곱한 후 이를 모두 합하여 공간 필터링을 수행하는 빔형성 기능과 제어 채널과 데이터 채널을 역확산하는 역확산 기능을 수행하는 적응 수신수단을 포함하는 다수의 핑거로 이루어진 핑거부; 및 상기 상관역행렬 추정부의 상관역행렬과 상기 핑거부의 상관벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 연산하여 상기 빔형성 가중치를 상기 핑거부로 전송하는 곱셈부를 포함한다.
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배열 안테나 기지국 수신 시스템은 상기 디지털 수신신호를 상기 상관역행렬 추정부와 핑거부로 전달하는 수신 데이터 버스; 상기 핑거부에서 계산한 핑거별 상관벡터를 곱셈부에 전달하는 상관벡터 버스; 및 상기 곱셈부가 연산한 빔형성 가중치를 각 핑거부에 전달하는 빔형성 가중치 버스를 포함한다.
상기 다중채널 하향 변환부는, 각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 기저대역으로 변환하는 무선주파수 하향 변환기; 및 상기 무선주파수 하향 변환기에서 기저대역으로 변환된 데이터를 디지털 수신신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기를 포함한다.
상기 상관역행렬 추정부는, 시스톨릭 구조를 이용하여 수신 신호 벡터의 분할켤레복소상관역행렬( )을 추정하고, 상기 분할켤레복소상관역행렬과 그 행렬을 켤레화하고 트랜스포즈한 행렬( )을 곱하는 행렬곱셈기를 포함하므로 과 같은 상관역행렬( )을 계산한다.
상기 상관역행렬 추정부는 빔형성 가중치 갱신주기보다 짧은 간격으로 상관역행렬을 연산하여 채널 변화를 추적할 수 있도록 한다.
상기 곱셈부는 빔형성 가중치 갱신주기마다 상기 상관벡터와 상기 상관벡터의 연산을 위해 사용되는 데이터와 최다 중첩되는 데이터를 이용하여 추정한 상관역행렬을 곱하여 빔형성 가중치를 연산한다.
상기 상관벡터 추정수단은 상기 칩 레벨 데이터와 제어채널 확산코드를 상관하여 제어채널 신호를 구하고, 상기 제어채널 신호와 기준신호를 상관하여 과 같이 상관벡터를 추정한다.
상기 기준신호는 사용자 신호와 상관성이 있는 신호로 파일럿(pilot)이 사용된다.
상기 적응 수신수단은,
상기 디지털 수신신호에 제어 채널 코드를 곱하고, 한 제어 신호 심벌 구간 동안 적분하여 제어채널 신호를 출력하는 제어채널 역확산기; 상기 디지털 수신신호에 데이터 채널 코드를 곱하고, 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분하여 데이터채널 신호를 출력하는 데이터채널 역확산기; 상기 데이터채널 역확산기에서 출력되는 데이터채널 신호를 빔형성 가중치 갱신 주기동안 저장하는 버퍼; 및 상기 디지털 수신신호와 빔형성 가중치를 곱한 후 안테나별로 합산하여 빔형성을 수행하는 빔형성기를 포함한다.
상기 빔형성기는,
상기 곱셈부에서 출력되는 복소 가중치를 켤레화(conjugate)하여 저장하는 켤레화기; 상기 켤레화기를 통해 저장된 복소 가중치 중에서 어느 하나를 선택하는 가중치 선택기; 상기 제어채널 역확산기와 데이터채널 역확산기에서 출력되는 제어 채널 신호와 데이터 채널 신호 중에서 어느 하나를 선택하는 채널 선택기; 상기 채널 선택기에서 선택된 신호를 저장하고, 그 저장된 신호 중에서 어느 하나를 선택하는 데이터 저장기; 상기 가중치 선택기와 데이터 저장기에서 선택된 신호의 심벌 데이터와 가중치를 곱하여 곱셈값을 출력하는 곱셈기; 상기 곱셈기로부터 전달받은 현재 곱셈값과 안테나별 기저장된 곱셈값을 합산하는 합산기; 및 M번째 안테나까지 데이터채널 신호와 제어채널 신호로 빔형성하는 과정을 반복하기 위해 복수개의 안테나 중에서 어느 하나를 선택하는 안테나 선택기를 포함한다.
상기 빔형성기는 안테나별 데이터채널 신호, 제어채널 신호와 가중치를 곱한 곱셈값을 저장한 후 이를 합산기에 전달하는 메모리를 포함한다.
상기 곱셈기는 상기 제어채널 신호와 데이터채널 신호에 대한 심벌 데이터와 가중치를 곱셈시 시간 분할하여 공유한다.
상기 핑거부에서 핑거별 빔형성된 제어 채널 및 데이터 채널 신호를 입력받아 다른 핑거에서 출력된 신호와 코히어런트하게 결합하는 레이크 수신기를 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국 수신 방법의 특징은, a) 각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 디지털 수신신호로 변환하여 칩 레벨 데이터를 획득하고, 상기 칩 레벨 데이터에 대해 공통 적용이 가능한 상관역행렬을 추정하는 단계; b) 안테나별 제어채널 및 데이터 채널의 확산코드와 칩 레벨 데이터를 상관하는 역확산을 수행하여 심벌 레벨의 제어채널 신호와 데이터 채널 신호를 출력하는 단계; c) 상기 b) 단계의 제어채널 신호와 기준 신호를 상관하여 상관벡터를 추정한 후 상기 상관역행렬과 상관벡터를 곱하여 핑거별 빔형성 가중치를 연산하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계에서 구한 빔형성 가중치를 이용해 상기 제어채널 신호와 데이터 채널 신호를 빔형성한 후, 각 핑거별 빔형성된 신호를 코히어런트하게 결합하는 단계를 포함한다.
상기 a) 단계에서 상관역행렬을 추정하는 단계는, 상관역행렬( )이시스톨릭 구조를 이용하여 { } { } 과 같이 구한다.
상기 a) 단계에서 상관역행렬을 추정하는 단계는, 빔형성 가중치 갱신 주기 보다 더 짧은 간격으로 상관역행렬을 연산하여 채널 변화를 추적할 수 있도록 한다.
상기 b) 단계에서 제어채널 신호와 데이터채널 신호를 생성하는 단계는, 상기 제어채널 신호가 칩 레벨 데이터에 제어 채널 코드를 곱하고 한 제어 신호 심벌 구간 동안 적분하여 생성되고, 상기 데이터채널 신호가 칩 레벨 데이터에 데이터 채널 코드를 곱하고 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분 한 후에 빔형성 가중치 갱신 주기 동안 저장된다.
상기 c) 단계에서 상관벡터를 추정하는 단계는, 상기 제어채널 신호 중 기준신호에 해당하는 구간 동안 제어채널 신호와 기준신호를 상관하여 과 같이 상관벡터를 추정한다.
상기 c) 단계에서 빔형성 가중치를 연산하는 단계는, 빔형성 가중치 갱신 주기마다 상기 상관벡터와 상관벡터의 연산을 위해 사용되는 데이터와 최다 중첩되는 데이터를 이용하여 추정한 상관역행렬을 곱하여 빔형성 가중치를 추정한다.
상기 d) 단계에서 빔형성 단계는,
상기 제어채널 신호는 상기 c) 단계에서 빔형성 가중치를 추정하는 동안 이전 주기에서 추정한 빔형성 가중치로 빔형성하고, 상기 데이터채널 신호는 데이터 저장된 후 저장된 데이터와 동일한 주기 내의 데이터로 추정한 빔형성 가중치로 빔형성한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
빔형성 가중치로 빔형성을 하기 위해서는 빔형성 가중치에 디지털 수신신호를 곱해야 한다. 빔형성 가중치를 칩 레벨 데이터에 곱하는 칩 레벨 빔형성을 실현하기 위한 시스템은 기존 모뎀 구조에 대한 변동을 최소할 수 있으나 빔형성 가중치를 곱하는데 필요한 연산속도가 높아 곱셈기를 공유하기 힘들다.
위에서, 곱셈기는 수신 데이터와 빔형성 가중치가 모두 다중 비트(multi bit)이므로 실제 하드웨어 구현시 시스템을 복잡하게 하는 요인이 된다.
반면에, 심벌 레벨 빔형성을 위한 시스템은 각 안테나로 수신된 신호를 역확산한 후 빔형성 가중치를 곱하므로 기존 모뎀 구조를 많이 바꾸어야 하지만 빔형성 가중치를 곱하는데 필요한 연산속도가 낮아 곱셈기를 공유하는 구조로 쉽게 구현할 수 있다.
적응 빔형성 알고리즘에서는 빔형성 가중치를 갱신하는 주기는 짧을수록 채널 페이딩 변화율을 정확하게 추적하므로 성능이 더욱 향상되지만 연산 속도와 시스템 복잡도를 고려하여 최적 주기를 결정해야 한다.
이때, 빔형성 가중치를 갱신하는 한 주기동안 획득한 데이터를 이용하여 연산한 빔형성 가중치는 해당 주기 신호에 대해서 최적 빔형성 가중치가 되므로 최적의 성능을 얻기 위해 시스템은 빔형성 가중치를 연산하는 동안 한 주기에 해당하는 데이터를 저장해야 한다.
위와 같은 데이터 저장 방식을 칩 레벨 빔형성을 위한 시스템에 적용할 경우에, 아래 두 가지 문제점이 유발된다.
첫째로, 칩 레벨 데이터는 데이터율이 심벌 데이터율에 비하여 크므로 메모리의 용량이 커야 한다, 둘째로, 데이터를 저장하는 경우에 신호가 시간적으로 지연된다.
역방향 채널은 데이터 채널과 제어 채널로 구성되는데, 제어채널은 채널 추정에 이용되는 파일럿뿐만 아니라 송신전력 제어 비트, 피드백 정보 등을 포함하고 있다. 따라서, 기지국은 제어 채널 내의 정보들을 짧은 시간 내에 복조해야 한다.
그런데, 칩 레벨 빔형성을 위한 시스템에서 빔형성 성능을 향상시키기 위하여 칩 데이터를 저장하게 되면 제어채널이 지연되므로 전체 시스템 성능이 저하된다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 칩 레벨 데이터를 이용하여 빔형성 가중치를 연산하고 이를 제어채널 신호와 데이터 채널 신호의 심벌 데이터에 곱하는 하이브리드 적응 수신 방식을 제안한다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 시스템은 다중채널 하향 변환부(100), 상관역행렬 추정부(200), 핑거부(300), 곱셈부(400)를 포함한다.
다중채널 하향 변환부(100)는 각 안테나(111)로 수신되는 무선주파수(RF) 신호를 RF 하향 변환기(112)를 통해 기저대역으로 변환한 후 아날로그/디지털(A/D) 변환기(113)를 이용하여 디지털 수신신호로 변환 출력한다.
상관역행렬 추정부(200)는 다중채널 하향 변환부(100)의 디지털 수신신호에 대한 상관역행렬을 연산하고 이를 일정시간 간격으로 곱셈부(400)에 전달한다.
핑거부(300)는 다수의 핑거(finger)로 이루어지고 상관벡터 추정수단(310)과 적응 수신수단(320)을 포함하고 있다.
상관벡터 추정수단(310)은 디지털 수신신호와 원하는 사용자 신호와 상관성이 있는 신호, 즉 기준신호를 상관하여 상관벡터를 추정한다.
적응 수신수단(320)은 빔형성 가중치와 디지털 수신신호를 곱하여 빔형성을 수행하는 기능과 칩 레벨 데이터와 확산코드를 상관하는 역확산 기능을 수행한다.
곱셈부(400)는 최소평균자승오차에 근거하여 칩 레벨 데이터로 아래 수학식 1과 같이 상관역행렬과 핑거별로 계산된 상관벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 연산하고, 이를 핑거(300) 내의 적응 수신수단(320)으로 전달한다.
x=[x1,x2...xM]T는 칩 레벨 데이터, Rxx는 x를 이용하여 추정한 상관행렬로 Rxx=E{x(t)xH(t)}, Rxx-1은 상관행렬의 역행렬이다. 또한, xi는 i번째 안테나를 통하여 수신된 디지털 신호, rxd는 x와 기준신호(d)를 상관하여 구한 상관벡터(E{xd*})이다.
이때, 기준신호는 사용자 신호와 상관성이 있는 신호로서 코드분할 다중접속 시스템에서 파일럿이 많이 쓰인다.
실제 디지털 시스템에서 상관행렬과 상관벡터는 아래 수학식 3과 같이 채널이 변하지 않는 시간동안 평균하여 추정한다.
수학식 3을 이용하여 구한 상관행렬과 상관벡터를 수학식 2에 적용하여 빔형성 가중치를 구하는 방법을 SMI(Sampled Matrix Inversion)이라고 한다.
한편, 수신 데이터 버스(150) 디지털 수신신호를 상관역행렬 추정부(200)와 핑거(300)로 전달한다. 그리고, 상관벡터 버스(160)는 각 핑거별 계산한 상관벡터를 곱셈부(400)에 전달하고, 빔형성가중치 버스(170)는 곱셈부(400)가 계산한 빔형성 가중치를 각 핑거에 전달한다.
위의 수학식 2와 같이 최소평균자승오차에 근거하여 최적 빔형성 가중치를 연산하기 위해서는 동일한 시간 영역에 대한 칩 레벨 데이터(x)를 이용하여 상관행렬과 상관벡터를 추정해야 한다.
그런데, 실제적으로 역방향에서 각 핑거가 복조하고자 하는 신호는 각기 다른 시간 지연을 가지므로 파일럿으로 상관벡터를 추정하는 경우에 핑거(300)는 각기 서로 다른 시간대의 데이터를 이용하여 상관벡터를 추정한다.
따라서, 상관역행렬 추정부(200)는 빔형성 가중치 갱신 주기보다 더 짧은 간격으로 상관역행렬을 연산하고, 곱셈부(400)는 상관벡터와 상관벡터를 연산하는데 사용된 데이터와 가장 많이 중첩되는 데이터를 이용하여 추정한 상관역행렬을 곱하여 빔형성 가중치를 구한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 시스템은 기지국당 하나의 상관역행렬 추정부(200)만이 필요하고, 각 핑거(300)는 상관벡터를 추정하면 되므로 시스템 구조가 간단해진다.
또한, 곱셈부(400)는 도 1에 도시된 바와 같이 1개의 곱셈부를 다수 개의 핑거가 공유하는 것으로 도시하였으나 필요에 따라 핑거마다 하나씩 할당될 수도 있다.
그리고, 곱셈부(400)는 빔형성 가중치 갱신주기마다 상관역행렬과 상관벡터를 곱하는 연산을 수행하므로 계산량이 비교적 적어 핑거별로 할당하여도 하드웨어를 공유하는 것이 용이하다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 타이밍도를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슬롯의 일부 구간은 파일럿이 존재하고, 핑거(300)는 파일럿을 이용하여 상관벡터를 추정한다.
도 2에서, 빔형성 가중치는 한 슬롯마다 갱신되고 상관역행렬 추정부(200)는 한 슬롯당 K개의 상관역행렬을 출력한다.
최종 빔형성 가중치는 n번째 핑거의 j번째 상관벡터 rxd,n(j)를 추정하는데 사용된 데이터와 가장 많이 중첩된 데이터로 추정된 상관역행렬이 Rxx-1(i)이므로 아래 수학식 4를 이용하여 구한다.
도 2에서, 상관역행렬 추정부(200)는 상관역행렬 연산시 일부 중첩된 데이터를 이용한다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예의 시스템은 하드웨어 구조의 간단화를 위해 회귀적으로 상관역행렬을 갱신시키는 방식이 필요하다.
도 3은 도 1의 일부 구성요소인 상관역행렬 추정부가 시스톨릭 구조를 이용하여 회귀적으로 상관역행렬을 연산하는 구성이 도시된 도면이다.
도 3에 나타나 있듯이, 상관역행렬 추정부(200)는 아래 수학식 5와 같이 다중채널 하향 변환부(100)에서 출력되는 디지털 수신신호를 입력받아 회귀적으로 분할켤레복소 상관역행렬(Rxx-H/2)을 추정한다.
그 후, 상관역행렬 추정부(200)는 분할켤레복소 상관역행렬과 그 행렬을 켤레화하고 트랜스포즈한 행렬을 행렬 곱셈기(240)를 이용하여 곱함으로써 상관역행렬을 계산한다.
위에서, 분할켤레복소 상관역행렬(Rxx-H/2)은 입력 데이터율과 동일한 시간 간격으로 갱신되지만, 수학식 5의 상관역행렬은 빔형성 가중치 갱신주기 동안 K번만 수행된다.
도 3에서, 참조부호 210은 상관행렬 경계셀, 220은 상관행렬 내부셀, 230, 상관역행렬 내부셀이다.
도 4는 도 1의 일부 구성요소인 핑거 내 적응 수신수단의 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 코드분할 다중접속 시스템에서 역방향 채널은 일반적으로 제어채널과 데이터 채널로 구성되어 있으므로 적응 수신수단(320)은 제어채널 역확산기(321), 데이터채널 역확산기(322), 버퍼(323), 빔형성기(350)를 포함한다.
제어채널 역확산기(321)는 다중채널 하향 변환부(100)에서 출력되는 디지털 수신신호에 제어 채널 코드를 곱하고, 한 제어 신호 심벌 구간동안 적분한 제어채널 신호를 출력한다.
핑거(300) 내의 상관벡터 추정수단(310)은 제어채널 역확산기(321)에서 출력되는 제어채널 신호 중 파일럿에 해당하는 구간 동안 파일럿 심벌과 디지털 수신신호를 곱한 후 적분하여 상관벡터를 추정한다.
데이터채널 역확산기(322)는 다중채널 하향 변환부(100)에서 출력되는 디지털 수신신호에 데이터채널 코드를 곱하고, 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분한 데이터 채널 신호를 버퍼(323)에 전달한다.
버퍼(323)는 빔형성 가중치 갱신 주기 동안 데이터채널 역확산기(322)에서 출력되는 데이터 채널 신호를 저장한다.
곱셈부(400)는 상관역행렬과 상관벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 연산한다.
이렇게 빔형성 가중치를 추정하는 동안 제어채널 신호는 이전 빔형성 가중치 갱신 주기에서 추정한 빔형성 가중치로 빔형성된 후 바로 레이크 수신기(500)에 전달된다.
한편, 데이터 채널 신호는 버퍼(323)에 저장되었다가 저장된 데이터와 동일한 주기 내의 데이터로 추정한 빔형성 가중치로 빔형성된 후 레이크 수신기(500)에 전달된다.
빔형성기(350)는 제어채널 역확산기(321) 및 데이터채널 역확산기(322)에 의해 입력되는 데이터 벡터와 빔형성가중치 버스(170)를 통해 입력되는 빔형성 가중치를 곱한 후 안테나별로 합산하여 빔형성 기능을 수행한다.
즉, 빔형성기(350)는 칩 레벨 데이터를 이용한 빔형성 가중치를 심벌 데이터인 데이터 벡터에 곱하는 하이브리드 적응 수신 방식으로 빔형성 기능을 수행한다.
레이크 수신기(500)는 각 핑거(300)의 빔형성기(350)에서 출력되는 신호를 코히어런트하게 결합한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하이브리드 적응 수신 방식을 이용한 본 발명에 따른 실시예는 칩 레벨 데이터를 이용하여 빔형성 가중치를 추정하므로 심벌 레벨 데이터를 이용하는 방식에 비하여 간섭 신호를 제거하는 능력이 우수하다.
도 5는 도 4의 일부 구성요소인 빔형성기의 구성이 도시된 도면이다.
도 4에 나타나 있듯이, 빔형성기(350)는 켤레화기(351), 가중치 선택기(352), 채널 선택기(353), 데이터 저장기(354), 곱셈기(355), 합산기(356), 메모리(357), 안테나 선택기(358)를 포함한다.
켤레화기(351)는 곱셈부(400)에서 출력된 복소 가중치(w)를 켤레화 (conjugate)하여 저장한다. 가중치 선택기(352)는 켤레화기(351)에 저장되어 있는 복소 가중치 중에서 어느 하나를 선택한다.
채널 선택기(353)는 제어 채널 신호와 데이터 채널 신호 중에서 어느 하나를 선택하여 데이터 저장기(354)에 저장한다. 곱셈기(355)는 가중치 선택기(352)와 안테나 선택기(258)에서 선택된 두 복소수 값을 곱한 곱셈값을 합산기(356)에 전달한다.
합산기(356)는 메모리(357)에 저장되어 있던 안테나별 기저장된 곱셈값과 현재 곱셈기(355)에서 전달되는 곱셈값을 합산한다. 안테나 선택기(358)는 M번째까지 데이터 채널 신호와 제어 채널 신호로 빔형성하는 과정을 반복하기 위해 복수개의 안테나 중에서 어느 하나를 선택한다.
대개, 빔형성기(350)는 각 안테나별로 수신된 디지털 수신신호와 빔형성 가중치를 곱해야 하므로 안테나 개수만큼의 곱셈기가 필요하지만, 도 5에 나타나 있듯이 본 발명에 따른 실시예의 빔형성기는 하나의 곱셈기(355)를 이용하여 데이터 채널 및 제어 채널의 신호를 빔형성한다.
빔형성 가중치와 디지털 수신신호는 모두 다중 비트로 표현된 값이고, 기지국은 핑거마다 빔형성기를 할당해야 하므로 빔형성기 내의 곱셈기는 전체 하드웨어의 복잡도를 가증시키는 요인이 된다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예의 빔형성기는 데이터 입력 속도가 빠른 칩 레벨 데이터를 이용한 빔형성 기능보다는 심벌 레벨 데이터를 이용한 빔형성 기능을 수행하여 곱셈기를 공유하는 구조를 갖는다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 방법의 순서도를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다중채널 하향 변환부(100)는 각 안테나(111)로 수신된 RF 신호를 수신한다.(S10) 이 RF 신호는 RF 하향 변환기(112)에서 기저대역으로 변환한 후 이를 아날로그/디지털 변환기(113)에서 디지털 수신신호로 변환하고, 디지털 수신신호에서 칩 레벨 데이터를 획득한다.(S20)
핑거(300) 내의 적응 수신수단(320)에서는 역확산 기능과 빔형성 기능을 수행하는데(S30, S40, S50), 이때 S30, S40, 및 S50은 필요에 의해 정해진 순서로 경우에 따라 순서는 변경 가능하다.
먼저, 제어채널 역확산기(321)는 칩 레벨 데이터와 제어채널 확산코드를 곱하고, 한 제어 신호 심벌 구간동안 적분하여 제어채널 신호를 생성 출력한다.(S30)
그리고, 상관벡터 추정수단(310)은 제어채널 역확산기(321)에서 출력되는 제어채널 신호 중 파일럿에 해당하는 구간 동안 파일럿 심벌과 곱한 후 적분하여 상관벡터를 추정한다.(S31)
제어채널 신호는 빔형성 가중치를 추정하는 동안 이전 빔형성 가중치 갱신 주기에서 추정한 빔형성 가중치로 빔형성된 후 바로 레이크 수신기(500)에 전달된다.(S32)
다음, 상관역행렬 추정부(200)는 상관역행렬 연산시 일부 중첩되는 데이터를 이용하여 칩 레벨 데이터에 대한 상관행렬의 역행렬을 연산하고, 이를 일정 시간 간격으로 곱셈부(400)로 전달한다.(S40)
그러면, 곱셈부(400)는 상관역행렬과 핑거(300)별로 계산된 상관벡터를 곱하여 칩 레벨 데이터를 이용한 빔형성 가중치를 연산한다.(S41)
마지막으로, 데이터채널 역확산기(322)는 다중채널 하향 변환부(100)에서 출력되는 칩 레벨 데이터에 데이터 채널 코드를 곱하고 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분한 후에 버퍼(323)에 저장시킨다.(S50, S51)
데이터채널 신호는 버퍼(323)에 저장되었다가 저장된 데이터와 동일 주기 내의 데이터로 추정한 빔형성 가중치로 빔형성된 후 레이크 수신기(500)로 전달한다.(S52)
이렇게, 빔형성기(350)가 곱셈기(355)를 이용하여 데이터 채널 신호 및 제어 채널 신호를 빔형성 가중치와 곱하여 빔형성을 하면, 레이크 수신기(500)는 빔형성기(350)에서 출력되는 신호를 다른 핑거(300)에서 출력되는 신호와 코히어런트하게 결합한다.(S60)
위에서, 빔형성 가중치가 제어채널 신호와 데이터 채널 신호의 심벌 레벨 데이터에 곱해지므로 빔형성기(350) 내의 곱셈기(355)와 같은 하드웨어를 공유할 수 있다.
이와 같은 하이브리드 적응 수신 방식으로 인해, 본 발명에 따른 실시예에서는 칩 레벨 데이터를 이용하여 빔형성 가중치를 추정하므로 심벌 레벨 데이터를 이용하는 방식에 비하여 향상된 성능을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 빔형성 가중치가 심벌 데이터에 곱해지므로 곱셈기 공유가 용이할 뿐만 아니라, 역확산 후에 제어 채널과 데이터 채널이 분리되어 있으므로 데이터 채널 신호를 빔형성 가중치 갱신 주기 동안 저장한 후 빔형성하여 데이터 채널에 대한 복조 성능 향상을 얻을 수 있다.
상기 도면과 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의한 배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법은 최소평균자승오차에 근거하여 빔형성 가중치 연산시 상관역행렬을 다수의 핑거가 공유함으로써 빔형성 가중치를 연산하기 위한 하드웨어를 간소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 배열 안테나 기지국 수신 시스템 및 그 방법은 칩 레벨에서 추정한 빔형성 가중치를 심벌 레벨의 제어채널 신호와 데이터채널 신호에 적용하여 빔형성함으로써 하드웨어를 간소화할 뿐만 아니라, 데이터 채널을 빔형성 가중치 갱신 주기동안 저장한 후 빔형성하므로 데이터채널에 대한 복조 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 시스템의 타이밍도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 일부 구성요소인 상관역행렬 추정부가 시스톨릭 구조를 이용하여 회귀적으로 상관역행렬을 연산하는 구성이 도시된 도면이다.
도 4는 도 1의 일부 구성요소인 핑거 내 적응 수신수단의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 일부 구성요소인 빔형성기의 구성이 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예의 배열 안테나 기지국 수신 방법의 순서도를 도시한 것이다.

Claims (21)

  1. 각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 디지털 수신신호로 변환 출력하는 다중채널 하향 변환부;
    상기 다중채널 하향 변환부의 디지털 수신신호에서 획득한 칩 레벨 데이터를 이용하여 모든 핑거의 빔형성에 공통 적용이 가능한 상관역행렬을 연산하는 상관역행렬 추정부;
    상기 칩 레벨 데이터와 기준 신호를 상관하여 상관 벡터를 연산하는 상관벡터 추정수단과, 상기 빔형성 가중치를 상기 디지털 수신신호에 곱한 후 이를 모두 합하여 공간 필터링을 수행하는 빔형성 기능과 제어 채널과 데이터 채널을 역확산하는 역확산 기능을 수행하는 적응 수신수단을 포함하는 다수의 핑거로 이루어진 핑거부; 및
    상기 상관역행렬 추정부의 상관역행렬과 상기 핑거부의 상관벡터를 곱하여 빔형성 가중치를 연산하여 상기 빔형성 가중치를 상기 핑거부로 전송하는 곱셈부
    를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 수신신호를 상기 상관역행렬 추정부와 핑거부로 전달하는 수신 데이터 버스;
    상기 핑거부에서 계산한 핑거별 상관벡터를 곱셈부에 전달하는 상관벡터 버스; 및
    상기 곱셈부가 연산한 빔형성 가중치를 각 핑거부에 전달하는 빔형성 가중치 버스
    룰 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중채널 하향 변환부는,
    각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 기저대역으로 변환하는 무선주파수 하향 변환기; 및
    상기 무선주파수 하향 변환기에서 기저대역으로 변환된 데이터를 디지털 수신신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기
    를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상관역행렬 추정부는, 시스톨릭 구조를 이용하여 수신 신호 벡터의 분할켤레복소상관역행렬( )을 추정하고, 상기 분할켤레복소상관역행렬과 그 행렬을 켤레화하고 트랜스포즈한 행렬( )을 곱하는 행렬곱셈기를 포함하므로 아래와 같은 수학식을 이용해 상관역행렬()을 계산함;
    을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상관역행렬 추정부는 빔형성 가중치 갱신주기보다 짧은 간격으로 상관역행렬을 연산하여 채널 변화를 추적할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 곱셈부는 빔형성 가중치 갱신주기마다 상기 상관벡터와 상기 상관벡터의 연산을 위해 사용되는 데이터와 최다 중첩되는 데이터를 이용하여 추정한 상관역행렬을 곱하여 빔형성 가중치를 연산하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상관벡터 추정수단은,
    상기 칩 레벨 데이터와 제어채널 확산코드를 상관하여 제어채널 신호를 구하고, 상기 제어채널 신호와 기준신호를 상관하여 아래 수학식과 같이 상관벡터를 추정함;
    여기서, , 즉 칩 레벨 데이터, d는 기준신호임;
    것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기준신호는 사용자 신호와 상관성이 있는 신호로 파일럿(pilot)이 사용되는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적응 수신수단은,
    상기 디지털 수신신호에 제어 채널 코드를 곱하고, 한 제어 신호 심벌 구간 동안 적분하여 제어채널 신호를 출력하는 제어채널 역확산기;
    상기 디지털 수신신호에 데이터 채널 코드를 곱하고, 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분하여 데이터채널 신호를 출력하는 데이터채널 역확산기;
    상기 데이터채널 역확산기에서 출력되는 데이터채널 신호를 빔형성 가중치 갱신 주기동안 저장하는 버퍼; 및
    상기 디지털 수신신호와 빔형성 가중치를 곱한 후 안테나별로 합산하여 빔형성을 수행하는 빔형성기
    를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 빔형성기는,
    상기 곱셈부에서 출력되는 복소 가중치를 켤레화(conjugate)하여 저장하는 켤레화기;
    상기 켤레화기를 통해 저장된 복소 가중치 중에서 어느 하나를 선택하는 가중치 선택기;
    상기 제어채널 역확산기와 데이터채널 역확산기에서 출력되는 제어 채널 신호와 데이터 채널 신호 중에서 어느 하나를 선택하는 채널 선택기;
    상기 채널 선택기에서 선택된 신호를 저장하고, 그 저장된 신호 중에서 어느 하나를 선택하는 데이터 저장기;
    상기 가중치 선택기와 데이터 저장기에서 선택된 신호의 심벌 데이터와 가중치를 곱하여 곱셈값을 출력하는 곱셈기;
    상기 곱셈기로부터 전달받은 현재 곱셈값과 안테나별 기저장된 곱셈값을 합산하는 합산기; 및
    M번째 안테나까지 데이터채널 신호와 제어채널 신호로 빔형성하는 과정을 반복하기 위해 복수개의 안테나 중에서 어느 하나를 선택하는 안테나 선택기;
    를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 빔형성기는 안테나별 데이터채널 신호, 제어채널 신호와 가중치를 곱한 곱셈값을 저장한 후 이를 합산기에 전달하는 메모리를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 곱셈기는 상기 제어채널 신호와 데이터채널 신호에 대한 심벌 데이터와 가중치를 곱셈시 시간 분할하여 공유하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 핑거부에서 핑거별 빔형성된 제어 채널 및 데이터 채널 신호를 입력받아 다른 핑거에서 출력된 신호와 코히어런트하게 결합하는 레이크 수신기를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 시스템.
  15. a) 각 안테나로 수신된 무선주파수 신호를 디지털 수신신호로 변환하여 칩 레벨 데이터를 획득하고, 상기 칩 레벨 데이터에 대해 공통 적용이 가능한 상관역행렬을 추정하는 단계;
    b) 안테나별 제어채널 및 데이터 채널의 확산코드와 칩 레벨 데이터를 상관하는 역확산을 수행하여 심벌 레벨의 제어채널 신호와 데이터 채널 신호를 출력하는 단계;
    c) 상기 b) 단계의 제어채널 신호와 기준 신호를 상관하여 상관벡터를 추정한 후 상기 상관역행렬과 상관벡터를 곱하여 핑거별 빔형성 가중치를 연산하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계에서 구한 빔형성 가중치를 이용해 상기 제어채널 신호와 데이터 채널 신호를 빔형성한 후, 각 핑거별 빔형성된 신호를 코히어런트하게 결합하는 단계
    를 포함하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 상관역행렬을 추정하는 단계는, 상관역행렬( )이시스톨릭 구조를 이용하여 아래 수학식과 같이 구함;
    여기서, 는 수신 신호 벡터의 분할켤레복소 상관역행렬임;
    을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 상관역행렬을 추정하는 단계는, 빔형성 가중치 갱신 주기 보다 더 짧은 간격으로 상관역행렬을 연산하여 채널 변화를 추적할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 제어채널 신호와 데이터채널 신호를 생성하는 단계는,
    상기 제어채널 신호가 칩 레벨 데이터에 제어 채널 코드를 곱하고 한 제어 신호 심벌 구간 동안 적분하여 생성되고,
    상기 데이터채널 신호가 칩 레벨 데이터에 데이터 채널 코드를 곱하고 한 데이터 신호 심벌 구간 동안 적분 한 후에 빔형성 가중치 갱신 주기 동안 저장되는 것을 특징으로 하는 코드분할 다중 접속에서의 기지국 수신 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 상관벡터를 추정하는 단계는,
    상기 제어채널 신호 중 기준신호에 해당하는 구간 동안 제어채널 신호와 기준신호를 상관하여 아래 수학식과 같이 상관벡터를 추정함;
    여기서, , 즉 칩 레벨 데이터, d는 기준신호임;
    을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 c) 단계에서 빔형성 가중치를 연산하는 단계는, 빔형성 가중치 갱신 주기마다 상기 상관벡터와 상관벡터의 연산을 위해 사용되는 데이터와 최다 중첩되는 데이터를 이용하여 추정한 상관역행렬을 곱하여 빔형성 가중치를 추정하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 빔형성 단계는,
    상기 제어채널 신호는 상기 c) 단계에서 빔형성 가중치를 추정하는 동안 이전 주기에서 추정한 빔형성 가중치로 빔형성하고, 상기 데이터채널 신호는 데이터 저장된 후 저장된 데이터와 동일한 주기 내의 데이터로 추정한 빔형성 가중치로 빔형성하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국 수신 방법.
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