KR100533536B1 - Normalization apparatus for NLMS algorithm in smart antenna receiver - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스마트 안테나 수신기에서의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치에 관한 것이다. 수신 신호의 가중치 벡터를 구하는 데 대표적으로 이용되는 NLMS(Normalized least mean square) 알고리즘을 구현하기 위해서는 다수의 곱셈기와 나눗셈기가 사용된다. 본 발명은 실시간 다중화 처리에 문제가 되는 나눗셈기를 사용하지 않고 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행함으로써 동작속도를 향상시키고 하드웨어의 크기를 줄일 수 있도록 한다. 다수의 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 다중화하고, 다중화된 신호를 제곱한 후 배열 안테나 수만큼 적산하고, 적산된 결과의 역수와 다중화된 신호를 곱하여 나눗셈 연산을 수행한다.The present invention relates to a normalization device for adaptive beam formation in a smart antenna receiver. A plurality of multipliers and dividers are used to implement a normalized least mean square (NLMS) algorithm, which is typically used to obtain a weight vector of a received signal. The present invention improves operation speed and reduces hardware size by performing a division operation using a reciprocal lookup table and a multiplier without using a divider which is a problem in real time multiplexing. The signal received through the plurality of array antennas is multiplexed, the multiplexed signal is squared, integrated by the number of array antennas, and the division operation is performed by multiplying the inverse of the integrated result and the multiplexed signal.
Description
본 발명은 스마트 안테나 수신기에서 NLMS(Normalized least mean square) 알고리즘을 위한 정규화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 NLMS 방식의 알고리즘을 사용하는 적응빔 형성을 위한 정규화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a normalization apparatus for a normalized least mean square (NLMS) algorithm in a smart antenna receiver, and more particularly, to a normalization apparatus for adaptive beam formation using an NLMS algorithm.
현재 상용중인 CDMA 시스템의 기지국에서 다른 사용자의 신호는 간섭으로 처리된다. 따라서 하나의 기지국에서 같은 주파수를 공유하는 사용자의 수가 증가할수록 다중접속 간섭 잡음이 증가되어 수신 신호의 비트 에러 확률이 증가되고 시스템의 성능도 저하된다. 그러므로 현재에는 CDMA 시스템의 기지국에 속한 사용자의 수를 제한하여 시스템의 성능이 일정 수준 이상으로 유지되도록 한다.In a base station of a commercially available CDMA system, another user's signal is treated as interference. Therefore, as the number of users sharing the same frequency in one base station increases, the multiple access interference noise increases, thereby increasing the bit error probability of the received signal and degrading the performance of the system. Therefore, at present, the number of users belonging to the base station of the CDMA system is limited so that the performance of the system is maintained above a certain level.
향후의 광대역 CDMA 시스템에서는 화상통신 등과 같은 멀티미디어 서비스가 제공되어야 하기 때문에 수신 신호의 비트 에러 확률은 더욱 감소되어야 한다. 이를 충족시키기 위해서는 하나의 기지국에서 서비스되는 사용자의 수가 더욱 제한되어야 한다. DS-CDMA 시스템에서 시스템의 용량을 증대시키고 통화 품질을 향상시키기 위해서는 자기 신호의 다중경로 페이딩에 의한 자기 간섭신호(Inter Chip Interference)와 다중 사용자 신호에 의한 간섭신호(Multiple Access Interference)를 제거시켜 주어야 한다. 일반적으로 자기 간섭신호(ICI)를 줄이기 위해서 RAKE 수신기를 사용하며, 다중 사용자 신호에 의한 간섭신호(MAI)를 줄이기 위해서는 어레이 안테나를 이용한 빔형성 기법을 사용하는 스마트 안테나를 사용하는데, 이에 대한 기술 연구가 진행되고 있다.In future wideband CDMA systems, since multimedia services such as video communication must be provided, the bit error probability of the received signal must be further reduced. To satisfy this, the number of users served by one base station should be further limited. In order to increase system capacity and improve call quality in DS-CDMA system, it is necessary to remove the Inter Chip Interference caused by the multipath fading of the magnetic signal and the Multiple Access Interference caused by the multi-user signal. do. In general, a RAKE receiver is used to reduce the magnetic interference signal (ICI), and a smart antenna using a beamforming technique using an array antenna is used to reduce the interference signal (MAI) caused by a multi-user signal. Is going on.
스마트 안테나는 신호의 이득이 증가됨으로써 음성 통신의 경우에는 많은 가입자를 수용할 수 있고, 데이터 통신의 경우에는 고속 및 저전력으로 데이터 통신이 가능하지만, 하드웨어가 복잡하고 다량의 수신 신호를 실시간으로 처리하는 데 문제점이 있다.As the gain of the signal increases, the smart antenna can accommodate a large number of subscribers in the case of voice communication and data communication at high speed and low power in the case of data communication, but the hardware is complicated and processes a large amount of received signals in real time. There is a problem.
스마트 안테나는 빔형성 방법에 따라 고정빔 선택 방식과 적응빔 방식으로 분류할 수 있다. 고정빔의 경우는 빔이 고정되어 있어 안테나 패턴과 패턴 사이에 사용자가 위치하는 경우 성능이 감소하는 결과를 가져올 수 있지만, 적응빔의 경우는 사용자에게 직접빔을 형성할 수 있어 좀더 지능적으로 환경에 적응할 수 있는 장점이 있다. Smart antennas may be classified into a fixed beam selection method and an adaptive beam method according to the beamforming method. In the case of the fixed beam, the beam is fixed, so that the performance is reduced when the user is positioned between the antenna pattern and the pattern. However, in the case of the adaptive beam, the beam can be directly formed to the user, thereby making the environment more intelligent. There is an advantage to adaptation.
스마트 안테나의 핵심 기술인 적응빔 형성 알고리즘은 기본적으로 원하는 신호는 되도록 크게 증폭시켜 주고 불필요한 간섭 신호는 가능한 많이 제거해 주는 기술이다. 이러한 적응빔 형성은 무선 이동 통신 환경에서 급증하는 용량에 의한 통신 품질의 저하를 해결하기 위한 주요 방식들 중 하나의 기술로 인식되고 있다. 안테나에는 원하는 사용자의 신호뿐 만 아니라 다른 사용자들의 신호도 수신되기 때문에 수신시 간섭 및 잡음이 항상 존재한다. 용량이 증가하면 다른 사용자들의 신호에 의한 간섭이 불가피하게 증가하므로 간섭 신호 및 잡음 대 원하는 신호비가 낮아져서 결국 전반적인 통신 품질의 저하가 초래된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방편으로서 스마트 안테나 기술은 안테나에 입사하는 수많은 신호와 간섭들 중에서 원하는 신호만을 골라내고, 그 선택된 신호만을 처리하는 기술이다.The adaptive beamforming algorithm, which is the core technology of smart antenna, basically amplifies the desired signal as large as possible and removes unnecessary interference signals as much as possible. Such adaptive beamforming is recognized as one of the main methods for solving the degradation of communication quality due to the rapidly increasing capacity in the wireless mobile communication environment. Since the antenna receives not only the desired user's signal, but also the signals of other users, there is always interference and noise in the reception. Increasing capacity inevitably increases interference by other users' signals, resulting in lowered interference and noise-to-desired signal ratios, resulting in lower overall communication quality. As one way to solve this problem, smart antenna technology is a technology that selects only a desired signal from among numerous signals and interferences incident on the antenna, and processes only the selected signal.
적응 빔형성 시스템은 이동 통신과 같은 실시간 처리 시스템에 응용될 수 있기 때문에 빔형성을 위한 알고리즘의 개발은 성능뿐 만 아니라 실시간 처리가 가능하도록 간단한 구조로 구현되어야 한다. Since the adaptive beamforming system can be applied to a real-time processing system such as mobile communication, the development of an algorithm for beamforming should be implemented with a simple structure to enable real-time processing as well as performance.
일반적인 스마트 안테나의 수신 시스템은 도 1과 같이 도식적으로 표현된다. 배열 안테나(100)를 통해서 수신되는 신호들은 전처리 빔형성 블록(101) 및 역확산 블록(102)을 통해 적응 배열 프로세서(110)로 입력된다. 적응 배열 프로세서(110)는 역확산 블록(102)으로부터 출력되는 신호(X1, X2, …, Xm)에 적절한 가중치를 곱해서 송신 신호를 예측한다. 이러한 스마트 안테나의 적응빔 형성 알고리즘에서 가중치 벡터를 구하는 대표적인 방식으로 NLMS(Normalized least mean square) 방식을 이용한다.A reception system of a general smart antenna is schematically represented as shown in FIG. 1. Signals received via the array antenna 100 are input to the adaptive array processor 110 through the preprocessing beamforming block 101 and the despreading block 102. The adaptive arrangement processor 110 predicts the transmission signal by multiplying the signals X 1 , X 2 ,..., X m output from the despread block 102 by appropriate weights. In the adaptive beamforming algorithm of the smart antenna, a NLMS (Normalized least mean square) method is used as a representative method for obtaining a weight vector.
NLMS 알고리즘을 구현하기 위해서는 소정 비트의 곱셈기, 덧셈기, 나눗셈기가 필요하다. 그러나 나눗셈기에는 피젯수의 비트수 이상의 클록이 소요되기 때문에 하드웨어의 크기뿐 아니라 실시간 처리 속도면에서도 병목현상을 초래한다. NLMS 알고리즘 구현에 필요한 곱셈과 나눗셈 연산을 위한 하드웨어가 많게는 전체 수신기의 10배 이상을 차지하며, 유효 숫자를 낮추고 타이밍을 나눠서 사용해도 전체 수신기와 같은 정도의 크기를 차지하기 때문에 실제 구현을 위해서는 하드웨어의 크기를 감소시킬 수 있는 대체 구조가 필요한 실정이다.In order to implement the NLMS algorithm, a multiplier, an adder, and a divider of a predetermined bit are required. However, the divider requires more clocks than the number of bits of the pidget, which causes bottlenecks not only in terms of hardware but also in terms of real-time processing speed. The hardware required for the multiplication and division operations required for the implementation of the NLMS algorithm is more than 10 times that of the total receivers. There is a need for an alternative structure that can reduce the size.
따라서 본 발명은 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a normalization apparatus for an NLMS algorithm in a smart antenna receiver that can solve the above disadvantages by performing a division operation using an inverse lookup table and a multiplier.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 다중화하는 다중화기와, 상기 다중화기의 출력을 제곱하는 제 1 곱셈기와, 상기 제 1 곱셈기의 출력을 상기 배열 안테나 수만큼 적산하는 적산기와, 상기 적산기 출력의 역수를 발생시키는 역수 룩업테이블과, 상기 다중화기의 출력을 지연시키는 쉬프트 레지스터와, 상기 역수 룩업테이블의 출력과 상기 쉬프트 레지스터의 출력을 곱하는 제 2 곱셈기와, 상기 제 2 곱셈기로부터 출력되는 결과값을 저장하는 레지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a multiplexer for multiplexing the signals received through a plurality of array antennas, a first multiplier to square the output of the multiplexer, and outputs of the first multiplier by the number of array antennas A multiplier for integrating, a reciprocal lookup table for generating an inverse of the output of the integrator, a shift register for delaying the output of the multiplexer, a second multiplier for multiplying an output of the reciprocal lookup table and an output of the shift register, And a register for storing a result value output from the second multiplier.
상기 적산기의 출력은 칩속도로 출력되며, 상기 다중화기의 출력은 상기 쉬프트 레지스터를 통해 칩속도만큼 지연되는 것을 특징으로 한다.The output of the accumulator is output at a chip speed, and the output of the multiplexer is delayed by the chip speed through the shift register.
NLMS(Normalized least mean square) 방식에서 입력을 정규화시키기 위해 하기의 수학식 1을 이용한다.Equation 1 is used to normalize an input in a normalized least mean square (NLMS) scheme.
상기 수학식 1을 풀어쓰면 하기의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Equation 1 can be expressed as Equation 2 and Equation 3 below.
여기서, 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 실시예로서 파라미터를 아래와 같이 가정한다.Here, the parameters are assumed as follows as an embodiment to help understanding of the present invention.
- 안테나의 수 : 8Number of antennas: 8
- 입력 데이터의 속도 : 3.84 MHz(칩속도×8의 속도를 8:1 데시메이션한 결과)-Speed of input data: 3.84 MHz (result of 8: 1 decimation of chip speed x 8 speed)
- 입력 비트의 해상도: 8 비트Resolution of input bits: 8 bits
- 빔형성 동작주파수: 칩 레이트Beamforming Operating Frequency: Chip Rate
상기 가정을 전제로, 필요한 연산 유니트의 수는 8 안테나×2(I, Q 채널)에 의하여 8×8 비트 곱셈기, 16+16 비트 덧셈기, 그리고 22/14 비트의 나눗셈기가 각각 최소 16개씩 필요함을 알 수 있다. 따라서 여러 가입자를 하나의 하드웨어로 수용하여야 하는 기지국의 경우 전체적인 하드웨어의 크기가 너무 커지는 문제가 발생된다. 이러한 하드웨어의 크기 증가 문제를 해결하기 위해서는 수신 장치의 동작주파수를 칩속도×16으로 증가시키는 방법을 고려해 볼 수 있으나, 22 비트/14 비트인 나눗셈기인 경우 최소 22 클록이 소요되므로 타이밍을 나누어 사용할 수 없게 된다. 따라서 실시간 처리가 가능하고 하드웨어의 크기를 감소시킬 수 있는 구조가 전제되지 않으면 구현이 어려워진다.Under the assumptions above, the number of computation units required requires at least 16 8x8-bit multipliers, 16 + 16-bit adders, and 22 / 14-bit dividers by 8 antennas x 2 (I, Q channels). Able to know. Therefore, in case of a base station that needs to accommodate several subscribers as one hardware, a problem arises in that the overall hardware size becomes too large. In order to solve this problem of increasing the size of the hardware, a method of increasing the operating frequency of the receiving device to the chip speed × 16 may be considered. However, in the case of a divider having 22 bits / 14 bits, at least 22 clocks are required, so the timing can be divided. There will be no. Therefore, it is difficult to implement without a structure capable of real time processing and reducing the size of hardware.
본 발명은 처리 속도면에서의 병목 현상을 해결하고 하드웨어의 크기 감소를 이룰 수 있는 스마트 안테나 수신기에서의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치를 구현한다. 본 발명의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치의 특징은 도 2에 도시된 바와 같이 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하는 것이다. 나눗셈기를 사용하지 않고 역수 룩업테이블과 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하므로써 칩속도로 처리되는 나눗셈 동작이 칩속도의 16배 정도의 고속으로 이루어져 결과적으로 16개의 하드웨어를 1개의 하드웨어로 다중화시킬 수 있게 된다. The present invention implements a normalization device for adaptive beam shaping in a smart antenna receiver that can solve the bottleneck in processing speed and reduce the size of hardware. A feature of the normalization device for adaptive beam shaping of the present invention is to perform a division operation using an inverse lookup table and a multiplier as shown in FIG. By performing division operation using inverse lookup table and multiplier without using divider, division operation processed at chip speed is 16 times faster than chip speed, and as a result, 16 hardware can be multiplexed into 1 hardware. Will be.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 설명하기 위한 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a normalization apparatus for an NLMS algorithm in a smart antenna receiver according to the present invention.
먼저, 30.72MHz의 입력이 8:1 데시메이션되어 3.84MHz로 낮아진 상태에서 동시에 들어오는 8 안테나 I 채널 Q 채널의 16 채널에 해당하는 신호(X0 내지 X15)는 16x1 다중화기(200)에서 다중화되어 직렬로 출력된다. 다중화기(200)의 출력(Xi)은 8 비트 x 8 비트 곱셈기(210)에 입력되어 제곱된다. 곱셈기(210)로부터 출력되는 각 채널의 제곱값(Xi 2)은 레지스터(211)와 가산기(212)로 구성되는 적산기(220)에서 칩속도 단위로 리셋되면서 배열 안테나 수만큼 적산된다. 칩속도로 출력되는 적산기(220)의 출력(∥x(n)∥2)은 역수 룩업테이블(230)에 입력되고, 역수 룩업테이블(230)로부터 역수가 발생된다.First, a signal (X 0 to X 15 ) corresponding to 16 channels of the 8 antenna I channel Q channel which is simultaneously input while the input of 30.72 MHz is lowered to 3.84 MHz is multiplexed in the 16x1 multiplexer 200. Output in series. The output X i of the multiplexer 200 is input to an 8 bit x 8 bit multiplier 210 and squared. The square value X i 2 of each channel output from the multiplier 210 is reset in chip units in the accumulator 220 including the register 211 and the adder 212, and is integrated as much as the number of array antennas. The output of the accumulator 220 outputted at the chip speed (∥ x (n) ∥ 2 ) is input to the reciprocal lookup table 230, and reciprocal is generated from the reciprocal lookup table 230.
한편, 16x1 다중화기(200)의 출력(xi)은 동기를 맞추기 위해 쉬프트 레지스터(250)에 의해 칩속도만큼 지연된다. 쉬프트 레지스터(250)를 통해 지연된 신호(xi)와 칩속도로 생성되는 역수 룩업테이블(230)의 출력은 곱셈기(240)에서 곱해짐으로써 정규화를 위한 나눗셈 연산이 완성된다. 나눗셈 연산 결과는 레지스터(260)에 저장된다.On the other hand, the output (x i ) of the 16x1 multiplexer 200 is delayed by the chip speed by the shift register 250 to synchronize. The signal x i delayed through the shift register 250 and the output of the inverse lookup table 230 generated at the chip speed are multiplied by the multiplier 240 to complete a division operation for normalization. The division operation result is stored in the register 260.
상기와 같이 역수 룩업테이블(230)과 곱셈기(240)를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하므로써 칩속도로 처리되는 나눗셈 동작이 칩속도의 16배 정도의 고속으로 이루어져 결과적으로 16개의 하드웨어를 1개의 하드웨어로 다중화시킬 수 있게 된다. 하기의 표 1은 종래의 정규화 장치와 본 발명의 실시예에 따른 정규화 장치의 연산 유니트의 구성을 개략적으로 정리한 것으로, 본 발명에 따른 정규화 장치에서 많은 하드웨어의 감소를 볼 수 있다.By performing the division operation using the reciprocal lookup table 230 and the multiplier 240 as described above, the division operation processed at the chip speed is about 16 times as fast as the chip speed. Multiplexing with. Table 1 below summarizes the configuration of a conventional normalization device and a calculation unit of the normalization device according to an embodiment of the present invention, and it can be seen that a large amount of hardware decreases in the normalization device according to the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명은 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 과정에서 필수적인 역할을 하는 나눗셈 연산을 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 수행하도록 한다. 동작 속도면에서의 병목 현상으로 하드웨어 다중화에 문제가 되었던 나눗셈기를 사용하지 않고 상기와 같이 나눗셈 연산을 구현하므로써 고속 동작이 가능해져 보다 많은 가입자를 지원할 수 있게 되고, 하드웨어의 다중화 사용을 가능하게 하여 하드웨어의 크기 감소를 이룰 수 있다.As described above, the present invention allows the division operation, which plays an essential role in the normalization process for the NLMS algorithm, to be performed using an inverse lookup table and a multiplier. By implementing the division operation as described above without using the divider that has been a problem in hardware multiplexing due to the bottleneck in the operation speed, high-speed operation is possible to support more subscribers, and the multiplexing of the hardware is enabled. Can achieve a size reduction.
도 1은 일반적인 스마트 안테나 수신 시스템을 설명하기 위한 블록도. 1 is a block diagram illustrating a general smart antenna receiving system.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 설명하기 위한 블록도.2 is a block diagram illustrating a normalization apparatus for an NLMS algorithm in a smart antenna receiver according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101: 전처리 빔형성 블록 102: 역확산 블록101: preprocessing beamforming block 102: despread block
110: 적응 배열 프로세서 200: 다중화기110: adaptive array processor 200: multiplexer
210, 240: 곱셈기 211, 260: 레지스터210, 240: Multipliers 211, 260: Registers
212: 가산기 220: 적산기212: adder 220: accumulator
230: 역수 룩업테이블230: Inverse lookup table
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