KR100581083B1

KR100581083B1 - 향상된 파일럿 다이버시티를 이용한 채널추정방법

Info

Publication number: KR100581083B1
Application number: KR1020040104747A
Authority: KR
Inventors: 김병기; 강군석; 안도섭; 이호진
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-05-22
Also published as: EP1825611A4; EP1825611A1; WO2006065053A1

Abstract

본 발명은 통신시스템에서의 채널추정방법에 관한 것으로, 특히, 향상된 파일럿 다이버시티를 이용한 채널추정 방법에 관한 것이다.

역확산된 S-CCPCH의 파일럿 심볼을 추출하는 단계; S-CCPCH의 파일럿 심볼값들의 평균을 계산하는 단계; S-CCPCH의 파일럿 심볼과 DPCH파일럿 심볼, 그리고 CPICH파일럿 심볼과의 전전력비를 계산하는 단계; S-CCPCH의 파일럿 심볼과 DPCH파일럿 심볼, 그리고 CPICH파일럿 심볼 각각에 가중치를 적용하는 단계;를 포함한다.

본 발명은 전송 다이버시티 그리고 유사한 개념으로 주파수 오프셋 추정 등에 이용될 수 있다.

파일럿 다이버시티, 채널 추정, CPICH, DPCCH, S-CCPCH

Description

향상된 파일럿 다이버시티를 이용한 채널추정방법{Method of Channel estimation using advanced pilot diversity}

도 1은 본 발명의 채널추정방법을 적용하기 위한 레이크 수신기의 개략적인 구성을 보여주는 도면,

도 2는 본 발명에서 이용하는 채널중 하나인 DPCH(전용물리채널)의 프레임 구조를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에서 이용하는 채널중 하나인 CPICH의 프레임 구조를 보여주는 도면,

도 4는 본 발명에서 이용하는 채널 중 하나인 S-CCPCH의 프레임 구조를 보여주는 도면,

도 5는 도 1에서, 레이크 수신기의 핑거들 중 임의의 한개의 구성을 개략적으로 보여주는 도면,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 채널추정 과정을 보여주는 흐름도,

도 7은 도 6의 흐름도에 따라 채널추정시, S-CCPCH의 파일럿 심볼, DPCH 파일럿심볼 및 CPICH 파일럿 심볼값을 결합하는 과정을 보여주는 도면,

도 8은 도 8은 본 발명에 따른 채널추정을 위하여 CPICH, DPCH, S-CCPCH를 결합한 채널 추정 기법의 상대적 타이밍 관계를 보여주는 도면이다.

차세대 위성 또는 이동 통신 시스템의 목표는 누구에게나, 어디에서나, 언제나 매우 다양한 통신 서비스를 제공하는 것이다. GSM과 W-CDMA(Wideband code division multiple access)의 결합에 대한 이미 채택되었고, W-CDMA를 지지하는 몇 가지 제안들이 고품질 음성서비스와 멀티미디어 서비스를 제공하는 IMT-2000서비스의 다원접속방식으로 채택했다.

현재 ETSI에서 활발한 표준화활동이 진행중이 유럽 S-UMTS(Satellite-Universal Mobile Telecommunications Systems) 는 T-UMTS(Terrestrial-UMTS)에서와 마찬가지고 셀 사이의 비동기 방식을 중요한 특징으로 하는 W-CDMA 다원 접속기술을 채택했다. 그리고 링크 용량의 향상을 위하여 상향 링크 및 하향링크에 동일하게 동기 복조 방식을 채택하였다. 동기복조를 위해 변조하지 않은 파일럿 신호를 이용하여 채널 추정을 수행한다. W-CDMA 규격에는 파일럿 심벌 방식을 이용하여 채널을 추정하는 구조를 채택하고 있다. 파일럿 심벌 구조의 채널추정은 송수신단에서 모두 알고 있는 파일럿 심벌을 데이터 심벌과 주기적으로 시분할 다중화하여 전 송하고, 파일럿 심벌 구간의 채널 추정 값을 이용하여 데이터 심벌 구간의 채널 변화를 보상한다. 이와 같은 기법은 단지 DPCCH의 파일럿 심벌만을 이용하여 채널 추정하는 기법이다.

또 다른 기법으로는 미리 정의된 파일럿 심벌 패턴을 이용하여 송신기와 수신기가 모두 알고 있는 파일럿 심벌을 전송함으로써 채널 변화에 대한 데이터 심벌을 보상하는 기법이 있다. 이와 같은 기법은 단지 CPICH만을 이용하여 채널 추정하는 기법이다.

기존의 독립적인 채널추정기법의 단점으로는 채널 추정에 관여하는 채널이 깊은 페이딩(deep fading)을 겪는다면 채널추정을 하더라도 오히려 더 많은 오류를 가져온다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여, 위성이나 중앙국으로부터 여러 사용자 단말기로 데이터 신호를 전송함에 있어서, CPICH, DPCCH의 파일럿 심벌 그리고 S-CCPCH의 파일럿 심벌을 결합하여 채널 추정함으로써 기존의 CPICH 또는 DPCCH의 파일럿 심벌 단독으로 단말기의 수신기에서 채널추정에 관여하는 것보다 더 향상된 성능을 갖는 채널추정 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

위성이나 기지국에서 전송한 신호를 다중 경로 채널을 겪은 후 레이크 수신기에서 채널추정하는 방법에 있어서,

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 기본적인 원리는 위성이나 기지국과 같은 중앙국으로부터 여러 사용자 단말기로 신호를 전송한 이후 레이크 수신기에서, 현재 CPICH 또는 DPCCH의 파일럿 심벌 단독으로 채널 추정을 하는 것보다 전력제어를 하지 않는 CPICH와 전력제어를 하는 DPCCH 또는 S-CCPCH의 파일럿 심벌 모두를 결합이후 추가적인 이득을 얻음으로써, 만약 CPICH가 깊은 페이딩을 겪는 동안(또는 반대의 경우) DPCCH와 S-CCPCH의 파일럿 심벌을 사용하여 채널 추정함으로써 파일럿 다이버시티 효과를 얻는것이다.

도 1은 본 발명의 채널추정방법을 적용하기 위한 레이크 수신기의 개략적인 구성을 보여준다. 레이크 수신기는 각 핑거마다 상관기와 추정부로 구성되고, 다중 경로 채널을 거쳐 수신된 신호는 레이크 수신기의 핑거들에 의하여 분리되고 채널 추정을 거쳐 이상적인 MRC(Maximum ratio combining) 기법을 구현하게 된다.

도 1을 참조하면, 레이크 수신기는 M개의 핑거를 포함하고, 각 핑거별로, 수신신호 R(t)는 스크램블링코드와 곱해져 디스크램블링(Descrambling)된다. 디스크램블링된 신호는 Channelization code에 의해 역확산되고, 추정부에 의해 채널추정된다. 각 핑거의 출력값은 결합기에 의해 결합되어 디인터리버로 출력된다.

본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 채널추정을 위해 DPCH(전용물리채널)의 파일럿 심볼과, CPICH(공통파일럿채널)의 파일럿 심볼과, S-CCPCH(2차 공통제어물리채널)의 파일럿 심볼을 이용한다. 이하, 이들의 프레임 구조를 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에서 이용하는 채널중 하나인 DPCH(전용물리채널)의 프레임 구조를 보여준다. 도 2를 참조하면, 채널 추정을 위하여 DPCCH의 제어채널과 DPDCH의 데이터 채널이 시분할 다중화 되어 전송되는 파일럿 심벌을 이용하여 채널 추정을 수행하고 이를 이용하여 DPDCH의 데이터 심벌을 보상한다. 칩율은 3.84 Mcps이고 각 슬롯는 2560 chips를 갖고 15개의 슬롯이 한 프레임을 갖는 구조로 되어 있고, DPCH는 전력제어 기반 채널이다.

도 3은 본 발명에서 이용하는 채널중 하나인 CPICH의 프레임 구조를 보여주는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 채널추정을 위하여 송신기는 미리 정의된 패턴으로 파일럿 심벌을 전송하고, 수신기는 미리 정의된 패턴을 알고 있으므로, 파일럿 심볼을 이용하여 채널을 추정할 수 있고, CPICH는 비전력제어 기반 채널이다.

도 4는 본 발명에서 이용하는 채널 중 하나인 S-CCPCH의 프레임 구조를 보여주는 도면이다. 본 발명에서는 상기 도 4에 도시된 S-CCPCH에서, 채널추정을 위하여 S-CCPCH의 파일럿 심볼을 이용한다. 본 발명에서 S-CCPCH을 채택한 배경은 S-CCPCH의 데이터율이 DPCH의 데이터율과 유사하기 때문이다.

도 5는 상기 도 1에서, 레이크 수신기의 핑거들 중 임의의 한 개의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 레이크수신기로 수신되는 신호는 역확산부 210에 의해 역확산되고, 도면에 도시되지 않은 파일럿 심볼 분리수단에 의해 데이터 신호와 파일럿신호로 분리된다. 데이터신호는 지연기 221로 입력되며, 파일럿 심볼은 채널추정부 223으로 입력된다. 여기서 상기 채널추정부 223으로 입력되는 파일럿 심볼은 DPCH, S-CCPCH, 및 CPICH의 파일럿 심볼이다. 상기 채널추정부 223는 후술하는 바와 같이, 채널추정값을 출력한다. 채널 추정값은 상기 지연기 221에서 소정 길이만큼 지연된 데이터 신호와 승산되어 결합기로 출력된다. 여기서, 상기 지연기 221과 승산기는 데이터 심볼을 보상하는 역할을 한다. 이후, 결합기 출력은 디인터리버 230, 레이트 매칭 부호기 240, 및 디코더 250을 거쳐 송신단에서 부호화된 데이터를 원래의 데이타로 복호하여 출력하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 채널추정 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 파일럿심볼 추출수단은 S610단계에서, 역확산된 S-CCPCH의 파일럿 심볼을 추출한다. 이후, 채널추정부는 S620단계에서, S-CCPCH의 파일럿 심볼값들의 평균을 계산한다. 여기서, S-CCPCH의 파일럿 심볼값의 평균을 구하는 방법은, S-CCPCH가 DPCH의 데이터율과 같으므로, DPCH의 파일럿 심볼값 평균을 구하는 방식을 따른다. 다음에, S630단계에서, 각 채널의 파일럿 심볼의 전력비를 계산한다. 여기서, 각 채널의 파일럿 심볼의 전력비는 CPICH 파일럿 심벌을 기준으로 DPCH, 그리고 S-CCPCH의 파일럿 심볼의 전력비를 계산한다. 그 다음에, S640단계에서, S-CCPCH의 파일럿 심볼, DPCH 파일럿심볼 및 CPICH 파일럿 심볼 각각에 가중치를 곱한다. 여기서, 가중치란, 수신신호가 레이크 수신기로 입력됨에 있어서, 수신신호 레벨의 크기에 따라 0부터 1까지 부여되는 값이다. 이후, S650단계에서, 상기 가중치가 부여된 S-CCPCH의 파일럿 심볼, DPCH 파일럿심볼 및 CPICH 파일럿 심볼값을 결합하여 채널추정값을 출력한다. 한편, S-CCPCH의 파일럿 심벌은 채널 추정에 이용할 수 있지만 동시에 프레임 동기 워드로 사용할 수 있으므로, S-CCPCH의 파일럿 심벌이 초기에 FACH(Forward access channel)나 PCH(Paging channel)의 트랜스포트 채널로 옮기는데 사용될 때는 채널추정에 적용하지 않고 그 외의 채널 추정의 경우에 적용한다.

도 7은 상기 도 6의 흐름도에 따라 채널추정시, S-CCPCH의 파일럿 심볼, DPCH 파일럿심볼 및 CPICH 파일럿 심볼값을 결합하는 과정을 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, CPICH, DPCH 및 S-CCPCH의 채널추정값에, 각각 가중치 α, β, γ가 승산된 후, 결합되어 최종 채널추정값

를 출력한다.

도 8은 본 발명에 따른 채널추정을 위하여 CPICH, DPCH, S-CCPCH를 결합한 채널 추정 기법의 상대적 타이밍 관계를 보여주는 도면이다.

이하, CPICH 심볼만을 이용한 채널추정의 경우와, DPCH의 파일럿 심벌을 결합하여 채널추정한 경우와, 본 발명에 따른 채널추정의 경우를 수식을 통해 비교해 본다.

x(i)=α(i)+n(i) for i=1, 2, ..., N

상기 <수학식 1>은 다중경로 페이딩을 겪은 후, 레이크 수신기에서 역확산과정(Despreading)을 거친 이후 한 슬롯에서 N개의 CPICH 심벌을 사용하여 채널추정을 하는 경우를 의미한다. 여기서 α(i)는 추정할 필요가 있는 채널 이득이고 n(i)는 다른 셀의 간섭을 포함한 잡음이다. 일반적으로 손실이 없는 경우에 n(i)는 평균이 0이고 분산이 σ² _n이라 가정한다.

<수학식 1>과 유사하게 DPCCH의 파일럿 심볼에 대하여 파일럿 패턴을 단말기의 수신기에 의해서 알게 된다..

y(j)= λ(j)α(j)+m(j) for j=1, 2, ..., M

즉 상기 <수학식 2>는 DPCH의 파일럿 심벌과 CPICH 심벌을 결합하여 채널 추정한 기법을 수식으로 표현한 것이다.

여기서 M은 채널 이득을 추정하기 위하여 사용된 DPCH의 한 슬롯 안의 파일럿 심볼의 개수를 의미한다. λ(j)=(1/μ(j))^1/2는 DPCH 파일럿 심볼과 CPICH의 전력의 비를 의미한다. m(j)는 평균이 0이고 분산이 σ² _m인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)이라 가정한다. 채널 이득이 추정 기간의 한 슬롯 동안 변하지 않는다고 가정하기 때문에 α(i)=α라 하고 λ(i)=λ라 할 수 있다.

z(k)=λ₁(k)λ(k)α(k)+l(k) for k=1, 2, ..., K

상기 <수학식 3>은 <수학식 2>를 확장한 수식이다. 즉, DPCH의 파일럿 심벌과 CPICH 심벌, 그리고 S-CCPCH의 파일럿 심벌을 결합하여 채널 추정한 기법을 수식으로 표현한 것이다.

여기서 K는 채널 이득을 추정하기 위하여 사용된 S-CCPCH의 한 슬롯 안의 파일럿 심벌의 개수를 의미한다. λ₁(k)=(1/μ₁(k))^1/2 는 S-CCPCH의 파일럿 심벌과 CPICH의 전력의 비를 의미한다. l(k)는 평균이 0이고 분산이 σ² _k인 AWGN이라 가정한다. <수학식 2>와 마찬가지로, 채널 이득이 추정 기간의 한 슬롯 동안 변하지 않는다고 가정하기 때문에 α(k)=α라 하고 λ₁(k)=λ₁라 할 수 있다. 또한 CPICH와 DPCH 그리고 S-CCPCH에 사용되는 서로 다른 채널화부호(Channelization code)때문에 비록 동일한 시간에 각 채널들이 겹친다 할지라도 n(i), m(j) 그리고 l(k)는 서로가 독립적이기 때문에 상기와 같은 과정을 수행할 수 있다.

다음으로 CPICH만으로 채널추정을 할 경우와, CPICH와 DPCH의 파일럿 심벌을 결합하여 채널 추정을 할 경우와, 그리고 CPICH, DPCH의 파일럿 심벌 그리고 S-CCPCH의 파일럿 심벌을 결합하여 채널 추정 할 경우의 성능을 비교하여 본 발명의 효과의 우수성을 알아보고자 한다.

먼저 단말기의 레이크 수신기에서 수신한 신호의 벡터를 고려하면, 하기 <수학식 4>와 같다.

z'=[x(1)x(2)...x(N)y(1)y(2)...y(M)z(1)z(2)...z(L)]^T

여기서 T는 전치행렬(transpose matrix) 연산자를 의미한다.

λ, λ₁ 그리고 α을 완벽히 알 때, 조건부 확률밀도함수(Conditional probability density function)은 하기 <수학식 5>와 같다.

여기서, α는 CPICH 채널만을 이용한 채널 추정값(경우1), λ는 DPCH와 CPICH 채널을 결합한 채널 추정값(경우2) 그리고 λ₁는 CPICH와 DPCH 그리고 S-CCPCH 채널을 결합한 채널 추정값(경우3)이다. N, M, K는 각각 CPICH 심벌 개수, DPCH의 파일럿 심벌 개수 그리고 S-CCPCH의 파일럿 심벌 개수를 의미한다. σ² _n은 CPICH만을 사용하여 채널 추정하는 경우, 수신기에서 발생하는 잡음이고 σ² _m은 CPICH와 DPCH를 결합하여 채널 추정하는 경우, 수신기에서 발생하는 잡음이고 σ² _k는 CPICH와 DPCH 그리고 S-CCPCH를 결합하여 채널 추정하는 경우, 수신기에서 발생하는 잡음이다. 각각의 경우에 채널 추정값을 비교하기 위하여 CRLB을 사용하여 성능을 분석한다.

다음으로 피셔 정보 행렬(Fisher information matrix)을 이용하여 상기 경우1과 경우2를 비교하고, 경우2와 경우3을 비교하여 어느 경우의 성능이 우수한지를 다음과 같이 분석한다.

먼저 경우1과 경우2의 비교는 <수학식 6>과 같이 표현된다.

상기 <수학식 6>의 역변환을 취한 형태는 하기 <수학식 7>과 같다. 하기 <수학식 7>과 같이 계산한 이유는 CPICH와 DPCH의 파일럿 심벌을 결합했을 때, 분산을 구하기 위함이다.

만약 λ를 완벽하게 알고 있다면 도출된 CRLB는 <수학식 8>과 같다.

만약 λ와 α가 공동으로 추정되었다면 하기 <수학식 9>를 유도할 수 있다.

만약 경우1과 같이 CPICH 심벌만 사용한 채널 추정은 상기 <수학식 10>과 같다.

따라서 <수학식 8>과 <수학식 9>를 비교하면 다음과 같다.

즉, DPCH의 파일럿 심벌과 CPICH를 결합한 채널추정방법이 CPICH만 독립적으로 채널 추정하는 것보다 더욱 성능이 우수함을 알 수 있다.

마지막으로 경우2와 경우3을 상기와 같은 CRLB를 사용하여 비교해 본다.

이를 통해, 피셔 정보 행렬(Fisher information matrix)을 이용하여 본 발명의 성능의 우수성을 알수 있다.

먼저, 경우2와 경우3은 하기 <수학식 12>와 같다.

만약 λ₁을 완벽하게 알고 있다면 도출된 CRLB는 하기 <수학식 13>과 같다.

따라서, <수학식 11>과 <수학식 13>을 비교하면 하기 <수학식 14>와과 같다.

따라서, 기존의 CPICH만 독립적으로 채널 추정하는 경우와 CPICH와 DPCH를 결합하여 채널추정하는 경우보다 CPICH와 DPCH 그리고 S-CCPCH를 결합하여 채널추정을 하는 경우가 더욱 성능이 우수함을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 기존의 독립적인 채널추정기법의 단점으로써 깊은 페이딩을 겪는다면 채널추정을 하더라도 오히려 더 많은 오류를 가져올 것이다. 따라서 위의 두 가지 기법을 결합하고 추가적인 S-CCPCH를 도입한다면 하나의 채널이 원하는 수신신호 레벨에 도달하지 않을 경우 다른 채널들을 이용하여 채널추정을 함으로써 더욱 진보된 파일럿 다이버시티 이득을 얻기 때문에 레이크 수신기에서 가장 이상적인 MRC(Maximum Ratio Combining)기법을 실현하고자 한다.

Claims

위성이나 기지국에서 전송한 신호를 다중 경로 채널을 겪은 후 레이크 수신기에서 채널추정하는 방법에 있어서,

역확산된 S-CCPCH의 파일럿 심볼을 추출하는 단계;

S-CCPCH의 파일럿 심볼값들의 평균을 계산하는 단계;

S-CCPCH의 파일럿 심볼과 DPCH파일럿 심볼, 그리고 CPICH파일럿 심볼과의 전전력비를 계산하는 단계;

S-CCPCH의 파일럿 심볼과 DPCH파일럿 심볼, 그리고 CPICH파일럿 심볼 각각에 가중치를 적용하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 채널추정방법.
제 1 항에 있어서,

S-CCPCH의 파일럿 심벌이 초기에 FACH 또는 PCH의 트랜스포트 채널로 옮기는데 사용될 때는 채널추정에 적용하지 않고 그 외의 채널 추정의 경우에 적용하는 것을 특징으로 하는 채널추정방법.
제 1 항에 있어서,

상기 S-CCPCH의 평균을 구하는 방식은,

DPCH의 평균을 구하는 방식과 동일함을 특징으로 하는 채널추정방법.
제 1 항에 있어서,

파일럿 심벌의 전력비는 CPICH 파일럿 심벌을 기준으로 DPCH를 구하고, S-CCPCH의 파일럿 심벌의 전력비를 구하는 것을 특징으로 하는 채널추정방법.
제 1항에 있어서,

상기 가중치는, 수신신호가 레이크 수신기로 입력됨에 있어서, 수신신호 레벨의 크기에 따라 0부터 1까지 부여되는 값임을 특징으로 하는 채널추정방법.