KR100583679B1

KR100583679B1 - 무선 다중입출력 채널의 임펄스응답 특성 측정 방법 및이를 위한 장치

Info

Publication number: KR100583679B1
Application number: KR1020040042341A
Authority: KR
Inventors: 김성철; 강노경; 곽도영; 이종호; 김용화
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2006-05-26
Also published as: KR20050117127A

Abstract

무선 MIMO 채널의 응답특성을 측정하는 방법과 장치가 개시된다. 동일한 M-시퀀스 신호를 이용하여 MIMO 채널간에 소정의 시간 차이(time offset)를 갖는 각 채널용 M-시퀀스신호를 만들어 각 채널용 송신안테나를 통해 동시에 송신한다. 각 수신 안테나를 통해 각 채널의 M-시퀀스 송신신호를 수신하여 각 채널의 IF신호로 변조한 다음 표본화하여 컴퓨터에 저장한다. 컴퓨터에서 프로그램을 실행하여, 소정 분량의 각 채널의 표본화 데이터를 복조하여 I-채널신호와 Q-채널신호를 구하고, 송신부에서 송신한 1주기 분량의 M-시퀀스신호를 적어도 2주기 분량의 I-채널신호와 Q-채널신호 각각에 대하여 슬라이딩 하면서 상호간의 상호상관을 계산한다. 그리고 그 계산된 상호상관값을 이용하여 각 채널의 임펄스응답의 크기와 위상을 산출한다.

Description

무선 다중입출력 채널의 임펄스응답 특성 측정 방법 및 이를 위한 장치{Method for measuring impulse response of multiple inputs multiple outputs radio frequency channel and measuring apparatus for the same}

본 발명의 실시예에 관한 상세한 설명은 첨부하는 도면을 참조하여 이루어질 것이며, 도면에서 대응되는 부분을 지정하는 번호는 같다.

도 1은 스위칭 기법을 이용한 종래의 MIMO 채널 측정 방법의 개념을 도시한 도면이다.

도 2는 주기적인 엠-시퀀스(M-sequence)의 자기상관의 특성을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 무선 MIMO 채널의 임펄스응답 측정시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한다.

도 4는 도 3에 도시된 송신부의 바람직한 구성예를 도시한다.

도 5는 도 4에 도시된 시퀀스발생기의 바람직한 구성예를 도시한다.

도 6은 도 5에 도시된 M-시퀀스 발생기의 구성 예를 보여준다.

도 7은 도 3에 도시된 수신부의 바람직한 구성예를 도시한다.

도 8은 본 발명에 따른 측정 시스템의 채널 응답 측정 프로그램의 계통도이다.

도 9와 10은 슬라이딩 상관도 계산을 통해 MIMO 채널의 임펄스응답 특성을 측정하는 방법에 관한 개념도이다.

도 11은 M-시퀀스의 자기상관함수 특성을 도시한다.

도 12는 다중경로를 통해 수신된 신호의 상관 결과 및 매핑을 나타낸다.

도 13은 측정결과의 매핑 방법을 도시한다.

도 14는 하나의 수신 안테나에서 측정된 4개의 송신 안테나에서 송신된 신호의 파형을 도시한다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

100: MIMO 채널 측정 시스템 110: MIMO 채널

200: 송신부 210: 시퀀스발생기

230: 제1 신호발생기 240: 제2 신호발생기

250: 제1 곱셈기부 260: 제2 곱셈기부

270: 전력 증폭기부 280: 안테나부

300: 수신부 310: 수신안테나

320: 저잡음증폭기부 330: 신호발생기

340: 곱셈기부 350: 오실로스코프

360: 컴퓨터 400: 채널 응답 측정 프로그램

412: IF신호생성부 414: M시퀀스생성부

420: I-채널신호생성부 430: Q-채널신호생성부

440a, 440b: 상관도산출부 450: 진폭산출부

460: 위상산출부

본 발명은 무선 채널 응답 특성 측정에 관한 것으로서, 특히 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 채널 무선통신시스템의 채널 파라미터 산출에 필요한 정보를 얻는 데 필요한 임펄스응답을 측정하는 방법과 장치에 관한 것이다.

채널 응답에 대한 정보는 전파 예측에 관한 모델을 만들고 가장 유리한 무선 채널 시스템을 구성하는 데 매우 중요하다. IMT-2000, 또는 3G/4G 이동통신 시스템의 효율적인 시스템 설계나 분석을 위해서는 시스템이 운용되는 지역의 전파 환경에 대한 정확한 분석이 필수적이다. 전자파는 반사, 굴절 및 분산 등의 과정을 거치면서 전파되는데, 특히 많은 건물과 시설물, 이동체들이 많이 존재하는 도시지역에서의 전자파 전파 메커니즘은 매우 복잡하다.

송신기에서 하나의 신호를 전송했다 하더라도 전파는 여러 개의 전파경로를 거쳐 수신기에 도달하기 때문에, 수신기에서는 여러 개의 동일한 신호를 시간차를 두고 수신된다. 또한, 신호 경로의 시간이 늦어질수록 신호의 수신 진폭은 작아진다. 즉, 비교적 큰 신호가 먼저 도착하고, 작은 신호가 늦게 도착한다. 이는 늦게 들어오는 신호가 평균적으로 더 많은 경로를 거쳐 오므로 그 경로를 거치는 동안 신호의 크기가 감소되기 때문이다. 이와 같이 하나의 신호가 여러 경로를 거쳐 수신기에 도달하는 다중경로 현상을 거치는 전파환경에 적용되는 무선 통신 시스템을 효율적으로 설계하는 데 필요한 정확한 정보를 획득하기 위해, 무선 채널 측정 장치를 이용하여 채널 특성을 파악한다.

무선 채널의 특성은 무선 채널의 임펄스응답으로부터 알 수 있다. 어떤 주파수로 임펄스 신호를 전송하고, 수신측에서 그 임펄스 신호의 응답인 진폭과 위상을 측정함으로써, 전송 경로의 감쇄와 기타 다른 특성들을 추론할 수 있다. 그래서 새로운 무선 통신 시스템의 설계에는 무선 채널 측정 시스템을 이용하여 무선 채널에서의 임펄스응답을 측정하는 작업이 필수적으로 수행된다. 그리고 그 측정 결과를 바탕으로 채널의 시간 지연(time delay), 다중 경로 분석(multi-path analysis), 평균 지연 확산(rms delay spread), 최대 초과 지연(maximum excess delay) 등과 같은 채널 특성을 도출한다.

종래에 알려진 채널 측정 방법에는 입력과 출력이 각각 하나로 된 SISO(Single Input Single Output) 채널 측정방법과 스위칭을 이용하여 입력과 출력을 각각 여러 개로 구성한 MIMO 채널 측정 기법이 있다. 오늘날에는 SISO 채널 측정 방법보다 더 효율적인 측정방법인 MIMO 측정방법이 주로 이용된다.

도 1은 MIMO 채널 측정 방법 중에서 현재 가장 많이 쓰이고 있는 방법을 도시하고 있다. 이 방법은 스위칭 기법을 이용하는 측정 방법이다. 이 시스템은 다수의 송신안테나가 하나의 송신신호 입력단에 스위치(Sw)를 매개로 하여 연결되어 송신부에서 하나의 신호 Tx를 스위치를 이용하여 여러 개의 신호 M_Tx로 변환한 다음 각각의 송신 안테나에 보내어 송신한다. 나아가, 수신부에서도 다수 개의 수신 안 테나를 두고, 그 수신 안테나에 도달한 신호를 스위치를 이용하여 하나씩 측정한다. 종래의 MIMO 채널 측정방법은 이처럼 시간 간격을 두고 각 안테나에 차례로 송수신하는 방법이다. 그러나 이와 같은 종래의 MIMO 측정방법은 하나의 신호를 스위치를 이용하여 각각의 안테나에 보내기 때문에 진정한 의미의 동시적 채널 측정이라고 말하기는 힘들다. 멀티 채널의 동시적 측정이 이루어지지 않으면 안테나 상호간의 영향을 파악하기 어렵다. 즉, 상관도(correlation)를 구하는 데 있어서 시간차이가 나기 때문에 실시간으로 상관도를 구할 수 없는 단점이 있다.

또한, MIMO 채널 측정 시스템에서 M-시퀀스를 송신하는 경우, 수신부측에서는 수신된 신호가 어느 송신 안테나에서 송신된 것인지를 구별할 수 있어야 한다. N개의 송신 안테나에서 모두 같은 시퀀스를 보내면 송신 안테나를 구분할 수가 없다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법은 송신 신호로서 서로 다른 시퀀스를 사용하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 송신 시퀀스가 서로 다른 경우 수신 과정에서 발생하는 신호 간의 상호 상관의 특성이 좋지 않기 때문에 채널 행렬의 성분 중 하나가 큰 페이딩에 빠지는 경우 채널 행렬을 구할 수 없는 경우가 존재하는 문제를 가진다. 따라서 송신 안테나를 구분하기 위한 방식으로 서로 다른 시퀀스를 사용하는 방법은 채널 측정에 적절치 않은 방식으로 여겨진다.

본 발명에 따른 무선 MIMO 채널의 임펄스응답 측정에 있어서 각 채널에 대한 응답 측정이 동시적으로 수행될 수 있고, 수신된 신호를 한 번만 상호 상관하여도 전체 채널의 송신 안테나에 대한 임펄스응답을 구할 수 있고, 임펄스응답의 산출을 소프트웨어에 의해 행할 수 있는 무선 다중입출력 채널의 임펄스응답 특성 측정 방법 및 이를 위한 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 송신부와 수신부가 무선 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 채널을 통해 연결되도록 구성된 무선통신시스템을 이용하여 무선 MIMO 채널의 응답특성을 측정하는 방법에 있어서, 상기 송신부에서, 동일한 M-시퀀스 신호를 이용하여 상기 MIMO 채널 간에 소정의 시간 차이(time offset)를 갖는 각 채널용 M-시퀀스신호를 만들고, 각 채널용 M-시퀀스신호를 각 채널용 송신안테나를 통해 동시에 송신하는 송신단계; 상기 수신부에서, 각 수신 안테나를 통해 각 채널의 M-시퀀스 송신신호를 수신하여 각 채널의 IF신호로 변조하는 수신단계; 변조된 각 채널의 IF신호를 표본화하여 저장수단에 저장하는 표본화단계; 및 컴퓨터에서 프로그램을 실행하여, 상기 저장수단에 저장된 소정 분량의 각 채널의 표본화 데이터를 복조하여 I-채널신호와 Q-채널신호를 구하고, 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각과 상기 송신부에서 송신한 상기 M-시퀀스신호 간의 상호상관을 계산하고, 그 계산된 상호상관값을 이용하여 각 채널의 임펄스응답의 크기와 위상을 산출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정방법이 제공된다.

위 측정방법에 있어서, 상기 송신단계는 구체적으로, 상기 M-시퀀스 신호를 동일한 시간지연특성을 갖는 다수의 시간지연기를 순차적으로 통과시키는 방식을 이용하여, 채널 간에 상기 소정의 시간 차이를 갖는 채널별 M-시퀀스 신호를 생성 하는 단계; 및 상기 채널별 M-시퀀스 신호를 원하는 주파수로 각각 변조한 다음 각 채널별 송신 안테나를 통해 동시에 송신하여 각 채널별 송신신호 간에 송신시간에 있어서 상기 소정의 시간 차이를 가지도록 하는 단계를 구비한다.

한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 무선 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 채널의 응답특성을 측정하는 장치에 있어서, 동일한 M-시퀀스 신호를 이용하여 상기 MIMO 채널간에 소정의 시간 차이(time offset)를 갖는 각 채널용 M-시퀀스신호를 만들고, 각 채널용 M-시퀀스신호를 각 채널용 송신안테나를 통해 동시에 송신하는 송신부; 각 수신 안테나를 통해 각 채널의 M-시퀀스 송신신호를 수신하여 각 채널의 IF신호로 변조하는 수신부; 변조된 각 채널의 IF신호를 표본화하는 디지털 오실로스코프; 및 소정의 프로그램을 실행하여, 상기 디지털 오실로스코프가 제공하는 소정 분량의 각 채널의 표본화 데이터를 복조하여 I-채널신호와 Q-채널 신호를 구하고, 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각과 상기 송신부에서 송신한 상기 M-시퀀스신호 간의 상호상관을 계산하고, 그 계산된 상호상관값을 이용하여 각 채널의 임펄스응답의 크기와 위상을 산출하는 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치가 제공된다.

상기 송신부는, 바람직한 구성예에 따르면, 상기 MIMO채널의 각 채널용 다수의 송신안테나; 상기 MIMO 채널의 각 채널용 M-시퀀스신호를 동일한 M-시퀀스신호로 구성하여 상기 소정의 시간 차이를 유지하면서 발생시키는 시퀀스발생기; 소정 주파수의 반송파를 생성하는 신호발생부; 상기 각 채널용 M-시퀀스신호를 상기 반 송파와 각각 곱하여 변조하는 곱셈부; 및 변조된 각 채널용 M-시퀀스신호의 전력을 증폭하여 상기 각 채널별 송신안테나를 통해 전송되도록 하는 전력증폭부를 구비한다. 그리고, 상기 시퀀스발생기는, 상기 M-시퀀스신호를 발생시키는 M-시퀀스발생기; 상기 M-시퀀스신호를 소정 시간만큼 지연시켜 출력하는 다수개의 시간지연기를 상기 M-시퀀스발생기의 출력단에 종속적으로 연결하여 구성된 시간지연기부; 상기 M-시퀀스발생기와 상기 시간지연기부의 각 시간지연기로부터 출력되는 각 채널의 디지털 M-시퀀스신호의 레벨을 아날로그 증폭에 적합한 레벨로 쉬프트 하는 레벨쉬프터부; 및 레벨쉬프트 된 각 채널의 디지털 M-시퀀스신호를 반송파에 싣기 위해 아날로그 신호로 증폭하여 출력하는 증폭부를 구비한다.

또한, 상기 수신부는, 바람직한 구성예에 따르면, 상기 MIMO 채널의 각 채널용 다수의 수신안테나; 각 채널의 수신안테나를 통해 수신된 각 채널의 M-시퀀스신호를 증폭하는 증폭부; 소정주파수의 반송파를 발생시키는 신호발생부; 및 상기 증폭된 각 채널의 M-시퀀스신호를 상기 반송파와 곱하여 소정주파수의 IF신호로 변조하는 곱셈부를 구비한다.

본 발명의 측정방법이나 측정장치에 있어서, 상기 소정의 시간차이는 채널끼리 서로 구분할 수 있도록 하기 위해 채널 환경의 최대지연시간보다 큰 값을 갖도록 정해지는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 상호상관은 적어도 1주기 분량의 상기 M-시퀀스신호를 적어도 2주기 분량의 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각에 대하여 슬라이딩하면서 상호상관값을 계산하는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서 본 발명의 이해를 돕기 위한 이론적 배경을 먼저 간략히 설명하기로 한다. 송신 안테나의 개수가 N개이고, 수신 안테나의 개수가 M개로 구성된 광대역 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 무선통신 시스템을 고려한다. 이 무선통신 시스템에서, n번째 송신 안테나에서 m번째 수신 안테나로의 광대역 MIMO 채널 임펄스응답 모델은 아래 식 1과 같이 모델링 된다.

(1)

이 식의 주파수 도메인에 대한 수신 모델은 아래와 같다.

(2)

(3)

(4)

여기서 진폭

와 시간지연

를 구하는 것이 채널 측정의 목표가 된다.

무선 채널의 특성을 분석하기 위한 채널 측정 방법은 여러 가지가 있는데, 그 중의 하나가 의사잡음상관기법(Pseudo noise correlation method)이다. 의사잡음은 자기상관(auto-correlation)특성이 채널의 임펄스응답(impulse response)과 비슷하다. 의사잡음상관기법은 이러한 의사잡음의 특성에 주목하여, 의사잡음을 송신신호로 이용하고, 수신된 신호를 송신된 의사잡음과 상호상관을 함으로써 채널의 임펄스응답을 측정하는 것이다.

의사잡음상관기법을 적용함에 있어서, 실제 통신환경의 시변 채널을 모델링 할 때 선형 필터로 하게 된다. 이러한 채널 모델을 구하기 위하여 사용하는 광대역 무선 채널 측정 방법 중 의사잡음상관기법의 수식적 유도는 다음과 같다. 선형 시스템의 임펄스응답을

, 입력을

, 출력을

라고 하면 출력은 식 5와 같다.

(5)

이 때 입력과 출력 사이의 상호상관 함수(Cross-correlation function)는 식 6과 같다.

(6)

여기서 식 (5)의

를 식 (6)에 대입하면 식 (7)이 된다.

(7)

그리고 입력

의 자기상관 함수(auto-correlation function)는 식 (8)과 같이 정의된다.

(8)

입력

의 자기상관함수를 이용해 식 (7)을 정리하면 입력과 출력 사이의 상호상관(cross-correlation)은 식 (9)와 같이 정리할 수 있다.

(9)

따라서 입력

의 자기상관이 델타함수이면 상호상관은 아래 식 10과 같이 표현된다.

(10)

즉, 입력의 자기상관함수가 델타 함수이면 측정된 출력의 상호상관함수로부터 채널의 임펄스응답을 얻을 수 있다. 주기적인 엠-시퀀스(M-sequence)의 자기상관의 특성은 시퀀스의 길이가 길수록 임펄스와 비슷한 특성을 가지고 있으며 그 특성은 도 2와 같다.

위와 같은 이론적 배경에 기반하여, 본 발명은 같은 시퀀스를 시간적으로 차이를 두고 송신하는 방식을 이용한다. 서로 다른 송신 안테나에서 발생하는 시퀀스가 서로 같은 M-시퀀스이므로 N 개(단, N은 MIMO 채널의 송신 안테나 수 )의 송신 신호의 상호 상관의 특성은 곧 시간적 차이를 둔 자기 상관의 특성과 같아서 상관 결과가 0에 수렴하게 된다. 또한 이 방식을 사용할 경우 수신된 신호를 한 번만 상 호 상관하여도 N 개의 송신 안테나에 대한 채널의 임펄스응답을 구할 수가 있어서 다른 방식에 비해 간단하면서 좋은 결과를 얻을 수 있다. 여기서 짚고 넘어갈 부분은 네 송신 안테나의 임펄스응답이 한 번의 상호 상관으로 구해지는데 이것이 동시에 수신된 신호에 의해 그려지지만, 임펄스응답의 그래프 상에서는 순차적으로 임펄스(impulse)가 보내진 것처럼 보인다는 점이다.

이런 개념에 기초하여 구성된 본 발명에 따른 무선 MIMO 채널의 임펄스응답 측정시스템이 도 3에 도시되어 있다. 도시된 MIMO 채널 측정 시스템은 5.8 GHz 대역의 광대역 4x4 MIMO 채널 측정을 위한 예시적인 시스템으로서, 광대역 무선 MIMO채널(110)을 매개로 하여 송신부(200)와 수신부(300)가 연결되는 구성을 가진다. 송신부(200)는 시퀀스 발생수단과 RF모듈 및 다수의 안테나를 구비한 구성을 가지며, 수신부(300)는 다수의 안테나와 RF모듈, 디지털오실로스코프 및 PC와 소정의 채널응답 측정 프로그램을 구비한다.

MIMO 채널 측정 시스템(100)은 앞서 언급한 것처럼 의사잡음 신호인 M-시퀀스를 송신 신호로서 사용한다. 송신부(200)는 기저대역에서 발생한 M-시퀀스를 소정 주파수(예: 5.8 GHz)로 변조하고 무선 MIMO 채널(110)에 송신한다. 수신부(300)는 무선 MIMO 채널(110)을 통과한 신호를 수신하여 IF 대역으로 복조한 후 디지털 오실로스코프를 이용하여 수신 신호를 표본화한 후 PC에 저장한다. 저장된 데이터에 대해서는 추후 PC에서 채널응답 측정 프로그램을 실행하여 각 채널의 임펄스응답인 진폭과 위상을 산출한다. 이 두 정보를 활용하면 여러 가지 채널 파라미터 예컨대 시간지연, 도달각도 등과 같은 정보를 얻을 수 있다.

송신부(200)는 크게 기저 대역(baseband)의 시퀀스 발생기(210)와 RF 모듈(230~280)의 두 부분으로 구성된다. 도 4는 송신부(200)의 바람직한 구성예를 도시한다. RF 모듈(230~280)은 도시된 것처럼 제1 신호발생기(230), 제2 신호발생기(240), 제1 곱셈기부(250), 제2 곱셈기부(260), 전력 증폭기부(270), 그리고 안테나부(280)로 구성된다. 제1 곱셈기부(250)의 곱셈기 수, 제2 곱셈기부(260)의 곱셈기 수, 전력 증폭기부(270)의 증폭기 수, 그리고 안테나부(280)의 안테나 수는 시퀀스 발생기(210)의 출력단 수 MIMO 채널의 송신 안테나 수 N과 같다. 제1 곱셈기부(250)는 시퀀스 발생기(210)의 각 출력을 제1 신호발생기(230)의 출력과 곱해주고, 제2 곱셈기부(260)는 제1 곱셈기부(250)의 각 출력을 제2 신호발생기(240)의 출력과 곱해주며, 제2 곱셈기부(260)의 각 출력은 전력증폭기부(270)를 거쳐 각각 증폭된 다음, 안테나부(280)의 각 안테나를 통해 송신되도록 구성된다.

도 5는 시퀀스 발생기(210)를 좀 더 상세하게 도시한다. M-시퀀스 발생기(210)의 출력단에 MIMO 채널의 송신 안테나 수 N개(도면에서는 N=4)보다 1개 적은 N-1개의 시간지연기(214a~214c)가 직렬로 연결되고, 이들 시간지연기(214a~214c) 사이사이에 N개의 레벨쉬프터(216a~216d)의 입력단이 각각 연결된다. 그리고 각 레벨쉬프터(216a~216d)의 출력단에는 전압피드백 증폭기(218a~218d)가 연결된다. 결국, 시퀀스 발생기(210)는 N개의 출력단(219a~219d)을 가지며, 이들 출력단(219a~219d)을 통해 동일한 M-시퀀스가 소정의 시간차이를 가지면서 출력된다. 여기서, 각 출력단(219a~219d)을 통해 출력되는 M-시퀀스신호 간의 시간차이는 채널끼리 서로 구분할 수 있도록 하기 위해 채 널 환경의 최대지연시간보다 큰 값을 갖는다. 그리고 이러한 시간차이는 시간지연기(214a~214c)가 부여한 시간지연 값과 같다.

도 6은 M-시퀀스 발생기(210)의 구성 예를 보여준다. M-시퀀스 발생기(210)는 도시된 것처럼 10개의 쉬프트 레지스터(220)를 이용하여 구성할 수 있다. 10개의 쉬프트레지스터(220)가 직렬 연결되며, 그 중 2, 3, 8, 10번째 쉬프트 레지스터의 값이 가산기(222)에 연결되어 mod 2 연산을 하여 1번 쉬프트 레지스터로 피드백 되도록 구성된다. 여기서 M-시퀀스를 만들기 위해 사용될 수 있는 다항식은 z¹⁰+ z⁸+ z⁷+ z²+ 1 이다. 다항식의 표현은 1번 쉬프트 레지스터 앞이 z의 10승 항이 되고, 2번째 뒤가 8승, 3번째 뒤가 7승, 8번째 뒤가 2승, 10번째 뒤가 z의 0승 즉 1이 된다. 위 다항식 이 외에도 10개의 쉬프트 레지스터를 사용하여 M-시퀀스를 만들 때 적용 가능한 다항식은 다음과 같은 것들이 있다.

z¹⁰+ z⁷+ 1,

z¹⁰+ z⁶+ z⁵+ z²+ 1,

z¹⁰+ z⁷+ z⁶+ z²+1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁵+ z²+ 1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁶+ z¹ +1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁷+ z⁶+ 1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁵+ z⁴+ z²+ z¹ +1,

z¹⁰+ z⁸+ z⁵+ z⁴+ z³+ z² +1,

z¹⁰+ z⁸+ z⁷+ z⁴+ z²+ z¹ +1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁸+ z⁷+ z⁵+ z⁴+1,

z¹⁰+ z⁷+ z⁶+ z⁵+ z⁴+ z³+ z ²+ z¹ +1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁷+ z⁶+ z⁵+ z⁴+ z ³+ z² +1,

z¹⁰+ z⁹+ z⁸+ z⁷+ z⁶+ z⁵+ z ⁴+ z¹ +1

M-시퀀스 발생기(212)는 이처럼 10개의 쉬프트 레지스터(220)를 이용하여 첫 번째 M-시퀀스를 발생시킨다. M-시퀀스 발생기(212)로부터 생성된 M-시퀀스 신호는 0[V]와 1[ V]로 표현되는 디지털 신호인데, 레벨쉬프터(216a~216d)는 이 디지털 신호를 입력받아 아날로그 증폭에 적합한 다른 레벨의 신호, 예컨대 +0.5[V]와 -0.5[V]의 신호로 레벨을 쉬프트한다. 레벨쉬프트를 하는 것은 m-시퀀스의 자기상관도(auto-correlation) 값을 구할 때, 0과 1로 나타내어지는 디지털 신호는 서로 상쇄되지 않지만, 이를 레벨쉬프트 하여 얻어진 -0.5과 +0.5 은 서로 상쇄되는 점을 활용하기 위함이다. 전압피드백증폭기(218a~218d)는 레벨 쉬프트된 신호를 반송파에 싣기 위해 수 Volt 의 아날로그 신호로 증폭한다.

제1 시간지연기(214a)는 M-시퀀스 발생기(212)의 첫 번째 M-시퀀스신호를 시간 지연시켜서 두 번째 신호를 만드는 역할을 한다. 앞서 언급한 것처럼, 제1 시간지연기(214a)가 부여하는 시간 지연의 크기는 수신부(300)에서 수신한 신호를 상호상관 했을 때 첫 번째 M-시퀀스 신호와 두 번째 M-시퀀스 신호를 구분할 수 있는 시간 크기만큼 충분히 커야 한다. 이를 고려할 때, 시간 지연의 크기는 채널 환경의 최대지연시간보다 큰 값으로 정할 필요가 있다. 본 발명의 실시예에 따른 측정시스템(100)의 실제 제작에서는, 시간지연기(214a~214c)의 지연시간의 크기를 1.5 ㎲ (= 1,500 ㎱)로 하였다. 예컨대, 시퀀스 발생기(210)를 20 MHz의 크리스탈 발진기로 클럭을 만들어 시퀀스를 만든 경우를 생각해보자. 이 경우 M-시퀀스의 칩 지속시간은 50ns 이다. M-시퀀스는 10차 다항식을 만족하므로 전체 칩의 개수는 1023개이다. 따라서 M-시퀀스의 주기는 51.15μs 이 된다. 이 주기는 측정 가능한 채널 임펄스응답의 최대 지연시간을 가리킨다. 두 개의 송신 안테나에서 발생하는 시퀀스의 시간적 차이는 1.5μs 이며 채널 환경의 최대지연시간보다 크게 한다. 측정 대상이 실내 환경인 경우, 광대역 실내 무선 채널 측정을 통하여 확인한 바에 따르면 RMS 지연확산이 100 ns보다 작다. 또한 최대지연시간이 500 ns를 넘지 않는다. 따라서 1.5μs 의 시퀀스 차이로 실제 측정 가능한 다중 경로를 전부 확인 가능하다고 할 수 있다. 송신부(200)에서 M-시퀀스신호를 생성함에 있어서, 각 채널용 M-시퀀스신호 간에 이러한 시간 차이를 제공하는 것이 바로 시간 지연기들(214a~214c)이다. 세 번째와 네 번째의 M-시퀀스 신호도 동일한 방법으로 시간지연을 가진다. 즉, 두 번째 M-시퀀스 신호는 제2 시간지연기(214b)와 제3 시 간지연기(214c)를 거치면서 세 번째와 네 번째의 M-시퀀스 신호로서 변환되며, 이들 M-시퀀스 신호의 시간차이 역시 앞의 첫 번째와 두 번째 M-시퀀스 간의 시간차이와 같게 된다. 송신된 M-시퀀스의 시간 간격은 M-시퀀스의 한 주기에 해당한다.

이상과 같은 방식에 따라서 시퀀스 발생기(210)는 일정한 시간차이를 가진 MIMO 채널(110)의 각 채널용 M-시퀀스신호들을 발생시키고, 이들 M-시퀀스신호를 제1 및 제2 신호발생기(230)(240)로부터 제공되는 IF 신호(예: 1.8 GHz 신호)와 RF 신호(예: 4 GHz)의 두 개의 반송파와 곱셈기부(250)(260)에서 곱해서 원하는 주파수(예: 5.8 GHz)로 변조한다. 변조된 각 채널의 M-시퀀스 신호는 각 채널 안테나(280)를 통해 동시에 송신된다. 즉, 각 채널의 M-시퀀스 신호는 상호간에 시간 편차(time offset)를 가진 상태로 동시에 송신된다. 신호 발생기(230)(240)에서 발생한 반송파를 이용하여 변조할 때 송신신호의 위상에 영향을 주지 않도록 하기 위해 분배기 (splitter)(비도시)를 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 수신부(300)는 RF 증폭단, 표본화부, 채널응답측정부로 구성된다. 도 7은 수신부(300)의 바람직한 구성예를 도시한다. RF 증폭단은 다수의 수신안테나(310)와, 각 수신안테나마다 한 조씩 연결된 저잡음증폭기부(Low Noise Amplifier: LNA)(320), 소정 주파수(예: 5.76GHz)의 반송파를 발생시키는 신호발생기(330), 그리고 저잡음증폭기부(320)의 각각의 출력신호와 신호발생기(330)의 출력신호를 곱하는 곱셈기부(340)로 구성된다. 저잡음증폭기(320)는 충분한 이득을 확보하기 위하여 필요한 수만큼을 직렬로 연결하면 되는데, 도면에서는 두 개의 저잡음증폭기를 직렬로 연결한 구성을 보여준다. 이러한 RF 증폭단은 각 채널별로 마 련된다.

본 발명은 채널응답의 측정을 소프트웨어적으로 수행한다. 이를 위해, 아날로그신호의 디지털화, 그리고 변환된 디지털신호로부터 임펄스응답의 진폭과 위상을 산출하기 위한 응답측정 프로그램이 필요하다. 표본화부는 RF 증폭단에서 제공되는 아날로그 수신신호를 샘플링하여 디지털신호로 변환하는 수단으로서, 예컨대 디지털 오실로스코프(350)로 구성할 수 있다. 채널응답측정부는 디지털 오실로스코프(350)가 제공하는 표본화 데이터를 저장하고, 그 표본화 데이터에 대하여 응답측정 프로그램을 이용하여 채널응답 특성 파악을 위해 필요한 연산을 수행하는 장치로서, 퍼스널컴퓨터(PC)(360)로 구성하는 것이 바람직하다. 각 채널별 RF 증폭단은 디지털 오실로스코프(350)의 각 채널단자에 연결된다.

안테나(310)를 통해 수신된 신호는 저잡음증폭기부(320)를 통하여 증폭된 후 신호발생기(330)로부터 발생한 소정 주파수(예: 5.76 GHz)의 반송파와 곱셈기(340)에서 곱해져서 40MHz의 중간주파수(IF) 신호로 변조된다. 변조된 IF 신호는 디지털 오실로스코프(350)에서 소정의 표본화율 예컨대 200 MS/s의 속도로 표본화되고, 그 표본화된 데이터는 PC(360)에 저장된다.

도 8은 본 발명에 따른 측정 시스템(100)의 채널 응답 측정 프로그램(400)의 계통도이다. 이 측정 프로그램(400)은 PC(360)에 의해 실행되어 각 수신 채널별 임펄스응답의 진폭과 위상을 산출하는 기능을 가진다. 측정 프로그램(400)은 기능적으로 구분해 볼 때, IF신호생성부(412), M시퀀스생성부(414), I-채널신호생성부(420), Q-채널신호생성부(430), 상관도산출부(440a, 440b), 진폭 산출부(450), 위상산출부(460) 등을 포함한다. I-채널신호생성부(420)는 곱셈부(422)와 저역통과필터(LPF)(424)로 구성된다. Q-채널신호생성부(430)는 곱셈부(432)와 저역통과필터(436)를 구비하는 것 외에, IF신호생성부(412)의 사인파 IF신호를 90°위상 천이시켜 코사인파 IF신호를 곱셈부(432)에 제공하는 90°위상천이부(434)를 더 갖는다. 진폭산출부(450)는 I-채널신호의 상관도값과 Q-채널신호의 상관도 값을 각각 제곱하는 제곱부(452a, 452b)와 이들 제곱부(452a, 452b)의 계산값을 합하는 가산기(454)와, 이 가산기(454)에서 합산된 값의 제곱근값을 산출하는 제곱근부(456)로 구성된다. 위상산출부(460)는 I-채널신호의 상관도값과 Q-채널신호의 상관도 값의 아크탄젠트 연산을 하는 아크탄젠트부로 구성된다.

PC(360)의 저장수단(예: 하드디스크)에 저장된 각 채널의 표본화 데이터에 대하여 각 채널별로 다음과 같은 처리를 수행하여 각 채널의 임펄스응답의 진폭과 위상을 얻는다. 먼저, 표본화 데이터는 I-채널신호생성부(420)에서 사인파 IF신호와 곱해져서 복조된 다음, 고주파성분을 제거하는 필터링처리를 거치면서 I-채널신호로 만들어진다. 또한 Q-채널신호생성부(430)에서는 표본화 데이터와 코사인파 IF신호를 이용하여 위와 같은 처리를 함으로써 Q-채널신호의 데이터를 생성한다. 상관도산출부(440a)와 (440b)는 이렇게 얻어진 I-채널신호와 Q-채널신호의 데이터 각각과 송신부(200)에서 사용된 M-시퀀스신호 간의 상관도를 연산한다.

상관도산출부(440a)와 (440b)에서 수행되는 상관도 연산을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 슬라이딩 상관도(sliding correlation)의 계산법을 이용하여 채널 임펄스응답을 측정한다. 도 9와 10은 슬라이딩 상관도 계산을 통해 MIMO 채널의 임펄스응답특성을 측정하는 방법에 관한 개념도이다. 두 도면에 도시된 것과 같이 컴퓨터(360)에서는 수신된 신호의 2주기를 저장한다. 이 신호가 처음 시작된 점을 알 수 있다면 한 주기 동안의 신호만 받으면 되겠지만 실제로는 시작점을 알기 어려우므로 두 주기의 신호를 받는다. 두 주기의 수신신호를 송신부(200)에서 원래 보낸 알고 있는 한 주기의 송신신호와 상관함으로써 송신 신호와 동기가 맞는지를 체크한다. 이 경우 도 11에서 보는 것과 같은 피크가 생기게 되고 다중 경로를 통해 들어온 경우는 상응하는 지연시간 후에 유사한 피크가 다시 생기게 된다. 이런 다중 경로들을 통해 들어온 신호를 모아 상호상관 처리를 하면 도 12와 같이 되고, 이를 도 13과 같은 방법으로 매핑할 수 있다. 예컨대 송신안테나에서 보낸 4개(N=4인 경우)의 신호는 송신된 M-시퀀스 신호가 일정한 시간 지연에 해당하는 오프셋을 가지므로, 수신기(300)에서 수신된 신호의 상관 결과를 보면 서로 다른 안테나에서 송신된 4개의 신호를 각각 구분할 수 있게 되는 것이다.

도 14에 도시된 파형은 수신측에서 수신된 신호를 나타내는 것으로서, 하나의 수신 안테나에서 측정된 4개의 송신 안테나에서 송신된 신호의 시간에 따른 진폭 변화를 나타낸다. 도면에서, Tx1, Tx2, Tx3, Tx4 라고 적혀있는데 이것이 각 Tx를 구분한 것이다. 무선 채널의 특성상 최대지연이 수백 ns 라고 가정할 수 있으므로 송신부(200)에서 임의로 만든 타임 오프셋은 도 14에서 보는 것처럼 시간 축에서 1,500ns 정도의 시간 차이로 나타나기 때문에 각 채널을 충분히 구분할 수 있다. 물론 측정된 16쌍(4X4=16)의 신호는 동시에 들어온 것이며 그래프 축 상에서 보이는 시간 지연은 측정 시간의 지연과는 무관하다. 이러한 방법을 사용함으로 4 번의 슬라이딩 상관도 연산(sliding correlation) 만으로 16개 채널의 임펄스응답을 구해낼 수 있다.

위와 같은 방법으로 I-채널신호와 Q-채널신호에 대한 상관도값이 계산되면, 진폭산출부(450), 위상산출부(460)는 그 상관도값을 이용하여 임펄스응답의 진폭과 위상을 산출한다. 즉, 임펄스응답의 크기는 I-채널 상호상관값들의 제곱과 Q-채널 상호상관값들의 제곱을 합한 값에 제곱근 연산을 하여 얻어지는 값이고, 임펄스응답의 위상은 상기 I-채널 상호상관값들과 상기 Q-채널 상호상관값들의 아크탄젠트 연산을 하여 얻어지는 값이 된다.

이상에서는 사용주파수를 5.8GHz를 예로 하여 설명하였지만, 본 발명에 사용되는 주파수는 특별한 제한이 없으며 예컨대 20MHz, 1.8GHz, 4.0GHz, 5.76GHz 등과 같이 시스템에 따라서 변할 수 있다. 나아가, 위 설명에서는 송신 안테나의 개수와 수신 안테나의 개수가 동일한 경우를 예로 하여 설명하였지만 송신 안테나와 수신 안테나 개수가 서로 다른 경우도 본 발명은 적용될 수 있다.

본 발명은 일정한 타임 오프셋을 가진 N개 (단, N은 MIMO 채널의 송신 안테나 수)의 M-시퀀스 신호가 동시에 송신되고 동시에 수신되기 때문에 모든 채널에 대하여 동시적으로 응답을 측정할 수 있는 채널 측정 방법이다. 또한 N번의 슬라이딩 상관도 계산(sliding correlation) 만으로 NＸM 쌍 (단, N은 MIMO 채널의 송신 안테나 수, M은 MIMO 채널의 수신 안테나 수 )의 채널 임펄스응답을 구할 수 있으므로 적은 연산으로도 응답 특성을 효과적으로 산출할 수 있는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다. 따라서, 특허청구범위의 등가적인 의미나 범위에 속하는 모든 변화들은 전부 본 발명의 권리범위안에 속함을 밝혀둔다.

Claims

송신부와 수신부가 무선 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 채널을 통해 연결되도록 구성된 무선통신시스템을 이용하여 무선 MIMO 채널의 응답특성을 측정하는 방법에 있어서,

상기 송신부에서, 동일한 M-시퀀스 신호를 이용하여 상기 MIMO 채널간에 소정의 시간 차이(time offset)를 갖는 각 채널용 M-시퀀스신호를 만들고, 각 채널용 M-시퀀스신호를 각 채널용 송신안테나를 통해 동시에 송신하는 송신단계;

상기 수신부에서, 각 수신 안테나를 통해 각 채널의 M-시퀀스 송신신호를 수신하여 각 채널의 IF신호로 변조하는 수신단계;

변조된 각 채널의 IF신호를 표본화하여 저장수단에 저장하는 표본화단계; 및

컴퓨터에서 프로그램을 실행하여, 상기 저장수단에 저장된 소정 분량의 각 채널의 표본화 데이터를 복조하여 I-채널신호와 Q-채널신호를 구하고, 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각과 상기 송신부에서 송신한 상기 M-시퀀스신호 간의 상호상관을 계산하고, 그 계산된 상호상관값을 이용하여 각 채널의 임펄스응답의 크기와 위상을 산출하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정방법.
제 1항에 있어서, 상기 송신단계는,

상기 M-시퀀스 신호를 동일한 시간지연특성을 갖는 다수의 시간지연기를 순 차적으로 통과시키는 방식을 이용하여, 채널간에 상기 소정의 시간차이를 갖는 채널별 M-시퀀스 신호를 생성하는 단계; 및

상기 채널별 M-시퀀스 신호를 원하는 주파수로 각각 변조한 다음 각 채널별 송신 안테나를 통해 동시에 송신하여 각 채널별 송신신호간에 송신시간에 있어서 상기 소정의 시간차이를 가지도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정방법.
제 1항에 있어서, 상기 소정의 시간차이는 채널끼리 서로 구분할 수 있도록 하기 위해 채널 환경의 최대지연시간보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정방법.
제 1항에 있어서, 상기 상호상관은 적어도 1주기 분량의 상기 M-시퀀스신호를 적어도 2주기 분량의 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각에 대하여 슬라이딩하면서 상호상관값을 계산하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정방법.
무선 다중입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 채널의 응답특성을 측정하는 장치에 있어서,

동일한 M-시퀀스 신호를 이용하여 상기 MIMO 채널간에 소정의 시간 차이(time offset)를 갖는 각 채널용 M-시퀀스신호를 만들고, 각 채널용 M-시퀀스 신호를 각 채널용 송신안테나를 통해 동시에 송신하는 송신부;

각 수신 안테나를 통해 각 채널의 M-시퀀스 송신신호를 수신하여 각 채널의 IF신호로 변조하는 수신부;

변조된 각 채널의 IF신호를 표본화하는 디지털 오실로스코프; 및

소정의 프로그램을 실행하여, 상기 디지털 오실로스코프가 제공하는 소정 분량의 각 채널의 표본화 데이터를 복조하여 I-채널신호와 Q-채널 신호를 구하고, 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각과 상기 송신부에서 송신한 상기 M-시퀀스신호 간의 상호상관을 계산하고, 그 계산된 상호상관값을 이용하여 각 채널의 임펄스응답의 크기와 위상을 산출하는 컴퓨터를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치.
제 5항에 있어서, 상기 송신부는,

상기 MIMO채널의 각 채널용 다수의 송신안테나;

상기 MIMO 채널의 각 채널용 M-시퀀스신호를 동일한 M-시퀀스신호로 구성하여 상기 소정의 시간차이를 유지하면서 발생시키는 시퀀스발생기;

소정 주파수의 반송파를 생성하는 신호발생부;

상기 각 채널용 M-시퀀스신호를 상기 반송파와 각각 곱하여 변조하는 곱셈부; 및

변조된 각 채널용 M-시퀀스신호의 전력을 증폭하여 상기 각 채널별 송신안테나를 통해 전송되도록 하는 전력증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치.
제 6항에 있어서, 상기 시퀀스발생기는,

상기 M-시퀀스신호를 발생시키는 M-시퀀스발생기;

상기 M-시퀀스신호를 소정 시간만큼 지연시켜 출력하는 다수개의 시간지연기를 상기 M-시퀀스발생기의 출력단에 종속적으로 연결하여 구성된 시간지연기부;

상기 M-시퀀스발생기와 상기 시간지연기부의 각 시간지연기로부터 출력되는 각 채널의 디지털 M-시퀀스신호의 레벨을 아날로그 증폭에 적합한 레벨로 쉬프트 하는 레벨쉬프터부; 및

레벨쉬프트 된 각 채널의 디지털 M-시퀀스신호를 반송파에 싣기 위해 아날로그 신호로 증폭하여 출력하는 증폭부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치.
제 5항에 있어서, 상기 수신부는,

상기 MIMO 채널의 각 채널용 다수의 수신안테나;

각 채널의 수신안테나를 통해 수신된 각 채널의 M-시퀀스신호를 증폭하는 증폭부;

소정주파수의 반송파를 발생시키는 신호발생부; 및

상기 증폭된 각 채널의 M-시퀀스신호를 상기 반송파와 곱하여 소정주파수의 IF신호로 변조하는 곱셈부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답 특성 측정장치.
제 5항에 있어서, 상기 소정의 시간차이는 채널끼리 서로 구분할 수 있도록 하기 위해 채널 환경의 최대지연시간보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치.
제 5항에 있어서, 상기 상호상관은 적어도 1주기 분량의 상기 M-시퀀스신호를 적어도 2주기 분량의 상기 I-채널신호와 상기 Q-채널신호 각각에 대하여 슬라이딩하면서 상호상관값을 계산하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 무선 MIMO 채널의 응답특성 측정장치.