KR100585757B1

KR100585757B1 - 사전 적응 필터링 기술을 사용한 하향 링크 성능 개선장치 및 방법

Info

Publication number: KR100585757B1
Application number: KR1020030102220A
Authority: KR
Inventors: 김병철
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2006-06-07
Also published as: KR20050069782A

Abstract

본 발명은 사전 적응 필터링 기술을 사용한 하향 링크 개선 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, TDD 방식의 특성을 이용하여 상향링크를 통해 전송된 데이터를 적응사전필터에 적용시켜 채널에 대한 정보를 도출하고 이 도출된 정보를 하향링크 전송 시 사전에 데이터에 보상시켜 줌으로써 하향링크 시스템의 성능을 향상시킬 수 있도록 함에 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 전송하려는 신호를 입력으로 경로 차를 갖는 다수의 송신신호를 생성하는 송신회로(310)와, 안테나(331)(341)로 상향 링크되는 신호를 분석하여 채널 정보를 추정하는 수신회로(330)(340)와, 이 수신회로(330)(340)에서의 채널 정보를 기반으로 필터 탭 계수(M1B1, M1B2 계수)를 산출하는 사전필터 탭 계수 추정기(320)와, 이 사전필터 탭 계수 추정기(320)에서 산출된 필터 탭 계수를 이용하여 상기 송신회로(310)에서의 전송 신호를 하향 링크에 적합하게 보상하여 다수의 안테나를 통해 송출하는 적응사전 필터(321)(322)를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.

Description

사전 적응 필터링 기술을 사용한 하향 링크 성능 개선 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVING THE DOWNLINK PERFORMANCE USING ADAPTIVE PRE-FILTERING TECHNIQUE}

도1은 종래의 기지국 송신 장치의 블록 구성도.

도2는 종래의 레이크 수신기의 블록 구성도.

도3은 본 발명의 실시예에서 기지국 송신 장치의 블록 구성도.

도4는 종래의 레이크 수신기의 블록 구성도.

도5는 종래 기술과 본 발명 실시예에서의 도플러 주파수 변화에 따른 성능을 비교한 파형도.

도6은 본 발명의 실시예에서 제안된 장치의 BER 성능을 보인 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

310 : 송신회로 320 : 사전필터 탭계수 추정기

321,322 : 적응 사전필터 330,340 : 수신회로

332,342 : 정합 필터 334,343 : 미드앰블 처리부

335,345 : 위상 추정기 336,346 : 결정궤환 적응 필터

본 발명은 이동통신시스템에 관한 것으로 특히, TDD WCDMA 시스템에 있어서 사전 적응 필터링 기술을 사용한 하향 링크 성능 개선 장치 및 방법에 관한 것이다.

3G WCDMA 시스템은 코드분할 다중접속(CDMA) 기술을 기반으로 하는 3세대 이동통신 기법이다.

3G WCDMA 시스템에서 사용 가능한 TDD(Time Division Duplex) 방식은 상,하향 링크에서 동일한 채널을 사용하는 방식이다.

WCDMA시스템은 코드분할 다중 접속 기법을 사용하므로 단말기는 칩 단위로 수신되는 신호의 상관값을 얻어 신호를 복원할 수 있다.

즉, WCDMA 시스템은 레이크 가지(rake branch)를 사용하는 레이크 수신기를 사용하는데, 상기 레이크 수신기는 수신되는 신호와 수신기를 일치시켜 채널 정합필터로써의 기능을 수행함으로써 다중경로 채널을 통하여 전송된 신호를 복원 할 수 있다.

도1은 종래의 WCDMA 시스템 기지국 송신부의 블록 구성도이다.

도1은 기지국에서 2개의 전송 안테나를 사용하고 전송 다이버시티의 효과를 얻기 위해서 STTD(Space Time Transmit Diversity) 인코더를 사용하는 경우를 도시한 것으로, 이의 동작을 설명하면 다음과 같다.

심볼 매핑부(111~113)는 전송하려는 신호(data, midamble, guard period)가 입력되면 각기 QPSK 변조를 통해 해당 심볼로 매핑하고, 합산기(120)는 상기 매핑된 신호를 혼합하여 변조된 신호를 STTD 인코더(130)로 전달한다.

이때, STTD 인코더(130)는 변조된 신호를 인코딩하여 직교성과 다이버시티 성능을 갖도록 한다.

이후, STTD 인코더(130)에서 직교성을 갖게 된 신호는 왈시 스프레딩부(141,142)와 PN 스프레딩부(151,152)를 통해 채널 구분용인 왈시 코드와 직교성을 갖는 고유의 PN 코드에 의해 순차적으로 변환된다.

이에 따라, PN 스프레딩부(151,152)를 통해 최종적으로 변형된 신호는 각각의 송신(Tx) 안테나(161,162)를 통해 송출된다.

상기 각각의 송신 안테나(161,162)로부터 송출되는 신호(

,

)는 다음과 같은 식으로 표현된다.

여기서,

이다.

도2는 종래의 3개의 가지를 갖는 레이크(rake) 수신기의 구성도이다.

레이크 수신기는 서로 시간차(지연)를 갖는 다수의 신호를 분리해 낼 수 있는 기능을 가진 수신기를 의미하며, CDMA의 대역확산 원리가 적용된다.

도2에서 수신 안테나(210)로 들어오는 신호(r)는 다음과 같은 식으로 표현된다.

상기 식에서

,

는 시간(k)에 각각의 안테나에서의 채널 계수이다.

도2와 같이 다중경로 채널이 '3'이라고 가정하면 상기 식은 아래와 같이 표현될 수 있다.

따라서, 도2에서 안테나(210)로 신호가 수신되면 지연기(221,222)에서 칩 주기의 간격으로 지연되고 채널 추정부(231~233)가 각각의 가지 경로에서의 신호의 채널을 검출하게 된다.

이에 따라, 혼합기(241,242/251,252/261,262), 적분기(243/253/263), STTD 디코더(244/254/264)로 이루어지는 각각의 가지 경로에서 칩 주기의 간격을 갖고 지연되어 들어오는 신호가 미리 알고있는 코드(P,W)와 곱셈되어 역확산된 후 상관값이 계산되고 그 상관값을 합산기(270)에서 합산하여 결정부(280)를 통해 최종적으로 전송된 신호(X)를 복원하게 된다.

즉, CDMA 기반 무선통신 시스템에 사용되는 레이크 수신기는 수신된 신호와 채널 특성을 일치시켜 채널 정합필터로써의 기능을 수행함으로써 다중경로 채널을 통하여 전송된 신호를 복원하는 것이다.

그러나, 종래의 WCDMA 시스템은 넓은 대역폭 때문에 CDMA 시스템보다 주파수 선택적인 영향을 받기 쉽고, 다중경로로부터의 모든 전송신호 에너지를 복원하기 위해서는 많은 레이크 가지를 필요하게 됨으로 하향링크의 경우를 고려하면 레이크 가지의 수 증가로 인해 단말기의 하드웨어가 더욱 복잡하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위해 TDD 방식의 특성을 이용하여 상향링크를 통해 전송된 데이터를 적응사전필터에 적용시켜 채널에 대한 정보를 도출하고 이 도출된 정보를 하향링크 전송 시 사전에 데이터에 보상시켜 줌으로써 하향링크 시스템의 성능을 향상시킬 수 있도록 창안한 사전 적응 필터링 기술을 사용한 하향 링크 성능 개선 장치 및 방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 전송하려는 신호를 심볼 매핑하여 직교성과 다이버시티 특성을 갖도록 인코딩한 후 확신시켜 경로 차를 갖는 다수의 송신신호를 생성하는 송신회로와, 상향 링크되는 수신신호로부터 전송 채널의 왜곡 정보를 추정하는 수신회로부와, 상기 채널 왜곡 정보를 고려하여 필터 탭 계수를 산출하는 사전필터 탭 계수 추정기와, 상기 산출된 필터 탭 계수를 이용하여 상기 송신회로에서의 다수의 신호를 하향 링크에 적합하게 보상하여 다수의 안테나를 통해 송출하는 적응 사전 필터부를 구비하여 구성함을 특징으로 한다.

상기 수신회로부는 안테나 수신신호를 처리하여 채널 왜곡 추정 계수를 사전필터 탭 계수 추정기로 출력하도록 적어도 하나 이상의 회로 블록으로 구성함을 특징으로 한다.
상기 회로 블록은 안테나로 수신된 신호를 정합하여 해당 샘플을 추출하는 정합필터와, 상기 샘플 중 미드앰블(midamble) 데이터를 추출하는 미드앰블 처리부와, 상기 미드앰블 데이터를 분석하여 전송 채널의 위상 변화를 추정하는 위상 추정기와, 상기 추정된 위상 변화값과 미드앰블 데이터를 분석하여 채널 왜곡 추정 계수를 산출하고 그 탭 계수를 사전필터 탭 계수 추정기로 출력하는 결정궤환 적응필터를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 상향링크로 수신된 신호에서 미드앰블 데이터를 추출하는 단계와, 상기 미드앰블 데이터를 분석하여 전송 채널의 위상 왜곡 정보를 추정하는 단계와, 상기 추정된 위상 왜곡 정보를 적용하여 왜곡을 보상할 채널왜곡 추정계수를 산출하는 단계와, 상기 채널왜곡 추정계수를 이용하여 하향링크로 전송할 신호를 미리 보상하는 단계를 수행하도록 구성함을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 하향링크로 데이터를 전송하기 전에 상향링크로부터 무선채널에 대한 정보를 획득한 후 무선채널에 대한 정보를 하향링크로 데이터를 전송하기 전에 보상해 줌으로써 단말기가 간단한 구조를 사용하면서 보다 우수한 성능을 가질 수 있도록 한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명의 실시예에서 제안된 기지국 송수신 장치의 블록 구성도로서 이에 도시한 바와 같이, 전송하려는 신호를 입력으로 경로 차를 갖는 2개의 신호를 생성하는 송신회로(310)와, 2개의 안테나(331)(341)로 상향 링크되는 신호를 분석하여 채널 정보를 추정하는 수신회로(330)(340)와, 이 수신회로(330)(340)에서의 채널 정보를 기반으로 필터 탭 계수(M1B1, M1B2 계수)를 산출하는 사전필터 탭 계수 추정기(320)와, 이 사전필터 탭 계수 추정기(320)에서 산출된 필터 탭 계수를 이용하여 상기 송신회로(310)에서의 2개의 전송 신호를 하향 링크에 적합하게 보상하여 2개의 안테나를 통해 송출하는 적응사전 필터(321)(322)를 구비하여 구성한다.

상기 송신회로(310)는 전송하려는 신호(data, midamble, guard period)를 QPSK 변조를 통해 해당 심볼로 매핑하는 심볼 매핑부(311~313)와, 이 심볼 매핑부(311~313)의 출력 신호를 혼합하여 변조된 신호를 출력하는 합산기(120)와, 이 합산기(120)의 출력 신호를 입력으로 직교성과 다이버시티 성능을 갖도록 인코딩하는 STTD 인코더(130)와, 왈쉬 코드(W)를 이용하여 상기 STTD 인코더(130)의 출력 신호(Y_1,Y_2)를 확산시키는 왈쉬 스프레딩부(316,318)와, PN 코드를 이용하여 상기 왈쉬 스프레딩부(316,318)의 출력 신호를 확산시키는 PN 스프레딩부(317,319)를 구비하여 구성한다.

상기 수신회로(330)는 안테나(331)로 수신된 신호를 정합시키는 정합 필터(332)와, 이 정합 필터(332)의 출력 신호를 등화시키는 데이터 등화기(333)와, 상기 정합 필터(332)의 출력 신호에서 미드앰블(midamble)을 추출하는 미드앰블 처리부(334)와, 이 미드앰블 처리부(334)에서 추출된 미드앰블 데이터를 분석하여 전송 채널의 평균 위상 변화를 추정하는 위상 추정기(335)와, 이 위상 추정기(335)에서의 위상 변화값과 상기 미드앰블 처리부(334)에서의 미드앰블 데이터를 분석하여 벡터값인 채널 왜곡 추정 계수(M1B1)를 사전필터 탭 계수 추정기(320)로 출력하는 결정궤환 적응필터(336)를 구비하여 구성한다.

상기 수신회로(340)는 정합필터(342), 데이터 등화기(343), 미드앰블 처리부(344), 위상 추정기(345) 및 결정궤환 적응 필터(346)를 구비하여 상기 수신회로(330)와 동일한 동작 과정으로 벡터값인 채널왜곡 추정계수(M1B2)를 사전필터 탭 계수 추정기(320)로 출력하도록 구성한다.

상기 결정궤환 적응필터(336)(346)는 DFE(Decision Feedback Equalizer) 적응필터(Adaptive Filter)로 구성한다.

이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

기지국에서 단말기로 데이터를 전송하려는 경우 수신회로(330)(340)에 구비되는 2개의 안테나(331)(341)에서 단말기의 송신 안테나를 통해 송출된 신호를 상향링크 채널을 통해 수신하게 된다.

여기서, 수신회로(330)(340)의 동작 과정은 동일하므로 수신회로(330)의 동작만을 설명하기로 한다.

우선, 안테나(331)에 단말기 신호가 수신되면 정합 필터(332)가 채널 특성에 맞는 심볼을 추출하고 데이터 등화기(233)가 상기 정합된 심볼을 등화 처리하게 된다.

이때, 미드앰블 처리부(333)는 정합필터(332)를 통과한 심볼 중 미드앰블 부분의 데이터를 추출하고 그 추출된 미드앰블 데이터를 위상 추정기(335)와 결정궤환 적응필터(336)에 입력시키게 된다.

이에 따라, 위상 추정기(335)는 미드앰블 데이터를 입력으로 이미 알고 있는 QPSK 신호와 전송된 QPSK 신호를 분석하여 위상 시프트 값을 전송된 채널의 평균 위상 변화값으로 추정하고 그 추정된 위상 변화값을 결정궤환 적응필터(336)에 입력시키게 된다.

그런데, TDD WCDMA 표준에 따라 한 슬롯 내의 미드앰블 부분을 이용하여 채널을 추정할 때 미드앰블의 최대 길이가 512 칩이므로 짧은 구간에서 채널을 추정하기 위해 빠른 MSE(Mean Square Error) 수렴속도와 안정상태에서 낮은 MSE 값을 갖을 수 있는 알고리즘이 요구된다.

따라서, 결정궤환 적응필터(336)는 미드앰블 데이터와 전송 채널의 위상 변화값을 입력으로 채널 왜곡 추정계수(M1B1)를 산출하여 사전필터 탭 계수 추정기(320)에 입력시키게 된다.

여기서, 상기 채널 왜곡 추정계수(M1B1)는 복소수 성분의 신호로서, 위상 추정기(335)로부터 얻을 수 있는 위상성분 정보와 결정궤환 적응필터(336)를 통해 얻게 되는 크기와 위상 정보를 합한 값을 나타낸다.

또한, 수신회로(340)는 정합필터(342), 데이터 등화기(343), 미드앰블 처리부(344), 위상 추정기(345) 및 결정궤환 적응 필터(346)를 구비함으로써 상기 수신회로(330)와 동일한 동작을 수행하여 채널 왜곡 추정계수(M1B2)를 사전필터 탭 계수 추정기(320)에 입력시키게 된다.

상기 채널 왜곡 추정계수(M1B1)(M1B2)는 상향 링크로부터 전송된 채널정보를 나타내는 성분으로, 채널왜곡 추정계수(M1B1)는 단말기 안테나로부터 기지국 안테나(331)로의 채널 정보를 반영하고 채널왜곡 추정계수(M1B2)는 단말기 안테나로부터 기지국 안테나(341)로의 채널 정보를 반영하는 것이다.

이때, 송신회로(310)는 전송하려는 신호(data, midamble, guard period)를 심볼 매핑부(311~313)가 QPSK 변조를 통해 심볼로 매핑하면 합산기(314)에서 혼합된 후 STTD 인코더(315)에서 인코딩되어 직교성과 다이버시티 성능을 갖는 신호로 인코딩하고 왈쉬 스프레딩부(316)(318), PN 스프레딩부(317)(319)를 통해 순차적으로 확산시키게 된다.

이에 따라, 사전필터 탭 계수 추정기(320)가 수신회로(330)(340)로부터 채널 왜곡 추정계수(M1B1)(M1B2)를 입력으로 탭 계수를 적응 사전 필터(321)(322)에 입력시키면 상기 적응사전 필터(321)(322)가 하향 링크로 전송할 데이터를 송신회로(310)로부터 전달받아 미리 보상한 후 전송하게 된다.

만일, 본 발명의 실시예에서 왜곡된 무선채널에 대한 추정을 위해 DFE-CSLMS(Decision Feedback Equalizer-Coherent Standard Least Mean Square) 알고리즘을 사용하였다고 가정하면 코히런트(coherent) 기법을 적용시켜 위상의 변화까지 보정하게 된다.

DFE-CSLMS 알고리즘은 비선형 적응 필터 알고리즘으로서, 수렴 속도는 느리지만 빠른 계산을 수행할 수 있다.

즉, 도3의 시스템은 상향링크를 통해 단말기에서 기지국으로 전송된 데이터 중 미드앰블 부분을 DFE-CSLMS 알고리즘에 적용시켜 왜곡된 채널에 대한 정보를 반영하는 채널 계수(M1B1,M1B2)들을 얻는 과정과, 이 과정을 통해 얻게 된 채널의 정보를 하향링크로 데이터를 전송하기 전에 해당 데이터를 사전에 보상해주는 과정을 수행하는 것이다.

또한, 기지국에서 상기와 같은 과정을 수행함으로써 단말기 구조는 도4와 같이 단순화시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 대한 시뮬레이션(smulation) 결과를 설명하면 다음과 같다.

우선, 50Hz 이내의 도플러 주파수 범위에서 하향링크 비트 오류율(BER : Bit Error Rate)을 비교하면 도5의 파형도에 도시한 바와 같이, 50Hz 이하의 도플러 주 파수 영역에서는 기존의 1개 또는 3개의 가지를 갖는 레이크 수신기에 비해 본 발명의 실시예에서 제안된 사전필터를 사용한 시스템의 하향링크 비트 오류율(BER)이 월등한 성능 우위를 가짐을 알 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서 제안된 시스템은 하드웨어적인 복잡성을 최소화시키면서 50Hz 이내의 도플러 주파수 영역에서 기존 시스템 보다 우수한 성능을 나타낸다.

그리고, 도6은 도플러 주파수 변화에 따른 본 발명의 실시예에서 제안된 시스템의 하향링크 비트 오류율 성능을 비교한 파형도이다.

도6에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에서 제안된 시스템은 채널 추정이 쉽고 MSE(Mean Squre Error) 성능이 우수한 낮은 도플러 주파수 영역에서 매우 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 상향링크를 통해 수신되는 신호로부터 왜곡된 무선 채널에 대한 정보를 얻고 적응사전 필터에서 상기 무선 채널에 대한 정보를 이용하여 하향링크로 전송하기 전의 신호를 보상시켜 줌으로써시스템의 하향링크 성능을 보다 극대화시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명을 적용하면 CDMA 기반의 단말기에서 요구되는 RAKE 수신기의 구조를 최소화시킬 수 있는 장점을 갖는다.

Claims

전송하려는 신호를 심볼 매핑하여 직교성과 다이버시티 특성을 갖도록 인코딩한 후 확신시켜 경로 차를 갖는 다수의 송신신호를 생성하는 송신회로와,

상향 링크되는 수신신호로부터 전송 채널의 위상 왜곡을 추정하는 수신회로부와,

상기 채널 왜곡 정보를 고려하여 필터 탭 계수를 산출하는 사전필터 탭 계수 추정기와,

상기 산출된 필터 탭 계수를 이용하여 상기 송신회로에서의 다수의 송신신호를 하향 링크에 적합하게 각기 보상하여 다수의 안테나를 통해 송출하는 적응 사전 필터부를 구비하여 구성함을 특징으로 하는 사전 적응 필터링 기술을 이용한 하향 링크 성능 개선 장치.
제1항에 있어서, 수신회로부는

안테나 수신신호를 처리하여 채널 왜곡 추정 계수를 출력하는 적어도 하나 이상의 회로블록으로 구성하며,

상기 회로블록은

안테나로 수신된 신호를 정합하여 해당 샘플을 추출하는 정합필터와,

상기 샘플 중 미드앰블(midamble) 데이터를 추출하는 미드앰블 처리부와,

상기 미드앰블 데이터를 분석하여 전송 채널의 위상 변화를 추정하는 위상 추정기와,

상기 추정된 위상 변화값과 미드앰블 데이터를 분석하여 상향링크로의 채널 왜곡 추정 계수를 산출하고 그 탭 계수를 사전필터 탭 계수 추정기로 출력하는 결정궤환 적응필터를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 사전 적응 필터링 기술을 이용한 하향 링크 성능 개선 장치.
제2항에 있어서, 위상 추정기는

미드앰블 데이터를 입력으로 이미 알고있는 QPSK 신호와 전송된 QPSK 신호의 위상 시프트 값을 위상 변화값으로 추정하도록 구성함을 특징으로 하는 사전 적응 필터링 기술을 이용한 하향 링크 성능 개선 장치.
제2항에 있어서, 결정궤환 적응필터는 DFE(Decision Feedback Equalizer) 적응필터(Adaptive Filter)로 구성함을 특징으로 하는 사전 적응 필터링 기술을 이용한 하향 링크 성능 개선 장치.
상향링크된 수신 신호에서 미드앰블 데이터를 추출하는 단계와,

상기 미드앰블 데이터를 분석하여 전송 채널의 위상왜곡을 추정하는 단계와,

상기 추정된 위상 왜곡 정보를 적용하여 왜곡을 보상할 채널왜곡 추정계수를 산출하는 단계와,

상기 채널왜곡 추정계수를 이용하여 하향링크로 전송할 신호를 미리 보상하는 단계를 수행하도록 구성함을 특징으로 하는 사전 적응 필터링 기술을 이용한 하향 링크 성능 개선 방법.