KR100595199B1 - 기지국의 송신 시각 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기지국의 송신 시각 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 장치는, 안테나 또는 파워 앰프로부터 송신신호를 분기하는 커플러; 상기 커플러로부터 분기된 송신신호를 중간 주파수(IF) 신호로 변환하고 상기 IF 신호를 디지털 신호로 변환하는 중간 주파수 처리부; 상기 중간 주파수 처리부로부터 출력되는 신호를 역확산시키고 역확산된 신호를 SF (spreading factor) 칩 단위로 더한 값을 출력하는 신호 복원부; 신호 복원부의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구하는 파워 누적기; 상기 최대 상관값의 좌 상관값과, 상기 최대 상관값의 우 상관값 및 상기 최대 상관값에 의하여 보간(interpolation)된 최대값을 통해 송신 시각을 결정하는 송신 시각 측정부; 및 타이밍 신호를 발생시키며 상기 각 구성요소를 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

기지국, 송신 시각, DS-SS, Transmit Diversity, WCDMA, 보간법

Description

기지국의 송신 시각 측정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for measuring transmission time in base station}

도1은 종래기술에 의한 기지국 송신 시각 측정 장치의 구성 블록도임.

도2는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 일 실시예의 구성 블록도임.

도3은 본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시예의 절차 흐름도임.

도4는 본 발명에 있어서 상관값을 구하는 연산의 타이밍 관계를 도시한 도면임.

도5는 확산 코드 발생기의 일례를 도시한 도면임.

도6은 본 발명에 있어서 더 넓은 구간을 검색하기 위한 코드 발생기의 타이밍 관계를 도시한 도면임.

도7은 이상적인 사각필터를 가정한 확산코드의 자기상관함수와 이산 시간 데이터를 도시한 도면임.

도8은 RC 필터 계수의 제곱 그래프와 3점 2차원 보간법을 설명하기 위한 도면임.

<도면 주요부호의 설명>

21a, 21b : 제1, 제2커플러 22 : RF MUX

23a : RF/IF 회로 23b : AGC/ADC/DC 옵셋 제거부

23c : SRRC 필터 25 : 역확산부

26 : 코드발생기 27 : 적분 및 덤프 모듈

28 : 파워 누적기 29 : 송신 시각 측정부

30 : 제어부 31 : 모듈로 카운터

본 발명은 WCDMA, IS-95, IS-2000 등과 같은 DS-SS(Direct Sequence Spread Spectrum) 이동 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 송신 시각 측정의 해상도를 높일 수 있고 전송 다이버시티(TD: Transmit Diversity)의 경로별 지연을 측정할 수 있는 기지국의 송신 시각 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

WCDMA(비동기 IMT-2000)에서 TD를 구현할 때 두 안테나에서의 송신 시각을 일치시켜야 하는데 경로별로 부품의 시간 지연이 다를 수 있으므로 이 차이를 측정하여 보정해 주어야 한다. 송신회로에 일반적으로 사용되는 쏘 필터(saw filter)의 경우 시간 지연이 3~4㎲ 나 되며 온도와 송신 전력에 따라서도 지연 시간이 변하므로 송신 시점을 일정 주기로 계속 관찰해야 한다.

이동 통신 시스템에서 단말이 GPS(Global Positioning System)의 도움 없이 자신의 위치를 파악하려면 여러 기지국에서 오는 신호를 분석하여야 하는데, 이 때 각 신호가 단말에 도달한 시각과 함께 기지국들의 위치 정보와 기지국의 안테나를 기준으로 신호들이 송신된 시점을 알아야 한다. 송신 시각을 정확하게 알수록 단말 의 위치를 정확하게 계산할 수 있다. 특히, 비동기 IMT-2000 시스템에서는 기지국들을 서로 동기시키지 않기 때문에 기지국별로 송신 시각을 측정하여야 한다.

종래에는 동기화(synchronization), PN 코드 획득(PN code acquisition), 초기 셀 검색(initial cell search)으로 불리는 기술을 이용하여 송신 시각을 대략적으로 측정할 수 있다. 쉽게 찾을 수 있는 참고문헌으로는 Jhong Sam Lee and Leonard E. Miller, CDMA Systems Engineering Handbook, Artech House Publishers, 1998, sections 7.4, 7.4.1, and 7.4.2.와 Andrew J. Viterbi, CDMA Principles of Spread Spectrum Communication, Addison-Wesley, 1995, section 3.2 and Figure 3.1. 등을 들 수 있다.

도1은 종래기술에 의한 송신 시각 측정 장치의 구성을 도시한 것으로서, 송신 시각 측정 장치는 커플러(11)와, RF(Radio Frequency)/IF(Intermediate Frequency) 회로(12)와, AGC(Automatic Gain Control)/ADC(13)와, DC-옵셋 제거부(13)와, LPF(Low Pass Filter) 또는 SRRC(Square Root Raised Cosine) 필터(14)와, 코드 발생기(15), 역확산기(16), 적분 및 덤프 회로(16), 비동기 파워 누적기(17), 최대값 디텍터(18) 및 각 모듈의 타이밍을 제어하는 제어부(19)로 이루어질 수 있다.

SRRC(14)와 그 이후의 모든 연산은 전용 디지털 회로로 처리하거나 마이크로프로세서 또는 DSP를 사용하여 처리할 수 있으며 전용회로와 프로세서가 나누어 처리할 수도 있다. DC-옵셋 성분은 아날로그 도메인에서 제거할 수도 있고 디지털 도메인에서 제거할 수도 있다.

상기 커플러(11)는 안테나 또는 파워 앰프의 강한 송신 신호를 감쇄시켜 측정기에 전달한다. 상기 RF/IF 회로(12)에서는 주파수 하향 변환과 필터링을 담당한다. 필요시 앰프가 추가될 수 있다. QPSK를 사용하는 경우, 이 단계에서 I(Inphase) 신호와 Q(Quadrature) 신호를 분리하기도 한다.

상기 AGC는 ADC로 입력되는 신호의 파워나 진폭이 일정하도록 하여 ADC의 효율을 높이고 디지털 연산 회로의 크기(비트 수)를 줄일 수 있도록 한다. 상기 DC-옵셋 제거부(13)는 신호에 포함되어 있을지 모르는 DC 성분을 없애는 역할을 한다. 아날로그 또는 디지털 회로로 구현할 수 있다.

상기 LPF는 원치 않는 고주파의 하모닉 성분과 잡음을 줄이며, 상기 SRRC 필터(14)는 LPF 기능과 함께 ISI(Inter-Symbol Interference)를 줄이는 역할을 한다. 상기 코드 발생기(15)에서는 기지국의 변조부에서 사용한 것과 동일한 패턴의 코드를 발생시켜 역확산 단계에서 상기 SRRC 필터(14)의 출력과 곱하도록 한다.

상기 적분 및 덤프 회로(16)에서는 역확산된 신호를 SF(Spreading Factor) 칩 단위로 더하여 출력한다. 코딩 게인 만큼 원하는 신호를 세게 만들고 나머지 원하지 않는 신호와 잡음을 줄이는 효과가 있다. WCDMA 규격에서 파일롯 채널(pilot channel)에 해당하는 CPICH(Common Pilot Channel)는 SF가 256이므로 256 칩 동안 역확산 결과를 더하는 것이 바람직하다. SF 만큼 합산한 결과를 심볼이라 부른다.

상기 파워 누적기(17)는 덤프된 I, Q 심볼을 각각 제곱하여 여러(S) 심볼 동안 누적한다. 누적 구간을 길게 할수록 잡음에 의해 정확도가 떨어지는 것을 막을 수 있다. 주파수와 위상의 보상 없이 I, Q 신호를 바로 제곱하여 파워를 구하므로 비동기 방식이라 한다. 상기 파워 누적기(17)의 출력에서 최대값을 찾아 그 위치에 해당하는 시점을 송신 시각으로 판정한다.

상기 제어부(19)는 주로 타이밍 신호를 발생하여 전체 흐름을 조절한다. ADC 샘플링 위치를 변화시키거나 확산 코드의 시작 위치, 적분 및 덤프 회로의 초기화 시점, 파워 누적기의 동작 시점 등을 지시한다.

미국 특허 5,742,635와 5,764,686(연속 특허임)에는 아날로그 방식으로 구현된 도달 시각 측정 방식이 기술되어 있다. 논문이나 특허로 발표된 연구문헌에는 도달 시각 측정 방식에 관한 것들이 많은데, 본 발명은 기지국에서 송신 시각을 측정하는 것에 중점을 둔 것으로 높은 SNR(Signal-to-Noise Ratio)의 잇점을 살려 샘플링 주기보다 촘촘한 해상도를 얻는 방법을 포함하고 있다. 앞의 미국 특허에서도 "slope information"과 "slope vector"를 이용한다는 청구항이 있으나 참조 테이블(lookup table)의 사용 이외에는 특별한 언급이 없다. 상기 특허에는 코드의 위상을 앞뒤로 옮기면서 아날로그 방식으로 여러 번 상관값을 구하고 참조 테이블을 이용하여 신호의 도달 시각을 추정한다는 내용을 포함하고 있다.

종래의 송신 시각 측정 장치에서는 해상도가 샘플링 주기로 제한된다. 즉, 32.55 ns(30.72 MHz) 주기로 ADC를 동작시킨다면 32.55 ns이하로는 송신 시각을 구분할 수 없다는 것이다. 회로의 동작주파수를 높여서 해상도를 높일 수도 있지만 한계가 있고 비용이 증가하는 단점이 있다.

또한, 종래기술에서는 전송 다이버시티(Transmit Diversity)에 대한 고려가 없으며, WCDMA의 SCH(Synchronization CHannel) 구간을 측정에서 제외하면 더욱 정 확한 결과를 얻을 수 있는데 이러한 특정 규격의 성질을 고려하지 않고 있다.

미국 특허의 경우, 아날로그 방식으로 구성된 것은 차치하고라도, 1/8 칩 단위로 코드 위상을 이동시키면서 상관값을 측정하는 과정을 반복해야 하기 때문에 측정 시간이 길다. 한편, 코드의 위상을 앞뒤로 조절하기 위해 코드를 ROM에 저장해서 사용하고 있는데 현재의 이동통신 시스템에 사용되는 코드의 길이는 일반적으로 ROM에 담기 부담스러운 수준이며(WCDMA의 경우 38400 * 2 비트), 더욱이 코드의 종류가 다양해서(WCDMA의 경우 최소 512개) 미리 전체 코드를 ROM에 기록하였다가 사용하는 방법은 현실성이 없다.

본 발명은 상기의 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 송신 시각을 빠르게 측정할 수 있고, TD를 위해 두 송신 경로의 송신 시각 차이를 검출하기에 적합하며, 송신 시각 측정의 해상도를 1 ~ 2 ns 정도까지 높일 수 있는 기지국의 송신 시각 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

발명의 개요
본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 장치는, 안테나 또는 파워 앰프로부터 송신신호를 분기하는 커플러; 상기 커플러로부터 분기된 송신신호를 중간 주파수(IF) 신호로 변환하고 상기 IF 신호를 디지털 신호로 변환하는 중간 주파수 처리부; 상기 중간 주파수 처리부로부터 출력되는 신호를 역확산시키고 역확산된 신호를 SF(spreading factor) 칩 단위로 더한 값을 출력하는 신호 복원부; 신호 복원부의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구하는 파워 누적기; 상기 파워 누적기의 출력값 중 최대 상관값을 검색하고, 상기 최대 상관값의 좌 상관값과, 상기 최대 상관값의 우 상관값 및 상기 최대 상관값에 의하여 보간(interolation)된 최대값을 통해 송신 시각을 결정하는 송신 시각 측정부; 및 타이밍 신호를 발생시키며 상기 각 구성요소를 제어하는 제어부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 기지국의 송신 신호 측정 방법은, 송신신호를 분기하고 디지털 신호로 변환하는 제1단계; 변환된 송신신호를 역확산시키고 그 값을 SF(spreading factor) 칩 단위 만큼 더하는 제2단계; 상기 제2단계의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구하는 제3단계; 및 상기 제3단계의 파워 누적기의 출력값 중 최대 상관값을 검색하고, 상기 최대 상관값 및 최대 상관값의 좌,우 상관값을 함께 고려하여 보간(interpolation)된 최대값을 통해 송신 시각을 결정하는 제4단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

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실시예

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 본 발명의 구성, 작용, 효과 및 다른 특징들이 이해될 수 있을 것이다. 도2는 본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 장치의 바람직한 일 실시예의 블록 구성도이다.

본 실시예는, 도2에 도시된 바와 같이, 제1, 제2 커플러(20a, 20b)와, RF MUX(22)와, RF/IF 회로(23a)와, AGC/ADC/DC 옵셋 제거부(23b)와, SRRC 필터(23c)와, 역확산부(25)와 코드 발생기(26)와 적분 및 덤프 모듈(27)과, 파워 누적기(28)와, 송신 시각 측정부(29)와, 제어부(30) 및 모듈로 카운터(31)를 포함하여 구성된다.

상기 제1커플러(21a) 및 제2커플러(21b)는 각각 전송 다이버시티(Transmit Diversity)를 위하여 설치된 기지국의 두 안테나(20a, 20b)로부터 송신신호를 분기하여 상기 RF MUX(22)에 전달한다. 상기 RF/IF 회로(23a), AGC/ADC/DC 옵셋 제거부(23b), SRRC 필터(23c)는 종래기술에서 설명한 바와 동일하므로 여기에서는 설명을 생략하도록 한다.

상기 코드 발생기(26)는 기지국 변조부에서 사용한 것과 동일한 패턴의 코드를 발생시키며, 필요에 따라 코드 발생을 한 칩 동안 세울 수 있는 기능을 갖는다.

상기 역확산부(25)는 상기 코드 발생기(26)에서 발생된 코드로 상기 SRRC 필터(23c)에서 출력된 신호를 역확산시키고, 상기 적분 및 덤프 모듈(27)은 상기 역확산부(25)에 의해 역확산된 값을 SF(spreading factor) 칩 단위 만큼 덧셈한다.

상기 역확산부(25) 및 적분 및 덤프 모듈(27)은 하나에서부터 M 개(칩 주파 수의 8배수 클록으로 측정기를 동작시킬 경우 보통 8 또는 16) 정도까지의 개수로 구성할 수 있다. 이들 회로의 개수는 조사하고자 하는 구간의 길이와 허용되는 측정 시간에 따라 결정한다. 여러 개의 회로를 사용하면 동시에 다수의 샘플링 포인트를 관찰할 수 있으므로 측정 시간을 줄일 수 있다. 복수 개를 배치하더라도 대부분의 연산자를 시공유(time-sharing) 방식으로 공유할 수 있으므로 회로가 많이 늘어나는 것은 아니다. 중간 합산 결과를 저장하는 레지스터가 M 배로 늘어나며 M-to-1 MUX가 추가되는 정도이다.

상기 파워 누적기(28)는 상기 적분 및 덤프 모듈(27)의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구한다. 상기 송신 시각 측정부(29)는 상기 파워 누적기(28)의 출력인 상관값 중에서 최대값(y₀)을 찾고 최대값 좌우 상관값(각각 y_-1, y₁)의 결과와 함께 3점 2차원 보간법(interpolation)을 수행하여, 최대값이 나온 위치에 해당하는 시각에 아래의 수학식1에 의한 보정값을 보정하여 최종적으로 샘플링 해상도의 송신 시각을 결정한다.

상기 모듈로 카운터(31, modulo counter)는 TD의 두 안테나(20a, 20b)에서의 송신 시각차를 측정하는 기준이 된다. 또한, 잡음에 의한 부정확성을 줄이기 위해 여러 번 측정한 송신 시각을 평균할 경우에도 타이밍의 기준으로 사용된다. WCDMA 시스템에서 8배수 클록을 사용하는 경우 모듈로(38400 * 8) 카운터를 사용한다. WCDMA 시스템에서 확산 코드는 3.84 Mcps로 갱신되며 10 ms 마다 반복되기 때문이다.

상기 제어부(30)는 타이밍 신호를 발생시키며 상기의 다른 구성요소들을 제어한다. 새로운 송신 시각의 측정을 시작할 경우 상기 제어부(30)는 다음의 세 정보중 하나를 기준으로 검색창(search window)을 설정함으로써 측정 시간을 줄일 수 있다.

1) 기지국의 타이밍 기준 신호: 모든 기지국에는 전체 시스템의 타이밍 기준으로 쓰이는 신호가 있다. 예를 들어, IS-95 기지국의 2초 주기의 신호와 WCDMA 기지국의 720 ms 주기의 신호가 그것이다. 대부분의 모듈이 이 신호에 맞춰 동작하게 되며 신호의 발생과 전달도 이 신호를 기준으로 이루어진다. 본 발명에 따른 송신 시각 측정 장치 역시 이 신호를 기준으로 일정 시간 후부터 검색창을 설정할 수 있다. 모뎀 또한 이 신호에 맞춰 송신 신호들을 생성하므로 대략적인 송신 시각을 알 수 있기 때문이다. 그런데, 앞서 언급한 바와 같이 IF, RF 소자들의 변화 때문에 실제 송신 시각이 항상 일정한 것은 아니다. 기지국의 타이밍 기준 신호를 사용하고자 할 때, 한 가지 코드만을 사용하는 동기 시스템과는 달리 여러 개의 코드를 사용하는 비동기 시스템의 경우에는 송신에 사용되는 확산 코드 정보를 기지국으로부터 제공 받아야 한다.

2) ICS(Initial Cell Search) 결과: ICS는 원래 단말기가 수신 신호를 처리 하여 기지국과 동기를 맞추는 장치이며 보통 1/2 칩 해상도로 송신 시각을 측정한다. 이 결과를 중심으로 검색창을 설정할 수 있다. 그리고, 비동기 시스템의 경우 ICS가 수신 신호에 사용된 확산 코드를 검출하는 기능이 있으므로 ICS를 갖추고 있다면 기지국으로부터 받아야 하는 정보가 없어 더 독자적인 송신 시각 측정 장치를 만들 수 있다.

3) 이전 송신 시각 측정 결과: 송신 시각 측정 결과가 있다면 이를 중심으로 검색창을 설정할 수 있다.

도3은 본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 절차 흐름도이다. 도3은 ICS 결과를 검색창으로 설정한 경우를 설명한 것이다. ICS 결과로부터 검색창을 설정[S44]하고 상관값을 구한다[S45]. 상관값 중 최대값을 찾아[S46] 미리 설정한 임계값과 비교한다[S47]. 상관값이 충분히 크면 검색창 안에 송신 시각이 포함되어 있다고 판정할 수 있으므로, 최대 상관값을 포함하여 양옆의 상관값과 함께 3점 보간법(interpolation)을 수행한다[S48]. 여러 번 송신 시각을 측정하여 평균을 취하면 잡음에 의한 에러를 줄일 수 있으므로 더 정확한 송신 시각을 구할 수 있다[S50].

도3의 절차 흐름도는 한 안테나에 대한 측정을 나타낸 것이다. TD의 경로별 송신 시각 차이를 측정하고자 할 때는 상기 RF MUX(22)의 선택을 바꾸고 다시 한 번 도3의 절차 흐름도에 따라 송신 시각을 측정하여 서로 비교한다. TD의 두번째 경로를 측정할 때는 ICS를 생략할 수도 있다. 도3에 표시된 바와 같이, ICS를 여러 번 실패할 경우와 최대 상관값이 임계값에 미달하는 경우가 여러 번 발생하면(NS << N) 측정을 중단하고 상태를 보고한다.

송신 시각의 결정 방법을 보다 구체적으로 설명하기 위해 도4에 상관값을 구하는 과정을 타이밍 다이어그램으로 도시하였다. 도4에서는 칩보다 8 배 빠른 클록(CHIP＊8)을 사용하여 8 개의 상관값을 병렬적으로 계산하는 구조를 가정하였다(M = 8). ICS 또는 이전에 측정한 송신 시각 정보를 바탕으로 4 클록 앞에서 연산을 시작한다. 코드 발생부에서는 라디오 프레임의 첫 번째 확산코드(S1_C0)를 발생시키고 칩 주기마다 확산코드를 갱신한다. 이 코드는 기지국의 송신 장치에서 사용한 확산코드와 동일한 패턴으로 이루어져야 한다.

연속적으로 입력되는 수신 신호와 코드를 곱해 SF(WCDMA의 경우 256) 칩만큼 합산한다. 이 때 첫 번째 "적분 및 덤프" 회로는 R00 * S1_C0 + R10 * S1_C1 + R20 * S1_C2 + … + R2550 * S1_C255 등으로 한 칩 구간에 입력되는 8 개의 수신신호 중 첫 번째 신호에 대한 역확산 결과를 합산한다. 같은 방식으로 여덟 번째 "확산 및 덤프" 모듈은 R07 * S1_C0 + R17 * S1_C1 + R27 * S1_C2 + … + R2557 * S1_C255 식으로 여덟 번째 수신 신호의 역확산 결과를 합산한다. SF 칩 동안의 합산이 끝나면 I, Q 심볼을 각각 제곱하여 누적한다. 역확산부는 칩 단위로 동작하며 파워 누적기는 심볼 단위로 동작한다. 잡음에 의한 부정확성을 줄이기 위해 여러(S) 심볼 동안의 파워를 누적한다. 파워 누적값(상관값) 중에서 최대값을 찾아서 그 위치에 해당하는 타이머 카운트를 '기지국에서 라디오 프레임의 첫번째 칩의 중심부가 송신되는 상대적인 시각'으로 결정한다. 예를 들어, 도4에서 파워의 누적값 중에서 P01 이 가장 크다면 T01 이 송신 시각이 된다. 즉, SF * S 칩의 시간이 흐르는 동안 도4의 타이머가 표시하는 TL4 ~ T03의 구간(S1_C0 구간)에 송신 시각이 포함되어 있는지 조사한 것이다. 3점 2차원 보간법을 수행하여 송신 시각 측정의 해상도를 높이는 작업은 아래에 따로 설명하기로 한다. 설명의 편의상 도4에는 매우 많은 연산이 한 클록 안에 완료되는 것처럼 표시했지만 실제 구현에서는 파이프라인 방식으로 설계하였다.

내부 타이머 카운터를 기준으로 송신 시각을 정하면 상대적인 송신 시각이 되며 TD의 경로별 지연을 같게 하는 데 사용할 수 있다. GPS 등을 사용하여 절대 시간을 기준으로 송신 시각을 측정하면 LBS(Location Based Services)에 필요한 절대적인 송신 시각을 얻을 수 있다. 절대 송신 시각을 측정할 경우 커플러와 송신 안테나 사이의 시간 지연을 보상하여야 하며 측정기 자체의 처리 시간도 고려해야 한다.

도5는 WCDMA 시스템에서 사용하는 다운링크 스프램블링 코드(Downlink Scrambling Code) 발생기 일 예를 도시한 것이다. 각 메모리소자(플립플롭)는 칩 주기마다 갱신되며 10 ms 마다 상위에서 지정한 씨드(seed)를 다시 로딩(loading)하는 기능을 갖고 있어야 한다. 본 발명에서는 S 심볼마다 코드의 갱신을 일시 정지하는 기능을 추가하였다.

도6의 첫 S 심볼 동안 TL0 ~ TL7 구간에 송신 시각이 포함되었는가를 검사하며 다음 S 심볼 동안에는 T00 ~ T07 구간을 조사하는 것이 된다. 그 이유는 도4를 통하여 설명한 바와 같이 S1_C0 코드가 위치하는 구간이 현재의 검색 구간이 되기 때문이다. 두 번째 검색 구간의 첫 코드가 SS_C255인 것은, 점선으로 표시한 박스 가 가리키는 것처럼, 역으로 환산하면 TL0 ~ TL7 구간에 S1_C0를 놓은 것과 같기 때문이다. 코드 발생기에 일시정지 기능을 추가함으로써 송신 시각 검색창을 쉽게 넓힐 수 있다.

송신 시각 검색 구간을 넓힐 수 있는 또 다른 방법은 역확산부와 적분 및 덤프 모듈을 추가하는 것이다. 예를 들어, 8개의 회로를 더 추가하고(M = 16) 이들에는 도6에서 점선 박스로 표시한 "지연된 코드"로 역확산을 하게 한다. 지연된 코드는 코드 발생기의 출력을 메모리소자로 채서 한 칩만큼 지연시킨 것이다. 이 방법을 사용하면 회로의 크기가 커지는 단점이 있으나 검색 시간을 줄일 수 있다.

WCDMA 시스템에서는 단말의 초기동기획득(ICS)을 돕기 위해 SCH(Synchronization CHannel)가 존재한다(TS25.201). 그런데, SCH로 전송되는 PSC(Primary Synchronization Code)와 SSC(Secondary SC)는 확산 코드와 직교성이 없다. 따라서, 상관값을 구할 때 SCH 구간을 제외시켜서 측정의 정확도를 높일 수 있다.

본 발명의 중요한 특징인 해상도를 높이는 방법은 상관값의 최대 위치만 구할 것이 아니라 상관값 자체까지 고려하면 좀 더 정밀하게 시각을 결정할 수 있지 않을까 하는 의문에서 출발하였다. 그리고 도8과 같이 실제 시스템에 사용하는 대역 제한(band limiting) 필터의 특성을 고려하여 상관함수를 구하면 그 중심이 2차원 그래프와 비슷하다는 점에 착안했다.

도7은 확산코드의 자기상관함수를 그래프로 나타낸 것이다. 이 그래프는 이상적인 사각 필터(ideal rectangular filter)를 가정하여 도시한 것이다. TC는 칩 주기이다. 작은 원들은 칩보다 8배 빠른 클록으로 이산 시간 샘플링한 데이터의 한 예이다. 기지국에서 송신 시각을 측정하는 것은 X축에서 0의 위치를 찾는 것인데, 이산 시간 처리의 한계 때문에 Y값 중 가장 큰 Y₀에 해당하는 X₀를 송신 시각으로 추정하게 된다. 그런데, 그림의 자기상관함수가 두 직선이 서로 만나는 모양이므로, (-1, y_-1), (0, y₀)를 지나는 직선과 (0, y₀), (1, y₁)을 지나는 직선이 만나는 점의 X값은 아래의 수학식2로부터 구할 수 있다. CHIP*8을 가정하면, 이 수식에서의 1은 칩 주기의 1/8을 의미한다.

실제 시스템에서는 밴드가 제한되므로(band limited) 씽크(sinc) 함수 모양으로 자기상관함수가 나타난다(CDMA Systems Engineering Handbook, p. 781). WCDMA의 경우 RC(Raised Cosine) 필터를 사용하므로 확산 코드와의 상관값을 구하면 도8의 좌측의 그래프와 같은 모양이 나타난다. 좌측의 그래프는 RC 필터의 계수를 제곱한 값으로 그린 것이다. 칩보다 8배 빠른 시스템 클록을 사용하는 경우 그림의 우측 그래프에서 점으로 찍힌 상관값을 얻게 된다. 그래프에 추가한 실선은 최대 상관값과 좌우의 상관값을 가지고 구한 2차원 추세선이다. 2차원 곡선의 수식 Y = aX² + bX + c라 하면 Y의 최대값은 미분 Y' = 2aX + b가 0 이 되는 지점에서 나타나므로 최대 Y에 해당하는 X 좌표는 xm = -b/2a이다. (-1, y-1), (0, y0), (1, y1) 3점을 대입하고 간단한 연립방정식을 풀어 다음과 같은 수학식3을 얻는다.

8배 시스템 클록을 가정하고 샘플링 위치를 조절하면서 위의 값을 계산해보면 이론적으로는 실제 송신 시각과 1/8 칩의 1% 이내의 정확도를 갖는다. WCDMA의 경우 3.84 Mcps이므로 약 0.3 ns에 해당한다. 이 차이는 RC 필터 계수의 제곱 그래프와 2차원 보간법의 차이에 기인한다. 실제 측정기에서는 전체 시스템의 안정성에 따라 정확도가 더 떨어질 수 있다. 열잡음과 함께 RF, IF 회로, 앰프의 비선형성, ADC 샘플링 클록의 품질 등에 따라 상관값에 에러가 발생하여 정확도에 영향을 준다. 송신 시각 측정기의 정밀도도 ADC, 필터, 적분 및 덤프 회로 등의 정밀도에 의해 영향을 받는다.

본 발명에 따른 송신 시각 측정 장치는 일정 주기로 반복되는 파일롯 신호의 송신 시점을 찾는 것이므로 결과는 0 ~ Radio Frame (WCDMA의 경우 10 ms) 사이의 값으로 결정된다. 본 발명의 경우 CHIP*8로 동작하는 modulo-307200(= 38400*8) 프리-러닝 카운터(free-running counter) 값을 바탕으로 하여 2차원 보간법까지 고려하면 -0.5 ~ 307199.5의 값을 출력한다. 잡음에 의한 에러를 줄이기 위해 여러 번 측정한 결과를 평균하거나 TD를 위한 두 경로의 지연차를 계산할 때 한 가지 주의할 것이 있다. 가장 큰 숫자로 표시된 시각과 0은 바로 이웃한다는 것이다. 예를 들어 0부터 99까지의 결과를 출력한다고 할 때 A 경로에서 측정한 값이 99, B 경로 에서 측정한 값이 0 이라면 A 경로가 1 만큼 빠른 것으로 결론을 내야 한다. 반대로 A 경로가 99 만큼 더 지연되었다고 생각할 수도 있으나, 이는 실제 장비에서 10 ms(WCDMA) 또는 26.6 ms(IS-95)에 근접하는 지연이 있다는 것이므로 정상적인 시스템에서는 일어날 수 없는 현상이다.

칩보다 8배 빠른 클록 이외에도 4배나 16배 등 다른 주파수의 클록으로 샘플링하는 측정기도 생각할 수 있다. 주파수가 높아질수록 회로가 커지고 연산량이 많아지는 단점이 있으나 측정 결과의 정확도와 정밀도를 높일 수 있다. 반대로, 칩보다 2배 빠른 주파수로 샘플링한 경우에도 2차원 보간법을 사용하여 해상도를 높일 수 있다. 실제로 1/2 칩의 해상도로 동작하는 ICS에서의 상관값을 가지고도, 정확도는 떨어지지만, 보간법을 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 장치는 기지국의 TX 안테나 또는 파워 앰프와 연결된 별도의 장치로 구현되거나, 기지국 시스템 내에서 하나의 모듈로 PCB 상에 구현하는 것이 가능할 것이다. 또한, 본 발명은 기지국에서의 송신 시각 측정에 관한 것이지만, SNR이 높은 경우 단말에서의 도달 시각 측정에도 응용될 수 있을 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 따른 기지국의 송신 시각 측정 장치 및 그 방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 이동 통신 시스템의 기지국에서의 전송 신호를 분석해 송신 시각을 측정함으로써 LBS(Location Based Services)에 사용할 수 있으며 TD 구현시 경로별 지연을 측정할 수 있다.

둘째, 일시 정지 기능을 갖는 코드발생기를 사용함으로써 제어가 간단해지고 연속해서 상관값을 계산할 수 있으므로 수신신호를 버리는 것 없이 다 활용할 수 있다.

셋째, 상관값 계산에서 SCH 구간을 제외함으로써 측정의 정확도를 높일 수 있다.

넷째, 보간법에 의한 간단한 연산을 통해 송신 시각 측정 해상도를 높일 수 있다.

Claims (15)

1. 안테나 또는 파워 앰프로부터 송신신호를 분기하는 커플러;

   상기 커플러로부터 분기된 송신신호를 중간 주파수(IF) 신호로 변환하고 상기 IF 신호를 디지털 신호로 변환하는 중간 주파수 처리부;

   상기 중간 주파수 처리부로부터 출력되는 신호를 역확산시키고 역확산된 신호를 SF(spreading factor) 칩 단위로 더한 값을 출력하는 신호 복원부;

   상기 신호 복원부의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구하는 파워 누적기;

   상기 파워 누적기의 출력값 중 최대 상관값을 검색하고, 상기 최대 상관값 의 좌 상관값과, 상기 최대 상관값의 우 상관값 및 상기 최대 상관값에 의하여 보간(interpolation)된 최대값을 통해 송신 시각을 결정하는 송신 시각 측정부; 및

   타이밍 신호를 발생시키며 상기 각 구성요소를 제어하는 제어부를 포함하는 기지국의 송신 시간 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   내부에서 시간을 카운팅하는 모듈로 카운터(modulo counter)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 시각 측정 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 코드는 별도의 코드 발생기에 의해 발생되고, 상기 코드 발생기는 코드를 필요에 따라 한 칩 동안 지연시켜 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
4. 제1항에 있어서,

   전송 다이버시티(transmit diversity)를 위한 두 개의 송신 안테나를 갖는 경우, 상기 커플러는 상기 두 개의 송신 안테나로부터 송신신호를 분기하기 위한 제1커플러 및 제2커플러에 의해 구성되고,

   상기 제1 및 제2커플러로부터 분기된 송신신호를 입력받아 상기 중간 주파수 처리부로 전달하는 RF MUX를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 두 개의 송신 안테나로부터 송신되는 신호의 송신 시각을 각각 측정하고 그 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제어부는 기지국의 타이밍 기준 신호, ICS(Initial Cell Search) 결과 또는 이전 송신 시각 측정 결과 중 어느 하나를 기준으로 검색창(search window)을 설정하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 파워 누적기는 확산 코드와 직교성이 없는 SCH(Synchronization CHannel)구간에서는 상관값을 구하지 않는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이동 통신 시스템은 WCDMA 시스템인 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.
9. 송신신호를 분기하고 디지털 신호로 변환하는 제1단계;

   변환된 송신신호를 역확산시키고 그 값을 SF(spreading factor) 칩 단위 만큼 더하는 제2단계;

   상기 제2단계의 결과값에 대한 I 및 Q 심볼을 각각 제곱하여 다수의 심볼 동안 누적하여 상관값을 구하는 제3단계; 및

   상기 제3단계의 출력값 중 최대 상관값을 검색하고, 상기 최대 상관값 의 좌 상관값과, 상기 최대 상관값의 우 상관값 및 상기 최대 상관값에 의하여 보간(interpolation)된 최대값을 통해 송신 시각을 결정하는 제4단계를 포함하는 송신 시각 측정 방법.
10. 제9항에 있어서,

    기지국의 타이밍 기준 신호, ICS(Initial Cell Search) 결과 또는 이전 송신 시각 측정 결과 중 어느 하나를 기준으로 검색창(search window)을 설정하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 방법.
11. 제9항에 있어서,

    전송 다이버시티(transmit diversity)를 위한 두 개의 송신 안테나로부터 송신되는 신호의 송신 시각을 각각 측정하고 그 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 방법.
12. 제9항에 있어서,

    상기 제5단계에서 확산 코드와 직교성이 없는 SCH(Synchronization CHannel) 구간에서는 상관값을 구하지 않는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 방법.
13. 제9항에 있어서,

    2회 이상 송신 시각을 측정하여 평균을 취하여 그 값을 송신 시각으로 하는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 방법.
14. 제9항에 있어서,

    상기 이동 통신 시스템은 WCDMA 시스템인 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 방법.
15. 제1항에 있어서,

    상기 신호 복원부 내의 역확산과 적분 및 덤프회로의 개수가 2개 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기지국의 송신 시각 측정 장치.

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