KR100728639B1 - 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널추정 방법 - Google Patents

협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널추정 방법 Download PDF

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KR100728639B1
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Abstract

본 발명은 릴레이를 이용하여 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법에 관한 것이다.
본 발명은 송신단, 릴레이, 수신단 각각의 스캐터 수(M, K, N)가 입력됨에 따라, 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 무한개인 경우 채널 이득에 대한 참조 모델을산출하는 제1단계; 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 유한개인 경우 채널 이득에 대한 결정적 모델을 산출하는 제2단계; 및 참조 모델과 결정적 모델의 시간값(T)을 최소한으로 고정시켜, 참조 모델과 결정적 모델의 차를 최소로 만드는 파라미터(
Figure 112006038190821-pat00001
,
Figure 112006038190821-pat00002
,
Figure 112006038190821-pat00003
)를 산출하는 제3단계;를 포함하여, 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 모델인 협력 투링 SISO 모델에 대한 채널 이득을 추정할 수 있다는 장점이 있다.
협력 다이버시티

Description

협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법{Method for Channel Estimating of Mobile Communication System for Cooperative Diversity}
도 1은 종래의 Two-Ring SISO 모델을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 의한 협력 Two-Ring SISO 모델을 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 릴레이를 이용하여 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 Two-Ring SISO 모델을 나타내는 도면이다.
Two-Ring SISO(Single-Input Single-Output) 모델은 주파수 비선택적(Frequency Non-Selective) SISO 레일리(Rayleigh) 모바일 투 모바일(Mobile-to-Mobile) 채널의 참조모델(Reference Model)에 관한 것으로, 투링(Two-Ring)의 스캐 터링 모델(Scattering Model)은 도 1과 같이 안테나의 송신단(T)과 수신단(R)으로 구성된 형태이다.
도 1에 도시되어 있는 투링의 스캐터링 모델에 대해 보다 상세히 설명하면, 전파 송수신을 방해하는 요소인 무한개의 스캐터(Scatter)들(1, 2)은 송신단과 수신단으로부터 각각 RT와 RR만큼 떨어진 곳에 원형을 그리며 일정하게 분포되어 있다. 예를 들어, 스캐터는 안테나로부터의 신호 송수신을 방해하는 건물, 구조물, 가구, 칸막이, 벽 등을 포함하는 모든 방해 요소를 의미한다.
송신단과 수신단측에 표시된
Figure 112006038190821-pat00004
과
Figure 112006038190821-pat00005
은 각각 신호의 입사각(Angle of Arrival)과 반사각(Angle of Departure)을 나타내며, 송신단과 수신단은 각각
Figure 112006038190821-pat00006
와
Figure 112006038190821-pat00007
의 방향으로
Figure 112006038190821-pat00008
와
Figure 112006038190821-pat00009
의 속도로 이동한다.
송신단측과 수신단측 각각으로부터 스캐터까지의 거리인 RT와 RR은 송신단과 수신단 사이의 거리 D와 비교하여 매우 짧다
Figure 112006038190821-pat00010
.
도 1에서 도시하는 투링 SISO 모델의 송신단과 수신단의 채널이득(
Figure 112006038190821-pat00011
)은 수학식 1과 같다.
Figure 112006038190821-pat00012
Figure 112006038190821-pat00013
Figure 112006038190821-pat00014
Figure 112006038190821-pat00015
여기에서, M은 송신단측의 스캐터 수, N은 수신단측의 스캐터 수,
Figure 112006038190821-pat00016
와
Figure 112006038190821-pat00017
는 송수신단의 이동에 따른 최대 도플러 주파수(Maximum Doppler Frequency)를 의미한다.
송신단과 수신단을 포함한 투링 구조의 경우 확대가 불가능하기 때문에, 지금까지의 채널 추정 기법은 상기 투링 구조에 대해서만 이루어졌다.
따라서, 이동통신 시스템의 성능을 높일 수 있는 상기 투링 구조에 릴레이가 포함된 모델의 채널 이득인 협력 다이버시티(Cooperative Diversity)를 얻기 위해서는 새로운 채널 추정 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 협력 다이버시티를 얻기 위해 투링 SISO 모델에 릴레이를 첨가한 협력 투링 SISO 모델에 대한 채널 이득을 추정할 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법을 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.
또한, 본 발명은 협력 투링 SISO 모델을 시뮬레이션하기 위한 결정값을 산출하는 데 그 기술적 과제가 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 송신단(T), 릴레이(L), 수신단(R) 간의 협력 다이버시티를 얻기 위한 이동통신 시스템의 채널 추정 방법으로서,
송신단, 릴레이, 수신단 각각의 스캐터 수(M, K, N)가 입력됨에 따라, 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 무한개인 경우 채널 이득에 대한 참조 모델을산출하는 제1단계; 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 유한개인 경우 채널 이득에 대한 결정적 모델을 산출하는 제2단계; 및 상기 참조 모델과 결정적 모델의 시간값(T)을 최소한으로 고정시켜, 상기 참조 모델과 결정적 모델의 차를 최소로 만드는 파라미터(
Figure 112006038190821-pat00018
,
Figure 112006038190821-pat00019
,
Figure 112006038190821-pat00020
)를 산출하는 제3단계;를 포함한다.
본 발명의 상세한 설명에서 개시하는 기술은 기지국, 중계기, 단말 등과 같이 안테나를 구비하는 통신장치에 모두 적용될 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 송신단으로부터 수신단까지의 채널 이득과 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 수신단까지의 채널 이득의 상호 작용을 이용하여 협력 다이버시티를 도출한다.
도 2는 본 발명에 의한 협력 Two-Ring SISO 모델을 나타내는 도면이다.
도시하는 것과 같이, 도 2에서 도시하는 협력 투링 SISO 모델은 협력 다이버시티(Cooperative Diversity)를 얻기 위해 도 1에서 도시하는 투링 SISO 모델에 릴레이(Relay)(L)를 추가한 구조를 나타내는 것이다.
도 2에서 도시하는 협력 투링 SISO 모델의 송신단(T), 릴레이(L), 수신단(R) 각각에는 RT, RL, RR만큼 떨어진 곳에 스캐터들(1, 2, 3)이 원형을 그리며 일정하게 분포되어 있다.
도 2에서
Figure 112006038190821-pat00021
는 릴레이로의 신호 입사각(Angle of Arrival)과 반사각(Angle of Departure), RT은 송신단측의 스캐터(1) 분포를 나타내는 원형의 반지름, RL은 릴레이측의 스캐터(3) 분포를 나타내는 원형의 반지름, RR은 수신단측의 스캐터(2) 분포를 나타내는 원형의 반지름, DTL은 송신단과 릴레이의 거리를 의미한다.
도시하지 않았지만, DLR은 릴레이와 수신단의 거리, DTR은 송신단과 수신단의 거리를 의미한다.
도 2에서 나타내고 있는 것과 같이, 반지름 RT, RR, RL은 DTR, DTL, DLR과 비교하여 매우 짧다(
Figure 112006038190821-pat00022
).
한편, 안테나의 송신단(T)으로부터 송출된 신호가 릴레이(L)의 안테나를 경유하여 안테나의 수신단(R)에 도달하는 경우의 채널 이득은 수학식 2와 같다.
Figure 112006038190821-pat00023
Figure 112006038190821-pat00024
Figure 112006038190821-pat00025
Figure 112006038190821-pat00026
여기에서, M은 송신단측의 스캐터 수, N은 수신단측의 스캐터 수, K는 릴레이측의 스캐터 수,
Figure 112006038190821-pat00027
와
Figure 112006038190821-pat00028
는 송수신단의 이동에 따른 최대 도플러 주파수(Maximum Doppler Frequency),
Figure 112006038190821-pat00029
는 릴레이 의 이동에 따른 최대 도플러 주파수(Maximum Doppler Frequency)를 의미한다.
수학식 2는 송신단과 수신단의 채널 이득(
Figure 112006038190821-pat00030
)과 릴레이와 수신단의 채널 이득(
Figure 112006038190821-pat00031
)을 곱하여 산출되는 참조모델로, 송신단, 릴레이, 수신단 각각의 스캐터의 수가 무한대일 경우를 나타낸다.
참조모델인 수학식 2의 교차상관함수(Cross Correlation Function; 이하 CCF라 하기로 함)는 수학식 3과 같은데, 이는 송신단에서 수신단에 이르기까지의 채널 이득(
Figure 112006038190821-pat00032
)과 송신단에서 릴레이를 거쳐 수신단에 이르는 채널 이득(
Figure 112006038190821-pat00033
) 간의 상관관계를 나타내는 것이다. 여기에서, 참조모델은 스캐터가 무한개인 것으로 가정한 경우의 모델을 의미한다.
Figure 112006038190821-pat00034
수학식 3의 CCF를 송신단, 릴레이, 수신단에 대한 CCF로 각각 나타내면 수학 식 4와 같다.
Figure 112006038190821-pat00035
한편, 스캐터가 유한 개인 경우를 나타내는 협력 투링 SISO 모델의 확률적 모델(Stochastic Model)은 수학식 5와 수학식 6과 같다.
Figure 112006038190821-pat00036
Figure 112006038190821-pat00037
여기에서,수학식 5는 스캐터가 유한개인 경우 송신단으로부터 수신단에 이르기까지의 채널이득을, 수학식 6은 스캐터가 유한개인 경우 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 수신단에 이르기까지의 채널 이득을 나타내고, θmn 과 θmkn은 확률 변수를 의미한다.
확률적 모델인 수학식 5와 수학식 6의 CCF는 수학식 7과 같다.
Figure 112006038190821-pat00038
협력 투링 SISO 모델의 결정적 모델(Deterministic Model)은 수학식 8과 수학식 9와 같은데, 이는 확률적 모델에 확률 변수인 θmn 과 θmkn 을 상수로 적용한 것이다.
Figure 112006038190821-pat00039
Figure 112006038190821-pat00040
Figure 112006038190821-pat00041
Figure 112006038190821-pat00042
Figure 112006038190821-pat00043
여기에서,
Figure 112006038190821-pat00044
,
Figure 112006038190821-pat00045
,
Figure 112006038190821-pat00046
, θmn 및 θmkn 은 상수를 의미한다.
결정적 모델인 수학식 8과 수학식 9의 CCF는 수학식 10과 같다.
Figure 112006038190821-pat00047
협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 시뮬레이션을 위해서는 상기에서 개시한 수학식을 이용하여 수학식 11을 만족하는 결정값(Deterministic Val ue)인 파라미터
Figure 112006038190821-pat00048
,
Figure 112006038190821-pat00049
,
Figure 112006038190821-pat00050
를 도출해야 한다.
Figure 112006038190821-pat00051
수학식 11은 좌변에 스캐터의 수가 무한개일 때와 우변에 스캐터의 수가 유 한개일 때를 나타내는 식으로, 파라미터
Figure 112006038190821-pat00052
,
Figure 112006038190821-pat00053
,
Figure 112006038190821-pat00054
를 도출하기 위해서는 자기 상관 함수 간의 오차 크기를 최소화하는 방법인 Lp-NM(Lp-Norm Method) 방법을 사용하여야한다. 여기에서, 파라미터를 도출하기 위해서는 Lp-NM 방법을 사용하는 것이 바람직하지만, 자기 상관 함수를 직접적으로 근사시키는 방법인 MEDS(Method of Exact Doppler Spread) 방법을 이용하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명에 의한 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널에 대한 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 채널 추정 장치는 채널 시뮬레이션을 위해 운용자가 임의로 입력하는 송신단, 수신단 및 릴레이 각각의 스캐터 수(M, N, L)를 수신한다(S101).
이어서, 시뮬레이터는 기 설정된 수학식(수학식 12, 수학식 13)과 Lp-NM 방법을 이용하여 송신단, 수신단, 릴레이 각각의 각을 나타내는 파라미터
Figure 112006038190821-pat00055
,
Figure 112006038190821-pat00056
,
Figure 112006038190821-pat00057
를 도출한다(S103).
단계 S103의 과정을 보다 상세히 설명하면, 먼저, 수학식 12와 수학식 13에서 각각 나타내는 송신단, 수신단, 릴레이 참조 모델의 CCF와 결정적 모델의 CCF의 차를 최소로 하는 결정값(파라미터
Figure 112006038190821-pat00058
,
Figure 112006038190821-pat00059
,
Figure 112006038190821-pat00060
)을 산출한다.
Figure 112006038190821-pat00061
Figure 112006038190821-pat00062
Figure 112006038190821-pat00063
Figure 112006038190821-pat00064
여기에서, 시간축 평균은 0이 되는데, T를 작은 구간에 한정시켜 입사각과 반사각 파라미터의 값을 구한다.
T를 t0 값으로 고정시키면, 결정적 모델은 수학식 14와 같이 표현된다.
Figure 112006038190821-pat00065
수학식 14의 t0에 순간을 나타내는 0을 대입하면, 수학식 15와 같이 표현된다.
Figure 112006038190821-pat00066
수학식 15와 Lp-NM 방법을 이용하여 수학식 16과 같이 파라미터
Figure 112006038190821-pat00067
,
Figure 112006038190821-pat00068
,
Figure 112006038190821-pat00069
를 산출한다.
Figure 112006038190821-pat00070
여기에서,
Figure 112006038190821-pat00071
,
Figure 112006038190821-pat00072
,
Figure 112006038190821-pat00073
는 각각
Figure 112006038190821-pat00074
,
Figure 112006038190821-pat00075
및
Figure 112006038190821-pat00076
을 의미한다.
이후, 단계 S103에서 산출된 파라미터를 확률적 모델에 대입하여 확률적 모델에 대한 채널 이득을 산출한다(S105).
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법은 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 모델인 협력 투링 SISO 모델에 대한 채널 이득을 추정할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 협력 투링 SISO 모델에 대한 채널 이득을 추정하기 위한 결정값을 산출할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 송신단(T), 릴레이(L), 수신단(R) 간의 협력 다이버시티를 얻기 위한 이동통신 시스템의 채널 추정 방법으로서,
    송신단, 릴레이, 수신단 각각의 스캐터 수(M, K, N)가 입력됨에 따라, 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 무한개인 경우의 채널 이득인, 상기 송신단과 수신단의 채널 이득과 상기 릴레이와 수신단의 채널 이득을 곱하여 산출되는 참조 모델을 산출하는 제1단계;
    상기 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 유한개인 경우의 채널 이득인, 상기 송신단과 수신단의 채널 이득과 상기 릴레이와 수신단의 채널 이득을 곱하여 산출되는 확률적 모델에 대하여, 상기 확률적 모델에 포함된 확률 변수를 상수로 적용하여 상기 송신단, 릴레이 및 수신단의 스캐터 수가 유한개인 경우 채널 이득에 대한 결정적 모델을 산출하는 제2단계; 및
    상기 참조 모델과 결정적 모델의 시간값(T)을 최소한으로 고정시켜, 상기 참조 모델과 결정적 모델의 차를 최소로 만드는 파라미터인, 송신단으로의 신호 입사각/반사각(
    Figure 112007022362107-pat00083
    ), 수신단으로부터의 신호 입사각/반사각(
    Figure 112007022362107-pat00078
    ) 및 릴레이로의 신호 입사각/반사각(
    Figure 112007022362107-pat00079
    )을 산출하는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계 이후,
    상기 제3단계에서 산출된 파라미터를 이용하여 상기 이동통신 시스템의 확률적 모델에 대한 채널 이득을 산출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 참조 모델의 교차상관함수(Cross Correlation Function)와 상기 결정적 모델의 교차상관함수가 근사하도록 하는 상기 파라미터를 산출하는 단계인 것을 특징으로 하는 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    상기 파라미터는 Lp-NM(Lp-Norm Method) 방법을 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    상기 파라미터는 MEDS(Method of Exact Doppler Spread) 방법을 적용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 협력 다이버시티를 얻을 수 있는 이동통신 시스템의 채널 추정 방법.
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