KR100838519B1 - Ｄｓ-ｃｄｍａ 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상태 변이에 해당하는 부분적인 코드워드만을 선택적으로 추정하도록 하는 다단 병렬 간섭 제거기를 이용한 검출-디코딩 연동(JDD) 수신기에 관한 것으로, 채널 코딩된 복수의 사용자의 심볼들을 수신하는 수신부; 상기 복수의 사용자의 심볼들을 사용자별로 분리하여 사용자별 정합필터 출력을 생성하는 정합필터부; 및 상기 사용자별 정합필터 출력을 이용한 사용자별 심볼 추정 및 상관 메트릭을 이용한 타 사용자 심볼 제거를 반복하여 다중접속 간섭을 단계적으로 감소시키는 다단 병렬 간섭 제거부;를 포함하여 구성되되, 상기 다단 병렬 간섭 제거부는, 상태 시퀀스를 이용하여 분기에 해당하는 부분적 코드워드를 심볼추정으로서 추정하는 것을 특징으로 하여 검출-디코딩 연동에 따른 수신기의 높은 성능을 유지하면서도 전체 코드워드에 대한 심볼추정을 수행하는 종래의 검출-디코딩 연동 수신기에 비해 그 구성 및 연산부담을 저감할 수 있는 효과를 제공한다.
다중 사용자 검출, 채널 코드, 검출-디코딩 연동, 병렬 간섭 제거, Multiuser Detection, Channel Codes, Joint Detection-Decoding, Parallel Interference Canceller
Description
도 1은 DS-CDMA 시스템의 다중 사용자 검출 송수신 시스템의 블록도.
도 2는 DS-CDMA 시스템의 병렬 간섭 제거기의 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 JDD 수신기의 사용자 수에 따른 복잡도를 도시하는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 JDD 수신기의 다단 병렬 간섭 제거기의 단계 수에 따른 복잡도를 도시하는 그래프.
도 5 내지 7은 본 발명의 실시예에 따른 JDD 수신기의 다양한 통신환경에서의 채널 SNR 변화에 따른 성능을 도시하는 그래프.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 JDD 수신기의 다양한 통신환경에서 사용자 수에 따른 성능을 도시하는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 채널 인코더 20 : CDMA 확산기
30 : 정합 필터 뱅크 40 : 다중사용자 검출기
50 : 채널 디코더
본 발명은 상태 변이(분기 : branch)에 해당하는 부분적인 코드워드만을 선택적으로 추정하도록 하는 다단 병렬 간섭 제거기를 이용한 검출-디코딩 연동(JDD : Joint Detection-Decoding) 수신기에 관한 것이다.
DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access)는 다중 사용자들에 의해 공유되는 무선 채널에 사용되는 다중접속 기술로서 널리 사용되고 있다. DS-CDMA 시스템은 다수의 사용자들에게 서로 다른 시그니처 시퀀스(signature sequences) 또는 의사잡음 코드(PN code)를 할당한다. 수신신호로부터 사용자 데이터를 획득하기 위해 DS-CDMA 수신기는 정합필터 뱅크를 포함하여 구성된다.
그런데, DS-CDMA 시스템에서는 타 사용자 신호에 의한 다중접속 간섭(MAI : Multiple Access Interference)에 의한 성능 저하가 문제된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다중 사용자 검출기법(MUD:Multiuser Detection)을 통한 다중접속 간섭을 제거하는 방법이 제안되었다. 다중 사용자 검출기법은 다중접속 간섭의 영향을 감소시킬 뿐 아니라 시스템 용량 및 서비스 품질을 향상시킬 수 있다. DS-CDMA 시스템의 업-링크를 고려하면, 기지국의 수신기는 모든 사용자의 확산 시퀀스(spreading sequence)에 대한 정보를 보유한다. 따라서 수신기는 이러한 정보를 이용하여 다중접속 간섭을 제거할 수 있다.
이러한 다중 사용자 검출의 새로운 기법으로서 JDD(Joint Detection-Decoding) 수신기가 제안된 바 있다. JDD 수신기는 채널 코드에 대한 정보를 다중 사 용자 검출에 사용함으로써 다중 사용자 검출과 채널 디코딩을 동시에 수행할 수 있는 효과를 제공한다. 도 1을 참조하여 JDD 수신기를 설명하면, DS-CDMA 시스템에서 사용자 k 의 정보 비트 시퀀스(b k )는 채널 인코더(10)에 의해 채널 심벌 시퀀스(d k )로 인코딩되고, 채널 심볼 시퀀스(d k )는 CDMA 확산기(20)를 통해 확산되어 다중 사용자 채널을 통하여 전송되며, 수신기에서는 정합 필터 뱅크(30)를 통해 정합필터뱅크 출력(y k )로서 수신된다. 복수의 정합필터뱅크 출력(y k )들은 타사용자들에 의해 발생하는 다중접속 간섭을 포함할 뿐 아니라, 채널 부호의 한 프레임에 거쳐 서로 상관을 가지게 된다. 따라서 정합필터뱅크 출력(y k )으로부터 다중 사용자 검출기(40)는 다중 사용자들에 대한 심볼 추정( 
)을 검출하며 채널 디코더(50)는 디코딩을 통해 원 정보 비트 시퀀스(b k )의 추정치인 정보 추정( 
)를 연산한다. 이러한 검출 및 디코딩 결합(JDD, Joint Detection-Decoding)에 의해 채널부호화에 따른 심볼 추정의 정확성을 보다 높일 수 있으며 다중접속 간섭에 의한 영향을 완화시킬 수 있다. 그러나 JDD 수신기의 구조의 복잡도는 다중 사용자 검출 및 보정의 반복 회수 및 채널 코드의 프레임 크기에 비례하여 선형적으로 증가하는 문제가 있다.
한편 다중접속 간섭을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로서 DS-CDMA 시스템에서는 병렬 간섭 제거기(PIC : Parallel Interference Canceller)이 일반적으로 사용된다. 병렬 간섭 제거기는 전체 사용자에 대한 심볼을 동시에 병렬적으로 예측하 고, 타 사용자에 의한 다중접속 간섭을 제거하도록 구성된다. 다단 병렬 간섭제거 수신기는 모든 사용자들에 대한 각 단계의 신호처리를 통해 다중접속 간섭(MAI)을 제거하도록 시도한다. 이러한 다단병렬 간섭제거 수신기는 통상의 선형 다중사용자 검출(MUD : Multi-User Detection) 수신기와 비교하여 그 구성이 보다 단순하다.
도 2는 본 발명에 따른 다단병렬 간섭 제거기를 도시한다. 도시한 바와 같이 PIC 수신기의 각 단은 추정부(101,201) 및 소거부(201,202)로 구성되어 추정부(101,201)는 모든 사용자 심볼을 추정하고, 이러한 추정에 기초하여 모든 사용자들에 대한 다중접속 간섭이 구성되어 제거된다. 다단병렬 간섭 제거기의 최초단은 단일-사용자 정합 필터의 뱅크를 사용한다. 예측의 정확도는 단계의 수에 따라 증가하며, 또한 다단병렬 간섭 제거기의 성능 또한 개선된다.
사용자 k 에 있어서, 현재 병렬 간섭제거 단계가 l 이라고 가정하면, 추정부(101, 201)에서는 전단(l-1 단계)의 사후(a posteriori) 출력 y k(l-1)을 이용하여 심볼 추정 
을 연산한다. 심볼 추정 
는 소거 단계의 사전 정보(a priori information)로 사용된다. 소거부(102,202)에서는 상관행렬(correlation matrix) R 을 이용하여 수학식 1 과 같은 방법으로 사용자 신호 y k(l)에서 다중접속 간섭을 제거한다.
최종 결정은 마지막 단계의 사후 신호 y k(l)에 기초하여 이루어진다. 그런데 종래의 다단병렬 간섭제거 수신기에 있어서, 각 단의 추정부(101,201)는 전단의 사후출력 y k(l-1)을 통해 심볼추정 
를 경판정(hard-decision)한다. 만일 추정부(101,201)에서 부정확한 경절이 이루어지는 경우 간섭 제거는 부정확해지고 각 단계를 거치면서 간섭제거의 정확성은 현저히 떨어지게 된다. 따라서 추정부(101,201)에서의 정확한 심볼 추정이 매우 중요하며, 이를 위해 JDD 수신기에서는 심볼 추정 단계에서 채널 코드를 사용하는 방법으로 정확성을 보다 향상시킬 수 있다.
이하에서는 전체 디코딩 정보를 이용하는 종래의 JDD 수신기에 대해서 설명한다. 채널 코드로서 부호화율이 m/n 이고, 메모리장이 l인 (n,m,l) 콘볼루션 코드를 사용하는 경우, k 번째 사용자의 길이 mN의 정보 시퀀스 
는 길이 n(N+l)의 코드워드 
로 인코딩된다. 이때 N은 채널 코드의 프레임 사이즈이다.
이러한 코드워드가 다중 사용자 채널을 통해 전송되고 채널 코드의 리던던시(redundancy) 부분에 의해 수신 워드의 에러보정이 가능하기 때문에 JDD 수신기는 추정단계의 정확성을 향상시킬 수 있다. 그러나 각 단계의 추정부(101,201)와 소거부(102,202)에서 전체 코드워드를 동시에 처리하여야 하기 때문에 수신기의 복잡도 및 연산처리 부담이 증가한다는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서 다단 병렬 간섭 제거부는 상태 시퀀스를 이용하여 분기에 해당하는 부분적 코드워드만을 선택적으로 심볼추정으로서 추정함으로써 검출-디코딩 연동에 따른 수신기의 높은 성능을 유지하면서도 전체 코드워드에 대한 심볼추정을 수행하는 종래의 검출-디코딩 연동 수신기에 비해 그 구성 및 연산부담을 효과적으로 저감할 수 있는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기는 채널 코딩된 복수의 사용자의 심볼들을 수신하는 수신부; 상기 복수의 사용자의 심볼들을 사용자별로 분리하여 사용자별 정합필터 출력을 생성하는 정합필터부; 및 상기 사용자별 정합필터 출력을 이용한 사용자별 심볼 추정 및 상관 메트릭을 이용한 타 사용자 심볼 제거를 반복하여 다중접속 간섭을 단계적으로 감소시키는 다단 병렬 간섭 제거부;를 포함하여 구성되되, 상기 다단 병렬 간섭 제거부는, 상태 시퀀스를 이용하여 분기에 해당하는 부분적 코드워드를 심볼추정으로서 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 JDD 수신기의 추정부(101,201)에서는 비터비 알고리즘으로서 MAP 디코딩을 사용하여 콘볼루션 코드에 대한 코드워드 에러 확률을 최소화하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 JDD 수신기는 하나 이상의 채널 심볼로 구성되는 부분적 코드워드(partial codeword)에서의 에러 확률을 최소화할 수 있다. 비터비 알고리즘 의 트렐리스 다이어그램에서, 경로(path)는 상태변이를 나타내는 상태(state) 및 분기(branch)로 구성된다. 각각의 전체 코드워드 
는 상태 시퀀스 
( 
)로 나타낼 수 있고 그 반대도 마찬가지이다. 부분적 코드워드 
( 
)는 시간 t-1에서의 상태 
로부터 시간 t에서의 상태 
로의 변이 즉 분기에 대응한다. 따라서 채널 심볼의 전체 코드워드 d k는 컨볼루션 코드의 경로에 해당하고, 채널 심볼의 부분적 코드워드 
는 콘볼루션 코드의 분기에 각각 해당한다.
부분적 코드워드 
는 또한 전송 심볼에 대한 부분적 디코딩 정보를 포함한다. 본 발명에 따른 JDD 수신기는 각각의 추정 단계에 있어서 상태 변이(분기)에 해당하는 부분적 코드워드 
를 사용하고 상태 시퀀스 S k 를 지속적으로 추적한다. 이러한 방법을 통해 각 추정단계에서의 디코딩의 성능을 다소 희생함으로써 전체 수신기의 구조를 보다 단순하게 구현할 수 있는 효과를 제공한다.
한편 부분적 코드워드 
의 길이는 는 단일변이 시퀀스인 최소의 경우부터 전체 코드워드를 사용하는 최대의 경우까지 선택할 수 있는데, 추정단계에서의 부분적 코드워드의 크기가 증가할수록 JDD 수신기의 성능은 증가되지만 복잡도도 또한 증가하기 때문에 JDD 수신기는 최소의 부분적 코드워드, 즉 단일 상태 변이를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 JDD 수신기는 채널 심볼의 부분적 코드워드 
에 대응하는 사후 신호 
를 사용한다. 부분적 코드워드의 추정 
는 시작 상태 
의 확률과 사후 신호 
를 이용하여 추정하고, 다음 사후신호 
에 대한 최종 상태 
의 확률을 연산한다. 한편 확률 함수는 다음과 같이 정의된다.
이때, s t 는 시간 t 에서의 상태이고, s t -1은 시간 t-1 에서의 상태를 나타낸다. 한편 컨볼루션 코드의 마코프 특성(Markov Property)에 따르면 수학식 2의 확률함수는 다음과 같이 표시할 수 있다.
이때 경계 조건은 다음과 같다.
따라서 확률 
은 확률 
와 확률 
로부터 재귀적으로 구할 수 있다. 한편 수학식 3의 확률 
은 다음과 같이 표시할 수 있다.
이때 
은 상태 변이 확률로서 상태 s t -1, 과 상태 s t 사이에 트렐리스 변환이 있는 경우는 1 그렇지 않은 경우는 0 으로 정의된다. 따라서 확률함수 
은 비터비 알고리즘에서의 분기 메트릭과 동일하다.
한편 수학식 4로부터, 상태 변이 상에서의 MAP 디코딩 문제는 
와 
,에 기초하여 다음 상태의 확률을 최대화하는 과정이 된다.
이때 s 는 상태들의 집합이며,s t 는 시간 t 에서의 상태이고, s t +1은 시간 t+1에서의 상태이다.
최종적으로 t = 1, …, N + l 에서의 부분적 코드의 추정 
는 다음과 같이 나타난다.
각 단계의 추정부(101,201)에서 일단 부분적 코드워드 추정 
이 구해지면, 해당 단계의 소거부(102,202)에서는 각 사용자들의 부분적 코드워드 추정 
와 상관 매트릭스 
을 이용하여 사용자별 다중접속 간섭을 연산하여 각 사용자별 정합 필터 출력 
에서 연산된 다중접속 간섭을 감산한다. 이러한 새로운 출력 신호는 다음 스테이지의 예측 단계에서 입력을 형성한다.
도 3 내지 도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 JDD 수신기와 종래의 JDD 수신기 및 SDD(Seperate Detection-Decoding) 수신기의 성능 및 시스템 복잡도를 도시하는 그래프이다. 도 3 및 도 4 는 각각 사용자의 증가 및 PIC의 단계의 증가에 따른 수신기의 복잡도를 FLOP(floating point operations)로 표시한 그래프이다. 그래프에 도시된 바와 같이, 전체 코드워드를 사용하는 종래의 JDD 수신기는 SDD 수신기에 비해 그 복잡도가 현저히 높으며, 특히 도 4 에 도시된 바와 같이 사용자의 증가에 따라 복잡도가 급격히 증가하는 것에 비해 상태변이 정보에 해당하는 부분적 코드워드만을 사용하는 본 발명에 따른 JDD 수신기는 사용자의 증가 및 PIC 단계의 증가에도 불구하고 SDD 수신기와 비슷한 정도의 낮은 복잡도로 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5 내지 도 7 은 15명의 사용자 환경에서의 SNR 의 증가에 따른 각 수신기의 성능을 BER(Bit Error Rate)로 나타낸 것으로서 상호상관관계(rho)가 각각 0.1, 0.15, 0.2 인 경우를 각각 도시한다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 JDD 수신기는 통상의 JDD 수신기와 유사한 성능을 보이지만 SDD 수신기에 비교해서는 현저한 성능향상이 있음을 확인할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 4dB SNR 환경에서의 사용자 증가에 따른 각 수신기의 성능을 BER(Bit Error Rate)로 나타낸 것으로서 상호상관관계(rho)가 각각 0.1, 0.15, 0.2 인 경우를 각각 도시한다. 마찬가지로 본 발명에 따른 JDD 수신기는 통상의 JDD 수신기와 유사한 성능을 보이지만 SDD 수신기에 비교해서는 현저한 성능향상이 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기는, 다단 병렬 간섭 제거부에 있어서 상태 시퀀스를 이용하여 분기에 해당하는 부분적 코드워드만을 선택적으로 심볼추정으로서 추정함으로써 검출-디코딩 연동에 따른 수신기의 높은 성능을 유지하면서도 전체 코드워드에 대한 심볼추정을 수행하는 종래의 검출-디코딩 연동 수신기에 비해 그 구성 및 연산부담을 효과적으로 저감할 수 있는 현저한 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (5)
- 채널 코딩된 복수의 사용자의 심볼들을 수신하는 수신부;상기 복수의 사용자의 심볼들을 사용자별로 분리하여 사용자별 정합필터 출력을 생성하는 정합필터부; 및상기 사용자별 정합필터 출력을 이용한 사용자별 심볼 추정 및 상관 메트릭을 이용한 타 사용자 심볼 제거를 반복하여 다중접속 간섭을 단계적으로 감소시키는 다단 병렬 간섭 제거부;를 포함하여 구성되되,상기 다단 병렬 간섭 제거부는, 상태 시퀀스를 이용하여 부분적 코드워드를 심볼추정으로서 추정하는 것을 특징으로 하는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 사용자 심볼은 컨볼루션 코드를 이용하여 송신기에서 인코딩되고,상기 검출-디코딩 연동 수신기는 MAP 디코딩을 이용하여 상기 사용자 심볼을 디코딩하는 것을 특징으로 하는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기.
- 제 2 항에 있어서,상기 컨볼루션 코드는 부호화율이 m/n 이고, 메모리장이 l인 (n,m,l) 콘볼루션 코드를 사용하여 k 번째 사용자의 길이 mN의 정보 시퀀스는 길이 n(N+l)의 코드워드
(N은 채널 코드의 프레임 사이즈)로 인코딩되는 것을 특징으로 하는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 다단 병렬 간섭 제거부는, 단일 상태 변이에 해당하는 구간에서의 부분적 코드워드만을 선택적으로 추정하는 것을 특징으로 하는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기.
- 제 4 항에 있어서,상기 다단 병렬 간섭 제거부는,
의 공식을 이용하여 상기 부분적 코드워드를 추정하되,
,
,
(s t 는 시간 t 에서의 상태, s t -1은 시간 t-1 에서의 상태)으로 확률함수및
를 정의하는 것을 특징으로 하는 DS-CDMA 시스템의 검출-디코딩 연동 수신기.
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