KR101025245B1 - 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법은 수신된 신호에 루트 레이즈드 코사인 필터링 처리를 수행하는 단계; 상기 신호를 샘플링하는 단계; 샘플링한 데이터에 따라 각 사용자에 채널 추정을 수행하는 단계; 및 데이터에 복수 사용자 조인트 검측 복조를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 신호를 샘플링하는 단계는 상기 신호를 1/2 칩 간격으로 더블링 샘플링하고; 각 칩은 두 샘플링 값의 평균 값을 선택하여 동 칩의 샘플링 값으로 하며; 각 칩의 샘플링 값을 데이터 스트림으로 합성하는 것을 포함한다. 본 발명에 따르면, 계산 복잡도를 높이지 않고, 1배의 저장 공간만이 증가한 상황 하에서 시스템 수신 신호의 이득을 유효하게 향상시키고 특히 신호 동기에 문제가 있을 때 큰 이득을 얻을 수 있어 시스템의 시간 지연을 하강시키고 신호 처리의 실시간성을 향상시킴으로서 통신 환경이 열악한 이동 통신 시스템에 적용된다.

더블링 셈플링, 베이스밴드, 루트 레이즈드 코사인 필터링

Description

더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법{BASEBAND PROCESS METHOD BASED ON DOUBLING SAMPLING}

본 발명은 TDD-CDMA 시스템과 SCDMA 시스템의 베이스밴드(baseband) 처리 방법에 관한 것으로, 구체적으로 TD-SCDMA 시스템의 베이스밴드 처리 방법에 관한 것이다.

TD-SCDMA 시스템은 시분할-동기 코드 분할 다중 접속 시스템으로서, 그 중 동기라는 것은 한 셀 내에 있으며 한 타임 슬롯 내에 작업하는 사용자 설비를 활성화하는 모든 상향 신호가 동 셀의 기지국에 도착하는 시간이 대략 동일할 것을 요구하고 이로 인하여 서로 인접한 타임 슬롯 간의 방해를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 샘플링시 디지털 수신기가 상대적으로 큰 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 보장할 수 있다.

하지만, TD-SCDMA 시스템에 있어서, 동기식 제어 계산 방법을 채용하였지만 모든 사용자 설비의 신호가 기지국에 도착하는 시간은 역시 완전히 동일할 수 없었다. 그렇지만 모든 사용자 설비의 신호가 도착하는 시간의 차이를 허용하는 범위내(예를 들면 몇 칩(chip)의 폭 이내)로 제어하면 서로 인접한 타임 슬롯(time slot)의 방해를 감소시키려는 목적에 도달할 수 있다. 하지만 이것은 샘플링시 디 지털 수신기의 상대적으로 큰 신호 대 잡음비를 보장할 수 없게 한다. 모든 사용자 설비의 신호가 도착하는 시간에 미소한 차이(예를 들면 한 칩의 폭 이내)가 존재하면 샘플링시 디지털 수신기의 신호 대 잡음비를 대폭 감소하여 전반 시스템의 성능을 하강시키기 때문이다.

본 발명은, 상기 기존 기술에 존재하는 문제를 해결하기 위한 것으로, 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법을 제공하여 상향 신호의 동기가 완벽하지 못할 때 시스템의 성능을 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법은 수신한 신호에 루트 레이즈드 코사인 필터링(root raised cosine filtering) 처리를 수행하고; 상기 신호를 샘플링하며; 샘플링한 데이터에 따라 각 사용자에 채널 추정(channel estimation)을 수행하고; 데이터에 복수 사용자 조인트 검측 복조(multi-user joint detect demodulation)를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 신호를 샘플링하는 단계는 상기 신호를 1/2 칩 간격으로 더블링 샘플링하고; 각 칩은 두 샘플링 값의 평균치를 선택하여 동 칩의 샘플링 값으로 하며; 각 칩의 샘플링 값을 데이터 스트림으로 합성하는 것을 포함한다.

상기 루트 레이즈드 코사인 필터링 처리는 수신한 신호에 필터링 및 역다중화(demultiplexing)를 수행하고; 각 칩에

회의 샘플링을 수행하여

개 분수급 칩의 값을 얻는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, M는 자연수이다.

상기 더블링 샘플링하는 단계는 또한 첫 번째 칩의 앞 부분의

개 분수급 칩 중에서 임의의 한 샘플링 지점을 선택하고; 첫 번째 샘플링 지점의 위치를 기준으로 1/2 칩 간격으로 샘플링하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 채널 추정 단계는 상기 데이터 스트림으로부터 트레이닝(training) 수열을 분리하고; 트레이닝 수열에 따라 사용자의 채널 임펄스 응답을 얻으며; 채널 임펄스 응답에 채널 후처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 신호 후처리 단계는 또한 채널 임펄스 응답의 각 탭(tap)의 파워가 설치한 임계값(threshold value)보다 낮지 않은가를 판단하여; 그렇다면 동 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 보존하고; 그렇지 않으면 동 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 영으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 데이터에 복수 사용자 조인트 검측 복조를 수행하는 단계는 사용자 각자의 주파수 확장 방해 코드(channelized codes and scrambling code)와 채널 임펄스 응답을 이용하여 시스템 전송 행렬을 형성하고; 시스템 전송 행렬을 이용하여 사용자 데이터에 조인트 검측 복조를 수행하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 계산 복잡도를 높히지 않고 1배의 저장 공간만이 증가한 상황 하에서 시스템 수신 신호의 이득을 유효하게 향상시키고 특히 신호의 동기에 문제가 있을 때 큰 이득을 얻을 수 있어 시스템의 시간 지연을 하강시키고 신호 처리의 즉시 응답성을 향상시킴으로서 통신 환경이 열악한 이동 통신 시스템에 적용된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법의 흐름도;

도 2는 도 1에 도시한 실시예에 있어서 한 타임 슬롯(slot)에서 각 칩의 8개 분수급(fractional) 칩에 더블링 샘플링하는 안내도;

도 3은 서로 인접한 칩 사이에 방해가 중첩되는 상황 하에서의 더블링 샘플링하는 안내도;

도 4는 도 1에 도시된 실시예 중 시스템 전송 행렬의 구성 안내도.

이하 도면과 바람직한 실시예를 결합하여 본 발명을 상세하게 설명함으로서 본 발명의 상기 목표, 특징과 장점 및 기타 목표, 특징과 장점을 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법의 흐름도로, 본 실시예에서는 TD-SCDMA 시스템을 예로 하고, M=4이다. 도 1에 도시된 바와 같이 101 단계에서, 수신한 신호에 루트 레이즈드 코사인 필터링(root raised cosine filtering) 처리를 수행한다. 수신단에서, 수신한 신호를 발송단과 대응되는 루트 레이즈드 코사인 필터로 보내어 필터링 처리를 수행하고 역다중화(demultiplexing)를 수행하며 또한 각 칩의 파형에 2^(M-1)= 2³ = 8회의 샘플링을 수행하여(1/8 칩 간격으로) 8개의 분수급 칩 값을 구한다. 이런 데이터는 조인트 검 측 복조하는 데이터 신호를 구성한다.

105 단계에서, 상기 신호를 샘플링하는데 여기서는 더블링 샘플링하는 처리를 채용한다. 더블링 샘플링이란 각 칩에 대하여 두 개의 샘플 값을 구하고, 즉 한 칩의 8개 샘플 값으로부터 2개 샘플 값을 추출하고 1/2 칩 간격으로 샘플링하여 한 타임 슬롯에서 864×2개 지점(点)을 샘플링한다. 도 2에 도시한 바와 같이 한 타임 슬롯에는 864개 칩이 존재하는데 첫 번째 칩의 첫 번째 샘플링 지점을 첫 번째 칩의 앞 부분의 4개 분수급 칩에서 임의로 선택하고 그 다음 첫 번째 샘플링 지점 위치를 기준으로 1/2 칩 간격으로 샘플링한다. 그 다음, 110 단계에서, 각 칩의 2개 샘플링 값의 평균값을 구하여, 즉 동일 이득 합성(equal gain combining)을 수행하여 얻은 평균값을 동 칩의 샘플링 값으로 하고 각 칩의 샘플링 값을 데이터 스트림으로 합성한다.

수신한 신호는 상기 처리를 거쳐 신호의 폭이 증가되고 소음이 억제되며 수신한 신호 대 잡음비가 향상되고 샘플링 후의 디지털 수신기의 신호 대 잡음비 이득은 1이상일 뿐만 아니라 칩의 샘플링 평균값와 실제 값(truth value)과의 위상(phase) 차이가 작아서 복조시의 결과에 영향을 미치지 않는다.

이하, 단일 사용자 단일 경로를 예로 하여 더블링 샘플링한 신호의 특성을 분석한다. 도 3에 도시된 바와 같이 서로 인접한 칩에는 방해가 중첩되는 상황이 존재하는데 그 중 S_n은 사용자가 발송한 n번째 기호이고, S_{n -1}은 n-1번째 기호이며, S_n+1은 N+1번째 기호이고, S_n ⁽¹⁾과 S_n ⁽²⁾는 각각 S_n의 2개의 샘플링 지점의 값을 표시하 며, S^' _n으로 수신한 기호를 표시한다.

S_n ⁽¹⁾ = a₁S_n + (1-a₁)S_{n -1} 1>a₁>1/2

S_n ⁽²⁾ = a₂S_n + (1-a₂)S_n+1 1>a₂>1/2

이 중, a₁은 첫 번째 샘플링 지점의 S_n의 폭을 표시하고, a₂는 두 번째 샘플링 지점 중의 S_n의 폭을 표시한다. 앞뒤 기호의 영향으로 인하여, S^' _n을

S^' _n= S_n ⁽¹⁾ + S_n ⁽²⁾

= a₁S_n + (1-a₁)S_{n -1} + a₂S_n + (1-a₂)S_{n +1}

= (a₁+a₂)S_n + (1-a₁)S_n-1 + (1-a₂)S_n+1으로 할 수 있다.

루즈 레이즈드 코사인 필터의 특성에 따라, a₁+a₂≥1.5이다. 1>a₁,a₂>0.5이기 때문에, 0<1-a₁,1-a₂<0.5 , 1.5<1+a₁,1+a₂<2 , 0<2-a₁-a₂<0.5, 2a₁+a₂-1>1, a₁+2a₂-1>1이 성립된다. S_n-1, S_n, S_n+1 각 기호는 전부 +1, -1. +j, -j 등 4가지 값이 있고, 64개의 상태가 존재하여 수신한 기호 S^' _n에는 이에 대응하는 64개의 값이 있다. 이와 같은 값에는 실수와 복소수가 있는데 a₁, a₂ 값의 특징에 따라, S^' _n/S_n의 모듈(module) 값은 일반적으로 1 이상이고 최대의 경우 2까지 될 수 있으며, 또한 계산된 각 S^' _n의 값과 이에 대응하는 S^' _n의 위상은 변하지 않거나 변화가 크지 않다. 하지만, S^' _n/S_n의 모듈 값의 제곱은 신호 파워 이득을 대표하므로 샘플링 후 디지털 수신기의 신호 대 잡음비의 이득은 1 이상인 동시에 S^' _n과 S_n의 위상 차는 크지 않으므로 복조 결과에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

115 단계에서, 샘플링 후의 데이터에 따라 각 사용자에 대하여 채널 추정을 수행한다. 상기 데이터 스트림으로부터 트레이닝 수열을 분리하면, 이 트레이닝 수열을 다음과 같이 표시할 수 있다.

e = Gh +n (1)

이중, G행렬은 기본 미드앰블(Midamble) 코드로 구성된 우순환(rotate right) 행렬이고, h는 사용자의 채널 임펄스 응답(impulse response)이며, n는 백색 가우스 잡음(White Gaussian Noise)이다.

그러면 채널 임펄스 응답 h의 최대 가능성 추정(likelihood estimation)

는 다음과 같다.

(2)

G 행렬은 우순환 행렬이기 때문에 다음과 같다.

(3)

따라서, 상기 채널 추정을 FFT/IFFT 고속 방법으로 실현할 수 있으므로, 계 산 속도를 현저하게 향상시켜 다음과 같아진다.

(4)

그 다음, 120 단계에서, 추정해 낸 채널 임펄스 응답

에 채널 후처리를 수행한다. 잡음 임계값(noise threshold)을 사전에 설정하고 각 채널 임펄스 응답

의 각 탭의 파워를 판단하여 잡음 임계값 T 를 초과하면, 이 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 보존하고, 그렇지 않으면 이 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 0으로 설정한다. 이렇게 획득된 채널 임펄스 응답을 후처리된 채널 임펄스 응답이라고 한다.

125 단계에서, 데이터에 복수 사용자의 조인트 측정 복조를 수행하여 데이터의 분리를 완성한다. 우선, 사용자 각자의 주파수 확장 방해 코드와 후처리된 채널 임펄스 응답

을 이용하여 시스템 전송 행렬 A를 형성한다. 사용자 데이터가 주파수 확장 방해 가입(spectrum spreading and scrambling)과 공중(air) 채널을 거쳐 수신단에 도달하였을 경우 수신 신호 e를 다음과 같이 표시할 수 있다.

e = Ad +n (5)

이 중, d는 모든 사용자가 발송한 기호로 구성된 행렬 벡터이고 A는 사용자 각자의 주파수 확장 방해 코드와 후처리를 거친 채널 임펄스 응답

을 이용하여 형성된 시스템 전송 행렬이다. 시스템 전송 행렬 A의 구성은 도 4에 도시된 바와 같은데 그중 Ns는 사용자가 발송한 기호 수량이고 K는 사용자 수량이며 Q는 주파수 확장 인자이고 W는 사용자의 채널 임펄스 응답의 창 폭(window width)을 말한다. 시스템 전송 행렬 A ^ka는 블록(block) V 로 구성된 대각 행렬(그 중 Ka는 안테나 수량을 표시함)로 블록 V ^ka는 다음과 같이 표시할 수 있다.

V ^ka = [b₁ ^ka b₂ ^ka ... b_k ^ka] (6)

그 중, b_k ^ka는 제k 번째 사용자의 주파수 확장 방해 코드의 복합 수열과, 제k 번째 사용자의 후처리된 채널 임펄스 응답의 콘볼루션(convolution)으로,

차원이고, 아래와 같은 행렬 형식으로 표시할 수 있다.

여기서, C_k는 제k 번째 사용자의 주파수 확장 방해 코드의 복합 서열로 구성된 행렬이고, h_k ^ka는 제k 번째 사용자의 후처리된 채널 임펄스 응답이다.

그 다음, 시스템 전송 행렬 A를 이용하여 사용자 데이터에 조인트 검측 복조를 수행하여 얻은 사용자의 복조 데이터는

이다. 데이터의 복조는 화이트닝 정합 필터(WMF; whitening matched filter) 계산 방법, ZF(Zero Forcing Block Linear Equalizer) 계산 방법, 최소평균제곱오차(MMSE; Minimum Mean Squared Error) 계산 방법 등 여러 가지 조인트 검측 계산 방법 중의 임의의 한가지 방법을 채용할 수 있다. 여기서 MMSE 계산 방법을 예로 하여 계산한 d는 다음과 같다.

(7)

이렇게 하여 각 사용자의 복조 데이터를 얻는데, 공식 (7)에 있어서 Rn은 소음에 관련되는 행렬 (correlation matrix)을 표시하고 Rd는 신호와 관련되는 행렬을 표시한다.

본 발명은 이동 통신 시스템의 기지국 서브 시스템, 특히 TD-SCDMA 시스템의 기지국 서브 시스템에 응용할 수 있다.

Claims (6)

1. 수신된 신호에 루트 레이즈드 코사인 필터링 처리를 수행하는 단계;

   상기 신호를 샘플링하는 단계;

   샘플링한 데이터에 따라 각 사용자에 채널 추정을 수행하는 단계; 및

   데이터에 복수 사용자 조인트 검측 복조를 수행하는 단계를 포함하는 더블링 샘플링에 근거한 베이스밴드 처리 방법에 있어서,

   상기 신호를 샘플링하는 단계는 상기 신호를 1/2 칩 간격으로 더블링 샘플링하고; 각 칩은 두 샘플링 값의 평균 값을 선택하여 동 칩의 샘플링 값으로 하며; 각 칩의 샘플링 값을 데이터 스트림으로 합성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 루트 레이즈드 코사인 필터링 처리를 수행하는 단계는,

   상기 수신한 신호에 필터링 및 역다중화를 수행하는 단계; 및

   각 칩에 2^(M-1)회의 샘플링을 수행하여 2^(M-1)개의 분수급 칩 값 얻는 단계를 더 포함하고, 여기서 M는 자연수인 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 더블링 샘플링하는 단계는,

   첫 번째 칩의 앞 부분의 2^(M-1)/2개의 분수급 칩 중에서 임의의 한 샘플링 지점을 첫 번째 샘플링 지점으로 선택하는 단계; 및

   첫 번째 샘플링 지점의 위치를 기준으로 1/2 칩 간격으로 샘플링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 채널 추정 단계는,

   상기 데이터 스트림으로부터 트레이닝 수열을 분리하는 단계;

   상기 트레이닝 수열에 따라 사용자의 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계; 및

   상기 채널 임펄스 응답에 채널 후처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 신호 후처리 단계는,

   상기 채널 임펄스 응답의 각 탭의 파워가 설치한 임계값보다 낮지 않은가를 판단하여; 그렇다면 동 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 보존하고; 그렇지 않으면 동 탭이 처한 위치의 임펄스 응답을 영으로 설정하는 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 데이터에 복수 사용자 조인트 검측 복조를 수행하는 단계는,

   사용자 각자의 주파수 확장 방해 코드와 채널 임펄스 응답을 이용하여 시스템 전송 행렬을 형성하는 단계;

   상기 시스템 전송 행렬을 이용하여 사용자 데이터에 조인트 검측 복조를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베이스밴드 처리 방법.

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