KR101025308B1 - 항재밍 간섭제거장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

항재밍 간섭제거장치 및 그 방법이 개시된다. 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정하고, 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호를 추출한다. 그리고 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간을 검출하고, 상기 널 구간에서 재밍신호를 구하여 다시 적응적 필터 알고리즘에 제공한다.

Description

항재밍 간섭제거장치 및 그 방법{Apparatus for interference cancellation and anti-jamming and method therefor}

본 발명은 항재밍 간섭제거장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위성 통신에서 대역폭 효율을 극대화하기 위해 송수신 채널을 겹쳐 전이중방식으로 통신할 수 있도록 재밍이 존재하는 위성통신환경에서 재밍신호를 검출 및 제거할 수 있는 항재밍 간섭제거장치 및 그 방법에 관한 것이다.

종래 이동통신용 ICS(Interference Cancellation System) 중계기와 같은 간섭제거기술은 단순히 주변 간섭신호와 자기 송신신호의 피드백 신호만을 제거하는 용도의 기술이다. 종래 간섭제거기술은 전이중 동채널 위성통신을 수행하면서 위성을 타고 전송되는 각종 재밍신호와 위성을 경유하지 않고 자기 단말 수신에 직접적으로 들어오는 재밍신호 등에 대한 제거기술을 가지고 있지 않다. 따라서 상용환경에서는 큰 문제없이 사용할 수 있지만 군용환경에서는 재밍신호에 대해 취약하여 원활한 통신을 할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전이중 동채널 위성통신을 제공하고 주파수 대역폭 효율 및 전력전송효율 등의 장점을 제공하면서 수신단말 근접 간섭이나 위성을 경유하여 수신되는 각종 재밍신호 및 간섭신호를 제거하여 실제 재밍환경에서 효과적인 통신이 가능하도록 하는 항재밍 간섭제거 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거 방법의 일 예는, 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호 및 수신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정하는 단계; 상기 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 상기 보정된 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호만을 추출하는 단계; 및 상기 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간을 검출하고, 상기 널 구간에서 재밍신호를 구하여 상기 적응적 필터 알고리즘에 제공하는 단계;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거 장치의 일 예는, 단말 자신의 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호 및 수신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정하는 보정부; 상기 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 상기 보정된 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호만을 추출하는 프로세서부; 상기 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간 및 재밍존재 여부를 검출하는 재밍검출부; 및 상기 널 구간에서 재밍신호를 구하여 상기 적응적 필터 알고리즘에 제공하는 재머신호저장부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 전이중 동채널 위성통신을 제공하여 주파수대역폭 효율 및 전력전송효율 등의 장점을 제공하면서 수신단말 근접 간섭이나 위성을 경유하여 수신되는 각종 재밍신호 및 간섭신호까지 제거하여 실제 재밍환경에서 효과적으로 통신이 가능하고 일반적인 수동중계기를 가지는 위성탑재 중계기를 이용하여도 효과적인 항재밍을 수행할 수 있는 능력을 제공한다. 특히, 군사환경에서 적의 재밍신호가 존재할 때 뛰어난 전이중 동채널 항재밍 위성통신 수단을 제공한다.

또한 여러 지점에서 발생되는 임의의 다중 재밍신호들에 의해 왜곡되어 수신되는 위성수신신호에 대해서도 효과적인 재밍검출 및 제거가 가능하므로 원하는 수신신호를 깨끗하게 추출할 수 있어 효과적인 항재밍 기술을 제공한다.

또한 송수신 동채널을 사용하므로 널 구간의 사용에 의한 오버헤드는 기존기술의 대역폭 효율대비 무시할 만한 수준이 되며 추가적인 항재밍 능력을 가지는 모뎀기술과 함께 사용할 경우 보다 우수한 항재밍 위성통신장치를 구현할 수 있다.

또한 모뎀부로부터 채널추정 및 재밍추정 정보를 받아 추가적인 추정재밍값에 대한 보정이 가능하므로 보다 정밀하고 좀 더 빠르게 시변하는 재밍에 대해서도 효과적인 재밍신호 제거가 가능하다.

또한 모뎀과 연동하여 널 구간의 빈도수를 채널환경 및 수신품질에 따라 적응적으로 가변할 경우, 재밍 추정 빈도가 그에 비례적으로 자동으로 조절되기 때문에 재밍신호를 시변성에 따라 적응적인 재밍추정을 제공하여 보다 효과적인 항재밍선응을 제공할 수 있다. 예를 들어, 모뎀부에서 추정된 프레임 전송 구간 내에서의 재밍신호 검출이 발생될 때 이 정보를 상대단말로 전송하여 모뎀에서의 전송 널 구간을 조정할 수 있어 적응적 동작이 가능하다. 이와 같은 동작은 도 4의 프리앰블 패턴과 같은 기술을 적용할 경우 보다 효과적이다. 즉 다중 널 발생에 대해서 모뎀부에서는 널 추정이 가능하고 일정한 기간의 널 값을 이용하면 상대방 수신기에서는 적응적으로 데이터 복조가 가능하여 통신이 가능하다는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 위성을 통한 전이중 송수신 개념의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거의 개념을 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거장치의 일 예의 구성을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거방법의 동작 예를 도시한 도면, 그리고,
도 5는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거방법의 일 예를 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 위성을 통한 전이중 송수신 개념의 일 예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 지상의 단말들은 서로간에 위성통신을 수행함에 있어, 송수신 채널을 동일하게 사용하고 시간적으로도 동시에 송신과 수신을 함께하는 전이중통신을 수행한다. 또한 재밍이 있는 환경에서 재밍신호가 위성을 경유하여 원하는 신호와 함께 수신되는데 본 발명에서는 각 단말 수신기에서 자신의 송신신호와 함께 섞여 들어오는 각종 재밍신호와 위성을 통하지 않고 수신되는 직접 재밍신호까지도 함께 제거함으로써 신뢰성 있는 전이중 동채널 위성통신을 수행할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거의 개념을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 단말1은 송신신호의 궤환신호(S₁), 단말2가 전송한 신호(S₂), 재밍신호(J₁,J₁',J₂,J₂')를 포함한 수신신호를 수신하면, 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거 장치(200)를 통해 궤환신호(S₁), 재밍신호(J₁,J₁',J₂,J₂')를 제거하여 상대 단말이 전송한 원하는 신호(S₂)만을 추출할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거장치의 일 예의 구성을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 항재밍 간섭제거장치는 보정부(300), 프로세서부(310), 적응적 필터 알고리즘(320), 재머 신호 저장부(330) 및 재밍검출부(340)를 포함한다.

보정부(300)는 수신신호와 분리되고 가장 가까운 안테나측에 송신신호를 궤환한 신호 또는 기저대역 송신신호를 궤환한 신호를 이용하여 송신신호 및 수신신호의 지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정한다.

프로세서부(310)는 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재머신호 저장부(330)에 저장된 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘(adaptive filter algorithm)(320)을 적용하여 수신신호로부터 소정 신호를 추출한다. 즉 프로세서부(310)는 현재 통신 상태가 정상인 경우에 보정된 송신신호에 재밍신호를 더하며 통신 상태가 정상이 아닌 경우에는 재밍신호를 더하지 않는다. 여기서, 적응적 필터 알고리즘(320)으로 다양한 종류의 알고리즘이 적용가능하며, 일 예로, LMS(Least Mean Square) 기반, RLS(Recursive least Square) 기반의 적응적 필터 알고리즘이 있다.

재밍검출부(340)는 프로세서부(310)에 의해 추출된 신호의 전력(power), 신호대간섭비(SIR, Signal to Interference Ratio) 및 진폭(Amplitude) 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널(Null) 구간 및 재밍존재 여부를 파악한다.

재머신호 저장부(330)는 널 구간에서 재밍이 존재하는 것으로 파악되는 경우 적응적 필터 알고리즘(320)으로부터 받은 추정 재밍신호를 누적 저장하고 다시 적응적 필터 알고리즘(320)으로 전송하며, 모뎀으로부터의 통신정상유무 정보나 모뎀부측에서 추정된 채널추정정보와 재밍정보를 추가적으로 이용하여 추정 재밍신호에 대한 보정을 수행한다.

본 발명은 적응적 필터 알고리즘으로 다양한 종류의 알고리즘(각종 LMS(Least Mean Square) 기반, RLS(Recursive least Square) 기반 등)을 사용할 수 있다. 이하 본 발명의 설명의 편의를 위해 LMS 알고리즘에 기반한 간섭제거 알고리즘을 예로 들었으나 본 발명이 LMS 알로리즘 기반 간섭제거알고리즘에 한정되는 것이 아니다.

(1) LMS 알고리즘

. 적응적 필터 초기 계수값, W_n=0

. 샘플 인덱스, n=0,1,2,...

. e(n)은 출력 에러 추정 신호(output error estimation signal)

. d(n)은 원하는 신호(desired signal)

.

은 적응적 필터 계수값 벡터

.

는

의 전치행렬(transpose matrix)

파라미터들: p=필터길이, μ=단계폭(step size)

초기화: w_n=0

계산:

(2) LMS 알고리즘을 이용한 간섭제거 알고리즘

a)

을 T1 단말 송신신호(S_{1 ,n})의 궤환신호에서 주파수옵셋 추정 및 정정을 완료하고 추정된 지연 k를 보정한 Refd^*(n)=S^* _1,n-k 신호로 대치한다.

b) d(n)을 T1 단말이 수신하는 수신신호 Rx(n)으로 대치하면,

c)

은 위성을 경유하여 수신된 T1 송신신호의 추정치 Refd'(n)=S'_{1 ,n-k}가 된다.

d) 결과적으로, e(n)은 E(n)=Rx(n)-Refd^*(n)이 된다.

e) 여기에서, 하기에 언급된 널 구간을 이용한 재밍신호 추정기술이 적용되어 추정된 재밍신호 Ej(n)을

에 누적하여 반영하면,

은

=Refd(n) + Ej(n)이 되어

은 이제 {Refd(n) + Ej(n)}^*= Refd^*(n)+Ej^*(n)가 되고,

e(n)=Ec(n)=Rx(n)-{Refd(n)+Ej(n)}^*=S^* _2,n-k + (Nr-Nr') + (Jr-Jr')가 되어,

최종적으로 상대국 단말에서 전송한 신호 S^* _2,n-k을 추출할 수 있다.

(Nr-Nr')+(Jr-Jr')은 실제로 완벽하게 일치하는 신호를 추정할 수는 없기 때문에 간섭제거 후에 발생하는 잔존 노이즈 성분이다. 이러한 성분은 적용되는 적응적 필터 알고리즘에 따라 달라질 수 있으나 실제로 매우 작은 값으로 최적화될 수 있다.

(3) 전이중 송수신 동채널 재밍 간섭제거 알고리즘에 관한 수식

재밍신호가 설계되는 프레임기간 동안 변하지 않는다고 가정하면, 재밍신호는 Wide-Sense Stationary Process가 된다. 따라서 재밍신호의 기대치는 E[J_1,n]=E[J_1,n-p]를 만족한다. 여기서 p는 프레임구간 길이에 해당한다.

따라서 재밍은 프레임구간 내에서 근사적으로, J_{1 ,n}=J_{1 ,n-p}, J_{2 ,n}=J_{2 ,n-p}, J'_1,n=J'_1,n-p, J'_{2 ,n}=J'_{2 ,n-p}가 된다.

a) T1의 Rx신호

Rx(n)= (S^* _1,n-k + J^* _1,n-k) + (S^* _2,n-k + J^* _2,n-k) + J'_{1 ,n}

b) T1의 Tx 궤환 신호(레퍼런스 신호)

- Ref(n)=S_{1 ,n}

- 지연 K 추정완료하면, Refd(n)=S_{1 ,n-k}

c) 적응적 필터 프로세싱 후

재밍 신호가 프레임기간 내에서 wide-sense stationary process이므로 대략적으로 J_{1 ,n}=J_{1 ,n-p}, J_{2 ,n}=J_{2 ,n-p}, J'_{1 ,n}=J'_{1 ,n-p}, J'_{2 ,n}=J'_{2 ,n-p}를 만족한다.

E(n)=Rx(n)-Refd^*(n)=S^* _2,n-k + (J^* _2,n-k + J^* _1,n-k + J'_{1 ,n}) + Nr=원하는 신호 + 재밍 노이즈 + 잔존신호잡음

d) 재머 추정

일정한 간격으로 널 구간을 두고 전송하는 경우, 신호전력 및 신호전력 변동유무, 신호진폭 특성을 이용하여 특정 문턱레벨이상의 신호 존재시 재밍 혹은 간섭신호로 판별하고 적응적 필터를 통하여 재밍 추정을 시작한다. 이때 추정되는 재밍신호는 추정된 널 구간동안 누적평균화 되면서 저장된다.

Rx_null(n) = (S^* _1,n-k + J^* _1,n-k) + (J^* _2,n-k) + J'_{1 ,n}

Ej(n) = Rx_null(n)-Refd^*(n) = (S^* _1,n-k + J^* _1,n-k + J^* _2,n-k + J'_{1 ,n}) - (S^* _1,n-k) = J^* _1,n-k + J^* _2,n-k + J'_{1 ,n}

추정된 재밍신호를 적응적 필터의 레퍼런스 신호에 더하여 재밍신호를 포함한 자기신호를 제거한다.

Ec(n)=Rx(n)-{Refd(n)+Ej(n)}^*= {S^* _1,n-k + J^* _1,n-k + S^* _2,n-k + J^* _2,n-k + J'_{1 ,n}} - {S^* _1,n-k + (J^* _1,n-k + J^* _2,n-k + J'_{1 ,n})}=S^* _2,n-k + (Nr-Nr')+(Jr-Jr')

최종 출력신호 Ec(n)은 모뎀 수신부로 전송되어 복조된다.

잔존신호잡음 (Nr-Nr')은 적응적 필터 알고리즘의 성능에 따라 좌우되며 잔존재밍잡음(Jr-Jr')은 적응적 필터 알고리즘의 성능과 재밍신호의 시변특성에 따라 좌우된다. 예를 들어, 짧은 프레임 구간 내에서도 재밍신호가 급격히 시변하는 경우라면 Jr이 증가되어 SNR이 떨어지게 되지만 본 발명을 사용하지 않는 방식에 비해 모뎀부의 추가적인 오류정정 등의 수단에 의한 복구 확률을 높일 수 있다. 또한 본 발명의 적응적 기능에 의하여 가변프레임길이(가변 널 구간 삽입) 기술을 적용하면 보다 우수한 항재밍 성능을 제공할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거방법의 동작 예를 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 항재밍 간섭제거방법의 일 예를 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 항재밍 간섭제거장치는 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호 및 수신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정한다(S500). 모뎀을 통해 파악되는 통신상태가 정상인 경우(S510), 항재밍 간섭제거장치는 보정된 송신신호에 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호를 추출한다(S530). 그리고 항재밍 간섭제거장치는 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간을 검출하여 그 널 구간에서의 재밍신호를 구한다(S540). 재밍신호는 모뎀에서 수신신호의 프리앰블을 통해 파악된 채널 추정 및 재밍추정값을 이용하여 보정될 수 있다. 이렇게 구해진 재밍신호를 저장된 후 다시 적응적 필터 알고리즘에 제공되어 재밍신호를 제거하는데 사용된다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정하는 단계;
   상기 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호를 추출하는 단계; 및
   상기 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간을 검출하고, 상기 널 구간에서 재밍신호를 구하여 상기 적응적 필터 알고리즘에 제공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 보정하는 단계는,
   수신신호와 분리되고 가장 가까운 안테나측에 송신신호를 궤환한 신호를 이용하거나 기저대역 송신신호를 궤환한 신호를 이용하여 지연을 추정하고 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 적응적 필터 알고리즘은 LMS(Least Mean Square) 기반 또는 RLS(Recursive least Square) 기반의 적응적 필터 알고리즘인 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 재밍신호를 구하는 단계는,
   모뎀에서 수신신호의 프리앰블을 통해 파악된 채널 추정 및 재밍추정값을 이용하여 재밍신호를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 수신신호는 가변적 널 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 방법.
6. 단말 자신의 송신신호의 궤환신호를 이용하여 송신신호의 전송지연 및 주파수옵셋을 추정하여 보정하는 보정부;
   상기 보정된 송신신호에 통신정상유무에 따라 선택적으로 재밍신호를 더한 신호를 기준신호로 하는 적응적 필터 알고리즘을 적용하여 수신신호로부터 상대방 단말이 송신한 신호만을 추출하는 프로세서부;
   상기 추출된 신호의 전력, 신호대간섭비 및 진폭 중 적어도 하나 이상의 변화에 대해 기 설정된 임계치를 기준으로 널 구간 및 재밍존재 여부를 검출하는 재밍검출부; 및
   상기 널 구간에서 재밍신호를 구하여 상기 적응적 필터 알고리즘에 제공하는 재머신호저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 보정부는
   수신신호와 분리되고 가장 가까운 안테나측에 송신신호를 궤환하여 상기 기준신호로 사용하거나 기저대역 송신신호를 궤환하여 기준신호로 이용하여 지연을 추정하고 보정하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 장치.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 적응적 필터 알고리즘은 LMS(Least Mean Square) 기반 또는 RLS(Recursive least Square) 기반의 적응적 필터 알고리즘인 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 장치.
9. 제 6항에 있어서, 상기 재머신호저장부는,
   모뎀에서 수신신호의 프리앰블을 통해 파악된 채널 추정 및 재밍추정값을 이용하여 재밍신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 장치.
10. 제 6항에 있어서,
    상기 수신신호는 가변적 널 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 항재밍 간섭제거 장치.

Images