KR101289209B1 - 적응 배열 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 간섭신호제거를 위한 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중검출 배열 안테나 시스템에서 간섭신호를 제거하기 위한 다중검출 수신장치 및 방법에 관한 것으로 빔형성 이득과 다중검출 이득을 동시에 제공하는 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 제공하는 기술은 적은 연산량으로도 각 사용자에 대한 빔형성 계수를 추정하며, 빔형성 계수를 추정함에 있어 계산 가능한 빔의 개수에 구애받지 않으며 각 안테나 소자에 연결된 패스(path)마다 개별적으로 간섭전력량을 추정할 필요가 없는 빔형성 과정을 포함한다. 또한, 빔형성 계수를 추정하기 위하여 다중사용자 채널 추정이 아닌 역확산 과정의 결과를 이용하는 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 특정 사용자 신호를 검출하기 위해 해당 사용자의 채널정보, 확산부호정보 등만을 사용하는 단일사용자 검출 방식, 또는 특정 사용자의 신호를 검출하기 위해 해당 사용자뿐만 아니라 셀 내에 존재하는 다른 사용자들의 채널정보와 확산부호 정보 등을 사용하는 다중사용자 검출 방식이 이용되어 왔다.

그러나, 이와 같은 단일사용자 검출 방식은 신호검출을 위한 연산량은 비교적 적게 소요되는 장점은 있지만 다른 사용자 신호의 간섭 등의 영향을 받는 단점이 있으며, 이에 반해 다중사용자 검출 방식은 다른 사용자 신호의 간섭 등을 제거할 수 있기 때문에 검출 성능에 있어서 단일 사용자 검출 방식에 비해 우수하지만 높은 연산량이 요구된다고 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 종래 기술이 갖는 문제점을 개선하기 위한 것으로서, TD-SCDMA를 비롯한 부호분할 방식의 스마트 안테나 시스템을 설계함에 있어서 보다 적은 연산량으로 간섭을 효율적으로 제거해 주는 다중사용자 검출 방식과 그 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

배열 안테나, 간섭신호, 빔형성, 다중검출, 역확산기

Description

적응 배열 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 간섭신호 제거를 위한 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법{Beamforming joint detection apparatus and method for cancelling interference signals in telecommunication system using adaptive array antenna}

도 1은 종래의 빔형성 다중사용자 검출 장치를 나타내는 도면.

도 2는 다중사용자 검출에 의한 채널행렬의 구조를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 장치를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 채널 및 방향벡터 추정기의 제 1 실시예를 나타내는 도면.

도 6은 상기 제 1 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 채널 및 방향벡터 추정기의 제 2 실시예를 나타내는 도면.

도 8은 상기 제 2 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.

도 9는 상기 제 1 및 2 실시예를 자유롭게 전환하는 구성을 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

201-1, 201-N, 301-1, 301-N, 401-1, 401-N, 501-1, 501-N. 안테나 소자

202-1, 202-N, 203-1, 203-N. 채널 및 방향벡터 추정기

204. 채널행렬 생성기 205. 다중사용자 검출기

302-1, 302-N, 402-1, 402-N, 502-1, 502-N. 역확산기

303, 503. 방향벡터 추정기 304, 504. 결합기

305, 403, 505. 제어기 506. 스위칭 수단

본 발명은 배열 안테나 시스템에서 간섭신호를 제거하기 위한 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법에 관한 것으로, 적은 연산량으로도 각 사용자의 빔형성 계수를 추정하며, 빔의 개수에 대한 제약이 없고 각 안테나 패스마다 개별적으로 간섭전력량을 추정할 필요도 없는 빔형성 과정을 포함한다. 또한, 본 발명은 빔형성 계수를 추정하기 위하여 다중사용자 채널 추정 방식이 아닌 역확산 과정의 결과를 이용하는 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법에 관한 것이다.

이동통신 표준화 그룹인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 제정한 WCDMA LCR 표준(TD-SCDMA)을 채택한 시스템에서는 수신성능을 향상시키기 위하여 다중사용자 검출 방식(Joint Detection)을 이용한다. 기존의 이동통신 방식인 cdma2000 1x 또는 WCDMA에서는 단일사용자 검출 방식을 사용했는데, 이러한 단일사용자 검출 방식은 특정 사용자 신호를 검출하기 위해 해당 사용자의 채널정보, 확 산부호정보 등만을 사용하였다. 이와 같은 단일사용자 검출 방식은 신호검출을 위한 연산량은 비교적 적게 소요되는 장점은 있지만 다른 사용자 신호의 간섭 등의 영향을 받는 단점이 있다.

이에 반해 다중사용자 검출 방식은 특정 사용자의 신호를 검출하기 위해 해당 사용자뿐만 아니라 셀 내에 존재하는 다른 사용자들의 채널정보와 확산부호 정보 등을 사용한다. 이와 같이 다른 사용자들의 채널정보, 확산부호 정보 등을 이용하는 경우 다른 사용자 신호의 간섭 등을 제거할 수 있기 때문에 검출 성능에 있어서 단일 사용자 검출 방식에 비해 우수한 성능을 가진다.

이러한 다중 사용자 검출 방식은 특정 사용자 신호 검출을 위해 셀에 존재하는 모든 사용자들의 채널과 부호 정보를 모두 이용하기 때문에 사용자별 채널과 부호정보 등은 행렬로써 표시할 수 있다. 이처럼 사용자별 채널과 부호정보를 집합시킨 행렬을 채널행렬이라 한다.

이와 같은 채널행렬을 수학식으로 표현하면 다음과 같다. 각 사용자가 N개의 데이터 심볼을 송신하고 각 데이터 심볼별 확산지수(Spreading Factor)를 Q라 할 때, 각 사용자로부터는 NQ의 길이를 가지는 데이터 신호가 송신된다. 상기 데이터신호는 채널을 통과하면서 W의 길이를 가진 채널 임펄스 응답의 경우 실제 안테나에서는 총 NQ+W-1의 길이를 가지는 데이터 샘플신호를 수신하게 된다. 이때, 안테나에서 수신하는 데이터 신호의 샘플 e는 다음의 수학식 1과 같이 표현된다. 하기 수학식 1에서, A는 채널행렬을 나타내고, d는 전체 사용자의 송신 데이터 심볼, d k 는 k번째 사용자의 송신 데이터 심볼, n은 잡음 시퀀스이다.

상기와 같은 채널행렬에 대해 자세히 알아보면 다음과 같다. 먼저, k번째 사용자의 데이터 심볼을 위한 확산부호 c _k 와 상기 사용자의 채널의 임펄스 응답 h _k 와의 Convolution을 b _k 라 하면 다음의 수학식 2와 같이 나타내진다.

상기 수학식 2의 b _k 를 이용하여 모든 사용자 K와 데이터 심볼 N에 대한 채널행렬 A를 다음의 수학식 3과 같이 구성할 수 있다. 도 2는 이와 같은 채널 행렬 A에 대한 구조를 나타낸 것이다.

상기 다중사용자 검출 방식은 다중경로 신호에 의한 간섭의 영향과 다른 사 용자 신호에 의한 간섭의 영향을 줄여 수신성능을 향상시키는 기술로서, (a) 수신한 기준신호로부터 다중사용자 채널 추정(Joint Channel Estimation)을 하는 단계와, (b) 상기 채널 추정의 결과를 이용하여 채널행렬을 생성하는 단계와, (c) 상기 생성된 채널행렬과 수신한 신호를 이용하여 다중사용자 검출을 하는 단계로 이루어진다. 상기 기준신호는 일반적으로 파일롯 신호를 의미하며 TD-SCDMA 규격에서는 매 타임슬롯마다 전송하는 미드앰블(Mid-amble)을 의미한다.

이와 같은 다중사용자 검출 방식에 대한 일련의 단계를 수학식으로 표현하면 각각 다음과 같다. 먼저, 상기 k번째 사용자의 채널의 임펄스 응답을 라고 하면 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

또한, 상기 수학식 4에 의해 모든 사용자의 채널 임펄스 응답 행렬 h는 아래의 수학식 5로 표시될 수 있다.

이어, 채널행렬 A를 생성하기 위하여 먼저 수신한 기준신호를 이용하여 상기 h를 추정한다. G _k 가 k번째 사용자의 기준심볼의 확산부호행렬이라 하면 아래의 수 학식 6으로 표시될 수 있다. 이때, G _k 는 기준심볼을 위한 확산부호로 이루어진 L× W 크기를 가진 k번째 사용자의 기준심볼의 확산부호행렬이며, m은 확산부호 샘플들이다.

상기 G _k 를 이용하여 모든 사용자를 위한 기준심볼의 확산부호행렬 G를 나타내면 아래의 수학식 7과 같으며, 또한 G 행렬은 다음과 같이 열벡터들을 이용하여 수학식 8로 나타낼 수 있다. 여기서, g는 각 경로별, 각 사용자별 확산부호 열벡터이다.

다음으로, 수신한 기준신호 u를 상기 확산부호행렬 G와 채널 임펄스 응답행렬 h로 나타내면 아래의 수학식 9와 같다. 여기서, L은 확산부호 길이이다.

그리고, 수신기에서 수신한 상기 기준신호 u로부터 h를 추정하기 위한 다중사용자 채널추정은 다음과 같다. 기준심볼을 위한 확산부호는 호(call)가 이루어지기 전에 미리 정해진 것이므로 수신기에서는 상기 기준심볼을 위한 확산부호를 이미 알고 있는 상태에서 상기 확산부호행렬 G를 이용하여 다중사용자 채널추정을 수행한다. 이와 같은 다중사용자 채널추정의 결과를

라 하면 다음의 수학식 10과 같다.

따라서, 수신기에서는 상기와 같은 방식으로 다중사용자 채널추정의 결과를 이용하여 다중사용자 검출을 위한 채널행렬을 생성하며, 상술한 바와 같이 수신한 데이터신호를 e라 하면 다중사용자 검출은 아래의 수학식 11과 같은 방법을 통해 이루어진다. 여기서, A는 상기 다중사용자 채널추정의 결과를 이용하여 수신기에서 생성한 채널행렬이다.

한편, 스마트안테나 기술은 배열안테나를 이용하여 빔형성 이득을 통해 수신성능을 향상시키는 기술로서 시스템의 성능향상을 위해 적용되어 왔다. 이와같은 스마트안테나 기술은 수신한 기준신호로부터 수신 희망신호를 위한 빔형성(Beamforming) 계수를 추정하고, 상기 빔형성 계수를 이용하여 수신신호를 빔형성함으로써 빔형성 이득을 얻는다. 최근에는 상기 다중사용자 검출 방식을 스마트안테나 시스템에 적용하여 다중사용자 검출 이득과 빔형성 이득을 통해 수신성능을 향상시키기 위한 노력이 진행되고 있다.

상술한 바와 같은 배경기술에 따라 다중사용자 검출 이득과 빔형성 이득을 동시에 얻기 위하여 종래에는 도 1에서와 같은 방법을 사용하였다. 먼저, 각 안테나 소자들(101-1, 101-N)로부터 수신한 기준신호를 이용하여 각각 다중사용자 채널 추정을 한다. 이어, 상기 각 안테나 소자들로부터 얻어진 다중사용자 채널 추정 결과를 이용하여 각 수신 희망신호들에 대한 빔형성 계수를 추정하고, 계산된 빔형성 계수를 이용하여 수신 기준신호들을 빔형성한다. 이와 같이 빔형성된 수신 기준신호들로부터 다시 다중사용자 채널 추정을 수행하여 채널행렬을 생성하며, 또한 상기 추정된 빔형성 계수를 이용하여 수신데이터 신호를 먼저 빔형성하고, 빔형성된 수신 데이터 신호와 채널행렬을 이용하여 다중사용자 검출을 한다.

상기와 같은 종래의 방법은 각 안테나별로 수신 기준신호를 이용하여 다중사용자 채널 추정을 수행하고 그 결과를 이용하여 빔형성 계수를 추정한다. 그리고, 빔형성된 수신 기준신호로부터 채널행렬을 생성하기 위해 다중사용자 채널 추정을 다시 한번 수행한다. 이와 같이 각 안테나별로 다중사용자 채널 추정을 하고 또한 채널행렬 생성을 위해 다중사용자 채널 추정을 수행하는 것은 채널 추정에 있어 다른 사용자 신호의 간섭 영향을 줄이는 이점은 있으나 많은 연산량이 요구되기 때문에 실제 시스템에 적용하기에는 부적절한 방식이다.

이와 같은 종래의 기술로서 대한민국 공개특허공보 제 2005-0111845호의 "배열 안테나 시스템에서 간섭전력 추정을 이용한 빔 형성장치 및 방법"(종래기술 1)과 대한민국 공개특허공보 제 2005-0117436호의 "공간-시간 빔 형성을 위한 간섭전력 측정 장치 및 방법"(종래기술 2)이 있다.

상기 종래기술 1은 배열 안테나 시스템의 빔형성에 있어 보다 적은 연산량으로 빔형성 장치를 구현하는 방법과 장치에 대해 제안하고 있는데, 빔형성을 위하여 계산 가능한 빔의 개수를 결정하고 이 중에서 일부만을 이용하는 방법을 통해 빔형성을 수행한다. 이와 같은 방법은 계산량을 줄이는 목적에는 부합될 수 있으나, 일반적인 무선통신 환경에서는 사용자들의 DOA가 몇 개의 그룹으로 나눠질 수 없는 성질을 갖고 있기 때문에 빔형성 성능은 떨어지게 된다.

한편, 상기 종래기술 2는 상기 종래기술 1에서 제시하는 계산 가능한 빔의 개수를 결정한 상태에서 DOA를 추정하는데 요구되는 간섭전력량을 추정하는 방법과 장치에 대해 제안하고 있다. 그러나, 상기 종래기술 2에 있어서도 계산 가능한 빔의 개수가 한정될 수밖에 없고 또한 간섭전력량 추정을 개별적으로 해야만 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 종래 기술이 갖는 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 확산 방식을 기반으로 하는 시스템의 다중검출 배열 안테나 시스템에 있어서 적은 연산량으로도 각 사용자의 방향벡터를 추정하며, 계산 가능한 빔의 개수에 구애받지 않으며 각 안테나 패스마다 개별적으로 간섭전력량을 추정할 필요가 없는 빔형성 방법을 포함한다. 또한, 빔형성 계수를 추정하기 위하여 다중사용자 채널 추정이 아닌 역확산 과정의 결과를 이용하는 빔형성 다중검출 수신장치 및 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 확산 방식을 사용하는 적응 배열 안테나 시스템에 있어서 각 안테나 소자들로부터 수신한 기준신호들에 대하여 각각의 사용자별로 역확산 과정을 거친 후 상기 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )에 대한 빔형성 계수 벡터를 계산하기 위하여 미리 정한 알고리즘을 적용하여 각 사용자별로 빔형성 계수 벡터( w )를 추정하는 단계(S100)와, 상기 추정된 빔형성 계수 벡터( w )와 상기 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )를 결합( w ^H ·y )하는 단계(S200)와, 수신하고자 하는 사용자들 각각에 대한 상기 결합 결과( w ^H ·y )와 상기 빔형성 계수 벡터( w )를 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 채널행렬(A)을 생성하는 단계(S300)와, 상기 생성된 채널행렬(A)과 매 타임슬롯마다 수신된 데이터신호 벡터( e )를 이용하여 추정하고자 하는 송신신호 벡터( d )를 계산하는 단계(S400)로 이루어지는 빔형성 다중검출 수신 방법을 제공한다.

상기 본 발명에서 설명하는 기술을 위한 채널행렬은 종래의 단일 안테나 시스템에서의 채널행렬과 종래의 배열 안테나 시스템에서의 채널행렬과는 차이가 있다. 단일 안테나 시스템에서의 채널행렬과 도 1에서 설명하는 종래의 배열 안테나 시스템에서 추정하는 채널행렬에는 수신신호의 방향 벡터 성분이 포함되어 있지 않다. 본 발명에서 제안하는 방법과 장치에서 언급하는 상기 채널행렬은 수신신호의 방향벡터 성분을 포함하고 있다.

또한, 일반적으로 수신신호의 방향벡터(Steering Vector)는 수신신호의 도래각(DOA;Direction of Arrival)에 의존하는 벡터로서 빔형성 계수 벡터(Beamforming Weight Vector)로 사용될 수 있다. 따라서, 이후에 후술되는 방향벡터 또는 빔형성 계수 벡터는 동일한 의미를 가진다.

도 3은 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법의 순서를 나타내는 흐름도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법의 상기 단계 S100은 각 안테나 소자들로부터 수신한 기준신호들에 대한 각 사용자별 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )에 대해 빔형성 계수 벡터를 계산하기 위하여 미리 정한 알고리즘을 적용하여 각 사용자별로 빔형성 계수 벡터( w )를 추정하는 단계이고, 상기 단계 S200은 상기 추정된 빔형성 계수 벡터( w )와 상기 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )를 결합( w ^H ·y )하는 단계이다.

또한, 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법의 상기 단계 S300은 수신하고자 하는 사용자들 각각에 대한 상기 결합 결과( w ^H ·y )와 상기 빔형성 계수 벡 터( w )를 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 채널행렬(A)을 생성하는 단계로서, 이는 후술하는 방향성 및 채널 행렬 생성기(DOA & Channel Matrix Generator)에 의해 행해진다. 본 특허에서 방향성(DOA;Direction Of Arrival)이라 함은 신호 수신각도를 포함하는 방향성 벡터(Steering Vector) 또는 방향성에 의존하는 빔형성 계수(Beamforming Weight)를 의미하며, 단지 수신각도만을 의미하지는 않는다. 상기 방향성 벡터는 빔형성을 하는데 필요한 빔형성 계수로 사용될 수 있다. 또한 빔형성(Beamforming)이란 상기 빔형성 계수와 수신신호의 가중치 결합(Weight Combining)을 의미한다.

그리고, 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법의 상기 단계 S400은 상기 생성된 채널행렬(A)과 매 타임슬롯마다 수신된 데이터신호 벡터( e )를 이용하여 추정하고자 하는 송신신호 벡터( d )를 d =( A ^H A ) ^-1 A ^H e 과 같이 계산하여 구함으로써 빔형성 이득과 다중사용자 검출 이득이 동시에 얻어지게 하는 단계로서, 이는 후술하는 다중사용자 검출기(Joint Detector)에 의해 수행된다.

한편, 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 방법은, 확산 방식을 사용하는 적응 배열 안테나 시스템에 있어서 각 안테나 소자들로부터 수신한 기준신호들에 대하여 역확산 과정을 거쳐 상기 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )만을 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 채널행렬(A)을 생성하고 수신된 데이터신호 벡터( e )를 이용하여 추정하고자 하는 송신신호 벡터( d )를 d =( A ^H A ) ^-1 A ^H e 과 같이 계산하는 것을 또다른 특징으로 한다. 이 경우에는, 상기 도 3의 단계 S100에서 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )만을 이용하여 채널행렬(A) 생성 및 송신신호 벡터( d )를 계산하므로 단계 S200 이하는 생략된다.

도 4는 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 장치를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 빔형성 다중사용자 검출 장치는 확산 방식을 사용하는 이동통신 시스템의 적응 배열 안테나로서, 안테나 소자들(201-1, 201-N)로부터 수신한 기준신호들을 사용자별로 각각의 다중경로에 대하여 역확산 과정을 거친 후 빔형성 계수를 추정하고, 상기 추정된 빔형성 계수를 이용하여 안테나 소자의 수신 기준신호를 빔형성한 후 수신하고자 하는 사용자들 각각의 다중경로들에 대한 빔형성 결과와 빔형성 계수를 이용하여 채널을 추정하는 채널 및 방향벡터 추정기들(202-1, 202-N, 203-1, 203-N)과, 상기 추정된 빔형성 계수와 상기 추정된 채널특성을 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 행렬을 생성하는 채널행렬 생성기(204)와, 상기 생성된 행렬을 이용하여 빔형성과 다중사용자 검출을 수행하는 다중사용자 검출기(205)를 포함하여 구성된다.

도 5는 본 발명에 따른 채널 및 방향벡터 추정기(Channel & Steering Vector Estimator)의 제 1 실시예를 나타내는 도면으로서, 설명의 편의상 상기 도 4의 채널 및 방향벡터 추정기(202-1)(빗금친 구성요소) 하나만을 나타낸다. 도시된 것처럼 각 사용자별 다중경로에 대하여 역확산기(Despreader)(302-1, 302-N)의 출력인 기준신호를 이용하여 방향벡터 추정기(Beamforming Weight Estimator)(303)에 의해 각 수신신호의 방향벡터를 추정하고, 결합기(Combiner)(304)에서는 추정된 방향벡터와 역확산된 수신신호를 결합함으로써 채널특성의 추정 정확도를 높여 채널특성 을 추정한다. 이와 같은 제 1 실시예는 음성서비스와 같이 각 사용자의 기준신호와 데이터신호가 주기적 또는 연속적으로 수신될 때 우선적으로 적용 가능한 것이다. 즉, 여러 사용자들의 기준신호들이 섞여서 수신된 신호로부터 각 안테나별로 역확산기(Despreader)(302-1, 302-N)의 역확산 과정을 거쳐 사용자별, 경로별 기준신호를 생성한다.

이렇게 생성된 사용자별, 경로별 기준신호를 이용하여 방향벡터 추정기(303)에서 신호의 방향벡터를 계산한다. 이때 빔형성 계수를 계산하는 방식은 주기적 또는 연속적으로 수신하는 기준신호를 이용하여 최고고유벡터를 이용한 빔형성 알고리즘을 사용할 수 있다. 결합기(304)에서는 상기 계산된 빔형성 계수를 이용하여 기준신호를 빔형성하여 빔형성 이득을 얻는다. 이와 같은 빔형성 이득을 통해 채널특성의 추정 정확도를 높일 수 있다. 제어기(Controller)(305)에서는 신호의 방향을 포함하는 빔형성 계수와 빔형성 이득을 얻는 기준신호를 채널행렬 생성기( Channel Matrix Generator)(204)에 전달한다.

상기와 같은 제 1 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 각 안테나 소자(301-1, 301-N)가 수신한 기준신호는 다음의 수학식 12와 같이 나타내진다.

또한, 상기 도 4의 역확산기(302-1, 302-N)는 수신한 기준신호와 각 사용자별, 각 경로별 확산부호를 이용하여 역확산하는 기능을 하는 것으로서, 그 출력은 다음 수학식 13과 같이 표현된다.

상기 수학식 13과 같은 역확산기(302-1, 302-N)의 출력은 각 사용자별, 각 경로별 채널응답 성분을 가진다. 또한, 상기 채널 응답성분 h는 채널의 특성과 방향벡터 성분을 포함하고 있으므로 방향벡터 추정기(303)는 이를 이용하여 방향벡터를 추정한다.

이러한 역확산기(302-1, 302-N)의 동작은 각 안테나별로 수행하게 되며, 각 안테나에 대한 역확산기의 출력들을 벡터로 표현하면 다음의 수학식 14와 같다. 여기서, M은 안테나의 개수를 나타낸다.

상기 역확산기(302-1, 302-N)의 출력 벡터는 방향벡터 추정기(303)의 입력이 되며, 방향벡터 추정기는 빔형성 알고리즘을 사용하여 사용자별, 경로별로 신호의 방향벡터를 추정하는데 이는 다음의 수학식 15와 같이 표현된다. 하기의 수학식 15에서 LBA(.)는 빔형성 알고리즘의 한 방법인 라그랑제 빔형성 알고리즘(Lagrange Beamforming Algorithm)을 의미한다. 상기 빔형성 알고리즘의 결과를 빔형성 계수( w )라 한다.

상기 빔형성 알고리즘은 매 스냅샷마다 수신되는 역확산기의 출력벡터를 이용하게 되는데, 여기서 스냅샷은 빔형성 알고리즘에 의해 추정결과가 갱신되는 주기를 나타내는 것으로서, 그 주기는 일반적으로 역확산 주기의 정수배이다. 이와 같이 추정된 방향벡터 a는 제어기(305)와 결합기(304)로 보내지고, 결합기에서 이루어지는 채널 추정과정은 다음의 수학식 16과 같이 표현되며, 상기 추정된 채널특성은 제어기로 보내진 후 상기 도 4의 채널행렬 생성기(204)로 전달된다.

도 6은 상기 제 1 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서, 그 환경은 한 경로의 레일레이 분포(Rayleigh distribution) 채널, 6개의 안테나에 대한 가우시안 잡음을 발생시켜 실험을 하였다. 상기 시뮬레이션은 본 발명에서 제시하는 제 1 실시예에 따른 성능과 실제 채널추정 및 방향벡터 추정 결과가 완벽하다고 가정한 성능을 비교하였다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 제 1 실시예에 따른 성능과 채널추정 결과가 완벽하다고 가정한 성능과의 차이는 최대 0.5dB 정도로서 이는 본 발명의 실시예 1에 따른 채널 추정결과에 의해 다중사용자 검출 이득과 빔형성 이득을 얻고 있음을 보여주고 있다.

도 7은 본 발명에 따른 채널 및 방향벡터 추정기(Channel & Steering Vector Estimator)의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다. 본 발명의 제 2 실시예에서는 기준신호를 이용하여 각 사용자별 수신신호의 방향벡터와 채널특성을 포함하는 채널특성을 추정한다. 이 실시예는 멀티미디어 또는 인터넷과 같은 데이터중심의 서비스와 같이 각 사용자의 기준신호와 데이터 신호가 비주기적 또는 불연속적으로 수신될때 우선적으로 적용 가능한 예이다. 여러 사용자들의 기준신호들이 섞여서 수신된 신호로부터 각 안테나 소자별로 역확산기(Despreader)(402-1, 402-n)의 역확산 과정을 거쳐 사용자별, 경로별 기준신호를 생성한다.

이렇게 생성된 사용자별, 경로별 기준신호는 비주기적이고 불연속적이기 때문에 계속적인 갱신을 필요로 하는 최고고유벡터를 이용한 빔형성 알고리즘을 사용하여 방향성을 추정하게 되면 연산량도 많아지며 그 추정 결과는 계속적으로 갱신하는 경우에 비해 정확도가 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에서는 사용자 신호가 비주기적이고 불연속적으로 수신되는 경우에는 독립적인 결합기를 이용하여 신호의 방향성을 추정하지 않는다. 역확산된 기준신호에는 신호의 방향성과 채널특성이 모두 포함되어 있기 때문에 제어기(Controller)(403)는 역확산된 기준신호를 채널행렬 생성기(204)에 전달한다.

상기와 같은 제 2 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 각 안테나가 수신한 기준신호는 다음의 수학식 17과 같이 나타내진다. 여기서 α는 안테나 인덱스를 나타낸다.

또한, 상기 도 7의 역확산기(402-1, 402-N)는 수신한 기준신호와 각 사용자별, 각 경로별 확산부호를 이용하여 역확산하는 기능을 하는 것으로서, 그 출력은 다음 수학식 18과 같이 표현된다. 이와 같은 역확산기의 출력에는 채널 응답 성분이 존재하며, 채널 응답 성분에는 채널의 특성과 방향벡터 특성이 포함되어 있다.

상술한 것처럼 역확산기(402-1, 402-N)의 출력은 상기 수학식 18에서와 같이 신호의 방향과 채널 특성이 모두 포함되어 있다. 상기 역확산기의 출력이 비주기적이거나 불규칙적일 경우에는 매 스냅샷마다 역확산기의 출력을 필요로 하는 방향벡터 추정기를 이용하기 어려워진다. 따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 비주기적이거나 불규칙적인 데이터통신 상황인 경우에는 상기 방향벡터성분을 추정하는 별도의 과정 없이 역확산기(402-1, 402-N)의 출력이 제어기(403)로 보내진 후 상기 도 4의 채널행렬 생성기(204)로 전달된다.

도 8은 상기 제 2 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면으로서, 그 환경은 4-경로의 레일레이 분포 채널, 6개의 안테나에 대한 가우시안 잡음을 발생시켜 실험을 하였다. 상기 시뮬레이션은 비주기적 또는 불규칙적인 데이터통신에 있어서 본 발명이 제시하는 제 2 실시예에 따른 성능과 실제 채널추정 결과가 완벽하다고 가정한 성능을 비교하였다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이 제 2 실시예에 따른 성능과 채널추정 결과가 완벽하다고 가정한 성능과의 차이는 최대 2dB 정도이다. 그러나, 이러한 제 2 실시예의 경우에는 방향벡터 추정에 따른 연산량 등이 요구되지 않기 때문에 비교적 적은 연산량으로 다중사용자 검출 이득과 빔형성 이득을 얻는 시스템을 구현하는데 적합한 것이다.

도 9는 상기 제 1 및 2 실시예를 선택적으로 전환하는 구성을 나타내는 도면이다. 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예는 상기 도 5와 도 7에서 각각 도시되고 상술되었으나 이는 주기적 또는 비주기적 신호에 대한 선택적인 실시 형태를 나타낸 것이고, 실제 시스템의 이들 가운데 어느 하나로만 구현될 수는 없는 것이다. 따라서, 도 9에 도시된 것처럼 소정의 스위칭 수단(506)을 이용하여 자동으로 전환하도록 구성하는 것이 바람직한 것이다.

이와 같은 스위칭 수단(506)은 상기 역확산기와 결합기 사이, 상기 결합기와 제어기 사이의 경로마다 각각 구비됨으로써 상기 역확산기의 출력을 결합기 또는 제어기에 선택적으로 전달할 수 있도록 자동으로 전환하는 것이며, 도 9에 도시된 것처럼 동시에 연동된다. 특히, 상기의 스위칭 수단(506)은 전자적 스위칭 소자 등이 이용될 수 있다.

상기와 같이 본 발명은, 빔형성 계수를 추정하기 위하여 다중사용자 채널 추정이 아닌 역확산 과정의 결과를 이용하는 빔형성 방법으로서, 적은 연산량으로도 사용자의 방향벡터를 추정하며, 빔의 개수에 구애됨이 없으며 각 안테나 패스별로 개별적으로 간섭전력량을 추정할 필요가 없는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 확산 방식을 사용하는 적응 배열 안테나 시스템에 있어서,

   각 안테나 소자들로부터 수신한 기준신호들에 대하여 역확산 과정을 거쳐 상기 역확산 과정의 결과로 얻어지는 신호벡터( y )만을 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 채널행렬(A)을 생성하고 수신된 데이터신호 벡터( e )를 이용하여 추정하고자 하는 송신신호 벡터( d )를 계산하는 것을 특징으로 하는 빔형성 다중검출 수신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 송신신호 벡터( d )는 수학식 d=(A^HA)^-1A^H e 에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 빔형성 다중검출 수신 방법.
3. 확산 방식을 사용하는 적응 배열 안테나 시스템에 있어서,

   안테나 소자들로부터 수신한 기준신호들을 사용자별로 각각의 다중경로에 대하여 역확산 과정을 거친 후 빔형성 계수를 추정하고 상기 추정된 빔형성 계수를 이용하여 안테나 소자의 수신 기준신호를 빔형성한 후 수신하고자 하는 사용자들 각각의 다중경로들에 대한 빔형성 결과와 빔형성 계수를 이용하여 채널을 추정하는 채널 및 방향벡터 추정기;와,

   상기 추정된 빔형성 계수와 상기 추정된 채널특성을 이용하여 다중사용자 검출에 필요한 행렬을 생성하는 채널행렬 생성기;와,

   상기 생성된 행렬을 이용하여 빔형성과 다중사용자 검출을 수행하는 다중사용자 검출기;를 포함하되,

   상기 채널 및 방향벡터 추정기는,

   수신된 신호로부터 각 안테나별, 사용자별 다중경로에 대하여 역확산 과정을 거쳐 사용자별, 경로별 기준신호를 생성하는 역확산기;와

   상기 역확산된 기준신호를 채널행렬 생성기에 전달하는 제어기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 빔형성 다중검출 수신장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 채널 및 방향벡터 추정기는,

   각 사용자의 기준신호와 데이터신호가 비주기적 또는 불연속적으로 수신되는 서비스 가운데 어느 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 빔형성 다중검출 수신장치.
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