KR101300037B1 - 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 ｕｗｂ 수신 방법 - Google Patents

초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 ｕｗｂ 수신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피크(peak) 부분이 뾰족하고, 측면(flank)이 가늘며, 꼬리(tail) 부분이 두꺼운 PDF 분포의 조건을 잘 만족하는 수신신호의 확률분포를 이용한 GGL-KM UWB 수신기를 통해 높은 확률로 원하는 신호를 검출하여 RER 성능을 개선할 수 있는 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법을 제공하기 위한 것으로서, 적어도 하나 이상의 심볼로 구성된 다중사용자 수신신호(
Figure 112012008536380-pat00095
)가 일정한 시간(
Figure 112012008536380-pat00096
) 단위로 입력되면, 검출하고자하는 신호 과, 다중사용자 간섭 신호
Figure 112012008536380-pat00098
과, 평균이 0, 분산이
Figure 112012008536380-pat00099
인 AWGN 잡음성분
Figure 112012008536380-pat00100
으로 구성된 상관기 출력신호(
Figure 112012008536380-pat00101
)를 출력하는 단계와, 상기 상관기 출력신호에서
Figure 112012008536380-pat00102
과
Figure 112012008536380-pat00103
을 결합하여 새로운 랜덤변수
Figure 112012008536380-pat00104
로 정의하고, 파라미터 추정부에서 추정한 파라미터
Figure 112012008536380-pat00105
를 이용하여
Figure 112012008536380-pat00106
분포로 근사할 수 있는 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00107
)를 산출하는 단계와, 상기 산출된 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00108
)를 로그 우도비(
Figure 112012008536380-pat00109
)에 따른 수식
Figure 112012008536380-pat00110
에 적용하여 적어도 하나 이상(
Figure 112012008536380-pat00111
개)의 비선형 함수를 생성하여 출력하는 단계와, 상기 출력되는 하나 이상의 비선형 함수를 누산기를 통해 결합하고, 판정기를 통해 누산기에서 출력되는 신호(
Figure 112012008536380-pat00112
)를
Figure 112012008536380-pat00113
와 같이 판정하여, 누산기의 출력
Figure 112012008536380-pat00114
이 0보다 큰 경우 +1, 작은 경우는 -1로 BPSK 신호
Figure 112012008536380-pat00115
를 검출하는 단계를 포함하는데 있다.

Description

초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 ＵＷＢ 수신 방법{An improved UWB receive method employing generalized Gaussian-Laplacian distribution model at UWB-MUI system}
본 발명은 높은 수용량의 무선 다중 접속을 위한 초광대역(Ultra-Wide Bandwidth : UWB) 기술에 관한 것으로, 특히 다중 접속으로 인한 다중 사용자 간섭(Multi-User Interference : MUI)에서 TH-BPSK(Time Hopping-Binary Phase Shift Keying) UWB 시스템의 성능 저하를 해소할 수 있는 초광대역 다중사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법에 관한 것이다.
초광대역(Ultra-Wide Bandwidth : UWB) 기술은 매우 넓은 주파수 대역을 통해 데이터를 전송하는 기술로서, 근거리에 위치한 디지털 기기들 상호간의 다양한 종류의 데이터 교환을 목적으로 하는 무선 개인 영역 네트워크(Wireless Personal area network : WPAN)에 대한 관심에 힘입어 최근 널리 주목받고 있다.
초광대역 무선 통신 시스템은 상업적으로 이용되는 주파수 대역을 포함하는 넓은 주파수 대역을 사용하기 때문에, 유료 주파수 대역의 신호들에 미치는 간섭을 최소화하기 위해 매우 낮은 전력을 이용하여 신호를 전송하는 대신, 각각의 비트에 해당하는 신호 펄스를 복수 회에 걸쳐 전송함으로써 수신단에서 복수의 신호 펄스를 수신하여 전송된 비트 값을 추정하는 방법을 이용한다.
이와 같은 초광대역 기술은 높은 수용량의 무선 다중 접속을 위한 해결책으로 최근 많은 연구가 이루어지는 분야이다. 그러나 다중 접속으로 인한 다중 사용자 간섭(Multi-User Interference : MUI)은 TH-BPSK(Time Hopping-Binary Phase Shift Keying) UWB 시스템의 성능을 저하시킴에 따라, 이를 해결하기 위한 수신기 개발은 중요한 연구 과제라 할 수 있다.
그 중 가우시언 PDF(Probability Density Function)에 기반한 기존의 정합필터(Conventional Matched Filter : CMF) 수신기는 UWB 시스템의 다중 사용자 간섭의 확률분포를 잘못 근사하는 문제점을 나타내며, 다중 사용자 환경의 임펄스한(impulsive) 특징을 잘 근사하는 라플라스(laplace) 확률 분포에 기반한 SL(Soft-Limiting) 수신기는 큰 잡음이 동시에 존재하는 채널 환경에서는 비트오율(Bit Error Rate : BER) 성능이 크게 저하되는 문제점이 나타난다. 한편 GGL(Generalized Gaussian Laplacian) 분포를 이용한 GGL UWB 수신기는 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)가 높은 환경에서 PDF의 피크와 측면 부분을 잘못 근사하여 BER 성능 개선 정도가 미비하다는 문제점이 있다.
이처럼, 다중 사용자 간섭과 잡음이 동시에 존재하는 UWB 시스템에서 간섭의 영향은 BER 성능을 크게 저하시킴에 따라, 다중 접속으로 인한 다중 사용자 간섭(Multi-User Interference : MUI)은 TH-BPSK(Time Hopping-Binary Phase Shift Keying) UWB 시스템의 성능을 저하시키게 되는 문제점이 나타나게 된다. 따라서 이를 해결하기 위한 초광대역(Ultra-Wide Bandwidth : UWB)을 기반으로 하는 수신기 개발은 높은 수용량의 무선 다중 접속을 위한 해결책으로 최근 많은 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 피크(peak) 부분이 뾰족하고, 측면(flank)이 가늘며, 꼬리(tail) 부분이 두꺼운 PDF 분포의 조건을 잘 만족하는 수신신호의 확률분포를 이용한 GGL-KM UWB 수신기를 통해 높은 확률로 원하는 신호를 검출하여 RER 성능을 개선할 수 있는 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법의 특징은 적어도 하나 이상의 심볼로 구성된 다중사용자 수신신호(
Figure 112012008536380-pat00001
)가 일정한 시간(
Figure 112012008536380-pat00002
) 단위로 입력되면, 검출하고자하는 신호
Figure 112012008536380-pat00003
과, 다중사용자 간섭 신호
Figure 112012008536380-pat00004
과, 평균이 0, 분산이
Figure 112012008536380-pat00005
인 AWGN 잡음성분
Figure 112012008536380-pat00006
으로 구성된 상관기 출력신호(
Figure 112012008536380-pat00007
)를 출력하는 단계와, 상기 상관기 출력신호에서
Figure 112012008536380-pat00008
과
Figure 112012008536380-pat00009
을 결합하여 새로운 랜덤변수
Figure 112012008536380-pat00010
로 정의하고, 파라미터 추정부에서 추정한 파라미터
Figure 112012008536380-pat00011
를 이용하여
Figure 112012008536380-pat00012
분포로 근사할 수 있는 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00013
)를 산출하는 단계와, 상기 산출된 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00014
)를 로그 우도비(
Figure 112012008536380-pat00015
)에 따른 수식
Figure 112012008536380-pat00016
에 적용하여 적어도 하나 이상(
Figure 112012008536380-pat00017
개)의 비선형 함수를 생성하여 출력하는 단계와, 상기 출력되는 하나 이상의 비선형 함수를 누산기를 통해 결합하고, 판정기를 통해 누산기에서 출력되는 신호(
Figure 112012008536380-pat00018
)를
Figure 112012008536380-pat00019
와 같이 판정하여, 누산기의 출력
Figure 112012008536380-pat00020
이 0보다 큰 경우 +1, 작은 경우는 -1로 BPSK 신호
Figure 112012008536380-pat00021
를 검출하는 단계를 포함하는데 있다.
바람직하게 상기 파라미터 추정부에서 추정한 파라미터
Figure 112012008536380-pat00022
는 훈련신호를 이용하여 모멘트(moment) 추정법으로 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00023
)는 피크가 뾰족하고, 측면이 가늘며, 길고 두터운 꼬리형태의 분포를 가지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법은 개선된 변수
Figure 112012008536380-pat00024
를 이용하여 구성한 GGL-KM UWB 수신기를 통해 다중 사용자 간섭과 잡음이 존재하는 환경에서 매우 뛰어난 BER 성능을 보여주며, 차세대 무선통신 기술인 MIMO 시스템과 결합할 경우 다중 접속 시스템에서 발생하는 성능 저하 문제와 전송률을 크게 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신기의 구조를 나타낸 구성도
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 다중 사용자 시스템에서 일반화된 가우시언 라플라시안 분포 모델에 기반한 향상된 UWB 수신기의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 1과 같이, UWB 수신기는 파라미터 추정부(10)와, 상관기(20)와, 비선형 함수 모듈(30)과, 누산기(40)와, 판정기(50)로 구성되어 있으며, 본 명세서에서는 GGL-KM UWB 수신기라고 칭한다.
그리고 이렇게 구성된 GGL-KM UWB 수신기의 수신 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저,
Figure 112012008536380-pat00025
개의 심볼로 구성된 다중사용자 수신신호
Figure 112012008536380-pat00026
는
Figure 112012008536380-pat00027
시간 단위로 상관기(20)에 입력되면, 상관기 출력신호(
Figure 112012008536380-pat00028
)를 출력한다. 이때, 상관기 출력신호(
Figure 112012008536380-pat00029
)는 m 번째 상관기(20)의 출력
Figure 112012008536380-pat00030
은 검출하고자하는 신호
Figure 112012008536380-pat00031
과, 다중사용자 간섭 신호
Figure 112012008536380-pat00032
과, 평균이 0, 분산이
Figure 112012008536380-pat00033
인 AWGN 잡음성분 으로 구성된다.
그리고 비선형 함수 모듈(30)은 상기 상관기(20)에서 출력되는 상관기 출력신호(
Figure 112012008536380-pat00034
)에서
Figure 112012008536380-pat00035
과
Figure 112012008536380-pat00036
을 결합하여 새로운 랜덤변수
Figure 112012008536380-pat00037
로 정의하고, 이것을 파라미터 추정부(10)에서 추정한 파라미터
Figure 112012008536380-pat00038
를 이용하여
Figure 112012008536380-pat00039
분포로 근사할 수 있다. 그리고 이렇게 근사된 분포를 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00040
)라 부른다.
이처럼, 상기 GGL-KM 확률 분포는
Figure 112012008536380-pat00041
로 정의 되며, 상기 GGL-KM 확률 분포를 산출하기 위해 파라미터 추정부(10)에서 추정한 5가지 변수
Figure 112012008536380-pat00042
는 훈련신호를 이용하여 모멘트(moment) 추정법으로 구한다. 또한
Figure 112012008536380-pat00043
은 확률분포의 평균값, 분산값을 의미하고,
Figure 112012008536380-pat00044
는 꼬리 부분의 상태를 결정하며, 여기서
Figure 112012008536380-pat00045
는 확률분포의 임펄스(impulsive)한 정도와 꼬리의 두께를 조절하는 값으로, PDF 특성을 개선시키기 위해서 실제 첨도값(
Figure 112012008536380-pat00046
)을 GGL 분포 첨도값(
Figure 112012008536380-pat00047
)에 대입하여 개선된 첨도값
Figure 112012008536380-pat00048
을 얻을 수 있다. 이때,
Figure 112012008536380-pat00049
는 기대치를 나타낸다.
상기 개선된 첨도값
Figure 112012008536380-pat00050
은 훈련 신호를 통해 추정된 변수
Figure 112012008536380-pat00051
를 사용하여, 다음 수학식 1과 같은 나타낼 수 있다.
Figure 112012008536380-pat00052
여기서 실제 첨도값을 대입하여 얻은
Figure 112012008536380-pat00053
값으로 근사시킨 GGL-KM 확률 분포는 피크가 뾰족하고, 측면이 가늘며, 길고 두터운 꼬리형태의 분포를 가진다. 이 분포는 다중사용자 간섭과 잡음이 존재하는 실제 시뮬레이션의 확률 분포와 매우 흡사하며, 상기 GGL-KM PDF를 이용한 GGL-KM UWB 수신기는 기존의 CMF, SL, GGL 수신기보다 신호 검출 성능이 뛰어나게 된다.
이에 따라, 상기 비선형 함수 모듈(30)은 추정된 파라미터로 얻은 GGL-KM 확률 분포(
Figure 112012008536380-pat00054
)를 이용하여 효과적으로
Figure 112012008536380-pat00055
개의 비선형 함수의 출력을 얻을 수 있게 된다. 상기 비선형 함수의 출력에 따른 신호검출은 로그 우도비(
Figure 112012008536380-pat00056
),
Figure 112012008536380-pat00057
를 사용하여
Figure 112012008536380-pat00058
개의 비선형 함수의 출력을 얻는다.
이어 상기 비선형 함수 모듈(30)에서 출력되는
Figure 112012008536380-pat00059
개의 비선형 함수 중 각
Figure 112012008536380-pat00060
번째 비선형 함수의 출력은 누산기(40)에서 결합되고, 판정기(50)를 통해
Figure 112012008536380-pat00061
와 같이 판정된다. 즉, 누산기(40)의 출력
Figure 112012008536380-pat00062
이 0보다 큰 경우 +1, 작은 경우는 -1로 BPSK 신호
Figure 112012008536380-pat00063
를 검출한다. 여기서
Figure 112012008536380-pat00064
이다.
이처럼 다중 접속으로 인해 발생하는 다중 사용자 간섭과 잡음의 영향을 낮추는 연구는 무선 이종통신 분야에서 필수 과제라 할 수 있다. 따라서 본 발명과 같이 다중 접속 간섭을 사용자별 정보 추정 과정 없이 확률 분포로 간단하게 근사하여 수신기를 개발함에 따라, 이는 UWB-MIMO, UWB-OFDM 등과 같은 차세대 무선통신 시스템에 적용할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 파라미터 추정부(10)와, 상관기(20)와, 비선형 함수 모듈(30)과, 누산기(40)와, 판정기(50)로 구성되는 UWB 수신기를 이용한 UWB 수신방법에 있어서,
    상기 상관기를 통해 적어도 하나 이상의 심볼로 구성된 다중사용자 수신신호(
    Figure 112013026505916-pat00065
    )가 일정한 시간(
    Figure 112013026505916-pat00066
    ) 단위로 입력되면, 검출하고자하는 신호
    Figure 112013026505916-pat00067
    과, 다중사용자 간섭 신호
    Figure 112013026505916-pat00068
    과, 평균이 0, 분산이
    Figure 112013026505916-pat00069
    인 AWGN 잡음성분
    Figure 112013026505916-pat00070
    으로 구성된 상관기 출력신호(
    Figure 112013026505916-pat00071
    )를 출력하는 단계와,
    상기 비선형 함수모듈을 통해 상기 상관기 출력신호에서
    Figure 112013026505916-pat00072
    과
    Figure 112013026505916-pat00073
    을 결합하여 새로운 랜덤변수
    Figure 112013026505916-pat00074
    로 정의하고, 상기 파라미터 추정부에서 추정한 파라미터
    Figure 112013026505916-pat00075
    를 이용하여
    Figure 112013026505916-pat00076
    분포로 근사할 수 있는 GGL-KM 확률 분포(
    Figure 112013026505916-pat00077
    )를 산출하는 단계와,
    상기 비선형 함수모듈을 통해 상기 산출된 GGL-KM 확률 분포(
    Figure 112013026505916-pat00078
    )를 로그 우도비(
    Figure 112013026505916-pat00079
    )에 따른 수식
    Figure 112013026505916-pat00080
    에 적용하여 적어도 하나 이상(
    Figure 112013026505916-pat00081
    개)의 비선형 함수를 생성하여 출력하는 단계와,
    상기 출력되는 하나 이상의 비선형 함수를 상기 누산기를 통해 결합하고, 상기 판정기를 통해 누산기에서 출력되는 신호(
    Figure 112013026505916-pat00082
    )를
    Figure 112013026505916-pat00083
    와 같이 판정하여, 누산기의 출력
    Figure 112013026505916-pat00084
    이 0보다 큰 경우 +1, 작은 경우는 -1로 BPSK 신호
    Figure 112013026505916-pat00085
    를 검출하는 단계를 포함하며,
    이때, 상기
    Figure 112013026505916-pat00086
    은 확률분포의 평균값, 분산값을 의미하고, 상기
    Figure 112013026505916-pat00087
    는 꼬리 부분의 상태를 결정하며,
    Figure 112013026505916-pat00088
    는 확률분포의 임펄스(impulsive)한 정도와 꼬리의 두께를 조절하는 값으로, 상기
    Figure 112013026505916-pat00089
    는 실제 첨도값(
    Figure 112013026505916-pat00090
    )을 GGL 분포 첨도값(
    Figure 112013026505916-pat00091
    )에 대입하여 산출된 개선된 첨도값을 의미하고, 상기
    Figure 112013026505916-pat00092
    는 기대치를 나타내고, 상기
    Figure 112013026505916-pat00093
    인 것을 특징으로 하는 UWB 수신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 GGL-KM 확률 분포(
    Figure 112012008536380-pat00094
    )는 피크가 뾰족하고, 측면이 가늘며, 길고 두터운 꼬리형태의 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 UWB 수신 방법.
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