KR101406349B1

KR101406349B1 - 다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 ＤｏＡ 추정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101406349B1
Application number: KR1020120113701A
Authority: KR
Inventors: 조용수
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2012-10-12
Publication date: 2014-06-13
Also published as: KR20140048417A

Abstract

본 발명은 다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 DoA 추정 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 복수의 안테나 소자 각각에서 수신된 신호에 미리 설정된 시간 지연을 반복 적용하여 위상을 회전시키는 위상 회전부; 상기 위상이 회전된 신호와 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터의 값을 계산하는 상관 계산부; 상기 복수의 안테나 소자 각각에 대해 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 공간 상관 행렬 저장부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 셀 아이디 탐색부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 공간 스펙트럼 계산부; 및 상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 DoA 추정부를 포함하는 릴레이 장치가 제공된다.

Description

다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 ＤｏＡ 추정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF ESTIMATING CELL ID AND DoA IN MULTI PATH ENVIRONMENT}

본 발명은 다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 DoA 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 OFDM 통신 기반 시스템에서 셀 경계의 다중 경로 환경에 위치한 릴레이가 셀 탐색 및 DoA를 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

빔포밍의 방안으로 DoA 추정 방법을 사용하는 경우, MUSIC(Mutiple signal classification) 알고리즘은 상관을 갖지 않는 신호 환경에서 잘 동작하는 것으로 알려져 있다.

그러나 다중 경로 환경에서와 같이 수신 신호 간에 강한 상관이 존재하는 경우에는 알고리즘의 핵심 요소인 공분산 행렬의 풀 랭크를 보장할 수 없어 제한적인 성능을 가진다.

이러한 MUSIC의 약점을 보강하며 상관을 가진 다중 신호들의 DoA(Direction of Arrival) 추정을 위하여 공간 스무싱 (Spatial Smoothing) 알고리즘이 제안되었다.

공간 스무싱 알고리즘은 MUSIC 알고리즘이 상관성이 있는 신호들이 존재하는 환경에서 취약함을 보강하기 위하여 고안된 알고리즘이다. 이 알고리즘은 전체 안테나 그룹을 몇 개의 부 그룹으로 나누어 그 부 그룹들의 공분산 행렬의 평균을 구함으로 신호들의 상관성에 관계없이 DoA의 추정을 가능하게 한다.

D개의 신호가 M-소자 어레이 안테나에 입사할 경우 크기

인 k 번째 순방향 서브어레이 신호

는 다음과 같이 모델화할 수 있다.

여기서

는 신호 벡터이고

는 k번째 서브어레이에 해당하는 잡음 벡터이며,

는 j 번째 신호에 해당하는 서브어레이 방향 벡터이다.

는 대각선 행렬 F의 k번째 멱(power)을 나타내며

(

는 반송파의 파장)이다. 공간 스무싱 알고리즘의 핵심인 서브어레이 공분산 행렬의 평균은 다음과 같이 주어진다.

위 식에서

은 서브어레이의 수이며 H는 헤르미트 행렬을 나타낸다. 신호들의 수정된 공분산 행렬

는 아래와 같이 표현된다.

여기서

는 원 신호들의 공분산 행렬이다.

인 경우, 즉 서브어레이의 수가 신호들의 수보다 클 경우

는 신호들의 상관성에 관계없이 비특이(nonsingular) 행렬이 된다.

공간 스무싱 알고리즘으로는 상관 비상관 관계없이 최대

개의 신호의 방향을 추정할 수 있다. 그러나, 순방향 서브어레이와 공액 역방향 서브어레이를 동시에 사용하면 최고

개의 방향 추정이 가능하다.

공간 스무싱 알고리즘은 서로 상관된 신호들이 존재하는 경우 모든 다중 경로를 효과적으로 추정할 수 있다. 그러나 셀 경계에 위치한 이동 릴레이와 같이 여러 기지국에서의 다중 경로를 통한 신호가 존재할 경우에 각 신호가 속한 기지국을 분별할 수는 없다.

따라서 셀 경계에 위치한 이동 릴레이와 같이 DoA 추정과 더불어 셀 ID를 검색해야 하는 경우에는 DoA 추정 후에 셀 ID 탐색을 위한 별도의 과정을 거쳐야 한다. 또한 모의시험 결과에서 볼 수 있듯이 원하는 빔 패턴 형성에 어려움이 있어 결과적으로 열악한 BER(Bit Error Rate) 성능을 나타낸다.

이런 점을 개선하기 위하여 조인트 방법(Joint method)이 제안되었다.

조인트 방법은 셀 ID 탐색 및 DoA 추정을 동시에 수행하는 방식으로 소요되는 계산량 및 계산 속도 측면에서 향상됨을 보여주었다. 일반적으로 기지국으로 부터의 거리 차이와 동기 타이밍의 차이로 인하여 STO(Sample Timing Offset)가 발생하며, 서로 다른 이동 릴레이의 이동 방향 및 속도와 오실레이터의 주파수 차이로 인하여 CFO(Carrier Frequency Offset)가 발생할 수 있다.

그러나 조인트 방법 적용 시에는 STO가 존재하지 않는다고 가정하였는데, 그 이유는 STO가 존재할 경우에는 셀 ID 탐색이 어렵기 때문이다. 조인트 방법은 DoA와 함께 셀 ID를 동시 탐색을 가능하게 한다. 그러나 각 셀의 첫 번째 경로만을 탐색할 수 있다. 즉, 이 방법으로는 모든 다중 경로의 탐색이 불가능함을 보여준다. 아래에 간단하게 조인트 방법의 내용을 기술한다.

이 방법은 먼저 아래와 같이 수신 신호와 가능한 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터를 구성한다.

위에서

는 l-th 안테나 k-th 부반송파의 수신 신호를 나타내며

는 각각 기지국의 수, 수신 안테나의 수, 프리앰블의 수를 나타낸다. 는 u-th 기지국에서 사용하는 셀 ID의 프리앰블 시퀀스를 나타내고,

는 l-th 안테나 k-th 부반송파의 주파수 채널 응답과 AWGN (Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다. 또한

는 u-th 기지국에서 i-th 안테나에 입사각

인 신호의 방향 벡터를 표시한다. 공분산 행렬은 아래와 같이 주어진다.

마지막으로 셀 ID C와 입사각

는 아래 식으로부터 구해진다.

도 1은 상기한 조인트 과정을 표시하는 블록도이다.

그러나, 조인트 방법은 종래의 MUSIC 알고리즘이나 공간 스무딩 알고리즘을 이용하는 것보다 계산량 및 계산 속도 측면이 향상되기는 하나, 하나의 기지국으로부터 하나의 경로에 대한 DoA 추정만이 가능하기 때문에 다중 경로 환경에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, DoA 추정 후에 셀 ID 검색이 한 번에 이루어질 수 있으며 계산 속도를 높일 수 있는 다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 DoA 추정 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 셀 경계에서 복수의 안테나 소자를 이용하여 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하는 릴레이 장치로서, 상기 복수의 안테나 소자 각각에서 수신된 신호에 미리 설정된 시간 지연을 반복 적용하여 위상을 회전시키는 위상 회전부; 상기 위상이 회전된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터의 값을 계산하는 상관 계산부; 상기 복수의 안테나 소자 각각에 대해 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 공간 상관 행렬 저장부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 셀 아이디 탐색부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 공간 스펙트럼 계산부; 및 상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 DoA 추정부를 포함하는 릴레이 장치가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 셀 경계에서 복수의 안테나 소자를 이용하여 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하는 릴레이 장치로서, 서로 인접한 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스의 이중 차등 상관을 취하여 상관 벡터의 값을 계산하는 상관 계산부; 상기 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 공간 상관 행렬 저장부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 셀 아이디 탐색부; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 공간 스펙트럼 계산부; 및 상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 DoA 추정부를 포함하는 릴레이 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 셀 경계에 위치한 릴레이 장치에서 셀 아이디 및 DoA를 동시에 추정하는 방법으로서, 복수의 안테나 소자 각각에서 수신된 신호에 미리 설정된 시간 지연을 반복 적용하여 위상을 회전시키는 단계; 상기 위상이 회전된 신호와 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터의 값을 계산하는 단계; 상기 복수의 안테나 소자 각각에 대해 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 단계; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 단계; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 단계; 및 상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 단계를 포함하는 셀 아이디 및 DoA 추정 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 복수의 안테나 소자를 포함하며 셀 경계에 위치한 릴레이 장치에서 셀 아이디 및 DoA를 동시에 추정하는 방법으로서, 서로 인접한 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스의 이중 차등 상관을 취하여 상관 벡터의 값을 계산하는 단계; 상기 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 단계; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 단계; 상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 단계; 및 상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 단계를 포함하는 셀 아이디 및 DoA 추정 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 다중 경로 환경에서 셀 아이디 및 DoA 추정이 동시에 이루어질 수 있다.

도 1은 상기한 조인트 과정을 표시하는 블록도.
도 2는 세 개의 셀 경계에 위치한 이동 릴레이를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 아이디 및 DoA 추정을 위한 릴레이 장치의 블록도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 아이디 및 DoA 추정을 위한 릴레이 장치의 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 방법과 조인트 방법의 셀 탐색 확률을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 제1 실시예 및 제2 실시예의 방법과 조인트 방법 및 공간 스무싱 방법을 적용한 경우의 DoA 추정 성능을 비교한 도면.
도 7은 공간 스무딩 방법, 조인트 방법 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법을 적용하였을 때의 빔 형태를 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.

본 발명은 다중 경로 환경에서 셀 탐색과 DoA 추정 방법에 관한 것으로서, 바람직하게는 셀 경계에 위치한 중계기(Relay)에서 빔 포밍을 위해 셀 탐색과 DoA 추정을 수행하는 방법에 관한 것이다.

바람직하게, 본 발명에 따른 릴레이는 셀 경계에 위치한 이동 릴레이일 수 있으며, 이하에서는 이동 릴레이를 중심으로 본 발명의 셀 탐색 및 DoA 추정 과정을 설명할 것이다. 그러나 이에 한정됨이 없이 고정 릴레이도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.

도 2는 세 개의 셀 경계에 위치한 이동 릴레이를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 각 기지국(200-1 내지 200-3)으로부터 거리 차이와 동기 타이밍의 차이로 인해 STO가 발생하며, 서로 다른 이동 릴레이의 이동 방향, 속도와 오실레이터의 주파수 차이로 인하여 CFO가 발생할 수 있다.

다중 경로 페이딩에 의하여 이동 릴레이(202)에 수신되는 신호는 서로 다른 시간 지연과 수신 방향을 가진 다수 개의 신호로 구성된다.

본 발명에 따른 이동 릴레이(202)는 복수의 안테나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 복수의 안테나 소자가 선형적으로 배열된 선형 어레이 안테나를 포함할 수 있다.

이때, 도 2와 같은 시스템에서 이동 릴레이(202)의 선형 어레이로 수신되는 신호는 STO와 CFO를 고려하여 다음과 같이 표현된다.

또한

와

는 이동 릴레이의 안테나 수, 간섭 기지국의 수, 다중 경로의 수, 프리앰블의 수와

-th 기지국의 셀 ID를 나타낸다.

는

-th 기지국에서 사용하는 셀 ID의 프리앰블 시퀀스의

-th 부반송파를 나타낸다.

는

-th 기지국의 수신 신호 및

-th 안테나에서의 AWGN을 나타낸다. 또한

는 각각 채널 이득과 입사각

인

-th 다중 경로의 어레이 방향값을 나타낸다.

는 모든 다중 경로의 DoA 정보를 고려하여 확장된 전달 함수이며,

는 안테나 간격, 반송파 파장과 전치행렬을 표시한다.

은 진폭 감쇄, 위상 변이와

-th 기지국의

-th 다중 경로의 정규화된 CFO를 표시한다.

는 STO

에 의한 위상 회전과

-th 셀의

-th 안테나에서의

-th 반송파에 의한 간섭을 표시한다.

다중 경로의 DoA 및 각 다중 경로에 해당하는 셀 ID를 동시에 추정하기 위하여 아래와 같은 두 종류의 방법을 제안한다.

<제1 실시예>

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 아이디 및 DoA 추정을 위한 릴레이 장치의 블록도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 릴레이 장치는 복수의 안테나 소자(300), FFT 연산부(302), 위상 회전부(304), 상관 계산부(306), 프리앰블 레지스터(308), 공간 상관 행렬 저장부(310), 셀 아이디 탐색부(312), 임계치 비교부(314), 공간 스펙트럼 계산부(316) 및 DoA 추정부(318)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 릴레이 장치는 셀 경계에서 복수의 안테나 소자(300)를 통해 복수의 기지국으로부터 신호를 수신한다.

수신된 신호는 FFT 연산부(302)에 의해 주파수 도메인으로 변환되며, 위상 회전부(304)에 의해 위상이 회전된다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 위상 회전부(304)에는 미리 설정된 시간 지연이 반복 적용되어 수신 신호의 위상을 회전시킨다.

보다 상세하게, 위상 회전부(304)는 최대 시간 span 범위 내에서 시간 스텝을 미리 설정된 값만큼 변화시켜 수신 신호의 위상을 회전시킨다.

상관 계산부(306)는 위상 회전된 신호와 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터 값을 계산한다.

여기서, 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스는 프리앰블 레지스터(308)에 미리 저장되어 있다.

공간 상관 행렬 저장부(310)는 상기와 같이 계산된 상관 벡터 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 구성하고 이를 저장한다.

셀 아이디 탐색부(312)는 저장된 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국, 즉 릴레이 장치가 통신할 수 있는 기지국의 셀 아이디를 탐색한다.

한편, 임계치 비교부(314)는 공간 상관 행렬에 포함된 열 벡터의 평균이 미리 설정된 임계치보다 크거나 같은 열 벡터를 선택한다.

공간 스펙트럼 계산부(316)는 상기와 같이 선택된 열 벡터에 의해 공간 스펙트럼이 계산하며, DoA 추정부(318)는 공간 스펙트럼을 이용하여 셀 아이디 탐색부(312)에 의해 탐색된 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA를 추정한다.

하기에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 셀 아이디 탐색 및 DoA 추정을 위한 수식을 상세하게 살펴본다.

먼저 제1 실시예에서는 수학식 8을 이용하여 셀 ID

에 해당하는 다음의 상관 벡터를 정의한다.

표기의 편의를 위하여 위 식에서

의

는 생략되었다.

는 최대 시간 span을 나타내며 채널의 최대 지연 시간 (M)과 최대 STO (최대

)의 합으로 주어진다. IEEE 802.16e 표준 (모바일 WiMAX)에 의하면 셀 ID가

인

-th 기지국에서 송신된 프리앰블은 아래와 같은 반복 형태를 가진다.

위에서

는 시간 축에서의 프리앰블 시퀀스의 반복 횟수를 나타낸다. 또,

는

-th 기지국의 셀 ID에 해당하는 프리앰블 시퀀스를 나타내며 주파수 축에서

의 배수에 해당하는 곳만 0이 아닌 값을 가지는 특징을 가진다. 프리앰블의 파워는 1로 정규화되었다. 이 특성을 고려하면 [수학식 11]는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서

는

-th 시간 지연 후

-th 안테나에서 수신된 간섭과 잡음의 합을 나타내며, 셀 ID

에 의해 발생되는 간섭과 잡음

의 합으로 이루어진다. 기지국간 간섭에 해당하는 항은 프리앰블의 유사 직교성(quasi-orhtogonal)으로 인해 무시될 수 있다. [수학식 14]로부터 상관 벡터의 값은 셀 ID가

이고

의 값이

일 경우에만 0이 아니다. 다음에는 아래와 같은

상관 행렬을 정의한다. 여기서

(

)는 임의의 값이다.

위의 행렬로부터 타겟 기지국의 셀 ID는 다음과 같이 얻어진다.

제1 실시예에 의해 정의된 공간 상관 행렬은 수학식 16으로부터 아래와 같이 표현된다.

위 식에서

의

는 표기의 편의를 위해 생략되었다.

는 [수학식 15]의 열 벡터로 구성된 실효 공간 상관 행렬이다. 열 벡터는 다음과 같은 조건을 만족할 경우, 즉 평균이 임계치보다 크거나 같을 때에 선택된다.

셀 ID

의 공간 상관 행렬에 대응되는 공간 스펙트럼은 다음과 같이 주어진다.

위에서

이며 열 벡터인

은 [수학식 18]의 공간 상관 행렬의 고유 벡터이다. 또한,

는 L 안테나 소자의 방향 벡터를 표시한다. [수학식 19]의 최대값들에 대응하는 방향을 찾음으로써 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로들의 DoA를 추정할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기와 같이, 타겟 기지국의 다중 경로의 DoA 추정 후, 간섭 기지국으로부터의 다중 경로 성분(간섭 성분)의 DoA는 단계적으로 추정할 수 있다. 먼저 간섭 기지국의 셀 ID는 수학식 17에서 얻어진 기지국 셀 ID 로부터 추정할 수 있다 (타겟 기지국은 제외). 다음은 얻어진 기지국의 ID를 바탕으로 공분산 행렬을 구성하고 마지막으로 수학식 19의 공간 스펙트럼으로부터 각 최대값들에 해당하는 DoA를 추정한다. 같은 과정을 나머지 간섭 기지국에 적용함으로 모든 간섭 기지국의 DoA를 추정할 수 있다.

<제2 실시예>

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 아이디 및 DoA 추정을 위한 릴레이 장치의 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 릴레이 장치는 복수의 안테나 소자(400), FFT 연산부(402), 상관 계산부(404), 프리앰블 레지스터(406), 공간 상관 행렬 저장부(408), 셀 아이디 탐색부(410), 공간 스펙트럼 계산부(412) 및 DoA 추정부(414)를 포함할 수 있다.

셀 경계에 위치한 릴레이 장치는 복수의 안테나 소자(400)를 통해 복수의 기지국으로부터 신호를 수신한다.

수신된 신호는 FFT 연산부(302)로 입력되어 주파수 도메인으로 변환된다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 하나의 FFT 연산부(302)가 하나의 안테나 소자에서 수신한 신호가 아니라, 인접 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호가 입력된다.

상관 계산부(404)는 상기와 같이 인접 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호와 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터 값을 계산한다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 인접 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호의 이중 차등 상관을 취하여 상관 벡터 값을 계산한다.

여기서, 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스는 프리앰블 레지스터(406)에 미리 저장되어 있다.

공간 상관 행렬 저장부(408)는 상기와 같이 계산된 상관 벡터 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 구성하고 이를 저장한다.

셀 아이디 탐색부(410)는 저장된 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국, 즉 릴레이 장치가 통신할 수 있는 기지국의 셀 아이디를 탐색한다.

상기한 공간 상관 행렬은 복수의 안테나 소자의 수에 따라

간섭 및 잡음 행렬, 각 다중 경로의 방향 벡터로 이루어진 행렬 및 채널 벡터로 정의될 수 있으며, 공간 스펙트럼 계산부(412)는 공간 상관 행렬에 대응하는 공간 스펙트럼을 계산한다.

DoA 추정부(414)는 공간 스펙트럼을 이용하여 셀 아이디 탐색부(312)에 의해 탐색된 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA를 추정한다.

하기에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 셀 아이디 탐색 및 DoA 추정을 위한 수식을 상세하게 살펴본다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 인접 안테나와 인접 부반송파로 수신된 신호를 이용하여 다음과 같은 이중 차등(double differential) 상관 행렬을 구성한다.

위에서

는

-th 부반송파의

-th 안테나에 수신되는 신호,

-th 부반송파의 첫 번째 안테나에 수신되는 신호와 같은 곳에서 수신된 셀 ID

에 속한 프리앰블 시퀀스의 상관을 나타낸다. 여기서 프리앰블 시퀀스는 양호한 자기 상관을 가지며

일 경우에는 상호 상관이 없음을 가정한다. 또한

, 즉

임도 가정한다.

고전적인 빔포밍 방법 (DoA 기반 방법)에서는 안테나 소자간의 거리 d는 반송파의 파장보다 상당히 짧아

즉 안테나 간의 강한 상관을 가정할 수 있다. 이 경우 [수학식 21]의 상관 메트릭(metric)은 다음과 같이 간단히 표현할 수 있다.

위 식으로부터

임을 알 수 있다. 다시 말해, STO와 지연 확산(delay spread)은 셀 ID 추정에는 거의 영향이 없다. 또한 CFO에 의해 발생하는 위상 천이는 차등 상관을 취하는 과정에서 인접 주파수 간 소멸된다. 이제 타겟 기지국의 셀 ID는 다음과 같이 얻어진다.

제2 실시예의 공간 상관 행렬은 [수학식 21]로부터 다음과 같이 얻어진다.

여기서

와

는 각각 (LxL) 간섭+잡음 행렬, 각 다중 경로의 방향 벡터로 이루어진 행렬, 채널 벡터를 표시한다.

와

는 각각 다음과 같이 정의된다.

위 식으로부터 공간 상관 행렬에 대응하는 공간 스펙트럼은 아래와 같이 구해진다.

위에서

는 공간 상관 행렬

의 고유 벡터로 구성되는 행렬이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 경로 환경에서 셀 탐색 및 DoA 추정 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하에서는 본 발명에 따른 방법의 성능의 모의 실험을 통해 분석한다.

모의 실험에는 IEEE 802.16e 표준 시스템을 이용하였으며 안테나 수와 안테나 간격은 각각 8과

이다. 이동 릴레이는 두 개의 기지국 사이에 위치하며, 각 기지국으로부터 두 개의 다중 경로가 존재하는 것으로 가정하였다 (m=0,1). 또한 각 기지국으로부터의 입사각은 각각

(타겟 기지국, 셀 ID=2)와

(간섭 기지국, 셀 ID=5)로 가정하였다. 또한 타겟 기지국과 간섭 기지국으로부터의 STO는 각 2와 3으로 가정하였다. 신호대 잡음비 (SNR)은 10 dB이다.

도 5는 본 발명에 따른 방법과 조인트 방법의 셀 탐색 확률을 나타낸 것이다.

SIR의 증가에 따라 본 발명에 따른 방법에서 셀 탐색 확률이 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 방법은 STO의 영향에 별다른 영향을 받지 않는데 반해 조인트 방법에 따른 셀 탐색 확률은 전역에서 10퍼센트보다 낮음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 제1 실시예 및 제2 실시예의 방법과 조인트 방법 및 공간 스무싱 방법을 적용한 경우의 DoA 추정 성능을 비교한 것이다.

도 6의 (a)와 (b)는 조인트 방법과 공간 스무싱 방법의 셀 탐색 확률을 보여준다. 조인트 방법을 적용 시에는 STO가 존재하지 않는다고 가정하였는데, 그 이유는 STO가 존재할 경우에는 셀 ID 탐색이 불가능하기 때문이다. 도 6으로부터 조인트 방법은 DoA와 함께 셀 ID를 동시에 탐색할 수 있으나 각 셀의 첫 번째 다중 경로 (m=0), 즉 타겟 기지국의

와 간섭 기지국의

에 해당하는 다중 경로, 만을 탐색할 수 있음을 알 수 있다.

즉, 종래의 조인트 방법으로는 모든 다중 경로의 탐색이 불가능함을 보여준다. 한편 공간 스무싱 방법을 이용하면 모든 다중 경로 (4개)의 DoA를 정확하게 추정할 수 있음을 보여준다. 그러나 각 다중 경로에 해당하는 셀을 구분할 수는 없음을 알 수 있다. 도 6의 (c)와 (d)는 STO와 CFO가 둘 다 존재할 경우에 본 발명에 따른 두 방법의 성능을 보여준다. 도 6의 (c)와 (d)는 본 발명에 따른 방법을 이용하여 모든 다중 경로 (4개)와 그에 해당하는 셀 ID를 함께 정확하게 추정할 수 있음을 보여준다. 또한 두 방법 모두 STO와 CFO의 영향에도 안정되게 동작함을 알 수 있다.

도 7은 공간 스무딩 방법, 조인트 방법 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법을 적용하였을 때의 빔 형태 ([도 7] (a)와 (b))와 BER 성능 ([도 7] (c))을 도시한 것이다.

도 7의 (a)로부터 공간 스무싱 방법을 이용하면 4개의 빔이 동시에 형성되나 간섭 기지국의 간섭으로 인하여 빔 패턴이 날카롭지 못함을 알 수 있으며 이로 인하여 높은 오차 마루 (error floor)가 형성됨을 도 7의 (c)를 통하여 볼 수 있다.

반면에 조인트 방법으로는 타겟 기지국의 첫 번째 경로를 향한 빔과 간섭 기지국의 첫 번째 경로에만 널 (null)이 형성됨을 보여준다. 이로 인하여 역시 높은 오차 마루 (error floor)가 형성된다.

그러나 본 발명의 제1 실시예에 따른 방법을 이용하여 타겟 기지국의 모든 경로에 빔을 형성하고 간섭 기지국의 모든 경로에 널을 형성할 수 있음을 보여준다. 결과적으로 훨씬 향상된 BER 성능을 보여주며 간섭 기지국의 간섭이 없을 때의 이론적 BER 수치에 거의 육박함을 알 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

셀 경계에서 복수의 안테나 소자를 이용하여 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하는 릴레이 장치로서,
상기 복수의 안테나 소자 각각에서 수신된 신호에 미리 설정된 시간 지연을 반복 적용하여 위상을 회전시키는 위상 회전부;
상기 위상이 회전된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터의 값을 계산하는 상관 계산부;
상기 복수의 안테나 소자 각각에 대해 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 공간 상관 행렬 저장부;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 셀 아이디 탐색부;
상기 공간 상관 행렬의 열 벡터 중 평균이 미리 설정된 임계치보다 크거나 같은 열 벡터를 선택하는 임계치 비교부;
상기 공간 상관 행렬의 상기 선택된 열 벡터에 의해 공간 스펙트럼을 계산하는 공간 스펙트럼 계산부; 및
상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 DoA 추정부를 포함하는 릴레이 장치.
제1항에 있어서,
상기 상관 계산부에 연결되며 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스를 저장하는 프리앰블 레지스터를 더 포함하는 릴레이 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 안테나 소자는 선형 어레이를 구성하는 릴레이 장치.
제4항에 있어서,
상기 선형 어레이로 수신되는 신호는 상기 복수의 안테나 소자의 수, 간섭 기지국의 수, 다중 경로의 수, 프리앰블 수 및 상기 복수의 기지국의 셀 아이디 중 하나로 정의되는 릴레이 장치.
제5항에 있어서,
상기 선형 어레이로 수신되는 신호는 CFO(Carrier Frequency Offset) 및 STO(Sample Timing Offset)를 고려하여 아래와 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 7]

[수학식 8]

[수학식 9]

와
는 이동 릴레이의 안테나 수, 간섭 기지국의 수, 다중 경로의 수, 프리앰블의 수와
-th 기지국의 셀 ID이며,
는
-th 기지국에서 사용하는 셀 ID의 프리앰블 시퀀스의
-th 부반송파이고,
는
-th 기지국의 수신 신호 및
-th 안테나에서의 AWGN이며.
는 각각 채널 이득과 입사각
인
-th 다중 경로의 어레이 방향값이며,
는 모든 다중 경로의 DoA 정보를 고려하여 확장된 전달 함수이며,
는 안테나 간격, 반송파 파장과 전치행렬이고,
은 진폭 감쇄, 위상 변이와
-th 기지국의
-th 다중 경로의 정규화된 CFO이고,
는 STO
에 의한 위상 회전과
-th 셀의
-th 안테나에서의
-th 반송파에 의한 간섭임
제6항에 있어서,
상기 상관 벡터는 상기 수학식 8을 이용하여 소정 셀 아이디(
)에 대해 다음과 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 10]

[수학식 11]

는 최대 시간 span을 나타내며 채널의 최대 지연 시간 (M)과 최대 STO (최대
)의 합으로 주어짐
제7항에 있어서,
상기 셀 아이디가
인 u번째 기지국에서 송신된 프리앰블은 다음과 같이 반복 형태를 가지며,

여기서,
는 시간 축에서의 프리앰블 시퀀스의 반복 횟수이고,
는
-th 기지국의 셀 ID에 해당하는 프리앰블 시퀀스를 나타내며 주파수 축에서
의 배수에 해당하는 곳만 0이 아닌 값을 가지는 특징을 가지며,프리앰블의 파워는 1로 정규화됨
상기 반복 형태를 고려하여 상기 수학식 11은 다음이 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 13]

[수학식 14]

여기서
는
-th 시간 지연 후
-th 안테나에서 수신된 간섭과 잡음의 합을 나타내며, 셀 ID
에 의해 발생되는 간섭과 잡음
의 합으로 이루어짐
제8항에 있어서,
상기 복수의 안테나 소자의 수 및 최대 시간 span에 따라 다음과 같은
상관 행렬이 정의되며,
[수학식 15]

상기
상관 행렬로부터 상기 타겟 기지국의 셀 아이디가 다음의 수학식에 따라 탐색되는 릴레이 장치.
[수학식 16]
제9항에 있어서,
상기 수학식 16에 의해 상기 공간 상관 행렬은 다음과 같이 정의되며,

여기서,
는 [수학식 15]의 열 벡터로 구성된 실효 공간 상관 행렬이며, 열 벡터는 다음과 같이 평균이 임계치보다 크거나 같을 때에 선택됨
[수학식 18]
제10항에 있어서,
소정 셀 아이디의 공간 상관 행렬에 대응되는 공간 스펙트럼은 다음과 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 19]

여기서,
이며 열 벡터인
은 [수학식 18]의 공간 상관 행렬의 고유 벡터이고,
는 L 안테나 소자의 방향 벡터임
셀 경계에서 복수의 안테나 소자를 이용하여 복수의 기지국으로부터 신호를 수신하는 릴레이 장치로서,
서로 인접한 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스의 이중 차등 상관을 취하여 상관 벡터의 값을 계산하는 상관 계산부;
상기 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 공간 상관 행렬 저장부;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 셀 아이디 탐색부;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 공간 스펙트럼 계산부; 및
상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 DoA 추정부를 포함하되,
상기 공간 상관 행렬은 상기 복수의 안테나 소자의 수에 따른 간섭 및 잡음 행렬, 다중 경로 각각의 방향 벡터 행렬 및 채널 벡터를 이용하여 정의되는 릴레이 장치.
삭제
제12항에 있어서,
상기 이중 차등 상관을 위한 행렬은 다음과 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 20]

[수학식 21]

여기서,
는
-th 부반송파의
-th 안테나에 수신되는 신호,
-th 부반송파의 첫 번째 안테나에 수신되는 신호와 같은 곳에서 수신된 셀 ID
에 속한 프리앰블 시퀀스의 상관을 나타냄
제14항에 있어서,
상기 공간 상관 행렬은 상기 수학식 21에 의해 다음과 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 24]

여기서
와
는 각각 (LxL) 간섭+잡음 행렬, 각 다중 경로의 방향 벡터로 이루어진 행렬, 채널 벡터이며,
와
는 각각 다음과 같이 정의됨
[수학식 25]
제15항에 있어서,
상기 공간 상관 행렬에 대응하는 상기 공간 스펙트럼은 다음과 같이 정의되는 릴레이 장치.
[수학식 26]

여기서,
는 공간 상관 행렬
의 고유 벡터로 구성되는 행렬임
셀 경계에 위치한 릴레이 장치에서 셀 아이디 및 DoA를 동시에 추정하는 방법으로서,
복수의 안테나 소자 각각에서 수신된 신호에 미리 설정된 시간 지연을 반복 적용하여 위상을 회전시키는 단계;
상기 위상이 회전된 신호와 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스와의 상관 벡터의 값을 계산하는 단계;
상기 복수의 안테나 소자 각각에 대해 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 단계;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 단계;
상기 공간 상관 행렬의 열 벡터 중 평균이 미리 설정된 임계치보다 크거나 같은 열 벡터를 선택하는 단계;
상기 공간 상관 행렬의 상기 선택된 열 벡터에 의해 공간 스펙트럼을 계산하는 단계; 및
상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 단계를 포함하는 셀 아이디 및 DoA 추정 방법.
복수의 안테나 소자를 포함하며 셀 경계에 위치한 릴레이 장치에서 셀 아이디 및 DoA를 동시에 추정하는 방법으로서,
서로 인접한 안테나 소자와 인접 부반송파로 구성된 신호와 상기 복수의 기지국 각각의 프리앰블 시퀀스의 이중 차등 상관을 취하여 상관 벡터의 값을 계산하는 단계;
상기 계산된 상관 벡터의 값을 포함하는 공간 상관 행렬을 저장하는 단계;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 타겟 기지국의 셀 아이디를 탐색하는 단계;
상기 공간 상관 행렬을 이용하여 공간 스펙트럼을 계산하는 단계; 및
상기 공간 스펙트럼의 최대값에 대응하는 방향을 탐색하여 상기 타겟 기지국으로부터 수신되는 다중 경로 신호들의 DoA(Direction of Arrival)를 추정하는 단계를 포함하되,
상기 공간 상관 행렬은 상기 복수의 안테나 소자의 수에 따른 간섭 및 잡음 행렬, 다중 경로 각각의 방향 벡터 행렬 및 채널 벡터를 이용하여 정의되는 셀 아이디 및 DoA 추정 방법.