KR19980066027A - 멀티캐리어 코드분할다중접속(mc-cdma)신호의 시간영역 검출 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법에 관한 것으로서, 주파수 변환이 없는 상관기 구조를 사용하여 채널에 의한 영향을 보상하는 것을 특징으로 한다. MC-CDMA 신호를 시간 영역에서 검출하는 것은 DFT 또는 FFT 과정을 필요로 하지 않기 때문에 계산과정이 간단하고, 따라서 하드웨어적으로 구현하기가 용이한 장점이 있다. MMSE 등화 방식을 포함한 네가지 방식의 등화 방식이 기술되어 있고, 특별히 최소자승법을 이용한 적응 알고리즘을 구현한 검출 방법이 제시되어 있다.

Description

멀티캐리어 코드분할다중접속(MC-CDMA) 신호의 시간 영역 검출 방법

본 발명은 멀티캐리어 코드분할다중접속(Muti Carrier Code Division Multiple Access, 이하에서 'MC-CDMA'라 함) 신호를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로서, 수신된 MC-CDMA 신호를 주파수 영역에서 처리하지 않고 시간 영역에서 처리하여 사용자 신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.

DS-SS(Direct Sequence Spread Spectrum) 기술에 기초한 CDMA 시스템인 DS-CDMA 방식은 이동 통신 분야에서 널리 사용되어 왔다. 그러나, DS-CDMA 시스템은 다중 사용자들간, 칩들간, 또는 심볼들간의 간섭으로 인하여 데이터를 고속으로 송수신하기에 부적합한 점들이 있었다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 DS-CDMA와 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 결합한 형식의 멀티캐리어 코드분할다중접속(MC-CDMA) 방식이 제안되었다.

도1은 통상적인 MC-CDMA의 송신 방식을 설명하는 블록도이다.

도1은 m번째 사용자의 데이터가 송신되는 것을 보여준다. 도시된 바와 같이, 단일 사용자 데이터가 N개의 병렬 가지들로 복사된다. 각 가지에서 데이터는 다중 접속을 위하여 직교 코드 C_m[k]와 곱해지고, 직교 부반송파에 실린다. 여기서 C_m[k]는 m번째 사용자의 k번째 부반송파에 해당하는 코드값이다. 이때 N개의 부반송파의 주파수 간격은 L/T_s(L은 정수이고, T_s는 심볼 듀레이션임) Hz이다. 전송되는 신호는 이러한 경로들로부터의 출력신호들의 합이다. 부반송파의 주파수 간격에서 L이 1인 경우, MC-CDMA는 OFDM과 동일하고, L이 클수록 전송 대역폭이 넓어짐과 동시에 주파수 다변화 이득이 커진다.

예를 들어 m번째 사용자의 i번째 데이터에 의하여 전송되는 신호는 다음의 수학식 1과 같이 주어진다.

상기 수학식 1에서 {C_m[k]}는 다중 접속을 위한 m번째 사용자의 직교 코드이고, a_m[i]는 m번째 사용자의 i번째 데이터 심볼이고, f_c는 주반송파 주파수이다.

주반송파를 제거한 기저대역신호를 T_s/LN의 샘플링 간격으로 샘플링한 이산 신호, s_m[n]를 구하면 다음의 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2에서 s_m[n]은 OFDM과 마찬가지로 이산퓨리에역변환을 통하여 구현할 수 있다. 상기한 바와 같이 만들어진 s_m[n]을 아날로그신호로 변환한 후 주반송파에 실어서 송신한다.

상기에서 설명한 바와 같이 MC-CDMA 방식으로 변조된 신호가 채널을 거쳐서 전송되어 수신부에서 수신된다. 수신측에서 수신되는 MC-CDMA신호를 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 3에서 H[k]는 각 부채널의 찌그러짐 효과를 나타내는 것으로, 예를 들어 H_m[k]는 m번째 사용자의 k번째 부채널의 채널 찌그러짐 효과를 나타낸다. 또한, 상기 수학식 3에서는 백색 가우션 잡음을 나타낸다.

주반송파의 위상 동기와 심볼 타이밍이 정확하다고 가정할 때, 주반송파를 제거하고 샘플링한 수신된 이산 신호 r[n]은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 4에서 g[n]은 이산 백색 가우션 잡음을 나타낸다.

도2는 통상적인 MC-CDMA의 수신 방식을 설명하는 블록도이다.

수신된 신호 r[n]은 부반송파 성분을 제거하기 위하여 이산퓨리에변환기(Discrete Fourier Transformer, DFT, 21)를 통하여 주파수 영역의 신호로 변환된다. 이산 퓨리에 변환된 각 주파수 영역의 신호는 각각의 부채널별로 사용자를 분리하기 위하여 사용자코드인 C_m[k]를 곱한다. 또한 부채널에서의 찌그러짐 효과를 없애기 위하여 찌그러짐 효과인 H(k)를 보상해주고, 가산기(22)에서 이를 합산하면 m번째 사용자의 i번째 데이터, a_m[i]를 얻을 수 있다.

그러나, MC-CDMA 시스템에서 필요로 하는 것은 각각의 부반송파 성분이 아니고 전체적으로 결합된 신호이다. 따라서, 상기한 바와 같은 종래의 수신 방식은 각 부반송파의 주파수 대역별로 신호를 나누었다가 다시 합하는 불필요한 계산과정을 포함하고 있다. 불필요한 계산을 수행하는 것은 MC-CDMA 신호를 수신하기 위하여 구현되는 하드웨어를 복잡하게 할 뿐만 아니라, 전력을 소모하게 하고 이러한 단점은 기기 자체의 간편성과 전원의 지속이 매우 중요한 요인이 되는 이동 통신 기기에서는 치명적인 단점이 된다. 이러한 점은 OFDM 방식을 도입하지 않는 종래의 DS-CDMA 방식에서는 야기되지 않는 문제점으로 OFDM 방식을 도입하는 MC-CDMA 방식에서는 이에 대한 개선책이 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 MC-CDMA 검출 방법의 단점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 변조된 MC-CDMA 신호를 주파수 영역에서 해석하는 것 대신에 시간 영역에서 처리함에 의하여도 사용자 데이터를 검출할 수 있는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법 및 그 장치를 제시하고자 한다. 본 발명은 MC-CDMA 신호를 시간 영역에서 처리함에 의하여 이산퓨리에변환과정을 필요로 하지 않게 하는 것에 그 목적이 있다.

도1은 통상적인 MC-CDMA의 송신 방식을 설명하는 블록도,

도2는 통상적인 MC-CDMA의 수신 방식을 설명하는 블록도,

도3은 본 발명에 의한 방법의 일실시예로서 시간 영역 적응 등화기를 사용하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 발명에 의한 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 방법의 가장 큰 특징은 수신된 MC-CDMA 신호를 시간 영역에서 처리하여 종래 기술에서의 이산 퓨리에 변환 과정을 생략할 수 있다는 점이다. 이를 위하여 본 발명에 의한 방법에서는 수신된 MC-CDMA 신호를 다음의 수학식 5와 같이 해석한다.

상기 수학식 5에서, f_m[n]은 전송기의 확산 과정을 포함한 채널의 임펄스 응답으로서 다음의 수학식 6와 같이 나타낼 수 있고, g[n]은 이산 백색 가우션 잡음을 나타낸다.

상기 수학식 6을 보면, k번째 부채널의 찌그러짐 효과를 나타내는 H_m[k]와 사용자 분리를 위한 직교 코드 C_m[k]와 부반송파에 의한 e^j(2πkn/N)이 포함되어 있는 것을 알 수 있다. 상기 수학식 6에서 C_m[k]는 m번째 사용자의 k번째 코드를 나타내는 것이다.

상기 수학식 6을 벡터 형식으로 바꾸어 쓰면 다음의 수학식 7과 같다.

상기 수학식7에서,r[i]=(r[0]r[1]…r[LN-1])^T,a[i]=(a₀[i]a₁[i]…a_M-1[i])^T,g[i]=(g[0]g[1]…g[LN-1])^T를 각각 나타내고,F는 LN×M 크기의 행렬이고F의 (n, m) 성분은 f_m[n]이다.

본 발명에 의한 방법에서는 수신된 신호를 상기한 수학식 7과 같이 해석할 수 있으므로, 채널에 따라서 적합한 가중치 행렬W를 구하고, 수신된 신호 벡터r[i]에 가중치 행렬W의 허미션 행렬을 곱함에 의하여 원하는 데이터를 검출할 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 다음의 수학식8과 같다.

상기 수학식 8에서d[i]=(d₀[i]d₁[i]…d_M-1[i])^T이고, d_m[i]는 m번째 사용자의 i번째 데이터 심볼이고,W ^H는 가중치 행렬W의 허미션 행렬로서, 행렬의 각 성분을 켤레복소수로 바꾼 후, 행렬의 행과 열을 바꾼 것이다.

본 발명에서는 전송되는 채널의 특성에 따라서 4가지의 가중치 행렬을 제안한다.

첫 번째로, 채널에 의한 영향이 무시될 수 있을 때, 가중치 행렬W는 사용자 코드 행렬,C와 동일하게 설정한다. 이를 단순 코드 역확산(Simple Code Despreading) 방식이라고 한다. 사용자 코드 행렬C는 LN×M 크기의 행렬이고 (n,m) 성분은 c_m[n]이다. c_m[n]은 다음의 수학식 9와 같이 나타내어진다.

본 발명에 의한 방법에서 제안하는 두 번째 가중치 행렬은 상호 간섭에 비하여, 백색 잡음이 강한 채널에서 사용할 수 있는 방법으로서, 전송기의 확산 과정을 포함되는 채널의 임펄스 응답만을 고려하여, 가중치 행렬W를 채널의 임펄스 응답에 관한 행렬인F와 동일하게 설정한다. 이를 정합 필터 방식이라고 한다. 채널의 임펄스 응답 행렬F는 LN×M 크기의 행렬이고, (n,m) 성분은 f_m[n]이다.

본 발명에 의한 방법에서 제안하는 세 번째 가중치 행렬은 채널 특성의 역이 되는 행렬이다. 이는 채널 특성의 역이 되는 가중치 행렬을 통과시킴에 의하여 전체적으로 등화시키기 위한 방식이다. 이를 위해 다음의 수학식 10을 만족시키는 가중치 행렬을 사용한다.

상기 수학식 10에서 I_M은 M×M 단위 행렬이다.

본 발명에 의한 방법에서 제안하는 네 번째 가중치 행렬은 백색 잡음과 간섭이 모두 영향을 주는 경우 사용하는 것으로 비용 함수 최소화 가중치 행렬이다. 이 방식은 입력 신호와 검출 신호와의 오차의 제곱을 최소화하는 방식이다. 이를 위하여 위너(Wiener) 필터를 가중치 행렬로서 사용한다. 위너 필터는 잘 알려진 최소자승방법에 의하여 구현될 수 있다. 이를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

가중치 행렬의 초기값은 사용자 코드 행렬,C와 동일하게 설정한 후, 출력값으로부터 얻어지는 추정 오차를 반영하여 가중치를 적응적으로 변화시킴에 의하여 추정 오차를 최소화하는 방식이다. 이를 적응 등화기라고 하기로 하자.

도3은 본 발명에 의한 방법의 일실시예로서 시간 영역 적응 등화기를 사용하는 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도3의 적응 등화기에 사용되는 적응 알고리즘은 다음과 같다.

먼저, 가중치 초기화 단계이다. 이 단계에서는 가중치 행렬의 초기값을 사용자 코드 행렬과 동일하게 설정한다. 가중치 행렬의 초기값을W(0)이라고 할 때,W(0)=C이다. 상관기(40) 출력d[i]=W[i]^H r[i]이고, 가중치 행렬이 사용자코드와 동일한 초기에는 채널의 영향이 무시되고 역확산만이 수행된다. 슬라이서(43)는 필터의 출력을 이산 데이터로 보정한다. 감산기(44)에서는 슬라이서(43)의 출력a'[i]와 가산기(41)의 출력d[i]으로부터 추정 오차가 계산된다. 추정오차를e[i]라고할 때e[i]=a'[i]-d[i]로 정의된다. 여기서,a'[i]는 알고리즘이 수행되는 중간 단계에서 슬라이서(43)로부터 출력된 값으로서, 추정된 데이터 심볼이다. 가중치 행렬 개선부(42)에서는 추정된 오차에 의하여 가중치 행렬을 적응적으로 변화시킨다. 가중치 행렬을 적응적으로 변화시키기 위한 식은 다음의 수학식 11과 같다.

상기 수학식 11에서 μ는 가중치 행렬을 단계적으로 변화시키는 단계의 크기이고, 가중치 행렬을 적응적으로 변화시키는 단계의 크기에 따라서 검출되는 신호의 수렴 성질이 달라진다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법은 전송채널의 특성과 사용자코드 및 부반송파를 모두 포함하는 시간 영역 해석 방법을 사용함에 의하여 수신된 신호를 퓨리에 변환 과정을 거치지 않고 시간 영역에서 처리하여 사용자 데이터를 검출하므로, 불필요한 계산과정을 생략할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 멀티캐리어 코드분할다중접속(MC-CDMA) 신호를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로서,

   시간 영역에서 처리하기 위하여 M명의 사용자들에 의한 MC-CDMA 신호를 다음의 식과 같이 해석하는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.

   여기에서, f_m[n]은 전송기의 확산 과정을 포함한 채널의 임펄스 응답으로서 다음의 수학식과 같이 나타낼 수 있고, g[n]은 이산 백색 가우션 잡음을 나타낸다.

   여기에서, N은 부반송파의 수이고, 심볼 듀레이션이 T_s일 때 부반송파의 주파수 간격이 L/T_s이고, H_m[k]는 m번째 사용자의 k번째 부채널의 찌그러짐 효과를 나타내고, C_m[k]는 m번째 사용자의 k번째 코드를 나타낸다.
2. 제 1항에 있어서, 상기 MC-CDMA 신호 검출 방법은

   전송 채널에 따라서 적합한 가중치 행렬W를 구하고, 수신된 신호 벡터r[i]에 가중치 행렬W의 허미션 행렬을 곱함에 의하여 원하는 데이터를 검출하는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 가중치 행렬W는 사용자 코드 행렬,C와 동일하게 설정되는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 가중치 행렬W를 채널의 임펄스 응답에 관한 행렬인F와 동일하게 설정하는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법
5. 제 2항에 있어서, 상기 가중치 행렬은 채널 특성의 역이 되는 행렬인 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.
6. 제 2항에 있어서, 상기 가중치 행렬은 입력 신호와 검출 신호와의 오차의 제곱을 최소화하는 비용 함수 최소화 가중치 행렬로서 위너(Wiener) 필터임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 위너 필터는 최소자승법을 적용하는 적응 알고리즘에 의하여 구현되는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 적응 알고리즘은

   가중치 행렬의 초기값을 사용자 코드 행렬과 동일하게 설정하는 단계;

   추정 오차를 계산하는 단계;

   상기 단계에서 계산된 추정 오차에 의하여 가중치 행렬을 적응적으로 변화하는 단계를 포함하는 것임을 특징으로 하는 MC-CDMA 신호의 시간 영역 검출 방법.