KR20020062673A

KR20020062673A - 시분할 이중 통신 시스템에서의 채널 추정

Info

Publication number: KR20020062673A
Application number: KR1020027008737A
Authority: KR
Inventors: 제이라아리에라
Original assignee: 인터디지탈 테크날러지 코포레이션
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2002-07-26
Also published as: JP2005245004A; ATE312459T1; NO20023119D0; KR100481261B1; KR20060007462A; HK1048715A1; JP2003520499A; US20060056494A1; US7672360B2; JP3809377B2; KR20060018928A; EP1245100A1; CA2396571A1; NO20023119L; ES2255010T3; AU2765801A; US20080019426A1; TW512611B; CA2396571C; HK1065202A1

Abstract

단일 송신기는 시분할 이중 통신 시스템의 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K개의 통신 버스트를 전송한다. 그 시스템은 N개의 미드앰블 시퀀스와 연관된다. 각각의 버스트는 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖는다. 수신기는 K개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신한다. 기지의 N개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬이 구성된다. 송신기과 수신기 간의 무선 채널이 N개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 추정된다.

Description

시분할 이중 통신 시스템에서의 채널 추정{CHANNEL ESTIMATION FOR TIME DIVISION DUPLEX COMMUNICATION SYSTEMS}

도 1은 무선 통신 시스템(10)을 나타내고 있다. 이 통신 시스템(10)은 사용자 장치(UE)(14₁내지 14₃)와 통신하는 기지국(12₁내지 12₅)을 갖추고 있다. 각각의 기지국(12₁)은 그 동작 지역에서 UE(14₁내지 14₃)와 통신하는 연관된 동작 지역을 갖는다.

코드 분할 다중 접속(CDMA), 및 코드 분할 다중 접속을 이용한 시분할 다중 이중(TDD/CDMA) 시스템과 같은 일부 통신 시스템에서, 다중 통신은 동일한 주파수 스펙트럼을 통해 전달된다. 이들 통신은 그들의 칩 코드 시퀀스에 의해 통상 구분된다. 주파수 스펙트럼을 더욱 효율적으로 사용하기 위하여, TDD/CDMA 통신 시스템은 통신용 타임 슬롯으로 분리된 반복성 프레임을 사용한다. 상기 시스템에 전송된통신은 통신 대역폭에 기초하여 하나 이상의 연관된 칩 코드와 시스템에 할당된 타임 슬롯을 가질 것이다.

다중 통신이 동일한 주파수 스펙트럼으로 동시에 전송될 수 있으므로, 상기 시스템의 수신기는 다중 통신간을 구별해야만 한다. 이러한 신호를 검출하기 위한 하나의 방법이 단독 사용자 검출(single user detection) 방법이다. 단독 사용자 검출 방법에 있어서, 수신기는 원하는 송신기에 관련된 코드를 이용하여 원하는 송신기로부터의 통신만을 검출하고, 다른 송신기의 신호를 간섭 신호로서 처리한다. 다른 방법은 조인트 검출 방법이라고 불린다. 조인트 검출 방법에 있어서, 다중 통신이 동시에 검출된다.

이들 검출 기술을 이용하기 위해서는, 각각의 통신이 전송되는 무선 채널을 추정하는 것이 바람직하다. 통상의 TDD 시스템에 있어서, 채널 추정은 통신 버스트의 미드앰블 시퀀스(midamble sequence)를 이용하여 수행된다.

통상의 통신 버스트(16)는 도 2에 도시된 바와 같이, 미드앰블(20)과, 보호 구간(guard period)(18) 및 2개의 데이터 버스트(22, 24)를 갖는다. 미드앰블(20)은 2개의 데이터 버스트(22, 24)를 분리하고 보호 구간(18)은 통신 버스트(16)를 분리하여 상이한 송신기로부터 전송된 버스트들(16)의 도달 시간의 차이를 고려한다. 2개의 데이터 버스트(22, 24)는 통신 버스트의 데이터를 포함한다. 미드앰블(20)은 채널 추정에 사용되는 트레이닝 시퀀스(training sequence)를 포함한다.

통신 버스트(16)를 수신한 후에, 수신기는 수신된 미드앰블 시퀀스를 이용하여 채널을 추정한다. 타임 슬롯으로 멀티버스트(16)를 수신할 때, 수신기는 통상 각각의 버스트(16)에 대해 채널을 추정한다. 다수 채널을 통해 전송된 통신 버스트(16)에 대한 상기 채널 추정을 위한 한 방법이 스테이너 채널 추정기(Steiner Channel Estimator)이다. 스테이너 채널 추정은 다중 UE(14₁내지 14₃)로부터의 업링크 통신에 통상 사용되며, 채널 추정기는 다수 채널을 추정하는데 필요하다.

일부 상황에서, 멀티버스트(16)는 동일한 무선 채널을 경험한다. 그 중 한 경우가 2 Mbps 서비스와 같은 고속 데이터 서비스이다. 이러한 시스템에서, 송신기는 단일 타임 슬롯으로 멀티버스트를 전송할 것이다. 모든 버스트(16)로부터의 추정된 채널 응답을 평균화함으로써 스테이너 추정법이 상기 경우에 적용될 수 있다. 그러나, 이 방법은 매우 복잡하다. 따라서 채널을 추정하기 위한 대안의 방법이 필요하다.

본 출원은 2000년 1월 7일에 출원한 미국 가 특허 출원 번호 제60/175,167호의 우선권의 이익을 향유한다.

본 발명은 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 무선 통신 시스템에서의 채널 추정에 관한 것이다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2는 통신 버스트를 나타내는 도면이다.

도 3은 간략화한 멀티버스트 송신기와 수신기이다.

도 4는 멀티버스트 채널 추정의 흐름도이다.

단일 송신기는 시분할 이중 통신 시스템의 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K개의 통신 버스트를 전송한다. 그 시스템은 N개의 미드앰블 시퀀스와 연관된다. 각각의 버스트는 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖는다. 수신기는 K개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신한다. 기지의 N개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬이 구성된다. 송신기와 수신기 간의 무선 채널은 N개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 추정된다.

도 3은 TDD/CDMA 통신 시스템에서 간략화한 멀티코드 송신기(26)와 수신기(28)를 나타낸다. 수신기(28)와 송신기(26)가 다른 응용 분야에 이용될 수도 있지만, 2 Mbps 다운링크 서비스와 같은 양호한 응용 분야에서, 수신기(28)는 UE(14₁) 내에 있고 송신기(26)는 기지국(12₁) 내에 있다.

송신기(26)는 무선 라디오 채널(30)을 통해 데이터를 보낸다. 데이터는 K개의 통신 버스트로 전송된다. 송신기(26)의 데이터 생성기(32₁내지 32_K)는 수신기(28)에 통신될 데이터를 생성한다. 변조/확산 및 트레이닝 시퀀스 삽입 장치(34₁내지 34_K)는 데이터를 확산하고 적절하게 할당된 타임 슬롯의 미드앰블 트레이닝 시퀀스와 그 데이터를 확산시키는 코드에 의해 시간 다중화된 확산 레퍼런스 데이터를 만듦으로써, K개의 통신 버스트를 생성한다. 다운링크 버스트를 전송하는 기지국(12₁)에 대한 통상의 K 값은 1 내지 16이다. 통신 버스트는 결합기(46)에 의해 결합되고 변조기(36)에 의해 라디오 주파수(RF)로 변조된다. 안테나(38)는무선 라디오 채널(30)을 통해 RF 신호를 수신기(28)의 안테나(40)로 방사시킨다. 전송된 통신에 사용되는 변조 방식은 2진 위상 시프트 키잉(BPSK)이나 4진 위상 시프트 키잉(QPSK)과 같은 당업계에 잘 알려진 임의의 기술이 될 수 있다.

수신기(28)의 안테나(40)는 다양한 라디오 주파수 신호를 수신한다. 수신된 신호는 복조기(42)에 의해 복조되어 기저대역 신호가 형성된다. 기저대역 신호는 채널 추정 장치(44)와 데이터 검출 장치(46) 등에 의해, 전송된 통신 버스트에 할당된 적절한 코드와 타임 슬롯으로 처리된다. 데이터 검출 장치(46)는 복수 사용자 검출기 또는 단독 사용자 검출기일 수 있다. 채널 추정 장치(44)는 기저대역 신호의 미드앰블 트레이닝 시퀀스 성분을 이용하여 채널 임펄스 응답과 같은 채널 정보를 제공한다. 데이터 검출 장치(46)는 채널 정보를 이용하여 수신된 통신 버스트의 전송된 데이터를 하드 심볼로서 추정한다.

멀티버스트 채널 추정의 구현을 설명하기 위하여, 다음의 미드앰블 형식을 사용하지만, 다른 미드앰블 형식에도 멀티버스트 채널 추정이 적용 가능하다. K개의 미드앰블 코드,(k=1, …,K)는 주기 P 칩의 주기적 단일 기본 미드앰블 코드의 시간 천이된 형태,로서 도출된다. 각각의 미드앰블 코드의 길이는 L_m= P + W - 1이다. W는 사용자 채널 임펄스 응답의 길이이다. L_m에 대한 통상의 값은 256 및 512 칩이다. W는 사용자 채널 임펄스 응답의 길이이다. 다음의 설명이 상이한 미드앰블 코드를 갖는 각각의 버스트를 기초로 하지만, 일부 미드앰블은 동일한 코드를 가질 수 있다. 결과적으로, 분석은 N(N<K)개의 미드앰블 코드를 기반으로 한다. 덧붙여 설명하면, 시스템은 최대 갯수의 수신 가능한 미드 앰블 코드, N개를 가질 수 있다. 상기 시스템에서 수신기(28)는 N개 코드보다 적은 수가 전송될지라도, 최대 갯수 N개의 코드에 대한 채널을 추정할 수 있다.

의 요소는 정수 집합 {1, -1}에서 값을 취한다. 시퀀스는 먼저 복소수 시퀀스(i=1,…,P)로 변환된다.는의 2개의 주기를 연결하여 형성한 2P 롱 시퀀스(long sequence)로부터 길이 L_m의 K개의 서브 시퀀스를 추출하여 구한다.의 i번째 요소는 수학식 1에 의해에 관련된다.

그러므로,의 시작점은 k가 1 내지 K로 증가함에 따라 W 칩만큼 우측으로 시프트된다.

결합된 수신 미드앰블 시퀀스는 K개의 컨벌루션의 중첩이다. k번째 컨벌루션은과의 컨벌루션을 나타낸다.는 k번째 사용자의 채널 응답이다. 버스트에서 선행 데이터 필드는 수신된 미드앰블의 첫번째 (W-1) 칩을 왜곡시킨다. 그러므로, 채널 추정을 위하여, L_m칩의 마지막 P만 채널을 추정하는데 사용된다.

멀티버스트 채널 추정은 도 4의 흐름도와 함께 설명될 것이다. 개별 채널 응답을 구하기 위해, 수학식 2가 이용된다.

r_W…r_LM은 미드앰블 시퀀스의 수신된 결합 칩이다. m 값은의 요소이다.

수학식 2는 또한 수학식 3과 같이 약기(略記)로 다시 작성될 수 있다.

각각의 M^(k)은 KW행-W열 행렬이다.은 수신된 미드앰블 칩 응답이다. 모든 버스트가 동일한 채널을 통해 전송될 때,은 수학식 4와 같이,에 의해 대체될 수 있다(50).

G는 수학식 5에 따라서 정의된다.

결과적으로, G는 KW행-KW열 행렬이다. G는 우순환 행렬(right ciculant matrix)이므로, 수학식 4는 K개의 상등 우순환 행렬 블록 B를 이용하여 수학식 6과 같이 다시 쓸 수 있다(52) .

B는 W행-W열의 우순환 행렬이다. B 블록의 수는 K이다. 수학식 6을 이용하여, 수학식 4는 수학식 7과 같이 다시 쓸 수 있다.

수학식 7은 차원 KW행-W열로 된 과결정된(over-determined) 시스템을 나타낸다. 수학식 7을 풀기 위한 접근 방법이 최소 제곱 해법이다(54). 수학식 7의 최소 제곱 해법은 수학식 8에 의해 주어진다.

D^H는 에르미트 D이다.

수학식 6을 수학식 8에 적용하면 수학식 9가 된다.

차원 KW의 수신된 벡터는 수학식 10과 같이 분해될 수 있다.

의 차원은 W이다. 수학식 9와 수학식 10을 수학식 8에 대입하면, 수학식 11과 같이 채널 계수의 최소 제곱 해법이 도출된다.

는의 세그먼트들의 평균이다. B가 정사각 행렬이므로, 수학식 11은 수학식 12가 된다.

B가 우순환 행렬이므로, 우순환 행렬의 역행렬 역시 우순환 행렬이며, 채널 추정기는 차원 57의 단일 사이클 상관기에 의해 구현되거나, 이산 푸리에 변환(DFT) 해법에 의해 구현될 수 있다.

W 포인트 DFT 방법은 다음과 같다. B가 우순환 행렬이므로, 수학식 13이 이용될 수 있다.

D_W는 수학식 14에 따른 W 포인트 DFT 행렬이다.

수학식 15와 같이,는 주 대각선이 B의 첫번째 열의 DFT인 대각 행렬이다.

. 그러므로, D_W는 D_W x가 벡터x의 W 포인트 DFT를 나타내기 위한 DFT 연산자이다. 수학식 13을 수학식 12에 대입하고를 이용함으로써 수학식 16이 도출된다.

는 D_W의 요소행-요소열 복소 공액이다.

이와는 달리,를 대신하여,의 식으로를 표시하는 등가식을 유도할 수 있다.은 수학식 17에서와 같이 주 대각선이 B의 첫번째 행의 DFT인 대각 행렬이다.

B, B^T의 이항 또한 우순환 행렬이고 그 첫번째 열이 B, B^T의 첫번째 행이기 때문에, 수학식 18과 같이 표현될 수 있다.

수학식 18과를 이용하면, 임의의 가역 행렬 A에 있어서,이고, B는 수학식 19와 같이 표현될 수 있다.

수학식 19를 수학식 12에 대입하면,에 의해 수학식 20이 된다.

수학식 16 또는 수학식 20이를 푸는데 이용될 수 있다. 모든 DFT는 길이가 W이기 때문에, 수학식을 푸는데 있어 복잡성이 극적으로 감소된다.

단일 사이클 상관기를 이용한 방법은 다음과 같다. B^-1이 우순환 행렬의 역행렬이므로, 이것은 수학식 21과 같이 다시 쓸 수 있다.

행렬 T의 첫번째 행은의 주 대각선의 역 DFT와 동일하다. 그러므로, 행렬 T는에 의해 완전하게 결정된다.

채널 응답의 탭(tap)이 T의 순차 행과 수신된 벡터의 W 길이 세그먼트의 평균과의 내적에 의해 순차적으로 얻어진다. T의 순차 행은 이전 행의 순환적으로 우측으로 시프트된 형태이다. 내적을 생성하기 위하여 레지스터를 이용할 때, 제1 레지스터는의 평균화된 세그먼트를 저장하고, 제2 레지스터는 행렬 T의 제1 행을 저장하는 시프트 레지스터이다. 제2 레지스터는 소정의 클록 속도에서 순환적으로 시프트된다. 클록의 각각의 사이클에서, 새로운 요소는 2개의 레지스터에 저장된 벡터의 내적에 의해 결정된다. 수신된 미드앰블보다 행렬 T의 첫번째 행을 시프트하는 것이 더 유리하다. 결과적으로, 미드앰블을 위한 추가 저장 장치가 필요없다. 미드앰블은 전체 버스트를 보유하는 수납된 버퍼에 계속 상주한다. 상관기 길이가 단지 W이므로, 채널 추정 복잡성이 확실하게 감소된다.

Claims

코드 분할 다중 접속을 이용하는 시분할 이중 통신 시스템에서 무선 채널을 추정하는 방법으로서, 상기 시스템은 N개의 미드앰블 시퀀스와 연관되고, 무선 채널은 단일 송신기과 단일 수신기 사이에 존재하고, 상기 단일 송신기는 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K개의 통신 버스트를 전송하고, 각각의 버스트는 N개의 시퀀스 중 연관된 미드앰블 시퀀스를 가지며, 상기 수신기는 N개의 미드앰블 시퀀스를 알고 있는 것인 무선 채널 추정 방법에 있어서,

상기 단일 수신기에서 K개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신하는 단계와;

기지의 N개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬을 구성하는 단계 및

상기 N개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 무선 채널을 추정하는 단계를 포함하는 채널 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 무선 채널 추정은 최소 제곱 해법을 이용하여 수행되는 것인 채널 추정 방법.
제2항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 단일 사이클의 상관기를 이용하여 구현되는 것인 채널 추정 방법.
제2항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 이산 푸리에 변환 해법을 이용하여 구현되는 것인 채널 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 N은 상기 시스템에 연관된 미드앰블 코드의 최대 갯수인 것인 채널 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 N은 K개의 버스트로 전송된 상이한 미드앰블의 갯수인 것인 채널 추정 방법.
제1항에 있어서, 상기 추정의 차원(dimension)은 상기 무선 채널의 채널 응답의 길이인 것인 채널 추정 방법.
코드 분할 다중 접속을 이용하는 무선 시분할 이중 통신 시스템에 사용되는 수신기로서, 상기 시스템은 N개의 미드앰블 시퀀스와 연관되고, 상기 시스템의 단일 송신기는 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K개의 통신 버스트를 전송하고, 각각의 버스트는 N개의 시퀀스 중에 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖고, N개의 미드앰블 사퀀스를 아는 수신기에 있어서,

상기 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 포함하는 K개의 통신 버스트를 수신하는 안테나와;

기지의 N개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬을 구성하고 상기 N개의 블록 중 하나와 상기 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 상기 수신기와 상기 단일 송신기간에 무선 채널을 추정하는 채널 추정기 및,

상기 추정된 무선 채널을 이용하여 상기 수신된 통신 버스트로부터 데이터를 복구하기 위한 데이터 검출기를 포함하는 수신기.
제8항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 복수 사용자 검출기인 것인 수신기.
제8항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 단독 사용자 검출기인 것인 수신기.
제8항에 있어서, 상기 무선 채널 추정은 최소 제곱 해법을 이용하여 수행되는 것인 수신기.
제11항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 이산 푸리에 변환 해법을 이용하여 구현되는 것인 수신기.
제11항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 단일 사이클의 상관기를 이용하여 구현되는 것인 수신기.
코드 분할 다중 접속을 이용하며 N개의 미드앰블 시퀀스에 연관된 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템으로서, 통신 버스트를 이용하여 통신하고, 각각의 버스트는 관련된 미드앰블 시퀀스를 갖는 것인 상기 시스템에 있어서,

데이터를 생성하는 데이터 생성기와,

동일한 타임 슬롯과 공유 스펙트럼 내에 있도록 시간 다중화된 K개의 통신 버스트로 상기 생성된 데이터를 포맷화하는 복수의 변조/확산 장치 및

상기 K개의 통신 버스트를 방사하기 위한 안테나를 포함하는 기지국과;

상기 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 포함하는 K개의 통신 버스트를 수신하는 안테나와,

상기 N개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬을 구성하고 상기 K개의 블록 행렬과 상기 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 상기 기지국과 사용자 장치간의 무선 채널을 추정하는 채널 추정기 및

상기 추정된 무선 채널을 이용하여 사기 수신된 통신 버스트로부터 데이터를 복구하는 데이터 검출기를 포함하는 사용자 장치를 포함하는 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제14항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 복수 사용자 검출기인 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제14항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 복수개의 단독 사용자 검출기인 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제14항에 있어서, 상기 무선 채널 추정은 최소 제곱 해법을 이용하여 수행되는 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제17항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 이산 푸리에 변환 해법을 이용하여 구현되는 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제17항에 있어서, 상기 최소 제곱 해법은 단일 사이클의 상관기를 이용하여 구현되는 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.
제14항에 있어서, 상기 기지국은 2 Mbps의 데이터 속도로 데이터를 상기 사용자 장치에 효율적으로 전송하는 것인 무선 확산 스펙트럼 통신 시스템.