KR20030019838A - 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스마트안테나를 기지국에 적용하기 위해 파일럿 채널을 사용하여 빔형성기의 계수벡터를 구하는 과정에서 계산량을 줄임과 동시에 복잡도를 줄일 수 있도록 한 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 복소 역확산부로부터 출력되는 I-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부와 상기 복소 역확산부로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부로 구성되는 복소 왈쉬 역확산부와, 상기 복소 왈쉬 역확산부의 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 I-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터와 상기 복소 왈쉬 역확산부의 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 Q-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터를 인가받아 복소 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 의해 빔 형성 계수벡터를 계산하는 계수벡터 계산기로 구성된다.

Description

파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기{Beam Former for BS of Mobile Communication System Using Pilot Chammel}
본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스마트안테나를 기지국에 적용하기 위해 파일럿 채널을 사용하여 빔형성기의 계수벡터를 구하는 과정에서 계산량을 줄임과 동시에 복잡도를 줄일 수 있도록 한 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기에 관한 것이다.
일반적으로 스마트안테나는 지능적(intelligent)이고 적응 배열(adaptive arrays)을 갖는다. 그리고 신호환경에 응답하여 방사 패턴(radiation pattern)을 자동적으로 변화시켜줄 수 있고, 원하는 고객의 방향을 향한 최적의 지향 빔(optimum directional beam)과 다른 간섭방향을 향해 패턴 널(pattern nulls)의 특성을 갖는다. 스마트 안테나는 신호를 수신한 다음 그 신호들로부터 SNIR(SNR+ 간섭신호)을 최대로 하는 빔의 방향을 찾아준다. 그리고 임의의 빔 합성이 가능하고, 가장 강한 신호의 빔 선택, 이동체 동적 추적, 채널 간섭신호제거 및 전방향 신호를 이용한다.
이러한 스마트안테나의 장점은, 높은 안테나 이득, 간섭, 공간의 다양성(spatial diversity), 양호한 전력효율(power efficiency), 양호한 레인지(range/커버리지(coverage)), 용량 증가, 높은 비트율(bit rate) 및 낮은 전력소모에 있다.
또한, 스마트안테나의 종류에는 섹터 안테나(sectored antenna), 다이버시티 안테나(diversity antenna), 스위치 빔 안테나(switched beam antenna) 및 적응형 배열 안테나(addaptive array antenna)가 있다.
상기 스마트 안테나 시스템은 n개의 배열 안테나로부터 수신된 신호를 이용하여, 각각의 가입자들에게 적응적인 빔을 형성하여 SIR(Signal to interference Ratio)과 SNR(Signal to Noise Ratio)을 높여, 기존의 CDMA 시스템보다 커버리지와 용량을 증가시킬 수 있는 차세대 이동통신 시스템의 핵심 기술분야이다.
이러한 일반적인 스마트 안테나 방식을 적용한 종래의 스마트 안테나 시스템의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수개의 스마트 안테나(10), 복수개의 곱셈기(11)와 합산기(12) 및 알고리즘 선택 후 수신신호를 처리해 주는 신호 처리부(13)로 구성된다.
상기 도 1을 참조하여 종래 스마트 안테나 시스템의 동작을 간략하게 설명하면, 스마트 안테나(10) 즉, 적응적 배열을 가지는 복수개의 안테나(10-1~10-n)로부터 수신된 배열 입력 벡터 신호(x1~xn)들은 각각의 곱셈기(11-1~11-n)로 인가되어 신호 처리부(13)에 의해 적응적으로 조절되는 복소수의 가중치(w1~wn)들과 곱하여져 출력된다. 상기 출력되는 신호는 합산기(12)로 인가되며, 상기 합산기(12)에서 입력된 신호를 결합하여 배열 출력(y)을 얻음으로써 수신 빔(Beam) 형태상에서 원하는 신호가 오는 방향으로 이득을 주고 간섭신호가 오는 방향으로 널(Null)을 형성하여 공간적으로 선택적인 수신을 가능하게 한다.
그리고, 상기 스마트 안테나 시스템의 핵심이 되는 빔형성기의 계수 벡터를구하는 방법으로는, 파일럿 신호나 채널을 이용하는 LMS(Least Mean Square) 알고리즘과 통화 채널만을 이용하는 블라인드 알고리즘이 있다.
상기 블라인드 알고리즘은 LMS를 사용하기 위해 원하는 사용자의 정보를 추정하는 과정을 필요로 하므로 많은 계산량을 요구한다.
따라서, 계산량을 줄이며 성능을 향상시킬 수 있는 파일럿을 이용한 알고리즘이 차세대 이동통신 시스템에 적합할 것으로 고려되었으나, 새로운 IS-2000의 규격에서 왈쉬 코드가 사용되는 방식이 기존의 IS-95방식과 달라서 기존의 제안된 파일럿을 이용하는 방법은 IS-2000에 적합하지 않은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 본 발명의 목적은, 파일럿 채널의 신호를 복조하기 위해 복소 역확산된 신호의 I-채널과 Q-채널에 같은 파일럿 왈쉬 코드로 복소 왈쉬 역확산을 수행하여 어레이 안테나 수신신호의 위상 정보를 보존하고 복소 왈쉬 역확산후 빔형성기에서 계수 벡터를 계산하고, 실수부와 허수부로 각각 나누어 왈쉬 역확산 된 주 통화 채널과 부 통화 채널의 신호에 계수 벡터를 곱하여 빔형성을 수행할 수 있도록 한 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기의 특징은, 안테나, 다운컨버터, 복소 역확산부, 부 통화채널 왈쉬 디커버링부, 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부, 빔형성기, 제1계수벡터 계산부, 제2계수벡터 계산부가 구비된 이동통신시스템의 송수신장치에 있어서, 상기 빔형성기는 상기 복소 역확산부로부터 출력되는 I-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부와 상기 복소 역확산부로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부로 구성되는 복소 왈쉬 역확산부와, 상기 복소 왈쉬 역확산부의 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 I-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터와 상기 복소 왈쉬 역확산부의 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 Q-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터를 인가받아 복소 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 의해 빔 형성 계수벡터를 계산하는 계수벡터 계산기로 구성된다.
도 1은 일반적인 스마트 안테나 시스템의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 송신장치를 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 수신장치를 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기를 나타낸 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200∼200+n : 안테나,
210∼210+n : 다운컨버터,
220∼220+n : 복소 역확산부,
230 : 부 통화채널 왈쉬 디커버링부,
240 : 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부,
250 : 빔형성기.
이하, 본 발명에 따른 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 송신장치를 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 왈쉬 코드와 역방향 부 통화 채널 2를 인가받아 혼합하는 제1혼합부(100)와, 왈쉬코드와 역방향 전담제어 채널을 인가받아 혼합하는 제2혼합부(110)와, 상기 제1,2혼합부(100)(110)로부터 출력되는 신호와 역방향 파일럿 채널을 인가받아 합산하여 I-채널 데이터를 출력하는 제1합산부(120)와, 왈쉬코드와 역방향 주 통화 채널을 인가받아 혼합하는 제3혼합부(130)와, 왈쉬코드와역방향 부 통화 채널 1/역방향 공통 제어 채널/역방향 향상된 억세스 채널을 인가받아 혼합하는 제4혼합부(140)와, 상기 제3,4혼합부(130)(140)로부터 출력되는 신호를 인가받아 합산하여 Q-채널 데이터를 출력하는 제2합산부(150)와, 상기 제1합산부(120)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 상기 제2합산부(150)로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 복소 확산 데이터를 출력하는 복소 확산부(160)로 구성된다.
도 3은 본 발명이 적용되는 이동통신 시스템의 수신장치를 나타낸 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 안테나(200∼200+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 다운 컨버팅하는 다운컨버터(210∼210+n)와, 상기 다운컨버터(210∼210+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 인가받아 복소 역확산된 의사 잡음 코드를 출력하는 복소 역확산부(220∼220+n)와, 상기 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 디커버링 부 통화 채널을 출력하는 부 통화채널 왈쉬 디커버링부(230)와, 상기 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 디커버링 주 통화 채널과 부 통화 채널을 출력하는 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부(240), 상기 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 인가받아 빔을 형성함과 아울러 빔의 계수벡터를 구하는 파일럿을 이용한 빔형성기(250)와, 상기 부 통화채널 왈쉬 디커버링부(230)로부터 출력되는 데이터와 상기 빔형성기(250)로부터 출력되는 빔의 계수벡터를 인가받아 부 통화 채널 2를 출력하는 제1계수벡터 계산부(260)와, 상기 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부(240)로부터 출력되는 데이터와 상기 빔형성기(250)로부터 출력되는 빔의 계수벡터를 인가받아 주 통화 채널과 부 통화 채널을 제2계수벡터 계산부(270)로 구성된다.
그리고, 상기 빔형성기(250)를 도 4를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 빔형성기(250)는 상기 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(280)와 상기 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(290)로 구성되는 복소 왈쉬 역확산부(300)와, 상기 복소 왈쉬 역확산부(300)의 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(280)로부터 출력되는 I-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터와 상기 복소 왈쉬 역확산부(300)의 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(290)로부터 출력되는 Q-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터를 인가받아 빔 형성 계수벡터를 계산하는 계수벡터 계산기(310)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 이동통신시스템의 송수신장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 송신장치의 제1혼합부(100)는 왈쉬 코드와 역방향 부 통화 채널 2를 인가받아 혼합하고 혼합된 데이터를 제1합산부(120)로 출력한다.
여기서, 상기 왈쉬 코드는 의사잡음(PN:Pseudo Noise)에 의해 걸러진 한 셀 혹은 섹터의 신호 중에서 이동국별 신호를 구별하는데 사용된다.
또한, 제2혼합부(110)는 왈쉬코드와 역방향 전담제어 채널을 인가받아 혼합하고 혼합된 데이터를 제1합산부(120)로 출력한다.
그리고, 상기 제1합산부(120)는 제1혼합부(100)/제2혼합부(110)로부터 출력되는 데이터와 역방향 파일럿 채널 데이터를 인가받아 합산하고, 이때 합산된 I-채널 데이터를 복소확산부(160)로 출력한다.
한편, 제3혼합부(130)는 왈쉬 코드와 역방향 주 통화 채널을 인가받아 혼합하고 혼합된 데이터를 제2합산부(150)로 출력한다.
또한, 제4혼합부(140)는 왈쉬코드와 역방향 전담제어 채널을 인가받아 혼합하고 혼합된 데이터를 제2합산부(150)로 출력한다.
그리고, 상기 제2합산부(150)는 제3혼합부(130)/제4혼합부(140)로부터 출력되는 데이터를 인가받아 합산하고, 이때 합산된 Q-채널 데이터를 복소확산부(160)로 출력한다.
특히, 복소확산부(160)는 상기 제1합산부(120)와 제2합산부(150)로부터 각각 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 인가받아 복소 왈쉬 확산하여 수신장치로 송신한다.
여기서, 왈쉬의 칩률(chip rate)이 1.2288Mcps가 되고 그 후 각 채널들이 의사잡음 코드(PN code)에 의해서 복소 확산되어서 전송된다. 따라서 수신장치에서 의사잡음 코드로 역확산을 하고 나면 여전히 1.2288Mcps의 칩률이 된다.
한편, 상기 수신장치의 다운컨버터(210∼210+n)는 안테나(200∼200+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 다운 컨버팅하여 복소역확산부(220∼220+n)로 출력한다.
상기 복소 역확산부(220∼220+n)는 다운컨버터(210∼210+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 인가받아 의사잡음 코드에 의해서 복소 역확산된 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터로 분리하여 상기 복소 역확산부(220∼220+n)의 I-채널 데이터는 부 통화채널 왈쉬 디커버링부(230)로 출력하고, 상기 복소 역확산부(220∼220+n)의 Q-채널 데이터는 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부(240)로 출력한다.
그리고, 상기 복소 역확산부(220∼220+n)는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 빔형성기(250)로 출력한다.
이어, 상기 부 통화채널 왈쉬 디커버링부(230)는 I-채널 데이터를 왈쉬 디커버링하여 제1계수벡터 계산부(260)로 출력한다.
또한, 상기 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부(240)는 Q-채널 데이터를 왈쉬 디커버링하여 제2계수벡터 계산부(270)로 출력한다.
한편, 상기 빔형성기(250)는 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터와 Q-채널 데이터를 파일럿 왈쉬 역확산 시켜 어레이 안테나 입력 신호가 포함하고 있는 위상차를 이용하여 LMS(Least Mean Square)를 통해 어레이 안테나의 계수벡터를 구한후, 그 계수벡터를 제1,2계수벡터 계산부(260)(270)으로 출력한다.
상기 제1계수벡터 계산부(260)는 부 통화채널 왈쉬 디커버링부(230)로부터 출력되는 데이터와 빔형성기(250)로부터 출력되는 계수벡터를 곱하거나 합하여 부통화 채널 2를 출력한다.
상기 제2계수벡터 계산부(270)는 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부(240)로부터 출력되는 데이터와 빔형성기(250)로부터 출력되는 계수벡터를 곱하거나 합하여 주 통화 채널/부 통화 채널을 출력한다.
상기 빔형성기(250)의 동작을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(280)는 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 I-채널 데이터를 파일럿 왈쉬 역확산 시켜 계수벡터 계산기(310)로 출력한다.
또한, Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부(290)는 복소 역확산부(220∼220+n)로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 파일럿 왈쉬 역확산 시켜 계수벡터 계산기(310)로 출력한다.
이어, 상기 계수벡터 계산기(310)는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링(280)으로부터 출력되는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링 데이터와 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링(290)으로부터 출력되는 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링 데이터를 어레이 안테나 입력 신호가 포함하고 있는 위상차를 이용하여 LMS(Least Mean Square)를 통해 어레이 안테나의 계수벡터를 구한다.
여기서, 상기 LMS 알고리즘은 다음과 같이 동작한다.
수신장치에서 n번째 심볼 주기동안 왈쉬 복소 역확산된 각 안테나의 파일럿 채널의 신호를 x(n)이라 하고 전송한 파일럿 채널의 신호를 d(n)이라 하면 LMS 알고리즘의 오차는 수학식 1과 같이 정의된다.
e(n)=d(n)-wH(n)x(n)
그리고, 안테나의 개수를 K개라 했다면, x는 K차원 벡터가 되고, K차원 벡터 w는 빔형성기(250)의 계수벡터을 의미하며, ( )H은 복소 공액 전치를 의미한다.
여기서, 계수벡터는 수학식 2와 같이 갱신된다.
w(n+1)=w(n) + μe(n)x(n)
이와 같이 계수 벡터를 구하게 되면 이를 통화 채널의 왈쉬 역확산된 신호에 곱하여 빔형성을 수행한다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 IS-2000 규격에 적합한 파일럿 채널을 이용하는 빔형성기의 구조를 제안함으로써 통화 품질의 향상과 기지국 용량을 증대시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블라인드 방식의 빔형성기에 비해 계산량을 줄일 수 있으며, 기존의 IS-95규격에서 파일럿을 이용하는 빔형성기가 왈쉬 역확산된 실수부 신호로부터 추출해낼 수 없었던 어레이 안테나 수신신호의 위상정보를 활용할 수 있다.

Claims (1)

  1. 안테나, 다운컨버터, 복소 역확산부, 부 통화채널 왈쉬 디커버링부, 주/부 통화채널 왈쉬 디커버링부, 빔형성기, 제1계수벡터 계산부, 제2계수벡터 계산부가 구비된 이동통신시스템의 송수신장치에 있어서,
    상기 빔형성기는 상기 복소 역확산부로부터 출력되는 I-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부와 상기 복소 역확산부로부터 출력되는 Q-채널 데이터를 인가받아 왈쉬 역확산하는 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링부로 구성되는 복소 왈쉬 역확산부와;
    상기 복소 왈쉬 역확산부의 I-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 I-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터와 상기 복소 왈쉬 역확산부의 Q-채널 파일럿 왈쉬 디커버링으로부터 출력되는 Q-채널 파일럿 왈쉬 역확산 데이터를 인가받아 복소 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 의해 빔 형성 계수벡터를 계산하는 계수벡터 계산기로 구성된 것을 특징으로 하는 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기.
KR1020010053196A 2001-08-31 2001-08-31 파일럿 채널을 이용한 이동통신기지국의 빔형성기 KR20030019838A (ko)

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