KR20030039903A

KR20030039903A - 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하는에레이 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20030039903A
Application number: KR1020010071284A
Authority: KR
Inventors: 안성수; 리젠자
Original assignee: 주식회사 세스텍
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-05-22

Abstract

본 발명은 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치에 관한 것이다. 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하여 다중경로 페이딩이 있는 CDMA 이동통신 환경 하에서 레이크(Rake) 수신기를 사용했을 때의 성능을 분석한 결과, 다양한 신호 환경 하에서도 수신신호의 성능이 향상되면서 실시간 처리가 가능하다는 것이 확인되었다. 본 발명에 따르면 처리이득이 낮든지 또는 원하는 신호(Desired Signal)가 너무 많은 수의 작은 요소들로 산란 입사하여 수신출력이 작은 등의 나쁜 신호 환경에서도, 최적의 웨이트벡터를 계산해 기존의 온-오프 알고리즘의 단점을 개선하여, 최적의 빔 패턴을 제공함으로써 SNR을 높이고 BER을 낮추며, 다양한 신호 환경에서도 잡음과 간섭의 영향을 월등하게 줄임으로써 채널의 용량을 증대시키고 통신 품질도 향상시킨다.

Description

행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하는 에레이 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치{SIGNNAL PROCESSING METHOD AND APPARATUS USING GENERALIZED ON-OFF ALGORITHM IN AN ARRARY ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 일반화된 온-오프 알고리즘(Generalized On-Off Algorithm)을 이용하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 기술에 관한 것으로, 특히 원하는 신호의 방향으로 최대이득을 가진 빔패턴을 형성하도록 최적의 웨이트 벡터를 구하는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치와, 그를 구현시키기 위한 프로그램이 수록된 기록매체에 관한 것이다.

이동 통신 시스템의 용량을 효과적으로 증대시키기 위한 방편으로서, 어레이 안테나 이용의 중요성에 대한 인식이 널리 확산되고 있다. 일반적으로, 어레이 안테나 시스템을 채용하면 신호를 공간에서 선택적으로 수신할 수 있도록 하기 때문에 간섭 신호의 효율적인 제거 혹은 감소를 통해 무선 통신 품질을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

어레이 안테나 시스템 분야에서 빔패턴 계산을 위해 사용되어 오던 종래의 대표적 신호처리 알고리즘으로는, 고유 분리법(Eigen Decomposition)과, LMS방법(Least Mean Square)이 있으나([1] Ronald A. ILTIS and Laurence B. Milstein, "An Approximate Statistical Analysis of the Widrow LMS Algorithm with Application to Narrow-Band Interference Rejection", IEEE Trans. on Communication, Vol. COM-33, NO. 2, Feb 1985 와, [2] R. T. Comton, Jr., Adaptive antennas concepts and performance, Prentice Hall Inc., 1988. 각 참조)이 널리 알려져 있다. 전자는 모든 고유치 계산에 따른 계산 량이 많다는 문제점이 있고, 후자는 기준신호를 수신 측에서 알고 있어야 한다는 문제점을 내포하고 있다.

또한, 종래의 온-오프(On-Off) 알고리즘은 어레이 안테나 출력파워와 각 어레이 소자의 위상에 위상이득(Phase Gain)을 더한 출력파워 차이를 비교하여 그 부호로 위상의 증감을 결정하고 있다.([3] Tayeb A. Denidni and Gilles Y. Delisle, "A Nonlinear Algorithm for Output Power Maximization of Indoor Adaptive Phased Array", IEEE Trans. on Electromagnetic Compatibility, vol. 37, NO. 2, May 1995 와, [4] 염재흥, "그래디언트 On-Off 방법을 이용한 적응안테나 어레이", 한양대학교 대학원 석사논문, 1996. 각 참조)

그러나, 위와 같은 종래의 온-오프(On-Off) 신호처리 알고리즘은, 신호환경이 변할 때 위상이득의 크기 결정에 대한 어려움이 있고, 잘못된 위상이득 값으로 출력파워의 증감에 대한 오류가 발생될 문제를 내포하고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 안테나 어레이의 역확산기(Despreader)의 출력단의 웨이트된 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비를 그래디언트(Gradient)하여 그 결과 값의 부호로 위상의 증감을 계산하는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하여, 원하는 신호의 방향으로 최대이득을 가진 빔패턴을 형성하도록 최적의 웨이트벡터를 구하는 신호처리 방법을 제공함에 그 목적을 두고 있다.

또한, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 안테나 어레이의 역확산기의 출력단의 웨이트된 파워와 입력단의웨이트된 파워의 비를 그래디언트하여 그 결과 값의 부호로 위상의 증감을 계산하는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하여, 원하는 신호의 방향으로 최대이득을 가진 빔패턴을 형성하도록 최적의 웨이트벡터를 구하는 신호처리 장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

또한, 본 발명은 안테나 어레이의 역확산기의 출력단의 웨이트된 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비를 그래디언트하여 그 결과 값의 부호로 위상의 증감을 계산하는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 이용하여, 원하는 신호의 방향으로 최대이득을 가진 빔패턴을 형성하도록 최적의 웨이트벡터를 구하는 상기 신호처리 방법을 구현시키기 위한 프로그램이 수록된 기록매체를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 어레이 안테나 수신시스템을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘 (Generalized On-Off Algorithm)을 근간으로 하여 신호처리 하는 방법의 일실시예 흐름도,

도 3은 페이딩이 있는 열악한 신호환경에서의 각 신호처리 알고리즘의 BER(Bit Error Rate) 값 비교 그래프,

도 4는 상기 도 3의 신호환경에서 같은 파워로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프,

도 5는 상기 도 3의 신호환경에서 다른 파워(90%,10%)로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프,

도 6은 상기 도 3의 신호환경에서 기준안테나(Reference Antenna) 차이에 따른 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프,

도 7은 앵글 스프레드(Angle spread)가 +1도 또는 -1도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프,

도 8은 앵글 스프레드가 +3도 또는 -3도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프,

도 9는 앵글 스프레드(Angle spread)가 +5도 또는 -5도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프,

도 10은 페이딩이 있는 양호한 신호환경에서의 각 알고리즘의 BER 값 비교 그래프,

도 11은 상기 도 10의 신호환경에서 같은 파워로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프,

도 12는 상기 도 10의 신호환경에서 다른 파워(90%,10%)로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 수신처리부 130 : 역확산부

150 : 신호처리부 160 : 웨이팅 처리부

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 일실시예 어레이 안테나 수신시스템을 개략적으로 나타낸 것으로서, 도면에서 110은 수신처리부, 130은 역확산부, 150은 신호처리부, 160은 웨이팅 처리부를 각각 나타낸다.

도면에 도시된 바와 같이, 수신처리부(110)는 N개의 안테나가 반 파장씩 떨어져 등간격으로 배열되어 있는 선형 어레이 안테나 구성을 가지며, 각 안테나 소자별로 수신되는 신호에 대해 주파수 저역 천이 및 복조처리 한다.

역확산부(130)는 상기 수신처리부(110)를 통해 출력되는 주파수 저역천이 및 복조 처리된 안테나 소자별 수신신호를 입력받아 역확산 처리하고 그 결과 신호를 출력한다.

또한, 신호처리부(150)는 본 발명에 따른 일반화된 온-오프 알고리즘 (Generalized On-Off Algorithm)을 근간으로 하여, 최적의 웨이트 벡터를 구하여 출력하는 기능부로서, 상기 수신처리부(110)에 의해 주파수 저역천이 및 복조 처리된 신호 즉 역확산전 수신신호와, 상기 역확산부(130)를 통해 역확산된 신호를 수신하고, 웨이트된 수신신호X()와Y ( )를 각각 계산하며, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 계산하고 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고 현재의 안테나 위상 값에 더하여 새로운 위상 값으로 갱신하고 그 갱신된 위상벡터를 이용하여 웨이트벡터를 갱신하는 바, 이에 대한 상세한 내용은 뒤에서 다루기로 한다.

웨이팅 처리부(160)는 상기 역확산부(130)로부터 출력되는 각 안테나 소자별 역확산된 수신 신호에, 상기 신호처리부(150)에 의해 갱신되어 출력되는 상응하는 웨이트 벡터를 가하여 웨이팅 한다.

상기한 바와 같이, 도 1에서 본 발명이 선형 배열 안테나 시스템에 적용되는 경우를 설정하고 있지만, 이는 설명의 편리상 취해진 것에 불과하고, 본 발명의 기술사상은 선형 배열 안테나 뿐만 아니라 다양한 형태의 배열 안테나에서도 마찬가지로 방식으로 적용되어 동작하는 것임은 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 있어 자명할 것이다.

각각의 안테나 소자는 전 방향에 대해서 동일한 이득을 주는 등방성 (Omnidirectional)안테나라고 가정한다.

수신 신호가 방향각도로 안테나 어레이에 입사하게 되면 두 안테나 소자간에 상대적인 시간 지연이 생긴다. 어레이 소자간 시간 지연는 다음과 같다.

상기 [수학식 1]에서는 입사파가 완전한 평면파로 가정하고 있으나, 이는 단지 설명상의 편리를 위한 것이며, 본 발명 기술은 일반적인 경우에 모두 적용가능하다. 여기서, c 는 파의 진행 속도,d는인접한 두 안테나 소자간의 간격으로 본 명세서에서는로 가정하였고, 는 송신신호의 반송 주파수이다.

신호의 입사각이일때 인접한 두 안테나 소자간의 위상차는 다음과 같다.

따라서, 기준 안테나(본 발명의 바람직한 일실시예에서는 편의상 첫 번째 안테나를 기준 안테나로 함)로부터 m번째 떨어진 안테나 소자에 수신되는 역확산전 추출부에서 수신된 신호는 다음과 같다.

역확산후 추출부에서m번째 안테나의 수신신호는 다음과 같다.

여기서,는k번째 사용자 신호원으로부터 전송된 신호가 기준 안테나에서 수신된 값이고,는k번째 신호원의 도달각이며,는m번째 안테나에 더해진 열 잡음으로 평균이 0인 백색 가우시안(AWGN)으로 고려하고, PG (Processing Gain)는 처리이득이다.

상기 [수학식 3]에 다중경로에 의한 페이딩을 고려하면m번째 안테나에서의 수신 신호는 다음과 같다.

여기서L는 다중경로의 수를,는k번째 신호에서i번째 경로의 딜레이(delay)를,는 도플러 주파수를,는k번째 신호에서i번째 산란(scattered)한 방향을 나타낸다.

상기 [수학식 4]에서가 협대역 신호라면라고 할 수 있고, [수학식 3]의 마지막 항을 만족한다.

상기 [수학식 3]를 벡터표기법으로 나타내면 하기 [수학식 6]과 같다.

수신된 신호벡터는 추후계산될와 내적(linear product)되어 다음과 같이 어레이 시스템의 출력X(t)을 이루게 된다.

,와 는 크기의 벡터로 아래와 같다.

크기의 행렬A는 하기 [수학식 11]와 같이 각 신호의 방향벡터 (Steering Vector)로 구성된다.

단,

여기서는k번째 신호의 방향벡터(steering vector)이다.

기존의 온-오프 방법이 간섭신호가 너무 강한 신호환경 등에서는 원하는 신호(Desired Signal)를 최대로 증폭시키지 못하므로, 이와 같은 불리한 신호환경을 고려하여(처리이득이 낮든지, 원하는 신호가 너무 많은 수의 작은 요소들로 산란(Scattered) 입사하여 수신출력이 작은 경우), 본 발명에서는 바람직하게 개선시킨 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 방법을 제안한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘은 종래의 온-오프 방식과는 달리, 단순히 어레이 시스템의 출력파워를 최대화하는 대신 역확산기의(Despreader) 출력단의 웨이트된 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비를 구한 다음, 그 파워비를 최대로하는 파라미터, 즉, 이득벡터(weight vector,)를 구한다. 이 이득벡터는 역확산기의 입력단과 출력단에서 얻은 웨이트된 파워비(power ratio)를 최대화하는 값으로써, 파워비의 그래디언트 값을 구하여, 그 그래디언트 값의 부호에 따라서 적응이득의 증감을 결정한다. 결정된 적응이득의 값을 현재의 위상지연 벡터에 더해 갱신된 위상지연 벡터를 구하고, 웨이터벡터를 최종적으로 갱신하는 것이다.

상기 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘에 대하여, 수식적으로 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 역확산기의 출력단 웨이트된 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비는 하기 [수학식 12]와 같이 정의된다.

여기서,및는 각각 상기 역확산후 및 역확산전 수신신호의 자기상관 행렬,는 역확산전의 수신신호,는 역확산 후의 신호, 윗첨자 H는 복소전치 (Complex-conjugate and transpose) 연산자를 의미한다.

또한, 위상벡터를 구하기 위해서 역확산기의 출력단의 웨이트된 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비의 그래디언트는 하기 [수학식 13]과 같이 쓸 수 있다.

여기서,는 각 안테나에 대한 입출력단의 파워비를 위상 값(단,임)으로 그래디언트한 값이며, N개의 안테나 중 m번째 안테나 요소(Element)의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값은이고, 입출력단의 파워비를 위상으로 그래디언트 하기 위해서는 위상을 포함하고 있는 이득벡터로의 그래디언트도 고려(이때, 체인 룰(Chain rule)을 적용하면 됨)해야 하므로 [수학식14] 같이 된다.

따라서 각 안테나 소자의 파워 비에 대한 그래디언트 값은 다음과 같이 표현된다.

또 상기 [수학식 14]의 우변 첫 번째 항을 구해보면 다음과 같다.

는 전 스냅샷의 역확산전 수신신호이고,는 전 스냅샷의 역확산후 수신신호를 의미한다.

또 상기 [수학식 14]의 우변 두 번째 항을 구해보면 다음과 같다.

상기 [수학식 16] 및 [수학식 17]은 서로 공액 복소수이므로 최종 그래디언트 값를 다음 [수학식 18]과 같이 구할 수 있다.

따라서 모든 안테나 소자의 파워 비에 대한 그래디언트 값은 다음 [수학식 19]와 같다.

상기 [수학식 19]를 이용하여 각 안테나 소자에 적용될 위상벡터 값을 다음[수학식 20]과 같이 갱신할 수 있다.

여기서,는 역확산의 웨이트된 출력단의 파워와 입력단의 파워 비의 그래디언트 값에 대한 증감정도를 결정하는 적응이득(Adaptive Gain)이다. sign은 시그넘함수로서의 부호에 따라 +1 또는 -1로 나타난다.

상기 적응이득() 값은 다양한 컴퓨터 모의 실험결과, 본 발명의 기술을 일반적인 육상이동통신 환경에 적용할 경우 0 - 0.5 범위 내로 하는 것이 최적의 성능을 발휘함을 알 수 있다.

그러므로 상기 [수학식 19]를 상기 [수학식 20]에 대입한 다음, 위상을 갱신해 주면, 다음과 같이 웨이터벡터가 결정된다.

위에서 설명한 최적의 웨이트 벡터를 구하는 절차를, 첨부된 도 2의 흐름도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 근간으로 하여 신호처리 하는 방법에 대한 흐름도로서, 최초 신호를 수신하기 전에 웨이트벡터를 임의의 값으로 초기화하고, 스냅샷인덱스(Snapshot index)를 초기화한다(201). 여기서 "스냅샷"이라 함은 배열 안테나에 입사되는 신호를 관측하여 새로운 웨이트벡터를 계산하는 시간을 말한다.

그리고, 수신신호 처리부(110)에 의해 주파수 저역천이 및 복조 처리된 신호 즉 역확산전 수신신호와, 역확산부(130)에서 역확산된 신호를 각각 수신한 후, 웨이트된 수신신호X()와Y ( )를 각각 계산한다(203).

그리고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 상기 [수학식 19]와 같이 계산한다(205).

그리고 나서, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정한 다음, 상기 [수학식 20]과 같이 현재의 안테나 위상 값에 더하여 새로운 위상 값으로 갱신한다(207).

즉, 역확산전후의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트값을 하기식에 따라 계산한다.

(단,는 전 스냅샷의 역확산전 수신신호이고,는 전 스냅샷의 역확산후 수신신호를 의미하고,,를 의미함.)

그리고, 상기 각 안테나소자의 역확산전후의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트값의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 아래의 수학식과 같이 현재의 안테나 위상지연벡터값에 더하여 새로운 위상지연벡터값으로 갱신한다.

(단,, N은 상기 안테나 배열 시스템의 안테나소자의 개수이고, 윗첨자 T는 전치 연산자임.)

상기 처리과정에서, 적응이득값을 정함에 있어서는, 상기의 크기를 1로 정규화시킨 경우 0 - 0.5 범위내의 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 매 스냅샷에서 갱신한 상기 위상지연 벡터를 이용하여 계산한 상기 웨이트 벡터를 매 스냅샷마다 크기가 1인 벡터로 정규화하거나, 상기한 바와 같이 웨이트벡터를 정규화함에 있어 상기 웨이트 벡터의 최중앙 요소로 상기 웨이트 벡터를 나눈후 크기가 1인 벡터로 정규화할 수 있다(예컨대, N=7인 경우,를 정규화함). 한편, 상기한 바와 같이 웨이트벡터를 정규화함에 있어, 안테나소자의 개수가 짝수이어서 상기 최중앙 요소가 존재하지 않는 경우에는 상기 최중앙 요소에서 가장 가까운 요소로 상기와 같이 나누어 정규화하는 것이 바람직하다 (예컨대, N=8인 경우,혹은를 정규화함). 또한, 상기 웨이트 벡터를 정규화 할 때, 위에서 예시한 바와 같이 1로만 정규화하는 것이 아니라, 그 크기를 1이 아닌 다른 상수로 정규화할 수도 있다.

그리고 상기한 바와 같은 과정을 통해 갱신된 위상벡터를 이용하여 상기 [수학식 21]과 같이 웨이트벡터를 갱신한다(209).

이때, 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 행렬처리방식으로 일반화된 고유치 방정식()의 최대고유치에 대응하는 고유벡터()를 상기 웨이트 벡터로 정하는 것이 바람직하며, 다른 방법으로서, 상기한 바와 같이 평균파워 비율을 최대화하는 대신에, 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 사용하거나, 또는 역확산 후 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 사용할 수도 있다. 또는 상기한 바와 같이 평균파워 비율을 최대화하는 대신에, 역확산 전 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 사용하는 방법을 취할 수도 있다.

그리고, 상기 역확산후 및 역확산전 수신신호의 자기상관 행렬을 구함에 있어, 매 스냅샷마다 이전 스냅샷에서의 자기 상관 행렬을및로 갱신함이 바람직하다. (단, f 는 0과 1 사이의 크기로 미리 정한 망각인자를,는 역확산된 수신신호벡터를,는 역확산전의 수신신호를 의미함, 윗첨자H 는 복소전치연산자를 의미함)

또한, 차기 스냅샷에 대한 신호처리를 위해서는 스냅샷 인덱스를 증가시키면서 반복적으로 웨이트 값 갱신이 이루어지도록 한다(211, 213). 즉, 차기 스냅샷에 대한 처리로서, 다시 상기 역확산전후 수신신호,를 각각 수신하고, 웨이트된 수신신호X()와Y ( )를 각각 계산하는 처리 과정부터 일련의 신호처리 절차(203 내지 209)가 반복되도록 한다.

컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 수행 및 성능 분석으로서, 개선된 상기 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘을 기존 온-오프 알고리즘 및 범용 LMS알고리즘과의 BER값으로 비교 분석해 보았다. 또한 각 핑거수에 따라 페이딩 영향이 어떻게 변화되고, 수용 가능한 가입자가 얼마나 되는지 등의 레이크 수신기 사용시의 성능 개선도 비교 평가하였으며, 페이딩이 있는 경우와 앵글 스프레드(Angle Spread)가 있는 경우의 각 알고리즘 성능 및 한 개의 안테나를 썼을 때의 성능을 BER과 캐패시티(Capacity) 관점에서 비교하였는 바, 그 결과를 도 3 내지 도 12에서 각각 예시하고 있다.

도 3은 페이딩이 있는 열악한 신호환경에서의 각 신호처리 알고리즘의BER(Bit Error Rate) 값 비교 그래프이고, 도 4는 상기 도 3의 신호환경에서 같은 파워로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프로서 2 핑거 레이크(Finger Rake) 수신기를 사용한 경우를 나타낸 것이고, 도 5는 상기 도 3의 신호환경에서 다른 파워(90%,10%)로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프로서 이것 역시 2 핑거 레이크 수신기를 사용한 경우를 나타낸 것이며, 도 6은 상기 도 3의 신호환경에서 기준안테나(Reference Antenna) 차이에 따른 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프이다.

상기 도 3에서 보는 바와 같이 간섭자 수와 무관하게 본 발명한 알고리즘이 타 알고리즘보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 4 및 도 5는 2 핑거(Finger) 사용시 수신파워를 동일하게 할 때와 각기 다르게 할 때의 성능을 비교하였다. 두 경우 모두 LMS 알고리즘보다 우수한 성능을 나타나는 것을 알 수 있다. 도 6은 8개 안테나 어레이에서 첫 번째를 기준안테나(Reference)로 했을 경우와 4번째를 기준안테나로 선택했을 경우에 대한 성능비교이다. 도 6에서 보는 바와 같이 기준안테나를 4번째로 잡았을때 본 발명에 따른 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘 기술이 좋은 성능을 나타내며, LMS방법과 거의 동일한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 7은 앵글 스프레드(Angle spread)가 +1도 또는 -1도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프이고, 도 8은 앵글 스프레드가 +3도 또는 -3도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능 비교 그래프이며, 도 9는 앵글 스프레드(Angle spread)가 +5도 또는 -5도 일 경우의 각 신호처리 알고리즘의 성능비교 그래프이다.

상기 도 7, 도 8, 및 도 9에서는 앵글 스프레드가 각각 ±1˚, ±3˚, ±5˚인 경우의 각 알고리즘의 BER값을 비교 분석하였다. 도면에서 보는 바와 같이 간섭자의 수에 따라 3개의 앵글 스프레드에 대한 BER값이 다소 유동적이지만, 앵글 스프레드와 거의 무관하게 동일한 성능을 나타냄을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서 제안되는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 방식을 LMS알고리즘과 비교하되, 앞서와는 달리 좋은 신호환경에서의 경우도 비교 분석한 결과가 도 10 내지 도 12에 도시되어 있다. 이때 성능고려 요소는: (1) PG(Processing Gain) 8dB ; (2) SNR 10dB ; (3) 도플러 주파수(Doppler frequency) 40 Hz ; (4) mobility 0.01/스냅샷(snapshot) ; 그리고 (5) 안테나 수 8개로 하였다.

도 10은 페이딩이 있는 양호한 신호환경에서의 각 알고리즘의 BER 값 비교 그래프이고, 도 11은 상기 도 10의 신호환경에서 같은 파워로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프(2 핑거 레이크수신기 사용시임)이며, 도 12는 상기 도 10의 신호환경에서 다른 파워(90%,10%)로 수신될 때 각 신호처리 알고리즘의 BER 값 비교 그래프(2 핑거 레이크 수신기 사용시임)이다.

도 12를 통해 알 수 있듯이 PG가 높은 좋은 신호환경 일 때도 LMS 알고리즘과 큰 차이가 나지 않음을 볼 수 있다. 성능분석 결과는 페이딩이 존재할 때 핑거를 사용하면 기존 온-오프 알고리즘보다 본 발명에 따른 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘이 간섭자 수에 무관하게 우수한 성능이 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 앵글 스프레드 고려시 기존 온-오프 알고리즘은 간섭자 수가 증가할수록성능이 떨어지지만, 본 발명의 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘은 간섭자 수와 무관하게 우수한 성능을 나타남을 도 7, 도 8, 및 도 9를 통하여 볼 수 있다.

결론적으로 처리이득(Processing Gain)이 낮을 때와 앵글 스프레드가 발생할 때 간섭수가 많아질수록 본 발명의 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 알고리즘이 타 알고리즘보다 더욱 양호해지는 것으로 판명되었다. 또한 처리이득이 높을 때에도 LMS 알고리즘과 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 처리 방법들은 소프트웨어적으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(예컨대, 씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서 새로이 제안되는 행렬처리방식의 일반화된 온-오프 (Generalized On-off) 알고리즘은 어레이 출력 파워의 차이를 비교하는 대신에 어레이의 역확산기(Despreader) 출력단의 웨이트된(weighted) 파워와 입력단의 웨이트된 파워의 비를 어레이의 위상으로 그래디언트한 수식을 이용하여 각 어레이 소자의 위상 변화를 계산하기 때문에, 최적 웨이트값 계산을 위하여 별도의 기준신호가 필요없게 되는 우수한 효과가 있다.

또한, 성능면에서도 기존의 비선형 그래디언트 온-오프(Nonlinear Gradient On-Off) 방법보다 우수하며, 특히 신호환경이 나쁠 때에도(예컨대, 처리이득이 낮든지, 원하는 신호가 산란(Scattering) 입사하든지, 또는 파워가 작을 때를 의미함) 기존의 비선형 그래디언트 온 오프방법 보다 탁월한 성능을 띄는 우수한 효과가 있다.

Claims

잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 웨이트 벡터를 계산하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 방법에 있어서,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 단계;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 단계; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 단계를 포함하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 행렬처리방식으로 일반화된 고유치 방정식()의 최대고유치에 대응하는 고유벡터()를 상기 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.

(단,는 역확산된 수신신호벡,는 역확산전의 수신신호벡터, 윗첨자 H 는 복소전치연산자,는 ""의 평균,,이고,및는 각각 역확산후 및 역확산전의 수신신호의 자기상관행렬임)
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 웨이트 벡터를 계산하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 방법에 있어서,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 단계;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 단계; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 단계를 포함하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 웨이트 벡터를 계산하는 어레이안테나 시스템의 신호처리 방법에 있어서,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 단계;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 단계; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 단계를 포함하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산후 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 웨이트 벡터를 계산하는 어레이 안테나 시스템의 신호처리 방법에 있어서,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 단계;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 단계; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 단계를 포함하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산전 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 3 단계에서 결정된 웨이트 벡터를 상기 안테나 소자들 각각에 유기된 신호에 대한 역확산후 신호벡터에 곱해주는 제 4 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 역확산후 및 역확산전 수신신호의 자기상관 행렬을 구함에 있어, 매 스냅샷마다 이전 스냅샷에서의 자기 상관 행렬을및로 갱신하는 것을 특징으로하는 신호처리 방법.

(단, f 는 0과 1 사이의 크기로 미리 정한 망각인자,는 역확산된 수신신호벡터,는 역확산전 수신신호벡터, 윗첨자H는 복소전치연산자를 의미함)
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 단계는,

역확산전후의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트값을 하기 수학식에 따라 계산하는 제 5 단계; 및

(단,는 전 스냅샷의 역확산전 수신신호이고,는 전 스냅샷의 역확산후 수신신호를 의미하고,,를 의미함.)

상기 각 안테나소자의 역확산전후의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트값의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 하기 수학식과 같이 현재의 안테나 위상지연벡터값에 더하여 새로운 위상지연벡터값으로 갱신하는 제 6 단계

(단,, N은 상기 안테나 배열 시스템의 안테나소자의 개수이고, 윗첨자 T는 전치 연산자임.)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제 3 단계는

상기 제 6 단계에서 갱신된 위상지연벡터를 이용해 하기 수학식과 같이 웨이트 백터를 갱신하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 제 6 단계는,

상기 적응이득값을 설정함에 있어, 상기 웨이트 벡터()의 크기를 1로 정규화시킨 경우 0 - 0.5 범위내의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 제 3 단계는,

각 스냅샷에서 갱신한 상기 위상지연 벡터()를 이용하여 계산한 상기 웨이트 벡터를 매 스냅샷마다 크기가 1인 벡터로 정규화하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 웨이트벡터를 정규화함에 있어 상기 웨이트 벡터의 최중앙 요소로 상기 웨이트 벡터를 나눈후 크기가 1인 벡터로 정규화하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 웨이트벡터를 정규화함에 있어 안테나소자의 개수가 짝수이어서 상기최중앙 요소가 존재하지 않는 경우 상기 최중앙 요소에서 가장 가까운 요소로 상기와 같이 나누어 정규화하는 것을 특징으로 하는 신호처리 방법.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 어레이 안테나 시스템의 웨이트 벡터를 계산하는 신호처리 장치에 있어서,

어레이 안테나의 각 안테나 소자별로 수신되는 신호에 대해 주파수 저역 천이 및 복조처리를 수행하는 수신 처리 수단;

상기 수신 처리 수단을 통해 안테나 소자별로 출력되는 주파수 저역천이 및 복조 처리된 역확산전 수신신호() 를 입력받아 역확산 처리하고 그 결과 신호 ()를 출력하는 역확산 처리 수단;

상기 역확산전 수신 신호()와, 상기 역확산된 수신 신호()를 수신하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 계산하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 현재의 안테나 위상 값에 더하여 갱신한 위상벡터를 이용하여 웨이트벡터를 구하여 출력하는 신호 처리 수단; 및

상기 신호 처리 수단으로부터 출력되는 상응하는 웨이트 벡터를 이용하여 상기 역확산된 수신신호를 웨이팅하는 웨이팅 처리 수단을 포함하되,

상기 신호 처리 수단에서 상기 평균파워 비율()을 최대화하는상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 행렬처리방식으로 일반화된 고유치 방정식()의 최대고유치에 대응하는 고유벡터()를 상기 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 장치.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 어레이 안테나 시스템의 웨이트 벡터를 계산하는 신호처리 장치에 있어서,

어레이 안테나의 각 안테나 소자별로 수신되는 신호에 대해 주파수 저역 천이 및 복조처리를 수행하는 수신 처리 수단;

상기 수신 처리 수단을 통해 안테나 소자별로 출력되는 주파수 저역천이 및 복조 처리된 역확산전 수신신호() 를 입력받아 역확산 처리하고 그 결과 신호 ()를 출력하는 역확산 처리 수단;

상기 역확산전 수신 신호()와, 상기 역확산된 수신 신호()를 수신하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 계산하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 현재의 안테나 위상 값에 더하여 갱신한 위상벡터를 이용하여 웨이트벡터를 구하여 출력하는 신호 처리 수단; 및

상기 신호 처리 수단으로부터 출력되는 상응하는 웨이트 벡터를 이용하여 상기 역확산된 수신신호를 웨이팅하는 웨이팅 처리 수단을 포함하되,

상기 신호 처리 수단에서 상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 장치.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 어레이 안테나 시스템의 웨이트 벡터를 계산하는 신호처리 장치에 있어서,

어레이 안테나의 각 안테나 소자별로 수신되는 신호에 대해 주파수 저역 천이 및 복조처리를 수행하는 수신 처리 수단;

상기 수신 처리 수단을 통해 안테나 소자별로 출력되는 주파수 저역천이 및 복조 처리된 역확산전 수신신호() 를 입력받아 역확산 처리하고 그 결과 신호 ()를 출력하는 역확산 처리 수단;

상기 역확산전 수신 신호()와, 상기 역확산된 수신 신호()를 수신하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 계산하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 현재의 안테나 위상 값에 더하여 갱신한 위상벡터를 이용하여 웨이트벡터를 구하여 출력하는 신호 처리 수단; 및

상기 신호 처리 수단으로부터 출력되는 상응하는 웨이트 벡터를 이용하여 상기 역확산된 수신신호를 웨이팅하는 웨이팅 처리 수단을 포함하되,

상기 신호 처리 수단에서 상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산후 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로

정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 장치.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하기 위한 어레이 안테나 시스템의 웨이트 벡터를 계산하는 신호처리 장치에 있어서,

어레이 안테나의 각 안테나 소자별로 수신되는 신호에 대해 주파수 저역 천이 및 복조처리를 수행하는 수신 처리 수단;

상기 수신 처리 수단을 통해 안테나 소자별로 출력되는 주파수 저역천이 및 복조 처리된 역확산전 수신신호() 를 입력받아 역확산 처리하고 그 결과 신호 ()를 출력하는 역확산 처리 수단;

상기 역확산전 수신 신호()와, 상기 역확산된 수신 신호()를 수신하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트 값을 계산하고, 각 안테나 소자의 입출력단의 파워비에 대한 그래디언트의 부호를 판별하여 적응이득 값의 증감을 결정하고, 현재의 안테나 위상 값에 더하여 갱신한 위상벡터를 이용하여 웨이트벡터를 구하여 출력하는 신호 처리 수단; 및

상기 신호 처리 수단으로부터 출력되는 상응하는 웨이트 벡터를 이용하여 상기 역확산된 수신신호를 웨이팅하는 웨이팅 처리 수단을 포함하되,

상기 신호 처리 수단에서 상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산전 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 것을 특징으로 하는 신호처리 장치.
제 13 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 역확산후 및 역확산전 수신신호의 자기상관 행렬을 구함에 있어, 매 스냅샷마다 이전 스냅샷에서의 자기 상관 행렬을및로 갱신하는 것을 특징으로하는 신호처리 장치.

(단, f 는 0과 1 사이의 크기로 미리 정한 망각인자,는 역확산된 수신신호벡터,는 역확산전 수신신호벡터, 윗첨자H는 복소전치연산자를 의미함)
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하는 웨이트 벡터를 계산하기 위해, 마이크로프로세서를 구비한 어레이 안테나 시스템의 신호처리 장치에,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 기능;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 기능; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 기능을 구현하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 행렬처리방식으로 일반화된 고유치 방정식()의 최대고유치에 대응하는 고유벡터()를 상기 웨이트 벡터로 정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.

(단,는 역확산된 수신신호벡,는 역확산전의 수신신호벡터, 윗첨자 H 는 복소전치연산자,는 ""의 평균,,이고,및는 각각 역확산후 및 역확산전의 수신신호의 자기상관행렬임)
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하는 웨이트 벡터를 계산하기 위해, 마이크로프로세서를 구비한 어레이 안테나 시스템의 신호처리 장치에,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 기능;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 기능; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 기능을 구현하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하는 웨이트 벡터를 계산하기 위해, 마이크로프로세서를 구비한 어레이 안테나 시스템의 신호처리 장치에,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 기능;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 기능; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 기능을 구현하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산후 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
잡음과 간섭신호의 영향을 최소화하는 웨이트 벡터를 계산하기 위해, 마이크로프로세서를 구비한 어레이 안테나 시스템의 신호처리 장치에,

상기 웨이트 벡터()와, 스냅샷 인덱스를 초기화하는 제 1 기능;

매 스냅샷마다 역확산후 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()와, 역확산전 신호벡터의 웨이팅된 평균파워()의 비율 ()이 최대화 되도록 각 안테나 소자에 가해질 위상지연벡터를 갱신하는 제 2 기능; 및

매 스냅샷마다 상기 위상지연벡터 값에 따라 웨이트 벡터 값을 결정하여 출력하는 제 3 기능을 구현하되,

상기 평균파워 비율()을 최대화하는 상기 웨이트 벡터를 계산함에 있어, 역확산전 수신신호에 대해서만 매 스냅샷마다 수신신호의 순시치만을 고려하여를 최대화하는 웨이트 벡터로 정하는 기능을 실현시키기 위한 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.