KR20040024947A - A Method of Initial Code Acquisition Using Beam-Forming and Interference Noise Estimation in CDMA Antenna-Array System - Google Patents

A Method of Initial Code Acquisition Using Beam-Forming and Interference Noise Estimation in CDMA Antenna-Array System Download PDF

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Abstract

PURPOSE: An initial synchronous acquisition method is provided to allow for a high speed synchronous acquisition in case of low signal to noise ratio. CONSTITUTION: An initial synchronous acquisition method comprises a step of simultaneously generating outputs of correlators with respect to the angular test code phases for each search step size by using MF correlators for antenna beam signals formed by the beam formation weight vectors calculated for directed angles; a step of selecting the output of the maximum value, and comparing the selected output and the threshold value; and a step of judging that the search mode of the synchronous acquisition is completed if the selected output is larger than the threshold value.

Description

씨디엠에이안테나어레이시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 초기동기획득방법{A Method of Initial Code Acquisition Using Beam-Forming and Interference Noise Estimation in CDMA Antenna-Array System}A Method of Initial Code Acquisition Using Beam-Forming and Interference Noise Estimation in CDMA Antenna-Array System}

본 발명은 코드분할다중접속 안테나 어레이 시스템에서 초기동기획득에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 안테나 어레이 시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 기지국 시스템에서의 초기동기획득방법에 관한 것이다.The present invention relates to initial synchronization acquisition in a code division multiple access antenna array system, and more particularly, to an initial synchronization acquisition method in a base station system using beamforming and interference noise estimation in an antenna array system.

안테나 어레이 시스템의 빔형성을 이용한 동기획득 방법은 종래의 동기획득기술이지만, 종래의 기술을 좀더 살펴보면 빔형성을 이용한 동기획득에서 종래의 기술은 크게 두가지로 요약된다.The synchronous acquisition method using beamforming of the antenna array system is a conventional synchronous acquisition technique, but if the conventional technique is further examined, the conventional technique in synchronous acquisition using beamforming is largely summarized into two.

첫번째는 초기동기획득 시에 간섭잡음을 줄이는 방법으로는 도2와 같이 섹터 셀에 해당하는 영역 (region)을 여러 개의 부영역 (subregion)으로 분할하여 신호대잡음비를 형성된 빔수의 배수만큼, 즉 부영역 수의 배수만큼 증가시켜 고속의 동기획득을 모색하는 방법인데, 종래의 기술은 하나의 상관기를 이용하는 반면 본 발명은 부영역들의 수에 일치하는 병렬구조의 빔형성기와 병렬 MF(matched filter) 상관기를 이용하여 이중적분 검출 방법을 수행한다.First, as a method of reducing interference noise during initial synchronization acquisition, as shown in FIG. 2, a region corresponding to a sector cell is divided into several subregions, thereby forming a signal-to-noise ratio as many as the number of beams formed, that is, a subregion. In the conventional technique, a single correlator is used to increase the number of subregions, and the present invention provides a parallel beamformer and a parallel matched filter (MF) correlator. To perform a double integration detection method.

도1에서 보면 종래의 기술은 한 개의 빔형성기에 한 개의 상관기 구조를 갖는 형태인데, 이의 구조에 이중적분 검출 방법을 적용하면, 전체 탐색해야 할 코드위상의 수는 다음과 같이 주어진다. 빔형성에 의해 R개의 각도 시험코드위상 (angular test code-phase)이 구성되고 사용된 PN 코드의 길이가 Q PN 칩이라면, 전체 탐색해야 할 시험코드위상 (uncertainty region)은 RQ개의 PN칩이 된다. 이 경우 이중적분(double-dwell) 검출 알고리즘을 적용하였을 때, 종래의 기술은 탐색모드(search mode)를 통과한 모든 시험코드위상(test code-phase)에 대하여 확인모드 (verification mode)를 수행해야 한다. 따라서, 만약에 RQ개의 PN칩이 모두 탐색모드를 통과하고 확인모드를 통과하지 못하면, RQ번의 확인모드를 수행해야 하는 문제점을 가지고 있다. 그렇지만, 본 발명에서는 R개의 MF상관기 출력들 중에 가장 최대값을 갖는 코드위상에 대해서만 확인모드를 수행하게 되므로, 가장 최악의 경우라도 Q번의 탐색모드와 Q번의 확인모드를 수행하게 된다.Referring to FIG. 1, the conventional technique has a single correlator structure having a single correlator structure. When a double integration detection method is applied to the structure, the number of code phases to be searched is given as follows. If the R angular test code-phase is formed by beamforming and the length of the PN code used is a Q PN chip, the total test code phase to be searched is RQ PN chips. . In this case, when the double-dwell detection algorithm is applied, the conventional technique should perform verification mode for all test code phases that have passed the search mode. do. Therefore, if all of the RQ PN chips pass the search mode and do not pass the confirmation mode, there is a problem that the RQ check mode must be performed. However, in the present invention, since only the code phase having the maximum value among the R MF correlator outputs is performed, the acknowledgment mode is performed even in the worst case, Q search mode and Q confirmation mode.

두번째의 유사한 종래기술은 병렬구조의 빔형성기를 이용하여 여러 개의 빔을 동시에 형성하고, 각각의 형성된 빔에 대하여 독립적으로 직렬동기획득을 수행하는 방법이다. 그런데, 이러한 방법을 초기동기획득 시에 이용하려면 형성된 빔 신호의 신호대잡음비가 아주 큰 경우에만 가능하다. 그리고, 초기동기획득 과정을 완료한 후에 정확한 코드위상(correct code-phase)들을 레이크 수신기의 핑거들에 할당한 후, 레이크 핑거별로 탐색기를 갖는 구조를 구성하는 형태로 다경로 페이딩 채널의 변화에 따라 탐색이 수행되는 다경로 탐색에 응용하고 있다.The second similar prior art is a method of simultaneously forming a plurality of beams using a parallel beamformer, and performing serial synchronization acquisition independently for each formed beam. However, in order to use this method in initial synchronization acquisition, it is possible only when the signal-to-noise ratio of the formed beam signal is very large. After completing the initial synchronization acquisition process, the correct code phases are assigned to the fingers of the rake receiver, and then, according to the change of the multipath fading channel. It is applied to multipath search where search is performed.

상기의 구조를 신호대잡음비가 아주 낮은 채널에서 초기동기획득 시에 사용하게 되면 각각의 안테나 빔에 대하여 동기획득이 수행되므로 각 빔에 일치하는 탐색기와 레이크 핑거의 상태가 혼란스럽게 된다는 것이다. 어느 빔의 탐색기는 동기획득 과정이 완료된 후 동기추적 과정에 들어간 상태이고, 또 다른 빔의 탐색기는 오경보가 발생하여 동기추적과정에서 다시 초기동기획득 과정으로 회귀하는 형태 등의 동기획득 알고리즘의 제어가 복잡하게 된다When the above structure is used for initial synchronization acquisition in a channel with a very low signal-to-noise ratio, the synchronization of each antenna beam is performed, resulting in confusion of the searcher and the rake finger corresponding to each beam. The searcher of one beam enters the synchronization tracking process after the synchronization acquisition process is completed, and the control of the synchronization acquisition algorithm such as returning to the initial synchronization acquisition process from the synchronization tracking process after a false alarm occurs. Complicated

상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 하나의 정확한 각도 코드위상 (angular code phase)과 지연 코드위상 (delay code phase)을 1차적으로 탐색하여 초기동기획득 과정을 완료하고, 2차적으로 다경로 탐색 과정에 의해 공간적인 확산 (angular spread) 그리고 지연확산(delay spread)에 의해 발생된 다수의 정확한 코드위상들을 탐색하게 된다.In order to solve the above problems, in the present invention, one accurate angular code phase and delay code phase are first searched to complete an initial synchronization acquisition process, and secondly, multipath. The search process searches for a number of exact code phases caused by angular spread and delay spread.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 안테나 어레이 시스템에서 초기동기획득 시에 병렬 구조의 빔형성기, 병렬 구조의 MF 상관기, 그리고 최대 출력 선택기 등을 이용하여 고속의 초기동기획득을 실현하고, 병렬 MF 상관기 출력 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 채널의 간섭잡음을 측정함으로써 검출확률을 크게 하고 미검출확률과 오경보확률을 작게 함으로써 기지국에서 고속의 초기동기획득을 모색하기 위한 것이다.An object of the present invention for solving the problems of the prior art as described above, high-speed initial synchronization by using a parallel beamformer, a parallel MF correlator, and a maximum output selector at the initial synchronization acquisition in the antenna array system Realize the acquisition and measure the interference noise of the channel by using the outputs other than the maximum output among the parallel MF correlator outputs to increase the detection probability and reduce the undetected probability and the false alarm probability. It is for.

도1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 코드분할다중접속 안테나 어레이 시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 초기동기획득 방법을 도시한 구성 블록이다.1 is a block diagram illustrating an initial synchronization acquisition method using beamforming and interference noise estimation in a code division multiple access antenna array system according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 번호의 설명 *Description of the numbers for the main parts of the drawings

1: 안테나 어레이2: A/D 변환기1: antenna array 2: A / D converter

3: 병렬구조 빔형성기4: 가중치 벡터 블록3: parallel beamformer 4: weight vector block

5: 병렬 MF 상관기6: 최대출력 선택기5: Parallel MF Correlator 6: Maximum Output Selector

7: 간섭잡음 추정기8: 임계치 추정기7: interference noise estimator 8: threshold estimator

9: 임계치 비교기9: threshold comparator

도2는 한 섹터 셀을 R개의 부영역으로 분할한 경우, 배열 안테나에 의해 형성된 동일한 빔폭을 갖는 R개의 안테나빔을 예시한 것이다.2 illustrates R antenna beams having the same beam width formed by an array antenna when one sector cell is divided into R subregions.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나 어레이를 이용하여 지향성이 강한 안테나빔을 형성하는 방법은 도2에서 보는 바와 같이 한 섹터에 대하여 동일한 이득의 지향성을 갖는 빔, 즉 부영역 (subregion)들의 수가 결정되면 균등하게 분할된 지향각도에 따라 빔형성 가중치를 계산하고, 상기 각 지향각도별로 계산된 빔형성 가중치들을 병렬 구조의 빔형성기에 입력하여 다수의 안테나빔을 형성하고, 이러한 각각의 안테나빔 신호들을 적분한 병렬구조의 MF 상관기 출력들 중에서 최대값을 갖는 출력에 대하여 추정된 임계치와 비교하는 것을 초기동기획득과정 중에서 탐색모드까지의 과정이 본 발명의 한 특징이고, 병렬 MF 상관기의 출력들중에 최대값을 갖는 출력을 제외한 MF 상관기의 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하여 최적의 임계치를 추정하는 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.A method of forming a highly directional antenna beam using the antenna array according to the present invention for achieving the above object is a beam having a directivity of the same gain for one sector, that is, a subregion as shown in FIG. When the number of the beams is determined, the beamforming weights are calculated according to the evenly divided beaming angles, and the beamforming weights calculated for each beaming angle are input to a beamformer having a parallel structure to form a plurality of antenna beams. The process from the initial synchronous acquisition process to the search mode comparing the beam signals with the estimated threshold value for the output having the maximum value among the parallel structured MF correlator is one feature of the present invention, and the output of the parallel MF correlator Optimal threshold by estimating interference noise using the outputs of the MF correlator It is another feature of the invention of estimating.

본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도1에서 보는 바와 같이 본 발명의 구성은 배열안테나(1), A/D변환기(2), 병렬구조 빔형성기(3), 가중치 벡터 블록(4), 병렬 MF 상관기(5), 최대출력 선택기(6), 간섭잡음 추정기(7), 임계치 추정기(8), 그리고 임계치 비교기(9) 등으로 기술될 수 있다. 이 중에서 본 발명이 종래의 기술과 구별될 수 있는 것은 병렬구조 빔형성기(3), 병렬 MF 상관기(5), 최대출력 선택기(6), 간섭잡음 추정기(7), 임계치 추정기(8) 등에 대한 기능과 동작이다.Referring to the configuration and operation of the present invention in detail. As shown in Fig. 1, the configuration of the present invention includes an array antenna 1, an A / D converter 2, a parallel beamformer 3, a weight vector block 4, a parallel MF correlator 5, and a maximum output selector. (6), interference noise estimator 7, threshold estimator 8, threshold comparator 9, and so forth. Among them, the present invention can be distinguished from the prior art by using the parallel beamformer 3, the parallel MF correlator 5, the maximum output selector 6, the interference noise estimator 7, the threshold estimator 8, and the like. Function and operation.

도1에서 본 발명의 주요 제안이 되는 알고리즘에 해당하는 기능블록에 대하여 설명하면, 가중치 벡터 블록(4)의 경우는 도2와 같이 부영역들의 수, 즉 지향성을 갖는 안테나빔들의 수가 결정되면, 초기동기획득을 수행하기 전에 미리 분할된 지향 각도에 의해 R개의 빔들을 형성하기 위한 가중치 벡터 블록들을 계산한다. 따라서, 병렬 구조의 빔형성기(3)에 구성된 가중치 벡터들은 다음식으로 표현할 수 있다.Referring to FIG. 1, the functional block corresponding to the algorithm that is the main proposal of the present invention is described. In the case of the weight vector block 4, when the number of subregions, that is, the number of directional antenna beams is determined as shown in FIG. 2, Before performing initial synchronization acquisition, weight vector blocks for forming R beams are calculated by using a pre-divided direction angle. Therefore, the weight vectors configured in the parallel beamformer 3 can be expressed by the following equation.

수학식1:Equation 1:

(1) (One)

여기에서 Wi 는 i번째 안테나빔을 형성하기 위한 가중치 벡터이다. 또한, 도1과 같이 안테나들의 수가 N개이면, 형성될 수 있는 최대 빔들의 수는 N이므로 R은 항상 N보다 같거나 작다.Here, W i is a weight vector for forming the i-th antenna beam. In addition, if the number of antennas is N, as shown in Fig. 1, since the maximum number of beams that can be formed is N, R is always equal to or smaller than N.

병렬구조의 MF 상관기(5)는 기존의 PN 정합여파기와 동일한 형태를 가지는데, 일반적으로 MF상관기의 탭수 (적분길이)는 채널환경에 따라 동기획득 성능이 개선되도록 가변적으로 설정할 수 있으며 탐색스텝크기마다 병렬적으로 R개의 빔 신호에 대한 상관출력들을 출력한다. 최대출력 선택기(6)는 탐색스텝크기 (1/2 PN칩)마다 출력되는 상관출력들 중에 최대의 상관출력과 부영역 (빔)의 번호를 선택한다.The parallel MF correlator (5) has the same shape as a conventional PN matched filter. In general, the number of taps (integral length) of the MF correlator can be variably set to improve the synchronization acquisition performance according to the channel environment. Correlative outputs for R beam signals are output in parallel every time. The maximum output selector 6 selects the maximum correlation output and the number of subareas (beams) among the correlation outputs output for each search step size (1/2 PN chip).

간섭잡음 추정기(7)과 임계치 추정기(8)는 최대출력 선택기의 출력과 비교할 임계치를 결정하기 위해 본 발명에서 제안한 블록이다. 단말기의 랜덤접속 시에는 동기획득 과정이 완료된 상태가 아니기 때문에 역방향링크의 파일럿 채널을 이용하여 간섭잡음을 정확히 예측하는 방법을 이용할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는 병렬 MF 상관기 출력들 중에 최대 상관출력만을 제외한 나머지 상관출력들에 의해 다음 식에 의한 간섭잡음을 추정하는 방법을 제안한다.The interference noise estimator 7 and the threshold estimator 8 are blocks proposed by the present invention to determine a threshold to compare with the output of the maximum output selector. In the random access of the terminal, since the synchronization acquisition process is not completed, the method of accurately predicting the interference noise using the pilot channel of the reverse link cannot be used. Thus, the present invention proposes a method of estimating interference noise by the following equations based on the remaining correlation outputs except the maximum correlation output among the parallel MF correlator outputs.

수학식2:Equation 2:

(2) (2)

여기에서은 n번째 간섭잡음이다. 이렇게 계산된 간섭잡음들은 갑작스런 채널변화의 영향을 없애기 위해 간섭잡음들에 대하여 긴 구간동안 평균을 수행해야 하는데 이에 대한 방법은 1차 IIR 필터를 이용하거나 이동평균 방식(moving-average scheme)을 이용한다. 최종적인 임계치 추정은 임계치 추정기(8)에서 수행되는데 이의 과정은 1차 IIR 필터의 출력에 스케일 요인(scaling factor)을 곱하여 임계치를 측정하게 된다. 여기에서 스케일 요인은 채널환경이 변함에 따라 오경보확률은 일정하고 신호검출확률은 크게 하기 위한 이득인데, 이에 대한 최적의 값은 이론적인 해석과 시뮬레이션에 의해 선정된다.From here Is the nth interference noise. The interference noises calculated in this way should be averaged over long periods of interference noises in order to eliminate the effects of sudden channel changes. Final threshold estimation is performed in the threshold estimator 8, which processes the threshold by multiplying the scaling factor by the output of the first order IIR filter. Here, the scale factor is the gain to increase the false alarm probability and the signal detection probability as the channel environment changes. The optimal value is selected by theoretical analysis and simulation.

임계치 비교기(9)에서는 임계치 추정기에서 추정된 임계치와 최대 상관출력과의 크기비교에서 선택된 상관출력이 임계치보다 크면 탐색모드를 통과하여 확인모드에 입력되고, 반대로 상관출력이 임계치보다 작으면 탐색모드를 통과하지 못해 지연 시험코드위상에 대해 탐색스텝크기만큼 시험코드위상을 이동하여 탐색을 계속한다. 이 경우 이미 분할된 지향각도에 의해 계산하여 사용된 빔형성을 위한 가중치 벡터 블록은 갱신하지 않고, 단지 확인모드까지 완료되어 동기추적과정에 입력된 후에 수행되는 다경로 탐색에서 안테나 응답 행렬을 이용한 가중치 벡터 블록들이 갱신된다.In the threshold comparator 9, if the correlation output selected in the magnitude comparison between the threshold estimated by the threshold estimator and the maximum correlation output is greater than the threshold, the threshold comparator passes through the search mode and enters the confirmation mode. If it fails to pass, it moves the test code phase by the search step size for the delayed test code phase and continues the search. In this case, the weighted vector block for beamforming that is calculated and used by the splitting direction angle is not updated, but the weight using the antenna response matrix in the multipath search performed after the confirmation mode is completed and input into the synchronization tracking process. Vector blocks are updated.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 안테나 어레이를 이용하는 기지국에서의 초기동기획득 시에 신호대잡음비가 낮은 경우에 고속의 동기획득을 도모할 수 있는 장점을 갖는다. 본 발명은 병렬 구조의 빔형성기, 병렬 구조의 MF 상관기, 최대출력 선택기를 이용하여 다수의 각도 코드위상 (안테나빔 신호)에 대하여 동시에 탐색할 수 있고, 모든 각도 코드위상에 대하여 확인모드를 시행하는 것이 아니라 최대출력에 대해서만 확인모드를 시행하기 때문에 동기획득시간의 단축을 도모하였다. 그리고, 병렬구조의 MF 상관기의 출력들 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하여 초기동기획득 시에 채널변화에 적응하는 임계치 설정을 통하여 제안된 동기획득시스템의 동기획득시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has an advantage that high-speed synchronous acquisition can be achieved when the signal-to-noise ratio is low during initial synchronous acquisition in the base station using the antenna array. The present invention can simultaneously search for multiple angular code phases (antenna beam signals) using a parallel beamformer, parallel MF correlator, and maximum output selector, and implement a confirmation mode for all angular code phases. Instead, the confirmation mode is executed only for the maximum output, thereby reducing the synchronization acquisition time. In addition, the noise acquisition time of the proposed synchronization acquisition system is minimized by setting the threshold to adapt to the channel change at the initial synchronization acquisition by estimating the interference noise using the outputs except the maximum output among the outputs of the parallel MF correlator. It can work.

Claims (2)

안테나 어레이의 빔형성을 이용한 초기동기획득 구조에서 병렬구조의 빔형성기, 병렬구조의 MF상관기, 그리고 최대출력 선택기 등의 구조를 갖는 초기동기획득 장치와;An initial synchronous acquisition device having a structure such as a parallel beamformer, a parallel MF correlator, and a maximum output selector in an initial synchronous acquisition structure using beamforming of an antenna array; 상기 지향각도별로 계산한 빔형성 가중치 벡터들에 의해 형성된 안테나 빔신호들에 대해 MF 상관기를 이용하여 탐색스텝크기마다 각도 시험코드위상에 대한 상관기 출력들을 동시에 출력하여 최대값을 갖는 출력을 선택한 후 임계치와 비교하여 임계치보다 크면 동기획득 과정의 탐색모드를 통과한 것으로 결정하는 초기동기획득 방법.After selecting the output having the maximum value by simultaneously outputting the correlator outputs for the angular test code phase for each search step size using the MF correlator for the antenna beam signals formed by the beamforming weight vectors calculated for each direction angle, the threshold value The initial synchronous acquisition method, which is determined to pass the search mode of the synchronization acquisition process if it is larger than the threshold. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 임계치는 채널환경에 따라 적응할 수 있도록 설정해야만, 고속의 동기획득을 수행할 수 있는데, 본 발명에서는 병렬구조의 MF 상관기의 출력들 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하고, 추정된 간섭잡음으로 채널환경의 변화에 적응할 수 있는 임계치를 설정하는 방법.The threshold is set to be adaptive to the channel environment, so that high-speed synchronous acquisition can be performed. In the present invention, the interference noise is estimated using the remaining outputs other than the maximum output among the outputs of the parallel MF correlator, A method of setting a threshold that can be adapted to changes in channel environment with estimated interference noise.
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