KR20050089951A - 수신기 기능부를 사용하여 전송 처리하는 기지국 - Google Patents

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KR20050089951A
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Abstract

기지국은 확산 장치를 포함하고 있다. 확산 장치는 코드를 사용하여 데이터를 확산시킨다. 프리-이퀄라이저(pre-equalizer)는 제공된 채널 응답 행렬 H 를 사용하여 확산된 데이터를 처리한다. 채널 응답 행렬 H 은 채널을 근사화한 것으로서 전송 후의 데이터에 영향을 주게 된다. 안테나는 확산 및 처리된 데이터를 전송한다.

Description

수신기 기능부를 사용하여 전송 처리하는 기지국{BASE STATION TRANSMIT PROCESSING USING RECEIVER FUNCTIONS}
본 발명은 일반적으로 스펙트럼 확산 무선 통신 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 통신 시스템에서의 데이터 전송 및 수신에 관한 것이다.
코드 분할 다중 접속(CDMA) 통신 시스템에서는, 다수의 통신이 공유 주파수 스펙트럼을 통해 동시에 전송될 수 있다. 각각의 통신은 그 통신을 전송하는 데 사용된 코드에 의해 구별된다.
어떤 CDMA 통신 시스템에서는, 공유 스펙트럼의 활용도를 높이기 위해, 그 스펙트럼이 소정 개수의 시간 슬롯, 예를 들어 15개의 시간 슬롯을 갖는 프레임들로 시분할된다. 이러한 유형의 시스템을 하이브리드형 CDMA/TDMA(시분할 다중 접속) 통신 시스템이라고 한다. 이러한 시스템들 중 업링크 통신과 다운링크 통신을 특정 시간 슬롯에 한정시키는 시스템을 시분할 듀플렉스(time division duplex) 통신(TDD) 시스템이라 한다.
공유 스펙트럼으로 전송된 다수의 통신들을 수신하는 한가지 방법으로 결합 검출(joint detection)이 있다. 결합 검출에서는, 다수의 통신들로부터의 데이터가 다함께 판정된다. 이하의 설명에서는, 대문자 기호 X는 행렬을 나타내고, 기호 는 열 벡터를 나타낸다. 결합 검출은 일반적으로 수학식 1에 따라 모델링된다.
수신 신호 벡터 는 시스템 전송 행렬(system transmission matrix) A, 전송 데이터 벡터 및 노이즈 벡터 의 함수이다. 시스템 전송 행렬 A는 수학식 2에서와 같이 개개의 사용자의 기여분을 포함하고 있다.
여기서, 는 시스템 전송 행렬 A에 대한 사용자 k의 기여분을 나타낸다. 각 사용자의 시스템 전송 행렬은 수학식 3에 따라 채널 임펄스 응답과 그 사용자의 확산 코드의 함수이다.
여기서, 는 채널 응답 행렬이고, 는 사용자 k에 대한 코드 행렬(code matrix)이다.
데이터 벡터에 대한 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error: MMSE) 추정치 는 수학식 4로부터 얻어진다.
여기서, 은 노이즈의 공분산 행렬(covariance matrix)이다. 백색 노이즈인 경우, 은 대각 행렬이고, 그 데이터에 대한 MMSE 추정치는 수학식 5a 및 수학식 5b에 의한다.
수학식 5a는 수학식 5b와 같이 정리될 수 있다.
수학식 5a 및 수학식 5b는 역행렬 보조 정리(matrix inversion lemma)를 사용하면 상호교환될 수 있다.
이와 유사하게, 수학식 6a 및 수학식 6b로부터 ZF(zero forcing) 추정치가 얻어진다.
수학식 6a는 또한 수학식 6b와 같이 정리될 수 있다.
수학식 6a 및 수학식 6b는 역행렬 보조 정리를 사용하면 상호교환될 수 있다.
CDMA 시스템에서, 통상의 다운링크 전송의 경우에서와 같이 모든 코드가 동일한 전파 채널을 통과하거나 또는 한명의 업링크 사용자가 시간 슬롯을 독점하고 있을 때(), 확산 심볼(spread symbol)의 전송 벡터 는 수학식 7로부터 얻어진다.
수신 신호는 수학식 8을 사용하여 모델링된다.
확산 심볼에 대한 MMSE 추정치 는 수학식 9a 및 수학식 9b에 의해 얻어진다.
수학식 9a는 수학식 9b와 등가이다.
수학식 9a 및 수학식 9b는 역행렬 보조 정리를 사용하면 상호교환될 수 있다. 에 대한 ZF 추정치(수학식 6으로부터 도출됨)는 수학식 10a 및 수학식 10b에 의해 얻어진다.
수학식 10a는 수학식 10b와 등가이다.
수학식 10a 및 수학식 10b는 역행렬 보조 정리를 사용하면 상호교환될 수 있다. 확산 심볼의 추정치 는 그 다음에 오는 코드 정합 필터(MF)(code Matched Filter)에 의해 데이터 심볼을 복원할 수 있다.
다수의 안테나가 수신기에서 사용되는 경우, 수신 벡터는 또한 수학식 1로 표현될 수 있다. 관련 벡터 및 행렬의 정의는 상이한 안테나로부터의 기여분을 나타내기 위해 수학식 11에 따라 수정된다.
여기서, , 및 는 수신 안테나 요소 i와 관련된 항들이다. 는 수학식 3에 따라 상이한 채널 응답을 갖는 각 안테나마다 작성되며, A는 수학식 12에 따라 K명의 사용자 각각과 관련된 성분을 갖는다.
M개의 전송 요소와 같은 다수의 전송 안테나 요소가 송신기에서 사용되는 경우, 수신 벡터 는 또한 수학식 1에 따른다. 관련 벡터 및 행렬의 적절한 정의가 수학식 13에 표현되어 있다.
여기서, 는 합성 수신 신호(composite received signal)이고, 은 m번째 전송 요소로부터 수신기로의 신호 전송에 대한 시스템 전송 행렬이고, 은 송신 안테나 m으로부터 전송된 데이터 벡터이다.
i번째 안테나 요소에 의한 A의 성분은 로 표시되어 있다. 각각의 성분은 수학식 14에 따른 K명의 사용자 모두로부터의 기여분을 갖는다.
각각의 안테나 요소에 대한 각 사용자의 기여분은 수학식 15에 나타낸 바와 같이 채널 임펄스 응답 및 확산(수학식 3으로부터 도출됨) 코드의 함수이다.
송신기와 수신기 모두에 있는 다수의 안테나를 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템이라고 한다. MIMO 시스템에 대한 수신 신호는 수학식 11로 표현될 수 있으며, 이는 수학식 16으로 재정리될 수 있다.
여기서, N은 수신 안테나의 개수이고, M은 송신 안테나의 개수이며, 은 수신측 전송 행렬이고, 은 송신측 전송 행렬이다. 관련 벡터 및 행렬을 적절히 정의하면, 수학식 16은 수학식 17로 재정리될 수 있다.
여기서, 는 송신 및 수신 모두에 대한 합성 시스템 전송 행렬이다. 수학식 5에 나타낸 데이터 벡터에 대한 MMSE 추정치는 수학식 18a 및 수학식 18b로 표현된다.
수학식 18a는 수학식 18b와 등가이다.
수학식 18a 및 수학식 18b는 역행렬 보조 정리를 사용하면 상호교환될 수 있다. ZF 추정치는 수학식 19a 및 수학식 19b로부터 얻어질 수 있다.
수학식 19a는 수학식 19b와 등가이다.
수학식 19a 및 수학식 19b는 역행렬 보조 정리를 사용하면 상호교환될 수 있다.
이들 방법들을 구현하는 수신기는 고도의 복잡도를 갖는 역행렬 변환(matrix inversion)을 효과적으로 수행한다. 그 복잡도를 경감시키기 위해, 근사 콜레스키 분해(approximate Cholesky decomposition) 또는 고속 푸리에 변환이 사용된다. 이들 방법이 수신기 복잡도를 경감시키지만, 다른 대체 방법들을 사용하여 데이터의 전송 및 수신을 단순화시키는 것이 바람직하다.
기지국은 확산 장치를 포함한다. 확산 장치는 코드를 사용하여 데이터를 확산시킨다. 프리-이퀄라이저(pre-equalizer)는 제공된 채널 응답 행렬 H 를 사용하여 확산된 데이터를 처리한다. 채널 응답 행렬 H 은 채널을 근사화한 것으로서 전송 후의 데이터에 영향을 주게 된다. 안테나는 확산 및 처리된 데이터를 전송한다.
본 발명의 시스템에 대해서는, CDMA 시스템의 시분할 듀플렉스(TDD) 모드[예를 들어, 3GPP(third generation partnership project) 광대역 CDMA 시스템의 제안 TDD 모드]와 관련지어 설명하기로 한다. 그렇지만, 본 발명은 주파수 분할 듀플렉스(FDD) 시스템 또는 시분할 동기형 코드 분할 다중 접속(TD-CDMA) 시스템과 같은 임의의 스펙트럼 확산 통신 시스템에 적용될 수 있다.
도 1은 수신기 기능부를 사용한 전송 처리에서 사용하기 위한 양호한 송신기(10) 및 수신기(12)의 개략도를 나타낸 것이다. 송신기(10)는 기지국에, 사용자 장비(UE)에 또는 양쪽 모두에 설치될 수 있으며, 수신기(12)는 UE에, 기지국에 또는 양쪽 모두에 설치될 수 있다. 송신기(10)로부터 수신기(12)로 전달될 데이터는 확산 및 변조 장치(14) 및 프리-이퀄라이저(15)에 입력된다. 그 데이터는 단일 수신기로의 단일 코드 전송을 위한 것이거나, 단일 수신기로의 다중 코드 전송을 위한 것이거나, 다중 수신기로의 단일 코드 전송을 위한 것이거나, 다중 수신기로의 다중 코드 전송을 위한 것이거나, 또는 다중 수신기로의 단일 및 다중 코드 결합 전송을 위한 것일 수 있다.
그 데이터는 적당한 코드(들)을 사용하여 확산되고, 무선 인터페이스(wireless radio interface)(18)의 예상된 채널 응답을 보상하기 위해 프리-이퀄라이징되며, 직교 위상 천이 변조(QPSK), M-ary 직교 진폭 변조(QAM) 또는 다른 변조 방식의 사용 등에 의해 변조되어 무선 주파수로 업컨버젼(upconversion)된다. 무선 주파수 신호는 안테나, 즉 M 요소 안테나 어레이(161-16M)에 의해 무선 인터페이스(18)를 통해 방사된다.
수신기(12)에 있는 안테나, 즉 N 요소 안테나 어레이(201-20N)는 그 방사 신호를 다른 신호 및 노이즈와 함께 수신 벡터 로서 수신한다. 데이터 검출기(22)는 수신 벡터를 처리하여 그 데이터 를 복원한다. 데이터 검출기(22)의 구조는 양호하게는 송신기(10)에서의 프리-이퀄라이징으로 인해 코드 정합 필터로 구현되는 등에 의해 통상적인 결합 검출 수신기에 비해 단순하다.
송신기(10)는 전송에 앞서 채널 왜곡을 효과적으로 보상한다. 그 결과, 수신 벡터 는 확산 데이터 벡터 와 거의 같다.
프리-이퀄라이징은 수신기(12)에서 이용가능한 채널 및 코드 정보를 이용하여 전송 벡터를 적절히 처리함으로써, 그 신호는 수신기(12)에 수신될 때 채널 손상에 대해 이미 보상되어 있다. 채널 정보는 수신기(12)로부터 전송될 수도 있고, 동일 주파수 스펙트럼으로 송신기(10)에서 수신된 신호로부터 도출될 수도 있다. 이에 대해 설명하면, TDD/CDMA 통신 시스템의 기지국의 경우, 채널 정보는 그 다음의 다운링크 전송 시간 슬롯에 대한 업링크 시간 슬롯에서 수집될 수도 있다.
송신기(10)에서의 처리가 사용될 때, 수신 신호는 수학식 20a로부터 얻어진다.
채널 및 코드 행렬의 관점에서 보면, 수학식 20a는 수학식 20b로 된다.
코드 행렬 은 전송 방식에 따라 다를 수 있다. 이러한 시스템의 하나가 공간 코드 전송 다이버시티(space code transmit diversity; SCTD)이며, 여기서 각각의 안테나에는 상이한 전송 코드가 할당된다. 어떤 전송 다이버시티 방식에서는, 각 안테나마다 동일한 코드 행렬이 사용된다. 이러한 방식의 하나가 전송 적응형 안테나(transmit adaptive antenna: TxAA)이다. 수신기 기능부를 사용한 전송 처리에 대해서는 각각의 안테나가 동일한 코드 행렬 C를 전송하는 것과 관련하여 기술하고 있지만, 코드 행렬이 유사한 방식을 사용하여 안테나에 의해 변하는 시스템들에도 적용할 수 있다.
어떤 시스템에서는, 전송 데이터 비트 가 전송 방식에 따라, 특히 전송 다이버시티가 사용되는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 유사한 방식이 안테나마다 상이한 데이터 벡터를 갖는 시스템에 적용될 수 있지만, 이하에서는 각각의 안테나가 동일한 데이터 벡터 를 전송하는 경우와 관련하여 기술하기로 한다. 동일한 데이터 및 코드 행렬이 각각의 안테나로부터 전송되는 시스템의 경우, 그 시스템은 수학식 21에 따라 모델링된다.
전송 벡터는 수학식 22에 의해 표현된다.
우변으로부터 H의 의사 역행렬(pseudo-inverse)은 이다. 처리 후의 데이터 신호는 이 의사 역행렬과 함께 전송된다. 따라서, 전송 신호 는 수학식 23으로 표현된다.
그 결과의 수신 벡터는 수학식 24로 표현된다.
프리-이퀄라이징이 이상적인 경우, 수신기(12)에는 깨끗한 신호가 수신되어 추가의 처리가 필요없게 된다. 그렇지만, 실제로는 노이즈 및 채널 상태의 변동으로 인해, 수신 신호에 약간의 열화가 있는 것이 일반적이다. 그러나, 열화를 제거하는 데 필요한 처리가 크게 줄어들어, 수신기(12)에 요구되는 복잡도를 더 증가시키게 된다.
MMSE 또는 ZF 유형의 수신기의 이점들 중 하나는 MMSE 또는 ZF 회로가 통상 송신기(10)측에 있다는 것이다. 이에 대해 설명하면, 기지국은 일반적으로 MMSE 유형의 수신기를 갖는다. 따라서, 기지국에서는 1개의 MMSE 회로를 사용하여 수신 데이터 및 송신 데이터를 처리할 수 있다. 그 결과, 수신기 기능부를 사용한 전송 처리를 구현하는 수신기(12) 및 송신기(10)의 회로부는 UE 또는 기지국 중 어느 하나에 통합될 수 있으며, 따라서 다른 통신 유닛의 회로부가 간단하게 된다.
예를 들어, 기지국은 프리-이퀄라이징 송신기(10) 및 MMSE 수신기를 사용할 수 있다. 행렬, 즉 유효 행렬 역변환(effective matrix inversion)이 동일 회로에 의해 수행될 수 있다. 그 결과, UE에 있는 수신기 회로부가 하나의 코드 정합 필터 또는 일군의 코드 정합 필터와 같이 단순화될 수 있다. 단순화된 수신기 회로부는 또한 수신기(12)에 있는 배터리 수명을 연장시킨다.
통상 사용되는 회로부는 MMSE 또는 ZF 수신기 회로부에 한정되지 않지만, 이 회로가 행렬 연산 수행 및 역행렬 계산을 할 수 있는 어떤 수신기(12) 구조라도 송신기(10)에서의 처리를 행하는 데 적합하다는 점에서 오히려 일반적이다. 프리-이퀄라이징의 다른 이점은 전송 신호가 수신기(12)에 집중된다는 것이다. 특히 다운링크 신호의 경우, 다른 사용자들에 대한 간섭이 경감된다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방법(30)이 도시되어 있다. 본 방법은 무선 채널 정보를 획득하는 것으로 시작하며(단계 32), 이 정보는 채널 임펄스 응답 H의 형태인 것이 바람직하다. 그 다음에 전송용 데이터가 채널 임펄스 응답 H를 사용하여 프리-이퀄라이징된다(단계 34). 프리-이퀄라이징된 데이터는 무선 인터페이스를 거쳐 전송되고(단계 36), 수신기에서 수신 벡터로서 수신된다(단계 38). 그 다음에 코드 정합 필터의 사용 등에 의해 수신 벡터로부터 데이터가 복원된다(단계 40).
사용자 장비는 확산 장치를 포함하고, 이 확산 장치는 코드를 사용하여 데이터를 확산시키며, 프리-이퀄라이저(pre-equalizer)는 제공된 채널 응답 행렬 H 를 사용하여 확산된 데이터를 처리하고, 확산 및 처리된 데이터를 안테나가 전송함으로써 데이터의 송신 및 수신을 단순화시킬 수 있다.
*
도 1은 수신기 기능부를 사용한 전송 처리를 사용하는 양호한 송신기 및 수신기의 개략도.
도 2는 수신기 기능부를 사용하는 전송의 플로우차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 송신기
12 : 수신기
14 : 확산 및 변조 장치
15 : 프리-이퀄라이저
18 : 무선 인터페이스
22 : 데이터 검출기

Claims (4)

  1. 코드를 사용하여 데이터를 확산시키는 확산 장치,
    제공된 채널 응답 행렬 H 를 사용하여 상기 확산된 데이터를 처리하는 프리-이퀄라이저 - 상기 채널 응답 행렬 H 은 채널을 근사화한 것으로서 전송 후의 데이터에 영향을 줌 -, 및
    상기 확산 및 처리된 데이터를 전송하는 안테나를 포함하는 기지국.
  2. 제1항에 있어서, 데이터 검출기를 더 포함하는 기지국.
  3. 제2항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 최소 평균 제곱 에러 추정을 구현하기 위한 성분을 포함하고,
    상기 프리-이퀄라이저는 상기 최소 평균 제곱 에러 성분을 사용하는 것인 기지국.
  4. 제2항에 있어서, 상기 데이터 검출기는 ZF(zero forcing) 추정을 구현하기 위한 성분을 포함하고,
    상기 프리-이퀄라이저는 상기 ZF 성분을 사용하는 것인 기지국.
KR1020050079098A 2002-03-28 2005-08-26 수신기 기능부를 사용하여 전송 처리하는 기지국 KR20050089951A (ko)

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