KR20060065059A - 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치및 그 방법 - Google Patents

배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 기지국 시스템에서 배열 안테나를 통해 입력되는 수신신호를 이용하여 벡터 채널을 추정하고 상기 추정된 벡터 채널과 사용자 코드를 이용하여 생성한 시스템 행렬을 제로 강제 평가 알고리즘에 적용하여 수신신호에 대한 간섭을 제거함으로써, 시공간 정보를 정확하게 추정할 수 있는, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에 있어서, 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 각 안테나 별로 오버 샘플링하여 디지털 기저대역 신호로 변환하기 위한 수신신호 처리수단; 상기 수신신호 처리수단으로부터 수신신호를 전달받아 데이터와 기준신호로 분리하기 위한 데이터/기준신호 분리수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터 기준신호를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하기 위한 채널 추정수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 기준신호와 상기 채널 추정수단으로부터의 다중경로 채널을 전달받아 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하기 위 한 빔형성 가중치 벡터 발생수단; 상기 채널 추정수단으로부터의 각 사용자의 다중경로 채널과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생수단으로부터의 빔형성 가중치 벡터를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬 및 상기 시스템 행렬의 상관 행렬 합을 생성하기 위한 시스템 행렬 발생수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 데이터와 상기 시스템 행렬 발생수단으로부터의 시스템 행렬을 전달받아 각 안테나 별 데이터에 시스템 행렬을 곱해주기 위한 코드정합 필터수단; 상기 코드정합 필터수단으로부터의 전달받은 신호를 모두 합성하기 위한 신호 합성수단; 및 상기 시스템 행렬 발생수단으로부터 전달받은 시스템 상관 행렬 합과 상기 신호 합성수단으로부터 전달받은 신호 합성값을 이용하여 간섭 신호를 제거하기 위한 간섭 제거수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 CDMA 기지국 시스템 등에 이용됨.
배열 안테나, 기지국, 시공간 다중 사용자 신호 검출, 채널 추정, 빔형성 가중치 벡터 발생, 시스템 행렬, 간섭 제거

Description

배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법{Apparatus and method for detecting space-time multi-user signal of base station based array antenna}
도 1은 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에 대한 일실시예 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치를 상세 설명하기 위한 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에서 임의의 안테나에 대한 시스템 행렬의 구조를 설명하기 위한 일실시예 도면,
도 4는 본 발명에 따른 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에서 사용자별 채널응답 벡터를 설명하기 위한 일실시예 도면,
도 5는 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국에서의 시공간 다중 사용자 검출 방법 중 시스템 행렬 생성 과정을 상세 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국에서의 시공간 다중 사용자 검출 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 수신신호 처리부 20 : 데이터/기준신호 분리부
30 : 채널 추정부 31 : 지연시간 추정부
32 : 채널응답 추정부 40 : 빔형성 가중치 벡터 발생부
41 : 기준신호 발생부 42: 벡터 생성부
50 : 시스템 행렬 생성부 51 : 벡터 채널응답 추정부
52 : 코드 발생부 53 : 컨볼루션 수행부
54 : 다중경로 합성부 55 : 시스템 행렬 생성부
56 : 시스템 상관 행렬 생성부 60 : 코드정합 필터부
70 : 신호 합성부 80 : 간섭 제거부
본 발명은 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기지국 시스템에서 배열 안테나를 통해 입력되는 수신신호를 이용하여 벡터 채널을 추정하고 상기 추정된 벡터 채널과 사용자 코드를 이용하여 생성한 시스템 행렬을 제로 강제 평가 알고리즘에 적용하여 수신신호에 대한 간섭을 제거함으로써, 시공간 정보를 정확하게 추정할 수 있는, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
CDMA 기지국 시스템에서는 성능 저하의 요인은 원하는 사용자에 대해 직교하지 않는 동일채널 사용자에 의한 다중 채널 접속 간섭(Multiple Access Interference; 이하 MAI라 한다)과 다중경로 페이딩을 들 수 있다.
종래에는 CDMA 기지국 시스템의 성능 저하의 요인을 없애기 위해 레이크 수신기를 사용하여 원하는 사용자 신호와 분리 가능한 다중경로 신호를 적절히 조합하여 다중경로 페이딩을 제거하였다. 그러나, 이러한 레이크 수신기는 단일 사용자 환경에서는 최적의 수신기가 될 수 있으나, 다중 사용자 환경에서는 MAI로 인해 그 성능이 크게 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, MAI 문제를 없애기 위한 기술로 동일 채널 사용자 신호를 서로의 영향을 제거하면서 동시에 검출할 수 있는 다중 사용자 검출기를 사용하고 있다.
또한, MAI를 없애기 위한 기술로 기지국에 배열 안테나를 사용하여 다이버시티 이득 혹은 빔형성 알고리즘을 통해 원하는 사용자에 대한 안테나 이득을 높이고, MAI에 대해서는 안테나 이득을 감소시키는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 형태의 기지국은 단일 안테나를 사용한 기지국 보다는 성능이 크게 향상되나, 시공간 레이크 수신기 형태가 되어 레이크 핑거 별로 빔형성 가중치 벡터를 곱하고 합성하는 모듈이 추가되어야 하기 때문에 많은 사용자를 지원해야 하는 기지국을 이러한 방법으로 구현하기에는 어려움이 따르는 문제점이 있었다.
그에 따라 최근에는 좀 더 나은 성능을 위하여 배열 안테나와 다중 사용자 검출기가 결합된 시공간 다중 사용자 검출기에 대한 관심이 증대되고 있다.
1997년 "Xiadong Wang"과 "H. Vicent Poor"는 “Space-Time Multiuser Detection in Multipath CDMA channels” (IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 47, no. 9, pp. 2356~2374)에서 CDMA 시스템에서 다중 사용자 검출기와 시공간 처리 방법을 조합한 최적의 수신기 형태 및 선형 수신기 등을 제시하였다. 이러한 종래 기술은 연속 전송 방식에 적절하다. 그러나, 동일 채널 사용자에 대해 분리 가능한 다중경로에 레이크 핑거를 할당하고 각 레이크 핑거 별로 각 사용자의 해당 경로에 대해 역확산을 하고 배열 안테나 응답 벡터를 추정하여 안테나 별로 결합한 다음 간섭 신호를 제거하여야 하기 때문에 레이크 핑거마다 배열 안테나 응답 벡터를 역확산된 신호에 곱하고 합성하는 부분이 따로 필요한 문제점이 있었다.
또한, 다른 종래 기술로는 2003년 "K. Lun, Z. Zhang"가 제시한 “Combined Spatial Filter and Joint Detector” (Proceedings of International Conference on Communications, vol. 3, May, 2003)가 있다. 여기서는 블록 전송 방식의 시분할 동기 CDMA 시스템에서 제로 강제 평가 알고리즘을 만족시키는 시공간 다중 사용자 검출기에 대한 기술을 제시하였다. 즉, 공간 다이버시티를 얻을 수 있는 이 기술은 각 안테나 별로 각 사용자에 대한 채널 추정부를 가지고 채널을 추정하고 채널 추정을 이용하여 블록 선형 이퀄라이저를 통해 각 사용자의 데이터 시퀀스를 추정하는 방법에 대한 것이다. 그러나, 이 종래 기술 역시 각 안테나 별로 채널 추정을 하기 때문에 채널의 공간 정보에 대한 활용도가 떨어져 벡터 채널의 추정을 정확하게 할 수 없는 문제점이 있었다.
또한, 또 다른 종래 기술로는 2000년 "J. J. Blanz"와 "A. Papathanassiou" 와 "M. Haadrt"와 "I. Furio, P. W. Baier"가 제시한 “Smart Antennas for Combined DOA and Joint Channel Estimation in Time-Slotted CDMA Mobile Radio Systems with Joint Detection”(IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 49, no. 2, pp. 293~306)이 있다. 이 종래 기술 역시 블록 전송 방식의 시분할 동기 CDMA 시스템에서의 시공간 다중 사용자 검출기를 제시하였다. 좀 더 상세히 살펴보면 빔형성기와 다중 사용자 검출기를 결합하는 형태로서 각 안테나에서 수신된 신호를 가지고 모든 사용자의 방향 정보를 추정하고, 각 사용자의 다중경로에 대해 빔을 형성을 한 후, 각 사용자 별로 합성된 신호를 조합 검출기를 통해 ISI와 MAI를 없애도록 하는 방법에 대한 것이다. 그러나, 이 종래 기술은 블록 전송 방식에서 사용할 수 있는 시공간 레이크 수신기에 조합 검출기가 추가되기 때문에 레이크 핑거 별로 빔형성 가중치 벡터를 곱하고 합성하는 모듈이 추가되므로, 많은 사용자를 지원해야 하는 기지국으로서는 구현이 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기지국 시스템에서 배열 안테나를 통해 입력되는 수신신호를 이용하여 벡터 채널을 추정하고 상기 추정된 벡터 채널과 사용자 코드를 이용하여 생성한 시스템 행렬을 제로 강제 평가 알고리즘에 적용하여 수신신호에 대한 간섭을 제거함으로써, 시공간 정보를 정확하게 추정할 수 있는, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에 있어서, 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 각 안테나 별로 오버 샘플링하여 디지털 기저대역 신호로 변환하기 위한 수신신호 처리수단; 상기 수신신호 처리수단으로부터 수신신호를 전달받아 데이터와 기준신호로 분리하기 위한 데이터/기준신호 분리수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터 기준신호를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하기 위한 채널 추정수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 기준신호와 상기 채널 추정수단으로부터의 다중경로 채널을 전달받아 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하기 위한 빔형성 가중치 벡터 발생수단; 상기 채널 추정수단으로부터의 각 사용자의 다중경로 채널과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생수단으로부터의 빔형성 가중치 벡터를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬 및 상기 시스템 행렬의 상관 행렬 합을 생성하기 위한 시스템 행렬 발생수단; 상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 데이터와 상기 시스템 행렬 발생수단으로부터의 시스템 행렬을 전달받아 각 안테나 별 데이터에 시스템 행렬을 곱해주기 위한 코드정합 필터수단; 상기 코드정합 필터수단으로부터의 전달받은 신호를 모두 합성하기 위한 신호 합성수단; 및 상기 시스템 행렬 발생수단으로부터 전달받은 시스템 상관 행렬 합과 상기 신호 합성수단으로부터 전달받은 신호 합성값을 이용하여 간섭 신호를 제거하기 위한 간섭 제거수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 방법은, 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법에 있어서, 배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호를 디지털 기저대역 신호로 변환하는 단계; 상기 수신신호를 데이터와 기준신호로 분리하는 단계; 상기 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하는 채널 추정 단계; 상기 기준신호와 상기 다중경로 채널을 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하는 벡터 생성 단계; 채널 추정값과 빔형성 가중치 벡터를 이용하여 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬을 생성하고, 상기 시스템 행렬을 이용하여 시스템 상관 행렬의 합을 구하는 시스템 행렬 발생 단계; 상기 배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호의 데이터와 각 안테나 별 시스템 행렬을 이용하여 각 안테나 별 시스템 행렬의 전치 행렬과 수신 시퀀스를 곱하고 그 값들을 합성하는 단계; 및 상기 합성값에 상기 시스템 상관 행렬 합의 역행렬을 곱하여 간섭을 제거하여 송신 시퀀스 추정값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명 이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 배열 안테나 기지국에서 시공간 다중 사용자 검출기를 구성하는 방식을 수식을 이용하여 살펴보면 다음과 같다.
배열 안테나 기지국 시스템에 K명의 사용자가 있다고 가정한다. 각각의 사용자가 Nk 개의 데이터 심볼을 전송할 때, k번째 사용자가 전송하는 데이터 블록을
Figure 112004058117718-PAT00001
라고 하면 모든 사용자 K명의 데이터 심볼의 총 합은 Nt이다. 이 때, 전체 데이터 블록 d는
Figure 112004058117718-PAT00002
벡터로 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004058117718-PAT00003
또한, 각각의 데이터 심볼은 길이가
Figure 112004058117718-PAT00004
인 사용자 고유의 확산 코드
Figure 112004058117718-PAT00005
,
Figure 112004058117718-PAT00006
에 의해 확산되어 각 사용자 별로 전송되는 칩 시퀀스는 하기의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
Figure 112004058117718-PAT00007
여기서,
Figure 112004058117718-PAT00008
는 한 데이터 블록을 확산하여 보낼 수 있는 칩의 개수가 되며, 이는 기지국을 사용하는 모든 사용자에 대해 모두 같은 값이 된다.
칩 구간으로 변환된 무선 채널의 최대 지연 확산을 W라고 하고, 각 사용자 별로 채널의 응답 함수를
Figure 112004058117718-PAT00009
의 벡터
Figure 112004058117718-PAT00010
라 가정한다.
또한, k 번째 사용자의 ka 번째 안테나로 도달되는 신호에 대한 어레이 응답을
Figure 112004058117718-PAT00011
의 벡터
Figure 112004058117718-PAT00012
라 하면, k 번째 사용자의 ka 번째 안테나의 벡터 채널응답
Figure 112004058117718-PAT00013
는
Figure 112004058117718-PAT00014
벡터로 하기의 [수학식 3]과 같이 나타낸다.
Figure 112004058117718-PAT00015
여기서,
Figure 112004058117718-PAT00016
는 두 개의 동일한 크기의 벡터 혹은 행렬간의 성분상 곱을 나타낸 것이다.
기준신호는 제외하고, 데이터 블록의 수신신호 모델에 대해 정리하면, 각 사 용자로부터
Figure 112004058117718-PAT00017
길이를 가지는 칩 시퀀스가 전송되며, 채널을 통과하면서 지연 확산으로 인해 W 만큼의 지연이 생겨 총
Figure 112004058117718-PAT00018
의 길이를 가지는 칩 시퀀스를 각 안테나에서 수신하게 된다. ka 번째 안테나에서
Figure 112004058117718-PAT00019
의 수신 시퀀스를
Figure 112004058117718-PAT00020
라 하고, 각 안테나에 더해지는
Figure 112004058117718-PAT00021
길이의 잡음 시퀀스를
Figure 112004058117718-PAT00022
이라 하면, ka 번째 안테나에서의 수신 시퀀스
Figure 112004058117718-PAT00023
는 하기의 [수학식 4]와 같이 된다.
Figure 112004058117718-PAT00024
모든 안테나에서 수신되는
Figure 112004058117718-PAT00025
길이의 수신 시퀀스
Figure 112004058117718-PAT00026
는
Figure 112004058117718-PAT00027
와 같이 쓸 수 있으며, 여기서
Figure 112004058117718-PAT00028
는
Figure 112004058117718-PAT00029
의 시스템 행렬로 사용자의 벡터 채널응답과 사용자 고유의 확산 코드가 컨볼루션이 된 것이다. 또한,
Figure 112004058117718-PAT00030
은
Figure 112004058117718-PAT00031
의 잡음 시퀀스이며,
Figure 112004058117718-PAT00032
은 잡음 시퀀스의 공분산 행렬을 나타낸다.
수신 시퀀스로부터 송신 시퀀스
Figure 112004058117718-PAT00033
를 추정하는 방식으로 본 발명에서는 제로 강제 평가 알고리즘을 사용한다. 이러한 제로 강제 평가 알고리즘을 사용하였을 때 의 블록 선형 이퀄라이저는 우도비 함수를 최대로 하는
Figure 112004058117718-PAT00034
를 구하는 방법으로, 이 때의 추정값
Figure 112004058117718-PAT00035
는 하기의 [수학식 5]와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112004058117718-PAT00036
본 발명에서는 잡음 시퀀스를 AWGN 잡음으로 가정하여 잡음의 공분산 행렬을
Figure 112004058117718-PAT00037
로 가정하여 [수학식 5]를 하기의 [수학식 6]으로 간략화시켜 시공간 다중 사용자 검출기를 구성하도록 한다.
Figure 112004058117718-PAT00038
본 발명에서는 수학적 방법을 이용하여 기지국에서의 시공간 다중 사용자를 검출할 수 있으며, 이러한 수학식과 관련하여 이하 첨부된 도면을 참조하여 시공간 다중 사용자 검출 장치에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에 대한 일실시예 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치는 수신신호 처리부(10), 데이터/기준신호 분리부(20), 채널 추정부(30), 빔형성 가중치 벡터 발생부(40), 시스템 행렬 발생부(50), 코드정합 필터부(60), 신호 합성부(70), 간섭 제거부(80)를 포함한다.
상기 수신신호 처리부(10)는 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 각 안테나 별로 오버 샘플링하여 디지털 기저대역 신호로 변환하는 역할을 한다.
이 때, 배열 안테나는 Ka개의 안테나 배열 요소를 가진 안테나를 말한다.
그리고, 상기 데이터/기준신호 분리부(20)는 상기 수신신호 처리부(10)로부터 기저대역 신호로 변환된 수신신호를 전달받아 데시메이션(Decimation)을 통해 칩 레이트의 신호 벡터를 만들고 데이터와 기준신호로 분리하는 역할을 한다.
한편, 상기 채널 추정부(30)는 상기 데이터/기준신호 분리부(20)로부터 기준신호를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하는 역할을 한다.
여기서, 상기 채널 추정부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 지연시간 추정부(31)와 채널응답 추정부(32)를 포함한다. 이 때, 지연시간 추정부(31)는 상기 데이터/기준신호 분리부(20)로부터 분리된 기준신호 벡터로부터 각 사용자의 다중경로 지연시간을 추정하는 역할을 하고, 상기 채널응답 추정부(32)는 각 안테나 별로 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답을 추정하는 역할을 한다.
그리고, 상기 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)는 상기 데이터/기준신호 분리 부(20)로부터의 기준신호와 상기 채널 추정부(30)로부터의 다중경로 채널을 전달받아 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 계산하는 역할을 한다.
여기서, 상기 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 기준신호 발생부(41), 및 벡터 생성부(42)를 포함한다. 이 때, 상기 기준신호 발생부(41)는 각 사용자의 기준신호를 발생시키는 역할을 하고, 상기 벡터 생성부(42)는 각 안테나 별로 수신된 기준신호 벡터와 상기 기준신호 발생부(41)로부터 생성된 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로에 대해 빔형성 가중치 벡터를 생성하는 역할을 한다.
그리고, 상기 시스템 행렬 발생부(50)는 상기 채널 추정부(30)로부터의 각 사용자의 다중경로 채널과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)로부터의 빔형성 가중치 벡터를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬 및 상기 시스템 행렬의 상관 행렬의 합을 생성하는 역할을 한다.
여기서, 상기 시스템 행렬 발생부(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 벡터 채널응답 추정부(51), 코드 발생부(52), 컨볼루션 수행부(53), 다중경로 합성부(54), 시스템 행렬 생성부(55), 및 시스템 상관 행렬 생성부(56)를 포함한다.
이 때, 상기 벡터 채널응답 추정부(51)는 각 사용자의 다중경로에 대한 벡터 채널응답을 추정하는 역할을 하며, 상기 코드 발생부(52)는 각 사용자의 확산 코드를 발생시키는 역할을 한다.
그리고, 상기 컨볼루션 수행부(53)는 각 안테나 별 각 사용자 별 다중경로에 대해 상기 코드 발생부(52)로부터의 각 사용자 코드와 상기 벡터 채널응답 추정부(51)로부터의 벡터 채널응답을 컨볼루션하여 열벡터를 생성하는 역할을 한다.
이렇게 하여 열벡터가 생성되면 상기 다중경로 합성부(54)는 그 열벡터를 다중경로에 대해 경로 별로 합성하고, 상기 시스템 행렬 생성부(55)는 이렇게 합성된 열벡터를 조합하여 각 안테나 별 시스템 행렬을 구한다.
한편, 상기 시스템 상관 행렬 생성부(56)는 상기 시스템 행렬 생성부(55)에서 생성한 시스템 행렬을 이용하여 시스템 행렬의 상관 행렬을 구한 후, 그 합을 구하는 역할을 한다.
이 때, 상기 시스템 행렬 생성부(55)에서 생성한 시스템 행렬은 코드 정합 필터부(60)로 전달되고, 상기 시스템 상관 행렬 생성부(56)에서 생성한 시스템 행렬의 상관 행렬 합은 간섭 제거부(80)로 전달된다.
그리고, 상기 코드정합 필터부(60)는 상기 데이터/기준신호 분리부(20)로부터 전달받은 데이터와 상기 시스템 행렬 발생부(50)로부터 전달받은 시스템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00039
을 입력받아 각 안테나 별 시스템 행렬의 헤르미티안(Hermitian) 전치 행렬과 수신 시퀀스
Figure 112004058117718-PAT00040
를 곱하는 역할을 한다.
그러면, 상기 신호 합성부(70)에서 상기 코드정합 필터부(60)로부터 전달받은 Ka개의 코드 정합 필터 출력을 합성한다.
여기서, 상기 코드정합 필터부(60)와 상기 신호 합성부(70)의 역할은 전술한 [수학식 6]에서
Figure 112004058117718-PAT00041
에 해당된다.
그리고, 상기 간섭 제거부(80)는 상기 시스템 행렬 발생부(50)로부터 전달받은 시스템 상관 행렬의 합과 상기 신호 합성부(70)로부터 전달받은 합성값을 이용하여 간섭 신호를 제거하는 역할을 한다. 즉, 전술한 [수학식 6]에서
Figure 112004058117718-PAT00042
로 나타낸 과정을 수행하는 것이며, 시스템 행렬 발생부(50)로부터 각 안테나 별 시스템 행렬의 상관 행렬 합을 전달받아 상관 행렬 합의 역행렬을 구한 후, 상기 신호 합성부(70)의 출력에 곱하여 송신 시퀀스 추정값
Figure 112004058117718-PAT00043
를 얻는 것이다.
여기서, 도 3 내지 도 5를 이용하여 본 발명에 따른 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에서 채널 추정부(30), 빔형성 가중치 벡터 발생부(40), 및 시스템 행렬 발생부(50)를 상세히 설명하기로 한다.
시스템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00044
는
Figure 112004058117718-PAT00045
의 행렬로, 사용자의 벡터 채널응답과 사용자 고유의 확산 코드가 컨볼루션(convolution)된 열벡터로 이루어진다. ka 번째 안테나에 대해 k 번째 사용자의 한 데이터 심볼 동안의 사용자 고유의 확산 코드
Figure 112004058117718-PAT00046
와 사용자의 벡터 채널응답
Figure 112004058117718-PAT00047
와의 컨볼루션은 하기의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112004058117718-PAT00048
그리고, ka 번째 안테나에 대해 모든 사용자 K와 각 데이터 블록
Figure 112004058117718-PAT00049
에 대한 행렬
Figure 112004058117718-PAT00050
은 하기의 [수학식 8]과 같이 구성할 수 있다.
Figure 112004058117718-PAT00051
도 3에는 전술한 [수학식 8]에 의한 ka 번째 안테나에 대한 시스템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00052
의 구조가 도시되어 있다. 여기서, 만약 사용자가 2명(K=2)이고, 첫번째 사용자의 데이터 블록 크기가 3(N1=3), 확산 길이가 2(Q1=2)이고, 두번째 사용자의 데이터 블록 크기가 2(N1=2), 확산 코드가 3(Q1=3)이라고 가정한 상태에서 채널의 최대 지연 확산이 6칩(W=6)이라 하였을 때, 각 사용자의 채널응답이 도 4에 도시된 바와 같다고 하면, ka 번째 안테나에 대한 시스템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00053
의 형태는 다음과 같다.
Figure 112004058117718-PAT00054
상기와 같이 ka 번째 안테나에 대한 시스템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00055
는 각 사용자의 코드와 벡터 채널응답으로 구할 수 있으며, 각 사용자 신호의 동기 성립 여부에 상관없이 상기와 같은 시스템 행렬을 사용할 수 있게 된다.
그리고, 각 사용자 코드는 이미 알고 있는 값이기 때문에, 벡터 채널응답은 채널 추정부(30)와 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)의 출력을 통해 시스템 행렬 발생부(50)에서 구할 수 있다.
여기서, 전술한 바와 같은 시스템 행렬 발생을 위한 과정을 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국에서의 시공간 다중 사용자 검출 방법 중 시스템 행렬 생성 과정을 상세 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 채널 추정부(30)가 데이터/기준신호 분리부(20)로부터 분리된 각 안테 나 별로 수신된 기준신호 벡터로부터 각 사용자의 다중경로에 대한 지연시간 정보를 추출한다(511).
이후, 채널 추정부(30)가 각 안테나 별로 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답
Figure 112004058117718-PAT00056
을 추정한다(512).
이후, 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)가 채널 추정부(30)로부터 각 사용자의 다중경로에 대한 지연시간 정보를 입력받고 각 사용자의 기준신호를 발생시킨다(513).
이후, 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)가 지연시간 정보에 맞게 추출한 기준신호 벡터와 각 사용자의 기준신호를 이용하여 빔형성 가중치 벡터를 각 사용자의 다중경로에 대해 발생시킨다(514).
이 때, 기준신호를 필요로 하는 모든 알고리즘, 예를 들어 SMI(Sample Matrix Inversion) 알고리즘, N-LMS(Normalized-Least Mean Square) 알고리즘, RLS(Recursive Least Square) 알고리즘 혹은 정합 필터 방식인 MRC(Maximal Ratio Combining) 알고리즘 등을 이용하여 빔형성 가중치 벡터
Figure 112004058117718-PAT00057
를 각 사용자의 다중경로에 대해 발생시키는 것이다.
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 채널 추정부(30)와 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)로부터 전달받은 채널응답 벡터와 빔형성 가중치 벡터로부터
Figure 112004058117718-PAT00058
의 각 사용자의 벡터 채널응답을 추정한다(515).
이 때, 채널응답 벡터는
Figure 112004058117718-PAT00059
로서 하기의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있으 며, 각 사용자의 벡터 채널응답은
Figure 112004058117718-PAT00060
로서 하기의 [수학식 10]과 같이 추정된다.
Figure 112004058117718-PAT00061
Figure 112004058117718-PAT00062
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 각 사용자의 확산 코드를 발생시킨다(516).
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 각 사용자의 벡터 채널응답과 각 사용자의 코드를 컨볼루션하여 열벡터를 생성한다(517).
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 생성된 열벡터를 경로별로 합성한다(518). 즉, 시스템 행렬 발생부(50)는 W 개의 경로에 대한 열벡터를 합성하여
Figure 112004058117718-PAT00063
,
Figure 112004058117718-PAT00064
를 구하는 것이다.
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 열벡터를 조합하여 각 안테나 별 시스템 행렬을 구한다(519). 즉, 시스템 행렬 발생부(50)는 열벡터 합성을 통해 구해진
Figure 112004058117718-PAT00065
와 알려진 사용자 수, 사용자 별 데이터 심볼 수에 맞도록 각 안테나 별 시스 템 행렬
Figure 112004058117718-PAT00066
을 구하는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 배열 안테나 기지국에서 시공간 다중 사용자 검출 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 수신신호 처리부(10)가 배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호를 각 안테나 별로 오버 샘플링된 디지털 기저대역 신호로 변환한다(610).
이후, 데이터/기준신호 분리부(200)가 수신신호를 데시메이션하여 칩 레이트의 신호 벡터로 만들고, 데이터와 기준신호로 분리한다(620).
이후, 채널 추정부(30)가 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하고, 빔형성 가중치 벡터 발생부(40)가 기준신호와 다중경로 채널을 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널에 대해 빔형성 가중치 벡터를 계산한다(630).
이후, 시스템 행렬 발생부(50)가 채널 추정값과 빔형성 가중치 벡터를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬을 생성하고, 이 시스템 행렬을 이용하여 시스템 상관 행렬의 합을 구한다(640).
이 때, 상기 630, 640에 해당하는 시스템 상관 행렬을 구하는 방법에 대한 상세 설명은 전술한 도 5에서 상세히 설명하였으므로 여기서는 생략하기로 한다.
이후, 코드정합 필터부(60)가 배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호의 데이터와 각 안테나별 시스템 행렬(
Figure 112004058117718-PAT00067
)을 입력받아 각 안테나 별 시스템 행렬의 헤르미티안 전치 행렬과 수신 시퀀스(
Figure 112004058117718-PAT00068
)를 곱한다(650).
이후, 신호 합성부(70)가 코드 정합 필터부(60)로부터 출력되는 신호들을 전 달받아 그를 합성한다(660).
이후, 간섭 제거부(80)가 시스템 행렬 발생부(50)로부터 각 안테나 별 시스템 상관 행렬의 합을 전달받아 상관 행렬의 합의 역행렬을 구한 후, 상기 신호 합성부(70)의 출력에 곱하여 간섭을 제거하여 송신 시퀀스 추정값을 얻는다(670).
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 배열 안테나에서 들어오는 수신신호를 통해 벡터 채널을 추정하고, 추정된 벡터 채널과 사용자 코드를 이용하여 시스템 행렬을 형성하고, 시스템 행렬을 제로 강제 평가 알고리즘에 적용하여 시공간 다중 사용자 검출기를 구성함으로써, 레이크 핑거 별로 빔형성 가중치 벡터를 곱하고 합성하는 모듈이 추가되어야 하는 레이크 수신기 기반의 시공간 다중 사용자 검출기에 비해 구현이 쉽다는 효과가 있다
또한, 본 발명은 안테나에서 들어오는 수신신호를 통해 벡터 채널을 추정함으로써, 채널의 공간 정보를 더욱 정확하게 추정할 수 있어 시공간 다중 사용자 검출기의 성능을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 동기 및 비동기 CDMA 시스템에 사용되는 시공간 다중 사용 자 검출기에 모두 적용가능한 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치에 있어서,
    배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 각 안테나 별로 오버 샘플링하여 디지털 기저대역 신호로 변환하기 위한 수신신호 처리수단;
    상기 수신신호 처리수단으로부터 수신신호를 전달받아 데이터와 기준신호로 분리하기 위한 데이터/기준신호 분리수단;
    상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터 기준신호를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하기 위한 채널 추정수단;
    상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 기준신호와 상기 채널 추정수단으로부터의 다중경로 채널을 전달받아 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하기 위한 빔형성 가중치 벡터 발생수단;
    상기 채널 추정수단으로부터의 각 사용자의 다중경로 채널과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생수단으로부터의 빔형성 가중치 벡터를 전달받아 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬 및 상기 시스템 행렬의 상관 행렬 합을 생성하기 위한 시스템 행렬 발생수단;
    상기 데이터/기준신호 분리수단으로부터의 데이터와 상기 시스템 행렬 발생수단으로부터의 시스템 행렬을 전달받아 각 안테나 별 데이터에 시스템 행렬을 곱해주기 위한 코드정합 필터수단;
    상기 코드정합 필터수단으로부터의 전달받은 신호를 모두 합성하기 위한 신 호 합성수단; 및
    상기 시스템 행렬 발생수단으로부터 전달받은 시스템 상관 행렬 합과 상기 신호 합성수단으로부터 전달받은 신호 합성값을 이용하여 간섭 신호를 제거하기 위한 간섭 제거수단
    을 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채널 추정수단은,
    상기 데이터/기준신호 분리수단에서 분리한 기준신호 벡터로부터 각 사용자의 다중경로 지연시간을 추정하기 위한 지연시간 추정부; 및
    각 안테나 별로 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답을 추정하기 위한 채널응답 추정부
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 빔형성 가중치 벡터 발생부는,
    각 사용자의 기준신호를 발생시키기 위한 기준신호 발생부; 및
    각 안테나 별로 수신된 기준신호 벡터와 상기 기준신호 발생부에서 발생시킨 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로에 대해 빔형성 가중치 벡터를 생성하기 위한 벡터 생성부
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템 행렬 발생수단은,
    각 사용자의 다중경로에 대한 벡터 채널응답을 추정하기 위한 벡터 채널응답 추정부;
    각 사용자의 확산 코드를 발생시키기 위한 코드 발생부;
    각 안테나 별 각 사용자 별 다중경로에 대해 상기 코드 발생부로부터의 각 사용자 확산 코드와 상기 벡터 채널응답 추정부로부터의 벡터 채널응답을 컨볼루션하여 열벡터를 생성하기 위한 컨볼루션 수행부;
    상기 컨볼루션 수행부에서 생성한 열벡터를 다중경로에 대해 경로 별로 합성하기 위한 다중경로 합성부;
    상기 다중경로 합성부에서 경로 별로 합성한 열벡터를 조합하여 각 안테나 별 시스템 행렬을 구하기 위한 시스템 행렬 생성부; 및
    상기 시스템 행렬 생성부에서 각 안테나 별로 생성한 시스템 행렬을 이용하여 상기 시스템 행렬의 상관 행렬을 구한 후, 그 합을 구하기 위한 상관 행렬 생성부
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 벡터 채널응답 추정부는,
    상기 채널 추정수단으로부터 전달받은 각 안테나 별 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생수단으로부터 전달받은 빔형성 가중치 벡터의 공액 복소수를 곱하여 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답을 추정하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 벡터 채널응답 추정부는,
    상기 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답을 추정한 것과 상기 빔형성 가중치 벡터 발생수단으로부터 전달받은 빔형성 가중치 벡터를 곱하여 각 사용자의 다중경로에 대한 벡터 채널을 구하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 간섭 제거수단은,
    상기 시스템 행렬 발생수단으로부터 시스템 행렬의 상관 행렬의 합을 입력 받아 그 행렬의 역행렬을 구하고, 상기 안테나 합성수단으로부터 전달받은 데이터와 상기 구한 상관 행렬 합의 역행렬을 곱하여 간섭을 제거하는 것을 특징으로 하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 장치.
  8. 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법에 있어서,
    배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호를 디지털 기저대역 신호로 변환하는 단계;
    상기 수신신호를 데이터와 기준신호로 분리하는 단계;
    상기 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널을 추정하는 채널 추정 단계;
    상기 기준신호와 상기 다중경로 채널을 이용하여 각 사용자의 다중경로 채널에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하는 벡터 생성 단계;
    채널 추정값과 빔형성 가중치 벡터를 이용하여 각 안테나 별 각 사용자에 대한 시스템 행렬을 생성하고, 상기 시스템 행렬을 이용하여 시스템 상관 행렬의 합을 구하는 시스템 행렬 발생 단계;
    상기 배열 안테나를 통해 수신되는 수신신호의 데이터와 각 안테나 별 시스템 행렬을 이용하여 각 안테나 별 시스템 행렬의 전치 행렬과 수신 시퀀스를 곱하 고 그 값들을 합성하는 단계; 및
    상기 합성값에 상기 시스템 상관 행렬 합의 역행렬을 곱하여 간섭을 제거하여 송신 시퀀스 추정값을 구하는 단계
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 채널 추정 단계는,
    상기 기준신호 벡터로부터 각 사용자의 다중경로에 대한 지연시간 정보를 추출하는 단계; 및
    각 안테나 별로 각 사용자의 다중경로에 대한 채널응답을 추정하는 단계
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 벡터 생성 단계는,
    각 사용자의 다중경로에 대한 지연시간 정보를 입력받고 각 사용자의 기준신호를 발생시키는 단계; 및
    지연시간 정보에 상응하도록 추출한 기준신호 벡터와 각 사용자의 기준신호를 이용하여 각 사용자의 다중경로에 대한 빔형성 가중치 벡터를 생성하는 단계
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법.
  11. 제 8항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템 행렬 발생 단계는,
    채널응답 벡터와 빔형성 가중치 벡터를 이용하여 벡터 채널응답을 추정하는 단계;
    각 사용자의 확산 코드를 발생시키는 단계;
    상기 각 사용자의 벡터 채널응답과 상기 각 사용자의 확산 코드를 컨볼루션하여 열벡터를 생성하는 단계;
    상기 생성된 열벡터를 각 경로 별로 합성하는 단계;
    상기 합성된 열벡터를 조합하여 각 안테나 별로 시스템 행렬을 생성하는 단계; 및
    상기 시스템 행렬의 상관 행렬을 구하고 그를 이용하여 상관 행렬의 합을 구하는 단계
    를 포함하는 배열 안테나 기지국의 시공간 다중 사용자 신호 검출 방법.
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