KR20080007458A - 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법 - Google Patents

간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법에 관한 것으로, 현재 배열 안테나의 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 각각 채널 추정을 진행하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 배열 채널 임펄스 응답을 얻는 스텝a와, 스텝a에서 얻은 채널 임펄스 응답에 근거하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝b와, 희망 사용자 신호와 간섭 및 잡음간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝c와, 스텝b에서 얻은 희망 신호의 공간 공분산 행렬과 스텝c에서 얻은 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 이용하여 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산하는 스텝d를 포함하여 구성되어, 동시에 강한 간섭 신호를 억제할 수 있으며 성형 빔의 지향을 편향하지 않도록 보장한다.
빔, 성형, 간섭, 억제, 공분산, 웨이트, 안테나

Description

간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법{A Beam Forming Method Which Can Realize Interference Suppression}
본 발명은 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 기술에 관한 것으로서, 특히 사용자의 방향성을 보장하는 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법에 관한 것이다.
빔 성형이란 파라미터에 근거하여 최적의 웨이트 벡터를 계산하는 과정이며 구체적으로는 파라미터의 측량 및 추정에 근거하여 신호의 최적(차선) 조합 혹은 최적(차선) 분배를 실현하는 과정이다. 빔 성형 기술은 배열 안테나를 사용하여 신호 에너지를 하나의 좁은 빔에 집결하여 안테나의 전파율 및 무선 링크의 확실성과 주파수 중복 사용률을 제고한다. 빔 성형 알고리즘은 부동한 준칙에 근거하여 설계할 수 있으며 빔 성형 알고리즘은 총체적으로 사용자의 최대 전력 준칙(maximum user power principle)과 사용자의 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙(maximum user CIR (Carrier to Interference ratio) principle) 이 2개의 준칙에 근거한다. 그 중, 사용자의 최대 전력 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘은 사용자의 수신 전력을 최대화하여 수신 신호 대 잡음 비를 제고하였다. 사용자의 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘은 사용자의 수신측의 송신 전력 대 간섭 비를 최대화하고 간섭 신호 방향에서 널링(nulling)을 형성하였으며 방향성 간섭을 억제하였다. 때문에 간섭 신호를 억제하고자 하는 목적을 달성하기 위해서는 보통 사용자의 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘을 사용한다.
종래의 기술에 있어서, 사용자의 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘의 실현 사상은 아래와 같다. 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 채널 추정을 진행하는 것을 통하여 희망 신호와 간섭 신호의 채널 임펄스 응답을 각각 얻으며 진일보로 희망 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00001
와 간섭 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00002
를 획득하며 그 다음으로, 획득한 공간 공분산 행렬을 이용하여 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산한다.
일반적으로, 사용자 k가 수신한 송신 전력 대 간섭비는 아래 수학식 1과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112007080529454-PCT00003
그 중,
Figure 112007080529454-PCT00004
는 사용자 k의 성형 웨이트 계수 벡터이고,
Figure 112007080529454-PCT00005
는 희망 사용자의 공간 공분산 행렬이며,
Figure 112007080529454-PCT00006
는 사용 자 k의 배열 채널 임펄스 응답 벡터이며,
Figure 112007080529454-PCT00007
는 간섭 신호의 공간 공분산 행렬이며 I는 간섭 신호 집합이다.
사용자의 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘에 있어서, 이러한 빔 성형 알고리즘의 최적화 준칙은 사용자의 송신 전력 대 간섭 비를 최대화하는 것이며 사용자의 수신 전력에 대한 제한은 없으므로 성형 빔의 메인 로브가 다시는 희망 신호 방향을 가리키지 않게 할 가능성이 있다. 그 원인은 다음과 같다. 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이 간섭 억제 알고리즘은 희망 신호의 전력을 제고하고 간섭 신호의 전력을 억제하는 것을 통하여 실현한다. 그러나, 안테나 유니트 수가 N인 배열 안테나에 있어서는, 희망 신호는 최대로 N배로 제고할 수 있지만 간섭 억제에 있어서는, 배열 안테나의 자유도는 N-1이며 간섭 신호 수가 N-1보다 크지 않을 경우 이론상으로는 간섭 신호 제로 리셋을 실현할 수 있다. 또한, 희망 신호와 간섭 신호 간은 완전히 직교할 수 없으며 이 각도에서 볼 때 희망 신호의 최대화와 간섭 신호의 제로 리셋은 일정한 모순성이 존재하므로 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 성형 빔에 방향성 편향을 초래할 수 있다.
이로부터 알 수 있는 바와 같이 자유도와 직교성의 제한에 의해 최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘은 빔 메인 로브의 지향과 희망 신호의 전력을 보장하기 어려우며 전력의 하강을 초래할 뿐 만 아니라 간섭 신호의 추정 오차에 대한 민감성을 증가한다.
본 발명은 전술한 점을 감안하여 이루어진 것으로서 그 주요 목적은 간섭 억제를 실현하며 동시에 강한 간섭 신호를 억제하고 성형 빔의 지향을 편향하지 않도록 보장하는 빔 성형 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술 방안은 아래와 같이 실현한다.
간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법은
현재 배열 안테나의 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 각각 채널 추정을 진행하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 배열 채널 임펄스 응답을 얻는 스텝a와,
스텝a에서 얻은 채널 임펄스 응답에 근거하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝b와,
희망 사용자 신호와 간섭 및 잡음간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝c와,
스텝b에서 얻은 희망 신호의 공간 공분산 행렬과 스텝c에서 얻은새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 이용하여 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산하는 스텝d를 포함하여 구성된다.
전술한 방안에서 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 얻는 상기 스텝c는 구체적으로,
달성하려는 희망 사용자의 전력과 간섭 전력에 대한 제약 능력에 근거하여 비례 계수를 설정하는 스텝c1과,
스텝b에서 얻은 간섭 신호의 공간 공분산 행렬의 대각선 성분의 합을 계산하는 스텝c2와,
스텝b에서 얻은 상기 간섭 신호의 공간 공분산 행렬에 상기 비례 계수, 상기 간섭 신호의 공간 공분산 행렬의 대각선 성분의 합, 단위 행렬 이 3자의 적을 가하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝c3을 포함하여 구성된다.
그 중, 상기 비례 계수는 0부터 플러스 무한대 사이의 값을 가진다.
전술한 방안에서 상기 간섭은 본 셀의 간섭, 다른 셀의 간섭 및 TDD 시스템 중 비대칭 업무 모드하에서의 기지국 간의 간섭이다.
도 1은 본 발명의 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법의 실현 순서도,
도 2는 8 유니트 균일 원형 배열의 구성도,
도 3은 본 발명의 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법과 종래 기술의 효과 대비도 이다.
최대 송신 전력 대 간섭 비 준칙에 근거한 빔 성형 알고리즘에서, 일반적으로 수신한 희망 사용자 신호의 전력과 간섭 및 잡음의 비(SINR, Signal-Interference & Noise Ratio)를 최대화하고자 한다. 다시 말하면, 수학식 1의 분모 중의 공분산 행렬을 간섭 공분산 행렬과 잡음 공분산 행렬의 합으로 하려고 하지만 잡음은 공간상관특성이 없으므로 잡음의 공간 공분산 행렬은 단위 행렬이다. 수학식 1의 분모 중의 공분산 행렬을 간섭 공분산 행렬과 잡음 공분산 행렬의 합으로 하는 것은 수신 빔 성형시에는 가능하지만 송신 과정에서는 사용자가 수신한 잡음 서열이 고정되어 있으므로 송신 과정에서는 잡음의 공분산 행렬은 존재하지 않으며 오직 간섭 공분산 행렬만 존재한다.
빔 성형 알고리즘에 있어서, 간섭과 잡음을 동시에 억제해야만, 즉 수신한 간섭 전력을 최소로 되게 하고 희망 전력을 최대로 되게 해야만 수신한 SINR을 최대로 되게 할 수 있다. 하지만 잡음 항이 존재하지 않는다면 빔 성형 알고리즘은 간섭 신호의 전력만을 억제할 수밖에 없으며 희망 신호의 전력에 대해서는 제한하지 않기 때문에 이는 희망 신호의 전력을 아주 작게 한다.
전술한 원리에 근거하면 본 발명의 관건은 하나의 상수 항을 증가하는 것이다. 이 상수 항을 수신한 잡음 공분산 행렬로 간주하며 이 상수 항은 물리상에서는 아무런 의의도 없으며 다만 수학상에서 분자의 값의 범위를 보장하는 작용을 한다. 단위 행렬의 값과 잡음 공분산 행렬의 값에 수치상의 관계가 존재한다는 것을 고려하면, 일반적으로 상수 항이 작을수록 빔 성형 알고리즘의 간섭에 대한 억제 능력이 더 강해지며 상수 항이 클수록 빔 성형 알고리즘의 희망 신호의 수신 전력에 대한 최대화 능력이 더 강해지는 것이다.
본 발명의 실현 사상은 계산을 통하여 얻은 간섭 신호의 공간 공분산 행렬과 증가한 상수 항의 합을 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬로 하고 그 다음으로, 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 이용하여 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산하여 빔 성형 알고리즘의 간섭 신호에 대한 억제를 보장하는 것이다.
도 1에 표시한 바와 같이, 본 발명의 빔 성형 방법은 아래와 같은 스텝을 포함한다.
스텝 101 : 현재 배열 안테나의 모든 안테나상의 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 각각 채널 추정을 진행하여 희망 신호의 배열 채널 임펄스 응답
Figure 112007080529454-PCT00008
와 간섭 신호의 배열 채널 임펄스 응답
Figure 112007080529454-PCT00009
을 얻으며 그 중,
Figure 112007080529454-PCT00010
은 간섭 신호 수이다.
본 발명에서 상기 간섭은 본 셀 간섭, 다른 셀 간섭 및 TDD(Time Division Duplex, 시분할 복신) 시스템 중 비 대칭 업무 모드하에서의 기지국 간의 간섭을 포함한다.
스텝 102 : 스텝 101에서 얻은 배열 채널 임펄스 응답에 근거하여 아래 수학식 2와 수학식 3에 의해 희망 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00011
와 간섭 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00012
를 각각 계산한다. 그 중, 간섭 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00013
를 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00014
이라 약칭한다.
Figure 112007080529454-PCT00015
Figure 112007080529454-PCT00016
스텝 103 : 간섭 전력과 희망 사용자 전력 간의 관계 및 단위 행렬과 잡음 공분산 행렬 간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00017
을 획득하며 이 때, 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00018
는 원 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00019
이라 칭한다. 상기 획득 과정은 구체적으로 아래와 같은 것을 포함한다.
우선, 아래 수학식 4에 근거하여 원 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00020
의 대각합(trace) 즉 원 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00021
의 대각선 성분의 합
Figure 112007080529454-PCT00022
를 구한다.
Figure 112007080529454-PCT00023
그 중, n은 안테나 유니트의 번호를 표시하고 N은 안테나 유니트 수를 표시하며 수학식 4는
Figure 112007080529454-PCT00024
의 대각선 성분의 누계를 의미한다.
그 다음으로, 간섭 공분산 행렬과 상수 단위 행렬 간의 비례 계수
Figure 112007080529454-PCT00025
를 설정하며 이 비례 계수의 값은 희망 사용자 전력과 간섭 전력에 대한 제약 능력을 표시하며 0부터 플러스 무한대 사이의 값을 가진다. 만약
Figure 112007080529454-PCT00026
가 0이면 간섭에 대해서만 제약하고 신호 전력에 대해서는 제약하지 않음을 표시한다. 만약
Figure 112007080529454-PCT00027
가 무한대라면 신호 전력에 대해서만 제약하고 간섭에 대해서는 제약하지 않음을 표시한다.
다음으로, 희망 사용자 신호와 간섭 및 잡음간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00028
를 얻으며 아래 수학식 5와 같이 표시한다.
Figure 112007080529454-PCT00029
그 중, I는 상수 단위 행렬이다.
스텝 104 : 획득한 희망 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00030
와 새로운 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00031
을 이용하여 아래 수학식 6에 의해 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수
Figure 112007080529454-PCT00032
를 계산한다.
이하 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 빔 성형 방법의 실현 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 본 실시예에서 사용한 배열 안테나는 8 유니트 균일 원형 배열 안테나이며 도 2에 표시한 바와 같다. 이 배열 안테나의 원 반경은 0.65
Figure 112007080529454-PCT00034
이고 3개의 간섭 신호가 존재한다. 이 배열 안테나상의 수신 신호중 희망 신호의 빔 수신 각도
Figure 112007080529454-PCT00035
는 50°이고 3개의 간섭 신호의 빔 수신 각도는 각각 30°, 150°, 250°이며 각각 단일 패스 채널이다.
스텝a : 8개의 안테나 유니트의 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 각각 채널 추정을 진행하여 희망 신호의 배열 채널 임펄스 응답
Figure 112007080529454-PCT00036
과 간섭 신호의 배열 채널 임펄스 응답
Figure 112007080529454-PCT00037
을 얻는다.
Figure 112007080529454-PCT00038
Figure 112007080529454-PCT00039
Figure 112007080529454-PCT00040
Figure 112007080529454-PCT00041
스텝b : 수학식 2와 수학식 3에 근거하여 희망 신호의 공간 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00042
와 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00043
를 각각 계산한다.
스텝c : 달성하려는 희망 사용자 전력과 간섭 전력에 대한 제약 능력에 근거하여 비례 계수
Figure 112007080529454-PCT00044
를 0.2로 설정하며 수학식 4에 근거하여 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00045
의 대각합 즉 대각선 성분의 합
Figure 112007080529454-PCT00046
를 계산한다.
Figure 112007080529454-PCT00047
그 다음으로, 수학식 5에 근거하여 새로운 간섭 공분산 행렬
Figure 112007080529454-PCT00048
를 얻는다.
Figure 112007080529454-PCT00049
스텝d : 스텝b에서 얻은
Figure 112007080529454-PCT00050
와 스텝c에서 얻은
Figure 112007080529454-PCT00051
에 근거하여 수학식 6에 의해 8유니트 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산한다. 본 실시예에서 보정하지 않았을 때의 빔 성형 웨이트 계수
Figure 112007080529454-PCT00052
과 보정한 후의 빔 성형 웨이트 계수
Figure 112007080529454-PCT00053
는 각각 아래와 같다.
Figure 112007080529454-PCT00054
Figure 112007080529454-PCT00055
여기서 상기 보정은 상수 항의 웨이트를 증가함을 의미하고 보정하지 않는다는 것은 상수 항의 웨이트를 증가하지 않음을 의미한다.
도 3은 본 발명의 방법을 사용한 성형 빔과 종래 기술의 성형 빔의 효과 대비도이며 도 3에서 화살표가 달린 실선30은 희망 신호의 방향을 표시하고 화살표가 달린 3개의 점선31은 3개의 간섭 신호의 방향을 표시하며 실선 빔32는 종래 기술의 방법을 사용하여 성형한 빔이고 점선 빔33은 본 발명의 방법을 사용하여 성형한 빔이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 종래 기술의 방법에 근거한 성형 빔은 희망 신호 방향이 간섭 신호 방향보다 작지만 본 발명의 방법에 근거한 성형 빔은 희망 신호 방향이 간섭 신호 방향보다 현저하게 크며 간섭을 억제할 수 있고 성형 빔의 방향성을 보장한다.
본 발명의 빔 성형 방법은 수신 및 송신 빔 성형에 적용할 수 있는바, 수 신 빔 성형에서는, 간섭은 수신 신호 중 간섭 사용자 신호가 희망 사용자 신호에 대한 간섭을 표시하고 송신 빔 성형에서는, 간섭은 희망 사용자의 송신 신호가 간섭 사용자의 송신 신호에 대한 간섭을 표시한다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예에 지나지 않으며 본 발명의 보호 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명이 제공하는 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법은 간섭 및 잡음과 희망 사용자 신호 간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 다시 계산하며 진일보로 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 이용하여 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산하여 빔 성형 알고리즘이 동시에 간섭과 잡음을 억제할 수 있게 하며 간섭 전력은 더 작게, 희망 전력은 더 크게 제어하므로써 강한 간섭을 억제할 뿐만 아니라 전력의 하강을 초래하지 않으며 성형 빔의 방향을 편향하지 않도록 보장할 수 있다.

Claims (4)

  1. 간섭 억제를 실현하는 빔 성형 방법에 있어서
    현재 배열 안테나의 수신 신호 중의 희망 신호와 간섭 신호에 대해 각각 채널 추정을 진행하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 배열 채널 임펄스 응답을 얻는 스텝a와,
    스텝 a에서 얻은 배열 채널 임펄스 응답에 근거하여 희망 신호와 간섭 신호 각자의 공간 공분산 행렬을 획득하는 스텝b와,
    희망 사용자 신호와 간섭 및 잡음간의 관계에 근거하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 획득하는 스텝c와,
    스텝b에서 얻은 희망 신호의 공간 공분산 행렬과 스텝c에서 얻은 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 이용하여 현재 배열 안테나의 빔 성형 웨이트 계수를 계산하는 스텝d를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 성형 방법.
  2. 청구항 1에 기재한 빔 성형 방법에 있어서,
    새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 획득하는 상기 스텝c는 구체적으로
    달성하려는 희망 사용자의 전력과 간섭 전력에 대한 제약 능력에 근거하여 비례 계수를 설정하는 스텝c1과,
    스텝b에서 얻은 간섭 신호의 공간 공분산 행렬의 대각선 성분의 합을 계산 하는 스텝c2와,
    스텝b에서 얻은 상기 간섭 신호의 공간 공분산 행렬에 상기 비례 계수, 상기 간섭 신호의 공간 공분산 행렬의 대각선 성분의 합, 단위 행렬 이 3자의 적을 가하여 새로운 간섭 신호의 공간 공분산 행렬을 얻는 스텝c3을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 성형 방법.
  3. 청구항 2에 기재한 빔 성형 방법에 있어서,
    상기 비례 계수는 0부터 플러스 무한대 사이의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 빔 성형 방법.
  4. 청구항 1 혹은 2에 기재한 빔 성형 방법에 있어서,
    상기 간섭은 본 셀 간섭, 다른 셀 간섭 및 시분할 복신 시스템 중 비 대칭 업무 모드하에서의 기지국 간의 간섭인 것을 특징으로 하는 빔 성형 방법.
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