KR100270474B1 - 적응배열 안테나시스템에서 기저대역 신호처리블록 - Google Patents

적응배열 안테나시스템에서 기저대역 신호처리블록 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 안테나를 구비하여 최적의 신호를 송신, 수신하는 적응배열 안테나 시스템에서의 기저대역 신호처리블록에 관한 것으로서, 다경로 신호를 처리하고 그 신호를 역확산하는 RAKE ASIC블럭(5)과, 디인터리빙(Deinterleaving)과 비터비 디코딩(Viteri Decoding)을 하는 포스트-RAKE ASIC블록(6)과, 콘벌루션 인코딩(Convolution Encoding), 인터리빙(Interleaving), 확산(Spreading)을 하여 순방향 CDMA 변조를 하는 순방향 링크 모뎀 ASIC블록(7)과, 순방향 빔형성이 되도록 디지틀신호 처리모듈에서 얻어진 가중치를 순방향 링크에 곱해주는 가중치 적산기(8)와, 수신신호 이득이 최대가 될 수 있도록, 각 배열소자당 최적의 가중치를 계산하는 디지털신호 처리모듈(9)로 구성된다.
이러한 구성에 의하여 이동통신 기지국시스템의 통화채널용량 증대를 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

적응배열 안테나시스템에서 기저대역 신호처리블록
본 발명은 기지국시스템에서 기저대역 모뎀부와 디지틀신호처리부와의 인터페이스로서 RAKE 수신부의 기능 정의 및 각 기능 블록 배치에 관한 것이다. 여기에서 제시하는 RAKE 수신부는 ASIC화를 목적으로 설계 되었으며, 타 모듈과의 간편한 연동을 위해 입출력신호를 최소화하도록 구성되었다. 따라서 본 발명은 배열안테나를 사용하는 차세대안테나시스템에서의 기저대역 모뎀 ASIC 관련 분야에 속한다.
종래의 기지국시스템은 채널용량 증대를 위해 섹터를 세분화 하거나 중계기 설치, 그리고 다이버시티 안테나(Diversity Antenna)를 사용하고 있다. 여기서 다이버시티 안테나는 수신방법에 따라, Time Diversity, Space Diversity, Frequency Diversity, Polarization Diversity, Rake Diversity, Angle Diversity 등이 있다. 이는 송신출력 또는 대역폭을 증가시키지 않고 통신시스템의 수신성능을 개선하기 위한 방법으로서 안테나 간 절연(Isolation) 특성을 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 얻는 방식이다. 합성(Combining) 방식에 따라 가중치를 부여하는 경우도 있지만, 안테나로 입사되는 신호의 방향을 알 수 없기 때문에 가입자 방향에 따른 위상보상이 불가능하며, 따라서 디지틀신호처리부가 없으며, 기저대역 모뎀부와의 인터페이스도 필요없게 된다.
본 발명에서 제시하는 RAKE 수신부의 부가기능 및 각 기능 블록 배치는, 배열안테나를 사용하는 기지국시스템에서 기저대역 모뎀부와 디지틀신호 처리모듈간 인터페이스의 기본골격이 된다.
본 발명은, 이동통신 기지국시스템의 통화채널음량 증대를 위한 적응배열 안테나 시스템에서 기저대역 모뎀부와 디지틀신호처리모듈간 인터페이스 구조에 관한 것으로서, 적응배열 안테나기술은 SDMA(Space Division Multiple Access) 개념으로, 이동가입자가 통화를 하고 있을 경우 가입자의 방향을 탐지하여 그 방향으로의 안테나 이득을 높이고, 그 외방향에서는 안테나 이득을 낮춤으로써 동일 셀 간섭을 최소화하는 기술이다. CDMA 환경에서는 동일 셀내에서 통화중인 다른 이동가입자가 간섭으로 작용하기 때문에, 이 간섭을 최소화하였을 때에 채널용량이 최대가 된다. 적응배열 안테나기술을 기지국에 적용하기 위해서는 배열안테나를 사용하고, 배열 신호에 대한 디지틀신호처리가 필수적이다. 디지틀 신호처리에서는 에러 배열 소자로부터 들어온 신호들의 조합을 가지고, 배열안테나 이득을 극대화 할 수 있는 가중치 벡터(Weight Vector)를 계산한다. 본 발명에서는 이러한 디지틀신호처리를 효율적으로 할 수 있도록, 기저대역 모뎀부 중 RAKE 수신부가 갖추어야 할 기능 및 인터페이스 구조를 제시한다.
본 발명에서 제시하는 RAKE 수신부는 기존의 탐색기(Searcher), 핑거(Finger) 기능 외에, 위상정보 획득, 위상분배, 위상보상, 가중치 적산(Weight Multiplying), 최대이득합성(Maximal Gain Combining) 기능이 포함되도록 구성된다.
제1도는, 기지국의 동시통화 채널용량을 증대시키기 위한 적응배열 안테나시스템을 설명하는 도면,
제2도는, 적응배열 안테나시스템 중 RAKE ASIC과 디지털신호 처리모듈간의 신호 흐름을 설명하는 도면,
제3도는, 적응배열 안테나시스템 중 기저대역 모뎀부와 디지틀신호처리모듈간의 인터페이스를 담당하는 RAKE 수신부 구조를 설명하는 도면이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 수신용 배열안테나 2 : 송신용 배열안테나
3 : RF 모듈 블록 4 : 기저대역 신호처리블록
5 : RAKE ASIC블록 6 : 포스트(post)-RAKE ASIC블록
7 : 순방향 링크(forward-link) 모뎀 ASIC블록
8 : 가중치 적산기(Weight Multiplier)
9 : 디지털신호 처리모듈
10 : 역확산된 I/Q 데이터 벡터(Despreaded I/Q Data Vector)
11 : 가중치 벡터(Weight Vector)
12 : 마이크로프로세서(Microprocessor)
13 : 보코더(Vocoder)
14 : D/A 변환기(Digital-to-Analog Converter)
15 : A/D 변환기(Analog-to-Digital Converter)
16 : 스피커 17 : 마이크
18 : 탐색기 블록 19 : 핑거 블록
20 : 위상 ＆ 에너지 계산블록(Phase ＆ Energy estimation block)
21 : 위상보상블록(Phase compensation block)
22 : 가중블록(Weighting block) 23 : 합성기 블록
24,25,26 : 핑거1블록 27,28,29 : 핑거2블록
30,31,32 : 핑거M블록
33,34,35 : 에너지 ＆ 위상 계산블록(Energy ＆ Phase Estimation block)
36,37,38 : 계산된 위상(Estimated Phase)
39,40,41 : 계산된 에너지(Estimated Energy)
42∼50 : 위상보상블록(Phase Compensation block)
51-59 : 복소 적산기 블록(Complex Multiplier block)
60,61,62 : 가산기 블록(Adder block)
63 : 합성기(Combiner)
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도1은, 기지국의 동시통화 채널용량을 증대시키기 위한 적응배열 안테나 시스템을 설명하는 도면이다. 구성요소로서는 이동가입자의 방향에 따라 각각의 안테나소자의 수신신호간 위상차를 갖도록 한 수신용 배열안테나부(1)와, 송신시 각 이동가입자에게 고이득 빔을 방사하도록 한 송신용 배열안테나부(2), 배열안테나의 송·수신신호를 기저대역 디지틀신호로 상호변환시키는 RF 모듈부(3), 기저대역 CDMA 신호처리를 담당하는 기저대역 신호처리블록(4), CDMA 변복조를 담당하는 RAKE ASIC부(5), 포스트-RAKE ASIC부(6), 순방향 링크 모뎀 ASIC부(7), 수신배열신호로부터 이동가입자별 최적 가중치를 계산하는 디지틀 신호처리모듈(9), 계산된 가중치를 송신 순방향링크에 적용하는 가중치 적산기(Weight Multiplier)(8), 그외 마이크로프로세서(12), 음성 보코더(13), D/A(Digital-to-Anlaog) 변환기(14), A/D(Analog-to-Digital) 변환기(15) 등이 있다.
RAKE ASIC부(5)는, 수신신호의 다경로 페이딩 보상을 하며, 디지틀신호 처리모듈과의 인터페이스를 담당한다. 포스트-RAKE ASIC부(6)는 가중치 적산된 CDMA 신호의 복조를 하게 되며, 순방향 링크 모뎀 ASIC부(7)는 순방향링크 CDMA 신호를 생성하게 된다. 디지털신호 처리모듈(9)은 RAKE ASIC부(5)로부터 역확산된 I/Q데이터 백터(10)를 받아 최대의 수신이득을 낼 수 있는 가중치 벡터(11)를 계산한다. 가중치 적산기(8)는 디지틀신호 처리모듈(9)로부터 계산된 가중치 벡터(weight vector)를 받아 각 배열 경로마다 가중치를 곱해줌으로써 이동가입자에게 독립된 고이득 빔이 방사되도록 하는 역할을 한다.
도2는 RAKE ASIC부(5)와 디지털신호 처리모듈(9)간의 인터페이스 및 개략적인 신호 흐름에 관한 도면이다. N개의 RF 모듈(3)로부터 탐색기블록(18)으로 신호가 입력된다. 탐색기는 N개의 신호들 중 기준신호 1개를 선택하여, 수신신호의 경로를 분석한다. 여기서 기준신호는 기준안테나에 수신된 신호가 RF 모듈을 통과한 후의 신호로서, 안테나 주변의 여러 산란체에 의해 여러가지 경로를 통해 안테나에 도착한다고 가정한 것이다. 탐색기블록(18)은 M개의 경로를 찾도록 하였을 때, 각 경로당 한개의 핑거를 배치시켜, 기준신호는 모두 M개의 핑거회로가 필요하게 된다. 각 경로에 대한 정보는 나머지 N-1개의 신호에도 공통으로 적용하여 핑거회로를 구성한다.
핑거블록(19)은 탐색기에서 구한 각 경로에 대하여 해당 가입자의 신호생성에 이용된 확산코드(Spreading Code)를 재생해서 역확산 과정을 수행한다. 기준신호 외에 나머지 N-1개의 신호에 대해서도 각각 M개의 핑거가 소요되므로, 핑거블록(19)에는 모두 N×M 개의 핑거가 존재한다. 에너지 계산블록(20)은 기준안테나신호에서 구한 각 경로에 대해서만 수신신호의 에너지를 계산한다. 위상계산블록(20)은 기준안테나에서 구한 각 경로에 대해서만 경로지연에 의한 수신신호 지연위상을 추정한다. 에너지계산과 위상계산은 확산코드를 이용해 구해지므로 핑거블록(19), 에너지계산블록(20), 그리고 위상계산블록(20)은 단지 논리적으로 구분되어지는 것으로 실제로는 한 모듈로 구현된다. 에너지계산블록과 위상계산블록은 기준안테나신호에 관련된 핑거 개수(M개) 만큼 존재한다. 위상보상(Phase Compensation)블록(21)은 위상계산블록에서 추정한 지연위상으로 기준안테나 및 다른 안테나신호의 각 경로에 대해서 보정한다. 기준안테나에서 추정한 위상으로 모든 안테나 신호를 보정하는 이유는 각 안테나신호의 송수신신호원 간의 거리에 따른 신호지연에 의한 위상은 보정하고 배열안테나 간의 위치에 따른 위상차이 정보만을 남겨둠으로써 디지털신호 처리모듈(9)에서 가중치 벡터 계산을 가능하게 하기 위함이다. 디지털신호 처리모듈(9)은 신호지연에 따른 위상이 보정된 신호를 입력받아 가중치 벡터를 계산하고 이를 가중블록(22)에 전달한다. 가중블록(22)에서는 각 안테나의 가중치를 디지털신호 처리모듈(9)로부터 입력받아 가중치를 인가한 다음 각 안테나 신호를 합성한다. 이는 수식적으로 N개의 배열안테나에 대하여 가중치 벡터를
W = [ωI1+ jωQ1, ωI2+ jωQ2, …, ωIN+ jωQN]
라 표현하고 위상보상블록(21) 출력을
DATA = [dI1+ jdQ1, dI2+ jdQ2,…, dIN+ jdQN]
라 표현하면 DATA WT(χT는 χ의 Transpose)을 수행하는 과정이다. 이는 현실적으로 복소적산기(Complex Multiplier)와 가산기(Adder) 등으로 구현 가능하다. 합성기블록(23)은 가중치를 적용한 각 경로 신호를 에너지계산 블록(20)에서 구한 각 경로에너지 비율을 분석하여 최적으로 합성하는 부분이다.
도3은, 적응배열 안테나시스템 중 RAKE ASIC블록(5) 내부 구조를 상세히 설명하는 도면으로서, 기저대역 모뎀부와 디지틀신호 처리모듈간의 인터페이스를 담당하는 기능이 들어 있다.
여러 개의 RF모듈(3)로부터 받은 신호는 탐색기블록(18) 및 핑거 블록(24∼32)회로로 입력이 된다. 탐색기블록(18)에서는 첫번째 RF모듈로부터 오는 다경로신호 (경로수=M)를 포착하여 핑거1블록, 핑거2블록, ...., 핑거M블록으로 각각 보낸다. M=2일 경우, 핑거1블록(24,25,26)은 무선 채널중 수신감도가 가장 높은 경로를 통해 수신된 신호들 만을 받아서 역확산하며, 핑거2블록(27,28,29)은 무선채널중 수신감도가 두번째로 높은 경로를 통해 수신된 신호들 만을 받아서 역확산한다. 핑거1블록과 핑거2블록에서 역확산된 신호는 각각 에너지 ＆ 위상계산 블록(33,34,35)에서 에너지 및 위상이 추정이 되며, 추정된 위상값을 가지고 위상보상블록(42∼50)에서 보상을 함으로써 송신원과 수신원까지의 전파거리에 기인한 위상지연을 보상한다. 디지틀신호 처리모듈(9)은 역확산된 I/O 데이터 벡터(10)를 받아들여, 수신이득이 최대가 되는 가중치 벡터(11)를 계산, 출력하게 된다. 이 가중치 벡터(11)는 각각의 복합적산기(51∼59)로 입력되어 원래의 역확산된 I/Q 데이터 벡터와 곱해지게 된다. 가산기(60)는 복소적산기(51,52,53)의 출력신호를 합산하고, 가산기(61)는 복소적산기(54,55,56)의 출력신호를 합산하고, 가산기(62)는 복소적산기(57,58,59)의 출력신호를 합산한다. 합성기(63)에서는 가산기(60), 가산기(61), 가산기(62)의 출력을 에너지 ＆ 위상계산 블록(33,34,35)에서 추정된 에너지 비율에 따라 합성한다. 합성된 신호는 수신방향으로만 최대이득을 갖는 신호이며, 이 신호는 포스트-RAKE ASIC 블록(6)에서 디인터리빙(Deinteleaving)과 디코딩(Decoding) 과정을 거쳐 복조된다.
상기와 같은 본 발명은, 적응배열 안테나시스템 중 RAKE ASIC 블록(5) 내부 구조 및 기능에 관한 것으로서, 차세대 이동통신시스템에서 디지틀신호처리를 위한 최적의 배열 신호를 만드는 역할을 한다. 디지틀신호처리모듈은 정확히 위상보상된 배열신호를 공급 받아야만, 최대수신이득 가중치 벡터를 구할 수 있다. RAKE 수신은 CDMA 기지국의 일반적인 기능이므로, 다양한 CDMA 이동통신 시스템에서 적응 배열 안테나를 이용할 경우, 본 발명에서 제시한 RAKE ASIC 부의 기능 및 각 기능 블록 배치 구조가 활용되는 효과를 기대할 수 있다. 또한 디지틀신호처리를 별도의 모듈로 구현하도록 함으로써, 향후 다양한 시스템에서도 호환할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 다수의 안테나를 구비하여 최적의 신호를 송신, 수신하는 적응배열 안테나 시스템에서, 다경로 신호를 처리하고 그 신호를 역확산하는 RAKE ASIC블록(5)과, 디인터리빙(Deinterleaving)과 비터비 디코딩(Viterbi Decoding)을 하는 포스트-RAKE ASIC블록(6)과, 콘벌류션 인코딩(Convolution Encoding), 인터리빙(Interleaving), 확산(Spreading)을 하여 순방향 CDMA 변조를 하는 순방향 링크 모뎀 ASIC블록(7)과, 순방향 빔형성이 되도록 디지틀신호 처리모듈에서 얻어진 가중치를 순방향 링크에 곱해주는 가중치 적산기(8)와, 수신신호 이득이 최대가 될 수 있도록, 각 배열소자당 최적의 가중치를 계산하는 디지털신호 처리모듈(9)로 구성된 기저대역 신호처리블록.
  2. 제1항에 있어서, 상기 RAKE ASIC 블록(5)은, 다경로 손실을 보상하기 위해 다경로 신호를 추정하는 탐색기블록(18)과, 무선채널중 수신감도가 가장 높은 경로를 통해 수신된 신호들만을 받아서 역확산하는 핑거1블록(19; 24,25,26)과, 무선채널중 수신감도가 두번째로 높은 경로를 통해 수신된 신호들만을 받아서 역확산하는 핑거2블록(19; 27,28,29)과, 무선채널 중 수신감도가 M번째로 높은 경로를 통해 수신된 신호들만을 받아서 역확산하는 핑거M블록(19; 30,31,32)과, 역확산된 신호들의 에너지 및 위상을 추정하는 에너지 ＆ 위상계산블록(20; 33,34,35)과, 송신원과 수신원까지의 전파거리에 기인한 위상지연을 보상하는 위상보상블록(21; 42∼50)과, 가중치벡터와 역확산된 I/Q 데이터 벡터를 곱해주는 복소 적산기(22; 51∼59)와, 가중치를 곱한 후의 신호들을 더하는 가산기(23; 60,61,62)와, 에너지 ＆ 위상계산블록에서 추정된 에너지 비율에 따라 두 신호를 합성하는 합성기(23; 63)로 구성된 것을 특징으로 하는 기저대역 신호처리블록.
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