KR100323754B1 - 이티에스아이 시스템의 적응 빔 형성 방법 - Google Patents

Abstract

유럽 전기통신 표준화(European Telecommunications Standard Institute ; 이하, ETSI라 약칭함) 시스템에 있어서, 특히 ETSI 시스템의 역방향 채널에서 어레이 안테나(Array Antenna)의 빔을 적응적으로 형성하는데 보다 빠른 수렴속도를 갖도록 하는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법에 관한 것으로, 전용 물리 데이터 채널의 데이터 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 필터의 가중치 벡터를 결정한 후 상기 결정된 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신하고, 동시에 전용 물리 제어 채널의 파일럿 정보 구간과, 전송 전력 제어 구간 및 전송 포맷 식별 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 또다른 필터의 가중치 벡터를 각각 결정한 후 상기 결정된 각각의 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신해 나가는 적응 빔 형성 방법에 관한 것이다.

Description

이티에스아이 시스템의 적응 빔 형성 방법{Adaptive Beamforming Method in ETSI System}

본 발명은 ETSI 시스템에 관한 것으로, 특히 ETSI 시스템의 역방향 채널에서 어레이 안테나(Array Antenna)의 빔을 적응적으로 형성하는데 보다 빠른 수렴속도를 갖도록 하는 적응 빔 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 직접 확산 CDMA 시스템에서 어레이 안테나의 적응 빔 형성 방법에는 파일럿 채널의 정보만을 이용하는 방법, 또는 파일럿 채널의 정보 없이 트래픽 채널의 정보만을 이용하는 브라인드 방법(Blind Algorithm)이 대표적으로 이용되었다.

파일럿 채널의 정보만을 이용하는 대표적인 방법으로는, 최소평균제곱(Least Mean Square ; 이하, LMS라 약칭함) 알고리즘과 순환적 최소제곱(Recursive Least Square ; 이하, RLS라 약칭함) 알고리즘이 있으며, 송신단과 수신단 모두에 알려진 기준신호(훈련신호)를 사용하지 않는 브라인드 방법에는 정계수 알고리즘(Constant Modulus Algorithm ; 이하, CMA라 약칭함)과 이차 레이크 결합(2-D Rake Combiner) 방법 등이 있다.

여기서, LMS 알고리즘 및 CMA에 따라 어레이 안테나의 빔을 형성하는 원리에 대해 언급하면 다음과 같다.

LMS 알고리즘은 실제 사용자 정보를 포함하는 데이터 채널과, 송신단과 수신단 모두에 알려진 기준신호(훈련신호)를 보내는 채널을 이용하는 적응 알고리즘이다.

이 LMS 알고리즘은 기준신호를 이용하기 때문에 안정적으로 필터의 계수를 갱신할 수 있으며, 평가함수가 컨백스(Convex)되므로 범용 최소값(global minimum)으로의 수렴이 보장된다.

또한 하드웨어 측면에서는 그 구조가 단순하여 설계가 용이하다.

LMS 알고리즘은 이와 같은 장점 때문에 기준신호를 이용할 수 있는 시스템에서 널리 사용되고 있다.

CMA는 기준신호가 존재하지 않거나 기준신호를 위한 채널을 할당할 필요가 없는 경우에 사용되는 대표적인 적응 알고리즘이다.

CMA는 기준신호를 사용하지 않는 대표적인 브라인드 방법(Blind Algorithm)으로, CMA는 기준신호를 사용하지 않으므로 기준신호 대신 송신단에서 보내는 신호의 통계적 특성을 이용한다.

CMA에서 신호의 통계적 특성을 이용할 때는 보통 신호의 크기를 이용하는데, 직교 위상 쉬프트 키잉(Quadrature Phase Shift Keying ; 이하, QPSK 라 약칭함)의 직교 좌표계에서 배열(Constellation)을 구성하는 각 평면의 점이 모두 같은 신호의 크기를 갖는다는 정계수(constant modulus) 특성을 이용한다.

CMA는 LMS 알고리즘과 같이 범용 최소값(Global minimum)에 수렴되지 않고, 국부적 최소값(Local minimum)에 빠질 수 있는 단점이 있다.

그러나 이 단점은 필터 계수의 초기화, 필터의 크기 등에 의해 실질적으로 극복될 수 있으며, CMA는 하드웨어 구현 면에서 단순함이라는 장점을 가지고 있다.

또한 CMA의 성능은 기준신호를 사용하지 않으므로 LMS 알고리즘에 비해 일반적으로 떨어진다고 할 수 있으나 채널에 의한 신호의 왜곡이 심하지 않은 경우에는 정상적인 성능을 발휘한다.

지금까지 설명된 LMS 알고리즘과 CMA는 역방향 전용 채널에서 전용 물리 데이터 채널(Dedicated Physical Data Channel ; 이하, DPDCH 라 약칭함)과 전용 물리 제어 채널(Dedicated Physical Control Channel ; 이하, DPCCH 라 약칭함)을 이용하여 어레이 안테나의 적응 빔을 형성한다.

도 1 은 일반적인 ETSI 시스템에서 역방향 DPDCH 및 DPCCH의 슬롯 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, ETSI 역방향 채널 중 전용 채널(Dedicated Channel)은 이동국으로부터 사용자 정보 및 제어 정보를 기지국에 전달하는데 사용하는 채널이다.

이 역방향 전용 채널에는 실제 사용자 데이터를 전송하는 DPDCH(1)가 있으며, 파일럿 정보와 전송 전력 제어 정보, 전송 포맷 식별 정보를 전송하는 DPCCH(2)가 있다.

ETSI 역방향 전용 채널의 DPCCH(2)를 통해 전송되는 정보는 하나의 슬롯당 파일럿 정보(Pilot Information), 전송 제어 정보(Transmit Power Control ; 이하, TPC 라 약칭함) 및 전송 포맷 식별 정보(Transport Format Indicator ; 이하, TFI 라 약칭함)가 대략 6 : 2 : 2 비율을 갖는다.

이 중 파일럿 정보는 채널 추정(Channel Estimation)과 적응 빔 형성에 이용될 수 있으며, TPC는 개방 루프 전력 제어(Open loop power control)에 사용되고 TFI는 16개의 슬롯 단위로 전송 포맷을 전송하는 역할을 한다.

따라서, ETSI 역방향 전용 채널의 DPDCH(2)는 순수한 파일럿 채널 지원을 위해 구성된 것이 아니므로, 파일럿 정보를 이용하지 못하는 TPC 및 TFI 구간은 적응 빔을 형성하는데 사용되지 않고 있는 실정이다.

특히 ETSI 시스템에서는 적응 빔 형성 방법에 대한 구체적인 기술이 현재 존재하지 않고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, ETSI 역방향 전용채널에서 DPDCH 및 DPCCH을 동시에 이용할 수 있도록 LMS 알고리즘, CMA 및 결정 유도(Decision Directed ; 이하, DD 라 약칭함) 알고리즘을 사용하여 어레이 안테나의 적응 빔을 보다 빠르게 형성할 수 있는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법의 특징은, 전용 물리 데이터 채널의 데이터 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 필터의 가중치 벡터를 결정한 후 상기 결정된 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신하고, 동시에 전용 물리 제어 채널의 파일럿 정보 구간과, 전송 전력 제어 구간 및 전송 포맷 식별 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 또다른 필터의 가중치 벡터를 각각 결정한 후 상기 결정된 각각의 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신해 나가게 된다.

바람직하게는, 상기 전용 물리 데이터 채널의 데이터 구간에서 빔을 형성하는데는 상기 전용 물리 데이터 채널을 통해 수신된 신호의 크기를 통계적으로 이용하는 정계수 알고리즘(CMA)이 사용된다.

또한, 상기 전용 물리 제어 채널의 파일럿 정보 구간에서 빔을 형성하는데는 미리 알려진 파일럿 정보를 이용하여 반복적으로 상기 필터의 가중치 벡터를 갱신해 나가는 최소 평균 제곱(LMS) 알고리즘이 사용되며, 상기 전용 물리 제어 채널의전송 전력 제어 구간 및 전송 포맷 식별 구간에서 빔을 형성하는데는 상기 필터의 최종 출력을 양자화한 신호를 이용하여 상기 필터의 가중치 벡터를 갱신해 나가는 결정 유도(DD) 알고리즘이 사용된다.

도 1 은 일반적인 ETSI 시스템에서 역방향 DPDCH 및 DPCCH의 슬롯 구조를 나타낸 도면.

도 2 는 어레이 안테나의 빔 형성을 위한 일반적인 장치 구성을 나타낸 블록구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 적응 빔 형성 방법을 설명하기 위한 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 장치의 구성을 나타낸 블록구성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 제1 적응 빔 형성부 200 : 제2 적응 빔 형성부

300 : 레이크 결합부(RAKE Combiner)

이하, 본 발명에 따른 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법에 대한 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

ETSI 역방향 전용 채널의 DPDCH는 순수한 파일럿 채널 지원을 위해 구성된 것이 아니므로, 종래에는 파일럿 정보를 이용하지 못하는 TPC 및 TFI 구간은 적응 빔을 형성하는데 사용되지 않았다, 그러나 TPC와 TFI 구간에서도 적응 빔을 형성하면 더욱 효과적이다.

따라서, 본 발명에서는 DPDCH와 DPCCH 두 채널을 동시에 이용하여 어레이 안테나의 적응 빔을 형성하는 방법을 제시한다.

이에 대해 간단히 언급하면, 본 발명에서는 DPDCH의 정보를 CMA에 사용하고, DPCCH의 파일럿 정보 구간은 LMS 알고리즘에 사용하고, TPC 및 TFI 구간은 DD 알고리즘에 사용한다.

여기서 DD 알고리즘은 LMS 알고리즘과 필터 갱신식이 유사한 알고리즘으로, LMS 알고리즘에서는 기준신호와 필터의 입력신호의 차에 의해 평가함수가 결정되지만, DD 알고리즘에서는 필터의 최종 출력을 단순히 양자화하여 일정한 값으로 결정한 값과 필터의 입력신호와의 차에 의해 평가함수를 결정한다.

그러므로 DD 알고리즘의 평가함수는 일정 구간에서 LMS 알고리즘과 같이 컨백스(convex)한 형태를 가지며, DD 알고리즘의 성능은 채널의 왜곡이 심한 경우에는 부적절하다. 그러나 채널의 왜곡이 심하지 않는 경우에는 빠른 수렴속도를 보장할 수 있으며, 정상상태에 도달했을 때의 오차도 작아서 좋은 성능을 보인다.

이 DD 알고리즘 또한 하드웨어 구현이 용이한 구조를 갖는다.

다음은 LMS 알고리즘, CMA 및 DD 알고리즘을 이용한 적응 빔 형성 방법의 동작 원리를 설명한다.

도 2 는 어레이 안테나의 빔 형성을 위한 일반적인 장치 구성을 나타낸 블록구성도이다.

도 2를 참조하면, 이는 각 어레이 안테나 배열을 통해 신호가 수신될 때 수신신호가 복조와 하향 샘플링(Down sampling)을 거쳐 역확산되며, 이후 빔 형성부(30)의 가중치를 매 순간마다 갱신하는 구조로 이루어진다.

먼저, K개의 전송신호가 존재하고, L개의 어레이 안테나가 존재하는 시스템을 가정하고, 역확산 이후의 적응 빔 형성을 고려하자. 여기서 역확산 이전의 적응 빔 형성도 다음에 기술되는 수식에 확산 코드를 대입하여 쉽게 적용시킬 수 있다.

K개의 전송신호 중 첫 번째 전송신호에 대한 빔 형성부(30)의 가중치 벡터를,로 나타낼 때 LMS 알고리즘에서의 평가 함수는 다음과 같이 정의할 수 있다.

여기서,은 첫 번째 전송신호에 대한 파일럿 채널의 신호크기,은 미리 수신단에 알려진 n번째 신호이고,은 채널을 통과하여 역확산된 파일럿 신호벡터로 다음과 같이 정의된다.

수학식 1 및 수학식 2에 따른 LMS 알고리즘은 수신단에 알려진 파일럿 신호를 이용하여 다음의 수학식 3에서 정의되는로 반복적으로 최적의 계수를 구할 수 있다.

여기서, 위첨자 *는 켤레복소수를 의미하고,는

로 정의된다.

DPDCH에는 트래픽 신호 즉 데이터 신호만 존재하고, 수신단에 사전에 알려진 기준신호가 존재하지 않으므로 CMA을 이용하여 빔 형성부(30)의 가중치 벡터(weight vector)를 구한다.

이 때 사용되는 CMA 평가함수는,

이다. 여기서은 트래픽 채널의 신호세기를 의미하며, 수신단에 수신된는 역확산된 트래픽 신호벡터로 다음과 같이 정의된다.

기준신호가 존재하지 않는 CMA 알고리즘은 다음의 식 7과 같으며, 수학식 7에서 정의되는로 필터의 가중치를 갱신한다.

여기서,는

로 정의된다.

CMA는 DPCCH 중 파일럿 정보가 존재하지 않는 TPC 구간과 TFI 구간에 대해서는 LMS 알고리즘과 구조면에서 거의 같지만, 수신단에 알려진 기준신호(reference signal) 대신 최종 출력을 양자화한 신호를 이용하는 DD 알고리즘을 이용한다.

DD 알고리즘의 계수 갱신식은 수학식 9이고,

여기서,로 TPC 구간 및 TFI 구간 동안의 신호 벡터이다.

이 때의은 수학식 10으로 정의된다.

여기서,은 다음의 도 3 에 도시된 제2 적응 빔 형성부(200)와 레이크 결합부(RAKE Combiner)(300)를 통과한 신호 결정값(decision value)이다.

도 3 은 본 발명에 따른 적응 빔 형성 방법을 설명하기 위한 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 적응 빔 형성 방법에서 LMS 알고리즘과 DD 알고리즘은 DPCCH에서 동작하며, CMA는 DPDCH에서 동작한다.

이 두 전용채널을 결합한 본 발명에 따른 적응 빔 형성 방법에서 DPCCH에서 파일럿 정보 구간 동안 동작하는 제1 적응 빔 형성부(100)의 계수 갱신식을 식 11과 같이 정의하고,

DPCCH에서 TPC 구간과 TFI 구간 동안 동작하는 제2 적응 빔 형성부(200)의 계수 갱신식은 수학식 12와 같이 정의한다.

도 3에 도시된 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 장치는 상기한 수학식 11 및 수학식 12에 의해 구성되며, 이는 LMS 알고리즘, DD 알고리즘 및 CMA를 이용한 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 장치이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법에 따르면, ETSI 역방향 전용채널 중 DPCCH 전구간에 걸쳐 적응 빔 형성이 가능하며, LMS 알고리즘과 DD 알고리즘에 의한 동기식 검출(Coherent detection) 및 CMA와의 결합에 의해 보다 빠른 적응 빔 형성이 가능하다.

또한, ETSI 역방향 전용채널인 DPCCH와 DPDCH를 모두 적응 빔 형성에 사용하기 때문에, 어느 하나의 채널의 사용이 불가능해지는 경우가 발생하더라도 적응 빔을 계속 형성할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 전용 물리 데이터 채널의 데이터 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 필터의 가중치 벡터를 결정한 후 상기 결정된 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신하고,

   동시에 전용 물리 제어 채널의 파일럿 정보 구간과, 전송 전력 제어 구간 및 전송 포맷 식별 구간에서 빔 형성을 위해 적응되는 또다른 필터의 가중치 벡터를 각각 결정한 후 상기 결정된 각각의 가중치 벡터를 일정 주기로 갱신해 나가는 것을 특징으로 하는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전용 물리 데이터 채널의 데이터 구간에서 빔을 형성하는데는 상기 전용 물리 데이터 채널을 통해 수신된 신호의 크기를 통계적으로 이용하는 정계수 알고리즘(CMA)이 사용되는 것을 특징으로 하는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전용 물리 제어 채널의 파일럿 정보 구간에서 빔을 형성하는데는 미리 알려진 파일럿 정보를 이용하여 반복적으로 상기 필터의 가중치 벡터를 갱신해 나가는 최소 평균 제곱(LMS) 알고리즘이 사용되는 것을 특징으로 하는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 전용 물리 제어 채널의 전송 전력 제어 구간 및 전송 포맷 식별 구간에서 빔을 형성하는데는 상기 필터의 최종 출력을 양자화한 신호를 이용하여 상기 필터의 가중치 벡터를 갱신해 나가는 결정 유도(DD) 알고리즘이 사용되는 것을 특징으로 하는 ETSI 시스템의 적응 빔 형성 방법