KR100533536B1 - 스마트 안테나 수신기에서 ｎｌｍｓ 알고리즘을 위한정규화 장치 - Google Patents

스마트 안테나 수신기에서 ｎｌｍｓ 알고리즘을 위한정규화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트 안테나 수신기에서의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치에 관한 것이다. 수신 신호의 가중치 벡터를 구하는 데 대표적으로 이용되는 NLMS(Normalized least mean square) 알고리즘을 구현하기 위해서는 다수의 곱셈기와 나눗셈기가 사용된다. 본 발명은 실시간 다중화 처리에 문제가 되는 나눗셈기를 사용하지 않고 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행함으로써 동작속도를 향상시키고 하드웨어의 크기를 줄일 수 있도록 한다. 다수의 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 다중화하고, 다중화된 신호를 제곱한 후 배열 안테나 수만큼 적산하고, 적산된 결과의 역수와 다중화된 신호를 곱하여 나눗셈 연산을 수행한다.

Description

스마트 안테나 수신기에서 ＮＬＭＳ 알고리즘을 위한 정규화 장치 {Normalization apparatus for NLMS algorithm in smart antenna receiver}
본 발명은 스마트 안테나 수신기에서 NLMS(Normalized least mean square) 알고리즘을 위한 정규화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 NLMS 방식의 알고리즘을 사용하는 적응빔 형성을 위한 정규화 장치에 관한 것이다.
현재 상용중인 CDMA 시스템의 기지국에서 다른 사용자의 신호는 간섭으로 처리된다. 따라서 하나의 기지국에서 같은 주파수를 공유하는 사용자의 수가 증가할수록 다중접속 간섭 잡음이 증가되어 수신 신호의 비트 에러 확률이 증가되고 시스템의 성능도 저하된다. 그러므로 현재에는 CDMA 시스템의 기지국에 속한 사용자의 수를 제한하여 시스템의 성능이 일정 수준 이상으로 유지되도록 한다.
향후의 광대역 CDMA 시스템에서는 화상통신 등과 같은 멀티미디어 서비스가 제공되어야 하기 때문에 수신 신호의 비트 에러 확률은 더욱 감소되어야 한다. 이를 충족시키기 위해서는 하나의 기지국에서 서비스되는 사용자의 수가 더욱 제한되어야 한다. DS-CDMA 시스템에서 시스템의 용량을 증대시키고 통화 품질을 향상시키기 위해서는 자기 신호의 다중경로 페이딩에 의한 자기 간섭신호(Inter Chip Interference)와 다중 사용자 신호에 의한 간섭신호(Multiple Access Interference)를 제거시켜 주어야 한다. 일반적으로 자기 간섭신호(ICI)를 줄이기 위해서 RAKE 수신기를 사용하며, 다중 사용자 신호에 의한 간섭신호(MAI)를 줄이기 위해서는 어레이 안테나를 이용한 빔형성 기법을 사용하는 스마트 안테나를 사용하는데, 이에 대한 기술 연구가 진행되고 있다.
스마트 안테나는 신호의 이득이 증가됨으로써 음성 통신의 경우에는 많은 가입자를 수용할 수 있고, 데이터 통신의 경우에는 고속 및 저전력으로 데이터 통신이 가능하지만, 하드웨어가 복잡하고 다량의 수신 신호를 실시간으로 처리하는 데 문제점이 있다.
스마트 안테나는 빔형성 방법에 따라 고정빔 선택 방식과 적응빔 방식으로 분류할 수 있다. 고정빔의 경우는 빔이 고정되어 있어 안테나 패턴과 패턴 사이에 사용자가 위치하는 경우 성능이 감소하는 결과를 가져올 수 있지만, 적응빔의 경우는 사용자에게 직접빔을 형성할 수 있어 좀더 지능적으로 환경에 적응할 수 있는 장점이 있다.
스마트 안테나의 핵심 기술인 적응빔 형성 알고리즘은 기본적으로 원하는 신호는 되도록 크게 증폭시켜 주고 불필요한 간섭 신호는 가능한 많이 제거해 주는 기술이다. 이러한 적응빔 형성은 무선 이동 통신 환경에서 급증하는 용량에 의한 통신 품질의 저하를 해결하기 위한 주요 방식들 중 하나의 기술로 인식되고 있다. 안테나에는 원하는 사용자의 신호뿐 만 아니라 다른 사용자들의 신호도 수신되기 때문에 수신시 간섭 및 잡음이 항상 존재한다. 용량이 증가하면 다른 사용자들의 신호에 의한 간섭이 불가피하게 증가하므로 간섭 신호 및 잡음 대 원하는 신호비가 낮아져서 결국 전반적인 통신 품질의 저하가 초래된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방편으로서 스마트 안테나 기술은 안테나에 입사하는 수많은 신호와 간섭들 중에서 원하는 신호만을 골라내고, 그 선택된 신호만을 처리하는 기술이다.
적응 빔형성 시스템은 이동 통신과 같은 실시간 처리 시스템에 응용될 수 있기 때문에 빔형성을 위한 알고리즘의 개발은 성능뿐 만 아니라 실시간 처리가 가능하도록 간단한 구조로 구현되어야 한다.
일반적인 스마트 안테나의 수신 시스템은 도 1과 같이 도식적으로 표현된다. 배열 안테나(100)를 통해서 수신되는 신호들은 전처리 빔형성 블록(101) 및 역확산 블록(102)을 통해 적응 배열 프로세서(110)로 입력된다. 적응 배열 프로세서(110)는 역확산 블록(102)으로부터 출력되는 신호(X1, X2, …, Xm)에 적절한 가중치를 곱해서 송신 신호를 예측한다. 이러한 스마트 안테나의 적응빔 형성 알고리즘에서 가중치 벡터를 구하는 대표적인 방식으로 NLMS(Normalized least mean square) 방식을 이용한다.
NLMS 알고리즘을 구현하기 위해서는 소정 비트의 곱셈기, 덧셈기, 나눗셈기가 필요하다. 그러나 나눗셈기에는 피젯수의 비트수 이상의 클록이 소요되기 때문에 하드웨어의 크기뿐 아니라 실시간 처리 속도면에서도 병목현상을 초래한다. NLMS 알고리즘 구현에 필요한 곱셈과 나눗셈 연산을 위한 하드웨어가 많게는 전체 수신기의 10배 이상을 차지하며, 유효 숫자를 낮추고 타이밍을 나눠서 사용해도 전체 수신기와 같은 정도의 크기를 차지하기 때문에 실제 구현을 위해서는 하드웨어의 크기를 감소시킬 수 있는 대체 구조가 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 배열 안테나를 통해 수신되는 신호를 다중화하는 다중화기와, 상기 다중화기의 출력을 제곱하는 제 1 곱셈기와, 상기 제 1 곱셈기의 출력을 상기 배열 안테나 수만큼 적산하는 적산기와, 상기 적산기 출력의 역수를 발생시키는 역수 룩업테이블과, 상기 다중화기의 출력을 지연시키는 쉬프트 레지스터와, 상기 역수 룩업테이블의 출력과 상기 쉬프트 레지스터의 출력을 곱하는 제 2 곱셈기와, 상기 제 2 곱셈기로부터 출력되는 결과값을 저장하는 레지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 적산기의 출력은 칩속도로 출력되며, 상기 다중화기의 출력은 상기 쉬프트 레지스터를 통해 칩속도만큼 지연되는 것을 특징으로 한다.
NLMS(Normalized least mean square) 방식에서 입력을 정규화시키기 위해 하기의 수학식 1을 이용한다.
상기 수학식 1을 풀어쓰면 하기의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 실시예로서 파라미터를 아래와 같이 가정한다.
- 안테나의 수 : 8
- 입력 데이터의 속도 : 3.84 MHz(칩속도×8의 속도를 8:1 데시메이션한 결과)
- 입력 비트의 해상도: 8 비트
- 빔형성 동작주파수: 칩 레이트
상기 가정을 전제로, 필요한 연산 유니트의 수는 8 안테나×2(I, Q 채널)에 의하여 8×8 비트 곱셈기, 16+16 비트 덧셈기, 그리고 22/14 비트의 나눗셈기가 각각 최소 16개씩 필요함을 알 수 있다. 따라서 여러 가입자를 하나의 하드웨어로 수용하여야 하는 기지국의 경우 전체적인 하드웨어의 크기가 너무 커지는 문제가 발생된다. 이러한 하드웨어의 크기 증가 문제를 해결하기 위해서는 수신 장치의 동작주파수를 칩속도×16으로 증가시키는 방법을 고려해 볼 수 있으나, 22 비트/14 비트인 나눗셈기인 경우 최소 22 클록이 소요되므로 타이밍을 나누어 사용할 수 없게 된다. 따라서 실시간 처리가 가능하고 하드웨어의 크기를 감소시킬 수 있는 구조가 전제되지 않으면 구현이 어려워진다.
본 발명은 처리 속도면에서의 병목 현상을 해결하고 하드웨어의 크기 감소를 이룰 수 있는 스마트 안테나 수신기에서의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치를 구현한다. 본 발명의 적응빔 형성을 위한 정규화 장치의 특징은 도 2에 도시된 바와 같이 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하는 것이다. 나눗셈기를 사용하지 않고 역수 룩업테이블과 곱셈기를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하므로써 칩속도로 처리되는 나눗셈 동작이 칩속도의 16배 정도의 고속으로 이루어져 결과적으로 16개의 하드웨어를 1개의 하드웨어로 다중화시킬 수 있게 된다.
그러면 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
먼저, 30.72MHz의 입력이 8:1 데시메이션되어 3.84MHz로 낮아진 상태에서 동시에 들어오는 8 안테나 I 채널 Q 채널의 16 채널에 해당하는 신호(X0 내지 X15)는 16x1 다중화기(200)에서 다중화되어 직렬로 출력된다. 다중화기(200)의 출력(Xi)은 8 비트 x 8 비트 곱셈기(210)에 입력되어 제곱된다. 곱셈기(210)로부터 출력되는 각 채널의 제곱값(Xi 2)은 레지스터(211)와 가산기(212)로 구성되는 적산기(220)에서 칩속도 단위로 리셋되면서 배열 안테나 수만큼 적산된다. 칩속도로 출력되는 적산기(220)의 출력(∥x(n)∥2)은 역수 룩업테이블(230)에 입력되고, 역수 룩업테이블(230)로부터 역수가 발생된다.
한편, 16x1 다중화기(200)의 출력(xi)은 동기를 맞추기 위해 쉬프트 레지스터(250)에 의해 칩속도만큼 지연된다. 쉬프트 레지스터(250)를 통해 지연된 신호(xi)와 칩속도로 생성되는 역수 룩업테이블(230)의 출력은 곱셈기(240)에서 곱해짐으로써 정규화를 위한 나눗셈 연산이 완성된다. 나눗셈 연산 결과는 레지스터(260)에 저장된다.
상기와 같이 역수 룩업테이블(230)과 곱셈기(240)를 사용하여 나눗셈 연산을 수행하도록 하므로써 칩속도로 처리되는 나눗셈 동작이 칩속도의 16배 정도의 고속으로 이루어져 결과적으로 16개의 하드웨어를 1개의 하드웨어로 다중화시킬 수 있게 된다. 하기의 표 1은 종래의 정규화 장치와 본 발명의 실시예에 따른 정규화 장치의 연산 유니트의 구성을 개략적으로 정리한 것으로, 본 발명에 따른 정규화 장치에서 많은 하드웨어의 감소를 볼 수 있다.
연산 종래의 정규화 장치 본 발명의 정규화 장치
연산 유니트 개수 연산 유니트 개수
∥x(n)∥2 8×8 곱셈기 16 8×8 곱셈기 1
16 비트 덧셈기 16 16 비트 덧셈기 1
x'(n)=x(n)/∥x(n)∥2 나눗셈기 16 역수 룩업테이블 1
곱셈기 1
상술한 바와 같이 본 발명은 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 과정에서 필수적인 역할을 하는 나눗셈 연산을 역수 룩업테이블 및 곱셈기를 사용하여 수행하도록 한다. 동작 속도면에서의 병목 현상으로 하드웨어 다중화에 문제가 되었던 나눗셈기를 사용하지 않고 상기와 같이 나눗셈 연산을 구현하므로써 고속 동작이 가능해져 보다 많은 가입자를 지원할 수 있게 되고, 하드웨어의 다중화 사용을 가능하게 하여 하드웨어의 크기 감소를 이룰 수 있다.
도 1은 일반적인 스마트 안테나 수신 시스템을 설명하기 위한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 스마트 안테나 수신기에서 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치를 설명하기 위한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 전처리 빔형성 블록 102: 역확산 블록
110: 적응 배열 프로세서 200: 다중화기
210, 240: 곱셈기 211, 260: 레지스터
212: 가산기 220: 적산기
230: 역수 룩업테이블

Claims (3)

  1. 다수의 배열 안테나를 통해 수신되는 신호들을 다중화하는 다중화기와,
    상기 다중화기로부터 출력되는 각 신호를 제곱하는 제 1 곱셈기와,
    상기 제 1 곱셈기로부터 출력되는 각 신호의 제곱값을 상기 배열 안테나 수만큼 적산하는 적산기와,
    상기 적산기 출력의 역수를 발생시키는 역수 룩업테이블과,
    상기 다중화기의 출력을 지연시키는 쉬프트 레지스터와,
    상기 역수 룩업테이블의 출력과 상기 쉬프트 레지스터의 출력을 곱하는 제 2 곱셈기와,
    상기 제 2 곱셈기로부터 출력되는 결과값을 저장하는 레지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적산기의 출력은 칩속도로 출력되는 것을 특징으로 하는 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다중화기의 출력은 상기 쉬프트 레지스터를 통해 칩속도만큼 지연되는 것을 특징으로 하는 NLMS 알고리즘을 위한 정규화 장치.
KR10-2002-0081479A 2002-12-18 2002-12-18 스마트 안테나 수신기에서 ｎｌｍｓ 알고리즘을 위한정규화 장치 KR100533536B1 (ko)

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