KR100666654B1 - 무선통신 빔 형성 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선통신 빔 형성 방법이 적용된 빔 형성 장치에 관한 것으로서, 수신신호에서 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬을 산출하는 잡음신호 추정기와; 간섭잡음 공간 공분산 행렬로부터 수신신호에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 나타내는 목적신호 공간 공분산 행렬을 산출하는 목적신호 추정기; 간섭잡음 공간 공분산 역행렬과 목적신호 공간 공분산 행렬을 고유치 분해하여 산출한 고유벡터로 가중치벡터를 산출하는 가중치벡터 추정기; 및 가중치벡터를 수신신호와 곱셈하여 특정 목적 신호를 출력하는 곱셈기로 구성된다.
본 발명에 의하면, 잡음 신호뿐만 아니라 직접 경로 신호(목적 신호) 성분과 다중 경로 신호 성분간의 상관 관계(correlation)를 이용하여 다중 경로 환경에서 최적화된 무선통신 빔(목적 신호)을 형성하기 위한 최적의 가중치벡터를 제시하면서 종래에 비해 보다 향상된 수신 신호의 신호 대 간섭잡음비를 보장할 수 있으므로, 종래에 비해 목적 신호 성분을 더더욱 최대로 강화하고 간섭 신호 및 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
무선통신, CDMA, 이동통신, 안테나 어레이, 빔, 가중치벡터
Description
도 1은 종래의 무선통신 빔 형성 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 장치를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 방법을 나타낸 플로차트.
도 4는 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 방법의 가중치벡터 추정 방법을 나타낸 플로차트.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10,10a: 잡음신호 추정기 10b: 목적신호 추정기
20,20a: 가중치벡터 추정기 30,30a: 곱셈기
본 발명은 다중 경로를 통하여 무선통신신호를 송수신하는 무선통신시스템에 관한 것이며, 보다 상세히는 안테나 어레이 시스템 혹은 마이크로폰 어레이 시스 템, 레이더/소나 시스템 등과 같이 다중 경로를 통하여 특정한 목적 신호를 송수신하는 무선통신시스템에 적용 가능한 무선통신 빔 형성 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이동통신시스템의 안테나 어레이 시스템 혹은 마이크로폰 어레이 시스템, 레이더/소나 시스템 등과 같은 무선통신시스템은 다중 경로를 통하여 특정한 목적 신호를 송수신한다.
예컨대, 상기 이동통신시스템의 안테나 어레이 시스템에서 수신 신호는 직접 경로를 통해 들어오는 단일 신호라고 가정하고 있지만, 실제로 수신되는 신호는 상기 직접 경로(direct path)만 존재하는 단일 신호로 보기 어렵다. 즉, 특정 단말기에서 기지국으로 보내는 신호 혹은 기지국에서 특정 단말기로 보내는 신호는 직접 경로 외에도 건물 등의 반사체에 의해 형성되는 다양한 다중 경로(multipath)를 통하여 기지국 혹은 단말기로 송수신된다.
또한, 음성/음악 품질 향상에 이용되는 마이크로폰 어레이 시스템의 경우 화자 혹은 스피커로부터 출력되는 신호는 마이크로폰 어레이가 설치된 공간상의 벽이나 천정, 바닥 등의 반사체에 의해 형성되는 다양한 다중 경로를 통하여 마이크로폰 어레이로 보내어진다.
마찬가지로, 상기 레이더/소나 시스템의 경우 역시 지표면, 수표면, 물고기떼, 구름 등의 여러 반사체에 의해 형성되는 다양한 다중 경로를 통하여 특정한 목적 신호를 송수신한다.
한편, 상기와 같이 다양한 환경에서 다중 경로를 형성하는 종래의 무선통신시스템에서는 다중 경로를 통하여 수신되는 신호 성분이 시스템의 성능 저하 요인으로 지적되고 있으며, 이에 따라서 공간축 상에서 수신 신호의 데이터를 취득하고 취득된 데이터를 이용하여 특정 방향으로 입사하는 신호의 신호 대 간섭잡음비(SINR; Signal to Interference puls Noise Ratio)를 증가시킴으로써, 특정한 목적 신호 성분을 강화하고 간섭 신호 및 잡음을 효과적으로 제거하기 위한 무선통신 빔 형성 장치를 사용한다.
상기 무선통신 빔 형성 장치에 적용되는 종래의 무선통신 빔 형성 방법으로는 수신 신호의 2차 통계 특성을 이용하여 가중치벡터를 추정함으로써 목적 신호 성분을 강화하고 간섭 신호 및 잡음을 효과적으로 제거하는 MV(Minimun Variance) 빔 형성 방법과 MMSE(Minimum Mean Square Error) 빔 형성 방법 등이 제안되어 있다.
한편, 상기와 같이 수신 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 빔 형성 방법은 이미 수신 신호의 통계적 특성 안에 다중 경로 신호의 특성이 포함되어 있기 때문에, 상기 다중 경로 신호 성분이 직접 경로 신호(목적 신호) 성분의 상관 간섭(correlated interference) 신호로 작용하게 되고, 이로 인해 오히려 목적 신호가 제거되는 문제가 발생한다.
따라서, 상기와 같이 수신 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 빔 형성 방법의 문제점을 해소하기 위한 방안으로서 수신 신호가 아닌 잡음 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 SINR 빔 형성 방법과 ML(Maximum Likelihood) 빔 형성 방법 등이 개발 되어 있다.
상기와 같이 수신 신호가 아닌 잡음 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 무선통신 빔 형성 방법은 기본적으로 잡음 신호 구간을 정확히 알고 있다는 가정하에서 빔 형성에 필요한 잡음 신호의 통계적 특성을 잡음 신호만 있는 구간, 즉 다중 경로 신호 성분이 존재하지 않는 구간에서 추정하므로 상기 다중 경로 신호 성분의 영향을 전혀 받지 않은 상태에서 목적 신호 성분을 최대로 강화하고 간섭 신호 및 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기와 같이 잡음 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 빔 형성 방법이 적용된 종래의 무선통신 빔 형성 장치는, 먼저 잡음신호 추정기(10)가 수신 신호(x(t))에서 잡음 신호의 2차 통계 특성을 추정하면 연이어서 가중치벡터 추정기(20)가 상기 잡음 신호의 2차 통계 특성에 따른 가중치벡터를 추정하고, 최종적으로 곱셈기(30)가 상기 가중치벡터와 상기 수신 신호(x(t))를 곱셈하여 신호 성분이 강화되고 간섭 신호 및 잡음이 제거된 특정 목적 신호(y(t)), 즉 무선통신 빔을 출력하도록 되어 있다.
하지만, 상기와 같이 잡음 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 빔 형성 방법은 상기 직접 경로 신호(목적 신호) 성분과 상기 다중 경로 신호 성분간의 상관 관계(correlation)를 전혀 이용하고 있지 않기 때문에, 여전히 다중 경로 환경에서 최적화된 무선통신 빔(목적 신호)을 형성하기 위한 최적의 가중치벡터를 제시하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 잡음 신호뿐만 아니라 직접 경로 신호(목적 신호) 성분과 다중 경로 신호 성분간의 상관 관계를 이용하여 다중 경로 환경에서 최적화된 무선통신 빔(목적 신호)을 형성하기 위한 최적의 가중치벡터를 제시하기 위하여, 수신 신호에서 추정한 잡음 신호의 통계적 특성으로부터 수신 신호에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 추정하고, 이렇게 추정된 잡음 신호의 통계적 특성과 목적 신호의 통계적 특성으로부터 다시 가중치벡터를 추정하는 무선통신 빔 형성 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 장치의 일실시예는, 수신 신호에서 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬을 산출하는 잡음신호 추정기와; 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬로부터 상기 수신 신호에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 나타내는 목적신호 공간 공분산 행렬을 산출하는 목적신호 추정기; 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬의 역행렬과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬을 고유치 분해하여 산출한 최대 고유치에 해당하는 고유벡터를 이용하여 가중치벡터를 산출하는 가중치벡터 추정기; 및 상기 가중치벡터를 상기 수신 신호와 곱셈하여 특정 목적 신호를 출력하는 곱셈기로 구성된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
목적신호 추정기(10b)는 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()로부터 상기 수신 신호(x(t))에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 나타내는 목적신호 공간 공분산 행렬()을 산출한다.
가중치벡터 추정기(20a)는 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬()과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 고유치 분해하여 산출한 최대 고유치에 해당하는 고유벡터()를 이용하여 가중치벡터(w)를 산출한다.
상기 가중치벡터 추정기(20a)는 아래의 수학식 2에 의해 가속도벡터(w)를 산출한다.
상기 수학식 2에 있어서, c는 임의의 상수이다.
곱셈기(30a)는 상기 가중치벡터(w)를 상기 수신 신호(x(t))와 곱셈하여 신호 성분이 강화되고 간섭 신호 및 잡음이 제거된 특정 목적 신호(y(t))를 출력하며, 실제로 상기 특정 목적 신호(y(t))의 신호 대 간섭잡음비는 아래의 수학식 3에 의해 산출되는 최대 신호 대 간섭잡음비()로 최적화할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 장치는 다음과 같이 작동한다.
도 3과 도 4를 참조하면, 최초에 안테나 어레이 시스템 혹은 마이크로폰 어레이 시스템, 레이더/소나 시스템 등과 같이 다중 경로를 통하여 특정한 목적 신호를 송수신하는 무선통신시스템으로 특정 수신 신호(x(t))가 수신되면, 가장 먼저 상기 잡음신호 추정기(10a)가 수신 신호(x(t))에서 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬()을 산출한다(S10).
상기 잡음신호 추정기(10a)에 의해 다중 경로를 경유한 특정 수신 신호(x(t))에 대한 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬()이 산출되고 나면, 이어서 상기 목적신호 추정기(10b)가 상기 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()로부터 상기 수신 신호(x(t))에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 나타내는 목적신호 공간 공분산 행렬()을 산출한다(S20).
상기 수학식 4에 있어서, 는 목적 신호 성분의 입사 방향, ,···, 는 I개의 다중 경로 신호 성분의 입사 방향, 은 입력된 목적 신호의 파워, 는 아래의 수학식 5와 같이 나타낸 안테나 어레이 시스템 혹은 마이크로폰 어레이 시스템 등과 같은 무선통신시스템의 어레이의 조향벡터(steering vector)들의 선형조합, H는 허미션(hermitian) 연산자이다.
상기 수학식 5에 있어서, 는 i번째 다중 경로 신호 성분의 감쇠 상수(attenuation factor), 는 i번째 다중 경로 신호 성분의 위상 지연 성분, 는 아래의 수학식 6과 같이 나타낸 i번째 다중 경로 신호 성분의 입사각도에 따른 어레이의 조향벡터이다.
상기 수학식 6에 있어서, ω는 목적 신호의 각주파수, c는 목적 신호의 전파속도이다.
상기와 같이 잡음신호 추정기(10a)에 의해 수신 신호(x(t))에 대한 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬()이 산출되고, 상기 목적신호 추정기(10b)에 의해 상기 수신 신호(x(t))에 포함된 목적 신호만의 통계적 특성을 나타내는 목적신호 공간 공분산 행렬()이 산출되고 나면, 상기 가중치벡터 추정기(20a)는 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬()과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 고유치 분해하여 산출한 최대 고유치 에 해당하는 고유벡터()를 이용하여 가중치벡터(w)를 산출한다(S30).
상기 가중치벡터 추정기(20a)가 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬()과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 이용하여 가중치벡터(w)를 산출하는 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 잡음신호 추정기(10a)에 의해 수신 신호(x(t))에 대한 잡음 신호의 통계적 특성을 나타내는 간섭잡음 공간 공분산 행렬()이 산출되면, 상기 가중치벡터 추정기(20a)는 이 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬, 즉 간섭잡음 공간 공분산 역행렬()을 산출한다(S301).
이어서, 상기 가중치벡터 추정기(20a)는 상기 수학식 4와 같이 나타낸 목적신호 공간 공분산 행렬()을 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 고유치 분해하여 최대 고유치에 해당하는 고유벡터()를 산출한다(S302).
본 발명에 있어서, 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 고유치 분해하여 최대 고유치에 해당하는 고유벡터()를 산출하는 이유는, 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()의 구성요소로서 상기 수 학식 5와 같이 나타낸 무선통신시스템의 어레이의 조향벡터(steering vector)들의 선형조합은 다중 경로 신호 성분의 크기와 시간 지연 성분, 그리고 입사 각도를 아는 경우 추정할 수 있지만, 실제의 다중 경로 환경에서 이들 각각을 모두 알고 있다는 것은 불가능하기 때문이다.
만약, 특정 목적 신호가 WSS(Wide-sense stationary) 상태이고, 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 산출함에 있어서 오차가 존재하지 않는다고 가정하면 상기 수학식 1에 있어서 ∼ 은 0의 값을 가지게 되므로, 결국 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()은 단 하나의 고유치(최대 고유치)와 고유벡터()를 지니게 된다.
상기와 같이 고유벡터()가 산출되고 나면(S302), 상기 가중치벡터 추정기(20a)는 상기 간섭잡음 공간 공분산 역행렬()과 상기 고유벡터()를 이용하는 상기 수학식 2에 의해 특정한 가속도벡터(w)를 산출한 후(S303), 산출된 특정한 가속도벡터(w)를 상기 곱셈기(30a)로 전달한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 장치 및 그 방법에 의하면, 종래의 잡음 신호의 2차 통계 특성을 이용하는 빔 형성 방법과 달리, 잡음 신호뿐만 아니라 직접 경로 신호(목적 신호) 성분과 다중 경로 신호 성분간의 상관 관계를 이용하여 다중 경로 환경에서 최적화된 무선통신 빔(목적 신호)을 형성하기 위한 최적의 가중치벡터를 제시하면서 종래에 비해 보다 향상된 수신 신호의 신호 대 간섭잡음비를 보장 할 수 있으므로, 종래에 비해 목적 신호 성분을 더더욱 최대로 강화하고 간섭 신호 및 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 무선통신 빔 형성 장치 및 그 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
Claims (7)
- 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬()과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 고유치 분해하여 산출한 최대 고유치에 해당하는 고유벡터()를 이용하여 가중치벡터(w)를 산출하는 가중치벡터 추정기(20a); 및상기 가중치벡터(w)를 상기 수신 신호(x(t))와 곱셈하여 특정 목적 신호(y(t))를 출력하는 곱셈기(30a)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 빔 형성 장치.
- 삭제
- 가중치벡터 추정기(20a)가 상기 간섭잡음 공간 공분산 행렬()의 역행렬()과 상기 목적신호 공간 공분산 행렬()을 고유치 분해하여 산출한 최대 고유치에 해당하는 고유벡터()를 이용하여 가중치벡터(w)를 산출하는 단계(S30); 및곱셈기(30a)가 상기 가중치벡터(w)를 상기 수신 신호(x(t))와 곱셈하여 특정 목적 신호(y(t))를 출력하는 단계(S40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 빔 형성 방법.
- 삭제
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