KR100969781B1 - 통신 시스템에서 가중치 계수 결정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 가중치 계수를 결정하는 방법에 있어서, 채널 예측기의 입력 신호와 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하는 과정과, 상기 연산된 평균 전력을 이용하여 잡음 분산을 연산하는 과정과, 상기 잡음 분산을 상기 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력으로 정규화 하는 과정과, 상기 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 결정하는 과정을 포함한다.

가중치 계수, 채널 예측기, 잡음 분산

Description

통신 시스템에서 가중치 계수 결정 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING SCALING FACTOR IN COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 종래의 파일럿 간섭 제거기가 포함된 수신단 구조를 도시한 도면

도 2는 도 1의 핑거 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핑거 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 계수가 결정기의 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 계수 결정기의 가중치 계수 결정 과정을 도시한 흐름도

도 6은 종래의 방법으로 구한 가중치 계수의 정확도와 본 발명의 실시예로 구한 가중치 계수의 정확도 차이를 비교한 그래프

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 파일럿 간섭 제거를 위한 가중치 계수(scaling factor)를 결정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 통신 시스템에서 이동국의 수가 증가하면 다중 접속에 의한 간섭이 증가하여 채널 용량이 감소하게 된다. 이를 방지하기 위해 수신단에서는 간섭 제거기를 사용한다. 상기 간섭 제거기로는 병렬 간섭 제거기(parallel interference canceler) 및 순차적 간섭 제거기(successive interference canceler)가 있다. 상기 간섭 제거기들은 수신단에 간섭 신호로 작용하는 다른 이동국의 파일럿(pilot) 신호와 데이터 신호를 제거하기 위해 데이터 검파와 간섭 제거를 반복해서 수행한다. 상기 반복 수행을 위한 수신단의 구현은 매우 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수신된 신호 중 검파 과정 없이도 제거 가능한 파일럿만을 제거하는 파일럿 간섭 제거기가 제안되어 졌다.

한편, 상기 파일럿 신호는 데이터 송수신에 사용되지 못하므로 시스템 용량 측면에서는 오버헤드(overhead)로 작용한다. 상기 오버헤드에 대한 일 례로, 기지국에 접속한 이동국의 수가 증가할수록 일부 이동국만 데이터를 송신하고 나머지 이동국들은 데이터는 송신하지 않고 링크 유지를 위해 필요한 파일럿 신호 및 제어 신호만을 송신할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에 상기 간섭 제거기를 시스템에 적용하면 시스템 용량 증대를 기대할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 파일럿 간섭 제거기가 포함된 수신단 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 만약, 상기 수신단에서 파일럿 간섭 제거기를 동작하지 않도록 한다면, 안테나를 통해 수신한 신호는 RF(Radio Frequency) 전처리기(front-end)(102)를 통과한 후 모뎀 수신기(CDMA Modem Receiver)(114)로 입력된다. 상기 모뎀 수신기(114)는 모뎀 처리를 거쳐 신호를 출력한다.

그러나 상기 수신단에서 상기 파일럿 간섭 제거기를 사용하는 경우, 상기 RF 전처리기(102)를 통과한 신호는 상기 모뎀 수신기(114) 뿐만 아니라 샘플 버퍼(sample buffer)(104) 및 가감산기(112)로도 입력된다. 여기서, 상기 파일럿 간섭 제거기는 샘플 버퍼(104)와, 제어기(106)와, L개의 핑거들(108-1 내지 108-L)과, 가감산기들(110, 112)을 포함한다.

상기 샘플 버퍼(104)는 상기 RF 전처리기(102)로부터 출력된 신호를 연속적으로 저장하고, 저장한 신호를 각 핑거들(108-1 내지 108-L)로 전달한다. 전체 핑거들의 수 L은 파일럿 간섭 제거기가 지원하는 최대 동시 접속 이동국 수와 이동국 당 할당되는 핑거 수에 의해 결정된다. 상기 핑거들(108-1 내지 108-L)은 각 이동국의 다중 경로 채널에 대응되는 파일럿 신호를 추정하고 재생성한다. 상기 파일럿 신호의 재생성을 위해서는 할당된 이동국의 PN(pseudo noise) 코드, 채널 지연에 의한 핑거 오프셋(offset)을 모뎀 수신기(114)로부터 전달받아야 한다.

이를 위해 상기 제어기(106)는 상기 PN 코드 및 핑거 오프셋 정보를 상기 핑거들(108-1 내지 108-L)에 전달하는 역할을 수행한다.

상기 핑거들(108-1 내지 108-L)에서 재생성된 파일럿 신호는 가산기(110)에 의해 더해지고, 더해진 신호는 수신 신호에서 제거됨으로써 상기 파일럿 간섭 제거기는 파일럿 신호가 제거된 수신 신호를 생성한다.

도 2는 핑거 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 샘플 버퍼(104)로부터 출력된 신호는 보간기(interpolator)(202)로 입력된다. 상기 보간기(202)는 핑거 오프셋을 고려하여 수신 신호를 보간하여 칩(chip) 단위 신호로 변환한다.

PN 생성기(206)는 롱 코드 마스크(long code mask) 및 핑거 오프셋을 고려하여 해당 핑거에 동기화된 로컬(local) PN 코드를 생성하고 출력한다. 보간기(202)에서 출력된 신호와 상기 PN 생성기(206)에서 출력된 PN 코드는 곱산기(204)에 의해 곱해져 역확산(dispreading)된 후 레이크 처리기(rake processor)(208)로 출력된다.

상기 레이크 처리기(208)는 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭함)를 증가시키기 위해 입력된 신호를 N 칩 구간씩 누적한다. 여기서 상기 N은 칩 전송 속도, 채널의 최대 변화 속도 등에 의해 결정되는 구현 파라미터이다. 상기 레이크 처리기(208)는 채널 예측기(channel predictor)(214)의 입력으로 사용될 신호와 주파수 오프셋 추정기(210)의 입력으로 사용될 신호를 구분하여 누적한다.

상기 채널 예측기(214)는 N 칩씩 누적된 파일럿 심볼을 이용하여 채널 이득값을 계산한다. 상기 주파수 오프셋 추정기(210)는 주파수 오프셋 보상없이 누적된 파일럿 심볼을 이용하여 주파수 오차를 추정한다.

파일럿 재생성기(212)는 PN 생성기(206)의 출력 신호, 채널 예측기(214)에서 추정된 채널 이득 y(m), 주파수 오프셋 추정기(210)에서 추정한 주파수 오프셋

을 이용하여 파일럿 신호를 재생성한다.

파일럿 SNR 추정기(216)는 샘플 버퍼(104)로부터의 수신 신호와 채널 예측기(214)로부터의 채널 이득 y(m)을 이용하여 파일럿 신호의 SNR을 추정한다. 가중치 계수 결정기(218)는 추정된 파일럿 신호의 SNR을 이용하여 가중치 계수

을 계산한다. 이렇게 계산된 가중치 계수는 파일럿 재생성기(212)에서 출력된 신호와 곱해져 k번째 핑거의 출력 신호가 된다.

상술한 바와 같이, 파일럿 간섭 제거기는 특정 셀 혹은 섹터에 속한 모든 이동국들의 파일럿 신호를 핑거별로 재생성한 후 더하고 이를 수신 신호에서 빼준다. 상기 파일럿 간섭 제거기의 성능은 수신 신호에 포함된 파일럿 신호의 추정이 얼마나 정확한가에 의해 결정된다. 각 핑거의 파일럿 신호 추정 정확도는 채널 예측기의 성능에 의해 결정되며, 상기 채널 예측기의 성능은 파일럿 신호의 SNR에 따라 변화할 수 있다. 즉, 상기 파일럿 신호의 SNR이 높은 경우 채널 예측기의 정확도는 높아지게 되어 신호 추정 오차가 낮아지고, 상기 파일럿 신호의 SNR이 낮은 경우 채널 예측기의 정확도는 낮아져서 신호 추정 오차가 높아질 수 있다.

도 2의 가중치 계수 결정기(218)에서 계산된 가중치 계수는 상기 파일럿 신호의 SNR이 높은 경우 파일럿 신호의 제거 비율을 높이고, 상기 파일럿 신호의 SNR이 낮은 경우 파일럿 신호의 제거 비율을 낮추어서 파일럿 신호가 제거된 수신 신호에 포함된 잔류 간섭 신호의 양을 최소화 하는 역할을 한다. 상기 가중치 계수를 계산하기 위해서는 파일럿 SNR 추정기에서 추정된 잡음 전력 및 파일럿 채널 전력이 필요하다. 그러나, 상기 파일럿 채널 전력의 추정은 채널 예측기의 출력 신호를 이용하기 때문에 상기 가중치 계수 결정시 추정 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 채널 예측기의 추정 오차와 핑거의 SNR이 비선형적인 특성을 가지는 경우, 추정된 SNR로부터 가중치 계수를 계산하는 과정이 복잡해져 구현 복잡도가 급격히 증가하게 되는 문제점이 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 통신 시스템에서 파일럿 신호의 SNR 추정없이 가중치 계수를 결정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은; 통신 시스템에서 가중치 계수를 결정하는 방법에 있어서, 채널 예측기의 입력 신호와 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하는 과정과, 상기 연산된 평균 전력을 이용하여 잡음 분산을 연산하는 과정과, 상기 잡음 분산을 상기 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력으로 정규화 하는 과정과, 상기 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 결정하는 과정을 포함한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1장치는; 통신 시스템에서 가중치 계수를 결정하는 장치에 있어서, 채널 예측기의 입력 신호와 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하는 평균 전력 연산기와, 상기 연산된 평균 전력을 이용하여 정규화된 잡음 분산을 결정하는 잡음 분산 연산기와, 상기 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 결정한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 동작을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며 그 이외의 배경 기술은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략한다.

본 발명은 통신 시스템에서 파일럿 간섭 제거를 효율적으로 수행하기 위해 필요한 가중치 계수(scaling factor)를 결정하는 방법 및 그 장치를 제공한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핑거 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 샘플 버퍼로부터 출력된 신호는 보간기(interpolator)(302)로 입력된다. 상기 보간기(302)는 핑거 오프셋을 고려하여 수신 신호를 보간하여 칩(chip) 단위 신호로 변환한다.

PN(Pseudo Noise) 생성기(306)는 롱 코드 마스크(long code mask) 및 핑거 오프셋을 고려하여 해당 핑거에 동기화된 로컬(local) PN 코드를 생성하고, 상기 보간기(302)에서 출력된 신호는 상기 생성된 PN 코드와 곱해져 역확산(dispreading)(304)된 후 레이크 처리기(rake processor)(308)로 출력된다.

상기 레이크 처리기(308)는 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭함)를 증가시키기 위해 입력된 신호를 N 칩 구간씩 누적한다. 여기서 상기 N은 칩 전송 속도, 채널의 최대 변화 속도 등에 의해 결정되는 구현 파라미터이다. 상기 레이크 처리기(308)는 채널 예측기(channel predictor)(314)의 입력으로 사용될 신호와 주파수 오프셋 추정기(310)의 입력으로 사용될 신호를 구분하여 누적한다. 상기 채널 예측기(314)의 입력으로 사용될 신호는 주파수 오프셋 추정기(310)의 출력 신호를 이용하여 주파수 오차를 보상한 후에 누적되어 결정되고, 상기 주파수 오프셋 추정기(310)의 입력으로 사용될 신호는 주파수 오차를 보상하지 않고 레이크 처리기(308)의 입력 신호를 그대로 누적하여 결정된다.

상기 채널 예측기(314)는 N 칩씩 누적된 파일럿 심볼을 이용하여 해당 핑거에 대응되는 채널 이득값을 계산한다. 상기 주파수 오프셋 추정기(310)는 주파수 오프셋 보상없이 누적된 파일럿 심볼을 이용하여 주파수 오차를 추정한다.

파일럿 재생성기(312)는 PN 생성기(306)의 출력 신호, 채널 예측기(314)에서 추정된 채널 이득 y(m), 주파수 오프셋 추정기(310)에서 추정한 주파수 오프셋

을 이용하여 파일럿 신호를 재생성한다.

한편, 본 발명에 따른 핑거 내부 구조와 도 2의 종래의 핑거 내부 구조를 비교하여 보면, 본 발명에 따른 핑거는 파일럿 SNR 추정기가 포함되어 있지 않음을 알 수 있다. 종래의 핑거는 파일럿 SNR 추정기에서 상기 채널 이득 y(m)을 이용하여 파일럿 SNR을 추정하였지만, 본 발명의 핑거에서는 파일럿 SNR을 추정하지 않고 가중치 계수 결정기(318)가 채널 예측기(314)의 입력 신호 x(m)과, 출력 신호 y(m)을 이용하여 가중치 계수

를 직접 결정한다. 이렇게 결정된 가중치 계수는 파일럿 재생성기(312)에서 출력된 신호와 곱해져 k번째 핑거의 출력 신호가 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 계수 결정기(318)의 내부 구조를 구체적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 시간 m에서 핑거의 채널 이득을 h(m)이라고 하면 채널 예측기의 입력 신호 x(m)은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서 u(m)은 상기 채널 예측기의 입력 신호에 포함된 간섭과 잡음을 의미하고, 일반적으로는 전력 평균이 0(zero)인 AWGN(Additive White Gaussian Noise)으로 간주된다. 만약, 상기 채널 예측기가 h(m)에는 영향을 주지 않고 잡음 분산을 줄여준다고 가정하면 상기 채널 예측기의 출력 신호 y(m)은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 2에서 w(m)은 채널 예측기의 출력 신호에 포함된 간섭과 잡음을 의미하고, 일반적으로는 전력 평균이 0인 AWGN으로 간주된다.

제1 평균 전력 연산기(402) 및 제2 평균 전력 연산기(404)는 상기 수학식 1과 2에서 나타낸 x(m), y(m)에 대해 각각 평균 전력을 계산하고, 계산된 평균 전력은 하기 수학식 3과 4처럼 나타낼 수 있다. 한편, 상기 제1 평균 전력 연산기(402) 및 제2 평균 전력 연산기(404)는 하나의 평균 전력 연산기로도 구현할 수 있다.

상기 수학식 3 및 4와 같은 평균 전력 계산에는 FIR(Finite Impulse Response) 필터, IIR(Infinite Impulse Response) 필터 등이 이용되며, 상기 필터들의 구조는 x(m), y(m)의 통계적인 특성과 가중치 계수의 갱신 속도 등에 의해 결정될 수 있다.

한편, 상기 수학식 1 및 2로부터 채널 예측기에 의해 잡음 분산이 줄어드는 비율 r을 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 5에서 r은 채널 예측기 입력 신호에 포함된 잡음 분산 대비 출력 신호에 포함된 잡음 분산 비를 나타내며, 채널 예측기의 필터 특성에 의해 상수값으로 정의된다.

한편, 채널 예측기의 채널 추정 성능은 하기 수학식 6과 같이 정의되는 평균 자승 오차(MSE: Mean Square Error)로 나타낼 수 있다.

그리고, 최소 평균 자승 오차(MMSE: Minimum Mean Square Error) 관점에서 최적의 가중치 계수

은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

상기 모든 수학식들을 이용하면 상기 가중치 계수

은 하기 수학식 8과 정리할 수 있다.

즉, 도 4에서 상기 수학식 3 및 4와 같이 결정된 평균 전력은 가감산기(406) 및 곱셈기(408)를 거쳐 잡음 분산 연산기(410)로 입력되며, 상기 잡음 분산 연산기(410)의 출력은 가감산기(412)를 통해 상기 수학식 8 형태의 결과가 출력된다. 여기서 상기 잡음 분산 연산기(410)의 출력은 정규화된 잡음 분산을 의미한다. 이 에 대해서는 도 5를 참조로 부가 설명하기로 한다. 한편, 가중치 선택기(414)는 상기 수학식 8에 의해 계산된 가중치 계수가 0보다 작은 경우 0으로, 1보다 큰 경우 1로 설정하여 가중치 계수가 항상 0과 1 사이의 값을 가지도록 선택한다. 이를 나타낸 것이 하기 수학식 9이다.

상기 수학식 9에서 C는 상기 수학식 8에 따른 가중치 계수를 의미한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가중치 계수 결정기의 가중치 계수 결정 과정을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 먼저 502단계에서 가중치 계수 결정기는 채널 예측기의 입력 신호 및 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하고 504단계로 진행한다. 여기서, 상기 채널 예측기의 입력 신호는 레이크 처리기의 출력 신호 x(m)을 의미하고, 상기 채널 예측기의 출력 신호는 y(m)을 의미한다. 상기 504단계에서 상기 가중치 계수 결정기는 상기 y(m)의 평균 전력에서 상기 x(m)의 평균 전력을 차감하여 잡음 분산을 구한 후 506단계로 진행한다.

상기 506단계에서 상기 가중치 계수 결정기는 채널 예측기 출력 신호 y(m)의 평균 전력을 스케일링(scaling)하여 잡음 분산과 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력의 스케일을 일치시키고 508단계로 진행한다. 상기 508단계에서 상기 가중치 계수 결정기는 상기 잡음 분산을 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력으로 정규화하고 510단계로 진행한다. 상기 510단계에서 상기 가중치 계수 결정기는 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 연산한다. 여기서 정규화된 잡음 분산과 가중치 계수의 관계는 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 10에서

은 정규화된 잡음 분산을 의미한다.

도 6은 종래의 방법으로 구한 가중치 계수의 정확도와 본 발명의 실시예로 구한 가중치 계수의 정확도 차이를 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 상기 가중치 계수의 정확도는 평균 자승 오차(MSE)를 기준으로 측정하였으며 이는 하기 수학식 11과 같이 정의할 수 있다.

상기 수학식 11에서

는 주어진 파일럿 신호의 SNR에서 최적의 가중치 계수를 의미한다.

모의 실험 환경은 CDMA(Code Division Multiple Access) 2000 1xEV-DO 역방향 링크를, 반송파 주파수는 2.0GHz, 이동국의 이동 속도는 3km/h이며, 채널 예측기는 16 탭 FIR 필터를 사용하고 평균 전력 계산을 위해서 1 탭 IIR 필터를 사용하였다. 도 6에 도시한 바와 같이 본 발명에서 제안한 가중치 계수 결정 방법이 종래의 방법보다 우수한 MSE 성능을 가짐을 보여준다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 파일럿 SNR 추정기를 제거한 핑거를 구현함으로써 하드웨어 구현 비용을 최소화 할 수 있는 이점이 존재한다..

Claims (7)

1. 통신 시스템에서 가중치 계수를 결정하는 방법에 있어서,

   채널 예측기의 입력 신호와 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하는 과정과,

   상기 연산된 평균 전력을 이용하여 잡음 분산을 연산하는 과정과,

   상기 연산된 잡음 분산을 상기 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력으로 정규화하는 과정과,

   상기 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 결정하는 과정을 포함하는 가중치 계수 결정 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정규화된 잡음 분산을 이용한 가중치 계수(

   

   ) 결정은 하기 수학식을 이용함을 특징으로 하는 가중치 계수 결정 방법.

   

   상기 수학식에서

   

   은 정규화된 잡음 분산을 의미하고,

   

   은 상기 채널 예측기의 출력 신호에 포함된 간섭 성분의 평균 전력을,

   

   은 상기 채널 예측기의 출력 신호의 평균 전력을 의미함.
3. 제1항에 있어서,

   상기 채널 예측기 출력 신호의 평균 전력과 상기 잡음 분산의 스케일(scale)을 일치시키는 과정을 더 포함하는 가중치 계수 결정 방법.
4. 통신 시스템에서 가중치 계수를 결정하는 장치에 있어서,

   채널 예측기의 입력 신호와 출력 신호 각각에 대해 평균 전력을 연산하는 평균 전력 연산기와,

   상기 연산된 평균 전력을 이용하여 정규화된 잡음 분산을 결정하는 잡음 분산 연산기와,

   상기 정규화된 잡음 분산을 이용하여 가중치 계수를 결정하는 가중치 선택기를 포함하는 가중치 계수 결정 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 정규화된 잡음 분산을 이용한 가중치 계수(

   

   ) 결정은 하기 수학식을 이용함을 특징으로 하는 가중치 계수 결정 장치.

   

   상기 수학식에서

   

   은 정규화된 잡음 분산을 의미하고,

   

   은 상기 채널 예측기의 출력 신호에 포함된 간섭 성분의 평균 전력을,

   

   은 상기 채널 예측기의 출력 신호의 평균 전력을 의미함.
6. 제4항에 있어서,

   상기 평균 전력 연산기는 FIR(Finite Impulse Response) 필터 혹은 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 이용하여 평균 전력을 연산함을 특징으로 하는 가중치 계수 결정 장치.
7. 제4항에 있어서,

   상기 가중치 선택기는 상기 가중치 계수를 0 이상 1이하의 값을 가지도록 결정함을 특징으로 하는 가중치 계수 결정 장치.

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