KR101184756B1 - 통신 중계기의 간섭제거장치 - Google Patents

통신 중계기의 간섭제거장치 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 통신 중계기의 간섭제거장치에 관한 것으로서, 수신 안테나로 수신한 입력신호에서 불필요한 신호를 제거하는 입력단 채널필터와, 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나를 통해 출력하도록 하는 원신호 검출부와, 출력신호에서 입력단 채널필터와 동일한 대역의 신호만을 선택하여 출력하는 피드백 신호 채널필터와, 피드백 신호 채널필터를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 출력하는 출력신호 지연부와, 중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭(tap)이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비되어 있으며, 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도(isolation)에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 출력신호 지연부로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행하는 적응형 필터 모듈, 그리고 적응형 필터 모듈의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 원신호 검출부로 출력하는 피드백 신호 생성부를 포함한다. 따라서, 본 발명은 하나의 구조로 된 적응형 필터의 사용으로 인해 발생하는 환경 변화에 따른 수렴 속도의 제어, 장비의 고가화 문제를 해결하며, 이동통신 서비스의 품질을 향상시킨다.

Description

통신 중계기의 간섭제거장치{Apparatus for interference cancellation in repeater}
본 발명은 통신 중계기의 간섭제거장치에 관한 것이다.
일반적으로 전파 음영 지역에서는 중계기를 사용하여 이동통신 서비스를 지원한다.
현재 사용되는 중계기는 유선으로 기지국 신호를 수신하고 이를 다시 증폭하여 유선 또는 무선으로 송출하여 가입자에게 서비스하는 유선 중계기와, 무선으로 기지국 신호를 수신하고 이를 증폭하여 무선으로 가입자에게 서비스하는 무선 중계기로 구분된다.
유선 중계기는 유선을 이용하여 서비스하고자 하는 지역까지 신호를 연장하여야 하기 때문에 많은 설치비 및 유지비가 필요하다.
이에 반하여 무선 중계기는 중계기와 기지국 간에 무선을 이용하기 때문에 설치가 비교적 간단하고 유지 비용 면에서 유선 중계기에 비하여 효율적인 이점이 있다. 다만 통화 품질 면에서는 무선 이용에 따라 발생하는 잡음 및 간섭 신호들로 인하여 유선 중계기에 비하여 저하된다.
이에 따라 유선 중계기는 서비스 지역이 넓고 고출력이 필요한 지역에서 많이 사용되며, 무선 중계기는 고가의 유선 중계기의 사용이 부담스러운 소형 건물이나 가정집 등의 서비스 지역에서 주로 사용된다.
그러나, 상술한 무선 중계기는 송신 안테나와 수신 안테나가 격리되지 않은 지역에 설치하는 경우, 무선 중계기의 송신 안테나를 통해 송출된 신호가 수신 안테나로 피드백되고 피드백 신호의 크기에 따라 간섭이나 발진현상이 발생하여 서비스 품질 저하 또는 서비스 자체가 불가능한 경우가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 피드백 신호를 제거할 수 있는 기술이 개발되어 사용되고 있으며, 이렇게 피드백 신호를 제거하는 기술이 적용된 무선 중계기를 ICS(Interference Cancellation System) 중계기라 한다.
ICS 중계기에는 피드백 신호의 처리를 위하여 통상적으로 적응형 필터를 사용하는데, 기존의 적응형 필터는 다음과 같은 문제점이 있다.
우선 대부분의 ICS 중계기는 신호의 크기만을 기반으로 수렴 속도를 제어하는 방식을 따르기 때문에 환경 변화 속도에 따른 수렴 속도 제어 요소가 없어 실제 사용시 비효율적인 요소가 존재하는 문제점이 있다.
또한 피드백 신호 제거용 적응형 필터를 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도(출력신호에서 피드백 신호를 차감한 것을 의미하며, isolation이라 함)가 좋지 않은 환경(즉 격리도가 최소인 환경)을 기반으로 한가지 구조로 된 필터로만 구현하여야 하기 때문에 불필요하게 복잡한 구조를 사용하게 되며, 제품 단가를 높이는 원인이 되어 고가의 장비가 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 통신 중계기에 적용되는 피드백 신호를 제거하여 통신 중계기의 자체 발진으로 인한 서비스 신호의 품질 저하를 방지하도록 하는 통신 중계기의 간섭제거장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 사용 환경 및 시스템 사양에 따라 다양한 구조로 된 적응형 필터를 혼합하여 사용할 수 있도록 하는 통신 중계기의 간섭제거장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 적응형 필터에 사용되는 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분을 적용하여 수렴 속도로 인한 피드백 신호 제거 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 통신 중계기의 간섭제거장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통신 중계기의 출력단에만 사용하던 채널필터를 입력단에 사용하여 적응형 필터가 선택된 대역에 최적화된 웨이트(weight)를 구함과 동시에, 피드백 신호 생성부의 출력단에 동일한 채널필터를 사용하여 웨이트 갱신과정에서 불필요하게 생성된 대역의 신호를 억압하도록 하는 통신 중계기의 간섭제거장치를 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치는, 수신 안테나로 수신한 입력신호에서 불필요한 신호를 제거하는 입력단 채널필터와, 입력단 채널필터를 통과한 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나를 통해 출력하도록 하는 원신호 검출부와, 원신호 검출부에서 출력되는 출력신호에서 입력단 채널필터와 동일한 대역의 신호만을 선택하여 출력하는 피드백 신호 채널필터와, 피드백 신호 채널필터를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 출력하는 출력신호 지연부와, 중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭(tap)이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비되어 있으며, 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 출력신호 지연부로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행하는 적응형 필터 모듈, 그리고 적응형 필터 모듈의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 원신호 검출부로 출력하는 피드백 신호 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치는, 수신 안테나로 수신한 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나를 통해 출력하도록 하는 원신호 검출부와, 원신호 검출부에서 출력되는 출력신호에서 불필요한 신호를 제거하는 출력단 채널필터와, 출력단 채널필터를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 출력하는 출력신호 지연부와, 중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비되어 있으며, 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 출력신호 지연부로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행하는 적응형 필터 모듈, 그리고 적응형 필터 모듈의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 원신호 검출부로 출력하는 피드백 신호 생성부를 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 통신 중계기의 간섭제거장치에 따르면, 통신 중계기의 사용 환경 및 시스템 사양에 따라 다양한 구조로 된 적응형 필터를 혼합하여 사용할 수 있기 때문에 종래에서와 같이 하나의 구조로 된 적응형 필터의 사용으로 인해 발생하는 환경 변화에 따른 수렴 속도의 제어, 장비의 고가화 문제를 해결할 수 있으며, 이에 따라 이동통신 서비스의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 통신 중계기 출력단에만 사용하던 채널필터를 원신호 검출부 전단의 입력단과 피드백 신호 생성부의 출력단에 사용함으로써, 적응형 필터 알고리즘에서 사용되는 입력신호에서 불필요한 신호를 제거하고, 서비스하고자 하는 대역 외 신호로 인해 발생할 수 있는 알고리즘 상의 에러를 보완할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 도 1과 도 2의 적응형 필터 모듈의 동작과정을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 통신 중계기의 간섭제거장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 간섭제거장치는, 수신 안테나(10), LNA(Low-noise amplifier, 저잡음 증폭기)(20), 믹서(mixer)(30), ADC(Analog to Digital Converter, 아날로그/디지털 컨버터)(40)가 포함된 입력 파트와, 입력단 채널필터(50), 원신호 검출부(60), 피드백 신호 채널필터(70), 출력신호 지연부(80), 적응형 필터 모듈(90), 피드백 신호 생성부(100), 입력신호 레벨 검출기(110), 출력신호 레벨 검출기(120)가 포함된 DSP(Digital Signal Processing) 파트와, DAC(Digital to Analog Converter, 디지털/아날로그 컨버터)(130), 믹서(140), AMP(Amplifier, 증폭기)(150), 송신 안테나(160)가 포함된 출력 파트 등으로 구성된다.
수신 안테나(10)는 기지국에서 송출된 입력신호를 수신한다.
LNA(20)는 수신 안테나(10)로 수신된 입력신호를 증폭하여 출력한다.
믹서(30)는 LNA(20)를 통해 증폭된 입력신호(RF(Radio Frequency) 신호)를 수신하여 디지털 신호처리가 용이한 IF(Intermediate Frequency) 신호로 변환하여 출력한다.
ADC(40)는 믹서(30)에서 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 DSP 파트의 입력단 채널필터(50)로 출력한다.
입력단 채널필터(50)는 수신 안테나(10)로 수신한 입력신호에서 불필요한 신호를 제거하여 원신호 검출부(60)로 출력한다.
원신호 검출부(60)는 입력단 채널필터(50)를 통과한 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나(160)를 통해 출력하도록 한다.
피드백 신호 채널필터(70)는 원신호 검출부(60)에서 출력되는 출력신호에서 입력단 채널필터(50)와 동일한 대역의 신호만을 선택하여 출력한다.
출력신호 지연부(80)는 피드백 신호 채널필터(70)를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 적응형 필터 모듈(90)로 출력한다.
적응형 필터 모듈(90)은 중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비(즉 피드백 신호를 생성하기 위해 사용되는 적응형 필터의 효율성을 높이기 위하여, 각각의 적응형 필터 서브 블록은 L개의 탭으로 이루어져 있으며, 적응형 필터 서브 블록은 M개로 구성된 L×M 개의 적응형 필터로 구성)되어 있다. 그리고 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 출력신호 지연부(80)로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행한다.
피드백 신호 생성부(100)는 적응형 필터 모듈(90)의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 원신호 검출부(60)로 출력한다.
입력신호 레벨 검출기(110)는 서비스 신호에 피드백 신호가 더해진 입력신호의 레벨을 검출한다.
출력신호 레벨 검출기(120)는 입력신호에서 피드백 신호를 차감한 신호인 서비스 신호의 레벨을 검출한다.
DAC(130)는 원신호 검출부(60)를 통해 적응형 필터 모듈(90)에서 생성된 피드백 신호가 제거된 서비스 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다.
믹서(140)는 DAC(130)를 통해 아날로그 신호로 변환된 IF 신호를 입력신호와 동일한 주파수의 출력신호로 변환하여 출력한다.
AMP(150)는 믹서(140)에서 변환된 서비스 신호를 증폭하여 출력한다.
송신 안테나(160)는 AMP(150)를 통해 증폭된 서비스 신호를 송신한다.
이때 상술한 적응형 필터 모듈(90)은, 현재의 지연시간이 기준 지연시간보다 작고 피드백 신호의 크기가 기준 피드백 신호보다 커 격리도가 나쁜 적응형 필터 서브 블록에는 종래의 정규화된 최소 제곱 평균(Normalized Least Mean Squares) 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분인 ω가 반영된 에러를 누적하여 수렴하는 구조의 알고리즘을 사용하는데, 그 알고리즘은 다음의 수학식과 같다.
K(n) = K(n-1)+(Err×F(n)×μ×ω)
여기서, K(n)은 n번째 필터 계수로서, 새로운 필터 계수이다.
K(n-1)은 (n-1)번째 필터 계수로서, 기존 필터 계수이다.
Err은 입력신호에서 (n-1)번째 필터 계수를 이용하여 생성된 피드백 신호를 차감한 신호이다.
F(n)은 n번째 필터에 적용된 피드백 신호로서, 적응형 필터에 입력되는 송신신호이다.
μ는 파워에 의한 가중치로서, Err을 이용하여 K(n) 값 생성시 영향을 미치는 가중치이며, 적응형 필터의 입력 전력에 따른 가중치이다.
ω는 격리도에 의한 가중치로서, Err을 이용하여 K(n) 값 생성시 영향을 미치는 가중치이며, 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분이다.
이 수학식에서 알 수 있듯이 본 발명에서 적용되는 알고리즘은 종래의 NLMS 수식에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어할 수 있는 성분 ω를 사용한 것으로서, 일반적인 NLMS 알고리즘에 전파 환경 변화 속도에 따른 웨이트 갱신 가중치를 더 고려한 것이다.
여기에서, 피드백 환경에 따른 수렴 속도를 제어하는 이유는, 환경변화가 적은 경우에는 환경변화에 의한 에러 성분이 작고 원신호 성분이 큰 상태로 Err 값이 이루어지므로 순시에러값의 비중(ω)을 작게 하여 원신호로 인해 발생하는 순시오차를 줄여 성능 개선 효과를 갖게 되고, 환경변화가 심한 경우에는 Err 값에 원신호와 환경변화로 인한 에러 성분이 커지기 때문에 순시에러값의 비중을 크게 하여 환경변화에 대한 에러 성분을 빠르게 적용할 수 있도록 하여 발진 현상을 방지할 수 있기 때문이다. 즉 기본적인 NLMS의 기본 수식에 ω를 추가하여 구동시킴으로써 장비를 필드 현장에서 좀 더 안정적으로 운영될 수 있도록 하는 것이다.
그리고 적응형 필터 모듈(90)은 상술한 종래의 NLMS 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분을 반영한 알고리즘과 함께, 현재의 지연시간이 기준 지연시간보다 크고, 피드백 신호의 크기가 기준 피드백 신호보다 작아 격리도가 좋은 적응형 필터 서브 블록에는 종래의 부호달린 최소 제곱 평균(Signed Least Mean Squares) 알고리즘을 사용하는데, 부호달린 최소 제곱 평균 알고리즘은 다음의 수학식과 같다.
K(n) = K(n-1)±(F(n)×μ)
여기서, K(n)은 n번째 필터 계수이고, K(n-1)은 (n-1)번째 필터 계수이고, F(n)은 n번째 필터에 적용된 피드백 신호이며, μ는 파워에 의한 가중치이다.
이상에서와 같이 본 발명의 적응형 필터 모듈(90)을 구성하는 각각의 적응형 필터 서브 블록에는 서로 다른 적용 알고리즘을 사용(NLMS, Signed LMS 등)할 수 있다. 이는 거리에 따른 전파 자연 손실을 고려했을 때 각 적응형 필터 서브 블록별로 피드백 신호의 크기는 정형화된 차이를 갖게 되고, 설치 환경에 따라 정형화된 요소에 환경 요소가 추가되어 피드백 신호의 크기의 차이의 차이를 보이게 되고, 이는 시스템의 격리도의 차이로 나타나기 때문이다. 예를 들어 시스템 격리도에 따라 사용 가능한 알고리즘의 차이가 있고, 격리도가 나쁜 경우에는 NLMS 방식만을 사용하여야 하나, 격리도가 좋은 경우에는 Signed LMS 방식을 사용해도 시스템 상에 문제가 없다. 그리고 Signed LMS 방식은 NLMS 방식에 비하여 설계가 간단하기 때문에 실제 적용시 많은 이점을 가진다. 즉 본 발명의 적응형 필터 모듈(90)은 적응형 필터 서브 블록별 알고리즘을 환경 및 시스템 사양에 따라 다양한 구조를 혼합하여 구성할 수 있는 것이다.
또한, 일반적인 NLMS 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분을 적용한 알고리즘을 사용하는 적응형 필터 모듈(90)은, 입력신호 레벨 검출기(110)와 출력신호 레벨 검출기(120)에서 검출된 입력신호와 서비스 신호의 레벨 차이인 피드백 신호의 변화량을 계산하고, 계산된 피드백 신호의 변화량을 일정 시간 동안 정량화하여 피드백 신호의 환경 변화량을 계산하고, 정량화된 피드백 신호의 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용함과 동시에, 적응형 필터 서브 블록의 계수를 읽어들여 피드백 신호의 지연 시간 변화량을 계산하고, 계산된 피드백 신호의 지연 시간 변화량을 일정 시간 동안 정량화하여 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량을 계산하고, 정량화된 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용한다.
이때 격리도에 의한 가중치 ω는 다음의 수학식에 의해 결정한다.
ω=10(ΔH/20), 여기서 ΔH는 환경 변화량을 dB로 연산한 값이다.
즉 입력신호 레벨 검출기(110)와 출력신호 레벨 검출기(120)에서 검출된 두 검출된 레벨의 차는 피드백 신호를 의미하게 되며, 이 신호의 변화량은 환경의 변화량과 동일한 의미를 지니게 된다. 그러므로 일정 시간 동안의 피드백 신호의 변화량을 정량화하여 현재 장비 설치 환경의 특성을 파악하고, 이를 기반으로 하여 변화가 특정량 이상인 경우에는 ω를 크게 하고 변화량이 적은 경우에는 ω를 작게 한다. 그러나 레벨만을 이용할 경우에는 환경변화를 파워만으로 측정한 결과이므로 파워변화 없이 신호의 딜레이 변화 요소를 간과할 수 있으므로 주기적으로 적응형 필터의 수렴 계수 값의 변화량을 측정하여 딜레이 및 위상(phase)의 변화량을 판단할 수 있고, 이를 정량화하여 ω를 제어하는 요소로 사용한다.
또한, 본 발명에서는 입력단 채널필터(50)가 원신호 검출부(60)의 전단에 위치하여 적응형 필터 모듈(90)이 선택된 대역에 최적화된 가중치를 구하고, 또한 출력단에 입력단 채널필터(50)와 동일한 피드백 신호 채널필터(70)를 사용함으로써 가중치 갱신과정에서 불필요하게 생성된 대역의 신호를 억압한다. 이처럼 종래의 채널필터를 사용하는 시스템의 구조에서는 채널필터를 출력단에만 적용하였으나, 본 발명에서는 입력단과 피드백 신호에 채널필터를 각각 사용한다. 이런 구조는 적응형 필터 알고리즘에서 사용되는 입력신호에서 불필요한 신호를 제거함으로써 서비스하고자 하는 대역 외 신호로 인해 발생할 수 있는 알고리즘 상의 에러를 보완할 수 있게 된다.
입력단 신호에 입력단 채널필터(50)를 사용한 이유는, 장비를 설치한 후 서비스 주파수가 제한되는 경우가 발생할 수도 있고 기존 주파수를 다른 목적으로 사용함으로 인해 특정 채널은 증폭을 하지 않도록 요구되는 경우들에 대해 손쉽게 대응할 수 있고 이런 경우에 출력신호에 채널필터를 사용하게 되면 적응형 필터 알고리즘에는 적용되는 신호가 실제 피드백 신호에서는 빠지게 되므로 인하여 적응형 필터 성능에 많은 영향을 미치게 되므로 장비를 다시 개발하여야 하는 문제가 발생하기 때문이다.
한편, 전술한 도 1의 입력단 채널필터(50)와 피드백 신호 채널필터(70)를 사용한 설명과는 달리, 종래의 출력단에만 채널필터를 적용한 시스템인 도 2에서와 같은 구조에서도, 본 발명의 적응형 필터 모듈(90)을 사용하면 도 1에서와 같은 효과를 얻을 수 있다.
즉 도 1과 같이 채널필터를 입력단과 피드백 신호에 사용하지 않고 종래에서처럼 채널필터를 출력단에만 사용하더라도 적응형 필터 모듈(90)에서 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 출력신호 지연부(80)로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행할 수 있는 것이다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 중계기의 간섭제거장치의 동작과정을 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 내지 도 5는 도 1과 도 2의 적응형 필터 모듈의 동작과정을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
우선, 수신 안테나(10)로 수신되는 RF 신호로 된 입력신호가 LNA(20)와 믹서(30)를 거쳐 디지털 신호처리가 용이한 IF 신호로 변환되고, ADC(40)를 통해 디지털 신호로 변환되어 입력단 채널필터(50)로 출력된다.
DAC(40)를 통해 출력된 입력신호는 입력단 채널필터(50)를 통해 서비스하고자 하는 채널만이 선택되고, 적응형 필터 모듈(90)을 통해 생성된 피드백 신호가 원신호 검출부((60)를 통해 제거된다.
그리고 실제 서비스할 신호만을 분리하여 DAC(130)를 거쳐 IF 신호로 변환되고, 믹서(140)를 통해 입력신호와 동일한 주파수의 출력신호로 변환되며, AMP(150)를 통해 증폭되어 송신 안테나(160)를 통해 송신된다.
이때, 적응형 필터 모듈(90)은 여러 개의 적응형 필터 서브 블록으로 구성되어 있고, 각 적응형 필터 서브 블록들은 출력신호 지연부(80)에서 지연 시간을 제어하므로 피드백 신호의 지연시간, 즉 출력신호가 거치게 되는 피드백 신호의 경로에 따라 구분된다.
즉 지연시간이 길어지면 길어질수록 피드백 신호는 긴 전파 경로를 거치게 되고 이는 기본적으로 자연 손실이 커진 상태에서 피드백이 이루어지게 된다. 이런 현상들을 고려할 때 안테나의 사이드 로브(side lobe)나 백 로브(back lobe)에 의해 발생되는 신호를 제외할 경우 지연 시간(피드백 신호의 전파경로)과 피드백 신호의 크기(격리도)는 차이를 갖게 된다.
이러한 차이에 따라 적응형 필터 서브 블록을 지연시간에 따라 차별화하여 사용할 수 있는데, 지연 시간이 작은 경우(즉 격리도가 나쁜 경우)에는 성능 위주의 적응형 필터를 사용(일반적인 NLMS 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어할 수 있는 성분을 적용한 알고리즘)하고, 지연 시간이 큰 경우에는 기본적으로 피드백 신호의 크기가 작은 경우(격리도가 좋은 상태)이므로 간단한 구조(Signed LMS 등)의 적응형 필터를 사용한다.
다음의 표 1은 다른 구조의 적응형 필터 서브 블록들로 이루어진 적응형 필터 성능에 차이를 보이는 필터들을 사용할 수 있는 근거 자료로서, 주파수와 거리에 따른 전파 감쇄를 계산한 자료이다.
주파수
(MHz)		 거리
(미터)		 도심
(Hata)		 공개 지역
(Open space)		 지연
(ns)
2000 10 -46.55 -58.47 33.33
2000 20 -67.36 -64.49 66.67
2000 30 -78.99 -68.01 100.00
2000 40 -86.99 -70.51 133.33
2000 50 -93.05 -72.45 166.67
2000 60 -97.91 -74.03 200.00
2000 70 -101.96 -75.37 233.33
2000 80 -105.42 -76.53 266.67
2000 90 -108.44 -77.56 300.00
2000 100 -111.10 -78.47 333.33
2000 110 -113.49 -79.30 366.67
2000 120 -115.66 -80.05 400.00
2000 130 -117.63 -80.75 433.33
2000 140 -119.44 -81.39 466.67
2000 150 -121.11 -81.99 500.00
2000 160 -122.67 -82.55 533.33
2000 170 -124.12 -83.08 566.67
2000 180 -125.48 -83.58 600.00
2000 190 -126.76 -84.05 633.33
2000 200 -127.97 -84.49 666.67
표 1을 보면, hata 방식은 전력 손실을 계산하는 방식 중에서 도심을 모델링하여 계산한 경우이고, open space 방식은 농촌 및 해변가 등 장애물이 없는 지역을 기반으로 계산하는 경우에 적용되는 방식에 의해 산출된 자료이다. 위 두 가지 경우 모두 거리에 따른 전파 손실을 계산했을 경우, 20미터 지점과 100미터 지점을 계산했을 때 hata 방식은 각각 -67.36dB, -111.10dB이므로 약 33dB의 차이를 나타내고, open space 방식은 각각 -64.49dB, -78.47dB이므로 약 14dB의 차이를 있음을 알 수 있다. 이런 차이들로 인해 적응형 필터 서브 블록간에는 성능에 차이가 있는 구조의 적응형 필터를 이용하여도 시스템 성능에는 문제가 없고 구현상에 많은 이점을 갖게 된다. 일반적인 NLMS와 Signed LMS의 구현 로직을 비교했을 때 Signed LMS 방식의 필터가 멀티플라이어(multiplier)의 수를 반으로 줄일 수 있는 이점이 있다.
한편, 일반적인 NLMS 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분(ω)을 적용한 알고리즘을 사용하는 적응형 필터 모듈(90)은 도 3에 도시된 바와 같이, 입력신호와 출력신호의 레벨크기 변화에 의한 환경 변화에 따라 수렴 속도를 제어하는 단계(S100)와, 신호의 지연 시간 변화에 의한 환경 변화에 따라 수렴 속도를 제어하는 단계(S200)를 동시에 수행한다.
도 4를 참조하여 S100 과정을 보다 상세하게 설명하면, 입력신호 레벨 검출기(110)와 출력신호 레벨 검출기(120)는 각각 입력신호와 출력신호의 레벨을 검출한다(S110).
이후 적응형 필터 모듈(90)은 입력신호 레벨 검출기(110)와 출력신호 레벨 검출기(120)에서 검출된 입력신호와 서비스 신호의 레벨 차이인 피드백 신호의 변화량을 계산하고(S120), 기 설정된 시간이 경과하는지를 판단한다(S130).
판단결과 기 설정된 시간이 경과하면, 적응형 필터 모듈(90)은 S120 단계에서 계산된 피드백 신호의 변화량을 정량화하여 피드백 신호의 환경 변화량을 계산한다(S140).
즉 설정된 시간 동안 일정 시간 단위로 샘플링하면서 S120 단계에서 계산된 피드백 신호의 변화량을 정량화하여 환경 변화량을 계산(최대값/최소값의 차이를 확인)하는 것이다.
S140 단계를 통해 환경 변화량을 계산한 이후, 적응형 필터 모듈(90)은 피드백 신호의 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여, 피드백 신호의 환경 변화량이 기준 변화량의 범위를 벗어나 환경 변동이 이루어졌는지의 여부를 판단한다(S150).
판단결과 피드백 신호의 환경 변화량이 기준 변화량의 범위를 벗어나 환경 변동이 이루어진 것으로 판단되면, 적응형 필터 모듈(90)은 환경 변화량이 특정량 이상이면 가중치 ω를 크게 변동 적용하며, 변화량이 적은 경우에는 ω를 작게 변동 적용한다(S160).
이때 가중치 ω의 변동 적용은, ω=10(ΔH/20)(ΔH는 환경 변화량을 dB로 연산한 값)의 수학식에 의해 결정된다.
다음의 표 2는 실제 시스템에 적용된 가중치 ω의 변동 적용의 예를 나타낸 자료로서, 후술되는 도 5의 S260 단계에서의 가중치 변동 적용과정도 이와 동일한 방식으로 이루어진다.
ΔH(db) 계산 값 실제 적용값(ω)
0 1 16
1 1.122018454 17
2 1.258925412 20
3 1.412537545 22
4 1.584893192 25
5 1.77827941 28
6 1.995262315 31
7 2.238721139 35
8 2.511886432 40
9 2.818382931 45
10 3.16227766 50
11 3.548133892 56
12 3.981071706 63
13 4.466835922 71
14 5.011872336 80
15 5.623413252 89
16 6.309573445 100
17 7.079457844 113
18 7.943282347 127
19 8.912509381 142
20 10 160
또한, 도 5를 참조하여 S200 과정을 보다 상세하게 설명하면, 적응형 필터 모듈(90)은 적응형 필터 서브 블록의 계수를 읽어들여 저장한다(S210).
이후 적응형 필터 서브 블록의 계수를 토대로 피드백 신호의 지연 시간 변화량을 계산하고(S220), 기 설정된 시간이 경과하는지를 판단한다(S230).
판단결과 기 설정된 시간이 경과하면, 적응형 필터 모듈(90)은 S220 단계에서 계산된 계수의 변화량을 기준으로 환경 변화량을 계산한다(S240). 즉 설정된 시간 동안 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별로 지연 시간 변화량을 정량화하여 환경 변화량을 계산하는 것이다.
S240 단계를 통해 환경 변화량을 계산한 이후, 적응형 필터 모듈(90)은 정량화된 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여, 환경 변화량이 기준 변화량의 범위를 벗어나 환경 변동이 이루어졌는지의 여부를 판단한다(S250).
판단결과 정량화된 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량이 기준 변화량의 범위를 벗어나 환경 변동이 이루어진 것으로 판단되면, 적응형 필터 모듈(90)은 지연 시간 변화에 의한 환경 변화량에 따라 전술한 도 4의 S160 단계에서의 수학식을 사용하여 가중치 ω를 변동 적용한다(S260).
다시 한 번 요약하면, 상술한 S100 단계는 일정 시간 동안의 피드백 신호의 변화량을 정량화하여 현재 장비 설치 환경의 특성을 파악하고, 이를 기반으로 하여 변화가 특정량 이상인 경우에는 ω를 크게 하고 변화량이 적은 경우에는 ω를 작게 하는 단계이다. 그리고 S200 단계는 S100 단계가 레벨만을 이용하여 환경변화를 파워만으로 측정한 결과이므로 파워변화 없이 신호의 딜레이 변화 요소를 간과할 수 있기 때문에 주기적으로 적응형 필터의 수렴 계수 값의 변화량을 측정하여 딜레이 및 위상의 변화량을 판단하고, 이를 정량화하여 ω를 제어하는 요소로 사용하는 단계이다.
이에 따라 종래의 일반적인 NLMS의 기본 수식에 ω를 추가하여 구동시킴과 동시에, 다양한 구조로 된 적응형 필터를 혼합하여 사용할 수 있으므로 본 발명이 적용된 통신 중계기를 현장에서 좀 더 안정적으로 운영할 수 있다.
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 수신 안테나 20 : LNA
30, 140 : 믹서 40 : ADC
50 : 입력단 채널필터 60 : 원신호 검출부
70 : 피드백 신호 채널필터 80 : 출력신호 지연부
90 : 적응형 필터 모듈 100 : 피드백 신호 생성부
110 : 입력신호 레벨 검출기 120 : 출력신호 레벨 검출기
130 : DAC 150 : AMP
160 : 송신 안테나 170 : 출력단 채널필터

Claims (8)

  1. 수신 안테나로 수신한 입력신호에서 불필요한 신호를 제거하는 입력단 채널필터,
    상기 입력단 채널필터를 통과한 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나를 통해 출력하도록 하는 원신호 검출부,
    상기 원신호 검출부에서 출력되는 출력신호에서 상기 입력단 채널필터와 동일한 대역의 신호만을 선택하여 출력하는 피드백 신호 채널필터,
    상기 피드백 신호 채널필터를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 출력하는 출력신호 지연부,
    중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭(tap)이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비되어 있으며, 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도(isolation)에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 상기 출력신호 지연부로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행하는 적응형 필터 모듈,
    상기 적응형 필터 모듈의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 상기 원신호 검출부로 출력하는 피드백 신호 생성부,
    서비스 신호에 피드백 신호가 더해진 입력신호의 레벨을 검출하는 입력신호 레벨 검출기, 그리고
    입력신호에서 피드백 신호를 차감한 신호인 서비스 신호의 레벨을 검출하는 출력신호 레벨 검출기를 포함하며,
    상기 적응형 필터 모듈은, 상기 입력신호 레벨 검출기와 상기 출력신호 레벨 검출기에서 검출된 입력신호와 서비스 신호의 차인 피드백 신호의 레벨 크기 변화에 의한 환경 변화를 토대로 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용함과 동시에, 상기 적응형 필터 서브 블록의 계수를 읽어들여 계산한 피드백 신호의 지연 시간 변화에 의한 환경 변화를 토대로 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용하는 통신 중계기의 간섭제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적응형 필터 모듈은,
    현재의 지연시간이 기준 지연시간보다 작고, 피드백 신호의 크기가 기준 피드백 신호보다 커 격리도가 나쁜 적응형 필터 서브 블록에는 정규화된 최소 제곱 평균(Normalized Least Mean Squares) 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분이 반영된 알고리즘을 사용하며,
    현재의 지연시간이 기준 지연시간보다 크고, 피드백 신호의 크기가 기준 피드백 신호보다 작아 격리도가 좋은 적응형 필터 서브 블록에는 부호달린 최소 제곱 평균(Signed Least Mean Squares) 알고리즘을 사용하는 통신 중계기의 간섭제거장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정규화된 최소 제곱 평균 알고리즘에 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분이 반영된 알고리즘은,
    하기의 수학식을 사용하는 알고리즘인 통신 중계기의 간섭제거장치.
    K(n) = K(n-1)+(Err×F(n)×μ×ω)
    여기서, K(n)은 n번째 필터 계수, K(n-1)은 (n-1)번째 필터 계수, Err은 입력신호에서 (n-1)번째 필터 계수를 이용하여 생성된 피드백 신호를 차감한 신호, F(n)은 n번째 필터에 적용된 피드백 신호, μ는 파워에 의한 가중치, ω는 격리도에 의한 가중치로서, 환경 변화 속도에 따라 수렴 속도를 제어하는 성분.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 부호달린 최소 제곱 평균 알고리즘은,
    하기의 수학식을 사용하는 알고리즘인 통신 중계기의 간섭제거장치.
    K(n) = K(n-1)±(F(n)×μ)
    여기서, K(n)은 n번째 필터 계수, K(n-1)은 (n-1)번째 필터 계수, F(n)은 n번째 필터에 적용된 피드백 신호, μ는 파워에 의한 가중치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적응형 필터 모듈은,
    상기 입력신호 레벨 검출기와 상기 출력신호 레벨 검출기에서 검출된 입력신호와 서비스 신호의 레벨 차이인 피드백 신호의 변화량을 계산하고, 계산된 피드백 신호의 변화량을 일정 시간 동안 정량화하여 피드백 신호의 환경 변화량을 계산하고, 정량화된 피드백 신호의 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용함과 동시에,
    적응형 필터 서브 블록의 계수를 읽어들여 피드백 신호의 지연 시간 변화량을 계산하고, 계산된 피드백 신호의 지연 시간 변화량을 일정 시간 동안 정량화하여 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량을 계산하고, 정량화된 계수의 변화량을 기준으로 한 환경 변화량과 환경 변동 유무를 판단하는 기준 변화량을 비교하여 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용하는 통신 중계기의 간섭제거장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 격리도에 의한 가중치 ω는,
    하기의 수학식에 의해 변동, 적용되는 통신 중계기의 간섭제거장치.
    ω=10(ΔH/20), 여기서 ΔH는 환경 변화량을 dB로 연산한 값
  8. 수신 안테나로 수신한 입력신호에서 피드백 신호를 차감하여 서비스 신호만을 검출하며, 검출된 출력신호를 송신 안테나를 통해 출력하도록 하는 원신호 검출부,
    상기 원신호 검출부에서 출력되는 출력신호에서 불필요한 신호를 제거하는 출력단 채널필터,
    상기 출력단 채널필터를 통과한 출력신호를 기 설정된 지연시간에 따라 지연시켜 출력하는 출력신호 지연부,
    중계 거리별로 분할되어 있는 다수의 탭이 포함된 적응형 필터 서브 블록이 하나 이상 구비되어 있으며, 지연 시간 및 송신 안테나와 수신 안테나 간의 격리도에 따라 서로 다른 알고리즘이 적용된 각 적응형 필터 서브 블록별로 상기 출력신호 지연부로부터 입력되는 각 적응형 필터 서브 블록의 각 탭별 지연신호를 토대로 피드백 신호의 복원 처리를 수행하는 적응형 필터 모듈,
    상기 적응형 필터 모듈의 각 적응형 필터 서브 블록에서 복원 처리된 피드백 신호의 출력을 합산하여 피드백 신호를 생성하며, 생성된 피드백 신호를 상기 원신호 검출부로 출력하는 피드백 신호 생성부,
    서비스 신호에 피드백 신호가 더해진 입력신호의 레벨을 검출하는 입력신호 레벨 검출기, 그리고
    입력신호에서 피드백 신호를 차감한 신호인 서비스 신호의 레벨을 검출하는 출력신호 레벨 검출기를 포함하며,
    상기 적응형 필터 모듈은, 상기 입력신호 레벨 검출기와 상기 출력신호 레벨 검출기에서 검출된 입력신호와 서비스 신호의 차인 피드백 신호의 레벨 크기 변화에 의한 환경 변화를 토대로 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용함과 동시에, 상기 적응형 필터 서브 블록의 계수를 읽어들여 계산한 피드백 신호의 지연 시간 변화에 의한 환경 변화를 토대로 격리도에 의한 가중치 ω를 변동 적용하는 통신 중계기의 간섭제거장치.
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