KR20010109062A - 그라디언트 온오프 방법을 이용하여 수신단말의수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기위한 스마트 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라디언트 온오프 방법 이용하여 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기 위한 스마트 안테나 시스템의 신호처리방법 및 장치에 관한 것으로, 기지국에서의 송신신호를 적절히 웨이트 하므로써, 각 단말기에서 수신 신호 세기가 최대화 되도록 기지국에서 사용할 웨이트 벡터의 최적 값을 구하는 방법과 장치를 제공한다. 웨이트 벡터

Description

그라디언트 온오프 방법을 이용하여 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기 위한 스마트 안테나 시스템의 신호처리 방법 및 장치{SIGNAL PROCESSING METHOD AND APPARATUS OF SMART ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 그라디언트 온오프 방법을 이용하여 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기 위한 스마트 안테나 시스템의 신호처리 방법, 장치 및 그 기록매체에 관한 것이다.

본 발명은 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기 위하여, 그라디언트 온오프 방법을 이용하여, 각 단말기에서 수신 신호 세기가 최대화 되도록 기지국에서 사용할 웨이트 벡터의 최적 값을 구하는 스마트 안테나 시스템의 신호처리 방법, 장치 및 그 기록매체를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명에서 목표 단말기에게 신호s(t)를 송신하는 배열 시스템의 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 채널화 분배기 설명도,

도 4는 본 발명에서 복수의 가입자 각각의 다중경로 채널에 적용하는 신호 환경을 보여주는 예시도,

도 5는 본 명세서에서 제공되는 기술을 실제의 이동통신에 적용하여 최적의 송신 빔을 만들기 위한 일실시 예시도,

도 6은 본 발명에서 제공하는 기술을 이용하여 수신 단말기에서 최적의 웨이트 벡터를 산출하기 위한 시스템의 블록 다이어그램 예시도,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 흐름도,

도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 목표 단말기에게 신호s(t)를 송신하는 배열 시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명에 따른 채널화 분배기 설명도이다.

신호s(t)가 기지국에서 어떤 이동 단말기로 송신될 신호라 가정하자.

우선, 목표 단말기와 각 안테나 사이에 단일 전파 경로가 있는 경우를 먼저 고려해 보자. 가입자 수가 다수이고 또 각 가입자에 대하여 다중 경로가 존재하는 채널에 대한 제안기술의 응용은 단일 가입자의 단일 전파경로를 먼저 고려한 후에 설명하기로 한다.

도 3에서 보는 바와 같이 분배기(distributor)를 통과한 신호s(t)는 각 안테나 채널의 전송 신호로 분배된다. 각 안테나에서 송신된 신호를 수신단말기에서 따로따로 구분하여 추출할 수 있도록 하기 위한 방안의 하나로서, 각 안테나에서 전송되는 신호가 서로 직교되도록 분배기에서 신호s(t)를 처리하는 경우가 있다. 직교화 방식에 관한 구체적인 내용을 언급하지 않더라도, 본 발명 분야의 종사자에 있어서는, 전송된 신호s(t)를 직교화는 공지의 방법을 임의로 선택하여 수행할 수 있음이 자명하다.

본 발명에서는 전송하는 신호가 각 안테나 채널끼리 분배기에서 전송신호를 처리하고 있으나, 다른 개념으로도 각 안테나 신호를 직교화 할 수도 있다. 어쨌든, 직교화 과정 결과로서, 각 안테나에서 송출되는 신호는 상호 직교하게 되는데, 직교하는 구간P는 미리 정의해 두도록 한다.

즉, 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

도 2에서,s(t)는 목표단말에 보내는 신호,는안테나소자와 목표 단말간의 채널(감쇄와 위상지연(phase delay)포함),는안테나소자에 가해질 웨이트(복소공액)를 각각 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 채널화 분배기 설명도로서, 도면에서, 안테나 각각에 송신되는 신호{s ₁(t),…,s _N (t)}는 구간 동안 상호 직교이다. 이때 기간P동안 배열 시스템은 동일 웨이트 벡터를 사용하므로P는 채널 특성{h ₁(t),…,h _N (t)}의 변화를 무시할 수 있을 만큼 짧아야 한다.

그런데 직교구간인P기간 동안에 동일한 웨이트 벡터가 적용되어야 하기 때문에, 전파 채널 특성이 너무 현저히 변해버릴 정도로P가 너무 길어서는 안된다.이하 설명상의 편의를 위해 각 안테나에서 전송되는 신호의 세기가 모두 같다고 (즉,) 가정하자.

각 안테나로부터 전송된 신호는 수신 단말에서 각 안테나로부터 전송된 패턴s ₁(t),s ₂(t),…,s _N (t)를 수신 신호와 각각 상관(correlation)시킴으로써, 각 안테나 채널별 신호를 따로따로 분리할 수 있다. 이로써, 최적의 웨이트 벡터를 계산하는 절차는 파일롯 신호에 적용된다는 것을 알 수 있다. 물론, 계산된 웨이트 벡터는 각 해당 시간 슬롯동안의 데이터 시퀀스에 사용된다. 위에서 언급한 바와 같이 각각 한 개의 경로만 갖는 안테나의 채널을 가정하면, 단말기에서 수신된 신호 y는 다음과 같다.

여기서는번째 안테나 채널에 적용되는 웨이트(복소공액)이고,는번째 안테나와 수신 단말 사이의 전파 경로 특성(감쇄와 위상지연)를 나타낸다. 본 제안기술에서는s(t)와와는 모두 복소수 형태의 페이저 표기법(phasor notation)을 사용한다. 수신 신호 y의 각 안테나 채널별 분리는 수신 단말에서 다음과 같은 상관(correlation)절차를 통하여 수행된다.

수식 (1)과 (2)에 의하여, 수신신호 y와j번째 안테나로부터 송신된 신호s _j (t)를 상관시킨 상관기의 출력z _j 는 다음과 같이 쓸 수 있다. (단, 설명상의 편의를 위하여, 아래 식에서는 수신신호에서 간섭과 잡음을 생략하였다.)

즉, 수신신호 y 로부터 각 안테나와 수신 단말기 사이의 채널특성h _j 이 포함된를j= 1, 2, ...,N에 대하여 수신단말기에서 각각 구할 수 있게 된다. 새로운 변수를와 같이 정의하면, 수신신호의 파워를 최대화하는 것은를 최대화하는 것과 동일하므로를 최대화하는 웨이트 벡터를 공지의 기술인 최대고유벡터 방법으로 구할 수 있다.

즉, 신호 전송신호가 수신단말기에서 수식 (3)과 같이 각 안테나나 신호별로 구분될 수 있다면, 공지의 고유벡터 방법, 예컨대, [1]"Signal Processing Apparatus and Method for Reducing the Effects of Interference and Noise in Wireless Communications Utilizing Antenna Array", 미국 특허등록(5,808,913), 1998. 9. 15, [2]"Design Technique of an Array Antenna and Telecommunication System and Method Utilizing the Array Antenna", 미국 특허등록(5,999,800), 1999. 12. 7, [3]"무선 통신 시스템에서 간섭을 최소화하고 잡음의 영향을 줄여주기 위한 신호처리장치", 국내 특허등록(0197794), 1999. 2. 25, [4]"수신신호에 대한 자기상관행렬의 최대 고유치에 대응하는 고유벡터를 이용한 배열안테나의 신호 처리 방법", 국내 특허등록(0229094), 1999. 8. 31, [5]"코드분할다중접속방식 이동통신망을 위한 적응배열안테나시스템의 신호처리 방법 및 그 기록매체", 국내 특허출원(99-3115), 1999. 1. 30) 등을 이용하여, 수신파워를 최대화하는 웨이트 벡터를 계산할 수 있게 된다.

즉, 각 스냅샷에서의 수신 파워를 최대화하는 웨이트 벡터를 구하는 문제를를 최대화하는 문제로 치환하여 위에서 언급한 공지의 기술 [1]-[5]를 이용하여 구하는 것이다. 본 명세서에서는 공지의 기술중 하나인 그라디언트 온오프 방법을 사용하여 수신 단말에서 수신 파워가 최대로 되는 최적의 웨이트 벡터를 산출하는 기술을 소개한다.

수신단말에서의 수신파워는 다음과 같이 쓸 수 있다.

단,이고,이며,와은 각각과으로 정의되는 열벡터(column vector)이다. (본 명세서에서는 벡터는 밑줄친 소문자로 행렬은 대문자 굵은체로 표시한다.)

그런데, 간섭과 잡음을 배제한 상황에서의 랭크는 매 스냅샷마다 1이기 때문에 구하는 웨이트 벡터는 바로 전파 경로(propagation path) 벡터자체가 된다. 그러나, 간섭과 잡음을 고려하면(다중경로 간섭과 타신호간섭 포함)는 매 스냅샷마다 랭크가 N이 된다.

각 안테나 채널은 식(3)에서 보는바와 같이 분리될 수 있기 때문에 행렬의 각 엔트리 값은 수신하는 단말기에서 구할 수 있다. 또한 앞서 언급한 바와 같이, 수신 신호의 전력을 최대화하는 최적의 웨이트 벡터가 결과적으로 원하는 신호의 최대비합성(maximum ratio combining-MRC)를 제공한다는 것을 알 수 있다.

즉,(단,β는 실상수(real constant)).

위 (4)식의, 수신파워를 최대화하는 최적의 웨이트 벡터는 [1] - [5]에 나타낸 바와 같이 최대 고유치 문제의 해로부터 제공된다. 즉, 최적의 웨이트 벡터를 구하는 문제는 다음(5)식의 고유문제에서 최대 고유치에 대응하는 고유벡터를 구하는 문제가 된다.

여기서 λ_max는 행렬의 최대 고유치이다.

이제까지는 단일 경로를 고려하였으나 각 경로에 대한 각각의 웨이트 벡터를 고려하는 다중경로의 경우에도 적용할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 복수의 가입자 각각의 다중경로 채널에 적용하는 신호 환경을 보여주는 예시도이다.

도면에서,s(t)는 목표단말에 보내는 신호,는단말기와안테나 소자간의경로 채널,는단말기와경로 채널에 대한안테나 소자의 웨이트 벡터(복소공액)이다.

도 4에서 제시된 바와 같이 본 발명에서 제시하는 기술은 각 단말기마다 다중경로가 존재하는 복수 단말기가 있는 신호환경에도 적용될 수 있다. 이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 단말에 대하여 각각의 전파경로에 대해 최적의 웨이트 벡터를 따로 따로 산출한다.

도 5는 본 명세서에서 제공되는 기술을 실제의 이동통신에 적용하여 최적의송신 빔을 만들기 위한 하나의 예로써, 파이롯트 채널과 트래픽 채널을 이용하여 본 발명 기술을 이용하는 시스템의 블록다이어 그램을 나타내고 있다. 파이롯트 채널의 신호를 각 안테나별로 직교화(orthogonalization)하여 웨이팅하지 않은 채로 송신하면 본 발명의 기술을 이용하여 수신단에서 최대의 수신파워를 갖게하는 웨이트 벡터를 해당 단말에서 계산할 수 있다. 이 계산된 웨이트 벡터를 트래픽 채널에 이용하여 신호를 송신하면 최적의 빔으로 송신할 수 있게 된다. 이때, 파이롯트 신호도 최적의 빔으로 송신하려면 파이롯트 신호에 대해서도 계산된 웨이트 벡터를 적용하여 송신할 수도 있다.

도 6은 본 발명에서 제공하는 기술을 이용하여 수신 단말기에서 최적의 웨이트 벡터를 산출하기 위한 시스템의 한 예를 블록 다이어그램이다.

송신 기지국에서 사용할 웨이트의 값을 수신단말기에서 계산하여 송신 기지국으로 보내는 폐 루프(Closed Loop) 방식에서 웨이트 벡터를 계산하는 것 못지 않게 중요한 것은 계산된 웨이트 벡터 값을 기지국으로 전송하는 방법이다. 즉, 수신단말기에서 계산된 웨이트값 자체를 기지국으로 보낼 수도 있으나, 웨이트 벡터를 보내려면 별도의 채널을 사용하여야 한다. 이와 같이 별도의 채널을 차지하지 않고 웨이트 벡터를 최적 값으로 갱신하기 위하여, 웨이트 벡터의 위상 값의 변화량 혹은 변화하는 방향만을 기지국으로 보낼 수도 있다.

즉, 송신기지국에서의 빔을 +△ 혹은 -△만큼 변위 시키기 위해서는 현재의 웨이트 벡터를 로 갱신하여야 하는데, 이 경우 로 결정되는 웨이트 벡터의 값 자체를 수신단말기에서 송신기지국으로 송신하지 않고 갱신하여야 하는 방향만을 송신 기지국에 알려주는 것이다.

이와 같은 방법을 사용하면 1개의 디지트만을 가지고도 웨이트 벡터를 미리 정한 △만큼 +혹은 -방향으로 갱신 할 수 있다.

이제부터, 최대 고유치에 대응하는 고유벡터를 구하는 기술에 따라서, 본 발명의 실시예를 구성하여 각 실시예별로 자세히 설명한다.

즉, 공지의 그라디언트 온오프 방법을 수정하여 식(5)에서 보여지는 최대 고유치 문제를 풀기 위해서 사용할 수 있으며 각 방법별로 실시예를 구성하여 최적의 웨이트 벡터를 계산하는 방법 및 계산된 웨이트 벡터를 효율적으로 기지국으로 전송하는 방법을 자세히 설명한다.

<실시예 : 그래디언트(Gradient) ON-OFF방법>

본 실시예도 앞서 설명한 방법과 같이 각 안테나별로 직교되도록 신호를 처리한 후 송신하는 신호환경을 고려하며, 수신신호의 출력파워에 대한 그래디언트 값을 구해 각 안테나의 위상을 갱신하여 최적의 웨이트 벡터를 구하는 공지의 그래디언트 ON-OFF 방법을 사용한다. 그래디언트 ON-OFF 방법은 [5]에 자세히 설명되어 있으므로 본 발명에서는 그래디언트 ON-OFF 방법을 응용하여 송신기지국에서의 최적 웨이트 벡터를 수신단말기에서 계산하여 송신 기지국으로 귀환시키는 절차를 소개한다.

첫째, 웨이트 벡터를 초기화 한다.

둘째, 기지국에서 현재의 웨이트 벡터로 웨이팅(Weighting)하여 신호를 송신한다. 즉,번째 안테나에서의 송신신호는이므로, 현재의 웨이트를 이용하면가 송출되게 된다. 따라서 N개의 안테나 소자로 구성된 배열 안테나 시스템에서 송신하는 신호는 단말기에서 다음과 같이 수신된다.

셋째, 각 안테나에서 송신된 신호를 따로따로 분류하기 위하여 각 안테나에서 송신된 패턴으로 상기 수신신호를 상관시키므로써 각 안테나 채널별로 분류된 신호를 산출하여를 찾아낸다. (즉,)

넷째, 수신 단말기에서 각 안테나 출력파워의 그래디언트(Gradient)를 다음과 같이 계산한다.

단,는 안테나 인덱스이며,이고,Im[·]는 ·값의 허수부를 의미함.

다섯째, 상기 네 번째 단계에서 구한 ▽를 이용하여 안테나의 위상을 다음과 같이 갱신한다.

여기서는번째 안테나를 나타내며,μ는 적응이득아고, n는 스냅샷 인덱스이다. 또한sign[·]는 ·값의 부호를 나타낸다. 상기 수식은 위상갱신시의 부호, 즉를 이용하였지만, 부호 판별없이만으로도 다음과 같이 계산할 수 있음을 본 발명에서 제시한다.

여섯째, 수신 단말기에서 갱신된 웨이트 벡터는 기지국으로 송신하며, 웨이트 벡터는 상기 두 번째 단계로 전달되어 두 번째부터 반복 수행한다. 이때, 수신단말기에서 계산된 웨이트 벡터 값을 송신 기지국에 보내는 대신에 현재의 웨이트 값과의 차이만을 보낼 수도 있으며, 하나의 비트만을 사용하여 기지국에 웨이트 벡터의 변위 부호만을 송신하므로써 현재 웨이트 값을 +△ 혹은 -△만큼 변위시킬 수도 있다. 즉, 수신 단말기에서 0혹은 1의 디지털 값을 송신 기지국에 송출해 주므로써, 송신 기지국에서는 빔이 +△ 혹은 -△만큼 변위되도록 현재의 웨이트 벡터값을 갱신해 준다.

상기 적응 절차는를 최대화하기 위한 과정으로서 결국을 최대화하기위한 웨이트 벡터를 계산하는 과정이다. 상기 절차에 대한 흐름도는 그림 12와 같다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 방법을 이용하는 본 발명에 따르면, 적은 계산량으로 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출할 수 있도록 함으로써, 성능면에서 우수할 뿐만 아니라 스냅샷 당 빔형성 과정의 계산량이 현저하게 감소되기 때문에 빠른 응답을 요하는 이동통신 시스템 등에 실제로 적용이 가능하다는 효과가 있다.

또한, 간섭신호의 영향이 최소화되는 최적의 빔패턴을 각 가입자에게 제공하므로써 주어진 대역폭내에서 셀당 통신용량을 획기적으로 증가시키면서 통신품질도 향상시키는 매우 우수한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 수신단말의 수신파워가 최대로 되는 최적 웨이트 벡터를 산출하기 위하여, 그라디언트 온오프 방법을 이용하여, 각 단말기에서 수신 신호 세기가 최대화 되도록 기지국에서 사용할 웨이트 벡터의 최적 값을 구하는 스마트 안테나 시스템의 신호처리 방법.