KR20040024947A - 씨디엠에이안테나어레이시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 초기동기획득방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 어레이를 이용하는 코드분할다중접속 기지국 시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용하여 고속의 초기동기를 획득하는 방법에 관한 것이다. 코드분할다중접속 시스템에서 고속의 초기동기획득은 랜덤접속시에 재전송횟수를 줄임으로써 고속 통화로 연결, 간섭잡음의 감소, 그리고 성능개선된 소프트핸드오프의 효과를 가져온다. 그런데, 코드분할다중접속 기지국 시스템에서 가입자기 많은 경우, 즉 간섭잡음이 큰 채널인 경우에는 신호대 잡음비가 낮고 가입자의 증감에 따른 최적의 임계치의 설정에 대한 문제가 발생하여 고속의 초기동기획득을 실현하기가 어렵다.

본 발명은 코드분할다중접속 기지국에서 안테나 어레이의 빔형성을 이용하여 간섭잡음을 줄이는 병렬구조의 빔형성기, 병렬 MF 상관기 구조와 그의 탐색 방법, 그리고 병렬 MF상관기 출력을 이용한 간섭잡음을 추정하여 간섭잡음의 증감에 적응할 수 있는 최적의 임계치를 설정하는 방법 등을 제안하고 있다.

Description

씨디엠에이안테나어레이시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 초기동기획득방법{A Method of Initial Code Acquisition Using Beam-Forming and Interference Noise Estimation in CDMA Antenna-Array System}

본 발명은 코드분할다중접속 안테나 어레이 시스템에서 초기동기획득에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 안테나 어레이 시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 기지국 시스템에서의 초기동기획득방법에 관한 것이다.

안테나 어레이 시스템의 빔형성을 이용한 동기획득 방법은 종래의 동기획득기술이지만, 종래의 기술을 좀더 살펴보면 빔형성을 이용한 동기획득에서 종래의 기술은 크게 두가지로 요약된다.

첫번째는 초기동기획득 시에 간섭잡음을 줄이는 방법으로는 도2와 같이 섹터 셀에 해당하는 영역 (region)을 여러 개의 부영역 (subregion)으로 분할하여 신호대잡음비를 형성된 빔수의 배수만큼, 즉 부영역 수의 배수만큼 증가시켜 고속의 동기획득을 모색하는 방법인데, 종래의 기술은 하나의 상관기를 이용하는 반면 본 발명은 부영역들의 수에 일치하는 병렬구조의 빔형성기와 병렬 MF(matched filter) 상관기를 이용하여 이중적분 검출 방법을 수행한다.

도1에서 보면 종래의 기술은 한 개의 빔형성기에 한 개의 상관기 구조를 갖는 형태인데, 이의 구조에 이중적분 검출 방법을 적용하면, 전체 탐색해야 할 코드위상의 수는 다음과 같이 주어진다. 빔형성에 의해 R개의 각도 시험코드위상 (angular test code-phase)이 구성되고 사용된 PN 코드의 길이가 Q PN 칩이라면, 전체 탐색해야 할 시험코드위상 (uncertainty region)은 RQ개의 PN칩이 된다. 이 경우 이중적분(double-dwell) 검출 알고리즘을 적용하였을 때, 종래의 기술은 탐색모드(search mode)를 통과한 모든 시험코드위상(test code-phase)에 대하여 확인모드 (verification mode)를 수행해야 한다. 따라서, 만약에 RQ개의 PN칩이 모두 탐색모드를 통과하고 확인모드를 통과하지 못하면, RQ번의 확인모드를 수행해야 하는 문제점을 가지고 있다. 그렇지만, 본 발명에서는 R개의 MF상관기 출력들 중에 가장 최대값을 갖는 코드위상에 대해서만 확인모드를 수행하게 되므로, 가장 최악의 경우라도 Q번의 탐색모드와 Q번의 확인모드를 수행하게 된다.

두번째의 유사한 종래기술은 병렬구조의 빔형성기를 이용하여 여러 개의 빔을 동시에 형성하고, 각각의 형성된 빔에 대하여 독립적으로 직렬동기획득을 수행하는 방법이다. 그런데, 이러한 방법을 초기동기획득 시에 이용하려면 형성된 빔 신호의 신호대잡음비가 아주 큰 경우에만 가능하다. 그리고, 초기동기획득 과정을 완료한 후에 정확한 코드위상(correct code-phase)들을 레이크 수신기의 핑거들에 할당한 후, 레이크 핑거별로 탐색기를 갖는 구조를 구성하는 형태로 다경로 페이딩 채널의 변화에 따라 탐색이 수행되는 다경로 탐색에 응용하고 있다.

상기의 구조를 신호대잡음비가 아주 낮은 채널에서 초기동기획득 시에 사용하게 되면 각각의 안테나 빔에 대하여 동기획득이 수행되므로 각 빔에 일치하는 탐색기와 레이크 핑거의 상태가 혼란스럽게 된다는 것이다. 어느 빔의 탐색기는 동기획득 과정이 완료된 후 동기추적 과정에 들어간 상태이고, 또 다른 빔의 탐색기는 오경보가 발생하여 동기추적과정에서 다시 초기동기획득 과정으로 회귀하는 형태 등의 동기획득 알고리즘의 제어가 복잡하게 된다

상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 하나의 정확한 각도 코드위상 (angular code phase)과 지연 코드위상 (delay code phase)을 1차적으로 탐색하여 초기동기획득 과정을 완료하고, 2차적으로 다경로 탐색 과정에 의해 공간적인 확산 (angular spread) 그리고 지연확산(delay spread)에 의해 발생된 다수의 정확한 코드위상들을 탐색하게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 안테나 어레이 시스템에서 초기동기획득 시에 병렬 구조의 빔형성기, 병렬 구조의 MF 상관기, 그리고 최대 출력 선택기 등을 이용하여 고속의 초기동기획득을 실현하고, 병렬 MF 상관기 출력 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 채널의 간섭잡음을 측정함으로써 검출확률을 크게 하고 미검출확률과 오경보확률을 작게 함으로써 기지국에서 고속의 초기동기획득을 모색하기 위한 것이다.

도1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 코드분할다중접속 안테나 어레이 시스템에서 빔형성과 간섭잡음추정을 이용한 초기동기획득 방법을 도시한 구성 블록이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 번호의 설명 *

1: 안테나 어레이2: A/D 변환기

3: 병렬구조 빔형성기4: 가중치 벡터 블록

5: 병렬 MF 상관기6: 최대출력 선택기

7: 간섭잡음 추정기8: 임계치 추정기

9: 임계치 비교기

도2는 한 섹터 셀을 R개의 부영역으로 분할한 경우, 배열 안테나에 의해 형성된 동일한 빔폭을 갖는 R개의 안테나빔을 예시한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나 어레이를 이용하여 지향성이 강한 안테나빔을 형성하는 방법은 도2에서 보는 바와 같이 한 섹터에 대하여 동일한 이득의 지향성을 갖는 빔, 즉 부영역 (subregion)들의 수가 결정되면 균등하게 분할된 지향각도에 따라 빔형성 가중치를 계산하고, 상기 각 지향각도별로 계산된 빔형성 가중치들을 병렬 구조의 빔형성기에 입력하여 다수의 안테나빔을 형성하고, 이러한 각각의 안테나빔 신호들을 적분한 병렬구조의 MF 상관기 출력들 중에서 최대값을 갖는 출력에 대하여 추정된 임계치와 비교하는 것을 초기동기획득과정 중에서 탐색모드까지의 과정이 본 발명의 한 특징이고, 병렬 MF 상관기의 출력들중에 최대값을 갖는 출력을 제외한 MF 상관기의 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하여 최적의 임계치를 추정하는 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.

본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도1에서 보는 바와 같이 본 발명의 구성은 배열안테나(1), A/D변환기(2), 병렬구조 빔형성기(3), 가중치 벡터 블록(4), 병렬 MF 상관기(5), 최대출력 선택기(6), 간섭잡음 추정기(7), 임계치 추정기(8), 그리고 임계치 비교기(9) 등으로 기술될 수 있다. 이 중에서 본 발명이 종래의 기술과 구별될 수 있는 것은 병렬구조 빔형성기(3), 병렬 MF 상관기(5), 최대출력 선택기(6), 간섭잡음 추정기(7), 임계치 추정기(8) 등에 대한 기능과 동작이다.

도1에서 본 발명의 주요 제안이 되는 알고리즘에 해당하는 기능블록에 대하여 설명하면, 가중치 벡터 블록(4)의 경우는 도2와 같이 부영역들의 수, 즉 지향성을 갖는 안테나빔들의 수가 결정되면, 초기동기획득을 수행하기 전에 미리 분할된 지향 각도에 의해 R개의 빔들을 형성하기 위한 가중치 벡터 블록들을 계산한다. 따라서, 병렬 구조의 빔형성기(3)에 구성된 가중치 벡터들은 다음식으로 표현할 수 있다.

수학식1:

(1)

여기에서 W_i 는 i번째 안테나빔을 형성하기 위한 가중치 벡터이다. 또한, 도1과 같이 안테나들의 수가 N개이면, 형성될 수 있는 최대 빔들의 수는 N이므로 R은 항상 N보다 같거나 작다.

병렬구조의 MF 상관기(5)는 기존의 PN 정합여파기와 동일한 형태를 가지는데, 일반적으로 MF상관기의 탭수 (적분길이)는 채널환경에 따라 동기획득 성능이 개선되도록 가변적으로 설정할 수 있으며 탐색스텝크기마다 병렬적으로 R개의 빔 신호에 대한 상관출력들을 출력한다. 최대출력 선택기(6)는 탐색스텝크기 (1/2 PN칩)마다 출력되는 상관출력들 중에 최대의 상관출력과 부영역 (빔)의 번호를 선택한다.

간섭잡음 추정기(7)과 임계치 추정기(8)는 최대출력 선택기의 출력과 비교할 임계치를 결정하기 위해 본 발명에서 제안한 블록이다. 단말기의 랜덤접속 시에는 동기획득 과정이 완료된 상태가 아니기 때문에 역방향링크의 파일럿 채널을 이용하여 간섭잡음을 정확히 예측하는 방법을 이용할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는 병렬 MF 상관기 출력들 중에 최대 상관출력만을 제외한 나머지 상관출력들에 의해 다음 식에 의한 간섭잡음을 추정하는 방법을 제안한다.

수학식2:

(2)

여기에서은 n번째 간섭잡음이다. 이렇게 계산된 간섭잡음들은 갑작스런 채널변화의 영향을 없애기 위해 간섭잡음들에 대하여 긴 구간동안 평균을 수행해야 하는데 이에 대한 방법은 1차 IIR 필터를 이용하거나 이동평균 방식(moving-average scheme)을 이용한다. 최종적인 임계치 추정은 임계치 추정기(8)에서 수행되는데 이의 과정은 1차 IIR 필터의 출력에 스케일 요인(scaling factor)을 곱하여 임계치를 측정하게 된다. 여기에서 스케일 요인은 채널환경이 변함에 따라 오경보확률은 일정하고 신호검출확률은 크게 하기 위한 이득인데, 이에 대한 최적의 값은 이론적인 해석과 시뮬레이션에 의해 선정된다.

임계치 비교기(9)에서는 임계치 추정기에서 추정된 임계치와 최대 상관출력과의 크기비교에서 선택된 상관출력이 임계치보다 크면 탐색모드를 통과하여 확인모드에 입력되고, 반대로 상관출력이 임계치보다 작으면 탐색모드를 통과하지 못해 지연 시험코드위상에 대해 탐색스텝크기만큼 시험코드위상을 이동하여 탐색을 계속한다. 이 경우 이미 분할된 지향각도에 의해 계산하여 사용된 빔형성을 위한 가중치 벡터 블록은 갱신하지 않고, 단지 확인모드까지 완료되어 동기추적과정에 입력된 후에 수행되는 다경로 탐색에서 안테나 응답 행렬을 이용한 가중치 벡터 블록들이 갱신된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 안테나 어레이를 이용하는 기지국에서의 초기동기획득 시에 신호대잡음비가 낮은 경우에 고속의 동기획득을 도모할 수 있는 장점을 갖는다. 본 발명은 병렬 구조의 빔형성기, 병렬 구조의 MF 상관기, 최대출력 선택기를 이용하여 다수의 각도 코드위상 (안테나빔 신호)에 대하여 동시에 탐색할 수 있고, 모든 각도 코드위상에 대하여 확인모드를 시행하는 것이 아니라 최대출력에 대해서만 확인모드를 시행하기 때문에 동기획득시간의 단축을 도모하였다. 그리고, 병렬구조의 MF 상관기의 출력들 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하여 초기동기획득 시에 채널변화에 적응하는 임계치 설정을 통하여 제안된 동기획득시스템의 동기획득시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 안테나 어레이의 빔형성을 이용한 초기동기획득 구조에서 병렬구조의 빔형성기, 병렬구조의 MF상관기, 그리고 최대출력 선택기 등의 구조를 갖는 초기동기획득 장치와;

   상기 지향각도별로 계산한 빔형성 가중치 벡터들에 의해 형성된 안테나 빔신호들에 대해 MF 상관기를 이용하여 탐색스텝크기마다 각도 시험코드위상에 대한 상관기 출력들을 동시에 출력하여 최대값을 갖는 출력을 선택한 후 임계치와 비교하여 임계치보다 크면 동기획득 과정의 탐색모드를 통과한 것으로 결정하는 초기동기획득 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 임계치는 채널환경에 따라 적응할 수 있도록 설정해야만, 고속의 동기획득을 수행할 수 있는데, 본 발명에서는 병렬구조의 MF 상관기의 출력들 중에 최대출력을 제외한 나머지 출력들을 이용하여 간섭잡음을 추정하고, 추정된 간섭잡음으로 채널환경의 변화에 적응할 수 있는 임계치를 설정하는 방법.