KR100675489B1

KR100675489B1 - 신호 보정 장치 및 방법을 구현하는 멀티 안테나 통신 시스템

Info

Publication number: KR100675489B1
Application number: KR1020040096106A
Authority: KR
Inventors: 양장훈; 최은선
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2007-01-29
Also published as: US20060111050A1; KR20060057059A

Abstract

본 발명은 멀티(스마트) 안테나를 사용하는 다중반송파(multiple carrier) 통신 시스템에서 비선형 시스템(Non-Linear System)으로 인해 발생한 데이터 신호의 위상과 크기(Phase and Magnitude) 변화를 보정(Calibration)하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 기지국에서, 데이터신호에 데이터 신호 전력보다 낮은 전력레벨을 가지는 기준 신호(Reference signal)를 더해주고 이 기준신호에 대한 응답을 누적(accumulation)하여 비선형 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기 변화를 추정하고 보상함으로써 멀티(스마트) 안테나 통신시스템의 성능을 향상시키기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.

다중 안테나, OFDMA, 멀티 안테나, 위상, 크기, 보정,

Description

신호 보정 장치 및 방법을 구현하는 멀티 안테나 통신 시스템{Smart Antenna Communication System Employing Apparatus And Method For Signal Calibration}

도 1은 종래 기술에 따른 신호 보정 절차를 나타내는 도면.

도 2a 및 도 2b는 각각 멀티안테나 시스템의 송신 및 수신 경로의 신호 보정 경로를 나타내는 블록도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 전송 방법을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기준 신호 전송 방법을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 경로의 신호 보정을 수행하는 장치를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 경로의 신호 보정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 경로의 신호 보정을 수행하는 장치를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 경로 신호 보정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도.

본 발명은 멀티 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 신호의 위상과 크기 변화를 보정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식 통신 시스템에서 멀티 안테나를 사용하는 경우에 비선형 시스템으로 인해 나타나는 신호의 위상과 크기 변화를 보정하기 위한 방법과 장치를 제공함에 있다. 여기에서 멀티 안테나의 구체적인 예로 스마트 안테나를 들어 설명한다.

스마트 안테나 시스템은 특히 이동 통신에 적용되는 적응 안테나 어레이(Adaptive antenna array) 시스템을 일컫는 것으로 최근 주파수 효용성이 한계에 다다르고 이동 통신 시스템의 품질 향상 및 고속 데이터 전송에 적합한 시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 그 관심도가 점점 증가 되고 있다.

스마트 안테나 시스템은 기지국에서 복수개의 안테나 소자를 사용하여 각각의 안테나 소자에서 신호들의 이득 및 위상을 조절하여, 기지국에서 원하는 사용자의 방향으로부터 전파되어오는 신호만을 수신하고 그 이외의 방향에서 전파되어 오는 다중접속 간섭에 의한 잡음 신호 레벨을 크게 감소시키는 시스템이다.

또한, 동일한 기지국내에 있는 모든 무선 단말국은 자신을 서비스하기 위한 신호뿐만 아니라 다른 단말국을 서비스하기 위한 신호에 의해 간섭을 받기 때문에 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 저하되는 단점을 가지고 있지만, 스마트 안테나 기술은 동일한 기지국내에 존재하는 단말국일지라도 단말국의 위치를 능동적으로 파악하여 송수신방향 신호에 방향성을 인가하여 다른 방향에 있는 단말국에 미치는 간섭을 최소화 할 수 있다.

이러한 스마트 안테나 시스템에서 원하는 방향으로 방향성을 인가하는 빔형성(Beamforming)은 기지국 기저대역의 디지털(Digital)신호 형성영역에서 이루어지며 그 빔형성 결과는 무선 환경에 방사되기 직전인 안테나까지 도달하는데 신호의 위상과 크기에 변형 없이 전달되어야 한다. 하지만, 기지국 시스템을 구성하는 요소 중에서 비선형성 특성을 지닌 증폭기(Amplifier), 컨버터(Up/Down Converter), FEU(Front End Unit) 그리고 케이블로 구성되는 비선형시스템에 의해 신호의 위상과 크기에 왜곡을 겪게 된다. 이러한 왜곡을 보정해 주기 위해서 멀티 안테나 기술은 보정 기술을 함께 수행해야 한다. 이 보정 기술의 정확성이 멀티 안테나 기술의 전체적인 성능을 좌우하게 된다. 즉, 신호의 보정을 통해 방향성의 정확도와 위상차 오류(phase mismatch)의 최소화를 이루어 멀티 안테나 기술의 성능을 향상시킬 수 있다. 보정 기술은 기지국에서 단말기로 신호를 보내는 하향링크(down-link)뿐만 아니라 기지국이 단말기로부터 신호를 수신하는 상향링크(up-link)에 대해서도 동일하게 적용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 신호 보정 방법을 나타내는 도면이다. 이 방법은 단말기를 이용하여 보정하는 방법을 설명한다. 상기 단말기를 이용한 보정 방법은 기지국과 단말기가 서로 버스트(burst)를 주고받아 이를 이용하여 상하향링크 채널(signature estimation)을 추정한 후, 이 추정치를 이용하여 송신경로 보정을 하는 것이다. 구체적으로 설명하면, 먼저 기지국은 보정을 하기 위해 일반적으로 근접한 단말기와 통신을 개시한다. 도 1에서 call setup으로 표시된 구간이 기지국과 단말기의 통신 개시과정을 나타낸다. 기지국이 단말기와 통신을 개시한 후 단말기는 기지국에 상향링크 보정 버스트{uplink(UL) calibration burst}를 전송하고, 기지국은 단말기에게 하향링크 보정 버스트{downlink(dl) calibration burst}를 전송하게 된다. 각각의 버스트를 이용하여 기지국과 단말기는 상하향링크의 채널을 추정한다(signature estimation). 단말기는 추정된 채널 정보를 기지국에 전송하고 기지국은 추정된 상향링크 채널 정보와 수신한 채널정보를 이용하여 송신 경로 보정 벡터를 추정하게 된다(calibration results). 이후, 기지국은 단말기와 통신을 종료한다(call termination).

삭제

위에서 설명한 종래 보정 기술을 OFDMA 시스템에 적용할 경우 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 보정을 위한 참조 신호를 할당하기 위하여, 데이터 신호와 별도의 무선자원을 추가로 사용해야 한다.

둘째, 보정이 기지국에서 독립적으로 이루어지지 않고, 단말기를 이용하므로 단말기에서의 계산양이 증가하게 된다.

셋째, 보정을 위해 임의의 단말기를 사용하게 되므로 모든 단말기와 기지국은 보정을 위한 프로토콜(protocol)이 정의가 되어있어야 한다.

넷째, 단말기에서 기지국으로 메시지를 통한 채널 추정정보를 전송하게 되므 로 피드백을 위한 자원이 할당이 되어야 한다. 특히 다중반송파를 사용하는 직교주파수 분할 다중접속(OFDMA) 시스템의 경우 그 정보의 양이 크게 증가한다.

따라서 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파(multiple carrier) 통신 시스템에서 비선형 시스템(Non-Linear System)으로 인해 발생한 데이터 신호의 위상과 크기(Phase and Magnitude) 변화를 보정(Calibration)하기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 멀티 안테나 보정 기술을 적용함에 있어 단말기와 무관하게 기지국에서 독립적으로 보정이 이루어지며, 데이터 신호전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호를 데이터 신호에 더해주고, 그 응답신호를 누적시켜 비선형 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기 변화를 추정 보상하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 데이터 신호의 위상과 크기 변화 추정에 사용되는 기준 신호를 발생하고 상기 기준 신호를 하기 기저대역모듈로 전송하고, 전송된 상기 기준신호가 상기 데이터 신호에 합해져서 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 전송받아 복조하고 복조된 이 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나에 대한 신호의 크기와 위상 변화를 추정하는 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서와 상기 보정프로세서로부터 상기 기준신호를 전송받아 상기 데이터 신호에 합하여 상기 시스템에 전송하고, 상시 보정프로세서로부터 상기 보정벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역모듈로 구성되는 송신데이터 보정장치를 포함하는 멀티(스마트) 안테나를 사용하는 다중반송파 통신 시스템을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 송신 경로 보정 방법은 상기 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기 변화를 추정하기 위한 기준 신호를 발생하는 과정, 상기 기준신호를 상기 데이터 신호에 더해 변조하여 비선형 시스템에 전송하는 과정, 상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 누적하는 과정, 누적된 상기 응답 신호를 복조하는 과정, 복조된 상기 응답 신호를 이용하여 상기 데이터 신호에 대한 보정값을 추정하여 해당 안테나에 대한 상기 데이터 신호 보정 벡터 추정 과정과 상기 추정된 데이터 신호 보정 벡터를 이용하여 상기 데이터 신호를 보정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수신 경로 보정 장치는 기저대역 모듈로부터 추정된 잡음 전력을 이용하여 기준 신호를 발생하여 변조하고 비선형 시스템에 전송하며, 상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나의 데이터 신호의 위상과 크기변화를 추정하여 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서와 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 상기의 잡음 전력을 추정하여 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 시스템을 통과한 상기 기준신호에 대한 상기 응답신호를 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 보정 프로세서로부터 상기 각 안테나의 상기 데이터 신호에 대한 추정된 보정 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역 모듈로 구성되는 수신데이터 보정장치를 포함하는 멀티(스마트) 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수신 경로 보정 방법은 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 추정된 잡음 전력을 이용하여 기준 신호 전력을 결정하는 과정, 결정된 상기 기준 신호 전력으로 기준 신호를 변조하여 시스템에 전송하는 과정, 상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 누적하는 과정, 누적된 상기 응답 신호를 복조하는 과정, 복조된 상기 응답 신호를 이용하여 상기 데이터 신호에 대한 보정값을 추정하는 해당 안테나에 대한 상기 데이터 신호 보정 벡터 추정 과정과 상기 추정된 데이터 신호 보정 벡터를 이용하여 상기 데이터 신호를 보정하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이외에 본 발명의 목적을 달성하기 위해 위의 실시예들의 변형, 구성요소의 추가가 가능하고, 다른 실시예들도 가능하다.

본 발명은 스마트 안테나를 사용하는 다중반송파(multiple carrier) 통신 시스템에서 발생한 (주로 비선형 시스템(Non-Linear System)으로 인해 발생한) 신호의 위상과 크기(Phase and Magnitude) 변화를 보정(Calibration)하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 기지국에서, 기준 신호(Reference signal)를 신호 전력보다 낮게 더해주고 이 응답을 누적(accumulation)하여 비선형 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기 변화를 추정하고 보상함으로써 멀티 안테나 통신시스템의 성능을 향상시키기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.

이하에서 도면을 참조하면서 본 발명에 대해서 구체적으로 기술하고자 한다. 본 발명은 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파(multiple carrier) 통신 시스템에 적용되는 것이며, 이하에서는 이러한 통신시스템의 일예인 직교주파수 분할 다중 접속방식(OFDMA) 시스템을 기준으로 하여 설명한다.

이하에서 데이터신호는 신호 또는 데이터 신호라는 용어로 사용한다.

먼저 멀티 안테나 시스템의 신호보정의 일반에 대해 설명한다. 도 2a 및 도 2b는 멀티안테나 시스템의 송신 및 수신 경로의 신호 보정 경로를 나타내는 블록도이다.

상기 도 2a를 참조하면, 송신 경로 보정의 경우 디지털 신호 처리 영역(채널 카드)의 보정 신호 프로세서(Calibration Signal Processor)(201)에서 발생시킨 보정을 위한 기준 신호는 증폭기, 컨버터 등 RF 소자 및 안테나 케이블 등의 비선형 시스템(Non-Linear System)(202)을 거쳐 RF coupler/combiner(203)에 도달하게 된다. RF coupler/combiner(203)는 전송된 신호를 보정 수신 경로(204)로 전달하게 되며 이 응답을 이용하여 보정 신호 프로세서(201)에서 비선형 시스템(202)으로 인한 신호 위상과 크기 변화를 추정하게 된다. 이러한 송신 경로 보정은 안테나 별로 이루어지게 된다.
도시하지는 않았지만 보정 신호 프로세서(Calibration Signal Processor)(201)와 비선형 시스템(Non-Linear System)(202) 사이에는 기저대역모듈(baseband module)이 존재한다(도 5와 도 7참조).

상기 도 2b를 참조하면, 수신 경로 보정의 경우, 보정 신호 프로세서(Calibration signal processor)(205)에서 발생한 기준 신호가 보정을 위한 송신 경로(206)를 거쳐 RF coupler/splitter(207)에 도달하면, RF coupler/splitter(207)에서는 이 기준신호를 각 안테나 별로 분리하여 수신되는 트래픽(traffic)신호와 더해 수신방향으로 재전송 하게 된다. 재전송된 신호는 비선형 시스템(208)을 거쳐 다시 보정 신호 프로세서(205)에 도달하여 복조과정을 거치게 된다. 이 과정을 통하여 보정 신호가 거쳐 간 각 안테나의 수신 경로상의 위상차 및 크기차를 추정한다. 수신 경로 보정은 한번의 기준 신호 전송을 통해 모든 안테나에 대해서 신호가 보정이 수행된다.
도시하지는 않았지만 보정 신호 프로세서(Calibration Signal Processor)(201)와 비선형 시스템(Non-Linear System)(202) 사이에는 기저대역모듈(baseband module)이 존재한다(도 5와 도 7참조).

다음에는 본 발명에서 제안하는 OFDMA 시스템에서 기준 신호를 전송하는 방법에 대해서 설명한다.

OFDMA 시스템에서는 비선형 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기 변화는 각 부반송파(subcarrier)별로 추정한다. 즉, 기준신호를 모든 대역에 걸쳐 전송하고 그 응답을 이용하여 각 안테나의 보정 벡터를 추정한다. 다만, 전 대역에 한꺼번에 모두 기준 신호를 전송한다면 신호에 영향이 클 수 있기 때문에, 여기에서는 신호에 기준 신호를 낮은 전력으로 더해서 그 응답을 이용하는 방식을 사용한다. 즉, 신호에 영향이 없도록 기준 신호를 신호보다 낮은 전력으로 전송하며, 전 대역을 여러 OFDMA 심볼에 나누어서 전송하도록 한다. 또한, 기준 신호의 전력이 낮기 때문에 신호 대 간섭비(SIR: signal to interference ratio, 이하 'SIR'이라 한다.)값이 낮아지는 문제를 해결하기 위해 기준신호를 일정 심볼 동안 반복하여 전송하여 그 응답을 이용해서 보정 벡터를 추정함으로써 추정 성능을 향상시키도록 한다.

OFDMA 시스템은 여러 개의 반송파(carrier)를 사용하는 다중반송파(multiple carrier) 전송의 일종으로 입력 데이터를 사용 반송파의 수만큼 병렬화하고 데이터를 각 반송파에 실어 전송하는 방식이다. 따라서 사용하는 부반송파(subcarrier) 수(

)만큼 보정을 위한 기준 신호 응답이 필요하게 된다. 즉, 각 안테나에 대해서 전대역의 위상과 크기 변화를 보정해주어야 한다. 그러므로 기준 신호를 전 대역에 대해 전송하여야 한다.

기준 신호는 하기 <수학식 1>을 만족하도록 하나의 OFDMA 심볼 동안

만큼 데이터에 더해서 전송하며, 데이터에 영향이 최소화 되도록 신호보다 x dB 낮은 전력으로 전송한다.

상기 <수학식 1>을 참조하면,

는 하나의 OFDMA 심볼 내에 기준신호를 전송하는 부반송파 수를 의미하며,

는 사용하는 기준신호를 전송하는 전체 부반송파 수를 나타낸다. 즉, 기준 신호를

씩 s심볼 전송하여

를 만족하도록 한다.

또한,

만큼의 기준 신호는 일정한 간격으로 전 대역에서 더해지며 <수학식 1>에서 보는 바와 같이 s심볼 후에는 전 대역의 기준 신호응답을 수신 할 수 있다. 그런데 위에서 설명한 바와 같이 기준 신호 전력은 신호보다 x dB 낮으므로 기준 신호 전력의 SIR을 향상시키기 위해

씩 s심볼 전송하는 과정을 N번 반복하는 과정을 거치게 된다.

이것이 도 3에 나타난 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 신호 전송 방법이다. 이 방법은 다음과 같다. 즉 <수학식 1>을 만족하도록 기준신호를 일정간격으로 s 심볼동안 전송한다. 다음에는 이러한 과정을 N번 반복하는 형태이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기준 신호 전송 방법을 나타내는 도면이다. 이 방법은 다음과 같다. 즉, 기준 신호를 일정 간격으로

부반송파 수만큼 배치하고 이를 N심볼 반복하여 전송한다. N심볼 반복하여 전송한 다음에는 기준신호 위치를 쉬프트(shift)하여 다시 N심볼 반복하여 전송한다. 이러한 과정을 s번 수행한다.

위의 두 가지 기준 신호 전송 방법은 모두 전 대역의 기준신호 응답을 얻기위해서 s × N만큼의 OFDMA 심볼의 시간이 필요하다.

하지만, 보정 동작 시간(calibration operation time)을 줄이기 위해 전 대역에 걸쳐 기준 신호를 전송하지 않고 기준신호를 r번째 부반송파 마다 하나씩 배치하여 전송하였다면 그 응답을 이용하여 인터폴레이션(interpolation)하는 방법을 사용할 수 있다. 이 경우 도 3, 4에서 전 대역을 위해 필요한 <수학식 1>에서 s배 만큼 동작 시간을 줄일 수 있다. 결국 이러한 경우에는 N 만큼의 OFDMA 심볼의 시간이 필요하게 된다. 이후, 송수신 경로 보정 방법에는 기준 신호를 상기 r번째 부반송파마다 전송하여 그 응답을 이용하여 보정 값을 추정하고 인터폴레이션하여 전 대역의 보정값을 추정하는 것으로 한다.

이상, 비선형 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기의 변화를 추정하기 위해 사용하는 기준 신호를 전송하는 방법에 대해서 설명하였다.

다음은 상술한 기준 신호 전송 방법을 이용하여 각 안테나의 비선형 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기 변화를 추정하는 방법에 대해 송신 경로 보정과 수신 경로 보정으로 나누어 설명한다.

먼저, 송신 경로 보정 방법에 대해 설명한다.

송신 경로 보정은 기준 신호를 송신되는 데이터신호에 상술한 기준 신호 전송 방법에 따라 더해주어 전송하게 된다. 하기 <수학식 2>는 송신 경로의 비선형 시스템을 통과한 후의 응답을 나타내고 있다.

상기 <수학식 2>를 참조하면, L은 안테나 수,

는 안테나 q의 k부반송파의 기준신호이며,

는 각 안테나의 데이터 신호이고,

는 수신한 기준 신호 응답이다.

는 비선형 시스템의 위상과 크기의 변화,

는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화를 나타낸다.

상기 <수학식 2>의 기준 신호 응답에서 기준 신호는 송신되는 데이터 신호에 영향이 없도록 x dB 낮게 전송되므로 기준 신호의 SIR(signal to interference ratio)이 작아 추정 성능은 좋지 않게 된다. 그러므로 추정 성능을 향상시키기 위해 위에서 설명한 바와 같이 N 번 반복 전송하게 된다. 하기 <수학식 3>은 N 번 반복 전송 후 누적된 기준 신호 응답을 나타내고 있다.

상기 <수학식 3>으로부터 안테나 q의 k부반송파에 해당하는 송신 경로 비선형 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기 변화를 나타내는

를 추정하면 하기 <수학식 4>와 같이 된다.

상기 <수학식 4>를 참조하면 송신 경로 비선형 시스템의 위상과 크기의 변화의 추정 성능은 누적 심볼 수에 의해 결정되게 된다. 하지만, 누적 심볼 수 N을 증가시키게 되면 추정된 값에서 간섭은 작아지게 되나 보정 동작 시간이 증가하게 되므로 적절한 누적 심볼 수를 결정하여야 한다. 적절한 누적 심볼 수를 결정하기 위해 상기 <수학식 3>의 SIR을 계산하면 하기 <수학식 5>와 같이 표현할 수 있다.

상기 <수학식 5>를 참조하면,

은 기준신호의 전력이고,

는 전송되는 데이터 신호의 전력을 의미한다. 즉, 상기 <수학식 5>에서 추정 성능을 고려하여 목표로 하는 SIR을 얻기 위해서는 누적 심볼 수 N에 의해서 얻어지는 이득

에서 기준 신호와 데이터 신호의 전력비 x dB를 더한 결과를 고려하여 누적 심볼 수 N을 적절히 결정하여야 한다.

상술한 바와 같이 모든 안테나에 해당하는 보정 값을 추정한 후에는 하기<수학식 6>과 같이 표준화를 한 후 빔계수를 보정하게 된다.

상기 <수학식 6>을 참조하면

는 L개의 안테나의 추정 값 중 기준이 되는 값으로 각 안테나 추정치를 표준화(normalization)하여 안테나 l의 k 부반송파의 상대적인 보정값(

)을 얻는다. 빔형성 계수

를 보정값(

)으로 보정하여 보정된 빔계수

를 얻음으로써 원하는 방향으로 빔패턴을 형성할 수 있다.

다음에는 수신경로 보정에 대해 설명한다. 수신 경로 보정 방법은 상술한 송신 경로 보정 방법과 유사하게 수행된다. 다만, 기준 신호 전력의 레벨을 결정하는 과정에 차이가 있다. 또한, 송신 경로의 경우 각 안테나 별로 순차적으로 보정을 수행하지만 수신 경로 보정의 경우는 동시에 모든 안테나에 대해서 보정을 수행 할 수 있다는 점이 차이이다.

OFDMA 시스템에서 기지국의 하향 데이터 전송(기지국에서 단말기로의 데이터 전송)은 최대 전력으로 전송하는 반면, 상향링크 신호(단말기에서 기지국으로 전송되는 신호)는 기지국 스케쥴링(scheduling)에 의해서 데이터 할당이 이루어지므로 매 프레임마다 수신 전력의 차가 크게 변할 수 있다. 그러므로 매 프레임 일정한 신호 전력을 가지는 송신 전력에 대해 x dB 낮게 기준 신호 전력을 결정한 것과 같은 송신경로에서의 기준신호 결정방법을 수신경로에서의 기준신호 결정방법으로 사용할 수 없다. 즉, 하나의 프레임에 대한 수신 전력보다 일정하게 낮은 기준 신호 전력 레벨을 다음 프레임에 적용할 수가 없다.

본 발명에서는 수신 경로 보정을 위한 기준 신호 전력의 결정은 매 프레임마다 거의 변화하지 않는 잡음 전력을 이용한다. 즉, n번째부터 프레임에서 수신 경로 보정이 시작한다면 n-1번째 프레임에서 추정된 잡음 전력 값을 이용하여 기준 신호 전력 레벨을 결정한다.

간단히 전체 프레임 동안 잡음 전력이 일정하다고 가정하면, 안테나 l에서 k부반송파의 수신 응답은 하기 <수학식 7>과 같다.

상기 <수학식 7>을 참조하면,

는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화이고,

는 안테나 l , k 부반송파에서의 수신 신호,

는 k 부반송파에서의 기준 신호를 나타낸다. 상기 <수학식 7>의 과정은 상기 송신 경로 보정과 같이 기준 신호의 SIR을 향상시키기 위해 N심볼 동안 기준신호를 전송하고 그 기준 신호 응답을 누적하며, 상기 기준 신호 응답 신호는 하기 <수학식 8>과 같다.

상기 <수학식 8>으로부터 기준 신호의 SIR을 계산하면 하기 <수학식 9>와 같이 나타낼 수 있다.

상기 <수학식 9>를 참조하면,

과

는 각각 기준 신호의 전력과 수신 신호의 전력을 의미한다. 이 때,

은 상술한 바와 같이 잡음 전력을 기준으로

(

)은 수신 경로 보정 이전 프레임에서 추정한 잡음 전력)로 하여 데이터신호에 영향이 없도록 결정하며, 추정 성능을 높이기 위해 목표 SIR이 되도록 누적 구간 N을 결정 한다. 이하에서 SIR과 CINR은 동일한 물리적 의미를 가지며, 혼용하여 사용한다.

OFDMA 시스템에서 기지국이 단말기로 스케쥴링을 통해 데이터 버스트를 할당하게 되면, 데이터의 전송속도가 정해진다. 상기 데이터 전송속도에는 적당한 목표 CINR(Carrier to Interference plus Noise Ratio) 값이 존재한다. 전력제어가 정상적으로 이루어지면, 단말기로부터의 신호는 상기 목표 CINR으로 기지국에 수신되므로, 이 정보를 이용하여 <수학식 9>에서 누적구간을 결정할 수 있다. 즉, 기지국은 동작 CINR(operating CINR)을 알고 있으므로 기준 신호에 가장 영향을 많이 주는 MCS(Modulation and coding scheme)의 동작 CINR을 기준으로 누적 구간 N을 결정하여 기준 신호의 SIR을 향상시킬 수 있다.

상기 <수학식 10>을 참조하면,

는 기준 신호에 가장 영향을 주는 MCS 레벨의 동작 CINR을 의미하며, 이 값을 가장 안 좋은 경우로 가정하고, 위상과 크기의 변화량의 추정 성능을 위해 목표 SIR이 만족하도록 누적 구간 N을 결정할 수 있다.

각 안테나의 수신 경로 비선형 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기의 변화는 하기 <수학식 11>과 같이 추정할 수 있다.

상술한 바와 같이 수신 경로 보정을 위해서는 수신 경로 보정 시작 이전 프레임에서 추정한 잡음 레벨에 비해 x dB 낮게 기준 신호 전력을 결정하여 전송하고, 기지국에서 수신 신호의 CINR을 알고 있으므로 이를 바탕으로 목표 SIR이 되도록 누적구간 N을 결정함으로써 각 안테나의 크기와 위상의 변화를 추정 할 수 있다. 하지만, 잡음 전력의 변화가 프레임마다 약간의 차이가 발생할 수 있으므로 누적 구간에 일정한 여지(margin)을 줄 필요가 있다. 상술한 바와 같이 모든 안테나에 해당하는 보정 값을 추정한 후에는 <수학식 6>과 같이 표준화를 한 후 빔계수를 보정하게 된다.

이하 도 5 내지 도 8을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른 송신 경로 및 수신 경로에 적용되는 멀티 안테나 보정 장치 및 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 경로의 신호 보정을 수행하는 장치를 나타내는 도면이다. 상기 도 5를 참조하면, 송신 데이터 보정장치는 데이터 신호의 위상과 크기 변화 추정에 사용되는 기준 신호를 발생하고 상기 기준 신호를 하기 기저대역모듈로 전송하고, 전송된 상기 기준신호가 상기 데이터 신호에 합해져서 비선형 시스템(507)을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 보정수신경 로(509)를 거쳐 전송받아 복조하고 복조된 이 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나에 대한 신호의 크기와 위상 변화를 추정하는 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서(501)와 상기 보정프로세서로부터 상기 기준신호를 전송받아 상기 데이터 신호에 합하여 상기 비선형시스템에 전송하고, 상시 보정프로세서로부터 상기 보정벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역모듈(504)로 구성된다. 여기에서 보정 프로세서(501)는 데이터 신호의 위상과 크기 변화 추정에 사용되는 기준 신호를 발생하여 상기 기저대역 모듈로 전송하는 기준 신호 생성부(502), 상기 비선형 시스템을 통과한 기준 신호 응답을 전송받아 복조하는 복조부(510), 상기 복조부로부터 복조한 상기 기준신호응답과 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나를 통하여 전송되는 상기 데이터 신호의 크기와 위상 변화를 추정하는 보정 벡터 계산부(511)를 포함한다. 또한, 기저대역 모듈(504)은 상기 보정프로세서(501)로부터 상기 기준신호를 전송받아 상기 데이터 신호에 합하여 OFDMA 변조부(506)를 경유하여 상기 비선형시스템(507)에 전송하는 기준 신호 주입부(505), 보정 프로세서로부터 상기 보정된 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하는 빔계수 보정부(515)와 빔계수 보정부로부터 보정된 빔계수를 전달받아 빔을 형성하여 상기 기준신호 주입부를 경유하여 상기 변조부로 전송하는 빔형성부(516)를 포함한다. 이외에 빔계수를 계산하는 빔계수 계산부(Weight calculation: 514)가 포함된다.

coupler/combiner(508)는 보정을 위해 보정 기준 신호 응답을 보정 수신 경로(509)로 전달한다

먼저, 보정 프로세서(501)의 기준 신호 생성기(Reference signal generator: 502)에서 생성된 해당 안테나의 기준 신호가 기저대역 모듈(504)의 기준 신호 주입부(Add. Reference signal: 505)로 전송되면(503), 기준 신호 주입부(505)에서는 해당 안테나의 데이터 신호에 기준 신호를 더한다. 기준신호가 더해진 데이터 신호는 OFDMA 변조부(506)를 거치고, 각 안테나의 비선형 시스템(507)을 통과하여 coupler/combiner를 통해 보정 수신 경로(509)로 전달되어 보정 프로세서(501)의 보정 벡터 계산부(Calibration vector calculator: 511)에서는 상기 <수학식 3>, <수학식 4>의 과정을 통해 해당 안테나의 보정값을 추정하게 된다. 이와 같은 과정을 모든 안테나에 대해서 수행한 후 추정한 보정 벡터는 <수학식 6>과 같이 표준화를 거친 후 빔계수 보정부(Weight vector calibration:515)로 전송(512)하여 각 안테나의 빔계수를 보정하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 경로의 신호 보정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 각 안테나의 비선형 시스템의 위상과 크기의 변화를 추정하기 위해서 기준 신호를 생성하여 전송한다(605). 전송된 기준 신호는 상술한 바와 같이 기준 신호의 SIR을 향상시키기위해 기준신호에 대한 응답신호를 누적(606)하게 된다. 이러한 누적과정은 도 5의 보정 벡터 계산부(511)에서 이루어진다. 누적된 기준 신호 응답을 이용하여 보정값을 추정하고 추정된 값을 인터폴레이션하여 해당 안테나의 전대역 보정 벡터를 추정한다(608). 이 과정을 모든 안테나에 대해서 수행한 후(603) 각 안테나의 보정 벡터를 표준화 한 후(610) 각 안테나의 빔계수를 보정(611)하게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 경로의 신호 보정을 수행하는 장치를 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 수신경로 보정장치는 기저대역 모듈(708)로부터 추정된 잡음 전력을 이용하여 기준 신호를 발생하여 변조하고 비선형 시스템(707)에 전송하며, 상기 비선형 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나의 데이터 신호의 위상과 크기변화를 추정하여 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서(701)와, 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 상기의 잡음 전력을 추정하여 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 비선형 시스템을 통과한 상기 기준신호에 대한 상기 응답신호를 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 보정 프로세서로부터 상기 각 안테나의 상기 데이터 신호에 대한 추정된 보정 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역 모듈(708)로 구성된다. 상기 보정 프로세서는 기저대역 모듈로부터 추정된 잡음 전력을 이용하여 기준 신호를 발생하는 기준 신호 발생부(703), 기준신호를 변조하여 비선형 시스템에 전송하는 OFDMA 변조부(704), 비선형 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나의 데이터 신호의 위상과 크기변화를 추정하여 보정벡터를 계산하는 보정벡터 계산부(712)를 포함한다. 기저대역 모듈은 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 잡음 전력을 추정하여 상기 보정 프로세서에 전송하는 잡음 전력 추정부(710), 보정 프로세서로부터 상기 보정된 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하는 빔계수 보정부(715), 빔계수 보정부로부터 보정된 빔계수를 전달받아 빔을 형성하는 빔형성부(Beamformer, 716)를 포함한다. 이외에 빔계수 계산부(Weight calculation: 714)와 OFDMA 복조부 (OFDMA DeModulation: 709)를 포함한다.

coupler/splitter(706)는 보정을 위한 기준 신호를 각 안테나의 비선형시스템(707)으로 전송한다.

먼저, 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 잡음전력을 잡음 추정부(710)에서 추정하고, 추정한 잡음 전력 정보를 기준 신호 발생부(703)에 전송하면(702), 기준 신호 생성부에서는 수신된 잡음 전력을 바탕으로 기준 신호 전력을 결정하여 OFDMA 변조(704)를 거쳐 보정 송신 경로(705)를 통해 coupler/splitter (706)에 전송하게 된다. Coupler/splitter(706)에서는 기준 신호를 각 안테나의 비선형 시스템(707)을 통해 기저대역 모듈(708)에 수신되게 한다. 수신된 신호는 OFDMA 복조기(709)를 거쳐 보정을 위해 보정 벡터 계산부(712)로 전송하게 된다(711). 이 과정은 <수학식 7>에서 <수학식 11>까지와 같이 수행되어 보정 벡터를 추정하게 된다. 모든 안테나에 대해서 추정된 보정 벡터는 <수학식 6>과 같이 표준화를 거친후 빔계수 보정부(715)로 전송(713)하여 각 안테나의 빔계수 보정이 이루어지게 된다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신 경로 신호 보정을 수행하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 먼저, 수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 잡음 전력(802)을 통해 기준 신호 전력을 결정하고(803), 기준 신호를 생성하여 전송한다(805). 전송된 기준 신호에 대한 응답신호를 누적하여(806){이 누적과정은 보정벡터계산부(712)에서 이루어짐}, 누적된 신호를 이용하여 보정값을 추정하고 추정값으로 인터폴레이션을 통해 해당안테나의 전대역 보정 벡터를 추정 (808)하게 된다. 이와 같은 과정을 모든 안테나에 대해서 추정이 이루어지면, 표준화를 거쳐 각 안테나의 빔계수에 보정을 하게 된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 OFDMA 시스템에서 단말에 독립적으로 기지국에서 보정이 이루어지며, 보정만을 위해 자원을 사용하지 않고 안테나 보정 기술을 적용함으로써 효율적인 자원활용이 이루어지며, 그 결과 스마트 안테나 기술의 송수신 성능을 향상 시킬 수 있다.

Claims

멀티 안테나 통신 시스템에 있어서,

데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호를 발생하여 기저대역모듈로 전송하고, 전송된 상기 기준신호가 상기 데이터 신호에 합해져서 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 전송받아 복조하고 복조된 상기 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나에 대한 신호의 크기와 위상 변화를 추정하는 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서와;

상기 보정프로세서로부터 상기 기준신호를 전송받아 상기 데이터 신호에 합하여 상기 시스템에 전송하고, 상시 보정프로세서로부터 상기 보정벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역모듈을 포함하는 멀티 안테나 통신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 보정 프로세서는

상기 데이터 신호의 위상과 크기 변화 추정에 사용되는 상기 데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호를 발생하여 상기 기저대역 모듈로 전송하는 기준 신호 생성부와;

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호 응답을 전송받아 복조하는 복조부와;

상기 복조부로부터 복조한 상기 기준신호응답과 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나를 통하여 전송되는 상기 데이터 신호의 크기와 위상 변화를 추정하는 보정 벡터 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 안테나 통신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 기저대역 모듈은 상기 보정프로세서로부터 상기 기준신호를 전송받아 상기 데이터 신호에 합하여 변조부를 경유하여 상기 시스템에 전송하는 기준 신호 주입부;

상기 보정 프로세서로부터 상기 보정된 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하는 빔계수 보정부; 및

상기 빔계수 보정부로부터 보정된 빔계수를 전달받아 빔을 형성하여 상기 기준신호 주입부를 경유하여 상기 변조부로 전송하는 빔형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 안테나 통신 시스템.
시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기 변화를 추정하기 위한 상기 데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호를 발생하는 과정;

상기 기준신호를 상기 데이터 신호에 더해 변조하여 비선형 시스템에 전송하는 과정;

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 복조하는 과정;

상기 복조된 응답신호를 누적하는 과정;

복조된 상기 응답 신호를 이용하여 상기 데이터 신호에 대한 보정값을 추정하여 해당 안테나에 대한 상기 데이터 신호 보정 벡터 추정 과정과;

상기 추정된 데이터 신호 보정 벡터를 이용하여 상기 데이터 신호를 보정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 송신 데이터 보정방법.
제4항에 있어서,

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호는 하기의 <수학식 12>로 계산됨을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 송신 데이터 보정방법.

는 수신한 기준 신호 응답, L은 안테나 수,
는 안테나 q의 k부반송파의 기준신호,
는 각 안테나의 데이터 신호,
는 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기의 변화,
는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화.
제4항에 있어서,

상기 응답신호의 누적과정은 하기의 <수학식 13>으로 계산됨을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 송신 데이터 보정방법.

N번 반복하여 전송된 경우.

여기서
는 수신한 기준 신호 응답, L은 안테나 수,
는 안테나 q의 k부반송파의 기준신호,
는 각 안테나의 데이터 신호,
는 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기의 변화,
는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화.
제4항에 있어서,

복조된 상기 응답 신호를 이용하여 상기 데이터 신호에 대한 보정값을 추정하여 해당 안테나에 대한 상기 데이터 신호 보정 벡터 추정 과정은 하기의 <수학식 14>로 계산됨을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 송신 데이터 보정방법.

는 송신 경로 시스템으로 인한 신호의 위상과 크기 변화.

N번 반복하여 전송된 경우이며, 여기서
는 수신한 기준 신호 응답, L은 안테나 수,
는 안테나 q의 k부반송파의 기준신호,
는 각 안테나의 데이터 신호,
는 시스템으로 인한 데이터 신호의 위상과 크기의 변화,
는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화.
멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템에 있어서,

기저대역 모듈로부터 추정된 잡음 전력을 이용하여 데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호를 발생하고 변조하여 시스템에 전송하며, 상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나의 데이터 신호의 위상과 크기변화를 추정하여 보정벡터를 계산하는 보정 프로세서와;

수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 상기의 잡음 전력을 추정하여 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 비선형 시스템을 통과한 상기 기준신호에 대한 상기 응답신호를 상기 보정 프로세서에 전송하고, 상기 보정 프로세서로부터 상기 각 안테나의 상기 데이터 신호에 대한 추정된 보정 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하여 빔을 형성하는 상기 기저대역 모듈을 포함하는 멀티 안테나 통신시스템.
제8항에 있어서,

상기 보정 프로세서는 ,

상기 기저대역 모듈로부터 추정된 잡음 전력을 이용하여 데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 상기 기준 신호를 발생하는 기준 신호 발생부;

상기 기준신호를 변조하여 시스템에 전송하는 변조부; 및

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호와 상기 기준 신호를 이용하여 각 안테나의 데이터 신호의 위상과 크기변화를 추정하여 보정벡터를 계산하는 보정벡터 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 안테나 통신장치.
제8항에 있어서,

상기 기저대역 모듈은

수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 잡음 전력을 추정하여 상기 보정 프로세서에 전송하는 잡음 전력 추정부;

상기 보정 프로세서로부터 상기 보정된 벡터를 전송받아 빔계수를 보정하는 빔계수 보정부; 및

상기 빔계수 보정부로부터 보정된 빔계수를 전달받아 빔을 형성하는 빔형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 안테나 통신 시스템.
수신 경로 보정 시작 프레임 이전 프레임의 추정된 잡음 전력을 이용하여 데이터 신호 전력보다 낮은 전력을 가지는 기준 신호 전력을 결정하는 과정;

결정된 상기 기준 신호 전력으로 기준 신호를 변조하여 시스템에 전송하는 과정;

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호를 누적하는 과정;

누적된 상기 응답 신호를 복조하는 과정;

복조된 상기 응답 신호를 이용하여 상기 데이터 신호에 대한 보정값을 추정하는 해당 안테나에 대한 상기 데이터 신호 보정 벡터 추정 과정과;

상기 추정된 데이터 신호 보정 벡터를 이용하여 상기 데이터 신호를 보정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 수신 데이터 보정방법.
제11항에 있어서,

상기 비선형 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호는 하기의 <수학식 15>로 계산됨을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 수신 데이터 보정방법.

는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화,
는 안테나 l , k 부반송파에서의 수신 신호,
는 k 부반송파에서의 기준 신호.
제11항에 있어서,

상기 시스템을 통과한 상기 기준 신호에 대한 응답신호의 누적은 하기의 <수학식 16>으로 계산됨을 특징으로 하는 멀티 안테나를 사용하는 다중반송파 통신시스템의 수신 데이터 보정방법.

N번 반복 전송한 경우.

는 안테나 l , k 부반송파에서의 위상과 크기의 변화,
는 안테나 l , k 부반송파에서의 수신 신호,
는 k 부반송파에서의 기준 신호.