KR100671869B1 - 시분할 듀플렉스 통신 시스템에서의 채널 추정 - Google Patents

Abstract

단일 송신기는 시분할 듀플렉스 통신 시스템의 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K 개의 통신 버스트를 전송한다. 그 시스템은 N 개의 미드앰블 시퀀스와 연관된다. 각각의 버스트는 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖는다. 수신기는 K 개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신한다. 기지의 N 개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N 개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬이 구성된다. 송신기과 수신기 간의 무선 채널이 N 개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 추정된다.

미드앰블 시퀀스, 버스트, 벡터, 행렬

Description

시분할 듀플렉스 통신 시스템에서의 채널 추정{CHANNEL ESTIMATION FOR TIME DIVISION DUPLEX COMMUNICATION SYSTEMS}

도 1 은 무선 통신 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2 는 통신 버스트를 나타내는 도면이다.

도 3 은 간략화한 멀티버스트 송신기와 수신기이다.

도 4 는 멀티버스트 채널 추정의 흐름도이다.

본 출원은 2000년 1월 7일에 출원한 미국 가특허출원 제60/175,167호의 우선권의 이익을 향유한다.

본 발명은 통상적으로 무선 통신 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 무선 통신 시스템에서의 채널 추정에 관한 것이다.

도 1 은 무선 통신 시스템 (10) 을 나타내고 있다. 이 통신 시스템 (10) 은 사용자 장치 (UE; 14₁ 내지 14₃) 와 통신하는 기지국 (12₁ 내지 12₅) 을 갖추고 있다. 각각의 기지국 (12₁) 은 그 동작 지역에서 UE (14₁ 내지 14₃) 와 통신하 는 연관된 동작 지역을 갖는다.

코드 분할 다중 접속 (CDMA), 및 코드 분할 다중 접속을 이용한 시분할 듀플렉스 (TDD/CDMA) 시스템과 같은 일부 통신 시스템에서, 다중 통신은 동일한 주파수 스펙트럼을 통해 전달된다. 이들 통신은 그들의 칩 코드 시퀀스에 의해 통상 구분된다. 주파수 스펙트럼을 더욱 효율적으로 사용하기 위하여, TDD/CDMA 통신 시스템은 통신용 타임 슬롯으로 분리된 반복성 프레임을 사용한다. 상기 시스템에 전송된 통신은 통신 대역폭에 기초하여 하나 또는 다수의 연관된 칩 코드와 시스템에 할당된 타임 슬롯을 가질 것이다.

다중 통신이 동일한 주파수 스펙트럼으로 동시에 전송될 수 있으므로, 상기 시스템의 수신기는 다중 통신간을 구별해야만 한다. 이러한 신호를 검출하기 위한 하나의 방법이 단독 사용자 검출 (single user detection) 방법이다. 단독 사용자 검출 방법에 있어서, 수신기는 원하는 송신기에 관련된 코드를 이용하여 원하는 송신기로부터의 통신만을 검출하고, 다른 송신기의 신호를 간섭 신호로서 처리한다. 다른 방법은 조인트 검출 방법이라고 불린다. 조인트 검출 방법에 있어서, 다중 통신이 동시에 검출된다.

이들 검출 기술을 이용하기 위해서는, 각각의 통신이 전송되는 무선 채널을 추정하는 것이 바람직하다. 통상의 TDD 시스템에 있어서, 채널 추정은 통신 버스트의 미드앰블 시퀀스 (midamble sequence) 를 이용하여 수행된다.

통상의 통신 버스트 (16) 는 도 2 에 도시된 바와 같이, 미드앰블 (20) 과, 보호 구간 (guard period; 18) 및 2 개의 데이터 버스트 (22, 24) 를 갖는다. 미드앰블 (20) 은 2개의 데이터 버스트 (22, 24) 를 분리하고 보호 구간 (18) 은 통신 버스트 (16) 를 분리하여 상이한 송신기로부터 전송된 버스트들 (16) 의 도달 시간의 차이를 허용한다. 2 개의 데이터 버스트 (22, 24) 는 통신 버스트의 데이터를 포함한다. 미드앰블 (20) 은 채널 추정에 사용되는 트레이닝 시퀀스 (training sequence) 를 포함한다.

수신기가 통신 버스트 (16) 를 수신한 후에, 수신기는 수신된 미드앰블 시퀀스를 이용하여 채널을 추정한다. 수신기가 타임 슬롯으로 다수의 버스트 (16) 를 수신할 때, 수신기는 통상 각각의 버스트 (16) 에 대해 채널을 추정한다. 다수 채널을 통해 전송된 통신 버스트 (16) 에 대한 상기 채널 추정을 위한 한 방법이 스테이너 채널 추정기 (Steiner Channel Estimator) 이다. 스테이너 채널 추정은 다중 UE (14₁ 내지 14₃) 로부터의 업링크 통신에 통상 사용되며, 채널 추정기는 다수 채널을 추정하는데 필요하다.

스테이너 (Steiner) 와 정 (Jung) 에 의한 " Optimum and Suboptimum Channel Estimation for the Uplink of CDMA Mobile Radio Systems with Join and Detection" 에서는 채널 추정 접근 방법이 개시되어 있다. 일 접근 방법에서는 단일 사이클의 상관기를 이용한다. 기지의 전송된 미드앰블 시퀀스를 이용하여, 행렬 M 을 구성한다. 수신된 미드앰블 벡터 e 가 M 의 첫번째 열에 곱해진다. 곱셈은 P값들에 대한 사이클 상관기에 의하여, 그리고 2P-1 x P값을 시프팅함으로써 수행된다. P는 미드앰블 코드의 주기이다.

일부 상황에서, 다수의 버스트 (16) 는 동일한 무선 채널을 경험한다. 그 중 한 경우가 2 Mbps 서비스와 같은 고속 데이터 서비스이다. 이러한 시스템에서, 송신기는 단일 타임 슬롯으로 다수의 버스트를 전송할 것이다. 모든 버스트 (16) 로부터의 추정된 채널 응답을 평균화함으로써 스테이너 추정법이 상기 경우에 적용될 수 있다. 그러나, 이 방법은 매우 복잡하다. 따라서 채널을 추정하기 위한 대안의 방법이 필요하다.

단일 송신기는 시분할 듀플렉스 통신 시스템의 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K 개의 통신 버스트를 전송한다. 그 시스템은 N 개의 미드앰블 시퀀스와 연관된다. 각각의 버스트는 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖는다. 수신기는 K 개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신한다. 기지의 N 개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N 개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬이 구성된다. 송신기와 수신기 간의 무선 채널은 N 개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 추정된다.

도 3 은 TDD/CDMA 통신 시스템에서 간략화한 멀티코드 송신기 (26) 와 수신기 (28) 를 나타낸다. 수신기 (28) 와 송신기 (26) 가 다른 응용 분야에 이용될 수도 있지만, 2 Mbps 다운링크 서비스와 같은 양호한 응용 분야에서, 수신기 (28) 는 UE (14₁) 내에 있고 송신기 (26) 는 기지국 (12₁) 내에 있다.

송신기 (26) 는 무선 라디오 채널 (30) 을 통해 데이터를 보낸다. 데이터는 K 개의 통신 버스트로 전송된다. 송신기 (26) 의 데이터 생성기 (32₁ 내지 32_K) 는 수신기 (28) 에 통신될 데이터를 생성한다. 변조/확산 및 트레이닝 시퀀스 삽입 장치 (34₁ 내지 34_K) 는 데이터를 확산하고, 데이터를 확산시키기 위한 적절하게 할당된 타임 슬롯과 코드로 미드앰블 트레이닝 시퀀스와 시간-다중화된 확산 레퍼런스 데이터를 만듦으로써, K 개의 통신 버스트를 생성한다. 다운링크 버스트를 전송하는 기지국 (12₁) 에 대한 통상의 K 값은 1 내지 16 이다. 통신 버스트는 결합기 (46) 에 의해 결합되고 변조기 (36) 에 의해 라디오 주파수 (RF) 로 변조된다. 안테나 (38) 는 무선 라디오 채널 (30) 을 통해 RF 신호를 수신기 (28) 의 안테나 (40) 로 방사시킨다. 전송된 통신에 사용되는 변조 방식은 2 진 위상 시프트 키잉 (BPSK) 이나 4진 위상 시프트 키잉 (QPSK) 과 같은 당업계에 잘 알려진 임의의 기술들 중 임의의 하나일 수 있다.

수신기 (28) 의 안테나 (40) 는 다양한 라디오 주파수 신호를 수신한다. 수신된 신호는 복조기 (42) 에 의해 복조되어 기저대역 신호가 형성된다. 기저대역 신호는 채널 추정 장치 (44) 와 데이터 검출 장치 (46) 등에 의해, 전송된 통신 버스트에 할당된 적절한 코드와 타임 슬롯으로 처리된다. 데이터 검출 장치 (46) 는 복수 사용자 검출기 또는 단독 사용자 검출기일 수 있다. 채널 추정 장치 (44) 는 기저대역 신호의 미드앰블 트레이닝 시퀀스 성분을 이용하여 채널 임펄스 응답과 같은 채널 정보를 제공한다. 데이터 검출 장치 (46) 는 채널 정보를 이용하여 수신된 통신 버스트의 전송된 데이터를 하드 심볼로서 추정한다.

멀티버스트 채널 추정의 구현을 설명하기 위하여, 다음의 미드앰블 형식을 사용하지만, 다른 미드앰블 형식에도 멀티버스트 채널 추정이 적용 가능하다. K 개의 미드앰블 코드,

(k=1, …,K) 는 주기 P 칩의 주기적 단일 기본 미드앰블 코드의 시간 시프트된 버전,

로서 도출된다. 각각의 미드앰블 코드의 길이는 L_m = P + W - 1 이다. W 는 사용자 채널 임펄스 응답의 길이이다. L_m 에 대한 통상의 값은 256 및 512 칩이다. W 는 사용자 채널 임펄스 응답의 길이이다. 다음의 설명이 상이한 미드앰블 코드를 갖는 각각의 버스트를 기초로 하지만, 일부 미드앰블은 동일한 코드를 가질 수 있다. 결과적으로, 분석은 N(N<K) 개의 미드앰블 코드를 기반으로 한다. 덧붙여 설명하면, 시스템은 최대 갯수의 수신 가능한 미드 앰블 코드, N 개를 가질 수도 있다. 상기 시스템에서 수신기 (28) 는 N 개 코드보다 적은 수가 전송될지라도, 최대 갯수 N 개의 코드에 대한 채널을 추정할 수도 있다.

의 요소는 정수 집합 {1, -1} 에서 값을 취한다. 시퀀스

는 먼저 복소수 시퀀스

(i=1,…,P) 로 변환된다.

는

의 2개의 주기를 연결하여 형성한 2P 길이의 시퀀스 (2P long sequence) 로부터 길이 L_m 의 K 개의 서브 시퀀스를 추출하여 구한다.

의 i 번째 요소는 수학식 1 에 의해

에 관련된다.

그러므로,

의 시작점은 k가 1 내지 K 로 증가함에 따라 W 칩만큼 우측으로 시프트된다.

결합된 수신 미드앰블 시퀀스는 K 개의 컨벌루션의 중첩이다. k 번째 컨벌루션은

과

의 컨벌루션을 나타낸다.

는 k 번째 사용자의 채널 응답이다. 버스트에서 선행 데이터 필드는 수신된 미드앰블의 첫번째 (W-1) 칩을 왜곡시킨다. 그러므로, 채널 추정을 위하여, L_m 칩의 마지막 P 만 채널을 추정하는데 사용된다.

멀티버스트 채널 추정은 도 4 의 흐름도와 함께 설명될 것이다. 개별 채널 응답

을 구하기 위해, 수학식 2 가 이용된다.

r_W …r_LM 은 미드앰블 시퀀스의 수신된 결합 칩이다. m 값은

의 요소이다.

수학식 2 는 또한 수학식 3 과 같이 약기 (略記) 로 다시 작성될 수 있다.

각각의 M^(k) 은 KW 행 - W 열 행렬이다.

은 수신된 미드앰블 칩 응답이다. 모든 버스트가 동일한 채널을 통해 전송될 때,

은 수학식 4 와 같이,

에 의해 대체될 수 있다 (50).

G 는 수학식 5 에 따라서 정의된다.

결과적으로, G 는 KW 행 - KW 열 행렬이다. G 는 우순환 행렬 (right ciculant matrix) 이므로, 수학식 4 는 K 개의 상등 우순환 행렬 블록 B 를 이용하여 수학식 6 과 같이 다시 쓸 수 있다 (52) .

B 는 W 행 - W 열의 우순환 행렬이다. B 블록의 수는 K 이다. 수학식 6 을 이용하여, 수학식 4 는 수학식 7 과 같이 다시 쓸 수 있다.

수학식 7 은 차원 KW 행 - W 열로 된 과결정된 (over-determined) 시스템을 나타낸다. 수학식 7 을 풀기 위한 접근 방법이 최소 제곱 해법이다 (54). 수학식 7 의 최소 제곱 해법은 수학식 8 에 의해 주어진다.

D^H 는 에르미트 D 이다.

수학식 6 을 수학식 8 에 적용하면 수학식 9 가 된다.

차원 KW 의 수신된 벡터

는 수학식 10 과 같이 분해될 수 있다.

의 차원은 W 이다. 수학식 9 와 수학식 10 을 수학식 8 에 대입하면, 수학식 11 과 같이 채널 계수의 최소 제곱 해법이 도출된다.

는

의 세그먼트들의 평균이다. B 가 정사각 행렬이므로, 수학식 11 은 수학식 12 가 된다.

B 가 우순환 행렬이고, 우순환 행렬의 역행렬 역시 우순환 행렬이므로, 채널 추정기는 차원 57 의 단일 사이클 상관기에 의해 구현되거나, 이산 푸리에 변환 (DFT) 해법에 의해 구현될 수 있다.

W 포인트 DFT 방법은 다음과 같다. B 가 우순환 행렬이므로, 수학식 13 이 이용될 수 있다.

D_W 는 수학식 14 에 따른 W 포인트 DFT 행렬이다.

수학식 15 와 같이,

는 주 대각선이 B 의 첫번째 열의 DFT 인 대각 행렬이다.

. 그러므로, D_W 는 D_W x 가 벡터 x 의 W 포인트 DFT 를 나타내기 위한 DFT 연산자이다. 수학식 13 을 수학식 12 에 대입하고

를 이용함으로써 수학식 16 이 도출된다.

는 D_W 의 요소별(element-by-element) 복소 공액이다.

이와는 달리,

를 대신하여,

의 식으로

를 표시하는 등가식을 유도할 수 있다.

은 수학식 17 에서와 같이 주 대각선이 B 의 첫번째 행의 DFT 인 대각 행렬이다.

B, B^T 의 이항 또한 우순환 행렬이고 그 첫번째 열이 B, B^T 의 첫번째 행이기 때문에, 수학식 18 과 같이 표현될 수 있다.

수학식 18 과

를 이용하여, 임의의 가역 행렬 A,

에 대하여, B 는 수학식 19 와 같이 표현될 수 있다.

수학식 19 를 수학식 12 에 대입하면,

은 수학식 20 이 된다.

수학식 16 또는 수학식 20 이

를 푸는데 이용될 수 있다. 모든 DFT 는 길이가 W 이기 때문에, 수학식을 푸는데 있어 복잡성이 상당히 감소된다.

단일 사이클 상관기를 이용한 방법은 다음과 같다. B^-1 이 우순환 행렬의 역행렬이므로, 이것은 수학식 21 과 같이 다시 쓸 수 있다.

행렬 T 의 첫번째 행은

의 주 대각선의 역 DFT 와 동일하다. 그러므로, 행렬 T 는

에 의해 완전하게 결정된다.

채널 응답

의 탭 (tap)이 T 의 순차 행과 수신된 벡터

의 W 길이 세그먼트의 평균과의 내적에 의해 순차적으로 얻어진다. T 의 순차 행은 이전 행의 순환적으로 우측으로 시프트된 버전이다. 내적을 생성하기 위하여 레지스터를 이용할 때, 제 1 레지스터는

의 평균화된 세그먼트를 유지하고, 제 2 레지스터는 행렬 T 의 제 1 행을 유지하는 시프트 레지스터이다. 제 2 레지스터는 특정 클록 속도에서 순환적으로 시프트된다. 클록의 각각의 사이클에서, 새로운 요소

는 2 개의 레지스터에 저장된 벡터의 내적에 의해 결정된다. 수신된 미드앰블보다 행렬 T 의 첫번째 행을 시프트하는 것이 더 유리하다. 결과적으로, 미드앰블을 위한 추가 저장 장치가 필요없다. 미드앰블은 전체 버스트를 보유하는 수납된 버퍼에 계속 상주한다. 상관기 길이가 단지 W 이므로, 채널 추정 복잡성이 확실하게 감소된다.

단일 송신기는 시분할 듀플렉스 통신 시스템의 타임 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K 개의 통신 버스트를 전송한다. 그 시스템은 N 개의 미드앰블 시퀀스와 연관된다. 각각의 버스트는 연관된 미드앰블 시퀀스를 갖는다. 수신기는 K 개의 통신 버스트의 전송된 미드앰블 시퀀스에 대응하는 벡터를 수신한다. 기지의 N 개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초해서 N 개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖 는 행렬이 구성된다. 송신기과 수신기 간의 무선 채널이 N 개의 블록 중 하나와 수신된 벡터에 부분적으로 기초해서 추정된다. 따라서, 채널 추정의 복잡성이 감소될 수 있게 된다.

Claims (6)

1. N 개의 미드앰블 시퀀스들과 연관된 코드 분할 다중 접속 포맷으로 통신하고, 시간 슬롯으로 공유 스펙트럼의 K 개의 통신 버스트들을 수신하는 사용자 장치에 있어서,

   각각의 버스트가 N 개의 시퀀스들 중 연관된 미드앰블 시퀀스를 가지고,

   상기 사용자 장치는 상기 N 개의 미드앰블 시퀀스들을 알고,

   상기 사용자 장치는 상기 버스트들의 상기 송신된 미드앰블 시퀀스들에 대응하는 벡터를 포함하는 상기 K 개의 통신 버스트들을 수신하는 안테나 (40) 를 구비하고,

   상기 사용자 장치 (28) 는,

   기지의 상기 N 개의 미드앰블 시퀀스에 부분적으로 기초하여 N 개의 상등 우순환 행렬 블록을 갖는 행렬을 구성하고, 상기 N 개의 블록 중 하나의 블록과 상기 수신된 벡터에 부분적으로 기초하여 상기 수신기와 상기 단일 송신기 사이의 무선 채널을 추정하는 채널 추정기 (44); 및

   상기 추정된 무선 채널을 사용하여 상기 수신된 통신 버스트로부터 데이터를 복구하기 위한 데이터 검출기 (46) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 사용자 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터 검출기는 복수 사용자 검출기인 것을 특징으로 하는 사용자 장 치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터 검출기는 단독 사용자 검출기인 것을 특징으로 하는 사용자 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 무선 채널 추정은 최소 제곱 해법을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 사용자 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 최소 제곱 해법은 이산 푸리에 변환 해법을 사용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 사용자 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 최소 제곱 해법은 단일 사이클의 상관기를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 사용자 장치.

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