[논문]그룹화 CMA 알고리즘을 이용한 RF 중계기의 적응 간섭 제거 시스템(Adaptive Interference Cancellation System)에 관한 연구

한용식; 양운근

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.9.1058

[국내논문] 그룹화 CMA 알고리즘을 이용한 RF 중계기의 적응 간섭 제거 시스템(Adaptive Interference Cancellation System)에 관한 연구
A Study on Adaptive Interference Cancellation System of RF Repeater Using the Grouped Constant-Modulus Algorithm 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.9 = no.136, 2008년, pp.1058 - 1064

한용식 (인천대학교 전자공학과) , 양운근 (인천대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 RF(Radio Frequency) 중계기에서 그룹화 CMA(Constant Modulus Algorithm)와 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 적응 필터를 적용시킨 새로운 혼합 간섭 제거기를 제안한다. 송신 안테나에서 수신안테나로 궤환되는 신호는 수신 시스템의 성능을 저하시킨다. 제안한 간섭 제거기는 그룹화 CMA 알고리즘 간섭 제거 기법을 적용시키기 때문에 기존 구조보다 나은 채널 적응 성능과 낮은 MSE(Mean Square Error)을 가진다. 이 구조는 기존 비선형 간섭 제거기에 비해 같은 MSE(Mean Square Error)에 대한 반복수와 하드웨어 복잡도를 줄여준다. 즉, 제안한 알고리즘은 LMS 알고리즘에 비해 평균 자승 에러가 적응 상수에 따라 2.5 dB 또는 4 dB 정도 낮은 값을 보였다. 또한, VSS(Variable Step Size)-LMS 알고리즘에 비해 수렴 속도가 빠르고, 비슷한 평균 자승 에러를 가진다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a new hybrid interference canceller using the adaptive filter with Grouped CMA(Constant Modulus Algorithm)-LMS(Least Mean Square) algorithm in the RF(Radio Frequency) repeater. The feedback signal generated from transmitter antenna to receiver antenna reduces the performance of the receiver system. The proposed interference canceller has better channel adaptive performance and a lower MSE(Mean Square Error) than conventional structure because it uses the cancellation method of Grouped CMA algorithm. This structure reduces the number of iterations fur the same MSE performance and hardware complexity compared to conventional nonlinear interference canceller. Namely, MSE values of the proposed algorithm were lower than those of LMS algorithm by 2.5 dB and 4 dB according to step sizes. And the proposed algorithm showed fast speed of convergence and similar MSE performance compared to VSS(Variable Step Size)-LMS algorithm.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 효율적인 궤환 신호와 페이딩 신호를 제거하여 발진 현상을 방지할 수 있는 적응 알고리즘을 개발하고자 한다. 이러한 궤환 간섭 신호를 제거하기 위해서는 실시간으로 다양한 실제 전파 환경에 적응할 수 있어야 한다.
본 논문은 간섭 제거 CMA, LMS 알고리즘을 이용한 RF 중계기의 적응 간섭 제거 시스템이다. LMS 알고리즘의 초기 채널 적응 속도를 향상하기 위해 CMA 알고리즘과 결합하였다.
본 논문에서 디지털 간섭 제거 적용이 용이한 기본 중계 시스템을 바탕으로 하여 초기 수렴 속도가 빠르고, 오차를 최소로 하는 알고리즘으로 고안해냈다. 간섭 신호 제거를 위한 DSP부 간섭 제거 모듈을 설계하였으며, RF 중계기의 간섭 제거 시스템의 구성도를 그림 1과 같이 나타낼 수 있다.

가설 설정

시뮬레이션 채널 환경은 입력되는 신호를 기준으로 백색 잡음(AWGN)이 약 10 dB이고, 3개의 페이딩 경로와 1개의 궤환 신호 경로를 갖는 환경으로 가정하였다. 그림 3은 CMA 알고리즘에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그림이다.

제안 방법

이에 대한 해결 방안으로 궤환 간섭과 페이딩에 강한 필터 구조를 갖는 알고리즘과 수렴 특성을 도출해 내는 것이 중요한 요소이다. 최근 연구되고 있는 형태를 보면 LMS(Least Mean Square) 알고리즘보다 수렴 특성이 좋고, 페이딩에 강한 알고리즘 구조로 LMS 알고리즘 변형 형태 또는 다른 알고리즘과의 혼합된 구조로 진행이 되고 있대3卜既 이에 본 논문에서 적응궤환 간섭 제거 알고리즘으로 LMS 알고리즘과 비슷한 형태의 알고리즘인 CMA(Constant Modulus Algo- rithm)을 그룹화하여, LMS 알고리즘과 동시에 결합한 GCMA-LMS(Grouped Constant Modulus Algorithm- Least Mean Square) 알고리즘을 제안한다. 이렇게 함으로써 결합에 따르는 손실을 방지할 수 있으며, 효율적으로 궤환 간섭과 페이딩을 제거시켜 원하는 신호를 구현시킬 수 있다.
간섭 신호 제거를 위한 DSP부 간섭 제거 모듈을 설계하였으며, RF 중계기의 간섭 제거 시스템의 구성도를 그림 1과 같이 나타낼 수 있다. 이들 구성도는 기본 중계 시스템에서 부가된 간섭 제거 DSP 부의 DSP 모듈과 그에 따른 하드웨 어로 구성 되 었으며, 송수신부로 다음과 같이 이루어진다同.
여기서 CMA 알고리즘의 적응 상수값은 수렴 속도와 평균 자승 에러를 조절하는 것으로써, 적응 상수가 증가하면, 수렴 속도가 빨라지고, 평균 자승 에러가 증가한다. 제안하는 간섭 제거기는 빠른 수렴 속도를 갖는 것과 동시에 평균 자승 에러를 줄이기 위해 두 개의 적응 상수를 가지는 CMA 알고리즘을 사용하여 LMS 알고리즘과 결합하였으며, 그 구조는 그림 2와 같다.
이상과 같이 제안한 알고리즘은 이용하여 그림 6 과 같이 DSP 모듈을 제작할 수 있으며, 사용된 DSP 칩은 TI(Taxas Instrument)사의 150MIPS(Million Instructions Per Second)의 성능을 갖는 TMS320F2812를 사용하여 제작하였다.
LMS 알고리즘의 초기 채널 적응 속도를 향상하기 위해 CMA 알고리즘과 결합하였다. 또한, CMA 알고리즘의 적응 상수 값에 따른 최소 평균 자승 에러를 줄이고, 수렴 속도를 높이기 위해 그룹화 CMA 알고리즘을 사용하였으며, 이 전체를 결합한 그룹화 CMA- LMS 알고리즘의 간섭 제거기를 제안한다.

이론/모형

결합함으로써时~圆 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, CMA 알고리즘의 수렴 속도와 에러율을 향상시키기 위해 그룹화한 GCMA(Grouped Constant Modulus Algorithm) 알고리즘을 사용하였다. 여기서 CMA 알고리즘의 적응 상수값은 수렴 속도와 평균 자승 에러를 조절하는 것으로써, 적응 상수가 증가하면, 수렴 속도가 빨라지고, 평균 자승 에러가 증가한다.
LMS 알고리즘의 초기 채널 적응 속도를 향상하기 위해 CMA 알고리즘과 결합하였다. 또한, CMA 알고리즘의 적응 상수 값에 따른 최소 평균 자승 에러를 줄이고, 수렴 속도를 높이기 위해 그룹화 CMA 알고리즘을 사용하였으며, 이 전체를 결합한 그룹화 CMA- LMS 알고리즘의 간섭 제거기를 제안한다.
즉, 다시 말해서 수신된 신호와 판정된 신호 간의 오차의 제곱을 가지고 기준 값에 따라 처음에는 그룹화 CMA 알고리즘을 적용하고, 이후에는 LMS 알고리즘을 적용하여 선택하는 방법을 사용하였다. 이 제안 시스템으로 인해 빠른 수렴 시간을 가지면서 낮은 평균 자승 에러를 가지게 되며, 채널에 적응하는 성능을 향상시킬 수가 있다.

성능/효과

적응형 간섭 제거기의 대표적 LMS(Least Mean Square) 알고리즘의 초기 수렴 속도의 단점을 보완하기 위해 CMA(Constant Modulus Algorithm) 알고리즘과 결합함으로써时~圆 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, CMA 알고리즘의 수렴 속도와 에러율을 향상시키기 위해 그룹화한 GCMA(Grouped Constant Modulus Algorithm) 알고리즘을 사용하였다.
평균 자승 에러에 대한 비교를 나타냈다. 이 결과와 같이 그룹화 CMA 알고리즘은 단독 CMA 알고리즘보다 비슷한 수렴 속도를 가지면서, 평균 자승오차는 훨씬 낮아진다.
나빠지게 된다. 이에 본 논문이 제안한 LMS-GC MA 알고리즘은 적응 상수값 0.001과 0.005 인 LMS 알고리즘에 비해 수렴 속도가 빠르거나, 조금 느리지만 대체로 빠른 수렴 속도를 보였다. 반복 횟수가 3, 000일 때 기준으로 평균 자승 에러는 각각 4 dB 또는 2.
5 dB 정도 낮은 값을 나타내었다. 또한, 다른 시스템인 VSS-LMS와 비교해서도 수렴 속도면에서 빠르고, 평균 자승 에러면에서는 거의 비슷하게 나왔다. 표 2에서는 다른 시스템과 제안 시스템의 평균 자승 에러와 수렴 시간을 비교하였다.
즉, 다시 말해서 수신된 신호와 판정된 신호 간의 오차의 제곱을 가지고 기준 값에 따라 처음에는 그룹화 CMA 알고리즘을 적용하고, 이후에는 LMS 알고리즘을 적용하여 선택하는 방법을 사용하였다. 이 제안 시스템으로 인해 빠른 수렴 시간을 가지면서 낮은 평균 자승 에러를 가지게 되며, 채널에 적응하는 성능을 향상시킬 수가 있다.
이상과 같이 본 논문은 그룹화 CMA와 LMS를 혼합한 Hybrid Grouped CMA-LMS(HGCL) 알고리즘을 사용함으로써 첫째, 기지국 시스템에서 송신 신호의궤환에 의한 간섭 잡음 및 기타 다양한 무선 환경에서 발생하여 수신 안테나로 정보 신호와 함께 들어오는 간섭 잡음을 제거할 수 있다. 둘째, 단독 LMS 알고리즘을 사용할 때보다 불안한 초기 채널에 적응속도가 훨씬 뛰어나며, 일정 시간이 지난 후에도 빠른 수렴 속도와 낮은 평균 자승 오차(MSE)를 가짐으로써 전체적인 발진 현상 등을 없을 수 있어, 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
간섭 잡음을 제거할 수 있다. 둘째, 단독 LMS 알고리즘을 사용할 때보다 불안한 초기 채널에 적응속도가 훨씬 뛰어나며, 일정 시간이 지난 후에도 빠른 수렴 속도와 낮은 평균 자승 오차(MSE)를 가짐으로써 전체적인 발진 현상 등을 없을 수 있어, 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 셋째, 각각의 알고리즘을 서로 연동하기 쉽고, 구성이 간단하여, 간섭제거 모듈에서 손쉽게 사용할 수 있으면서도 무선전파 환경에 강한 특성을 가지고 있다.
둘째, 단독 LMS 알고리즘을 사용할 때보다 불안한 초기 채널에 적응속도가 훨씬 뛰어나며, 일정 시간이 지난 후에도 빠른 수렴 속도와 낮은 평균 자승 오차(MSE)를 가짐으로써 전체적인 발진 현상 등을 없을 수 있어, 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 셋째, 각각의 알고리즘을 서로 연동하기 쉽고, 구성이 간단하여, 간섭제거 모듈에서 손쉽게 사용할 수 있으면서도 무선전파 환경에 강한 특성을 가지고 있다. 마지막으로, 적응하는 속도가 빠르고, 출력되는 신호의 궤환 신호와 페이딩을 효과적으로 제거함으로써, 대용량, 고속 처리에 적합하여, 이를 응용한 다양한 서비스시스템에 적용시킬 수가 있다.

후속연구

제어 및 관리를 한다. 따라서 앞으로 실제 Field 상에서 간섭 제거와 신호 처리 효율을 보완하기 위한 실험과 연구가 필요할 것이다.
셋째, 각각의 알고리즘을 서로 연동하기 쉽고, 구성이 간단하여, 간섭제거 모듈에서 손쉽게 사용할 수 있으면서도 무선전파 환경에 강한 특성을 가지고 있다. 마지막으로, 적응하는 속도가 빠르고, 출력되는 신호의 궤환 신호와 페이딩을 효과적으로 제거함으로써, 대용량, 고속 처리에 적합하여, 이를 응용한 다양한 서비스시스템에 적용시킬 수가 있다. 따라서 환경의 변화가 심한 field 상에서 효과적으로 잘 적응하면서 궤 환 간섭 제거 성능을 보완하기 위해 앞으로 RF 중계기에 대한 field 실험과 더불어 지속적인 연구가 있어야 될 것으로 사료된다.
마지막으로, 적응하는 속도가 빠르고, 출력되는 신호의 궤환 신호와 페이딩을 효과적으로 제거함으로써, 대용량, 고속 처리에 적합하여, 이를 응용한 다양한 서비스시스템에 적용시킬 수가 있다. 따라서 환경의 변화가 심한 field 상에서 효과적으로 잘 적응하면서 궤 환 간섭 제거 성능을 보완하기 위해 앞으로 RF 중계기에 대한 field 실험과 더불어 지속적인 연구가 있어야 될 것으로 사료된다.

참고문헌 (8)

김선진, 이제영, "적응성 궤환방식을 이용한 간섭 잡음제거기", 한국전자파학회논문지, 14(2), pp. 183-191, 2003년 2월

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김민수, 안성수, "LMS 알고리즘을 이용한 RF 중계기의 궤환 간섭 신호 제거 시스템", 대한전자공학회논문지, 45(1), pp. 38-43, 2008년 3월

원문보기 상세보기
S. Moshavi, "Multi-user detection for DS-CDMA communications", IEEE Communication Magazine, vol. 34, pp. 124-136, Oct. 1996
S. C. Ng, C. Y. Chung, S. H. Leung, and A. Luk, "A variable step size algorithm using evolution strategies for adaptive filtering", Proc. IEEE Int. Conf. Evolutionary Computation, vol. 1, pp. 542-545, Jul. 1999
이종현, 차재상, "DTV-OCR의 궤환 간섭 신호 제거용 DSP 모듈 및 SW 개발", 한국방송공학회논문지, 8(2), pp. 116-124, 2003년 2월

원문보기 상세보기
전영섭, 선우명훈, 김경호, "CMA 알고리즘을 이용한 고속 DFE 등화기 설계", 대한전자공학회논문지, 39(4), pp. 9-15, 2002년 4월
Byung Goo Choi, Yong Wan Pak, and Jeong Hee Choi, "The adaptive least mean square algorithm using several step size for multiuser detection", Vehicular Technology Conference, IEEE 52nd, vol. 6, pp. 2822-2825, Sep. 2000
염순진, 박용완, "간섭 제거 기법을 사용한 적응형 간섭 제거기에 관한 분석", 한국통신학회논문지, 26(8A), pp. 1291-1297, 2001년 8월

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