[논문]적응 간섭 제거 시스템을 위한 상관도를 적용한 적응적 궤환 간섭 제거 알고리즘

한용식; 양운근

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.4.427

초록
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셀룰러 시스템에서의 음영 지역 해소 및 전송 용량 증대를 위해 중계기의 중요성은 계속적으로 증가하고 있다. 그러나 RF 중계기는 중계된 전송 신호의 일부가 궤환되어 다시 수신 안테나에 수신되는 궤환 간섭 신호가 발생한다. 이런 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 RF 중계기의 성능 개선을 위해 상관도를 적용한 Sign-Sign LMS(Least Mean Square)를 제안하였다. 기존 알고리즘의 제곱된 에러를 최소화하기 위해 가중치 벡터는 입력 신호와 오차 신호의 부호에 취하고, 이를 활용하여 갱신된다. 제안된 간섭 제거기는 기존 방식과 비교하여 MSE(Mean Square Error) 측면에서 최대 10 dB의 성능 이득을 가진다.

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To reduce the outage probability and to increase the transmission capacity, the importance of repeaters in cellular systems is increasing. But a RF(Radio Frequency) repeater has a problem that the output of the transmit antenna is partially feedback to the receive antenna, which is feedback interfer...

To reduce the outage probability and to increase the transmission capacity, the importance of repeaters in cellular systems is increasing. But a RF(Radio Frequency) repeater has a problem that the output of the transmit antenna is partially feedback to the receive antenna, which is feedback interference. In this paper, we proposed adaptive Sign-Sign LMS(Least Mean Square) algorithm using correlations for the performance enhancement of RF repeater. The weight vector is updated by using sign of input signal and error signal to the least squared error of the conventional algorithms. When compared with the conventional method, the proposed canceller achieves the maximum 10 dB performance gain in terms of the MSE(Mean Square Error).

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문제 정의

본 논문에서는 적응 간섭 제거 알고리즘으로 LMS (Least Mean Square) 알고리즘의 변형된 형태인 상관도를 적용한 sign-sign LMS 알고리즘을 제안한다. 이알고리즘은 시변 환경에서 실시간으로 변화하는 궤환 간섭 잡음과 다중 경로 잡음을 제거한다.

제안 방법

있다. 본 논문에서 RF 중계기에 제안한 ICS 기술을 추가해서 RF의 출력 신호가 입력 신호로 궤환되는 신호를 제거함으로써 발진 현상을 막을 수 있어서 원하는 신호를 보낼 수 있다. 적응형 ICS는 궤환 간섭잡음을 제거하기 위해 궤환 간섭 신호를 실시간으로인지하여, 적응 알고리즘을 통해 간섭 제거 파라메터, 즉 지연 시간, 위상, 진폭 등의 값을 결정하고 계산된 값을 새로운 궤환 신호에 가중치(weighting)를주어 지속적인 궤환 간섭 잡음을 제거하는 구조를갖는다.
본 논문에서는 적응 간섭 제거 시스템을 위한 상관도를 적용한 sign-sign LMS 알고리즘을 제안하였고, 이 알고리즘에서 가중치 벡터는 입력 신호와 에러 신호의 부호로 취하고, 이를 활용하여 갱신시킨다. 이렇게 함으로써 평균 자승 에러를 줄이고 적응수렴 속도를 높일 수 있다.
단말기가 중계기를 통해 기지국 신호를 전송받는과정어】서, 궤환 경로와 페이딩 경로 등을 적용하였다. 아래 표 1은 ICS 중계기의 전산모의 실험을 위한조건 값이다.

이론/모형

효율적으로 제거하기 위한 적응성 알고리즘을 사용하여 간섭 제거를 수행한다.
에 러 수렴이 발생할 때마다 스텝의 크기를 줄이면서 정밀하게 에러를 추정해 나가는 방식이다. 즉, 이것은 속도와 정확성을 모두 만족시키는 보정 방법을 제공하는 알고리즘으로 상관도를 적용한 signsign LMS 알고리즘을 적용한다. 입력 신호와 에러신호의 sign 알고리즘은 다음과 같이 정의된다.
이렇게 할 경우 계수를 갱신하는데 걸리는 시간을 줄이기 위해 제안된 알고리즘인 sign-sign LMS 알고리즘을 적용한다. 행렬에서 sgn 운영자는 요소별로 적용된다.
4. Bit enor rate vs. signal to noise ratio performance of the proposed algorithm and LMS, NLMS algorithms.

성능/효과

본 논문에서는 상관도를 적용한 sign-sign LMS 알고리즘의 수렴 현상을 이용하여 큰 스텝을 이용하여에러를 빠르게 추정하며, 수렴할 때마다 스텝 크기를 줄여가는 적응형 스텝을 적용함으로써 알고리즘의 적응 수렴 시간과 평균 자승 에러를 줄여나갈 수 있으며, 향후 간섭 신호 제거를 위한 DSP(Digital Signal Processor) 구현 시 보다 용이하게 구현할 수 있다. 에 러 수렴이 발생할 때마다 스텝의 크기를 줄이면서 정밀하게 에러를 추정해 나가는 방식이다.
이것으로 보아 기존 LMS 는 궤환되는 다중 환경에 효율적으로 대응하지 못한다는 것을 알 수 있다. SNRe 15 dB 적용하였으며, SNR 5 dB 기준으로 볼 때 BER 성능이 향상되었다.
7 dB 정도 NLMS 알고리즘이 NCMA(Normalized Constant Modulus Algorithm) 알고리즘보다 우수하다. 제안된 알고리즘을 VSS(Variable Step Size) NLMS 알고리즘과 비교해보면 거의 비슷하게 보이다가 SNR 5 dB 이후 성능이 우수함을 볼 수 있다.
에러를 비교한 결과이다. 반복 횟수 5, 000으로 기준을 볼 때 MSE 최대 10 dB의 성능 향상을 보여준다. 또한, 제안된 방식은 MSE -27 dB를 기준으로 반복 횟수 약 200번의 빠른 수렴 속도를 볼 수 있다.
반복 횟수 5, 000으로 기준을 볼 때 MSE 최대 10 dB의 성능 향상을 보여준다. 또한, 제안된 방식은 MSE -27 dB를 기준으로 반복 횟수 약 200번의 빠른 수렴 속도를 볼 수 있다.
001 로설정하였으며, 제안된 알고리즘을 비롯한 다른 알고리즘의 적응상수 “는 식 (6)에서처럼 가변적이고 통계적인 값을 적용하였다. 이것으로 볼 때 제안된 알고리즘은 적응도가 빠르면서도 평균 자승에러율이낮아 간섭 제거에 효율적인 것을 알 수 있다.
이렇게 함으로써 평균 자승 에러를 줄이고 적응수렴 속도를 높일 수 있다. 실험을 통해 최대 10 dB 의 평균 자승 에러율 성능향상과 약 200번의 반복횟수의 성능 향상을 볼 수 있었다. 이는 제안된 알고리즘이 다중 환경에서 보다 유연하고, 빠르게 적응할 수 있으며, 궤환 간섭을 효율적으로 제거할 수 있다.
실험을 통해 최대 10 dB 의 평균 자승 에러율 성능향상과 약 200번의 반복횟수의 성능 향상을 볼 수 있었다. 이는 제안된 알고리즘이 다중 환경에서 보다 유연하고, 빠르게 적응할 수 있으며, 궤환 간섭을 효율적으로 제거할 수 있다. 또한, 다른 알고리즘에 비해 수식이 간단하므로 ICS 시스템을 향후 DSP를 이용하여 하드웨어를 구성할 때 복잡도를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

이는 제안된 알고리즘이 다중 환경에서 보다 유연하고, 빠르게 적응할 수 있으며, 궤환 간섭을 효율적으로 제거할 수 있다. 또한, 다른 알고리즘에 비해 수식이 간단하므로 ICS 시스템을 향후 DSP를 이용하여 하드웨어를 구성할 때 복잡도를 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 이 알고리즘을 적용한 RF 중계기를 구성하여 현장 실험을 하고 이와 더불어 지속적인 연구가 있어야 될 것으로 사료된다.
또한, 다른 알고리즘에 비해 수식이 간단하므로 ICS 시스템을 향후 DSP를 이용하여 하드웨어를 구성할 때 복잡도를 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 이 알고리즘을 적용한 RF 중계기를 구성하여 현장 실험을 하고 이와 더불어 지속적인 연구가 있어야 될 것으로 사료된다.

참고문헌 (7)

Simon Haykin, Adaptive Filter Theory, 4th Edition, Prentice Hall Inc., pp. 231-311, 2002.
M. Chakraborty, H. Sakai, "Convergence analysis of complex LMS algorithm with reference signals", IEEE Transcations on Speech and Audio Processing, vol. 13, no. 2, pp. 286-292, Mar. 2005.

상세보기
S. Goh, D. Mandic, "A class of gradient-adaptive step size algorithms for complex-valued nonlinear neural adaptive filters", Proc. IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 5, no. 2, pp. 253-256, 2005.
Lattice Semiconductor Corporation, "LMS adaptive filter", Reference Design RD 1031, Dec. 2006.
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.
S. J. Kim, J. Y. Lee, J. C. Lee, J. H. Kim, B. Lee, and N. Y. Kim, "Adaptive feedback interference cancellation system(AF-ICS)", Proc. IEEE MTT- S Int. Microwave Symp, Dig., vol. 1, pp. 627-630, Jun. 2003.
M. R. Asharif, T. Hayashi, "Correlation LMS algorithm and its application to double-talk echo cancelling", Proc. IET., vol. 35, no. 3, pp. 194-195, Feb. 1999.

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