[논문]다중 경로 채널에서의 이동 릴레이의 셀 탐색 및 DoA 추정 방법

로트나 팩; 김인수; 조용수

doi:10.7840/kics.2013.38a.1.58

[국내논문] 다중 경로 채널에서의 이동 릴레이의 셀 탐색 및 DoA 추정 방법
An Estimation Technique of Cell ID and DoA for a Mobile Relay Station Under a Multipath Channel 원문보기

한국통신학회논문지. The journal of Korea Information and Communications Society. 무선통신, v.38A no.1, 2013년, pp.58 - 67

로트나 팩 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김인수 (중앙대학교 전자전기공학부) , 조용수 (중앙대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 빔포밍 안테나를 탑재한 이동 릴레이(MRS, Mobile Relay Station), 특히 셀 경계 근방에 위치한 이동 릴레이의 링크(link) 의 안정성을 향상시키는 방법에 대해 기술한다. OFDM 통신 방식 기반 시스템의 다중 경로 환경에서의 선형 어레이(Uniform Linear Array)를 이용한 셀 탐색 및 DoA(Direction of Arrival) 추정방법을 제안하였으며, 공간 상관 행렬 기반의 제 1 방법과 이중 차등 상관 행렬 기반의 제 2 방법의 성능을 모의실험을 통하여 평가하였다. 모의실험은 IEEE 802.16e 표준에 기반하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a mobile relay station(MRS) for vehicles with a beamforming antenna is considered to increase the reliability of a transmission link, especially for the MRS at cell boundary. Cell searching and direction-of-arrival(DoA) estimation methods for an MRS with a uniform linear array(ULA) are proposed for a multipath environment in OFDM-based cellular systems. Performances of the proposed methods(Method1 and Method2) are evaluated by computer simulation with the standard profile of IEEE 802.16e.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이동 릴레이가 셀 경계에 위치할 경우에는 다수의 간섭 기지국들의 다중 DoA를 통한 신호가 수신되며 또 이 신호들은 경로 간 서로 상관을 가질 수 있다. 본 논문에는 OFDM 통신 방식 기반의 시스템에서 셀 경계의 다중 경로 환경에 위치한 이동 릴레이의 선형 어레이를 통하여 수신된 신호를 이용, 셀 탐색 및 DoA을 추정하는 방안을 연구하였다. 셀 탐색 및 DoA의 동시 추정을 위하여 DoA, 셀 ID와 지연 시간의 함수로 정의된 공간 상관 행렬을 이용한 두 종류의 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 OFDM 시스템 기반에서 셀 경계의 다중 경로 환경에서의 DoA 추정 및 셀 ID 탐색을 위한 방법을 제안하고 기존 방법과 비교하였다. 모의실험을 통하여 제안된 방법을 이용하여 모든 다중 경로 (4개)와 그에 해당하는 셀 ID를 함께 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

또한 N ≥ G , 즉 N/(N -G ) ≈ 1, N/G - 2 ≈N/G 임도 가정한다.
이동 릴레이는 두 개의 기지국 사이에 위치하며, 각 기지국으로부터 두 개의 다중 경로가 존재하는 것으로 가정하였다 (m=0,1). 또한 각 기지국으로부터의 입사각은 각각 (40^∘, - 10^∘) (타겟 기지국, 셀 ID=2)와 ( - 30^∘, 15^∘) (간섭 기지국, 셀 ID=5)로 가정하였다. 또한 타겟 기지국과 간섭 기지국으로부터의 STO는 각 2와 3으로 가정하였다.
또한 각 기지국으로부터의 입사각은 각각 (40^∘, - 10^∘) (타겟 기지국, 셀 ID=2)와 ( - 30^∘, 15^∘) (간섭 기지국, 셀 ID=5)로 가정하였다. 또한 타겟 기지국과 간섭 기지국으로부터의 STO는 각 2와 3으로 가정하였다. 신호 대 잡음비 (SNR)은 10 dB이다.
여기서 프리앰블 시퀀스는 양호한 자기 상관을 가지며 c(u) ≠ c일 경우에는 상호 상관이 없음을 가정한다.
최근에 위의 목적을 위해 제안된 방식에 의하면 셀 ID 검색 및 DoA 추정에 소요되는 계산량 및 계산 속도 측면에서 크게 향상됨을 보여주었다^[3-6]. 이 방식에서는 각 간섭 기지국으로부터의 신호가 한 DoA를 통하여만 수신된다고 가정하였다. 그러나 실제 환경에서는 각 기지국으로부터 신호가 여러 DoA를 통하여 수신된다는 가정이 보다 적절하다.
5λ이다. 이동 릴레이는 두 개의 기지국 사이에 위치하며, 각 기지국으로부터 두 개의 다중 경로가 존재하는 것으로 가정하였다 (m=0,1). 또한 각 기지국으로부터의 입사각은 각각 (40^∘, - 10^∘) (타겟 기지국, 셀 ID=2)와 ( - 30^∘, 15^∘) (간섭 기지국, 셀 ID=5)로 가정하였다.

제안 방법

본 논문에는 OFDM 통신 방식 기반의 시스템에서 셀 경계의 다중 경로 환경에 위치한 이동 릴레이의 선형 어레이를 통하여 수신된 신호를 이용, 셀 탐색 및 DoA을 추정하는 방안을 연구하였다. 셀 탐색 및 DoA의 동시 추정을 위하여 DoA, 셀 ID와 지연 시간의 함수로 정의된 공간 상관 행렬을 이용한 두 종류의 방법을 제안하였다. 모의실험을 통하여 제안된 방법으로 모든 타겟 기지국의 신호 방향으로는 빔 (beam)을 형성하며 모든 간섭기지국 신호의 방향으로는 널 (Null)을 형성할 수있음을 보였다.
이 절에서는 제안된 방법 (방법 1과 방법 2)의 성능을 모의실험을 통하여 분석한다. 모의실험에는 IEEE 802.
제 2 방법에서는 인접 안테나 소자와 인접 부반송파로 수신된 신호를 이용하여 다음과 같은 이중 차등 (double differential) 상관 행렬을 구성한다.

데이터처리

모의실험에는 IEEE 802.16e 표준 시스템을 이용하였으며 안테나 수와 안테나 간격은 각각 8과 0.5λ이다.

성능/효과

그림 4는 제안된 두 방법과 [3]에 제시된 방법(이후 조인트 방법(joint method)으로 칭함)의 셀 탐색 확률을 보여준다. SIR의 증가에 따라 제안된 두 방법에서 셀 탐색 확률이 증가함을 보여준다. 또한 제안된 두 방법은 STO의 영향에 별 영향을 받지 않는데 반해 조인트 방법의 셀 탐색 확률은 전역에서 10퍼센트보다 낮음을 볼 수 있다.
제 1방법은 타겟 기지국의 모든 경로에 빔을 형성하고 간섭 기지국의 모든 경로에 널을 형성함을 보여준다. 결과적으로 보다 향상된 BER 성능을 보여주며 간섭 기지국의 간섭이 없을 때의 이론적 BER 수치에 거의 육박함을 보여준다.
모의실험을 통하여 제안된 방법을 이용하여 모든 다중 경로 (4개)와 그에 해당하는 셀 ID를 함께 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다. 또한 제안된 두 방법 모두 STO와 CFO의 영향에도 안정되게 동작함을 보여주었다. 또한 제안된 방법으로 기지국간의 간섭을 효과적으로 억제할 수 있음을 BER 성능을 통하여 보여주었으며 이 성능은 간섭이 존재하지 않을 때의 이론적 수치에 근접함을 보여주었다.
SIR의 증가에 따라 제안된 두 방법에서 셀 탐색 확률이 증가함을 보여준다. 또한 제안된 두 방법은 STO의 영향에 별 영향을 받지 않는데 반해 조인트 방법의 셀 탐색 확률은 전역에서 10퍼센트보다 낮음을 볼 수 있다.
또한 제안된 두 방법 모두 STO와 CFO의 영향에도 안정되게 동작함을 보여주었다. 또한 제안된 방법으로 기지국간의 간섭을 효과적으로 억제할 수 있음을 BER 성능을 통하여 보여주었으며 이 성능은 간섭이 존재하지 않을 때의 이론적 수치에 근접함을 보여주었다.
모의실험을 통하여 제안된 방법으로 모든 타겟 기지국의 신호 방향으로는 빔 (beam)을 형성하며 모든 간섭기지국 신호의 방향으로는 널 (Null)을 형성할 수있음을 보였다. 또한 제안된 방법이 채널 간 간섭을 효율적으로 감소시키고 심벌 타이밍 옵셋 (STO, Symbol timing offset)과 반송 주파수 옵셋 (CFO, Carrier Frequency Offset)의 영향에 안정됨을 보였다.
셀 탐색 및 DoA의 동시 추정을 위하여 DoA, 셀 ID와 지연 시간의 함수로 정의된 공간 상관 행렬을 이용한 두 종류의 방법을 제안하였다. 모의실험을 통하여 제안된 방법으로 모든 타겟 기지국의 신호 방향으로는 빔 (beam)을 형성하며 모든 간섭기지국 신호의 방향으로는 널 (Null)을 형성할 수있음을 보였다. 또한 제안된 방법이 채널 간 간섭을 효율적으로 감소시키고 심벌 타이밍 옵셋 (STO, Symbol timing offset)과 반송 주파수 옵셋 (CFO, Carrier Frequency Offset)의 영향에 안정됨을 보였다.
본 논문에서는 OFDM 시스템 기반에서 셀 경계의 다중 경로 환경에서의 DoA 추정 및 셀 ID 탐색을 위한 방법을 제안하고 기존 방법과 비교하였다. 모의실험을 통하여 제안된 방법을 이용하여 모든 다중 경로 (4개)와 그에 해당하는 셀 ID를 함께 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다. 또한 제안된 두 방법 모두 STO와 CFO의 영향에도 안정되게 동작함을 보여주었다.
그림 5(c)와 5(d)는 STO와 CFO가 둘 다 존재할 경우에 제안된 두 방법의 성능을 보여준다. 위의 두 개의 그림은 제안된 방법을 이용하여 모든 다중 경로 (4개)와 그에 해당하는 셀 ID를 함께 정확하게 추정할 수 있음을 보여준다. 또한 두 방법 모두 STO와 CFO의 영향에도 안정되게 동작함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이동 릴레이가 제공하는 것은 무엇인가?	차량이나 기차와 같은 이동 매체에 탑재된 이동 릴레이는 차량내의 이동국에게 안정된 무선 링크를 제공한다. 이동 릴레이를 통하여 기지국과 이동국을 연결하면 보다 향상된 링크 성능을 확보할 수 있다[1].
	공간 스무싱 (Spatial Smoothing) 알고리즘이 제안된 배경은 무엇인가?	고전적 DoA 추정 방법의 하나인 MUSIC(Multiple Signal Classification) 알고리즘은 상관을 갖지 않는 신호 환경에서 잘 동작하는 것으로 알려져 있으나 그렇지 않은 경우, 즉 수신 신호 간에 강한 상관이 존재하는 경우에는 이 알고리즘의 핵심 요소인 공분산 행렬의 풀 랭크를 보장할 수 없어 제한적인 성능을 가질 수밖에 없다[7,8]. 이런 환경에서의 DoA 측정을 위하여 공간 스무싱 (Spatial Smoothing) 알고리즘이 제안되었다.
	빔포밍을 이용함으로서 이동 릴레이에서 얻을 수 있는 것은 무엇인가?	이동 릴레이를 통하여 기지국과 이동국을 연결하면 보다 향상된 링크 성능을 확보할 수 있다[1]. 또한 이동 릴레이에서 빔포밍을 이용하여 기지국으로부터의 수신 신호 품질을 향상시킴과 동시에 간섭 기지국으로부터의 간섭 신호를 제거하는 이중의 이들을 얻을 수 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
Y. H. Ko and Y. S. Cho, "A joint method of cell searching and DoA estimation for a mobile relay station with beamforming antennas," in Proc. IEEE Global Commun. Conf. (GLOBECOM), pp. 1-4, Nov. 2008.
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원문보기 상세보기
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상세보기
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W. Nam and Y. H. Lee, "Preamble-based cell identification for cellular OFDM systems," IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 7, no. 12, pp. 5263-5267, July 2008.

상세보기
K. S. Kim, S. W. Kim, Y. S. Cho, and J. Y. Ahn, "Synchronization and cell-search technique using preamble for OFDM cellular systems," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 54, no. 6, pp. 3469-3485, Nov. 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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