[논문]Complex Signed-Signed CMA 알고리즘을 이용한 간섭 제거 중계기

한용식

doi:10.7471/ikeee.2013.17.2.145

[국내논문] Complex Signed-Signed CMA 알고리즘을 이용한 간섭 제거 중계기
Interference Cancellation System in Wireless Repeater Using Complex Signed Signed CMA Algorithm 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.17 no.2, 2013년, pp.145 - 150

한용식 (Dept. of Information & Communications, Gumi University)

초록
AI-Helper

본 논문에서 ICS(Interference Cancellation System) 중계기에서 간섭제거를 위한 새로운 CSS(Complex Signed-Signed) CMA(Constant Modulus Algorithm) 알고리즘을 제안한다. 중계기가 궤환 신호를 가질 때 CSS CMA 알고리즘은 궤환 경로로부터 간섭 신호를 제거하기 위한 디지털 신호 처리를 사용한 ICS 중계기에 대해 제안한다. 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 스텝 사이즈를 조절함에 따라 하드웨어 복잡도와 성능이 개선된다. 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘에서 스텝사이즈가 0.00043인 경우 수렴상태에서 평균 자승 에러는 기존 CMA 알고리즘보다 약 4dB정도 더 낮다. 그리고, 평균 자승 에러 -25dB를 기준으로 LMS(Least Mean Square)와 Signed LMS(Normalized Least Mean Square)보다 수렴회수가 1950 ~ 2150회 정도 줄어든다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the paper, we propose a new CSS(Complex Signed-Signed) CMA(Constant Modulus Algorithm) algorithm for ICS(Interference Cancellation System). When the repeater get the feedback signal, the CSS CMA algorithm is proposed at the ICS repeater using DSP(Digital Signal Processing) for the removal of interfering signals from the feedback paths. The proposed CSS CMA algorithm improved performances and hardware complexity by adjusting step size values. the steady state MSE(Mean Square Error) performance of the proposed CSS CMA algorithm with step size of 0.00043 is about 4dB better than the conventional CMA algorithm. And the proposed Complex Signed Signed CMA algorithm requires 1950 ~ 2150 less iterations than the LMS(Least Mean Square) and Signed LMS(Normalized Least Mean Square) algorithms at MSE of -25dB.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

본 논문은 곱셈 연산이 필요 없어 수식이 간단하고, 하드웨어 구현이 간단하는 것을 특징으로 기존 고정계수 방식인 CMA 알고리즘보다 효과적인 방법으로 스텝 사이즈를 고려하고, SS-CMA 알고리즘의 수렴 속도를 해결하고, 더욱 정확성과 낮은 에러율을 가지는 CSS-CMA(Complex Signed-Signed CMA)을 제안한다.
본 논문에서 제안된 CSS-CMA 알고리즘은 적응고정계수 방식인 CMA 알고리즘을 개선한 것으로 적응 스텝사이즈를 적응필터 계수의 실수부와 허수부에 따라 설정하고, μ값이 계수에 따라 변화하도록 변형된 CSS-CMA알고리즘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
제안된 알고리즘은 스텝 크기를 적응필터의 상태에 자동 조절되어 적응필터의 계수가 최적 상태인 Wiener Solution이 아닌 경우 스텝의 크기를 늘려 빠른 속도로 최적 해에 접근하며 최적 상태의 경우 미조정(Misadjust)에 의한 오차를 줄이기 위해 스텝의 크기를 최소화 한다.
실험에서 궤환 신호 10dB일 때 각각의 알고리즘은 동일한 스텝사이즈를 줄 경우 발산되어 버린다. 따라서 각각의 알고리즘에 대해 안정적으로 적용될 수 있는 스텝사이즈를 단계적으로 값을 넣어 변화와 비교된 성능을 분석하였다. 특히 기존 LMS, CMA 알고리즘의 경우 궤환간섭 신호 10dB의 영향으로 인하여 0.
수학적인 연산을 줄이면서 필터탭에 대한 동일한 성능으로 수렴할 수 있는 알고리즘으로 궤환신호를 주었을 때 기존 CMA, LMS와 Sign LMS알고리즘을 이용하여 스텝사이즈에 따른 Complex Signed Signed CMA 알고리즘을 제안하였다. 그림 3에서 제안한 알고리즘은 스텝 사이즈를 0.
따라서 각각의 알고리즘에 대해 안정적으로 적용될 수 있는 스텝사이즈를 단계적으로 값을 넣어 변화와 비교된 성능을 분석하였다. 특히 기존 LMS, CMA 알고리즘의 경우 궤환간섭 신호 10dB의 영향으로 인하여 0.0001 이하의 너무 낮은 스텝사이즈일 경우 발산되는 현상이 있어 0.01과 0.001부터 단계적으로 증가시키며 안정적으로 실험을 진행하였다.

대상 데이터

표 1은 현재 상용되고 있는 시스템 조건으로 입력신호는 WCDMA 신호를 사용하였으며, 궤환 채널 모델은 JAKE 모델의 하나의 경로이며, 궤환되는 신호의 크기는 10dB로 10dB내외의 신호를 제거하는데 있다. 여기서, 중계기에서 수신단과 송신단 사이는 Jake 페이딩 채널과 궤환 신호가 시간의 함수로 변화된다.

데이터처리

Complex Signed Signed CMA 알고리즘의 성능을 최적화하기 위하여 통계적으로 분석하였으며, 제안된 알고리즘의 성능을 기존 CMA, LMS, Signed LMS 알고리즘과 비교하였다.

이론/모형

그림 2는 시스템 구성도로서 필터 계수 w_k는 입력 신호를 사용하여 갱신하고, 에러 신호는 Complex Signed Signed CMA 알고리즘으로 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 사용하였다.

성능/효과

위의 그림 3의 (a)에서 궤환간섭 신호를 10dB이하의 크기에서 스텝 사이즈 값을 0.0001로 하였을 때 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘과 다른 알고리즘과의 분석으로서 제안된 Complex Signed Signed CMA알고리즘은 기존 CMA 알고리즘보다 평균 자승 에러율에서 25dB이상 낮고, Signed LMS알고리즘에 비해 수렴속도가 2000회 내외 정도 빠르게 나타난다. (b)에서 스텝 사이즈 값을 0.
(c)에서는 스텝 사이즈 값을 0.00035로 하였을 때 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘의 수렴율은 (b)에 비해 -25dB기준으로 약 100회 정도로 빠르게 되었으며, 에러율은 거의 변화가 없으며, CMA 알고리즘보다 에러율 5dB 가량 낮게 나타났으며, Signed LMS, LMS의 수렴율보다 1000회 이상 빠르게 나타났다. 기존 알고리즘에 대해서는 단계적으로 스텝사이즈를 조정해 알고리즘을 구현하였다.
(d)의 경우 스텝 사이즈 값을 0.00043일 경우 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 (c)에 비해 -25dB기준으로 약 50 정도 수렴 속도율이 향상되고, 평균자승 에러에는 거의 변화가 없었으며, 더 이상의 수렴속도가 변화하지는 않았다.
CMA 알고리즘보다 수렴속도에서는 다소 느리지만 에러율이 반복 횟수 1000일 때 3dB 우수하게 나타났다. 평균 자승 에러 -25dB 기준으로 보았을 때 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 LMS와 Signed LMS 보다 수렴속도가 약 2000회 빠른 결과값을 가졌다.
CMA 알고리즘보다 수렴속도에서는 다소 느리지만 에러율이 반복 횟수 1000일 때 3dB 우수하게 나타났다. 평균 자승 에러 -25dB 기준으로 보았을 때 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 LMS와 Signed LMS 보다 수렴속도가 약 2000회 빠른 결과값을 가졌다. 전체 실험한 결과 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 스텝사이즈가 증가함에 따라 오차값은 -25dB로 떨어져 다른 알고리즘에 비해 에러율이 우수하며, 수렴속도가 점점 빠르다는 것을 알 수 있었으며, 스텝사이즈를 너무 작게 하거나 0.
평균 자승 에러 -25dB 기준으로 보았을 때 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 LMS와 Signed LMS 보다 수렴속도가 약 2000회 빠른 결과값을 가졌다. 전체 실험한 결과 제안된 Complex Signed Signed CMA 알고리즘은 스텝사이즈가 증가함에 따라 오차값은 -25dB로 떨어져 다른 알고리즘에 비해 에러율이 우수하며, 수렴속도가 점점 빠르다는 것을 알 수 있었으며, 스텝사이즈를 너무 작게 하거나 0.0005이상 할 경우 발산해 버린다.
수렴속도 측면에서 제안한 Complex Signed Signed CMA 알고리즘이 800회 빠르게 성능이 우수함을 알 수 있었다. 결국 궤환신호의 크기가 1dB이하로 작아지면 기존 Signed LMS 알고리즘과 수렴속도가 점점 가까워지고 있다는 것을 알 수 있었다.
수렴속도 측면에서 제안한 Complex Signed Signed CMA 알고리즘이 800회 빠르게 성능이 우수함을 알 수 있었다. 결국 궤환신호의 크기가 1dB이하로 작아지면 기존 Signed LMS 알고리즘과 수렴속도가 점점 가까워지고 있다는 것을 알 수 있었다.
그러나 기존 알고리즘의 경우 실제 환경에서는 궤환 신호가 커지기 때문에 수렴속도가 느려져 처리율이 떨어져 DSP(Digital Signal Processor) 칩 하드웨어에 무리를 줄 수 있지만 제안된 CSS-CMA 알고리즘은 10dB이내의 궤환 간섭에 강한 특성과 적응성에서도 크게 변화가 없음을 보임으로 하드웨어상 안정된 시스템을 구동할 것으로 보인다.
제안 알고리즘은 평균 자승 에러 -25dB 기준으로 기존 LMS, Signed LMS보다 1950 ∼ 2150번 빠른 수렴속도를 보였으며, CMA 알고리즘보다 평균 자승 에러가 반복 횟수 1000회 기준으로 4dB 더 좋은 성능을 보였다.

후속연구

앞으로 제안된 Complex Signed Signed CMA 적응 알고리즘 구동을 위해 도플러 환경 하에서 실제적인 하드웨어 실험과 현장 실험과 병행해 더욱 더 안정적인 성능을 가질 수 있도록 연구를 진행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CMA이란?	기존 알고리즘의 대표적 알고리즘으로서 CMA는 고정계수 알고리즘으로서 송신측에서 훈련 순열(Training sequence)을 보내지 않고, 사용자의 확산코드와 타이밍 정보만 제공해 주면 원신호를 추정해 주는 방식이다. CMA 알고리즘과 관계된 관계식을 살펴보면 다음과 같다.
	RF 중계기에 적용하는 대표적인 알고리즘은 무엇이 있는가?	RF 중계기에 적용하는 대표적인 알고리즘으로는 LMS(Least Mean Square)와 CMA(Constant Modulus Algorithm) 방식이 주로 사용되고 있다[2-7]
	RF 중계기는 어떠한 한계를 가지는가?	무선 이동통신 시스템의 효율성과 유지보수 등을 고려할 때 가장 이상적인 중계기는 현재 RF 중계기라 할 수 있다. 하지만 페이딩, 궤환 간섭신호에 의해 시스템 내부로 유입되는 신호에 대한 격리를 확보되지 못하여 중계기내에 발진 및 채널 간섭이 발생하게 된다. 중계 신호의 발진을 억제하기 위한 방법으로 첫번째로는 송수신 안테나 사이의 거리를 물리적으로 최대한 떨어뜨림으로써 안테나간의 격리(Isolation)를 확보하는 방법이 있으나, 일정한 거리를 이격해야 되고, 다중 경로의 영향을 많이 받는 단점이 있다.

참고문헌 (7)

A. H. SAYD, "Fundamentals of Adaptive Filtering", Wiley, pp 284
Lattice Semiconductor Corporation, "LMS adaptive filter," Reference Design RD 1031, Dec. 2006
P. Y. Haghighat, Ali Ghrayeb, "Trickle-Based Interference Cancellation Schemes for CDMA Systems,"IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 8, no.1, pp.13-17, January, 2009

상세보기
S. C. Chan, Y. Zhou, "On the Convergence Analysis of the Normalized LMS and the Normalized Least Mean M-Estimate Algorithms," IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology, vol. 49, no.1, pp.1048-1053, 2007
R. Mendoza, J. H. Reed, "Inteference Rejectin Using the Time-Dependent Constant Modulus Algorithm(CMA) and the Hybrid CMA/Spectral Correlation Discriminator," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 39, no. 9, pp.2108-2111, 1991
Rui Chen, Zhifeng E and Jiawen Hu, "Adaptive Filter by using Proportionate Frequency Domain Extended Correlation LMS Algorithm in the Double Talk Condition," ICS2008 Proceedings, pp.2826-2829, 2008
W. Karen Egiazarian and Pauli Kuosmanen, "Variable step-size LMS adaptive filters for CDMA multiuser detection," IEEE TELSIKS Serbia and Montenegro, 1-3, pp259-264, Oct. 2003

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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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