[논문]스텝사이즈에 따른 적응 알고리즘을 이용한 간섭제거 중계기

한용식

doi:10.13067/jkiecs.201.9.5.549

초록
AI-Helper

본 논문에서 ICS(Interference Cancellation System) 중계기를 위한 Signed LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 제안한다. 제안된 Signed LMS 알고리즘은 스텝 사이즈를 조절함에 따라 성능이 개선된다. 제안된 Signed LMS 알고리즘에서 스텝사이즈가 0.067인 경우 수렴횟수 1000 회 일 때 평균 자승 에러는 기존 CMA 알고리즘보다 약 3 ~ 18 dB정도 더 낮다. 그리고, 평균 자승 에러 -25 dB 일 때 LMS(Least Mean Square)와 CMA보다 수렴횟수가 500 ~ 4000 회 정도 줄어든다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the paper, we propose a new Signed LMS(Least Mean Square) algorithm for ICS(Interference Cancellation System). The proposed Signed LMS algorithm improved performances by adjusting step size values. At the convergence of 1000 iteration state, the MSE(Mean Square Error) performance of the proposed ...

In the paper, we propose a new Signed LMS(Least Mean Square) algorithm for ICS(Interference Cancellation System). The proposed Signed LMS algorithm improved performances by adjusting step size values. At the convergence of 1000 iteration state, the MSE(Mean Square Error) performance of the proposed Signed LMS algorithm with step size of 0.067 is about 3 ~ 18 dB better than the conventional LMS, CMA algorithm. And the proposed Signed LMS algorithm requires 500 ~ 4000 less iterations than the and LMS and CMA algorithms at MSE of -25dB.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 시변환경에서 변화하는 궤환 간섭 제거 LMS 알고리즘을 변형하여 궤환 간섭의 크기에 따른 Signed LMS을 제안한다. 2장에서는 RF 중계기내의 간섭제거시스템의 원리에 대해 살펴보고, 기존 LMS 알고리즘에 대해 살펴본다.

가설 설정

표 1은 시뮬레이션하기 위한 시스템 조건을 나타낸 것이다. 여기서, 중계기에서 가장 제거 대상인 궤환 신호이므로 수신단과 송신단 사이는 궤환 신호가 없는 것과 궤환 신호가 있는 것으로 가정하였다. 실험에서 WCDMA 시스템으로 시스템 대역폭과 샘플링 주파수를 각각 10MHz으로 실시하였다.

제안 방법

본 논문에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기술을 이용한 간섭제거 중계기시스템이 필요하게 되며, 이것을 제거하기 위한 RF 중계기 내의 간섭 제거 알고리즘을 이용한 제거방식을 쓰고 있다. 그 중 대표적인 알고리즘인 LMS(Least Mean Square)을 주로 사용하고 있다[5-8].
ICS 중계기의 목표는 시간 지연이 없이 궤환되어 들어오는 신호를 신속히 제거하고, 빠르게 수렴할 수 있는 시스템을 구현하는 것이 중요하다. 일반적인 LMS 알고리즘보다 수학적인 연산을 줄이면서 동일한 성능으로 수렴할 수 있는 알고리즘으로 본 논문에서는 Signed LMS 알고리즘을 적용하여 시스템을 구성하겠다. 스텝사이즈에 따라 Signed LMS 알고리즘의 수렴 현상을 이용해 에러를 추정하여 제거한다.
여기서, 중계기에서 가장 제거 대상인 궤환 신호이므로 수신단과 송신단 사이는 궤환 신호가 없는 것과 궤환 신호가 있는 것으로 가정하였다. 실험에서 WCDMA 시스템으로 시스템 대역폭과 샘플링 주파수를 각각 10MHz으로 실시하였다. 각각의 알고리즘은 스텝사이즈를 너무 큰 값이나 작은 값을 줄 경우 발산되어 버린다.
각각의 알고리즘은 스텝사이즈를 너무 큰 값이나 작은 값을 줄 경우 발산되어 버린다. 따라서 각각의 알고리즘에 대해 안정적으로 적용될 수 있는 스텝사이즈를 단계적으로 값을 넣어 변화와 비교된 성능을 분석하였다.

이론/모형

일반적인 LMS 알고리즘보다 수학적인 연산을 줄이면서 동일한 성능으로 수렴할 수 있는 알고리즘으로 본 논문에서는 Signed LMS 알고리즘을 적용하여 시스템을 구성하겠다. 스텝사이즈에 따라 Signed LMS 알고리즘의 수렴 현상을 이용해 에러를 추정하여 제거한다. 이렇게 함으로써 적응도를 유연하고, 적응도가 좀 더 빠르게 하여 오차를 최대한 줄일 수 있다.
또한 향후 하드웨어 구성 시 용이하게 구현할 수 있다. 수렴속도와 에러를 동시에 만족시키는 보정방법으로 Signed LMS 알고리즘을 적용한다. LMS 알고리즘에 대한 sign 알고리즘은 다음과 같이 정의할 수 있다.
본 논문에서는 Signed LMS 알고리즘을 이용하여 ICS 시스템에 적용하게 되었다. 결국 궤환 신호의 크기가 0 dB ∼ 10 dB 일 때 하였으며, 제안한 Signed LMS 알고리즘은 스텝사이즈 값을 0.

성능/효과

제안된 Signed LMS 알고리즘은 기존 CMA, LMS, NLMS 알고리즘보다 3000 회 이상 수렴율을 줄일 수 있으며, 반복횟수 2500회 일 때 약 13∼23dB 이내로 우수하다.
또한 수렴율은 평균자승에러 -25dB일 때 LMS, CMA 알고리즘보다 반복횟수 약 500 ∼ 4000회 빠르게 나타난다.
제안된 Signed LMS 알고리즘은 기존 LMS, CMA 알고리즘보다 평균 자승 에러가 반복 횟수 1000 회 일 때 약 3 ∼ 18dB 이내로 우수하다.
또한 수렴율은 평균자승에러 -25dB일 때 LMS, CMA 알고리즘보다 반복횟수 500 ∼ 1000 회 빠르게 나타난다.
즉 스텝사이즈 값을 0.025로 하였을 때 제안된 Signed LMS 알고리즘은 기존 LMS, CMA 알고리즘보다 평균 자승 에러가 반복횟수 1500 회 일 때 약 3 ∼ 5dB 이내로 우수하다.
결국 궤환 신호의 크기가 0 dB ∼ 10 dB 일 때 하였으며, 제안한 Signed LMS 알고리즘은 스텝사이즈 값을 0.067로 하였을 때 기존 CMA, LMS, NLMS 알고리즘과 비교하여 평균 자승 에러가 반복횟수 1000 회 일 때 약 3 ∼ 18 dB 이내 에러율을 보였으며, 평균 자승 에러가 -25 dB 일때 반복횟수 약 500 ∼ 4000회 정도로 가장 우수하게 나타난다.
위 실험에서 보듯이 궤환 신호를 비교적 크게 했을 경우에도 스텝사이즈를 적절히 조절하게 함에 따라 Signed LMS가 향상된 것은 제안된 스텝사이즈 값과 알고리즘이 비교적 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 이보다 높은 스텝사이즈에서는 발산되어진다.
하지만 이보다 높은 스텝사이즈에서는 발산되어진다. 특히 에러 신호에 대한 유연한 Sign함수를 적용함으로써 더욱 더 빠른 유연하고, 적응도가 높으며, 오차율을 크게 줄일 수 있다.
067로 하였을 때 기존 CMA, LMS, NLMS 알고리즘과 비교하여 평균 자승 에러가 반복횟수 1000 회 일 때 약 3 ∼ 18 dB 이내 에러율을 보였으며, 평균 자승 에러가 -25 dB 일때 반복횟수 약 500 ∼ 4000회 정도로 가장 우수하게 나타난다. 제안된 Signed LMS 알고리즘은 궤환이 없을 시와 있을 시를 비교한 결과 궤환이 있을시 더욱 더 기존 알고리즘보다 성능이 우수하게 나타나는 것으로 확인되었다.

후속연구

이러한 단점을 보완하기 위해 μ값을 조절하여 신호의 크기를 일정하게 유지하고, 입력신호의 유연성을 위한 다각적인 실험을 진행하여야 할 것이다.
이렇게 함으로써 적응도를 유연하고, 적응도가 좀 더 빠르게 하여 오차를 최대한 줄일 수 있다. 또한 향후 하드웨어 구성 시 용이하게 구현할 수 있다. 수렴속도와 에러를 동시에 만족시키는 보정방법으로 Signed LMS 알고리즘을 적용한다.
앞으로 제안된 Signed LMS 알고리즘을 이용하여 실제 ICS 중계기 구현을 통한 실험을 실시하는 연구가 계속 되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	채널 값을 추정할 때 적응성 선형 필터기에 RLS가 아닌 최소 평균자승 알고리즘인 LMS을 사용하는 이유는?	채널을 추정하기 위한 알고리즘으로 LMS와 RLS (Recursive Least Square)가 대표적이지만, 실제 각각의 알고리즘들의 모의실험 결과와 연산량 계산은 RLS 알고리즘이 LMS 알고리즘보다 채널을 추정하는 가중치 수렴을 2배정도 빠르게 하고, 채널의 분산에 대해 LMS보다 성능이 좋지만, 매 반복횟수(Iteration)마다 연산량이 많아 하드웨어 구현 시 상당한 어려움이 겪게 된다. 따라서 최소 평균자승 알고리즘인 LMS를 활용하여 적응성 선형 필터기의 출력 에러 자승 평균값이 최소가 되도록 적응상수를 조절하여 탭 가중계수에 의해 처리되며 채널 값을 추정하게 된다.
	국내 이동전화서비스에서 RF(Radio Frequency) 간섭 제거중계기의 점유율은?	중계기는 이동통신시스템의 확대로 인한 음영지역 해소를 위해 반드시 필요한 장치이다. 특히 RF(Radio Frequency) 간섭 제거중계기는 국내 이동전화서비스 사업자인 SKT, KTF, LGT에서 90% 이상 차지할 정도로 수요가 크다. 최근 휴대인터넷, 위성 DMB 서비스의 폭발적인 증가로 더욱 더 중계기의 역할이 커진다.
	중계기는 왜 필요한가?	중계기는 이동통신시스템의 확대로 인한 음영지역 해소를 위해 반드시 필요한 장치이다. 특히 RF(Radio Frequency) 간섭 제거중계기는 국내 이동전화서비스 사업자인 SKT, KTF, LGT에서 90% 이상 차지할 정도로 수요가 크다.

참고문헌 (9)

S. Rappaport, Wireless Communications. Prentice Hall, 2002.
S.-M. Kim, "Limit Analysis of the Distance between DU and RU in 4G FDD Mobile Communication Systems," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 1, 2012, pp. 135-139.
S.-M. Kim, "A New RF-path Calibration Method for BSs with Repeaters," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 6, no. 2, 2011, pp. 274-279.
P. Haghighat and A. Ghrayeb, "Trickle-Based Interference Cancellation Schemes for CDMA Systems," IEEE Trans. Wireless Communication, vol. 8, no. 1, 2009, pp. 13-17.

상세보기
W. Moon and S. Im, "Adaptive feedback interference cancellation using correlation for WCDMA wireless repeaters," The Institute of Electronics Engineers of Korea, Journal, vol. 44, no 7, 2007, pp. 660-665.
Lattice Semiconductor Corporation, "LMS Adaptive Filter," Reference Design RD 1031, 2006.
S.-S. Hwang, "Channel Estimation Based on LMS Algorithm for MIMO-OFDM System," J. of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 6, 2012, pp. 1455-1461.
S. Kim, J. Lee, J. Lee, J. Kim, B. Lee, and N. Kim, "Adaptive feedback interference cancellation system(AF-ICS)," Proc. IEEE MTTS Int. Microwave Symp, Dig, vol. 1, 2003, pp. 627-630.
T. Aboulnasr and K. Mayyas, "A robust Variable Step-Size LMS Type Algorithm Analysis and Simulation," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 45, no. 3, Mar. 1997, pp. 631-639.

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