[논문]Signed-Signed LMF 알고리즘을 이용한 간섭제거 중계기

한용식

doi:10.13067/jkiecs.2019.14.5.805

초록
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최근 4G 이동통신 제조업체의 대다수는 적응성이 우수한 중계를 선호하는 편이다. 본 논문에서는 LTE RF 중계기를 위한 새로운 LMF(: Least Means Fourth) 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘은 LMF(: Least Means Fourth)를 수정한 것으로서, 스텝 사이즈를 적절하게 조절하고 Sign 함수에 따라 개선된 성능을 보이게 된다. 스텝사이즈 0.009인 제안된 LMF 알고리즘 평균 자승 에러는 약 -25dB로 낮은 수준이고, 평균 자승 에러 -25dB를 기준으로 기존 알고리즘보다 반복 회수가 500회 이상 빠르게 수렴된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a majority of 4G mobile telecommunication manufacturers prefer repeaters with good adaptability. In this paper, we propose a new LMF(: Least Means Fourth) algorithm for LTE(: Long Term Evolution) RF(: Radio Frequency) Repeater. The proposed algorithm is a modification of the LMF, which app...

Recently, a majority of 4G mobile telecommunication manufacturers prefer repeaters with good adaptability. In this paper, we propose a new LMF(: Least Means Fourth) algorithm for LTE(: Long Term Evolution) RF(: Radio Frequency) Repeater. The proposed algorithm is a modification of the LMF, which appropriately adjusts the step size and improves performance according to the Sign function. The steady state MSE(: Mean Square Error) performance of the proposed LMF algorithm with step size of 0.009 is low level at about -25dB, and the proposed LMF algorithm requires 500 less iterations than the conventional algorithms at MSE of -25dB.

주제어

표/그림 (5)

그림 그림 1. 적응제어 시스템을 적용한 간섭제거시스템 구조 Fig. 1 The structure of ICS(: Interference Cancellation System) using the adaptive control system.
그림 그림 2. 궤환 신호의 크기가 5dB인 경우 CMA, LMS, LMF, Signed-Signed LMF 알고리즘 비교(μ=0.5) Fig. 2 Comparison of results between Signed-Signed LMF and CMA, LMS, LMF algorithm in case of 5dB of feedback signal.
그림 그림 3. 궤환 신호의 크기가 5dB인 경우 CMA, LMS, LMF, Signed-Signed LMF 알고리즘 비교(μ =0.09) Fig. 3 Comparison of results between Signed-Signed LMF and CMA, LMS, LMF algorithm in case of 5dB of feedback signal.
표 표 1. 시뮬레이션 조건 Table 1. Simulation conditions
그림 그림 4. 궤환 신호의 크기가 10dB인 경우 CMA, LMS, LMF, Signed-Signed LMF 알고리즘 비교(μ =0.009) Fig. 4 Comparison of results between Signed-Signed LMF and CMA, LMS, LMF algorithm in case of 10dB of feedback signal.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 RF 중계기에 쓰이는 LMF(: Least Means Fourth) 알고리즘을 이용하여 시변환경에서 변화하는 궤환 간섭 제거 LMF 알고리즘을 변형하여 입력신호와 궤환 간섭의 크기에 따른 Signed-Signed LMF 알고리즘을 제안한다. 2장, 3장에서는 RF 중계기 내의 간섭제거 시스템의 원리에 대해 살펴보고, 기존 LMS(: Least Means Square), LMF 알고리즘에 대해 언급한다.

제안 방법

실험 중 스텝사이즈의 조정값에 따라 변화량이 너무 큰 값이거나 작은 값일 경우에는 발산되어 버린다. LMF 알고리즘의 경우 에러값의 세제곱을 함에 따라 변화폭이 커지는 것은 상대적으로 에러값과 입력값에 Sign의 부호를 취함으로써 스텝사이즈를 단계적으로 값을 넣어 변화와 비교된 성능을 분석하였다.
여기서, 중계기의 제거 대상인 궤환 신호를 10dB 내 정도로 있는 것으로 가장하고, 기존 CMA, LMS, LMF 알고리즘과 비교하였다. LTE 시스템으로 시스템 대역폭과 샘플링 주파수를 각각 10MHz 정도로 하였다. 실험 중 스텝사이즈의 조정값에 따라 변화량이 너무 큰 값이거나 작은 값일 경우에는 발산되어 버린다.
표 1은 중계기와 비슷한 환경으로 시뮬레이션하기 위한 시스템 조건을 나타낸 것이다. 여기서, 중계기의 제거 대상인 궤환 신호를 10dB 내 정도로 있는 것으로 가장하고, 기존 CMA, LMS, LMF 알고리즘과 비교하였다. LTE 시스템으로 시스템 대역폭과 샘플링 주파수를 각각 10MHz 정도로 하였다.

이론/모형

ICS 중계기의 목표는 시간 지연이 없이 궤환되어 들어오는 신호를 신속히 제거하고, 빠르게 수렴할 수 있는 시스템을 구현하는 것이 중요하다. 기존 LMS, LMF 알고리즘보다는 수렴과 에러를 향상시킬 수 있는 알고리즘으로 본 논문에서는 Signed-Signed LMF 알고리즘을 적용하여 실험을 진행하였다. 스텝사이즈에 따라 수렴현상을 이용해 에러를 추정하여 제거한다.
본 논문에서는 Signed-Signed LMF 알고리즘을 이용하여 ICS(: Interference Cancellation System)에 적용하게 되었다. 궤환 신호를 5dB로 적게 하고, 스텝사이즈도 비교적 클 때에는 기존 LMS와 LMF보다 에러율이 다소 떨어지지 않지만 궤환 크기를 10dB로 하고, 스텝사이즈도 비교적 적게 할 경우에는 제안한 알고리즘은 기존 CMA, LMS, LMF 알고리즘보다 수렴율이 500회 이상 향상되는 것을 볼 수 있었다.
또한, 향후 하드웨어 구성 시 용이하게 구현할 수 있다. 수렴속도와 에러를 동시에 만족시키는 보정방법으로 Signed-Signed LMF 알고리즘을 적용한다. LMF 알고리즘에 대한 Sign 알고리즘은 식(6)과 같이 정의할 수 있다.

성능/효과

본 논문에서는 Signed-Signed LMF 알고리즘을 이용하여 ICS(: Interference Cancellation System)에 적용하게 되었다. 궤환 신호를 5dB로 적게 하고, 스텝사이즈도 비교적 클 때에는 기존 LMS와 LMF보다 에러율이 다소 떨어지지 않지만 궤환 크기를 10dB로 하고, 스텝사이즈도 비교적 적게 할 경우에는 제안한 알고리즘은 기존 CMA, LMS, LMF 알고리즘보다 수렴율이 500회 이상 향상되는 것을 볼 수 있었다. 그리고, 에러율도 전체적으로 –25dB로 낮은 값을 보여 전체적인 성능개선에 도움이 될 것이다.
또한, 반복 회수도 150회일 때 –50dB로 비교적 빠르게 수렴하는 특성을 보였다.
그림 3은 5dB의 궤환 신호의 크기가 있을 때 나타 낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 다른 알고리즘과 비교한 결과이다. 스탭사이즈를 조금씩 적게 하면서 조정하여 스텝사이즈 값을 0.09로 하였을 때 -5dB의 특성값을 보여 기존 알고리즘보다 약 5dB 에러율이 떨어진다. 또한, 반복 회수도 150회일 때 –50dB로 비교적 빠르게 수렴하는 특성을 보였다.
스텝사이즈 μ값이 크면 수렴 속도는 빨라지나, 평균 자승 에러가 높아져 정확도가 떨어지며, 스텝사이즈 μ값이 작으면 수렴 속도는 느려지나, 평균 자승 에러가 낮아져 정확도가 높아진다.
그림 4는 10dB의 궤환 신호의 크기가 있을 때 나타낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 다른 알고리즘과 비교한 결과이다. 스텝사이즈 값을 0.009로 하였을 때 제안된 알고리즘은 기존 LMF 알고리즘보다 수렴율이 약 500회 이상 빠르고, -25dB의 오차율로 낮게 형성되어 진다.
그림 2는 5dB의 궤환 신호의 크기가 있을 때 나타낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 다른 알고리즘과 비교한 결과이다. 스텝사이즈 값을 0.5로 하였을 때 제안된 Signed-Signed LMF 알고리즘은 기존 CMA, LMS, LMF 알고리즘보다 10～20dB 에러율이 조금 떨어지는 결과를 보이고 있다. 이것은 LMF 알고리즘의 특성상 에러의 세제곱과 입력값과 에러값의 Sign 값에 따른 초기 적응율이 떨어져 다소 떨어지게 된다.

후속연구

그리고, 에러율도 전체적으로 –25dB로 낮은 값을 보여 전체적인 성능개선에 도움이 될 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-Signed LMF 알고리즘을 적용한다.
스텝사이즈 μ값을 상황에 따라 변화시켜 스텝 사이즈 크기에 따른 수렴 속도와 에러 특성을 보완하기 위한 다각적인 실험을 진행하여야 할 것이다.
앞으로 제안된 알고리즘은 궤환 신호와 주위의 변화하는 환경이 크면 클수록 Sign값과 스텝사이즈 값 조절에 의해 발산 없이 안정적으로 적응하는데 있어 뛰어날 것이다. 다만 스텝사이즈 조절값을 0.
향후 제안된 알고리즘을 이용하여 옥외 중계기의 변화에 대응되는데 좋은 예로 사용되기를 바라며, 실제 중계기의 특성을 고려하여 적용하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DU와 RU로 분리된 형상의 기지국은 어떻게 배치되는가?	최근에 와서 DU(: Digital Unit)와 RU(:Radio Unit)로 분리된 형태의 기지국이 많이 등장하고 있다. 이러한 DU와 RU로 분리된 형상의 기지국은 전화국사에 DU를 두고, 설치비용 및 임대비용이 많이 드는 최소한의 RF 소자들로 구성된 RU를 설치한다. DU와 RU 간 거리를 무한정 늘릴 수 있으면, RU셀의 개수가 늘어날 수 있어 경제적이다.
	ICS 기술의 특성은?	그런데 이 출력된 신호는 다시 궤환 신호로 RF중계기의 입력 단에 유입 되어 간섭으로 나타나게 되는데 이런 현상이 반복되 게 되면 결국 발진(Oscillation)이 발생하게 된다. 이런 현상을 위한 ICS(: Interference Cancellation System) 기술은 증폭기 수신 안테나의 간섭 제거를 통해 성능을 향상시켜 나가고, 음영 지역 해소와 용량을 확대시 킬 수 있다. 적응형 ICS는 궤환 간섭 잡음을 제거하기 위해 궤환 간섭 신호를 실시간으로 인지하여, 적응 알고리즘을 통해 간섭 제거 파라메터, 즉 지연 시간, 위상, 진폭 등의 값을 결정하고, 계산된 값을 새로운 궤환 신호에 가중치(Weighting)를 주어 지속적인 궤환 간섭 잡음을 제거한다.
	어떤 현상을 위해 ICS 기술이 사용되는가?	궤환된 신호는 RF 중계기 입력 단에 간섭 (Interference)으로 유입되어 증폭기를 거쳐 원하는 신 호와 같이 증폭되어 출력하게 된다. 그런데 이 출력된 신호는 다시 궤환 신호로 RF중계기의 입력 단에 유입 되어 간섭으로 나타나게 되는데 이런 현상이 반복되 게 되면 결국 발진(Oscillation)이 발생하게 된다. 이런 현상을 위한 ICS(: Interference Cancellation System) 기술은 증폭기 수신 안테나의 간섭 제거를 통해 성능을 향상시켜 나가고, 음영 지역 해소와 용량을 확대시 킬 수 있다.

참고문헌 (10)

D. Kim, "Trend of IoT Situation Recognition Technology," The J. of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 24, no. 4, July 2013, pp. 20-25.

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S. 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.
Y. Han, "Adaptive Interference Cancellation Method in Wireless Repeater System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 5, 2016, pp. 459-464.

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J. Kim and W. Oh, "A Design Method of The Active Noise Controllers for the Perceived Noise Reduction," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no. 1, 2019, pp. 179-184.
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, vol. 1, 2003, pp. 627-630.
H. Chen and S. Kang, "An Interchannel Self-Cancellation Scheme for the Orthogonal Frequency Division Multiplexing System," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 4, 2018, pp. 729-736.
Lattice Semiconductor Corporation, "LMS Adaptive Filter," Reference Design RD1031, Feb. 2012, pp. 1-4.
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. 35-40.
P. I. Hubscher and J. C. Bermudez, "An improved statistical analysis of the least mean fourth(LMF) adaptive algorithm," IEEE Trans., vol. 51, no. 3, 2003, pp. 664-671.
J. Lim, "An algebraic step size least mean fourth algorithm for acoustic communication channel estimation," The Journal of the Acoustical Society of Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 35, no. 1, 2016, pp. 55-62.

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