It is well known that we can effectively improve system capacity, service quality, and coverage of service area in wireless communications by adopting an antenna array at the base station. The space-time signal processing for code division multiple access (CDMA) systems is one of the promising technology. Many space-time receivers for the uplink in CDMA systems have been proposed, which use knowledge of the received spatial and temporal signature waveform for the desired user. The channel information needed for symbol detection is normally acquired through the use of training sequences (or symbols) known both by the transmitter and receiver. However, not many space-time algorithms for the downlink in FDD (Frequency Division Duplexing) have been proposed. This is partially because the channel information obtained in uplink can not be directly used for downlink beamforming in FDD. Especially, when antenna array is not well calibrated, then the finding optimum downlink beaforming algorithm gets more difficult.
In this dissertation, we propose several calibration algorithms for asynchronous CDMA-based antenna array in the presence of unknown gain and phase errors. The algorithms are not dependent on the geometry of antenna array and can be used when the number of signals could be greater than the number of antennas. The first on-line calibration algorithm does not require a prior knowledge of the DOAs (direction of arrivals) and multi-path delays of the signals of any user, but requires the code sequence of a reference user which is already known to the base station. The proposed algorithm provides us with estimates of the DOAs, the multi-path impulse response of the reference signal source, and the calibration of the antenna gain and phase, even under multiple access interference.
We also present a new iterative calibration algorithm which works when the carrier offset often caused by either unstable oscillator or Doppler effect is present. The algorithm provides us with estimate channel parameters and the carrier offset as well as calibration vector without using the training sequences. The algorithms are based on the two step procedures, one for estimating both channel and frequency offset and the other for estimating the unknown array gain and phase. Furthermore, we propose an efficient algorithm which removes the necessity of eigen-decomposition in estimating channel parameters. Also, theoretical Cramer Rao Bounds for the proposed estimation algorithms are derived in the appendix. Finally, we propose an adaptive calibration algorithm based on minimum mean square criterion and a receiver and a transmit structure in which the algorithm is implemented.
Simulation results are presented for demonstrating the performance of the pro-posed algorithms in a multiple access interference(MAI) channel. The algorithms show superior performance to the one using spatial information when strong MAI is present. Furthermore, the proposed algorithm is proven to be insensitive to the initial condition or the number of multipaths of mobile users. We also use the experimental data obtained through the custom-built W-CDMA test-bed to evaluate the performance of the proposed algorithms in CDMA systems.
기지국에 배열 안테나(antenna array)를 사용하게 되면 통신 시스템의 용량, 서비스의 품질,서비스 영역 등이 확장된다는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 특히, CDMA 망에서 시공간 신호처리(Space Time Processing)는 전도 유망한 기술 중의 하나로서, 역방향 링크(Uplink)서비스를 위한 많은 시공간 알고리즘들이 제안 되어 왔다. 제안된 알고리즘들은 일반적으로 통신 채널 정보를 필요로 하게 되는데, 이를 위해 각 송 수신기에서 알려진 training sequence 사용하여 채널을 추정한다.
그러나, 역방향 링크와 순방향 링크(Downlink)에서 서로 다른 주파수를 사용하는 FDD(Frequency Division Duplexing) 시스템에 사용 가능한 시공간 알고리즘들은 많이 제안되지 못하였다. 그 이유는 역방향 링크에서 사용한 정보를 곧바로 순방향 링크에 적용할 수 없기 때문이며, 특히 배열 안테나의 특성이 서로 동일하지 않고 불일치하게 되면 최적의 알고리즘을 찾기는 더욱 매우 어렵게 된다.
따라서 본 논문에서는, 비동기 CDMA시스템에 적용 가능한 몇 개의 Online Calibraton 알고리즘 (배열안테나의 불일치를 보정(calibration)하는 알고리즘)을 제안하다. 제안된 알고리즘들은 어떤 배열 안테나의 구조에도 적용가능하며, 기존의 알고리즘을 적용 할 수 없는 경우, 즉 안테나에 들어오는 수신 신호의 수가 안테나의 수보다 많을 경우에도 적용 가능하다.
제안된 알고리즘들은 사전에 입사신호의 도래각(DOA) 또는 시간 지연(mutipath delay)을 알 필요가 없으며, 단지 이미 기지국에서 이미 알고 있는 기준 사용자의 코드 만을 사용하여 Online으로 calibration 하게 된다. 제안된 알고리즘을 사용하면, 간섭신호가 존재하는 상황에서도, calibration (배열안테나의 불일치)값을 추정할 뿐 만 아니라, 도래각과 시간 지연을 부산물로 얻게 되는 장점도 있다.
또한, 본 논문에서는 수신기와 송신기사이의 주파수 불일치로 인한 주파수 offset이 있을 경우에도 동작할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 마찬가지로 제안된 알고리즘은 단지 기준 사용자의 코드 만을 사용하여 주파수 offset 뿐만 아니라, 신호의 도래각과 시간 지연을 부산물로 제공한다.
제안된 알고리즘들은 채널 추정 부분과 calibration 추정부분으로 나누어져 있는데, 이 두 부분은 서로 보완하며 추정해 나가면서 동작하게 되어있다. 또한 본 논문에서는 제안된 알고리즘들을 고속으로 처리할 수 있는 알고리즘을 제안하여, 계산량이 많이 필요한 행렬의 Eigen-decomposition부분을 간단한 최소자승(Least-Square)문제로 전환하여 전체 계산량을 한 차수(order) 줄인 알고리즘을 제안하였다.
마지막으로 최소 평균자승(Minimum Mean Square)에 근간한 적응 알고리즘을 제안하는데, 알고리즘 뿐 만 아니라 이를 수용할 수 있는 송, 수신기 구조 또한 제안하였다.
본 논문에서는 제안된 알고리즘을 검증하기 위해 컴퓨터 실험 뿐 만 아니라 IMT2000용 테스트 베드에서 얻어진 실측 데이터를 이용하여 제안한 알고리즘들의 성능을 검증하였다.
