KR102467175B1 - Method and system for transmitting/receiving data using multiple space time line codes/decodes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법 및 시스템에 관한 것으로, 데이터 송수신 방법은 송신기가 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하는 단계; 상기 송신기가 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하는 단계; 상기 송신기가 부호화된 다수의 데이터 스트림을 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행하는 단계; 상기 사전부호화가 수행된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 단계; 수신기가 다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계; 및 상기 수신기가 상기 시공간 선 복호화된 신호를 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method and system for transmitting and receiving data using multi-space-time line coding and decoding, the method comprising: dividing a plurality of input symbols modulated by a transmitter into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion; performing, by the transmitter, multi-space-time encoding on each of a plurality of data streams; performing pre-coding on the plurality of coded data streams by the transmitter using channel state information; transmitting the plurality of data streams on which the precoding is performed through a plurality of transmit antennas; performing, by a receiver, multi-space-time line decoding by receiving the plurality of data streams through a plurality of receive antennas; and restoring, by the receiver, the space-time line-decoded signal into a single data symbol through parallel-to-serial conversion.

Description

다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TRANSMITTING/RECEIVING DATA USING MULTIPLE SPACE TIME LINE CODES/DECODES}Method and system for transmitting and receiving data using multi-space-time line encoding and decoding

본 발명의 실시예들은 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법 및 시스템에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a method and system for transmitting and receiving data using multi-space-time line coding and decoding.

송신 전력과 대역폭이 제한된 상황에서 송신기와 수신기간의 전송 속도를 높이기 위해 다중 안테나를 이용한 전송 방식이 널리 사용된다. 대부분의 통신시스템에서는 송수신단에서 미리 알고 있는 파일럿(pilot) 신호를 전송해서 수신단에서 채널을 추정하고, 이를 이용하여 수신 신호로부터 송신 심볼을 검출한다. 그리고 일부 통신시스템의 경우 수신기에서 추정한 채널 상태 정보를 송신기로 전달하여 다중 안테나 시스템의 채널 용량을 증가시킨다. 다중 안테나 시스템에서 송신기는 채널 상태 정보를 모르고 수신기만 채널 상태 정보를 알고 있는 경우 시공간 블락 코드(space-time block code)를 이용해서 최대 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.A transmission method using multiple antennas is widely used to increase transmission speed between a transmitter and a receiver in a situation where transmission power and bandwidth are limited. In most communication systems, a transmitting/receiving end transmits a known pilot signal to estimate a channel at the receiving end, and detects a transmitted symbol from the received signal using this. And, in some communication systems, the channel capacity of the multi-antenna system is increased by transferring the channel state information estimated by the receiver to the transmitter. In a multi-antenna system, when the transmitter does not know the channel state information and only the receiver knows the channel state information, a maximum diversity gain can be obtained using a space-time block code.

최근 널리 보급되고 있는 사물인터넷(IoT; Internet of Things) 기기의 경우 휴대성을 높이고 긴 동작 시간을 보장하기 위해 사물인터넷 단말을 저전력, 저복잡도, 저비용으로 구현하는 것이 매우 중요하다. 또한, 센서 네크워크에 사용되는 사물인터넷 단말의 경우 소량의 정보를 산발적으로 전송하므로 채널 추정을 위해 파일럿을 전송하는 경우 전체 전송 용량 대비 파일럿에 의한 용량 손실 비율이 커지게 된다. 이런 문제를 해결하기 위해 사물인터넷의 상향링크에서는 파일럿을 이용해서 채널 추정을 수행하고, 하향링크에서는 채널 추정을 위한 파일럿을 전송하지 않는 환경을 고려한다. 이때 상향링크와 하향링크 데이터는 시분할 다중화를 통해 동일한 대역에서 전송되고, 상향링크 채널과 하향링크 채널은 대칭적인 것으로 가정한다. 이 경우 사물인터넷 하향링크 송신기에서는 채널 상태 정보를 알고, 하향링크 수신기에서는 채널 상태 정보를 모르는 상태에서 통신이 이루어진다.In the case of Internet of Things (IoT) devices that have recently been widely spread, it is very important to implement IoT terminals with low power, low complexity, and low cost in order to increase portability and guarantee a long operation time. In addition, since an IoT terminal used in a sensor network sporadically transmits a small amount of information, when a pilot is transmitted for channel estimation, the ratio of capacity loss due to the pilot to the total transmission capacity increases. In order to solve this problem, channel estimation is performed using pilots in uplink of the IoT, and an environment in which pilots for channel estimation are not transmitted is considered in downlink. At this time, it is assumed that uplink and downlink data are transmitted in the same band through time division multiplexing, and that the uplink and downlink channels are symmetrical. In this case, communication is performed in a state where the IoT downlink transmitter knows the channel state information and the downlink receiver does not know the channel state information.

송신기에서는 채널 상태 정보를 알고 수신기에서는 모르는 경우, 송신기에서 채널 행렬의 역행렬을 곱해서 전송하는 사전부호화(precoding) 기법을 사용할 수 있다. 하지만 채널 행렬 벡터 사이의 상관 계수가 큰 경우 역행렬 과정에서 잡음이 증폭되는 문제가 발생한다. 이에 대한 대안으로 송신기의 채널 상태 정보를 이용해서 수신기에서 채널 정보 없이 최대 다이버시티를 얻을 수 있는 시공간 선 부호(space-time line code) 전송 기법이 개발되었다. 이 방식의 송신기에서는 시공간 블락 부호화 행렬과 다중 안테나 채널 행렬을 이용해서 시공간 선 부호화된 신호를 생성하고, 수신기에서는 채널 정보에 상관없이 고정된 결합기를 사용하며, 이를 통해 수신기에서만 채널 상태 정보를 이용하는 시공간 블락 부호와 동일한 신호대 잡음비를 얻는다.If the transmitter knows the channel state information and the receiver does not, the transmitter may use a precoding technique in which the channel matrix is multiplied by an inverse matrix and transmitted. However, when the correlation coefficient between channel matrix vectors is large, noise is amplified during the inverse matrix process. As an alternative to this, a space-time line code transmission technique has been developed in which maximum diversity can be obtained without channel information in a receiver using channel state information of a transmitter. In this method, the transmitter generates a space-time line coded signal using a space-time block coding matrix and a multi-antenna channel matrix, and the receiver uses a fixed combiner regardless of channel information, and through this, only the receiver uses channel state information. It obtains the same signal-to-noise ratio as the block code.

시공간 블락 부호는 송신 안테나 수에 따라 다양한 형태로 정의되고, 송신 안테나 수가 증가함에 따라 부호화율이 낮아져서 전송 속도가 느려지거나 시공간 블락 부호간의 직교성이 감소하여 수신기 구조가 복잡해지고 링크 성능이 저하된다. 시공간 선 부호의 경우에도 유사하게 수신 안테나 수에 따라 다양한 형태의 부호화 방식을 정의할 수 있고, 수신 안테나 수에 비례해서 다이버시티 차수가 증가한다.Space-time block codes are defined in various forms according to the number of transmit antennas, and as the number of transmit antennas increases, the coding rate decreases, resulting in slow transmission rates or reduced orthogonality between space-time block codes, complicating the receiver structure and degrading link performance. Similarly, in the case of space-time line codes, various types of coding schemes can be defined according to the number of receive antennas, and the diversity order increases in proportion to the number of receive antennas.

송수신기 모두 다중 안테나를 사용하고, 송신기에서는 채널 상태 정보를 알고 있으며, 수신기에서는 채널 상태 정보를 전혀 모르거나 유효 채널 이득 (effective channel gain) 정보만을 알고 있는 통신 환경에 적용가능한 종래기술의 문제점은 다음과 같다. The problems of the prior art applicable to a communication environment in which both the transmitter and receiver use multiple antennas, the transmitter knows channel state information, and the receiver does not know channel state information at all or only knows effective channel gain information are as follows: same.

-시공간 블락 코드 전송-Time-space block code transmission

이 전송 기법은 송신기에서 채널 정보를 모르고 수신기에서 채널 상태 정보를 아는 경우 다이버시티 이득을 얻는다. 수신기에서 채널 상태 정보를 모르는 경우 시공간 블락 코드는 사용할 수 없다.This transmission technique achieves a diversity gain when the transmitter does not know the channel information and the receiver knows the channel state information. If the receiver does not know the channel state information, space-time blocking code cannot be used.

- 역행렬 기반 사전부호화 기법:- Inverse matrix-based precoding technique:

이 전송 기법은 송신기에서 채널 상태 정보를 알고, 수신기에서 채널 정보를 모르는 경우 공간 다중화 전송을 지원한다. 하지만, 채널 행렬 벡터 사이의 상관 계수가 큰 경우 채널 역행렬 계산 과정에서 수신단에 유입되는 잡음이 증폭되어 신호대 잡음비가 저하되는 문제가 발생한다.This transmission scheme supports spatial multiplexing transmission when the transmitter knows the channel state information and the receiver does not know the channel information. However, when the correlation coefficient between channel matrix vectors is large, noise introduced into the receiver is amplified during the channel inverse matrix calculation process, resulting in a deterioration of the signal-to-noise ratio.

- 시공간 선 부호:- space-time line code:

이 전송 기법은 송신기에서 채널 상태 정보를 알고, 수신기에서 채널 정보를 모르는 경우 최대 다이버시티 이득을 얻는다. 수신기의 구현 복잡도를 줄이기 위해 직교성을 유지하는 경우 수신 안테나 수가 2인 경우에는 최대 부호화율을 얻지만, 3개 이상의 수신 안테나를 사용하는 경우에는 부호화율이 낮아져서 전송율이 저하되는 문제가 있다.This transmission technique achieves maximum diversity gain when the transmitter knows the channel state information and the receiver does not know the channel information. When orthogonality is maintained to reduce implementation complexity of the receiver, the maximum coding rate is obtained when the number of receiving antennas is 2, but when three or more receiving antennas are used, the coding rate is lowered and the transmission rate is lowered.

본 발명의 일 실시예는 다중 안테나 시스템의 송신기에서는 채널 상태 정보(channel state information) 획득이 용이하고, 수신기에서는 채널 상태 정보를 모르거나 부분적인 정보만을 알고 있는 경우에 시공간 선 부호화 및 복호화가 적용된 다수의 데이터 스트림을 동시에 전송하는 데이터 송수신 방법을 제공한다.In an embodiment of the present invention, when channel state information is easy to obtain in a transmitter of a multi-antenna system, and channel state information is not known or only partial information is known in a receiver, space-time line coding and decoding are applied. Provides a data transmission/reception method for simultaneously transmitting data streams of

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법은 송신기가 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하는 단계, 상기 송신기가 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하는 단계; 상기 송신기가 부호화된 다수의 데이터 스트림을 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행하는 단계; 상기 사전부호화가 수행된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 단계; 수신기가 다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계; 및 상기 수신기가 상기 시공간 선 복호화된 신호를 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. A data transmission/reception method using multi-space-time line coding and decoding according to an embodiment of the present invention includes the steps of a transmitter dividing a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion; performing multiple space-time encoding on each stream; performing pre-coding on the plurality of coded data streams by the transmitter using channel state information; transmitting the plurality of data streams on which the precoding is performed through a plurality of transmit antennas; performing, by a receiver, multi-space-time line decoding by receiving the plurality of data streams through a plurality of receive antennas; and restoring, by the receiver, the space-time line-decoded signal into a single data symbol through parallel-to-serial conversion.

일 실시예에서, 상기 사전부호화를 수행하는 단계는, 상기 송신기가 수신기에 구비된 다수의 수신 안테나에 대한 안테나 혼합 패턴을 설정하고, 상기 설정된 안테나 혼합 패턴을 이용하여 기설정된 수신 성능 기준에 따라 상기 사전부호화를 수행하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the step of performing the precoding may include setting, by the transmitter, an antenna mixture pattern for a plurality of reception antennas provided in a receiver, and using the set antenna mixture pattern according to a preset reception performance criterion. It is characterized in that pre-coding is performed.

일 실시예에서, 상기 사전부호화를 수행하는 단계는, 상기 송신기가 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하는 단계; 혼합 패턴의 집합에 포함된 임의의 혼합 패턴을 이용하여 미리 정해진 수신 성능 기준에 따라 사전부호화기를 계산하는 단계; 상기 사전부호화기를 이용하여 정의된 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 대한 수신기의 수신 성능을 계산하는 단계; 및 상기 혼합 패턴의 집합에 포함된 혼합 패턴 중에서 계산된 수신 성능을 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the performing of the precoding may include defining, by the transmitter, a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver; calculating a precoder according to a predetermined reception performance criterion using an arbitrary mixed pattern included in a set of mixed patterns; calculating reception performance of a receiver for each mixed pattern included in a set of defined mixed patterns using the precoder; and selecting a mixed pattern maximizing the calculated reception performance from among the mixed patterns included in the set of mixed patterns.

일 실시예에서, 상기 사전부호화기를 계산하는 단계는, 제로-포싱(zero-forcing), MMSE (minimum mean square error), 합산 전송률 (sum rate) 최대화, SINR (signal-to-interference-plus-noise ratio) 최대화 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the step of calculating the precoder may include zero-forcing, minimum mean square error (MMSE), sum rate maximization, signal-to-interference-plus-noise (SINR) ratio) is characterized by using any one of maximization.

일 실시예에서, 상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는, 상기 수신기가 수신되는 다수의 데이터 스트림을 상기 혼합 패턴을 이용하여 혼합하고, 혼합된 신호를 다수의 데이터 스트림으로 분할한 후 각 데이터 스트림에 대하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the step of performing the multi-space-time line decoding may include mixing a plurality of data streams received by the receiver using the mixing pattern, dividing the mixed signal into a plurality of data streams, and then dividing each data stream into a plurality of data streams. It is characterized by performing multi-space-time line decoding for .

일 실시예에서, 상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는, 상기 수신기가 상기 송신기로부터 혼합 패턴을 전송받는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the performing of the multi-space-time line decoding may include receiving, by the receiver, a mixed pattern from the transmitter.

일 실시예에서, 상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는, 상기 수신기가 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하는 단계; 상기 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 시공간 선 복호화를 수행하는 단계; 각 혼합 패턴에 대한 수신 신호 품질 지표를 계산하는 단계; 및 상기 수신 신호 품질 지표를 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the performing of the multi-space-time line decoding may include defining, by the receiver, a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver; performing space-time line decoding on each mixed pattern included in the set of mixed patterns; calculating a received signal quality index for each mixing pattern; and selecting a mixing pattern maximizing the received signal quality index.

본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신 시스템은, 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하고, 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하며, 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행한 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 송신기; 및 다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화하고, 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원하는 수신기를 포함한다. A data transmission and reception system according to an embodiment of the present invention divides a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion, performs multiple space-time encoding on each of the plurality of data streams, and performs channel state a transmitter for transmitting a plurality of data streams pre-coded using information through a plurality of transmit antennas; and a receiver for receiving the plurality of data streams through a plurality of receiving antennas, performing multi-space-time line decoding, and restoring the plurality of data streams into a single data symbol through parallel-to-serial conversion.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치는, 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하는 직렬 대 병렬 분할기; 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하는 시공간 부호화기; 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행하는 사전부호화기; 및 사전부호화된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 한다. A data transmission apparatus using multi-space-time line coding according to an embodiment of the present invention includes a serial-to-parallel divider for dividing a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion; a space-time encoder that performs multi-space-time encoding on each of a plurality of data streams; a pre-encoder that performs pre-coding using channel state information; and an antenna unit for transmitting a plurality of pre-coded data streams through a plurality of transmission antennas.

일 실시예에서, 상기 안테나부를 통해 동시에 전송되는 데이터 스트림의 수는 상기 송신 안테나 수의 2배인 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the number of data streams transmitted simultaneously through the antenna unit is twice the number of the transmission antennas.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 공간 다중화를 통해 데이터 전송 속도를 높이고, 동시에 다이버시티(diversity) 이득을 높여 전송 링크의 안정성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to increase data transmission speed through spatial multiplexing and improve stability of a transmission link by simultaneously increasing a diversity gain.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 데이터 전송 속도와 전송 안정성을 높이면서 수신기에 해당하는 사물인터넷 단말이나 센서 단말을 저복잡도, 저전력, 저비용으로 구현할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, it is possible to implement an IoT terminal or a sensor terminal corresponding to a receiver with low complexity, low power, and low cost while increasing data transmission speed and transmission stability.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템의 구조를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송수신 시스템의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 수신기의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시공간 부호화기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전부호화기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복호화기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 사전부호화 과정에서 수신 안테나 혼합 패턴을 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 안테나 혼합 패턴을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 대한 데이터 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram showing the structure of a data transmission/reception system using multi-space-time line coding and decoding according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a detailed structure of a data transmission/reception system according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing a detailed structure of a data receiver according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing the structure of a space-time encoder according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the structure of a pre-encoder according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing the structure of a decoder according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a data transmission/reception method using multi-space-time line coding and decoding according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a method of determining a reception antenna mixing pattern in the precoding process of FIG. 5 according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a method of determining a receive antenna mixing pattern according to an embodiment of the present invention.
10 to 12 are diagrams showing the structure of a data receiver according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and/or features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the following detailed description of the embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various forms different from each other, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

본 발명에서는 송수신기 모두 다중 안테나를 사용하고, 송신기는 채널 상태 정보를 알고 있으며, 수신기는 채널 상태 정보가 없거나 유효 채널 이득 정보만을 알고 있는 통신시스템을 고려한다.In the present invention, a communication system is considered in which both the transceiver uses multiple antennas, the transmitter knows channel state information, and the receiver does not have channel state information or only knows effective channel gain information.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화 방식은 사물인터넷 공유기와 단말기에 사용할 수 있고, 센서 네트워크 수집 장치와 센서 단말에 적용할 수 있다.The multi-space-time line encoding and decoding method according to an embodiment of the present invention can be used for IoT routers and terminals, and can be applied to sensor network collection devices and sensor terminals.

이하에서, 하향링크(DL: downlink)는 상위 노드에서 하위 노드로의 통신을 의미하며, 상향링크(UL: uplink)는 하위 노드에서 상위 노드로의 통신을 의미한다. 하향링크에서 송신기는 공유기 또는 센서 네트워크 수집 장치의 일부이고, 수신기는 단말기 또는 센서 단말의 일부일 수 있다. 상향링크에서 송신기는 단말기 또는 센서 단말의 일부이고, 수신기는 공유기 또는 센서 네트워크 수집 장치의 일부일 수 있다.Hereinafter, downlink (DL) means communication from a higher node to a lower node, and uplink (UL) means communication from a lower node to a higher node. In downlink, a transmitter may be a sharer or a part of a sensor network collection device, and a receiver may be a part of a terminal or a sensor terminal. In uplink, a transmitter may be a terminal or a part of a sensor terminal, and a receiver may be a part of a sharer or a sensor network collection device.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화 방식은 하향링크의 송신기에서 채널 상태 정보를 사용하고, 수신기에서는 채널 상태 정보를 사용하지 않거나 유효 채널 이득 정보만을 이용한다. 수신기에서 M-PSK(Mary Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용하는 경우에는 채널 상태 정보를 이용하지 않고, 이외의 변조 방식을 사용하는 경우에는 유효 채널 이득 정보만을 이용한다. 참고로 유효 채널 이득은 수신기에서 파일럿을 사용하지 않는 종래에 알려진 암맹 추정 (blind estimation) 기법으로 획득할 수 있다. In the multi-space-time line coding and decoding scheme according to an embodiment of the present invention, the downlink transmitter uses channel state information, and the receiver does not use channel state information or uses only effective channel gain information. When the receiver uses Mary Phase Shift Keying (M-PSK) modulation scheme, channel state information is not used, and when other modulation schemes are used, only effective channel gain information is used. For reference, the effective channel gain can be obtained by a conventionally known blind estimation technique that does not use a pilot in a receiver.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템의 구조를 나타낸 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송신기의 상세 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 수신기의 상세 구조를 나타낸 도면이다. 1 is a block diagram showing the structure of a data transmission/reception system using multi-space-time line encoding and decoding according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a detailed structure of a data transmitter according to an embodiment of the present invention. , FIG. 3 is a diagram showing a detailed structure of a data receiver according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 데이터 송수신 시스템(10)은 상위 노드(100)와 하위 노드(200)를 포함한다. Referring to FIGS. 1 and 2 , the data transmission/reception system 10 includes an upper node 100 and a lower node 200 .

일 실시예에서는 하며, 데이터 송수신 시스템(10)의 상향 링크를 설명한다. 따라서, 설명의 편의를 위해 이하 상위 노드(100)를 송신기(100)라고 하고, 하위 노드(200)를 수신기(200)라고 한다. In one embodiment, the uplink of the data transmission/reception system 10 will be described. Therefore, for convenience of description, the upper node 100 is referred to as the transmitter 100 and the lower node 200 is referred to as the receiver 200 hereinafter.

송신기(100)의 송신 안테나 수를 M, 동시에 전송하는 데이터 스트림 수를 L, 수신기(200)의 안테나 수를 N=2L로 정의한다. The number of transmission antennas of the transmitter 100 is defined as M, the number of simultaneously transmitted data streams as L, and the number of antennas of the receiver 200 as N=2L.

송신기(100)는 직렬 대 병렬 분할기(110), 시공간 부호화기(120), 사전부호화기(precoder; 130), 안테나부(140)를 포함한다. The transmitter 100 includes a serial-to-parallel divider 110, a space-time encoder 120, a precoder 130, and an antenna unit 140.

직렬 대 병렬 분할기(110)는 변조된 심볼(modulated symbol)이 입력되면 직렬 대 병렬(S/P; Serial-to-Parallel) 변환을 통해 L개의 데이터 스트림으로 분할한다. The serial-to-parallel divider 110 divides a modulated symbol into L data streams through serial-to-parallel (S/P) conversion when a modulated symbol is input.

시공간 부호화기(120)는 각 데이터 스트림에 대해 시공간 부호화(space-time encoding)를 수행한다.The space-time encoder 120 performs space-time encoding on each data stream.

사전부호화기(130)는 시공간 부호화된 전체 신호에 대해 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행한 후 M개의 송신 안테나를 이용해서 송신한다.The pre-encoder 130 pre-encodes the entire time-space coded signal using the channel state information and transmits it using M transmit antennas.

또한 사전부호화기(130)는 수신 안테나 혼합 패턴(receive antenna shuffling pattern) 중에서 수신기의 시공간 선 복호화(space-time line decoding) 성능이 최대가 되도록 하는 안테나 혼합 패턴을 선택한다. 이러한 혼합 패턴 선택에 대해서는 추후 도 5를 참조하여 상세히 설명한다. Also, the precoder 130 selects an antenna shuffling pattern that maximizes space-time line decoding performance of the receiver from among receive antenna shuffling patterns. Selection of such a mixed pattern will be described in detail later with reference to FIG. 5 .

안테나부(140)는 M개의 송신 안테나를 포함하고, 사전부호화된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신한다. The antenna unit 140 includes M transmission antennas, and transmits a plurality of pre-coded data streams through the plurality of transmission antennas.

일 실시예에서, 송신기(100)는 채널 추정부(150)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the transmitter 100 may further include a channel estimation unit 150.

채널 추정부(150)는 사전부호화기(130) 설계에 필요한 채널 상태 정보 (CSI: Channel State Information)를 상향링크 전송 신호를 이용해서 추정한다. The channel estimator 150 estimates channel state information (CSI) necessary for designing the precoder 130 using an uplink transmission signal.

또한, 사전부호화기를 설계할 때 가능한 수신 안테나 혼합 패턴(receive antenna shuffling pattern) 중에서 수신기의 시공간 선 복호화(space-time line decoding) 성능이 최대가 되도록 하는 안테나 혼합 패턴을 선택한다.In addition, when designing a precoder, an antenna shuffling pattern that maximizes space-time line decoding performance of a receiver is selected from possible receive antenna shuffling patterns.

도 1 및 도 3을 참조하면, 수신기(200)는 안테나부(210), 혼합부(220), 복호화부(230) 및 단일화부(240)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 and 3 , the receiver 200 may include an antenna unit 210, a mixing unit 220, a decoding unit 230, and a unifying unit 240.

안테나부(210)는 N개의 수신 안테나를 포함하고, 다수의 데이터 스트림을 다수의 수신 안테나를 통해 수신한다. The antenna unit 210 includes N receiving antennas and receives multiple data streams through the multiple receiving antennas.

혼합부(220)는 송신기(100)에서 사전부호화기 설계시 사용한 혼합 패턴을 적용해서 수신 안테나 혼합 절차를 수행한다. 이때, 송신기(100)에서 사용한 안테나의 혼합 패턴을 별도의 채널을 통해 송신기(100)로부터 전송받거나 또는 혼합부(220)에서 송신기(100)가 사용 가능한 안테나 혼합 패턴 정보를 이용해서 실제 수신 신호에 사용된 안테나 혼합 패턴을 찾을 수 있다. The mixing unit 220 performs a reception antenna mixing procedure by applying a mixing pattern used when designing a precoder in the transmitter 100. At this time, the mixed pattern of the antennas used by the transmitter 100 is transmitted from the transmitter 100 through a separate channel, or the mixing unit 220 uses the antenna mixture pattern information available to the transmitter 100 to obtain the actual received signal. You can find the used antenna mix pattern.

다음으로, 혼합부(220)는 신호를 L개의 데이터 스트림으로 분할한다. Next, the mixer 220 divides the signal into L data streams.

복호화부(230)는 각 데이터 스트림에 대하여 다중 시공간 선 복호화를 수행한다. The decoder 230 performs multi-space-time line decoding on each data stream.

단일화부(240)는 병렬 대 직렬(P/S; Parallel-to-Serial) 과정을 통해 복원된 단일 데이터 심볼을 얻는다.The unifying unit 240 obtains a restored single data symbol through a Parallel-to-Serial (P/S) process.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시공간 부호화기의 구조를 나타낸 도면이다. 4 is a diagram showing the structure of a space-time encoder according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면 시공간 부호화기는 L번째 데이터 스트림에서 두 심볼 x2l-1, x2l가 차례로 입력되면, (l=1,2,...,L) 시공간 부호화가 적용된 두 개의 데이터로 분할해서 출력한다. 첫 번째 심볼 구간에는 x2l-1과 x2l을 각각 출력하고, 두 번째 심볼 구간에는 -x* 2l과 x* 2l-1을 각각 출력한다. 이때 *는 공액 복소수(complex conjugation)를 의미한다. 시공간 부호화된 심볼은 Alamouti 코드와 같이 다음 행렬로 표현된다. Referring to FIG. 4, the space-time coder divides into two pieces of data to which space-time encoding is applied (l=1,2,...,L) when two symbols x 2l-1 and x 2l are sequentially input from the L-th data stream. print out In the first symbol period, x 2l-1 and x 2l are output, respectively, and in the second symbol period, -x * 2l and x * 2l-1 are output, respectively. In this case, * means a complex conjugation. The space-time coded symbol is represented by the following matrix like the Alamouti code.

Figure 112020142034819-pat00001
Figure 112020142034819-pat00001

여기서, Alamouti 코드는 대표적인 시간 공간 블록 부호로서 복소수 값의 신호들에 대해 이차(second order) 부등을 제공하는 두 개의 안테나에 대해 부등 전송 방법에 사용되는 코드이다. 유사한 부등 전송 시스템이 코드 도메인에서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 동일한 심볼의 두 사본이 두 직교 월쉬 코드(orthogonal Walsh codes)를 사용해 나란히 전송될 수 있다. 주파수 공간(space-frequency) 코딩 방법을 구축하도록 유사한 기술들이 사용 될 수도 있다.Here, the Alamouti code is a representative time-space block code used in a inequality transmission method for two antennas that provides second order inequality for complex-valued signals. A similar unequal transmission system may be implemented in the code domain. For example, two copies of the same symbol can be transmitted side by side using two orthogonal Walsh codes. Similar techniques may be used to build a space-frequency coding method.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사전부호화기의 구조를 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing the structure of a pre-encoder according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 사전부호화기는 각 데이터 스트림의 부호화된 행렬을 중첩해서 다음과 같이 2L × 2 행렬 X로 정의한다.Referring to FIG. 5, the precoder overlaps the encoded matrix of each data stream and defines a 2L × 2 matrix X as follows.

Figure 112020142034819-pat00002
Figure 112020142034819-pat00002

사전부호화기는 M × 2L 행렬로 정의되고, 사전부호화 과정은 다음과 같이 행렬곱으로 표현된다.The precoder is defined as an M × 2L matrix, and the precoding process is expressed as matrix multiplication as follows.

S = VXS = VX

이때, 사전부호화기의 출력 S는 M ×2 행렬로 주어진다. 다중 안테나 채널을 통과한 후 수신된 신호는 수신 안테나 혼합 과정을 거친 후에 다음과 같이 표현된다.At this time, the output S of the precoder is given as an M × 2 matrix. A signal received after passing through a multi-antenna channel is expressed as follows after going through a reception antenna mixing process.

R = [r1 r2] = P(HVX + N)R = [r 1 r 2 ] = P(HVX + N)

이때, R은 2L × 2 수신 신호 행렬이고, P는 2L × 2L 치환 행렬(permutation matrix)이며, H는 다중 안테나 채널을 나타내는 2L × M 행렬이고, N은 2L ×2 잡음 행렬이다.In this case, R is a 2L × 2 received signal matrix, P is a 2L × 2L permutation matrix, H is a 2L × M matrix representing a multi-antenna channel, and N is a 2L × 2 noise matrix.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복호화기의 구조를 나타낸 도면이다.6 is a diagram showing the structure of a decoder according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 복호화부는 상기 수신 신호 행렬에서 수신 신호 벡터 rt는 다음과 같이 표현된다.Referring to FIG. 6, in the decoder, the received signal vector r t in the received signal matrix is expressed as follows.

Figure 112020142034819-pat00003
Figure 112020142034819-pat00003

L번째 데이터 스트림에 대응되는 수신 신호는 t = 1일 때 {r(2l-1),1 r2l,1}, t = 2일 때 {r(2l-1),2 r2l,2}이 되고, 시공간 선 복호기에 차례로 입력된다. 이를 이용하여 송신 심볼 x2l-1 , x2l에 대응되는 심볼을 다음과 같이 복원한다.The received signal corresponding to the Lth data stream is {r (2l-1),1 r 2l,1 } when t = 1, {r (2l-1),2 r 2l,2 } when t = 2 and is sequentially input to the space-time line decoder. Using this, symbols corresponding to the transmitted symbols x 2l-1 and x 2l are restored as follows.

Figure 112020142034819-pat00004
Figure 112020142034819-pat00004

이때 g는 다중 시공간 선 부호의 유효 채널 이득을 나타낸다.At this time, g represents the effective channel gain of the multi-space-time line code.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법을 설명하는 흐름도이다. 7 is a flowchart illustrating a data transmission/reception method using multi-space-time line coding and decoding according to an embodiment of the present invention.

단계 S110에서, 송신기가 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할한다. In step S110, the transmitter divides a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion.

단계 S120에서, 상기 송신기가 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행한다. In step S120, the transmitter performs multi-space-time encoding on each of a plurality of data streams.

단계 S130에서, 상기 송신기가 부호화된 데이터 스트림을 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행한다. In step S130, the transmitter pre-encodes the coded data stream using channel state information.

단계 S140에서, 상기 사전부호화가 수행된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신한다. In step S140, the plurality of data streams on which the precoding is performed are transmitted through a plurality of transmit antennas.

단계 S150에서, 수신기가 다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화를 수행한다. In step S150, a receiver performs multi-space-time line decoding by receiving the plurality of data streams through a plurality of receive antennas.

단계 S160에서, 상기 수신기가 상기 시공간 선 복호화가 수행된 신호를 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원한다. In step S160, the receiver restores the signal on which the space-time line decoding has been performed into a single data symbol through parallel-to-serial conversion.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 5의 사전부호화 과정에서 수신 안테나 혼합 패턴을 결정하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 8 is a flowchart illustrating a method of determining a reception antenna mixing pattern in the precoding process of FIG. 5 according to an embodiment of the present invention.

단계 S131에서, 송신기의 사전부호화기와 수신기의 안테나 혼합 블락에 공통으로 적용할 수 있는 가능한 모든 패턴을 집합 P로 정의한다.In step S131, all possible patterns commonly applicable to the precoder of the transmitter and the antenna mixing block of the receiver are defined as a set P.

P = {P1, P2,…, PA}P = {P 1 , P 2 , . . . , P A }

이때 A는 사용 가능한 안테나 혼합 패턴의 수를 의미하고, Pi는 i번째 수신 안테나 혼합 패턴을 나타내는 2L X 2L 치환 행렬이다. In this case, A denotes the number of usable antenna mixture patterns, and Pi is a 2L X 2L substitution matrix representing the i -th reception antenna mixture pattern.

단계 S132에서, i = 1로 초기값을 설정한다.In step S132, i = 1 is set as an initial value.

단계 S133에서, 안테나 혼합 패턴 Pi를 이용해서 정해진 수신 성능 기준에 따라 사전부호화기 Vi를 계산한다. 이때, 수신 성능 기준으로 제로-포싱(zero-forcing), MMSE(minimum mean square error), 합산 전송률(sum rate) 최대화, SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) 최대화 등을 사용할 수 있다. 한 예로 수신 성능 기준으로 MMSE를 사용하는 경우 사전부호화기는 다음과 같이 계산한다.In step S133, a precoder V i is calculated according to a predetermined reception performance criterion using the antenna mixture pattern P i . At this time, zero-forcing, minimum mean square error (MMSE), maximization of sum rate, maximization of signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), etc. can be used as reception performance standards. . For example, when MMSE is used as a criterion for reception performance, the precoder calculates as follows.

Figure 112020142034819-pat00005
Figure 112020142034819-pat00005

이때 ||A||F는 행렬 A의 Frobenius norm을 의미하고, AH와 AT는 행렬 A의 헤르미션과 전치 행렬을 각각 나타내며, σ2은 잡음 행렬 N의 각 원소의 분산이고, E[|xi|2] = ρ이며, I2L 2L × 2L 항등행렬이다. 또한, Q2L은 다음과 같이 정의된다.At this time ||A|| F denotes the Frobenius norm of matrix A, A H and A T denote the Hermision and transposed matrix of matrix A, respectively, σ 2 is the variance of each element of the noise matrix N, and E[|x i | 2 ] = ρ, and I 2L is 2L×2L It is an identity matrix. Also , Q 2L is defined as:

Figure 112020142034819-pat00006
Figure 112020142034819-pat00006

이때

Figure 112020142034819-pat00007
이고, L개의 Q2 행렬로 block diagonal 연산을 수행해서 Q2L을 생성한다.At this time
Figure 112020142034819-pat00007
, and Q 2L is generated by performing a block diagonal operation with L Q 2 matrices.

단계 S134에서, 사전부호화기 Vi를 이용해서 신호를 전송할 때 수신기에서 상기와 같은 방법으로 복호화를 수행하는 경우 수신 성능을 계산한다. 한 예로

Figure 112020142034819-pat00008
와 같이 MMSE에 기반해서 사전부호화기를 설계하고, 수신기에서 합산 전송률을 수신 성능으로 사용할 경우 ρi는 다음과 같이 계산된다.In step S134, when a signal is transmitted using the precoder V i , reception performance is calculated when the receiver performs decoding in the same manner as described above. as an example
Figure 112020142034819-pat00008
When a precoder is designed based on MMSE as in , and the summation rate is used as the reception performance in the receiver, ρ i is calculated as follows.

Figure 112020142034819-pat00009
Figure 112020142034819-pat00009

이때 qi,l은 사전부호화기 Vi와 수신 안테나 혼합 패턴 Pi를 사용할 때 수신기에서 L번째 데이터 스트림의 MSE(mean square error)를 나타낸다.In this case, q i,l represents the mean square error (MSE) of the Lth data stream in the receiver when the precoder V i and the receiving antenna mixture pattern P i are used.

단계 S135에서, i가 사용 가능한 안테나 혼합 패턴의 수 A인지 확인하여 i가 혼합 패턴의 수 A 보다 작은 경우, 단계 S2136에서 i를 1증가시킨 후, 단계 S133로 되돌아간다. 즉, i = 1,2,…,A에 대해 위의 단계 S133와 단계 S134 를 반복해서 ρ1, ρ2,…, ρA 를 구한다. 단계 S135에서, i가 혼합 패턴의 수 A 보다 작지 않은 경우, 단계 S137으로 진행한다. In step S135, it is checked whether i is the number A of usable antenna mixture patterns. If i is less than the number A of mixed patterns, i is increased by 1 in step S2136, and then the process returns to step S133. That is, i = 1,2,... ,A, repeat steps S133 and S134 to obtain ρ 1 , ρ 2 , . . . , find ρ A. In step S135, if i is not smaller than the number A of mixed patterns, the process proceeds to step S137.

단계 S135에서, {ρ1, ρ2,…, ρA}의 최대값에 대응되는 인덱스 c를 찾고, 이를 이용해서 사전부호화기와 안테나 혼합 패턴을 V = Vc, P = Pc로 정의한다.In step S135, {ρ 1 , ρ 2 , . . . , ρ A }, find the index c corresponding to the maximum value, and use this to define the precoder and antenna mixture pattern as V = V c , P = P c .

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 안테나 혼합 패턴을 결정하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 9 is a flowchart illustrating a method of determining a receive antenna mixing pattern according to an embodiment of the present invention.

송신기 측에서 사용한 안테나 혼합 패턴을 모르는 경우, 하기의 방법을 통해 수신 안테나 혼합 패턴을 결정한다. 즉 송신기에서 사용한 혼합 패턴 P를 별도의 채널을 이용하여 수신기로 전송하는 경우 이 방법은 사용되지 않는다. If the transmitter side does not know the used antenna mixing pattern, the reception antenna mixing pattern is determined through the following method. That is, the mixed pattern P used by the transmitter When transmitting to a receiver using a separate channel, this method is not used.

단계 S210에서, 송신기의 사전부호화기와 수신기의 안테나 혼합 블락에 공통으로 적용할 수 있는 가능한 모든 패턴을 집합 P로 정의한다. 도 8의 단계 S110과 방법은 동일하다.In step S210, all possible patterns commonly applicable to the precoder of the transmitter and the antenna mixing block of the receiver are defined as a set P. The method is the same as step S110 of FIG. 8 .

단계 S220에서, i = 1 로 초기값을 설정한다.In step S220, i = 1 is set as an initial value.

단계 S230에서, 수신 신호에 안테나 혼합 패턴 Pi를 적용한 후 시공간 선 복호화를 수행한다.In step S230, space-time line decoding is performed after applying the antenna mixing pattern P i to the received signal.

단계 S240에서, 수신 신호 품질 지표 gi를 계산한다. 수신 신호 품질 지표로는 SINR, 합산 전송률, MSE의 역수 등을 이용할 수 있다.In step S240, a received signal quality indicator g i is calculated. SINR, sum bit rate, reciprocal of MSE, etc. can be used as the received signal quality index.

단계 S250에서, i가 사용 가능한 안테나 혼합 패턴의 수 A인지 확인하여 i가 혼합 패턴의 수 A 보다 작은 경우, 단계 S260에서 i를 1증가시킨 후, 단계 S230로 되돌아간다. 즉, i = 1,2,…,A에 대해 위의 단계 S230와 단계 S240 를 반복해서 모든 혼합 패턴에 대한 수신 신호 품질 지표

Figure 112020142034819-pat00010
를 구한다. 단계 S250에서, i가 혼합 패턴의 수 A 보다 작지 않은 경우, 단계 S270으로 진행한다. In step S250, it is checked whether i is the number A of usable antenna mixture patterns, and if i is less than the number A of mixed patterns, i is increased by 1 in step S260, and then the process returns to step S230. That is, i = 1,2,... Received signal quality indicators for all mixed patterns by repeating steps S230 and S240 above for ,A
Figure 112020142034819-pat00010
save In step S250, if i is not smaller than the number A of mixed patterns, the process proceeds to step S270.

단계 S270에서, 모든 혼합 패턴에 대한 수신 신호 품질 지표

Figure 112020142034819-pat00011
의 최대값에 대응되는 인덱스 c를 찾고, 이를 이용해서 사전부호화기와 안테나 혼합 패턴을 V = Vc, P = Pc로 정의한다.In step S270, received signal quality indicators for all mixed patterns
Figure 112020142034819-pat00011
Find the index c corresponding to the maximum value of , and use it to define the precoder and the antenna mixture pattern as V = V c and P = P c .

본 발명에서 제안한 다중 시공간 선 부호화 및 복호화 데이터 송수신 방식은 도 1에서 설명한 바와 같이 송신기와 수신기의 1대 1 통신에 사용될 수 있다. 또한 하향링크에서 하나의 송신기에서 다수의 단말로 데이터를 전송하는 경우에도 사용할 수 있다. The multi-space-time line encoding and decoding data transmission/reception method proposed in the present invention can be used for one-to-one communication between a transmitter and a receiver as described in FIG. It can also be used when data is transmitted from one transmitter to multiple terminals in downlink.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 대한 데이터 수신기의 구조를 나타낸 도면이다. 10 to 12 are diagrams showing the structure of a data receiver according to another embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 수신기 안테나가 총 6개이고 송신기 신호를 단말 1대가 모두 수신하는 경우의 수신기 구조를 나타낸다. 이 경우 수신기 구조는 도 3과 동일하다.Referring to FIG. 10, a receiver structure is shown in a case where there are a total of six receiver antennas and one terminal receives all transmitter signals. In this case, the receiver structure is the same as that of FIG. 3 .

도 11은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 안테나가 4개인 수신기 1대(MS1)와 안테나가 2개인 수신기 1대(M2)를 총 2대의 수신기를 사용하는 경우의 수신기 구조를 나타낸 도면이다. 단말 1(MS1)과 단말 2(M2)는 공간적으로 다른 곳에 위치할 수 있다.11 is a diagram showing a receiver structure in the case of using a total of two receivers, one receiver (MS1) with four antennas and one receiver (M2) with two antennas according to an embodiment of the present invention. Terminal 1 (MS1) and terminal 2 (M2) may be spatially located in different places.

총 수신 안테나가 6개이므로 송신기는 동시에 3개의 데이터 스트림을 전송하고, 단말 1(MS1)에서 2개의 데이터 스트림을 수신하고, 단말 2(MS2)에서 1개의 데이터 스트림을 수신한다. 단말 1(MS1)의 경우 도 3의 수신기 구조를 L = 2로 설정한 형태가 되고, 단말 2(MS2)의 경우 단일 데이터 스트림을 수신하므로 기존의 시공간 선 부호를 이용해서 데이터를 복원한다.Since there are six receiving antennas in total, the transmitter simultaneously transmits three data streams, receives two data streams from terminal 1 (MS1), and receives one data stream from terminal 2 (MS2). In the case of terminal 1 (MS1), the receiver structure of FIG. 3 is set to L = 2, and in case of terminal 2 (MS2), since a single data stream is received, data is restored using the existing space-time line code.

도 3에서 설명한 1 대 1 통신과 마찬가지로 송신기에서 채널 상태 정보를 사용하고, 수신기에서는 유효 채널 이득 g에 대한 정보만을 사용한다. Similar to the one-to-one communication described in FIG. 3, the transmitter uses channel state information, and the receiver uses only information about the effective channel gain g.

도 12를 참조하면, 안테나가 2개인 수신기 3대를 사용하는 경우의 수신기 구조를 나타낸 도면이다.Referring to FIG. 12, it is a diagram showing the structure of a receiver when three receivers having two antennas are used.

총 수신 안테나가 6개이므로 송신기는 동시에 3개의 데이터 스트림을 전송하고, 단말 1, 단말 2, 단말 3에서 각각 1개의 데이터 스트림을 수신한다. 이때, 3대의 단말은 모두 기존 시공간 선 복호화를 이용해서 데이터를 복원한다. 이 경우에도 도 3, 도 11과 마찬가지로 송신기에서 채널 상태 정보를 사용하고, 수신기에서는 유효 채널 이득 g에 대한 정보만을 사용한다. 또한, 단말 1, 단말 2, 단말 3은 공간적으로 다른 곳에 위치할 수 있다.Since the total number of receiving antennas is 6, the transmitter simultaneously transmits three data streams, and each of terminal 1, terminal 2, and terminal 3 receives one data stream. At this time, all three terminals restore data using the existing space-time line decoding. In this case, as in FIGS. 3 and 11, the transmitter uses the channel state information, and the receiver uses only information about the effective channel gain g. Also, device 1, device 2, and device 3 may be spatially located in different places.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although specific embodiments according to the present invention have been described so far, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the scope of the claims to be described later, but also those equivalent to the scope of these claims.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art in the field to which the present invention belongs can make various modifications and transformation is possible Therefore, the spirit of the present invention should be grasped only by the claims described below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention.

Claims (20)

송신기가 변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하는 단계;
상기 송신기가 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하는 단계;
상기 송신기가 부호화된 다수의 데이터 스트림을 상기 송신기의 채널 추정부에서 상향링크 전송 신호를 이용해 추정된 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행하는 단계;
상기 사전부호화가 수행된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 단계;
수신기가 다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계; 및
상기 수신기가 상기 시공간 선 복호화된 신호를 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원하는 단계를 포함하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법에 있어서,
상기 사전부호화를 수행하는 단계는, 상기 송신기가 수신기에 구비된 다수의 수신 안테나에 대한 안테나 혼합 패턴을 설정하고, 상기 설정된 안테나 혼합 패턴을 이용하여 기설정된 수신 성능 기준에 따라 상기 사전부호화를 수행하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
Dividing, by a transmitter, a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion;
performing, by the transmitter, multi-space-time encoding on each of a plurality of data streams;
performing pre-coding on the plurality of coded data streams by the transmitter using channel state information estimated using an uplink transmission signal in a channel estimation unit of the transmitter;
transmitting the plurality of data streams on which the precoding is performed through a plurality of transmit antennas;
performing, by a receiver, multi-space-time line decoding by receiving the plurality of data streams through a plurality of receive antennas; and
In the data transmission/reception method using multi-space-time line coding and decoding, comprising the step of restoring, by the receiver, the space-time line-decoded signal into a single data symbol through parallel-to-serial conversion,
The performing of the precoding may include setting an antenna mixing pattern for a plurality of reception antennas provided in a receiver by the transmitter and performing the precoding according to a preset reception performance standard using the set antenna mixing pattern. Data transmission and reception method using multi-space-time line coding and decoding.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 사전부호화를 수행하는 단계는,
상기 송신기가 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하는 단계;
혼합 패턴의 집합에 포함된 임의의 혼합 패턴을 이용하여 미리 정해진 수신 성능 기준에 따라 사전부호화기를 계산하는 단계;
상기 사전부호화기를 이용하여 정의된 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 대한 수신기의 수신 성능을 계산하는 단계; 및
상기 혼합 패턴의 집합에 포함된 혼합 패턴 중에서 계산된 수신 성능을 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
According to claim 1,
The step of performing the pre-coding,
defining, by the transmitter, a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver;
calculating a precoder according to a predetermined reception performance criterion using an arbitrary mixed pattern included in a set of mixed patterns;
calculating reception performance of a receiver for each mixed pattern included in a set of defined mixed patterns using the precoder; and
Selecting a mixed pattern maximizing the calculated reception performance from among the mixed patterns included in the set of mixed patterns
Data transmission and reception method using multi-space-time line coding and decoding, characterized in that it comprises a.
제3항에 있어서,
상기 사전부호화기를 계산하는 단계는,
제로-포싱(zero-forcing), MMSE (minimum mean square error), 합산 전송률 (sum rate) 최대화, SINR (signal-to-interference-plus-noise ratio) 최대화 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
According to claim 3,
In the step of calculating the precoder,
Multi-space-time characterized by using any one of zero-forcing, minimum mean square error (MMSE), sum rate maximization, and signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) maximization Data transmission and reception method using line encoding and decoding.
제1항에 있어서,
상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는,
상기 수신기가 수신되는 다수의 데이터 스트림을 상기 혼합 패턴을 이용하여 혼합하고, 혼합된 신호를 다수의 데이터 스트림으로 분할한 후 각 데이터 스트림에 대하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
According to claim 1,
The step of performing the multi-space-time line decoding,
The receiver mixes a plurality of received data streams using the mixing pattern, divides the mixed signal into a plurality of data streams, and then performs multi-space-time line decoding on each data stream. Data transmission and reception method using encoding and decoding.
제5항에 있어서,
상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는,
상기 수신기가 상기 송신기로부터 혼합 패턴을 전송받는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
According to claim 5,
The step of performing the multi-space-time line decoding,
receiving, by the receiver, a mixed pattern from the transmitter
Data transmission and reception method using multi-space-time line coding and decoding, characterized in that it comprises a.
제5항에 있어서,
상기 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 단계는,
상기 수신기가 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하는 단계;
상기 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 시공간 선 복호화를 수행하는 단계;
각 혼합 패턴에 대한 수신 신호 품질 지표를 계산하는 단계; 및
상기 수신 신호 품질 지표를 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 방법.
According to claim 5,
The step of performing the multi-space-time line decoding,
defining, by the receiver, a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver;
performing space-time line decoding on each mixed pattern included in the set of mixed patterns;
calculating a received signal quality index for each mixing pattern; and
selecting a mixing pattern maximizing the received signal quality index;
Data transmission and reception method using multi-space-time line coding and decoding, characterized in that it comprises a.
변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하고, 다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하며, 채널 추정부에서 상향링크 전송 신호를 이용해 추정된 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행한 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 송신기; 및
다수의 수신 안테나를 통해 상기 다수의 데이터 스트림을 수신하여 다중 시공간 선 복호화하고, 병렬 대 직렬 변환을 통해 단일의 데이터 심볼로 복원하는 수신기를 포함하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템에 있어서,
상기 송신기는 상기 수신기에 구비된 다수의 수신 안테나에 대한 안테나 혼합 패턴을 설정하고, 상기 설정된 안테나 혼합 패턴을 이용하여 기설정된 수신 성능 기준에 따라 상기 사전부호화를 수행하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
A plurality of modulated input symbols are divided into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion, multi-space-time encoding is performed on each of the plurality of data streams, and channel state information estimated using an uplink transmission signal in a channel estimation unit A transmitter for transmitting a plurality of data streams pre-coded using a plurality of transmit antennas; and
In a data transmission/reception system using multi-space-time line coding and decoding including a receiver for receiving the plurality of data streams through a plurality of receiving antennas, performing multi-space-time line decoding, and restoring a single data symbol through parallel-to-serial conversion ,
The transmitter uses multi-space-time line coding and decoding to set antenna mixture patterns for a plurality of reception antennas provided in the receiver and perform the precoding according to a preset reception performance standard using the set antenna mixture patterns. Data sending and receiving system.
삭제delete 제8항에 있어서,
상기 송신기는, 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하고, 상기 집합에 포함된 임의의 혼합 패턴을 이용하여 미리 정해진 수신 성능 기준에 따라 사전부호화기를 계산하고, 상기 사전부호화기를 이용하여 정의된 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 대한 수신기의 수신 성능을 계산하여, 상기 집합에 포함된 혼합 패턴 중에서 계산된 수신 성능을 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 8,
The transmitter defines a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver, calculates a precoder according to a predetermined reception performance criterion using an arbitrary mixed pattern included in the set, and calculates the precoder calculating the reception performance of the receiver for each mixed pattern included in the set of mixed patterns defined using the multi-pattern, and selecting a mixed pattern that maximizes the calculated reception performance among the mixed patterns included in the set. Data transmission and reception system using space-time line coding and decoding.
제10항에 있어서,
상기 송신기는 사전부호화기를 계산하기 위해 zero-forcing, MMSE (minimum mean square error), 합산 전송률 (sum rate) 최대화, SINR (signal-to-interference-plus-noise ratio) 최대화 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 10,
The transmitter uses any one of zero-forcing, minimum mean square error (MMSE), sum rate maximization, and signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) maximization to calculate the precoder. Data transmission and reception system using multi-space-time line coding and decoding.
제8항에 있어서,
상기 수신기는 수신되는 다수의 데이터 스트림을 상기 혼합 패턴을 이용하여 혼합하고, 혼합된 신호를 다수의 데이터 스트림으로 분할한 후 각 데이터 스트림에 대하여 다중 시공간 선 복호화를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 8,
The receiver mixes a plurality of received data streams using the mixing pattern, divides the mixed signal into a plurality of data streams, and then performs multi-space-time line decoding on each data stream. Data transmission and reception system using encoding and decoding.
제12항에 있어서,
상기 수신기는 상기 혼합 패턴을 상기 송신기로부터 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 12,
The data transmission/reception system using multi-space-time line coding and decoding, characterized in that the receiver receives the mixed pattern from the transmitter.
제12항에 있어서,
상기 수신기는 상기 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하고, 상기 집합에 포함된 각 혼합 패턴을 시공간 선 복호화하며, 각 혼합 패턴에 대한 수신 신호 품질 지표를 계산하여, 상기 수신 신호 품질 지표를 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 12,
The receiver defines a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver, performs space-time line decoding on each mixed pattern included in the set, calculates a received signal quality index for each mixed pattern, and A data transmission/reception system using multi-space-time line coding and decoding, characterized in that a mixed pattern that maximizes a quality index is selected.
제14항에 있어서,
상기 수신 신호 품질 지표는 SINR, 합산 전송률, MSE의 역수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는
다중 시공간 선 부호화 및 복호화를 이용한 데이터 송수신 시스템.
According to claim 14,
Characterized in that the received signal quality indicator is any one of the reciprocal of SINR, sum bit rate, and MSE
Data transmission and reception system using multi-space-time line coding and decoding.
변조된 다수의 입력 심볼을 직렬 대 병렬 변환을 통해 다수의 데이터 스트림으로 분할하는 직렬 대 병렬 분할기;
다수의 데이터 스트림 각각에 대해 다중 시공간 부호화를 수행하는 시공간 부호화기;
채널 추정부에서 상향링크 전송 신호를 이용해 추정된 채널 상태 정보를 이용하여 사전부호화를 수행하는 사전부호화기; 및
사전부호화된 다수의 데이터 스트림을 다수의 송신 안테나를 통해 송신하는 안테나부;를 포함하는 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치에 있어서,
상기 사전부호화기는 수신기에 구비된 다수의 수신 안테나에 대한 안테나 혼합 패턴을 설정하고, 상기 설정된 안테나 혼합 패턴을 이용하여 기설정된 수신 성능 기준에 따라 상기 사전부호화를 수행하는 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치.
a serial-to-parallel divider for dividing a plurality of modulated input symbols into a plurality of data streams through serial-to-parallel conversion;
a space-time encoder that performs multi-space-time encoding on each of a plurality of data streams;
a pre-encoder for performing pre-coding using channel state information estimated by using the uplink transmission signal in the channel estimation unit; and
A data transmission apparatus using multi-space-time line coding comprising an antenna unit for transmitting a plurality of pre-coded data streams through a plurality of transmission antennas,
The pre-encoder sets an antenna mixture pattern for a plurality of reception antennas provided in a receiver, and transmits data using multi-space-time line coding to perform the pre-coding according to a predetermined reception performance standard using the set antenna mixture pattern. Device.
삭제delete 제16항에 있어서,
상기 사전부호화기는, 송신기와 상기 수신기에 모두 적용가능한 혼합 패턴의 집합을 정의하고, 상기 집합에 포함된 임의의 혼합 패턴을 이용하여 미리 정해진 수신 성능 기준에 따라 사전부호화기를 계산하고, 상기 사전부호화기를 이용하여 정의된 혼합 패턴의 집합에 포함된 각 혼합 패턴에 대한 수신기의 수신 성능을 계산하여, 상기 집합에 포함된 혼합 패턴 중에서 계산된 수신 성능을 최대로 하는 혼합 패턴을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치.
According to claim 16,
The precoder defines a set of mixed patterns applicable to both the transmitter and the receiver, calculates a precoder according to a predetermined reception performance criterion using an arbitrary mixed pattern included in the set, and calculates the precoder calculating the reception performance of the receiver for each mixed pattern included in the set of mixed patterns defined using the multi-pattern, and selecting a mixed pattern that maximizes the calculated reception performance among the mixed patterns included in the set. Data transmission device using space-time line coding.
제18항에 있어서,
상기 사전부호화기는 제로-포싱(zero-forcing), MMSE(minimum mean square error), 합산 전송률(sum rate) 최대화, SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) 최대화 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치.
According to claim 18,
The precoder uses any one of zero-forcing, minimum mean square error (MMSE), sum rate maximization, and signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) maximization A data transmission device using multi-space-time line coding.
제16항에 있어서,
상기 안테나부를 통해 동시에 전송되는 데이터 스트림의 수는 상기 송신 안테나 수의 2배인 것을 특징으로 하는 다중 시공간 선 부호화를 이용한 데이터 송신 장치.
According to claim 16,
The data transmission device using multi-space-time line coding, characterized in that the number of data streams simultaneously transmitted through the antenna unit is twice the number of the transmission antennas.
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