KR100447181B1 - 다수의 송/수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서의 신호 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 송신 안테나와, 적어도 하나의 수신 안테나가 구비된 이동통신 시스템에 적용되는 수신 신호 처리 방법에 있어서, 적어도 하나의 안테나를 통해 전송된 신호를 적어도 하나의 안테나를 이용하여 수신하는 단계와 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 특정한 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 1 로 하고, 상기 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 다른 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 0 으로 하는 웨이트 벡터를 산출하는 단계 및 상기 웨이트 벡터를 이용하여 전송된 신호를 검출하는 단계를 포함하는 수신 신호 처리 방법에 관한 것으로써, 다수의 송신 안테나로부터 송신된 신호를 다수의 안테나를 가진 수신단에서 검출함에 있어서 송신 신호들을 동시에 검출하는 효과가 있다.

Description

다수의 송/수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서의 신호 처리 방법{Method for processing signal in mobile communication system using plurality of transmitting/receiving antenna}

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 안테나로 송신하고, 다수의 안테나로 수신하는(Multi Input and Multi Output ;이하 MIMO) 시스템에서 수신 신호 검출 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output;이하MIMO) 시스템은 종래의 단일 입력 단일 출력(Single Input Single Output;이하 SISO) 통신 방식과, 단일 입력 다중 출력(Single Input Multiple Output;이하 SIMO) 통신 방식으로부터 진화되어, 고용량의 데이터 전송을 요구하는 기술에서 이용되기 위하여 개발되었다. 이 MIMO 시스템은 M개의 안테나로 정보를 송신하여 N개의 안테나로 수신하는 방식으로, 특히 높은 주파수 효율을 요구하는 제4 세대 통신 시스템에서 필수적인 요소로 고려되고 있다.

이 MIMO 시스템 중 수직 계층 시/공간(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST)) 시스템의 구성을 도 1에 도시하였다.

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 송신단에 구비되어 순차적으로 발생되는 전송 데이터들이 각 안테나에서 병렬적으로 독립적으로 전송되도록, 입력 전송 데이터들을 직/병렬 방식에 의해 부호화하는 벡터 부호기(10)와, 이 부호화된 데이터를 전송하는 전송 안테나(11)와, 수신단에 구비되어 상기 전송 안테나(11)로부터 수신되는 데이터를 수신하는 수신 안테나(20)와, 이 수신된 데이터를 상기 직/병렬 방식에 대응되게 복호화하는 다중 신호 처리기(21)로 구성된다.

즉, MIMO 시스템에서 송신단은 M 개의 전송 안테나를 이용하고, 수신단은 N(M≤N) 개의 수신 안테나를 사용한다. 또한, 송신단은 순차적으로 발생하는 송신 데이터들을 각 송신 안테나에서 각각 따로 전송하기 위하여 송신 데이터들을 벡터 부호화하며, 각 안테나에서 다른 신호들이 전송되도록 한다.

다시 말하면, 다수의 송신 안테나를 사용하는 경우에 별도의 신호 처리나시/공간 코드(Space-Time Code)를 사용하지 않고, 단순히 입력되는 데이터를 다른 안테나에서 각각 다른 신호가 송신되도록 하는 것이다. 이는 송신 품질 향상을 위해서 별도의 신호 처리를 거치지 않는 것으로도 말할 수 있다.

따라서, 수신단이 수신 신호를 검출하는데 있어, 각각의 송신 안테나로부터 송신된 각 신호를 다른 송신 안테나에서 송신된 신호의 영향을 배제하면서 순차적으로 하나씩 검출하도록 하였다.

예를 들어, M개의 송신 안테나로부터 송신된 신호 각각을 구하기 위해 M개의 웨이트 벡터를 갱신하는데 있어서, 채널 행렬의 'Moore-Penrose pseudoinverse'를 M번 계산하여야 하고, 또한 각 송신 안테나로부터 송신된 신호의 영향을 줄이기 위해 각 신호를 검출할 때 미리 검출된 신호의 성분을 차감하는 계산을 해야 한다.

상기 'Moore-Penrose pseudoinverse'를 구하기 위해서는, 행렬의 행의 개수를 D라고 할 때 D³이상의 계산량이 요구된다.

또한, 상기 'Moore-Penrose pseudoinverse'를 구하기 위해서는 'Singular Value Decomposition(SVD)'을 해야 하고, 또 M개의 수신 신호를 순차적으로 검출하기 때문에 M번의 SVD를 실시해야 한다.

이와 같이, 복잡한 계산량의 요구는 시스템 수신기의 복잡도를 증가시키는 원인이 되었다.

또한, 순차적으로 송신 신호를 검출하기 때문에, 처음에 검출되는 수신 신호는 다른 신호의 영향을 배제하지 못하게 되고, 따라서 처음 검출되는 신호가 왜곡되면 다음 순차적으로 구해져야 할 수신 신호들에게도 영향을 주게 되어 수신 신호 검출 전체에 왜곡을 일으키게 된다.

본 발명은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 송신 신호들을 동시에 검출할 수 있는 다수의 송/수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서의 신호 처리 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 시스템의 일 예를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 이용되는 송신 신호 벡터 및 채널 벡터를 도시한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

30 : 송신단 신호 처리부

31 : 송신 안테나

40 : 수신 안테나

41 : 수신단 신호 처리부

본 발명은 적어도 하나의 송신 안테나와, 적어도 하나의 수신 안테나가 구비된 이동통신 시스템에 적용되는 수신 신호 처리 방법에 있어서, 적어도 하나의 안테나를 통해 전송된 신호를 적어도 하나의 안테나를 이용하여 수신하는 단계와, 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 특정한 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 1 로 하고, 상기 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 다른 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 0 으로 하는 웨이트 벡터를 산출하는 단계 및 상기 웨이트 벡터를 이용하여 전송된 신호를 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.본 발명은 적어도 하나의 송신 안테나와, 적어도 하나의 수신 안테나가 구비된 이동통신 시스템에 적용되는 수신 신호 처리 방법에 있어서, 적어도 하나의 안테나를 통해 전송된 신호를 적어도 하나의 안테나를 이용하여 수신하는 단계와 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 특정한 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 상관을 최대로 하고, 상기 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 다른 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 상관을 최소로 하는 웨이트 벡터를 산출하는 단계 및 상기 웨이트 벡터를 이용하여 전송된 신호를 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 이용되는 송신 신호 벡터 및 채널 벡터를 도시한 도면이다.

우선 M 개의 송신 안테나, N 개의 수신 안테나를 가진 MIMO 시스템을 가정한다. 이때, M 개의 송신 안테나를 통해 독립적으로 송신된 신호 벡터를라고 하고, 송신 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을라고 할 때, N 개의 수신 안테나를 가진 MIMO 시스템의 수신단에서 수신되는 신호 벡터은 다음 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.

이때, 채널 행렬인는 송신단이 M 개의 안테나를 사용하고, 수신단이 N 개의 안테나를 사용하고 송신 안테나 각각에서 송신된 신호들은 각각 다른 경로를 거쳐 다른 수신 안테나에 수신되므로, N×M 행렬이 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, M 개의 안테나를 통해 각각 다르게 전송된 신호들 (a₁, a₂,, a_M; M×1 벡터)은 각각 다른 채널 h_i,j를 거치게 되고, 수신단은 N 개의 안테나를 사용해 신호들을 수신한다.

상기 수학식 1에서는 가우시안 잡음을 나타낸 것으로, 수신단 각 안테나에 유기되므로 N×1 벡터가 된다.

이렇게 N 개의 안테나를 통해 수신된 신호는 다음과 같은 신호 검색 알고리즘을 가진 수신단 신호 처리부(41)를 거치게 된다.

송신된 신호 a₁,a₂,, a_M을 가진벡터로부터 검출된 수신 신호 벡터를라고 하고,내의 검출된 신호들을라고 나타낸다.

상기 송신단의 각각 다른 안테나로부터 송신된 신호를 수신단이 검출하기 위해, 수신단의 N 개의 안테나를 통해 수신된 신호 벡터에 웨이트 벡터를 곱하게 되는데, 이 웨이트 벡터를라고 정의한다. 이 웨이트 벡터는 송신단의 안테나들을 통하여 각각 다른 신호가 송신되므로, 이 다른 신호를 검출하기 위하여 M 개의 웨이트 벡터가 필요하게 된다. 이때, 수신단의 각 안테나에 곱해 줄 웨이트 벡터는 다음 수학식 2를 만족한다.

즉, 각 송신 안테나를 통하여 송신된 송신 신호 벡터에 곱해 주어야 할 웨이트 벡터 생성시, i번째 송신 신호를 검출하기 위해 사용되는 채널인(의 i 번째 열벡터)와 그 사용자의 신호를 검출하기 위한 웨이트 벡터와의 내적은 1로 되도록 한다. 다시 말하면, 상기 가중치는 i 번째 송신 신호를 검출하기 위한 채널 벡터들과의 상관을 최대로 하고, 다른 송신 신호를 검출하기 위한 채널 벡터들과의 상관을 최소로 하는 성분들로 이루어짐을 의미한다.

또한, 송신 신호를 검출하기 위해 사용되는 채널인와 다른 신호를 검출하기 위한 웨이트 벡터와의 내적은 0이 되게 한다. 즉,와 다른 송신 신호를 검출하기 위해 계산하여야 하는 웨이트 벡터들, {}가 서로 수직이 되도록 한다.

따라서, 특정 송신 신호를 검출하기 위해 다른 송신 신호의 영향을 동시에 배제할 수 있도록 웨이트 벡터를 계산하도록 해야 하는데, 이것을 행렬식으로 다시 표현하면 다음 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서,는행렬의 i 번째 행을 의미한다.

이때, 수학식 3에서이고,이고,라고 다시 쓰면,는 M×N 행렬,는 N×M 행렬,는 M×M 행렬이 된다. 결국꼴로 정리되었다.

계산의 편의를 위해를로 바꾸어 생각하면, 상기 수학식 3은 다음 수학식 4와 같이 수식을 다시 쓸 수 있다.

상기 수학식 4의의 식을 푸는 방법은 아직 알려진 것이 없다.

,,가 모두 행렬이므로, 그 계산량이 상당하다.

일반적으로,의 문제를 푸는 방법은 알려진 기술이 있는데, 그 대표적인 것이 공액 그래디엔트 방법(Conjugate Gradient Method; 이하 'CGM')이다.에서는 대칭행렬(symmetric matrix),,는 각각 벡터를 나타낸다.

본 발명에서는 상기 CGM을 사용하되의 식을 풀기 위해꼴로 행렬식을 몇 개의 식으로 나누어 독립적으로 계산하도록 한다.

일반적으로 행렬는 대칭행렬이 아니기 때문에 CGM에 적용하기 위해의 새로운 행렬을 구성하여 새로운 식으로 계산하도록 한다.

그러면,도로 변화되어야 하는데, 이것을 요약하면 다음 수학식 5와 같다.

그리고,를로를로 나타내면,가 된다. CGM을 적용하기 위해 다음 수학식 6과 같이 식을 분리하도록 한다.

즉,로 분리하여 각각의 행렬식을 CGM으로 독립적으로 풀도록 하는 것이다. 여기서,꼴의 행렬식을 푸는 종래 기술인 CGM을 정리해 보도록 한다.

CGM을 간략히 설명하면,의 문제에서와,는 알고 있는 행렬과벡터가 되고 이때,를 구해야 하는 것인데, 이것은 수학식 9를 갱신함으로써 가능하다.

상기 수학식 9에서d와 alpha는 각각 현재의값에 적응적으로 원하는로 수렴하도록 더해가는 적응벡터와 적응이득을 나타낸다.

이때, 여기벡터은식에서 수학식 9와 같이 구하려고 하는벡터를 매번 갱신할 때의 그 전의 값과 갱신된 값과의 차를 나타내는 것으로(즉), 이 값은 갱신되기 전의의 값과, 갱신된 후의의 값의 차로 일종의 에러 성분을 나타내는 것이고, 적응 이득 alpha는 이 여기 벡터과 적응 벡터d가 수직이 되도록 하는 이득이 된다.

이것은 에러 성분과 갱신된 적응 벡터가 수직이 되게 하여 에러 성분과 수직인 방향으로 적응 벡터를 갱신하도록 하면 수렴 속도가 빠르다는 성질을 이용한 것이다.

아울러, 이때 적응 벡터는 수학식 12에 의해서 갱신되는데, 이 적응 벡터는 i+1 번째 적응 벡터와 i 번째 적응 벡터가 서로 수직이 되도록 상기 수학식 10과 같이 갱신할 수 있는 여기벡터에다 적응 벡터 갱신 이득인 beta를 상기 수학식 11과 같이 매번 갱신하여 구한다.

i+1 번째 적응 벡터와 i 번째 적응 벡터가 서로 수직이 되도록 하는 것은 알고리즘의 수렴속도를 빠르게 하도록 하기 위함이다. 이것은 한 번 갱신한 적응 벡터에 의해 원하는로 수렴하지 않았으면 다시는 그 방향으로는 갱신하지 않도록하여 수렴 속도를 빠르게 하게 하기 위함이다.

적응 벡터 갱신 이득인 beta는 매번의 적응 벡터d의 갱신값이 그 전값과 수직이 되도록 하려면 곱해주어야 하는 이득이 된다. 이때, 상기 수학식 7는와의 초기치를 설정할 때 쓰인다.

정리된 CGM의 절차에대신를대신각각을대신각각을 대입하여 M 번의 CGM을 실시하여 각 송신 신호를 검출하는데 사용할 웨이트 벡터를 계산한다.

요약하면, 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 통신 시스템의 수신단에서의 송신 신호 검출에 있어서, 사용하던 종래 방법의 복잡도 문제를 행렬식 계산으로 정리하고, 그 행렬식을 푸는 방법을 종래 기술인 CGM을 변경하여 적용한 데 있다.

도 2에 본 발명의 다수 송신 안테나 및 다수 수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템의 수신단에서의 신호 처리 절차를 도시하였다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 다음과 같은 효과들을 갖는다.

첫째, 다수의 송신 안테나로부터 송신된 신호를 다수의 안테나를 가진 수신단에서 검출함에 있어서 송신 신호들을 동시에 검출하는 효과가 있다.

둘째, 다수의 안테나를 통해 수신된 신호들을 동시에 검출함과 동시에 서로 다른 송신 안테나에서 송신된 신호 성분의 간섭을 배제하는 효과가 있다.

셋째, 상기 신호 검출 시 계산량이 종래에 비해 현저히 줄어드는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (6)

1. 적어도 하나의 송신 안테나와, 적어도 하나의 수신 안테나가 구비된 이동통신 시스템에 적용되는 수신 신호 처리 방법에 있어서,

   적어도 하나의 안테나를 통해 전송된 신호를 적어도 하나의 안테나를 이용하여 수신하는 단계;

   채널 행렬을 이루는 열벡터 중 특정한 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 1 로 하고,

   상기 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 다른 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 내적을 0 으로 하는 웨이트 벡터를 산출하는 단계; 및

   상기 웨이트 벡터를 이용하여 전송된 신호를 검출하는 단계

   를 포함하는 수신 신호 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 웨이트 벡터를 산출하는 단계는,

   상기 특정한 사용자로들부터 전송된 신호를 검출하기 위한 채널 행렬과 상기 웨이트 벡터들 곱을 항등 행렬로 설정하는 단계; 및

   각 채널 벡터 들에 대하여 독립적으로 웨이트 벡터들을 산출하는 단계

   를 포하하여 이루어지는 수신 신호 처리 방법.

   공액 그래디엔트 방법(CGM; Conjugate Gradient Method)을 이용하여 상기 웨이트 벡터를 산출하는 단계

   를 포함하여 이루어지는 수신 신호 처리 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 독립적으로 웨이트 벡터를 산출하는 방법은,

   공액 그래디언트 방법(CGM; Conjugate Gradient Method)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
4. 적어도 하나의 송신 안테나와, 적어도 하나의 수신 안테나가 구비된 이동통신 시스템에 적용되는 수신 신호 처리 방법에 있어서,

   적어도 하나의 안테나를 통해 전송된 신호를 적어도 하나의 안테나를 이용하여 수신하는 단계;

   채널 행렬을 이루는 열벡터 중 특정한 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 상관을 최대로 하고,

   상기 채널 행렬을 이루는 열벡터 중 다른 사용자로부터 전송된 신호를 검출하기 위한 열벡터와 웨이트 벡터와의 상관을 최소로 하는 웨이트 벡터를 산출하는 단계; 및

   상기 웨이트 벡터를 이용하여 전송된 신호를 검출하는 단계

   를 포함하는 수신 신호 처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 웨이트 벡터를 산출하는 단계는,

   상기 특정한 사용자로들부터 전송된 신호를 검출하기 위한 채널 행렬과 상기 웨이트 벡터들 곱을 항등 행렬로 설정하는 단계; 및

   각 채널 벡터 들에 대하여 독립적으로 웨이트 벡터들을 산출하는 단계

   를 포하하여 이루어지는 수신 신호 처리 방법.

   공액 그래디엔트 방법(CGM; Conjugate Gradient Method)을 이용하여 상기 웨이트 벡터를 산출하는 단계

   를 포함하여 이루어지는 수신 신호 처리 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 독립적으로 웨이트 벡터를 산출하는 방법은,

   공액 그래디언트 방법(CGM; Conjugate Gradient Method)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.