KR100464014B1

KR100464014B1 - 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법

Info

Publication number: KR100464014B1
Application number: KR10-2002-0015358A
Authority: KR
Inventors: 심동희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2004-12-30
Also published as: US7068981B2; CN100440753C; AU2003215949A1; KR20030075883A; US20030181170A1; EP1490984B1; CN1643812A; WO2003081803A1; EP1490984A1; JP2005521327A; EP1490984A4; JP4361808B2

Abstract

본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법은, 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 현실적인 송/수신 안테나 특성, 즉 안테나 간의 독립성과 상관성을 이용하는 것으로 송신단에서는 각각의 심볼에 빔을 형성하여 송신하고, 수신단에서는 송신된 신호를 검출하기에 앞서 추정한 채널 행렬 전체를 송신단으로 피드백하거나 또는 추정한 채널 행렬을 고유치 분해하여 얻은 고유값 및 고유벡터를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 한다.

안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 경우에는 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는데, 본 발명에 있어서는 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명의 내용은 종래의 안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 이득에다 안테나 간의 상관성으로 인해 얻을 수 있는 이득을 더한 이득을 얻을 수 있어 종래 시스템에 비해 보다 나은 성능을 기대할 수 있다.

Description

다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법{Closed -Loop Signal Processing Method of Multi Input, Multi Output Mobile Communication System}

본 발명은 다수의 안테나를 송신단과 수신단에서 공히 사용하는 다중입력, 다중출력(Multi Input and Multi Output : 다중 입출력 이동 통신)시스템이라는 이동 통신 시스템에서의 송/수신단의 폐루프 신호 처리 방법에 관한 것이다.

본 기술 분야에서는 다중 입출력 이동 통신 시스템이 단일 안테나 시스템, 즉 단일 안테나 대 단일 안테나 또는 다수의 안테나 대 단일 안테나 시스템에 비해 크게 개선된 능력을 달성할 수 있다고 잘 알려져 있다. 그러나, 이러한 개선을 달성하기 위해서는 풍부한 산란 환경이 존재하여 다수의 수신 안테나에 도달하는 여러 신호들이 별반 상관되지 않는 것이 바람직하다. 신호들이 어느 정도 상관을 가짐에도 그러한 상관이 무시된다면, 성능은 저하되고 능력은 감소된다.

도 1은 다중 입출력 이동 통신 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하여 다중 입출력 이동 통신 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

우선 V-BLAST 도 다수의 송/수신 안테나를 포함하는 기술인 다중 입출력 이동 통신 시스템의 일종이므로 송신단에서 M개의 안테나 수신단에서 N개의 안테나를 사용하며 송신단에서는 송신될 신호들에 대해 순차적으로 발생하는 신호들을 각 송신 안테나에서 각각 따로 전송하기 위하여 송신 신호들에 대해 Vector Encoder(10)를 거치며 (즉 Vector Encoder는 순차적으로 발생되는 신호들을 각 안테나에서 병렬적으로 전송하기 위해 Serial-to-Parallel 회로를 거치는 것이다) 각 안테나에서 다른 신호들이 전송되도록 한다.

이것은 다수의 송신 안테나(12)를 사용하는 경우에 별도의 신호 처리나 Space-Time Code를 사용하지 않고 단순히 입력되는 신호에 대해 다른 안테나에서 각각 다른 신호가 송신되도록 하는 것으로 다시 말하면 송신단에서는 송신 품질 향상을 위해서 별도의 신호처리를 거치지 않는 것이 된다.

즉, 송신단에서는 다수의 안테나를 사용하여 각각 다른 안테나에서 다른 신호를 송신하도록 하고 수신단에서 별도의 알고리즘을 사용해 송신단에서 전송된 신호를 수신단에서 여러 안테나로 수신하여 송신단의 각각 다른 안테나에서 다르게 전송된 신호를 적절히 검출하는 것이다.

도 1에 도시된 V-BLAST 수신단의 신호처리기(18)는 바로 M개의 안테나에서 각각 다르게 송신된 신호를 수신단에서 검출하기 위한 신호 처리부를 도시한 것이다.

도 1에서는 송신단에서 4개의 안테나를 사용하는 경우를 예시하였지만 송신단 안테나의 수는 2개 이상으로 임의로 설정 가능하다. 한편, 상기 V-BLAST 시스템의 동작을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

V-BLAST 시스템의 송신단에서는 송신 각 안테나에서 별도의 신호 처리나 Space-Time Code를 사용하지 않고 단순히 입력되는 신호에 대해 다른 안테나에서 각각 다른 신호가 송신되도록 한다.

송신단에서는 이렇게 단순히 신호를 각각 다른 안테나에서 다른 신호가 전송되도록 처리만 하고 수신단에서는 각각 송신 안테나에서 다르게 전송된 신호를 적절한 신호처리를 통해 검출해야 하는데 이것이 V-BLAST 시스템의 핵심 기술 및 알고리즘이라 할 수 있다.

도 2는 V-BLAST 시스템 수신단에서의 신호 처리 방법을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참조하여 V-BLAST 시스템 수신단에서의 신호 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.

우선 M개의 송신 안테나(12), N개의 수신 안테나(16)를 가진 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정한다. 이 때 M개의 송신 안테나(12)를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터를 a라고 하고 송신 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 H라고 할 때 N개의 수신 안테나를 가진 다중 입출력 이동 통신 시스템의 수신단에서 수신되는 신호 벡터 r은 다음과 같이 정의할 수 있다.

이 때 채널 행렬인 H는 송신단이 M개의 안테나를 사용하고 수신단이 N개의 안테나를 사용하고 송신 안테나 각각에서 송신된 신호는 각각 다른 경로를 거쳐 각각 다른 수신 안테나에 수신되므로 N×M행렬이 된다.

또한, 이러한 상기 채널 행렬은 수신단에서 추정하여 얻게 된다.

결국 M개의 안테나를 통해 각각 다르게 전송된 신호들 (a₁, a₂,…, a_m즉, M×1벡터)은 각각 다른 채널 h_i,j를 거치게 되고 수신단에서는 N개의 안테나를 사용해 신호가 수신된다. 아울러 수학식 1에서 v는 가우시안 잡음을 나타낸 것으로 수신단 각 안테나에 유기되므로 N×1벡터가 된다.

이렇게 N개의 안테나에서 수신된 신호는 다음과 같은 신호 검색 알고리즘을 가진 수신단 신호 처리부를 거치게 된다.

우선 송신된 신호 a₁, a₂,…, a_m를 가진 a벡터를 수신단에서 검출한 신호 벡터를라고 하고내의 검출된 신호들을라고 나타낸다. 이렇게 송신단의 각각 다른 안테나에서 송신된 신호를 수신단에서 검출하기 위해서는, 수신단의 N개의 안테나에 수신되는 신호벡터에 웨이트 벡터를 곱하게 되는데 이 웨이트 벡터를 w라고 정의한다.

이 웨이트 벡터는 송신단의 안테나에서 각각 다른 신호가 송신되므로, 이 각각 다른 신호를 검출하기 위하여는 M개의 웨이트 벡터가 필요하게 된다. 이 때 수신단에서 수신되는 신호벡터에 곱하게 되는 웨이트 벡터는 다음과 같은 성질을 만족하도록 한다.

수학식 2에서 H_j는 H의 j번째 열 벡터를 나타낸다. 즉 수학식 2에서는 i번째송신 신호를 검출하기 위해 수신단에서 수신되는 신호벡터에 곱해 주어야 할 웨이트 벡터 w_i는 H의 i번째 열 벡터와의 곱에 대해서만 1이라는 값을 가지고 H의 나머지 열벡터와의 곱에 대해서는 0을 만족하게 한다.

즉 i번째 송신 안테나에서 송신된 송신 신호를 수신하기 위한 웨이트 벡터 w_i는 다른 송신 안테나에서 송신된 신호의 영향은 제거하도록 한다. 순차적으로 송신 신호를 검출하기 때문에 현재 검출하기 위해 사용할 웨이트 벡터를 구하기 전에 먼저 검출된 신호의 영향은 배제하였으므로 j≥i라는 표현을 썼다.

수학식 2의 성질을 만족하는 웨이트 벡터는 다음과 같이 구할 수 있다.

우선 수학식 1에서 나타낸 수신단에서의 수신되는 신호 벡터를

으로 다시 표현할 수 있다.

송신 안테나 각각에서 송신된 신호는 각각 다른 채널을 거쳐 수신단에 수신되는데 이것을 선형적인 합의 꼴로 표현한 것이 수학식 3이라고 할 수 있다.

여기서 1번째 송신 신호를 검출할 때는 2번째부터 M번째 까지의 신호의 영향을 제거하여 수신할 수 있는 웨이트 벡터를 수신되는 신호벡터에 곱하여 수신하는 것이 가장 바람직하고, 마찬가지로 다른 송신 신호에 대해서도 이런 원리를 적용할 수 있다. 이런 요구 조건을 만족시키기 위해 종래 기술에서는 다음과 같이 웨이트 벡터를 갱신하도록 하였다.

우선 웨이트 벡터 갱신이 시작되면 처음 주어진 H행렬의 Moore-Penrose pseudoinverse를 구하고, 이 행렬을 H⁺혹은 G₁로 표시한다. 즉 다음과 같이 쓸 수 있다.

다음 G₁행렬의 각 행벡터 중 행벡터의 벡터 놈(vector norm) 중에서 가장 작은 값으로 나타나는 행벡터가 어느 것인지를 알아낸다. 행벡터의 벡터 놈(vector norm) 중에서 가장 작은 값으로 나타나는 행벡터가 어느 것인지를 알아내면 이것을 K라고 하면 K번째 송신 신호를 검출하기 위한 웨이트 벡터 w_k는 G₁행렬의 K번째 행으로 선택한다.

이 후 수신벡터 r과 웨이트 벡터 w_k를 곱해서 K번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하고, 송신단에서 사용하는 변조 방법 (예를 들면 QPSK, QAM 등의 디지털 변조 방식)을 수신단에서도 알고 있으므로 어느 배치(constellation)에 속한 것인지를 판단하여 마지막으로 K번째 송신 안테나에서 송신된 신호, a_k를 검출한다.

이렇게 K번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하면 수학식 3에서 K번째 신호의 영향을 가감한다. 즉 다음과 같은 연산을 실시한다.

이 때 r₂는 2번째 갱신에서 사용될 수신 벡터를 나타낸다.

이후 G₂, 즉 2번째 웨이트 벡터를 구하는 데 사용될 행렬은 H⁺행렬 중 K번째 열을 모두 0로 만든 행렬의 Moore-Penrose pseudoinverse 행렬이 된다. 즉 다음과 같이 쓸 수 있다.

이 때는 H⁺행렬 중 K번째 열을 모두 0로 만든 행렬의 Moore-Penrose pseudoinverse 행렬을 의미한다.

이 후 G₂행렬에 대해서 G₂행렬의 행벡터들의 벡터 놈(vector norm) 중에서 가장 작은 값으로 나타나는 행벡터가 어느 것인지를 알아내면 이것을 V라고 하면 V번째 송신 신호를 검출하기 위한 웨이트 벡터 w_v는 행렬의 v번째 행로 선택한다.

이 후 수신벡터 r₂과 웨이트 벡터 w_v를 곱해서 v번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하고 송신단에서 사용하는 변조 방법 (예를 들면 QPSK, QAM 등의 디지털 변조 방식)을 수신단에서도 알고 있으므로 어느 배치(constellation)에 속한 것인지를 판단하여 마지막으로 v번째 송신 안테나에서 송신된 신호, a_v를 검출한다.

이렇게 v번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하면 수학식 5에서 v번째 신호를 가감한다. 즉 다음과 같은 연산을 실시한다.

이 때, r₃는 3번째 갱신에서 사용될 수신 벡터를 나타낸다.이런 과정은 M개의 안테나에서 각각 송신된 신호를 모두 구할 때 까지 계속되어, 결국 송신단에서 전송된 신호를 수신단에서 여러 안테나로 수신하여 송신단의 각각 다른 안테나에서 다르게 전송된 신호를 적절히 검출하게 된다.

그러나, 다중 입출력 이동 통신 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템은 다음과 같은 한계가 존재한다.

종래 기술은 송신단에서 발생한 data를 각 송신 안테나에 나눠주도록serial-to-parallel 단을 두어 각 송신 안테나에서 서로 독립적인 신호가 송신되도록 한다. 그리고, 수신단에서 신호 처리를 사용하여 각 송신 안테나에서 송신된 신호를 검출하는 방법을 사용하고 있다.

즉, 각 송신 안테나에서 신호를 독립적으로 송신함으로써 각 안테나 간의 독립성의 성질만을 이용하고 있는 한계가 있다. 그러나 실제 상황에서는 송신 안테나 어레이의 각 송신 안테나 간에 어느 정도의 상관 (correlation)이 존재하게 되고 아울러 수신 안테나 어레이(array)의 수신 안테나 간에도 어느 정도의 상관이 존재하여 송/수신 각 안테나의 독립성 뿐 아니라 상관성도 어느 정도 존재하게 된다.

이 경우 안테나 간의 독립성만을 이용하는 시스템에는 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는 단점이 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서 현실적인 송/수신 안테나의 특성을 고려하여, 종래 다중 입출력 이동 통신 시스템은 안테나 간의 독립성만을 이용하였으나, 본 발명은 안테나 간의 상관성을 함께 이용하여 그 성능을 향상시키는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 다중 입출력 이동 통신 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템의 구성도.

도 2는 V-BLAST 시스템 수신단에서의 신호 처리 방법을 나타내는 순서도.

도 3는 본 발명 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도.

도 5는 도 3에서의 실시예에 대한 폐루프 신호 처리 방법을 나타내는 순서도.

도 6은 도 4에서의 실시예에 대한 폐루프 신호 처리 방법을 나타내는 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 벡터 인코더(Vector Encoder) 12 : 송신 안테나

14 : 다중 입출력 이동 통신 채널 16 : 수신 안테나

18 : V-BLAST 수신단의 신호처리기 20 : 디멀티플렉서(DEMUX)

22 : 고유치 분해기 24 : 송신단의 빔형성기

26 : 빔형성된 송신신호벡터 추정기 28 : 수신단의 빔형성기

30 : 채널 행렬 추정기 32 : 멀티플렉서(MUX)

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법는, 송신하려는 각 심볼에 대하여 복수의 송신 안테나를 이용하는 빔형성을 실시하여 신호를 전송하는 송신단으로부터 전송되어온 신호를 수신하는 단계와, 상기 송신단에서 전송된 빔형성된 송신 신호가 거치는 이동 통신 채널에 대한 행렬을 추정하는 단계와, 상기 추정한 채널에 대한 행렬의 정보를 상기 송신단으로 알려주는 단계와, 송신단에서 전송된 신호로부터 상기 각 심볼을 검출하는 단계를 포함하여 이루어 지는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 송신단으로 알려주는 상기 추정한 채널에 대한 행렬의 정보는 그 행렬의 곱 행렬의 고유치 값과, 고유벡터 값인 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 심볼에 대하여 복수의 송신 안테나를 이용하는 빔형성은 송신 안테나 수와 동일한 크기의 웨이트 벡터를 각각의 심볼에 곱하는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 웨이트 벡터는 상기 추정한 채널에 대한 행렬의 곱 행렬의 고유벡터인 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 장치는, 수신단에서 추정한 채널 행렬을 고유치 분해하는 수단과, 전송하는 각 심볼에 빔이 형성되는 수단으로 이루어지는 송신단과; 상기 채널 행렬을 추정하고, 추정한 채널 행렬을 전체로서 상기 송신단으로 피드백하는 수단과, 상기 송신단에서 전송된 신호를 검출하는 수단으로 이루어지는 수신단이; 포함되는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의한 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 장치는, 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송하는송신단과; 채널 행렬을 추정하는 수단과, 상기 추정한 채널 행렬에 대한 허미션값과 상기 채널 행렬을 곱한 행렬의 고유치 분해를 통해 구한 고유치 값들과 고유벡터 값들을 상기 송신단으로 피드백하는 수단과, 상기 송신단에서 전송된 신호를 검출하는 수단으로 이루어지는 수신단이; 포함되는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 상기 송신단에서 전송된 신호를 검출하는 수단은 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법으로 상기 송신단에서 각 심볼에 빔형성하여 생성된 신호 벡터를 추정하는 수단과, 상기 추정된 신호 벡터에 상기 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터들의 켤레값들을 곱해 송신단에서 전송된 상기 각 심볼을 검출하는 수단이 포함되는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법은, 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송하는 단계와, 송신 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 수신단에서 추정하고, 상기 추정한 채널 행렬 전체를 송신단으로 피드백하는 단계와, 송신단에서 전송된 신호를 수신단에서 검출하는 단계로 이루어짐을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의한 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 폐루프 신호 처리 방법은, 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송하는 단계와, 송신 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 수신단에서 추정하는 단계와, 상기 수신단에서 추정한 채널 행렬에 대한 허미션값과 채널행렬을 곱한 행렬의 고유치 분해를 통해 구한 고유치 값들과 고유벡터 값들을 송신단으로 피드백하는 단계와, 송신단에서 전송된 신호를 수신단에서 검출하는 단계로 이루어짐을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 경우에 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는 것을 극복하여 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.

즉 본 발명의 내용은 종래의 안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 이득에다 안테나 간의 상관성으로 인해 얻을 수 있는 이득을 더한 이득을 얻을 수 있어 종래 시스템에 비해 보다 나은 성능을 기대할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 3는 본 발명 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도 이다.

도 3 및 도 4을 참조하여 본 발명 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 폐루프 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정하였다. 아울러 FDD 시스템을 가정하였다. 따라서 송신단에서 수신단까지의 이동 채널 상황을 알 수 없기 때문에 순방향 채널의 상황을 수신단에서 피드백(feedback)하는 것을 가정하였다. 물론 TDD 시스템에서는 순방향 채널과 역방향 채널이 동일하기 때문에 수신단에서 별도의 피드백을 하지 않아도 송신단에서 순방향 채널을 추정할 수 있다.

본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 우선 M개의 송신 안테나(12), N개의 수신 안테나(16)를 가진 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정한다. 여기서 수신단에서 송신단으로 피드백하는 정보의 성격이 무엇이냐에 따라 도 3 및 도 4에 도시된 2개의 다른 본 발명 실시예의 폐루프 신호 처리 장치가 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템을 생각할 수 있다.

즉, 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같이 M개의 송신 안테나(12)를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 H라고 할 때, 도 3에서는 수신단에서 추정한 순방향 채널 행렬 전체를 송신단으로 피드백하여, 송신단의 안테나 수 혹은 그 보다 적은 수의 심볼에 각각 곱해 줄 웨이트 벡터를 구하기 위한 채널 행렬을 송신단에서 고유치 분해 (Eigen-decomposition)를 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템을 나타내고 있고, 도 4에서는 수신단에서 채널 행렬을 추정한 후, 수신단에서 상기 채널 행렬을 고유치 분해하고, 이를 통해 분리된 각 고유치들과 고유벡터 값들을 송신단으로 피드백하는 다중 입출력 이동 통신 시스템을 나타내고 있다.

그러나, 수신단에서 송신단으로 피드백하는 정보가 무엇이냐에 따라 도 3과 도 4의 구성이 달라질 뿐, 도 3과 도 4에 도시한 시스템의 구성은 근본적으로 같다고 할 수 있다.

본 발명은 송신 안테나(12)에서 각각 독립적인 심볼을 전송하는 종래의 시스템과 달리 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송하는 시스템이므로 도 3와 도 4에 도시한 대로 송신단의 빔형성기(24)를 포함하고 있다.

또한, 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송한 경우 수신단에서의 신호 처리를 위하여 일반적으로 잘 알려진 제로 포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정(MMSE :Minimum-Mean-Square-Error) 방법으로 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 생성한 신호 벡터를 추정하는 블락, 즉 빔형성된 송신신호벡터 추정기(26)와 그 블락을 통과한 신호 벡터에다 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터들의 켤레(conjugate)값들을 곱해 각 심볼을 검출(detection) 하는 블락, 즉 수신단의 빔형성기(28)로 이루어진다.

도 5는 도 3에서의 실시예에 대한 폐루프 신호 처리 방법을 나타내는 순서도이다.

도 6은 도 4에서의 실시예에 대한 폐루프 신호 처리 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5와 6을 참조하여 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.

종래의 V-BLAST 송신단은 M 개의 송신 안테나를 사용할 경우 다음과 같이 M개의 심볼로 구성된 신호 벡터를 구성 그 각각의 심볼을 각각 다른 송신 안테나로 전송하도록 한다.

이 경우 상기 설명한 바와 같이 각 안테나 간의 상관이 없는 시스템을 가정하였고, 따라서 각 안테나가 하나의 독립된 채널이라고 가정하였다. 이 경우 각 안테나 간의 상관성을 이용할 수 없게 되므로 본 발명에서는 다음과 같이 안테나 간의 독립성 및 상관성을 동시에 이용하는 방법을 사용한다.

본 발명은 각 심볼을 독립적으로 안테나마다 전송하기 전에 송신단이 안테나 어레이로 구성되어 있는 것을 착안하여 각 심볼에 대해 빔형성을 실시하여 전송하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 빔형성을 실시하는 안테나 어레이는 안테나 어레이를 구성하는 각 안테나 간의 상관성을 이용하는 것으로 안테나 간의 상관성이 높을수록 빔형성 실시의 이득이 커진다고 할 수 있다.

종래 V-BLAST 시스템은 각 안테나마다 독립적인 심볼을 전송하는 것으로만 송신단에서 신호처리를 하기 때문에 빔형성 이득을 얻을 수 없었으나 본 발명은 실제 상황에서 피할 수 없는 안테나 간의 상관성을 이용할 수 있도록 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송하도록 하는 것이다.

본 발명에서 각 심볼에 빔을 형성하는 방법을 다음과 같은 수학식으로 요약할 수 있다.

여기서 w_i는 각 심볼에 빔형성을 실시하기 위한 웨이트 벡터를 지칭하는 것이고 a₁부터 a_m까지는 신호 심볼을, S는 각 심볼에 빔형성을 실시한 빔형성 후의 신호 벡터라고 할 수 있다.

이 때 각 심볼에 곱할 웨이트 벡터를 구하는 방법을 다음과 같이 요약할 수 있다.

본 발명은 폐루프 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정하였다. 아울러 일반적으로 FDD 시스템에서는 송신단에서 수신단까지의 이동 채널 상황을 알 수 없기 때문에 순방향 채널의 상황을 수신단에서 피드백하는 것을 가정하였다. 또한, M개의 송신 안테나, N개의 수신 안테나를 가진 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정한다. (이 경우 N>M이라고 가정)

이 때 M개의 송신 안테나(12)를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 H라고 할 때 수신단에서 N개의 수신 안테나(16)를 가진 경우 채널 행렬 H는 N×M 행렬이 되고, 송신단의 각 안테나에서 송/수신단에서 미리 알고 있는 pilot 심볼 혹은 별도의 pilot channel 을 전송한다고 할 경우 수신단에서는 채널 행렬 H의 각 성분을 추정할 수 있다.

도 3에 도시한 다중 입출력 이동 통신 시스템에 의해 상기 채널 행렬 H를 수신단에서 송신단으로 피드백 할 경우에는 송신단의 고유치 분해기(22)에서 상기 채널 행렬 H을 고유치 분해(Eigen-Decomposition)하고, 도 4에 도시한 다중 입출력 이동 통신 시스템에 의해 상기 채널 행렬 H를 수신단에서 계산할 경우에는 수신단의 고유치 분해기(22)에서 상기 채널 행렬 H를 고유치 분해 (Eigen-Decomposition)을 실시한다.

본 발명에서는 수신단의 안테나 어레이의 안테나 개수가 송신단의 안테나 어레이의 안테나 개수보다 많은 시스템을 가정하였기 때문에 상기 채널 행렬 는 정방행렬이 아니므로 채널 행렬 자체를 고유치 분해를 할 수 없고 따라서 H ^H H의 고유치 분해를 실시하도록 한다. 여기서H는 허미션(Hermitian)연산을 의미한다.

여기서,는 행렬 H ^H H의 고유치(eigenvalue)들을, e_i는 고유벡터(eigenvector)들을 나타낸다.

각 고유벡터는 일반적으로 서로 직교(orthogonal)성을 유지하기 때문에 송신단의 안테나 수에 맞게 심볼을 한꺼번에 송신단에서 전송하고자 할 경우 각 심볼에 독립적인 빔형성을 실시하여 신호를 전송할 수 있다. 따라서, 이 경우 고유벡터 는 송신단에서의 각 심볼에 빔형성을 실시하기 위한 웨이트 벡터가 되는 것이다.

즉, 도 3에 도시한 다중 입출력 이동 통신 시스템과 같이 수신단에서 추정한 채널 행렬 전체를 피드백 할 경우에는 송신단에서 상기 채널 행렬을 위와 같이 고유치 분해하고, 도 4에 도시한 다중 입출력 이동 통신 시스템과 같이 수신단에서 상기 채널 행렬을 고유치 분해하여 그 고유치 값과 고유벡터 값만을 피드백 하면 송신단에서 그 고유벡터, 즉 웨이트 벡터를 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여신호를 전송하도록 하는 것이다.

송신단에서 수학식 9와 같이 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송한 경우 수신단에서는 다음과 같이 신호 처리를 실시한다.

각 심볼에 빔형성을 실시하였기 때문에 종래 V-BLAST 수신단의 신호 처리를 사용할 수 없으므로 일반적으로 잘 알려진 제로 포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정(MMSE)방법으로 우선 빔형성후의 송신신호벡터를 추정한 후, 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터의 켤레(conjugate)값을 곱해 빔 형성전의 각 심볼을 검출(detection) 하도록 한다.

제로 포싱(zero-forcing), 최소평균오차측정(MMSE)방법은 다음과 같이 수학식으로 요약할 수 있다.

우선 각 심볼에 빔형성을 실시하여 송신단에서 전송한 신호를 수신단에서 수신한 신호는

으로 나타낼 수 있다.여기서 n은 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다.

제로 포싱(Zero-forcing)을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터 S를 추정한 신호 벡터를라고 하면는

으로 나타낼 수 있다.

최소평균오차측정(MMSE)방법을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터 S를 추정한 신호 벡터를 라고하면는

으로 나타낼 수 있다.여기서 α는 신호 대 간섭 잡음비, I는 항등 행렬을 나타낸다.

이렇게 제로포싱(zero-forcing) 혹은 최소평균오차측정(MMSE) 방법을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터 S를 추정한 신호 벡터인를 추정한 후 송신단에서 각 심볼에 곱하여 전송한 웨이트 벡터의 켤레(conjugate) 값을 다시에 곱하여 송신단에서 전송한 심볼들인 a₁부터 a_m까지의 추정치부터를 다음과 같이 검출할 수 있다.

....

이것은 수신단에서의 각 심볼에 대한 빔 형성을 의미한다.

그리고, 송신단에서 사용하는 변조 방법 (예를 들면 QPSK, QAM 등의 디지털 변조 방식)을 수신단에서도 알고 있으므로 각각의 검출된 심볼들부터이 어느 배치(constellation)에 속한 것인지를 판단하여 송신단에서 전송한 심볼들인 a₁부터 a_m를 검출하고, 이후 멀티플렉서 (MUX)(32)를 통하여 검출한 심볼들을 합쳐 송신신호를 검출하게 된다.

본 발명은 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서 송/수신단에서의 안테나 간의 독립성 및 상관성을 동시에 이용하는 특성을 가지고 있다. 안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 경우에는 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는데 이 경우에는 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims

다수의 송신안테나와 다수의 수신안테나를 갖는 이동통신 시스템에 있어서,

각 송신 심볼에 서로 다른 웨이트벡터를 곱하여 각 송신 안테나를 통하여 전송하는 단계와;

송신 신호가 거치는 이동통신 채널에 대한 행렬을 추정하는 단계와;

상기 추정된 채널행렬을 고유치 분해하여 웨이트벡터로 사용될 정보를 송신단으로 피드백하는 단계와;

수신한 송신 신호를 처리하여 송신 심볼을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 피드백정보는 추정된 채널행렬의 허미션(Hermitian)값에 해당 채널행렬을 곱한 행렬의 고유치 및 고유벡터인 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 3항에 있어서,

상기 송신단은

송신 안테나 수와 동일한 수의 웨이트 벡터를 각 송신 심볼에 곱하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 웨이트 벡터는 상기 추정된 채널행렬의 허미션값에 해당 채널행렬을 곱한 행렬의 고유벡터인 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
다수의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용하고, 수신단으로부터 순방향채널에 대한 정보의 피드백을 사용하는 이동통신 시스템에 있어서,

송신단은 각 송신 안테나를 통해 전송될 각 심볼에 서로 다른 웨이트 벡터를 곱하여 전송하고, 수신단은 각 송신 안테나에서 전송된 신호가 거치는 채널행렬을 추정한 다음 고유치 분리를 통해 송신단의 각 웨이트벡터로 사용될 고유치 및 고유벡터를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 5항에 있어서,

상기 각 웨이트벡터는 서로 직교성을 유지하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 5항에 있어서,

상기 수신단은 송신단이 고유치 분리를 통하여 직접 웨이트벡터를 계산할 수 있도록 상기 추정된 채널 행렬 전체를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
제 5항에 있어서,

상기 수신단은 송신된 신호벡터를 zero-forcing 또는 MMSE방법을 통하여 추정한 후 그 추정된 신호벡터에 상기 송신단에서 사용한 웨이트 벡터의 결레값을 곱하여 송신 심볼을 추정하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.