KR100541284B1 - 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법은, 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 현실적인 송/수신 안테나 특성을 이용하는 것으로 다수 안테나의 상관 정도 및/또는 심볼의 인식 효율을 고려하여 각 심볼을 배치하고 상기 각 심볼을 상기 다수의 안테나를 통해 독립적으로 전송하는 것을 특징으로 한다.
안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 경우에는 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는데 본 발명에서는 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.
즉, 심볼의 인식(detection) 효율을 고려하여 안테나 상관도에 따라 전송되는 안테나에 적절히 배치하면 비교적 독립적인 심볼을 전송할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 특징을 기존의 Hybrid-ARQ를 사용하는 시스템에서의 송신단에서 같은 정보를 재전송시에 이용하여 통신 품질을 향상시키게 하는 장점이 있다.

Description

다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법{Signal Processing Apparatus and Method of Multi Input, Multi Output Mobile Communication System}
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 3은 일반적인 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)의 성상도.
도 4는 16QAM에 있어서의 본 발명의 실시예에 의한 심볼 배분의 예를 도시한 성상도
도 5는 본 발명 실시예의 신호 처리 방법이 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도
<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 : 송신단 Hybrid ARQ 시스템
22 : 디멀티플렉서(DEMUX) 24 : 수신단 Hybrid ARQ 시스템
26 : 송신신호벡터 추정기 28 : 멀티플렉서(MUX)
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 장치 및 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 데이터들에 대해 순차적으로 발생하는 데이터들을 각 송신 안테나에서 각각 따로 전송하기 위하여 송신 데이터들에 대해 Vector Encoder(10)를 거치며 (즉 Vector Encoder는 순차적으로 발생되는 데이터들을 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 데이터에 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 수신단의 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 데이터에 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.
Figure 112002008279675-pat00001
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,…, am 즉, M×1벡터)은 각각 다른 채널 hi,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,…, am를 가진 a벡터를 수신단에서 검출한 신호 벡터를
Figure 112005003114985-pat00002
라고 하고
Figure 112005003114985-pat00003
내의 검출된 신호들을
Figure 112005003114985-pat00004
라고 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.
Figure 112002008279675-pat00005
수학식 2에서 Hj는 H의 j번째 열 벡터를 나타낸다. 즉 수학식 2에서는 i번째송신 데이터를 검출하기 위해 수신단에서 수신되는 신호벡터에 곱해 주어야 할 웨이트 벡터 wi는 H의 i번째 열 벡터와의 곱에 대해서만 1이라는 값을 가지고 H의 나머지 열벡터와의 곱에 대해서는 0을 만족하게 한다.
즉 i번째 송신 안테나에서 송신된 송신 데이터를 수신하기 위한 웨이트 벡터 wi는 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
Figure 112002008279675-pat00006
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 영향 을 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.
Figure 112002008279675-pat00007
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 wk는 G1행렬의 K번째 행으로 선택한다.
이 후 수신벡터 r과 웨이트 벡터 wk를 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, ak를 검출한다.
이렇게 K번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하면 수학식 3에서 K번째 신호의 영향을 가감한다. 즉 다음과 같은 연산을 실시한다.
Figure 112002008279675-pat00008
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.
Figure 112002008279675-pat00009
이 때
Figure 112005003114985-pat00010
는 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 wv는 행렬의 v번째 행로 선택한다.
이 후 수신벡터 r2과 웨이트 벡터 wv를 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, av를 검출한다.
이렇게 v번째 안테나에서 송신된 신호를 검출하면 수학식 5에서 v번째 신호를 가감한다. 즉 다음과 같은 연산을 실시한다.
Figure 112002008279675-pat00011
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 기술에 의한 방법이 그대로 유효하기 위해서는 각 송신 안테나에서 독립적으로 송신된 신호가 이동 통신 채널을 거치는 동안 그 독립성이 그대로 유지되어야 하는데 실제 상황에서는 송신 안테나 어레이의 각 송신 안테나 간에 어느 정도의 상관 (correlation)이 존재하게 되고 아울러 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 간에도 어느 정도의 상관이 존재하여 송신 각 안테나에서 송신된 신호의 독립성을 보장할 수 없는 상황이 발생하게 된다.
아울러 이동 통신 채널도 각 송신 안테나와 각 수신 안테나간의 독립적인 채널을 보장해야 하지만 실제는 각 송신 안테나의 수만큼의 독립적인 채널을 보장하지 못할 수도 있다.
즉 송신 어레이의 송신 안테나에서 각각 독립적으로 송신되는 신호에 대해 수신단에서 각각 독립적으로 처리하는데 있어 각 채널의 독립성이 보장되지 못하는 경우 특정 송신 안테나의 신호가 수신단에서 독립적으로 검출하는 것이 어렵게 되고 그렇게 되면 그 송신 안테나에서 송신된 신호는 수신단에서 계속 에러를 유발하게 되거나 잘못된 신호를 검출하게 된다.
즉, 기존의 BLAST 송신 기술은 채녈의 독립성이 깨어지는 경우 상기 채널의 변화 정도에 능동적으로 대처할 수 없어 원하는 시스템 성능을 기대할 수 없게 되는 단점이 있다.
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 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나를 사용하는 이동 통신 시스템에서의 신호 전송 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
즉, 여러 안테나를 사용하는 송신단 시스템에서 각 안테나마다 독립된 심볼을 전송하고자 하는 경우 각 심볼의 독립성을 최대한 보장하여야 하는데 그 심볼의 위치를 각 안테나의 상관 정도를 고려하여 적당히 다시 배치한 후 전송하고자 하는 것이 본 발명의 기본 취지이다
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법은, 다수 안테나의 상관 정도 및/또는 심볼의 인식 효율을 고려하여 각 심볼을 배치하고 상기 각 심볼을 상기 다수의 안테나를 통해 독립적으로 전송하는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 다수 안테나의 상관 정도 및/또는 심볼의 인식 효율을 고려하여 각 심볼을 배치하는 것은, 인식 효율이 낮은 심볼들은 안테나간의 상관 정도가 낮은 안테나쌍에 할당하고, 인식 효율이 높은 심볼들은 안테나간의 상관 정도가 높은 안테나쌍에 할당하는 것임을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 다수 안테나의 상관 정도 및/또는 심볼의 인식 효율을 고려하여 각 심볼을 배치하는 것은, 인식 효율이 낮은 심볼들은 안테나간의 상관 정도가 높은 안테나쌍에 할당하고, 인식 효율이 높은 심볼들은 안테나간의 상관 정도가 낮은 안테나쌍에 할당하는 것임을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의한 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법은, 각 심볼을 다수의 안테나를 통해 독립적으로 전송하는 단계와, 상기 각 심볼을 다수 안테나의 상관 정도 및/또는 심볼의 인식 효율을 고려하여 재배치하고 이를 재전송하는 단계와, 전송된 각 심볼을 검출하는 단계와, 상기 재전송된 각 심볼을 검출하고 이를 미리 검출된 각 심볼과 결합하는 단계가 포함되는 것을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 심볼을 재전송하고, 상기 재전송되어 검출된 각 심볼과 미리 검출된 각 심볼과 결합하는 것은 하이브리드 자동 재전송 요구 시스템에 의한 것임을 그 특징으로 한다.
또한, 상기 재전송된 각 심볼을 검출하고 이를 미리 검출된 각 심볼과 결합하는 것은 미리 검출된 각 심볼의 순서대로 상기 재전송되어 검출된 각 심볼을 재배치하여 이루어지는 것임을 그 특징으로 한다.
여기서, 인식 효율이 낮은/높은 심볼이라 함은 심볼들의 평균 인식 효율보다 인식 효율이 낮은/높은 심볼을 의미하며, 안테나 간의 상관 정도가 낮은/높은 안테나쌍이라 함은 안테나들 간의 평균 상관도보다 낮은/높은 안테나쌍을 의미한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 안테나 간의 독립성을 이용하는 시스템의 경우에는 안테나간의 상관성이 클수록 그 이득이 떨어지게 되는데 본 발명에서는 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.
즉 심볼의 인식(detection) 효율을 고려하여 안테나 상관도에 따라 전송되는 안테나에 적절히 배치하면 비교적 독립적인 심볼을 전송할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 특징을 기존의 Hybrid-ARQ를 사용하는 시스템에서의 송신단에서 같은 정보를 재전송시에 이용하여 통신 품질을 향상시키게 하는 장점이 있다.
여러 안테나를 가진 안테나 어레이(array)에 있어서 이웃하는 안테나간에는 어느 정도의 상관을 가지고 있다. 아울러 안테나 수가 4개 이상일 경우에는 안테나 어레이의 끝에 위치한 안테나 간에는 어느 정도의 독립성이 보장되지만 안테나 어레이 내부의 안테나의 경우 이웃하는 안테나간에는 상당한 정도의 상관이 존재한다.
따라서 다중 입출력 이동 통신 시스템의 신호 처리에 있어서 각 안테나마다 독립된 심볼을 전송하고자 하는 경우 각 심볼의 독립성이 최대한 보장되어야 하는데, 본 발명에 의한 신호 처리 방법에 의하면 전송하려는 심볼의 위치를 안테나의 상관 정도와 심볼의 인식 효율를 고려하여 배치한 후 이를 전송하므로 전송하는 각 심볼의 독립성을 유지할 수 있게 된다.
다음에서는 안테나의 상관 정도와 심볼의 인식 효율을 고려하여, 전송하는 각 심볼의 독립성을 유지할 수 있게 하는 각 심볼의 배치 방법에 대해 설명하도록 한다.
단, QPSK이하의 시스템의 경우에는 심볼의 인식 효율이 모두 동일하므로 심볼의 인식 효율을 고려할 실익이 없으며, 따라서 안테나의 상관 정도 및 심볼의 인식 효율을 모두 이용하기 위해서는 8PSK이상의 시스템에서 가능하다.
도 3은 일반적인 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)의 성상도를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하여 안테나의 상관 정도와 심볼의 인식 효율을 고려한 각 심볼의 배치 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3의 성상도에서 가장 바깥쪽에 위치한 심볼 즉, 1, 4, 13, 16번 심볼은 안쪽에 위치한 심볼, 예를 들면 6, 7, 10, 11번 심볼에 비해 인식(detection) 이 수월하므로 심볼 검출을 위한 안정성이 더 보장된다고 할 수 있다.
이런 성질을 다수의 안테나를 사용하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에 이용하여 각 안테나간의 상관 정도에 비추어 심볼의 위치를 바꾸어 각 안테나에서 송신되도록 처리할 수 있다. 각 송신 안테나에서 전송될 심볼을 특정함에 있어서, 인식 효율이 높은 심볼은 상관도가 높은 안테나 쌍에 할당하고 인식 효율이 낮은 심볼은 상관도가 낮은 안테나 쌍에 할당하여 심볼 검출 기능을 향상시킨다.
즉 구성된 성상도에서 서로 상관도가 높은 안테나 쌍 (예를 들어 안테나 배열에 있어서 바로 옆에 위치하거나 가까이 위치한 안테나 쌍)에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 멀리 떨어진 심볼의 쌍, 즉 인식 효율이 높은 심볼의 쌍을 할당하고, 서로 상관도가 낮은 안테나 쌍 (예를 들어 안테나 배열에 있어서 상당히 떨어져 있는 안테나 쌍)에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 가까운 심볼의 쌍, 즉 인식 효율이 낮은 심볼의 쌍을 할당하도록 하는 것이다.
예를 들어 안테나 4개를 사용하는 송신단의 경우 도3의 16QAM 성상도에서 가장 바깥쪽에 위치한 심볼 (즉, 1, 4, 13, 16번 심볼)을 안테나 간의 상관 관계가 어느 정도 존재하는 안테나 쌍 (예를 들어 4개의 안테나를 순서대로 A, B, C, D라고 할 때 안쪽 B, C 안테나 쌍)에서 전송되도록 하면 안테나 간의 상관도를 고려하여 전송될 심볼의 위치를 고려하지 않은 경우보다 수신단 심볼 인식(detection) 성능이 향상된다고 할 수 있다.
비슷한 이유로 16QAM 성상도에서 가장 안쪽에 위치한 심볼 (예를 들어, 6, 7, 10, 11번 심볼)에 대해서는 안테나 간의 상관 관계가 상당히 떨어지는 바깥쪽 안테나 쌍 (예를 들어 4개의 안테나를 순서대로 A, B, C, D라고 할 때 바깥쪽 A, D 안테나 쌍)에서 전송되도록 한다. 16QAM 성상도 중에서 나머지 심볼 (2, 3, 5, 8, 9, 12, 14, 15) 들은 원점으로부터의 거리가 같은 심볼들이므로 4개의 안테나에서 각각 전송되는 심볼의 수가 같도록 적당히 배분하면 된다.
도 4는 16QAM에 있어서의 본 발명의 실시예에 의한 심볼 배분의 예를 도시한 성상도이다.
도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 심볼 배분의 예를 설명하면 다음과 같다.
도 4의 검은색 심볼의 경우는 안테나 B, C에서 전송되는 심볼을 그리고 하얀색 심볼은 안테나 A, D에서 전송되는 심볼의 예를 나타낸 것이다. 가장 바깥쪽 심볼인 1, 4, 13, 16 번 심볼은 안테나 B, C에서 전송되도록 하고 가장 안쪽 심볼인 6, 7, 10, 11번은 안테나 A, D에서 전송되도록 배치한 후 나머지 심볼을 안테나 B와 C 그리고 안테나 A과 D의 쌍에 어떻게 적절히 배분하느냐에 따라 예시가 다른 것이므로 여러 가지 경우가 있을 수 있다.
아울러 가장 바깥 쪽 심볼인 1, 4, 13, 16을 안테나 B, C에 배치함에 있어서도 각 안테나에 배분되는 심볼간의 거리가 최대한 멀도록 배치하기 위해 심볼 1, 16 또는 4, 13의 쌍을 만들어 심볼 1, 16의 쌍이 안테나 B에 배분되면 심볼 4, 13의 쌍은 안테나 C에 배분되도록 또는 그 반대로 할 수 있다.
이와 비슷한 원리로 가장 안쪽 심볼인 6, 7, 10 ,11을 안테나 A, D에 배분함에 있어서도 심볼 6, 11 그리고 7, 10을 쌍을 지어 6, 11의 쌍을 안테나 A에 6, 11의 쌍을 안테나 D에 배분하거나 또는 그 반대로 배분할 수 있을 것이다.
요약하면 다수의 안테나를 사용하는 송신단에서 각 안테나에서 독립된 심볼을 전송하고자 할 때 성상도에서 심볼의 위치를 고려하여 안테나 간의 상관도가 낮은 안테나 쌍에 인식(detection) 효율이 낮은 심볼의 쌍을 배분하고, 안테나 간의 상관도가 어느 정도 있는 안테나 쌍에 인식(detection) 효율이 좀 더 존재하는 심볼의 쌍을 배분하도록 한 후, 상관도가 낮은 안테나 쌍 그리고 안테나 간의 상관도가 어느 정도 존재하는 안테나 쌍에 배분된 심볼 간에도 인식 효율을 감안 서로 간의 거리가 최대한 떨어진 심볼이 전송되도록 하는 것이 본 예의 기본 동작이다.
일 실시예로서, 도 4의 (a) 내지 (f)에 도시된 심볼들은 아래의 표 1과 같이 각 송신 안테나에 할당될 수 있다. 여기서, 안테나는 안테나 A, B, C, D의 순서대로 배치된다. 상기 6, 7, 10, 11 번 심볼은 안테나 A 및 D에 할당하고 1, 4, 13, 16 번 심볼은 안테나 B 및 C에 할당하되, 동일한 안테나에 대각선 위치의 심볼을 할당한다. 그리고 나머지 심볼들은 이웃한 심볼과 다른 안테나에 할당한다.
안테나 심볼 번호
도 4의 (a) A B C D 6,8,9,11 1,3,14,16 2,4,13,15 5,7,10,12
도 4의 (b) A B C D 3,6,11,14 4,5,12,13 1,8,9,16 2,7,10,15
도 4의 (c) A B C D 6,8,9,11 1,3,14,16 4,5,12,13 2,7,10,15
도 4의 (d) A B C D 3,6,11,14 1,8,9,16 2,4,13,15 5,7,10,12
도 4의 (e) A B C D 3,6,8,11 4,5,13,15 1,9,14,16 2,7,10,12
도 4의 (f) A B C D 3,6,9,11 4,12,13,15 1,8,14,16 2,5,7,10
상기 표 1에서 안테나 A에 할당된 심볼과 안테나 D에 할당된 심볼을 상호 간에 변경할 수 있다. 또한, 안테나 B에 할당된 심볼과 안테나 C에 할당된 심볼을 상호 간에 변경할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 각 심볼의 배치 방법에 있어서, 구성된 성상도에서 서로 상관도가 높은 안테나 쌍 (예를 들어 안테나 배열에 있어서 바로 옆에 위치하거나 가까이 위치한 안테나 쌍)에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 가까운 심볼의 쌍, 즉 인식 효율이 낮은 심볼의 쌍을 할당하고, 서로 상관도가 낮은 안테나 쌍 (예를 들어 안테나 배열에 있어서 상당히 떨어져 있는 안테나 쌍)에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 멀리 떨어진 심볼의 쌍, 즉 인식 효율이 높은 심볼의 쌍을 할당하는 방법도 고려할 수 있다.
이는 인식 효율이 높은 심볼들을 보다 확실하게 전송하기 위한 방법이다.
예를 들어 안테나 4개를 사용하는 송신단의 경우 도3의 16QAM 성상도에서 가장 바깥쪽에 위치한 심볼 (즉, 1, 4, 13, 16번 심볼)을 안테나 간의 상관 관계가 낮은 안테나 쌍 (예를 들어 4개의 안테나를 순서대로 A, B, C, D라고 할 때 바깥쪽 A, D 안테나 쌍)에서 전송되도록 하면 안테나 간의 상관도를 고려하지 않은 경우보다 상기 심볼에 대한 수신단 심볼 인식(detection) 성능이 더욱 향상된다고 할 수 있다.
다만 이 경우 16QAM 성상도에서 가장 안쪽에 위치한 심볼 (예를 들어, 6, 7, 10, 11번 심볼)에 대해서는 안테나 간의 상관 관계가 높은 안테나 쌍 (예를 들어 4개의 안테나를 순서대로 A, B, C, D라고 할 때 안쪽 B, C 안테나 쌍)에서 전송되 도록 함으로써 상기 심볼에 대해서는 수신단 심볼 인식 성능이 저하되게 된다.
16QAM 성상도 중에서 나머지 심볼 (2, 3, 5, 8, 9, 12, 14, 15) 들은 원점으로부터의 거리가 같은 심볼들이므로 도 4에 설명한 바와 같이 4개의 안테나에서 각각 전송되는 심볼의 수가 같도록 적당히 배분하면 된다.
다만, 이 경우 도 4의 심볼 배분의 예와 다른 점은 검은색 심볼의 경우는 안테나 A, D에서 전송되는 심볼을 그리고 하얀색 심볼은 안테나 B, C에서 전송되는 심볼의 예를 나타낸다는 점이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 각 안테나 간의 상관도를 고려하여 송신단에서 심볼을 재배치하는 순서 혹은 방법을 수신단에서 공히 알고 있다는 것을 가정하고 있다.
한편, 수신단은 다수의 송신 안테나에서 각각 전송된 신호를 V-BLAST 시스템의 알고리즘을 사용하여 검출한다. V-BLAST 시스템 수신단은 다음과 같은 신호 처리 방법(단계 1 내지 단계 7)에 의해 신호를 검출한다.
(단계 1) 수신 안테나가 송신 안테나가 전송한 신호를 수신한다. 수신 안테나에 유기되는 가우시안 잡음이 없다고 가정할 때 수신된 신호 벡터
Figure 112005058264307-pat00017
은 수식
Figure 112005058264307-pat00018
로 표현된다. 여기서, 송신된 신호 벡터를
Figure 112005058264307-pat00019
라고 하고 송신 신호 벡터가 수신단에 도달할 때까지 거치는 이동 통신 채널 행렬을
Figure 112005058264307-pat00020
라 한다.
(단계 2) 수신단에서 송신된 신호
Figure 112005058264307-pat00021
를 검출하기 위해서 상기 채널 행렬
Figure 112005058264307-pat00022
의 의사 인버스(Pseudo Inverse) 행렬을 계산한다.
(단계 3) 상기 계산된 의사 인버스 행렬의 행 중 벡터놈(vector norm)이 가장 작은 행을 선택하여 그 행에 해당하는 심볼을 추정하기 위한 웨이트(weight) 벡터로 사용한다.
(단계 4) 수신 신호 벡터와 웨이트 벡터의 곱을 통해 해당 심볼을 추정한다.
(단계 5) 송신단이 사용하고 있는 성상도 내에서 추정되는 심볼 결정을 결정한다. 이때, 수신단은 송신단이 사용하는 성상도를 알고 있다.
(단계 6) 상기 결정된 심볼과 그 심볼에 해당하는 채널 행렬의 열 벡터의 곱을 수신 신호 벡터에서 차감한다.
(단계 7) 상기 채널 행렬에서 추정된 심볼에 해당하는 열 벡터를 차감한다.
상기 단계 2 내지 단계 7은 각 송신 안테나가 송신한 모든 심볼이 추정될 때까지 계속되어, 결국 송신단에서 전송된 신호를 수신단에서 여러 안테나로 수신하여 송신단의 각 안테나가 전송한 각기 다른 신호를 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면 각 송신 안테나에서 독립적으로 송신된 신호가 이동 통신 채널을 거치는 동안 그 독립성이 그대로 유지되기 때문에, 수신단의 신호 검출 능력이 향상된다.
도 5는 본 발명 실시예의 신호 처리 방법이 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하여 본 발명 실시예의 신호 전송 방법이 채용된 다중 입출력 이동 통신 시스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 발명의 실시예는 M개의 송신 안테나를 가진 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정한다. 아울러 본 발명에서 가정하는 시스템은 신호를 송신단에서 전송하는 데 있어서 송신단에서 같은 데이터를 CRC 와 FEC 등을 결합하여 재전송할 수 있고 수신단에서는 재전송된 데이터와 미리 수신한 이전 데이터를 결합하여 수신 신호의 통신 품질을 높이는 하이브리드 자동 재전송 요구(Hybrid-ARQ : Automatic Repeat request)시스템을 가정하였다.
도 5에 도시된 다수의 안테나로 구성된 송신단은,
Hybrid-ARQ 처리를 담당하는 부분 즉, 재전송 처리를 담당하는 송신단 Hybrid ARQ 시스템(20)과, 상기 송신 Hybrid ARQ 시스템(20)에 의해 만들어진 심볼의 순서대로 각 심볼이 송신되도록 serial-to-parallel로 만들어 각 안테나로 독립적으로 전송되도록 하는 부분 즉, 디멀티플렉서(DEMUX)(22)가 포함된다.
여기서, 상기 송신단 Hybrid ARQ 시스템(20)은 Hybrid-AQR 처리에 있어서, 재전송시 16QAM의 경우, 도 3에 도시된 성상도의 블락에서 서로 상관도가 높은 안테나 쌍에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 멀리 떨어진 심볼의 쌍을 할당하고, 서로 상관도가 떨어지는 안테나에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 가까운 심볼의 쌍을 할당하도록 신호 처리를 하거나, 또는 서로 상관도가 높은 안테나 쌍에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 가까운 심볼의 쌍을 할당하고 서로 상관도가 낮은 안테나에 대해서는 성상도의 위치 중에서 최대한 거리가 멀리 떨어진 심볼의 쌍을 할당하도록 신호 처리를 하게 된다.
또한, 도 5에 도시된 다수의 안테나로 구성된 수신단은,
Hybrid-ARQ 처리를 담당하는 부분, 즉 수신단 Hybrid ARQ 시스템(24)과, 각 송신 안테나에서 송신된 심볼을 제로 포싱(Zero Forcing), 최소평균 오차측정(MMSE : Minimum Mean Square Error)방법 또는 V-BLAST수신 방법 등으로 검출하는 부분, 즉 송신신호벡터 추정기(26)와,추정된 심볼을 parallel to serial 처리하여 송신된 신호 순서대로 배치하는 부분, 즉 멀티플렉서(MUX)(28)가 포함된다.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 다중 입출력 이동 통 신 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예는 수신단에서의 신호 수신 효율을 높이기 위해 송신단에서 동일한 정보를 재전송하는 것을 특징으로 하는 Hybrid-ARQ 시스템을 가정한다.
송신단에서 각 안테나로 처음 전송한 각 심볼들을 수신단에서 수신한 후에 그 심볼들을 저장하고 있다가 송신단에서 같은 심볼을 재전송할 때 안테나 간의 상관도를 고려하여 위에서 설명한 대로 각 안테나에서 전송될 심볼을 재배치하여 전송한 후 수신단에서 먼저 받은 심볼의 순서대로 재전송된 심볼을 송/수신단에서 미리 약속된 순서, 즉 먼저 받은 심볼의 순서대로 다시 재배치 후 미리 받은 신호와 재전송된 신호를 결합하여 수신 효율을 향상시키도록 한다.
예를 들면, QPSK 시스템에서 송신 안테나가 4인 시스템을 고려할 때, 최초 전송에서 신호 심볼 1, 2, 3, 4를 A, B, C, D 안테나로 전송하고, 재전송 시에는 같은 심볼을 안테나간의 상관도를 고려하여 C, D, A, B 안테나에 전송한 경우에 상관도가 낮거나 높은 안테나로 재전송이 일어나기 때문에 재전송 수를 감소시킴으로써 시스템의 throughput을 향상시킬 수 있다.
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 본 발명에서는 안테나 간의 상관성을 이용하는 다른 방법을 함께 사용함으로써 안테나 간의 상관성으로 인 해 잃게 되는 이득을 함께 얻을 수 있는 장점이 있다.
즉 심볼의 detection 효율을 고려하여 안테나 상관도에 따라 전송되는 안테나에 적절히 배치하면 비교적 독립적인 심볼을 전송할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 특징을 기존의 Hybrid-ARQ를 사용하는 시스템에서의 송신단에서 같은 정보를 재전송시에 이용하여 통신 품질을 향상시키게 하는 장점이 있다.

Claims (18)

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  7. 각 안테나를 통해 독립된 심볼을 전송하는 안테나 어레이에 있어서,
    인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 낮은 심볼들은 안테나간의 상관도가 평균상관도보다 낮은 안테나쌍에 할당하고, 인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 높은 심볼들은 안테나간의 상관도가 평균상관도보다 높은 안테나쌍에 할당하는 단계와;
    상기 할당된 심볼들을 각 안테나를 통하여 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 심볼 할당은
    수신단의 요청에 따른 심볼 재전송시에 동일하게 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수신단은
    이전에 전송된 신호로부터 검출한 심볼과 재전송된 신호로부터 검출한 심볼을 결합하여 원래의 심볼을 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 낮은 심볼들은 심볼간 거리가 평균거리보다 짧은 심볼을 나타내며, 인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 높은 심볼들은 심볼간 거리가 평균거리보다 긴 심볼을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 상관도가 평균상관도보다 높은 안테나쌍은 안테나들 간의 거리가 평균거리보다 짧은 안테나쌍을 나타내며, 상관도가 평균상관도보다 낮은 안테나쌍은 안테나들 간의 거리가 평균거리보다 긴 안테나쌍을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 각 안테나를 통해 독립된 심볼을 전송하는 안테나 어레이에 있어서,
    인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 낮은 심볼들은 안테나간의 상관도가 평균상관도보다 높은 안테나쌍에 할당하고, 인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 높은 심볼들은 안테나간의 상관도가 평균상관도보다 낮은 안테나쌍에 할당하는 단계와;
    상기 할당된 심볼들을 각 안테나를 통하여 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 심볼 할당은
    수신단의 요청에 따른 심볼 재전송시에 동일하게 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 수신단은
    이전에 전송된 신호로부터 검출한 심볼과 재전송된 신호로부터 검출한 심볼을 결합하여 원래의 심볼을 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 인식효율이 심볼들의 평균인식효율보다 낮은 심볼들은 심볼간 거리가 평균거리보다 짧은 심볼을 나타내며, 인식효율이 평균인식효율보다 높은 심볼들은 심볼간 거리가 평균거리보다 긴 심볼을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 상관도가 평균상관도보다 높은 안테나쌍은 안테나 간의 거리가 평균거리보다 짧은 안테나쌍을 나타내며, 상관도가 평균상관도보다 낮은 안테나쌍은 안테나 간의 거리가 평균거리보다 긴 안테나쌍을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
  18. 삭제
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