KR100550720B1 - 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 다중 입출력 통제 시스템에서의 신호처리 방법은, 전송되는 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬이 추정되고, 상기 추정된 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터가 분리되는 제 1 단계와; 상기 분리된 채널 행렬의 고유치들이 상대 비교되어 각 송신 안테나별로 전송할 심볼의 변조 또는 코딩 방식이 결정되는 제 2 단계와; 상기 분리된 채널 행렬의 고유벡터들이 각 송신 안테나별로 전송될 각각의 심볼에 곱하여 전송되는 제 3단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 각 심볼이 각 안테나에서 독립적으로 전송되도록 하기 위해 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 구한 고유 벡터 들을 각 심볼에 곱해서 전송하도록 하고, 아울러 각 안테나의 채널 상활을 수신단으로부터 귀환(feedback) 받아서 채널 상황이 좋은 안테나에 대해서는 higher order modulation 을 사용하고 채널 상황이 좋지 않은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 사용하여 시스템 전체적으로 전송률을 늘리고 아울러 통신 품질을 향상 시키는데 기여한다.

Description

다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치 및 방법{signal processing apparatus and method of multi input multi output communication system}

도 1은 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단을 나타낸 구성도.

도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단을 나타낸 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 디멀티플렉서 121,122,260 : 신호 처리기

131~133 : 확산기 141,142 : 합산기

151,152 : 스크램블러 230 : 심볼 검출기

241,242 : 역확산기 250, 450 : 멀티플렉서

270 : 신호 제거기 300 : 송신단

310 : 송신 안테나 320 : 결정부

400 : 수신단 410 : 수신 안테나

460 : 채널 추정기 470 : 고유치 분해기

500 : MIMO 채널

본 발명은 다수의 안테나를 송신단과 수신단에서 공히 사용하는 다중입력, 다중출력 시스템(이하 MIMO 시스템이라 약칭함)이라는 통신 시스템에서의 송/ 수신단의 신호처리 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. 만일 신호들이 어느 정도 상관을 가짐에도 그러한 상관이 무시된다면, 성능은 저하되고 능력은 감소될 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템을 도시한 것이다.

여기서 상기 PARC(Per Antenna Rate Control)라 함은 MIMO 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템의 구성을 기초로 하여 수신단에서 판단한 채널 정보를 참조하여 각 안테나에서 전송될 심볼의 채널 코딩과 변조 방법을 달리하여 신호를 전송하는 방법을 말하는 것이 다.

도 1은 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단을 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하여 상기 PARC 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단의 동작을 설명하면 다음과 같다.

송신단에서 순차적으로 발생되는 고속의 데이터 스트림은 다수의 전송 안테나에서 각기 전송되도록 하기 위하여 디멀티플렉서(DEMUX)(110)에서 역다중화된다. 여기서, 역다중화라 함은 일관성 있는 데이터를 정해지는 규칙에 따라 복수의 서브 데이터로 분할하는 것을 의미한다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 2개의 안테나를 예로 들었다.

이후, 역다중화된 각 서브 스트림들은 신호 처리기(121)(122)에서 코딩과 인터리빙이 되고 심벌로 매핑 된다.

상기에서 매핑된 심벌들은 확산기(131)로 입력되어 확산 코드(Spreading Code1)가 곱해진 후 스크램블링 코드 부호에 의해 코딩된 후 각각 전송 안테나(161)(162)를 통해 송신된다.

만일 사용자가 확산 코드로 구분되는 10개의 채널을 점유한다면 도1과 같이 분할된 각각의 서브 스트림을 다시 10개로 분할하여 각각의 분할된 데이터 심벌들은 확산기(131~133)로 입력되어 각각의 확산 코드들(Spreading Code 1~10)이 곱해진 후 합산기(141)(142)에 의해 다시 합해지고 스크램블링 코드 부호에 의해 코딩된 후 각각 전송 안테나(161)(162)를 통해 송신된다. 여기서 통상 스크램블링 코드 는 사용자당 하나를 할당하게 된다. 각 전송 안테나(161)(162)에 할당되는 비트 수는 지정된 데이터 속도에 따라서 다를 수 있다.

상기에서 코딩은 단지 시간적 차원에서만 이루어지므로 Single-rate 시스템에서 사용되는 Space-time 코딩처럼 데이터 복원 성능이 강력하지 않지만, 시간 영역에서의 코딩은 Post-decoding interference cancellation을 허용하며 이로 인해 수신기의 성능을 향상시킨다.

도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단을 나타낸 구성도이다.

도 2를 참조하여 상기 PARC 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 1의 송신단에서 데이터가 역다중화 된 후에 스크램블링 코드로 코딩되면 각 전송 안테나별 신호들은 도2의 수신단에서 독립적으로 디코딩 될 수 있다.

즉, 도 2에서 수신 안테나(211)(212)에서 수신된 심볼에 대해 심볼 검출기(230)에서 최소평균오차측정(MMSE : Minimum Mean Square Error) 방법으로 각 채널의 심볼이 추정된 후 역확산기(241)(242)와 멀티플렉서(250)에 의해 역확산과 다중화되어 하나의 안테나에 대한 신호가 검출되고 그 검출된 신호는 신호 처리기(260)에서 재할당(demap.), 디인터리빙(deinterleave), 디코딩 된다.

이후, 디코딩된 비트들을 기초로 하여 신호 제거기(270)에서 안테나에 대한 신호가 재구성되고 버퍼에 저장된 수신 신호로부터 제거된다.

다른 안테나의 신호에 대하여도 동일한 방법과 동일한 경로로 처리되어 결국 결합기(280)에 의해 결합되게 된다.

한편, PARC는 Lucent에 의해 제안된 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access : 고속 하향 패킷 접속)을 위한 MIMO 시스템 기술로서, V-BLAST와 달리 각 전송 안테나별로 다른 데이터 전송 속도를 사용할 수 있도록 하여 전송 용량을 증가시킨다. 이때 송신단에서는 각 전송 안테나별로 독립적으로 인코딩된 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.

이러한 PARC 시스템은 각 안테나마다 데이터 전송 속도(변조(Modulation)과 코딩(Coding))가 다를 수 있다는 점에서 이전의 Single-rate MIMO 기술인 V-BLAST 시스템과는 다르다. 즉, PARC 시스템은 각 안테나별로 독립적으로 데이터 전송 속도를 제어할 때 좀더 세밀하게 제어하는 것이 가능하며 이는 전체 시스템의 실질 전송 용량(Throughput)을 높일 수 있도록 한다. 이 경우, 안테나별 채널의 상태를 알려주기 위해 필요한 비트 수는 Single rate MIMO 시스템을 위해 제안된 기술들보다 많이 필요하지만, 기준이 되는 집합을 정할 수 있다.

다시 말해서, PARC 시스템에서는 각 안테나에서 유효한 MCS(Modulation & Coding Scheme) 세트를 결정하기 위해 수신 안테나에서 수신된 각 송신 안테나의 SINR(Signal to Interference Noise Ratio : 간섭 신호 및 잡음 대 신호비)을 계산하도록 한다.이 때 각 안테나에서 사용하는 채널 코딩과 변조 방법을 선택하기 위하여 각 안테나에서는 수신되는 SINR을 측정하고 그 값을 기초로 각 안테나에서 사용할 채널 코딩과 변조 방법의 조합을 선택하도록 한다.

표 1 및 표 2는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나로 이루어진 MIMO 시 스템에 있어서 전송되는 데이터의 전송 속도와 MCS 조합의 예를 나타낸 것이다.

즉, 표 1에 있어서 변조방법이 16QAM에 의하고, 코딩 레이트(rate)가 3/4인 경우가 가장 빠른 데이터 전송 속도를 보이고 있으며, 이는 단위 주파수당 전송 bit수가 3에 해당되는 것이다. 또한, 이러한 경우는 상기 수신 안테나에서 계산된 SINR이 가장 큰 경우와 매칭된다고 할 수 있다.

다음으로는 변조방법이 16QAM에 의하고, 코딩 레이트가 1/2인 경우 다음으로 빠른 데이터 전송 속도를 보이며, 이는 단위 주파수당 전송 비트수가 2에 해당된다. 이와 같이 변조방법 및 코딩레이트에 의해 일정하게 단위 주파수당 전송 비트수가 결정되며, 상기 단위 주파수당 전송 비트수는 표 2에서의 4개의 송신 안테나에 각각 할당된다.

표 2는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 사용하는 시스템에서 전송속도 조합의 예를 나타내는 것으로, 인덱스(index) 1은 4개의 송신안테나 각각의 단위 주파수당 전송 비트수가 모두 3인 경우를 나타낸 것이며 그 데이터 전송속도가 28.8로 가장 빠르게 되는 것이다.

이러한 4 by 4 PARC시스템(송신안테나와 수신안테나의 수가 4개인 PARC시스템)에 있어서 송신단과 수신단의 거리가 가까워 그 채널 상황이 양호한 인덱스 1 부터 38까지는 4개의 송신 안테나를 모두 사용하여 데이터를 전송할 수 있으나, 송신단과 수신단의 거리가 상대적으로 멀어 그 채널 상황이 불량한 인덱스 39 부터 54까지는 4개의 송신 안테나 중에서 상기 단위 주파수당 전송 비트수가 높은 2개의 안테나를 선택하여 데이터를 전송하게 된다.

그러나, 종래 기술은 송신단에서 각 송신 안테나에서 전송할 MCS 세트를 결정하는데 있어서, 수신단에서 각 송신 안테나의 SINR을 보고 결정하도록 되어 있으 므로 각 안테나에 대해 SINR을 결정하는 계산을 해야 하지만, 각 안테나의 SINR을 계산한 후 MCS 세트(set)를 결정하기 위한 알고리즘이 명확하게 제시되어 있지 않다. 또한, 종래 기술은 실험을 통해 얻은 테이블만으로 송신단의 각 안테나의 변조(modulation) 및 코딩(coding)을 결정하는 경우 모든 채널 상황을 고려할 수 없고 아울러 각 송신 안테나의 SINR을 추정하여 송신단의 각 안테나의 변조 및 코딩을 결정한다 하여도 각 안테나에서의 SINR을 계산하는 것이 수월치 않고 각 송신 안테나의 SINR이 비교적 빠르게 변할 수 있기 때문에 귀환 속도를 빨리 변경하여야 하는 어려움이 있다.

또한, 종래 기술은 송신단에서 발생한 data를 각 송신 안테나에 나눠주도록 serial-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. 그러나 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 송/수신 각 안테나의 독립성 뿐 아니라 상관성도 어느 정도 존재하게 된다. 따라서 기존 기술은 다수의 안테나가 송/수신단 공히 존재하는 시스템에서 송신 안테나에서 각각 다른 심볼을 전송하고자 하는 경우 실제 상황에서 발생하는 안테나 간의 상관성를 극복해야만 한다.

결국 종래 기술에서 각 안테나의 채널 상황을 감안하여 수신단에서 수신단 각 안테나에서 수신되는 신호의 신호 대 간섭 잡음비를 추정하여 각 송신 안테나에 서 전송할 신호의 채널 코딩과 변조 방법을 선택하도록 하지만 실제로 신호 대 간섭 잡음비를 각 안테나에서 정확히 추정하는 것이 어려우며 아울러 이렇게 각 송신 안테나의 채널 상황을 감안한다 하더라도 송신 안테나 어레이의 안테나 끼리의 간섭 및 상관을 근본적으로 제거하기는 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로, 다수의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 무선 통신 시스템에 있어서 수신단에서 무선 채널의 상태에 대한 행렬(이하 '채널 행렬'이라 한다)의 고유치 분리를 통해 얻은 고유치들의 상대적인 비교를 통해 송신단의 각 안테나에 귀속되는 채널의 상황에 맞게 다른 변조 방식 또는 변조 및 코딩의 조합을 결정하고, 상기 채널 행렬의 고유벡터를 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼에 곱하여 전송하게 함으로써, 상기 심볼의 독립성을 유지하도록 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 방법은, 전송되는 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬이 추정되고, 상기 추정된 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터가 분리되는 제 1 단계와; 상기 분리된 채널 행렬의 고유치들이 상대 비교되어 각 송신 안테나별로 전송할 심볼의 변조 또는 코딩 방식이 결정되는 제 2단계와; 상기 분리된 채널 행렬의 고유벡터들이 각 송신 안테나별로 전송될 각각의 심볼에 곱하여 전송되는 제 3단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 한다.

또한, 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단하는 과정이 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 제 4단계와, 상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 제 5단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리장치는 각 송신 안테나별로 전송할 심볼들에 최소한 2 이상의 변조 방식이 적용되고 그에 따른 각각의 심볼들에 웨이트벡터가 곱해져 복수의 안테나를 통하여 상기 심볼들이 전송되는 송신단과, 상기 복수의 안테나를 통하여 전송되는 신호의 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하며, 상기 분리한 고유치 및 고유벡터를 상기 송신단에 귀환시키는 수신단으로 구성되며, 상기 귀환된 고유치 값들의 비교하여 상기 복수의 안테나에 각각 할당될 코딩 또는 변조방식이 결정됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 웨이트벡터는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터이며, 상기 송신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유치의 상대적인 크기에 따라 각 송신 안테나별로 적용할 변조 방식을 결정하는 결정부가 포함되는 특징으로 한다.

또한, 상기 결정부는 변조 방식과 함께 코딩 방식을 결정하며, 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단한 후 나머지 고유치에 대해 크기별로 높은 차수의 변조 및 코딩 방식을 할당하도록 구성하고, 상기 귀환 받은 채널 행렬의 고유치를 미리 저장된 변조 방식 설정 테이블과 비교하여 각 송신 안테나별 변조 및 코딩 방식을 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 수단과, 상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 수단이 포함되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 각 심볼이 각 안테나에서 독립적으로 전송되도록 하기 위해 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 구한 고유 벡터 들을 각 심볼에 곱해서 전송하도록 하고, 아울러 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 feedback 받아서 채널 상황이 좋은 안테나에 대해서는 higher order modulation 을 사용하고 채널 상황이 좋지 않은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 사용하여 시스템 전체적으로 throughput을 늘리고 아울러 통신 품질을 향상 시키는데 기여한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 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(310), N개의 수신 안테나(410)를 가진 MIMO 시스템을 가정한다. M개의 송신 안테나(310)를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터가 수신단(400)에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬(500)을 H라고 할 때 수신단(400)에서 채널 행렬(500)을 추정한 후 수신단(400)에서 고유치 분리를 통해 분리된 각 고유치들과 고유벡터 값들을 송신단으로 귀환(feedback) 하거나 혹은 고유치 값들의 비교를 통해 송수신단 미리 약속된 변조(modulation) 할당 table을 가지고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조에 해당하는 index를 귀환할 수도 있을 것이다.

본 발명에 의한 신호처리 장치는 각 송신 안테나(310)별로 전송할 심볼들에 대해 최소한 2 이상의 변조 방식을 적용되고 그에 따른 각각의 심볼들에 웨이트벡터가 곱해져 복수의 안테나를 통하여 상기 심볼들이 전송되는 송신단(300)과, 상기 복수의 안테나를 통하여 전송되는 신호의 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하며, 상기 분리한 고유치 및 고유벡터를 상기 송신단에 귀환시키는 수신단(400)으로 이루어진다.

여기서, 상기 송신단에는 송신 안테나에서 각각 독립적인 심볼을 전송하는 기존의 시스템과 달리 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱해서 전송하는 시스템이므로 도3에 도시한 대로 송신단에서 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱하는 부분(330)을 포함하고 있다. 아울러 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값들을 계산한 이 후 각 안테나에 할당할 변조 방식을 결정하는 블록 즉, 결정부(320)도 포함된다.

상기 각 안테나에 modulation을 할당하는 결정부(320)는 송수신단 미리 약속한 table일 수도 있고 혹은 송수신단 공히 알고 있는 알고리즘을 포함하는 블록일 수도 있으며, 상기 웨이트 벡터는 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유벡터이다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 송신단에(300)서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송한 경우 수신단(400)에서의 신호 처리를 위해 다음과 같이 수신단을 구성하도록 한다.

우선 일반적으로 잘 알려진 제로포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정 (MMSE) 방법으로 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 생성한 신호 벡터를 추정하는 블록(420)과 그 블록을 통과한 신호 벡터에다 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터들의 conjugate값들을 곱해 각 심볼을 검출(detection)하는 블록(430)으로 구성하도록 한다. 아울러 각 송신 안테나에서 전송된 심볼에 해당하는 변조(modulation)에 맞게 복조(demodulation)하는 블록(440)을 통하여 결국 송신단에서 전송한 비트(bit)들을 알아내고 송신단에서 송신한 bit stream들을 재 구성하기 위해 멀티플렉서(450)를 통해 multiplexing 하도록 한다.

또한, 도 3에서는 수신단에서 채널 행렬 추정기(460)를 통해 채널 행렬을 추정한 후, 수신단에서 고유치 분해기(470)를 통해 상기 채널 행렬을 고유치 분해하고, 이를 통해 분리된 각 고유치들과 고유벡터 값들을 송신단으로 피드백하는 다중 입출력 이동 통신 시스템을 나타내고 있으나, 수신단에서 추정한 채널 행렬 전체를 송신단으로 귀환하여, 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 시스템도 있을 수 있다.

다음으로는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 동작을 상세히 설명하도록 한다.

종래 BLAST 송신단은 M개의 송신 안테나를 사용할 경우 다음과 같이 M개의 심볼로 구성된 신호 벡터 a를 구성하고, 그 각각의 심볼을 각각 다른 송신 안테나로 전송하도록 한다.

본 발명은 실제 상황에서 존재하는 안테나 간의 상관성 및 심볼간의 상관성이 존재하는 상황에서 각 심볼이 독립된 채널로 전송되도록 하기 위해 송신단이 안테나 어레이로 구성되어 있는 것을 착안하여, 각 심볼에 대해 채널 행렬의 고유 벡터를 곱해서 각 심볼이 전송되도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명은 다수 입출력 통신 시스템에서 수신단에서 추정하는 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 각 고유치 값들의 크기를 살펴본 후 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는 64QAM 또는 16QAM 등의 higher order modulation을 사용하도록 하고 상대적으로 고유치 값이 작은 안테나에 대해서는 BPSK 혹은 QPSK 등의 낮은 order의 변조(modulation)을 사용하도록 하는데 있다.

다시 말하면 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조를 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조를 결정하도록 하는 것이다. 이 경우 수신단에서도 송신단에서 결정한 각 송신 안테나별로 사용하기 위한 변조 방식을 알기 위해서 송신단에 탑재된 동일한 알고리즘을 탑재하여야 한다.

또한, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유치 값들이 특정 값 이하로 작은 안테나에 대해서는 아예 심볼을 전송하지 않도록 하여 송신 안테나에서 전송한 심볼이 수신단에서 에러를 유발할 가능성을 미리 배제하도록 한다.

이렇게 하더라도 채널 상황이 좋은 안테나에 higher order modulation을 사용하도록 심볼을 할당할 것이기 때문에 오히려 전체 송신 안테나에서 전송할 bit 수는 늘어나 시스템 처리율(throughput)을 늘리는데 오히려 도움을 줄 것이고 아울 러 심볼을 전송해 봐야 소용없는 안테나에서는 심볼이 전송되지 않도록 미리 송신단에서 처리함으로써 전체적인 통신 품질을 향상시킬 수 있다.

즉 수신단에서 채널 행렬을 추정한 후 수신단에서 고유치 분리를 통해 분리된 각 고유치들을 송신단으로 귀환시키거나 혹은 고유치 값들의 비교를 통해 송수신단 미리 약속된 변조 할당 테이블을 가지고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조방식에 해당하는 인덱스(index)를 귀환시키도록 하는 것이다.

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

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

아울러 본 발명은 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조 방식을 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 단말로부터 귀환받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조 방식을 결정하도록 한다.

따라서 상기 수학식 2의 a₁부터 a_m까지는 채널 행렬의 고유치 값들의 비교를 통해 각각 다른 변조 방식을 사용하도록 한다.

즉, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는 higher order modulation을 할당하고 고유치 값이 상대적으로 작은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 할당하도록 한다.

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

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

상기 채널 행렬 H는 수신단에서 다음과 같이 채널 행렬 H를 고유치 분해 (Eigen-Decomposition)을 실시한다. 이 발명에서는 송신단의 안테나 어레이의 안테나 개수가 수신단의 안테나 어레이의 안테나 개수보다 많은 시스템을 가정하였기 때문에 채널 행렬 H는 정방행렬이 아니므로 채널 행렬 자체를 고유치 분해를 할 수 없고 따라서 H ^H H의 고유치 분해를 실시하도록 한다. 여기서 H는 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 웨이트 벡터를 곱하여 신호를 전송할 수 있다.

결국 본 발명에 있어서 수학식 2에 있어서의 웨이트 벡터는 상기 추정된 H ^H H 행렬의 고유벡터 e _i가 되는 것이다.

송신단에서 상기 수식 (2)와 같이 각 심볼에 빔형성을 실시하여 즉, 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱하여 전송하는 경우에 수신단에서는 다음과 같이 신호 처리를 실시한다.

각 심볼에 독립적인 웨이트 벡터를 곱하여 신호를 전송하였기 때문에 기존 BLAST 수신단의 신호 처리를 사용할 수 없으므로 일반적으로 잘 알려진 제로포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정(MMSE : Minimum-Mean-Square-Error) 방법으로 우선 를 추정한 후 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터의 conjugate값을 곱해 각 심볼을 검출(detection) 하도록 한다. zero-forcing, MMSE는 다음과 같이 수식으로 요약할 수 있다.

우선 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱해 송신단에서 전송한 신호를 수신단에서 수신한 신호를 다음과 같이 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 벡터를

라고 하면

는

으로 나타낼 수 있다.

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

하면

는

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 벡터인

를 추정한 후 송신단에서 각 심볼에 곱하여 전송한 웨이트 벡터의 켤레(conjugate) 값 을 다시

에 곱하여 송신단에서 전송한 심볼들인 a₁부터 a_m까지의 추정치

부터

를 다음과 같이 검출할 수 있다.

....

이 후 추정된

부터

을 각각 사용된 변조(modulation) 방법에 맞게 복조(demodulation)하여 각 심볼로 할당하기 전의 bit들을 알아내고 아울러 각 안테나에서 전송된 심볼의 bit들을 알아낸 다음 multiplexing을 통해 송신단에서 전송한 bit stream을 알아내도록 한다.

또한, 본 발명은 각 안테나에서 각각 다른 심볼을 전송할 때 수신단에서 추정한 채널 행렬의 고유 벡터들을 각 심볼에 곱해서 전송하는 것 외에 각 안테나의 채널 상황을 함께 고려하기 위해 수신단에서 고유치 분리를 통해 얻은 채널 행렬의 고유치 값들을 상대적으로 비교해서 각 안테나에서 전송할 심볼의 채널 코딩과 변조 방법을 선택하도록 한다.

각 송신 안테나에서 독립적으로 전송할 심볼에 곱하여 줄 웨이트 벡터를 구하기 위해서는 수신단에서 추정한 채널 행렬의 고유치 분리를 실시해야 하고 고유치 분리를 통해서 고유치 값들과 고유 벡터들을 함께 구할 수 있기 때문에 별도의 계산이 더 요구되는 것은 없다.

즉, 본 발명은 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조 방식을 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조 방식을 결정하도록 한다. 따라서 수학식 2의 a₁부터 a_m는 채널 행렬의 고유치 값들의 비교를 통해 각각 다른 변조 방식을 사용하도록 한다.

곧, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는 higher order modulation을 할당하고 고유치 값이 상대적으로 작은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 할당하도록 한다.

물론 각 안테나에서 전송할 심볼의 채널 코딩 방식과 변조 방법을 이렇게 결정하지만 각 안테나에서 전송할 심볼의 코딩 방식과 변조 방식을 결정한 후에는 수신단에서 구한 채널 행렬의 고유 벡터들을 웨이트 벡터로 사용하여 각 심볼에 독립적으로 빔형성을 실시하는 것에는 변함이 없다.

이 때 각 안테나에 할당할 MCS(Modulation Coding Scheme)를 결정하는 방법을 다음과 같이 설명할 수 있다.

수학식 3에서와 같이 실시된 고유치 분리를 통해 얻은 고유치 값들을 가지고 각 안테나에 할당할 변조 방식을 결정하기 위해 우선 각 고유치 값들의 상대적인 비를 결정한다.

이 상대적인 비를 통해 가장 작은 고유치(eigenvalue)값이 특정 문턱(threshold) 값 이하이면 그 안테나에서는 심볼이 전송되지 않도록 하고 그 배제된 고유치 값 말고 최소 고유치 값에는 가장 낮은 변조방식 및 코딩 조합 을 사용하며 가장 큰 고유치 값을 가지는 안테나에 대해서는 가장 higher order modulation 및 코딩 조합을 사용하도록 한다.

중간 값들에 대해서는 상대적인 값들의 비교를 통해 중간 단계의 변조 방식 및 코딩 조합을 사용하도록 한다. 아울러 이런 선택을 미리 시뮬레이션을 통해 여러 채널 상황을 실험을 통해 확인한 후 필요한 table을 미리 가지고 있다가 (표 2와 같이) table에서 채널 상황에 맞게 변조 방식 및 코딩 조합을 선택하여 사용할 수도 있다. 아니면 실제 사용 가능한 변조 방식 및 코딩의 종류는 제한적일 것으로 그 조합을 생각한 표 1과 같은 내용을 송/수신단 공히 알고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조 방식 및 코딩의 조합을 인덱스로 알려줄 수도 있을 것이다.

또한, 채널 행렬의 고유치 값들은 비교적 천천히 변하는 것을 감안하면 고유치 값 전체를 천천히 귀환할 수도 있다. 이 경우는 송신단에서 귀환된 고유치 값을 가지고 각 송신 안테나에서 사용할 변조 방식 및 코딩 방식를 결정하게 된다.

결국, 이와 같이 추정된 채널 행렬의 고유치 값을 통하여 송신 안테나 각각의 채널 상황을 알아내고 이에 의해 변조 방식 및 코딩 방식을 결정함으로써 종래 기술에 있어 수신 각 안테나에서 사용하는 채널 코딩과 변조 방법을 선택하기 위하여 각 안테나에서는 수신되는 SINR을 측정하는 것에 비해 시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 장치 및 방법에 의하면, 각 심볼이 각 안테나에서 독립적으로 전송되도록 하기 위해 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 구한 고유 벡터 들을 각 심볼에 곱해서 전송하도록 하고, 아울러 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황이 좋은 안테나에 대해서는 higher order modulation 을 사용하고 채널 상황이 좋지 않은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 사용하여 시스템 전체적으로 전송률을 늘리고 아울러 통신 품질을 향상 시키는데 기여하는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 각 전송 채널에 대한 고유치들의 상대적인 비교를 통해 각 송신 안테나에 대한 변조 및 코딩 방식을 결정하여 각 송신 안테나의 채널 상황에 맞도록 데이터 전송량을 선택하도록 함으로써 각 송신 안테나에서 독립적인 심볼 전송이 가능하도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치들의 상대적인 값들을 비교하여 각 송신 안테나에 대한 변조 및 코딩 방식을 결정함으로써 각 송신 안테나의 SINR이 비교적 빠르게 변할지라도 귀환 속도를 아주 빠르지 않아도 되므로 간단히 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (19)

1. 전송되는 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬이 추정되고, 상기 추정된 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터가 분리되는 제 1단계와;

   상기 분리된 채널 행렬의 고유치들이 상대 비교되어 각 송신 안테나별로 전송할 심볼의 변조 방식 및/또는 코딩방식이 결정되는 제 2단계와;

   상기 분리된 채널 행렬의 고유벡터들이 각 송신 안테나별로 전송될 각각의 심볼에 곱하여 전송되는 제 3단계가 포함되어 이루어짐을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   제 2단계는 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단하는 과정이 포함되는 것을 특징으로하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 제 4단계와;

   상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 제 5단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2단계에서 고유치가 미리 저장된 변조 방식 설정 테이블과 비교되어 각 송신 안테나별 변조 또는 코딩 방식이 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
6. 각 송신 안테나별로 전송할 심볼들에 대해 최소한 2 이상의 변조 방식을 적용되고 그에 따른 각각의 심볼들에 웨이트벡터가 곱해져 복수의 안테나를 통하여 상기 심볼들이 전송되는 송신단과,

   상기 복수의 안테나를 통하여 전송되는 신호의 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하며, 상기 분리한 고유치 및 고유벡터를 상기 송신단에 귀환시키는 수신단으로 구성되며,

   상기 귀환된 고유치 값들의 비교에 의해 상기 복수의 안테나에 각각 할당될 코딩 또는 변조방식이 결정됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 웨이트벡터는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 송신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유치의 상대적인 크기에 따라 각 송신 안테나별로 적용할 변조 방식을 결정하는 결정부가 포함됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 결정부는 변조 방식과 함께 코딩 방식을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 결정부는 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단한 후 나머지 고유치에 대해 크기별로 높은 차수의 변조 또는 코딩 방식을 할당하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 결정부는 상기 귀환받은 채널 행렬의 고유치를 미리 저장된 변조 방식 설정 테이블과 비교하여 각 송신 안테나별 변조 및 코딩 방식을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
12. 제 6항에 있어서,

    상기 수신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 수단과, 상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 수단이 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치.
13. 다수의 송신/ 수신 안테나를 이용하는 통신시스템의 데이터 전송방법에 있어서,

    추정된 채널행렬로부터 구해진 고유치 벡터를 수신하는 단계와;

    상기 다수의 송신안테나 각각을 통해 동시에 전송하는 각 전송심볼에 상기 고유치 벡터를 이용하여 웨이트를 부가 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호 처리 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 추정된 행렬로부터 구해진 고유치를 수신하는 단계와;

    상기 고유치를 이용하여 상기 다수의 각 송신안테나별 변조방식 또는 코딩방식을 결정하여 적용하는 단계가 더 포함되어 구성됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호 처리 방법.
15. 송신단에 구비된 복수의 안테나 별로 전송될 각 심볼들에 각각의 웨이트벡터가 곱해져 전송되는 단계와;

    상기 전송되는 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬이 추정되는 단계와;

    상기 추정된 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터가 분리되는 단계와;

    상기 분리된 고유치 및 고유벡터가 송신단으로 귀환(feedback)되는 단계와;

    상기 귀환 받은 고유치 값들을 비교하여 상기 복수의 안테나에 각각 할당될 변조방식이 결정되는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 귀환 받은 고유벡터들이 상기 복수의 안테나 별로 전송될 각 심볼들에 곱해지는 웨이트벡터임을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
17. 제 15항에 있어서,

    상기 귀환 받은 고유치 값들을 비교하여 상기 복수의 안테나에 각각 적용되는 채널 코딩 방식이 결정되는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
18. 제 15항에 있어서,

    상기 귀환 받은 고유치 값들에 대한 상대 비교 후, 소정 고유치 값이 문턱값(threshold value) 보다 작은 경우, 상기 소정 고유치 값에 해당되는 안테나로는 심볼 전송이 차단됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.
19. 송신단에 구비된 복수의 안테나 별로 전송될 각 심볼들에 각각의 웨이트벡터가 곱해져 전송되는 단계와;

    상기 전송되는 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬이 추정되는 단계와;

    상기 추정된 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터가 분리되는 단계와;

    상기 분리된 고유치 값들이 비교되고, 상기 비교된 고유치값들이 변조 할당 테이블에 적용되어 상기 복수의 안테나에서 사용될 변조 방식에 해당하는 인덱스가 귀환되는 단계와;

    상기 귀환 받은 인덱스를 통해 상기 복수의 안테나에 각각 사용될 변조방식이 결정되는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 방법.

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