KR100626654B1

KR100626654B1 - 연판정 구복호 방법

Info

Publication number: KR100626654B1
Application number: KR1020050051848A
Authority: KR
Inventors: 오종의; 권동승
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-09-25
Also published as: EP1891754A4; US20080232500A1; WO2006135141A1; EP1891754A1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 연판정 구복호 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 수신신호에 가장 가깝고 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구함으로써, 간단하게 비트 신뢰도를 연판정할 수 있는 연판정 구복호 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서의 연판정 구복호 방법으로서, 수신신호와의 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 검출하는 단계; 수신신호에 가장 근접하고 상기 검출된 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 계산하는 단계; 및 수신신호 및 상기 검출된 최대우도 심볼 사이의 거리와 수신신호 및 상기 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산하는 단계를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 MIMO 시스템 등에 이용됨.

MIMO, 시공간 부호, 최대우도검출, 연판정

Description

연판정 구복호 방법{Soft output sphere decoding method}

도 1은 본 발명에 따른 연판정 구복호 방법을 설명하는 일실시예 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 연판정 구복호 방법을 설명하는 다른 일실시예 흐름도이다.

본 발명은 연판정 구복호 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선통신 환경에서 송수신기에 다수의 안테나를 사용하여 시스템의 전송용량을 증대시킬 수 있는 MIMO (multiple input multiple output) 시스템에서, 수신기에서의 안테나 수에 따라 다이버시티 이득 (diversity gain)과 공간 다중화 이득 (spatial multiplexing gain)을 동시에 얻기 위한 시공간 부호 (space-time code) 방식의 연판정 구복호 방법에 관한 것이다.

정보통신 서비스의 보편화 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 고품질 서비스의 출현 등 통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 이에 능동적으로 대처하기 위해서는 무엇보다도 통신 시스템의 용량이 증대되어야 한다. 이러한 요구는 유선통신에서보다는 무선통신에서 더욱 큰 압박으로 다가오고 있다. 이는 무선통신에서는 기본적으로 가용 주파수 자원이 제한되어 있고 이들을 공유하여야 하며, 또한 무선통신이 가지고 있는 장점 때문에 수요는 급격히 늘어나고 있기 때문이다.

무선통신 환경에서 통신용량을 늘리기 위해서는 이용 가능한 주파수 대역을 발굴하는 방법과 주어진 자원의 효율성을 높이는 방법이 있다. 무선 자원의 효율성을 높이는 방법으로 최근 큰 주목을 받으며 활발한 기술개발이 추진되고 있는 기술은 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 자원활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보함으로써, 대역폭의 증가없이 다이버시티 이득을 통한 통신 링크의 신뢰성을 높이거나 공간 다중화를 통한 병렬전송을 통하여 전송용량을 높이는 시공간 부호 기술들이다.

무선통신 시스템의 전송용량은 MIMO 기술을 이용하여 상당히 증가시킬 수 있다. Alamouti에 의해 제안된 시공간 블록 부호 기법('A simple transmit diversity technique for wireless communications', IEEE JSAC, vol. 16, no. 8, Oct. 1998)은 송수신기에 다수의 안테나를 사용하여 무선채널에서의 페이딩을 극복하는 대표적인 송신 다이버시티 기술이다.

상기 Alamouti의 기법은 2개의 송신 안테나를 사용하는 전송기법으로서 다이버시티 등급 (diversity order)이 송신 안테나 개수와 수신 안테나 개수의 곱으로 최대의 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 기술이다.

그러나, 상기 Alamouti의 기법은 수신단에서 간단한 신호처리로 최대우도검출(maximum likelihood detection)이 가능한 장점을 가지고 있지만, 전송안테나가 두 개인 경우에만 한정되는 한계를 가지고 있다. 또한 두 개의 송신 안테나를 통하여 두 타임슬롯(time slot) 동안 두 개의 데이터 심볼만을 전송하므로 전송속도 (rate)가 1로서, 수신 안테나의 개수에 상관없이 공간 다중화 이득을 얻지 못하는 문제점이 있다.

한편, 공간 다중화 이득을 얻는 방법으로는 Bell Lab에서 제안한 V-BLAST (Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time) 시스템('Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space-time communication architecture', IEE, Vol. 35, No. 1, pp.14~16, 1999)이 대표적이다.

상기 V-BLAST 시스템에서 송신기는 각 전송 안테나를 통해 서로 다른 신호를 같은 송신 전력과 전송률로 동시에 전송하게 되고, 수신기는 전송신호를 검출할 때 크게 detection ordering, interference nulling, interference cancellation의 세 가지 과정으로 나누어 처리하여 불필요한 간섭신호를 제거해 줌으로써 신호대 잡음비를 높일 수 있다. 이 방법은 수신 안테나의 개수가 송신 안테나의 개수와 같거나 많다면 송신 안테나의 개수에 해당하는 독립적인 데이터 신호를 동시에 전송할 수 있으므로 공간 다중화 이득을 최대로 유지할 수 있다. 그러나 이 방법은 최대우도검출에 비하여 성능열화가 심하게 나타나는 문제점을 가지고 있다.

예를 들어, M개의 전송 안테나와 2^Q-QAM 신호성좌를 이용하는 V-BLAST 시스 템을 고려할 경우, 채널 사용당 M×Q 비트를 전송할 수 있다. 이 때, 최대우도검출을 이용하여 비트 신뢰도의 연판정 값을 계산하기 위하여 2^M×Q개의 격자점(lattice point)과 수신신호 사이의 거리를 계산해야 한다. 하지만 채널 사용당 전송비트 수가 증가함에 따라 다음 [표1]과 같이 거리 계산 경우의 수가 지수적으로 증가하기 때문에 복잡도 증가가 크다.

한편, 최대우도검출 기법와 유사한 성능을 보이면서 고려할만한 복잡도를 가지는 검출방법으로는 구복호 방법('On Maximum-Likelihood Detection and the Search for the Closest Lattice Point', IEEE Trans. Information Theory, Vol. 49, No. 10, pp.2389~2402, 2003)이 대표적이다. 경판정 검출에 효과적으로 사용할 수 있는 상기 구복호 방법을 각각의 비트에 적용함으로써 비트 신뢰도에 가장 큰 영향을 주는 하나의 격자점을 검출하는 방법을 고려할 수 있으나, 상기 구복호 방법을 심볼 검출 뿐만 아니라 전송된 각각의 비트에 확장 적용하면, 비트의 신뢰도를 얻기 위해 많은 격자점들의 거리를 계산해야 하는 복잡도의 문제점이 있다. 즉, 비트의 신뢰도를 얻기 위해 격자상의 모든 점을 검색하거나 해당 비트가 0 또는 1이면서 가장 거리가 가까운 점을 비트별로 구하는 것은 많은 격자점의 거리를 계산해야 하는 복잡도의 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수신신호에 가장 가깝고 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구함으로써, 간단하게 비트 신뢰도를 연판정할 수 있는 연판정 구복호 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 수신신호에 가장 근접하고 일정 부분은 최대우도 심볼과 동일한 심볼 비트를 갖고 나머지 부분은 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구함으로써, 간단하게 비트 신뢰도를 연판정할 수 있는 연판정 구복호 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서의 연판정 구복호 방법으로서, 수신신호와의 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 검출하는 단계; 수신신호에 가장 근접하고 상기 검출된 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 계산하는 단계; 및 수신신호 및 상기 검출된 최대우도 심볼 사이의 거리와 수신신호 및 상기 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서의 연판정 구복호 방법으로서, 수신신호와의 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 검출하는 단계; 수신신호에 가장 근접하고 일정 부분은 상기 최대우도 심볼과 동일한 심볼 비트를 갖고 나머지 부분은 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 계산하는 단계; 및 수신신호 및 상기 검출된 최대우도 심볼 사이의 거리와 수신신호 및 상기 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

이하, m개의 전송안테나와 n개의 수신안테나를 사용하는 MIMO 공간 다중화 방식을 예로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연판정 구복호 방법을 설명하는 일실시예 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, 종래 구복호 알고리즘을 이용하여 수신신호와 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 구한다(101).

구체적으로 설명하면, 수신안테나를 통해 수신된 복소 수신 신호는 다음 [수학식 1]과 같이 표현된다.

여기서, H^c는 n×m 채널 행렬이고, H^c의 (i, j)번째 원소 h^c _i,j는 j번째 전송안테나에서 i번째 수신안테나로의 복소 페이징 이득을 나타내고, s^c는 전송신호이며, w^c는 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다. 만약, E[s^cs^cH]=I 이고, E[｜h^c _i,j｜²]=1이라고 가정하면, ρ는 수신안테나당의 신호대잡음비(SNR:Signal to Noise Ratio)를 의미한다.

U를 Q²개의 신호점을 가지는 Q²-QAM 전송신호의 집합이라고 하면 가장 간단 한 공간 다중화 형태는 각각의 안테나를 통해 QAM 신호를 직접 전송하는 경우에 해당한다. 이 경우에 상기 [수학식 1]은 [수학식 2]로 표현할 수 있다.

여기서, Re{u^c}와 Im{u^c}는 각각 크기가 Q인 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 전송신호 집합 X 안에 있고, X={u=2q-Q+1:q∈Z_Q}, Z_Q={0, 1,..Q-1}이다.

그리고, 최적의 순서 재배열(optimal ordering)과 QR분해(decomposition) 등의 적절한 신호 처리를 하여 다음 [수학식 3]과 같이 변형할 수 있다.

여기서, P는 최적의 순서 재배열을 위한 교환행렬이고, [Q₁, Q₂]는 유니터리(Unitary) 행렬이며, R은 상삼각(upper triangular) 행렬이다.

다음으로, 수신된 신호와의 거리의 제곱(d²)을 최소로 하는 u'(최대우도 심볼)를 전송신호 집합 X에서 찾는다. 이는 다음 [수학식 4]와 같이 표현할 수 있다.

표현의 편의성을 위해 Q^T ₁·r→r, R→H, u'→u로 두면 상기 [수학식 4]의 첫번째 부분은 다음 [수학식 5]와 같이 표현된다.

수신된 신호와의 거리의 제곱(d²)을 최소로 하는 u'를 전송신호 집합 X에서 찾는 구복호 알고리즘을 구체적으로 설명한다. 설명을 위해 다음의 기호법을 사용한다.

여기서,

u_k∈ X={u=21-Q+1:q∈Z_Q}이고,

Z_Q=(0, 1,..., Q-1}이며,

sgn^*(z)는, z≤0 이면 -1, z＞0이면 1를 의미하고,

x=〈y〉_x는, x∈X 이면서 y에서 가장 가까운 점을 의미한다.

상술한 기호법을 사용하여 Pohst 방법의 변형인 Schnorr-Euchner 기법을 다음과 같은 알고리즘(이하 알고리즘1)으로 나타낼 수 있다.

입력은 m×m 상삼각행렬 H, m차원 벡터 r∈R^m

출력은 r과 가장 가까운 격자점인 m차원 벡터

∈X^m

1. m = H의 차원

2. bestdist(가장 짧은 거리) = ∞

3. k=m

4. dist_m (m차원의 거리)= 0

5. e_m=r

6. u_m=〈e_mm / h_mm〉_x

7. y=e_m - h_mmu_m

8. step_m = 2sgn^*(y)

9. <loop>

10. newdist = dist_k + y²

11. if newdist < bestdist and u_m∈X then {

12. if k≠1 then {

13. e_k-1,i=e_ki - h_iku_kfor i=1,...k-1

14. k=k-1

15. dist_k = newdist

16. u_k=〈e_kk / h_kk〉_x

17. y=e_kk - h_kku_k

18. step_k = 2sgn^*(y)

19. } else {

20.

21. bestdist = newdist

22. k=k+1

23. u_k= u_k+ step_k

24. y=e_kk - h_kku_k

25. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

26. }

27. } else if newdist < bestdist then {

28. u_k= u_k+ step_k

29. y=e_kk - h_kku_k

30. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

31. } else {

32. if k=n then return

(and exit)

33. else {

34. k=k+1

35. u_k= u_k+ step_k

36. y=e_kk - h_kku_k

37. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

38. }

39. }

40. goto <loop>

부연하면, 상기 알고리즘1은 주어진 수신신호 심볼 r에 대하여

를 최소로 하는 전송심볼(최대우도 심볼)

를 출력한다. 즉, 전송심블을 구성하는 각각의 비트에 대한 경판정값을 결정할 수 있다.

다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 수신신호에 가장 가깝고 상기 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구한다(102).

이어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 수신신호와 상기 101 단계에서 구한 최대우도 심볼 사이의 거리와, 수신신호와 상기 102 단계에서 구한 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산한다(103). 이와 같이 계산된 비는 채널 복호기에 입력된다.

상술한 도 1의 102 단계인 수신신호에 가장 가깝고 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구하는 일실시예 알고리즘(알고리즘2)을 나타내면 다음과 같다.

입력은 m×m 상삼각행렬 H, m차원 벡터 r∈R^m, m차원 최대우도 벡터

∈X^m

출력은 i번째 행의 원소의 j번째 비트가

과 다르고,

이 r과 가장 가까운 격자점인 m차원 벡터

여기서, X_j(i)⊂X는 j번째 비트가 i와 다른 신호점들의 집합을 나타낸다.

1. m = H의 차원

2. bestdist(가장 짧은 거리) = ∞

3. k=m

4. dist_m (m차원의 거리)= 0

5. e_m=r

6.

7. else u_m=〈e_mm / h_mm〉_x

8. y=e_m - h_mmu_m

9. step_m = 2sgn^*(y)

10. <loop>

11. newdist = dist_k + y²

12.

13. else if newdist < bestdist and u_m∈X then {

14. if k≠1 then {

15. e_k-1,i=e_ki - h_iku_kfor i=1,...k-1

16. k=k-1

17. dist_k = newdist

18.

19. else u_k=〈e_kk / h_kk〉_x

20. y=e_kk - h_kku_k

21. step_k = 2sgn^*(y)

22. } else {

23

24. bestdist = newdist

25. k=k+1

26. u_k= u_k+ step_k

27. y=e_kk - h_kku_k

28. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

29. }

30. } else if newdist < bestdist then {

31. u_k= u_k+ step_k

32. y=e_kk - h_kku_k

33. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

34. } else {

35. if k=n then return

(and exit)

36. else {

37. k=k+1

38. u_k= u_k+ step_k

39. y=e_kk - h_kku_k

40. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

41. }

42. }

43. goto <loop>

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 종래 구복호 알고리즘을 이용하여 수신신호와 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 구한다(201). 도 2의 201 과정은 상기 도 1의 101 과정과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 수신신호에 가장 가깝고 일정 부분은 상기 최대우도 심볼과 동일한 심볼 비트를 갖고 나머지 부분은 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구한다(202).

이어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 수신신호와 상기 201 단계에서 구한 최대우도 심볼 사이의 거리와, 수신신호와 상기 202 단계에서 구한 격자점 사이의 거리의 비를 계산한다(203). 이와 같이 계산된 비는 채널 복호기에 입력된다.

상술한 도 2의 202 단계인 수신신호에 가장 가깝고 일정 부분은 최대우도 심볼과 동일한 심볼 비트를 갖고 나머지 부분은 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 구하는 일실시예 알고리즘(알고리즘3)을 나타내면 다음과 같다.

∈X^m

출력은 i번째 행의 j-1번째 비트부터 n번째 행까지는

과 같고i번째 행의 j번째 비트가

다르면서,

이 r과 가장 가까운 격자점인 m차원 벡터

여기서,

는 첫번째 비트부터 j-1번째 비트까지 i와 같고 j번째 비트가 i와 다른 신호점들의 집합을 나타낸다.

1. m = H의 차원

2. bestdist(가장 짧은 거리) = ∞

3. k=m

4. dist_m (m차원의 거리)= 0

5. e_m=r

6.

7. y=e_m - h_mmu_m

8. while k 〉1 {

9. newdist = dist_k + y²

10. e_k-1,i=e_ki - h_iku_kfor i=1,...k-1

11. k=k-1

12.

13. y=e_k - h_kku_k

14. }

15.

16. y=e_kk - h_kku_k

17. step_k = 2sgn^*(y)

18 <loop>

19. newdist = dist_k + y²

20. if newdist < bestdist then {

21. if k≠1 then {

22. e_k-1,i=e_ki - h_iku_kfor i=1,...k-1

23. k=k-1

24. dist_k = newdist

25. u_k=〈e_kk / h_kk〉_x

26. y=e_kk - h_kku_k

27. step_k = 2sgn^*(y)

28. } else {

29.

30. bestdist = newdist

31. if i==1 then return

(and exit)

32. k=k+1

33. do{

34. u_k= u_k+ step_k

35. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

36. } while (if k==1 then

) and

37. ｜step_k ｜≤ 4(Q-1)

38. if ｜step_k ｜≤ 4(Q-1) then u_k= ∞

39. y=e_kk - h_kku_k

40. }

41. } else {

42. if k==i then return

(and exit)

43. else {

44. k=k+1

45. do {

46. u_k= u_k+ step_k

47. step_k = -step_k + 2sgn^*(step_k)

48. } while (if k==1 then

) and

49. ｜step_k ｜≤ 4(Q-1)

50. if ｜step_k ｜≤ 4(Q-1) then u_k= ∞

51. y=e_kk - h_kku_k

52. }

53. }

54. goto <loop>

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디 스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, MIMO 시스템에서 전송 비트별 연판정값을 효과적으로 추정함으로써 연판정값을 계산하기 위한 복잡도를 감소시키고 경판정 복호 방법에 비하여 약 2~3dB의 성능 개선 효과를 제공한다.

Claims

MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서의 연판정 구복호 방법으로서,

수신신호와의 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 검출하는 단계;

수신신호에 가장 근접하고 상기 검출된 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 계산하는 단계; 및

수신신호 및 상기 검출된 최대우도 심볼 사이의 거리와 수신신호 및 상기 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산하는 단계

를 포함하는 연판정 구복호 방법.
MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서의 연판정 구복호 방법으로서,

수신신호와의 거리가 가장 가까운 최대우도 심볼을 검출하는 단계;

수신신호에 가장 근접하고 일정 부분은 상기 최대우도 심볼과 동일한 심볼 비트를 갖고 나머지 부분은 최대우도 심볼과 반대의 심볼 비트를 갖는 격자점을 수신신호의 모든 비트에 대하여 계산하는 단계; 및

수신신호 및 상기 검출된 최대우도 심볼 사이의 거리와 수신신호 및 상기 격자점 사이의 거리의 비를 각각의 비트에 대하여 계산하는 단계

를 포함하는 연판정 구복호 방법.