KR100678272B1 - 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치 및 방법 - Google Patents

차등 시공간 블록 부호의 수신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 송/수신 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 별도의 트레이닝 시퀀스를 사용하여 채널 특성을 추정하지 않고 차등 부호화 시공간 블록 부호를 수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치는, 수신되는 차등 시공간 블록 부호로부터 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하여 심볼을 검출하는 검출기, 상기 검출된 심볼을 디인터리빙하는 디인터리버, 및 상기 디인터리빙된 신호를 복호하는 복호기를 구비하는 것을 특징으로 하며, 이로 인해 본 발명은 채널 추정을 하지 않더라도 종래의 코히어런트 검출 방식과 유사한 성능으로 차등 STBC를 수신하는 효과가 있다.
차등 시공간 블록 부호

Description

차등 시공간 블록 부호의 수신 장치 및 방법{Apparatus and method for receiving differential space-time block code}
도 1은 일반적인 차등 시공간 블록 부호의 송신 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치의 구성도.
본 발명은 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 송/수신 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 별도의 트레이닝 시퀀스를 사용하여 채널 특성을 추정하지 않고 차등 부호화 시공간 블록 부호를 수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 무선 통신에서도 음성 서비스 이외에 동영상이나 인터넷 서비스와 같은 보다 큰 전송률을 요구하는 다양한 서비스의 요구가 급속도로 높아지고 있다. 이와 같이 점차 증가하는 다양한 사용자의 고속 전송률 서비스를 낮은 가격으로 많은 사용자에게 제공하기 위해서는 무엇보다도 제한된 통신 자원을 이용하여 보다 많은 데이터를 전송할 수 있는 물리계층 요소 기술 개발이 중요하다. 현재 고려되고 있는 다양한 전송효율 향상 기술 중 송/수신단 모두에 다수의 안테나를 사용하는 다중 안테나 기술은 추가적인 주파수 할당이나 전력증가 없이도 통신 용량 및 송/수신 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 방법으로서 현재 가장 큰 주목을 받고 있다.
다중 안테나의 기술은 다양한 채널 경로를 통과한 심벌들을 이용하여 전송 신뢰도를 높이는 공간 다이버시티(Spatial Diversity) 방식과 다수의 송신 안테나를 이용하여 다수의 데이터 심벌을 동시에 송신함으로써 전송률을 향상시키는 공간 멀티플렉싱(Spatial Multiplexing) 방식이 있다. 또한 이러한 두 가지 방식을 적절히 결합하여 각각의 장점을 얻고자 하는 방식에 대한 연구도 최근 많이 연구되고 있는 분야이다.
공간 다이버시티 방식을 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 공간 다이버시티 방식은 안테나마다 다른 레일리 페이딩(Rayleigh Fading)을 겪은 신호를 다수의 송/수신 안테나에 의해 결합함으로써 경로 간의 채널 골(Deep)을 서로 보완시켜서 수신 성능을 높이는 기술이다. 그러므로 이의 성능은 독립된 채널의 개수에 의해 그 성능이 결정되고 이를 다이버시티 이득(Diversity Gain)이라 표현한다. 다이버시티 기술은 다이버시티 이득을 송신단에서 얻느냐 수신단에서 얻느냐에 따라 송신 다이버시티와 수신 다이버시티로 구분된다. 송신 안테나의 개수가 N이고 수신 안테나의 개수가 M인 경우, 최대 MN개의 독립된 페이딩 채널을 결합시킬 수 있으므로 최대 다이버시티 이득은 MN이다.
송신 다이버시티 방법은 각 송신 안테나를 통해 전송되는 송신 신호들이 시간, 공간적으로 서로 상호 상관(Correlation)을 갖도록 설계하여 다이버시티 이득을 얻게 된다. 이는 크게 수신단에서 송신단으로 궤환 채널이 존재하여 그 정보를 이용하는 폐루프 방식과 궤환을 이용하지 않는 개루프 방식으로 분류된다.
개루프 방법으로는 N개의 송신 안테나를 사용하는 경우에 트렐리스(Trellis) 부호화와 결합한 시공간 트렐리스 부호(Space-Time Trellis Code) 방식이 V. Tarokh, N. Seshadri, 및 A. R. Calderbank에 의해 고안되었는데, 트렐리스 부호의 경우는 송신 안테나의 개수가 늘어날 때에 복호 복잡도가 변조 차수(Modulation Order)에 비례하여 지수적으로 증가하는 문제점이 있다. 이 밖에 송신부에 직교 행렬을 이용한 시공간 블록 부호(Space-Time Block Code, 이하 'STBC'라 칭함)가 있다. S. Alamouti는 STBC 방식에서 두개의 송신 안테나를 사용하는 경우에 대해 시공간 전송 다이버시티(Space-Time Transmit Diversity)라는 간단한 기법을 제안하였다. Alamouti라고 불리 우는 이 방식은 인코딩과 디코딩이 매우 간단하며 특히 디코딩은 최대 우도(Maximum Likelihood) 검출을 선형 방식으로 유도할 수 있는 장점을 갖는다.
그러나 단말기가 빠른 속도로 이동하는 경우에 단말기나 기지국이 겪게 되는 채널의 변화도 빨라짐으로 인해 단일 송신 프레임 내에서도 채널 응답이 시간적으로 지속해서 변화하는 경우가 생기게 된다. 이러한 환경에서는 시간적으로 변화하는 채널 응답을 추정하기 위해 많은 파일럿 신호를 사용해야 한다. 특히 다중 송신 안테나를 사용하는 시스템의 경우에는 채널 응답을 추정하기 위해 필요한 파일럿 신호의 개수가 안테나 개수에 비례하여 증가하기 때문에 과도한 파일럿 신호의 사용은 시스템의 효율을 떨어뜨리는 요인이 된다. 이를 위해 단일 안테나의 경우에 채널 추정에 의한 부담을 배제하기 위해 수신단에서 채널에 대한 정보를 이용하지 않고 송신 신호를 복원하는 방법으로 차등 위상 편이 변조(Differential Phase Shift Keying) 방식이 있다. 이와 유사하게 다중 안테나를 사용하는 시스템에서도 수신단에서 채널을 추정하지 않고 송신 신호를 복원할 수 있으며, 유니터리 시공간 변조(Unitary Space-Time Modulation) 기법과 차등(Differential) STBC 기법 등이 있다.
차등 STBC 역시 단일 안테나 시스템에서 사용되었던 차등 변복조 방식을 다중 안테나 시스템으로 확장하여 STBC의 경우에 적용시킨 방식이다. 차등 STBC의 방식은 두 개의 송신 안테나를 사용하는 경우에 대하여 M-차 PSK(Phase-Shift Keying) 변조 방식을, 세 개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에 대하여는 BPSK(Binary Phase-Shift Keying) 변조 방식을 사용하여 신호를 전송할 수 있다. 차등 STBC는 직교 STBC를 기반으로 설계되었기 때문에 복호 복잡도가 매우 간단하다는 장점이 있으나 PSK 변조 방식만을 채택할 수 있기 때문에 전송률을 증가시키는데 한계가 있다.
기존의 차등 STBC가 PSK 계열의 변조 방식만을 채택할 수 있다는 단점을 극복하기 위하여 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조된 신호를 전송시킬 수 있도록 개량된 차등 STBC들이 제안되었다. 개량된 방식은 차등 신호를 부호화할 때 기 전송된 심볼의 전력으로 현재 심볼을 정규화함으로써 심볼의 진폭이 변화하더라 도 수신단에서 복호가 가능하도록 한 방법이다. 그러나 일반적인 차등 STBC와는 달리 이 방식은 수신단에서 채널 계수들의 자승합(Squared Sum), 즉 채널 계수의 전력에 해당하는 값을 알아야 한다. 이러한 의미에서 기존의 논코히어런트(Non-coherent) 복호 방식들과는 그 원리가 다르다고 할 수 있지만 채널의 전력을 파일럿 신호 등의 사용없이 추정할 수 있으므로 채널 추정을 위해 프리엠블(Preamble)이나 파일럿 신호 없이 복호를 수행한다는 점에서 일반적인 논코히어런트 복호기와 유사성을 갖는다.
그러나 STBC를 위한 차등 검출(Differential Detection) 방식은 그와 관련한 코히어런트 검출(Coherent Detection) 방식과 비교하여 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio)에서 항상 3dB 정도의 손실을 가진다.
본 발명은 차등 STBC의 수신 성능을 개선하는데 있다.
그리고, 본 발명은 채널 추정을 하지 않고 차등 STBC를 수신하는 데 있다.
그리고, 본 발명은 트렐리스 다이어그램과 비터비(Viterbi) 알고리즘을 이용하여 차등 STBC를 수신하는데 있다.
이를 위하여 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치는, 수신되는 차등 시공간 블록 부호로부터 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하 여 심볼을 검출하는 검출기, 상기 검출된 심볼을 디인터리빙하는 디인터리버, 및 상기 디인터리빙된 신호를 복호하는 복호기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 검출기는 상기 차등 시공간 블록 부호를 트렐리스 다이어그램으로 표현하고 비터비 알고리즘을 수행하여 상기 심볼을 검출하며, 상기 비터비 알고리즘은 순방향 비터비 알고리즘과 역방향 비터비 알고리즘 중 적어도 하나를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치는, 상기 복호된 신호를 인터리빙하여 상기 검출기로 피드백시키는 인터리버를 더 구비할 수 있고, 이때 상기 검출기는 상기 인터리빙된 신호로 상기 비터비 알고리즘을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법은, 차등 시공간 블록 부호를 수신하는 장치에서 상기 차등 시공간 블록 부호를 수신하는 방법에 있어서, 상기 수신되는 차등 시공간 블록 부호를 트렐리스 다이어그램으로 표현하고 비터비 알고리즘을 수행하여 심볼을 검출하는 과정, 상기 검출된 심볼을 디인터리빙하는 과정, 및 상기 디인터리빙된 신호를 복호하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 비터비 알고리즘은 순방향 비터비 알고리즘과 역방향 비터비 알고리즘 중 적어도 하나가 수행되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법은, 상기 복호된 신호를 인터리빙하여 상기 검출기로 피드백시키는 과정과, 상기 인터리빙된 신호로 상기 비터비 알고리즘을 반복 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 차등 STBC의 송/수신 기술 중 수신에 관한 것이다.
먼저 차등 STBC의 송신 장치에 대하여 살펴보면 그 구성은 도 1과 같다.
차등 STBC 송신 장치는 길쌈 부호화기(Convolutional Encoder)(12), 인터리버(Interleaver)(13), 및 차등 STBC 부호화기(14)를 구비하여, 소스(Source)에서 발생한 데이터 un를 길쌈 부호화하고 인터리빙을 수행한 뒤 차등 STBC 부호화하여 송신한다.
길쌈 부호는 블록 부호보다 부호 이득(Coding Gain)이 크고 복호 방법도 간단하여 최근 많이 사용되는 부호이다. 그리고 차등 STBC 송신 장치는 채널에서 발생할 수 있는 비트들의 군집 오류(Burst Error)를 독립 오류(Isolated Error)로 바꾸어 에러 정정 부호의 효율을 높이기 위해 인터리버(13)에서 인터리빙을 수행한다.
차등 STBC 부호화기(14)는 인터리빙된 신호를 차등 STBC 부호화하고, 전송할 신호 X k를 이전에 보낸 신호와 결합하여 W k로서 전송한다. 즉, W k = W k-1 X k 이다. 그리고 신호 X k는 수학식 1과 같다.
Figure 112005000756210-pat00001
상술한 바와 같이 부호화된 차등 STBC를 본 발명에 따라 수신하는 수신 장치는 도 2와 같다.
본 발명에 따른 차등 STBC 수신 장치는 차등 STBC 검출기(25), 디인터리버(Deinterleaver)(24), BCJR(Bahl, Cocke, Jelinek and Raviv) 복호기(23), 및 인터리버(21)를 구비한다. 이러한 구성에 의해 도 1의 소스에서 발생하는 데이터가 최종적으로 Sink로 도착하는 것이다.
차등 STBC 검출기(25)는 수신되는 신호 Y k에서 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하여 심볼을 검출한다. 비터비 알고리즘은 순방향(Forward) 비터비 알고리즘과 역방향(Backward) 비터비 알고리즘이 모두 이용될 수 있으며 경우에 따라 두 가지가 모두 이용될 수도 있다.
차등 STBC 검출기(25)에서 검출된 심볼은 에러 보정을 위해 디인터리버(24)를 거쳐 BCJR 복호기(23)에서 복호된다. 인터리빙된 신호가 전송 채널을 통과할 때에 매우 긴 군집 오류가 발생하더라도 수신 장치에서 디인터리버(24)를 거치면 군집 오류가 블록별로 따로 분리되어, 인터리빙하지 않을 때보다 더 많은 오류를 정정할 수 있다.
또한 복호된 신호는 인터리버(21)에서 인터리빙 되어 차등 STBC 검출기(25)로 피드백된다. 인터리버(21)는 상관 관계에 있는 정보를 상관 관계가 없는 정보로 전환하기 위해 정보 비트의 입력 순서를 재배열하여 오류 패턴을 제거하는 역할을 한다. 이에 복호된 신호는 인터리버(21)를 통해 피드백이 여러 번 되면 될수록 전송 에러가 감소하게 된다.
차등 STBC 검출기(25)에서 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하여 심볼을 검출하는 것에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
차등 STBC 검출기(25)로 수신되는 신호 Y k는 전송 신호 W k에 전송 채널의 채널 이득 H와 잡음 E k이 더해져 수학식 2와 같이 표현된다.
Y k = HW k + E k
여기서 W k = W k-1 X k 이므로, 수학식 2는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Y k = HW k-1 X k + E k
차등 STBC 검출기(25)로 수신되는 신호가 수학식 2 및 수학식 3과 같다고 할 때, 측정 간격(Observation Interval)이 3일 경우 수신 신호 Y k, Y k-1, Y k-2를 이용한 X k와 X k-1의 검출은 수학식 4에 의해 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00002
여기서 W k = W k-1 X k 이고, X k X k H = I (H는 에르미트 연산(Hermitian Operation), I는 단위행렬(Identity Matrix))이므로, 수학식 4는 수학식 5로 표현할 수 있다.
Figure 112005000756210-pat00003
수학식 5를 HW k-1로 미분을 하면 수학식 6과 같다.
Figure 112005000756210-pat00004
한편, 수학식 6을 트렐리스 다이어그램으로 구성하면 수학식 7과 같다.
Figure 112005000756210-pat00005
수학식 7은 브렌치 수치(Branch Metric)이다.
한편, 차등 STBC 검출기(25)에서 비터비 알고리즘은 다음과 같이 수행된다.
먼저 순방향 비터비 알고리즘은 수학식 8과 같이 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00006
여기서 μf(X k-1)은 패스 수치(Path Metric)이다.
BCJR 복호기(23)에서 복호된 신호가 인터리버(21)를 통해 피드백된 경우의 순방향 비터비 알고리즘은 수학식 8에 logPr(X k-1)이 추가되어 수학식 9와 같이 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00007
logPr(X k-1)은 이전의 피드백에서 BCJR 복호기(23)로부터 출력되는 선험적 확률(a priori probability)을 나타낸다.
상술한 순방향 비터비 알고리즘과 유사하게 역방향 비터비 알고리즘은 수학식 10과 같이 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00008
역방향 비터비 알고리즘에서도 순방향 비터비 알고리즘과 마찬가지로 BCJR 복호기(23)에서 복호된 신호가 인터리버(21)를 통해 피드백된 경우에는 역방향 비터비 알고리즘이 수학식 11과 같이 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00009
차등 STBC 검출기(25)는 상술한 바와 같이 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 수행하고 나면 비트 값을 출력한다.
비트 값의 계산은 수학식 12와 같이 수행된다.
Figure 112005000756210-pat00010
여기서
Figure 112005000756210-pat00011
는 q번째 비트가 ±1인 전송 심볼의 집합이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하여 채널 추정을 하지 않고 차등 STBC를 수신한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용함으로써, 채널 추정을 하지 않아도 차등 STBC를 수신할 수 있는 효과가 있고 수신 성능이 향상되는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 채널 추정을 하지 않더라도 종래의 코히어런트 검출 방식과 유사한 성능으로 차등 STBC를 수신하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 수신되는 차등 시공간 블록 부호로부터 트렐리스 다이어그램과 비터비 알고리즘을 이용하여 심볼을 검출하는 검출기;
    상기 검출된 심볼을 디인터리빙하는 디인터리버; 및
    상기 디인터리빙된 신호를 복호하는 복호기를 구비하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 차등 시공간 블록 부호를 트렐리스 다이어그램으로 표현하고 비터비 알고리즘을 수행하여 상기 심볼을 검출하며, 상기 비터비 알고리즘은 순방향 비터비 알고리즘과 역방향 비터비 알고리즘 중 적어도 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복호기에서 복호된 신호를 선험적 확률로 판단하고 이를 인터리빙하여 상기 검출기로 피드백시키는 인터리버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차등 시 공간 블록 부호의 수신 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 검출기는,
    상기 인터리빙된 신호로 상기 비터비 알고리즘을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 장치.
  5. 차등 시공간 블록 부호를 수신하는 장치에서 상기 차등 시공간 블록 부호를 수신하는 방법에 있어서,
    상기 수신되는 차등 시공간 블록 부호를 트렐리스 다이어그램으로 표현하고 비터비 알고리즘을 수행하여 심볼을 검출하는 과정;
    상기 검출된 심볼을 디인터리빙하는 과정; 및
    상기 디인터리빙된 신호를 복호하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 비터비 알고리즘은 순방향 비터비 알고리즘과 역방향 비터비 알고리즘 중 적어도 하나가 수행되는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 복호된 신호를 인터리빙하여 상기 검출기로 피드백시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 인터리빙된 신호로 상기 비터비 알고리즘을 반복 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차등 시공간 블록 부호의 수신 방법.
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