KR100706634B1 - 성능이 향상된 다중 안테나 시스템 - Google Patents

성능이 향상된 다중 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성능이 향상된 다중 안테나 시스템에 관한 것으로, 그 시스템은 시공간부호화 기법과 송신 안테나 선택 기법을 동시에 사용하는 시스템으로, 송신 장치 및 수신 장치를 포함한다. 송신 장치는 공간 채널로의 신호 전송에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)보다 많은 수(N, N은 M보다 큰 자연수)의 송신 안테나를 구비하고, 전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 특정의 상기 M개의 송신 안테나를 선택하여 공간 채널로 전송한다. 수신 장치는 공간 채널로부터의 신호 수신에 사용되는 M개의 수신 안테나를 구비하고, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 정보 심볼을 검출하는 동시에, 상기 수신된 신호로부터 추정된 채널 결과에 기초하여 상기 송신 장치의 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하도록 하는 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신 장치로 귀환시켜 전달한다. 본 발명에 따르면, 시공간부호화기의 다이버시티 이득을 최적화하는 동시에 신호대 잡음비 이득을 크게 하여 시공간부호화기의 비트오차확률을 크게 개선시킬 수 있다.
다중 안테나 시스템, MIMO, 시공간부호화 기법, 송신 안테나 선택 기법

Description

성능이 향상된 다중 안테나 시스템 {MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT SYSTEM HAVING ENHANCED PERFORMANCE }
도 1은 일반적인 시공간부호화기가 적용된 MIMO 시스템의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나 스위치의 블록 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 송신 안테나 선택기의 블록 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템과 다른 시스템 간의 성능 비교를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 성능이 향상된 다중 안테나 시스템(MIMO:Multi-Input Multi-Output)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시공간부호화된 심볼을 송신채널의 상태에 따라 선택된 송신 안테나들을 통해 송신하여 송신 성능이 향상된 MIMO 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 송수신기에 각각 다중 안테나를 사용하는 MIMO 기법은 대역폭과 전력의 증가없이 통신 시스템의 전송 효율을 크게 증대시킬 수 있다. 이러한 MIMO기법은 송신기에서 채널 정보를 알지 못하는 개루프 방식과 송신기에서 채널의 정보를 알고 이를 이용해 채널에 적합하도록 정보 심볼을 전송하는 폐루프 방식으로 분류될 수 있다.
먼저, 개루프 MIMO 기법은 공간다중화 이득과 다이버시티 이득의 정도에 따라서 공간다중화 기법, 전송 다이버시티 기법, 시공간부호화 기법 등으로 분류된다.
여기서, 공간다중화 기법은 각 송신 안테나를 통해 서로 다른 심볼을 전송하는 방식이며, 한 심볼 시간동안 송신 안테나의 개수만큼의 정보 심볼을 동시에 전송할 수 있어 송신 안테나만큼 전송률을 증대시킬 수 있다. 그러나 각 송신 안테나로 전력이 분할되므로 높은 비트오차확률을 나타내는 문제점을 가지고 있다.
또한, 전송 다이버시티 기법은 각 송신 안테나에서 동일한 또는 유사도가 높은 정보 심볼을 반복 전송하는 방식으로 동일한 또는 유사도가 높은 심볼이 다양한 경로로 수신되므로 채널의 페이딩 현상을 효율적으로 극복할 수 있어 단일 안테나보다 낮은 비트오차확률을 획득할 수 있다. 그러나 각 송신 안테나에서 동일한 심볼을 반복 전송하여 한 심볼 시간 동안 한 개의 심볼 만을 보내므로 공간다중화와 같은 높은 전송률을 획득하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 공간다중화기법과 전송 다이버시티 기법의 문제점을 보완하는 방안으 로서, 높은 전송률을 가지면서 안정적인 심볼 전송이 가능한 시공간부호화 기법이 제안되었다. 이러한 시공간부호화 기법에서 송신기는 다중 안테나를 통해 전송률을 증대시키기 위하여 전송 심볼열을 시공간 행렬로 부호화하여 수신기로 전송한다. 이러한 시공간부호화기법 중 전송률을 송신 안테나의 개수만큼 증대시키면서 다이버시티 이득과 부호화 이득을 획득함으로써 비트오차확률을 크게 낮출 수 있는 Full Rate Full Diversity(FDFR) 부호화기가 제안되어 높은 전송률을 안정적으로 전송하고자 하는 MIMO 시스템에 적용되고 있다(M.O. Damen, A. Tewfix, J.C. Belfiore ; A construction of a space time code based on number theory, IEEE Transaction on Information Theory, vol. 48, No. 3. pp 753-760, March 2002).
상기한 바와 같은, 시공간부호화 기법은 공간다중화와 같은 전송률을 유지하면서 최대의 다이버시티 이득과 부호화 이득을 갖도록 시공간 부호를 설계함으로써 안정적으로 높은 전송률을 요하는 차세대 통신 기술에 적합한 기술이다. 그러나, 채널의 상관도가 커지는 경우 다이버시티 이득은 감소하게 되며 공간다중화 심볼의 신호대 잡음비가 급격히 작아지는 문제가 발생해 신호의 검출 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 폐루프 MIMO 기법은 수신기에서 회귀되는 채널 정보의 양에 따라 풀(Full) 채널 회귀 방식과 파셜(Partial) 채널 회귀 방식으로 분류된다.
먼저, Full 채널 회귀 방식에서는 송신기에서 모든 채널 정보를 알고 있으므로 채널의 상태에 따라 안테나 별로 변조를 달리하는 적응 변조 기법이 적용될 수 있으며, 이로부터 최대의 채널용량을 획득할 수 있다. 그러나 채널 정보 회귀를 위해 많은 주파수 자원이 낭비되는 문제점이 있다.
한편, Patial 채널 회귀 방식은 수신기에서 채널의 특성을 추출, 가공하여 송신기에 회귀하므로, 적은 주파수 자원으로 채널에 적응된 정보 전송을 가능하게 한다. Partial 채널 회귀 기법의 대표적인 예로 채널의 상태가 좋은 일부 송신 안테나 그룹만을 선택하여 정보 심볼을 전송함으로써 다이버시티 이득과 신호대 잡음비 이득을 획득하는 송신안테나 선택 기법을 들 수 있다(R. W. Heath, A. Paulaj ; Antenna selection for spatial multiplexing systems based on minimum error rate,ICC 2001, vol.7, pp 11-14, June 2002).
이러한 송신 안테나 선택기법은 채널의 이득이 높고 채널의 상관도가 낮은 안테나만을 선택하여 전송함으로써, 채널의 평균 이득을 획득하는 전송 다이버시티 기법에 비해 높은 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 또한, 송신 안테나 선택 기법은 공간다중화 기법과 결합되어 채널의 상관도가 커지므로 유발되는 잡음 전력의 증대를 효율적으로 극복할 수 있으며 동시에 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
따라서, 공간 채널의 독립적인 특성을 이용하여 공간다중화 이득과 다이버시티 이득을 동시에 얻을 수 있으나 채널의 상관도가 커지는 경우 다이버시티 이득이 감소하고, 공간다중화 심볼의 신호대 잡음비가 급격히 작아지는 문제점을 갖고 있는 개루프 MIMO 기법에서의 시공간부호화 기법에 채널의 공간 상관도가 적고 채널의 이득이 큰 송신안테나 그룹을 선택할 수 있는 폐루프 MIMO 기법에서의 송신 안테나 선택 기법을 적용하는 기술이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하고자 하는 요구에 따라, 폐루프 MIMO 기법에서의 송신 안테나 선택 기법과 개루프 MIMO 기법에서의 시공간부호화 기법의 결합에 의해 채널의 공간 상관도가 적고 채널의 이득이 큰 송신 안테나 그룹을 선택하여 부호화된 심볼을 전송함으로써 송신 성능이 향상되는 MIMO 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 다중 안테나(MIMO) 시스템의 송신 장치는,
공간 채널로의 신호 전송에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)보다 많은 수(N, N은 M보다 큰 자연수)로 구비된 송신 안테나; 전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 대응되는 시공간부호로 출력하는 시공간부호화기; 및 상기 시공간부호화 방식의 다중 안테나 시스템의 수신 장치에서 회귀되어 전달되는 송신 안테나 선택 정보―여기서 송신 안테나 선택 정보는 상기 송신 장치의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신 장치의 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 송신 안테나들에 대한 정보를 포함함―에 기초하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하고, 상기 시공간부호화기에서 출력되는 시공간부호를 상기 선택된 M개의 송신 안테나로 전달하는 안테나 스위치를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 다중 안테나 시스템의 수신 장치는,
공간 채널로부터의 신호 수신에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)만큼 구비된 수신 안테나; 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호에 정보 심볼을 대입하여 최소의 유클리디언 거리를 갖는 정보 심볼을 검출하는 최우 검출기; 및 상기 수신 안테나와 최우 검출기 사이에 접속되며, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 채널을 추정하고, 추정된 결과에 기초하여 상기 다중 안테나 시스템의 송신 장치에 구비된 송신 안테나－여기서 송신 안테나의 수는 상기 M보다 큰 N(N은 자연수)개임－ 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신 장치로 회귀시켜 전달하는 송신 안테나 선택기를 포함하며, 상기 송신 안테나 선택기는 상기 송신 장치의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 송신 안테나들에 대한 정보를 상기 송신 안테나 선택 정보에 포함시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 경우의 수를 특정 인덱스에 대응되도록 설정한 경우, 상기 수신 장치에서 회귀되는 송신 안테나 선택 정보는 상기 인덱스 정보인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 다중 안테나 시스템은,
공간 채널로의 신호 전송에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)보다 많은 수(N, N은 M보다 큰 자연수)의 송신 안테나를 구비하고, 전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 특정의 상기 M개의 송신 안테나를 선택하여 공간 채널로 전송하는 송신기; 및 공간 채널로부터의 신호 수신에 사용되는 M개의 수신 안테나를 구비하고, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 정보 심볼을 검출하는 동시에, 상기 수신된 신호로부터 추정된 채널 결과에 기초하여 상기 송신기의 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하도록 하는 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기로 귀환시켜 전달하는 수신기를 포함하며, 상기 수신기는 상기 송신기의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신기의 수신 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 M개의 송신 안테나들에 대한 정보를 상기 송신 안테나 선택 정보에 포함시켜 상기 송신기로 전달하고, 상기 송신기는 상기 수신기로부터 전달되는 송신 안테나 선택 정보에 포함된 M개의 송신 안테나들에 대한 정보에 기초하여 송신 안테나를 선택하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 송신 안테나 선택 정보는,
상기 신호가 전송된 채널의 용량을 최대화되도록 하는 채널에 기초하여 선택되고, 신호대 잡음비가 높고, 상기 신호가 전송된 채널의 용량을 산출하는데 사용되는 로그 함수가 단조 증가인 경우에는, 상기 채널의 디터미넌트(determinant)를 최대화하는 기준에 기초하여 선택되는 것을 특징으로 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 일반적인 시공간부호화기가 적용된 MIMO 시스템의 일예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 시공간부호화기가 적용된 MIMO 시스템에서 송신기(10)와 수신기(20)는 각각 2개씩의 송신 안테나(14-1, 14-2)와 수신 안테나(22-1, 22-4)를 사용한다.
또한, 송신기(10)는 전송 심볼(
Figure 112006084613765-pat00001
)을 시공간부호화하여 송신 안테나(14-1, 14-2)로 전달하는 시공간 부호화기(12)를 포함하고, 수신기(20)는 수신 안테나(22-1, 22-4)를 통해 수신된 심볼로부터 정보 심볼(
Figure 112006084613765-pat00002
)을 검출하는 최우 검출기(24)를 포함한다.
송신기(10)의 시공간부호화기(12)는 4개의 전송 심볼(
Figure 112004052678534-pat00003
)을 사용 하여 다음의 [수학식 1]과 같은 시공간부호(Space-Time Codes:STC)
Figure 112004052678534-pat00004
를 구성한다.
Figure 112004052678534-pat00005
이 시공간 부호
Figure 112004052678534-pat00006
에서 1, 2행의 성분은 각각 첫째, 둘째 송신 안테나(14-1, 14-2)에서 전송되는 시공간부호화된 심볼이고, 1, 2 열의 성분은 각각 첫째, 둘째 심볼 시간에 송신 안테나(14-1, 14-2)에서 전송되는 시공간부호화된 심볼을 나타낸다.
이때, 시공간부호
Figure 112004052678534-pat00007
에서
Figure 112004052678534-pat00008
와
Figure 112004052678534-pat00009
는 각각
Figure 112004052678534-pat00010
의 구조를 가지며, 시공간부호화기(12)의 성능은 시공간 설계요소
Figure 112004052678534-pat00011
에 의해 좌우된다.
이러한 시공간부호화기(12)는 신호 검출시 오차 확률이 최소화되도록 설계되어야 하며, 이를 위해 랭크(rank) 설계 기준과 디터미넌트(determinant) 설계 기준을 사용하여
Figure 112004052678534-pat00012
가 결정된다.
먼저, rank 설계 기준은 임의의 두 시공간부호에 대한 차이 행렬의 최소 rank가 최대화되도록 설계하는 방식이며, 이 최소 rank가 다이버시티 이득을 결정하게 된다. 이러한 다이버시티 이득은 비트오차확률 곡선의 기울기를 결정하여 다이버시티 이득이 클수록 신호대 잡음비의 증가에 따라 비트오차확률의 감소폭이 커지게 된다. FDFR을 추구하는 시공간부호화기에서는 최소 rank가 송신 안테나의 개수와 같도록 설계된다.
한편, determinant 설계 기준은 두 시공간부호에 대한 차이 행렬의 최소 determinant가 최대화되도록 설계하는 방식이며, 이 최소 determinant는 부호화 이득을 결정한다. 이러한 부호화 이득은 비트오차확률 곡선에서 신호대 잡음비의 이득으로 나타난다.
시공간 부호화기(12)는 두 심볼 시간동안 4개의 심볼을 전송함으로써 심볼 시간당 안테나 개수 2만큼의 심볼을 전송하는 full rate를 얻을 수 있으며, 동시에 시공간 부호화기의 설계기준을 충족시켜 full diversity 이득을 획득할 수 있다.
한편, 수신기(20)에서는 시공간부호화의 다이버시티 이득을 최대화하기 위해 가능한 모든 심볼 조합 중 최소의 유클리디언 거리를 갖는 심볼 조합을 선택하기 위해 최우 검출기(24)를 사용한다.
상기한 바와 같이, 개루프의 시공간부호화기(12)가 사용된 MIMO 시스템에서는 채널의 상관도가 커지는 경우 다이버시티 이득이 감소하고, 또한 공간다중화 심볼의 신호대 잡음비가 급격히 작아지므로, 이를 해결하기 위해, 폐루프의 송신 안테나 선택 기법을 적용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 폐루프의 송신 안테나 선택 기법이 적용된 개루프의 시공간부호화기를 사용하는 MIMO 시스템에 대해서 상세하게 설명한다.
먼저, 시공간부호화기를 사용하는 MIMO 시스템의 수신기에서 수신 안테나를 통해 수신된 신호 행렬은 채널과 시공간부호의 선형 조합으로 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004052678534-pat00013
여기서,
Figure 112004052678534-pat00014
는 수신 신호대 잡음비를 나타내고,
Figure 112004052678534-pat00015
은 각 성분이 평균 0, 분산 1인 복소 가우시안이며 2×2의 차원을 갖는 잡음 행렬을 나타내며,
Figure 112004052678534-pat00016
는 3개 이상의 송신 안테나 중 선택된 2개의 송신 안테나와 수신 안테나간 형성된 채널을 나타낸다.
상기 [수학식 2]의 수신 신호 행렬은 다음의 [수학식 3]과 같이 벡터화될 수 있다.
Figure 112004052678534-pat00017
이 때,
Figure 112004052678534-pat00018
은 변형된 채널이며, 유니터리 행렬
Figure 112004052678534-pat00019
와 전송 심볼 벡터
Figure 112004052678534-pat00020
는 다음의 [수학식 4]와 같이 구성된다.
Figure 112004052678534-pat00021
한편, 상기 [수학식 3]은 수신 신호 벡터와 정보 심볼 벡터의 관계식을 나타내고 있으며, 여기서
Figure 112004052678534-pat00022
에 대한 순시적인 채널 용량은 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004052678534-pat00023
본 발명의 실시예에서는 MIMO 시스템의 수신기가 3개 이상의 송신 안테나 중에서 2개의 송신 안테나 그룹에 대응되는 채널
Figure 112004052678534-pat00024
중 순시 채널 용량이 최대화되는 송신 안테나 그룹을 나타내는 인덱스 p를 선택하여 송신기로 회귀 전달한다.
상기 [수학식 5]와 같이 나타낸 순시 채널 용량에서 높은 신호대 잡음비를 가정하고 [수학식 5]에 나타낸 로그 함수가 단조 증가임을 고려하면, 순시 채널 용량을 최대화하는 기준은 채널의 determinant를 최대화하는 기준과 동일하게 된다.
결과적으로 수신기에서 송신 안테나를 선택하는 기준은 다음의 [수학식 6]과 같이 정리된다.
Figure 112004052678534-pat00025
수신기에서 결정된 송신 안테나 그룹의 인덱스 p는 송신기로 회귀되며, 송신기는 이 회귀 정보를 바탕으로 송신 안테나 그룹을 결정하고, 이를 이용해 시공간 부호를 수신기로 전송하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 수신기에서의 송신 안테나 선택 기준은 [수학식 3]과 같이 수신 신호 벡터가 변형된 채널과 전송 심볼 벡터의 선형 조합으로 표현되는 임의의 시공간부호화 기법에 확장 적용 가능하며, 확장된 송신 안테나 선택 기준은 다음의 [수학식 7]과 같다.
Figure 112004052678534-pat00026
또한, 변형된 채널과 전송 심볼 벡터의 선형 조합으로 표현되는 시공간부호화 기법 중 변형된 채널
Figure 112004052678534-pat00027
가 상기 [수학식 3]과 같이 채널의 블록 대각화된 행렬과 유니터리 행렬의 곱의 형태로 표현되는 경우, 상기 [수학식 6]의 안테나 선택 기준이 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템은 심볼을 시공간부호화하여 3개 이상의 채널 중에서 2개의 채널을 선택하여 송신하는 송신기(100)와 2개의 채널을 통해 수신되는 신호로부터 정보 심볼을 검출하는 동시에 수신 신호로부터 채널을 추정하여 송신기(100)에서 신호를 송신할 2개의 채널을 선택하는 정보를 결정하여 송신기(100)로 회귀 전달하는 수신기(200)를 포함한다.
이러한 송신기(100)는 시공간부호화기(110), 안테나 스위치(120) 및 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서는 송신기(100)가 2개의 채널을 통해 수신기(200)로 심 볼을 전송하는 것으로 가정하여 설명하지만, 본 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않고 3개 이상의 채널을 통해 심볼을 전송하는 경우에도 확장되어 적용될 수 있다.
또한, 송신기(100)와 수신기(200) 사이에 2개의 채널을 통해 심볼을 전송하는 것으로 가정하였기 때문에 송신기(100)는 3개 이상의 송신 안테나를 구비하여야 2개의 송신 안테나를 선택할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 송신기(100)가 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4)를 구비하고, 심볼 전송시에는 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 2개의 송신 안테나가 선택되는 것으로 한다. 도 2에서 실선으로 나타낸 송신 안테나(130-1, 130-3)가 본 실시예에서 선택된 2개의 송신 안테나를 나타내고, 점선으로 나타낸 송신 안테나(130-2, 130-3)가 선택되지 않은 송신 안테나를 나타낸다.
시공간부호화기(110)는 송신을 위해 입력된 심볼 열(
Figure 112004052678534-pat00028
)로부터 상기한 [수학식 1]에 나타낸 바와 같은 시공간부호
Figure 112004052678534-pat00029
를 생성하여 안테나 스위치(120)로 출력한다. 이 때, 시공간부호화기(110)는 변조 방식에 따라 rank 설계 기준과 determinant 설계 기준에 의해 최적화된 파라미터
Figure 112004052678534-pat00030
를 사용하여 시공간부호화를 수행한다.
안테나 스위치(120)는 수신기(200)에서 회귀된 채널 선택 정보, 즉 송신 안테나 선택 정보에 따라서 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 2개의 송신 안테나를 선택하고, 시공간부호화기(110)에서 출력되는 시공간부호
Figure 112004052678534-pat00031
를 선택 된 송신 안테나를 통해 공간 채널로 전송한다.
본 발명의 실시예에서 수신기(200)는 송신 안테나를 선택할 때 2개의 송신 안테나가 그룹을 형성하는 송신 안테나 그룹을 선택하고, 이러한 송신 안테나 그룹 정보를 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 전달한다.
송신 안테나 그룹은 예를 들어 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4)가 구비되어 있고, 이들을 1, 2, 3, 4로 나타낸 경우, 다음의 [표 1]과 같이 4개의 송신 안테나 중에서 2개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 가지 수가 총 6가지가 있으며, 이 때의 송신 안테나 그룹이 표시되어 있다.
Figure 112004052678534-pat00032
예를 들어, 수신기(200)가 3번 인덱스를 갖는 송신 안테나 그룹을 선택하는 경우에는 (1, 4)의 송신 안테나 그룹이 선택되는 것이고, 이는 송신기(100)의 안테나 스위치(120)에 의해 2개의 송신 안테나(130-1, 130-4)가 선택되는 것을 의미한다. 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서는 2개의 송신 안테나(130-1, 130-3), 즉 1과 3의 송신 안테나가 선택되었으므로, 수신기(200)에 의해 2번의 인덱스를 갖는 송신 안테나 그룹이 선택되어 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 회귀된 것을 알 수 있다.
한편, 안테나 스위치(120)의 일 예는 도 3과 같이 구성될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나 스위치(120)의 블록 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 안테나 스위치(120)는 안테나 그룹 인코딩부(121) 및 스위칭부(123)를 포함한다.
안테나 그룹 인코딩부(121)는 수신기(200)에서 회귀된 정보가 상기 [표 1]에서 나타낸 바와 같이 안테나 그룹 정보이므로 이러한 정보로부터 실제 선택될 2개의 송신 안테나 정보로 인코딩하여 스위칭부(123)로 출력한다.
스위칭부(123)는 시공간부호화기(110)에서 출력되는 시공간부호를 안테나 그룹 인코딩부(121)에서 출력되는 2개의 안테나 정보에 따라서 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 2개의 송신 안테나로 스위칭되어 전달될 수 있도록 한다.
한편, 수신기(200)는 수신 안테나(210-1, 210-2), 송신 안테나 선택기(220) 및 최우 검출기(230)를 포함한다.
수신 안테나(210-1, 210-2)는 공간 채널을 통해 송신기(100)에서 전송된 신호를 수신하여 송신 안테나 선택기(220)로 전달한다.
송신 안테나 선택기(220)는 수신 안테나(210-1, 210-2)에서 전달되는 수신 신호를 최우 검출기(230)로 전달하는 동시에, 수신 신호를 사용하여 채널을 추정하고, 채널 추정 결과로부터 순시 채널 용량이 최대화되는 채널에 해당하는 송신 안테나 그룹을 선택하고, 선택된 송신 안테나 그룹의 인덱스 정보를 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 회귀하여 전달한다.
최우 검출기(230)는 송신 안테나 선택기(220)로부터 전달되는 수신 신호에 모든 정보 심볼을 대입하여 최소의 유클리디언 거리를 갖는 정보 심볼(
Figure 112004052678534-pat00033
)을 검출한다.
한편, 송신 안테나 선택기(220)는 일 예로 도 4와 같이 구성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 송신 안테나 선택기(220)의 블록 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 송신 안테나 선택기(220)는 채널 추정부(221) 및 안테나 그룹 선택부(223)를 포함한다.
채널 추정부(221)는 수신 안테나(210-1, 210-2)를 통해 수신된 신호를 사용하여 다중 안테나 간 채널을 추정하여 그 결과를 안테나 그룹 선택부(223)로 전달한다.
안테나 그룹 선택부(223)는 채널 추정부(220)에 의해 전달되는 채널 추정 결과를 사용하여 순시 채널 용량을 최대화하는 채널, 즉 determinant가 최대화되는 채널을 결정하여 이에 대응되는 송신 안테나 그룹의 인덱스를 선택하고, 선택된 송신 안테나 그룹의 인덱스 정보를 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 회귀 전달한다. 이 때, 안테나 그룹 선택부(223)는 상기한 [수학식 6] 또는 [수학식 7]을 사용하여 송신 안테나 그룹을 선택할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 동작에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송신기(100)를 통해 수신기 (200)로 전송될 심볼(
Figure 112004052678534-pat00034
)이 시공간부호화기(110)로 입력된다.
그 후, 입력된 심볼(
Figure 112004052678534-pat00035
)은 시공간부호화기(110)에 의해 상기 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이 2개의 송신 안테나를 통해 전송할 수 있는 시공간부호
Figure 112004052678534-pat00036
로 변환되어 안테나 스위치(120)로 출력된다.
한편, 이전의 심볼 전송에 의해 수신기(200)의 송신 안테나 선택기(220)에 의해 선택된 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중 2개의 송신 안테나로 이루어진 그룹을 나타내는 인덱스 정보가 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 회귀 전달되고, 안테나 스위치(120)는 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 회귀된 인덱스 정보에 대응되는 송신 안테나를 선택한다.
보다 구체적으로, 수신기(200)에서 귀환된 인덱스 정보는 안테나 그룹 인코딩부(121)에서 대응되는 2개의 송신 안테나를 나타내는 정보로 인코딩되어 스위칭부(123)로 전달된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에서와 같이, 수신기(200)에서 2번의 송신 안테나 그룹을 나타내는 인덱스 정보가 회귀된 경우, 안테나 그룹 인코딩부(121)는 상기한 [표 1]을 통해 2의 인덱스에 대응되는 송신 안테나가 1과 3번의 송신 안테나(130-1, 130-3)인 것을 나타내는 정보를 생성하여 스위칭부(123)로 전달한다. 스위칭부(123)는 안테나 그룹 인코딩부(121)에서 전달되는 정보를 통해 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 2개의 송신 안테나를 선택하여 스위칭시킬 수 있다.
따라서, 시공간부호화기(110)에서 출력되어 안테나 스위치(120)로 입력되는 시공간부호
Figure 112004052678534-pat00037
는 안테나 스위치(120)의 스위칭부(123)에 의해 선택된 2개의 송신 안테나로만 전달되어 채널 용량을 최대화시킬 수 있는 채널을 통해 대응되는 신호로써 수신기(200)로 전송된다.
한편, 송신기(100)의 선택된 2개의 송신 안테나를 통해 공간 채널로 전송된 신호는 수신기(200)의 2개의 수신 안테나(210-1, 210-2)를 통해 수신되어 송신 안테나 선택기(220)로 전달된다.
그 후, 전달된 신호는 송신 안테나 선택기(220)를 통해 직접 최우 검출기(230)로 전달되는 동시에, 한편으로는 채널 추정에 사용된다. 이것은 채널 추정부(221)에 의해 수행된다.
최우 검출기(230)는 송신 안테나 선택기(220)에서 전달된 신호에 모든 정보 심볼을 대입하여 최소의 유클리디언 거리를 갖는 정보 심볼(
Figure 112004052678534-pat00038
)을 검출한다.
한편, 송신 안테나 선택기(220)의 채널 추정부(221)에 의해 수행된 채널 추정된 결과에 따라 안테나 그룹 선택부(223)는 채널의 determinant를 최대화하는 기준에 의해 4개의 송신 안테나(130-1, 130-2, 130-3, 130-4) 중에서 2개의 송신 안테나를 선택하고, 선택된 송신 안테나가 속하는 송신 안테나 그룹의 인덱스 정보를 송신기(100)의 안테나 스위치(120)로 회귀시켜 전달한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템과 다른 시스템 간의 성능 비교를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 원의 실선으로 표시한 그래프는 본 발명의 실시예에 따라 송신안테나 선택 기법을 사용한 시공간부호화 기법의 MIMO 시스템의 성능을 나타내고, 원의 점선으로 표시한 그래프는 송신안테나 선택 기법을 사용하지 않고 시공간부호화 기법만 사용한 MIMO 시스템의 성능을 나타내며, 사각형의 실선으로 표시한 그래프는 송신안테나 선택 기법을 사용한 공간다중화 기법의 MIMO 시스템의 성능을 나타내고, 사각형의 점선으로 표시한 그래프는 송신안테나 선택 기법을 사용하지 않은 공간다중화 기법의 MIMO 시스템의 성능을 나타낸다.
여기에서, 송신안테나 선택 기법은 4개의 송신 안테나 중에서 채널의 determinant를 최대화하는 2개의 송신 안테나 그룹을 선택하는 것으로 하였으며, 송신안테나 선택 기법을 사용하지 않는 경우에는 2개의 송신 안테나만을 사용하는 것으로 하였다.
또한, 시공간부호화 기법은 송신기에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조된 심볼을 상기 [수학식 1]에 따라 시공간부호를 생성하여 전송하는 것으로 하였으며, 수신기에서는 최우 검출기를 통해 심볼을 검출하는 것으로 하였다.
또한, 공간다중화 기법은 송신기에서 QPSK 변조된 심볼을 송신 안테나별로 공간다중화하여 전송한 후, 수신기에서 최우 검출기를 사용하여 심볼을 검출하는 것으로 하였다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 시공간부호화(Space-Time Coding:STC) 기법을 사용한 MIMO 시스템은 공간다중화(Space-Multiplexing) 기법에 비해 더 큰 다이 버시티 이득을 얻는 것을 확인할 수 있으며, 송신안테나 선택 기법이 사용된 시공간부호화 기법의 MIMO 시스템이 송신안테나 선택 기법이 사용되지 않은 시공간부호화 기법의 MIMO 시스템에 비해 높은 신호대 잡음비 이득과 다이버시티 이득을 얻고 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
본 발명에 따르면, 시공간부호화 기법과 송신안테나 선택 기법을 결합함으로써 시공간부호화기의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 채널의 determinant가 최대가 되는 송신안테나 그룹을 선택하는 송신안테나 선택 기법을 사용함으로써, 시공간부호화기의 다이버시티 이득을 최적화하는 동시에 신호대 잡음비 이득을 크게 하여 시공간부호화기의 비트오차확률을 크게 개선시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 시공간부호화 방식의 다중 안테나(Multi-Input Multi-Output) 시스템의 송신 장치에 있어서,
    공간 채널로의 신호 전송에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)보다 많은 수(N, N은 M보다 큰 자연수)로 구비된 송신 안테나;
    전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 대응되는 시공간부호로 출력하는 시공간부호화기; 및
    상기 시공간부호화 방식의 다중 안테나 시스템의 수신 장치에서 회귀되어 전달되는 송신 안테나 선택 정보―여기서 송신 안테나 선택 정보는 상기 송신 장치의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신 장치의 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 송신 안테나들에 대한 정보를 포함함―에 기초하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하고, 상기 시공간부호화기에서 출력되는 시공간부호를 상기 선택된 M개의 송신 안테나로 전달하는 안테나 스위치
    를 포함하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 스위치는,
    상기 수신 장치에서 회귀되는 송신 안테나 선택 정보를 인코딩하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 상기 M개의 송신 안테나를 나타내는 정보를 출력하는 인코딩부; 및
    상기 시공간부호화기에서 출력되는 시공간부호를 상기 인코딩부에서 출력되 는 정보에 기초하여 선택되는 상기 M개의 송신 안테나로 전달하는 스위칭부
    를 포함하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 경우의 수를 특정 인덱스에 대응되도록 설정한 경우,
    상기 수신 장치에서 회귀되는 송신 안테나 선택 정보는 상기 인덱스 정보인
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시공간부호화기는 변조 방식에 따라 랭크(rank) 설계 기준과 디터미넌트(determinant) 설계 기준에 의해 최적화된 시공간 설계 파라미터에 의해 전송 심볼을 시공간부호화하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.
  5. 시공간부호화 방식의 다중 안테나(Multi-Input Multi-Output) 시스템의 수신 장치에 있어서,
    공간 채널로부터의 신호 수신에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)만큼 구비된 수신 안테나;
    상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호에 정보 심볼을 대입하여 최소의 유클리디언 거리를 갖는 정보 심볼을 검출하는 최우 검출기; 및
    상기 수신 안테나와 최우 검출기 사이에 접속되며, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 채널을 추정하고, 추정된 결과에 기초하여 상기 다중 안테나 시스템의 송신 장치에 구비된 송신 안테나－여기서 송신 안테나의 수는 상기 M보다 큰 N(N은 자연수)개임－ 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신 장치로 회귀시켜 전달하는 송신 안테나 선택기
    를 포함하며,
    상기 송신 안테나 선택기는 상기 송신 장치의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 송신 안테나들에 대한 정보를 상기 송신 안테나 선택 정보에 포함시키는
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 송신 안테나 선택기는,
    상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 다중 안테나 간 채널을 추정하여 그 결과를 상기 송신 안테나 선택기로 전달하는 채널 추정부; 및
    상기 채널 추정부에 의해 전달되는 채널 추정 결과를 사용하여 상기 송신 안테 선택 정보를 생성하여 상기 송신 장치로 회귀시켜 전달하는 선택부
    를 포함하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 수신 장치는 상기 채널 추정 결과를 사용하여 채널 용량을 최대화되도록 하는 채널에 대응되는 상기 M개의 송신 안테나를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 채널 용량을 최대화되도록 하는 채널의 기준은,
    신호대 잡음비가 높고, 상기 채널 용량을 산출하는데 사용되는 로그 함수가 단조 증가인 경우, 상기 채널의 디터미넌트(determinant)를 최대화하는 기준과 동일한
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택할 수 있는 경우의 수를 특정 인덱스에 대응되도록 설정한 경우,
    상기 송신 안테나 선택기가 생성하는 송신 안테나 선택 정보는 상기 인덱스 정보인
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호의 벡터화 값(y)이 다음의 관계식
    Figure 112006084613765-pat00039
    여기서,
    Figure 112006084613765-pat00040
    는 수신 신호대 잡음비이고,
    Figure 112006084613765-pat00041
    는 송신 안테나와 수신 안테나간 형성된 채널이며,
    Figure 112006084613765-pat00042
    임
    을 따르는 경우,
    상기 채널 용량(Cp)은 다음의 관계식,
    Figure 112006084613765-pat00043
    을 따르는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 채널 용량을 최대화하는 기준은 다음의 관계식
    Figure 112004052678534-pat00044
    을 따르는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기
    Figure 112004052678534-pat00045
    의 변형된 채널(
    Figure 112004052678534-pat00046
    )은 다음의 관계식
    Figure 112004052678534-pat00047
    을 따르며,
    상기 수신 신호의 벡터화 값(y)이 상기 변형된 채널과 상기 전송 심볼 벡터
    Figure 112004052678534-pat00048
    의 선형 조합이 되는 경우, 상기 채널 용량을 최대화하는 채널의 기준은 다음의 관계식
    Figure 112004052678534-pat00049
    을 따르는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
  13. 시공간부호화 방식의 다중 안테나(Multi-Input Multi-Output) 시스템에 있어서,
    공간 채널로의 신호 전송에 사용되는 안테나의 수(M, M은 자연수)보다 많은 수(N, N은 M보다 큰 자연수)의 송신 안테나를 구비하고, 전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 특정의 상기 M개의 송신 안테나를 선택하여 공간 채널로 전송하는 송신기; 및
    공간 채널로부터의 신호 수신에 사용되는 M개의 수신 안테나를 구비하고, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 정보 심볼을 검출하는 동시에, 상기 수신된 신호로부터 추정된 채널 결과에 기초하여 상기 송신기의 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하도록 하는 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기로 귀환시켜 전달하는 수신기
    를 포함하며,
    상기 수신기는 상기 송신기의 N개의 송신 안테나 중에서 선택되는 송신 안테나들과 상기 수신기의 수신 안테나간에 형성되는 채널에 대한 순시적인 채널 용량이 최대가 되는 M개의 송신 안테나들에 대한 정보를 상기 송신 안테나 선택 정보에 포함시켜 상기 송신기로 전달하고,
    상기 송신기는 상기 수신기로부터 전달되는 송신 안테나 선택 정보에 포함된 M개의 송신 안테나들에 대한 정보에 기초하여 송신 안테나를 선택하는
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 송신기는,
    전송할 심볼을 시공간부호화 처리하여 대응되는 시공간부호로 출력하는 시공간부호화기; 및
    상기 수신기에서 송신 안테나 선택 정보에 기초하여 상기 N개의 송신 안테나 중에서 상기 M개의 송신 안테나를 선택하고, 상기 시공간부호화기에서 출력되는 시공간부호를 상기 선택된 M개의 송신 안테나로 전달하는 안테나 스위치
    를 포함하는 다중 안테나 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 수신기는,
    상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호에 정보 심볼을 대입하여 최소의 유클리디언 거리를 갖는 정보 심볼을 검출하는 최우 검출기; 및
    상기 수신 안테나와 최우 검출기 사이에 접속되며, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 사용하여 채널을 추정하고, 추정된 결과에 기초하여 상기 송신 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기로 회귀시켜 전달하는 송신 안테나 선택기
    를 포함하는 다중 안테나 시스템.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 선택 정보는,
    상기 신호가 전송된 채널의 용량을 최대화되도록 하는 채널에 기초하여 선택되고,
    신호대 잡음비가 높고, 상기 신호가 전송된 채널의 용량을 산출하는데 사용되는 로그 함수가 단조 증가인 경우에는, 상기 채널의 디터미넌트(determinant)를 최대화하는 기준에 기초하여 선택되는
    것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템.
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