KR100800806B1

KR100800806B1 - 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100800806B1
Application number: KR1020050135410A
Authority: KR
Inventors: 윤태원; 이종혁; 임기홍; 김응선; 권종형
Original assignee: 삼성전자주식회사; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2008-02-01
Also published as: US20070230383A1; EP1804410A2; US8005031B2; EP1804410A3; EP1804410B1; KR20070071713A

Abstract

본 발명은 적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법에 관한 것으로, 입력되는 신호를 두 개의 안테나 쌍을 기준으로 주파수 공간 블록 부호화 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하고, 상기 안테나 쌍에 대응하여 생성된 신호 블록들을 시공간 블록 부호화하여 상기 블록들에 상응한 안테나를 통해 단일 반송파에 실어 전송한다.

STBC, SFBC, STFBC, 단일 반송파

Description

무선 통신 시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING/RECEIVING SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 일반적인 STBC 전송 시퀀스의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 2는 단일 송신 안테나 단일 반송파 주파수 영역 등화 송수신기의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 3은 SFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 송신기 구조를 개념적으로 도시한 가상적인 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 구성도

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 전송 시퀀스의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 구성도

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 성능 곡선을 개략적으로 도시한 그래프

본 발명은 통신 시스템에서 신호 송수신에 관한 것으로서, 특히 단일 반송파 전송 방식의 통신 시스템에서 시공간 주파수 블록 부호화(STFBC: Space Time Frequency Block Code, 이하 'STFBC'라 칭하기로 한다) 방식의 신호 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 주파수 대역폭이나 전송 전력을 증가시키지 않고 여러 개의 송신 안테나를 공간적으로 배치함으로써 채널 용량 및 링크 신뢰도를 높일 수 있는 송신 다이버시티 기술이 제안되었으며, 이에 송신 다이버시티 이득을 제공하는 시공간 블록 부호화(STBC: Space Time Block Coding, 이하 'STBC'라 칭하기로 한다) 방식을 적용한 단일 캐리어 주파수 영역 등화(SC-FDE: Single Carrier-Frequency Domain Equalization, 이하 'SC-FDE'라 칭하기로 한다) 방식이 제안되었다.

도 1은 일반적인 STBC 전송 시퀀스의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 2개의 안테나(101, 103)를 통해 STBC 방식을 적용한 데이터를 전송하고 있다. 이때 상기 심벌 블록 들(110, 120, 130, 140)을 시간 영역에서 순차적으로 전송하며, 상기 심벌 블록(110, 120, 130, 140)들 사이에는 보호 구간(guard interval)으로 순환 접두어(CP: Cyclic Prefix, 이하 'CP'라 칭하기로 한다)들(112, 122, 132, 142)을 삽입한다. 이때, 상기 2개의 안테나(101, 103)를 통해 각각 전송되는 두 심벌 블록, 즉 n번째 블록(110, 130)들 사이에는 채널 상태가 동일해야 한다.

그러나 단일 반송파 전송 방식, 일예로 SC-FDE 방식에 상기 STBC 방식을 적 용하면, 저속의 페이딩 환경에서는 심벌 블록 간의 동일한 채널 상태를 유지함으로 인해서 성능이 보장되나, 고속의 페이딩 환경에서는 성능이 보장되지 못한다는 문제점이 있었다.

또한, 주파수 공간 블록 부호화(SFBC: Space Frequecy Block Coding, 이하 'SFBC'라 칭하기로 한다) 방식은 STBC 방식에 비해 페이딩 환경에 강한 장점을 가지는 부호화 방식이나, 이웃하는 부채널 또는 이웃하는 반송파에 블록 부호를 적용하는 다중 반송파 기법이기 때문에 단일 반송파 전송 방식, 즉 SC-FDE 방식 등에 직접 적용할 수 없다. 그리고 상기 SFBC 방식을 단일 반송파 전송 방식에 적용하더라도 주파수 비선택적 페이딩 채널에서는 성능이 보장되나, 주파수 선택적 페이딩 채널에서는 성능이 열화 된다는 문제점이 있었다.

그리하여 통신 시스템에서 채널 특성이 고속의 페이딩 채널이며 주파수 선택적 페이딩 채널인 경우, 특히 단일 반송파 전송 방식의 시스템에서 각각 STBC 방식 또는 SFBC 방식을 사용하는 경우 상기한 채널 특성을 갖는 채널에서는 전체 시스템 성능이 열화된다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 단일 반송파를 사용하는 SC-FDE 방식을 사용하는 시공간 주파수 블록 부호화 방식의 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법을 제안함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고속의 페이딩 채널과 주파수 선택적 페이딩 채널에 도 성능의 열화가 발생하지 않는 시공간 주파수 블록 부호화 방식의 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법을 제안함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 송신 방법에 있어서, 입력되는 신호를 두 개의 안테나 쌍을 기준으로 주파수 공간 블록 부호화 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하는 과정과, 상기 안테나 쌍에 대응하여 생성된 신호 블록들을 시공간 블록 부호화하여 상기 블록들에 상응한 안테나를 통해 단일 반송파에 실어 전송하는 과정을 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은 적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 수신 방법에 있어서, 상기 수신 안테나를 통해 신호를 수신하는 과정과, 상기 수신한 제 1 신호와 상기 제 1 신호를 일정 시간 지연시킨 제 2 신호에서 보호 구간을 제거하는 과정과, 보호 구간이 제거된 신호들을 각각 직렬 병렬 변환하고, 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정과, 고속 푸리에 변환을 수행한 신호들을 결합하는 과정과, 상기 결합된 신호들에서 원 신호 이외의 신호를 제거하는 동시 평균 처리를 수행하는 과정과, 상기 동시 평균 처리를 수행한 신호는 주파수 영역 등화를 수행하는 과정과, 주파수 영역 등화된 신호를 역 다중화하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정과, 상기 고속 푸리에 변환된 신호를 다중화하여 신호를 복원하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 송신 장치에 있어서, 입력되는 비트열을 소정 길이의 심벌로 매핑하는 심벌 매핑기와, 입력되는 신호를 두 개의 안테나 쌍을 기준으로 주파수공간블록 부호화(SFBC) 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하고, 상기 안테나 쌍에 대응하여 생성된 신호 블록들을 시공간블록 부 호화(STBC)하는 시공간주파수블록 부호화기(STFBC: Space Time Frequency Block Coder)와, 상기 시공간 주파수 블록 부호화기의 출력 신호에 보호 구간을 삽입하여 각 안테나를 통해 상기 신호를 송신하는 보호 구간 삽입기를 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 장치는 적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 수신 장치에 있어서, 상기 수신 안테나를 통해 수신한 신호를 일정 시간 지연시켜 제 2 신호를 생성하는 지연기와, 상기 수신 안테나를 통해 수신한 제 1 신호와 제 2 신호들 각각으로부터 보호 구간을 제거하는 보호 구간 제거기와, 보호 구간이 제거된 신호들을 직렬 병렬 변환하는 직병렬 변환기와, 병렬 변환된 신호들로부터 고속 푸리에 변환을 수행하는 제 1 고속 푸리에 변환기와, 상기 고속 푸리에 변환을 수행한 신호들을 결합하는 선형 결합기와, 상기 결합된 신호들에서 원 신호 이외의 신호를 제거하는 동시 평균 처리를 수행하는 동시 평균 처리기와, 상기 동시 평균 처리를 수행한 신호는 주파수 영역 등화를 수행하는 싱글 캐리어 최소 평균 제곱 오차-주파수 영역 등화기와, 주파수 영역 등화된 신호를 역다중화하는 역다중화기와, 상기 역다중한 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하는 제 2 고속 푸리에 변환기와, 상기 고속 푸리에 변환된 신호를 다중화하여 신호를 복원하는 다중화기를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설 명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 통신 시스템에서 신호 송수신에 관한 것으로, 시공간 주파수 블록 부호화(STFBC: Space Time Frequency Block Code, 이하 'STFBC'라 칭하기로 한다) 방식의 신호 송수신에 관한 것이다. 그리하여 단일 반송파 전송 방식을 제공하는 통신 시스템에서 시공간 블록 부호화(STBC: Space Time Block Coding, 이하 'STBC'라 칭하기로 한다) 방식과 주파수 공간 블록 부호화(SFBC: Space Frequency Block Coding, 이하 'SFBC'라 칭하기로 한다) 방식을 모두 적용한 STFBC 방식을 제안한다. 이에 따라 상기 STFBC 방식은 상기 STBC 방식과 SFBC 방식의 장점을 동시에 수용한다.

도 2는 단일 송신 안테나 단일 반송파 주파수 영역 등화 송수신기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 단일 반송파 주파수 영역 등화(SC-FDE: Single Carrier-Frequency Domain Equalization, 이하 'SC-FDE'라 칭하기로 한다) 방식의 송수신기의 구조가 도시되어 있으며, 상기 송신기는 비트 발생기(201)와, 심벌 매핑기(symbol mapper)(203)와, 순환 접두어(CP: Cyclic Prefix, 이하 'CP'라 칭하기로 한다) 삽입기(205)와, 디지털/아날로그(D/A: Digital/Analog) 변환기(207)와, 무선(RF: Radio Frequency, 이하 'RF'라 칭하기로 한다) 송신기(209)를 포함한다.

또한 상기 수신기는 RF 수신기(211)와, 아날로그/디지털(A/D: Analog/Digital) 변환기(213)와, CP 제거기(215)와, 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform, 이하 'FFT'라 칭하기로 한다)기(217)와, 주파수 영역 등화(FDE: Frequency Domain Equalization, 이하 'FDE'라 칭하기로 한다)기(219)와, 역 고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform, 이하 'IFFT'라 칭하기로 한다)기(221)와, 심벌 디매핑기(symbol demapper)(223)와, 신호 결정기(225)를 포함한다.

상기 송신기의 동작을 살펴보면, 비트 발생기(201)는 정보 비트들을 발생하며, 상기 정보 비트들을 심벌 매핑기(203)로 출력한다. 심벌 매핑기(203)는 비트 발생기(201)에서 출력되는 비트 열을 일정한 길이의 심벌로 매핑하여 CP 삽입기(205)로 출력한다.

CP 삽입기(205)는 심벌 매핑기(203)에서 출력되는 심벌에 소정의 보호 구간 즉, 순환 접두어를 삽입하고 D/A 변환기(207)로 출력한다. 상기 D/A 변환기(207)는 CP 삽입기(205)로부터 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 RF 송신기(209)로 출력한다. RF 송신기(209)는 D/A 변환기(207)의 아날로그 신호를 무선 주파수에 실어 안테나를 통해 전송한다.

또한 수신기의 동작을 살펴보면, RF 수신기(211)는 안테나를 통해서 신호를 수신하고 상기 수신 신호를 A/D 변환기(213)로 출력한다. A/D 변환기(213)는 RF 수신기(211)에서 출력하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 CP 제거기(215)로 출력한다. CP 제거기(215)에서는 상기 A/D 변환기(213)의 디지털 신호로부터 CP를 제거하여 FFT기(217)로 출력한다.

FFT기(217)는 CP 제거기(215)의 출력 신호를 FFT 수행하여 FDE(219)로 출력한다. FDE(219)는 FFT기(217)의 출력 신호를 주파수 영역 등화하고 IFFT기(221)로 출력한다. IFFT기(221)는 FDE(219)의 주파수 영역 등화된 신호를 IFFT를 수행하여 심벌 디매핑기(223)로 출력한다.

심벌 디매핑기(223)는 IFFT기(221)의 출력신호로부터 출력되는 심벌을 비트열로 변환하여 신호 결정기(225)로 출력한다. 신호 결정기(225)는 상기 심벌 디매핑기(223)의 비트열에 대해서 전송 신호를 결정한다.

상기 도 2에서는 SC-FDE 방식의 통신 시스템의 송수신기의 구조를 설명하였으며, 상기한 바와 같은 단일 반송파를 사용하는 통신 시스템에 기존의 OFDM 방식에서 사용하던 SFBC를 직접 적용하기 위한 단일 반송파 전송 시퀀스를 설계하여 사용한다. 그리고 이를 위해 제안된 SFBC 방식을 하기의 도 3에서 설명하기로 한다.

상기 도 3은 SFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 구성이다.

상기 도 3을 참조하면, 일예로 두개의 안테나를 구비하는 송신기는 심벌 매핑기(310)와, 가상 신호 처리부(320)와, CP 삽입기(331, 333)와, 안테나들(341, 343)을 포함한다.

심벌 매핑기(310)는 상기 비트 발생기(201)로부터 입력되는 비트 열을 일정 길이의 심벌로 매핑하여 가상 신호 처리부(320)로 출력한다. 여기서 가상 신호 처리부(320)는 N-포인트(point) FFT를 수행하는 FFT기들(321, 323)과, N-포인트 IFFT를 수행하는 IFFT기들(325, 327)을 포함한다.

이에 가상 신호 처리부(320)는 한 쌍의 FFT기들(321, 323)과 각 FFT기에 대응하는 IFFT기들(325, 327)을 통해서 두 개의 신호열로 출력되고 각 신호열은 CP 삽입기들(331, 333)에서 CP가 삽입된 이후에 각 안테나들(331, 333)을 통해 전송된다. 상기 가상 신호 처리부(320)는 상기 SFBC가 적용된 시간 대역 단일 반송파 전송 신호를 생성하는 것을 개념적으로 보여주기 위한 것으로서, 본원 발명의 송신기의 구조에 상기한 가상 신호 처리부가 실제 존재하는 것은 아니다. 그리하여 상기 FFT기(321, 323)의 다음에서 이웃하는 두개의 주파수 부채널과 2개의 송신 안테나에 대하여 블록 부호를 적용하면, IFFT기들(325, 327)을 통해 출력되는 각 안테나의 시간 대역 전송 샘플을 간단히 생성하는 것이 가능하다. 이에 상기 IFFT기들(325, 327)을 통해 출력되는 상기 시간 대역 시간 전송 샘플을 하기의 수학식 1에 나타난 것과 같은 푸리에 변환의 대칭 특성을 통해 상기 심벌 매핑기(301)의 출력 심벌을 간단히 생성한다.

상기 수학식 3은, i 번째 안테나에서 전송되는 블록의 n번째 심벌을

이라 하면, 첫 번째 안테나의 송신 심벌은 수학식 2에서와 같이 나타낼 수 있다.

여기서

과

은 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

상기

과

이 n 상에서 N/2의 주기를 가지므로, 이들을 각각

과

으로 대체할 수 있다.

그리하여 상기 수학식 3에서 IFFT기들의 확대비율(scaling factor)은 각 안테나의 정규 송신 전력이 '1'이 될 수 있도록 조정되었다. 또한 상기 수학식 1과 수학식 2로부터 두 번째 안테나의 송신 심벌은 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 4의 두 번째 행과 세 번째 행을 통해서 SFBC가 적용된 것을 확인하는 것이 가능하다.

상기 도 3에서는 단일 반송파 전송에 SFBC 방식을 적용하는 개념적인 구상도를 설명하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.

상기 도 4를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 송신기 구조를 도시하였다. 이때 상기 송신기는 심벌 매핑기(401)와, STFBC 인코더(STFBC Encoder)(403)와, CP 삽입기들(413, 415, 417, 419)과, 안테나들(421, 423, 425, 427)을 포함한다.

상기 심벌 매핑기(401)는 상기 비트 발생기(201)로부터 입력되는 비트 열을 일정 길이의 심벌로 매핑하여 STFBC 인코더(403)로 출력한다. 이때 상기 STFBC 인코더(403)는 SFBC 인코더들(405, 407)과, STBC 인코더(409)를 포함한다. 그리하여 상기 심벌을 SFBC와 STBC를 수행하며, 4개의 송신 안테나를 구비하는 송신기의 구조를 예를 들어 설명한 것이다.

그리고 상기 STFBC 인코더에서 SFBC 인코딩과 SFBC 인코딩을 수행하는 구체적인 동작에 대한 설명은 하기에서 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그리고 상기 STFBC 인코더(320)를 거쳐서 각 안테나를 통해 임의의 t 번째 시구간에서 전송되는 신호는 하기의 수학식 5에 나타내었다.

상기

는 t 번째 시구간에서 i 번째 안테나에서 전송되는 블록의 n번째 심벌을 의미한다. 그리하여 상기 STFBC를 수행한 심벌들로 구성된 블록은 제 1 CP 삽입기(413)에서 CP를 삽입하여 제 1 안테나(421)를 통해 전송되며, 제 2 CP 삽입기(415)에서 CP를 삽입하여 제 2 안테나(423)를 통해 전송되며, 제 3 CP 삽입기(417)에서 CP를 삽입하여 제 3 안테나(425)를 통해 전송되며, 제 4 CP 삽입기(419)에서 CP를 삽입하여 제 4 안테나(427)를 통해 전송한다. 다음으로 t+T 번째 시구간에서 각 안테나를 통해 전송하는 신호는 하기의 수학식 6에 나타내었다.

상기 수학식 6은 t+T 시구간에서 전송되는 블록들의 심벌들을 나타낸 것이며, 여기서도 상기 도 5와 같이 t+T 구간에서의 블록들은 CP 삽입기들(413, 415, 417, 419)과, 안테나들(421, 423, 425, 427)을 통해서 전송된다.

그리하여 상기 도 4의 송신기를 통해서 전송되는 블록으로 구성된 시퀀스의 구조를 하기의 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 전송 시퀀스의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 각 안테나 i를 통해서 전송되는 2j 번째 블록과 2j+1번째 전송 블록이 도시되어 있으며, 상기 2j 번째 블록의 심벌,

은 하기의 수학식 7에 나타내었다.

상기 2j+1 번째 블록의 심벌,

은 하기의 수학식 8에 나타내었다.

그리하여 제 1 안테나를 통해 전송하는 j번째 블록인 제 1 블록(510)과 제 3 안테나를 통해 전송하는 j번째 블록인 제 2 블록(530)이 도시되어 있고, 제 2 안테나를 통해 전송하는 j번째 블록인 제 3 블록(550)과 제 4 안테나를 통해 전송하는 j번째 블록인 제 4 블록(570)이 도시되어 있다.

다음으로 제 1 안테나를 통해 전송하는 j+1번째 블록인 제 5 블록(520)과 제 3 안테나를 통해 전송하는 j+1번째 블록인 제 6 블록(540)이 도시되어 있고, 제 2 안테나를 통해 전송하는 j+1번째 블록인 제 7 블록(560)과 제 4 안테나를 통해 전송하는 j+1번째 블록인 제 8 블록(580)이 도시되어 있다.

상기한 신호를 생성하기 위해 STFBC는 내부에 두개의 SFBC 인코더를 구비한다. 이를 통해 제 1 안테나와 제 3 안테나, 제 2 안테나와 제 4 안테나들 각각의 블록들 간에 SFBC 인코딩을 수행하며, 두개의 SFBC 인코더를 구비한 것을 개념적으로 도시하였다. 따라서 상기 SFBC의 구조는 도 4에 도시한 바와 같은 구조에 한정되지 아니하며, 하나의 SFBC 인코더로 구성하여 상기한 동작을 수행하도록 하는 것도 가능하다.

따라서 각각의 안테나 쌍 즉, 제 1 안테나와 제 3 안테나로 구성된 안테나 쌍과, 제 2 안테나와 제 4 안테나로 구성된 안테나 쌍을 기준으로 SFBC 인코딩을 수행하여 상기 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호들을 출력한다. 이와 같이 STBC 인코더를 통해 인코딩을 수행하는 것이 도면에 나타내었다. 이때 생성된 각 안테나 쌍에 대응하여 생성한 상기 신호 블록 즉, 예를 들어 제 1 안테나와 제 3 안테나에 상응하는 제 1 신호 블록, 제 2 안테나와 제 4 안테나에 상응하는 제 2 신호 블록을 STBC 인코딩한다.

이에 상기 제 1 블록은 제 1 안테나와 제 3 안테나의 j번째 블록(510, 530)과 j+1번째 블록(520, 540)을 나타내며, 제 2 블록은 제 2 안테나와 제 4 안테나의 j번째 블록(550, 570)과 j+1번째 블록(560, 580)을 나타낸다. 결국 두개의 안테나 쌍(제 1 안테나, 제 3 안테나 또는 제 2 안테나, 제 4 안테나)을 기준으로 j번째 블록들 간에 SFBC 인코딩을 수행하며, 각 안테나에 상응하는 신호 블록들을 생성한다.

다음으로 생성된 신호 블록들 즉, 제 1 안테나와 제 3 안테나의 j번째, j+1번째 블록들과 제 2 안테나와 제 4 안테나의 j번째, j+1번째 블록들 간에는 STBC 인코딩을 수행한다. 결국 각 안테나 쌍들 간에는 SFBC 인코딩을 수행하고, 상기 SFBC 인코딩을 수행한 안테나 쌍들의 블록들 간에 다시 STBC 인코딩을 수행한다.

상술한 바와 같은 동작이 STFBC 인코딩이며 STFBC 인코딩은 SFBC 인코딩과 STBC 인코딩을 함께 적용한 시퀀스를 생성한다. 그리고 상기 생성된 시퀀스의 블록들 사이에 CP가 삽입되어 있다. 그리하여 상기 STFBC를 수행한 블록들은 단일 반송파를 통해 각 블록들에 대응한 안테나로 전송한다.

이에 상기 도 5에서는 STFBC 인코딩 수행을 위한 4개의 안테나가 도시되어 있으나 상기한 송신기의 구조를 확장 적용하면, 4개 이상의 안테나를 사용하는 것도 가능하다. 다음으로 상기한 바와 같은 시퀀스 블록을 수신한 수신기를 하기에 도 6을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.

상기 도 6을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 수신기 구조를 도시하였다. 이때 상기 수신기는 지연기(601)와, CP 제거 기들(603, 605)과, 직/병렬 변환기(serial/parallel converter)들(607, 609)과, N-FFT기들(611, 613)과, 신호 검출부(615)와, 역다중화기들(Demux: Demultiplexer)(623, 625)과, N/2-FFT기들(627, 629, 631, 633)과, 다중화기(Multiplexer)(635)를 포함한다.

상기 STFBC 방식이 적용된 송신기의 송신 신호인

,

는 하기의 수학식 9에 나타내었다.

이때 상기 i와 j는 다음의

과

의 값을 갖는다. 상기 송신 신호를 안테나를 통해 상기 수신기는 수신하게 되고, 상기 수신된 신호 중의 한 신호는 지연기(601)에서 일정 시간 지연되어 CP 제거기(603)로 입력되고, 다른 한 신호는 CP 제거기(605)로 입력된다. 그리고 각 CP 제거기들(603, 605)은 안테나로부터 수신된 신호 또는 지연기(601)에서 출력되는 신호를 수신하여 CP를 제거하고 직/병렬 변환기(607, 609)들로 출력한다.

이때 CP 제거기(603)에서 출력되는 신호는

, 또 다른 CP 제거기(605)에서 출력되는 신호는

라고 표현할 수 있다. 그리하여 상기

와

는 하기의 수학식 10으로 표현하는 것이 가능하다.

여기서

,

는

개의 각 송신 안테나들의 N x N 순환 채널 행렬들이고,

,

는 가산성 백색 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise, 이하 AWGN 이라 칭하기로 한다)을 나타낸다. 직/병렬 변환기들(607, 609)에서

와

의 직렬 신호는 병렬로 변환되어 각 FFT기들(611, 613)로 입력된다. 그리하여 병렬 변환된 신호들은 N-포인트(N-point) 고속 푸리에 변환을 수행하고 상기 고속 푸리에 변환된 신호는 신호 검출부(615)로 입력된다. 이때 상기 고속 푸리에 변환기들(611, 613)에서 출력되는 신호는 상기 수신 벡터들,

와

는 N x N 직교 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform) 행렬 W를 사용하여 얻은 주파수 대역 신호는 하기의 수학식 11과 같이 변환된다.

그리고 이때 채널 임펄스 응답의 푸리에 변환 값을 가지는 N x N 대각 행렬 (diagonal matrix)인

과

는 하기의 수학식 12와 같이 표현된다.

그래서 FFT(611)의 출력신호

과 FFT(613)의 출력신호

를 수신한 신호 검출부(615)는 선형 결합기(linear combiner)(617)와, 동시 방정식 처리기(simultaneous equation solver)(619), 싱글 캐리어 최소 평균 제곱 오차-주파수 영역 등화(SC MMSE-FDE: Minimum Mean Square Error-Frequency Domain Equalization, 이하 'SC MMSE-FDE'라 칭하기로 한다)기(621)를 포함한다.

그리고 선형 결합기(617)는 주파수 영역으로 변환된 상기

와 상기

를 수신하며, 상기

와 상기

는 하기의 수학식 13으로 표현된다.

이때

는 대각행렬

과

의 대각 엘리먼트들이며, 이때 상기 i는 1에서

사이의 값을 갖는다. 그리하여 상기 선형 결합기(617)는 FFT기들(611, 613)의 출력 신호들을 결합하며, 상기한 신호들의 결합을 하기의 수학식 14에 예를 들어 나타내었다.

상기 수학식 14는 최대 비 결합(MRC: Maximal Ratio Combining)을 수행하여 행렬의 형태로 바꾸어준 것이다. 이때 상기 최대 비 결합 방법은 각 신호들을 결합함에 있어서 가장 좋은 성능을 가지는 비율에 따라 신호들을 결합하는 방법이다.

동시 평균 처리기(619)는 상기 선형 결합기(617)의 출력 신호를 사용하여 동시 평균 처리 절차를 수행한다. 이때 전체 열(full rank)을 갖지 못하는 4 x 4 전송 행렬로 인해서 상기 수학식 14의 구성요소들에

를 곱하였다.

따라서 원 신호 이외의 신호들을 제거해야하며, 이를 위해서 동시 평균 처리 절차를 수행하는 것이다. 그리고 상기 동시 평균 처리기(619)는 상기한 선형 결합을 수행한 신호의 출력 잡음 전력을 계산하며, 출력 잡음 전력은 하기의 수학식 15에 나타난바와 같다.

동시 평균 처리를 수행한 신호를 수신한 SC MMSEC-FDE기(621)는 주파수 영역 등화를 수행한다. 상기 SC MMSEC-FDE(621)은 동시 평균 처리기(619)의 출력 신호에 최소 평균 제곱 오차 기법을 적용하며, 이때 얻은 신호는 하기의 수학식 16에 나타난 바와 같다.

동시 평균 처리기(619)는 상기 선형 결합기(617)의 출력 신호의 방정식을 계산하며, 상기 방정식을 계산하는 것은 하기의 수학식 17에 나타나있다.

SC MMSEC-FDE기(621)는 동시 방정식 처리기(619)의 평균값을 사용하여 주파수 영역 등화를 수행하며, 상기 SC MMSEC-FDE는 최소 평균 제곱 오차를 수행하고 신호를 결합하여 신호를 검출한다. 상기 최소 평균 제곱 오차를 통해서 신호를 검출하므로 전체 추정 오차가 최소가 되도록 하므로 심한 널(null)을 가지고 있는 페이딩 채널에 대해서 신호 검출을 효과적으로 수행할 수 있다.

상기 SC MMSEC-FDE기(621)의 결합을 통해 출력되는 신호는 하기의 수학식 18 에 나타난 바와 같다.

상기

는 잡음을 의미하며

로 나타낼 수 있고, 상기

는 원하는 신호 전력을 의미한다. 그리하여 상기 신호 검출부에서는 상기 수학식 17을 사용하여 신호를 검출하고 검출된 신호는 역다중화기(Demux: Demultiplexer)(623, 625)로 입력되어 역 다중화된다. 상기 검출된 신호는

과

이며, 상기

은 역다중화기(623), 상기

는 역다중화기(625)에서 수신하고 상기 검출된 신호를 역다중화하여 FFT기들(627, 629, 631, 633)로 출력한 다. 이때 역다중화기(623)는 역다중화된 신호 상기

,

를 출력하고, 역다중화기(625)는

,

를 출력한다. 그리고 상기 출력된 신호는 FFT기들(627, 629, 631, 633)로 입력되어 N/2 포인트 FFT를 수행한다. 이때 FFT기(627)는

, FFT기(629)는

, FFT(631)는

, FFT(633)는

으로 역다중화 된 신호를 수신하며, 상기 신호들을 FFT를 수행하여 다중화기(Mux: Multiplexer)(635)로 출력한다. 상기 다중화기(635)는 상기 FFT를 수행한 신호를 수신하여 다중화한다.

다음으로 본 발명에서 제안하는 STFBC 방식이 STBC와 SFBC 방식과의 성능곡선을 도시한 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.

상기 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 STFBC 방식을 이용하는 통신 시스템의 성능 곡선을 개략적으로 도시한 그래프이다.

상기 도 7을 참조하면, STBC 방식, SFBC 방식, STFBC 방식을 적용한 3가지의 4 x 1 안테나 시스템들의 비트 오류 비율(BER: bit error rate) 측정을 통해 이루어졌다. 상기 도 7에 도시된 그래프에서 사용한 블록은 256 심볼로 구성된 크기를 가지며, 직교 위상 (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying) 변조 방식을 사용하였다. 또한 싱글 캐리어를 사용하였으며, 중심 주파수는 2GHz 대역이고, 대역폭은 5MHz 대역의 환경을 사용하였다.

이에 상기 SRFBC 방식이 적용된 시스템이 STBC 방식과 SFBC 방식에 비하여 우수한 성능을 보이고 있음을 알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, STBC 방식과 SFBC 방식을 동시에 적용한 STFBC 방식을 사용함으로서 기존의 STBC 방식과 SFBC 방식을 사용하는 통신 시스템에서 성능 열화를 가져오는 고속의 페이딩 채널과 주파수 선택적 페이딩 채널에서도 시스템 성능 열화가 발생하지 않는 이점을 갖는다.

Claims

적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 송신 방법에 있어서,

입력되는 신호를 두 개의 안테나 쌍을 기준으로 주파수 공간 블록 부호화 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하는 과정과,

상기 안테나 쌍에 대응하여 생성된 신호 블록들을 시공간 블록 부호화하여 상기 블록들에 상응한 안테나를 통해 단일 반송파에 실어 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
제 1항에 있어서,

상기 주파수 공간 블록 부호화 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하는 과정은 제 1 안테나를 통해 전송하는 신호와 제 3 안테나를 통해 전송하는 신호를 주파수 공간 블록 부호화를 수행하여 제 1 안테나와 제 3 안테나에 상응하는 제 1 신호 블록을 출력하는 과정과,

제 2 안테나를 통해 전송하는 신호와 제 4 안테나를 통해 전송하는 신호를 주파수 공간 블록 부호화를 수행하여 제 2 안테나와 제 4 안테나에 상응하는 제 2 신호 블록을 출력하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
제 2항에 있어서,

상기 신호 블록들 중에서 상기 제 1 신호 블록과 상기 제 2 신호 블록을 상호 시공간 블록 부호화를 수행한 신호를 각 안테나를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
제 1항에 있어서,

상기 시공간 블록 부호화한 블록들 간에 보호구간을 삽입하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 수신 방법에 있어서,

상기 수신 안테나를 통해 신호를 수신하는 과정과,

상기 수신한 제 1 신호와 상기 제 1 신호를 일정 시간 지연시킨 제 2 신호에서 보호 구간을 제거하는 과정과,

보호 구간이 제거된 신호들을 각각 직렬 병렬 변환하고, 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정과,

고속 푸리에 변환을 수행한 신호들을 결합하는 과정과,

상기 결합된 신호들에서 원 신호 이외의 신호를 제거하는 동시 평균 처리를 수행하는 과정과,

상기 동시 평균 처리를 수행한 신호는 주파수 영역 등화를 수행하는 과정과,

주파수 영역 등화된 신호를 역 다중화하여 고속 푸리에 변환을 수행하는 과정과,

상기 고속 푸리에 변환된 신호를 다중화하여 신호를 복원하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
제 5항에 있어서,

상기 신호들을 결합하는 과정은 최대 비 결합 방법을 사용하여 신호들을 결합하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 송신 장치에 있어서,

입력되는 비트열을 소정 길이의 심벌로 매핑하는 심벌 매핑기와,

입력되는 신호를 두 개의 안테나 쌍을 기준으로 주파수공간블록 부호화 (SFBC) 하여 송신 안테나의 개수에 상응하는 신호 블록들을 출력하고, 상기 안테나 쌍에 대응하여 생성된 신호 블록들을 시공간블록 부호화(STBC)하는 시공간주파수블록 부호화기(STFBC: Space Time Frequency Block Coder)와,

상기 시공간 주파수 블록 부호화기의 출력 신호에 보호 구간을 삽입하여 각 안테나를 통해 상기 신호를 송신하는 보호 구간 삽입기를 포함함을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
제 7항에 있어서, 상기 시공간 주파수 블록 부호화기는,

제 1 안테나를 통해 전송하는 신호와 제 3 안테나를 통해 전송하는 신호를 주파수공간블록 부호화하여 제 1 안테나와 제 3 안테나에 상응하는 제 1 신호 블록을 출력하는 제 1 주파수 공간 블록 부호화기와,

제 2 안테나를 통해 전송하는 신호와 제 4 안테나를 통해 전송하는 신호를 주파수공간블록 부호화하여 제 2 안테나와 제 4 안테나에 상응하는 제 2 신호 블록을 출력하는 제 2 주파수 공간블록 부호화기를 포함함을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
제 8항에 있어서,

상기 제 1 신호 블록과 상기 제 2 신호 블록을 시공간 블록 부호화하는 시공간 블록 부호화기를 포함하는 신호 송신 장치.
적어도 네 개의 송신 안테나를 구비하는 송신기와 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 구비하는 수신기를 포함하는 무선 통신 시스템에서 신호 수신 장치에 있어서,

상기 수신 안테나를 통해 수신한 신호를 일정 시간 지연시켜 제 2 신호를 생성하는 지연기와,

상기 수신 안테나를 통해 수신한 제 1 신호와 제 2 신호들 각각으로부터 보호 구간을 제거하는 보호 구간 제거기와,

보호 구간이 제거된 신호들을 직렬 병렬 변환하는 직병렬 변환기와,

병렬 변환된 신호들로부터 고속 푸리에 변환을 수행하는 제 1 고속 푸리에 변환기와,

상기 고속 푸리에 변환을 수행한 신호들을 결합하는 선형 결합기와,

상기 결합된 신호들에서 원 신호 이외의 신호를 제거하는 동시 평균 처리를 수행하는 동시 평균 처리기와,

상기 동시 평균 처리를 수행한 신호는 주파수 영역 등화를 수행하는 싱글 캐리어 최소 평균 제곱 오차-주파수 영역 등화기와,

주파수 영역 등화된 신호를 역다중화하는 역다중화기와,

상기 역다중한 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하는 제 2 고속 푸리에 변환 기와,

상기 고속 푸리에 변환된 신호를 다중화하여 신호를 복원하는 다중화기를 포함함을 특징으로 하는 신호 수신 장치.
제 10항에 있어서,

상기 선형 결합기는 최대 비 결합 방법을 사용하여 신호들을 결합하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.
제 10항에 있어서,

상기 보호구간 제거기, 상기 직병렬 변환기, 상기 고속 푸리에 변환기는 상기 제 1 신호와 제 2 신호를 각각 처리하도록 병렬로 구성하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.