KR100854326B1 - 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중출력 통신시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 소정 거리로 배열된 상기 안테나 엘리먼트들을 갖으며, 소정 거리로 배열된 복수의 안테나 엘리먼트들과, 상기 안테나 엘리먼트들을 구별하기 위한 식별자를 부가 및 인식하기 위한 방법 및 수단을 제시한다.

D-BLAST 구성 단위

Description

다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 통신시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치{A method for transmitting/receiving signals in multiple input multiple output communication system, an apparatus for the same}

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 시스템의 일 예를 나타낸 도면.

도 2는 종래 기술에 따른 D-BLAST MIMO 시스템의 송신기의 일 예를 나타낸 도면.

도 3은 도 2에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면.

도 4는 종래 기술에 따른 V-BLAST MIMO 시스템의 송신기의 다른 예를 나타낸 도면.

도 5는 도 4에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송신기를 나타낸 도면.

도 7은 도 6에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 신호 처리 과정을 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

601 : 2진 순환 쉬프터들

602 : 신호 처리기들

603 : 디먹스

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output;MIMO) 시스템은 종래의 단일 입력 단일 출력(Single Input Single Output;SISO) 통신 방식과, 단일 입력 다중 출력(Single Input Multiple Output;SIMO) 통신 방식으로부터 진화되어, 고용량의 데이터 전송을 요구하는 기술에서 이용되기 위하여 개발되었다. 이 MIMO 시스템은 M개의 안테나로 정보를 송신하여 N개의 안테나로 수신하는 방식으로, 특히 높은 주파수 효율을 요구하는 제4 세대 통신 시스템에서 필수적인 요소로 고려되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 송신기는 정보원(또는 비트 스트림, 데이터 스트림)을 M 개의 서브 비트 스트림으로 나누어 신호 처리하는 송신 다중 입력 다중 출력 처리기(101)와, 이 처리된 신호를 변조하여 M 개의 안테나로 인가하는 변조기(102)로 구성되고, 수신기는 상기 송신기에서 전송된 신호를 N 개의 안테나로 수신하여 복조하는 복조기(103)와, 이 복조된 신호를 신호 처리하여 원래의 비트 스트림으로 복원하는 수신 다중 입력 다중 출력 처리기(104)로 구성된다.

도 2는 종래 기술에 따른 D-BLAST MIMO 시스템의 송신기의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래 기술에 따른 D-BLAST MIMO 시스템의 수신기의 일 예를 일 예를 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3은 안테나간 거리가 1.5λ이며, 4개의 송신 및 수신 안테나를 이용하는 MIMO 시스템을 도시한 것으로, 대각선 방식의 계층화된 공간/시간 방식(Diagonal-Bell Labs' Layered Space Time; D-BLAST)의 MIMO 시스템이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 전송하려는 비트 스트림은 디먹스(203)에 의해 동일한 비율의 M개의 서브 비트 스트림들로 나누어져 신호 처리기(202)에서 각각 부호화되며, 이 부호화된 신호는 4진 순환 쉬프터(202)에 의해 주기적으로 각 안테나와 연결되어 수신기로 전송된다.

상기 신호 처리기(202)는 하나의 정보원의 각각의 비트 스트림을 부호화하고, 이 부호화된 심볼들을 변조하여 서로 다른 전송 지연을 갖는 전송 신호를 생성하고, 이 신호들을 각 안테나에 인가한다. 상기 각 안테나를 통하여 전송되는 신호들은 동일한 정보로부터 부호화된 심볼들을 포함한다.

상기 순환 쉬프터(202)는 상기 서브 스트림으로부터 신호 처리된 각 신호를 송신 안테나의 연결을 주기적으로 바꾸어주는 것으로, 매 τ초가 지나면 신호 처리된 신호들과 송신 안테나의 연결이 주기적으로 바뀌어 송신된다. 이렇게 함으로써, 송신기는 지연 다이버시티 기법을 이용하는 것이 되고, 감쇄 채널(fading channel)을 통해서 송신된 M개의 신호 처리된 신호들은 N개의 수신 안테나를 통하여 모두 수신되어진다. 여기서, M개의 송신 신호가 모든 수신 안테나에 수신되기 때문에 송신 신호들 중 어느 하나도 다중 경로를 지날 때에 발생 할 수 있는 최악의 채널 환경에 영향을 심각하게 받지 않고 수신되어진다.

따라서, 수신기에 수신된 신호에 포함된 심볼들은 검출기(301)의 각 공간 계층(수신 안테나에 의해 구별됨)에서 대각선상으로 검출된다. 즉, M 개의 신호를 수신하여, 이 수신된 신호들로부터 이미 검출된 심볼들은 캔슬링(canneling)을 하고, 미검출된 심볼들은 널링(nulling)을 하여, 원하는 심볼값을 검출한다. 이러한 과정은 송신 안테나 개수만큼 대각선을 따라가면서 원하는 심볼값을 검출한다.

상기 널링은 가장 강한 신호의 검출은 다른 약한 신호들을 제거함으로써 원하는 심볼을 검출하며, 상기 캔슬링은 이미 검출된 신호들을 원래의 수신한 신호들에서 제거해 줌으로써 남겨진 약한 심볼의 검출을 원활하게 해주는 방식이다.

그리고, 각각의 안테나에 대한 이 검출된 심볼들은 먹스(302)에 의해 모아져 각 공간 계층에서 하나의 데이터 스트림으로 생성되고, 마지막으로 모든 안테나의 데이터 스트림들이 결합기(203)에서 최대비로 결합된다.

상기 최대비 결합 방식은 각 채널의 신호대 간섭비(SNR)의 제곱근에 비례하 는 이득을 각 채널에 적용해줌으로서 출력 신호대 간섭비의 값이 최대가 되게 해 주는 수신 방식이다. 이 각 채널의 신호대 간섭비는 더해져서 하나의 신호대 간섭비로 나타난다.

도 4는 종래 기술에 따른 V-BLAST MIMO 시스템의 송신기의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 5는 도 4에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5는 안테나간 거리가 4λ이며, 4개의 송신 및 수신 안테나를 이용하는 MIMO 시스템을 도시한 것으로, 수직 방식의 계층화된 공간/시간 방식(Vertical-Bell Labs' Layered Space Time;이하 V-BLAST)의 MIMO 시스템이다.

도 4 및 도 5는 각각 상기 도 2 및 도 3과 유사한 구성을 갖는다.

단, 도 4에서 신호 처리기(401)는 비트를 심볼로 단순히 바꾸는 벡터 부호화 과정을 수행함으로써, 부호화 과정을 단순화하였다. 상기 신호 처리기(401)는 하나의 정보원으로부터 나누어진 복수의 서브 데이터 스트림들을 각각 부호화한다. 즉, 상기 각 안테나를 통하여 전송되는 신호는 동일한 정보로부터 나누어진 M개의 부호화된 심볼들이 상기 복수의 안테나를 통하여 나누어져 전송된다.

또한, 검출기(501)는 수신된 M 개의 제공된 심볼들을 신호 대 간섭비(SNR)의 레벨들에 따라 정렬하고, 이 정렬된 심볼 중 수신 조건이 좋은 심볼로부터 원하는 심볼을 검출한다.

도 4 및 도 5에서 이용되는 시스템의 주파수 효율은 상기 도 2 및 도 3에서 사용한 MIMO 시스템의 주파수 효율보다는 떨어지지만 보다 간략화된 수신회로로 구현할 수 있다는 잇점이 있다.

즉, 도 2 및 도 3에서 전송되는 심볼들은 다중 경로 환경을 거치면서 치명적인 에러가 발생할 수 있으므로, 수신기가 이 수신된 심볼들로부터 원래의 정보 스트림을 복구하는데 장애가 발생한다. 그리고, 수신기가 복잡해지고, 채널 코딩을 적용할 때 제약이 따른다. 반면, 주파수 이용 효율은 높다.

반면, 대안으로 제시된 도 4 및 도 5에서는 간략화된 수신 회로를 이용하여 구현할 수 있으나, 주파수 이용 효율이 떨어지고, 안테나 요소간 간격이 매우 넓어야 하는 약점이 있다. 왜냐하면, 각 안테나 사이에 10λ의 간격이 있어야 서로 상관 관계가 없는 경우라고 할 수 있으며, 최소한 4λ의 간격이 있어야 실용적으로 상관관계를 무시할 수 있기 때문이다.(상관 관계가 없는 경우의 80% 용량)

따라서, 도 2 및 도 3에 도시된 D-BLAST의 장점을 살리고, 도 4 및 도 5에 도시된 V-BLAST의 약점을 보완하는 MIMO 시스템 방식의 고안이 필요하다.

따라서, 본 발명은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 주파수 이용 효율이 높은 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 각 안테나의 배열이 한정된 공간에서 효율적으로 배치되도록 하는 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에 서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 구현이 간단한 다수의 안테나 엘리먼트들이 제공되는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 신호를 송신/수신하는 방법 및 이를 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서의 신호들을 전송하는 방법은 하나 이상의 안테나 엘리먼트들의 위치에 따라 상기 하나 이상의 안테나 엘리먼트들을 N 개의 그룹들로 나누는 단계와 전송하고자 하는 데이터 스트림을 상기 안테나 엘리먼트별로 파일럿 신호를 포함하는 N 개의 서브 데이터 스트림들로 나누어 신호처리하는 단계와 1에서 N까지 증가하는 i에 대해, i 번째 그룹의 각 안테나 엘리먼트를 통하여 i 번째 신호처리된 서브 데이터 스트림을 서로 다른 전송 지연들과 함께 수신기로 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 다수의 안테나 엘리먼트를 구비하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서의 신호 수신 방법은 하나 이상의 서브 데이터 스트림들을 수신하는 단계와 상기 수신된 하나 이상의 서브 데이터 스트림 각각으로부터 구해진 파일럿 채널 신호로부터 하나 이상의 송신 안테나 엘리먼트를 인식하고 그 각각의 채널 벡터를 추정하는 단계와 상기 추정된 각각의 채널 벡터의 널링 벡터를 상기 서브 데이터 스트림들에게 적용하여 심볼들을 검출하는 단계와 상기 검출된 심볼들을 다중화하여 데이터 스트림을 복원하는 단계를 포함하여 이루어진다.

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본 발명은 D-BLAST의 장점인 높은 주파수 효율과 좁은 송신 안테나 간격을 이용함과 동시에 V-BLAST의 단점을 보완하는 MIMO 송수신 시스템을 제안한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송신기를 나타낸 도면이다.

도 7은 도 6에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 6 내지 도 7은 송신 및 수신 안테나 개수가 동일하고, 가장 간단하게 4개를 이용하는 경우를 도시한 것이다. 또한, 안테나 엘리먼트의 개수가 적어도 2개(이후, 하나의 안테나 페어로 지칭됨)로 구성된 적어도 두 개의 D-BLAST 송신기를 V-BLAST MIMO 시스템의 하나의 구성 단위로 생각하고, 그 구성 단위들이 V-BLAST의 구성을 따르게 되는 구조이다. 즉, 복수의 안테나 엘리먼트들의 이 엘리먼트의 위치에 따라 N 개의 구성 단위들로 나뉘어진다. 여기서, 각 구성 단위의 두 개의 어떤 안테나 엘리먼트들의 거리는 송신 신호의 파장의 1.5배보다 크고, 두 구성 단위 들에 각각 속한 두 개의 어떤 안테나 엘리먼트들의 거리는 송신 신호의 파장의 4배보다 큰 거리를 갖는다. 예를 들어, D-BLAST 송신기를 구성하는 안테나들의 간격은 종래와 동일하게 1.5λ이다. 그리고, D-BLAST 송신기를 하나의 구성 단위로 하여, V-BLAST를 구성하는 복수의 D-BLAST 송신기들의 안테나 간격은 종래와 동일하게 4λ가 된다. 즉, 종래에는 V-BLAST MIMO 시스템을 구현하기 위하여 4개의 안테나를 배열할 경우 12λ가 필요하지만, 본 발명에서는 단지 7λ만이 필요하다.

도 6에 도시된 송신기는 전송하고자 하는 데이터 스트림을 전송하기 위하여 별도의 파일럿 채널을 이용한다. 이 파일럿 채널은 상기 데이터 스트림의 전송시 동시에 수신기에 전송되는 것으로 별도로 도시하지는 않았다.

도 6을 참조하면, 디먹스(603)는 상기 데이터 스트림을 M개의 서브 데이터 스트림들로 나누어 신호 처리기(602a, 602b)에 제공한다. 이때, 어느 하나의 신호 처리기(602a 또는 602b)에는 동일한 정보를 포함하는 하나 또는 다수의 서브 데이터 스트림들이 제공된다. 병렬로 배치된 상기 두 개의 신호 처리기들(602a, 602b)은 이 서브 데이터 스트림들을 각각 부호화 및 변조한다.

2진 순환 쉬프터(601a 또는 601b)는 상기 동일한 D-BLAST 구성 단위에서 변조된 신호들 M/2개의 신호들을 각 안테나로 쉬프팅한다. 예를 들어, 1 심볼마다 상기 M/2개의 신호들을 주기적으로 각 안테나로 쉬프팅한다. 따라서, 동일한 D-BLAST 구성 단위의 신호 처리기들(602a, 602b)로부터 제공되는 M/2 개의 신호들이 동일한 정보를 포함하고, 서로 다른 전송 지연들을 가지고, 해당 구성 단위의 각 안테나 엘리먼트를 통하여 상기 수신기로 전송되도록 한다. 상기 전송되는 신호와 함께 해 당 신호를 위한 별도의 파일럿 채널 신호가 전송된다. 상기 수신기는 상기 파일럿 채널 신호를 통하여 채널 추정을 함으로써 어느 D-BLAST 구성 단위의 어느 안테나 엘리먼트를 통하여 신호가 수신되었는지를 인지한다. 또한, 이 채널 추정에 따른 채널 추정 벡터와, 이 벡터에 해당되는 수신 신호를 결합함으로써, 다중 경로 통신 환경을 거치면서 부가되는 전송 에러 및 다른 사용자의 간섭 신호를 제거하게 된다.

도 7은 도 6에 도시된 송신기로부터의 신호를 수신하기 위한 수신기의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 채널 추정기(701)는 임의의 데이터 스트림의 신호와 함께 전송된 파일럿 채널 신호의 채널 벡터를 추정한다. 상기 채널 추정기(701)는 각 수신 안테나 엘리먼트들에 대해 구비된다. 상기 추정된 채널 벡터는 후단의 각 검출기에 대해 원하지 않는 심볼들을 널링하기 위한 널링 벡터로써 세팅된다. 이 세팅 과정은 널링 벡터 셋팅기(702)에 의해 수행된다.

예를 들어, 상기 채널 추정기(701)에 의해 얻어진 채널 추정 벡터가 H라고 할 때, 상기 널링 벡터 셋팅기(702)는 제로 포싱(zero forcing) 또는 최소 평균 자승 방식(Minimum Mean Square Equation)을 이용하여 상기 H의 의사 인버스(Pseudo Inverse) 값(H+)을 구한다. 상기 의사 인버스에 해당되는 해당 수신 신호의 값 SH에 상기 H+을 적용하도록 검출기들(703)의 각각에 대한 널링 벡터로써 상기 H+을 셋팅한다.

상기 널링 벡터 셋팅기(702)는 상기 추정된 채널 벡터의 타입에 따라 즉, 동 일 안테나 그룹의 안테나 엘리먼트들을 통하여 상기 송신기로부터 전송된 신호들을 동일 검출기(703)에 제공한다.

상기 검출기들(703)은 상기 송신기의 D-BLAST 구성 단위마다 구비되는 것으로, 상기 수신 신호의 값 SH에 상기 H+을 적용하여 원하는 심볼들을 검출한다. 예를 들어, 상기 검출기들(703) 중 어느 하나의 검출기에 의해 x0, x1 심볼들이 검출되면, 다른 검출기에 의해 y0, y1 심볼들이 검출된다. 상기 전자 검출기는 상기 x0, x1 심볼들을 최대비로 결합한 x를 출력하고, 상기 후자 검출기는 상기 y0, y1 심볼들을 최대비로 결합한 y를 출력한다.

먹스(704)는 상기 출력된 x, y를 다중화하여 하나의 심볼 시퀀스로 생성한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템의 신호 처리 과정을 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 송신기에서 각 D-BLAST 구성 단위에 구비된 적어도 두 개의 안테나 엘리먼트들을 안테나 페어로 지칭할 때, 상기 디먹스(603)는 전송하고자 하는 데이터 스트림을 각 안테나 페어의 수에 상응하게 다수의 서브 데이터 스트림들로 역다중화한다.(S10) 상기 신호 처리기들(602)은 각 서브 데이터 스트림을 채널 코딩 및 변조한다. (S11)

상기 2진 순환 쉬프터들(601)은 각 안테나 페어의 안테나 엘리먼트들을 통하여 다른 전송 지연들 신호를 전송하기 위하여, 상기 서브 데이터 스트림들을 1 심볼 간격마다 쉬프팅한다.(S12)

상기 수신기의 채널 추정기(701)는 각 수신 안테나 엘리먼트들을 통하여 수신된 M 개의 파일럿 신호들을 디코딩한다. (S20) 즉, M 개의 채널 벡터를 획득한다.

상기 널링 벡터 셋팅기(702)는 각 검출기(703)를 위해 원하지 않는 심볼들을 널링하기 위한 널링 벡터를 셋팅한다. 전술한 바와 같이, 상기 널링 벡터는 상기 획득된 M 개의 채널 벡터들의 각각의 의사 인버스 값으로 설정된다.

상기 검출기들(703)의 각각은 상기 널링 벡터를 상기 수신 신호들에 적용한다. 이로써, 각 검출기는 상기 송신기에서 어느 하나의 D-BLAST 구성 단위에 대해 다른 전송 지연들을 갖는 심볼들 (x0, x1), (y0, y1)을 각각 검출하고, 각 심볼들의 결합값인 x, y를 순차적으로 출력한다. 상기 먹스(704)는 상기 x, y를 하나의 심볼 시퀀스로 생성한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 D-BLAST와 V-BLAST의 복합 시스템을 사용하면 현재 많이 쓰이는 V-BLAST보다 안테나 간격이 획기적으로 줄어들고 주파수 효율도 더 좋아진다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 하나 이상의 안테나 엘리먼트들의 위치에 따라 상기 하나 이상의 안테나 엘리먼트들을 N 개의 그룹들로 나누는 단계;

   전송하고자 하는 데이터 스트림을 상기 안테나 엘리먼트별로 파일럿 신호를 포함하는 N 개의 서브 데이터 스트림들로 나누어 신호처리하는 단계;및

   1에서 N까지 증가하는 i에 대해, i 번째 그룹의 각 안테나 엘리먼트를 통하여 i 번째 신호처리된 서브 데이터 스트림을 상기 i번째 그룹의 각 안테나 엘리먼트들로 1 심볼마다 쉬프팅(shifting)하여 수신기로 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다수의 안테나 엘리먼트를 구비하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서의 신호 전송 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 각 그룹에 속하는 임의의 안테나 엘리먼트간의 거리는 송신 신호 파장의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서의 신호 전송 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 그룹들 중 임의의 두 그룹의 각각에 속하는 임의의 안테나 엘리먼트간의 거리는 송신 신호 파장의 4배 이상인 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서의 신호 전송 방법.
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