KR100880000B1

KR100880000B1 - 안테나 간 상관도를 고려한 코드북 생성 방법과 장치 및다중 안테나 통신 시스템

Info

Publication number: KR100880000B1
Application number: KR1020070074937A
Authority: KR
Inventors: 김명석; 신명철; 이충용
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-01-22

Abstract

본 발명은 안테나 간 상관도가 있는 다중 안테나 통신 시스템의 코드북 생성 방법과 장치 및 이를 이용한 다중 안테나 통신 시스템을 개시한다. 본 발명의 다중 안테나 시스템의 코드북 생성 방법은 다중 안테나 시스템의 채널 간 상관도와 IID 코드북을 이용하여 변환 코드북을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 변환 코드북에 상기 변환 코드북에 따른 채널 공간을 고려한 코드워드 또는 IID 코드워드를 추가하여 결합 코드북을 생성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 안테나 간 거리가 충분히 떨어져 있지 않거나 스캐터러(scatterer)의 개수가 충분하지 않아 안테나 간 상관도가 존재하는 통신 환경에서 추가적인 정보에 대한 피드백 없이 양자화 전처리에 따른 비트 오차 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 안테나 간 상관도를 고려함에 따른 최대 왜곡이 커지고, 다이버시티가 줄어드는 문제를 개선하며, 평균 신호대잡음전력비 측면에서도 양호한 특성을 갖는다.

MISO, 안테나 채널 간 상관도, IID 코드북, 변환 코드북

Description

안테나 간 상관도를 고려한 코드북 생성 방법과 장치 및 다중 안테나 통신 시스템{Method and apparatus for generating codebook considering antenna correlation, and multi-antenna communication system}

본 발명은 안테나 간 상관도가 있는 다중 안테나 시스템의 코드북 생성 방법과 장치 및 다중 안테나 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중 안테나를 이용하는 MISO (또는 MIMO) 시스템의 양자화 전처리에 사용될 수 있는 안테나 간 상관도를 이용한 코드북 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.

이동 통신은 보다 많은 전송 용량이 요구되면서 과거의 아날로그 시스템에서 현재 디지털 시스템으로 빠르게 발전하고 있다. 이러한 이동통신 환경은 유선 환경과 달리 페이딩, 전파 감쇄, 간섭 등에 의해 낮은 신뢰도를 나타낸다. 특히, 다중 안테나 시스템은 추가적인 주파수나 송신 전력의 할당 없이도 채널 용량을 안테나 수에 따라 증가시킬 수 있기 때문에 차세대 이동 통신 기술의 핵심으로 부각되고 있다. 이동 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용한 전송 기술은 다중경로 채널에 대한 영향을 다이버시티(diversity)로 극복하여 비트오차율을 획기적으로 줄인다. 이러한 이점은 채널 피드백을 이용한 폐루프 전송 시스템을 적용하여 얻을 수 있 다. 이 시스템은 채널의 순시적인 상황에 맞추어 신호를 전송하기 때문에 채널의 순시적인 페이딩 현상을 효율적으로 극복할 수 있으며, 추가적으로 다중 안테나를 통한 어레이 이득을 획득할 수 있다. 이러한 폐루프 시스템의 대표적인 예로써 최적결합전송(Transmit Maximum Ratio Combining, transmit-MRC) 기법, 고유빔 형성 기법 등이 알려져 있으며 많은 연구를 통해 이들이 다중 안테나 시스템에서 얻을 수 있는 최대의 다이버시티 이득과 어레이 이득을 획득할 수 있음이 알려져 있다.

폐루프 다중 안테나 시스템이 우수한 성능을 가짐에도 불구하고 이를 구현하기 위해 현실적으로 해결해야 하는 문제가 있다. 일반적인 통신 시스템은 송수신 안테나 간 채널이 동일하지 않으므로 송신 안테나에서 하향링크의 순시적인 정보를 획득하는 것은 사실상 불가능하다. 따라서 송신 안테나가 채널 정보를 얻기 위해서는 수신단에서 추정된 채널 정보를 송신단으로 피드백 해야 한다. 그러나, 피드백 채널의 대역이 제한되어 있는 상황에서 순시적인 채널 정보를 넘겨주는 것은 불가능하다. 결과적으로 채널 정보를 줄이기 위한 채널 정보 압축 기법이 사용되어야 하며, 이를 위한 기법으로 양자화된 채널 정보를 이용해 송신단에서 심볼을 전처리하는 양자화 전처리 기법이 있다. 양자화 전처리 기법은 다중 안테나 간 채널이 형성하는 공간을 양자화한 코드북을 형성한 후 이를 송수신단이 공유함으로써 코드북의 인덱스만으로 채널 정보를 전송한다.

도 1은 안테나 간 상관도를 고려하지 않고, IID 코드북을 사용한 종래의 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 1의 다중 안테나 통신 시스템은 송신 안테나가 여러개인 MISO 시스템으로서, 양자화 전처리를 위한 코드워드 선 택기, 코드북을 포함한다. 더욱 상세히 설명하면, 도 1에 도시된 다중 안테나 통신 시스템은 송신측의 비트스트림 시퀀스를 입력받아 변조된 신호를 발생시키는 변조기(10), IID 코드북(30)으로부터 선택된 코드워드 정보와 변조된 신호를 입력으로 송신 안테나 측으로 프리코딩(전처리)된 신호를 발생시키는 전처리기(20)를 포함한다. 수신측은 송신 안테나에서 전송된 신호를 입력 받아 채널을 추정하는 채널 추정기(40), 코드북(60)의 코드워드 중 현재의 채널에 대해 가장 적합한 코드워드를 선택하는 코드워드 선택기(50), 선택된 코드워드와 추정된 채널 정보를 기반으로 송신단으로부터 전송된 데이터스트림을 검출하는 수신기(70), 신호를 복조하는 복조기(80)를 포함한다.

안테나 간 상관도가 없는 IID 채널인 경우, 다중 안테나 간 채널이 형성하는 공간을 가능한 균일하게 양자화한 IID 코드북을 이용한다. 하지만 안테나 간 상관도가 존재하는 경우에 적합한 코드북으로 IID 코드북을 변환시켜 사용하는 변환 코드북이 제안된 바 있다. 변환 코드북과 관련한 논문으로는 러브(D. J. Love)와 히스(R. W. Heath)의 "Limited feedback diversity techniques for correlated channels(IEEE Trans, 2006)", 씨아(Xia)와 지아나키스(Giannakis)의 "Design and analysis of transmit-beamforming based on limited-rate feedback(IEEE Trans, 2006)" 등이 있다. 이러한 변환 코드북을 이용하면 평균 신호대잡음전력비 이득을 얻을 수 있다.

안테나 간 상관도를 고려한 변환 코드북을 이용한 종래의 다중 안테나 통신 시스템의 경우, 송수신단이 현재의 채널 상관도 특성을 알고 있어야만 변환 코드북 의 적용이 가능하다. 이를 위해 수신단이 채널 상관도 정보를 송신단으로 피드백해야한다. 이는 순시적인 채널에 적합한 코드워드의 인텍스를 피드백하는데 드는 자원에 비해, 채널 상관도 행렬을 피드백하기 위해 추가적으로 드는 자원이 지나치게 커지며, 피드백이 정확하지 않은 경우 수신이 제대로 이루어지지 않는 문제가 있다. 또한, 종래의 안테나 간 상관도를 고려하여 설계된 변환 코드북은 어레이 이득을 얻는 대신 다이버시티를 잃는 문제가 있다.

양자화 전처리를 위한 종래의 코드북이 갖는 상술한 문제점을 고려하여, 본 발명은 안테나 간 상관도를 고려하지 않을 경우의 평균 신호대잡음전력비가 낮은 문제를 개선시키고, 안테나 간 상관도를 고려할 경우의 최대 왜곡이 커지는 문제, 다이버시티를 잃는 문제를 개선하기 위하여, 안테나 간 상관도를 이용하여 IID 코드북을 변환시킨 변환 코드북에 상기 변환 코드북에 따른 채널 공간을 고려한 코드워드 또는 IID 코드워드를 결합시킨 양자화 전처리를 위한 결합 코드북과 그 생성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 결합 코드북을 구비하는 다중 안테나 통신시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 코드북 생성 방법은 채널간 상관도를 이용하여 다중 안테나간 채널이 형성되는 공간을 균일하게 양자화한 IID 코드북(independent and indentically distributed codebook)을 변환시킨 변환 코드북을 생성하는 단계; 및 상기 변환 코드북에 따른 채널 왜곡을 고려하여 채널 공간을 분할하는 코드워드를 상기 변환 코드북에 추가하거나, 또는 이용빈도에 따라 상기 채널간 상관도를 추정하도록 상기 IID 코드북의 코드워드를 상기 변환 코드북에 추가하여 결합 코드북을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 채널 간 상관도와 IID 코드북을 이용하여 변환 코드북을 생성하는 것은, 예를 들어 채널 상관도 행렬을 이용하여 IID 코드북을 변환시키는 것을 의미한다. 그리고 결합 코드북은 채널 상관도 특성의 변화 여부에 따라 구별된다. 채널 상관도 특성이 변화하지 않는 환경에서는 다중 안테나 시스템의 채널 간 상관도와 IID 코드북을 이용하여 변환 코드북을 생성하고, 생성된 변환 코드북의 채널 공간 중에서 채널 왜곡이 큰 채널 공간을 균등하게 분할하는 코드워드를 변환 코드북에 추가시킴으로써 얻어지는 결합 코드북을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 11의 (b)의 실선 벡터는 새롭게 추가된 코드워드를 의미한다. 한편, 채널 상관도 특성이 변화하는 환경에서는 변화하는 채널 상관도를 추정하기 위해 변환 코드북에 IID 코드북을 결합시킨 결합 코드북이 바람직하다. 특히, IID 코드북은 IID 코드북에 기울임 변수를 추가한 코드북이 바람직하며, 기울임 변수가 추가된 IID 코드북의 각 코드워드에 따른 이용 빈도를 이용하여 채널 간 상관도를 추정하는 것이 바람직하다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 양자화 전처리 코드북은 채널간 상관도를 이용하여 다중 안테나간 채널이 형성되는 공간을 균일하게 양자화한 IID 코드북(independent and indentically distributed codebook)을 변환시킨 변환 코드북에, 상기 변환 코드북에 따른 변환 채널 왜곡을 고려하여 채널 공간을 분할하는 코드워드를 추가하거나 또는 이용빈도에 따라 상기 채널간 상관도를 추정하도록 상기 IID 코드북의 코드워드를 추가한 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 수신 장치는 채널을 추정하여 채널 정보를 생성하는 채널 추정기; 채널 상관도에 대한 추정값을 이용하여 IID 코드북을 변환시킨 변환 코드북과 상기 IID 코드북를 결합시키거나 또는 상기 변환 코드북에 상기 변환 코드북이 잘 대변하지 못하는 채널 공간에 코드워드를 추가시킨 결합 코드북; 상기 생성된 채널 정보에 따라 상기 IID 코드북에서 선택되는 코드워드를 입력으로 상기 채널 상관도의 추정값을 생 성하는 상관도 추정기; 상기 생성된 채널 정보를 이용하여 상기 결합 코드북의 코드워드들 중에서 하나의 코드워드를 선택하고, 상기 선택된 코드워드에 따른 인덱스를 송신측으로 전달하는 코드워드 선택기; 상기 채널 추정기에서 추정된 채널 정보와, 결합 코드북에서 선택된 코드워드를 이용하여 송신측에서 전송된 데이터 스트림을 검출하는 수신기; 및 상기 수신기에서 전달받은 데이터 스트림을 복조하는 복조기를 포함한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 송신 장치는 전송하고자 하는 데이터 스트림을 변조하는 변조기; 상기 변조된 데이터 스트림을 전처리하여 다중 안테나 채널을 통해 수신측에 전송하는 양자화 전처리기; 상기 수신측으로부터 코드워드 인덱스를 전달 받고, 상기 전달 받은 코드워드 인덱스에 따른 코드워드를 상기 양자화 전처리기에 전달하며, 채널 상관도에 대한 추정값을 이용하여 IID 코드북을 변환시킨 변환 코드북과 상기 IID 코드북를 결합시키거나 또는 상기 변환 코드북에 상기 변환 코드북이 잘 대변하지 못하는 채널 공간에 코드워드를 추가시킨 결합 코드북; 및 상기 IID 코드북에서 선택되는 코드워드를 입력으로 상기 채널 상관도의 추정값을 생성하는 상관도 추정기를 포함한다.

본 발명에 따르면, 안테나 간 거리가 충분히 떨어져 있지 않거나 스캐터러(scatterer)의 개수가 충분하지 않아 안테나 간 상관도가 존재하는 통신 환경에서 추가적인 정보에 대한 피드백 없이 양자화 전처리에 따른 비트 오차 성능을 향 상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 안테나 간 상관도를 고려함에 따른 최대 왜곡이 커지고 다이버시티가 작아지는 문제를 개선하며, 평균 신호대잡음전력비 측면에서도 양호한 특성을 갖는다.

이하에서는 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 다중 안테나 시스템의 코드북 생성 방법과 코드북 생성 장치, 그리고 이를 이용한 다중 안테나 시스템의 송신 장치, 수신 장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2에 도시된 다중 안테나 통신 시스템은 변조기(110), 전처리기(120), 송신측의 결합 코드북을 구성하는 IID 코드북(132)과 변환 코드북(134), 상관도 추정기(140), 채널 추정기(150), 코드워드 선택기(160), 수신측의 결합 코드북을 구성하는 IID 코드북(172)과 변환 코드북(174), 상관도 추정기(176), 수신기(180) 및 복조기(190)를 포함한다.

이하, 수신측의 구성요소에 대하여 먼저 설명한다. 우선, 채널 추정기(150)는 송신측과 수신측 사이의 채널을 추정하고, 추정된 채널 정보를 코드워드 선택기(160)와 수신기(180)에 전달한다. 특히, 채널 추정기(150)는 송신측에서 전송된 훈련 심볼을 이용하여 채널을 추정할 수 있다.

코드워드 선택기(160)는 채널 추정기(150)를 통해 추정된 채널 정보를 이용하여 결합 코드북의 코드워드들 중에서 현재의 채널에 대해 비트 오차 확률을 최소화할 수 있는 코드워드를 선택한다.

도 2에 도시된 통신 시스템의 양자화 전처리 구조는 채널 상관도 특성이 자주 변화하는 채널 환경에 적합하다. 채널 상관도 특성이 자주 변화하는 채널 환경에서는 수시로 채널 상관도를 추정하고 이에 따라 코드북을 변환시킬 필요가 있다. 본 실시예는 이러한 채널 환경에 맞는 수신측의 결합 코드북으로서 IID코드북(172)과 변환 코드북(174)이 결합된 형태의 결합 코드북을 개시한다. 본 발명의 일 특징을 이루는 결합 코드북에 대하여는 후술한다.

상관도 추정기(176)는 IID 코드북(172) 특히 상술한 상관도 추정용 코드북을 사용하여 시간에 따라 변화하는 채널 상관도를 추정한다. 변환 코드북(174)은 상관도 추정기(176)에서 추정된 상관도 행렬과 IID 코드북(172)을 이용하여 생성된 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 IID 코드북(172)과 변환 코드북(174)이 결합된 결합 코드북은 다이버시티 손실을 방지할 뿐만 아니라, 평균 수신 신호대잡음전력비 이득의 향상에 효과적이다. 이는 도 9에 도시된 바와 같이 비트 오차 성능을 통하여도 확인할 수 있다.

수신기(180)는 채널 추정기(150)에서 추정된 채널에 따른 채널 정보와 결합 코드북(172, 174)에서 전송된 전처리 행렬을 이용하여 송신단으로부터 전송된 데이터 스트림을 검출하고, 이를 복조기(190)로 전달한다. 복조기(190)는 수신기로부터 전달된 데이터 스트림을 복조한다.

다음, 송신측의 구성요소에 대하여 설명한다. 우선, 변조기(110)는 비트 시퀀스를 입력받아, 입력된 신호에 대한 변조를 수행한다. 전처리기(120)는 결합 코 드북으로부터 선택된 코드워드 정보와 변조된 신호를 입력으로 송신 안테나 측으로 전처리된 신호를 발생시킨다. 본 실시예에서 송신측의 결합 코드북은 IID코드북(132)과 변환 코드북(134)이 결합된 형태의 코드북으로서, 상술한 수신측의 결합 코드북에 대응되므로 공통된 설명은 생략한다.

이하, 본 실시예의 일 특징을 이루는 상기 결합 코드북에 대하여 상세히 설명한다. 도 2에 도시된 결합 코드북은 채널 상관도 특성이 순시적으로 변화되는 채널 환경에 적합한 것으로, 변환 코드북(174)과 IID 코드북(172)을 결합한 형태의 결합 코드북이다. 상기 타입의 결합 코드북은 후술하는 최대경사알고리즘에 따라 설계된 결합 코드북에 비하여 최대 왜곡을 효율적으로 줄이지는 못하지만, 복잡한 과정 없이 최대 왜곡을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 결합 코드북에 사용되는 IID 코드북은 송신측으로의 피드백 없이 채널 상관도를 추정하는 것을 가능하게 한다. 채널 특성이 자주 변화하는 환경 하에서는 채널 상관도에 대한 정보 특히 상관도 행렬을 피드백하는 일은 많은 부담이 되며, 잘못 피드백되었을 때에는 수신 프로세스가 제대로 수행되지 않을 수 있다.

도 3은 IID 코드북과 변환 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡(distortion) 지점의 분포를 나타내기 위한 참고도이다. 도 3의 (a)는 채널 공간을 균등하게 분할하는 IID 코드북을 나타내는 것이고, 도 3의 (b)는 IID 코드북을 채널 상관도를 고려하여 변형시킨 변환 코드북을 나타낸다.

도 4는 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 16, 방위폭이 10°인 경우의 IID 코드북과 변환 코드북의 정규 수신신호전력 확률누적분포를 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 변환 코드북이 IID 코드북에 비하여 평균 수신신호전력은 증가하였으나, 수신신호전력이 0.74 이하에서는 IID 코드북의 수신신호전력이 더 큰 것을 확인할 수 있다.

도 5는 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 16, 방위폭이 10°인 경우의 IID 코드북과 변환 코드북의 비트오차율을 나타내는 그래프이다. 높은 신호대잡음전력 영역에서는 변환 코드북의 비트오차율이 IID 코드북에 비하여 더 크게 나타났다. 변환 코드북은 신호대잡음전력비(Signal to Noise Ratio, SNR) 이득을 얻는 대신 다이버시티(diversity) 측면에서는 불리한 측면이 있다. 변환 코드북은 자주 발생되는 채널을 잘 대표하여 평균 수신 신호대잡음전력비 측면에서 유리하지만, 자주 발생되지 않는 채널에 대하여 최대 오차가 커서 최소 수신 신호대잡음전력비가 작다. 비트오차는 잡음이 적을수록 평균 수신 신호대잡음전력비가 아닌 최소 수신 신호대잡음전력비에 따라 영향을 받으므로 변환 코드북의 성능이 IID 코드북에 비해 떨어지는 지점이 발생한다. 본 실시예는 양자화 전처리 시스템의 코드북으로서 IID 코드북(172)과 변환 코드북(174)를 결합시킨 결합 코드북을 채택하고 있다.

도 6은 도 2의 실시예에서 결합 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡(distortion) 지점의 분포를 나타내는 참고도이다. 도 6의 (a)는 채널 상관도를 고려하여 IID 코드북을 변형시킨 변환 코드북의 분포 특성을 나타내고, (b)는 IID 코드북의 분포 특성을 나타내며, (c)는 상기 변환 코드북과 IID 코드북을 결합시킨 결합 코드북의 분포 특성을 나타낸다.

또한, 본 발명은 도 2에 도시된 통신 시스템에서 채널 상관도의 피드백에 따 른 문제를 방지하는 방법으로서, 특히 채널 상관도를 피드백 하지 않고 송수신단 각각이 채널 상관도를 추정할 수 있는 방법을 개시한다. 상기 방법은 IID 코드북의 이용 빈도를 이용하는 것이다. 예를 들어, 후술하는 수학식2에서 해당 코드워드가 선택되는 확률은 이용 빈도의 예이다.

채널 상관도에 대한 추가적인 피드백 없이 송수신단 모두의 채널 상관도를 추정할 수 있다. 다중 안테나 시스템에서 채널 상관도는 하기 수학식1로 나타낼 수 있다.

[수학식1]

여기에서, h는 MISO 채널을 나타내는 벡터이고, h^H는 h의 켤레-전치된(conjugated and transposed) 행렬이며, E[ ]는 평균을 나타내는 함수이고, R은 실제의 채널 상관도를 의미한다.

본 실시예에서는 변화하는 채널에 따라 순시적으로 선택되는 코드워드는 양자화 전처리 시스템의 코드워드 선택 기준에 따라 현재 채널과 가장 유사한 코드워드가 선택된다. 하기 수학식2는 선택된 코드워드(w)를 이용하여 채널 상관도를 추정하기 위한 수학식이다.

[수학식2]

여기에서, w _l 은 l번째 코드워드이고, w _l ^H는 w _l 의 켤레-전치된(conjugated and transposed) 코드워드이며, p _l 은 l 번째 코드워드 w _l 가 선택되는 확률이며,

은 채널 상관도를 나타내는 상관도 행렬(R)의 추정값이다. 상기 수학식2에 따라 채널 상관도를 추정하기 위해서는 추정에 사용되는 코드북의 코드워드(벡터값) 원소의 크기가 모두 1이어야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 코드북으로는 예를 들어, 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform, DFT) 행렬의 각 열들을 코드워드로 사용하는 코드북이 바람직하다. DFT 행렬의 각 열을 코드워드로 사용하는 코드북의 경우 모든 코드워드가 서로 상관도가 없으며, 모든 원소의 크기가 1이며, 서로 정규 직교하는 좋은 특성을 갖고 있다. 하지만, 코드워드의 개수가 코드워드 원소의 개수를 넘지 못하는 단점이 있다. 적은 코드워드로도 정확한 채널 상관도 추정을 위해 DFT 기반 IID 코드북에 기울임 변수(tilting parameter) σ를 추가한 채널 추정용 IID 코드북은 하기 수학식3과 같이 표현된다.

[수학식3]

여기에서, w_l은 l번째 코드워드이고, N_t는 안테나의 수이며, σ는 기울임 변 수(tilting parameter)이다.

도 7은 기울임 변수를 사용하여 채널 상관도를 추정하는 과정을 설명하는 참고도이다. 도 7에 도시된 바와 같은 채널 추정을 위한 과정(a1+a2+a3=A, b1+b2+b3=B, c1+c2+c3=C)을 거쳐서 채널 상관도를 추정할 경우, 기울임 변수를 사용하지 않은 경우(a1, b1, c1)에 비해 채널 상관도 추정이 정교해졌음을 확인할 수 있다.

도 8는 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정한 채널 상관도를 나타내는 참고도이다. 도 8은 송신 안테나 4개, 코드북의 크기가 4, 방위폭이 5°인 경우 채널 추정용 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정한 채널 상관도의 위상을 나타낸다. 기울임(tilting) 변수를 사용할 경우 추정된 채널 상관도가 실제 채널의 상관도와 매우 유사하게 추정되지만, 기울임 변수를 사용하지 않은 경우에는 추정 오차가 큼을 확인할 수 있다.

상술한 코드워드의 이용 빈도를 이용한 채널 상관도 추정은 변환 코드북과 IID 코드북을 결합한 형태의 결합 코드북을 사용할 때 효과적이다. 이 경우 IID 코드북은 시간에 따라 변화하는 채널 상관도를 추정하기에 적합하도록 DFT 기반 코드북에 기울임 변수를 추가한 상관도 추정용 코드북을 사용하는 것이 바람직하다.

도 9는 도 2의 실시예에서 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 8, 방위폭이 1°인 경우 양자화 전처리기의 비트 오차율을 나타내는 그래프이다. 채널 상관도는 DFT 기반 코드북에 기울임 변수를 고려하여 추정하였으며, 도 9에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 채택한 결합 코드북의 경우 IID 코드북, 변환 코드북에 비하여 신호대잡음비(SNR)와 비트오차율(BER) 측면에서 향상된 효과를 갖는다.

도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 10에 도시된 다중 안테나 통신 시스템은 변조기(210), 전처리기(220), 송신측의 변환 코드북(234) 생성에 사용되는 IID 코드북(232), 송신측의 결합 코드북을 구성하는 변환 코드북(234), 코드워드 추가부(236), 상관도 추정기(240), 채널 추정기(250), 코드워드 선택기2(260), 코드워드 선택기1(271), 수신측의 변환 코드북(274) 생성에 사용되는 IID 코드북(272), 수신측의 결합 코드북을 구성하는 변환 코드북(274), 코드워드 추가부(278), 상관도 추정기(276), 수신기(280) 및 복조기(290)를 포함한다. 도 10에 도시된 통신 시스템은 대부분의 구성요소가 도 2에 도시된 통신 시스템과 대응되므로 공통된 설명은 생략한다. 다만, 수신측의 코드워드 선택기1(271)은 채널 추정기(250)를 통해 추정된 채널 정보를 이용하여 IID 코드북(272)의 코드워드들 중에서 현재의 채널에 대해 비트 오차 확률을 최소화할 수 있는 코드워드를 선택하고, 선택된 코드워드 인덱스를 송신측의 IID 코드북(232)에 피드백한다는 점에서 구별된다. 또한, 결합 코드북과 관련하여 변환 코드북(274)과 코드워드 추가부(278)를 구비한다는 점에서 차이점이 있다. 특히, 코드워드 추가부(278)는 도 10에 도시된 바와 같이 변환 코드북이 대변하지 못하는 채널 공간을 최대한 균등하게 나누도록 코드워드를 변환 코드북에 추가하는 기능을 한다.

도 10의 다중 안테나 통신 시스템은 채널 상관도 특성이 자주 변화하지 않는 채널 환경에 적합한 양자화 전처리 방식을 채택하고 있다. 변환 코드북의 최대 왜 곡을 줄이기 위해서 일부 코드워드는 상관도 행렬을 이용하여 변환하고, 나머지 코드워드는 최대 왜곡을 줄이기 위하여 사용된다. 도 11은 도 10의 실시예에서 결합 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡 지점의 분포를 나타내는 참고도이다. 최대 왜곡을 줄이기 위해서는, 도 11와 같이 채널 왜곡이 소정의 기준값 보다 큰 공간을 균등하게 나누도록 코드워드를 추가하는 것이 바람직하다. 여기에서 채널 왜곡이 큰 채널 공간은 변환 코드북이 대변하지 못하는 채널 공간에 해당한다. 특히, IID 코드북 설계에 이용하는 최대경사알고리즘(steepest descent algorithm)은 상기 채널 공간을 균등하게 나누도록 코드워드를 추가하는데 사용되기에 적합하다.

본 실시예에서 채택하고 있는 최대경사알고리즘은 코드워드 간 최대 상관도를 최소화함으로써 코드워드들을 채널 공간에 균일하게 분포시키는 알고리즘이다. 최대경사알고리즘에서는 코드워드 간 최대 상관도를 미분이 가능한 형태의 대체함수로 표현하고 이 함수를 미분한 후 특정한 스텝 사이즈(step size)를 곱해 새로운 코드워드를 생성하기 위한 변수로 사용한다. IID 코드북 설계에 이용되는 최대경사알고리즘을 결합 코드북 설계에 적용하기 위해서 모든 코드워드들을 채널 공간에 균등하게 분포시키는 대신 상관도 행렬을 이용하여 변환시킨 코드워드들은 고정시키고, 추가하는 코드워드들만을 변형시키면서 나머지 채널 공간에 균등하게 분포하도록 하는 방법을 적용하였다.

L 개의 코드워드를 가진 결합 코드북을 설계하기 위해 L-M개의 코드워드를 채널 상관도 행렬을 이용하여 변환하고, 나머지 M개의 코드워드를 남은 공간에 균 등하게 추가하는 문제는 추가하는 M개의 코드워드와 나머지 모든 코드워드들과의 최대 상관도를 나타내는 수학식4를 최소화하는 문제와 동일하며, 최대경사알고리즘을 적용하기 위해 미분 가능한 하기 수학식5의 대체 함수로 대체할 수 있다. 수학식5의 코드워드 간 최대 상관도의 대체 함수는 모든 α(여기서, α는 자연수)에 대해 미분 가능하고, 충분히 작은 α에 대해 극소값의 개수가 적은 특징을 가진다.

[수학식4]

[수학식5]

여기서, w_l과 w_m은 각각 l번째와 m번째의 코드워드를 의미한다. 상기 코드북(W)은 L개의 코드워드들의 집합

을 의미한다.

상관도를 최소화하기 위해서는 초기값 α₀ 에 대해 ,f_α ₀를 최소화하는 코드북 W_α ₀를 찾고, α_k( > α_k-1)를 증가시키며, f_αk를 최소화하는 코드북 W_αk를 찾은 다음, f_α가 코드워드 간 최대 상관도와 같은 값을 갖게 될 때까지 α를 증가시키며 위의 과정을 반복하는 것이 바람직하다.

상술한 방법에 따라 설계되는 결합 코드북은 최대 왜곡을 효율적으로 줄이지만, 채널 상관도 특성이 변할 때마다 최대 경사 알고리즘을 사용하여 코드북을 재 설계해야한다. 즉, 최대 결합알고리즘을 이용한 결합 코드북은 채널 상관도 특성이 자주 변화하지 않는 채널 환경에서 사용될 수 있는 최적의 코드북이라 할 수 있다.

도 12는 도 10의 실시예에서 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 4, 방위폭이 1°경우 결합 코드북의 비트 오차율을 나타내는 그래프이다. 변환 코드북에 상기 변환 코드북이 커버하지 못하는 채널 공간을 최대 경사 알고리즘(steepest descent algorithm)을 이용하여 균등하게 분할하도록 코드워드를 추가한 결합 코드북을 사용하였으며, 채널 상관도 추정은 적용하지 않았다. 도 12에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 채택한 결합 코드북의 경우 IID 코드북, 변환 코드북에 비하여 신호대잡음비(SNR)와 비트오차율(BER) 측면에서 향상된 효과를 갖는다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 상기 개시된 실시예 들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 코드북 생성 방법 및 장치는 안테나 간 상관도가 존재하는 MISO 시스템의 양자화 전처리에 사용될 수 있다. 특히, 안테나 간 거리가 충분히 떨어져 있지 않거나 스캐터러(scatterer)의 개수가 충분하지 않아 안테나 간 상관도가 존 재하는 통신 환경에서 양자화 전처리에 따른 비트 오차 성능을 향상시키는데 사용된다. 본 발명은 안테나 간 상관도를 고려함에 따른 최대 왜곡이 커지고 다이버시티가 작아지는 문제를 개선하며, 평균 신호대잡음전력비를 개선하는데 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 안테나 간 상관도를 고려하지 않고, IID 코드북을 사용하는 종래의 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 블록도이다.

도 3은 IID 코드북과 변환 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡(distortion) 지점의 분포를 나타내기 위한 참고도이다.

도 4는 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 16, 방위폭이 10°인 경우의 IID 코드북과 변환 코드북의 정규 수신신호전력 확률누적분포를 나타내는 그래프이다.

도 5는 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 16, 방위폭이 10°인 경우의 IID 코드북과 변환 코드북의 비트 오차율을 나타내는 그래프이다.

도 6은 도 2의 실시예에서 결합 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡(distortion) 지점의 분포를 나타내는 참고도이다.

도 7은 기울임 변수를 사용하여 채널 상관도를 추정하는 과정을 설명하는 참고도이다.

도 8은 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정한 채널 상관도를 나타내는 참고도이다.

도 9는 도 2의 실시예에서 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 8, 방위폭이 1°인 경우 양자화 전처리기의 비트 오차율을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 다중 안테나 통신 시스템을 나 타내는 블록도이다.

도 11은 도 10의 실시예에서 결합 코드북의 채널 분포, 코드워드, 실제 상관도, 최대 왜곡(distortion) 지점의 분포를 나타내는 참고도이다.

도 12는 도 10의 실시예에서 송신안테나가 4개, 코드북의 크기가 4, 방위폭이 1°인 경우 결합 코드북의 비트 오차율을 나타내는 그래프이다.

Claims

다중 안테나 시스템의 코드북 생성 방법에 있어서,

a) 채널간 상관도를 이용하여 다중 안테나간 채널이 형성되는 공간을 균일하게 양자화한 IID 코드북(independent and indentically distributed codebook)을 변환시킨 변환 코드북을 생성하는 단계; 및

b) 상기 변환 코드북에 따른 채널 왜곡을 고려하여 채널 공간을 분할하는 코드워드를 상기 변환 코드북에 추가하거나, 또는 이용빈도에 따라 상기 채널간 상관도를 추정하도록 상기 IID 코드북의 코드워드를 상기 변환 코드북에 추가하여 결합 코드북을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 변환 코드북에 따른 채널 왜곡을 고려하여 채널 공간을 분할하는 코드워드는 채널 공간 중에서 채널 왜곡이 소정의 기준값 보다 큰 채널 공간을 균등하게 분할하는 코드워드인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 채널 공간을 균등하게 분할하는 코드워드는,

코드워드 간 최대 상관도를 모사하는 대체 함수를 미분한 후, 소정의 스텝 사이즈를 승산시킨 값을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도는 상기 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정된 값이며, 상기 채널 간 상관도의 추정값은 수신측에서 송신측으로 피드백되지 않는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도의 추정값은 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.

여기에서, w_l은 l번째 코드워드이고, w_l ^H는 w_l의 켤레-전치된(conjugated and transposed) 코드워드이며, p_l은 l 번째 코드워드 w_l가 선택되는 확률이며,
은 채널 간 상관도를 나타내는 행렬(R)의 추정값이다.
제 5 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도 추정에 사용되는 상기 IID 코드북은 이산 푸리에 변환에 기반을 두는 코드북에 기울임 변수를 추가시킨 코드북인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도 추정에 사용되는 상기 IID 코드북은 이산 푸리에 변환의 행렬을 구성하는 열들을 코드워드로 사용하는 것으로서, 하기 수학식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.

수학식

여기에서, w_l은 l번째 코드워드이고, N_t는 안테나의 수이며, σ는 기울임 변수(tilting parameter)이다.
다중 안테나 시스템의 양자화 전처리 코드북에 있어서,

채널간 상관도를 이용하여 다중 안테나간 채널이 형성되는 공간을 균일하게 양자화한 IID 코드북(independent and indentically distributed codebook)을 변환시킨 변환 코드북에, 상기 변환 코드북에 따른 변환 채널 왜곡을 고려하여 채널 공간을 분할하는 코드워드를 추가하거나 또는 이용빈도에 따라 상기 채널간 상관도를 추정하도록 상기 IID 코드북의 코드워드를 추가한 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.
제 8 항에 있어서,

상기 변환 코드북에 따른 채널 공간을 고려한 코드워드는 상기 채널 공간 중에서 채널 왜곡이 소정의 기준값 보다 큰 채널 공간을 균등하게 분할하는 것으로 서, 상기 코드워드는 코드워드 간 최대 상관도를 모사하는 대체 함수를 미분한 후, 소정의 스텝 사이즈를 승산시킨 값을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.
제 8 항에 있어서,

상기 채널간 상관도는 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정된 값이며, 상기 채널 간 상관도의 추정값은 수신측으로부터 송신측으로 피드백되지 않는 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.
제 10 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도의 추정값은 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.

여기에서, w_l은 l번째 코드워드이고, w_l ^H는 w_l의 켤레-전치된(conjugated and transposed) 코드워드이며, p_l은 l 번째 코드워드 w_l가 선택되는 확률이며,
은 채널 간 상관도를 나타내는 행렬(R)의 추정값이다.
제 11 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도 추정에 사용되는 상기 IID 코드북은 이산 푸리에 변환에 기반을 두는 코드북에 기울임 변수를 추가시킨 코드북인 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.
제 11 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도 추정에 사용되는 상기 IID 코드북은 이산 푸리에 변환의 행렬을 구성하는 열들을 코드워드로 사용하는 것으로서, 하기 수학식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 양자화 전처리 코드북.

수학식

여기에서, w_l은 l번째 코드워드이고, N_t는 채널의 수이며, σ는 기울임 변수(tilting parameter)이다.
다중 안테나 시스템의 송신측에서 전송된 데이터 스트림의 채널을 추정하고, 추정된 채널 정보를 생성하는 채널 추정기;

채널 상관도에 대한 추정값을 이용하여 IID 코드북을 변환시킨 변환 코드북 과 상기 IID 코드북를 결합시키거나 또는 상기 변환 코드북에 상기 변환 코드북에 따른 채널 공간을 고려한 코드워드를 추가시킨 결합 코드북;

상기 생성된 채널 정보에 따라 상기 IID 코드북에서 선택되는 코드워드를 입력으로 상기 채널 상관도의 추정값을 생성하는 상관도 추정기;

상기 생성된 채널 정보를 이용하여 상기 결합 코드북의 코드워드들 중에서 하나의 코드워드를 선택하고, 상기 선택된 코드워드에 따른 인덱스를 송신측으로 전달하는 코드워드 선택기;

상기 채널 추정기에서 추정된 채널 정보와, 결합 코드북에서 선택된 코드워드를 이용하여 송신측에서 전송된 데이터 스트림을 검출하는 수신기; 및

상기 수신기에서 전달받은 데이터 스트림을 복조하는 복조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 다중 안테나 시스템의 채널 상관도는 IID 코드북의 코드워드 이용 빈도를 이용하여 추정된 값이며, 상기 채널 상관도의 추정값은 송신 장치 측으로 피드백되지 않는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 채널 간 상관도 추정에 사용되는 상기 IID 코드북은 이산 푸리에 변환에 기반을 두는 코드북에 기울임 변수를 추가시킨 코드북인 것을 특징으로 하는 다 중 안테나 시스템의 수신 장치.
전송하고자 하는 데이터 스트림을 변조하는 변조기;

상기 변조된 데이터 스트림을 전처리하여 다중 안테나 채널을 통해 수신측에 전송하는 양자화 전처리기;

상기 수신측으로부터 코드워드 인덱스를 전달 받고, 상기 전달 받은 코드워드 인덱스에 따른 코드워드를 상기 양자화 전처리기에 전달하며, 채널 상관도에 대한 추정값을 이용하여 IID 코드북을 변환시킨 변환 코드북과 상기 IID 코드북를 결합시키거나 또는 상기 변환 코드북에 상기 변환 코드북에 따른 채널 공간을 고려한 코드워드를 추가시킨 결합 코드북; 및

상기 IID 코드북에서 선택되는 코드워드를 입력으로 상기 채널 상관도의 추정값을 생성하는 상관도 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.