KR100909529B1

KR100909529B1 - Ｍｉｍｏ 무선 네트워크에서 협력 다이버시티 방법

Info

Publication number: KR100909529B1
Application number: KR1020050061171A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 김호진
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2009-07-27
Also published as: US7697484B2; KR20060111238A; US20060239222A1

Abstract

본 발명은 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 무선 네트워크에서의 협력 다이버시티(Cooperative Diversity) 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 각각 다중 안테나를 구비하여 복수의 스트림을 전송하는 소스, 릴레이, 및 목적지를 포함하는 MIMO 무선 네트워크에서의 협력 다이버시티 방법에 있어서, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신한 복수의 스트림에 대하여 각각 디코딩을 수행하고 각 스트림별로 에러 발생 여부를 체크하여 해당 정보를 상기 소스에게 전달하는 과정; 상기 릴레이가 상기 에러가 발생하지 않은 스트림들을 목적지로 릴레이 전송하는 과정; 및 상기 소스가 상기 에러 발생 여부 정보를 수신하여 상기 에러가 발생한 스트림들을 상기 목적지로 재전송하는 과정을 포함하여, 상기 복수의 스트림이 각각 독립적으로 릴레이 전송되는 것을 특징으로 한다.

협력 다이버시티, 릴레이 전송

Description

ＭＩＭＯ 무선 네트워크에서 협력 다이버시티 방법{METHOD FOR COOPERATIVE DIVERSITY IN MIMO WIRELESS NETWORK}

도 1은 본 발명에 따라 협력 다이버시티를 수행하는 MIMO 무선 네트워크의 구성도.

도 2는 본 발명에 따라 협력 다이버시티를 수행하는 방법의 흐름도.

도 3과 도 4는 본 발명의 성능을 나타내는 그래프.

본 발명은 무선 통신에서의 전송 다이버시티(Transmit Diversity)에 관한 것으로, 특히 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 무선 네트워크에서의 협력 다이버시티(Cooperative Diversity) 방법에 관한 것이다. 여기서 MIMO 무선 네트워크라 함은 전송기의 안테나 수와 수신기의 안테나 수가 각각 1개 이상인 경우를 말한다.

일반적으로 MIMO 무선 네트워크에서 다이버시티 이득(Diversity Gain)은 멀티플렉싱 이득(Multiplexing Gain)과 트레이드오프(tradeoff) 관계이다. 즉, 전송에 대한 멀티플렉싱 이득이 증가하면 다이버시티 이득은 감소하고, 멀티플렉싱 이 득이 감소하면 다이버시티 이득은 증가한다. 이러한 결점, 즉 멀티플렉싱 이득을 증가시킬 때 다이버시티 이득이 줄어드는 문제점은 협력 다이버시티에 의해 보상될 수 있다.

협력 다이버시티는 릴레이(Relay Station)를 이용하여 네트워크 노드 간의 협력을 통해 다이버시티를 얻는 기술이다. 릴레이 방식은 AF(Amplify-and-Forward)와 DF(Decode-and-Forward)로 나누어진다. AF는 릴레이가 수신 신호를 재전송하기 위해 증폭하는데 반해, DF는 릴레이가 수신 신호를 완전히 디코딩하고 이를 다시 인코딩하여 릴레이 전송(Relay)하는 것이다. 따라서 AF 릴레이 방식은 릴레이에서의 디코딩 과정 없이 재전송하는 것이기 때문에 릴레이가 수신할 때 받은 노이즈(Noise)가 전송 시 증폭이 되는 문제가 있고, DF 릴레이 방식은 AF 릴레이 방식과 같은 문제는 없지만 디코딩 시 오류가 생기면 인코딩하여 보내는 신호에도 오류가 포함되는 단점이 있다. 이러한 협력 다이버시티는 MIMO와 함께 주파수 스펙트럼이 제한된 복잡한 시공간의 다양한 무선 환경에서 높은 데이터 율과, 서비스의 향상된 품질, 그리고 높은 네트워크 용량을 위해 가장 기대되는 기술 중 하나이다.

그러나 이러한 협력 다이버시티에 대한 대부분의 종래 기술들은 SISO(Single-Input Single-Output) 네트워크, 즉, 1×1 안테나 구조인 환경에서 개발되어 왔다(1×1 안테나 구조: 1개의 전송 안테나와 1개의 수신 안테나). 그리고 MIMO 네트워크에 대한 협력 다이버시티의 연구는 거의 이루어지지 않았고, 고려하는 연구들도 SISO 네트워크에 대한 협력 다이버시티를 MIMO 네트워크에 단순 확장한 것에 불과하다. 예를 들면, SISO 네트워크에서 SDF(Selection Decode-and- Forward)는 릴레이가 소스(Source Station)로부터 수신된 신호를 디코딩할 때 디코딩한 스트림에 에러가 발생하면, 소스에게 Nack 신호를 전송하여 소스로 하여금 목적지(Destination Station)에게 스트림을 재전송하게 하도록 하고, 에러가 발생하지 않으면 릴레이가 디코딩된 신호를 인코딩하여 목적지로 릴레이 전송하는 방식이다(참고문헌: J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, "Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage

behavior," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 50, 2004). 이 SDF(Selection Decode-and-Forward)를 MIMO 네트워크에 적용해보면 릴레이가 소스(Source Station)로부터 수신된 신호를 디코딩할 때 복수의 스트림에 대하여 하나라도 에러가 발생하면, 소스에게 Nack 신호를 전송하여 소스로 하여금 목적지(Destination Station)에게 복수의 스트림 전체를 재전송하게 하도록 하고, 에러가 발생하지 않으면 릴레이가 디코딩된 신호를 인코딩하여 목적지로 릴레이 전송하는 방식이 된다. 그러나 상술한 바와 같이 MIMO 네트워크에 대한 종래의 협력 다이버시티의 단순 확장은 MIMO의 특성인 복수의 스트림 각각에 대한 고려가 반영되어 있지 않다.

이에 본 발명은 MIMO 무선 네트워크에서의 다중 스트림 신호 전송에 대하여 SDF 릴레이 방식에서 각 스트림(Stream)이 독립적으로 릴레이 전송되는 협력 다이버시티 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여 본 발명은, 각각 다중 안테나를 구비하여 복수의 스트림을 전송하는 소스, 릴레이, 및 목적지를 포함하는 MIMO 무선 네트워크에서의 협력 다이버시티 방법에 있어서, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신한 복수의 스트림에 대하여 각각 디코딩을 수행하고 각 스트림별로 에러 발생 여부를 체크하여 해당 정보를 상기 소스에게 전달하는 과정; 상기 릴레이가 상기 에러가 발생하지 않은 스트림들을 목적지로 릴레이 전송하는 과정; 및 상기 소스가 상기 에러 발생 여부 정보를 수신하여 상기 에러가 발생한 스트림들을 상기 목적지로 재전송하는 과정을 포함하여, 상기 복수의 스트림이 각각 독립적으로 릴레이 전송되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 협력 다이버시티를 수행하는 MIMO 무선 네트워크의 구성도이다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 신호를 전송하는 소스(Source Station)(S), 소스(S)에서 전송되는 신호를 수신하는 목적지(Destination Station)(D), 그리고 소스(S)와 목적지(D) 사이에서 신호를 릴레이 전송하는 릴레이(Relay Station)(R)로 이루어진 MIMO 무선 네트워크에 적용된다. 그리고 MIMO 무선 네트워크에 적용되는 것이므로 소스(S)와 릴레이(R) 및 목적지(D)는 각각 복수의 안테나를 구비하고, 전송되는 신호의 스트림도 복수의 스트림으로 이루어진다.

그리고 도 1에서는 한 사용자가 T/2의 타임 슬롯을 사용하고, 소스(S)와 릴 레이(R)가 각각 반으로 나누어 사용하는 것을 가정하여, T1 구간 동안 소스(S)가 릴레이(R)와 목적지(D)에게 신호를 전송(Transmit)하고, T2 구간 동안 릴레이(R)가 T1 구간에서 소스(S)로부터 수신한 신호를 목적지(D)로 릴레이 전송(Relay)을 하거나 소스(S)가 T1 구간에서 전송한 신호를 목적지(D)에게 재전송(Retransmit)한다. 이에 대해 도 2를 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.

소스(S)는 T1 구간 동안 릴레이(R)와 목적지(D)에게 복수의 스트림으로 구성된 신호를 전송한다(S202). 이때 소스(S)에서 T1 구간 동안 릴레이(R)와 목적지(D)에게 전송된 신호들의 관계를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.

은 릴레이(R)에 수신되는 M_r×1의 신호 벡터,

은 소스(S)와 릴레이(R) 간의 채널에 대한 M_s×M_r의 채널 행렬,

는 소스(S)에서 전송하는 M_s×1의 신호 벡터,

은 M_r×1의 잡음 벡터,

는 목적지(D)에 수신되는 M_d×1의 신호 벡터,

는 소스(S)와 목적지(D) 간의 채널에 대한 M_s×M_d의 채널 행렬,

는 M_d×1의 잡음 벡터이다. 그리고 M_s, M_r, M_d는 각각 소스(S), 릴레이(R), 및 목적지(D)의 안테나 수이다.

을 수신한 릴레이(R)는

번째 스트림에 대하여 수학식 2와 같이 디코딩을 수행한다(S204).

이러한 릴레이(R)에서의 디코딩은 복수의 스트림에 대하여 각각 모두 수행된다.

그리고 릴레이(R)는 각각의 디코딩된 스트림에 대하여 에러를 체크한다(S206).

에러가 발생하지 않은 스트림은 릴레이(R)에서 목적지(D)로 릴레이 전송된다(S210). 이때 릴레이(R)에서 목적지(D)로 릴레이 전송되는 스트림을 수학식으로 표현하면 수학식 3과 같다.

즉, T1 구간 동안 릴레이(R)로 수신된 신호

의

번째 스트림을 디코딩하면, 소스(S)에서 T1 구간 동안 전송한

번째 스트림인

이 되므로, 이를 T2 구간 동안 릴레이(R)가 릴레이 전송하는

번째 스트림 로서 목적지(D)로 릴레이 전송하는 것이다.

한편, 에러가 발생한 스트림은 소스(S)에서 목적지(D)로 재전송된다(S208). 에러가 발생한 스트림에 대한 정보는 상기 S206 과정 후 릴레이(R)가 소스(S)에게 전달함으로써 소스(S)는 에러가 발생한 스트림에 대해서만 재전송을 할 수 있게 된다. 소스(S)에서 목적지(D)로 재전송되는 스트림을 수학식으로 표현하면 수학식 4와 같다.

즉, 소스(S)는 T2 구간 동안 재전송할

번째 스트림

를 T1 구간 동안 전송한

번째 스트림

과 동일하게 재전송하는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 MIMO 무선 네트워크에서 전송되는 복수의 스트림에 대하여 각각 독립적으로 릴레이 전송하는 것이 특징이다.

한편, 본 발명은 소스(S)에서 각 스트림을 재전송할 경우와 릴레이(R)에서 각 스트림을 릴레이 전송할 경우, 소스(S)와 릴레이(R)에서 전송될 스트림의 수와 사용되는 안테나의 수에 따라 OTD(Opportunistic Transmit Diversity)를 적용할 수 있다. OTD는 안테나 전송 다이버시티 기술의 하나로 안테나의 수와 전송될 스트림의 수에 따라 전송 다이버시티의 적용이 결정되는 기술이다.

보다 상세하게, 릴레이(R)에서 디코딩 시 에러가 발생하지 않은 스트림들은 릴레이(R)에서 목적지(D)로 릴레이 전송되는데, 이때 릴레이(R)의 전송 안테나 수 N_r이 릴레이(R)에서 릴레이 전송될 스트림의 수 L_r보다 크면, 즉, N_r > L_r 이면, 릴레이(R)는 N_r개 중 임의의 L_r개만 사용할 수도 있고 전송 다이버시티를 이용하여 N_r개를 모두 사용할 수도 있다. 여기서 릴레이(R)가 전송 다이버시티를 이용하여 모든 전송 안테나를 사용할 경우 성능이 더 우수해진다.

그리고 릴레이(R)에서 디코딩 시 에러가 발생한 스트림들은 소스(S)에서 목적지(D)로 재전송된다. 이때 소스(S)는 이전에 전송한 스트림들과 동일한 스트림들을 재전송하므로 이때는 MIMO HARQ(Hybrid Automatic Request)의 방법을 사용한다. 즉, 이는 재전송할 스트림들을 이전에 동일한 스트림들을 전송할 때 사용한 안테나와 동일한 안테나로는 재전송하지 않는다는 것을 의미한다. 예를 들어 이전에 안테나1과 안테나2로 각각 S1과 S2의 스트림을 전송하였다면, 재전송 시에는 안테나의 순서를 뒤집어 안테나1로 S2 스트림을 재전송하고 안테나2로 S1 스트림을 재전송한다. 뿐만 아니라 시공간(Space-time) 코딩 방식을 이용하여, 재전송 시에는 안테나1로 S2 스트림을 그대로 재전송하는 것이 아니라 S2^*로 재전송하고, 안테나2로는 S1 스트림을 그대로 재전송하는 것이 아니라 -S1^*로 재전송한다. 이렇게 하면 목적지(D)에서의 수신 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 3과 도 4는 본 발명의 성능을 종래기술과 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 종래의 기본적인 MIMO 전송인 DMT(Direct MIMO Transmission)보 다 SDF의 성능이 좋고, 이보다 스트림들을 각각 독립적으로 전송하는 본 발명인 ISR(Independent Stream Relaying)-SDF의 성능이 더 향상된 것을 알 수 있다. 특히 본 발명에 OTD까지 적용되면 그 성능은 더욱 향상된다. 그리고 도 4에 나타나듯 AF 릴레이 방식과 비교하더라도 본 발명의 성능이 월등함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 MIMO 무선 네트워크에서 복수의 스트림에 대하여 각각 독립적으로 릴레이 전송하는 협력 다이버시티 방법을 제공함으로써, MIMO 무선 네트워크에서 다이버시티 이득을 증가시키는 효과가 있다.

Claims

복수개의 전송 안테나들을 통해 복수개의 스트림들을 전송하는 소스 노드, 릴레이 노드 및 목적지 노드를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 무선 네트워크에서 협력 다이버시티를 제공하는 방법에 있어서,

상기 릴레이 노드가 제1시구간 동안 상기 소스 노드의 복수개의 전송 안테나들로부터 수신한 복수개의 스트림들에 대하여 디코딩을 수행하고, 상기 디코딩된 스트림들 각각의 에러 발생 여부를 체크한 다음 에러가 발생된 스트림들의 정보를 상기 소스 노드에게 전송하는 과정;

상기 릴레이 노드의 전송 안테나들의 개수가 상기 에러가 발생되지 않은 스트림들의 개수보다 클 경우, 상기 릴레이 노드가 제2시구간 동안 상기 릴레이 노드의 모든 전송 안테나들을 이용하여 에러가 발생되지 않은 스트림들을 상기 목적지 노드로 릴레이 전송하는 과정; 및

상기 소스 노드가 상기 에러가 발생된 스트림들의 정보를 수신하고, 상기 정보에 따른 스트림들을 상기 제2시구간 동안 상기 목적지 노드로 재전송하는 과정을 포함하며,

상기 복수개의 스트림들은 상기 소스 노드의 서로 다른 전송 안테나들을 이용하여 독립적으로 전송됨을 특징으로 하는 MIMO 무선 네트워크에서 협력 다이버시티 방법.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,

상기 재전송 시, 상기 소스 노드는 상기 에러가 발생된 스트림들을 이전에 동일한 스트림의 전송 시 사용한 전송 안테나와는 다른 전송 안테나를 이용하여 재전송하는 것을 특징으로 하는 MIMO 무선 네트워크에서 협력 다이버시티 방법.
제 4항에 있어서,

상기 재전송 시, 상기 소스 노드는 시공간 코딩 방식을 이용하여 상기 에러가 발생된 스트림들을 재전송하는 것을 특징으로 하는 MIMO 무선 네트워크에서 협력 다이버시티 방법.