KR100922961B1 - 다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 신호 검출 장치 및 방법 - Google Patents

다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 신호 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 두 개 이상의 송신 안테나들을 사용하는 통신 시스템에 관한 것으로서, 신호 검출 방법에 있어서, 변조 방식에 상응하는 개수의 심볼들 중 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택된 심볼에서 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정을 송신 안테나 수보다 한번 작은 수만큼 확장하여 후보 심볼을 결정하는 과정과, 상기 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값을 기준값으로 설정하여 상기 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 심볼을 제거하여 마지막 단계까지 제거되지 않고 선택된 경로들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 경로에 상응하는 심볼을 최종 수신 심볼로 선택하는 과정을 포함한다.
Figure R1020060099327
QRD-M 알고리즘, 트리 서칭, 변조 방식, 가지 메트릭 값

Description

다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 신호 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING SIGNAL IN COMMUNICATION SYSTEM USING MULTIPLE ANTENNA}
도 1은 일반적인 V-BLAST 통신 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 일반적인 QRD-M 알고리즘의 트리 서칭 기법을 도시한 도면
도 3은 본 발명에서 새롭게 제안하는 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 수신단에서 수신 심볼을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수신단의 검출기 구조를 도시한 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 신호를 검출하는 과정을 도시한 흐름도
도 6은 본 발명의 일부 트리 서칭 방안의 효과를 나타내기 위한 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안과 종래의 QRD-M 알고리즘의 성능 및 복잡도를 비교 도시한 그래프
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 통신 시스템은 고품질, 고속 및 대용량 데이터 전송의 멀티미디어 서비스를 목표로 구현 또는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이러한 통신 시스템에 존재하는 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과는 달리 다중 경로 간섭(multipath interference)과, 쉐도잉(shadowing)과, 전파 감쇠와, 시변 잡음 및 간섭 등과 같은 여러 요인들로 인해 실제 송신 신호에서 왜곡된 신호를 수신하게 된다. 그래서, 상기 수신 신호는 실제 송신 신호에서 심한 왜곡을 겪은 형태가 되어 전체 이동 통신 시스템의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 결과적으로 상기 페이딩 현상은 수신 신호의 크기(amplitude)와 위상(phase)을 왜곡시킬 수 있어, 무선 채널 환경에서 고속의 데이터 통신을 방해하는 주요 원인이며, 상기 페이딩 현상을 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 이를 해결하고자 제안된 기술 중의 하나가 다중입력 다중출력(Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭함) 기술이다.
상기 MIMO를 사용하는 통신 시스템 중V-BLAST(Vertical-Bell Labs Layered Space-Time) 통신 시스템이 있다. 상기 V-BLAST 통신 시스템은 송신단에서 다수의 안테나를 사용하여 각 송신 안테나별로 서로 다른 독립적인 데이터를 송신하는 시스템이다.
도 1은 일반적인 V-BLAST 통신 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 송신될 신호는 변조기(102)를 통해 변조되고 송신 안테나들(104, 106)을 통해 송신된다. 무선 채널을 통과한 송신 신호는 다수의 수신 안테나들(110, 112)을 통해 검출기(114)로 입력된다. 상기 검출기(114)는 다양한 검출 기법들 중 어느 하나를 사용하여 원래의 송신 신호를 검출한다. 상기 검출 기법 중 하나로 최대 우도 검출(Maximum Likelihood Detection) 기법이 있다. 상기 최대 우도 검출 기법은 송신단의 안테나 수와 변조 차수에 따라 그 복잡도가 지수 함수적으로 증가한다는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 QRD-M(QR Decomposition based M) 알고리즘이 제안되었다.
도 2는 일반적인 QRD-M 알고리즘의 트리 서칭 기법을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 변조 방식은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)를 사용하고 3
Figure 112006073743341-pat00001
3 V-BLAST 시스템인 경우를 가정한 것이다. 수신된 신호는 변조 차수에 상응하게 4개의 후보 심볼들로 확장된다(1st stage). 즉, M은 4가 된다.
확장된 4개의 후보 심볼들 중에서 누적 메트릭 값이 작은 순으로 4개의 후보 심볼들을 선택하고, 선택된 후보 심볼들 각각은 다시 4개의 가지들 및 후보들로 확장된다(2nd stage).
이렇게 확장된 전체 가지들 중 메트릭 값이 작은 순으로 4개의 가지들을 선택하고, 선택된 가지에 대응하는 후보 심볼들 각각은 다시 4개의 가지들 및 후보들로 확장된다. 이렇게 마지막 후보들 중 가장 작은 누적 메트릭 값을 가지는 후보가 수신 심볼로 결정된다(3rd stage).
이하에서는 다양한 QRD-M 알고리즘들에 대해 설명하기로 한다.
첫번째로, [Kyeong Jin Kim and Ronald A.Iltis, "Joint detection and channel estimation algorithms for QS-CDMA signals over time-varying Channels", IEEE Transactions on communications, Vol.50, NO. 5, MAY 2002] 논문에서 제안된 QRD-M 알고리즘에 대해 설명하기로 한다.
수신단은 채널에 대해 QR 분해를 수행한 후에 생성되는 R 행렬의 특성을 이용하여 트리(tree) 구조를 생성한다. 상기 트리의 단(stage)의 수는 송신 안테나의 개수와 동일하며, 각 단의 가지(branch)에서 다음 단으로 확장할 수 있는 가지 수는 사용하는 변조 차수에 의해 결정된다. 트리의 모든 가지 검색은 최대 우도 기법을 사용한다. 하지만, M은 각 단에서 M개의 가지만을 선택하고 다음 단에서 앞 단에서 선택된 가지를 근거로 변조 차수만큼 확장된다. 상기 M의 값이 변조 차수와 동일한 경우 최대 우도 성능에 근접하게 된다.
하지만, 상기 QRD-M 알고리즘에도 문제점이 존재한다. 상기 M 값이 변조 차수보다 낮은 값이면 성능 열화가 발생하게 된다. 따라서, 다수개의 송신 안테나들을 사용하고 높은 변조 차수를 적용할 경우, 상기 QRD-M 알고리즘의 복잡도는 최대 우도 수신기를 사용할 경우의 복잡도
Figure 112006073743341-pat00002
보다는 매우 작지만, 여전히 높은 연산량을 필요로 하게 된다.
두번째로, [Kyeong Jin Kim, Jiang Yue, Ronald A.Iltis and Jerry D. Gibson, "A QRD-M/Kalman Filter-Based Detection and Channel Estimation Algorithm for MIMO-OFDM Systems", IEEE Transactions on wireless communications, Vol.4, NO. 2, MARCH 2005] 논문에서 제안된 QRD-M 알고리즘(이하 '노키아 QRD-M 알고리즘'이라 칭함)에 대해 설명하기로 한다.
상기 노키아 QRD-M 알고리즘의 각 단에서 선택되는 M의 값은 일정한 값이 아닌 적응적인 값을 가진다. 즉, 높은 채널 이득을 가지는 신호에 대해서는 작은 M 값이 결정되고, 낮은 채널 이득을 가지는 신호에 대해서는 큰 M 값이 결정된다. 이러한 M 값의 결정을 위해 수신단은 채널 행렬의 QR 분해를 통해 트리 구조의 첫번째 단에 해당하는
Figure 112006073743341-pat00003
의 제곱값의 확률 밀도 함수(Probabiity Density Function, 이하 'PDF'라 칭함)를 구한다. 물론 첫번째 단에서는 모든 가능한 후보 심볼에 대한 누적 메트릭(metric) 값을 구하여야 한다.
각 단에서 선택되는 후보 심볼의 최대값(
Figure 112006073743341-pat00004
)은 미리 설정되어 있으며, 수신단은 상기 구한 PDF를 로이드 맥스(Lloyd-Max) 알고리즘을 이용하여
Figure 112006073743341-pat00005
개의 구간으로 나눈다. 이후, 상기 수신단은 각 단에서 검출하는 신호의 파워를 구하고, 나누어진 PDF 구간에 해당하는 후보 심볼들 중 작은 누적 메트릭 값을 가지는 후보 심볼 개수만큼 경로를 선택한다. 신호 파워가 가장 작은 구간에서
Figure 112006073743341-pat00006
개의 후보 심볼을 선택하고, 다음 구간에서 한 개씩 줄어든 값에 해당하는 후보 심볼을 선택한다. 상기 구간은 하기 수학식 1과 같이 나눌 수 있다.
Figure 112006073743341-pat00007
상기
Figure 112006073743341-pat00008
값이 변조 차수의 값과 동일하면 첫번째 QRD-M 알고리즘의 M=16인 경우의 75% 복잡도를 요구하면서 최대 우도 성능에 근접하게 된다.
하지만, 상기 노키아 QRD-M 알고리즘도 다음과 같은 문제점을 가진다.
각 단에서 살아남을 후보 심볼을 결정할 때 이용하는
Figure 112008009649864-pat00009
의 제곱값의 PDF를 구하기 위해서는 훈련 심볼(training symbol)이 필요하게 된다. 상기
Figure 112008009649864-pat00052
의 제곱값의 PDF를 구하기 위해서는 상기 훈련 심볼을 여러 번 이용하여야 하기 때문에 추가적인 복잡도가 증가하게 된다. 또한 채널 행렬에 대해 QR 분해 후, 첫번째 단에서의 신호 검출을 위해서 구한
Figure 112008009649864-pat00010
의 제곱값의 PDF는 트리 구조의 나머지 단에서도 그대로 사용된다. 때문에 최적의 후보수 검출은 어려워 지게 된다.
마지막으로, [Hiroyuki Kawai, Kenichi Higuchi, Noriyuki Maeda and Mamoru Sawahashi, "Independent Adaptive Control of Surviving Symbol Replica Candidates at Each Stage Based on Minimum Branch Metric in QRM-MLD for OFCDM MIMO Multiplexing",NTT DoCoMo, Inc.] 논문에서 제안된 QRD-M 알고리즘(이하 'NTT DoCoMo QRD-M 알고리즘'이라 칭함)에 대해 설명하기로 한다.
NTT DoCoMo QRD-M 알고리즘의 각 단별 후보수는 서로 다르게 설정될 수 있다. 수신단은 채널 행렬에 대한 QR 분해를 통해 트리 구조를 만든 후, 첫번째 단에서는 모든 가능한 후보 심볼에 대한 누적 메트릭 값을 구한다. 임계치(threshold)는 누적 메트릭 값들 중 가장 작은 누적 메트릭 값을 선택하고, 추정한 잡음 파워에 미리 정해진 상수값 X를 곱하여 결정한다. 각 단에서의 임계치는 하기 수학식 2와 같이 결정할 수 있다.
Figure 112006073743341-pat00011
여기서,
Figure 112006073743341-pat00012
은 n번째 단에서의 최소 누적 메트릭 값을 의미한다. X는 미리 정해진 값이고,
Figure 112006073743341-pat00013
은 잡음 파워를 의미한다. 각 단에서 선택할 수 있는 최대 후보 심볼의 개수(
Figure 112006073743341-pat00014
)는 미리 결정되어 있다. 첫번째 단에서는 상기 임계치보다 작은 누적 메트릭을 가지는 후보 심볼을 선택한다. 이후 두번째 단부터 가장 작은 누적 메트릭 값과 추정한 노이즈 파워를 이용하여 임계치가 결정된다. 마지막 단에서 살아남은 가지들 중 가장 작은 누적 메트릭 값을 가지는 후보 심볼이 송신 신호로 추정된다.
상기 NTT DoCoMo QRD-M 알고리즘에서, 임계치를 결정하기 위해서는 가장 작은 누적 메트릭과 추정된 잡음 파워 값이 필요함을 알 수 있다. 따라서, 잡음 파워 를 추정하기 위한 추가적인 복잡도가 필요할 뿐 아니라 측정된 잡음 파워 오차에 따라 복잡도가 변화할 수 있다. 또한, 상기 임계치가 적절하게 설정되지 못하는 경우 최종 심볼 추정을 위한 연산량이 증가하게 되는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 통신 시스템에서 복잡도를 감소시킨 트리 서칭 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은 적어도 두 개 이상의 송신 안테나들을 사용하는 통신 시스템의 신호 검출 방법에 있어서, 변조 방식에 상응하는 개수의 심볼들 중 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택된 심볼에서 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정을 송신 안테나 수보다 한번 작은 수만큼 확장하여 후보 심볼을 결정하는 과정과, 상기 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값을 기준값으로 설정하여 상기 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 심볼을 제거하여 마지막 단계까지 제거되지 않고 선택된 경로들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 경로에 상응하는 심볼을 최종 수신 심볼로 선택하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2 방법은 2개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템에서, 신호 검출 방법에 있어서, 수신 신호는 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼들로 확장되고, 각 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값을 결정하는 과정과, 상기 누적 가지 메트릭 값 중 최소 누적 가지 메트 릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택한 후보 심볼은 상기 변조 방식에 상응하는 개수의 후보 심볼들로 확장되고, 확장된 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 결정하는 과정과,상기 결정된 후보 심볼의 최소 누적 가지 메트릭 값을 제1 기준값으로 결정하는 과정과, 모든 후보 심볼들 중 상기 제1 기준값 이상인 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제거하는 과정과, 제거되지 않은 후보 심볼에 대해 변조 방식에 상응하는 개수로 확장하고, 확장된 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 심볼로 검출하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제3 방법은 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템에서, 신호 검출 방법에 있어서, 수신 신호는 미리 설정된 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장되고, 각 후보 심볼의 유클리디안(Euclidean) 거리를 나타내는 누적 가지 메트릭 값을 결정하는 과정과, 상기 누적 가지 메트릭 값 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택된 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과, 확장된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택된 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 분기하는 과정과, 분기된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제1 기준값으로 결정하는 과정과, 모든 후보 심볼들 중 상기 제1 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값에 해당하는 후보 심볼을 제거하는 과정과, 제거되지 않은 후보 심볼 각각을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과, 확장된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과, 상기 선택된 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값이 상기 제1 기준값 미만인 경우, 상기 후보 심볼을 확장하여 제2 기준값을 결정하는 과정과, 후보 심볼들 중 상기 제2 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과, 확장된 후보 심보 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 심볼로 검출하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는; 적어도 두 개 이상의 송신 안테나들을 사용하는 통신 시스템의 신호 검출 장치에 있어서, 채널 추정 행렬을 큐알(QR) 분해하고, 분해된 결과를 수신 신호와 곱해 신호 검출을 위한 후보 심볼과, 후보 심볼들을 연결하는 가지로 이루어진 트리를 생성하는 트리 구조 생성기와, 상기 가지의 메트릭 값을 연산하는 가지 메트릭 값 연산기와, 각 가지의 메트릭 값을 누적하여 각 후보 심볼과 연결된 가지의 누적 가지 메트릭 값을 연산하는 누적 가지 메트릭 값 연산기와, 상기 트리의 각 단별로 누적 가지 메트릭 값이 최소인 후보 심볼을 선택하고, 최종 단까지 누적 가지 메트릭 값이 가장 작도록 하는 경로를 선택하는 경로 선택기와, 최종 단에서 최소 누적 가지 메트릭 값을 각 단에서 불필요한 가지를 제거하기 위한 기준값으로 결정하는 기준값 결정기와, 결정된 기준값보다 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼과 연결된 가지를 제외한 나머지 가지를 선택하는 가지 선택기와, 최종 수신 신호를 검출하는 제어기를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 동작을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며 그 이외의 배경 기술은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략한다.
본 발명은 다중 안테나를 사용하는 통신 시스템에서 복잡도를 현저히 감소시킨 트리 서칭(tree searching) 장치 및 방법을 제안한다. 상기 트리 서칭 방법은 수신단에서 수신 신호를 추정하는 방법으로, 본 발명에서는 상기 트리 서칭 방법을 '일부 QRD-M(partial QR Decomposition based M) 알고리즘 또는 일부 트리 서칭'이라 칭하기로 한다. 한편, 본 발명은 각 송신 안테나에서 서로 다른 독립적인 데이터를 보내는 V-BLAST(Vertical-Bell Labs Layered Space-Time) 방식을 사용하는 다중 안테나 통신 시스템에 유용하게 적용할 수 있다.
트리 구조에서 계산의 복잡도를 줄이기 위해서는 하단의 가지보다는 상단의 가지 후보 개수를 줄이는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 QR 분해를 통해 트리를 생성하고, 각 단(stage)에서 부분 결정 피드백 검출(decision-feedback detection)을 수행하여 임계치(threshold)를 구한다. 이후, 상기 임계치보다 낮은 누적 메트릭(metric) 값을 가지는 유효한 후보 심볼만을 남겨두게 된다.
그러면, 일반적으로 QR 분해를 이용하여 송신 신호를 검출하는 방법을 하기 수학식들을 이용하여 설명하기로 한다.
Figure 112006073743341-pat00015
상기 수학식 3에서
Figure 112008009649864-pat00016
은 수신 벡터를,
Figure 112008009649864-pat00017
은 송신 벡터를 나타낸다. 그리고,
Figure 112008009649864-pat00018
는 i.i.d(Independently and Identically Distributed) 채널 행렬을 의미한다. 여기서, Nt는 송신 안테나의 개수를, Nr은 수신 안테나의 개수를 의미한다.
Figure 112008009649864-pat00019
은 잡음 벡터이다. 상기 채널 행렬은 QR 분해법을 사용하여 표현이 가능하며, 이 때 Q 행렬은 단일(unitary) 행렬의 특성을 가지고, R 행렬은 상위 삼각(upper triangular) 행렬이다. 따라서, 상기 채널 행렬에 QR 분해법을 적용하면 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006073743341-pat00020
상기 QRD-M 방법은 각 단별로 모든 가능한 가지를 검색하지 않고 M개의 가지만을 선택하여 심볼을 추정한다. 상기 M 값은 변조 차수보다 작거나 같은 값을 가진다.
Figure 112006073743341-pat00021
개의 송신 안테나와
Figure 112006073743341-pat00022
개의 수신 안테나가 있는 시스템을 가정한다. 트리 구조의 첫번째 단에 해당하는 신호
Figure 112006073743341-pat00023
의 모든 가능한 경우에 대한 메트릭은 하기 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112006073743341-pat00024
첫번째 단의 모든 가지들에 대한 메트릭 중에서 가장 작은 M개의 메트릭 값을 가지는 순으로 M개의 가지를 선택한다. 상기 선택된 M개의 가지 각각은 다시 두 번째 단에서 M개의 가지로 확장된다. 여기서, i번째 단(
Figure 112006073743341-pat00025
)에서 각각의 가지 메트릭 계산은 하기 수학식 6을 이용한다.
Figure 112006073743341-pat00026
상기 수학식 6에서
Figure 112006073743341-pat00027
는
Figure 112006073743341-pat00028
의 i번째 성분을,
Figure 112006073743341-pat00029
는
Figure 112006073743341-pat00030
의 i번째 행 벡터를,
Figure 112006073743341-pat00031
는 특정 경로의 가지 벡터들을 의미한다.
이상에서 설명한 일반적인 QRD-M 알고리즘을 정리하면 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 채널 행렬
Figure 112006073743341-pat00032
에 대한 QR 분해를 수행한다.
2. 수신 신호
Figure 112006073743341-pat00033
에
Figure 112006073743341-pat00034
을 곱한다.
3. 모든 가지들을 변조 차수만큼 확장한다.
4. 유클리디안 거리(Euclidean distance) 측정을 통해 가지 메트릭 값을 구한다.
5. 구한 메트릭 값에 따라 가지들 중 M개의 가지만을 남겨두고 나머지 가지는 버린다.
6. 다음 단으로 이동하여 3.부터 다시 수행한다.
그러면, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 수신 심볼을 추정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에서 새롭게 제안하는 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 수신단에서 수신 심볼을 추정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 트리 구조는 3개의 송신 안테나들과 QPSK 변조 방식을 사용함에 따라 3개의 스테이지(stage)를 가지며, 각 심볼은 4개의 후보 심볼들로 확장됨을 알 수 있다. 이와 유사하게, BPSK(Binary Phase Shift Key) 방식은 각 심볼이 2개로 확장되고, 16QAM 방식은 각 심볼이 16개로, 64QAM은 64개로 확장될 수 있다.
도 3에서 원으로 표시된 것을 '후보 심볼'이라 칭하기로 하고, 선분은 '가지(branch)'라고 칭하기로 한다. 원안의 숫자는 누적된 가지 메트릭(accumulated branch metric) 값을 의미하며, 가지에 표시된 숫자는 가지 메트릭 값을 의미한다. 다만, 가장 처음의 후보 심볼(301)은 시작 지점(starting point)을 나타내는 표시일 뿐 심볼은 아니다. 그러나, 이하에서는 설명의 편의상 후보 심볼이라 칭하기로 한다.
먼저, 첫번째 후보 심볼(301)은 4개의 가지들로 확장되어, 4개의 후보 심볼들을 생성한다. 각 가지들의 가지 메트릭 값은 왼쪽부터 순차적으로 1, 8, 2, 9 값을 가진다. 따라서, 후보 심볼들(311, 312, 313, 314) 각각은 1, 8, 2, 9의 누적 가지 메트릭 값을 가지게 된다. 여기서, 상기 후보 심볼들의 누적 경로 메트릭은
Figure 112008009649864-pat00035
와 같이 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure 112008009649864-pat00036
는 첫번째 단(i=1)에서의 k번째 살아남은 가지를 나타낸다. 이를 수학식으로 표현하면 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008009649864-pat00053
상기 수학식 7에서
Figure 112008009649864-pat00054
는 optimum ML point에 해당하는 신호 집합을 나타내고,
Figure 112008009649864-pat00055
는
Figure 112008009649864-pat00056
에 해당하는 누적 가지 메트릭 값을 나타낸다.
Figure 112008009649864-pat00057
번째 단에서 임계값은
Figure 112008009649864-pat00058
의 값보다 항상 크거나 같게 된다. 따라서
Figure 112008009649864-pat00059
번째 단에서의 임계값보다 큰 누적 가지 메트릭 값을 가지는 가지를 제거하는 것은 불필요한 가지만을 제거하는 것과 같게 된다. 따라서 적은 복잡도로 ML의 성능을 얻을 수 있게 된다.
수신단은 상기 후보 심볼들 중 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼(311)을 선택한다. 여기서, 상기 후보 심볼(311)은 제1 송신 안테나가 송신한 신호가 되며, 상기 선택된 후보 심볼(311)은 4개의 가지들로 분기되어 4개의 후보 심볼들(321, 322, 323, 324)을 구성한다. 이 때, 각 가지 메트릭 값은 왼쪽부터 3, 6, 8, 5 값을 가진다. 이중 가장 작은 가지 메트릭 값 또는 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 가지 또는 심볼, 즉 후보 심볼(321)을 선택한다.
상기 후보 심볼(321)은 다시 4개의 가지들로 분기되어 4개의 후보 심볼들(331, 332, 333, 334)을 구성한다. 이 때, 각 가지 메트릭 값은 왼쪽부터 4, 5, 4, 3 값을 가진다. 가장 작은 가지 메트릭 값인 3을 선택하고, 그에 상응하는 후보 심볼은 누적 가지 메트릭 값 7을 가지는 후보 심볼(334)이 된다. 본 발명에서는 상기 후보 심볼(334)의 누적 가지 메트릭 값 7이 상위 단(upper stage)에서 불필요한 가지를 제거할 수 있는 제1 기준값(threshold)이 된다.
따라서, 첫번째 단의 4개의 가지들 중 상기 누적 가지 메트릭 값 7보다 큰 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼들(312, 314)에 해당하는 가지들은 제거되어야 한다. 즉, 8 및 9의 가지 메트릭 값을 가지는 가지들이 제거된다.
이렇게 제거된 가지들을 제외한 살아남은 가지들(가지 메트릭 1 및 2 값을 가지는 가지들)에 대응되는 후보 심볼들(311, 313)은 다시 변조 차수만큼 각각 4개 의 가지들로 확장된다. 따라서, 총 8개의 가지들이 분기되어 8개의 후보 심볼들(321 내지 328)을 구성한다. 이 때, 상기 8개 각각의 가지 메트릭 값은 왼쪽부터 3, 6, 8, 5, 6, 4, 7, 1 값을 가지게 된다. 이 중 가지 메트릭 값이 작은 순으로 4개(즉, M=4)의 가지들이 선택된다.
상기 4개의 가지들에 해당하는 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값만을 계산하게 된다. 이렇게 계산된 4개 각각의 후보 심볼들의 누적 가지 메트릭 값은 왼쪽 후보 심볼부터 4, 6, 6, 3 값을 가지게 된다. 상기 4개의 후보 심볼들(321, 324, 326, 328) 중 누적 가지 메트릭 값이 가장 작은 후보 심볼(328)을 선택한다.
따라서, 상기 후보 심볼(328)은 4개의 가지들로 분기되고, 그에 상응하는 4개의 후보 심볼들(335, 336, 337, 338)을 구성한다. 이 때, 상기 8개의 가지들의 메트릭 값은 왼쪽부터 3, 6, 4, 2 값을 가지고, 상기 후보 심볼들(335, 336, 337, 338)의 누적 가지 메트릭 값은 왼쪽부터 6, 9, 7, 5 값을 가지게 된다. 따라서, 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼(337)의 누적 가지 메트릭 값 5가 상기 제1 기준값을 대신하여 제2 기준값이 된다.
따라서, 두번째 단의 8개의 가지들 중 상기 누적 가지 메트릭 값 5보다 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼들(324, 326)에 해당하는 가지들은 제거된다.
이렇게 제거된 가지들을 제외한 살아남은 가지들에 대응되는 후보 심볼들(321, 328)은 다시 변조 차수만큼 각각 4개의 가지들로 확장된다. 따라서, 총 8개의 가지들이 분기되어 8개의 후보 심볼들(331 내지 338)을 구성한다. 이 때, 상 기 8개의 가지들의 메트릭 값은 왼쪽부터 4, 5, 4, 3, 3, 6, 4, 2 값을 가지게 되며, 각 후보 심볼들의 누적 가지 메트릭 값은 왼쪽 후보 심볼부터 8, 9, 8, 7, 6, 9, 7, 5 값을 가지게 된다. 상기 누적 가지 메트릭 값들 중 가장 작은 값을 가지는 후보 심볼(338)이 결정된다. 여기서, 상기 후보 심볼(338)은 세번째 송신 안테나가 송신한 신호가 된다. 즉, 최종적으로 결정되는 수신 신호 벡터는 후보 심볼들(311, 328, 338)로 이루어진 신호 벡터(
Figure 112006073743341-pat00037
)가 된다.
상기에서는 3개의 단에서 2개의 기준값을 이용하여 최종 심볼을 추정하는 것을 일 례로 설명하였다. 하지만, 이와는 달리 1개의 기준값을 이용하여 최종 심볼을 추정할 수도 있다. 예컨대, 도 3의 두번째 단에서 모든 후보 심볼들의 누적 가지 메트릭 값이 제1 기준값 이상의 값을 가지는 경우에는 상기 제1 기준값을 가지는 후보 심볼(334)이 최종 심볼로 결정되게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수신단의 검출기 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 트리 구조 생성기(402)는 채널 추정 행렬
Figure 112006073743341-pat00038
의 QR 분해를 통해
Figure 112006073743341-pat00039
을 수신 신호 r에 곱하여 트리 구조를 생성한다. 생성된 트리 구조에서 최초 후보 심볼은 변조 차수에 상응하는 개수의 가지들 및 후보 심볼들을 이루게 된다. 가지 메트릭 값 연산기(404)는 상기 가지들 각각의 가지 메트릭 값을 계산하고, 계산된 값을 누적 가지 메트릭 값 연산기(406)로 출력한다. 상기 누적 가지 메트릭 값 연산기(406)는 상기 입력된 가지 메트릭 값을 근거로 각 후보 심볼들의 누적 가지 메트릭 값을 계산하고, 계산된 정보를 경로 선택기(408)로 출력한다.
상기 경로 선택기(408)는 첫번째 단에서 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하고, 상기 선택된 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값이 최종 단에서까지 가장 작도록 하는 경로를 선택한다.
기준값 결정기(410)는 상기 선택된 경로에 상응하게 최종 단에서 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 첫번째 단에서 불필요한 가지를 제거하기 위한 기준값으로 결정하고, 결정된 기준값 정보를 가지 선택기(412)로 출력한다.
상기 가지 선택기(412)는 상기 기준값보다 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제외시킨 가지들을 선택한다. 상기 선택된 가지 정보는 제어기(414)로 출력된다.
상기 제어기(414)는 상기 선택된 가지들에 해당하는 후보 심볼들을 변조 차수에 상응하는 개수의 가지들 및 후보 심볼들로 확장한다. 여기서, 상기 제어기(414)는 현재 단이 마지막 단인지 판단하여, 마지막 단인 경우 확장된 후보 심볼들 중 가장 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 신호 벡터로 출력한다. 그러나, 마지막 단이 아니라면, 상기 제어기(414)는 가지 메트릭 값 연산기(404)를 구동시켜 최종 수신 신호가 출력될 때까지 상술한 동작들이 반복되도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 신호를 검출하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5의 흐름도는 송신 안테나의 개수가 3개인 것으로 가정한 것이다. 따라서, 도 3과 같이 총 3개의 단이 존재한다.
도 5를 참조하면, 먼저 502단계에서 수신단은 QR 분해를 통해 얻어진
Figure 112006073743341-pat00040
에 수신 신호를 곱해 트리 구조를 생성하고 504단계로 진행한다. 상기 504단계에서 상기 수신단은 제1 임계치를 결정하고 506단계로 진행한다. 여기서, 상기 제1 임계치는 제1 단에서 불필요한 가지들을 제거하기 위해 필요하다. 상기 제1 임계치의 결정은 제1단에서 누적 가지 메트릭 값이 최소인 후보 심볼, 즉 제1 단에서 추정된 수신 심볼을 결정한 후, 이를 변조 차수에 상응하는 개수만큼 확장한다. 상기 수신단은 제2 단에서 확장된 후보 심볼들 중 다시 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 결정한다. 상기 결정된 후보 심볼은 다시 변조 차수에 상응하는 개수로 확장된다. 상기 수신단은 제3단에서 확장된 후보 심볼들에서 최소 누적 가지 메트릭 값을 제1 임계치로 결정한다.
상기 506단계에서 상기 수신단은 상기 제1 임계치보다 작은 가지 메트릭 값을 가지는 가지를 제거하고 508단계로 진행한다.
상기 508단계에서 상기 수신단은 살아남은 후보 심볼 각각을 변조 차수에 상응하는 개수만큼 후보 심볼로 확장하고 510단계로 진행한다. 상기 510단계에서 상기 수신단은 상기 확장된 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값이 작은 순으로 M개의 후보 심볼을 선택하고 512단계로 진행한다. 여기서, 상기 M 값은 변조 차수보다 작거나 같은 값을 가진다.
상기 512단계에서 상기 수신단은 상기 확장된 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제2단에서의 수신 심볼로 결정하고 514단계로 진행한다. 상기 514단계에서 상기 수신단은 결정된 후보 심볼을 다시 변조 차수에 상응하는 개수만큼 확장하고 516단계로 진행한다. 상기 516단계에서 상기 수신단은 확장된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 제2 임계치로 결정하고 518단계로 진행한다.
상기 518단계에서 상기 수신단은 상기 M개의 후보 심볼들 중 상기 제2 임계치보다 큰 값을 가지는 후보 심볼을 제외시시키고 520단계로 진행한다. 상기 520단계에서 상기 수신단은 살아남은 나머지 후보 심볼에 대해 변조 차수에 상응하는 개수만큼 확장하고522단계로 진행한다. 상기 522단계에서 상기 수신단은 최소 누적 가지 메트릭 값에 해당하는 후보 심볼을 세번째 단에서의 수신 심볼로 결정한다.
도 6은 본 발명의 일부 트리 서칭 방안의 효과를 나타내기 위한 도면이다.
도 6a는 QPSK 및 3
Figure 112006073743341-pat00041
3 V-BLAST 통신 시스템에서 종래의 QRD-M 알고리즘(M=4)을 사용하여 수신 심볼을 검출하는 것을 나타낸 도면이고, 도 6b는 본 발명에서 새롭게 제안하는 일부 트리 서칭 방안을 사용하여 수신 심볼을 검출하는 것을 나타낸 도면이다.
종래에는 검색하여야 할 가지의 개수는 4+42+42=32 개였다. 그러나, 본 발명에서 제안하는 각 단에서 L개(L
Figure 112006073743341-pat00042
M)의 가지만 살리는 일부 트리 서칭 방안을 사용하게 되면, 4+4+4=12개의 가지만을 검색하는 것이 가능하게 된다. 이러한 효과는 높은 변조 차수일수록 더욱 확연히 나타난다. 만약 변조 차수를 16QAM으로 변경하면, 종래 방식에 따른 QRD-M 알고리즘의 경우에는 16+162+162=528개의 가지를 검색하여야 하지만, 본 발명의 경우에는 16+16+16=48 개의 가지만을 검색한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안과 종래의 QRD-M 알고리즘의 성능 및 복잡도를 비교 도시한 그래프들이다.
먼저 도 7a는 종래의 QRD-M 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안의 성능을 비교 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 종래 기술 및 본 발명의 일부 트리 서칭 방안 모두 ML 성능에 근접하는 것을 알 수 있다.
도 7b는 종래의 QRD-M 알고리즘과 본 발명의 실시예에 따른 일부 트리 서칭 방안의 복잡도를 비교 도시한 도면이다.
종래의 QRD-M 알고리즘(M=16)의 경우 채널 상태와 관계없이 784 정도의 복잡도를 요구한다. 그러나, 본 발명에 따른 일부 트리 서칭 방안을 사용하게 되면 약 91% 정도로 메트릭 계산량을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 QRD-M 알고리즘을 사용하여 수신 신호를 추정하는 것에 비해 계산량을 현저히 감소시켜 수신 신호를 추정하는 이점이 존재한다.

Claims (13)

  1. 적어도 두 개 이상의 송신 안테나들을 사용하는 통신 시스템의 신호 검출 방법에 있어서,
    변조 방식에 상응하는 개수의 심볼들 중 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 심볼에서 최소 가지 메트릭 값에 상응하는 심볼을 선택하는 과정을 송신 안테나 수보다 한번 작은 수만큼 확장하여 후보 심볼을 결정하는 과정과,
    상기 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값을 기준값으로 설정하여 상기 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 심볼을 제거하여 마지막 단계까지 제거되지 않고 선택된 경로들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 경로에 상응하는 심볼을 최종 수신 심볼로 선택하는 과정을 포함하는 신호 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마지막 단계까지 제거되지 않고 선택된 경로에 상응하는 심벌의 누적 가지 메트릭 값이 상기 기준값보다 작은 경우 상기 누적 가지 메트릭 값을 기준값으로 갱신하는 과정과,
    상기 갱신된 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 심볼을 제거하는 과정을 반복하여 마지막 단계까지 제거되지 않고 선택되는 경로들의 개수를 감소시키는 과정을 더 포함하는 신호 검출 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 확장된 모든 심볼들의 누적 가지 메트릭 값이 상기 기준값 이상이면, 상기 기준값을 가지는 심볼을 최종 수신 심볼로 추정하는 과정을 더 포함하는 신호 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변조 방식이 BPSK(Binary Phase Shift Key), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 및 64QAM 중 어느 하나의 변조 방식이면, 각 심볼은 2, 4, 16 및 64개의 심볼들 중 어느 하나로 확장됨을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 최소 누적 가지 메트릭 값 및 가지 메트릭 값들은 유클리디안(Euclidean) 거리에 의해 결정됨을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  6. 2개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템에서, 신호 검출 방법에 있어서,
    수신 신호는 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼들로 확장되고, 각 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값을 결정하는 과정과,
    상기 누적 가지 메트릭 값 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과,
    상기 선택한 후보 심볼은 상기 변조 방식에 상응하는 개수의 후보 심볼들로 확장되고, 확장된 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 후보 심볼의 최소 누적 가지 메트릭 값을 제1 기준값으로 결정하는 과정과,
    모든 후보 심볼들 중 상기 제1 기준값 이상인 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제거하는 과정과,
    제거되지 않은 후보 심볼에 대해 변조 방식에 상응하는 개수로 확장하고, 확장된 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 심볼로 검출하는 과정을 포함하는 신호 검출 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 최소 누적 가지 메트릭 값은 유클리디안(Euclidean) 거리에 의해 결정 됨을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 변조 방식이 BPSK(Binary Phase Shift Key), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 및 64QAM 중 어느 하나의 변조 방식이면, 각 심볼은 2, 4, 16 및 64개의 심볼들 중 어느 하나로 확장됨을 특징으로 하는 신호 검출 방법.
  9. 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템에서, 신호 검출 방법에 있어서,
    수신 신호는 미리 설정된 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장되고, 각 후보 심볼의 유클리디안(Euclidean) 거리를 나타내는 누적 가지 메트릭 값을 결정하는 과정과,
    상기 누적 가지 메트릭 값 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과,
    확장된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 분기하는 과정과,
    분기된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 제1 기준값으로 결정하는 과정과,
    모든 후보 심볼들 중 상기 제1 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값에 해당하는 후보 심볼을 제거하는 과정과,
    제거되지 않은 후보 심볼 각각을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과,
    확장된 후보 심볼 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 후보 심볼의 누적 가지 메트릭 값이 상기 제1 기준값 미만인 경우, 상기 후보 심볼을 확장하여 제2 기준값을 결정하는 과정과,
    후보 심볼들 중 상기 제2 기준값 이상의 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 상기 변조 방식에 상응하는 개수만큼의 후보 심볼로 확장하는 과정과,
    확장된 후보 심보 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 심볼로 검출하는 과정을 포함하는 신호 검출 방법.
  10. 적어도 두 개 이상의 송신 안테나들을 사용하는 통신 시스템의 신호 검출 장치에 있어서,
    채널 추정 행렬을 큐알(QR) 분해하고, 분해된 결과를 수신 신호와 곱해 신호 검출을 위한 후보 심볼과, 후보 심볼들을 연결하는 적어도 하나의 가지로 이루어진 트리를 생성하는 트리 구조 생성기와,
    상기 적어도 하나의 가지 각각의 메트릭 값을 연산하는 가지 메트릭 값 연산기와,
    각 가지의 메트릭 값을 누적하여 각 후보 심볼과 연결된 가지의 누적 가지 메트릭 값을 연산하는 누적 가지 메트릭 값 연산기와,
    상기 트리의 각 단별로 누적 가지 메트릭 값이 최소인 후보 심볼을 선택하고, 최종 단까지 누적 가지 메트릭 값이 가장 작도록 하는 경로를 선택하는 경로 선택기와,
    최종 단에서 최소 누적 가지 메트릭 값을 각 단에서 불필요한 가지를 제거하기 위한 기준값으로 결정하는 기준값 결정기와,
    결정된 기준값보다 작은 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼과 연결된 가지를 제외한 나머지 가지를 선택하는 가지 선택기와,
    최종 수신 신호를 검출하는 제어기를 포함하는 신호 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 누적 가지 메트릭 값 및 가지 메트릭 값은 유클리디안(Euclidean) 거리에 의해 결정됨을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제어기는 최종 단의 후보 심볼들 중 최소 누적 가지 메트릭 값을 가지는 후보 심볼을 최종 수신 신호로 검출함을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 후보 심볼 및 후보 심볼들을 연결하는 적어도 하나의 가지의 개수는 변조 방식에 상응하게 결정됨을 특징으로 하는 신호 검출 장치.
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