KR100947504B1 - 다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 각 수신 안테나별 채널 정보를 수신하는 과정과, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 수신 안테나별 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : SINR)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산하는 과정과, 상기 수신된 채널 정보와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)를 수행하는 과정과, 상기 DPC 수행된 송신 신호에 대해 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하며, 여기서, 상기 DPC를 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 혹은 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : PSK)을 확장한 구조의 성상도임을 특징으로 한다.

다중 안테나, 간섭 신호, 채널 정보, 간섭 제거, DPC, 빔포밍

Description

다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING INTERFERENCE IN TRANSMITTING END OF MULTI-ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 다중 안테나 시스템에 관한 것으로서, 특히, 상기 다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다수 사용자 다중 안테나 시스템에서 기존에는 다른 사용자 혹은 다른 안테나의 간섭을 줄이기 위해 송신단이 송신 신호에 채널의 역수를 곱하여 전송하는 제로 포싱(Zero-Forcing : 이하 'ZF'라 칭함) 방식이나 채널의 잡음 분산까지 고려한 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error : 이하 'MMSE'라 칭함) 방식을 주로 사용하였다. 상기 방식들은 선형방식으로, 송신단 프로세스가 간단하여 구현이 쉽고, 각 사용자로부터 수신되는 채널의 피드백 정보가 적더라도 에러율이 크게 증가하지 않는 장점이 있다.

상기와 같은 선형방식이 아닌 비선형 방식으로는 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : 이하 'DPC'라 칭함)을 1차원으로 적용한 THP(Tomlinson-Harashima Precoding), 상기 DPC를 n차원 벡터로 적용한 VP(Vector Perturbation)등과 같은 방식이 있다. 상기 방식들의 경우, 송신단은 모듈로(modulo) 연산을 통해 양의 정수값을 송신 신호에 가감하여 수신단으로 전송하고, 수신단은 상기 값을 모르더라도 상기 송신단과 같은 모듈로(modulo) 연산을 통해 정보를 유추해낸다. 상기와 같은 과정을 통해 상기 송신단은 채널과 송신신호를 동시에 최적화할 수 있으며, 따라서, 상기 방식들은 피드백 양이 많은 TDD(Time Division Duplex)의 노메딕(Nomadic) 환경에서의 유력한 후보 기술로서 많은 학자들에 의해 연구되어 왔다.

상기 ZF나 MMSE 방식은 필연적으로 성능의 열화 및 송신파워의 낭비를 가져오며, 각 사용자 혹은 안테나별로 전송파워가 일정해야 하고, 각 사용자가 한 개의 안테나만을 써야하는 단점이 있다. 특히, 상기 방식들은 높은 신호 대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio : 이하 'SNR'이라 칭함)를 가질수록 이론적인 용량인 전체 용량(Sum Capacity)과 큰 차이를 보이는 단점이 있다.

또한, 상기 DPC에 기반을 둔 비선형 방식 역시 각 사용자별로 전송 속도가 일정해야 하고, 각 사용자는 한 개의 수신 안테나만을 써야 하는 단점이 있다. 따라서, 상기 방식은 사용자별 QoS(Quality of Service)가 제대로 보장되지 않는 문제점이 있다. 또한, 상기 방식은 송신단에서 복잡한 최대우도 추정법(Maximum Likelihood : 이하 'ML'이라 칭함)에 기반한 인코더를 사용해야 하기 때문에 복잡도가 크게 증가하는 단점이 있다.

따라서, 다중 안테나 시스템에서 사용자별 전송 속도와 송신 파워를 최적화하여 성능을 최적화하되 복잡도는 낮출 수 있는 방법의 제안이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 DPC에 기반한 알고리즘과 빔포밍 방법을 이용하여, 수신 신호에 존재할 수 있는 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 각 사용자별로 최고 전송 속도, 최고 다이버시티 오더를 획득하기 위한 간섭 제거 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 기존의 DPC에 비해 복잡도를 감소시키면서도 성능은 비슷하게 유지하기 위한 간섭 제거 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 송신단의 신호 전송 방법은, 각 수신 안테나별 채널 정보를 수신하는 과정과, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 수신 안테나별 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : SINR)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산하는 과정과, 상기 수신된 채널 정보와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)를 수행하는 과정과, 상기 DPC 수행된 송신 신호에 대해 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하며, 여기서, 상기 DPC를 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 혹은 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : PSK)을 확장한 구조의 성상도임을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 송신단의 신호 전송 장치는, 각 수신 안테나별 채널 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 수신 안테나별 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : SINR)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산하는 빔포밍 매트릭스 계산부와, 상기 수신된 채널 정보와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)를 수행하는 DPC부와, 상기 DPC 수행된 송신 신호에 대해 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행하는 빔포밍부를 포함하며, 여기서, 상기 DPC를 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 혹은 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : PSK)을 확장한 구조의 성상도임을 특징으로 한다.

본 발명은 다수 사용자 혹은 단일 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템의 송신단에서 DPC에 기반한 알고리즘과 빔포밍 방법을 이용하여, 수신 신호에 존재할 수 있는 간섭을 제거함으로써, 각 사용자별로 최고 전송 속도, 최고 다이버시티 오 더를 획득할 수 있으며, 기존의 DPC에 비해 복잡도를 감소시키면서도 성능은 비슷하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 다중 안테나 시스템의 송신단에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명은 N개의 송신 안테나와 M개의 수신 안테나(혹은 1개의 수신 안테나를 가진 M명의 사용자)로 구성된 시스템 모델을 가정한다. 이하 기지국은 송신단의 일예이며, 단말은 수신단의 일예이다.

여기서, 단말이 수신하는 수신신호는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 r_t는 t시간에 단말이 수신하는 수신신호를 나타내고, 상기 x_t는 t시간에 기지국이 전송하는 송신신호를 나타내며, 상기 n은 잡음을 나타내고, 상기 c는 변조 및 채널 인코딩된 송신신호를 나타낸다. 상기 H는 M×N 채널 매트릭스(Channel natrix)를 나타내고, 상기 A는 N×M 빔포밍 매트릭스를 나타내며, 상기 B는 상기 채널 매트릭스 H와 빔포밍 매트릭스 A의 곱으로 정의되는 매트릭스이다.

여기서, 상기 수신신호를 다시 각 원소별로 나타내면 하기 <수학식 2>와 같다.

여기서, 상기 j는 수신 안테나 인덱스를 나타내고, 상기 i는 송신 안테나 인덱스를 나타내며, 이때 상기 j=1, 2, ..., M이 될 수 있다. 여기서, 상기 b는 상기 매트릭스 B의 원소를 나타낸다.

결국, 수신 안테나별 수신신호를 각각 나타내면 하기 <수학식 3>과 같다.

이와 같이, 상기 수신 안테나별 수신신호에는 다수의 사용자 간섭이 존재하며, 본 발명에서는 상기 다수 사용자 간섭 중, 채널 매트릭스에서 하부 삼각 매트릭스(lower triangular matrix)를 이루는 간섭을 DPC 방식을 이용하여 제거하고, 채널 매트릭스에서 상부 삼각 매트릭스(upper triangular matrix)를 이루는 간섭을 빔포밍을 이용하여 제거하는 방법을 제안한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 구성 장치를 도시한 블럭도이다. 여기서, 상기 다중 안테나 시스템은 2 X 2 시스템을 예로 들어 설명할 것이나, 일반적인 M X N시스템에 모두 적용 가능하며, 상기 다중 안테나 시스템은 2개의 송신 안테나를 가지는 기지국(100)과 하나의 수신 안테나를 가진 2개의 단말(110-1, 110-2)로 구성된다고 가정한다. 여기서, 상기 기지국(100)은 인코더(101), DPC부(103), 빔포밍부(105), 빔포밍 매트릭스 계산부(107)를 포함하여 구성되며, 제 1, 2 단말(110-1, 110-2)은 각각 수신부(111-1, 111-2), 디코더(113-1, 113-2), 채널 추정부(115-1, 115-2)를 포함하여 구성된다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 기지국(100)의 인코더(101)는 수신 안테나별 송 신 신호에 변조 및 채널 인코딩을 수행한 후, 상기 변조 및 채널 인코딩된 송신 신호를 상기 DPC부(103)로 출력한다.

상기 DPC부(103)는 상기 빔포밍 매트릭스 계산부(107)로부터의 빔포밍 매트릭스와 채널 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해, 수신 신호에 존재하는 다수 사용자 간섭 중, 채널 매트릭스에서 하부 삼각 매트릭스를 이루는 간섭을 제거하기 위한 DPC를 수행한다. 이로써, 상기 기지국은 간섭을 고려한 성상도 상의 한 포인트를 결정하고, 상기 결정된 포인트로 송신신호를 매핑할 수 있다. 이후, 상기 DPC를 통해 하나의 성상도 포인트에 매핑된 송신 신호를 상기 빔포밍부(105)로 출력한다. 여기서, 상기 DPC 수행 시 모듈로 연산이 이용된다.

상기 빔포밍부(105)는 상기 DPC를 통해 하나의 성상도 포인트에 매핑된 송신 신호에, 상기 빔포밍 매트릭스 계산부(107)로부터의 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행한 후, 이를 해당 단말로 전송한다.

상기 빔포밍 매트릭스 계산부(107)는 각 단말(110-1, 110-2)로부터 채널 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : 이하 'SINR'이라 칭함)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산한다. 즉, 수신 신호에 존재하는 다수 사용자 간섭 중, 채널 매트릭스에서 상부 삼각 매트릭스(upper triangular matrix)를 이루는 간섭을 제거하기 위한 빔포밍 매트릭스를 계산한다. 이후, 상기 빔포밍 매트릭스 계산부(107)는 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 빔포밍부(105)로 출력하고, 상기 채널 정보에 대응하는 채널 매트릭스와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 상기 DPC부(103)로 출력한다.

상기 제 1, 2 단말(110-1, 110-2)의 수신부(111-1, 111-2)는 각각 상기 기지국(100)으로부터 신호를 수신하여 각각의 디코더(113-1, 113-2)와 채널 추정부(115-1, 115-2)로 출력한다. 상기 디코더(113-1, 113-2)는 상기 수신부(111-1, 111-2)로부터 입력되는 수신 신호에 상기 기지국과 같은 모듈로 연산을 수행하여 상기 수신 신호로부터 원래의 신호를 검출한다. 또한, 상기 채널 추정부(115-1, 115-2)는 상기 수신부(111-1, 111-2)로부터 입력되는 수신 신호로부터 채널을 추정하고, 추정된 채널 정보를 상기 기지국(100)으로 전송한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국에서 간섭을 제거하기 위한 방법을 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 먼저 기지국은 201단계에서 각 단말로부터 채널 정보를 수신하고, 203단계에서 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 SINR을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산한다. 여기서, 각 단말은 수신신호를 바탕으로 하향링크 채널을 측정하여 채널 정보를 상기 기지국으로 피드백해주며, 상기 기지국은 이를 이용하여 다수 사용자 간섭 중, 채널 매트릭스에서 상부 삼각 매트릭스(upper triangular matrix)를 이루는 간섭을 제거하기 위한 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다. 즉, 상기 <수학식 3>의 r_j의 경우,

을 제거하기 위한 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다.

여기서, 상기 SINR은 하기 <수학식 4>를 이용하여 계산할 수 있다.

여기서, 상기

는 상기 SINR을 나타내며, 상기 SNR_j는 j번째 수신 안테나의 잡음률(noise ratio)에 대한 신호를 나타낸다. 여기서, 상기 h는 상기 채널 매트릭스 H의 원소를 나타낸다. 이때, 전체 시스템의 파워를 증가시키지 않기 위해 상기 빔포밍 매트릭스 A의 원소 a는 하기 <수학식 5>의 조건을 만족하여야 한다.

여기서, 빔포밍 매트릭스를 통해 채널 매트릭스에 대해 최대 다이버시티 오더(diversity order)를 획득할 수 있도록, 상기 빔포밍 매트릭스 A의 원소는 하기 <수학식 6>을 만족하도록 선택한다.

여기서, 상기 P_j는 j번째 수신 안테나로 전송되는 송신신호의 전력을 나타내고,

이다.

예를 들어, 2×2 시스템의 경우, 상기 <수학식 5> 및 <수학식 4>는 하기 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있고, 이에 따른 빔포밍 매트릭스의 원소는 하기 <수학식 8>과 같이 선택하여, 빔포밍 매트릭스 A를 계산할 수 있다.

여기서, 만약, 두 사용자가 같은 전송 속도(data rate)를 가지고,

라면, 즉 같은 SINR을 가진다면, 사용자 1, 2의 전력은 하기 <수학식 9>로 최적화된다.

여기서,

에 따라 각 사용자별 에러율을 적절하게 조절할 수 있다.

이후, 상기 기지국은 205단계에서 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소 정 정수값을 계산한다. 즉, 상기 수신 안테나별 수신신호에 존재하는 다수의 사용자 간섭 중, 하부 삼각 매트릭스를 이루는 간섭을 제거하기 위해 해당 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산한다. 여기서, 상기 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값은 상기 계산된 빔포밍 매트릭스 A와 채널 매트릭스 H의 곱으로 정의되는 매트릭스 B를 이용하여 계산한다.

여기서, j번째 수신 안테나로 전송되는 심볼에 대한 간섭신호에 비례하는 소정 정수값 u_j는 하기 <수학식 10>과 같이 계산할 수 있다.

여기서, 상기

는 상기 j번째 수신 안테나에 대한 간섭 신호의 합을 나타내며, 상기 DPC에 의해 제거된다.

이후, 상기 기지국은 207단계에서 상기 수신 안테나별로 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여, 송신 신호에 대해 다수 사용자 간섭 중, 채널 매트릭스에서 하부 삼각 매트릭스를 이루는 간섭을 제거하기 위한 DPC를 수행한다. 이로써, 상기 기지국은 간섭을 고려한 성상도 상의 한 포인트를 결정하고, 상기 결정된 포인트로 송신신호를 매핑할 수 있다.

여기서, 수신신호에 존재하는 다수 사용자 간섭을 성공적으로 제거하기 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : 이하 'QAM'이라 칭함)을 확장한 구조의 성상도로 구성될 수 있다. 상기 QAM을 확장한 구조의 성상도는, 송신신호를 매핑하기 위한 qj개의 성상도 포인트(constellation point)로 이루어진 집합 A_j = {a₁, a₂, …, a_qj}와 상기 성상도 포인트들의 위치를 가장 바깥 부분까지 확대한 B_j로 구성된다. 여기서, 상기 B_j는 무한대까지 확대될 수 있다. 도 3을 예로 들면, 상기 A_j는 양축의 가장 가운데에 위치한 □, △, ×, ○로 구성될 수 있으며, 상기 B_j는 상기 □, △, ×, ○들의 위치가 가장 바깥 부분까지 확대된 것으로 구성될 수 있다. 여기서, 가장 가운데에 위치한 □, △, ×, ○가 위치하고 있는 영역을 펀더멘털 보로노이 영역(Fundamental Voronoi Region)이라 하고, 이는 이론적으로 채널 코딩(channel coding) 혹은 변조 포인트(modulation point)를 나타낸다. 반면, 가장 가운데의 영역을 제외한 바깥쪽 □, △, ×, ○은 QAM 방식의 경우 가장 가운데 영역이 동일하게 반복되는 구조를 가지는데, 이를 소스 코딩(source coding) 혹은 격자(lattice)라고 지칭한다. 본 발명에 따른 DPC 방식은, 간섭이 존재하지 않을 경우 가장 가운데에 위치한 A_j의 성상도 포인트들을 이용하여 신호를 송신하고, 간섭이 존재할 경우 해당 간섭을 고려해서 간섭이 제거(cancelling)될 수 있도록 바깥쪽 영역에 있는 B_j의 성상도 포인트를 이용하여 신호를 송신하는 방식이라고 할 수 있다.

상기 도 3을 참조하여 상기 DPC 수행 과정을 살펴보면, j번째 수신 안테나에게 원래 전송하고자 하는 신호 a_m이 성상도 상에서 A_j 영역 내 △(301)에 매핑되는 경우, 상기 기지국은 상기 원래 전송하고자 하는 신호 a_m과 상기 계산된 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값 u_j(302)를 더하여 성상도 상의 하나의 포인트(303)를 결정한다. 이후, 상기 기지국은 상기 결정된 포인트(303)에서 가장 가까우면서도, 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 성상도 포인트 △(301)과 동일한 모양을 가진, B_j 영역 내 성상도 포인트 △(304)를 결정하고, 상기 성상도 포인트(303)와 상기 B_j 영역 내 성상도 포인트 △(304)와의 거리를 계산한다. 이후, 상기 기지국은 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 성상도 포인트 △(301)에서 상기 계산된 거리만큼을 빼줌으로써, 송신 신호를 전송할 성상도 상의 하나의 포인트(305)를 최종 결정하고, 상기 최종 결정된 포인트(305)로 송신 신호를 매핑한다. 이와 같이, 최종 결정된 포인트(305)로 송신 신호를 매핑하여 전송하면, 해당 송신 신호는 채널을 통해 사용자에게 전송되는 도중 간섭(302)을 받아 상기 B_j 영역 내 성상도 포인트 △(304)를 통해 해당 사용자에게 전송된다. 이때, 사용자는 상기 B_j 영역 내 성상도 포인트 △(304)를 통해 기지국이 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 성상도 포인트가 △(301)임을 인지할 수 있다.

여기서, 상기 DPC를 통해 간섭이 제거됨에 따라, j번째 사용자가 수신하는 신호는 하기 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 c_j는 상기 최종 결정된 포인트(305)를 나타내며, 상기 v_j는 상기 사용자가 신호를 수신하는 상기 B_j 영역 내 성상도 포인트 △(304)를 나타낸다. 상기 N_j는

이며, 이 중

은 상기 빔포밍을 통해 제거되는 간섭이다. 여기서, 본 발명에 따른 실시 예는 QAM을 확장한 구조의 성상도를 예로 들어 설명하였으나, 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : 이하 'PSK'라 칭함)을 확장한 구조의 성상도로도 구성 가능하다.

이후, 상기 기지국은 209단계에서 상기 DPC를 통해 하나의 성상도 포인트에 매핑된 송신 신호에, 상기 결정된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행한 후, 이를 해당 단말로 전송한다.

이후, 상기 기지국은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 4는 2 × 2 MIMO 시스템에서 종래 기술과 본 발명의 성능을 비교한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 사용자 1과 2 모두 알라무티(Alamouti)가 제안한 풀 전송률(Full Rate), 풀 다이버시티(Full Diversity) STBC(Space Time Block Coding)와 동일한 기울기를 가지므로, 동일한 다이버시티 오더를 가짐을 알 수 있다. 이에 더하여 사용자 1과 2 모두 동시에 심볼을 전송할 수 있기 때문에 알라무티의 STBC보다 전송속도가 2배가 되고, 이는 전송속도 관점에서 최적화가 된 BLAST(Bell-lab. Layered Space-Time) 방식과 동일함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 최고 다이버시티 오더, 최고 멀티플랙싱 오더를 달성함을 알 수 있고, 종래 기술에 따른 제로 포싱(Zero-Forcing : ZF) 기반의 방식에 비해 성능이 월등함을 알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템의 구성 장치를 도시한 블럭도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나 시스템의 기지국에서 간섭을 제거하기 위한 방법을 도시한 도면,

도 3은 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 및 이를 이용한 DPC 방법을 도시한 예시도, 및

도 4는 2 × 2 MIMO 시스템에서 종래 기술과 본 발명의 성능을 비교한 도면.

Claims (20)

1. 다중 안테나 시스템에서 송신단의 신호 전송 방법에 있어서,

   각 수신 안테나별 채널 정보를 수신하는 과정과,

   상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 수신 안테나별 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : SINR)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산하는 과정과,

   상기 수신된 채널 정보와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)를 수행하는 과정과,

   상기 DPC 수행된 송신 신호에 대해 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하며,

   여기서, 상기 DPC를 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 혹은 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : PSK)을 확장한 구조의 성상도임을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 DPC를 수행하기 위한 송신 신호는, 변조 및 채널 인코딩된 송신 신호임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 수신 안테나별 SINR은 하기 <수학식 12>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기

   

   는 상기 SINR을 나타내며, 상기 SNR_j는 j번째 수신 안테나의 잡음률(noise ratio)에 대한 신호를 나타낸다. 상기 N은 송신 안테나의 수를 나타내고, 상기 h는 채널 매트릭스(Channel natrix) H의 원소를 나타내며, 상기 a는 빔포밍 매트릭스 A의 원소를 나타내고, 상기 b는 상기 채널 매트릭스 H와 빔포밍 매트릭스 A의 곱으로 정의되는 B 매트릭스의 원소를 나타냄.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 빔포밍 매트릭스의 각 원소의 전력의 합은 상수임을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 빔포밍 매트릭스의 각 원소는 하기 <수학식 13>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 a는 빔포밍 매트릭스 A의 원소를 나타내고, 상기 P_j는 j번째 수신 안테나로 전송되는 송신신호의 전력을 나타내며, 상기 N은 송신 안테나의 수를 나타내고, 상기 h는 채널 매트릭스(Channel natrix) H의 원소를 나타냄.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 수신 안테나별 SINR에 따라 수신 안테나별 전력을 결정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값은 하기 <수학식 14>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 u_j는 j번째 수신 안테나로 전송되는 신호에 대한 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 나타내고, 상기

   

   는 상기 j번째 수신 안테나에 대한 간섭 신호의 합을 나타낸다. 상기 i는 송신 안테나 인덱스를 나타내고, 상기 b는 상기 채널 매트릭스 H와 빔포밍 매트릭스 A의 곱으로 정의되는 B 매트릭스의 원소를 나타내며, 상기 c는 변조 및 채널 인코딩된 송신신호를 나타냄.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 DPC를 위한 성상도는, 송신신호를 매핑하기 위한 소정 개수의 성상도 포인트(constellation point)로 이루어진 제 1 집합과 상기 성상도 포인트들의 위치를 가장 바깥 부분까지 확대한 제 2 집합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 DPC 수행 과정은,

    원래 전송하고자 하는 신호와 상기 계산된 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값을 더하여 성상도 상의 하나의 성상도 포인트를 결정하는 과정과,

    상기 결정된 성상도 포인트에 가장 가까우면서도, 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 제 1 집합 내 성상도 포인트와 동일한 모양을 가진, 제 2 집합 내 성상도 포인트를 결정하는 과정과,

    상기 결정된 하나의 성상도 포인트와 상기 제 2 집합 내 성상도 포인트와의 거리를 계산하는 과정과,

    상기 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 성상도 포인트에서 상기 계산된 거리만큼을 빼줌으로써, 송신 신호를 전송할 성상도 상의 하나의 성상도 포인트를 최종 결정하는 과정과,

    상기 최종 결정된 성상도 포인트로 송신 신호를 매핑하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 다중 안테나 시스템에서 송신단의 신호 전송 장치에 있어서,

    각 수신 안테나별 채널 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 수신 안테나별 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio : SINR)을 최대화하는 빔포밍 매트릭스를 계산하는 빔포밍 매트릭스 계산부와,

    상기 수신된 채널 정보와 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 이용하여, 수신 안테나별로 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 계산하고, 상기 계산된 소정 정수값을 이용하여 송신 신호에 대해 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding : DPC)를 수행하는 DPC부와,

    상기 DPC 수행된 송신 신호에 대해 상기 계산된 빔포밍 매트릭스를 곱하여 빔포밍을 수행하는 빔포밍부를 포함하며,

    여기서, 상기 DPC를 위한 성상도는, 직교 진폭 변조 방식(Quadrature Amplitude Modulation : QAM)을 확장한 구조의 성상도 혹은 기본 위상 편이 방식(Phase Shift Keying : PSK)을 확장한 구조의 성상도임을 특징으로 하는 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 DPC를 수행하기 위한 송신 신호는, 변조 및 채널 인코딩된 송신 신호임을 특징으로 하는 장치.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 각 수신 안테나별 SINR은 하기 <수학식 15>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.

    

    여기서, 상기

    

    는 상기 SINR을 나타내며, 상기 SNR_j는 j번째 수신 안테나의 잡음률(noise ratio)에 대한 신호를 나타낸다. 상기 N은 송신 안테나의 수를 나타내고, 상기 h는 채널 매트릭스(Channel natrix) H의 원소를 나타내며, 상기 a는 빔포밍 매트릭스 A의 원소를 나타내고, 상기 b는 상기 채널 매트릭스 H와 빔포밍 매트릭스 A의 곱으로 정의되는 B 매트릭스의 원소를 나타냄.
14. 제 11 항에 있어서,

    상기 빔포밍 매트릭스의 각 원소의 전력의 합은 상수임을 특징으로 하는 장치.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 빔포밍 매트릭스의 각 원소는 하기 <수학식 16>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.

    

    여기서, 상기 a는 빔포밍 매트릭스 A의 원소를 나타내고, 상기 P_j는 j번째 수신 안테나로 전송되는 송신신호의 전력을 나타내며, 상기 N은 송신 안테나의 수를 나타내고, 상기 h는 채널 매트릭스(Channel natrix) H의 원소를 나타냄.
16. 제 11 항에 있어서, 상기 빔포밍 매트릭스 계산부는,

    상기 수신 안테나별 SINR에 따라 수신 안테나별 전력을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 11 항에 있어서,

    상기 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값은 하기 <수학식 17>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.

    

    여기서, 상기 u_j는 j번째 수신 안테나로 전송되는 신호에 대한 간섭신호에 비례하는 소정 정수값을 나타내고, 상기

    

    는 상기 j번째 수신 안테나에 대한 간섭 신호의 합을 나타낸다. 상기 i는 송신 안테나 인덱스를 나타내고, 상기 b는 상기 채널 매트릭스 H와 빔포밍 매트릭스 A의 곱으로 정의되는 B 매트릭스의 원소를 나타내며, 상기 c는 변조 및 채널 인코딩된 송신신호를 나타냄.
18. 삭제
19. 제 11 항에 있어서,

    상기 DPC를 위한 성상도는, 송신신호를 매핑하기 위한 소정 개수의 성상도 포인트(constellation point)로 이루어진 제 1 집합과 상기 성상도 포인트들의 위치를 가장 바깥 부분까지 확대한 제 2 집합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 DPC부는,

    원래 전송하고자 하는 신호와 상기 계산된 간섭 신호에 비례하는 소정 정수값을 더하여 성상도 상의 하나의 성상도 포인트를 결정하는 수단과,

    상기 결정된 성상도 포인트에 가장 가까우면서도, 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 제 1 집합 내 성상도 포인트와 동일한 모양을 가진, 제 2 집합 내 성상도 포인트를 결정하는 수단과,

    상기 결정된 하나의 성상도 포인트와 상기 제 2 집합 내 성상도 포인트와의 거리를 계산하는 수단과,

    상기 원래 전송하고자 하는 신호에 매핑된 성상도 포인트에서 상기 계산된 거리만큼을 빼줌으로써, 송신 신호를 전송할 성상도 상의 하나의 성상도 포인트를 최종 결정하는 수단과,

    상기 최종 결정된 성상도 포인트로 송신 신호를 매핑하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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