KR100948259B1 - 다중안테나 수신장치 및 수신 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 셀 환경에서 다수의 상이한 데이터 스트림을 수신하는 다중안테나 시스템의 수신장치 및 수신 방법에 관한 것이다. 본 발명의 송신장치로부터 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 다수의 안테나를 구비하는 다중안테나 시스템의 수신장치는 상기 다수의 안테나를 통해 수신된 상기 다수의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파하는 데이터스트림 검파부; 상기 데이터스트림 검파부에 의해 검파된 상기 각각의 데이터 스트림의 상기 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하여 상기 송신장치로 피드백하는 빔포밍벡터산출부; 상기 데이터스트림 검파부에 의해 검파된 상기 각각의 데이터 스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거하는 채널간 간섭제거부를 포함한다. 본 발명에 의하면 채널 간 간섭을 제거하고 채널 용량을 증가시킴으로써, 다이버시티 이득과 멀티플렉싱 이득을 동시에 얻을 수 있다.
다중안테나, 채널 간 간섭, OC, QRD, SQRD

Description

다중안테나 수신장치 및 수신 방법{MIMO ANTENNA RECEIVING APPARATUS AND RECEIVING METHOD}
본 발명은 다중 셀 환경에서 다수의 상이한 데이터 스트림을 수신하는 다중안테나 시스템의 수신장치 및 수신 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-002-02, 과제명 : 3Gbps급 4G 무선LAN 시스템 개발].
다중 셀 환경에서의 무선 통신 시스템을 설계함에 있어서, 채널간 간섭(Cochannel Interference:CCI)에 의한 성능 저하를 막기 위하여, 채널 간의 간섭을 제거하는 OC(Optimum Combining)가 사용된다. 또한, 무선 통신 서비스의 영역이 저속 음성 통신에서 고속 멀티미디어 통신으로 변화함에 따라 데이터 전송률을 증가시키기 위해 SVD(Singular Value Decomposition), V-BLAST(Vertical Bell Lab Space Time) 등이 사용된다.
OC(Optimum Combining)는 다중 안테나를 사용하는 셀룰러 기반의 다중 접속 시스템에서의 간섭 신호를 제거하는 기술로서, 채널 간의 간섭을 제거하여 간섭으로 인한 성능 저하를 방지한다. 또한, 패이딩에 의한 영향도 줄여줌으로서 신호대잡음비(Signal to Noise:SNR)를 최대화할 수 있다.
OC는 최대비합성(Maximal Ratio Combining:MRC)기술을 간섭 신호가 존재하는 환경으로 확장한 것이다. 간섭 신호가 존재하는 환경에서 신호는 유색잡음(colored noise)이 더해진 것으로 볼 수 있다. 따라서, 백색화필터(whitening filter)를 사용하여 유색 잡음을 백색잡음(white noise)로 바꾸고, 백색화필터의 출력을 MRC를 통해 결합함으로써 간섭 신호를 제거할 수 있다. MRC는 다중안테나 시스템에서 출력 SNR을 최대로 만들기 위한 기술로서, 다중안테나 수신장치의 각 안테나에서 수신한 각각의 데이터스트림에 대하여 독립적으로 가중치를 부여한다. 일반적으로 가중치는 데이터스트림의 SNR을 최대로 하도록 선택되며, 부여된 가중치에 따라 데이터스트림을 결합하여 간섭 신호 즉, 채널 간의 간섭을 제거한다.
또한, 채널간 간섭을 제거하고 패이딩의 영향을 줄이기 위하여 MIMO(Multi-input Multi-output) 안테나 시스템은 SBM(Smart Base and Smart Mobile) 안테나 구조를 제안한다. 송신장치의 다수의 안테나는 빔포밍 벡터를 통해 각각의 안테나에 방향성을 부여하여, 전송하고자 하는 방향으로 데이터스트림을 전송한다.이때 송신 장치의 다수의 안테나를 통해 전송되는 각각의 데이터스트림은 나머지 안테나들을 통해 전송되는 데이터스트림에 대해 간섭(interference)으로서 작용하므로,수신장치에서는 다수의 안테나를 통해 수신한 데이터스트림에 대하여 OC를 사용하여 채널 간 간섭을 제거하고, 신호대잡음 및 간섭비(Signal to Interference plus Noise Ratio:SINR)를 최대로 만든다.
이러한 방법은 안테나마다 다른 레일리페이딩을 겪은 데이터스트림을 결합하므로 수신 성능을 높이고, 다이버시티(diversity) 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 빔포밍과 OC를 사용하여 다수의 상이한 데이터스트림을 전송하고 수신하는 경우에는, 다수의 상이한 데이터스트림을 컴바이닝하는 과정에서 간섭이 함께 더해지므로 성능 저하가 일어나는 문제점이 있다. 따라서, 기존의 OC, 빔포밍 방식을 사용하는 다중안테나 시스템은 동일한 데이터스트림을 수신하는 것을 가정하여 설계되며, 이는 전송의 신뢰도를 높일 수는 있지만, 고속 무선 통신에서 요구되는 전송률에 미치지 못한다. 즉, 멀티플렉싱 이득을 얻지 못한다는 문제점이 있다.
도 1은 종래 기술(MIMO-Optimum-Combining:MIMO-OC)에 따른 다중 안테나 송수신 시스템을 나타내는 도면으로서, 송신장치(110)와 수신장치(130) 각각 4개의 안테나(120, 140)를 포함하는 4x4 다중안테나 시스템(100)이 도 1에 도시되어 있다.
송신장치(110)는 빔포밍을 통해 다수의 데이터스트림(a1x1)을 동시에 전송하며, 이때의 다수의 데이터스트림(a1x1)은 전부 동일하다. 다수의 데이터스트림은 다양한 채널 경로를 통과하므로 송/수신 안테나 수의 곱에 해당하는 다이버시티 이득을 얻는다. 따라서, 도 1에 도시된 시스템(100)에서는 4x4의 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
수신장치(130)는 다수의 수신안테나(140)를 통해 다수의 비트스트림(a1x1)을 수신한다. 앞에서 설명한 바와 같이 다수의 비트스트림을 다수의 송신안테나(120)를 통해 송신하는 경우는 각각의 데이터스트림은 나머지 안테나를 통해 송신되는 데이터스트림에 대해 간섭(interference)으로서 작용하므로, 수신장치(140)에서는 다수의 안테나를 통해 수신한 데이터스트림에 대하여 OC를 사용하여 채널 간 간섭을 제거한다.
그러나, 다수의 상이한 데이터스트림(a1x1, a2x2, a3x3, a4x4)를 각각의 송신 안테나를 통해 송신하는 경우에는 채널 간의 간섭 및 비트스트림 간의 간섭이 동시에 발생하게 되며 수신장치(130)는 다수의 상이한 데이터스트림에 대해 컴바이닝을 수행할 수 없다. 따라서, 종래 기술은 송신안테나(120)의 개수를 늘려 신뢰도를 높임으로써 다이버시티의 이득을 얻을 수는 있지만, 다수의 상이한 비트스트림을 동시에 송신할 경우 컴바이닝을 수행하지 못하므로 멀티플렉싱 이득은 얻을 수 없다.
이러한 문제점과 관련하여 고속 무선 통신에서 요구되는 전송률 즉, MIMO 안테나 시스템의 채널 용량에 도달하기 위한 방법으로 다중 송신안테나에서 모두 독립적인 데이터 스트림을 전송하는 V-BLAST(Vertical Bell Lab Space Time)가 있다. V-BLAST는 기존 D-BLAST(Digonal Bell Lab Space Time) 구조의 복잡도를 줄인 것으로서, 송신하고자하는 직렬 데이터 스트림을 송신장치의 안테나의 개수에 따라 병렬 데이터스트림으로 단순 역 다중화한다. 단순 역 다중화된 각각의 병렬 데이터스트림은 각각의 송신 안테나를 통해 동시에 전송되어 채널 용량을 증가시킨다.
또한, 송신장치와 수신장치에서 모두 채널 정보를 알고 있는 경우에는 SVD(Singular Value Decomposition)를 사용한 파워의 워터필링(waterfilling) 할당 방법을 사용할 수 있다. SVD를 사용하면 채널 매트릭스를 두 개의 단위 행렬(unitary matrix)과, 고유값(eigenvalue)을 대각선 항(diagonal term)으로 갖는 대각선 행렬(diagonal matrix)로 분해할 수 있다. 분해된 단위 행렬을 송신장치와 수신장치에서의 채널 정보에 곱해주면, 채널은 스트림 간의 간섭이 없는 대각선 행렬 형태를 갖게 된다. 또한, 각 채널의 게인으로 볼 수 있는 대각선 항의 고유값에 역수로 송신 power를 할당하면 MIMO 안테나 시스템의 채널 용량에 도달할 수 있다.
이러한 종래 기술은 송신장치의 각각의 안테나를 통해 서로 다른 독립적인 데이터스트림을 전송하여 전송 속도를 높임으로써 채널의 용량은 증가시키고, 멀티플렉싱 이득을 얻을 수는 있지만, 채널 간의 간섭을 제거할 수 없다는 점 즉, 다이버시티 이득을 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 채널 간의 간섭을 제거하기 위해서는 수신장치에 컴바이닝(ombining) 구조가 있어야 하지만 앞에서 설명한 SVD, V-BLAST 등의 기술은 모든 송신 안테나에서 독립적인 데이터스트림을 전송하기 때문에 combining을 사용할 수 없다. 결국, 수신장치의 모든 안테나는 독립적인 데이터스트림 간의 간섭을 제거하는데 사용되므로, 채널 간의 간섭에 의한 성능 저하 현상을 막을 수가 없다.
따라서, 다중 셀 환경에서 무선 통신 시스템을 설계함에 있어서, 채널 간 간섭의 영향을 최소화하면서 높은 전송률을 보장하는 다중안테나 시스템이 요구된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, QR 분해(QR-decomposition), 빔포밍(beamforming), OC 기술을 통해 채널간 간섭의 영향을 최소화하면서도 높은 전송률을 보장하여 최대의 출력 SINR을 낼 수 있는 다중안테나 수신장치 및 수신 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 다중안테나 수신장치에 있어서, 상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파하는 데이터스트림 검파부; 및 상기 데이터스트림 검파부에 의해 검파된 상기 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거하는 채널간 간섭제거부를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 다중안테나 수신장치에서 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 방법에 있어서, 상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파하는 단계; 상기 검파된 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명은 다중안테나 시스템에서 채널간 간섭(CCI)을 제거함과 동시에 다수의 상이한 신호를 전송할 수 있는 수신 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 다수의 안테나로부터 수신된 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보를 유지한 상태로 각각의 데이터스트림을 분리하고, 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하여 송신장치로 피드백할 수 있다. 송신장치는 이를 통해 빔포밍을 사용하여 다수의 상이한 데이터스트림을 송신하고, 수신장치는 OC를 수행하여 채널 간의 간섭을 제거한다. 따라서, 본 발명에 따르면 채널 간 간섭을 제거하고 채널 용량을 증가시킴으로써, 다이버시티 이득과 멀티플렉싱 이득을 동시에 얻을 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 다수의 안테나를 구비한 송신장치에서 송신한 다수의 상이한 데이터스트림을 다수의 안테나를 구비한 수신장치를 통해 수신하는 다중안테나 수신장치 및 방법에 관한 것이다. "다수의 상이한 데이터스트림"은 각각 독립적인 데이터스트림을 말하며, 송신장치에 설치된 다수의 안테나를 통해 동시에 송신된다. 송신장치와 수신장치 각각이 다수의 안테나를 가지며, 송신장치와 수신장치의 안테나 수가 반드시 같을 필요는 없다. "다이버시티"는 동일한 데이터스트림을 동시에 전송하여 다양한 채널 경로를 통과한 데이터스트림을 서로 보완하여 수신 성능을 높이는 것을 말한다. "멀티플렉싱"은 다수의 상이한 데이터스트림을 전송하여 전송률을 높이는 것을 말한다. 본 명세서에서 말하는 종래기술은 MIMO-Optimum-Combining(MIMO-OC)를 의미하는 것으로 동일한 데이터스트림을 송신장치의 다수의 안테나를 통해 송신하고, 이를 수신하는 수신장치는 OC를 통해 비트스트림을 검파한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 다중 안테나 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 다중안테나 시스템(200)은 송신장치(210), 수신장치(230)를 포함하며 수신장치(230)에서 송신장치(210)로의 피드백 채널(250)이 존재하며, 간섭 신호(260)가 유입된다.
송신장치(210)는 다수의 안테나를 포함하며, 다수의 안테나는 전송하고자하는 데이터스트림의 수에 따라 그룹지어진다. 예를 들어, 2개의 데이터스트림을 4개의 송신안테나(220, 225)를 통해 전송하고자하는 경우, 송신안테나는 데이터스트림 의 수에 맞추어 2개의 그룹으로 만들어진다. 제1안테나그룹(220)은 제1비트스트림(a1x1)을 전송하고, 제2안테나그룹(225)는 제2비트스트림(a2x2)을 전송한다. 이때 빔포밍을 사용하여 전송하며 빔포밍 벡터는 수신장치(230)에서 피드백된다.
수신장치(230)는 도시된 바와 같이 데이터스트림 검파부(232), 빔포밍벡터 산출부(234), 채널간 간섭 제거부(236)를 포함한다.
데이터스트림 검파부(232)는 다수의 수신안테나(240, 245)를 통해 수신된 다수의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파한다. 다수의 수신안테나(240, 245)를 통해 수신된 다수의 데이터스트림(y)은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007089707350-pat00001
H는 complex Gaussian random variable로 구성된 NrxNt 매트릭스로 채널을 나타낸다. n은 nRx1 white Gaussian noise이다. zk는 인접 셀에서의 간섭 신호를 의미하고, hk는 간섭 채널을 의미한다. Hi는 채널(H)의 부채널(subchannel)을 의미하며, NrxNi의 크기를 갖는 행렬이다. Nr은 수신 안테나의 개수를 말하고, Nt은 송신 안테나의 개수, Ni 는 간섭 신호의 개수를 나타낸다. s는 송신하고자 하는 신호를 나타내고 anxn로 표현할 수 있다. an는 송신안테나의 빔포밍 벡터를 나타낸다.
본 발명의 다수의 데이터스트림 간의 간섭제거는 QR 분해를 통해 수행될 수 있다. 채널 정보(H)는 하기의 수학식 2와 같이 QR 분해를 통해 Q와 R이라는 행렬의 채널로 표현할 수 있다. 채널 정보(H)를 QR 분해하면 단위 행렬(unitary matrix)인 Q행렬과 하위 삼각형이 0이 되는 상삼각(upper-triangular) 행렬(R)이 계산된다. 이때, 하기의 수학식 3과 같이 행렬 Q는 단위 행렬이라는 특성을 가지므로 양변에 Q의 역행렬(QH)을 곱하면 하기의 수학식 4와 같은 상삼각 행렬(R)을 얻을 수 있고, 이를 수신된 신호(y)에 대입하면 하기의 수학식 5와 같이 표현된다. (수학식 5에서의 x는 송신하고자하는 신호를 의미한다.) 이러한 과정을 통해 송신된 다수의 데이터스트림이 R행렬을 통과한 것과 같이 볼 수 있다. 이때 단위 행렬인 Q 행렬을 곱하는 것이므로 채널의 성질이 변하지 않는다. 즉, 채널 정보가 유지됨을 알 수 있다.
H = QR
QHQ = I
Figure 112007089707350-pat00002
Figure 112007089707350-pat00003
수학식 4에 표현된 R 행렬은 상삼각(upper triangular) 행렬이므로, R행렬을 통과한 다수의 데이터 스트림 중 하나의 그룹은 스트림간의 간섭이 없어진다. 이를 구체적으로 살펴보면, R행렬의 t번째, t-1번째 행(row)은 t번째, t-1번째 열(column)외에는 모두 0이다. 이것은 마지막 두 개의 열을 통해 전송된 데이터 스트림은 두 개의 수신 안테나에서만 수신된다는 것을 의미한다. 즉, 마지막 두 개의 열에 해당하는 안테나를 통해서 들어오는 신호에는 스트림 간의 간섭이 없다는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 두 개의 서로 다른 데이터스트림을 두 개의 안테나그룹(각 안테나 그룹은 두 개의 안테나를 포함함)을 통해 전송하는 경우, 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있고, 이때 R1, R2, R3 는 하기의 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112007089707350-pat00004
Figure 112007089707350-pat00005
따라서, 가장 아래쪽 송신안테나그룹(225)에서 전송된 두번째 데이터스트림이 가장 먼저 검파되고, 다음으로 첫번째 데이터스트림에서 먼저 예측된 두번째 데이터스트림을 제거함으로써, 다음의 송신안테나그룹(220)에서 송신된 첫번째 데이터스트림을 검파할 수 있다. 이러한 과정을 반복하여 간섭을 순차적으로 제거할 수 있고, 모든 데이터스트림이 데이터스트림 간의 간섭 없이 독립적으로 전송된 것과 같이 가정할 수 있다. 다수의 데이터스트림간의 간섭이 없으므로 각 데이터스트림을 쉽게 검파할 수 있다.
도 1에서 다수의 데이터스트림이 서로 간섭되는 것과 달리, 본 발명은 QR 분해를 수행하여 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 독립적인 채널을 갖는 시스템(200)으로 변화된다. QR분해, 순차적 간섭제거를 통해 각 안테나그룹별로 독립적 인 채널을 갖게 되면, 각 데이터스트림은 다른 채널을 통해 수신된다고 볼 수 있으므로, 각각의 채널 정보가 유지될 수 있다. 따라서, 각 채널의 정보를 사용해서 각 수신안테나그룹의 SINR을 최대화하는 빔포밍 벡터와 OC벡터를 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 데이터스트림 간의 간섭 제거는 SQRD(Sorted QR-decomposition)를 통해 수행될 수 있다. QRD를 사용하여 각각의 데이터스트림을 검파하면 채널 정보가 유지된 채로 다수의 데이터스트림을 구분할 수 있지만, 먼저 검파된 데이터스트림에 비해 나중에 검파된 데이터스트림의 SINR이 더 높을 확률이 높아진다.
이러한 현상은 QR 분해를 수행시 R 행렬을 부분적으로 사용하는 것에서 비롯된다. QR 분해에 의하면 첫 번째로 검파되는 데이터스트림(t번째 행의 데이터스트림)은 한 개의 송신안테나그룹(225)에서 전송되어 한 개의 수신안테나그룹(245)에서 수신된다고 볼 수 있다. 즉, 나머지 수신안테나그룹(240)에서 수신된 신호는 낭비된다고 볼 수 있다. 반면, 두 번째 검파되는 데이터스트림(t-1번째 행의 데이터스트림)은 두 개의 송신 안테나그룹(220, 225)에서 전송되고 두 개의 수신안테나그룹(240, 245)에서 수신되는 신호를 모두 사용하여 검파된다. 따라서, 손실이 일어나는 첫 번째 검파되는 데이터스트림에 비해 두 번째 검파되는 데이터스트림의 SINR이 더 높게 된다. 이러한 순차적 제거 과정은 각각의 데이터스트림이 모두 검파될 때까지 반복적으로 수행되므로 전송되는 데이터스트림의 개수가 증가할 수 록 처음 검파된 데이터스트림의 SINR과 마지막으로 검파되는 데이터스트림의 SINR의 차이는 더욱 커지게 된다.
이런 문제점을 해결하기 위해서 Sorted QR-Decomposition(SQRD)를 사용할 수 있다. SQRD는 QR 분해를 수행하는 과정에서 놈(norm)이 가장 작은 행부터 처리함으로써, 가장 아래쪽 행에 큰 값이 위치하도록 만들어준다. SINR은 부분 채널 행렬의 고유값에 의해서 결정되는데, 행렬의 대각선 항(diagonal term)의 값이 클수록 행렬의 고유값이 큰 값을 가질 확률이 높아진다. 따라서, SQRD를 사용하면 채널의 정보를 유지한 상태로 R행렬의 아래쪽 행에 큰 값을 위치시킬 수 있고, 이를 통해 산출되는 고유값이 커지므로, SINR도 높아지게 된다.
따라서, 먼저 검파되는 데이터스트림이 비록 수신 안테나를 모두 사용하여 검파되지는 못하지만, 높은 SINR을 통해 전력의 손실을 보상할 수 있다. 이러한 과정을 통해 먼저 검파되는 심볼의 SINR를 높이는 효과를 얻을 수 있으므로, SQRD를 사용하여 데이터스트림을 검파하는 본 발명에 의하면 검파된 순서에 상관없이 각각의 데이터스트림이 거의 동일한 SINR을 갖도록 할 수 있다.
본 명세서에 기술된 QR 분해, SQRD를 적용하는 과정은 일 실시예에 불과하며, 이 밖에도 다양한 알고리즘에 의해 QR 분해, SQRD를 수행할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
빔포밍벡터 산출부(234)는 데이터스트림 검파부(232)에 의해 검파된 각각의 데이터스트림의 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하고, 산출된 빔포밍 벡터를 송신장치(210)로 피드백한다. 빔포밍 벡터의 산출은 하기 수학식 8, 수학식 9에 의한다.
Figure 112007089707350-pat00006
Figure 112007089707350-pat00007
Ri는 각 안테나그룹에 해당하는 채널로 기존의 R 행렬의 부분 행렬로 이루어진다. hi ,k는 간섭 신호의 채널이며, i는 그룹의 식별번호가 되고 K는 간섭 신호의 개수이다. σz 2은 간섭 신호의 세기를, σn 2 은 잡음의 세기를 나타낸다. 빔포밍 벡터 ai 는 Ai 행렬의 고유벡터 중 고유값이 가장 크도록 만드는 고유행렬로 정해진다. 이러한 과정을 통해 획득된 벡터는 각 수신안테나 그룹의 SINR이 최대가 되도록 하므로, 전체 수신안테나의 SINR도 최대가 된다. 산출된 빔포밍 벡터는 피드백 채널(250)을 통해 송신장치(210)로 피드백된다. 본 명세서에서 설명한 빔포밍 벡터 산출 방식은 일 실시예에 불과하며, 이 밖에도 다양한 방법을 통해 빔포밍 벡터를 산출할 수 있고, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명한 사실이다.
채널간 간섭제거부(236)는 데이터스트림 검파부(232)에 의해 검파된 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거한다. 특히, OC를 수행하여 채널 간 의 간섭을 제거할 수 있다. 본 발명은 QR 분해를 통해 각각의 데이터스트림을 검파하므로, 채널 정보를 유지할 수 있으므로, 채널 정보를 통해 OC를 수행하기 위한 OC 벡터(가중치 벡터)를 사용할 수 있다. OC 벡터의 산출 과정은 수학식 9에 의한다. OC 벡터 bi 는 채널(H)에 빔포밍 벡터(a)를 곱하고 Φi의 역행렬을 곱해서 산출할 수 있다. 본 명세서에서 설명한 OC 벡터 산출 방식은 일 실시예에 불과하며, 이밖에도 다양한 방법을 통해 OC 벡터를 산출할 수 있고, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 자명한 사실이다.
종래의 기술이 다이버시티와 멀티플렉싱 이득을 동시에 획득하지 못했던 것은, 서로 다른 데이터스트림을 수신한 경우 채널 간의 간섭을 제거하지 못했기 때문이다. 특히 채널 간의 간섭을 제거하는 OC 기술을 사용하기 위해서는 채널 정보가 필요하지만, 멀티플렉싱의 과정에서 채널 정보를 잃어버렸기 때문이다. 이러한 종래 기술과 달리 본 발명의 다중안테나 시스템(200)은 QRD 또는 SQRD를 통해 각각의 데이터스트림을 분리함으로써 채널 정보를 유지할 수 있고, 이를 통해 송신장치의 빔포밍과 수신장치의 OC 수행이 가능하도록 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 시스템에서의 독립된 채널이 형성되는 상황을 나타내는 도면이다. 도 3은 다수의 상이한 데이터스트림이 수신되는 상황을 도시하고, 도 4는 QRD(또는 SQRD)에 의해 독립된 채널이 형성된 상황을 도시한다.
도 3에서 송신장치(210)는 두 개의 데이터스트림(a1x1, a2x2)을 송신하기 위하여 송신안테나를 두 개의 안테나그룹(220, 225)을 묶는다. 두 개의 데이터스트림이 송신되면 수신장치(230)의 다수의 안테나그룹(340)에 의해 수신된다. 수신장치(230)는 수신된 각각의 데이터스트림에 대하여 데이터스트림 간의 간섭을 제거한다. 데이터스트림 간의 간섭제거는 QRD 또는 SQRD에 의해 수행될 수 있다.
도 4는 도 3의 수신장치(230)에서 데이터스트림 간의 간섭 제거가 수행된 이후의 상황을 도시한다.
QRD 또는 SQRD를 통해 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 각각의 데이터스트림을 검파하는 과정에서, 각 안테나그룹은 독립적인 채널을 갖게 된다. 예를 들어, 제1송신안테나그룹(415)을 통해 송신된 제1비트스트림(a1x1)은 독립된 채널을 통해 제1수신안테나그룹(435)으로 수신된다. 제2송신안테나그룹(425)을 통해 송신된 제2비트스트림(a2x2)은 독립된 채널을 통해 제2수신안테나그룹(445)으로 수신된다. 각각의 독립된 채널의 채널 정보는 비트스트림 간의 간섭 제거 과정에서 유지되므로, 채널 정보를 통해 산출한 빔포밍 벡터 값은 송신장치(410, 420)로 각각 피드백된다. 또한, 각각의 비트스트림이 독립된 채널을 통해 수신되므로 수신장치(430, 440)는 OC를 수행하여 채널 간의 간섭을 제거한다. 이러한 과정을 통해 본 발명의 다중안테나 시스템은 다이버시티와 멀티플렉싱 이득을 동시에 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명이 적용되는 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 방법의 순서를 나타내는 도면이다.
다수의 안테나(220, 225)를 구비하는 송신장치(210)에 의해 송신된 다수의 상이한 데이터스트림은 수신장치(230)의 다수의 안테나(240, 245)를 통해 수신된다(S510). 수신장치(230)의 데이터스트림 검파부(232)는 다수의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 각각의 데이터스트림을 검파한다(S520). 데이터스트림 간의 간섭 제거는 QR 분해, SQRD 등을 통해 수행될 수 있으며, 각 데이터스트림은 채널 정보를 유지한 상태로 검파된다. 수신장치(230)의 빔포밍벡터 산출부(234)는 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하고, 산출된 빔포밍 벡터는 송신장치로 피드백된다(S530). 송신장치(210)는 패드백된 빔포밍 벡터를 통해 다수의 데이터스트림을 송신한다. 수신장치(230)의 채널 간 간섭 제거부(236)는 데이터스트림 검파부(232)에 의해 검파된 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간 간섭을 제거한다(S540)(이때 사용되는 OC 벡터는 상기 채널 정보를 통해 산출됨). 이러한 과정을 통해 본 발명의 다중안테나 시스템(200)은 하나의 데이터스트림만을 처리하도록 설계된 종래의 수신장치의 한계를 극복하고, 채널 간의 간섭에 의해 성능이 저하되는 멀티플렉싱의 한계를 극복하여 다이버시티와 멀티플렉싱의 이득을 동시에 얻을 수 있도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 서로 다른 두 개의 신호를 QRD, SQRD를 사용하여 검파한 경우 SINR 분포 차이를 나타내는 그래프이다.
송신장치가 두 개의 서로 다른 데이터스트림을 전송하는 경우, 수신장치의 데이터스트림 검파부는 두 개의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 각각의 데이터스트림을 검파한다. 이때 각각의 데이터스트림의 SINR을 측정할 수 있다. QR 분해를 통해 데이터스트림 간의 간섭을 제거하는 경우의 SINR은 QR-SINR1 QR-SINR2로, SQRD를 통해 데이터스트림 간의 간섭을 제거하는 경우의 SINR은 SQR-SINR1 SQR-SINR2로 그래프에 표시되어 있다. 또한, QR 분해를 이용한 두 개의 신호의 평균 SINR은 QR-total SINR로, SQR 분해를 이용한 두 개의 신호의 평균 SINR은 SQR-total SINR로 그래프에 표시되어 있다.
QR에 의해 데이터스트림 간의 간섭을 제거하는 경우에는 그래프에 도시된 바와 같이 먼저 검파된 데이터스트림의 SINR이 나중에 검파된 데이터스트림의 SINR에 비해 작은 것을 알 수 있다. SQR에 의해 데이터스트림 간의 간섭을 제거하는 경우에는 그래프에 도시된 바와 같이 먼저 검파된 데이터스트림의 SINR과 나중에 검파된 데이터스트림의 SINR이 거의 동일한 분포를 갖는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 SNR에 따른 비트 오류 확률(BER)을 나타내는 그래프로서, 동일한 양의 데이터를 전송하는 경우 종래 기술(MIMO-Optimum-Combining:MIMO-OC)에 비해 본 발명(Spatial Multiplexing Sorted QR-Decomposition Optimum Combining 또는 Spatial Multiplexing QR-Decomposition Optimum Combining:SM-QRD-OC)의 다중안테나 시스템이 더 좋은 에러 성능을 갖고 있음을 보여준다.
이는 같은 양의 데이터스트림을 전송하는 경우 종래 기술에서 사용하는 변조크기와 본 발명의 변조크기가 서로 다르기 때문이다. 예를 들어, 4개의 송신안테나를 사용해서 8bit의 데이터스트림을 전송하는 경우, 종래 기술(MIMO-OC)은 256QAM의 변조를 사용해야 한다. 하지만 본 발명의 다중안테나 시스템은 성능이 더 우수한 16QAM의 변조를 사용할 수 있으므로 더 낮은 오류 확률(BER)을 갖게 된다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 간섭 신호의 개수에 따라 종래 기술(MIMO-OC)과 본 발명의 다중안테나 시스템의 비트 오류 확률을 간섭 신호의 세기에 따라 비교한 그래프이다. 종래 기술과 본 발명의 다중안테나 시스템 간의 간섭 신호의 영향에 따른 성능 저하를 비교할 수 있다.
도 8는 한 개의 간섭 신호가 존재하는 경우이고, 도 9은 두 개의 간섭 신호가 존재하는 경우이다. 도 8, 도 9 모두 본 발명의 다중안테나 시스템이 더 낮은 오류 확률을 가짐을 보여준다. 또한, 본 발명의 다중안테나 시스템이 간섭 신호의 세기가 커지거나, 간섭 신호의 개수가 증가하는 경우 모두 종래 기술에 비해 뛰어난 성능을 가짐을 보여준다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명이 속하는 기술분야의 종래 기술을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명이 적용되는 다중 안테나 시스템의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 수신장치에서의 다수의 상이한 데이터스트림 수신 상황을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 다중 안테나 수신장치에서의 서로 다른 데이터스트림 간의 간섭을 제거한 후 독립된 채널을 형성한 상황을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명이 적용되는 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 방법을 나타내는 순서도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 QRD와 SQRD의 SINR 분포 차이를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 종래 기술(MIMO-Optimum-Combining:MIMO-OC)과 본 발명(Spatial Multiplexing Sorted QR-Decomposition Optimum Combining:SM-SQRD-OC)의 간섭 대 잡음비(INR)에 따른 수신 SINR의 변화를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 한 개의 간섭 신호가 존재하는 경우 종래기술(MIMO-OC)과 본 발명의 다중안테나 수신장치의 비트 오류 확률을 간섭 신호의 세기에 따라 비교한 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 두 개의 간섭 신호가 존재하는 경우 종래 기술(MIMO-OC)과 본 발명의 다중안테나 수신장치의 비트 오류 확률을 간섭 신호 의 세기에 따라 비교한 그래프.

Claims (14)

  1. 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 다중안테나 수신장치에 있어서,
    상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파하는 데이터스트림 검파부; 및
    상기 데이터스트림 검파부에 의해 검파된 상기 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거하는 채널간 간섭제거부
    를 포함하는 다중안테나 시스템의 수신장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터스트림 검파부에 의해 검파된 상기 각각의 데이터스트림의 상기 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하여 송신장치로 피드백하는 빔포밍벡터산출부
    를 더 포함하는 다중안테나 수신장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 데이터스트림 검파부는
    QR 분해(QR-decomposition)를 통해 상기 다수의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    다중안테나 시스템의 수신장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 QR 분해는
    상삼각형 형태의 nxn R 매트릭스 채널을 통해 데이터스트림 간의 간섭이 없는 n번째 행의 데이터스트림을 검파하고, 먼저 검파된 상기 n번째 행의 데이터스트림을 n-1번째 행의 데이터스트림에서 제거함으로써 순차적으로 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    다중안테나 시스템의 수신장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터스트림 검파부는
    SQR 분해(Sorted QR-decomposition)를 통해 상기 다수의 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    다중안테나 시스템의 수신장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 SQR 분해는
    n번째 행에 가장 큰 값이 위치하는 상삼각형 형태의 nxn R 매트릭스 채널을 통해 데이터스트림 간의 간섭이 없는 n번째 행의 데이터스트림을 검파하고, 먼저 검파된 상기 n번째 행의 데이터스트림을 n-1번째 행의 데이터스트림에서 제거함으로써 순차적으로 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    다중안테나 시스템의 수신장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 채널간 간섭제거부는
    OC(Optimum Combining)를 통해 상기 채널 간의 간섭을 제거하는
    다중안테나 수신장치.
  8. 다중안테나 수신장치에서 다수의 상이한 데이터스트림을 수신하는 방법에 있어서,
    상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 채널 정보가 유지된 상태로 각각의 데이터스트림을 검파하는 단계; 및
    상기 검파된 각각의 데이터스트림에 대하여 채널 간의 간섭을 제거하는 단계
    를 포함하는 데이터스트림 수신 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검파된 각각의 데이터스트림의 상기 채널 정보를 통해 빔포밍 벡터를 산출하고, 상기 산출된 빔포밍벡터를 송신장치로 피드백하는 단계
    를 더 포함하는 데이터스트림 수신 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 데이터스트림을 검파하는 단계는
    QR 분해(QR-decomposition)를 통해 상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    데이터스트림 수신 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 데이터스트림을 검파하는 단계는
    상삼각형 형태의 nxn R 매트릭스 채널을 통해 데이터스트림 간의 간섭이 없는 n번째 행의 데이터스트림을 검파하는 단계;
    먼저 검파된 상기 n번째 행의 데이터스트림을 n-1번째 행의 데이터스트림에서 제거함으로써 순차적으로 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는 단계;
    를 포함하는 데이터스트림 수신 방법.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 데이터스트림을 검파하는 단계는
    SQR 분해(Sorted QR-decomposition)를 통해 상기 다수의 상이한 데이터스트림 간의 간섭을 제거하여 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는
    데이터스트림 수신방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 데이터스트림을 검파하는 단계는
    n번째 행에 가장 큰 값이 위치하는 상삼각형 형태의 R 매트릭스 채널을 통해 데이터스트림 간의 간섭이 없는 n번째 행의 데이터스트림을 검파하는 단계;
    먼저 검파된 상기 n번째 행의 데이터스트림을 n-1번째 행의 데이터스트림에서 제거함으로써 순차적으로 상기 각각의 데이터스트림을 검파하는 단계
    를 포함하는 데이터스트림 수신 방법.
  14. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 채널간 간섭을 제거하는 단계는
    OC(Optimum Combining)를 통해 상기 채널 간의 간섭을 제거하는
    데이터스트림 수신 방법.
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