KR100958780B1 - 직교 시공간 부호 시스템에서 송신 안테나의 결정 방법 및장치 - Google Patents

직교 시공간 부호 시스템에서 송신 안테나의 결정 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

직교 시공간 부호 시스템에서 송신 안테나의 결정 방법 및 장치를 개시한다. 송신 안테나의 결정 방법은 모든 가능한 송신 안테나 조합 각각에 대하여 채널과 프리코더의 곱으로 구성되는 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리를 최소화 시키는 코드워드를 결정하는 단계 및 상기 결정된 코드워드에 따른 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리 중 최대값을 갖는 안테나 선택 지수를 결정하는 단계를 포함한다.
Figure R1020080014679
STBC(Space Time Block codes), antenna selection, 벡터 양자화,

Description

직교 시공간 부호 시스템에서 송신 안테나의 결정 방법 및 장치{Method and Apparatus for determining transmit antenna in orthogonal space time block codes system}
본 발명은 직교 시공간 부호 시스템에 관한 것으로서, 특히 코드북을 이용하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신 안테나를 결정하기 위한 송신 안테나의 결정 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템에서 가장 중요한 문제는 채널(channel)을 통하여 얼마나 효율적이고 신뢰성 있게(reliably) 데이터(data)를 전송할 수 있느냐 하는 것이다. 최근에 활발하게 연구되고 있는 차세대 멀티미디어 이동 통신 시스템에서는 초기의 음성 위주의 서비스를 벗어나 영상, 무선 데이터 등의 다양한 정보를 처리하고 전송할 수 있는 고속 통신 시스템이 요구됨에 따라 시스템에 적절한 채널 부호화 방식을 사용하여 시스템의 효율을 높이는 것이 필수적이다.
상기한 안테나 다이버시티 방식을 효율적으로 적용하기 위해서 제안된 방식 들 중의 하나인 직교 시공간 블록 부호화(OSTBCs; orthogonal space time block codes) 방식은 "Vahid Tarokh" 등에 의해 제안되었으며, 이는 "S.M.Alamouti" 송신 안테나 다이버시티 방식을 2 개 이상의 송신 안테나를 사용하는 송신기에 적용할 수 있도록 확장한 방식이다.
상기한 직교 시공간 블록 부호화 방식은 하나의 타임 슬롯에서 2 개의 송신 안테나를 통하여 송신 신호를 전송하기 때문에, 다수의 송신 안테나 중 채널 상황이 우수한 2개의 송신 안테나 조합을 결정하기 위한 알고리즘이 필요하다.
따라서, 본 발명은 매 타임 슬롯에서 다수의 송신 안테나 중 채널 상황이 우수한 2개의 송신 안테나 조합을 결정하기 위한 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 코드북을 이용하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신안테나를 선택함으로써 직교 시공간 부호 시스템에서 적은 복잡도를 가지고 채널 상황이 우수한 2개의 송신 안테나 조합을 결정 할 수 있는 송신 안테나 결정 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 해결 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예는 모든 가능한 송신 안테나 조합 각각에 대하여 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리를 최소화시키는 코드워드를 결정하는 단계 및 상기 결정된 코드워드에 따른 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리 중 최대값을 갖는 안테나 선택 지수를 결정하는 단계를 포함하는 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 상기 결정된 안테나 선택 지수를 피드백 채 널을 통하여 수신단으로 전송하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 장치는 N(N은 2 이상의 정수)개의 송신안테나로부터 송신된 송신 신호를 수신하는 수신 안테나 및 상기 수신 안테나를 통하여 수신된 수신신호와 추정 송신신호 사이의 거리에 기초하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신 안테나 지수를 결정하되, 상기 오류율은 소정 코드북에 의하여 결정하는 STBC 수신부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 코드북을 이용하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신안테나를 선택함으로써 직교 시공간 부호 시스템에서 적은 복잡도를 가지고 채널 상황이 우수한 2개의 송신 안테나 조합을 결정 할 수 있는 송신 안테나 결정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어 들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
하기의 설명에 있어서, ( )* 는 공액(conjugate), ( )T 는 전치(transpose), ( )H 는 에르미트 전치(Hermitian transpose)를 나타내고, Tr{ }는 행렬의 대각합(trace), E{ }는 행렬의 기대값,
Figure 112008012111390-pat00001
은 벡터의 프로비니어스 놈(Frobenius norm)을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 결정 방법을 수행하기 위한 송수신단 구성을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 송신단은 STBC 송신부(101) 및 다수의 송신 안테나(103,105,107,109)를 포함하고, 수신단은 적어도 하나의 수신 안테나(111) 및 STBC 수신부(113)를 포함하여 이루어진다.
보다 구체적으로, 송신단은 N(N은 2 이상의 정수)개의 송신안테나(103,105,107,109) 및 코드북을 이용하여 결정된 안테나 선택 지수에 의하여 상기 2N 개의 송신 안테나(103,105,107,109) 중 2개의 송신 안테나를 통하여 송신 신호를 전송하기 위한 STBC 송신부(101)를 포함한다.
보다 구체적으로, 수신단은 N(N은 2 이상의 정수)개의 송신안테나로부터 송신된 송신 신호를 수신하는 수신 안테나(111) 및 상기 수신 안테나를 통하여 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리에 기초하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신 안테나 지수를 결정하되, 상기 오류율은 소정 코드북에 의 하여 결정하는 STBC 수신부(113)를 포함한다.
송신단과 수신단 사이의 채널은 일반적인 시공간 상관 관계를 갖는 채널이라 가정한다.
Alamouti 송신 안테나 다이버시티 방식은 송신단에서 2개의 송신 안테나들을 사용할 경우에 적용되는 송신 안테나 다이버시티 방식으로서, STBC 부호화부(101)로 입력되는 변조 심벌들 xi,xj에 대한 부호화 식은 수학식 3과 같이 정의 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112008012111390-pat00002
수학식 1에서,
Figure 112008012111390-pat00003
는 수학식 2로 정의되는 Alamouti 코드를 의미한다.
[수학식 2]
Figure 112008012111390-pat00004
한편, STBC 부호화부(101)는 수학식 3와 같이 정의되는
Figure 112008012111390-pat00005
선형 프리코더(linear precoder)와 입력 벡터
Figure 112008012111390-pat00006
의 곱에 의하여 M차 순환(rotated) 벡터
Figure 112008012111390-pat00007
를 생성할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112008012111390-pat00008
수학식 3에서,
Figure 112008012111390-pat00009
이고,
Figure 112008012111390-pat00010
은
Figure 112008012111390-pat00011
을 만족하는 정규화 인수(factor)이다.
상기 수신 안테나(111)을 통하여 수신되는 신호 벡터는 수학식 4와 같이 정의 할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112008012111390-pat00012
이때,
Figure 112008012111390-pat00013
은
Figure 112008012111390-pat00014
수신 벡터이고,
Figure 112008012111390-pat00015
은
Figure 112008012111390-pat00016
노이즈 벡터를 나타낸다. 또한,
Figure 112008012111390-pat00017
은 수학식 1의 i 번째 열이고,
Figure 112008012111390-pat00018
이다. 여기서,
Figure 112008012111390-pat00019
이다.
Figure 112008012111390-pat00020
은 n번째 심볼 구간에 m번째 송신 안테나에 해당하는 채널을 의미한다.
만일, 송신 안테나(103,105,107,109)의 수를 4라 가정하면, 수학식 5의 관계가 성립한다.
[수학식 5]
Figure 112008012111390-pat00021
수학식 5에서,
Figure 112008012111390-pat00022
는 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112008012111390-pat00023
여기서,
Figure 112008012111390-pat00024
는 안테나 선택 방식에 의해서 결정되며 1에서 4사이의 값을 갖는다.
상기 수학식 6을 참조하면, 매 2번의 심볼 타임 슬롯에서 단지 2개의 송신 안테나가 사용됨을 알 수 있다. 채널 추정이 완벽하다고 가정하면, 수신단에서 송신 안테나를 결정하고, 시간 지연이 없는 피드백 채널(115)을 통하여 결정된 송신 안테나 정보를 송신단으로 피드백 할 수 있게 된다.
송신 안테나 결정 방법은 최대 전력 선택(MaxPower) 방법과 최소 쌍 오류율 선택 방법(Minimum Pairwise error probability criterion)이 있다. 상기 최대 전력 선택 방법은 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112008012111390-pat00025
상기 최소 쌍 오류율 선택 방법은 하기 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112008012111390-pat00026
수학식 8에서,
Figure 112010013197028-pat00027
는 모든 가능한 에러 벡터의 집합이고, 크기는
Figure 112010013197028-pat00028
이며, 이때 k는 콘스텔레이션(constellation)의 크기이다. 따라서, 4QAM인 경우 k=4가 된다. 상기 수학식 8을 참조하면, 최소 쌍 오류율 선택 방법의 연산 복잡도는
Figure 112010013197028-pat00029
및
Figure 112010013197028-pat00030
에 따라서 결정되며,
Figure 112010013197028-pat00031
이다.
일반적으로, 상기 최소 쌍 오류율 선택 방법은 상기 최대 전력 선택 방법에 비하여 우수한 성능을 갖지만, 복잡도가 매우 큰 문제가 있다.
따라서, 이러한 복잡도를 감소시킬 수 있는 방법을 살펴 보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나 결정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나 결정 방법은 모든 가능한 송신 안테나 조합 각각에 대하여 채널과 프리코더의 곱으로 구성되는 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리를 최소화시키는 코드워드를 결정하고(S201), 상기 결정된 코드워드에 따른 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호와 오류 신호 사이의 거리 중 최대값을 갖는 안테나 선택 지수를 결정(S203)하는 것이다. 상기 결정된 안테나 선택 지수는 피드백 채널(115)을 통하여 송신단으로 전송된다(S205).
보다 구체적으로 STBC 복호화부(113)는 모든 가능한 송신 안테나 선택 각각에 대하여 수신신호와 추정 송신신호 사이의 거리를 최소화시키는 코드워드를 결정한다(S201).
예를 들어, 송신단 안테나가 제1 안테나(103), 제2 안테나(105), 제3 안테나(107), 제4 안테나(109)로 이루어진다고 가정하면, 모든 가능한 송신 안테나 조합은 (103, 105), (103, 107), (103, 109), (105, 107), (105, 109), (107, 109)이다. 그리고, 수신신호와 추정 송신신호 사이의 거리를 최소화시키는 코드워드는 이들 송신 안테나 조합 각각에 대한 프로비니어스 놈 연산을 통하여 구할 수 있다.
다음에, STBC 복호화부(113)는 수학식 9에 의하여 상기 결정된 코드워드에 따른 수신신호와 추정 송신신호 사이의 거리 중 최대값을 갖는 안테나 선택 지수를 결정한다(S203).
상기 S201 및 S203 단계는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112008012111390-pat00032
수학식 9에서,
Figure 112010013197028-pat00033
는 오류 코드북(error codebook)이고,
Figure 112010013197028-pat00034
이다. 수학식 9에 따르면, 하기 수학식 9-1를 이용하여 송신신호
Figure 112010013197028-pat00052
와 수신신호
Figure 112010013197028-pat00053
와의 최소 거리 결정을 수행하고, 하기 수학식 9-2를 송신 안테나 조합 중에서 가장 큰 최소 거리를 갖는 송신 안테나 조합을 결정할 수 있음을 의미한다.
[수학식 9-1]
Figure 112010013197028-pat00054

[수학식 9-2]
Figure 112010013197028-pat00055
한편, 양자화 벡터 알고리즘에 기초한 오류 코드북은 상기 모든 가능한 에러 벡터 집합
Figure 112010013197028-pat00035
을 L 사이즈, M차 벡터 집합(오류 코드북)으로 맵핑(mapping)시킨 것이다. 상기 오류 코드북은 다음 과정에 의하여 얻을 수 있다{Y. Linde, A. Buzo and R. Gray, "An algorithm for vector quantizer design," IEEE Trans. on Commun., vol. 28, no. 1, pp. 84-95, June 1980.}.
1. 초기화(Initialization): 초기 L 사이즈 코드북
Figure 112008012111390-pat00036
, 반복 수 t, 평균 디스토션(average distortion)
Figure 112008012111390-pat00037
, 디스토션 임계치
Figure 112008012111390-pat00038
를 설정한다.
2.
Figure 112008012111390-pat00039
에 대하여 최소 디스토션 파티션(partition)을 찾는다. 이때, 최소 디스토션 파티션은,
Figure 112008012111390-pat00040
에 의하여 구할 수 있다. 여기서,
Figure 112008012111390-pat00041
이다.
다음에, 하기 수학식 10에 의하여 평균 디스토션을 구한다.
[수학식 10]
Figure 112008012111390-pat00042
3.
Figure 112008012111390-pat00043
이면, 해당
Figure 112008012111390-pat00044
를 최종 에러 코드북으로 결정하고, 아닌 경우에는 조건을 만족 할 때까지 계속한다.
4.
Figure 112008012111390-pat00045
으로 설정하고, t를 t+1로 변경하여 1. 과정으로 되돌아 간다. 여기서,
Figure 112008012111390-pat00046
이고,
Figure 112008012111390-pat00047
는 파티션
Figure 112008012111390-pat00048
의 사이즈이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나 결정 방법의 복잡도는 코드북 사이즈 L에 따라서 결정됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 코드북의 적절한 디자인을 통하여 전체 복잡도를 크게 감소 시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 복잡도와 시스템 성능(performance) 사이의 트래이드-오프(trade-off)를 구현 환경에 따라서 적절히 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 송신단에서의 송신 안테나 결정 방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, STBC 부호화부(101)는 코드북을 이용하여 결정된 안테나 선택지수를 피드백 채널을 통하여 수신한다(S301). 여기서, 상기 결정된 안테나 선택지수는 상기한 도 2의 과정을 통하여 구한 결과이다. 그리고, STBC 부호화부(101)는 수신된 안테나 선택 지수에 따라 송신 안테나를 결정한다(S303). 다음에 STBC 부호화부(101)는 상기 결정된 송신 안테나를 통하여 부호화된 송신신호를 수신단으로 전송한다.
본 발명에 따른 송신 안테나 결정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 결정 방법을 수행하기 위한 송수신단 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나 결정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 송신단에서의 송신 안테나 결정 방법을 나타낸다.

Claims (9)

  1. 복수의 송신 안테나로부터 송신된 신호를 하나의 수신 안테나로 송신된 신호를 수신하는 단계;
    상기 복수의 송신 안테나 중 송신 안테나를 2개씩 선택한 송신 안테나 조합들을 결정하는 단계;
    상기 송신 안테나 조합들 각각에 대하여, 채널과 프리코더의 곱으로 구성되는 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호
    Figure 112010013197028-pat00056
    와 수신신호
    Figure 112010013197028-pat00057
    와의 최소 거리 결정을, 하기 수학식 1을 이용하여 결정하는 단계;
    [수학식 1]
    Figure 112010013197028-pat00058
    (여기서,
    Figure 112010013197028-pat00059
    는 오류 코드북(error codebook),
    Figure 112010013197028-pat00060
    는 모든 가능한 송신 안테나 조합에 의해서 생성되는 채널의 집합,
    Figure 112010013197028-pat00061
    는 선형 프리코더)
    상기 송신 안테나 조합 중에서 가장 큰 최소 거리를 갖는 송신 안테나 조합을 하기 수학식 2를 이용하여 결정하는 단계를 포함하는,
    [수학식 2]
    Figure 112010013197028-pat00062
    직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 송신신호
    Figure 112010013197028-pat00063
    와 수신신호
    Figure 112010013197028-pat00064
    와의 최소 거리를 구하기 위한 오류 코드북
    Figure 112010013197028-pat00065
    는,
    안테나 조합을 결정하기 전에, 에러 벡터 집합에 대한 양자화 벡터 알고리즘을 통해 생성된 L개의 오류 코드로 이루어 진 코드북임을 특징으로 하는,
    직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 송신 안테나 조합을 피드백 채널을 통하여 송신단으로 전송하는 단계를 더 포함하는 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 결정된 송신 안테나 조합을 피드백 채널을 통하여 송신단에서 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 송신 안테나 조합에 따라서 상기 복수의 송신 안테나 중 2개의 송신 안테나를 통하여 송신 신호를 전송하는 단계를 포함하는 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 방법.
  5. 삭제
  6. 복수의 송신안테나로부터 송신된 송신 신호를 수신하는 수신 안테나; 및
    상기 수신 안테나를 통하여 수신된 수신신호와 추정 송신신호 사이의 거리에 기초하여 최소 쌍 오류율을 갖는 송신 안테나 조합을 결정하는 STBC 수신부를 포함하고,
    상기 STBC 수신부는, 상기 복수의 송신 안테나 중 송신 안테나를 2개씩 선택한 송신 안테나 조합들을 결정하고, 상기 송신 안테나 조합들 각각에 대하여, 채널과 프리코더의 곱으로 구성되는 유효채널의 열공간으로 투영시킨 송신신호
    Figure 112010013197028-pat00066
    와 수신신호
    Figure 112010013197028-pat00067
    와의 최소 거리 결정을, 하기 수학식 1을 이용하여 결정하고,
    [수학식 1]
    Figure 112010013197028-pat00068
    (여기서,
    Figure 112010013197028-pat00069
    는 오류 코드북(error codebook),
    Figure 112010013197028-pat00070
    는 모든 가능한 송신 안테나 조합에 의해서 생성되는 채널의 집합,
    Figure 112010013197028-pat00071
    는 선형 프리코더)
    상기 STBC 수신부는, 상기 송신 안테나 조합 중에서 가장 큰 최소 거리를 갖는 송신 안테나 조합을 하기 수학식 2를 이용하여 결정하는,
    [수학식 2]
    Figure 112010013197028-pat00072
    직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 송신신호
    Figure 112010013197028-pat00073
    와 수신신호
    Figure 112010013197028-pat00074
    와의 최소 거리를 구하기 위한 오류 코드북
    Figure 112010013197028-pat00075
    는,
    테나 조합을 결정하기 전에, 에러 벡터 집합에 대한 양자화 벡터 알고리즘을 통해 생성된 L개의 오류 코드로 이루어 진 코드북임을 특징으로 하는,
    직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 STBC 수신부는,
    상기 결정된 송신 안테나 조합을 피드백 채널을 통하여 송신단으로 전송하는 것을 특징으로 하는 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송신단은,
    복수의 송신안테나; 및
    상기 결정된 송신 안테나 조합에 따라서 상기 복수의 송신 안테나 중 2개의 송신 안테나를 통하여 송신 신호를 전송하는 STBC 송신부를 포함하는 직교 시공간 부호 시스템의 송신 안테나 결정 장치.
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KR20060007492A (ko) * 2004-07-20 2006-01-26 삼성전자주식회사 계층적 시공간 블록 부호화 방식을 사용하는 다중 입력다중 출력 시스템에서 안테나 셔플링 정보 피드백 방법
KR20070090587A (ko) * 2006-03-03 2007-09-06 삼성전자주식회사 다중 입력 다중 출력 방식을 사용하는 이동 통신시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법

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