KR100967954B1 - 유사 직교 시공간 블록 부호 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유사 직교 시공간 블록 부호 시스템 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 부호화율이 1인 동시에 복호시 단순한 선형 알고리즘만으로도 부호화된 신호의 복호가 가능하기 때문에 시스템이 매우 복잡해지지 않으며, 추정된 신호에 인접 신호의 간섭 성분이 전혀 존재하지 않기 때문에, 시스템의 성능이 좋아진다.

유사 직교 시공간 블록 부호, QO-STBC, 그라미안 행렬, 대각행렬

Description

유사 직교 시공간 블록 부호 시스템 및 방법{System and method for quasi orthogonal space time block coding}

본 발명은 유사 직교 시공간 블록 부호 시스템 및 방법에 관한 것이다.

이동통신 시스템에서는 채널에서 발생하는 페이딩 및 간섭 등으로 인하여 채널의 상태가 시간에 따라 매우 다양하게 변화할 수 있다. 이러한 환경에서, 송신단의 다수의 안테나로부터 동일한 신호를 전송할 경우, 수신단에서는 서로 다른 채널 환경으로부터 수신한 신호를 결합하여 다이버시티 이득을 취하기 때문에, 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

시공간 블록부호(STBC: Space-Time Block Coding) 기술은 다수 개의 안테나에서 동시에 동일한 정보를 다른 형태로 부호화한 후 수신단으로 전송하여, 다이버시티 이득을 얻을 수 있도록 하는 기술이다. 이 기술은 송신단에서 두 개의 안테나를 사용하여 두 심볼 구간 동안에 각각의 안테나에서 전송하는 두 심볼의 부호화된 형태가 서로 다르도록 설계한다. 그리고 나서 설계된 구조가 직교성을 유지하도록 하여 송신단에서는 단순한 선형적 복호가 가능하면서도 많은 다이버시티 이득을 얻을 수 있도록 하는 방식이다. 이 방식의 부호화율은 각 안테나에서 평균 1 심볼 구 간동안 전송되는 심볼의 수가 1인 부호화율이 1인 방식이다.

일반적으로 다수 개의 안테나를 사용하는 전송 다이버시티 방식에서는 안테나의 개수가 늘어날수록 다이버시티 이득이 증가한다. 그러나, 송신 안테나의 개수가 3개 이상일 경우에는 부호화율이 1인 직교 시공간 블록 부호(O-STBC: Orthogonal STBC) 방식이 존재할 수 없기 때문에, 충분한 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 부호화율이 1보다 작은 방식을 사용하여야 한다.

따라서 일반적으로 송신 안테나가 3개 또는 4개를 사용하는 직교 시공간 블록 부호 방식의 부호화율은 0.5 또는 0.75의 부호화율을 보인다. 이러한 부호화율의 감소는 신호의 전송 속도 측면에서 매우 불리하게 작용할 수 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호(QO-STBC: Quasi-Orthogonal Space-Time Block Coding) 기술들이 다양하게 제안되었다. 그러나, 일반적인 유사 직교 시공간 블록 부호 방식들은 완전 직교성이 유지되지 않기 때문에, 수신단의 복호 알고리즘이 매우 복잡해진다는 단점이 있다. 또한, 완전 직교성이 유지되지 않기 때문에, 수신 신호의 검출시 인접 신호의 간섭이 존재하여 시스템의 성능이 저하되는 단점도 있다.

따라서, 본 발명은 부호화율이 1이면서도 복호 과정이 선형적으로 이루어질 수 있는 유사 직교 시공간 블록 부호 시스템 및 방법을 제공한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 부호화 행렬을 구하는 방법은,

복수의 안테나를 통해 전송될 복수의 송신 심볼들로 이루어진 제1 시공간 블록 부호화 행렬에 대한 제1 채널 행렬의 제1 그라미안 행렬을 구하는 단계; 상기 제1 그라미안 행렬에 대한 회전 행렬을 구한 후 상기 제1 그라미안 행렬에 적용하여, 대각 행렬인 제2 그라미안 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 제2 그라미안 행렬을 이용하여 생성된 제2 채널 행렬에 대한 제2 시공간 블록 부호화 행렬을 구하는 단계를 포함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 유사 직교 시공간 부호화 시스템은,

대각 행렬인 그라미안 행렬을 이용하여 생성된 부호화 행렬을 이용하여 전송될 심볼들을 부호화하고, 복수의 송신 안테나로 부호화된 신호를 출력하는 부호부; 및 부호화된 신호를 수신하여 선형 복호하는 복호부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 부호화율이 1인 동시에 복호시 단순한 선형 알고리즘만으 로도 부호화된 신호의 복호가 가능하기 때문에 시스템이 매우 복잡해지지 않는다. 또한, 추정된 신호에 인접 신호의 간섭 성분이 전혀 존재하지 않기 때문에, 시스템의 성능이 좋아진다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에 대한 설명에 앞서, 본 발명의 실시예에서는 4개의 송신 안테나와 1개의 수신 안테나가 존재하는 시스템을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유사 직교 시공간 블록 부호 방식을 이용하여 전송 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 시스템의 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 부호기(100)가 포함된 송신단과 복호기(200)가 포함된 수신단을 포함한다. 여기서 송신단은 안테나가 4개이고 수신단은 안테나가 1개인 경우를 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

송신단에서 신호를 수신단으로 전송하기 위해서는 부호화하여야 하며, 이때 신호의 부호화는 부호기(100)에서 수행된다. 본 발명의 실시예에서는 심볼 주기당 전송되는 심볼이 1개가 되도록 하는 부호화율이 1인 방식을 이용한다. 그리고 수신단의 복호기(200)는 수신한 부호화된 신호를 선형적인 복호만으로도 쉽게 복호할 수 있다. 이를 위해 송신단의 부호기(100)에서는 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호 방법을 통해 신호를 부호화하며, 유사 직교 시공간 블록 부호화를 위한 행렬에 대한 생성 과정은 도 2를 참조로 상세히 설명하기로 한다.

도 2에 의한 생성 과정을 설명하기 위하여, 먼저 일반적인 송신 안테나가 4개인 시스템에서 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호화 방식의 부호화 행렬에 대하여 설명하기로 한다. 일반적인 유사 직교 시공간 블록 부호화 행렬 C_J는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 x₁, x₂, x₃, x₄는 송신단에서 4개의 심볼 구간동안 연속적으로 수신단으로 전송되는 심볼들을 나타내며, 위첨자 *는 복소 공액 연산을 나타낸다. 4개의 심볼 구간동안의 채널 상태가 거의 일정하다고 가정하고, 수신 안테나가 한 개일 경우를 고려하면 4개의 심볼 구간동안 수신단으로 수신되는 신호는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 r = [r₁ r₂ r₃ r₄]^T는 4개의 심볼 구간 동안 순차적으로 수신단에 수신되는 신호이고, h₁, h₂, h₃, h₄는 4개의 송신 안테나에서 들어오는 신호의 페이딩 채널 값을 나타낸다. 그리고 n₁, n₂, n₃, n₄는 4개의 심볼 구간에서의 수신 잡음을 나 타낸다.

수학식 2에 선형 대수 과정을 여러번 반복하여 수행하면 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

이러한 방식에서는 송신단이 송신한 신호 x₁, x₂, x₃, x₄에 대한 추정치를 얻기 위하여 선형적 계산 과정만을 수행해서는 추정치를 찾을 수 없을 뿐 아니라, 간섭 신호가 존재하게 된다. 즉, 채널 행렬을 수학식 4와 같이 정의하면, 수학식 5와 같이 송신단에서 송신한 신호에 대한 추정치를 구할 수 있다.

여기서, 만약 시스템이 직교 시공간 블록 부호 방식이라면 수신단에서 볼 때 그라미안 행렬

이 이 항상 대각 행렬이기 때문에 복잡한 역행렬을 구해야 하는 과정 및 추가 연산 과정이 필요 없다. 그러나, 수학식 5의 결과를 보면 일반적인 유사 직교 시공간 블록 부호 방식에서는 그라미안 행렬의 역행렬을 구한 후 추가적인 행렬 곱셈을 수행해야 하며, 추정된 신호에 다른 인접 신호에 대한 간섭 신호 성분이 존재하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 그라미안 행렬

을 대각 행렬로 변형하여, 일반적인 유사 직교 시공간 블록 부호 방식이 가지고 있었던 문제점을 해결할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호 기술을 이용한 흐름도이다.

일반적인 유사 직교 시공간 블록 부호화 행렬에 대한 채널 행렬에 대한 그라미안 행렬

을 구하면, 다음 수학식 6과 같이 표현할 수 있다(S100).

여기서,

이다.

수학식 6에 나타낸 바와 같이 그라미안 행렬

이 대각 행렬이 아니기 때문에, 주 대각 성분이 아닌 성분을 소거하기 위하여 수학식 7과 같은 기븐스(Givens) 회전 행렬 G₁을 구한다(S110). 여기서는 주 대각 성분이 아닌 β를 먼저 소거하는 것을 예로 하여 설명한다. 또한, 기븐스 회전 행렬의 생성 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

수학식 7과 같은 기븐스 회전 행렬 G1을 수학식 6의 그라미안 행렬에 적용하여 β가 소거된 새로운 그라미안 행렬 △₁을 구하면 다음 수학식 8과 같다(S120).

수학식 8과 같이 새로운 그라미안 행렬 △₁이 생성되면, 해당 행렬이 대각 행렬인지 여부를 판단한다(S130). 여기서는 새로운 그라미안 행렬 △₁이 여전히 대각 행렬이 아님을 알 수 있다. 따라서 주 대각 성분이 아닌

를 소거하기 위한 기븐스 회전 행렬 G₂를 다음 수학식 9와 같이 구하여 새로운 그라미안 행렬 △₁에 적용함으로써 수학식 10과 같은 대각 행렬을 얻을 수 있다.

수학식 10에 나타낸 바와 같이 최종적으로 구한 그라미안 행렬 △₂가 대각행렬이기 때문에, 새로운 채널 행렬 H_n은 (H·G₁·G₂)로 구할 수 있다(S140). 이와 같은 결과로 구하여진 새로운 채널 행렬 H_n는 수학식 11과 같이 얻을 수 있고, 이에 해당하는 부호화 행렬 C_n은 수학식 12와 같이 얻을 수 있다(S150).

수학식 11에서 구한 새로운 채널 행렬 H_n은 모든 행과 열이 서로 직교하기 때문에 수신단에서는 단순히 수학식 11에 대한 그라미안 행렬 H_n·(H_n)^H 만을 이용하여 복호할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 심볼을 부호화한 경우, 시스템 성능에 대하여 도 3을 참조로 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유사 직교 시공간 블록 부호 기술의 성능을 비교한 예시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호 기술은 기존 유사 직교 시공간 부호화 방식에 비해 비트 오율이 10-6인 지점에서 5dB 이상 전력 이득을 보임을 알 수 있다. 또한, 부호화율이 1/2인 직교 시공간 부호화 방식에 비해서는 신호 대 잡음비가 낮은 구간에서 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유사 직교 시공간 블록 부호 방식을 이용하여 전송 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 시스템의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 부호화율이 1인 유사 직교 시공간 블록 부호 기술을 이용한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유사 직교 시공간 블록 부호 기술의 성능을 비교한 예시도이다.

Claims (7)

1. 유사 직교 시공간 블록 부호 방식을 사용하는 시스템에서 부호화 행렬을 구하는 방법에 있어서,

   복수의 안테나를 통해 전송될 복수의 송신 심볼들로 이루어진 제1 시공간 블록 부호화 행렬에 대한 제1 채널 행렬의 제1 그라미안 행렬을 구하는 단계;

   상기 제1 그라미안 행렬에 대한 회전 행렬을 구한 후 상기 제1 그라미안 행렬에 적용하여, 대각 행렬인 제2 그라미안 행렬을 생성하는 단계; 및

   상기 생성된 제2 그라미안 행렬을 이용하여 생성된 제2 채널 행렬에 대한 제2 시공간 블록 부호화 행렬을 구하는 단계

   를 포함하는 부호화 행렬 생성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 생성된 제2 그라미안 행렬이 대각 행렬이 아닌 경우,

   상기 제2 그라미안 행렬에 대한 회전 행렬을 구한후 상기 제2 그라미안 행렬에 적용하여 상기 제2 그라미안 행렬이 대각 행렬이 될 때까지 반복하는 단계

   를 포함하는 부호화 행렬 생성 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 그라미안 행렬은 상기 제1 채널 행렬과 상기 제1 채널 행렬에 대한 에르미트 행렬을 통해 구해지는 부호화 행렬 생성 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2 채널 행렬은 상기 제1 채널 행렬과 상기 회전 행렬의 곱으로 형성되는 부호화 행렬 생성 방법.
5. 유사 직교 시공간 부호화 시스템에 있어서,

   대각 행렬인 그라미안 행렬을 토대로 채널 행렬을 구하고, 상기 채널 행렬로부터 생성된 부호화 행렬을 이용하여 전송될 심볼들을 부호화하고, 복수의 송신 안테나로 부호화된 신호를 출력하는 부호부; 및

   부호화된 신호를 수신하여 선형 복호하는 복호부

   를 포함하는 유사 직교 시공간 부호화 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 부호부는,

   상기 복수의 송신 안테나를 통해 송신할 신호로 구성된 시공간 블록 부호화 행렬에 대한 채널 행렬의 그라미안 행렬을 이용하여, 상기 전송될 심볼을 부호화하여 전송하는 유사 직교 시공간 부호화 시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 선형 복호는, 상기 복수의 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널값을 계산하고, 구하여진 채널값으로부터 형성된 채널 행렬에 대한 그라미안 행렬을 이용하여, 수신된 신호로부터 전송 심볼을 복호화하는 유사 직교 시공간 부호화 시스템.

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