KR100983231B1

KR100983231B1 - 고유모드마다 적용되는 선택적 채널 인버전을 갖는 코딩된ｍｉｍｏ 시스템

Info

Publication number: KR100983231B1
Application number: KR1020057002684A
Authority: KR
Inventors: 이리나 메드베데브; 자이 로드 왈톤; 존 더블유. 케첨
Original assignee: 콸콤 인코포레이티드
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2010-09-20
Also published as: KR20050058333A; CN1679269A; DE60310237D1; TWI324862B; CA2496619A1; BR0313819A; DE60310237T2; JP2005537750A; JP4386836B2; US8194770B2; WO2004021634A1; HK1083283A1; AU2003265601A1; MXPA05002229A; IL166579A0; TW200414708A; AU2003265601B2; US20040042556A1; EP1532762B1; CN100370721C

Abstract

높은 스펙트럼 효율을 획득하는 동시에 송신기 및 수신기 양쪽 모두에서의 복잡도를 감소시키기 위해 MIMO 시스템에서 고유모드마다 선택적 채널 인버전을 수행하는 기수리 제공된다. 인용가능한 전송 채널이 다수의 그룹들에 배치되는데, 여기서 각각의 그룹은 MIMO 채널의 각 고유모드에 대한 모든 전송 채널들(또는 주파수 빈들)을 포함할 수 있다. 총 전송 전력은 특정 그룹 전력 할당 방식을 사용하여 그룹에 할당된다. 다음으로, 데이터 전송에 사용하기 위해서 선택되는 각각의 그룹에 대해 선택적 채널 인버전이 독립적으로 수행된다. 각각의 그러한 그룹에 대해서, 상기 그룹의 하나 이상의 전송 채널들이 사용하기 위해 선택되고, 각각의 선택된 채널에 대한 스케일링 인자가 결정됨으로써 상기 그룹의 모든 선택된 채널들이 유사한 수신 신호 품질(예컨대, 수신 SNR)을 달성한다.

Description

고유모드마다 적용되는 선택적 채널 인버전을 갖는 코딩된 ＭＩＭＯ 시스템{CODED MIMO SYSTEMS WITH SELECTIVE CHANNEL INVERSION APPLIED PER EIGENMODE}

본 발명은 일반적으로 데이터 통신에 관한 것으로서, 더 상세하게는, MIMO 시스템을 위해 고유모드마다 선택적 채널 인버전을 수행하기 위한 기술들에 관한 것이다.

다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템은 데이터 전송을 위해서 다중(N_T) 전송 안테나들 및 다중(N_R) 수신 안테나들을 이용한다. N_T개의 전송 안테나들 및 N_R개의 수신 안테나들에 의해서 형성된 MIMO 채널은 N_S개의 독립적인 채널들로 분해될 수 있는데, N_S≤min{N_T,N_R}이다. N_S개의 독립적인 채널들 각각은 MIMO 채널의 고유모드 또는 공간 서브채널로도 지칭된다.

광대역 MIMO 시스템의 공간 서브채널은 페이딩 및 다중경로와 같은 여러 요인들로 인해 상이한 채널 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 각각의 공간 서브채널은 주파수 선택적 페이딩이 발생할 수 있는데, 상기 주파수 선택적 페이딩은 전체적인 시스템 대역폭의 상이한 주파수들에서 상이한 채널 이득들을 특징으로 한다. 어떠한 전력 제어도 없다고 가정하면, 이는 각각의 공간 서브채널의 상이한 주파수에서 상이한 신호-대-간섭비(SNR)를 초래하고, 이는 특정 레벨의 성능(예컨대, 1% 패킷 에러 레이트)을 위한 상이한 데이터 레이트를 지원할 수 있을 것이다.

광대역 채널에서의 주파수 선택적 페이딩을 제거하기 위해서는, 전체적인 시스템 대역폭을 다수(N_F)의 서브대역들로 효과적으로 분할하기 위해서 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)가 사용될 수 있다. OFDM을 통해서, 각각의 서브대역에는 각각의 서브캐리어가 할당되는데, 상기 서브캐리어에서 데이터가 변조될 수 있다. OFDM을 활용하는 MIMO 시스템(예컨대, MIMO-OFDM 시스템)에서는, 각 공간 서브채널의 각각의 서브대역이 독립적인 전송 채널로 보여질 수 있다.

코딩된 통신 시스템에서는 채널 상황에 근거해서 데이터를 전송하는데 사용하기 위한 적절한 데이터 레이트들과 코딩 및 변조 방식들을 선택하는 중요한 시도가 이루어진다. 그 시스템의 주요 목적은 스펙트럼 효율을 최대화시키면서 송신기 및 수신기 양쪽 모두에 대한 복잡도는 감소시키고자 하는 것이다.

데이터 레이트들과 코딩 및 변조 방식들을 선택하기 위한 수월한 한 가지 기술은 시스템의 전송 능력에 따라서 상기 시스템에서 각각의 전송 채널을 "비트 로드(bit load)"하는 것이다. 그러나, 이러한 기술은 몇 가지 중요한 단점들을 갖는다. 첫째로, 각각의 전송 채널에 대해 개별적으로 코딩 및 변조하는 것은 송신기 및 수신기 양쪽 모두에서 처리과정의 복잡도를 상당히 증가시킬 수 있다. 둘째로, 각각의 전송 채널에 대해 개별적으로 코딩하는 것은 코딩 및 디코딩 지연을 상당히 증가시킬 수 있다.

따라서, 각각의 전송 채널에 대해 개별적으로 코딩할 필요없이 MIMO 시스템에서 높은 스펙트럼 효율을 달성하기 위한 기술들이 해당 분야에서 필요하다.

본 명세서에서는 송신기 및 수신기 양쪽 모두에서의 복잡도를 감소시키는 동시에 높은 스펙트럼 효율을 달성하기 위해 MIMO 시스템에서 고유모드마다 선택적 채널 인버전을 수행하는 기술이 제공된다. 이용가능한 전송 채널들은 다수의 그룹들에 배치되는데, 각각의 그룹은 MIMO 채널의 고유모드를 위한 모든 전송 채널들(또는 주파수 빈들)을 포함할 수 있다. 특정 전력 할당 방식(예컨대, 균일한 전력 할당, 워터-필링(water-filling) 등)을 사용하여 그룹들에 총 전송 전력이 할당된다. 다음으로, 선택적 채널 인버전이 데이터 전송에 사용하기 위해 선택된 각각의 그룹에 대해서 독립적으로 수행된다(즉, 비-제로 할당된 전송 전력을 통해). 각각의 이러한 그룹에 있어서, 각 그룹의 하나 이상의 전송 채널들이 사용하기 위해 선택되고, 스케일링 인자가 각각의 선택된 채널에 대해 결정됨으로써 상기 그룹에 대한 모든 선택된 채널들이 인버팅되고 유사한 수신 신호 품질(예컨대, 수신 SNR)을 달성한다.

본 발명의 여러 양상들 및 실시예들이 아래에서 더 상세히 설명된다. 본 발명은 또한, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 방법들, 프로그램 코드들, 디지털 신호 프로세서들, 송신기 유닛들, 수신기 유닛들, 및 본 발명의 여러 양상들, 실시예들, 및 특징들을 구현하는 다른 장치들 및 엘리먼트들을 제공한다.

본 발명의 특징들, 특성, 및 장점들이 도면들과 연계하여 이루어지는 아래의 상세한 설명으로부터 더욱 자명해질 것이고, 도면들에서는 동일한 참조문자가 전반에 걸쳐 그에 상응하는 것을 나타낸다.

도 1은 MIMO-OFDM 시스템에 대한 고유값 분해를 그래프로 나타내는 도면.

도 2는 예시적인 4 ×4 MIMO 시스템에 대해 세 가지 전송 방식을 통해 달성되는 평균 스펙트럼 효율성을 나타내는 도면.

도 3은 MIMO-OFDM 시스템에서 액세스 포인트 및 사용자 단말기에 대한 블록 다이어그램.

도 4는 액세스 포인트에서 송신기 유닛에 대한 블록 다이어그램.

도 5는 고유모드당 선택적 채널 인버전을 사용하여 데이터를 처리하기 위한 흐름도.

다중-안테나 무선 통신 시스템과 같은 MIMO 통신 시스템에서는, N_T개의 전송 안테나들로부터 전송되는 데이터 스트림들이 수신기에서 서로 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭을 제거하기 위한 한 가지 기술은 MIMO 채널을 "대각화하여(diagonalize)" 다수의 독립적인 채널들을 획득하는 것이다.

MIMO 시스템에 대한 모델이 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(1)

여기서,

는 N_R개의 수신 안테나들에 의해서 수신되는 심볼들에 대해 i∈ {1,...,N_R}인 경우에 N_R개의 엔트리들을 갖는 벡터{y_i}(즉, "수신" 벡터)이고;

는 N_T개의 전송 안테나들로부터 전송되는 심볼들에 대해 j∈{1,...,N_T}인 경우에 N_T개의 엔트리들을 갖는 벡터{x_j}(즉, "전송" 벡터)이고;

는 N_T개의 전송 안테나들로부터 N_R개의 수신 안테나들로의 전달 함수(즉, 복소 이득들)을 포함하고 있는 (N_R ×N_T) 채널 응답 행렬이고;

은

인 평균 벡터 및

인 공분산 행렬을 갖는 AWGN(additive white Gaussian noise)인데, 여기서

는 모두 제로인 벡터이고,

는 대각선을 따라서는 1을 갖고 그 밖의 다른 곳에서는 0을 갖는 단위 행렬이며,

는 잡음 공분산이다.

간략히 하기 위해서, 플랫-페이딩의 협대역 채널이 가정된다. 이 경우에, 채널 응답은 전체적인 시스템 대역폭에 대해서 상수인 복소값으로 표현될 수 있고, 채널 응답 행렬

의 엘리먼트들은 스칼라들이다. 비록 간략성을 위해서 본 명세서에서 주파수 비-선택성이 가정되지만, 본 명세서에서 설명되는 기술들은 주파수 선택적인 채널들을 위해 확장될 수 있다.

채널 응답 행렬은

의 상관 행렬에 대해 고유값 분해를 수행함으로써 대각화될 수 있고, 상기 상관 행렬은

이다. (N_T ×N_R) 상관 행렬

의 고유값 분해는 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(2)

여기서,

는 i∈{1,...,N_T}인 경우에 그의 열들이

의 고유벡터

인 (N_T ×N_R) 단위 행렬이고;

는

의 고유값들에 상응하는 엔트리들을 대각선 상에 갖는 (N_T ×N_R) 대각 행렬이며;

임의의 행렬

에 대해서

는

의 공액 전치를 나타낸다.

단위 행렬은

인 특성으로 표현된다.

고유값 분해는 또한 단일값 분해(SVD : singular value decomposition)를 사용하여 수행될 수 있는데, 상기 SVD는 해당 분야에 알려져 있다.

대각 행렬

은 대각선을 따라서는 음이 아닌 실수 값을 갖고 그 밖의 곳에서는 0으로 값을 갖는다. 이러한 대각선에 있는 엔트리들은 행렬

의 고유값들로서 나타내며, MIMO 채널의 독립적인 채널들에 대한 전력 이득들을 나타낸다. N_T개의 전송 안테나들 및 N_R개의 수신 안테나들을 갖는 MIMO 시스템에 대한 독립 채널 들의 수는

의 비-제로인 고유값들의 수이고, 여기서 N_S≤min{N_T,N_R}이다. 비-제로인 고유값들은 i={1,...,N_S}인 경우에

로 나타낸다.

N_T개의 전송 안테나들에 대한 전력 제약을 고려하지 않는다면, MIMO 채널은 전송 벡터

를 획득하기 위해서 단위 행렬

과 "데이터" 벡터

를 미리 곱함으로써(또는 "미리 컨디셔닝함으로써") 대각화될 수 있다. 송신기에서 상기 미리 컨디셔닝하는 것은 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(3)

수신기에서는, 수신 벡터

가 데이터 벡터

의 추정치를 획득하기 위해서

과 미리 곱해질 수 있다(즉, "컨디셔닝될 수 있다). 데이터 벡터 추정치

를 획득하기 위해 상기 컨디셔닝하는 것은 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(4)

여기서,

는

의 평균 벡터와

의 공분산 행렬을 갖는 AWGN이다.

식(4)에 제시된 바와 같이, 송신기에서 미리 컨디셔닝하는 것과 수신기에서 컨디셔닝하는 것은 데이터 벡터

가 잡음 엘리먼트들의 스케일링뿐만 아니라 행렬

에 의해 표현되는 유효 채널 응답에 의해서 변환되도록 한다.

는 대각 행렬이기 때문에, 효과적으로 N_S개의 비간섭적인 병렬 채널들이 존재한다. 이러한 채널들 각각은 상응하는 고유값의 제곱

과 동일한 전력 이득 및 i∈{1,...,N_S}의 경우에

과 동일한 잡음 전력을 가지며,

의 신호대-잡음비를 산출한다. 이러한 채널들의 전력 이득은 i∈{1,...,N_S}인 경우에 고유 벡터

와 동일하다. 병렬 채널 i는 종종 고유모드 i 또는 모드 i로 지칭된다. 식 (3) 및 (4)에 제시된 바와 같은 MIMO 채널의 대각화는 송신기에 채널 응답 행렬

및 그와 같은 등가의 정보가 제공되는 경우에 달성될 수 있다.

위에서 설명된 고유값 분해는 광대역의 주파수-선택적 채널을 위해 수행될 수 있다. MIMO-OFDM 시스템의 경우에, 광대역 채널은 N_F개의 플랫-페이딩 직교 주파수 빈들 또는 서브대역들로 분할된다. 다음으로, 고유값 분해가 각각의 주파수에 대한 채널 응답 행렬

에 대해서 독립적으로 수행될 수 있음으로써 그 주파수 빈에 대한 N_S개의 공간 서브채널들 또는 고유모드들을 결정한다. 각 주파수 빈의 각각의 공간 서브채널은 "전송" 채널로도 지칭된다.

MIMO-OFDM 시스템에 대한 모델은 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(5)

여기서, "(k)"는 k번째 주파수 빈을 나타낸다.

각각의 주파수 빈에 대한 상관 행렬

의 고유값 분해는 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(6)

에 대한 비제로 고유값들은 i={1,...,N_S} 및 k={1,...,N_F}인 경우에

로 표현된다. 따라서, MIMO-OFDM 시스템의 경우에, N_F개의 주파수 빈들 각각에 대한 고유모드 분해를 수행함으로써 N_S개의 공간 서브채널들이나 각각의 주파수 빈에 대한 고유모드들, 또는 총 N_SN_F개의 전송 채널들을 유도한다.

상기 고유값들은 두 가지의 형태, 즉, "분류된(sorted)" 형태와 "랜덤한 순서(random-order)" 형태로 제공될 수 있다. 상기 분류된 형태에서는, 각각의 주파수 빈에 대한 N_S개의 고유값들이 내림차순으로 분류됨으로써

인데, 여기서

는 주파수 빈 k에 대한 가장 큰 고유값이고,

는 주파수 빈 k에 대한 가장 작은 고유값이다. 랜덤한 순서의 형태에서는, 고유값들의 순서화가 랜덤할 수 있으며 또한 주파수와 상관없다. 사용하기 위해 선택되거나 분류되거나 랜덤한 순서로 되는 특정 형태는, 아래에서 설명하는 바와 같이, 데이터 전송을 위해 사용하기 위한 고유모드들의 선택과 각각의 선택된 고유모드에 대해 사용될 코딩 및 변조 방식의 선택에 영향을 준다.

도 1은 MIMO-OFDM 시스템에 대한 고유값 분해를 그래프적으로 나타내고 있다. k={1,...,N_F}인 경우의 대각 행렬 세트

가 주파수 디멘션을 나타내는 축(110)을 따라 차례로 배열되어 있다. i={1,...,N_S}인 경우에 각 행렬

의 고유값들

은 상기 행렬의 대각선을 따라 위치된다. 따라서, 축(112)은 공간 디멘션을 나타내는 것으로서 보여질 수 있다. 모든 주파수 빈들에 대한 고유모드 i(또는 간략히 고유모드 i)는 k={1,...,N_F}인 경우에 엘리먼트들 세트

와 연관되는데, 그것은 그 고유모드에 대해 모든 N_F개의 주파수 빈들에 걸쳐 주파수 응답을 나타낸다. 각각의 고유모드에 대한 상기 엘리먼트들 세트

는 점선(114)을 따라 음영의 박스로 도시되어 있다. 도 1에서의 각각의 음영 박스는 전송 채널을 나타낸다. 주파수 선택적 페이딩이 발생하는 각각의 고유모드에 대해서, 그 고유모드에 대한 엘리먼트들

은 상이한 k 값에 대해 상이할 수 있다.

만약 각각의 대각 행렬

에서의 고유값들이 내림차순으로 분류된다면, 고유모드 1(주 고유모드로도 지칭됨)은 각각의 행렬에서 가장 큰 고유값

을 포함할 것이고, 고유모드 N_S는 각각의 행렬에서 가장 작은 고유값

을 포함할 것이다.

MIMO-OFDM 시스템에서 각각의 주파수 빈에 대한 고유값 분해는 전체적인 대역폭에 대해 N_SN_F개의 전송 채널들에 대하여 총 N_SN_F개의 고유값들을 유도한다. 각각의 전송 채널은 상이한 SNR을 달성할 수 있으며, 상이한 전송 능력과 연관될 수 있다. 다양한 전력 할당 방식들(또는 전송 방식들)이 높은 전체 스펙트럼 효율을 달성하기 위해서 총 전송 전력을 이러한 전송 채널들에 분배하는데 사용될 수 있고, 상기 효율은 헤르츠당 비트/초(bps/Hz)의 단위로 제공된다. 이러한 방식들 중 일부는 아래에서 더 상세히 설명된다.

1. 워터 -필링(Water-Filling)

"워터-필링" 또는 "워터-포어링(pouring)" 방식은, 송신기에서의 총 전송 전력이 P_total로 제한되는 제약 하에서, 전체적인 스펙트럼 효율이 최대화되도록 전송 채널들에 상기 총 전송 전력을 최적으로 분해하는데 사용될 수 있다. 상기 워터-필링 방식은 점차적으로 더 높은 SNR을 갖는 채널들이 총 전송 전력의 점차적으로 더 큰 부분들을 수신하도록 N_SN_F개의 전송 채널들에 전력을 분배한다. 정해진 전송 채널에 할당되는 전송 전력은 그 채널의 SNR에 의해 결정되는데, 상기 SNR은

로서 제공될 수 있고, 여기서

는 k번째 주파수 빈에서 i번째 고유값이다.

워터-필링을 수행하기 위한 절차는 해당분야에 공지되어 있으므로 여기서는 설명되지 않는다. 워터-필링의 결과는 N_SN_F개의 전송 채널들 각각에 대한 특정 전 송 전력 할당인데, 그것은 i={1,...,N_S} 및 k={1,...,N_F}인 경우에 P_i(k)로 표현된다. 그 전력 할당은 다음의 조건이 충족되도록 수행되고:

식(7)

여기서, L={1,...,N_S}이고 K={1,...,N_F}이다.

i={1,...,N_S} 및 k={1,...,N_F}인 경우에 P_i(k)의 할당된 전송 전력에 근거해서, 각각의 전송 채널에 대해 수신되는 SNR, 즉

가 다음과 같이 표현될 수 있다:

i={1,...,N_S} 및 k={1,...,N_F}인 경우에,

식(8)

다음으로, N_SN_F개의 전송 채널들에 대한 총 스펙트럼 효율 C가 다음과 같이 용량에 대하여 연속적이면서 단조롭게 증가하는 로그함수에 근거하여 계산될 수 있다:

식(9)

통상적인 통신 시스템에 있어서, 관측될 것으로 예상되는 수신 SNR의 총 범위는 다수의 서브-범위들로 분할될 수 있다. 다음으로, 각각의 서브-범위는 정해진 비트 에러 레이트(BER), 프레임 에러 레이트(FER), 또는 패킷 에러 레이트(PER) 에 대해 가장 높은 스펙트럼 효율을 산출하도록 선택되는 특정의 코딩 및 변조 방식과 연관될 수 있다. 워터-필링 전력 할당은 N_SN_F개의 전송 채널들 각각에 대해 상이한 수신 SNR을 초래할 수 있다. 따라서, 이는 전송 채널들에 대해서 많은 상이한 코딩/변조 방식들을 사용하게 한다. 전송 채널마다의 코딩/변조는 송신기 및 수신 양측 모두에서 복잡도가 증가되는 대신에 전체적인 스펙트럼 효율을 증가시킨다.

2. 모든 전송 채널들에 적용되는 선택적 채널 인버전

"모든 채널들에 대한 SCI" 방식은 모든 전송 채널들에 대해 선택적 채널 인버전(SCI)을 수행함으로써 상기 사용하기 위해 선택된 채널들이 수신기에서 거의 동일한 수신 SNR들을 달성할 수 있게 한다. 따라서, 이는 공통의 코딩 및 변조 방식이 모든 선택된 전송 채널들에 대해 사용될 수 있게 할 것이다. 이러한 방식은 워터-필링 방식과 비교해서 송신기 및 수신기 양측 모두에 대한 복잡도를 크게 감소시킨다. 수신 SNR들의 등화는 데이터 전송에 사용하기 위한 N_SN_F개의 이용가능한 전송 채널들 모두나 또는 서브세트만을 먼저 선택함으로써 달성될 수 있다. 채널 선택은 낮은 SNR들을 갖는 불량 채널을 제거할 수 있다. 다음으로, 수신 SNR이 모든 선택된 전송 채널들에 대해 거의 동일하게 되도록 하는 방식으로 총 전송 전력 P_total이 선택된 전송 채널들에 분배된다.

만약 "풀(full)" 채널 인버전이 모든 N_SN_F개의 이용가능한 전송 채널들에 대해 수행된다면, 모든 이러한 채널들에 대해 거의 동일한 전송 전력이 수신되도록 총 전송 전력 P_total이 할당될 수 있다. 주파수 빈 k의 고유모드 i에 할당하기 위한 전송 전력 P_i(k)의 대략적인 크기는 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(10)

여기서,

는 이용가능한 전송 채널들에 총 전송 전력을 분배하기 위해 사용되는 정규화 인자이다. 이러한 정규화 인자

는 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(11)

정규화 인자

는 모든 전송 채널들에 대한 거의 동일한 수신 신호 전력을 보장하고, 상기 신호 전력은

로서 제공된다. 따라서, 총 전송 전력은 모든 이용가능한 전송 채널들에 그들의 채널 전력 이득들에 근거하여 효과적으로(균일하지 않게) 분배되고, 상기 전력 이득은 고유값

에 의해 제공된다.

만약 "선택적" 채널 인버전이 수행된다면, 수신 전력이 총 수신 전력에 비해 특정 임계치

이거나 그 보다 위에 있는 전송 채널들만이 데이터 전송에 사용하기 위해 선택된다. 수신 전력이 상기 임계치보다 아래에 있는 전송 채널은 버려져서 사용되지 않는다. 각각의 선택된 전송 채널에 대해서는, 상기 채널에 할당될 전송 전력이 위에 설명된 바와 같이 결정되고, 그럼으로써 모든 선택된 전송 채널들이 거의 동일한 전력 레벨들로 수신된다. 임계치

는 스펙트럼 효율을 최대화시키기 위해서나 또는 일부 다른 기준에 근거하여 선택될 수 있다.

사용하기 위한 전송 채널들의 선택은 다음과 같이 수행될 수 있다. 처음에, 평균 전력 이득 P_avg이 모든 이용가능한 전송 채널들에 대해 계산되며, 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(12)

다음으로, 각각의 전송 채널에 할당할 전송 전력은 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(13)

여기서,

는 임계치이고,

는 식(11)에서의

와 유사한 정규화 인자이다. 그러나, 상기 정규화 인자

는 선택된 전송 채널들에 대해서만 계산되며, 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(14)

상기 임계치

는 아래(섹션 3.2)에서 설명되는 바와 같이 유도될 수 있다.

식(13)에 제시된 바와 같이, 전송 채널의 고유값(또는 채널 전력 이득)이 전력 임계치(즉,

) 보다 크거나 그와 동일한 경우에 상기 전송 채널이 사용하기 위해 선택된다. 정규화 인자

는 상기 선택된 전송 채널에 대해서만 근거하여 계산되기 때문에, 총 전송 전력 P_total이 선택된 전송 채널들에 그것들의 채널 이득들에 근거하여 분배되고, 따라서 모든 선택된 전송 채널들은 거의 동일한 수신 전력을 갖게 되고, 상기 수신 전력은

로서 표현될 수 있다.

따라서, 모든 선택된 전송 채널들에 대한 수신 SNR들의 등화는 이러한 채널들에 총 전송 전력을 비균일하게 분배함으로서 달성될 수 있다. 다음으로, 거의 동일한 수신 SNR이 모든 선택된 전송 채널들에 대해 단일 데이터 및 공통의 코딩/변조 방식을 사용할 수 있게 할 것이고, 이는 복잡성을 상당히 감소시킬 것이다.

3. 고유모드마다 적용되는 선택적 채널 인버전

"고유모드마다의 SCI" 방식은 각각의 고유모드에 대해 독립적으로 선택적 채널 인버전을 수행함으로써 향상된 성능을 제공한다. 실시예에서는, N_SN_F개의 전송 채널들이 N_S개의 그룹들에 배치됨으로써 각각의 그룹은 정해진 고유모드에 대해 N_F개의 모든 주파수 빈들을 포함한다(즉, 그룹 i는 고유모드 i에 대해 N_F개의 주파수 빈들에 대한 공간 서브채널들을 포함한다). 따라서, 각각의 고유모드에 대해 하나의 그룹이 존재한다.

상기 고유모드마다의 SCI는 두 개의 단계들을 포함한다. 제 1 단계에서는, 총 전송 전력 P_total이 특정 그룹 전력 할당 방식에 근거하여 N_S개의 그룹들에 분배된다. 제 2 단계에서는, 선택적 채널 인버전이 각각의 그룹에 대해 독립적으로 수행됨으로써 그 그룹의 할당된 전송 전력을 그 그룹의 N_F개의 주파수 빈들에 분배한다. 이러한 단계들 각각은 아래에서 더 상세히 설명된다.

3.1 그룹들로의 전력 할당

총 전송 전력 P_total이 다양한 방식으로 N_S개의 그룹들에 분배될 수 있는데, 그 방식들 중 일부가 아래에서 설명된다.

제 1 실시예에서, 총 전송 전력 P_total은 N_S개의 그룹들에 균일하게 배분되는데 그것들 모두에게 동일한 전력이 할당되도록 이루어진다. 각각의 그룹에 할당되는 전송 전력 P_G(i)은 다음과 같이 표현될 수 있다:

, i∈{1,...,N_S}인 경우 식(15)

제 2 실시예에서, 총 전송 전력 P_total은 모든 이용가능한 전송 채널들에 대한 워터-필링에 근거하여 N_S개의 그룹들에 분배된다. 본 실시예에서, 총 전송 전력 P_total은 먼저 위에서 설명된 바와 같이 워터-필링을 사용하여 N_SN_F개의 모든 전송 채 널들에 분배된다. 각각의 전송 채널에는 P_i(k)가 할당되는데, i∈{1,...N_S} 및 k={1,...,N_F}이다. 다음으로, 각각의 그룹에 할당되는 전송 전력은 그 그룹의 N_F개의 전송 채널들에 할당되는 전송 전력들을 합함으로써 결정될 수 있다. 그룹 i에 할당되는 전송 전력은 다음과 같이 표현될 수 있다:

, i∈{1,...N_S}인 경우 식(16)

제 3 실시예에서, 총 전송 전력 P_total은 N_S개의 그룹들에 분배되는데, 이는 그 그룹들의 평균 채널 SNR들을 사용하여 모든 그룹에 대한 워터-필링에 근거한다. 처음에, 각각의 그룹에 대한 평균 채널 SNR, 즉

은 다음과 같이 결정된다:

, i∈{1,...N_S}인 경우 식(17)

다음으로, 워터-필링이 N_S개의 그룹들의 평균 채널 SNR들에 근거하여 상기 N_S개의 그룹들에 총 전송 전력 P_total을 분배하기 위해 수행된다. N_S개의 그룹 각각에 할당되는 전송 전력은 i∈{1,...N_S}인 경우에 P_G(i)로 표현된다.

제 4 실시예에서, 총 전송 전력 P_total은 채널 인버전 이후에 전송 채널들의 수신 SNR들을 사용하여 모든 N_S개의 그룹에 대한 워터-필링을 근거해서 상기 N_S개의 그룹들에 분배된다. 본 실시예에서는, 총 전송 전력 P_total이 먼저 식(15)에서 상술 된 바와 같이 N_S개의 그룹들에 균일하게 분배됨으로써, 각각의 그룹에 i∈{1,...N_S}인 경우에

의 초기 전송 전력이 할당된다. 다음으로, 선택적 채널 인버전이 각각의 그룹에 대해 독립적으로 수행됨으로써, 그 그룹의 각각의 주파수 빈에 대해서 k={1,...,N_F}의 경우에 초기 전력 할당

을 결정할 수 있다. 다음으로, 각각의 주파수 빈에 대한 수신 SNR, 즉

은 식(8)에 도시된 바와 같은 초기 전력 할당

에 근거하여 결정된다. 각각의 그룹에 대한 평균 수신 SNR, 즉

이 다음과 같이 계산된다:

, i∈{1,...,N_S}인 경우 식(18)

다음으로, 총 전송 전력 P_total이 i∈{1,...,N_S}인 경우에 N_S개의 그룹들의 평균 수신 SNR들, 즉

에 근거하여 워터-필링을 사용함으로써 상기 N_S개의 그룹들에 분배된다. 워터-필링 전력 할당의 결과, i∈{1,...,N_S}인 경우에 N_S개의 그룹들에 대한 전송 전력 할당 P_G(i)가 개정된다(즉, 최종적이다). 선택적 채널 인버전은 그룹의 주파수 빈들에 상기 그룹의 할당된 전송 전력 P_G(i)을 분배하기 위해서 각각의 그룹에 대해 독립적으로 다시 수행된다. 다음으로, 각각의 주파수 빈은 제 2 선택적 채널 인버전에 의해서 전송 전력 P_i(k)이 할당될 것이다.

제 2 선택적 채널 인버전은, 만약 (1) 워터-필링에 의해서 정해진 그룹에 할당되는 개정된 전송 전력이 초기의 균일한 전력 할당보다 크고(즉,

), (2) 상기 그룹의 모든 주파수 빈들이 초기 선택적 채널 인버전에서 사용하기 위해 선택되었다면, 상기 그룹에 대해 수행될 필요가 없다. 이러한 특별한 경우에는, 상기 그룹의 각각의 주파수 빈에 대한 새로운 전력 할당 P_i(k)이 다음과 같이 표현될 수 있다:

, k∈{1,...,N_F}인 경우 식(19)

식(19)은, (1)그룹의 모든 주파수 빈들이 사용하기 위해 이미 선택되었고, 비록 그룹에 대한 상기 개정된 전력 할당 P_G(i)이 초기 전력 할당

보다 더 높을지라도 어떠한 추가의 주파수 빈도 선택될 수 없고, (2) 상기 초기 선택적 채널 인버전이 이러한 채널들에 대한 거의 동일한 수신 SNR들을 획득하기 위해 상기 그룹의 주파수 빈들에 적절한 전력 분배를 이미 결정하였기 때문에, 사용될 수 있다. 모든 다른 경우에는, 선택적 채널 인버전이 각각의 그룹에 대해 다시 수행됨으로써 상기 그룹의 주파수 빈들에 대해 k∈{1,...,N_F}인 경우에 전송 전력 할당 P_i(k)을 결정할 수 있다.

3.2 각각의 그룹에 적용되는 선택적 채널 인버전

일단 총 전송 전력 P_total이 위에 설명된 그룹 전력 할당 방식들 중 어느 하나를 사용하여 N_S개의 그룹들에 분배되었다면, N_S개의 그룹들 각각에 대해서 및 각각의 그룹의 N_F개의 주파수 빈들에 독립적으로 수행된다. 각각의 그룹에 대한 선택적 채널 인버전은 다음과 같이 수행될 수 있다.

처음에, 각각의 그룹에 대한 평균 전력 이득 P_avg(i)이 다음과 같이 결정된다:

, i∈{1,...,N_S}인 경우 식(20)

다음으로, 그룹 i의 주파수 빈 k에 할당되는 전송 전력은 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(21)

여기서,

은 임계치이고,

는 그룹 i에 대한 정규화 인자이다. 각각의 그룹에 대한 정규화 인자

는 그 그룹에 대한 선택된 전송 채널에 대해서만 계산되며, 다음과 같이 표현될 수 있다:

식(22)

식(22)에서 인버스 채널 전력 이득의 합은 그룹 i의 모든 선택된 주파수 빈들에 대한 채널 전력 이득들을 고려한다.

각각의 그룹에서 사용하기 위해 주파수 빈들을 선택하기 위한 임계치

는 예컨대 스펙트럼 효율을 최적화시키기 위해서 다양한 기준에 근거하여 세팅될 수 있다. 일실시예에서, 임계치

는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 각 그룹의 주파수 빈들에 대한 균일한 전송 전력 할당에 근거해서 상기 선택된 주파수 빈들의 스펙트럼 효율 및 채널 전력 이득(또는 고유값들)에 기초하여 세팅된다.

본 실시예에서, 그룹 i에 대한 임계치

의 유도는 다음과 같이 진행한다(여기서 유도는 각각의 그룹에 대해 독립적으로 수행된다). 처음에, 상기 그룹의 N_F개의 모든 주파수 빈들에 대한 고유값들은 등급이 정해지고

인 경우에 리스트

에서 내림차순으로 배치됨으로써 i∈{1,,,,N_S}인 경우에

및

이도록 한다.

각각의 λ(여기서, λ∈{1,...,N_F}), λ개의 최상의 주파수 빈들에 대한 스펙트럼 효율이 계산되는데, 여기서 "최상"이란 가장 높은 전력 이득 G_i( λ)을 갖는 주파수 빈들을 나타낸다. 이는 다음과 같이 달성될 수 있다. 먼저, 그룹에 이용가능한 총 전송 전력 P_G(i)이 위에 설명된 전력 할당 방식들 중 어느 하나를 사용하 여 λ개의 최상의 주파수 빈들에 분배된다. 간략성을 위해서, 균일한 전력 할당 방식이 사용되고, λ개의 주파수 빈들 각각에 대한 전송 전력은 P_G(i)/ λ이다. 다음으로, λ개의 주파수 빈들 각각에 대한 수신 SNR은 다음과 같이 계산된다:

, j∈{1,..., λ}인 경우 식(23)

다음으로, 그룹 i의 λ개의 최상의 주파수 빈들에 대한 스펙트럼 효율 G_i( λ)이 다음과 같이 계산될 수 있고:

식(24)

여기서,

는 사용하기 위해 선택되는 코딩 및 변조 방식에서 비효율성을 나타내기 위해 사용되는 스케일 인자이다.

스펙트럼 효율 C_i( λ)이 λ의 각 값에 대해 계산되고(여기서 λ∈{1,...,N_F}), 어레이에 저장된다. C_i( λ)의 모든 N_F개의 값들이 선택된 주파수 빈들의 N_F개의 가능한 결합들에 대해 계산된 이후에는, 스펙트럼 계수들의 어레이가 트래버스되고(traversed), C_i( λ)의 가장 큰 값이 결정된다. 다음으로, C_i( λ)에 상응하는 λ의 값 λ_max은 채널 조건에 대한 최대의 스펙트럼 효율이 평가되고 균일한 전송 전력 할당을 사용하게 하는 주파수 빈들의 수이다.

그룹 i에서 N_F개의 주파수 빈들에 대한 고유값들은 리스트 G_i( λ)에서 내림차순으로 등급이 정해지기 때문에, 스펙트럼 효율은, 최적의 포인트에 도달할 때까지 더 많은 주파수 빈들이 선택됨에 따라 증가되고, 그 이후에 상기 스펙트럼 효율은 더 많은 그룹의 전송 전력이 더 불량한 주파수 빈들에 할당되기 때문에 감소한다. 따라서, λ의 모든 가능한 값들에 대한 스펙트럼 효율 C_i( λ)을 계산하는 대신에, λ의 각각의 새로운 값에 대한 스펙트럼 효율 C_i( λ)이 λ의 이전 값에 대해 스펙트럼 효율 C_i( λ- 1)과 비교될 수 있다. 다음으로, C_i( λ) < C_i( λ- 1)로 표현되는 최적의 스펙트럼 효율에 도달하는 경우에는, 계산이 종료될 수 있다.

다음으로, 임계치

이 다음과 같이 표현될 수 있고:

식(25)

여기서, P_avg(i)는 식(20)에서 제시된 바와 같이 결정된다.

임계치

은 또한 일부 다른 기준이나 또는 (균일한 할당 대신에)일부 다른 전력 할당 방식에 근거하여 세팅될 수 있다.

선택적 채널 인버전은 2001년 5월 17일에 미국 특허 출원된 제 09/860,274호, 2001년 6월 14일에 미국 특허 출원된 제 09/881,610호, 및 2001년 6월 26일에 출원된 미국 특허 출원 제 09/892,379호에 개시되어 있는데, 상기 미국 특허들은 모두 명칭이 "Method and Apparatus for Processing Data for Transmission in a Multi-Channel Communication System Using Selective Channel Inversion"이며, 본 출원의 양수인에게 양도되었고, 본 명세서에서 참조문헌으로서 포함된다.

각각의 그룹에 대해 독립적으로 선택적 채널 인버전을 수행하는 것은 각각의 그룹의 N_F개의 주파수 빈들에 대해 k∈{1,...,N_F}인 경우의 전송 전력 할당 세트 P_i(k)를 유도한다. 선택적 채널 인버전은 임의의 정해진 그룹에 대해 선택된 N_F개의 주파수 빈들 보다 적은 주파수 빈들을 유도할 수 있다. 선택되지 않은 주파수 빈들에는 어떠한 전송 전력도 할당되지 않을 것이다(즉, 이러한 빈들에 대해서는 P_i(k)=0이다). 선택된 주파수 빈들에 대한 전력 할당은 이러한 빈들이 거의 동일한 수신 SNR들을 획득하도록 이루어진다. 다음으로, 이는 단일 데이터 레이트 및 공통의 코딩/변조 방식이 각 그룹의 모든 선택된 주파수 빈들에 대해 사용될 수 있게 한다.

분류되는 형태에 있어서, 각각의 대각 행렬

에 대한 고유값들

(i∈{1,...,N_S})은 더 작은 인덱스들을 갖는 대각선 엘리먼트들이 일반적으로 더 크게 되도록 분류된다. 다음으로, 고유모드 1은 N_F개의 대각 행렬들 각각의 가장 큰 고유값과 연관될 것이고, 고유모드 2는 두 번째로 큰 고유값과 연관될 것이며, 계속 이러한 방식을 따른다. 분류되는 형태에 있어서는, 비록 채널 인버전이 각각의 고유모드에 대해서 N_F개의 모든 주파수 빈들에 대해 수행되더라도, 더 낮은 인덱스들 을 갖는 고유모드들은 너무 많은 불량 주파수 빈들(만약 있다면)을 갖지 않고, 과도한 전송 전력이 불량 빈들에 대해 사용되지 않는다.

만약 N_S개의 고유모드에 총 전송 전력을 분배하기 위해서 워터-필링이 사용된다면, 사용하기 위해 선택되는 고유모드의 수는 낮은 SNR들에서 감소될 수 있다. 따라서, 상기 분류되는 형태는 낮은 SNR들에서의 코딩 및 변조가 사용하기 위해 선택되는 고유모드들의 수를 감소시킴으로써 더욱 간략해진다.

랜덤하게 순서화되는 형태에 있어서, 각각의 대각 행렬

은 랜덤하게 순서가 정해진다. 이는 고유모드들 모두에 대해 평균 수신 SNR들의 유사한 변동을 유도할 수 있다. 이러한 경우에는, N_S 보다 많은 수의 공통적인 코딩 및 변조 방식들이 N_S개의 고유모드들에 대해 사용될 수 있다.

한 전송 방식에 있어서, 만약 데이터 전송을 위해 어느 한 그룹이 사용될 것이라면, 그때는 그 그룹의 N_F개의 모든 주파수 빈들이 선택된다(즉, 임의의 활성 고유모드는 완전한 고유모드일 필요가 있다). 고유모드의 주파수 선택적 특성은 만약 하나 이상의 주파수 빈들이 사용으로부터 제외된다면 과장될 수 있다. 이러한 더 큰 주파수 선택적 페이딩은 더 높은 레벨의 심볼간 간섭(ISI)을 야기할 수 있는데, 이는 수신 신호의 각 심볼로 하여금 상기 수신 신호의 후속 심볼에 대해 왜곡으로서 작용하도록 하는 현상이다. 다음으로, ISI 왜곡의 해로운 영향을 완화시키기 위해 수신기에서는 등화가 필요할 수 있다. 이러한 등화는 사용하기 위해 선택 되는 각각의 고유모드의 모든 주파수 빈들에 대해 풀 인버전을 수행함으로써 회피될 수 있다. 이러한 전송 방식은, 위에서 언급한 바와 같이 더 낮은 인덱스들을 갖는 고유모드들이 매우 많은 불량 주파수 빈들을 갖지 않을 것이기 때문에, 상기 분류되는 형태 및 워터-필링 전력 할당과 연계하여 유리하게 사용될 수 있다.

도 2는 P_total의 총 전송 전력을 갖는 예시적인 4 ×4 MIMO 시스템에 대한 세 가지 전송 방식들을 통해서 달성되는 평균 스펙트럼 효율의 플롯들을 나타낸다. 도 2에서는 다음과 같은 세 가지 전송 방식들에 대한 세 가지 플롯들이 도시되어 있다: (1) 모든 전송 채널들에 대한 워터-필링 전력 할당, (2) 모든 전송 채널들에 적용되는 선택적 채널 인버전(모든 채널들에 대한 SCI), 및 (3) 4 그룹의 평균 채널 SNR들에 근거하여 워터-필링을 사용함으로써 상기 4 그룹에 총 전송 전력이 분배되는 각각의 고유모드에 독립적으로 적용되는 선택적 채널 인버전(고유모드마다의 SCI).

평균 스펙트럼 효율이 작용하는 SNR에 대해 도시되어 있는데,

로 표현된다. 도 2는 워터-필링 전력 할당(플롯 210)이 예상되는 바와 같은 가장 높은 스펙트럼 효율을 산출한다는 것을 보여준다. 모든 채널들에 대한 SCI 방식의 성능은 15bps/Hz의 스펙트럼 효율에서 최적의 워터-필링 방식보다 거의 2.5dB정도 더 나쁘다. 그러나, 상기 모든 채널에 대한 SCI 방식은 송신기 및 수신 양쪽 모두에 대한 복잡도를 훨씬 낮추는데, 그 이유는 단일 데이터 레이트 및 공통의 코딩/변조 방식이 모든 선택된 전송 채널들에 대해 사용될 수 있기 때문이 다. 고유모드에 대한 SCI 방식(플롯 220)의 성능은 15bps/Hz 스펙트럼 효율에서 상기 모든 채널들에 대한 SCI 방식보다 1.0dB정도 더 좋고 워터-필링 방식보다는 거의 1.5dB정도 더 나쁘다. 이러한 결과는 상기 고유모드마다의 SCI 방식이 워터-필링을 선택적 채널 인버전과 결합하기 때문에 예상된다. 비록 상기 고유모드마다의 SCI 방식이 상기 모든 채널에 대한 SCI 방식보다 더 복잡하더라도, 그것은 워터-필링 방식보다 덜 복잡하며 필적할 만한 성능을 달성한다.

도 3은 MIMO-OFDM 시스템(300)에서 액세스 포인트(310)와 사용자 단말기(350)의 실시예에 대한 블록 다이어그램이다.

액세스 포인트(310)에서는, 데이터 소스(312)로부터의 트래픽 데이터(즉, 정보 비트들)가 전송(TX) 데이터 프로세서(314)에 제공되고, 상기 프로세서(314)는 데이터를 코딩, 인터리빙, 및 변조하여 변조 심볼들을 제공한다. TX MIMO 프로세서(320)는 또한 변조 심볼을 처리하여 미리 컨디셔닝된 심볼들을 제공하는데, 상기 미리 컨디셔닝된 심볼들은 파일롯 데이터와 다중화되며, 각각이 각각의 전송 안테나를 위한 것인 N_T개의 변조기(MOD;322a 내지 322t)에 제공된다. 각각의 변조기(322)는 각각의 미리 결정된 심볼들 스트림을 처리하여 변조된 신호들을 제공하고, 상기 변조된 신호들은 각각의 안테나(324)를 통해 전송된다.

사용자 단말기(350)에서는, N_T개의 안테나들(324a 내지 324t)로부터 전송되는 변조 신호들이 N_R개의 안테나들(352a 내지 352r)에 의해서 수신된다. 각각의 안테나(352)로부터의 수신 신호들은 각각의 복조기(DEMOD;354)에 제공된다. 각각의 복조기(354)는 상기 수신 신호를 컨디셔닝하고(예컨대, 필터링, 증폭, 및 주파수 다운컨버터) 디지털화하여 샘플 스트림을 제공하고, 또한 상기 샘플들을 처리하여 수신 심볼 스트림을 제공한다. 다음으로, RX MIMO 프로세서(360)는 N_R개의 수신 심볼 스트림을 처리하여 N_T개의 복원 심볼 스트림을 제공하는데, 상기 복원 심볼은 액세스 포인트에 의해 전송되는 변조 심볼들의 추정치이다.

사용자 단말기로부터 액세스 포인트로의 역방향 경로에 대한 처리과정은 순방향 경로에 대한 처리과정과 유사할 수 있거나 혹은 다를 수 있다. 역방향 링크는 사용자 단말기로부터 액세스 포인트로 채널 상태 정보(CSI)를 전송하기 위해 사용될 수 있다. 상기 CSI는 사용자를 위한 적절한 코딩 및 변조 방식을 선택하고 선택적 채널 인버전을 수행하기 위해 액세스 포인트에서 사용된다.

제어기들(330 및 370)은 액세스 포인트 및 사용자 단말기에서의 동작을 각각 지시한다. 메모리들(332 및 372)은 제어기들(330 및 370)에 의해서 각각 사용되는 프로그램 코드들 및 데이터를 위한 저장부를 제공한다.

도 4는 송신기 유닛(400)의 실시예에 대한 블록 다이어그램으로서, 이는 도 3에서 액세스 포인트(310)의 송신기 부분에 대한 실시예이다. 송신기 유닛(400)은 사용자 단말기(350)를 위해 또한 사용될 수 있다.

TX 데이터 프로세서(314)를 통해서, 인코더/펑쳐러(412)는 코딩된 비트들을 제공하기 위해서 하나 이상의 코딩 방식들에 따라 트래픽 데이터(즉, 정보 비트들)를 수신하여 코딩한다. 다음으로, 채널 인터리버(414)는 하나 이상의 인터리빙 방 식들에 근거하여 상기 코딩된 비트들을 인터리빙함으로써 시간, 공간, 및/또는 주파수 다이버시티의 결합을 제공한다. 다음으로, 심볼 매핑 엘리먼트(416)는 하나 이상의 변조 방식들(예컨대, QPSK, M-PSK, M-QAM 등)에 따라 상기 인터리빙된 데이터를 매핑시킴으로써 변조 심볼들을 제공한다.

N_S개의 그룹에 대한 코딩 및 변조는 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 일실시예에서는, 선택적 채널 인버전이 적용되는 각각의 전송 채널 그룹에 대해 개별적인 코딩 및 변조 방식이 사용된다. 본 실시예에서는, 인코더, 인터리버, 및 심볼 매핑 엘리먼트로 이루어진 별도의 세트가 각각의 그룹을 위해서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 모든 그룹들에 대해서 공통의 코딩 방식이 사용되며, 이어서 각각의 그룹에 대해서 가변-레이트 펑쳐러 및 별도의 변조 방식이 사용된다. 본 실시예는 송신기 및 수신기 양쪽 모두에서의 하드웨어 복잡도를 감소시킨다. 다른 실시예에서는, 트렐리스 코딩 및 터보 코딩이 또한 정보 비트들을 코딩하기 위해서 사용될 수 있다.

TX MIMO 프로세서(320) 내에서는, MIMO 채널의 임펄스 응답에 대한 추정치가 시간-도메인 샘플들의 행렬 시퀀스

로서 고속 푸리에 변환(FFT) 유닛(422)에 제공된다. 다음으로, FFT 유닛(422)은 N_F개의 행렬들로 이루어진 각 세트

에 대해 FFT를 수행함으로써 N_F개의 추정된 채널 주파수 응답 행렬로 이루어진 대응하는 세트

(k∈1,...,N_F})를 제공한다.

다음으로, 유닛(424)은 위에서 설명된 바와 같이 단위 행렬

및 대각 행렬

을 제공하기 위해서 각각의 행렬

에 대해 고유값 분해를 수행한다. 대각 행렬들

은 전력 할당 유닛(430)에 제공되고, 단위 행렬

은 공간 프로세서(450)에 제공된다.

전력 할당 유닛(430)은 위에서 설명된 그룹 전력 할당 방식들 중 어느 하나를 사용하여 N_S개의 그룹들에 총 전송 전력 P_total을 분배한다. 이는 N_S개의 그룹들에 대한 P_G(i)(i∈{1,...,N_S})의 전력 할당을 유도한다. 다음으로, 유닛(430)은 그 그룹의 할당된 전송 전력 P_G(i)에 근거하여 각각의 그룹에 대해 독립적으로 선택적 채널 인버전을 수행한다. 이는 각 그룹의 N_F개의 주파수 빈들에 대한 P_i(k)(i∈{1,...,N_F})의 전력 할당을 유도하는데, 여기서 P_i(k)는 상기 그룹의 하나 이상의 빈들에 대해 제로일 수 있다(임의의 액티브 고유모드가 완전한 고유모드일 필요가 없을 경우). 유닛(432)은 총 전송 전력을 분배하기 위해 워터-필링을 수행하고, 유닛(434)은 각각의 그룹에 대해 선택적 채널 인버전을 수행한다. 모든 전송 채널들에 대한 전력 할당 P_i(k)은 신호 스케일링 유닛(440)에 제공된다.

유닛(440)은 전력 할당에 근거하여 변조 심볼들을 수신 및 스케일링함으로써 스케일링된 변조 심볼들을 제공한다. 각각의 변조 심볼에 대한 신호 스케일링은 다음과 같이 표현될 수 있고:

i∈{1,...,N_S} 및 k∈{1,...,N_F}인 경우에,

식(26)

여기서, s_i(k)는 주파수 빈 k의 고유모드 i에서 전송될 변조 심볼이고,

는 상응하는 스케일링된 변조 심볼이며,

는 채널 인버전을 달성하기 위해 이러한 심볼에 대한 스케일링 인자이다.

다음으로, 공간 프로세서(450)는 다음과 같이 미리 컨디셔닝된 심볼들을 제공하기 위해서 단위 행렬들

에 근거하여 상기 스케일링된 변조 심볼들을 미리 컨디셔닝하고:

, k∈{1,...,N_F}인 경우 식(27)

여기서,

,

, 및 x_i(k)는 전송 안테나 i의 주파수 빈 k를 통해 전송될 미리 컨디셔닝된 심볼이다. 만약 N_S< N_T라면,

는 N_S개의 비제로인 엔트리들을 포함할 것이고, 나머지 N_T-N_S개의 엔트리들은 제로일 것이다.

다중화기(MUX;452)는 파일롯 데이터를 수신하고 그것을 미리 컨디셔닝된 심볼들과 다중화한다. 파일롯 데이터는 전송 채널들 모두나 또는 그것들의 서브세트를 통해 전송될 수 있고, MIMO 채널을 추정하기 위해서 수신기에서 사용된다. 다중화기(452)는 각각의 OFDM 변조기(322)에 미리 컨디셔닝된 심볼들로 이루어진 한 스트림을 제공한다.

각각의 OFDM 변조기(322) 내에서, IFFT 유닛은 미리 컨디셔닝된 심볼 스트림을 수신하고 N_F개의 주파수 빈들에 대해서 N_F개의 심볼들 각각에 대해 역FFT를 수행함으로써 상응하는 시간-도메인 표현을 획득하는데, 이는 OFDM 심볼로 지칭된다. 각각의 OFDM 심벌을 위해서는, 사이클릭 프리픽스 생성기가 상응하는 전송 심볼을 형성하기 위해 OFDM 심볼의 일부를 반복한다. 상기 사이클릭 프리픽스는 전송 심볼이 다중경로 지연 확산이 존재하는 경우에 그것의 직교 특성을 갖는다. 다음으로, 송신기 유닛은 전송 심볼들을 전송 심볼들을 하나 이상의 아날로그 신호들로 변환하며 또한 상기 아날로그 신호들을 컨디셔닝함으로써(예컨대, 증폭, 필터링 및 주파수 다운컨버팅), 연관된 안테나(324)로부터 전송되는 변조 신호를 생성한다.

도 5는 고유모드마다 선택적 채널 인버전을 사용하여 데이터를 처리하기 위한 프로세스(500)의 실시예에 대한 흐름도이다. 처음에, 전송될 데이터는 하나 이상의 코딩 및 변조 방식들에 근거하여 코딩되고 변조된다(단계 512).

인용가능한 전송 채널들은 다수의 그룹들에 배치되는데, 각각의 그룹은 정해진 고유모드에 대한 모두 주파수를 포함할 수 있다(단계 514). (각각의 그룹은 또 한 다중 고유모드들에 대한 주파수 빈들이나 또는 단일 고유모드에 대한 주파수 빈들의 서브세트를 포함하는 것으로 정의될 수 있다.) 다음으로, 특정의 그룹 전력 할당 방식을 사용하여 총 전송 전력이 그룹들에 할당된다(단계 516).

다음으로, 선택적 채널 인버전이 각각의 그룹에 대해 독립적으로 수행된다. 사용하기 위해 선택되어지는 각각의 그룹(즉, 비제로의 할당된 전송 전력을 가짐)에 대해서, 상기 그룹의 하나 이상의 주파수 빈들이 상기 그룹에 할당되는 전송 전력에 근거하여 데이터 전송에 사용하기 위해 선택된다(단계 518). 대안적으로, 상기 그룹의 모든 주파수 빈들은 상기 그룹이 사용될 경우에 선택될 수 있다. 다음으로, 각각의 선택된 주파수 빈들에 대해서 스케일링 인자가 결정됨으로써 각각의 그룹에 대한 모든 선택된 주파수 빈들은 유사한 수신 신호 품질을 가지며, 상기 신호 품질은 수신 SNR, 수신 전력, 또는 일부 다른 측정치에 의해 그 크기가 정해질 수 있다(단계 520).

다음으로, 각각의 변조 심볼은 변조 심볼을 전송하기 위해 사용되어질 주파수 빈에 대한 스케일링 인자에 의해서 스케일링된다(단계 522). 상기 스케일링된 변조 심볼들은 또한 MIMO 채널을 대각화시키기 위해서 미리 컨디셔닝될 수 있다(단계(524). 상기 미리 컨디셔닝된 심볼들은 추가적으로 처리되어 전송된다.

명확성을 위해서, 특정 실시예들은 위에서 설명되었다. 이러한 실시예들 및 다른 실시예들에 대한 변형이 본 명세서에서 설명되는 교시들에 기초하여 유도될 수 있다. 예컨대, 송신기에서 공간 처리과정(즉, 미리 컨디셔닝하는 것)을 갖는 상기 고유모드마다의 SCI 방식을 사용하는 것이 불필요하다. 송신기에서 미리 컨디셔닝하는 것을 수행하지 않고도 MIMO 채널을 대각화시키기 위해서 다른 기술들이 또한 사용될 수 있다. 일부 이러한 기술들은 2001년 11월 6일에 "Multiple-Access Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) Communication System"이란 명칭으로 미국 특허 출원된 제 09/993,087호에 설명되어 있는데, 상기 미국 특허 출원은 본 출원의 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에서 참조문헌으로서 포함된다. 만약 공간 처리과정이 송신기에서 수행되지 않는다면, 선택적 채널 인버전이 송신 안테나 또는 일부 다른 그룹 유닛마다 적용될 수 있다.

선택적 채널 인버전이 위에서 설명된 바와 같이 추정된 채널 응답 행렬

에 근거하여 송신기에서 수행될 수 있다. 상기 선택적 채널 인버전은 채널 이득들, 수신 SNR들, 또는 수신 신호 품질의 일부 다른 측정치에 근거하여 수신기에서 수행될 수 있다. 여하튼, 송신기에는 충분한 채널 상태 정보(CSI)가 어떠한 형태로든 제공되고, 그로인해 (1) 각각의 고유모드를 위해 사용하기 위한 특정의 데이터 레이트 및 변조 방식 및 (2) 각각의 선택된 전송 채널을 위해 사용하기 위한 전송 전력(또는 스케일링 인자)를 결정함으로써 각각의 그룹의 채널들이 수신기에서 유사한 신호 품질을 갖도록 할 수 있다(즉, 선택된 전송 채널들을 인버팅하기 위해서).

본 명세서에서 설명된 기술들은 단일 고유모드 이외의 다른 것으로 정의되는 그룹들에 대해 선택적 채널 인버전을 수행하기 위해서 또한 사용될 수 있다. 예컨대, 그룹은 다중 고유모드들을 위한 주파수 빈들 및 하나 이상의 고유모드들을 위 한 주파수 빈들 중 단지 일부 등을 포함하도록 정해질 수 있다.

명확성을 위해서, 고유모드마다 선택적 채널 인버전을 수행하기 위한 기술들이 MIMO-OFDM 시스템에 대해 상세히 설명되었다. 이러한 기술들은 OFDM을 사용하지 않는 MIMO 시스템을 위해서도 또한 사용될 수 있다. 게다가, 비록 일부 실시예들은 순방향 링크에 대해 상세히 설명되었지만, 이러한 기술들은 역방향 링크에도 적용될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 기술들은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예컨대, 이러한 기술들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그것들의 결합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현을 위해서, 임의의 기술이나 그 기술들의 결합을 구현하기 위해 사용되는 엘리먼트들은 하나 이상의 ASIC들(application specific intergrated circuits), DSP들(digital signal processors), DSPD들(digital signal processing devices), PLD들(programmable logic devices), FPGA들(field programmable gate arrays), 프로세서들, 제어기들, 마이크로-제어기들, 마이크로프로세서들, 본 명세서에 설명된 기능들을 구현하기 위해 설계되는 다른 전자 유닛들, 또는 그것들의 결합 내에 구현될 수 있다.

소프트웨어 구현을 위해서, 본 명세서에 설명된 기술들은 본 명세서 설명된 기능들을 수행하는 모듈들(예컨대, 절차들, 기능들 등)을 통해 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드들은 메모리 유닛(예컨대, 도 3의 메모리(332 또는 372))에 저장될 수 있으며, 프로세서(예컨대, 제어기(330 또는 370))에 의해 실행될 수 있다. 메모리 유닛은 프로세서 내에서 또는 상기 프로세서 외부에서 구현될 수 있고, 이 경 우에 그것은 해당 분야에 공지된 여러 방법으로 프로세서에 통신가능하게 접속될 수 있다.

본 명세서에서는 특정 섹션들에 대한 참조 및 그것의 위치를 찾는데 도움이 되도록 표제들을 포함시켰다. 이러한 표제들은 여기서 설명된 개념들의 범위를 제한하도록 의도되지 않고, 이러한 개념들은 전체 명세서에 걸쳐 다른 섹션들에서 적용될 수 있다.

개시된 실시예들에 대한 앞선 설명은 당업자로 하여금 본 발명을 제작하거나 사용할 수 있을 정도로 제공되었다. 이러한 실시예들에 대한 여러 변경이 당업자에게 쉽게 자명해질 것이고, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상이나 범위로부터 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 제시된 실시예들로 제한되지 않고 설명된 원리들 및 신규한 특징들에 따른 가장 넓은 범위를 제공할 것이다.

Claims

다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템에서 전송할 데이터를 처리하기 위한 방법으로서,

다수의 이용가능한 전송 채널들을 다수의 그룹들 내에 배치하는 단계; 및

데이터 전송을 위해 사용될 전송 채널들의 각각의 그룹에 대하여, 상기 그룹 내에서 사용할 하나 이상의 전송 채널들을 선택하고, 상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들이 유사한 수신 신호 품질을 갖도록 각각의 선택된 전송 채널에 대한 스케일링 인자(scaling factor)를 결정하는 단계를 포함하는 데이터 처리 방법.
제 1항에 있어서, 상기 각각의 그룹은 MIMO 채널의 특정 고유모드(eigen mode)에 상응하는 모든 전송 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 다수의 그룹들에 총 전송 전력을 할당하는 단계를 더 포함하고,

상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들에 대한 상기 하나 이상의 스케일링 인자들은 상기 그룹에 할당된 전송 전력에 부분적으로 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 3항에 있어서, 상기 총 전송 전력은 상기 다수의 그룹들에 균일하게 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 3항에 있어서, 상기 총 전송 전력은 워터-필링(water-filling)에 기초하여 상기 다수의 그룹들에 할당되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 5항에 있어서, 상기 워터-필링은 상기 다수의 이용가능한 전송 채널들에 걸쳐 수행되고, 상기 각각의 그룹에 할당되는 전송 전력은 상기 그룹 내의 다수의 전송 채널들에 할당된 전송 전력들에 기초하는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 5항에 있어서, 상기 워터-필링은 상기 다수의 그룹들에 대한 평균 신호-대-잡음 및 간섭 비율(SNR)에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 5항에 있어서, 상기 워터-필링은 채널 인버전(channel inversion) 이후에 상기 다수의 이용가능한 전송 채널에 대한 신호-대-잡음 및 간섭 비율(SNR)에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 1항에 있어서, 만약 그룹이 데이터 전송을 위해 사용된다면, 상기 그룹 내의 모든 전송 채널들이 사용을 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 1항에 있어서,

변조 심볼들을 제공하기 위해서 하나 이상의 코딩 및 변조 방식들에 기초하여 데이터를 코딩 및 변조하는 단계; 및

상기 변조 심볼을 전송하기 위해서 사용된 전송 채널에 대한 스케일링 인자에 기초하여 각각의 변조 심볼을 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 10항에 있어서, 상기 전송 채널들의 각각의 그룹에 대한 데이터는 별도의 코딩 방식에 기초하여 코딩되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 10항에 있어서, 상기 전송 채널들의 모든 그룹들에 대한 데이터는 공통의 코딩 방식에 기초하여 코딩되고, 상기 각각의 그룹에 대한 코딩된 데이터는 상기 그룹에 대해 선택된 레이트로 펑쳐링되는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 10항에 있어서, 스케일링된 변조 심볼들을 미리 컨디셔닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
제 1항에 있어서, 상기 MIMO 시스템은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 구현하는 것을 특징으로 하는 데이터 처리 방법.
직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 구현하는 다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템에서 전송할 데이터를 처리하기 위한 방법으로서,

다수의 이용가능한 전송 채널들을 다수의 그룹들 내에 배치하는 단계 - 각각의 그룹은 MIMO 채널의 특정 고유모드(eigenmode)에 상응하는 모든 전송 채널들을 포함함 -;

상기 다수의 그룹들에 총 전송 전력을 할당하는 단계; 및

데이터 전송을 위해 사용될 전송 채널들의 각각의 그룹에 대하여, 상기 그룹 내에서 사용할 하나 이상의 전송 채널들을 선택하고, 상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들이 유사한 수신 신호 품질을 갖도록 상기 그룹에 할당되는 상기 전송 전력에 부분적으로 기초하여 각각의 선택된 전송 채널에 대한 스케일링 인자를 결정하는 단계를 포함하는 데이터 처리 방법.
다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템 내의 송신기 유닛으로서,

변조 심볼들을 제공하기 위해서 하나 이상의 코딩 및 변조 방식들에 기초하여 데이터를 코딩 및 변조하도록 동작하는 TX 데이터 프로세서; 및

전송 채널들의 다수의 그룹들 각각에서 데이터 전송을 위해 사용할 하나 이상의 전송 채널들을 선택하고, 상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들이 유사한 수신 신호 품질을 갖도록 각각의 선택된 전송 채널에 대한 스케일링 인자를 결정하며, 상기 변조 심볼을 전송하기 위해서 사용되는 전송 채널에 대한 상기 스케일링 인자에 기초하여 각각의 변조 심볼을 스케일링하도록 동작하는 TX MIMO 프로세서를 포함하는 송신기 유닛.
제 16항에 있어서,

상기 TX MIMO 프로세서는 상기 다수의 그룹들에 총 전송 전력을 할당하도록 더 동작하고,

상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들에 대한 하나 이상의 스케일링 인자들은 상기 그룹에 할당되는 전송 전력에 부분적으로 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 송신기 유닛.
직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 구현하는 다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템 내의 송신기 유닛으로서,

변조 심볼들을 제공하기 위해서 하나 이상의 코딩 및 변조 방식들에 기초하여 데이터를 코딩 및 변조하도록 동작하는 TX 데이터 프로세서; 및

TX MIMO 프로세서를 포함하고, 상기 TX MIMO 프로세서는,

전송 채널들의 다수의 그룹들에 총 전송 전력을 할당하고 - 각각의 그룹은 MIMO 채널의 특정 고유모드에 상응하는 모든 전송 채널들을 포함함-,

각각의 그룹 내에서 데이터 전송을 위해 사용할 하나 이상의 전송 채널들을 선택하고,

상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들이 유사한 수신 신호 품질을 갖도록 각각의 선택된 전송 채널에 대한 스케일링 인자를 결정하며, 그리고

상기 변조 심볼을 전송하기 위해서 사용되는 상기 전송 채널에 대한 상기 스케일링 인자에 기초하여 각각의 변조 심볼을 스케일링하도록 동작하는 송신기 유닛.
제 18항에 있어서, 상기 TX MIMO 프로세서는 스케일링된 변조 심볼들을 미리 컨디셔닝하도록 더 동작하는 것을 특징으로 하는 송신기 유닛.
다중-입력 다중-출력(MIMO) 통신 시스템의 장치로서,

다수의 이용가능한 전송 채널들을 다수의 그룹들 내에 배치하기 위한 수단;

각각의 그룹 내에서 데이터 전송을 위해 사용할 하나 이상의 전송 채널들을 선택하기 위한 수단; 및

상기 각각의 그룹 내의 상기 하나 이상의 선택된 전송 채널들이 유사한 수신 신호 품질을 갖도록 각각의 선택된 전송 채널에 대한 스케일링 인자를 결정하기 위한 수단을 포함하는 장치.
제 20항에 있어서,

변조 심볼들을 제공하기 위해서 하나 이상의 코딩 및 변조 방식들에 기초하여 데이터를 코딩 및 변조하기 위한 수단; 및

상기 변조 심볼을 전송하기 위해서 사용되는 상기 전송 채널에 대한 스케일링 인자에 기초하여 각각의 변조 심볼을 스케일링하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.