KR100999239B1 - 엘에스 코드를 이용한 시분할 다중화 방식의 ｍｉｍｏ 채널측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

MIMO 채널 측정 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 실시예는, 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드를 생성하는 제1 단계 및 상기 LS 코드를 두 개의 송신 안테나를 통하여 동시에 전송하는 제2 단계를 포함하는 2N(N은 1이상의 정수)개의 송신 안테나를 통하여 MIMO 채널 측정을 위한 신호의 송신 방법을 제공한다.

MIMO, 사운더(sounder), 채널 측정

Description

엘에스 코드를 이용한 시분할 다중화 방식의 ＭＩＭＯ 채널 측정 방법 및 장치{Method for estimating MIMO channel using Loosely synchronous codes, and apparatus using the same}

본 발명은 MIMO 채널 측정에 관한 것으로서, 특히 두 개 또는 4개의 송신 안테나에서 동시에 엘에스 코드를 전송함으로써, 채널 측정 시간을 단축하고 채널 측정의 정확성을 높일 수 있는 MIMO 채널 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-001-03, 과제명: 차세대 이동통신용 무선 공간채널 특성 연구].

다중 안테나(MIMO: Multi Input Multi Output) 시스템의 성능은 채널 환경에 큰 영향을 받기 때문에, 다중 안테나 시스템의 사용을 위해서는 정확한 채널 측정이 필요하다.

따라서, MIMO 채널 측정 장치(MIMO channel sounder)는 시스템 설계에 적합한 채널 정보를 제공할 수 있어야 한다.

종래 기술에 따른 MIMO 채널 측정은 PN 코드를 사용한다. PN 코드를 사용하는 MIMO 채널 측정은, 다중 안테나 간의 간섭을 제거하기 위하여 주어진 시간 동안에만 각각의 송신안테나에서 순차적으로 PN 코드를 전송한다.

그러나, PN 코드를 사용하는 MIMO 채널 측정은, PN 코드가 길어지거나 송신 안테나의 수가 늘어나는 경우에는 실제 채널과 차이가 많은 다른 채널을 측정하게 된다.

또한, 다른 종래 기술은 주파수 영역에서 부반송파를 각각의 송신 안테나에 할당하여 동시적으로 채널을 측정한다.

그러나, 상기 부반송파를 이용한 채널 측정은 송신 안테나에 할당 할 수 있는 부반송파가 한정되어 있기 때문에, 송신 안테나의 개수를 일정 개수 이상 늘릴 수 없고, 수신단에서 채널을 복원하기 위하여 복잡한 시스템이 필요하다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제를 해결할 수 있는 MIMO 채널 측정 방법 및 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 두 개 또는 4개의 송신 안테나에서 동시에 엘에스 코드를 전송함으로써, 채널 측정 시간을 단축하고 채널 측정의 정확성을 높일 수 있는 MIMO 채널 측정 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 실시예는, 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드를 생성하는 제1 단계 및 상기 LS 코드를 두 개의 송신 안테나를 통하여 동시에 전송하는 제2 단계를 포함하는 2N(N은 1이상의 정수)개의 송신 안테나를 통하여 MIMO 채널 측정을 위한 신호의 송신 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 다른 실시예는, [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))를 생성하는 제1 단계와, 2N 개의 안테나가 두 개씩 순차적으로, 상기 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))을 채널을 통해 전송하는 - 이때, 상기 채널의 최대 지연은 IFW/2 보다 작은- 제2 단계와, 상기 채널을 통해 전송된 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))을 수신하는 제3 단계 및 수신된 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))과 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 상기 채널을 측정하는 제4 단계를 포함하는 MIMO 채널 측정 방법을 제공한다.

상기 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드는 하나의 LS 코드 쌍일 수 있다.

상기 수신된 신호는 최대 지연이 상기 무 간섭 구간의 1/2 보다 작은 채널을 통하여 수신된 것일 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예는 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드를 생성하는 제1 단계 및 상기 LS 코드를 네 개의 송신 안테나를 통하여 동시에 전송하는 제2 단계를 포함하는 4N(N은 1이상의 정수)개의 송신 안테나를 통하여 MIMO 채널 측정을 위한 신호의 송신 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 첫 번째 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t)) 및 [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 두 번째 LS 코드 쌍(c₃(t) 및 c₄(t))을 생성하는 제1 단계와, 4N 개의 안테나가 두 개씩 순차적으로, 상기 첫 번째 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t)) 및 두 번째 LS 코드 쌍(c₃(t) 및 c₄(t))을 채널을 통해 전송하는 - 이때, 상기 채널의 최대 지연은 IFW/4 보다 작은- 제2 단계와, 상기 채널을 통해 전송된 첫 번째 LS 코드 쌍 및 두 번째 LS 코드 쌍을 수신하는 제3 단계 및 수신된 첫 번째 LS 코드 쌍 및 두 번째 LS 코드 쌍과 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 상기 채널을 측정하는 제4 단계를 포함하는 MIMO 채널 측정 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 두 개 또는 네 개의 송신 안테나를 통해 동시에 송신된 신호를 수신하는 안테나와, 송신단에서 생성한 LS 코드와 동일한 LS 코드를 저장하고 있는 LS 코드 저장부 및 상기 수신된 신호와 상기 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 채널을 측정하는 채널 측정부를 포함하는 MIMO 채널 측정 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 두개의 송신안테나씩 LS 코드를 동시에 전송하므로 기존의 시분할 다중화 방식의 채널사운더 보다 전체 MIMO 채널을 측정하는 시간을 약 1/2로 줄일 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 네 개의 송신안테나씩 LS 코드를 동 시에 전송하므로 기존의 시분할 다중화 방식의 채널사운더 보다 전체 MIMO 채널을 측정하는 시간을 약 1/4로 줄일 수 있다.

그러므로 본 발명은 종래기술에 따른 MIMO 채널 측정 보다, 더욱 실제 채널에 가까운 채널을 측정할 수 있다. 또한, 수신단은 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 채널을 측정하기 때문에 수신단의 구성은 단순해 진다.

특히 송신단과 수신단의 안테나 수가 많고 수신단이 빠른 속도로 움직이는 상황에서 채널의 최대 지연이 IFW /4보다 작다고 가정할 수 있을 경우, 두 번째 방법이 첫 번째 방법보다 효율적이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 기본적인 원리는 LS 코드의 특성을 이용하는 것이다.

일반적으로, 시분할 다중화(Time-Division Multiplexing) 시스템에서, LS 코드는 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, IFW(Interference Free Window)라는 간섭이 없는 구간이 존재한다.

LS 코드는 IFW 구간에서는 코드의 자기 상관값과 상호 상관값이 0이 되는 특성을 갖는다.

따라서, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, LS 코드는 위상차가 0을 기준으로 0의 전후로 최대 n칩의 위상차에서 자기 상관값이 0이 되는 특성을 갖는다. 또한 -n ∼ n의 위상차를 갖는 구간에 대해서는 상호 상관값이 마찬가지로 0이 된다. 이때 LS 코드는 [-n, n]의 IFW 구간을 갖는다고 한다.

LS 코드의 수는 코드의 길이와 IFW 값에 의하여 결정된다. 만약 코드길이가 32칩인 경우 전체 LS 코드는 32개이지만 모든 코드가 똑 같은 IFW 구간을 갖지는 않는다.

예를 들면 길이가 32인 LS 코드의 경우 [-8,8]인 코드는 2개를 갖으며, 이러한 두 개의 코드 쌍을 LS 코드 쌍(a mate of LS code)이라 한다.

이와 같이, LS 코드의 사용은 다중 경로에 의한 간섭과 타사용자들의 신호로 인한 간섭을 상당히 줄일 수 있다. 즉, IFW 구간안에 수신되는 다중경로에 의한 신호들은 상관 값이 0(간섭이 0)이 되므로 신호대 간섭비(SIR)가 좋아지게 되어 실질적인 전송 효율 증가를 가져오게 된다.

또한 LS 코드의 상호 상관값은 [-n,n]의 구간에서는 0이 되므로 다른 사용자의 신호와 동기가 맞지 않는 상황에서도 상호 상관값이 0이 되는 특성을 갖고 있다.

본 발명에 따른 MIMO 채널 측정은, 상기한 LS 코드의 특성을 이용하여 채널의 최대 지연이 IFW/2 또는 IFW/4 보다 작은 채널 상황에서 채널을 측정한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 채널 측정 장치의 송수신단 구조를 나타내는 블록도이다.

상기 도 2에 도시된 실시예는 최대 채널 지연이 IFW/2인 경우를 나타낸다.

도 2를 참조하면, MIMO 채널 측정을 위한 송신단은, 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드를 생성하는 LS 코드 생성부(210) 및 N개의 안테나(230)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 MIMO 채널 측정을 위한 송신단은 상기 N 개의 안테나가 두 개씩 순차적으로 상기 LS 코드를 전송하도록 하는 스위치부(220)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

따라서, 상기 N개의 안테나는 동시에 두 개씩 상기 생성된 LS 코드를 전송한다.

도 2를 참조하면, MIMO 채널 측정을 위한 수신단은 두 개의 송신 안테나를 통해 동시에 송신된 신호를 수신하는 M개의 안테나(240)와, 송신단에서 생성한 LS 코드와 동일한 LS 코드를 저장하고 있는 LS 코드 저장부(250) 및 상기 수신된 신호와 상기 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 채널을 측정하는 채널 측정부(260)를 포함한다.

상기 M개의 안테나(240)를 통하여 수신되는 수신 신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 송신안테나의 개수는 2로 가정한다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, * 는 컨볼루션 연산, (c₁(t), c₂(t))는 하나의 LS 코드 쌍,

및

은 채널,

은 백색 가우시안 부가 잡음을 나타낸다.

상기 채널 측정부(260)는 상기 수학식 1과 같은 수신신호 및 상기 LS 코드 생성부(210)에서 생성된 LS 코드와 동일한 LS 코드를 사용하여 채널을 측정한다.

상기 채널 측정부(260)에 의하여 측정된 채널은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

상기 수학식 2에서,

은 a와 a의 자기상관을 의미하고,

는 a와 b의 상호 상관을 의미한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MIMO 채널 측정 장치의 송수신단 구조를 나타내는 블록도이다.

상기 도 3에 도시된 실시예는 최대 채널 지연이 IFW/4인 경우를 나타낸다.

도 3을 참조하면, MIMO 채널 측정을 위한 송신단은, 소정 길이의 무 간섭 구간을 갖는 LS 코드를 생성하는 LS 코드 생성부(310) 및 N개의 안테나(330)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 MIMO 채널 측정을 위한 송신단은 상기 N 개의 안테나가 네 개씩 순차적으로 상기 LS 코드를 전송하도록 하는 스위치부(320)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

따라서, 상기 N개의 안테나는 동시에 네 개씩 상기 생성된 LS 코드를 전송한다.

도 3을 참조하면, MIMO 채널 측정을 위한 수신단은 네 개의 송신 안테나를 통해 동시에 송신된 신호를 수신하는 M개의 안테나(340)와, 송신단에서 생성한 LS 코드와 동일한 LS 코드를 저장하고 있는 LS 코드 저장부(350) 및 상기 수신된 신호와 상기 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 채널을 측정하는 채널 측정부(360)를 포함한다.

상기 도 3에서, M개의 안테나(340)를 통하여 수신되는 수신 신호는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 이때, 송신안테나의 개수는 4로 가정한다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서 * 는 컨볼루션 연산, (c₁(t), c₂(t))는 첫 번째 LS 코드 쌍, (c₃(t), c₄(t))는 두 번째 LS 코드 쌍,

,

,

, 및

은 채널,

은 백색 가우시안 부가 잡음을 나타낸다.

상기 채널 측정부(360)는 상기 수학식 3과 같은 수신신호 및 상기 LS 코드 생성부(310)에서 생성된 LS 코드와 동일한 LS 코드를 사용하여 채널을 측정한다.

상기 채널 측정부(360)에 의하여 측정된 채널은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

상기 수학식 4에서,

은 a와 a의 자기상관을 의미하고,

는 a와 b의 상화 상관을 의미한다.

도 4는 상기 도 2에 도시된 실시예에서 송신 프레임 구조(410) 및 수신 프레임 구조(420)를 나타내는 도면이고, 도 5는 상기 도 3에 도시된 실시예에서 송신 프레임 구조(510) 및 수신 프레임 구조(520)를 나타내는 도면이다.

도 6 내지 도 8은 송신단은 고정되고, 수신단의 속도가 0 Km/h, 120 Km/h 그리고 300 Km/h 일때 사운더의 rms Delay Spread error 에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. LS코드 길이는 1024이고, LS 코드의 Interference Free Window (IFW)

는 512이고,

는 40dB이다.

또한, 제1 실시예는 상기 도 2에 도시된 실시예이고, 제2 실시예는 상기 도 3에 도시된 실시예를 의미한다. 이때, 제1 실시예에서 채널의 최대 지연은

이고, 제2 실시예에서 채널의 최대 지연은

라고 가정한다. 수신단의 속도는 각각 0 Km/h, 120 Km/h 그리고 300 Km/h 인 경우이며, 송신안테나와 수신안테나의 수는 각각

및

인 경우이다.

도 6은 수신단의 속도가 0 Km/h일 때 채널 측정 장치의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

도 6에서 '

종래 TDM 채널 측정장치(conventional TDM sounder)' 와 '

종래 TDM 채널 측정장치(conventional TDM sounder)'는 각각 종래 기술에 따른 시분할 다중화 방식의 채널사운더이다.

또한, '

, 제1실시예(proposed sounder 1)' 와 '

, 제2 실시예(proposed sounder 2)'는 상기한 본 발명의 실시예에 따른 채널 측정을 나타낸다. 종래 기술에 따른 채널 측정은 실제 채널을 측정하기 어렵기 때문에 성능이 떨어지며, 본 발명의 제1,제2 실시예는 실제 채널에 가까운 채널을 측정하기 때문에 성능이 우수함을 알 수 있다.

도 7은 수신단의 속도가 120 Km/h일 때 사운더의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

도 7을 참조하면, 수신단의 속도가 120 Km/h로 증가했을 경우, 종래 기술에 따른 채널 측정은 본 발명의 제1, 제2 실시예에 비하여 수신단의 속도가 0 Km/h일 때보다 더욱더 성능이 떨어짐을 알 수 있다.

도 8은 수신단의 속도가 300 Km/h일 때 사운더의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

도 8을 참조하면, 수신단의 속도가 300 Km/h로 증가했을 경우, 종래 기술에 따른 채널 측정은 본 발명의 제1, 제2 실시예에 비하여 수신단의 속도가 120 Km/h일 때보다 성능이 매우 악화됨을 알 수 있다.

또한, 종래 기술에 따른 채널 측정은 상기 도 7 및 도 8을 참조하면, 송신단과 수신단의 안테나 수가 증가 할수록 성능이 악화됨을 알 수 있다.

본 발명에 따른 MIMO 채널 측정 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. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통 상의 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 1a 및 도 1b는 엘에스 코드의 자기 상관값에서 IFW를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 채널 측정 장치의 송신단 및 수신단 구조를 나타내는 블록도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MIMO 채널 측정 장치의 송신단 및 수신단 구조를 나타내는 블록도이다.

도 4는 상기 도 2에 도시된 실시예에서 송신 프레임 및 수신 프레임을 나타내는 도면이다.

도 5는 상기 도 3에 도시된 실시예에서 송신 프레임 구조 및 수신 프레임을 나타내는 도면이다.

도 6은 수신단의 속도가 0 Km/h일 때 채널 측정 장치의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

도 7은 수신단의 속도가 120 Km/h일 때 사운더의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

도 8은 수신단의 속도가 300 Km/h일 때 사운더의 rms Delay Spread error 결과를 보여준다.

Claims (12)

1. [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 하나의 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))를 생성하는 제1 단계;

   2N(N은 2이상의 정수)개의 송신 안테나가 두 개의 안테나씩 순차적으로, 상기 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))을 채널을 통해 전송하는 - 이때, 상기 채널의 최대 지연은 IFW/2 보다 작은- 제2 단계;

   수신단이 상기 채널을 통해 전송된 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))을 수신하는 제3 단계; 및

   수신된 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))과 송신단에서 생성한 LS 코드와 동일한 LS 코드를 저장하고 있는 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 상기 채널을 측정하는 제4 단계를 포함하는 MIMO 채널 측정 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 저장부에 저장된 LS 코드는,

   상기 제1 단계에서 생성하는 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t))과 동일한 것을 특징으로 하는 MIMO 채널 측정 방법.
3. [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 첫 번째 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t)) 및 [-n, n]의 무간섭 구간(IFW)을 갖는 두 번째 LS 코드 쌍(c₃(t) 및 c₄(t))을 생성하는 제1 단계;

   4N(N은 2이상의 정수)개의 송신 안테나가 네 개의 안테나씩 순차적으로, 상기 첫 번째 LS 코드 쌍(c₁(t) 및 c₂(t)) 및 두 번째 LS 코드 쌍(c₃(t) 및 c₄(t))을 채널을 통해 전송하는 - 이때, 상기 채널의 최대 지연은 IFW/4 보다 작은- 제2 단계;

   수신단이 상기 채널을 통해 전송된 첫 번째 LS 코드 쌍 및 두 번째 LS 코드 쌍을 수신하는 제3 단계; 및

   수신된 첫 번째 LS 코드 쌍 및 두 번째 LS 코드 쌍과 송신단에서 생성한 LS 코드와 동일한 LS 코드를 저장하고 있는 저장부에 저장된 LS 코드의 자기 상관 및 상호 상관을 이용하여 상기 채널을 측정하는 제4 단계를 포함하는 MIMO 채널 측정 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 저장부에 저장된 LS 코드는,

   상기 제1 단계에서 생성하는 첫 번째 LS 코드 쌍 및 두 번째 LS 코드 쌍과 동일한 것을 특징으로 하는 MIMO 채널 측정 방법.
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