KR101098215B1 - 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 기록 매체 - Google Patents

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Abstract

양방향의 SVD-MIMO 통신을 행할 때, 송신기로부터의 송신 패킷에 부가되는 기준 신호의 영역을 적게 하고, 전송 효율을 향상시킨다. 상기 송신기는, 기준 신호를 송신하고, 그 직후에 사용자 데이터를 송신한다. 이것에 대하여, 수신기는, 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 신호에 따라 채널 행렬을 취득하고, 그 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 가중하면서 수신하고, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하고, 이 적응 추정된 채널 행렬 H'로부터, 역방향의 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V'를 얻는다.
Figure R1020067021042
송신기, 수신기, 송신 가중치, 수신 가중치, 채널 행렬, 적응 추정, 사용자 데이터

Description

무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 기록 매체 {SYSTEM, METHOD, AND APPARATUS FOR WIRELESS COMMUNICATION, AND RECORDING MEDIUM}
본 발명은, 무선 LAN(Local Area Network)과 같이 복수의 무선국 사이에서 광대역의 무선 전송을 실현하는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 특히, 복수의 안테나를 가지는 송신기와 복수의 안테나를 가지는 수신기가 쌍으로 되어, 공간 다중을 이용하여 복수의 논리적 채널을 형성한 복수 입력 복수 출력 통신(MIMO(Multi Input Multi Output) Communication)를 행함으로써 전송 용량의 확대를 행하는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은, 송수신의 각 안테나 쌍에 대응하는 채널을 요소로 한 채널 정보 행렬의 특이치 분해(SVD)를 이용한 폐루프형(closed-loop)의 MIMO 전송을 행하는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이며, 특히, SVD-MIMO 통신을 행할 때, 채널 행렬을 취득하기 위해 송수신기 사이에서 교환되는 기준 신호의 영역을 적게 하여 전송 효율을 향상시키는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
LAN으로 대표되는 컴퓨터 네트워킹에 의해, 정보 자원의 공유나 기기 자원의 공유를 효율적으로 실현할 수 있다. 여기서, 종래 및 미래의 유선 방식에 의한 LAN 배선으로부터 사용자를 해방하는 시스템으로서, 무선 LAN가 주목되어 있다. 무선 LAN에 의하면, 오피스 등의 작업 공간에 있어서, 유선 케이블의 대부분을 생략할 수 있기 때문에, 퍼스널 컴퓨터(PC) 등의 통신 단말기를 비교적 용이하게 이동시키는 것이 가능하다.
최근에는, 무선 LAN 시스템의 고속화, 저가격화에 따라 그 수요가 현저하게 증가하고 있다. 특히, 사람의 신변에 존재하는 복수의 전자 기기 사이에서 소규모의 무선 네트워크를 구축하여 정보 통신을 행하기 위하여, 퍼스널 에어리어 네트워크(personal area network; PAN)의 도입이 검토되어 있다. 예를 들면, 2.4GHz대나, 5GHz대 등, 감독 관청의 면허가 불필요한 주파수 대역을 이용하여, 상이한 무선 통신 시스템 및 무선 통신 장치가 규정되어 있다.
무선 네트워크에 관한 표준적인 규격의 하나에 IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11(예를 들면, International Standard ISO/IEC 8802-11:1999 (E) ANSI/IEEE Std 802.11, 1999 Edition, Part11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications을 참조)이나, HiperLAN/2(예를 들면, ETSI Standard ETSI TS 101761-1 V.1.3.1 Broadband Radio Access Networks(BRAN)； HIPERLAN Type2； Data Link Control(DLC) Layer； Part1: Basic Data Transport Functions 또는 ETSI TS 101761-2 V1.3.1 Broadband Radio Access Networks(BRAN)； HIPERLAN Type2； Data Link Control(DLC) Layer； Part2: Radio Link Control(RLC) sublayer을 참조)나 IEEE 302.15.3, 블루투스 통신 등을 들 수 있다. IEEE 802.11 규격에 대하여는, 무선 통신 방식이나 사용하는 주파수 대역의 차이 등에 의해, IEEE 802.11a(예를 들면, Supplement to IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part11: Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) specifications: High-speed Physical Layer in the 5GHz Band를 참조), 802.11b, 및 802.11g 이라는 확장 규격이 존재한다.
IEEE 802.11a의 규격에서는, 최대로, 54Mbps의 통신 속도를 달성하는 변조 방식을 서포트하고 있다. 그러나 통신 속도로서 새로운 고 비트 레이트를 실현할 수 있는 무선 규격이 요구되고 있다. 예를 들면, IEEE 802.11n에서는, 실효 처리량(effective throughout)으로 100MBPS를 넘는 고속의 무선 LAN 기술의 개발을 목표로 하여, 차세대의 무선 LAN 규격을 책정하고 있다.
무선 통신의 고속화를 실현하는 기술의 하나로서 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 통신이 주목을 받고 있다. 이것은, 송신기 측과 수신기 측의 양쪽에 있어서 복수의 안테나 소자를 구비하고, 공간적으로 다중화된 전송 경로(이하, "MIMO 채널"이라고도 함)를 실현하는 것으로, 전송 용량의 확대를 도모하여 통신 속도 향상을 달성하는 기술이다. MIMO 통신은, 공간 다중을 이용하므로, 주파수대를 유효 하게 이용한다.
MIMO 통신 방식은, 송신기에서 복수 안테나에 송신 데이터를 분배하여 송출하고, 복수의 가상적인 MIMO 채널을 이용하여 전송하며, 수신기에서는 복수 안테나에 의해 수신된 신호로부터 신호 처리에 의해 수신 데이터를 얻는 채널의 특성을 이용한 통신 방식이며, 단순한 송수신 적응형 안테나 어레이와는 다르다.
도 4에는, MIMO 통신 시스템이 개념적으로 도시되어 있다. 동 도면에 도시된 바와 같이, 송수신기 각각에 복수의 안테나가 장비되어 있다. 송신측에서는, 복수의 송신 데이터를 공간/시간 부호화하고 다중화하고 M개의 안테나에 분배하여, 복수의 MIMO 채널에 송출한다. 수신측에서는, 채널 경유로 N개의 안테나에 의해 수신된 수신 신호를 공간/시간 복호하여 수신 데이터를 얻을 수 있다. 이 경우의 채널 모델은 송신기 주위의 전파 환경(전달 함수)과 채널 공간의 구조(전달 함수)와 수신기 주위의 전파 환경(전달 함수)에 의해 구성된다. 각 안테나로부터 전송되는 신호를 다중화할 때, 크로스토크(Crosstalk)가 발생하지만, 수신측의 신호 처리에 의해 다중화된 각 신호를 크로스토크 없이 정확하게 인출할 수 있다.
MIMO 전송을 구성하는 방법으로서는 다양한 방식이 제안되어 있지만, 안테나의 배치에 따라 어떻게 채널 정보를 송수신 사이에서 교환할지가 실장 상의 큰 과제로 된다.
채널 정보를 교환하는 데는, 기존 정보(프리앰블 정보)를 송신측으로부터 수신측으로만 전송하는 방법이 용이하며, 이 경우에는 송신기와 수신기가 서로 독립적으로 공간 다중 전송을 행하는 것으로 되어, 개루프형(open-loop)의 MIMO 전송 방식이라 한다. 또, 이 방법의 발전형으로서 수신측으로부터 송신측에도 프리앰블 정보를 피드백함으로써, 송수신 사이에서 이상적인 공간 직교 채널을 작성하는 폐루프형의 MIMO 전송 방식도 있다.
개루프형의 MIMO 전송 방식으로서, 예를 들면, V-BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time) 방식을 들 수 있다(예를 들면, 일본국 특개평 10-84324호 공보 참조). 송신측에서는, 특히 안테나 가중치 계수 행렬을 주지 않고, 단순하게 안테나마다 신호를 다중화하여 보낸다. 바꾸어 말하면, 안테나 가중치 계수 행렬을 얻기 위한 피드백 수속이 일체 생략된다. 송신기는, 다중화 신호를 송출하기 전에, 수신기 측에서 채널 추정을 행하기 위한 트레이닝 신호를, 예를 들면, 안테나마다 시분할로 삽입한다. 다른 한편, 수신기에서는, 채널 추정부에서 트레이닝 신호를 이용하여 채널 추정을 행하고, 각 안테나 쌍에 대응한 채널 정보 행렬 H를 산정한다. 그리고 제로 포커싱(zero-forcing)과 소거(cancellation)를 적절하게 조합함으로써, 소거에 의해 생긴 안테나 자유도를 활용하여 SN비를 향상시켜, 복호의 확실도를 높인다.
또, 폐쇄형의 MIMO 전송의 이상적인 형태의 하나로서 전파로 함수의 특이치 분해(SVD: Singular Value Decomposition)를 이용한 SVD-MIMO 방식이 알려져 있다(예를 들면, http://radio3.ee.uec.ac.jp/MIMO(IEICE_TS.pdf(2003년 10월 24일 현재)를 참조).
도 5에는, SVD-MIMO 전송 시스템이 개념적으로 도시되어 있다. SVD-MIMO 전송에서는, 각 안테나 쌍에 대응하는 채널 정보를 요소로 한 수치 행렬 즉 채널 정 보 행렬 H를 특이치 분해하고 UDVH를 구하고, 송신측의 안테나 가중치 계수 행렬로서 V를 부여하는 동시에, 수신측의 안테나 가중치 계수 행렬로서 UH를 부여한다. 이로써, 각각의 MIMO 채널은, 각 고유치 λi의 평방근을 대각 요소에 가지는 대각 행렬 D로서 표현되고, 크로스토크가 전혀 없이 신호를 다중화하여 전송할 수 있다. 이 경우, 송신기 측과 수신기 측의 양쪽에 있어서, 공간 분할 즉 공간 직교 다중된 논리적으로 독립된 복수의 전송 경로를 실현할 수 있다.
SVD-MIMO 전송 방식에 의하면, 이론적으로는 최대의 통신 용량을 달성할 수 있고, 예를 들면, 송수신기가 안테나를 2개씩 가지면, 최대 2배의 전송 용량을 얻을 수 있다.
여기서, SVD-MIMO 전송 방식의 메커니즘에 대하여 상세히 설명한다. 송신기의 안테나 개수를 M으로 하면 송신 신호 x는 M x 1의 벡터로 표현되고, 또, 수신기의 안테나 개수를 N으로 하면 수신 신호 y는 N x 1 벡터에 의해 표현된다. 이 경우, 채널 특성은 N x M의 수치 행렬 즉 채널 행렬 H로서 표현된다. 채널 행렬 H의 요소 hij는, j번째의 송신 안테나로부터 i번째의 수신 안테나로의 전달 함수이다. 그리고 수신 신호 벡터 y는, 하기 식(1)과 같이, 송신 신호 벡터에 채널 정보 행렬을 곱셈하고, 또한 잡음 벡터 n을 가산하여 표현된다.
Figure 112006073089513-pct00001
전술한 바와 같이, 채널 정보 행렬 H를 특이치 분해하면, 하기 식(2)와 같이 된다.
Figure 112006073089513-pct00002
여기서, 송신측의 안테나 가중치 계수 행렬 V와 수신측의 안테나 가중치 행렬 U는, 각각 하기 식(3), (4)를 만족시키는 유니터리 행렬이다.
Figure 112006073089513-pct00003
Figure 112006073089513-pct00004
구체적으로, HHH의 정규화된 고유 벡터를 배열한 것이 수신측의 안테나 가중치 행렬 UH이며, HHH의 정규화된 고유 벡터를 배열한 것이 송신측의 안테나 가중치 행렬 V이다. 또, D는 대각 행렬이며 HHH 또는 HHH의 고유치 λi의 평방근을 대각 성분에 가진다. 행렬 크기는, 송신 안테나 수 M과 수신 안테나 수 N 중 작은 수이며, 즉 min(M, N)의 크기의 정방 행렬이 얻어지며 대각 행렬이 상기 정방 행렬로부 터 얻어진다.
Figure 112006073089513-pct00005
전술에서는, 실수에서의 특이치 분해에 대하여 설명하였으나, 허수에까지 확장한 경우의 특이치 분해에는 주의점이 있다. U와 V는 고유 벡터로 구성되는 행렬이지만, 고유 벡터를 법칙이 1로 되도록 하는 조작 즉 정규화를 행한 경우라도, 단일의 것으로는 안되므로, 위상이 상이한 고유 벡터가 무수히 존재한다. U와 V의 위상 관계에 따라서는, 상기 식(2)이 성립되지 않는 경우가 있다. 즉, U와 V는 각각 정확하였으나, 위상만큼 각각 임의로 회전하고 있기 때문이다. 위상을 완전 일치시키기 위해서는, V는 통상대로 HHH의 고유 벡터로서 구한다. 그렇지만, U는 하기 식으로 표현되는 바와 같이, 상기 식(2)의 양 변에 V를 곱함으로써 얻어진다.
Figure 112006073089513-pct00006
송신측에서는 안테나 가중치 계수 행렬 V에 의해 가중된 서브-캐리어를 송신하며, 수신측에서는 상기 서브-캐리어를 수신한 다음 안테나 가중치 계수 행렬 UH로 가중한다. 이것은 U와 V가 유니터리 행렬인 것으로부터, U는 N x min(M, N), V는 M x min(M, N)인 하기 식대로 된다.
Figure 112006073089513-pct00007
여기서, 수신 신호 y와 송신 신호 x는, 송신 안테나와 수신 안테나의 수로 정해지는 벡터가 아니고, (min(M, N) x 1) 벡터이다.
D는 대각 행렬이므로, 각 송신 신호가 크로스토크 없이 수신될 수 있다. 그리고 독립된 각 MIMO 채널의 진폭은 채널에 대한 고유치 λ의 평방근에 비례하므로, 각 MIMO 채널의 전력의 크기는 λ에 비례한다.
잡음 성분 n도, U의 열은 법칙이 1에 정규화된 고유 벡터이므로, UHn는 그 잡음 전력을 바꾸는 것은 아니다. 사이즈로서는, UHn는 (min(M, N) 벡터로 되고, y 및 x와 같은 사이즈이다.
이와 같이 SVD-MIMO 전송에서는, 동일한 주파수 및 동일한 시간에 있으면서, 크로스토크가 없는 복수의 논리적으로 독립인 MIMO 채널을 얻을 수 있다. 즉, 같은 시각에 동일 주파수를 사용하여, 복수의 데이터를 무선 통신으로 전송하는 것이 가능해지고, 전송 속도의 향상을 실현할 수 있다.
그리고 SVD-MIMO 통신 시스템에서 얻어지는 MIMO 채널 수는, 일반적으로, 송신 안테나 개수 M과 수신 안테나 개수 N 중 적은 쪽 min［M, n］에 상당한다. 또, 송신측에서의 안테나 가중치 계수 행렬 V는, MIMO 채널 수 분의 송신 벡터 ｖi로 구성된다(V =［ｖ1, ｖ2, ...., ｖmin[M, N］). 또, 각 송신 벡터 ｖi의 요소 수는 송신 안테나 개수 M이다.
일반적으로, SVD-MIMO로 대표되는 폐루프형 MIMO 방식은, 송신기 측이 전송 경로의 정보를 고려하여, 최적인 안테나 가중치 계수를 산출할 수 있다. 또한, 각 송신 안테나의 비트 스트림에 적용되는 부호화 비율이나 변조 방식을 최적화시키는 것으로, 더욱 이상적인 정보 전송을 실현할 수 있도록 되어 있다.
다른 한편, 폐루프형 MIMO 방식을 실제 시스템으로서 도입하는 데는, 송수신기의 이동에 의해 채널 변동이 큰 경우에, 수신측으로부터 송신측으로의 피드백이 일어나는 빈도가 훨씬 많다는 문제도 있다. 또, SVD-MIMO 통신 방식에 있어서는, 특이치 분해의 연산을 리얼타임으로 행하는 것은 용이하지 않다. 더욱이 도출된 V 또는 UH를 미리 상대방에게 전해주는 셋업 단계가 필요하다.
SVD-MIMO 전송의 적용 대상으로 되는 LAN 시스템의 하나인 IEEE 802.11a 즉 5GHz대의 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 통신 방식을 예로 하여, 송신측 안테나 계수 행렬 V의 정보량에 대하여 고찰해 본다. 송수신 안테나 소자 수를 3개씩으로 하면, 송신측의 안테나 계수 행렬 V는 3 x 3 행렬이 되어, 그 요소 수는 9이다. 1요소당 10비트 정밀도의 실수와 복소수로 표현되어 있는 것으로 하고, 그것이 52 캐리어분 필요하면, 9,360비트(=9(행렬의 요소 수) x 2(복소수의 실수부, 허수) x 10(비트) x 52(OFDM 서브 캐리어 수)를 수신기로부터 송신기에 피드백해야만 한다.
여기서, 실제의 SVD-MIMO 송수신 시스템을 구성하는 경우에 고려해야만 하는 점에 대하여 설명한다.
SVD-MIMO 전송 방식의 기본형에 있어서는, 수신기에서는, 취득한 채널 행렬 H를 특이치 분해하여, 수신용의 가중치 벡터 UH와, 송신기로 사용하는 송신용의 가중치 벡터 V를 구하고, 이 V를 송신기 측에 피드백한다. 그리고 송신기에서는, 이 V를 송신용의 가중치로서 사용한다.
그런데 송신기 측에 피드백하는 송신 가중치 행렬 V의 정보량이 커서 V의 정보를 솎아내 보냈을 경우에는, 실제 V의 정보와의 오차로 인해, MIMO 채널 사이의 직교 상태가 망가져 버려 크로스토크가 생겨 버린다.
그래서, 통상은, 수신기 측에서 취득한 송신 가중치 행렬 V를 송신기 측에 피드백한 후, 송신기는 그 행렬 V를 사용하여 기준 신호를 가중치를 부여하여 송신하고, 수신기 측에서는 다시 채널 행렬을 취득한다. 채널 행렬을 H로 하면, V로 가중치를 부여하여 송신한 기준 신호로부터, 수신기는, HV라는 채널 행렬을 얻을 수 있다.
수신기 측에서, 이 HV의 역행렬을 구하고, 그것을 수신용의 가중치로서 사용한다. H=UDVH인 것으로부터, HV는 하기 식과 같이 된다.
Figure 112006073089513-pct00008
이것은, 통상의 SVD-MIMO와 같이 UH를 수신용의 가중치에 사용한 후, 분리된 각 MIMO 채널의 스트림에, 대각 행렬 D의 각 대각 요소 λi로부터 구해지는 정수를 곱하는 것만으로 된다.
송신측에서, 행렬 V를 송신용의 가중치로서 사용하고, 수신기 측에서, HV의 역행렬을 수신용의 가중치를 사용하는 구성은, 통상의 SVD-MIMO의 성능과 같고, 송신기 측과 수신기 측의 V의 불일치가 없다. 따라서, 실용적으로 이와 같은 구성을 채용할 수 있다.
SVS-MIMO 통신을 행하기 위해서는, 채널 행렬 등의 취득이 필요하다. 다른 한편, 통상의 무선 통신 시스템에 있어서는, CSMA/CA 방식에 의해 충돌의 회피를 행하면서, 예를 들면, 은폐 단말기 문제를 해결할 목적으로, 이른바 RTS/CTS 단계에 따른 송신권의 획득이 행해진다. 따라서, 이하에 나타내는 같은 제어 순서에 따라 RTS, CTS, DATA, ACK 등의 각 패킷을 이용하여 채널 행렬의 획득을 실현할 수 있다(도 6을 참조). 이하에서는, 편의상 송신기로부터 수신기로의 다운링크를 순방향, 수신기로부터 송신기로의 업링크를 역방향이라 부른다.
(단계 1)
송신기가 RTS 패킷을 수신기에 송신한다. RTS 패킷에는, 기준 신호가 부가되어 있다.
(단계 2)
수신기에서는, 수신한 RTS 패킷의 기준 신호로부터, 채널 행렬 H를 취득한다.
(단계 3)
수신기에서는, 취득한 채널 행렬 H로부터, 어떠한 변조 방식으로, 몇 개의 독립된 공간 채널을 사용할 수 있는지를 판별한다.
RTS 수신시에, 수신기 측에서 변조 방식을 결정하고자 하는 요구가 있는 경우가 있다. 예를 들면, CTS에 부가하는 NAV를 사용하여, ACK의 완료시까지 주변국의 송신 동작을 정지시키고자 하는 경우 등이다. 또, ShortNAV를 설정하기 위해서는, 채널에 있어서의 변조 방식이나 비트 레이트를 판단할 필요가 있다. 송신기에서 어느 변조 방식으로 송신할 것인지를 결정하려면, 채널 행렬 H가 어떠한 상태인지를 파악하기 위하여, 채널 행렬 H를 특이치 분해하고, 각 MIMO 채널 상태 즉 고유치 λi를 알 필요가 있다.
(단계 4)
수신기 측으로부터 송신기 측에 CTS를 회신한다. CTS에는, 채널 행렬 추정용의 기준 신호가 부가되어 있다.
(단계 5)
송신기에서는, 수신기로부터 보내진 CTS의 기준 신호로부터, 역방향의 채널 행렬 H를 취득한다.
그리고 송신기의 각 안테나에 속하는 아날로그 회로의 특성 차와 수신기의 각 안테나에 속하는 아날로그 회로의 특성 차를 보상하는 캘리브레이션을 행하면, 순방향과 역방향의 전달 함수는 같아지게 된다. 송수신기에 있어서의 아날로그 회로 부분 특성 차의 캘리브레이션 방법에 관해서는, 예를 들면, 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 특원 2003-426294호 명세서에 기재되어 있다.
(단계 6)
송신기는, 취득한 역방향 H의 특이치 분해를 행하고, 순방향의 송신용의 가중치 V를 결정한다. 물론, 수신기 측에서 특이치 분해하고 얻은, 순방향의 송신용 가중치 V를 송신기에 피드백하도록 해도 되지만, 정보량이 너무 크다. 그러므로 이와 같이 수신기는 데이터량이 더 적은 기준 신호를 보내는 것으로, 송신기는 V를 취득한다.
(단계 7)
송신기는, 수신기로부터 CTS 신호를 수신한 것에 응답하여, 데이터 패킷을 송신한다. 이 데이터 패킷의 선두에는, V로 가중된 기준 신호가 부가되고, 그 직후에 사용자 데이터(유료 하중(payload))를 송신한다. 또, 그 사용자 데이터의 직후에는, V로 가중되지 않은 기준 신호를 송신한다.
(단계 8)
수신기에서는, V로 가중된 기준 신호로부터, 채널 행렬 HV를 취득하고, 그 역행렬(식(8)을 참조)을 수신용의 가중치로서 사용자 데이터를 수신한다. 또, 수신기는, 사용자 데이터의 직후의 기준 신호로부터, 새로운 H'를 취득할 수 있다.
(단계 9)
수신기에서는, 취득한 새로운 H'를 특이치 분해함으로써, 수신기로부터 송신기로 전송되는 사용자 데이터의 역방향의 송신 가중치 V'를 취득한다.
(단계 10)
수신기는, 새로운 송신 가중치 V'로 가중된 기준 신호를 송신하고, 그 직후에, 사용자 데이터를 송신하고, 역방향 즉 업링크의 데이터 통신을 행한다.
(단계 11)
송신기는, V'로 가중된 기준 신호로부터, 채널 행렬 H'V'를 취득하고, 그 역행렬을 수신용의 가중치로서 사용자 데이터를 수신한다.
이와 같은 동작 순서에 따라 RTS, CTS, DATA(다운링크), 및 DATA(업링크)의 양방향의 MIMO 통신을 행할 수 있다.
전송 경로의 상황으로부터 얻어지는 채널 행렬 H에 기초하여, 가중된 송수신을 행하는 통신 시스템에 있어서는, 채널 행렬의 전환 시간(change over time)이 문제로 된다. 채널 행렬은, 예를 들면, 실내에서의 사람이나 기기의 이동에 기인하는 반사 경로의 변화 등을 원인으로서 시시각각으로 변화하는 것이기 때문에, 데이터 전송 개시 직전에 있어서의 최신의 채널 행렬을 사용하는 것이 필수로 된다.
그런데 전술한 바와 같은 통신 동작 단계에서는, 수신기 측에서 역방향의 송신 가중치를 취득하기 위하여, 단계 7에 있어서, 사용자 데이터의 직후에 V로 가중되지 않은 기준 신호를 송신할 필요가 있다(도 6을 참조). 이 경우, 사용자 데이터 이외에 여분의 기준 신호가 부가되어 전송 효율이 양호하지 않다는 문제가 있다.
본 발명은, 전술한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 주된 목적은, 공간 다중을 이용하여 복수의 논리적 채널을 형성한 MIMO 통신을 행하는데 의해 전송 용량의 확대를 행할 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 송수신의 각 안테나 쌍에 대응하는 채널을 요소로 한 채널 정보 행렬 H의 특이치 분해를 이용한 폐루프형의 MIMO 통신을 전송 효율적으로 행할 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, SVD-MIMO 통신을 행할 때, 채널 행렬을 취득하기 위해 송수신기 사이에서 교환되는 기준 신호의 영역을 적게 하여 전송 효율을 향상시킬 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 양방향의 SVD-MIMO 통신을 행할 때, 송신기로부터의 송신 패킷에 부가되는 기준 신호의 영역을 적게 하고, 전송 효율을 향상시킬 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 과제를 참작해 이루어진 것이며, 그 제1 측면은, 송신기와 수신기 사이에서 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여 데이터 전송하는 무선 통신 시스템으로서, 송신기는, 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신한 후, 사용자 데이터를 송신하고, 수신기는, 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 신호에 따라 채널 행렬을 취득하고, 그 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 수신하는 동시에, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템이다.
단, 여기서 말하는 "시스템"이란, 복수의 장치(또는 특정한 기능을 실현하는 기능 모듈)가 논리적으로 결합된 것을 말하며, 각 장치나 기능 모듈이 단일의 하우징 내인지의 여부는 별 상관없다.
본 발명에 관한 무선 통신 시스템에서는, 예를 들면, MIMO 통신 방식을 채용하고, 공간적으로 다중화된 복수의 전송 경로 즉 MIMO 채널을 사용하여 전송 용량을 확대하고, 통신 속도를 향상시킬 수 있다. 이 경우, 상기 송신기 및 상기 수신기는 각각 복수의 안테나를 구비하고, 상기 송신기는 전송 데이터를 복수의 스트림에 분배해서 각 송신 안테나로부터 가중된 스트림을 송신하고, 상기 수신기는 각 수신 안테나로 스트림을 가중하고 수신한다.
또, 본 발명에 관한 무선 통신 시스템에서는, SVD-MIMO 전송으로 대표되는 폐루프 MIMO 통신 방식을 채용할 수 있다. 이 경우, 상기 송신기는, 상기 수신기로부터의 피드백 정보에 따라 최적인 송신 안테나 가중치 계수를 얻는다.
통상의 무선 통신 시스템에서는, CSMA/CA에 따른 액세스 제어를 행하면서, 통신국은 RTS/CTS 순서에 따라 송신권을 획득한다. 이 경우, SVD-MIMO 통신을 행하기 위해서는, RTS, CTS, DATA의 각 패킷에 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 부가하는 것이 행해진다.
그런데 RTS/CTS 단계에 따라 송신기로부터 수신기로의 다운링크 즉 순방향의 데이터 전송이 행해진 것에 계속하여, 수신기로부터 송신기로의 업링크 즉 역방향의 데이터 전송을 행하려고 하는 경우에는, 수신기가 역방향의 송신 가중치를 얻기 위하여, 송신기는 사용자 데이터의 직후에 V로 가중되지 않은 기준 신호를 송신할 필요가 있다. 이 경우, 사용자 데이터 이외에 여분의 기준 신호가 부가되어 전송 효율이 양호하지 않다는 문제가 있다.
이것에 대하여, 본 발명에서는, 송신기로부터 수신기에 보내는 사용자 데이터의 직후의 기준 신호를 필요로 하지 않는 방식을 제공한다.
송신기는, 수신기 측에서 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신하고, 그 직후에 사용자 데이터를 송신한다. 이것에 대하여, 수신기는, 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 신호에 따라 채널 행렬을 취득하고, 그 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 수신하는 동시에, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하고, 이 적응 추정된 채널 행렬 H'로부터, 업링크 즉 역방향의 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V'를 얻는다.
이하에서는, 송신기로부터 수신기로의 사용자 데이터를 다운링크 데이터라 한다. 또, 수신기로부터 송신기로의 사용자 데이터를 업링크 데이터라 한다. 또, 송신기로부터 수신기로의 채널 행렬을 H(Dn)와 나타내고, 수신기로부터 송신기로의 채널 행렬을 H(Up)로 나타낸다.
다운링크 데이터는, 송신기 측에서 V로 가중되도록 되어 있다. 수신기 측에서는, 순방향의 송신 가중치 V로 가중된 기준 신호로부터 취득한 H(Dn)V에 의해, 사용자 데이터를 복수의 공간 채널로서 분리하여 수신할 수 있다. 이 수신 데이터와 신호 공간상의 신호 점의 차이를 에러 정보로서, LMS 등의 알고리즘을 사용하고, H(Dn)V의 채널 행렬의 추정값을 갱신할 수 있다. 따라서, H(Dn)V가 시간과 동시에 변화되어, H(Dn, new)V으로 된다 해도, 그 변화가 완만한 경우에는, 추종하여 가는 것이 가능하다. 채널 행렬의 적응 추정에 의한 추종 자체는, 당 기술분야에 있어서 주지이다.
즉, H(Dn)V를 디시젼 피드백(decision feedback)을 사용하여 추종함으로써, 채널 행렬이 H(Dn, new)V에 변화된 것을 수신기 측에서 검지할 수 있다.
한편, 수신기로부터 송신기로의 역방향의 업링크 데이터 송신용 가중치를 새롭게 요구하지 않으면 안 된다.
업링크의 채널 행렬 H(Up)는, 하기 식에 나타낸 바와 같이 다운링크의 채널 행렬 H(Dn)의 전치 행렬로서 표현된다. 단, 행렬 A의 전치 행렬은 AT로 표기되고, 행렬 A의 복소 공역 행렬은 A*로 표기되며, 행렬 A의 공역 전치 행렬은 AH로 표기되는 것으로 한다.
Figure 112006073089513-pct00009
상기 식 (9)은 다음과 같이 계산된다.
Figure 112006073089513-pct00010
요컨대, (U(DnH)T)=U(Dn)*를 업링크 데이터 송신시의 송신용 가중치에 사용할 수 있다.
여기서, 업링크 데이터를 송신하기 직전의 H(Dn, new)를 취득할 수 있으면, 이 업링크 데이터 송신시에 있어서의 송신 가중치 U(Dn)를 취득할 수 있다.
수신기에서는, 송신기로부터의 다운링크 데이터를 수신하고 있는 동안, 적응 추정에 의해 H(Dn)V의 채널 정보를 추종하고 있으므로, H(Dn, new)V를 취득할 수 있다.
또, 송신기로부터의 다운링크 데이터 송신에 사용되는 송신 가중치 V(Dn)는, 수신기로부터 피드백된 오래된 V(Dn)인 채, 수신기 측에서 가지고 있다.
수신기는, 송신기로부터의 다운링크 데이터의 선두에 부가되어 있는 V로 가중된 기준 신호로부터 H(Dn)V를 얻은 후, 적응 추정에 의해 최신의 것을 추종할 수 있다. 그리고 업링크 데이터 송신시에는, H(Dn, new)V에 VH를 곱하여, H(Dn, new)VVH)를 계산함으로써, 다운링크 즉 순방향의 최신의 채널 행렬 H(Dn, new)를 취득할 수 있다. 업링크 즉 역방향의 채널 행렬은 이것의 전치 행렬로 되므로, H(Dn, new)T를 특이치 분해함으로써, 업링크 데이터 송신시의 송신 가중치 U(Dn)*를 얻을 수 있다.
이와 같은 업링크 데이터 송신시의 송신 가중치의 계산방법에 의하면, 도 6에 나타낸 바와 같이 다운링크 데이터의 직후에 기준 신호를 보낼 필요가 없어진다.
또, 본 발명의 제2 측면은, 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여 송신측으로부터 전송되는 데이터를 수신하기 위한 처리를 컴퓨터 시스템상에서 실행하도록 컴퓨터가 판독 가능한 형태로 부호화된 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 송신측으로부터의 순방향의 채널 행렬을 취득하는 채널 행렬 취득 단계와, 상기 송신측으로부터 순방향으로 전송되는 사용자 데이터를 상기 취득된 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 가중하고 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정하는 채널 행렬 적응 추정 단계와, 상기 적응 추정된 채널 행렬을 기초로, 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치를 결정하는 역방향 송신 가중치 결정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 측면에 관한 컴퓨터 프로그램 컴퓨터 시스템상에서 소정의 처리를 실현하도록 컴퓨터가 판독 가능한 형태로 부호화된 컴퓨터 프로그램으로서 정의한 것이다. 환언하면, 본 발명의 제2 측면에 관한 컴퓨터 프로그램의 카피를 개별의 컴퓨터 시스템에 인스톨함으로써 컴퓨터 시스템상에서는 협동적 작용이 발휘되어 통신 장치로서 동작한다. 이와 같은 통신 장치를 복수 기동해서 무선 네트워크를 구축함으로써, 본 발명의 제1 측면에 관한 무선 통신 시스템과 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 송수신의 각 안테나 쌍에 대응하는 채널을 요소로 한 채널 정보 행렬 H의 특이치 분해를 이용한 폐루프형의 MIMO 통신을 전송 효율적으로 행할 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, SVD-MIMO 통신을 행할 때, 채널 행렬을 취득하기 위해 송수신기 사이에서 교환되는 기준 신호의 영역을 적게 하여 전송 효율을 향상시킬 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 양방향의 SVD-MIMO 통신을 행할 때, 송신기로부터의 송신 패킷에 부가되는 기준 신호의 영역을 적게 하고, 전송 효율을 향상시킬 수 있는, 우수한 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법, 및 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은, 후술하는 본 발명의 실시예나 첨부하는 도면에 따른 더 상세한 설명에 따라서, 명백해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 관한 무선 통신 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 채널 특성 취득 및 적응 추정부(37)의 기능 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 RTS/CTS 순서에 따라 양방향의 MIMO 통신을 행하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 4는 MIMO 통신 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 SVD-MIMO 전송 시스템을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 RTS/CTS 순서에 따라 양방향의 MIMO 통신을 행하는 동작을 나타낸 도면이다.
본 발명을 실행하는 최적의 모드
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은, 복수의 안테나를 가지는 송신기와 복수의 안테나를 가지는 수신 기가 쌍으로 되어 신호를 공간적으로 다중화하여 통신하는 MIMO 통신 시스템에 관한 것이다.
통상의 무선 통신 시스템에서는, CSMA/CA에 따른 액세스 제어를 행하면서, 통신국은 RTS/CTS 순서에 따라 송신권을 획득한다. 이 경우, SVD-MIMO 통신을 행하기 위해서는, RTS, CTS, DATA의 각 패킷에 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 부가하는 것이 행해진다.
여기서, RTS/CTS 단계에 따라 송신기로부터 수신기로의 다운링크 즉 순방향의 데이터 전송이 행해진 것에 계속하여, 수신기로부터 송신기로의 업링크 즉 역방향의 데이터 전송을 행하려고 하는 경우에는, 수신기 측에서는, 역방향의 송신 가중치를 취득해야만 한다.
수신기가 역방향의 송신 가중치를 얻도록 하기 위해, 송신기가 사용자 데이터의 직후에 V로 가중되지 않은 기준 신호를 송신한 경우, 사용자 데이터 이외에 여분의 기준 신호가 부가되어 전송 효율이 양호하지 않다.
본 발명에서는, 송신기는, 수신기 측에서 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신하고, 그 직후에 사용자 데이터를 송신한다. 이것에 대하여, 수신기는, 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 신호에 따라 채널 행렬을 취득하고, 그 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 수신하는 동시에, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하고, 이 적응 추정된 채널 행렬 H'로부터, 업링크 즉 역방향의 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V'를 얻을 수 있다. 이로써, 송신기로부터 수신기에 보내는 사용자 데이터의 직후의 기준 신호를 부가할 필요가 없어져, 전송 효율이 향상된다.
도 1에는, 본 발명의 일실시예에 관한 무선 통신 장치의 구성을 나타내고 있다.
동 도면에 나타내는 무선 통신 장치는, 2개의 송수신 안테나(11a 및 11b)를 구비하고, SVD-MIMO 방식에 의한 데이터 전송을 행할 수 있다. 즉, 송신시는, 다중화하는 각 송신 신호에 송신 안테나 가중치 계수를 부여하고 공간/시간 부호화하고 2개의 안테나(11a 및 11b)에 분배하여 채널에 송출하고, 수신측에서는, 채널 경유로 2개의 안테나(11a 및 11b)에 의해 수신한 다중화 신호에 수신 안테나 가중치 계수를 부여하고 공간/시간 복호화하여 수신 데이터를 얻는다. 단, 본 발명의 요지는 안테나 2개로 한정되는 것이 아니고, 3개 이상이라도 된다.
각 송수신 안테나(11a 및 11b)에는, 스위치(12a 및 12b)를 통하여, 각각 송신 계통 및 수신 계통이 병렬적으로 접속되고, 다른 무선 통신 장치에 신호를 소정의 주파수 채널 상에서 무선 송신하거나, 또는 다른 무선 통신 장치로부터 보내지는 신호를 수집한다. 단, 스위치(12a 및 12b)는 송수신 안테나(11a 및 11b)를 송신 계통 또는 수신 계통의 한쪽과 배타적으로 접속하고, 송수신을 함께 병행해서는 행할 수 없는 것으로 한다.
각 송신계통은, 변조 부호화부(21)와 송신용 가중치 곱셈부(22)와 IFFT(23)와 프리앰블/레퍼런스 부여부(24)와 D/A 변환기(25)와 송신용 아날로그 처리부(26)를 구비하고 있다.
변조 부호화부(21)는, 통신 프로토콜의 상위 레이어로부터 보내져 온 송신 데이터를 에러 정정 부호로 부호화하는 동시에 BPSK, QPSK, 16QAM 등의 소정의 변조 방식에 의해 송신 신호를 신호 공간상에 매핑한다. 이 시점에서, 파일럿 심벌 삽입 패턴 및 타이밍에 따라 기존의 데이터 계열(data string)을 파일럿 심벌로서 변조 심벌 시퀀스에 삽입하도록 해도 된다. 서브 캐리어마다 또는 서브 캐리어 수개의 간격으로, 기존 패턴으로 이루어지는 하나의 파일럿 신호가 삽입된다.
송신용 가중치 곱셈부(22)는, 부호화 후의 송신 신호를 송신 가중치 행렬 V로 곱셈함으로써, 공간 다중에 의해 복수의 MIMO 채널을 얻는다.
송신용 가중치 행렬 V는, 통신 상대로부터 보내진 피드백 정보를 기초로 구축되어 송신용 가중치 곱셈부(22)에 설정된다. 또는, RTS/CTS 단계에 따라 송신기로부터 수신기로의 다운링크 즉 순방향의 데이터 전송이 행해진 것에 계속하여, 수신기로부터 송신기로의 업링크 즉 역방향의 데이터 전송을 행하려고 하는 경우에는, 채널 특성 취득 및 채널 행렬 적응 추정부(37)에서 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정한 결과에 따라 역방향의 송신 가중치 V'를 얻을 수 있다. 역방향의 송신 가중치 V'를 얻기 위한 처리 단계에 대하여는 후술한다.
IFFT(23)에서는, 변조된 시리얼 형식의 신호를, 병렬 캐리어수 및 타이밍에 따라 병렬 서브 캐리어의 데이터로 변환하여 모은 후, 소정의 FFT 사이즈 및 타이밍에 따라 FFT 사이즈 분의 역 푸리에 변환을 행한다. 여기서, 심벌간 간섭의 제거를 위하여, OFDM 심벌의 전후에 가드 인터벌 구간을 설치하도록 해도 된다. 가드 인터벌의 시간 폭은, 전송 경로의 상황, 즉 복조에 영향을 미치는 지연파의 최대 지연 시간에 의해 결정된다. 그리고 병렬 데이터를 직렬의 신호로 변환하고, 이 직렬의 신호는 또 주파수축에서의 각 서브 캐리어의 직교성을 유지하면서, 시간 축의 신호로 변환되어, 송신 신호로 된다.
이 송신 신호는, D/A 변환기(25)에 의해 아날로그의 베이스 밴드 신호로 변환되고, 또한 송신용 아날로그 처리부(26)에 의해 RF 주파수대에 업 컨버트 되고나서, 안테나(11)로부터 각 MIMO 채널에 송출된다.
한편, 각 수신 계통은, 수신용 아날로그 처리부(31)와 A/D 변환기(32)와 동기 획득부(33)와 FFT(34)와 수신용 가중치 곱셈부(35)와 복조 복호기(36)와 채널 특성 취득 및 전력 배분 취득부(37)로 구성된다.
안테나(11)로부터 수신된 신호를, 수신용 아날로그 처리부(31)에 의해 RF주파수대로부터 베이스 밴드 신호에 다운 컨버트하고, A/D 변환기(32)에 의해, 디지털 신호로 변환한다.
이어서, 동기 획득부(33)에 의해 검출된 동기 타이밍에 따라 시리얼 데이터로서의 상기 수신 신호를 패러렐 데이터의 배치(constellation)로 변환하고(여기서, 하나의 배치는 가드 인터벌을 포함하는 하나의 OFDM 심벌의 신호로 구성된다), FFT(34)에 의해 유효 심벌 길이 분의 신호를 푸리에 변환하고, 각 서브 캐리어의 신호를 인출함으로써, 시간축의 신호를 주파수축의 신호로 변환한다.
채널 특성 취득 및 채널 행렬 적응 추정부(37)에서는, 먼저 통신 상대가 다중화 송신하는 신호마다 가중치가 주어진 기준 신호를 사용하여 채널 행렬 H를 얻는다. 또한, 이 채널 행렬을 특이치 분해하여, 송신용 가중치 행렬 V와 수신용 가 중치 행렬 UH와 대각 행렬 D를 얻는다. 통신 상대로부터는, 소정의 간격으로 기준 신호가 보내지고, 채널 특성 취득부(37)는 그때마다 새로운 채널 행렬에 갱신하고, 이것을 특이치 분해한다.
또, 채널 특성 취득 및 채널 행렬 적응 추정부(37)에서는, RTS/CTS 단계에 따라 송신기로부터 수신기로의 다운링크 즉 순방향의 데이터 전송이 행해진 것에 계속하여, 수신기로부터 송신기로의 업링크 즉 역방향의 데이터 전송을 행하려고 하는 경우에, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정한 결과에 따라 역방향의 송신 가중치 V'를 얻는다. 역방향의 송신 가중치 V'를 얻기 위한 처리 단계에 대하여는 후술한다.
채널 행렬을 특이치 분해하여 얻어진 수신용 가중치 행렬 UH는 자체 장치의 수신용 가중치 곱셈부(35)에 설정되는 동시에, 송신용 가중치 행렬 V는 통신 상대에게 피드백된다. 단, 수신용 가중치 행렬로서 UH가 아니고, HV의 역행렬로서의 D_UH를 사용하도록 해도 된다(전술 및 식(8)을 참조).
그리고 수신용 가중치 곱셈부(35)는, 채널 행렬 H를 특이치 분해하고 얻어진 수신용 가중치 행렬 UH 또는 D_UH를 수신 신호에 곱셈함으로써 공간적으로 다중화된 수신 신호를 공간 분리한다.
가중된 수신 신호는, 또한 복조 복호기(36)에 의해, 신호 공간상의 수신 신호를 BPSK, QPSK, 16QAM 등의 소정의 방식에 의해 디매핑하는 동시에 에러 정정 및 복호하여 수신 데이터로 되어, 통신 프로토콜의 상위 레이어에게 건네진다.
여기서, RTS/CTS 단계에 따라 송신기로부터 수신기로의 다운링크 즉 순방향의 데이터 전송이 행해진 것에 계속하여, 수신기로부터 송신기로의 업링크 즉 역방향의 데이터 전송을 행하려고 하는 경우에는, 수신기 측에서는, 역방향의 송신 가중치 V'을 취득해야만 한다.
본 실시예에 관한 무선 통신 시스템에서는, 송신기는, 수신기 측에서 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신하고, 그 직후에 사용자 데이터를 송신한다. 이것에 대하여, 수신기는, 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 신호에 따라 채널 행렬을 취득하고, 그 채널 행렬로부터 구해진 수신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 수신하는 동시에, 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하고, 이 적응 추정된 채널 행렬 H'로부터, 업링크 즉 역방향의 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V'를 얻는다. 이로써, 송신기로부터 수신기에 보내는 사용자 데이터의 직후의 기준 신호를 여분으로 송신할 필요가 없어진다.
도 2에는, 채널 특성 취득 및 적응 추정부(37)의 기능 구성을 개략적으로 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 채널 특성 취득 및 적응 추정부(37)는, 송신측으로부터의 순방향의 채널 행렬을 취득하는 채널 행렬 취득부와 송신측으로부터 순방향으로 보내져 오는 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정하는 채널 행렬 적응 추정부와, 상기 적응 추정된 채널 행렬을 기초로, 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치를 결정하는 역방향 송신 가중치 결정부를 구비하고 있다. 채널 행렬 적응 추정부는, 예를 들면, 수신 데이 터와 신호 공간상의 신호 점과의 상위를 에러 정보로서, LMS나 RLS 등의 알고리즘을 사용하여 채널 행렬을 적응 추정한다.
송신측은, 상기 수신기로 순방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V를 미리 취득하고, V로 가중된 기준 신호를 송신한 후, V로 가중된 사용자 데이터를 공간 다중 송신하고 있다. 따라서, 채널 행렬 취득부는, V로 가중된 기준 신호로부터 채널 행렬로서 HV를 취득하고, 채널 행렬 적응 추정부는, 송신측으로부터 순방향으로 송신되는 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬로서 H'V의 적응 추정을 계속한다. 그리고 역방향 송신 가중치 결정부는, 상기 순방향의 사용자 데이터를 수신 직후에 역방향으로 사용자 데이터를 송신할 때, H'V에 VH를 곱함으로써 H'를 얻고, H'의 전치 행렬을 특이치 분해함으로써 역방향의 데이터 송신용의 가중치 V'를 구할 수 있다.
이하에서는, 본 실시예에 관한 무선 통신 시스템에 있어서, RTS, CTS, DATA(다운링크), DATA(업링크)라는 양방향의 MIMO 통신을 행하기 위한 동작 단계에 대하여, 도 3을 참조하면서 설명한다. 단, 송신기 측에서 송신 가중치 행렬 V를 취득하기 위한 처리는 사전에 행해진 것으로 한다.
(단계 1)
송신기로부터 수신기에 RTS 패킷을 송신한다. 여기서, 송신기는, RTS 패킷에 앞서 기준 신호를 수신기에 보낸다. 수신기 측에서는, 이 기준 신호로부터 순방향 즉 다운링크의 채널 행렬 H(Dn)를 취득할 수 있다.
(단계 2)
수신기에서는, 채널 행렬 H(Dn)를 특이치 분해하여, 행렬 U(Dn) 및 행렬 V(Dn)를 취득한다.
(단계 3)
수신기는, RTS 패킷에 응답하여, CTS 패킷을 송신기에 송신한다. 여기서, 수신기는, CTS 패킷에 앞서 기준 신호를 보낸다.
(단계 4)
송신기에서는, CTS 패킷에 부가되어 있던 기준 신호로부터, 역방향 즉 업링크의 채널 행렬 H(Up)를 취득한다. 업링크의 채널 행렬은 다운링크의 채널 행렬의 전치 행렬이 된다, 즉 H(Up)=H(Dn)T의 관계(식(9)을 참조)이 된다. 그래서, 송신기에서는, H(Up)를 특이치 분해함으로써, 다운링크시의 송신용의 가중치 V(Dn)를 취득할 수 있다.
(단계 5)
송신기로부터 수신기에 다운링크 데이터를 송신한다. 다운링크 데이터로서는, V(Dn)로 가중된 기준 신호의 직후에 V(Dn)로 가중된 사용자 데이터가 송신되어 있다.
(단계 6)
수신기는, 다운링크 데이터가 부가되어 있는 기준 신호로부터, H(Dn)V(Dn)를 취득할 수 있다. 그리고 H(Dn)V(Dn)의 역행렬을 수신용의 가중치로서 이용하여 (식(8)을 참조), 다운링크 데이터를 수신한다.
(단계 7)
수신기는, 다운링크 데이터를 수신하는 동안, LMS 알고리즘을 사용하여 H(Dn)V(Dn)의 적응 추정하고, 채널 조건 변화에 추종하도록 계산을 행한다.
수신한 데이터와 신호점 배치의 점과의 오차를 오차 신호 e로 한다. 수신한 데이터를 디코드함으로써, 송신 신호를 추정한다. 이것을 X로 한다. H(Dn)V(Dn)의 추정값을 W로 하면, 이하에 나타내는 LMS 알고리즘에 의해 채널 조건 변화를 추종할 수 있다.
Figure 112006073089513-pct00011
(단계 8)
수신기에서, LMS 알고리즘에 의해 적응 추정된 H(Dn)V(Dn)의 추정값에 V(Dn)H를 곱함으로써, 다운링크의 최신의 채널 행렬 H(Dn, new)를 취득한다.
(단계 9)
또한 수신기에서, 얻어진 채널 행렬 H(Dn, new)를 특이치 분해하여, U(Dn, new)를 얻는다.
(단계 10)
수신기로부터 송신기에 업링크 데이터를 송신한다. 업링크 데이터로서, U(Dn)*로 가중된 기준 신호의 직후에, U(Dn)*로 가중된 사용자 데이터가 송신된다(식(10)을 참조).
(단계 11)
송신기는, 업링크 데이터가 부가되어 있는 기준 신호로부터 채널 행렬을 취득한다. 그리고 취득한 채널 행렬의 역행렬을 계산하고, 이것을 수신용의 가중치로서 사용하고, 업링크 사용자 데이터를 가중하여 수신한다.
이상, 특정한 실시예를 참조하면서, 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 당업자가 상기 실시예의 수정이나 대용을 해낼 수 있는 것은 자명하다.
본 발명은, 공간 다중화하여 데이터 전송을 행하는 다양한 무선 통신 시스템에 적용할 수 있고, SVD-MIMO 방식과 같이 공간 분할 즉 공간 직교한 다중 전송 방식으로 적용 범위는 한정되지 않는다. 또, 송신측 또는 수신측 중 어느 한쪽이 공간 다중을 행하는 동시에, 채널 행렬에 따라, 가중된 송수신을 행하는 다른 타입의 무선 통신 시스템에 대해서도, 본 발명을 마찬가지로 바람직하게 적용할 수 있다.
요컨대, 예시라는 형태로 본 발명을 개시한 것이며, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석해서는 안 된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 첨부된 특허 청구의 범위를 참조하고 고려해야만 한다.

Claims (10)

  1. 송신기와 수신기 사이에서 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여, 데이터 전송을 수행하는 무선 통신 시스템에 있어서,
    상기 송신기는 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신한 후 사용자 데이터를 송신하되, 상기 사용자 데이터와 상기 기준 신호를 가중하여 상기 공간적으로 다중화된 채널을 통해 송신하며,
    상기 수신기는 상기 사용자 데이터의 직전에 부가된 상기 기준 신호에 기초하여 채널 행렬 H를 취득하고, 상기 채널 행렬 H로부터 구해진 수신 가중치를 사용하여 상기 사용자 데이터를 가중하면서 상기 사용자 데이터를 수신하며, 상기 사용자 데이터를 수신하는 동안 상기 채널 행렬 H의 적응 추정을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 및 상기 수신기는 모두 복수의 안테나를 구비하고,
    상기 송신기는, 전송 데이터를 복수의 스트림에 분배하고 상기 복수의 스트림을 가중하여 각 송신 안테나로부터 상기 가중된 스트림을 송신하고,
    상기 수신기는 상기 수신 안테나에 의해 수신된 상기 스트림을 가중하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는, 적응 추정된 채널 행렬 H'로부터, 상기 송신기로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V'를 취득하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는, 상기 수신기로 순방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V를 미리 취득하고, 상기 기준 신호와 상기 사용자 데이터를 V로 가중하며, 상기 공간적으로 다중화된 채널을 통해 상기 기준 신호를 송신한 후 상기 사용자 데이터를 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수신기는, V로 가중된 상기 기준 신호로부터 채널 행렬로서 HV를 취득하고, 상기 송신기로부터 순방향으로 송신되는 상기 사용자 데이터의 수신 동안 채널 행렬로서 H'V의 적응 추정을 계속 수행하고, 상기 사용자 데이터를 수신한 후에 역방향으로 상기 사용자 데이터를 송신할 때, H'V에 VH를 곱하여 H'를 얻고, H'의 전치 행렬을 특이치 분해함으로써 역방향의 데이터 송신용의 가중치 V'를 구하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  6. 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여 송신측으로부터 전송되는 데이터를 수신하는 무선 통신 장치에 있어서,
    상기 송신측으로부터의 순방향의 채널 행렬을 취득하는 채널 행렬 취득 유닛;
    상기 송신측으로부터 순방향으로 전송되는 사용자 데이터를 수신하고, 상기 취득된 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 상기 사용자 데이터를 가중하는 수신부;
    상기 송신측으로부터 순방향으로 전송되는 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정하는 채널 행렬 적응 추정 유닛;
    상기 적응 추정된 채널 행렬을 기초로, 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치를 결정하는 역방향 송신 가중치 결정 유닛; 및
    상기 결정된 송신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 가중하고 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 전송하는 송신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 송신측은, 채널 행렬 취득용의 기준 신호를 송신한 후 사용자 데이터를 송신하되, 상기 사용자 데이터와 상기 기준 신호를 가중하여 상기 공간적으로 다중화된 채널을 통해 송신하며,
    상기 채널 행렬 취득 유닛은, 상기 사용자 데이터의 직전에 부가된 기준 상기 신호에 기초하여, 상기 채널 행렬 H를 취득하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 송신측은, 상기 수신측으로 순방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치 V를 미리 취득하고, 기준 신호와 상기 사용자 데이터를 V로 가중하고, 상기 공간 다중 채널을 통해 상기 기준 신호를 송신한 후 상기 사용자 데이터를 송신하며,
    상기 채널 행렬 취득 유닛은, V로 가중된 상기 기준 신호로부터 채널 행렬로서 HV를 취득하며,
    상기 채널 행렬 적응 추정 유닛은, 상기 송신측으로부터 순방향으로 송신되는 상기 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬로서 H'V의 적응 추정을 계속 수행하고,
    상기 역방향 송신 가중치 결정 유닛은, 상기 무선 통신 장치가 상기 순방향의 사용자 데이터를 수신한 직후에 역방향으로 사용자 데이터를 송신할 때, H'V에 VH를 곱함으로써 H'를 얻고, H'의 전치 행렬을 특이치 분해함으로써 역방향의 데이터 송신용의 가중치 V'를 미리 결정하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  9. 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여 송신측으로부터 전송되는 데이터를 수신하는 무선 통신 방법에 있어서,
    상기 송신측으로부터의 순방향의 채널 행렬을 취득하는 채널 행렬 취득 단계;
    상기 송신측으로부터 순방향으로 전송된 사용자 데이터를 수신하고 상기 취득된 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 상기 사용자 데이터를 가중하는 단계;
    상기 송신측으로부터 순방향으로 전송되는 사용자 데이터를 수신하는 동안 채널 행렬 H를 적응 추정하는 채널 행렬 적응 추정 단계;
    상기 적응 추정된 채널 행렬을 기초로, 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치를 결정하는 역방향 송신 가중치 결정 단계; 및
    상기 결정된 송신 가중치를 사용하여 사용자 데이터를 가중하고 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하는 단계
    를 포함하는 무선 통신 방법.
  10. 복수의 공간적으로 다중화된 통신 채널을 사용하여 송신측으로부터 전송되는 데이터를 수신하기 위한 처리를 컴퓨터 시스템상에서 실행하도록 컴퓨터가 판독 가능한 형태로 부호화된 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체에 있어서,
    상기 송신측으로부터의 순방향의 채널 행렬을 취득하는 채널 행렬 취득 단계;
    상기 송신측으로부터 순방향으로 전송되는 사용자 데이터를 상기 취득된 채널 행렬로부터 구해지는 수신 가중치를 사용하여 가중하면서, 상기 사용자 데이터를 수신하는 동안 상기 채널 행렬 H를 적응 추정하는 채널 행렬 적응 추정 단계; 및
    상기 적응 추정된 채널 행렬을 기초로, 상기 송신측으로 역방향으로 사용자 데이터를 송신하기 위한 송신 가중치를 결정하는 역방향 송신 가중치 결정 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램이 기록된, 기록 매체.
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