KR101100211B1 - Method for Transmitting Signal Using Multiple Antenna - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 안테나를 이용하여 2 이상의 이동국에 신호를 전송하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 있어서, 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 따라, 상기 각 이동국에 상응하는 선형 분산 코딩(LDC; Linear Dispersion Coding) 행렬을 생성하는 단계 및 상기 생성된 행렬을 이용하여, 신호를 전송하는 단계를 포함고, 상기 생성된 행렬은 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 기초하여 각 이동국으로 전송되는 신호의 전력을 분배하는 변수를 포함하여 생성되는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법에 관한 것으로, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, LDC 행렬 요소를 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 변경함으로써, 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다. The present invention provides a signal transmission method applied to a multiple antenna system for transmitting a signal to two or more mobile stations using multiple antennas, the method comprising: linear distributed coding (LDC) corresponding to each mobile station according to a channel state of the two or more mobile stations; Linear Dispersion Coding) matrix and generating a signal using the generated matrix, the generated matrix is the power of the signal transmitted to each mobile station based on the channel conditions of the two or more mobile stations The present invention relates to a signal transmission method using a multi-antenna generated by including a variable for distributing a signal. In a multi-user multi-antenna system, an LDC matrix element is adaptively changed according to a channel state of each mobile station to efficiently perform communication. It can be effective.
다중사용자 다중안테나, LDC 행렬, 신호대 잡음비 Multiuser Multiantenna, LDC Matrix, Signal-to-Noise Ratio
Description
도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도.1 is a configuration diagram of an embodiment of a transmitter using multiple antennas.
도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도.2 is a diagram illustrating an embodiment of a receiver using multiple antennas.
도 3 은 셀 내에서 이동국의 위치에 따른 MIMO 적용 방식을 나타낸 일실시예 설명도.3 is a diagram illustrating an embodiment of applying MIMO according to the position of a mobile station in a cell.
도 4 는 폐루프 다중입출력(CL-MIMO) 시스템에서, 이동국의 이동 속도에 따른 성능 저하를 나타낸 일실시예 설명도.FIG. 4 is an exemplary explanatory diagram showing performance degradation according to a moving speed of a mobile station in a closed loop multiple input / output (CL-MIMO) system. FIG.
도 5 는 수학식 9 및 수학식 10 에 따른 신호 전송에 있어서, 송신 SINR 대 수신 SINR 을 나타낸 일실시예 설명도.FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of transmitting SINR versus receiving SINR in signal transmission according to
본 발명은 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 LDC 를 수행하여 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a signal transmission method using a multi-antenna, and more particularly, to a method for transmitting a signal by adaptively performing LDC according to a channel state of a mobile station in a multi-user multi-antenna system.
도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 1 을 참조하면, 채널 인코더(11)는 입력되는 데이터 비트에 일정한 알고리즘에 따른 채널 인코딩(channel encoding)을 수행한다. 상기 채널 인코딩은 입력되는 데이터 비트에 정보 비트(redundancy)를 부가하여, 보다 잡음에 강한(robust) 신호를 생성하기 위한 것이다. 한편, 맵퍼(mapper)(12)는 채널 인코딩을 거친 비트에 대하여 콘스털레이션(constellation) 맵핑을 수행하여 심볼(symbol)로 변환하는 기능을 수행한다. 또한, 직/병렬 변환기(13)는 상기 맵퍼에서 출력된 심볼이 다중 안테나를 통해 전송될 수 있도록 직렬로 입력되는 심볼을 병렬로 변환한다. 그리고, 다중 안테나 인코더(14)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 다중 안테나 심볼로 변환하여 전송한다. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a transmitter using multiple antennas. Referring to FIG. 1, the
도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 2 를 참조하면, 다중 안테나 인코더(21)는 다중 안테나 심볼을 수신하여 채널 심볼로 변환한다. 한편, 병/직렬 변환기(22)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 직렬로 변환한다. 또한, 디맵퍼(demapper)(23)는 직렬로 입력된 채널 심볼들에 대하여 콘스털레이션 디맵핑을 수행하여 비트로 전환하고, 채널 디코더(24)는 상기 디맵퍼로부터 입력받은 비트들에 대해 디코딩(decoding)을 수행한다. 2 is a diagram illustrating an embodiment of a receiver using multiple antennas. Referring to FIG. 2, the
도 3 은 셀 내에서 이동국의 위치에 따른 MIMO 적용 방식을 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, MIMO 시스템에서는 이동국이 셀 내의 어느 위치에 있는지 혹은 사용자의 신호대 잡음비(Singnal to Noise Ratio; 이하 'SNR')(geometry)에 따라 가장 효율적인 MIMO 적용 방식을 결정할 수 있다. 즉, 셀의 가장자리(cell edge) 영역(300)에서는 전송 다이버시티(transmit diversity) 방 식, 셀 중앙 영역(cell center)(100)에서는 공간 다중화(spatial multiplexing) 방식, 셀 가장자리 영역(300)과 셀 중앙 영역(100) 사이의 영역(200)에서는 전송 다이버시티(transmit diversity) 방식과 공간 다중화(spatial multiplexing) 방식의 혼합된 방식을 사용한다. 따라서, 서로 다른 여러가지 방식의 MIMO 시스템을 모두 구현해야 하는 문제점이 있었다. FIG. 3 is a diagram illustrating an embodiment of applying MIMO according to the position of a mobile station in a cell. As shown in FIG. 3, in the MIMO system, the most efficient MIMO application scheme may be determined according to the position of the mobile station in the cell or the user's Signal to Noise Ratio (SNR) geometry. That is, in the
본 발명은, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, 각 이동국의 채널 상태에 상응하는 LDC 행렬을 이용하여 보다 효율적으로 통신을 수행하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to more efficiently perform communication by using an LDC matrix corresponding to a channel state of each mobile station in a multiuser multiantenna system.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다중 안테나를 이용하여 2 이상의 이동국에 신호를 전송하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 있어서, 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 따라, 상기 각 이동국에 상응하는 선형 분산 코딩(LDC; Linear Dispersion Coding) 행렬을 생성하는 단계 및 상기 생성된 행렬을 이용하여, 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object is a signal transmission method applied to a multi-antenna system for transmitting a signal to two or more mobile stations using multiple antennas, corresponding to each of the mobile stations according to the channel state of the two or more mobile stations. Generating a Linear Dispersion Coding (LDC) matrix and transmitting a signal using the generated matrix.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. The above-mentioned objects, features and advantages will become more apparent from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다중 안테나를 통한 통신 기술은 시스템의 용량(capacity), 처리량(throughput) 및 통화영역(coverage) 증가를 위해 사용된다. 다중 안테나를 이용한 기술의 일례로서, 공간 분할 다중화(Spatial Division Multiplexing; 이하 'SDM') 방식과 시공간 코딩(Space Time Coding; 이하 'STC') 방식이 있다. 상기 SDM 방식은 송신단에서 각 안테나를 통해 각각 독립적인 데이터를 보냄으로써 송신 율을 극대화 시키는 방법이다. 한편, STC 방식은 공간 도메인(domain)과 시간 도메인 상에서 심볼 수준에서 코딩을 수행 함으로써, 안테나 다이버시티 이득과 코딩 이득을 얻기 위한 것이다. Communication techniques via multiple antennas are used to increase the capacity, throughput and coverage of the system. As an example of a technique using multiple antennas, there are a spatial division multiplexing (SDM) scheme and a space time coding (STC) scheme. The SDM method is a method of maximizing a transmission rate by transmitting independent data through each antenna at a transmitting end. Meanwhile, the STC scheme is to obtain antenna diversity gain and coding gain by performing coding at the symbol level in the spatial domain and the time domain.
상기 두가지 방식을 일반화 한 것이 선형 분산 코딩(Linear Dispersion Coding; 이하 'LDC')이다. 즉, 다중 안테나에 적용되는 시공간 코딩 방식은 LDC 행렬(matrix)에 의해 표현될 수 있다. 즉, 다중 안테나 인코딩은 수학식 1 과 같이 표현할 수 있다. The generalization of the two methods is Linear Dispersion Coding (LDC). That is, the space-time coding scheme applied to the multiple antennas may be represented by an LDC matrix. That is, the multi-antenna encoding may be expressed as
수학식 1 에서, S 는 전송행렬 이고, 전송행렬 S 의 i 번째 행은 i 번째 시간에 전송되는 심볼들이고, j 번째 열은 j 번째 송신 안테나를 통해 전송되는 심볼을 의미한다. 한편, 는 q 번째 송신 데이터 심볼 곱해지는 분산 매트릭스이고, S 는 전송 매트릭스이다. 여기서, T 는 LDC 구간, 는 송신 안테나 개수를 의미한다. 한편, Q 는 하나의 LDC 구간 동안 전송하는 데이터의 수를 의미하고, 로 나타낼 수 있다. In
일반적으로,의 실수부() 와 허부수()가 각각 다른 분산행렬에 의해 시공간 영역에 확산되는 경우, 전송행렬은 수학식 2 와 같이 나타낼 수 있다. Generally, Real part of ) And imaginary numbers ) Is spread in the space-time region by different dispersion matrices, the transmission matrix can be expressed by
수학식 2 에서, 및 는 각각 실수부와 허수 부에 곱해지는 분산행렬(dispersion matrix)이다. 상기와 같은 방법으로 신호를 전송한 경우, 수신안테나를 통해 수신된 신호는 에 곱해지는 LDC 행렬이 같은 경우, 수학식 3 과 같이 나타낼 수 있다. In
수학식 3 에서, 은 k 번째 안테나의 수신 잡음, 는 k 번째 수신안테나 신호 값이고, 는 송신측에서 전송한 신호를 나타낸다. 한편,는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.In Equation 3, Is the received noise of the k th antenna, Is the k-th receiving antenna signal value, Indicates a signal transmitted from the transmitting side. Meanwhile, Can be expressed as in
또한, 수학식 1 과 같이 표현된 LDC 에 있어서, 동등 채널 응답(equivalence channel response)은 수학식 5 와 같이 나타낼 수 있다.In addition, in an LDC expressed as in
여기서, 는 동등 채널 응답이고, 는 단위행렬이고, 는 채널행렬이다. here, Is an equivalent channel response, Is Unit matrix, Is Channel matrix.
보다 일반적으로, LDC 가 수학식 2 로 표현되는 경우, 수신 안테나에 수신된 신호는 수학식 6 과 같이 나타낼 수 있다. More generally, when the LDC is represented by
수학식 6 에서, 아래첨자 R 은 복소 형식으로 나타낸 신호의 실수부(real part), 아래첨자 I 는 허수부(imaginary part)를 나타낸다. 이때, 동등채널응답 H 는 수학식 7 과 같이 나타낼 수 있다.In
수학식 7 에서, , , 를 나타낸다. 한편, 은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 실수부이고, 은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 허수부이다. 다중안테나 디코딩은 상기 수학식 3 또는 6 혹은 이와 동등한 식으로부터 및 를 추정하는 과정이다. In Equation 7, , , Indicates. Meanwhile, Is the real part of the channel response vector received through the nth receive antenna, Is an imaginary part of the channel response vector received through the nth receive antenna. Multi-antenna decoding may be performed from
특히 다중 사용자 다중안테나 시스템에서는 일정한 판별방법(criteria)에 따라서 선행코딩 행렬(precoding matrix)을 정하게 된다. 예를 들어, 상기 판별 방법은 수신 신호대 간섭 잡음비(Signal to Interference Noise Ratio; 이하 'SINR') 을 최대화(maximize)하거나 채널 용량을 최대화(maximize) 하거나, 간섭(interference)를 최소화(minimize)하는 목적에 따라 달라지는데, 이러한 시스템은 폐루프 다중입출력(CL-MIMO; Close Loop MIMO) 이라고 한다. 또한, 다중 사용자(이동국)가 주파수, 시간 및 공간을 공유하므로, 수학식 1 의 전송행렬 S 를 만들 때 여러 사용자에 상응하는 값이 더해지게 된다. 즉, 전송행렬은 수학식 8 과 같이 나타낼 수 있다. In particular, in a multi-user multi-antenna system, a precoding matrix is determined according to a predetermined criterion. For example, the determination method may be achieved by maximizing a received signal to interference noise ratio (SINR), maximizing channel capacity, or minimizing interference. This system is called Close Loop MIMO (CL-MIMO). In addition, since multiple users (mobile stations) share frequency, time, and space, values corresponding to various users are added when creating the transmission matrix S of
수학식 8 에서, 은 n 번째 이동국에 상응하는 하나의 LDC 구간 동안 전송하는 데이터 개수이고, 를 의미한다. 이때, 수신신호는 수학식 6 에 나타낸 바와 같고, 특정 이동국을 기준으로 할 때, 자신에게 전송되는 데이터가 아닌 다른 이동국에 전송되는 데이터는 간섭(interference)으로 작용하게 된다. In
도 4 는 폐루프 다중입출력(CL-MIMO) 시스템에서, 이동국의 이동 속도에 따른 성능 저하를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 4 에서는 폐루프 다중입출력 시스템의 일례로, 휴대인터넷 표준인 IEEE 802.16e 에 적용되는 CL-MIMO 의 일례를 나타낸 것이다. 상기 CL-MIMO 는 수신 SINR 을 최대화(maximize)하기 위해, 수신단에서 선행코딩 행렬(precoding matrix)의 인덱스(index)를 피드백(feedback)하는데, 상기 선행코딩 행렬은 수학식 7 의 , 의 조합에 의해 구성될 수 있다. FIG. 4 is a diagram illustrating an exemplary embodiment of a performance degradation according to a moving speed of a mobile station in a closed loop multiple input / output (CL-MIMO) system. 4 shows an example of CL-MIMO applied to IEEE 802.16e, which is a portable Internet standard, as an example of a closed loop multiple input / output system. The CL-MIMO feeds back an index of a precoding matrix at a receiving end in order to maximize the received SINR. , It can be configured by a combination of.
그러나, 이동국의 이동속도가 증가하면, 이전채널 상태와 전송할 당시의 채널 상태가 빠르게 변화하므로, 실제 전송은 SINR 특성이 가장 좋은 선행코딩 행렬 을 이용하여 수행된다고 볼 수 없다. 따라서, 높은 속도의 이동국이 존재할 경우 이와 같은 CL-MIMO는 적절하지 않다고 할 수 있다. However, if the mobile station's moving speed increases, the previous channel state and the channel state at the time of transmission change rapidly, and thus, the actual transmission cannot be considered to be performed using the best coding matrix having the best SINR characteristic. Therefore, it can be said that such CL-MIMO is not suitable when there is a high speed mobile station.
개의 이동국이 동시에 선택되고, 선택된 이동국들로 데이터가 전송될 경우, 각 이동국의 SNR(또는 SINR)에 따라서 각 사용자의 수신 성능이 달라진다. 이 경우, 선행코딩 행렬별로 전송 전력을 할당하거나(per user power control), 전송 레이트(rate)를 조절할 수 있다(per user rate control). 즉, 여러명의 선택된 이동국 중에, SNR(또는 SINR)이 매우 낮은 이동국에 보다 높은 전송 전력을 할당함으로써, 그 이동국에 대한 스루풋(throughput)을 증가시키고, 이에 따라, 시스템 전체의 스루풋을 증가시킬 수 있다. When two mobile stations are selected at the same time and data is transmitted to the selected mobile stations, the reception performance of each user varies according to the SNR (or SINR) of each mobile station. In this case, transmission power may be allocated to each of the preceding coding matrix (per user power control) or the transmission rate may be adjusted (per user rate control). That is, among the several selected mobile stations, by assigning higher transmit power to a mobile station with a very low SNR (or SINR), the throughput for that mobile station can be increased, thereby increasing the throughput of the entire system. .
일반적으로 낮은 SNR(또는 SINR)을 가지는 이동국에 대해서는 STTD 방식 등을 사용하여 링크의 안정성을 증가시켜야 하지만, 다중 사용자 다중안테나 방식은 여러명의 이동국이 MIMO 채널을 공유하도록 되어 있으므로, STTD 방식을 사용할 수 없거나, 여러 방식을 스위칭하며 스케줄링 해야 하는 등 시스템이 복잡해질 수 있다. In general, for a mobile station having a low SNR (or SINR), the stability of the link should be increased by using the STTD method. However, the multi-user multi-antenna method may use the STTD method because several mobile stations share a MIMO channel. The system can be complex, with or without scheduling and switching between schemes.
다음과 같은 방법으로 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국에게 전력을 더 할당해 주고, 상대적으로 높은 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국 이동국에 대한 전력을 적게 할당해 주면, 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국의 채널 응답은 STTD 를 사용한 것과 같은 효과를 나타내고, 전체적인 링크 스루풋은 높일 수 있게 된다. If more power is allocated to a mobile station having a low SNR (or SINR) value and less power is allocated to a mobile station having a relatively low SNR (or SINR) value, a low SNR (or The channel response of the mobile station with SINR) has the same effect as using STTD, and the overall link throughput can be increased.
예를 들어, 2 개의 송신 안테나와 개의 수신안테나를 이용하여, 2 개의 이동국을 동시에 선택하는 경우, 다음과 같이 신호를 전송할 수 있다. For example, two transmit antennas When two mobile stations are simultaneously selected using two reception antennas, a signal can be transmitted as follows.
수학식 9 에서, 및 은 제 1 이동국에 상응하는 행렬이고, 및 는 제 2 이동국에 상응하는 행렬이다. 각 사용자에 대하여, 각각 하나의 LDC 구간 동안에 2 개의 심볼을 전송한다. γ와 β는 각 이동국에 전력을 분배하는 변수로서, 수학식 10 의 조건을 만족한다.In Equation 9, And Is a matrix corresponding to the first mobile station, And Is a matrix corresponding to the second mobile station. For each user, two symbols are sent during each LDC interval. (gamma) and (beta) are variables which distribute electric power to each mobile station, and satisfy the condition of equation (10).
제 1 이동국의 수신 SINR 이 제 2 이동국의 수신 SINR 보다 높은 경우 γ를 낮추고 β를 높임으로써 제 2 이동국의 수신 SINR 을 높일 수 있다. 한편, 제 1 이동국의 수신 SINR이 제 2 이동국의 수신 SINR 보다 낮은 경우, γ를 높이고 β를 낮춤으로써 제 1 이동국의 수신 SINR 을 높일 수 있다.If the received SINR of the first mobile station is higher than the received SINR of the second mobile station, the received SINR of the second mobile station can be increased by decreasing γ and increasing β. On the other hand, when the reception SINR of the first mobile station is lower than the reception SINR of the second mobile station, it is possible to increase the reception SINR of the first mobile station by increasing γ and decreasing β.
수학식 9 에서 및 는 속도에 따른 폐루프 다중입출력의 단점을 보완하기 위해서, 장기적으로 볼 때 가장 좋은 성능을 나타내는 행렬을 사용하였다. 수학식 9 에서는, 제 1 이동국에는 γ와 β를 제외한다면 STTD 방식인 알라무티(Alamouti) 방식의 행렬을 사용하였고, 제 2 이동국에는 이에 상응하는 변형된 STTD 방식을 사용하였다.In Equation 9 And In order to make up for the shortcomings of closed-loop multi-input / output with speed, we used the best performance matrix in the long run. In Equation 9, except for γ and β, an Alamouti matrix, which is an STTD scheme, is used for the first mobile station, and a modified STTD scheme corresponding to the second mobile station is used.
수신 단에서 두 개의 수신안테나를 가지는 경우, 수신신호는 수학식 11 에 나타낸 바와 같다.When the receiving end has two receiving antennas, the received signal is as shown in Equation (11).
수학식 11 에서, * 는 켤레복소수(complex conjugate) 를 의미하고, , 는 j 번째 시간에 i 번째 수신안테나에 들어오는 수신 신호와 잡음신호, s 는 송신 데이터 심볼을 벡터로 표현한 것이고, 두 이동국에 대한 동등 채널 응답(Equivalent Channel Response)은 수학식 12 에 나타낸 바와 같다.In
는 k 번째 송신 안테나로부터 i 번째 수신 안테나로의 채널 응답을 의미한다. 이때, 제 1 이동국에 대한 동등 채널 응답은 의 첫번째 및 두번째 열(column)이 되고, 다른 두 행은 간섭으로 작용한다. 한편, 제 2 이동국에 대한 동등 채널 응답은 의 세번째 및 네번째 행이 되고, 다른 두 행은 간섭으로 작용한다. Denotes a channel response from the k th transmit antenna to the i th receive antenna. At this time, the equivalent channel response to the first mobile station is The first and second columns of, and the other two rows act as interference. Meanwhile, the equivalent channel response for the second mobile station is Become the third and fourth rows of, and the other two rows act as interference.
도 5 는 수학식 9 및 수학식 10 에 따른 신호 전송에 있어서, 송신 SINR 대 수신 SINR 을 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 수학식 9 와 같은 LDC 행렬의 γ 및 β 값을 적응적으로 변경함으로써, 다중안테나 다중사용자 시스템의 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 신호를 전송할 수 있다. FIG. 5 is an exemplary diagram illustrating a transmission SINR versus a reception SINR in signal transmission according to
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
본 발명은 다중사용자 다중안테나 시스템에서, LDC 행렬 요소를 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 변경함으로써, 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in the multi-user multi-antenna system, the LDC matrix element is adaptively changed according to the channel state of each mobile station, so that communication can be efficiently performed.
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KR20070096639A (en) | 2007-10-02 |
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