KR101124338B1

KR101124338B1 - 다중입출력 통신 시스템을 위한 데이터 전송 방법

Info

Publication number: KR101124338B1
Application number: KR1020050060776A
Authority: KR
Inventors: 이연우; 윤상보; 해럴드 하스; 래드 메슬리; 스티브 맥롤린
Original assignee: 더 유니버시티 코트 오브 더 유니버시티 오브 에딘버그; 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2012-03-16
Also published as: US20070009058A1; KR20070005776A; EP1742384B1; US8045639B2; EP1742384A1

Abstract

본 발명은 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 송신기가 미리 정해진 수의 데이터 심볼들에 패러티 심볼을 더하여 전송 심볼들을 생성하고, 상기 전송 심볼들을 블록 단위로 선처리 행렬과 곱하여 선처리 심볼을 생성하고, 다수의 송신 안테나들 중, 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들 중에서 0 이외의 값을 가지는 전송 심볼에 대응되는 송신 안테나를 선택하고, 상기 선택된 송신 안테나를 사용하여 상기 선처리 심볼을 수신기로 전송한다.

다중입출력(MIMO), 다중화(multiplexing), 선부호화 (precoding)

Description

다중입출력 통신 시스템을 위한 데이터 전송 방법{MIMO-BASED DATA TRANSMISSION METHOD}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 다중화를 이용한 전송 방식이 적용될 MIMO 시스템을 보인 블록도.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법의 안테나 추정 기법을 설명하기 위한 개념도.

본 발명의 다중입출력 (Multiple-Input Multiple-Output: MIMO) 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 데이터 다중화 기법을 적용하여 스펙트럼 효율을 개선할 수 있는 MIMO 시스템 기반의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

최근, 초고속 인터넷 접속 및 고품질 영상 서비스와 같은 다양한 광대역 서비스에 대한 수요의 증가와 반도체 및 표시장치 기술의 발전에 함께, 3세대 및 4세대를 비롯한 차세대 이동 통신 관련 기술분야에서는 광대역 무선 데이터 전송 서비스를 위해서 한정된 주파수 자원을 효율적으로 활용하기 위한 다양한 연구가 진행 되고 있으며, 최근에는 이를 위해 MIMO 안테나 시스템을 이용한 공간분할 다중접속 (Spatial Division Multiple Access: SDMA), 시공간부호 (Space-Time Coding: STC), 빔포밍 등 다양한 기법들이 제안되고 있다.

MIMO 시스템은 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 이용하여 채널을 다수의 독립적인 공간 채널들로 분할하고 용량을 확보하기 위해 시공간 부호화 (space-time coding: STC) 기법을 이용한다.

잘 알려진 MIMO 기법으로서 V-BLAST (Bell Labs Layered Space Time) 알고리즘의 경우 실내의 풍부한 전파 산란 (rich scattering) 전파 (propagation) 환경에서 실제의 신호대잡음비 (SNR) 범위와 오류 성능 (bit error performance)을 가정하면 20-40 bps/Hz의 스펙트럼 효율을 얻을 수 있다. 이와 같은 높은 스펙트럼 효율은 데이터의 병렬 전송에 의한 다중화 이득에서 기인한다. V-BLAST 기법에서는 공동 검출 (joint detection)과는 다른 고유의 검출 알고리즘이 이용된다. 즉, V-BLAST 기법의 검출 알고리즘은 먼저 가장 센 신호를 복호하고, 수신된 신호들 각각으로부터 복호된 신호의 영향을 제거하고 남아있는 신호들 중 가장 센 신호를 계속해서 복호 한다. 이와 같은 복호화 방법을 최적 순서화 (optimum ordering: OR) 및 연속 간섭 제거 (successive interference cancellation: SIC)라 한다.

그러나, V-BLAST 기법은 스펙트럼 효율을 증가시키기 위해 독립적인 데이터 스트림들을 다수의 송신 안테나에 실어 동시에 전송하기 때문에 수신측에서는 채널 간섭(inter-channel interference: ICI)을 겪게 되며, ICI는 송신 안테나의 수에 따라 증가하는 문제가 있다.

또한, V-BLAST 기법의 경우 송신 안테나의 수가 수신 안테나의 수보다 많을 경우 동작하지 않는 문제점이 있으며, 더욱이 송신 안테나의 수와 수신 안테나의 수가 동일한 경우에도 좋은 성능을 기대할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 MIMO 전송 방식의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 채널 간섭 발생을 근본적으로 회피함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 방법을 제공하는 것이다.

그리고 본 발명은 신호 수신 수 공간 정보를 이용하여 송신 안테나를 추정함으로써 수신 신호 처리 복잡도를 현저히 낮출 수 있는 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 제안하는 방법은; 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 송신기가 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 미리 정해진 수의 데이터 심볼들에 패러티 심볼을 더하여 전송 심볼들을 생성하는 과정과, 상기 전송 심볼들을 블록 단위로 선처리 행렬과 곱하여 선처리 심볼을 생성하는 과정과, 다수의 송신 안테나들 중, 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들 중에서 0 이외의 값을 가지는 전송 심볼에 대응되는 송신 안테나를 선택하는 과정과, 상기 선택된 송신 안테나를 사용하여 상기 선처리 심볼을 수신기로 전송하는 과정을 포함한다.

본 발명에서 제안하는 다른 방법은; 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 수신기가 데이터를 수신하는 방법에 있어서, 송신기의 다수의 송신 안테나들 중 하나로부터 전송된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호로부터 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 추정하는 과정과, 상기 추정된 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 이용하여 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들을 복원하는 과정을 포함한다.

삭제

본 발명에서 제안하는 장치는; 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 송신기에 있어서, 미리 정해진 수의 데이터 심볼들에 패러티 심볼을 더하여 전송 심볼들을 생성하는 패리티 삽입 유닛과, 상기 전송 심볼들을 블록 단위로 선처리 행렬과 곱하여 선처리 심볼을 생성하고, 다수의 송신 안테나들 중, 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들 중에서 0 이외의 값을 가지는 전송 심볼에 대응되는 송신 안테나를 선택하고, 상기 선택된 송신 안테나를 사용하여 상기 선처리 심볼을 수신기로 전송하는 선처리/다중화기를 포함한다.

본 발명에서 제안하는 다른 장치는; 다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 수신기에 있어서, 송신기의 다수의 송신 안테나들 중 하나로부터 전송된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호로부터 선처리 심볼을 추정하는 신호 검출기와, 상기 수신된 신호로부터 송신 안테나 인덱스를 추정하는 송신 안테나 추정기와, 상기 추정된 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 이용하여 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들을 복원하는 복원기를 포함한다.

삭제

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 전송 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 다중화를 이용한 전송 방식이 적용될 MIMO 시스템을 보인 블록도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 MIMO 시스템은 입력 비트들을 미리 정해진 변조방식에 따라 변조된 변조심볼에 패러티 심볼을 삽입하여 전송심볼 S(k) 을 생성하는 패러티 삽입 유닛 (113), 상기 패러티 삽입 유닛 (113)으로부터 출력되는 전송심볼들을 N개의 블록 단위로 선처리 하여 선처리심볼 t(k)을 생성하고 상기 선처리심볼을 다수의 송신 안테나 중 하나로 출력하는 선처리/다중화기(115)를 포함하는 송신기(110)와, 다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호로부터 선처리심볼을 추정하는 신호검출기 (123), 상기 수신된 신호로부터 송신 안테나를 추정하는 송신안테나 추정기(125), 그리고 상기 신호검출기에 의해 검출된 심볼과 상기 송신 안테나 추정기(125)에 의해 추정된 송신 안테나 정보를 이용하여 전송심볼을 복원하는 복원기 (127)를 포함하는 수신기 (120)로 이루어진다.

상기 선처리 심볼은 선처리/다중화기(115)에 의해 입력되는 전송심볼 벡터에 선처리 행렬을 곱하여 생성되며, 상기 선처리행렬로서 송신기의 변조방식이 2위상편이변조(Binary Phase Shift Keying: BPSK)인 경우 하다마드 행렬(Hadamard Matrix)이 적용되고, 변조방식이 직교위상편이변조 (Quadrature Phase Shift Keying: QPSK)인 경우 푸리에 행렬 (Fourier Matrix)이 적용된다.

상기 선처리심볼을 구성하는 요소들은 N 개의 송신 안테나 중 하나를 통해 전송되며 상기 요소들 중 그 값이 0이 아닌 요소와 대응하는 안테나가 송신안테나로 선택된다.

예를 들어, 상기 선처리/다중화기(115)로부터 출력되는 선처리심볼이

일 경우 상기 선처리 심볼을 구성하는 요소들 중 두 번째 요소

를 제외한 나머지 요소들이 모두 0이므로 두 번째 요소에 대응하는 두 번째 안테나가 송신안테나로 선택된다.

전송 경로에 상관 관계가 없다고 가정하면, 수신기는 전송을 위해 사용된 송신 안테나의 인덱스를 결정할 수 있으며 결정된 송신 안테나 인덱스를 이용하며 수신 신호를 역다중화 할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 선처리심볼

를 추정하기 위해 최대비결합 (maximum ratio combining: MRC) 기법이 사용되며 송신 안테나 인덱스를 추정하기 위해 제로 포싱 (Zero Forcing: ZF) 또는 최소평균자승에러(Minimum Mean Square Error: MMSE) 기법이 사용된다. ZF 와 MMSE 기법을 이용한 안테나 인덱스 추정은 수학식 1 및 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 수신기 입력단에서의 신호대잡음비 (Signal-to-Noise Ratio: SNR),

는 채널 행렬,

는 수신 벡터,

은

의 단위행렬이다.

본 발명의 전송 기법에서는 송신 안테나 추정의 정확성이 수신기의 성능을 좌우한다.

수신 벡터

는 M개의 수신안테나를 통해 수신된 신호로서 n은 잡음 벡터이다. 수신된 전송 벡터는 수학식 3에 의해 계산된다.

여기서

는 선처리 행렬

의 j 번째 행을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법에서 위상편이변조 방식이 적용되는 경우, 전송하고자 하는 변조심볼

은 먼저 상기 패러티 삽입 유닛 (113)에 의해 패러티 심볼이 추가되어 전송심볼

로 출력되고, 상기 전송심볼은 상기 선처리/다중화기 (115)에 의해 다중화된 후 수학식 4의 하다마드 행렬

과 곱해져 선처리심볼

로 출력된다.

상기 선처리심볼을 구성하는 요소들 중 두 번째 요소만이 0이 아니므로 선처리 심볼은 두 번째 안테나를 통해 전송된다.

상기 선처리심볼은

로 정규화 된 후 두 번째 안테나를 통해 전송되며, 수신기는 수신된 신호로부터 송신안테나 추정기 (125)에 의해 추정된 송신안테나 인덱스

와 신호검출기 (123)에 의해 추정된 선처리 심볼

을 이용하여 수학식 3을 통해 복원기 (127)에서 역다중화된 신호

를 복원한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법에서 직교위상편이변조(QPSK) 방식이 적용되는 경우, 전송하고자 하는 변조심볼

은 상기 패러티 삽입 유닛 (113)에 의해 두 개의 패러티 심볼이 추가되어 전송심볼

로 출력되고, 상기 전송심볼은 상기 선처리/다중화기 (115)에 의해 다중화된 후 수학식 5의 푸리에 행렬

과 곱해져 선처리심볼

로 출력된다.

는 허수로서

이다.

상기 선처리심볼을 구성하는 요소들 중 두 번째 요소만이 0이 아니므로 선처리심볼은 두 번째 안테나를 통해 전송된다. 상기 선처리심볼은

로 정규화된 후 두 번째 안테나를 통해 전송되면, 수신기는 수신된 신호로부터 송신안테나 추정기 (125)에 의해 추정된 송신 안테나 인덱스

와 신호검출기 (123)에 의해 추정된 선처리심볼

를 이용하여 수학식 3을 통해 역다중화된 신호

를 복원한다.

도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법의 안테나 추정 기법을 설명하기 위한 개념도이다.

본 실시예에서 송신기(110)의 각 송신 안테나는 성상도의 특정 지점에 매핑되고, QPSK 전송을 가정할 경우 공간은 4개의 동등한 부공간(subspace)으로 분할된다.

선처리 결과로 송신안테나가 선택되면 송신기(110)는 선택된 송신안테나를 통해 전송될 선처리심볼에

를 곱하여 전송한다. 여기서 i는 송신안테나 인덱스 (i=1…N),

는 90°/4 이고, j 는 선처리 행렬의 행 인덱스이다.

이 경우

는 22.5°이므로, 안테나 인덱스#1, 안테나 인덱스#2, 안테나 인덱스#3, 및 안테나 인덱스#4는 각각 0°, 22.5°, 45°, 및 67.5°에 대응한다.

신호를 수신하면 수신기(120)는 MRC 알고리즘을 통해 선처리심볼

를 추정하고, 수신 신호에 포함되어 있는 위상 정보를 이용하여

를 만족하는지 판단한다.

가 만족되면

로 판단하고, 모든 가능한 조합들에 대한 최소 거리를 계산하여 안테나 인덱스

를 추정하고 상기 선처리심볼로부터 전송심볼을 복원한다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져 야 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 전송 방법에서는 다중 송신 안테나들 중 하나 만을 이용하여 압축된 데이터를 전송함으로써, 전송률을 유지하면서 채널 간섭을 회피할 수 있다.

또한, 본 발명의 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 전송 방법에서는 데이터 전송 시 공간 정보를 함께 전송하여 수신기가 이 공간 정보를 이용하여 안테나를 추정하기 때문에 안테나 추정을 위한 신호 처리 복잡도를 현저히 낮출 수 있다.

또한, 본 발명의 데이터 다중화를 이용한 MIMO 기반의 데이터 전송 방법에서는 MIMO 시스템의 특성인 채널 간섭을 근본적으로 회피하고 송신 안테나 추정 복잡도를 현저히 감소시킴으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

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다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 송신기가 데이터를 전송하는 방법에 있어서,

미리 정해진 수의 데이터 심볼들에 패러티 심볼을 더하여 전송 심볼들을 생성하는 과정과,

상기 전송 심볼들을 블록 단위로 선처리 행렬과 곱하여 선처리 심볼을 생성하는 과정과,

다수의 송신 안테나들 중, 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들 중에서 0 이외의 값을 가지는 전송 심볼에 대응되는 송신 안테나를 선택하는 과정과,

상기 선택된 송신 안테나를 사용하여 상기 선처리 심볼을 수신기로 전송하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
제10항에 있어서,

상기 선처리 심볼을 전송하기 전, 공간 상관 계수를 상기 선처리 심볼에 곱하는 과정을 더 포함하는 데이터 전송 방법.
제11항에 있어서,

상기 공간 상관 계수는
와 같이 나타나며, 상기 i는 송신 안테나 인덱스 (i=1...N)를 나타내며, 상기 θ는 90°를 상기 다수의 송신 안테나들의 수로 나눈 각을 나타내고, 상기 j 는 상기 선처리 행렬의 행 인덱스를 나타냄을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
삭제
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제10항에 있어서,

상기 선처리 행렬은 하다마드 (Hadamard) 행렬임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제10항에 있어서,

상기 선처리 행렬은 푸리에 (Fourier) 행렬임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 수신기가 데이터를 수신하는 방법에 있어서,

송신기의 다수의 송신 안테나들 중 하나로부터 전송된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호로부터 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 추정하는 과정과,

상기 추정된 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 이용하여 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들을 복원하는 과정을 포함하는 데이터 수신 방법.
제17항에 있어서,

상기 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 추정하는 과정은,

상기 수신된 신호에 대해 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining: MRC) 기법을 이용하여 상기 선처리 심볼을 추정하는 과정과,

상기 수신된 신호에 포함되어 있는 위상 정보인
가 (N-1+0.5)*θ 보다 큰지를 판단하는 과정과,

상기 판단 결과 상기
가 상기 (N-1+0.5)*θ보다 크면,
로 간주하여 상기 다수의 송신 안테나들 중, 상기 수신된 신호의 위상과 공간적으로 가장 가까운 송신 안테나의 인덱스를 선택하는 과정을 포함하며,

상기 N은 상기 다수의 송신 안테나들의 수를 나타내고, 상기 θ는 90°를 상기 다수의 송신 안테나들의 수로 나눈 각을 나타냄을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
제17항에 있어서,

상기 송신 안테나 인덱스는 제로 포싱(Zero Forcing) 및 최소 평균 자승 에러(Minimum Mean Square Error: MMSE) 기법 중 하나를 사용하여 추정됨을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 송신기에 있어서,

미리 정해진 수의 데이터 심볼들에 패러티 심볼을 더하여 전송 심볼들을 생성하는 패리티 삽입 유닛과,

상기 전송 심볼들을 블록 단위로 선처리 행렬과 곱하여 선처리 심볼을 생성하고, 다수의 송신 안테나들 중, 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들 중에서 0 이외의 값을 가지는 전송 심볼에 대응되는 송신 안테나를 선택하고, 상기 선택된 송신 안테나를 사용하여 상기 선처리 심볼을 수신기로 전송하는 선처리/다중화기를 포함하는 송신기.
제20항에 있어서,

상기 선처리/다중화기는 상기 선처리 심볼을 전송하기 전, 공간 상관 계수를 상기 선처리 심볼에 곱함을 특징으로 하는 송신기.
제21항에 있어서,

상기 공간 상관 계수는
와 같이 나타나며, 상기 i는 송신 안테나 인덱스 (i=1...N)를 나타내며, 상기 θ는 90°를 상기 다수의 송신 안테나들의 수로 나눈 각을 나타내고, 상기 j 는 상기 선처리 행렬의 행 인덱스를 나타냄을 특징으로 하는 송신기.
제20항에 있어서,

상기 선처리 행렬은 하다마드 (Hadamard) 행렬임을 특징으로 하는 송신기.
제20항에 있어서,

상기 선처리 행렬은 푸리에 (Fourier) 행렬임을 특징으로 하는 송신기.
다중 입출력(Multiple-Input Multiple-Output) 통신 시스템에서 수신기에 있어서,

송신기의 다수의 송신 안테나들 중 하나로부터 전송된 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호로부터 선처리 심볼을 추정하는 신호 검출기와,

상기 수신된 신호로부터 송신 안테나 인덱스를 추정하는 송신 안테나 추정기와,

상기 추정된 선처리 심볼과 송신 안테나 인덱스를 이용하여 상기 선처리 심볼을 구성하는 전송 심볼들을 복원하는 복원기를 포함하는 수신기.
제25항에 있어서,

상기 신호 검출기는 상기 수신된 신호에 대해 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining: MRC) 기법을 이용하여 상기 선처리 심볼을 추정하고, 상기 수신된 신호에 포함되어 있는 위상 정보인
가 (N-1+0.5)*θ 보다 큰지를 판단하고, 상기 판단 결과 상기
가 상기 (N-1+0.5)*θ보다 크면,
로 간주하여 상기 다수의 송신 안테나들 중, 상기 수신된 신호의 위상과 공간적으로 가장 가까운 송신 안테나의 인덱스를 선택하며,

상기 N은 상기 다수의 송신 안테나들의 수를 나타내고, 상기 θ는 90°를 상기 다수의 송신 안테나들의 수로 나눈 각을 나타냄을 특징으로 하는 수신기.
제25항에 있어서,

상기 송신 안테나 인덱스는 제로 포싱(Zero Forcing) 및 최소 평균 자승 에러(Minimum Mean Square Error: MMSE) 기법 중 하나를 사용하여 추정됨을 특징으로 하는 수신기.