KR101225649B1 - 다중 안테나 통신시스템의 채널추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 안테나 통신시스템의 채널 추정 성능 향상을 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 본 발명의 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 및 송신 방법에서는 데이터 심볼 사이에 하다마드 매트릭스와 제로 패딩 방법을 사용하는 트레이닝 심볼을 매핑하여 전송하며, 수신기 및 수신 방법에서는 수신한 트레이닝 심볼을 사용하여 최대 우도 방법으로 송신기와 수신기 사이의 채널을 추정한다. 이러한 방법을 통하여 다중 안테나 통신시스템에서 효율적인 채널 추정 방법을 구현할 수 있다.
다중 안테나, 하다마드 매트릭스, 제로 패딩, 최대 우도 추정

Description

다중 안테나 통신시스템의 채널추정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL ESTIMATION IN MULTIPLE ANTENNA COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 i번째 안테나에 대응되는 송신기 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템에서 송신되는 트레이닝 심볼의 구조를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 송신기에서 i번째 안테나를 통한 송신 절차를 도시하는 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 r번째 안테나에 대응되는 수신기의 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 r번째 안테나에 대응되는 수신기의 채널 추정기 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 수신기에서 r번째 안테나를 통한 수신 절차를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템에서 트레이닝 심볼 전력을 변화시킨 경우의 신호대잡음비(SNR)에 따른 비트에러율(Bit Error rate) 성능을 나 타내는 그래프,
도 8 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신 시스템에서 각각 트레이닝 심볼 전력을 변화시킨 경우와 채널 길이를 변화시킨 경우의 신호대잡음비(SNR)에 따른 전체 평균 제곱 에러를 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신 시스템에서 신호대잡음비(SNR)에 따른 전체 평균 제곱 에러를 종래기술과 비교하여 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다중 안테나 통신시스템의 채널 추정 성능 향상을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 본 발명의 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 및 송신 방법에서는 데이터 심볼 사이에 하다마드 매트릭스와 제로 패딩 방법을 사용하는 트레이닝 심볼을 매핑하여 전송한다. 수신기 및 수신 방법에서는 수신한 트레이닝 심볼을 사용하여 최대 우도 방법으로 송신기와 수신기 사이의 채널을 추정한다.
다중 안테나 통신 시스템은 다중 송신 다중 수신 (MIMO : Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템이라고도 한다. 이러한 다중 안테나 통신 시스템은 다중경로 페이딩(multipath fading)을 완화시키기 위한 것이다. 즉, 다수개의 송신 안테나들 및/또는 다수개의 수신 안테나들을 사용하여 송신기와 수신기 사이에 멀 티 링크(link)를 형성하는 안테나 다이버시티(antenna diversity) 방식을 이용하여 주파수 효율(spectral efficiency)을 증가시킨다.
다중 안테나 통신시스템에서 수신기가 전송 신호를 동기(coherent) 검출(detection)하기 위해서는 채널상태를 정확하게 추정하는 것이 필요하다.
수신기에 포함되어 채널을 추정하는 채널 추정기는 수신안테나를 통해 수신된 신호를 입력받아 채널 이득(channel gain)을 나타내는 채널 계수들(channel coefficients)을 추정한다. 추정된 채널계수들을 수신 심볼들에 곱하면 추정(hypotheses) 심볼들을 생성하고, 이 추정(hypotheses) 심볼들을 이용하여 송신기에서 송신한 심볼들을 검출하여 출력한다.
이와 같은 채널 추정의 하나의 방법으로 트레이닝 심볼을 사용한다. 이 방법에서 송신기는 수신기가 알고 있는 트레이닝 심볼을 데이터 심볼 전송 주기 중간에 매핑하여 전송한다. 수신기는 송신기로부터의 송신 구간 중 일정 부분에 포함된 이미 알고 있는 트레이닝(training) 심볼을 수신한다.
이렇게 트레이닝 심볼을 사용하여 채널 추정을 하는 방법으로, 추(Chu) 트레이닝 시퀀스에 기반하는(based on) 다중 안테나 주파수 도메인 등화(frequency domain equalization) 채널 추정방법이 제안되었다. 또한, 비주기적이고(aperiodic) 상보적인(complementary) 시퀀스 세트에 기반하는 다중 안테나 주파수 선택 페이딩(frequency selective fading) 채널 추정 방법이 제시되었다.
위의 이러한 종래의 채널 추정 방법에서 채널 추정기의 성능은 송신기로부터 수신한 트레이닝 심볼의 수에 의존한다. 즉, 정확한(accurate) 채널 추정(channel estimation)을 위해서는 트레이닝 심볼의 개수가 많아야 한다.
그런데 트레이닝 심볼의 수가 많으면 채널 추정 성능이 높아지는 장점이 있으나 대역을 많이 사용하게 되고, 그만큼 송신할 수 있는 데이터 심볼의 개수가 감소하기 때문에, 데이터 전송 효율(Throughput)이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 트레이닝 심볼의 수가 많아지면 트레이닝 심볼 시퀀스 디자인이 어렵게 되는 문제가 있다.
따라서 트레이닝 심볼 개수를 늘이지 않고도 채널 추정 성능을 유지할 수 있어 데이터 전송 효율 감소를 방지하고, 트레이닝 심볼 시퀀스 디자인도 용이한 방법 및 장치가 요구된다.
따라서 본 발명의 목적은 다중 안테나 통신 시스템에서 트레이닝 심볼 개수를 증가시키지 않고 채널 추정 성능을 향상시키는 송신 장치 및 송신 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 다른 목적은 다중 안테나 통신 시스템에서 트레이닝 심볼 개수를 증가시키지 않고 채널 추정 성능을 향상시키는 수신 장치 및 수신 방법을 제공하고자 한다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다중 안테나 통신시스템에서, 송신할 데이터 심볼들을 매핑하고, 상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 위치시켜 생성한 심볼 블록을 출력하는 심볼 블록 생성기 및 상기 심볼 블록 생성기로부터 출력된 심볼블록을 전송하는 다수의 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다중 안테나 통신시스템에서, 데이터 심볼들과 상기 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 포함하는 수신 데이터에서 트레이닝 심볼을 분리하여 최소 제곱 추정 방법으로 채널 추정을 수행하는 채널 추정기 및 상기 수신 데이터에서 데이터 심볼을 분리하여 추출하는 데이터 심볼 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다중 안테나 통신시스템에서 송신할 데이터 심볼들을 매핑하는 과정, 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 트레이닝 심볼 코드를 생성하는 과정, 상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 상기 트레이닝 심볼 코드를 위치시켜 심볼 블록을 생성하는 과정 및 상기 심볼블록을 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 송신방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다중 안테나 통신시스템에서, 데이터 심볼들과 상기 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 포함하는 수신 데이터를 수신하는 과정, 상기 수신 데이터 중에서 트레이닝 심볼을 분리하는 과정 및 분리한 상기 트레이닝 심볼을 최소 제곱 추정 방법으로 채널 추정을 수행하는 채널 추정과정을 포함하는 수신방법을 제공한다.
이외에 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다양한 실시 예들의 구현이 가능하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 특정 통신 시스템에 한정하여 적용되는 것은 아니다. 다만, 여기에서는 설명의 편의를 위하여 다중 안테나 직교 주파수 분할 다중 (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 통신 시스템을 예로 들어 설명한다.
OFDM 통신시스템은 다중 반송파(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심볼(Symbol)열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(sub-carrier)들, 즉 다수의 부채널(sub-channel)들로 변조하여 전송하는 다중 반송파 변조(MCM; Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.
본 발명에서는 단순한 트레이닝 심볼 시공간 디자인을 위하여 하다마드(Hadamard) 코드를 이용한다. 이 경우에 안테나 당 요구되는 트레이닝 심볼의 개수는 송신 안테나 수와 동일하다. 또한, 트레이닝 심볼에 제로(zero) 패딩(padding) 기법을 사용한다. 본 발명에 따르면 채널 추정 성능을 향상시키기 위하여 트레이닝 블록의 길이를 증가시킬 필요가 없고, 따라서 트레이닝 블록을 위한 대역폭 증가가 필요하지 않다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 i번째 안테나에 대응되는 송신기 구성을 도시하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 송신기는, 부호기(101), 변조기(103), 심볼 블록 생성기(105), FFT(Fast Fourier Transform) 연산기(111), CP추가기(113), 디지털/아날로그 변환기(115) 및 RF처리기(117)를 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하면, 부호기(101)는 입력되는 정보비트열을 해당 부호율로 부호화하여 부호화 데이터(coded bits 또는 symbols)를 출력한다. 부호기는 길쌈부호기(convolutional encoder), 터보부호기(turbo encoder), LDPC(low density parity check) 부호기 등으로 구성될 수 있다.
변조기(103)는 부호기(101)로부터의 심볼들을 주어진 변조방식(변조차수)에 의해 신호점 사상하여 복소심볼(complex symbols)들을 출력한다. 변조방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 신호점(복소심볼)에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소심볼에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소심볼에 사상하는 8PSK(8-ary Phase Shift Keying), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소심볼에 사상하는 16QAM, 6개의 비트(s=6)를 하나의 복소심볼에 사상하는 64QAM 등이 있다.
심볼 블록 생성기(105)는 송신할 데이터 심볼들을 매핑하고, 상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 위치시켜 생성한 심볼 블록을 출력한다. 심볼 블록 생성기(105)는 송신할 데이터 심볼들을 매핑하는 데이터 심볼 매퍼(107) 및 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 트레이닝 심볼을 생성하여 상기 데이터 심볼 매퍼가 매핑한 데이터 심볼들 사이에 위치시키는 트레이닝 심볼 생성기(109)를 포함한다.
IFFT연산기(111)는 심볼 블록 생성기(105)로부터의 데이터 심볼들과 트레이닝 심볼들을 역 고속 푸리에 변환하여 시간영역의 샘플 데이터를 출력한다. CP(Cyclic Prefix) 추가기(113)는 IFFT연산기(111)로부터의 상기 샘플 데이터의 뒷부분을 복사해서 상기 샘플데이터의 앞에 붙여 OFDM심볼을 출력한다.
디지털/아날로그 변환기(115)는 CP추가기(113)로부터의 샘플 데이터를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. RF처리기(117)는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등의 구성들을 포함하며, 상기 디지털/아날로그 변환기(115)에서 출력한 신호를 실제 전송 가능하도록 RF처리한후 송신기 i번째 안테나(Tx antenna i)를 통해 무선채널로 전송한다. 상기 송신기에서 송신하는 신호는 다중 경로 채널(multi channel)을 겪고 잡음이 가산된 형태로 수신기의 수신안테나(Rx Antenna)로 수신된다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 다중 안테나 통신 시스템은 다수개의 송신안테나를 가지는 송신기와 다수개의 수신안테나를 가지는 수신기 사이의 통신을 나타낸다. 즉, 송신기가 MT개의 안테나를 갖추고, 수신기가 MR개의 안테나를 갖춘 통신시스템에서 송신기와 수신기사이에 공간 다중화 방식에 의해 독립적인 데이터 흐름을 전송한다.
송신기와 수신기 사이의 채널은 MR X MT의 복소 엔트리(complex entries)를 가지는 행렬(매트릭스; matrix)로 표현된다. 또한, 주파수 선택 채널을 위한 블록 페이딩 모델을 가정하며, 다운링크와 업링크 프레임 기간에 비하여 채널의 변화가 느린 경우로 채널은 심볼 블록 구간(T)인 몇 프레임 동안에 일정하다고 본다. 단, 블록이 변화하면 채널이 변화한다고 본다. 따라서 채널 추정은 심볼 블록 전송구간에 해당하는 T 시간 구간 내에 이루어지는 것으로 한다.
또한, 본 발명에서는 송신기의 안테나 개수인 MT 는 짝수(even)로 한다. 만약 송신기 안테나 수가 홀수이면 가상의 안테나를 하나 더 두는 것으로 하여 짝수개로 인식한다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템에서 송신되는 트레이닝 심볼의 구조를 나타내는 도면이다.
송신기 안테나 i에서 전송되는 심볼 시퀀스(sequence)는 {Pi1,Pi2, ....,
Figure 112006053464372-pat00001
}이다. 여기에서 Pik 의 전력은
Figure 112006053464372-pat00002
이고, P0 는 안테나 당 전송되는 트레이닝 블록의 전체 전력, i, k는 1, ....,에서 MT 이고, L은 주파수 선택(frequency selective) 채널 임펄스 응답( CIR: Channel Impulse Response) 길이, ZP(Zero Padding)는 제로 패딩 길이인 (L-1)이고, CP(Cyclic Prefix)는 길이 G 인 싸이클릭 프리픽스(Cyclic Prefix)이고, G > L 의 관계가 있고, N은 블록 당 전송되는 데이터 심볼 수이다.
선택된 심볼 Pik 들에 대한 매트릭스는 <수학식 1>과 같다.
Figure 112006053464372-pat00003
이 매트릭스는 MT × MT 크기의 왈시(Walsh) 하다마드(Hadamard) 매트릭스이다. 예를 들어 MT = 2인 경우에 이 매트릭스는
Figure 112006053464372-pat00004
이다.
또한, P ik = {Pik,0,...,0} 는 i번째 안테나를 통해 전송된 제로 패딩된 k번째 트레이닝 서브 블록에 해당되는 길이 L인 시퀀스(sequence)이다.
또한, h = [h 0 ,h 1, ..... , h L-1 ]은 다중 안테나(MIMO) 주파수 선택 채널의 채널 임펄스 응답(CIR) 매트릭스는 아래의 <수학식 2> 와 같은 매트릭스이고 <수학식 3>이 성립한다.
Figure 112006053464372-pat00005
이고,
Figure 112006053464372-pat00006
이다.
여기에서,
Figure 112006053464372-pat00007
은 i 번째 수신 안테나와 j번째 송신 안테나 사이의 채널 임펄스 응답(CIR)의 i 번째 경로(path)이다.
이러한 심볼 블록은 다수의 안테나를 통하여 전송되고, 다중 경로 채널을 통해 수신기의 안테나로 전송된다.
도 3은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 송신기에서 i번째 안테나를 통한 송신 절차를 도시하는 흐름도이다.
먼저 송신할 데이터 심볼들을 매핑하는 과정(301)을 수행한다. 다음은 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 트레이닝 심볼 코드를 생성하는 과정(303)을 수행한다. 다음은 상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 상기 트레이닝 심볼 코드를 위치시키는 결합과정을 통해 심볼 블록을 생성하는 과정(305)이다. 다음은 생성한 심볼 블록을 안테나를 통하여 전송한다(307).
데이터 심볼 매핑하는 과정 이전에는 송신할 정보데이터를 부호화하는 과정과 상기 부호화 데이터를 변조하여 심볼 블록 생성에 사용되는 데이터 심볼들을 생성하는 변조과정을 더 포함한다.
또한, 심볼 블록을 생성하는 과정 다음과 안테나를 통한 전송 과정 사이에는 심볼 블록을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 기저대역 샘플데이터를 발생하는 IFFT 연산과정(307)을 수행한다. 상기 기저대역 샘플데이터를 래디오 주파수(RF : Radio Frequency) 신호로 변환하여 상기 안테나를 통하여 송신하는 RF 처리과정을 더 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 r번째 안테나에 대응되는 수신기의 구성을 도시하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수신기는, RF처리기(403), A/D변환기(405), CP제거기(407), FFT연산기(409), 채널추정기(411), 데이터 심볼 추출기(413), 등화기(415), 복조기(417) 및 복호기(419)를 포함하여 구성된다.
도 4를 참조하면, 송신기가 전송한 심볼들 중 수신기 r 번째 안테나(401)를 통해 수신한 고주파 대역의 신호인 심볼들은 RF처리기(403)에서 기저대역 신호로 변환하여 출력한다. 아날로그/디지털 변환기(405)는 아날로그 기저대역 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다. CP제거기(407)는 아날로그/디지털 변환기로부터의 데이터에서 사이클릭 프리픽스(CP : Cyclic Prefix)를 제거하여 출력한다. FFT연산기(409)는 상기 CP제거기(407)로부터의 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT)연산하여 주파수 영역의 데이터를 출력한다.
채널추정기(411)는 FFT 연산기로부터의 데이터에서 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 데이터 심볼들로부터 분리하여 최소 제곱 추정 방법(Least Square Estimation)으로 채널 추정을 수행한다. 데이터 심볼 추출기(413)는 FFT 연산기로부터의 데이터에서 데이터 심볼을 분리하여 추출한다.
등화기(equalizer)(415)는 데이터 심볼 추출기(413)에서 출력되는 데이터 심볼들을 채널추정기(411)로부터의 채널추정결과를 이용해 채널보상(channel compensation)하여 출력한다. 즉, 무선채널에서 발생한 여러 잡음들을 보상하여 출력한다.
복조기(417)는 등화기(415)로부터의 심볼들을 송신기의 변조방식에 따라 복조하여 부호화 데이터를 출력한다. 복호기(419)는 복조기(419)로부터의 부호화 데이터를 송신기의 부호방식에 따라 복호하여 원래의 정보데이터로 복원한다.
도 5는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 r번째 안테나에 대응되는 수신기의 채널추정기 구성을 도시하는 도면이다.
즉, 각각의 FFT 연산기로부터의 심볼 블록들로부터 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 심볼 코드를 데이터 심볼들로부터 분리하여 최소 제곱 추정 방법(Least Square Estimation)으로 채널 추정을 수행함을 나타낸다. 도 5에 나타나는 ±는 월시 하다마드 시퀀스(sequence) 값이다.
구체적으로 수신기에서의 채널 추정과정을 살펴보면 다음과 같다.
수신기에서는 첫 번째 MT 트레이닝 서브 블록인 길이 L인 P ik 가 각각 N-포인트 FFT(Fast Fourier Transformation) 블록에 적용되어 주파수 도메인으로 변환된다. 다음에는 그 데이터 블록에 해당하는 CP를 제거하고, 나머지 N 데이터 심볼 들도 또한 N 포인트 FFT 에 적용되어 주파수 도메인으로 변환된다.
트레이닝 서브 블록 P ik (k= 1,... MT)에 대응되는 r(r= 1,... MR) 번째 수신기 안테나가 수신한 신호 블록은 아래의 <수학식 4>와 같다.
Figure 112006053464372-pat00008
Y rk = H ri P ik + W rk
여기에서
Y rk , H ri, W rk 는 각각 N × N 대각매트릭스(diagonal matrix)이며, Y rk 는 트레이닝 서브 블록 벡터, H ri 는 채널 행렬 벡터, W rk 는 노이즈 벡터이다.
Figure 112006053464372-pat00009
는 각각의 수신 안테나에 수신된 신호의 평균 SNR(Signal to Noise Ratio) 값이다.
모든 수신 안테나를 고려하여 다시 쓰면 <수학식 4>는 아래의 <수학식 5>와 같다.
Figure 112006053464372-pat00010
Y k = H P k + W k
여기에서 경우 기
여기에서 H =
Figure 112006053464372-pat00011
이며, 크기는 N MR × N MT 이고, 여기서
Figure 112006053464372-pat00012
이고, P k =
Figure 112006053464372-pat00013
이며, 크기는 N MT × N 이고, W k =
Figure 112006053464372-pat00014
이며, 크기는 N MR × N 이다. Y k =
Figure 112006053464372-pat00015
이며, 크기는 N MR × N 이다.
여기에서 모든 Y k 를 블록 매트릭스로 쓰면, 아래의 <수학식 6>과 같다.
Figure 112006053464372-pat00016
Y = H P + W
여기에서 Y =
Figure 112006053464372-pat00017
이며, 크기는 N MR × N MT 이고, P =
Figure 112006053464372-pat00018
이며, 크기는 N MT × N MT 이고, W =
Figure 112006053464372-pat00019
이며, 크기는 N MR × N MT 이다.
다음은 송신기와 수신기 사이의 모든 채널 행렬 H를 추정한다.
위 <수학식 6>에서 노이즈 벡터 W 구성요소들은 상관관계가 없고 가우시안이다. W rk = diag{QN wrk}관계가 있으며, 여기서 QN 은 N 포인트 DFT 매트릭스이고, wrk 는 시간 도메인에서 길이 L인 평균 제로이고 단위 변화의 노이즈 벡터이다. 따라서 W rk 는 크기 N × N 이고, 대각(diagonal) 위치에 상관관계 없는 구성요소들이 위치한다. 또한 아래의 <수학식 7>의 관계가 성립한다.
Figure 112006053464372-pat00020
안테나들은 상관관계가 없으므로, 매트릭스 W k =
Figure 112006053464372-pat00021
는 상관관계 없고 가우시안 구성 요소들로 이루어진 크기 N MR × N 인 블록 매트릭스이다. 따라서 블록 매트릭스 W =
Figure 112006053464372-pat00022
또한 상관관계 없고 가우시안 구성 요소들로 이루어진다.
다음에는 H 의 최대 우도 추정치(Maximun Likelihood Estimator: MSE)은 위 <수학식 7>에 따라 최소 제곱 추정치(Least Square Estimator: LSE)과 같다. 따라서 아래의 <수학식 8>이 성립한다.
Figure 112006053464372-pat00023
여기에서
Figure 112006053464372-pat00024
(여기에서 PT 는 블록 대각 매트릭스이고 각각의 블록은 ±IN 이며 이는 단위 매트릭스임)이다. 또한 I는 단위 매트릭스(identity matrix)이므로 위 <수학식 8>은 아래의 <수학식 9>와 같다.
Figure 112006053464372-pat00025
이러한 추정치는 아래의 <수학식 10>으로 나타나는 가능한 최소 전체 평균 제곱 에러(Mean Square Error: MSE)값이므로 매우 효율적이다.
Figure 112006053464372-pat00026
이다.
위 <수학식 9>의 채널추정치는 도 5의 채널추정기로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템의 수신기에서 r번째 안테나를 통한 수신 절차를 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저 수신기는 601단계에서 수신된 고주파 신호를 기저대역 샘플데이터로 변환하고, 샘플데이터를 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터를 생성한다. 이후, 603단계에서 상기 주파수 영역의 데이터에서 트레이닝 심볼들과 데이터 심볼들을 분리한다. 그리고 605단계에서 상기 분리된 트레이닝 심볼들을 검출하여 하다마드 코드가 제거된 트레이닝 심볼들을 획득한다.
다음은, 607단계에서 트레이닝 심볼들을 이용하여 채널추정을 수행한다. 상기 채널추정을 수행한후, 상기 수신기는 609단계에서 상기 분리된 데이터 심볼들을 상기 채널추정결과를 이용해 채널보상(channel compensation)하고, 상기 채널보상된 심볼들을 복조(demodulation) 및 복호(decoding)하여 원래의 정보데이터로 복원한다.
본 발명의 다중 안테나 통신 시스템에서는 안테나 2개를 사용하는 송신기와 안테나 2개를 사용하는 수신기에서 채널 메모리 L과 트레이닝 전력 P0 를 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 7은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템에서 트레이닝 심볼 전력을 변화시킨 경우의 신호대잡음비(SNR)에 따른 비트에러율(Bit Error rate) 성능을 나타내는 그래프이다. 여기에서 채널 길이 L은 16이고, QRSK 변조방식을 사용하였으며, 1/2 컨볼루셔널 부호화 방식을 사용하였다. 도 7은 본 발명에 따라 송신 안테나 2개와 수신 안테나 2개를 사용하는 다중 안테나 통신 시스템에서 BER 성능을 트레이닝 전력 변화시켜 얻은 값을 나타낸다. 본 발명에 따른 값을 이상적인(ideal) 경우와 비교하면 본 발명의 방법이 매우 효율적임을 알 수 있다. 여기서의 시뮬레이션은 지수함수적으로 감소하는 전력 지연 프로파일을 가비는 Rayleigh 주파수 선택 페이딩 채널을 고려한 것이다.
도 8 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신 시스템에서 각각 트레이닝 심볼 전력을 변화시킨 경우와 채널 길이를 변화시킨 경우의 신호대잡음비(SNR)에 따른 전체 평균 제곱 에러를 나타내는 그래프이다. 채널 추정치의 전체 평균 제곱 에러(MSE)
Figure 112006053464372-pat00027
(
Figure 112006053464372-pat00028
로 정규화함)를
Figure 112006053464372-pat00029
로 정규화한 위 <수학식 10>의 가능한 최소 전체 CRLB(minimum possible Cramer-Rao Lower Bound) 평균 제곱 에러(MSE)와 비교한다 (SNR 값과
Figure 112006053464372-pat00030
값을 변화시키면서). 본 발명에 의한 채널 추정 방법이 가능한 최소 CRLB 값을 얻음을 보여주며, 이로써 본 발명이 매우 효율적임을 알 수 있다. 최소 MSE 값은 안테나 당 트레이닝 전력을 증가시킴으로써 감소함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 안테나 통신 시스템에서 신호대잡음비(SNR)에 따른 전체 평균 제곱 에러를 종래기술과 비교하여 나타내는 그래프이다. 여기에서 채널 길이 L은 16이고, 전체 트레이닝 심볼 전력은 17db이며 데이터 수는 32이다.
본 발명에 따른 방법을 기존의 방법(Siew, J.; Coon, j.;Piechocki, R.; Nix, A.; Beachh, M.; A. Dowler, S. Amour; Mcgeehan, J. "A vhannel estimation algorithm for MIMO-SCFDE", IEEE comm. Letters, vol. 8. no. 9, sept 2004))과 비교한 것을 나타낸다. 본 발명이 동일한 트레이닝 전력 하에서 더 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
한편 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 실시예에 국한되어 정 해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따르면 다중 안테나 통신시스템의 송신기에서 하다마드 매트릭스와 제로 패딩 방법을 사용하여 트레이닝 심볼을 송신하고, 수신기에서 이를 수신하여 최소 제곱 추정(least square estimation) 방법을 채널을 추정함으로써 트레이 닝 심볼 블록의 길이를 증가시키지 않고도 채널 추정 성능을 향상시키는 방법 및 장치를 구현할 수 있다.

Claims (18)

  1. 다중 안테나 무선 통신시스템의 송신기 장치에 있어서,
    송신할 데이터 심볼들을 매핑하고, 상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 블록을 위치시켜 생성한 심볼 블록을 출력하는 심볼 블록 생성기; 및
    상기 심볼 블록 생성기로부터 출력된 심볼블록을 전송하는 다수의 안테나를 포함하고,
    상기 트레이닝 블록은 송신 안테나 수에 대응하는 다수의 트레이닝 서브 블록들을 포함하고, 상기 각 트레이닝 서브 블록은 심볼 시퀀스와 제로 패딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 심볼 블록 생성기는,
    송신할 데이터 심볼들을 매핑하는 데이터 심볼 매퍼; 및
    하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 트레이닝 심볼을 생성하여 상기 데이터 심볼 매퍼가 매핑한 데이터 심볼들 사이에 위치시키는 트레이닝 심볼 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    송신할 정보데이터를 부호화하기 위한 부호기와,
    상기 부호기로부터의 부호화 데이터를 변조하여 상기 심볼 블록 생성기에 입력되는 데이터 심볼들을 생성하는 변조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 심볼 블록 생성기로부터 출력된 심볼 블록을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)연산하여 기저대역 샘플데이터를 발생하는 IFFT 연산기와,
    상기 IFFT 연산기로부터의 상기 기저대역 샘플데이터를 래디오 주파수(RF : Radio Frequency) 신호로 변환하여 상기 안테나를 통하여 송신하는 RF 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 다중 안테나 무선 통신시스템의 수신기 장치에 있어서,
    데이터 심볼들과 상기 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 블록을 포함하는 수신 데이터에서 트레이닝 심볼을 분리하여 최소 제곱 추정 방법으로 채널 추정을 수행하는 채널 추정기; 및
    상기 수신 데이터에서 데이터 심볼을 분리하여 추출하는 데이터 심볼 추출기를 포함하고,
    상기 트레이닝 블록은 송신 안테나 수에 대응하는 다수의 트레이닝 서브 블록들을 포함하고, 상기 각 트레이닝 서브 블록은 심볼 시퀀스와 제로 패딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    래디오 주파수(Radio Frequency) 신호인 상기 수신 데이터를 수신되는 기저대역 샘플데이터로 변환하는 RF 처리기; 및
    상기 샘플데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)연산하여 상기 채널추정기로 출력하는 FFT 연산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 추출된 데이터 심볼들을 상기 채널추정기로부터의 채널추정결과를 이용해 채널보상하기 위한 등화기와,
    상기 등화기로부터의 데이터를 복조하여 부호심볼들을 발생하는 복조기와,
    상기 복조기로부터의 심볼들을 복호하여 원래의 정보데이터로 복원하는 복호 기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 다중 안테나 무선 통신시스템 송신기의 송신 방법에 있어서,
    송신할 데이터 심볼들을 매핑하는 과정;
    하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 트레이닝 블록을 생성하는 과정;
    상기 매핑된 데이터 심볼들 사이에 상기 트레이닝 블록을 위치시켜 심볼 블록을 생성하는 과정; 및
    상기 심볼블록을 전송하는 과정을 포함하고,
    상기 트레이닝 블록은 송신 안테나 수에 대응하는 다수의 트레이닝 서브 블록들을 포함하고, 상기 각 트레이닝 서브 블록은 심볼 시퀀스와 제로 패딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    송신할 정보데이터를 부호화하는 과정; 과
    상기 부호화 데이터를 변조하여 심볼 블록 생성에 사용되는 데이터 심볼들을 생성하는 변조과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 심볼 블록 생성 과정 다음에,
    상기 심볼 블록을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)연산하여 기저대역 샘플데이터를 발생하는 IFFT 연산과정; 및
    상기 기저대역 샘플데이터를 래디오 주파수(RF : Radio Frequency) 신호로 변환하여 상기 안테나를 통하여 송신하는 RF 처리과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 다중 안테나 무선 통신시스템 수신기의 수신 방법에 있어서,
    데이터 심볼들과 상기 데이터 심볼들 사이에 위치하는 하다마드 코드와 제로 패딩을 이용하여 생성한 트레이닝 블록을 포함하는 수신 데이터를 수신하는 과정;
    상기 수신 데이터 중에서 트레이닝 심볼을 분리하는 과정; 및
    분리한 상기 트레이닝 심볼을 최소 제곱 추정 방법으로 채널 추정을 수행하고,
    상기 트레이닝 블록은 송신 안테나 수에 대응하는 다수의 트레이닝 서브 블록들을 포함하고, 상기 각 트레이닝 서브 블록은 심볼 시퀀스와 제로 패딩을 포함하는 채널 추정과정을 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수신 데이터를 수신하는 과정 다음에
    상기 수신 데이터 중에서 데이터 심볼을 분리하여 추출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 수신 데이터 수신과정 다음에,
    래디오 주파수(Radio Frequency) 신호인 상기 수신 데이터를 수신되는 기저대역 샘플데이터로 변환하는 RF 처리과정; 및
    상기 샘플데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)연산하여 출력하는 FFT 연산과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 추출된 데이터 심볼들을 채널추정결과를 이용해 채널보상 하는 과정;
    상기 채널 보상된 데이터를 복조하여 부호심볼들을 발생하는 복조 과정; 및
    상기 복조 심볼들을 복호하여 원래의 정보데이터로 복원하는 복호과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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