KR101371315B1 - 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법 - Google Patents

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Abstract

다중 입력 다중 출력 시스템의 심볼 검파 방법에 관한 것으로, (a) 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬을 추정하는 단계, (b) 상기 현재 채널과 인접한 이전 채널의 행렬 값과 상기 현재 채널의 행렬 값의 차를 산출하는 단계, (c) 인접 채널 간의 유사성을 이용한 근사화 과정을 통해 역행렬 값이 저장된 이전 채널에 대한 역행렬에 기초해서 점증적으로 상기 현재 채널의 역행렬을 계산하는 단계 및 (d) 상기 (c)단계에서 점증적으로 계산된 상기 현재 채널의 역행렬과 수신 심볼 벡터를 곱셈 연산하고 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 현재 채널의 송신 심볼 벡터를 추정하는 단계를 포함하는 구성을 마련하여, 서로 인접하는 채널 간의 유사성을 이용해서 현재 채널의 역행렬을 직접 계산하는 대신에 이전 채널의 역행렬을 이용해서 현재 채널의 역행렬을 계산할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법{SYMBOL DETECTION METHOD FOR MIMO SYSTEM}
본 발명은 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수학적으로 행렬로 표현되는 무선 채널에 대하여 시간적, 주파수적으로 인접한 채널 사이의 유사성을 이용해서 심볼 검파를 수행하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법에 관한 것이다.
최근 통신 시스템에서 높은 데이터 전송 속도와 넓은 통신 거리를 달성하기 위해 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 함) 기술이 도입되고 있다.
이러한 MIMO 기술은 대여폭의 증가나 송신전력의 증가 없이 데이터를 고속으로 전송함에 따라, 와이파이(Wi-Fi), 와이맥스(WiMAX), 3GPP-LTE(3rd Generation Pattnership Project-Long Term evolution) 등 다양한 무선 통신 시스템에 적용되고 있다.
MIMO 기술이 적용된 통신 시스템에서 각 무선 채널은 채널 추정된 결과를 통해 행렬로 표현되는데, 종래기술에 따른 심볼 검파 방법은 이러한 채널 행렬의 의 사 역행렬을 수신 심볼 벡터에 곱해서 변조 방식에 따른 성상도(Constellation)를 고려하여 검파를 수행한다.
이와 같이, 의사 역행렬을 이용해 심볼 검파를 수행하는 기술이 대한민국 특허 공개번호 제10-2009-0040184호(2009년 4월 23일 공개, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 대한민국 특허 공개번호 제10-2007-0024753호(2007년 3월 8일 공개, 이하 '특허문헌 2'라 함) 및 D. Perels, S. Haene, P.Luethi, A. Burg, N.Felber, W. Fichtner,and H. Bolckei, "ASIC Implementation of a M I M O - O F D M Transceiver for 192Mbps WLANS"(이하 '비특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다.
즉, 종래기술에 따른 선형 검파 방법은 무선 채널에서 실제 존재하는 인접 채널 간의 유사성을 이용하지 않고, 각 채널 행렬에 대하여 의사 역행렬을 이용해 심볼 검파를 수행하였다.
하지만, 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 비특허문헌 1과 같이, 의사 역행렬을 이용해 심볼 검파를 수행하는 종래기술에 따른 선형 검파 방법은 기존의 단일 안테나 시스템과 비교하였을 때, 심볼 검파 과정에서 의사 역행렬의 계산 과정의 연산 복잡도가 매우 높은 문제점이 있었다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2009-0040184호(2009년 4월 23일 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2007-0024753호(2007년 3월 8일 공개)
D. Perels, S. Haene, P.Luethi, A. Burg, N.Felber, W. Fichtner,and H. Bolckei, "ASIC Implementation of a M I M O - O F D M Transceiver for 192Mbps WLANS" in Proc. European Solid-state Circuits Conference, pp.215-218, Sept. 2005.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 MIMO 통신 시스템에서 역행렬의 연산 복잡도를 최소화할 수 있는 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인접 채널간의 유사성을 이용해 이전 채널의 역행렬을 보정해서 점증적인 방법을 통해 간접적으로 해당 채널의 역행렬을 계산하여, 직접적으로 역행렬을 계산하는 방식에 비해 상대적으로 낮은 연산 복잡도를 갖는 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 (a) 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬을 추정하는 단계, (b) 상기 현재 채널과 인접한 이전 채널의 행렬 값과 상기 현재 채널의 행렬 값의 차를 산출하는 단계, (c) 인접 채널 간의 유사성을 이용한 근사화 과정을 통해 역행렬 값이 저장된 이전 채널에 대한 역행렬에 기초해서 점증적으로 상기 현재 채널의 역행렬을 계산하는 단계 및 (d) 상기 (c)단계에서 점증적으로 계산된 상기 현재 채널의 역행렬과 수신 심볼 벡터를 곱셈 연산하고 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 현재 채널의 송신 심볼 벡터를 추정하는 단계를 포함한다.
상기 (a)단계는 프레임 헤더 부분의 프리앰블(preamble)에서 전송되는 훈련 시퀀스(training sequence)를 사용하여 현재 채널의 행렬을 추정하고, 추정된 현재 채널의 행렬은 수신기 내부에 구비되는 저장부에 저장되는 것을 특징으로 한다.
상기 (c)단계는 노이만 확장 근사를 이용한 수학식 1에 따라 상기 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)을 상기 이전 채널의 역행렬(Hprev -1)을 이용해서 계산하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112012048577020-pat00001
.....[수학식 1]
상기 (c)단계에서 계산된 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)은 수신기 내부에 구비되는 저장부에 저장되어 다음 채널의 역행렬 계산시 사용되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 서로 인접하는 채널 간의 유사성을 이용해서 현재 채널의 역행렬을 직접 계산하는 대신에 이전 채널의 역행렬을 이용해서 현재 채널의 역행렬을 계산할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 이전 채널의 역행렬 값으로부터 점증적으로 보상해서 현재 채널의 역행렬 값을 계산함에 따라, 역행렬을 직접 계산하는 것과 비교하여 연산 복잡도를 현저하게 낮출 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 다중 입력 다중 출력 기술이 적용된 다양한 통신 시스템의 제품의 품질 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 심볼 검파 방법이 적용된 MIMO 통신 시스템의 블록 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 검파기의 블록 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법을 단계별로 설명하는 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 심볼 검파 방법이 적용된 MIMO 통신 시스템의 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 검파기의 블록 구성도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법을 단계별로 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법이 적용된 수신기(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(10)에 구비된 다수 개의 송신 안테나(13)를 통해 송신된 신호를 각각 수신하는 다수 개의 수신 안테나(21), 각 수신 안테나(21)를 통해 수신된 신호를 인접 채널의 역행렬을 이용하여 점증적으로 계산된 현재 채널의 역행렬을 이용해 검파하는 검파기(22), 검파기(22)에서 출력되는 신호를 송신기(10)의 변조기(12)에서 적용한 변조 방식에 대응되는 복조 방식으로 복조하여 원래의 정보 데이터 비트로 복원하는 복조기(23) 및 복조된 데이터를 부호화기에서 적용된 부호화 방식에 대응되는 복호화 방식으로 복호화를 수행하여 송신 데이터를 최종적으로 복원하는 복호화기(24)를 포함한다.
송신기(10)에 구비된 부호화기(11)는 정보 데이터 비트(information data bit)가 입력되면, 미리 설정된 부호화 방식으로 부호화한다.
변조기(12)는 부호화기(11)로부터 출력되는 직렬 신호를 입력받아 미리 설정되어 있는 변조 방식으로 변조하여 변조 심벌(symbol)을 생성한 후 다수의, 예컨대 N개의 채널에 대응되는 각 송신안테나(13)를 통해 송신 심볼을 전송한다.
여기서, 변조 방식으로는 BPSK(Binary Phase Shift Keying, 이하 'BPSK'라 함) 방식, QPSK(Quadrature PhaseShift Keying, 이하 'QPSK'라 함) 방식, QAM(Quadrature Amplitude Modulation, 이하 'QAM'이라 함) 방식, PAM(Pulse Amplitude Modulation, 이하 'PAM'이라 함) 방식 및 PSK(Phase Shift Keying, 이하 'PSK'라 함) 방식 등과 같은 다양한 변조 방식 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
수신기(20)에 구비된 다수, 예컨대 N개의 수신 안테나(21)는 각각 송신기(20)에서 N개의 송신 안테나(13)을 통해 송신된 신호를 수신한다.
여기서, 각 수신 안테나(21)를 통해 수신된 신호로 구성되는 수신 심볼 벡터는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012048577020-pat00002
여기서, y는 N×1의 수신 심볼 벡터,
H는 N×N 무선 통신 채널의 페이딩을 나타내는 행렬,
x는 특정 성상도에 의해 매핑된 N×1 송신 심볼 벡터,
n은 N×1의 가우시안 잡음벡터.
검파기(22)는 도 2에 도시된 바와 같이, 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬을 추정하는 행렬 추정부(31), 시간적 또는 공간적으로 인접한 채널의 행렬 값과 현재 채널의 행렬 값의 차를 산출하는 산출부(32), 인접 채널 간의 유사성을 이용한 근사화 과정을 통해 역행렬 값이 저장된 인접 채널에 대한 역행렬에 기초해서 점증적으로 현재 채널의 역행렬을 계산하는 역행렬 계산부(33) 및 및 역행렬 계산부(33)에서 점증적으로 계산된 현재 채널의 역행렬과 수신 심볼 벡터를 곱셈 연산하고 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 현재 채널의 송신 심볼 벡터를 추정하는 심볼 벡터 추정부(34)를 포함한다.
그리고 검파기(22)는 행렬 추정부(31)에서 추정된 현재 채널의 행렬 및 역행렬 계산부(33)에서 계산된 현재 채널의 역행렬을 저장하는 저장부(35)를 더 포함할 수 있다.
한편, 일반적인 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법은 수학식 1을 변형한 아래의 수학식 2와 같이, H-1·y를 계산하여 x를 추정한다.
Figure 112012048577020-pat00003
즉, 일반적인 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법은 각 심볼간 상호 간섭이 제거된 송신 신호 x에서 가장 근접한 거리에 존재하는 성상도 상의 한 심볼을 선택하는 슬라이스(slice) 과정을 통해 신호를 검파한다.
여기서, 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 바와 같이, 각 채널의 역행렬을 계산하는 과정은 매우 높은 연산 복잡도를 수반하는 연산이다.
한편, 수학식 1과 수학식 2는 N×N 무선 통신 채널을 기준으로 하지만, 임의의 안테나 수를 가진 시스템에서는 채널 행렬(H)의 역행렬 대신 채널 행렬(H)의 의사 역행렬이 사용된다.
여기서, 채널 행렬(H)의 의사 역행렬을 구하는 과정에서도 일반적인 역행렬을 구하는 과정이 포함되므로, 본 발명에서 제안한 방법을 적용할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법은 각 채널의 행렬(H)이 시간 및 주파수 공간 사이에서 서로 유사성(Coherence)을 갖는 특징을 이용해서 각 채널의 역행렬 계산시 연산 복잡도를 최소화한다.
특히, 와이파이, 와이맥스, 3GPP-LTE 등 최근 통신 시스템에서 대표적으로 채택되는 MIMO-OFDM(직교 주파수 분할 다중화, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)에서는 다수의 서브 채널(sub-channel)이 주파수 공간 안에 밀집해 있기 때문에, 인접한 서브 채널 간의 행렬 값의 유사성(Coherence)이 존재한다.
즉, 시간 공간 또는 주파수 공간상에서 서로 인접하여 유사성이 존재하는 현재 채널의 행렬(Hcurrent)과 이전 채널의 행렬(Hprev) 사이의 관계는 다음 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112012048577020-pat00004
여기서, 각 채널 간의 행렬 값 유사성에 따라 이전 채널과 현재 채널 행렬 사이의 변화량인 ΔH는 매우 작은 값이므로, 본 실시 예에서는 ΔH ≡ Hcurrent - Hprev
Figure 112012048577020-pat00005
0이라 가정할 수 있다.
따라서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MIMO 통신 시스템의 심볼 검파 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬을 추정하는 단계(S10), 이전 채널의 행렬 값과 현재 채널의 행렬 값의 차를 산출하는 단계(S20), 근사화 과정을 통해 이전 채널에 대한 역행렬에 기초해서 점증적으로 현재 채널의 역행렬을 계산하는 단계(S30) 및 계산된 현재 채널의 역행렬과 수신 심볼 벡터를 곱셈 연산하고 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 송신 심볼 벡터를 추정하는 단계(S40)를 포함한다.
상세하게 설명하면, S10 단계에서 행렬 추정부(31)는 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬(Hcurrent)을 추정한다.
이때, 현재 채널의 행렬(Hcurrent)은 와이파이(Wi-Fi), 와이맥스(WiMAX), 3GPP-LTE 등의 버스트(burst) 시스템에서 프레임 헤더 부분의 프리앰블(preamble)에서 전송되는 훈련 시퀀스(training sequence)를 사용하여 추정된다.
이와 같이, 추정된 현재 채널의 행렬(Hcurrent)은 검파기(22) 내부에 구비되는 저장부(35)에 저장된다.
그리고 S20 단계에서 산출부(32)는 현재 채널의 행렬(Hcurrent) 값에서 이전 채널의 행렬(Hprev) 값을 감산하여 그 차(ΔH)를 산출한다.
여기서, 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012048577020-pat00006
Figure 112012048577020-pat00007
Figure 112012048577020-pat00008
Figure 112012048577020-pat00009
여기서, 이전 채널의 역행렬과 변화율의 곱인 - Hprev -1·ΔH는 매우 작은 값을 갖는데, 본 실시 예에서는 ΔH
Figure 112012048577020-pat00010
0이므로, -Hprev -1·ΔH
Figure 112012048577020-pat00011
0이 된다.
그리고 - Hprev -1·ΔH를 A라 하면, 수학식 4는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012048577020-pat00012
그래서 수학식 5는 아래의 수학식 6에 기재된 노이만(Neumann) 확장 근사에 따라 다시 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012048577020-pat00013
여기서, A
Figure 112012048577020-pat00014
0 이면,
Figure 112012048577020-pat00015
Figure 112012048577020-pat00016
이와 같이, 역행렬 계산부(33)는 수학식 7에 표현된 바와 같이, 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)을 직접 계산하는 대신에 이전 채널의 역행렬(Hprev -1)을 이용해서 계산한다(S30).
이에 따라, 본 발명은 이전 채널의 역행렬 값으로부터 점증적으로 보상해서 현재 채널의 역행렬 값을 계산함에 따라, 심볼 검파 과정에서 수행되는 연산 복잡도를 현저하게 낮출 수 있다.
한편, S30 단계에서 계산된 현재 채널 행렬(Hcurrent)에 대한 역행렬(Hcurrent -1)은 다음 채널 행렬에 대한 역행렬을 계산하는데 사용할 수 있도록 저장부(35)에 저장된다.
마지막으로, S40 단계에서 심볼 벡터 계산부(34)는 S30 단계에서 점증적으로 계산된 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1) 값과 수신 심볼 벡터(y)를 곱셈 연산하고, 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 전송된 심볼 벡터를 추정한다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 이전 채널의 역행렬을 이용해서 현재 채널의 역행렬을 계산함에 따라 심볼 검파 과정에서 수행되는 연산 복잡도를 최소화할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 MIMO 기술이 적용된 와이파이, 와이맥스, 3GPP-LTE 등 다양한 통신 시스템에서 심볼 검파 과정의 연산 복잡도를 낮춰서 통신 시스템의 제품 품질을 향상시키는 기술에 적용된다.
10: 송신기 11: 부호화기
12: 변조기 13: 송신 안테나
20: 수신기 21: 수신 안테나
22: 검파기 23: 복조기
24: 복호화기 31: 행렬 추정부
32: 산출부 33: 역행렬 계산부
34: 심볼 벡터 추정부 35: 저장부

Claims (4)

  1. (a) 현재 무선 통신 채널의 페이딩 계수에 해당하는 행렬을 추정하는 단계,
    (b) 상기 현재 채널과 인접한 이전 채널의 행렬 값과 상기 현재 채널의 행렬 값의 차를 산출하는 단계,
    (c) 인접 채널 간의 유사성을 이용한 근사화 과정을 통해 역행렬 값이 저장된 이전 채널에 대한 역행렬에 기초해서 점증적으로 상기 현재 채널의 역행렬을 계산하는 단계 및
    (d) 상기 (c)단계에서 점증적으로 계산된 상기 현재 채널의 역행렬과 수신 심볼 벡터를 곱셈 연산하고 해당 변조 방식의 성상도를 기준으로 양자화 과정을 수행하여 현재 채널의 송신 심볼 벡터를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 시스템의 심볼 검파 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는 프레임 헤더 부분의 프리앰블(preamble)에서 전송되는 훈련 시퀀스(training sequence)를 사용하여 현재 채널의 행렬을 추정하고,
    추정된 현재 채널의 행렬은 수신기 내부에 구비되는 저장부에 저장되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 노이만 확장 근사를 이용한 수학식 1에 따라 상기 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)을 상기 이전 채널의 역행렬(Hprev -1)을 이용해서 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법.
    Figure 112012048577020-pat00017
    ....[수학식 1]
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 계산된 현재 채널의 역행렬(Hcurrent -1)은 수신기 내부에 구비되는 저장부에 저장되어 다음 채널의 역행렬 계산시 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 통신 시스템의 심볼 검파 방법.
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