KR101386654B1 - 전이중 다중안테나 중계 장치 및 방법 - Google Patents

전이중 다중안테나 중계 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전이중 다중안테나 중계기에서 발생하는 공간 루프 간섭의 문제를 해결하기 위한 것으로서, MMSE 필터링 기법만을 사용하여 공간 루프 간섭을 제거하고 선택적으로 변형된 알라마우티 인코딩 기법을 사용하여, 계산의 복잡도가 낮아 구현이 용이하고 수신기의 성능을 높일 수 있는 전이중 다중안테나 중계 장치 및 방법을 제공한다.

Description

전이중 다중안테나 중계 장치 및 방법 {Full-Duplex MIMO Relay Apparatus and Method}
본 발명은, 무선 멀티 홉 네트워크에서 다중안테나(MIMO: Multiple Input Multiple Output)를 사용하는 전이중 중계기에서 발생하는 공간 루프 간섭(Spatial Loop Interference)을 제거하기 위한 중계 기법에 관한 것이다.
차세대 무선 멀티 홉 네트워크에서 중계 전송(Relay Transmission)기술은 매우 유망한 기술로서, 송신 전력을 낮출 수 있고, 서비스 커버리지(Coverage)를 확대할 수 있으며, 높은 처리율(Throughput)을 제공해줄 수 있다.
중계기(Relay)는 전이중(Full-Duplex) 또는 반이중(Half-Duplex) 모드로 동작할 수 있다. 전이중 중계기는 동일한 주파수로 동일한 시간에 데이터를 수신하고 송신하기 때문에, 전이중 중계기의 주파수 효율이 반이중 중계기(수신과 송신을 동시에 하지 않음)의 주파수 효율보다 우수하다.
그러나, 전이중 중계기는 송신한 신호가 재수신되는 신호 누설(Leakage)로 인한 루프 간섭(Loop Iinterference)으로 성능이 떨어지는 단점이 있다. 최근 도 1에 도시된 것처럼 다중안테나(MIMO)를 사용하는 전이중 중계기에서, 공간 루프 간섭(Spatial Loop Interference) 문제를 해결하기 위한 연구가 주목받고 있다.
따라서, 공간 루프 간섭을 방지하는 다양한 기법이 제안되는데, 중계기에서의 처리 시간 지연(Processing Delay)을 고려하지 않는 기법의 경우에는 실제 환경에서 동작하지 않는 단점이 있다. 그리고, 처리 시간 지연을 고려하는 기법으로서, 전형적인 시간영역 제거기법(Time-Domain Cancellation)과 공간 억제(Spatial Suppression) 기법이 결합된 형태를 취하는 기법이 있는데, 시뮬레이션 결과를 보면 우수한 성능을 보이고 있지만, 두 기법을 결합한 형태이기 때문에 실제 환경에 사용하기에는 계산 복잡도(Computational Complexity)가 너무 높은 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 기법과 달리 MMSE(Minimum Mean Square Error) 필터링 기법만을 사용하여 공간 루프 간섭을 제거하고, 선택적으로 변형된 알라마우티(Alamouti) 인코딩 기법을 사용하여 종단 수신기(사용자)의 성능을 높이는 구조를 갖는 전이중 다중안테나 중계 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 송신기로부터 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호에 대한 공간 루프 간섭을 제거하는 MMSE 필터; 상기 MMSE 필터로부터 입력받은 신호에 대한 복조, 이퀄라이제이션, 검파 및 변조를 순차적으로 처리하는 DF 프로토콜 처리기; 및 상기 DF 프로토콜 처리기로부터 입력받은 신호를 수신기로 송신하는 변형된 알라마우티(Alamouti) 인코더를 포함하는 전이중 다중안테나 중계 장치를 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 상기 변형된 알라마우티 인코더는, 상기 수신기로 신호를 송신하는 안테나의 수와 상기 수신기의 안테나의 수에 기초하여, 송신하는 신호를 조정하는 것인 전이중 다중안테나 중계 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 상기 알라마우티 인코더는, 첫 번째 시간 슬롯에는 원래 신호를 송신하고, 두 번째 시간 슬롯에는 알라마우티 인코딩된 신호를 송신하는 것인 전이중 다중안테나 중계 장치를 제공한다.
한편 본 발명은, 송신기로부터 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호에 대한 공간 루프 간섭을 제거하는 단계; 상기 신호에 대한 복조, 이퀄라이제이션, 검파 및 변조를 순차적으로 처리하는 단계; 및 상기 신호를 수신기로 송신하는 단계를 포함하는 전이중 다중안테나 중계 방법으로 이용될 수 있다.
본 발명은 MMSE(Minimum Mean Square Error) 필터링 기법만을 사용하여 공간 루프 간섭을 제거하기 때문에 종래의 방식에 비해 계산의 복잡도가 낮아, 구현이 용이한 장점이 있다.
또한, 선택적으로 변형된 알라마우티(Alamouti) 인코딩 기법을 사용하여, 궁극적으로 중요한 종단 수신기(사용자)의 성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 전이중 다중안테나 중계기를 사용하는 2-홉 MIMO 통신 시스템 모델을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 장치의 구조를 나타낸 도면.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 방법에 의한 중계기와 수신기의 성능 개선 효과를 나타낸 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 장치를 사용하는 기본적인 2-홉 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템 모델을 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(100), 중계기(110) 및 수신기(120)는 모두 다중안테나를 사용하고 있다.
송신기(100)와 수신기(120)는 각각
Figure 112012108200378-pat00001
,
Figure 112012108200378-pat00002
개의 안테나를 가진다. 중계기(110)는
Figure 112012108200378-pat00003
개의 수신 안테나와
Figure 112012108200378-pat00004
개의 송신 안테나를 가진다. 송신기(100)는
Figure 112012108200378-pat00005
의 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00006
를 송신한다. 중계기(110)는
Figure 112012108200378-pat00007
의 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00008
을 수신하고,
Figure 112012108200378-pat00009
의 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00010
를 송신한다. 수신기(120)는
Figure 112012108200378-pat00011
의 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00012
를 수신한다.
여기서, 변조 방식은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 가정하고, 무선 채널은 주파수 비선택성 블록 페이딩을 가정한다.
Figure 112012108200378-pat00013
은 송신기(100)와 중계기(110) 사이에 존재하는
Figure 112012108200378-pat00014
의 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112012108200378-pat00015
는 중계기(110)의 송신 신호가 다시 수신되는
Figure 112012108200378-pat00016
의 공간 루프 간섭(SLI: Spatial Loop Interference) 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112012108200378-pat00017
는 중계기(110)와 수신기(120) 사이에 존재하는
Figure 112012108200378-pat00018
의 채널 행렬을 나타낸다.
중계기(110)에서 수신된 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00019
을 표현하면 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108200378-pat00020
여기서,
Figure 112012108200378-pat00021
은 분산 행렬이
Figure 112012108200378-pat00022
인
Figure 112012108200378-pat00023
의 잡음 벡터를 나타낸다.
수신기(120)에서 수신된 신호 벡터
Figure 112012108200378-pat00024
를 표현하면 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108200378-pat00025
여기서,
Figure 112012108200378-pat00026
는 분산 행렬이
Figure 112012108200378-pat00027
인
Figure 112012108200378-pat00028
의 잡음 벡터를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 장치는 MMSE 필터(200), DF(Decode-and-Forward) 프로토콜 처리기(210) 및 변형된 알라마우티(Almouti) 인코더(220)를 포함한다.
MMSE 필터(200)는 공간 루프 간섭을 제거하기 위해 사용되고, DF 프로토콜 처리기(210)는 입력받은 신호에 대한 복조, 이퀄라이제이션, 검파 및 변조를 순차적으로 수행한다. 변형된 알라마우티 인코더(220)는 공간-시간 다이버시티(STD: Space-Time Diversity) 또는 공간-주파수 다이버시티(SFD: Space-Frequency Diversity)로 적용될 수 있으며, 종단 수신기(사용자)의 성능을 높이기 위해 사용된다.
MMSE 필터(200)
Figure 112012108200378-pat00029
는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있고, 이 필터의 출력 벡터는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108200378-pat00030
Figure 112012108200378-pat00031
DF 프로토콜 처리기
Figure 112012108200378-pat00032
의 출력 벡터는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 편의상 모든 처리 과정(복조, 이퀄라이제이션, 검파, 변조)을
Figure 112012108200378-pat00033
로 표현한다.
Figure 112012108200378-pat00034
변형된 알라마우티 인코더(220)
Figure 112012108200378-pat00035
는 STD 또는 SFD로 적용될 수 있으나 설명의 편의상 STD를 가정한다. 이때, 변형된 알라마우티 인코더(220)
Figure 112012108200378-pat00036
는 처음 시간 슬롯(OFDM 심볼 길이)에는 원래 신호 벡터를 보내고 다음 시간 슬롯에는 알라마우티 인코딩된 신호 벡터를 보낸다. 이를 수학식 6과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012108200378-pat00037
여기서, 첫 번째 시간 슬롯에서는
Figure 112012108200378-pat00038
이고, 두 번째 시간 슬롯에서는
Figure 112012108200378-pat00039
이다. 또한,
Figure 112012108200378-pat00040
는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012108200378-pat00041
마지막으로, 수신기에서는 변형된 알라마우티 디코딩을 수행함으로써, 성능을 높일 수 있다.
도 3과 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전이중 다중안테나 중계 방법에 의하여 중계기와 수신기의 성능이 개선된 효과를 나타낸 것으로서, 도 3은 시뮬레이션을 통해 MMSE 필터
Figure 112012108200378-pat00042
에 의한 중계기와 수신기의 성능 개선 효과를 나타내고 있으며, 도 4는 변형된 알라마우티 인코딩에 의하여 수신기에서의 성능 개선 효과를 나타내고 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 송신기
110 : 중계기
120 : 수신기
200, 201 : MMSE 필터
210, 211 : DF 프로토콜 처리기
220, 221 : 변형된 알라마우티(Alamouti) 인코더

Claims (8)

  1. 송신기로부터 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호에 대한 공간 루프 간섭을 제거하는 MMSE 필터;
    상기 MMSE 필터로부터 입력받은 신호를 처리하는 DF 프로토콜 처리기; 및
    상기 DF 프로토콜 처리기로부터 입력받은 신호를 수신기로 송신하는 변형된 알라마우티(Alamouti) 인코더를 포함하되,
    상기 알라마우티 인코더는
    첫 번째 시간 슬롯에는 원래 신호를 송신하고 두 번째 시간 슬롯에는 알라마우티 인코딩된 신호를 송신하는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 DF 프로토콜 처리기는
    상기 입력받은 신호에 대한 복조, 이퀄라이제이션, 검파 및 변조를 순차적으로 처리하는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 변형된 알라마우티 인코더는
    상기 수신기로 신호를 송신하는 안테나의 수와 상기 수신기의 안테나의 수에 기초하여, 송신하는 신호를 조정하는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 알라마우티 인코더는
    공간-시간 다이버시티 또는 공간-주파수 다이버시티로 적용되는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 장치.
  6. 송신기로부터 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호에 대한 공간 루프 간섭을 제거하는 단계;
    상기 신호에 대한 복조, 이퀄라이제이션, 검파 및 변조를 순차적으로 처리하는 단계; 및
    상기 신호를 수신기로 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 신호를 수신기로 송신하는 단계는
    첫 번째 시간 슬롯에는 원래 신호를 송신하고 두 번째 시간 슬롯에는 알라마우티 인코딩된 신호를 송신하는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호를 수신기로 송신하는 단계는
    상기 신호를 송신하는 안테나의 수 및 상기 수신기의 안테나의 수에 기초하여, 송신하는 신호를 조정하는 것
    인 전이중 다중안테나 중계 방법.
  8. 삭제
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