KR101408866B1 - 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력시스템에서 신호 검출 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 신호 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 채널 추정 값을 이용하여 다중 안테나를 통해 수신된 다중 사용자 신호를 분리하는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기와, 상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)연산을 수행하는 IDFT부와, 상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 송신 가능한 심볼들에 대한 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 계산하여 최소 거리를 갖는 심볼을 선택하는 ML(Maximum Likelihood) 수신기를 포함하며, 상기 ML 수신기는 상기 IDFT 연산이 수행되는 블록 전체의 심볼 개수보다 작은 심볼 개수를 기반으로 ML 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하여, MMSE기법만을 이용했을 경우에 비해 간섭 제거 성능을 증가시킬 수 있고, 상기 MMSE 기법과 연속 간섭 제거 기법을 함께 이용했을 경우에 비해 지연 시간을 감소시킬 수 있으며, 일반적인 ML에 비해 낮은 복잡도를 가지면서 비슷한 성능을 얻을 수 있다.

MMSE(Minimum Mean Square Error), ML(Maximum Likelihood), MIMO(Multiple Input Multiple Output), SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)

Description

단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 신호 검출 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SIGNAL DETECTION IN MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT SYSTEM OF SINGLE CARRIER FREQUENCY DIVISION ACCESS}

본 발명은 단일반송파 주파수분할 다중접속(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) 방식의 다중사용자 다중입출력(Multiuser-Multiple Input Multiple Output) 시스템에서 수신 신호 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기와 ML(Maximum Likelihood) 수신기를 이용하여 수신 신호를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

3세대 이동통신 표준화 기구인 3GPP에서는 고속 데이터 전송률을 지원할 수 있는 다중 송수신 안테나 방식인 다중 입출력(multiple-input multiple-output; 이하 'MIMO'라 칭함) 시스템에 대한 심층적인 연구가 진행되고 있으며, 이에 따라 상기 MIMO 시스템에서 다중 안테나 신호 처리 기법들이 활발히 논의되고 있다.

상기 신호 처리 기법은 송신측에서의 신호 처리 기법과 이에 대응되는 수신측에서의 신호 처리 기법으로 구분할 수 있다. 상기 수신측의 신호 처리 기법으로는 각 송신 안테나에서 전송된 신호들을 검출하는데 이용되는 최소 평균 자승 오류(Minimum Mean Square Error; 이하 'MMSE'라 칭함), 최대 우도 검출(Maximum Likelihood detection; 이하 'ML'이라 칭함), 연속 간섭 제거(Successive Interference Cancellation; 이하 'SIC'라 칭함) 등과 같은 기법들이 제공되고 있다. 여기서, 상기 MMSE 기법은 송신측에서 원래 전송한 심볼들과 수신측에서 추정된 신호들 사이의 평균 자승 오차(mean square error)를 최소화하는 기법을 의미하며, 상기 ML 기법은 모든 송신 안테나에서 송신 가능한 심볼들을 모두 대입하여 최소 제곱 유클리드 거리(Squared Euclidean Distance)를 가지는 입력을 선택하는 기법을 의미한다. 그리고, 상기 SIC 기법은 신호대 간섭 펄스 잡음비(SINR; Signal to Interference plus Noise Ratio)가 큰 채널을 우선적으로 검출하여 제거하는 기법을 의미한다.

일반적으로, 단일반송파 주파수분할 다중접속(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access; 이하 'SC-FDMA'라 칭함)방식의 다중사용자 다중입출력(Multiuser-Multiple Input Multiple Output; 이하 'MU-MIMO'라 칭함) 시스템의 수신측에서는 수신 신호의 검출을 위해 상기 MMSE기법을 주로 사용하며, 성능 개선을 위해 상기 MMSE 기법과 SIC 기법을 동시에 사용하기도 한다.

상기 SC-FDMA 방식의 MU-MIMO 시스템의 수신측은 도 1에 도시된 바와 같이 구성됨으로써, 상기 MMSE 기법을 이용하는 경우에는 다중 안테나를 통해 수신된 신호를 FFT(Fast Fourier Transform)한 후 추정된 채널 값을 바탕으로 상기 MMSE 기 법을 수행하여 다중 사용자 간섭을 제거하고 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)하여 신호를 복조하는 방식으로 신호를 검출한다.

한편, 상기 SC-FDMA 방식의 MU-MIMO 시스템의 수신측에서 상기 MMSE 기법과 SIC 기법을 동시에 이용하는 경우, 상기 수신측은 상기와 같이 MMSE 기법을 통해 복조된 신호를 복호한 후, 오류가 발생되지 않은 신호를 검사하고 상기 검사된 신호를 이용하여 간섭 신호를 제거한 후, 상기 복호를 다시 수행하는 방식을 이용하여 신호를 검출한다.

하지만, 상기와 같이 MMSE 기법을 이용하는 경우는 다중 사용자의 간섭신호가 완벽하게 제거되지 못할 뿐만 아니라 부반송파간의 직교성이 유지되지 못하게 되어 자기 신호 내에서도 간섭이 발생되는 문제점이 있으며, 상기 MMSE 기법과 SIC 기법을 동시에 이용하는 경우는 상기 다중 사용자의 신호가 병렬적으로 처리되지 않고 직렬적으로 처리되기 때문에 복호에 필요한 지연시간이 길어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 SC-FDMA 방식의 MU-MIMO 시스템의 수신측에서 상기 ML 기법을 이용할 경우에는 직교주파수 다중접속 방식에서와는 달리 송신측에서 DFT(Discrete Fourier Transform)가 수행된 블록 전체 크기를 한꺼번에 고려하여 신호를 검출해야하기 때문에 복잡도가 높은 문제점이 있다. 여기서, 상기 ML 기법을 이용했을 경우의 복잡도는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 M은 변조심볼의 개수를 나타내며, 상기 N은 DFT 블록의 크기, L은 다중 사용자의 수를 나타낸다.

따라서, 상술한 바와 같이, 간섭이 완벽하게 제거되지 않거나 지연시간이 길어지는 문제점, 혹은 복잡도가 높은 문제점을 해결할 수 있는 방안이 제기될 필요성이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 신호 검출 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error) 기법과 최대 우도 검출(Maximum Likelihood Detection) 기법을 이용하여 수신 신호를 검출하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 가변하는 윈도우 크기를 가지는 최대 우도 검출 기법을 이용하여 수신 신호 검출 복잡도를 감소시키는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 신호 검출 장치는, 채널 추정 값을 이용하여 다중 안테나를 통해 수신된 다중 사용자 신호를 분리하는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기와, 상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)연산을 수행하는 IDFT부와, 상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 송신 가능한 심볼들에 대한 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 계산하여 최소 거리를 갖는 심볼을 선택하는 ML(Maximum Likelihood) 수신기를 포함하며, 상기 ML 수신기는 상기 IDFT 연산이 수행되는 블록 전체의 심볼 개수보다 작은 심볼 개수를 기반으로 ML 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2견지에 따르면, 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 신호 검출 방법은, 채널 추정 값을 바탕으로 MMSE(Minimum Mean Square Error)를 수행하여 다중 안테나를 통해 수신된 다중 사용자 신호를 분리하는 과정과, 상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)연산을 수행하는 과정과, 상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에 대해 ML(Maximum Likelihood) 알고리즘을 수행하여 송신 가능한 심볼들 중 최소 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 갖는 심볼을 선택하는 과정을 포함하며, 상기 ML 알고리즘은 상기 IDFT 연산이 수행되는 블록 전체의 심볼 개수보다 작은 심볼 개수를 기반으로 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 최소 평균 자승 오차(MMSE) 기법과 가변하는 윈도우 크기를 가지는 최대 우도 검출(ML) 기법을 이용하여 수신 신호를 검출함으로써, MMSE기법만을 이용했을 경우에 비해 간섭 제거 성능을 증가시킬 수 있고, 상기 MMSE 기법과 연속 간섭 제거(SIC) 기법을 동시에 이용했을 경우에 비해 지연 시간을 감소시킬 수 있으며, 일반적인 ML에 비해 낮은 복잡도를 가지면서 비슷한 성능을 얻을 수 있는 효과가 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명에서는 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error) 기법과 최대 우도 검출(Maximum Likelihood Detection) 기법을 이용하여 수신 신호를 검출하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 블록 구성을 도시하고 있다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수신측은 FFT(Fast Fourier Transform)부(201, 203), 부반송파 디맵핑(Subcarrier demapping)부(205), 채널 추정(channel Estimation)부(207), MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기(209), IFFT/IDFT(Inverse Fast Fourier Transform)부(211, 213), ML 수신기(ML receiver/Inverse Discrete Fourier Transform)(215), 데이터 복조(Data Demodulation)부(217, 219), 디인터리버(DeInterleaver)(221, 223), 전송율 역정합(Rate Dematching)부(225, 227), 터보 디코딩(Turbo decoding)부(229, 231), CRC(Cyclic Redundancy Check) 검사부(233, 235)를 포함하여 구성된다.

상기 FFT부(201, 203)는 각각의 안테나를 통해 수신되어 디지털 신호로 변환 된 수신 신호를 입력받아 FFT 연산을 수행하여 주파수 영역 신호로 변환시킨 후, 상기 부반송파 디맵핑부(205)로 출력한다. 상기 부반송파 디맵핑부(205)는 상기 FFT부(201, 203)로부터의 출력된 신호의 각 부반송파에 매핑된 실제 데이터 즉, 변조 심볼을 추출한다. 상기 채널 추정부(207)는 상기 부반송파 디맵핑부(205)로부터 실제 데이터를 입력받아 해당 채널을 추정하고, 채널 추정값을 상기 MMSE 수신기(209)로 제공한다.

상기 MMSE 수신기(209)는 상기 채널 추정부(207)에서의 채널 추정값을 이용하여 송신측에서 원래 전송한 심볼들과 수신측에서 추정된 신호들 사이의 평균 자승 오차(mean square error) 최소화를 통해 다중 사용자 신호를 분리하여 분리된 각 사용자 신호를 상기 IFFT/IDFT부(211, 213)로 제공한다. 상기 IFFT/IDFT부(211, 213)는 상기 MMSE 수신기(209)로부터 입력되는 주파수 영역의 각 사용자 신호를 입력받아 IFFT/IDFT 연산을 수행하여 시간 영역 신호로 변환한다.

상기 ML 수신기(215)는 상기 MMSE 수신기(209)에 의해 간섭이 제거된 시간 영역의 신호로부터 후보 송신 심볼 벡터를 선택하고, 선택된 후보 송신 심볼 벡터의 유클리디언 거리(Euclidean distance) 계산을 통해 로그 우도 율(LLR: Log Likelihood Ratio)을 생성 및 출력한다. 특히, 상기 ML 수신기(215)는 본 발명에 따라 IDFT 블록 전체 크기만큼의 심볼 수를 고려하지 않고, 상기 IDFT 블록 전체 크기보다 작은 크기의 심볼 수만큼을 고려하여 ML알고리즘을 수행한다. 이는, 도 4에 도시된 바와 같이, 부반송파로 전송된 신호가 상기 MMSE와 IDFT를 거치면서 인접한 심볼 간에 미치는 영향이 거리가 먼 심볼 간에 미치는 영향보다 크기 때문에, 작은 크기의 심볼 수만을 고려한 ML을 구현하더라도 상기 인접한 심볼 간의 간섭을 감소시킬 수 있기 때문이다. 여기서, 상기 IDFT 블록 전체 크기보다 작은 크기의 심볼 수를 고려한 ML 기법을 이용했을 경우의 복잡도는 하기 수학식 2과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 M은 변조심볼의 개수를 나타내며, 상기 W는 ML이 고려하는 심볼의 수, 상기 N은 DFT 블록의 크기, L은 다중 사용자의 수를 나타낸다.

상기 수학식 2와 같이, 본 발명의 ML은 IDFT 블럭 전체의 크기보다 작은 심볼 수만을 고려하여 종래의 ML에 비해 복잡도가 감소된다. 여기서, 상기 ML이 고려하는 심볼의 수는 좌우로 인접하는 W개의 신호로 제한되며, 상기 W의 크기는 각 사용자별로 할당받은 주파수-시간 자원의 크기에 따라 가변할 수 있다.

상기 데이터 복조부(217, 219)는 상기 ML 수신기(215)로부터 제공받은 데이터를 해당 복조 방식으로 복조하여 출력하고, 상기 디인터리버(221, 223)는 상기 데이터 복조부(217, 219)로부터 입력되는 데이터를 원래 순서대로 정렬하여 출력한다.

상기 전송율 역정합부(225, 227)는 상기 디인터리버(221, 223)로부터 출력되는 데이터 중 천공된 데이터 위치에 '0'을 삽입하거나 반복된 데이터를 압축하여 데이터 개수를 원래대로 복원하여 출력한다. 상기 터보 디코딩부(229, 231)는 상기 전송율 역정합부(225, 227)에서 전송률 역정합 처리된 데이터를 해당 부호율로 채 널 복호화하여 정보 데이터를 복원하고, 상기 CRC 검사부(233, 235)는 상기 복호화된 데이터에 대해 CRC 검사를 수행하여 해당 데이터의 오류 발생 여부를 검사한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 수신 신호 검출 절차를 도시하고 있다.

상기 도 3을 참조하면, 먼저 수신측은 301단계에서 안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 FFT를 수행하여 주파수 영역의 신호로 변환하고, 303단계에서 상기 변환된 신호의 각 부반송파에 매핑된 실제 데이터, 즉, 변조 심볼을 추출한 후, 307단계로 진행하여 채널 추정을 수행한다.

이후, 상기 수신측은 309단계에서 상기 채널 추정 값을 이용하여 MMSE 알고리즘을 수행함으로써, 다중 사용자 신호를 분리하고, 311단계로 진행하여 상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IFFT/IDFT 연산을 수행하여 시간 영역의 신호로 변환한다.

이후, 상기 수신측은 313단계에서 할당된 주파수-시간 자원의 크기에 따라 설정된 윈도우 크기, 즉, ML 알고리즘 수행시 고려해야할 심볼의 수를 확인하고, 315단계로 진행하여 상기 확인된 윈도우 크기에 따라 ML 알고리즘을 수행한다. 즉, 상기 수신측은 상기 시간영역의 신호에서 상기 윈도우 크기 만큼에 해당하는 송신 심볼들 중 후보 송신 심볼 벡터를 선택하여 유클리디언 거리(Euclidean) 계산하고, 로그 우도 율(LLR: Log Likelihood Ratio)을 생성한다. 여기서, 상기 윈도우 크기는 IDFT가 수행되는 블럭 전체의 크기보다 작게 설정된다. 이는, 상기 도 4에 도시 된 바와 같이, 부반송파로 전송된 신호가 상기 MMSE와 IDFT를 거치면서 인접한 심볼 간에 미치는 영향이 거리가 먼 심볼 간에 미치는 영향보다 크기 때문에, 작은 크기의 심볼 수만을 고려한 ML을 구현하더라도 상기 인접한 심볼 간의 간섭을 감소시킬 수 있기 때문이다. 즉, ML 알고리즘 수행 시, 본 발명에 따라 상기 IDFT 블록 전체 크기보다 작은 크기의 심볼 수를 고려함으로써, 수학식 1과 같은 복잡도를 가지는 종래에 비해 상기 수학식 2와 같은 낮은 복잡도로 상기 ML 알고리즘을 수행할 수 있다.

이후, 상기 수신측은 317단계에서 해당 복조 방식으로 복조를 수행한 후 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 수신측의 블록 구성을 도시하는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 블록 구성을 도시하는 도면,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 수신 신호 검출 절차를 도시하는 도면, 및

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 역 이산 푸리에 변환 수행 후 인접 심볼 간에 간섭을 미치는 그래프를 도시하는 도면.

Claims (10)

1. 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 신호 검출 장치에 있어서,

   채널 추정 값을 이용하여 다중 안테나를 통해 수신된 다중 사용자 신호를 분리하는 MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기와,

   상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)연산을 수행하는 IDFT부와,

   상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 송신 가능한 심볼들에 대한 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 계산하여 최소 거리를 갖는 심볼을 선택하는 ML(Maximum Likelihood) 수신기를 포함하며,

   상기 ML 수신기는 상기 IDFT 연산이 수행되는 블록 전체의 심볼 개수보다 작은 심볼 개수를 기반으로 ML 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 ML 수신기는, 상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 좌우로 인접하는 소정 개수의 심볼들에 대해 ML 알고리즘을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 ML 알고리즘이 수행되는 심볼들의 소정 개수는, 각 사용자별로 할당받은 주파수 및 시간 자원의 크기에 따라 가변하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 인접한 심볼들 사이의 간섭은 거리가 먼 심볼들 사이의 간섭보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
6. 단일반송파 주파수분할 다중접속방식의 다중입출력 시스템에서 수신측의 신호 검출 방법에 있어서,

   채널 추정 값을 바탕으로 MMSE(Minimum Mean Square Error)를 수행하여 다중 안테나를 통해 수신된 다중 사용자 신호를 분리하는 과정과,

   상기 분리된 각 사용자 신호에 대해 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)연산을 수행하는 과정과,

   상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에 대해 ML(Maximum Likelihood) 알고리즘을 수행하여 송신 가능한 심볼들 중 최소 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 갖는 심볼을 선택하는 과정을 포함하며,

   상기 ML 알고리즘은 상기 IDFT 연산이 수행되는 블록 전체의 심볼 개수보다 작은 심볼 개수를 기반으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 ML 알고리즘은, 상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 좌우로 인접하는 소정 개수의 심볼들에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 심볼들의 소정 개수는, 각 사용자별로 할당받은 주파수 및 시간 자원의 크기에 따라 가변하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 삭제
10. 제 6항에 있어서,

    상기 IDFT가 수행된 각 사용자 신호에서 인접한 심볼들 사이의 간섭은 거리가 먼 심볼들 사이의 간섭보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.

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