KR101468894B1 - 다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호화 송수신 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호 송수신 방법으로, 적어도 하나의 단말로부터 채널품질정보를 획득하고 획득한 상기 채널품질정보를 기초로 채널품질정보 값 차이가 큰 두 단말을 같은 무선 자원에 할당하고 할당된 두 단말 중 채널품질정보가 낮은 제1단말에게 높은 전력을 할당하고 채널품질정보가 높은 제2단말에게 낮은 전력을 할당하며, 제1단말과 제2단말의 데이터를 제1 및 제2단말의 송신 전력과 채널품질정보에 따라 선택된 부호 채널화 기법과 변조 기법으로 채널 부호화와 변조를 수행하여 변조 심볼을 생성한 후, 생성된 출력을 두 개로 그룹화하고 전력을 할당하는 단계에서 할당된 전력에 따라 다중 안테나 중첩 부호 신호를 생성하고 나서 생성된 다중 안테나 중첩 부호 신호를 송신하는 것을 그 요지로 한다.

Description

다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호화 송수신 방법 {Method of transmission and reception of multiuser multiple antenna communication system}

본 발명은 다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호화 송수신 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 무선 통신 시스템에서 한 개의 기지국과 복수의 사용자 단말이 존재하는 단일 셀 환경에서, 다중 안테나를 활용하여 사용자에게 효율적으로 전달하는 다중 사용자 다중 안테나 송수신 방법에 관한 것이다.

최근에는 다양한 무선 통신 서비스와 애플리케이션이 이용되면서 대용량 데이터 전송 요구가 끊임없이 증가하고 있다. 이에 제한된 주파수 대역에서 더 높은 전송률과 시스템 용량을 지원하기 위안 다양한 송수신 방식이 연구되고 있다. 이러한 방법 가운데 가장 흔히 사용되는 기법이 다중 안테나 기법이다. 다중 안테나 기법은 공간 다중화를 통해 전송률을 높이거나 시공간 부호로 채널 다양성 이득을 높일 수 있다. 얼마 전에는 공간 다중화와 같은 전송률을 높이면서도 시공간 부호와 같이 채널 다양성을 최대로 제공할 수 있는 골드 부호 방식(종래 기술1)이 제안되었다.

그러나, 골든 부호화 방식은 최대 우도 기법으로 구현할 경우 기존의 공간 다중화 기법이나 직교 시공간 부호화 방식보다 수신단 복잡도가 높은 단점이 있다. 한편, 기지국에서 단말로 데이터를 전송하는 하향 링크에서 전송률을 향상시키기 위해 기지국이 다중 데이터 신호를 중첩 부호로 보내는 방식이 제안되었다.(종래기술 2, 3, 4)

종래 기술 2에서는 기지국에서 두 단말에게 보낼 데이터를 계층별 변조로 중첩하여 보내는 방법을 제안하였다.

그러나, 종래 기술 2에서는 다중 안테나를 고려하지 않고 오직 변조 방식을 고려하였기 때문에 전송률을 높이는 데 한계가 있다. 또한, 종래 기술 3에서는 여러 기지국이 협력하여 제어 정보와 데이터 정보를 중첩하여 특정 사용자에게 전송하는 방법을 제안하였다. 그러나, 종래 기술 3에서는 기지국 빔형성을 위해 단말이 귀환해야 할 채널상태정보 양이 매우 크며 기지국 간의 정보를 교환해야 하는 단점이 있다.

이어, 종래 기술 4에서는 다중 안테나 환경에서 방송 데이터를 중요도에 따라 두 데이터 열로 한 데이터 열은 시공간 부호화 기법으로 다른 한 데이터 열은 공간 다중화 방식을 적용하여 중첩 전송하는 방법을 제안하였다. 그러나, 시공간 부호화 기법은 전송률이 줄어들고 공간 다중화 방식은 다양성 이득이 적은 문제점이 있었다.

본 발명에서는 다중 안테나 전송률과 채널 다양성 이득을 모두 제공하는 골든 부호를 이용하고, 채널품질 차이가 큰 두 단말을 선택하여 서로 다른 전력 할당을 수행하여 골든 부호를 구성함으로써 수신기 복잡도를 줄일 수 있는 다중 안테나 중첩 부호화 송수신 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일면에 따른, 다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호 송수신 방법은 적어도 하나의 단말로부터 채널품질정보를 획득하는 단계; 획득한 상기 채널품질정보를 기초로 채널품질정보 값 차이가 큰 두 단말을 같은 무선 자원에 할당하고 할당된 두 단말 중 채널품질정보가 낮은 제1단말에게 높은 전력을 할당하고 채널품질정보가 높은 제2단말에게 낮은 전력을 할당하는 단계; 상기 제1단말과 제2단말의 데이터를 상기 제1 및 제2단말의 송신 전력과 채널품질정보에 따라 선택된 부호 채널화 기법과 변조 기법으로 채널 부호화와 변조를 수행하여 변조 심볼을 생성하는 단계; 상기 생성된 출력을 두 개로 그룹화하고 상기 전력을 할당하는 단계에서 할당된 전력에 따라 다중 안테나 중첩 부호 신호를 생성하는 단계; 및 생성된 다중 안테나 중첩 부호 신호를 송신하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 동시에 같은 무선 자원을 사용하여 두 단말에게 데이터를 전송하고, 채널품질정보 차이가 큰 다른 사용자를 선택하여 서로 다른 전력 차로 다중 안테나 부호화 기법으로 중첩 전송함으로써, 데이터 전송률과 채널 다양성을 동시에 제공하며 각 단말이 낮은 복잡도의 수신 기법을 적용하면서도 최적의 수신 기법과 비슷한 성능을 낼 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 서로 다른 사용자 데이터를 서로 다른 전력으로 전송하여 검출 방식의 복잡도를 낮출 수 있다.

이어, 채널 품질이 서로 다른 사용자 데이터를 동시에 보내고, 수신 복잡도가 낮으면서 다양성과 전송률을 최대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 기지국과 다수의 단말이 있는 단일 셀 환경의 무선 통신 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 다중 안테나 송수신 방법의 순서도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국 송신 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단말 수신 장치의 구성도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 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 실시 예들을 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 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단일 기지국(110)과 다수의 단말(121, 122, 123)이 있는 단일 셀 환경의 무선 통신 시스템의 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기지국은 안테나가 2개, 단말은 안테나가 2개 이상을 가질 수 있으나, 설명의 편의를 위해 단말 안테나가 2개일 때를 가정한다. 그러면, 기지국(110)에서 한 단말(123)까지 채널 응답을 [수학식 1]과 같이 쓸 수 있다.

여기서,

는 기지국 i번째 송신 안테나에서 단말k의 j번째 수신 안테나까지의 채널 응답이다.

는 기지국 i번째 송신 안테나로부터의 채널 벡터이다.

본 발명은 단말들은 귀환하는 채널품질정보를 이용하여 무선 자원 블록마다 데이터를 전송할 단말 쌍을 선택한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 다중 안테나 송수신 방법의 순서도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 먼저 적어도 하나의 단말로부터 채널품질정보를 획득한다(S410).

구체적으로 단말이 귀환하는 채널품질정보

로 [수학식 2]와 같이 채널 행렬의 프로베니어스 놈을 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 단말이 귀환하는 채널품질정보

로 [수학식 3]을 사용할 수 있다.

다음으로, 획득한 채널품질정보를 기초로 채널품질정보 값 차이가 큰 두 단말을 같은 무선 자원에 할당하고 할당된 두 단말 중 채널품질정보가 낮은 제1단말에게 높은 전력을 할당하고 채널품질정보가 높은 제2단말에게 낮은 전력을 할당한다(S420).

구체적으로 기지국(110)은 동일한 무선 자원으로 전송할 두 단말을 선택할 때 되도록 채널품질정보

값 차이가 큰 두 단말을 선택하는 데, 채널품질이 나쁘면 높은 전력으로 채널품질이 작으면 적은 전력을 할당한다. 앞으로 두 단말 가운데 높은 전력을 할당받은 것을 제1단말, 낮은 전력을 할당받은 것을 제2단말로 표기한다.

이어, 제1단말과 제2단말의 데이터를 제1 및 제2단말의 송신 전력과 채널품질정보에 따라 선택된 부호 채널화 기법과 변조 기법으로 채널 부호화와 변조를 수행하여 변조 심볼을 생성한다(S430).

구체적으로 기지국(110)은 제1단말로 전송하려는 데이터 열을 제1단말 채널품질정보에 알맞은 채널 부호화와 변조 기법으로 변조 심볼을 생성한다. 이때 두 연속된 무선 자원으로 전송될 제1단말의 두 변조 심볼 출력을 벡터로 나타내면

이다. 여기서,

이고, Q1은 제1변조 심볼의 성좌도이다.

기지국(110)은 상기 과정과 동시에 제2단말로 전송하려는 데이터 열을 제2단말 채널품질정보에 알맞은 채널 부호화와 변조 기법으로 변조 심볼을 생성한다. 이때 제1변조 심볼 벡터와 같은 무선 자원을 이용하여 전송될 제2단말의 두 변조 심볼 출력을 벡터로 나타내면

이다. 여기서,

이고, Q2는 제2변조 심볼의 성좌도이다.

계속하여, 생성된 출력을 두 개로 그룹화하고 전력을 할당하는 단계에서 할당된 전력에 따라 다중 안테나 중첩 부호 신호를 생성한다(S440).

구체적으로 기지국(110)이 제 m(=1, 2)송신 안테나를 통해 두 인접한 무선 자원으로 전송하는 신호를 각각 Sm,1과 Sm,2라 하면, 다중 안테나 중첩 부호화 기법에 의한 안테나 송신 행렬은 다음과 같다.

여기서,

는 제i변조 심볼 벡터에 할당된 송신 전력으로

인 특성을 가진다.

또한, 생성된 다중 안테나 중첩 부호 신호를 송신한다(S450).

이어, 송신한 다중 안테나 중첩 부호 신호를 수신한다(S460).

구체적으로 기지국 송신 장치(200)가 전송한 신호가 무선 채널을 거쳐 단말에 도달할 때 제 u(=1, 2) 단말의 두 무선 자원으로 수신된 신호는 [수학식 5]와 같이 벡터꼴로 쓸 수 있다.

여기서,

,

에서

은 제u(=1, 2) 단말의 제j수신 안테나의 제m무선 자원에서의 수신 신호이고

는 기지국 제 i송신 안테나에서 제u단말 제j수신 안테나로 채널 응답이며

는 제u단말의 제j수신 안테나의 m 무선 자원에서의 가산 잡음이다.

제u(=1, 2) u 단말에서 상기 두 무선 자원에서 수신한 신호를 벡터로 함께 쓰면 다음과 같다.

여기서,

계속하여, 수신한 상기 다중 안테나 중첩 부호 신호로부터 제1단말 변조 심볼을 검출한다(S470).

이어, 수신 단말이 제1단말이 아닌 경우 수신 신호로부터 제1단말 변조 심볼을 검출하는 단계에서 검출된 변조 심볼로 간섭을 소거한 뒤 제2단말 변조 심볼을 검출한다(S480).

수신 단말은 수신 신호에서 신호 세기가 센 제1단말 변조 심볼 벡터를 먼저 [수학식 7]과 같이 제2단말 변조 심볼에 의한 간섭을 잡음으로 둔 준최적 기법으로 검출한다. 이때 제2단말 변조 심볼에 의한 간섭은 전력 할당에 비해 제1단말 변조 심볼 전력보다 훨씬 낮기 때문에 준최적 기법이 가능하게 된다.

여기서, Q1는 제1의 변조 심볼들의 성좌도이다.

끝으로, 제1단말의 경우 제1단말 변조 심볼을 검출하는 출력으로, 제2단말의 경우 제2단말 변조 심볼을 검출하는 출력으로 채널 복호를 수행하여 데이터 열을 복원한다(S490).

구체적으로 수신 단말이 제1단말일 경우 (u=1) 복조한

를 이용하여 채널 복호를 통해 제1단말 데이터 열을 복원하고 수신 처리를 완료한다.

수신 단말이 제2단말일 경우 (u=2) 수신 신호

로부터 검출된 제1변조 심볼 벡터에 의한 간섭 신호를

와 같이 소거하고, 간섭 소거된 출력으로부터 [수학식 8]로 제2단말 변조 심볼 벡터를 복조한 뒤 채널 복호를 통해 제2단말 데이터 열을 복원한다.

여기서, Q2는 제2변조 심볼들의 성좌도이다.

단말은 위치에 따라 제1단말이 될 수도 있고 제2단말이 될 수 있기 때문에 수신 장치는 두 과정을 모두 수행 가능하도록 구현되어야 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국 송신 장치의 구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 기지국 송신 장치(200)는 자원할당부(210), 제1채널 부호화 및 변조부(221), 제2채널 부호화 및 변조부(222), 다중 안테나 중첩 부호화부(230)를 포함한다.

자원할당부(210)는 각 단말이 귀환한 채널품질정보를 기반으로 같은 무선 자원으로 전송될 채널품질정보 값 차이가 큰 두 단말을 선택하고, 두 단말 중 채널품질정보가 낮은 제1단말에 높은 전력을 할당하고 채널품질정보가 좋은 제2단말에게 낮은 전력을 할당하며, 각 단말의 채널품질정보와 전력 할당에 따라 채널부호화 기법과 변조 기법을 선택한다.

제1채널 부호화 및 변조부(221)는 자원 할당부(210)에서 선택한 제1단말 채널 부호화 기법과 변조 기법으로 제1단말 데이터 열을 채널 부호화와 변조를 통해 변조 심볼로 대응 출력한다.

제2채널 부호화 및 변조부(222)는 자원 할당부(210)에서 선택한 제2단말 채널 부호화 기법과 변조 기법으로 제2단말 데이터 열을 채널 부호화와 변조를 통해 변조 심볼로 대응 출력한다.

다중 안테나 중첩 부호화부(230)는 제1채널 부호화 및 변조부(221) 출력과 제2채널 부호화 및 변조부(222) 출력을 각각 둘씩 묶고 자원 할당부(210)에서 선택된 전력으로 증폭하여 [수학식 4]와 같은 다중 안테나 중첩 부호 신호를 생성한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단말 수신 장치의 구성도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 단말 수신 장치(300)는 제1다중 안테나 복조부(310), 제1채널 복호부(320), 간섭소거부(330), 제2다중 안테나 복조부(340), 제2채널 복호부(350)를 포함한다.

제1다중 안테나 복조부(310)는 수신 신호로부터 송신 전력이 높은 제1단말 변조 심볼을 먼저 검출한다.

제1채널 복호부(320)는 제1다중 안테나 복조부(310) 출력으로 채널 복호를 수행한다.

간섭 소거부(330)는 수신 신호에서 제1다중 안테나 복조부(310) 출력에 해당하는 간섭 신호를 소거한다.

제2다중 안테나 복조부(340)는 간섭 소거부(330)출력으로부터 제2단말 변조 심볼을 검출한다.

제2채널 복호부(350)는 제2다중 안테나 복조부(340)출력으로 채널 복호를 수행한다.

구체적으로 단말 수신 장치(300)는 단말이 제1단말의 특성을 가지는 경우 제1다중 안테나 복조부(310)와 제1채널 복호부(320)만을 활성화하며, 제2단말의 특성을 가지는 경우 제1다중 안테나 복조부(310), 제1채널 복호부(320), 간섭 소거부(330), 제2다중 안테나 복조부(340), 제2채널 복호부(350)를 모두 활성화시킨다

본 발명에 따르면, 동시에 같은 무선 자원을 사용하여 두 단말에게 데이터를 전송하는 기법으로, 채널품질정보 차이가 큰 다른 사용자를 선택하여 서로 다른 전력 차로 다중 안테나 부호화 기법으로 중첩 전송함으로써, 데이터 전송률과 채널 다양성을 동시에 제공하며 각 단말이 낮은 복잡도의 수신 기법을 적용하면서도 최적의 수신 기법과 비슷한 성능을 낼 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 서로 다른 사용자 데이터를 서로 다른 전력으로 전송하여 검출 방식의 복잡도를 낮출 수 있다.

이어, 채널 품질이 서로 다른 사용자 데이터를 동시에 보내고, 수신 복잡도가 낮으면서 다양성과 전송률을 최대화할 수 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 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (2)

1. 적어도 하나의 단말로부터 채널품질정보를 획득하는 단계;
   획득한 상기 채널품질정보를 기초로 채널품질정보 값 차이가 큰 두 단말을 같은 무선 자원에 할당하고 할당된 두 단말 중 채널품질정보가 낮은 제1단말에게 높은 전력을 할당하고 채널품질정보가 높은 제2단말에게 낮은 전력을 할당하는 단계;
   상기 제1단말과 상기 제2단말의 데이터를 상기 제1 및 제2단말의 송신 전력과 채널품질정보에 따라 선택된 부호 채널화 기법과 변조 기법으로 채널 부호화와 변조를 수행하여 변조 심볼을 생성하는 단계;
   상기 생성된 변조 심볼을 각각 두 개로 그룹화하고 상기 전력을 할당하는 단계에서 할당된 전력에 따라, 단말에 따른 전력할당비율이 상이한 골든 부호화 기법을 통하여 다중 안테나 중첩 부호 신호를 생성하는 단계; 및
   생성된 상기 다중 안테나 중첩 부호 신호를 제1단말 및 제2단말로 송신하는 단계
   상기 제1단말 및 상기 제2단말 중 어느 하나인 단말이 기지국으로부터 전송된 상기 다중 안테나 중첩 부호 신호를 수신하는 단계;
   상기 단말이, 수신한 상기 다중 안테나 중첩 부호 신호 중에서 검출하려는 신호만 채널 응답을 수행하고 나머지 신호는 노이즈로 판단하여, 단말 변조 심볼을 선택적으로 검출하는 단계; 및
   검출한 상기 단말 변조 심볼에 해당하는 출력으로 채널 복호를 수행하여 데이터 열을 복원하는 단계
   를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 중첩 부호 송수신 방법.
   
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