KR101546202B1 - 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
송신기에서 채널 정보를 추정할 수 있는 통신 환경에서, 수신기가 별도의 채널 추정없이 높은 파워 이득을 획득할 수 있는 신호 전송 방법 및 장치에 관한 기술이 개시된다. 개시된 신호 전송 방법은 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬을 생성하는 단계; 상기 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬(permutation matrix)을 생성하는 단계; 상기 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 이용하여, 심볼을 프리코딩하는 단계; 및 상기 프리코딩된 신호를 수신기로 전송하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알라무티(alamouti) 코드를 이용하는 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.
데이터 통신 확대 등으로 인해 한계 상황에 다다른 이동통신의 전송량 한계를 극복할 수 있는 차세대 기술로 다중 안테나 시스템 즉, MIMO(Multi-Input Multi-Output) 기술이 관심을 모으고 있다. MIMO 기술은 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 채택해 송수신 데이터 효율을 향상시킬 수 있는 기술로서, 무선 통신 시스템의 송신단 혹은 수신단에서 다중 안테나를 사용하여 용량 증대 및 성능 개선을 꾀하는 기술이다.
90년대 중반 MIMO 시스템의 이론적 용량 증가가 증명된 이후, 이를 실질적인 데이터 전송률 향상으로 이끌어 내기 위한 다양한 기술들이 현재까지 활발히 연구되고 있으며, 이들 중 몇 개의 기술들은 이미 3세대 이동 통신과 차세대 무선랜 등의 다양한 무선 통신의 표준에 반영되었다.
MIMO 기술은 다양한 채널 경로를 통과한 심볼 들을 이용하여 전송 신뢰도를 높이는 공간 다이버시티(spatial diversity) 방식과, 다수의 송신 안테나를 이용하여 다수의 데이터 심볼을 동시에 송신하여 전송률을 향상시키는 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing) 방식이 있다. 또한 이러한 두 가지 방식을 적절히 결합하여 각각의 장점을 적절히 얻고자 하는 방식에 대한 연구도 최근 많이 연구되고 있는 분야이다.
각각의 방식에 대해 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첫째로, 공간 다이버시티 방식의 경우에는 시공간 블록 부호 계열과, 다이버시티 이득과 부호화 이득을 동시에 이용하는 시공간 트렐리스 부호 계열 방식이 있다. 일반적으로 비트 오류율 개선 성능과, 부호 생성 자유도는 트렐리스 부호 방식이 우수하지만, 연산 복잡도는 시공간 블록 부호가 간단하다. 공간 다이버서티 이득은 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 곱에 해당되는 양을 얻을 수 있다. 한편 "시공간 부호화 방식"은 위에서 시간 대신 주파수 영역에서 고려하면 "주파수 공간 부호화 방식"으로 볼 수 있으며, 적용하는 부호화 방식은 같은 방식을 그대로 사용하면 된다.
둘째로, 공간 멀티플렉싱 기법은 각 송신 안테나에서 서로 다른 데이터 열을 송신하는 방법인데, 이때 수신기에서는 송신기로부터 동시에 전송된 데이터 사이에 상호 간섭이 발생하게 된다. 수신기에서는 이 간섭을 적절한 신호처리 기법을 이용하여 제거한 후 수신한다. 여기에 사용되는 잡음 제거 방식은 최대 우도(maximum likelihood) 수신기, ZF 수신기, MMSE 수신기, D-BLAST, V-BLAST 등이 있다.
셋째로, 상술한 바와 같은 공간 다이버시티와 공간 멀티플렉싱의 결합된 기법을 들 수 있다. 공간 다이버시티 이득만을 얻을 경우 다이버시티 차수의 증가에 따른 성능개선 이득이 점차 포화되며, 공간 멀티플렉싱 이득만을 취하면 무선 채널에서 전송 신뢰도가 떨어진다. 이를 해결하면서 두 가지 이득을 모두 얻는 방식들이 연구되어 왔으며, 이 중 시공간 블록 부호(Double-STTD), 시공간 BICM(STBICM) 등의 방식이 있다.
도 1은 일반적인 다중 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면으로서, M×2(M은 자연수) 다중 안테나 시스템이 도시되어 있다.
송신기(transmitter)는 전송 다이버시티를 위해, 알라무티 코드를 이용하여 프리코딩하고, M개의 안테나를 통해 전송한다. 수신기(receiver)는 채널 정보(H)를 이용하여 송신기로부터 전송된 신호를 디코딩한다.
일반적으로, 수신기는 채널 추정을 통해 채널 정보(H)를 생성할 수 있으며, 생성된 채널 정보(H)를 이용하여 송신 신호를 디코딩한다.
본 발명은 송신기에서 채널 정보를 추정할 수 있는 통신 환경에서, 수신기의 채널 추정없이 송신 신호를 디코딩할 수 있는 송신 신호 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬을 생성하는 단계; 상기 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬(permutation matrix)을 생성하는 단계; 상기 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 이용하여, 심볼을 프리코딩하는 단계; 및 상기 프리코딩된 신호를 수신기로 전송하는 단계를 포함하는 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법 제공한다.
또한 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬 및 상기 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬을 생성하는 정보 생성부; 상기 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 이용하여, 심볼을 프리코딩하는 프리코딩부; 및 상기 프리코딩된 신호를 수신기로 전송하는 전송부를 포함하는 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 송신기에서 채널 정보를 추정할 수 있는 통신 환경에서, 수신기는 채널 추정을 수행하지 않고, 각각의 채널에 대해 최대 파워 이득을 획득하여 송신 신호를 디코딩할 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 안테나 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 채널 정보 행렬과 치환 행렬의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 채널 정보 행렬과 치환 행렬의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
데이터를 송수신할 때 동일한 주파수 영역이 사용되는 TDD(Time-division Duplex) 시스템에서는, 송신기도 용이하게 채널 정보를 추정할 수 있기 때문에, 수신기에서 별도로 채널 추정을 수행하는 것이 불필요하다.
이러한 통신 환경에서, 수신기에 채널 추정을 위한 스킴(scheme)이 채용될 경우, 수신기의 복잡도 및 비용이 증가하는 문제가 있으며, 따라서, 본 발명은 송신기에서 생성된 채널 정보를 이용하여 데이터를 송신하는 방법을 제안한다.
본 발명에 따르면, 실제 통신 환경과 유사한 주파수 선택적 채널 환경에서, 수신기는 별도의 채널 추정없이 최대 파워 이득을 획득할 수 있다. 즉, 송신기만 채널 정보를 알고 있으며, 수신기는 채널 정보를 모르는 상태에서 최대 파워 이득을 획득할 수 있다. 이하에서는 다중 안테나를 이용하는 TDD 통신 환경에서 수신기가 채널 정보를 생성하지 않는 경우가 일실시예로서 설명된다.
한편, 본 명세서에서 송신기는 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템의 기지국으로서, 일반적으로 단말과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
또한 수신기는 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, 무선 단말(mobile station, MS), UE(user equipment), MT(mobile terminal), UT(user terminal), SS(subscriber station), 무선기기(wireless device), PDA(personal digital assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치, 즉 송신기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신호 전송 장치(200)는 채널 추정(channel estimation)을 통해 채널 정보를 생성하며, 정보 생성부(210), 프리코딩부(220) 및 전송부(230)를 포함한다.
정보 생성부(210)는 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬 및 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬(permutation matrix)을 생성한다. 프리코딩부(220)는 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 이용하여, 심볼을 프리코딩하며, 전송부(230)는 프리코딩된 신호를 수신기로 전송한다.
전술된 바와 같이, 주파수 선택적 채널 환경에서는 다중 경로(multi-path)를 통해 신호가 전송되며, 채널 정보 행렬은 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함한다. 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬은 채널 정보 행렬가 시간 영역에서 시간적으로 역전된 것을 나타낸다. 시간적으로 역전된다는 것은, 도 4에 도시된 바와 같이, 시간 영역에서의 그래프(a)가 그래프 (b)와 같이, 변경되는 것에 대응될 수 있다.
프리코딩부(220)는 주파수 영역에서, 전송하고자 하는 심볼에 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 곱함으로써 프리코딩을 수행하는데, 이는 시간 영역에서의 컨벌루션과 대응된다. 결국, 채널 정보 행렬과 채널 정보 행렬의 시간적 역전 형태인 치환 행렬의 컨벌루션을 통해, 수신기에서는 별도의 채널 추정없이 각각의 전송 경로에 대해 최대 파워 이득을 획득할 수 있다.
보다 구체적으로, 정보 생성부(210)는 채널 추정을 통한 다중 경로에 대한 채널 정보를 이용하여 순환 행렬(circulant matrix)을 생성하는 순환 행렬 생성부 및 순환 행렬에 대한 허미션 연산(Hermitian Operation)을 통해 채널 정보 행렬을 생성하는 채널 정보 행렬 생성부를 포함할 수 있다. 그리고 프리코딩부(220)는 일실시예로서, 알라무티 코드를 이용하여 생성된 심볼을 프리코딩할 수 있다.
즉, 정보 생성부(210)는 채널 추정 결과를 이용하여, 채널 정보를 생성하고, 프리코딩부(220)는 채널 정보와 알라무티 코드를 이용하여 프리코딩을 수행한다.
예를 들어, 2개의 안테나를 이용하여 신호를 전송하는 경우, [수학식 1]은 알라무티 코드를 이용하여 생성된 심볼을 나타내며, 프리코딩부(220)는 심볼에 대하여 [수학식 2]를 이용하여 프리코딩을 수행할 수 있다. 그리고 전송부(230)에 의해 전송되는 프리코딩된 신호는 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]에서, S1, S2는 전송하고자하는 M×1 데이터로부터 절반씩 분할된 심볼을 나타낸다. [수학식 2]에서 및 는 다중 안테나 각각에 대한 채널 정보 행렬(M×M)을 나타내며, J는 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬을 나타낸다. 그리고 및 의 위첨자(H)는 허미션 연산을 나타내고, 는 벡터 x에 대한 norm 연산자를 나타낸다.
예를 들어, 다중 경로의 개수가 2개일 경우, 다중 경로에 대한 채널 정보(h0, h1)를 포함하는 순환 행렬 는 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있으며, 허미션 연산 결과인 는 [수학식 5]와 같다. 그리고 에 대한 치환 행렬은 [수학식 6]과 같다.
결국 본 발명에 따르면, 송신기에서 채널 정보를 추정할 수 있는 통신 환경에서, 수신기는 채널 추정을 수행하지 않고, 각각의 채널에 대해 최대 파워 이득을 획득하여 송신 신호를 디코딩할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 설명된 송신기는 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬을 생성(S301)하고, 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬을 생성(S303)한다. 그리고 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 이용하여, 심볼을 프리코딩(S305)하며, 프리코딩된 신호를 수신기로 전송(S307)한다.
이 때, 채널 정보 행렬을 생성하는 단계(S301)는 다중 경로 채널에 대한 정보를 이용하여 순환 행렬을 생성하는 단계 및 순환 행렬에 대한 허미션 연산을 통해 채널 정보 행렬을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 심볼을 프리코딩하는 단계(S305)는 알라무티 코드를 이용하여 생성된 심볼을 프리코딩할 수 있다. 프리코딩은 전술된 바와 같이, 도 2에서 설명된 수학식을 이용하여 수행될 수 있다.
앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (10)
- 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치의 신호 전송 방법에 있어서,
다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬을 생성하는 단계;
상기 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬(permutation matrix)을 생성하는 단계;
알라무티(alamouti) 코드를 이용하여 생성된 심볼에, 상기 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 곱하여, 상기 심볼을 프리코딩하는 단계; 및
상기 프리코딩된 신호를 수신기로 전송하는 단계
를 포함하는 신호 전송 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 채널 정보 행렬을 생성하는 단계는
다중 경로 채널에 대한 정보를 이용하여 순환 행렬(circulant matrix)을 생성하는 단계; 및
상기 순환 행렬에 대한 허미션 연산(Hermitian Operation)을 통해 상기 채널 정보 행렬을 생성하는 단계
를 포함하는 신호 전송 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 수신기는 상기 채널 정보를 생성하지 않는
신호 전송 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 다중 안테나 시스템은
TDD 통신 환경에서의 다중 안테나 시스템인
신호 전송 방법.
- 다중 경로에 대한 채널 정보를 포함하는 채널 정보 행렬 및 상기 채널 정보 행렬의 행이 역순으로 배치된 치환 행렬을 생성하는 정보 생성부;
알라무티(alamouti) 코드를 이용하여 생성된 심볼에, 상기 채널 정보 행렬 및 치환 행렬을 곱하여, 상기 심볼을 프리코딩하는 프리코딩부; 및
상기 프리코딩된 신호를 수신기로 전송하는 전송부
를 포함하는 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 정보 생성부는
다중 경로 채널에 대한 정보를 이용하여 순환 행렬을 생성하는 순환 행렬 생성부; 및
상기 순환 행렬에 대한 허미션 연산을 통해 상기 채널 정보 행렬을 생성하는 채널 정보 행렬 생성부
를 포함하는 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치.
- 삭제
- 제 6항에 있어서,
상기 수신기는 상기 채널 정보를 생성하지 않는
다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 다중 안테나 시스템은
TDD 통신 환경에서의 다중 안테나 시스템인
다중 안테나 시스템에서 신호 전송 장치.
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- 2014-12-30 KR KR1020140193541A patent/KR101546202B1/ko not_active IP Right Cessation
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US20140177751A1 (en) * | 2011-08-05 | 2014-06-26 | Sharp Kabushiki Kaisha | Precoding apparatus, program for precoding, and integrated circuit |
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