KR101565558B1 - 코드북 생성 장치, 생성 방법 및 데이터 송신 방법 - Google Patents

코드북 생성 장치, 생성 방법 및 데이터 송신 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 코드북 생성 장치는 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템에서 전송 코드북을 생성하는 장치로서, 상기 전송 코드북이 최적의 특성을 갖도록 하는 주파수를 결정하는 주파수 결정부, 상기 주파수를 기초로 전처리 행렬을 생성하는 전처리 행렬 생성부, 그리고 상기 전처리 행렬을 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북을 생성하고, 상기 재전송 코드북을 기초로 상기 전송 코드북을 생성하는 코드북 생성부를 포함한다.
코드북, 전처리행렬, precoding, MIMO

Description

코드북 생성 장치, 생성 방법 및 데이터 송신 방법{DEVICE FOR GENERATING CODEBOOK, METHOD FOR GENERATING CODEBOOK AND METHOD FOR TRANSMITTING DATA}
본 발명은 코드북 생성 장치, 생성 방법 및 데이터 송신 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-002-01, 과제명: 전처리 행렬 설계 및 생성에 관한 방법].
무선 통신 시스템이 발전할수록 속도에 대한 요구가 커지고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 넓은 주파수 대역을 사용할 필요가 있는데, 주파수 자원은 한정되어 있다. 이에 따라 한정된 주파수 대역을 사용하면서 더 많은 데이터를 전송하는 방법으로 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나 기술이 이용되고 있다.
다중 입출력 안테나 기술에서는 사전에 미리 정의 된 다수의 전처리(precoding) 행렬의 집합인 코드북(codebook)에서 선택된 전처리 행렬과 전송 신호 벡터를 곱하여 다수의 안테나로 전송할 수 있다. 이때 수신 장치는 채널 상태 정보를 기초로 코드북에서 전처리 행렬을 선택하고 이를 송신 장치에게 피드백(feedback)한다.
한편, 무선 통신 시스템의 재전송 방식으로 예를 들면 매체 접근 제어(medium access control, MAC) 계층에서의 재전송 방식과 물리 계층의 링크 성능을 통합하여 이용하는 복합 자동 재전송 요구(hybrid automatic retransmit request, HARQ) 방식이 있다. HARQ 방식은 이전에 전송된 데이터의 수신 정보와 재전송된 데이터를 결합(combining)하여 수신 데이터를 복구하는 기술이다. HARQ 방식에서는 수신 장치는 예를 들어 순환 잉여 검사(cyclic redundancy check, CRC) 부호를 이용하여 수신된 신호에 오류가 없는지 판단한다. 수신 장치는 판단 결과, 오류가 없는 경우에는 긍정 응답(acknowledge, ACK) 메시지를 전송하며 오류가 있는 경우에는 부정 응답(negative acknowledge, NACK) 메시지를 전송한다.
다중 입출력 안테나 기술에서 코드북을 활용하며 HARQ를 적용하는 경우, 초기 전송의 오류로 인한 재전송시 전처리 행렬을 선택할 때 초기 전송과 동일하게 하면, 재전송으로 인한 다이버시티 이득(diversity gain)을 충분히 얻지 못한다. 재전송시 전처리 행렬을 선택할 때 초기 전송의 수신정보를 활용하면 최적의 전처리 행렬을 선택할 수 있지만 이를 위해서는 수신 장치로부터 전처리 행렬에 대한 정보를 전송받아야 한다.
수신 장치로부터 별도의 전처리 행렬 정보를 전송받지 않고 재전송 다이버시티 이득을 최대화하기 위하여 최적의 전처리 행렬을 집합을 생성할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중 입출력 안테나 기술에서 초기 전송에 실패하여 신호 벡터를 재전송할 때 최적의 전송 효율을 확보하는 코드북을 생성하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 코드북 생성 장치는 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템에서 전송 코드북을 생성하는 장치로서, 상기 전송 코드북이 최적의 특성을 갖도록 하는 주파수를 결정하는 주파수 결정부, 상기 주파수를 기초로 전처리 행렬을 생성하는 전처리 행렬 생성부, 그리고 상기 전처리 행렬을 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북을 생성하고, 상기 재전송 코드북을 기초로 상기 전송 코드북을 생성하는 코드북 생성부를 포함한다.
초기 전송에 사용된 초기 코드북을 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 전송 코드북은 상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북을 연접하여 생성될 수 있다.
상기 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬일 수 있다.
상기 재전송 코드북은 단위 행렬과 상기 전처리 행렬을 곱하여 생성될 수 있다.
상기 주파수는 상기 통신 시스템의 수신 장치가 수신한 신호의 오류를 최소로 하는 주파수일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 코드북 생성 방법은 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템에서 코드북 생성 장치가 전송 코드북을 생성하는 방법으로서, 상기 전송 코드북이 최적의 특성을 갖도록 하는 주파수를 결정하는 단계, 상기 최적 주파수를 기초로 전처리 행렬을 생성하는 단계, 상기 전처리 행렬을 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북을 생성하는 단계, 그리고 상기 재전송 코드북을 기초로 상기 전송 코드북을 생성하는 단계를 포함한다.
초기 전송에 사용된 초기 코드북을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전송 코드북을 생성하는 단계는 상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북을 연접하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬일 수 있다.
상기 재전송 코드북을 생성하는 단계는 단위 행렬과 상기 전처리 행렬을 곱하여 상기 재전송 코드북을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템의 송신 장치가 데이터를 송신하는 방법으로서, 상기 데이터에 대응되는 전송 신호 벡터와 제1 전처리 행렬을 곱하여 전송하는 단계, 수신 장치로부터 재전송 요청을 수신하는 단계, 그리고 상기 전송 신호 벡터와 제2 전처리 행렬을 곱하여 전송하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전처리 행렬은 상기 제1 전처리 행렬이 선택된 초기 코드북 및 상기 초기 코드북을 고려하여 결정된 재전송 코드북으로 이루어진 전송 코드북에서 선택된다.
상기 제2 전처리 행렬은 상기 전송 코드북이 최적의 특성을 갖도록 하는 주파수 값을 기초로 생성될 수 있다.
상기 제2 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬일 수 있다.
상기 주파수는 상기 통신 시스템의 수신 장치가 수신한 신호의 오류를 최소로 하는 주파수일 수 있다.
상기 전송 코드북은 상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북이 연접되어 있을 수 있다.
상기 재전송 코드북은 단위 행렬과 상기 제2 전처리 행렬을 곱하여 생성될 수 있다.
상기 제2 전처리 행렬은 상기 수신 장치로부터 수신할 수 있다.
본 발명에 따르면 다중 입출력 안테나 기술에서 초기 전송에 실패하여 신호 벡터를 재전송할 때 최적의 전처리 행렬을 선택하여 전송 효율을 확보할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사 한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단말(terminal)은 이동국(Mobile Station, MS), 이동 단말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE) 및 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 단말, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치 및 접근 단말 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 기지국(base station, BS)은, 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node B), 고도화 노드B(evolved NodeB, eNodeB), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS) 및 MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, eNodeB, 송수신 기지국 및 MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이제 도면을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북 생성 장치 및 생성 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 송수신 신호 벡터 관계는 다음 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009047771649-pat00001
여기서, H1, H2,,,HL은 첫 번째, 두 번째…L 번째 전송 시의 채널 행렬을 나타내며, F1, F2,,, FL은 첫 번째, 두 번째…L 번째 전송 시의 전처리 행렬을 나타내며, w1, w2,…wL은 첫 번째, 두 번째…L 번째 전송 시의 열잡음 벡터를 나타내며, s는 송신 신호 벡터이고, y는 첫 번째, 두 번째…L 번째 전송된 수신 신호 벡터를 나타내며, Hconc는 유효 채널 행렬을 나타낸다.
[수학식 1]은 다음 [수학식 2]와 같이 채널 행렬을 블록 대각화 된 형태로 나타낼 수 있다.
Figure 112009047771649-pat00002
이와 같이 표현되는 전처리 행렬 F1, F2,,, FL은 미리 약속되어 있는 코드 북(codebook)에서 선택되는 바 이하 본 발명에 따른 코드북 생성 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북 생성 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 1을 참고하면, 코드북 생성 장치(100)는 주파수 결정부(110), 전처리 행렬 생성부(120), 저장부(130) 및 코드북 생성부(140)를 포함한다.
주파수 결정부(110)는 코드북 생성 장치(100)에서 생성되는 코드북이 최적의 특성을 갖도록 하는 주파수 (
Figure 112009047771649-pat00003
)를 결정한다.
전처리 행렬 생성부(120)는 주파수 결정부(110)로부터 결정된 주파수 (
Figure 112009047771649-pat00004
)와 코드북의 크기(C)를 이용하여 전처리 행렬(
Figure 112009047771649-pat00005
)을 생성한다. 전처리 행렬(
Figure 112009047771649-pat00006
)은 다음 [수학식 3]과 같이 표현된다.
Figure 112009047771649-pat00007
여기서 diag는 대각 행렬(diagonal matrix)을 나타내며, exp는 지수 함수(exponential function)을 의미한다. 즉 전처리 행렬(
Figure 112009047771649-pat00008
)은 코드북의 크기(C)를 최적의 주파수(
Figure 112009047771649-pat00009
)로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬이다.
저장부(130)는 초기 전송에 사용된 코드북(이하 '초기 코드북'이라 한다.)(Mi, i=1,2,…,c)을 저장하고 있다.
코드북 생성부(140)는 전처리 행렬 생성부(120)로부터 전처리 행렬(
Figure 112009047771649-pat00010
)을 수신하여 이를 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북(Mi,2, i=1,2,…,c)을 생성한다. 재전송 코드북(Mi,2)은 다음 [수학식 4]와 같이 표현된다.
Figure 112009047771649-pat00011
[수학식 4]에서 D는 임의의 단위 행렬(unitary matrix)이다. 즉 재전송 코드북(Mi,2)은 임의의 단위 행렬에 생성된 전처리 행렬(
Figure 112009047771649-pat00012
)을 곱하여 생성된다.
코드북 생성부(140)는 저장부(130)로부터 초기 코드북(Mi)과 재전송 코드북(Mi,2)을 이용하여 전송 코드북(Ui, i=1,2,…,c)를 생성한다. 전송 코드북(Ui)은 다음 [수학식 5]와 같이 표현된다.
Figure 112009047771649-pat00013
[수학식 5]를 참고하면 전송 코드북(Ui)은 초기 코드북(Mi) 및 재전송 코드북(Mi,2)이 연접된 형태로 생성된다. 수신 장치(도시하지 않음)는 전송 코드북(Ui)에 따라 초기 전송에 사용된 초기 코드북(Mi)에 따라 재전송 시 사용될 재전송 코드북(Mi,2)을 선택하고 재전송 코드북(Mi,2)에 따라 전처리 행렬을 선택한다.
한편, 주파수 결정부(110)는 주파수 (
Figure 112009047771649-pat00014
) 결정 시 코드북 생성부(140)에서 생성되는 전송 코드북(Ui)이 최적의 특성을 갖도록 주파수 (
Figure 112009047771649-pat00015
)를 결정한다. 즉, 최적의 주파수(
Figure 112009047771649-pat00016
)는 수신 장치의 수신 신호의 오류가 가장 적게 나도록 하는 주파수(
Figure 112009047771649-pat00017
)이다.
여기서 최적의 주파수 (
Figure 112009047771649-pat00018
)는 코드북 생성부(140)에서 생성되는 전송 코드북(Ui)의 최소 거리
Figure 112009047771649-pat00019
가 최대화되도록 정해진다. 최소 거리는 다음 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure 112009047771649-pat00020
이제 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북 생성 장치에서 생성된 전처리 행렬을 적용하였을 때의 성능 개선에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2은 공간적인 채널 상관도가 없는 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때와 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때 각각 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 따른 오류율을 도시하는 그래프이다.
도 2를 참고하면, 채널이 변하지 않는 상황에서 종래 기술에 따른 코드북에 서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(a), 채널이 변하지 않는 상황에서 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(b), 단말이 3km/h의 속도로 변하는 채널 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(c) 및 단말이 3km/h의 속도로 변하는 채널 환경에서 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(d) 각각에서 신호대 잡음비에 따른 오류율이 도시되어 있다.
채널이 변하는 상황 및 채널이 변화는 상황 모두에서 본 발명의 한 실시에에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하는 경우, 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하는 경우보다 동일한 신호대 잡음비에서 낮은 오류율을 보인다.
도 3은 공간적인 채널 상관도가 있는 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때와 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때 각각 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 따른 오류율을 도시하는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 채널이 변하지 않는 상황에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(e), 채널이 변하지 않는 상황에서 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(f), 단말이 3km/h의 속도로 변하는 채널 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(g) 및 단말이 3km/h의 속도로 변하는 채널 환경에서 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용했을 경우(h) 각각에서 신호대 잡음비에 따른 오류율이 도시되어 있다.
채널이 변하는 상황 및 채널이 변화는 상황 모두에서 본 발명의 한 실시에에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하는 경우, 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하는 경우보다 동일한 신호대 잡음비에서 낮은 오류율을 보인다.`
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북 생성 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2은 공간적인 채널 상관도가 없는 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때와 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때 각각 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 따른 오류율을 도시하는 그래프이다.
도 3은 공간적인 채널 상관도가 있는 환경에서 종래 기술에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때와 본 발명의 한 실시예에 따른 코드북에서 선택된 전처리 행렬을 적용하였을 때 각각 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 따른 오류율을 도시하는 그래프이다.

Claims (20)

  1. 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템에서 전송 코드북을 생성하는 장치로서,
    상기 전송 코드북의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 주파수를 결정하는 주파수 결정부,
    상기 주파수를 기초로 전처리 행렬을 생성하는 전처리 행렬 생성부, 그리고
    상기 전처리 행렬을 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북을 생성하고, 상기 재전송 코드북을 기초로 상기 전송 코드북을 생성하는 코드북 생성부
    를 포함하는 코드북 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    초기 전송에 사용된 초기 코드북을 저장하는 저장부를 더 포함하는 코드북 생성 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 전송 코드북은 상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북을 연접하여 생성되는 코드북 생성 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬인 전처리 행렬 생성 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 재전송 코드북은 단위 행렬과 상기 전처리 행렬을 곱하여 생성되는 코드북 생성 장치.
  7. 제1항에서,
    상기 주파수는 상기 통신 시스템의 수신 장치가 수신한 신호의 오류를 최소로 하는 주파수인 코드북 생성 장치.
  8. 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템에서 코드북 생성 장치가 전송 코드북을 생성하는 방법으로서,
    상기 전송 코드북의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 주파수를 결정하는 단계,
    상기 주파수를 기초로 전처리 행렬을 생성하는 단계,
    상기 전처리 행렬을 기초로 재전송에 사용될 재전송 코드북을 생성하는 단계, 그리고
    상기 재전송 코드북을 기초로 상기 전송 코드북을 생성하는 단계
    를 포함하는 코드북 생성 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에서,
    초기 전송에 사용된 초기 코드북을 저장하는 단계를 더 포함하는 코드북 생성 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 전송 코드북을 생성하는 단계는
    상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북을 연접하는 단계를 포함하는 코드북 생성 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬인 코드북 생성 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 재전송 코드북을 생성하는 단계는
    단위 행렬과 상기 전처리 행렬을 곱하여 상기 재전송 코드북을 생성하는 단계를 포함하는 코드북 생성 방법.
  14. 다중 입출력(multi input multi output, MIMO) 안테나를 포함하는 통신 시스템의 송신 장치가 데이터를 송신하는 방법으로서,
    상기 데이터에 대응되는 전송 신호 벡터와 제1 전처리 행렬을 곱하여 전송하는 단계,
    수신 장치로부터 재전송 요청을 수신하는 단계, 그리고
    상기 전송 신호 벡터와 제2 전처리 행렬을 곱하여 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 전처리 행렬은 상기 제1 전처리 행렬이 선택된 초기 코드북 및 상기 초기 코드북을 고려하여 결정된 재전송 코드북으로 이루어진 전송 코드북에서 선택되고,
    상기 제2 전처리 행렬은 상기 전송 코드북의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 주파수 값을 기초로 생성되는
    송신 방법.
  15. 삭제
  16. 제14항에서,
    상기 제2 전처리 행렬은 상기 주파수를 상기 전송 코드북의 크기로 나눈 값의 지수 함수를 원소로 갖는 대각 행렬인
    송신 방법.
  17. 제14항에서,
    상기 주파수는 상기 통신 시스템의 수신 장치가 수신한 신호의 오류를 최소로 하는 주파수인
    송신 방법.
  18. 제14항에서,
    상기 전송 코드북은 상기 초기 코드북 및 상기 재전송 코드북이 연접되어 있는 송신 방법.
  19. 제14항에서,
    상기 재전송 코드북은 단위 행렬과 상기 제2 전처리 행렬을 곱하여 생성되는 송신 방법.
  20. 제14항에서,
    상기 제2 전처리 행렬은 상기 수신 장치로부터 수신하는 송신 방법.
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