KR101787946B1 - Cooperative communication system based on wireless mobile communication using multiple antennas and method thereof - Google Patents

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송형규
강창희
백정인
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세종대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템을 이용한 협력 통신 방법에 있어서, 제1 셀 내의 제1 기지국 및 제2 셀 내의 제2 기지국은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정하는 단계, 상기 사용자 단말이 상기 제1 셀의 내부 영역에 위치하면서, 상기 제2 셀의 가장자리 영역에 위치하는 경우, 상기 제2 기지국은 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 상기 사용자 단말 주변에 위치하는 중계 단말을 선택하는 단계, 그리고 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 제1 기지국은 두 개의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하고, 제2 기지국과 중계 단말은 각각 하나의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, STBC 기술과 협력 통신 시스템을 함께 사용함으로써, 변형된 STBC 심볼 구조를 이용하여 통신의 신뢰성을 향상시키며, 협력 통신을 통해 다이버시티 이득을 획득하여 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 협력 통신 시스템은 중계 단말을 이용하여 통신을 하기 때문에 중계 단말의 안테나 자원을 공유하여 스펙트럼 효율을 증가시킬 수 있다.The present invention relates to a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas and a method thereof, the cooperative communication method using a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas, Wherein the base station and the second base station in the second cell each estimate a location based on a channel state with a user terminal using a plurality of antennas, the user terminal is located in an inner region of the first cell, Selecting a relay terminal located in the inner region of the second cell and located around the user terminal when the second base station is located in an edge region of the cell, One base station transmits a transmission symbol to the user terminal using two transmission antennas, and the second base station and the relay terminal transmit one And transmitting a transmission symbol to the user terminal using the transmission antenna.
According to the present invention, by using the STBC technique and the cooperative communication system together, it is possible to improve the reliability of the communication using the modified STBC symbol structure and to obtain the diversity gain through the cooperative communication, thereby improving the reliability of the system.
The cooperative communication system according to the present invention can increase the spectrum efficiency by sharing the antenna resources of the relay terminal because communication is performed using the relay terminal.

Description

다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템 및 그 방법{COOPERATIVE COMMUNICATION SYSTEM BASED ON WIRELESS MOBILE COMMUNICATION USING MULTIPLE ANTENNAS AND METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cooperative communication system based on wireless mobile communication using multiple antennas and a cooperative communication system using the same,

본 발명은 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀 커버리지 외각에 위치하는 단말의 통신 성능 향상을 제공하여 시스템의 신뢰성을 향상시키는 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas and a method thereof, and more particularly to a cooperative communication system using multiple antennas for improving reliability of a system, To a cooperative communication system based on wireless mobile communication and a method thereof.

무선 통신 시스템에서 셀 커버리지 외각에 있는 수신 단말은 인접한 다른 셀의 간섭과 기지국과 수신 단말의 거리에 따른 신호의 감쇄로 인해 통신의 신뢰성과 전송률을 증가시키는 것은 힘들다. 이를 보완하기 위해 중계 단말을 통하여 가상의 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output: MIMO) 시스템을 구축하여 셀 커버리지 외각에 있는 수신기의 통신 성능을 향상 시키는 협력 통신이 제안된다. In a wireless communication system, it is difficult to increase reliability and transmission rate of communication due to interference of adjacent cells and attenuation of signals depending on the distance between the base station and the receiving terminal. In order to compensate for this, a cooperative communication is proposed which improves the communication performance of the receiver in the cell coverage area by constructing a virtual multiple input / multiple output (MIMO) system through the relay terminal.

무선 통신에서 다중 안테나를 사용하는 다중 입출력 시스템은 송신기와 수신기에서 다수의 안테나를 사용하여 전송률 혹은, 높은 신뢰성을 얻을 수 있는 방법 중 하나이다. 또한, 직교 주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM)시스템도 높은 전송률을 얻을 수 있는 방법이다. MIMO-OFDM 시스템은 MIMO와 OFDM을 합친 것으로, 안테나 다이버시티 이득과 스펙트럼 효율을 얻을 수 있다. A multi-input / output system using multiple antennas in wireless communication is one of methods for obtaining a high transmission rate or high reliability using a plurality of antennas at a transmitter and a receiver. Also, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system is a method for obtaining high data rate. The MIMO-OFDM system combines MIMO and OFDM to obtain antenna diversity gain and spectral efficiency.

이와 같은 협력 통신 시스템에서, 다른 중계 단말 혹은 다른 사용자 단말기들을 릴레이로써 이용하여 목적 사용자 단말과 통신을 하게 된다. 기지국과 릴레이를 통하여 서로 다른 채널을 통해 목적 사용자 단말에 신호를 전송하기 때문에 협력 통신 시스템은 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 또한, STBC 기술도 시간과 공간을 나누어 신호를 전송을 하기 때문에 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. In such a collaborative communication system, another relay terminal or another user terminal is used as a relay to communicate with the destination user terminal. The cooperative communication system can obtain the diversity gain because the signal is transmitted to the target user terminal through the different channel through the base station and the relay. In addition, since the STBC technique also divides time and space to transmit signals, a diversity gain can be obtained.

하지만 STBC 기술은 전송되는 데이터가 시간적으로 나누어져 전송되기 때문에 낮은 전송률을 가진다는 단점이 있다. However, STBC technology has a drawback in that it has a low data rate because the transmitted data is transmitted in time division.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 국내등록특허 제10-1054077호(2011.08.03 공고)에 개시되어 있다.The technique which is the background of the present invention is disclosed in Korean Patent No. 10-1054077 (published on Aug. 3, 2011).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상세하게는 셀 커버리지 외각에 위치하는 단말의 통신 성능 향상을 제공하여 시스템의 신뢰성을 향상시키는 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas and a method thereof, which improves the reliability of a system by improving the communication performance of a terminal located at an outer edge of cell coverage will be.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템을 이용한 협력 통신 방법에 있어서, 제1 셀 내의 제1 기지국 및 제2 셀 내의 제2 기지국은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정하는 단계, 상기 사용자 단말이 상기 제1 셀의 내부 영역에 위치하면서, 상기 제2 셀의 가장자리 영역에 위치하는 경우, 상기 제2 기지국은 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 상기 사용자 단말 주변에 위치하는 중계 단말을 선택하는 단계, 그리고 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 제1 기지국은 두 개의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하고, 제2 기지국과 중계 단말은 각각 하나의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a cooperative communication method using a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas, the cooperative communication method including a first base station in a first cell and a second base station Estimating a position based on a channel state with a user terminal using a plurality of antennas, if the user terminal is located in an inner region of the first cell and located in an edge region of the second cell, The second base station selects a relay terminal located in an inner region of the second cell and located around the user terminal, and the first base station uses two transmit antennas in a first time slot and a second time slot, And transmits the transmission symbols to the user terminal. The second base station and the relay terminal transmit the transmission symbols using one transmission antenna, And a step of transmitting to the group a user terminal.

상기 송신하는 단계는, 상기 제1 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 안테나와 중계 단말의 안테나 그리고 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x1, x2, x3, x4의 송신 심볼을 전송하고, 상기 제2 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 안테나와 중계 단말의 안테나는 x1과 x2로 구성된 STBC 신호를 전송하고, 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x3과 x4의 켤레 행렬을 전송하는 검출할 수 있다. Wherein the transmitting step transmits transmission symbols of x1, x2, x3 and x4 in the first time slot and the antennas of the second base station and the relay terminal and the first antenna and the second antenna of the first base station, respectively, The antenna of the second base station and the antenna of the relay terminal transmit the STBC signal composed of x1 and x2 in the second timeslot and the first antenna and the second antenna of the first base station transmit the conjugate matrix of x3 and x4 respectively Can be detected.

상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 사용자 단말이 두 개의 수신 안테나를 이용하여 수신한 신호는 다음의 수학식으로 표현될 수 있다.A signal received by the user terminal using the two reception antennas in the first time slot and the second time slot may be expressed by the following equation.

Figure 112017020415587-pat00001
Figure 112017020415587-pat00001

여기서, yi,j는 상기 사용자 단말이 i번째 타임에 j번째 수신 안테나로 수신한 신호, * 기호는 켤레 행렬(Complex Conjugate), hi,j는 상기 사용자 단말의 i번째 수신 안테나로 수신한 j 번째 채널 인덱스를 나타내며, x1, x2, x3, x4는 상기 제1 기지국, 제2 기지국 및 중계 단말이 송신하고자 하는 송신 심볼, ni는 평균이 0이고 분산이

Figure 112017020415587-pat00002
인 백색 부가 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 의미한다.Here, y i, j denotes a signal received by the user terminal at the i-th time with respect to the j-th receive antenna, * denotes a conjugate matrix (complex conjugate), h i, denotes a j-th channel index, x1, x2, x3, x4 are transmitted symbols, i n that the first base station, the second base station and the relay station is transmitting to is a zero-mean distribution is
Figure 112017020415587-pat00002
Means additive white Gaussian noise (AWGN).

상기 사용자 단말은, 상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 수신한 신호를 다음의 수학 행렬식으로 나타내고, 상기 수학 행렬식과 같이 채널 성분을 가지고 있는 행렬을 QR 분해하고, 채널의 역행렬을 구하는 MMSE-DFE(Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) 기법을 통해 수신한 송신 심볼(x1, x2, x3, x4)을 검출할 수 있다. Wherein the user terminal is configured to represent signals received in the first timeslot and the second timeslot using the following mathematical matrices, to QR decompose a matrix having channel components as in the mathematical matrices, to obtain MMSE- (X1, x2, x3, x4) received through a DFE (Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) technique.

Figure 112017020415587-pat00003
Figure 112017020415587-pat00003

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템에 있어서, 제1 셀 내의 제1 기지국 및 제2 셀 내의 제2 기지국은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정하고, 상기 사용자 단말이 상기 제1 셀의 내부 영역에 위치하면서, 상기 제2 셀의 가장자리 영역에 위치하는 경우, 상기 제2 기지국은 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 상기 사용자 단말 주변에 위치하는 중계 단말을 선택하고 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 제1 기지국은 두 개의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하고, 제2 기지국과 중계 단말은 각각 하나의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신한다.According to another embodiment of the present invention, in a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas, a first base station in a first cell and a second base station in a second cell each include a plurality of antennas, And if the user terminal is located in an inner region of the first cell and is located in an edge region of the second cell, the second base station estimates a location based on a channel state of the inner cell of the second cell, The first base station transmits a transmission symbol to the user terminal using the two transmission antennas in a first time slot and a second time slot, And the relay terminal transmit the transmission symbol to the user terminal using one transmission antenna.

본 발명에 따르면, STBC 기술과 협력 통신 시스템을 함께 사용함으로써, 변형된 STBC 심볼 구조를 이용하여 통신의 신뢰성을 향상시키며, 협력 통신을 통해 다이버시티 이득을 획득하여 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by using the STBC technique and the cooperative communication system together, it is possible to improve the reliability of the communication using the modified STBC symbol structure and to obtain the diversity gain through the cooperative communication, thereby improving the reliability of the system.

본 발명에 따른 협력 통신 시스템은 중계 단말을 이용하여 통신을 하기 때문에 중계 단말의 안테나 자원을 공유하여 스펙트럼 효율을 증가시킬 수 있다.The cooperative communication system according to the present invention can increase the spectrum efficiency by sharing the antenna resources of the relay terminal because communication is performed using the relay terminal.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템의 송신단 및 수신단의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템을 이용한 협력 통신 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법에서 사용되는 송신 심볼을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법과 기존의 방법간의 변조 차수에 따른 BER을 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법과 기존의 방법간의 기지국과 사용자 단말의 거리에 따른 BER을 나타낸 그래프이다. 1 is a block diagram illustrating a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an exemplary structure of a transmitting end and a receiving end of a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a cooperative communication method using a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating transmission symbols used in a cooperative communication method according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating a BER according to modulation order between a cooperative communication method and an existing method according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating a BER according to a distance between a base station and a user terminal between a cooperative communication method and an existing method according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

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.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

먼저, 도 1를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 셀의 가장자리 영역에 위치하는 단말의 성능을 향상시키는 협력 통시 시스템을 설명한다. First, referring to FIG. 1, a cooperation communication system for improving performance of a terminal located in an edge region of a cell according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템을 설명하기 위한 구성도이다. 1 is a block diagram illustrating a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템은 제1 기지국(Broadcasting Base Station 1,BBS1), 제2 기지국(Broadcasting Base Station 2, BBS2), 중계 단말(Cellular Base Station, CBS) 및 사용자 단말(UE)을 포함한다. 1, a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention includes a first base station (Broadcasting Base Station 1, BBS1), a second base station (Broadcasting Base Station 2, BBS2), a Cellular Base Station CBS) and a user terminal (UE).

먼저, 제1 기지국(BBS1)의 제1 셀 영역과 제2 기지국(BBS2)의 제2 셀 영역은 각 기지국을 중심으로 원형의 형태로 내부 영역과 가장자리 영역으로 구분할 수 있다. First, a first cell area of the first base station BBS1 and a second cell area of the second base station BBS2 can be divided into an inner area and an edge area in a circular shape around each base station.

이때, 각 셀의 안쪽에 있는 음영 처리된 영역인 내부 영역은 채널 추정이 비교적 정확하여 통신 성능이 우수한 영역을 의미하고, 음영 처리되지 않은 영역은 셀 커버리지 외곽인 가장자리 영역으로 내부 영역에 비해 통신 성능이 낮은 영역을 의미한다. In this case, the inner area, which is the shaded area inside each cell, is an area having excellent communication performance because the channel estimation is relatively accurate, and the unshaded area is an edge area which is the outer edge of the cell coverage. Which means low area.

각 기지국의 셀 일부 영역은 중첩되어 있기 때문에, 도 1의 사용자 단말(UE)과 같이, 제1 셀 내부 영역에 위치하면서 제2 셀의 가장자리 영역에도 위치한 경우, 제1 기지국(BBS1)의 신호만으로는 성능 열화 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 제1 기지국(BBS1)과 제2 기지국(BBS2)은 협력 통신을 통해 신호를 추가적으로 사용자 단말(UE)로 송신하여 전체적인 시스템 성능을 향상시킨다. 1, when located in the first cell internal area and also in the edge area of the second cell, only the signal of the first base station BBS1 Performance degradation problems may occur. Accordingly, the first base station BBS1 and the second base station BBS2 transmit the signal to the user terminal UE through the cooperative communication, thereby improving the overall system performance.

이때, 사용자 단말(UE)이 제2 기지국(BBS2)의 외곽 영역에 위치하기 때문에, 제2 기지국(BBS2)으로부터 수신한 신호의 품질이 저하된다. 이를 보완하고자 제2 기지국(BBS2)는 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 사용자 단말(UE)의 주변에 위치하는 중계 단말(CBS)을 이용하여 신호를 송신한다. At this time, since the user terminal UE is located in the outer region of the second base station BBS2, the quality of the signal received from the second base station BBS2 deteriorates. To compensate for this, the second base station BBS2 transmits a signal using a relay terminal (CBS) located in the inner region of the second cell and located around the user terminal UE.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템에 따르면, 제1 기지국(BBS1)은 두 개의 안테나를 통해 신호를 송신하고, 제2 기지국(BBS2)과 중계 단말(CBS)은 각각 하나의 안테나를 통해 신호를 송신한다. Herein, according to the cooperative communication system according to the embodiment of the present invention, the first base station BBS1 transmits signals through two antennas, the second base station BBS2 and the relay terminal CBS each transmit one antenna Lt; / RTI >

여기서, 제1 기지국(BBS1), 제2 기지국(BBS2) 및 중계 단말(CBS)은 백본망(Backbone network)으로 연결되거나 서버를 이용하여 송신 신호 및 협력 통신을 수행하기 위한 데이터를 공유할 수 있다. Here, the first base station BBS1, the second base station BBS2, and the relay terminal CBS may be connected to a backbone network or may share data for performing transmission signals and cooperative communication using a server .

이하에서는 도 2를 이용하여 협력 통신 시스템에 포함되는 제1 기지국(BBS1), 제2 기지국(BBS2), 중계 단말(CBS) 및 사용자 단말(UE)을 송신단과 수신단으로 구분하여 설명한다. Hereinafter, the first base station BBS1, the second base station BBS2, the relay terminal CBS, and the user terminal UE included in the cooperative communication system will be described as a transmitting terminal and a receiving terminal by using FIG.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템의 송신단 및 수신단의 구조를 나타낸 예시도이다. 2 is a diagram illustrating an exemplary structure of a transmitting end and a receiving end of a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템의 송신단은 4개의 안테나를 이용하여 4개의 신호를 전송하고, 수신단(y1, y2)은 2개의 안테나를 이용하여 신호를 수신한다. The transmitting end of the cooperative communication system according to the embodiment of the present invention transmits four signals using four antennas and the receiving end (y 1 , y 2 ) receives signals using two antennas.

도 2와 같이, 송신단을 2개의 STBC(Space Time Block Code)블록으로 나누어 표시한 것은 서로 다른 두 개의 셀에서 신호를 전송하는 것을 나타내고자 한 것으로, 셀 별로 각 2개의 안테나를 이용하여 동시에 신호를 전송한다. As shown in FIG. 2, the transmitting terminal is divided into two STBC (Space Time Block Code) blocks to indicate that signals are transmitted from two different cells. send.

여기서, 송신단은 제1 기지국(BBS1), 제2 기지국(BBS2) 그리고 중계 단말(CBS)을 통칭한 것으로, 제1 기지국(BBS1)은 2개의 안테나를 이용하고, 제2 기지국(BBS2)은 하나의 안테나를 이용하며, 중계단말(CBS)은 하나의 안테나를 이용한다. 즉, 송신단은 4개의 안테나를 이용하여 서로 다른 4개의 신호를 동시에 사용자 단말(UE)로 전송한다.The first base station BBS1 uses two antennas and the second base station BBS2 uses one antenna. The first base station BBS1 collectively refers to the first base station BBS1, the second base station BBS2 and the relay terminal CBS. , And the relay terminal (CBS) uses one antenna. That is, the transmitting terminal transmits four different signals to the user terminal UE simultaneously using four antennas.

이때, 송신단은 STBC 인코더를 거친 4개의 신호를 제1 타임 슬롯(x1, x2, x3, x4)과 제2 타임 슬롯(-x2 *, x1 *, x3 *, x4 *)에 전송하고, 수신단(y1, y2)은 해당 신호를 수신하여 STBC 디코더(Decoder)를 거치면서 다이버시티 이득을 얻게 된다. 그리고 수신단은 MIMO 검출기(detector)를 거치면서 멀티플렉싱 이득 또한 얻을 수 있다. At this time, the transmitting end is the first time slot the four signals subjected to STBC encoder (x 1, x 2, x 3, x 4) and the second time slot (-x 2 *, x 1 * , x 3 *, x 4 * ), And the receiver (y 1 , y 2 ) receives the corresponding signal and obtains the diversity gain through the STBC decoder. The receiver can also obtain a multiplexing gain through a MIMO detector.

이하에서는 도 3 및 도 4을 통하여 도 2에 나타낸 협력 통신 시스템이 협력 통신을 수행하는 방법에 대해서 설명한다. Hereinafter, a method for performing cooperative communication by the cooperative communication system shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. 3 and FIG.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템을 이용한 협력 통신 방법을 도시한 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating a cooperative communication method using a cooperative communication system according to an embodiment of the present invention.

먼저, 제1 기지국(BBS1) 및 제2 기지국(BBS2)은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 사용자 단말의 위치를 추정한다(S310).First, the first base station BBS1 and the second base station BBS2 estimate the position of the user terminal based on the channel state with the user terminal using a plurality of antennas, respectively (S310).

기지국의 거리에 따라 수신 신호의 감쇄가 발생하므로, 제1 기지국(BBS1) 및 제2 기지국(BBS2)은 사용자 단말(UE)과 협력 통신을 수행하며, 각 안테나와의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정할 수 있다. The first base station BBS1 and the second base station BBS2 perform cooperative communication with the user terminal UE and the position is determined based on the channel state with each antenna Can be estimated.

다음으로 사용자 단말(UE)이 제1 셀 내부 영역에 위치함과 동시에 제2 셀 가장자리 영역에 위치하는 경우, 제2 기지국(BBS2)은 제2 셀 내부에 위치하는 중계 단말(CBS)을 선택한다(S320). Next, when the user terminal UE is located in the first cell internal area and is located in the second cell edge area, the second base station BBS2 selects a relay terminal (CBS) located in the second cell (S320).

즉, 제2 기지국(BBS2)은 복수의 중계 단말들 중에서, 제2 셀 내부 영역에 위치함과 동시에 해당 사용자 단말(UE)와 인접한 중계 단말(CBS)을 선택하여, 선택된 중계 단말(CBS)로 협력 통신을 요청할 수 있다. That is, the second base station BBS2 is located in the second cell internal area of the plurality of relay terminals, selects a relay terminal (CBS) adjacent to the user terminal UE, and transmits the selected relay terminal (CBS) May request a cooperative communication.

한편, 사용자 단말(UE)이 자신의 위치를 직접 추정하는 경우, 인접한 두 개의 셀 중 채널 상태가 좋지 않은 셀을 선택할 수 있다. 그리고 사용자 단말(UE)은 선택된 셀의 기지국(BBS2)에 중계 단말(CBS)을 이용하여 협력 통신을 수행해줄 것을 요청할 수 있다. 그러면, 제2 기지국(BBS2)은 중계 단말(CBS)을 선택하고, 선택된 중계 단말(CBS)와 제1 기지국(BBS1)과 협력 통신을 수행하기 위한 송신 심볼 또는 사용자 단말(UE)의 위치를 공유할 수 있다. On the other hand, when the user terminal UE directly estimates its own position, it is possible to select a cell having a poor channel state from two neighboring cells. Then, the user terminal UE can request the base station BBS2 of the selected cell to perform cooperative communication using the relay terminal (CBS). Then, the second base station BBS2 selects the relay terminal CBS and shares the location of the transmission symbol or the user terminal UE for performing cooperative communication with the selected relay terminal CBS and the first base station BBS1 can do.

다음으로 제1 타임 슬롯 및 제2 타임 슬롯에 제1 기지국(BBS1)은 두 개의 송신 안테나를 이용하고, 제2 기지국(BBS2)과 중계 단말(CBS)은 각 하나의 송신 안테나를 이용하여 송신 심볼을 사용자 단말(UE)로 송신한다(S330). Next, in the first timeslot and the second timeslot, the first base station BBS1 uses two transmit antennas, the second base station BBS2 and the relay terminal CBS use transmit antennas to transmit symbols To the user terminal UE (S330).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법에서 사용되는 송신 심볼을 나타낸 예시도이다. 4 is a diagram illustrating transmission symbols used in a cooperative communication method according to an embodiment of the present invention.

도 4는 제1 타임슬롯(t)와 제2 타임 슬롯(t+T)에 제1 기지국의 제1 안테나(BBS1i)와 제2 안테나(BBS1i), 그리고 제2 기지국의 안테나(BBS2), 중계 단말의 안테나CBS)가 각각 송신하는 신호를 나타낸 것이다. Figure 4 is a first time slot (t) and the second time slot the first antenna (BBS1 i) and the second antenna (BBS1 i), and the antenna of the second base station (BBS2) of the first base station in the (t + T) And the antenna CBS of the relay terminal), respectively.

도 4를 기준으로 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 사용자 단말(UE)이 두 개의 수신 안테나를 이용하여 수신한 신호는 다음의 수학식 1로 표현될 수 있다. The signal received by the user terminal UE using the two reception antennas in the first time slot and the second time slot with reference to FIG. 4 may be expressed by Equation (1).

Figure 112017020415587-pat00004
Figure 112017020415587-pat00004

여기서, yi,j는 상기 사용자 단말이 i번째 타임에 j번째 수신 안테나로 수신한 신호, * 기호는 켤레 행렬(Complex Conjugate), hi,j는 사용자 단말의 i번째 수신 안테나로 수신한 j 번째 채널 인덱스를 나타내며, x1, x2, x3, x4는 상기 제1 기지국, 제2 기지국 및 중계 단말이 송신하고자 하는 송신 심볼, ni는 평균이 0이고 분산이

Figure 112017020415587-pat00005
인 백색 부가 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 의미한다.Here, y i, j denotes a signal received by the user terminal at the i-th time to the j-th receive antenna, * denotes a conjugate matrix (complex conjugate), and h i, denotes the second channel index, x1, x2, x3, x4 are transmitted symbols, i n that the first base station, the second base station and the relay station is transmitting to is a zero-mean distribution is
Figure 112017020415587-pat00005
Means additive white Gaussian noise (AWGN).

여기서, j번째 채널 인덱스는 송신단의 4개의 안테나와 사용자 단말(UE)과의 채널을 나타내는 인덱스를 나타낸다.Here, the j-th channel index represents an index indicating the channel between the four antennas of the transmitter and the user terminal UE.

즉, 제1 타임 슬롯에 수신한 신호는 y1,1과 y1,2이고, 제2 타임 슬롯에 수신한 신호는 y2,1과 y2,2이다. That is, the signals received in the first time slot are y 1,1 and y 1,2 , and the signals received in the second time slot are y 2,1 and y 2,2 .

수학식 1을 행렬식으로 나타내면 수학식 2와 같다. The equation (1) can be expressed by the following equation (2).

Figure 112017020415587-pat00006
Figure 112017020415587-pat00006

사용자 단말(UE)은 수학식 2와 같이 수신하나 신호를 MIMO 검출 기법을 사용하여 신호를 검출할 수 있다. The user terminal UE may detect the signal using the MIMO detection technique, as shown in Equation (2).

이때, 사용자 단말(UE)은 채널 성분을 가지고 있는 행렬을 QR 분해하고, 채널의 역행렬을 구하는 MMSE-DFE(Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) 기법을 통해 수신한 송신 심볼(x1, x2, x3, x4)을 검출할 수 있다. At this time, the user terminal UE performs QR decomposition on a matrix having channel components, and transmits the received transmission symbols (x1, x2, x3) through an MMSE-DFE (Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) , x4) can be detected.

이와 같은 MMSE-DFE 검출 기법은 순차적인 계산이 필요하지 않아 복잡도가 높지 않은 장점이 있다. Such an MMSE-DFE detection scheme is advantageous in that the complexity is not high since sequential calculation is unnecessary.

이하에서는, 도 5 및 도 6을 이용하여 본 발명의 실시예에서 제안하는 협력 통신 방법에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다. Hereinafter, simulation results of the cooperation communication method proposed in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 and FIG.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법과 기존의 방법간의 변조 차수에 따른 BER(Bit Error Rate)을 나타낸 그래프이고, 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법과 기존의 방법간의 기지국과 사용자 단말의 거리에 따른 BER(Bit Error Rate)을 나타낸 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing a bit error rate (BER) according to modulation order between a cooperative communication method and an existing method according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph illustrating a cooperative communication method according to an embodiment of the present invention, (Bit Error Rate) according to the distance between the base station and the user terminal.

도 5의 그래프에서, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법과 비교한 기존의 방법은 사용자 단말이 기지국의 셀 커버리지 외곽에 위치할 때, 다중 안테나를 통하여 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 기법이다. In the graph of FIG. 5, the conventional method compared with the cooperative communication method according to the embodiment of the present invention is a technique that obtains the diversity gain through multiple antennas when the user terminal is located outside the cell coverage of the base station.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신의 방법과 기존의 방법에 대해서 시뮬레이션에 적용하여 수행한 결과 중 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM의 변조 방법을 사용하여 전송한 결과를 나타낸다.In this case, BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), and 16-QAM modulation methods are applied to the cooperative communication method and the conventional method according to the embodiment of the present invention. And shows the result of using and transmitting.

도 5의 기존의 방법(

Figure 112017020415587-pat00007
,
Figure 112017020415587-pat00008
,
Figure 112017020415587-pat00009
)의 그래프와 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법(
Figure 112017020415587-pat00010
,
Figure 112017020415587-pat00011
,
Figure 112017020415587-pat00012
)의 그래프를 보면, 각각 같은 변조 방법과 비교하였을 때 세가지 변조 방법마다 모두 더 좋은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. The conventional method of FIG. 5
Figure 112017020415587-pat00007
,
Figure 112017020415587-pat00008
,
Figure 112017020415587-pat00009
) And the cooperative communication method according to the embodiment of the present invention
Figure 112017020415587-pat00010
,
Figure 112017020415587-pat00011
,
Figure 112017020415587-pat00012
), It can be seen that each of the three modulation methods shows better performance when compared with the same modulation method.

한편, 도 6는 본 발명에서 제공하는 방법을 시뮬레이션에 적용하여 수행한 결과 중 기지국과 수신 단말의 거리에 따른 성능 결과를 나타낸다. 동일한 비교를 위해 변조 방법은 모두 QPSK 변조 방법을 사용하여 전송하였고, -3, -6, -9dB는 기지국과 수신 단말의 거리에 따른 신호의 감쇄를 나타낸다. 본 발명에서 제안된 방법(

Figure 112017020415587-pat00013
,
Figure 112017020415587-pat00014
,
Figure 112017020415587-pat00015
)이 거리에 의한 신호의 감쇄를 거의 받지 않으며 기존의 방법(
Figure 112017020415587-pat00016
,
Figure 112017020415587-pat00017
,
Figure 112017020415587-pat00018
)보다 더 좋은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. Meanwhile, FIG. 6 shows performance results according to distances between a base station and a reception terminal in a result of applying the method provided in the present invention to a simulation. For the same comparison, all the modulation methods are transmitted using the QPSK modulation method, and -3, -6, and -9 dB indicate signal attenuation depending on the distance between the base station and the receiving terminal. The method proposed in the present invention
Figure 112017020415587-pat00013
,
Figure 112017020415587-pat00014
,
Figure 112017020415587-pat00015
) Is less susceptible to attenuation of the signal due to this distance,
Figure 112017020415587-pat00016
,
Figure 112017020415587-pat00017
,
Figure 112017020415587-pat00018
), Which is higher than that of the first embodiment.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, STBC 기술과 협력 통신 시스템을 함께 사용함으로써, 변형된 STBC 심볼 구조를 이용하여 통신의 신뢰성을 향상시키며, 협력 통신을 통해 다이버시티 이득을 획득하여 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the embodiment of the present invention, by using the STBC technology and the cooperative communication system together, it is possible to improve the reliability of the communication using the modified STBC symbol structure and obtain the diversity gain through the cooperative communication, Can be improved.

본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 시스템은 중계 단말을 이용하여 통신을 하기 때문에 중계 단말의 안테나 자원을 공유하여 스펙트럼 효율을 증가시킬 수 있다.Since the cooperative communication system according to the embodiment of the present invention performs communication using the relay terminal, the spectral efficiency can be increased by sharing antenna resources of the relay terminal.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

BBS1: 제1 기지국 BBS2: 제2 기지국
User: 사용자 단말 CBS: 중계 단말BBS1: first base station BBS2: second base station
User: User terminal CBS: Relay terminal

Claims (8)

다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템을 이용한 협력 통신 방법에 있어서,
제1 셀 내의 제1 기지국 및 제2 셀 내의 제2 기지국은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정하는 단계,
상기 사용자 단말이 상기 제1 셀의 내부 영역에 위치하면서, 상기 제2 셀의 가장자리 영역에 위치하는 경우, 상기 제2 기지국은 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 상기 사용자 단말 주변에 위치하는 중계 단말을 선택하는 단계, 그리고
제1 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 한 개 안테나와 중계 단말의 한 개 안테나 그리고 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x1, x2, x3, x4의 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하고, 제2 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 한 개 안테나와 중계 단말의 한 개 안테나는 x1과 x2로 구성된 STBC 신호를 상기 사용자 단말로 송신하며, 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x3과 x4의 켤레 행렬을 상기 사용자 단말로 송신하는 단계를 포함하고,
상기 사용자 단말은,
상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 수신한 신호를 다음의 수학 행렬식으로 나타내고, 상기 수학 행렬식과 같이 채널 성분을 가지고 있는 행렬을 QR 분해하고, 채널의 역행렬을 구하는 MMSE-DFE(Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) 기법을 통해 수신한 송신 심볼(x1, x2, x3, x4)을 검출하는 협력 통신 방법.
Figure 112017086106890-pat00031
A cooperative communication method using a cooperative communication system based on a wireless mobile communication using multiple antennas,
Estimating a location based on a channel state with a user terminal using a plurality of antennas, respectively, in a first base station in a first cell and a second base station in a second cell,
When the user terminal is located in an inner area of the first cell and is located in an edge area of the second cell, the second base station is located in an inner area of the second cell, ; And
One antenna of the second base station and one antenna of the relay terminal and the first antenna and the second antenna of the first base station transmit transmission symbols of x1, x2, x3 and x4 to the user terminal in the first time slot One antenna of the second base station and one antenna of the relay terminal transmit an STBC signal composed of x1 and x2 to the user terminal in a second time slot and the first antenna and the second antenna of the first base station transmit x3 And a conjugate matrix of < RTI ID = 0.0 > x4 < / RTI > to the user terminal,
The user terminal comprises:
The signals received in the first time slot and the second time slot are expressed by the following mathematical matrices, and a matrix having a channel component is QR decomposed as in the mathematical determinant, and an MMSE-DFE (Minimum Mean Square (X1, x2, x3, x4) received through an Error-Decision Feedback Equalization technique.
Figure 112017086106890-pat00031
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 사용자 단말이 두 개의 수신 안테나를 이용하여 수신한 신호는 다음의 수학식으로 표현되는 협력 통신 방법:
Figure 112017086106890-pat00019

여기서, yi,j는 상기 사용자 단말이 i번째 타임에 j번째 수신 안테나로 수신한 신호, * 기호는 켤레 행렬(Complex Conjugate), hi,j는 상기 사용자 단말의 i번째 수신 안테나로 수신한 j 번째 채널 인덱스를 나타내며, x1, x2, x3, x4는 상기 제1 기지국, 제2 기지국 및 중계 단말이 송신하고자 하는 송신 심볼, ni는 평균이 0이고 분산이
Figure 112017086106890-pat00020
인 백색 부가 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 의미한다.The method according to claim 1,
Wherein the signal received by the user terminal using the two reception antennas in the first time slot and the second time slot is expressed by the following equation:
Figure 112017086106890-pat00019

Here, y i, j denotes a signal received by the user terminal at the i-th time with respect to the j-th receive antenna, * denotes a conjugate matrix (complex conjugate), h i, denotes a j-th channel index, x1, x2, x3, x4 are transmitted symbols, i n that the first base station, the second base station and the relay station is transmitting to is a zero-mean distribution is
Figure 112017086106890-pat00020
Means additive white Gaussian noise (AWGN). 삭제delete 다중 안테나를 사용하는 무선 이동 통신 기반의 협력 통신 시스템에 있어서,
제1 셀 내의 제1 기지국 및 제2 셀 내의 제2 기지국은 각각 복수의 안테나를 이용하여 사용자 단말과의 채널 상태를 기반으로 위치를 추정하고,
상기 사용자 단말이 상기 제1 셀의 내부 영역에 위치하면서, 상기 제2 셀의 가장자리 영역에 위치하는 경우, 상기 제2 기지국은 제2 셀의 내부 영역에 위치하면서 상기 사용자 단말 주변에 위치하는 중계 단말을 선택하고
제1 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 안테나와 중계 단말의 안테나 그리고 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x1, x2, x3, x4의 송신 심볼을 상기 사용자 단말로 송신하고, 제2 타임 슬롯에 상기 제2 기지국의 안테나와 중계 단말의 안테나는 x1과 x2로 구성된 STBC 신호를 상기 사용자 단말로 송신하고, 상기 제1 기지국의 첫번째 안테나와 두번째 안테나는 각각 x3과 x4의 켤레 행렬을 상기 사용자 단말로 송신하고,
상기 사용자 단말은,
상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 수신한 신호를 다음의 수학 행렬식으로 나타내고, 상기 수학 행렬식과 같이 채널 성분을 가지고 있는 행렬을 QR 분해하고, 채널의 역행렬을 구하는 MMSE-DFE(Minimum Mean Square Error-Decision Feedback Equalization) 기법을 통해 수신한 송신 심볼(x1, x2, x3, x4)을 검출하는 협력 통신 시스템.
Figure 112017086106890-pat00032
A cooperative communication system based on wireless mobile communication using multiple antennas,
A first base station in a first cell and a second base station in a second cell each estimate a location based on a channel state with a user terminal using a plurality of antennas,
When the user terminal is located in an inner area of the first cell and is located in an edge area of the second cell, the second base station is located in an inner area of the second cell, Select
In the first time slot, the antenna of the second base station and the antenna of the relay terminal, and the first antenna and the second antenna of the first base station transmit transmission symbols of x1, x2, x3 and x4 respectively to the user terminal, The antenna of the second base station and the antenna of the relay terminal transmit the STBC signal composed of x1 and x2 to the user terminal, and the first antenna and the second antenna of the first base station transmit the STBC signals of x3 and x4, respectively, To the terminal,
The user terminal comprises:
The signals received in the first time slot and the second time slot are expressed by the following mathematical matrices, and a matrix having a channel component is QR decomposed as in the mathematical determinant, and an MMSE-DFE (Minimum Mean Square (X1, x2, x3, x4) received through an Error-Decision Feedback Equalization technique.
Figure 112017086106890-pat00032
 삭제delete 제5항에 있어서,
상기 제1 타임 슬롯과 제2 타임 슬롯에 상기 사용자 단말이 두 개의 수신 안테나를 이용하여 수신한 신호는 다음의 수학식으로 표현되는 협력 통신 시스템:
Figure 112017086106890-pat00022

여기서, yi,j는 상기 사용자 단말이 i번째 타임에 j번째 수신 안테나로 수신한 신호, * 기호는 켤레 행렬(Complex Conjugate), hi,j는 상기 사용자 단말의 i번째 수신 안테나로 수신한 j 번째 채널 인덱스를 나타내며, x1, x2, x3, x4는 상기 제1 기지국, 제2 기지국 및 중계 단말이 송신하고자 하는 송신 심볼, ni는 평균이 0이고 분산이
Figure 112017086106890-pat00023
인 백색 부가 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise)을 의미한다.6. The method of claim 5,
Wherein the signal received by the user terminal using the two reception antennas in the first time slot and the second time slot is expressed by the following equation:
Figure 112017086106890-pat00022

Here, y i, j denotes a signal received by the user terminal at the i-th time with respect to the j-th receive antenna, * denotes a conjugate matrix (complex conjugate), h i, denotes a j-th channel index, x1, x2, x3, x4 are transmitted symbols, i n that the first base station, the second base station and the relay station is transmitting to is a zero-mean distribution is
Figure 112017086106890-pat00023
Means additive white Gaussian noise (AWGN). 삭제delete
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