KR101799108B1 - 방송 데이터 전송 시스템 - Google Patents
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Abstract
방송 데이터 전송 시스템이 제공된다. 상기 방송 데이터 전송 시스템은 복수의 전송 안테나 및 복수의 수신 안테나를 이용하여 방송 데이터를 전송한다. 방송 데이터 전송 시스템에 포함된 방송 데이터 전송 장치는 각 전송 안테나에 대한 변조 기법을 상이하게 결정하고, 결정된 변조 기법에 따라 각 데이터 스트림에 대한 전송 전력을 상이하게 결정하고, 프리코딩 벡터를 상이하게 결정할 수 있다.
Description
아래의 실시예들은 방송 데이터를 전송하는 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이동 방송 채널 환경에서 공간 다중화 시스템과 프리코더를 직렬 연접하여 수신 성능을 향상시키는 시스템에 관한 것이다.
무선 통신 환경에서, MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템은 다수의 송수신 안테나들을 사용하여 높은 데이터 전송률을 얻을 수 있어 최근 큰 관심을 얻고 있다. 특히 V-BLAST(Vertical Bell-labs Layered Space-Time)라고 불리는 공간다중화(Spatial Multiplexing) 기법은 각 송신 안테나를 통하여 독립적인 신호 스트림들을 동시 전송함으로써 스펙트럼 효율이 높아진다는 큰 장점을 갖는다.
하지만 이 공간다중화 기법을 이동 방송 시스템에 적용할 경우 몇 가지 문제점이 발생한다. 먼저, 특히 방송 시스템 내 SFN(Single Frequency Network) 환경에서 발생하는 소멸 페이딩(erasure fading) 채널 환경에서 급격한 성능 저하가 발생하게 된다. 소멸 페이딩 채널 환경은 신호가 페이딩이 발생하는 채널을 통과하면 신호의 정보가 소멸되는 페이딩 채널이다.
더불어 방송 시스템 내 송수신 안테나들 간 연관성(correlation)이 발생하는 채널 환경일 경우 기존의 기법은 또한 성능 열화가 발생한다. 기존의 다중 송수신 안테나들을 사용하는 공간다중화 기법은 이동 통신 시스템 내 송수신 안테나 간 채널 값들이 독립적이라는 가정으로 설계 되었기 때문이다. 하지만 방송 시스템은 기존의 이동 통신 시스템과 달리 송수신 안테나들 간 연관성이 발생할 확률이 높다.
따라서 이와 같은 채널 환경일 경우 기존의 공간 다중화 기법은 큰 성능 열화가 발생하게 된다.
예시적 실시예들의 일측은, 페이딩 채널에서의 데이터 전송 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.
예시적 실시예들의 일측에 따르면, 페이딩에 의한 방송 데이터 전송 성능의 하락을 방지하는 것이다.
예시적 실시예들의 일측에 따르면, 복수의 전송 안테나 각각에 대하여 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 상기 전송 안테나를 이용하여 전송되는 데이터 스트림의 전송 전력이 상이하도록 제어하는 단계, 상기 변조 방식에 따라서 결정된 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 전송 전력이 제어된 데이터 스트림을 프리코딩하는 단계 및 상기 프리코딩된 데이터 스트림을 상기 전송 안테나를 이용하여 수신기로 전송하는 단계를 포함하는 방송 데이터 전송 방법이 제공된다.
예시적 실시예들의 또 다른 일측에 따르면, 복수의 전송 안테나 각각에 대하여 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 상기 전송 안테나를 이용하여 전송되는 데이터 스트림의 전송 전력이 상이하도록 제어하는 단계, 상기 변조 방식에 따라서 결정된 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 전송 전력이 제어된 데이터 스트림을 프리코딩하는 단계, 상기 전송 안테나들 중에서 특정 전송 안테나로 전송되는 데이터 스트림의 위상을 변경하는 단계 및 상기 위상이 변경된 데이터 스트림을 상기 전송 안테나를 이용하여 수신기로 전송하는 단계를 포함하는 방송 데이터 전송 방법이 제공된다.
예시적 실시예들의 또 다른 일측에 따르면, 복수의 전송 안테나 각각에 대하여 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 결정된 프리코딩 행렬을 이용하여 프리코딩된 데이터 스트림들을 복수의 수신 안테나를 이용하여 수신하는 수신부 및 상기 수신된 데이터 스트림들을 디코딩하는 디코딩부를 포함하는 방송 데이터 수신 방법이 제공된다.
예시적 실시예들의 일측에 따르면, 페이딩 채널에서의 데이터 전송 성능이 향상된다.
예시적 실시예들의 일측에 따르면, 페이딩에 의한 방송 데이터 전송 성능의 하락을 방지할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 수신 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 2는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 수신 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템을 도시한 도면이다.
프리코더(120)는 수신된 입력 벡터(110)를 프리코딩 행렬를 이용하여 프리코딩 한다. 일측에 따르면 프리코더(120)는 프리코딩 행렬 를 입력 벡터 에 곱해 프리코딩된 데이터 스트림을 생성할 수 있다. 프리코딩된 데이터 스트림을 원소로 포함하는 신호 벡터 은 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 1]
일측에 따르면, 프리코딩 행렬은 복수의 컬럼 벡터를 포함할 수 있다. 이 경우에, 복수의 컬럼 벡터들은 서로 직교할 수 있다. 일측에 따르면, 프리코딩 행렬의 각 컬럼 벡터들은 일정한 회전각에 따라서 정의된 컬럼 벡터일 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2에서의 각 컬럼 벡터들은 일정한 회전각에 따라서 정의되며, 각 컬럼 벡터들은 서로 직교한다.
신호 벡터 의 각 원소들은 대응하는 전송 안테나들(131, 132)을 이용하여 방송 데이터 수신 장치로 전송된다. 전송된 신호 벡터들은 방송 데이터 전송 장치로부터 방송 데이터 수신 장치까지 무선으로 전송된다.
신호 벡터 은 방송 데이터 전송 장치로부터 방송 데이터 수신 장치까지의 무선 채널(141, 142, 143, 144)을 경유하면서 왜곡된다. 일측에 따르면 방송 데이터 전송 장치로부터 방송 데이터 수신 장치까지의 무선 채널(141, 142, 143, 144)은 소멸 페이딩(erasure fading) 채널로서, 소멸 페이딩 채널 환경은 신호가 페이딩이 발생하는 채널을 통과하면 신호의 정보가 소멸하는 채널이다.
일측에 따르면, 소멸 페이딩 채널(141, 142, 143, 144)은 하기 수학식 3과 같이 모델링될 수 있다.
[수학식 3]
여기서, 는 i 번째 전송 안테나와 j 번째 수신 안테나 사이의 복소 페이딩 값으로, 실수와 허수 부분이 각각 0의 평균값과 0.5의 분산 값을 가지는 i.i.d. 가우시안 분포를 갖는다. 또한 는 i 번째 전송 안테나와 j 번째 수신 안테나 사이의 소멸(erasure)값으로, 확률의 값으로 '0'의 값을 가지고, (1-) 확률의 값으로 1을 가진다.
[수학식 4]
여기서, 는 각 수신 안테나에서 발생된 열잡음 벡터를 나타낸다. 는 i 번째 수신 안테나에 대한 i.i.d. AWGN 샘플 값이며, 실수와 허수 부분이 각각 의 양방향 전력 밀도를 가진다.
ML 디코더(170)는 최대 우도(ML:Maximum Likelihood) 디코딩 기법을 이용하여 데이터 스트림들을 디코딩할 수 있다. 즉, ML 디코더(170)는 추정된 채널 행렬의 값 를 이용하여 하기 수학식 5와 같이 ML 디코딩을 수행할 수 있다.
[수학식 5]
일측에 따르면, ML 디코더(170)의 수신 성능을 최대화하기 위하여 프리코딩 행렬 를 최적화할 수 있다. 도 1에 도시된 2개의 수신 안테나(161, 162)의 독립성과 대칭성을 고려하면, 특정 수신 안테나의 성능을 최대화하는 는 당연히 전체 수신 안테나들(161, 162)의 성능을 최대화함을 알 수 있다. 따라서 이하 첫 번째 수신 안테나만을 고려하여 최적화된 프리코딩 행렬에 대하여 설명하기로 ㅎ나다.
첫 번째 수신 안테나에서 수신한 수신 신호는 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 6]
여기서, 소멸 페이딩에 의하여 의 값은 (0, 0), (1, 1), (1, 0), (0, 1)의 네 가지 값을 가질 수 있다. 이하 각 경우에 대하여 프리코딩 행렬의 값을 검토한다.
이 경우, 채널은 소멸의 영향이 전혀 없는 채널(non-erasure channel)이라고 생각할 수 있다. 따라서, 수학식 6을 다음 수학식 7과 같이 정리할 수 있다.
[수학식 7]
여기서, , 는 실제 채널과 프리코딩 행렬 의 값을 고려한 실효 채널이다. , 의 값은 프리코딩 행렬 의 유니터리 특성으로 인하여 i.i.d. 가우시안 분포를 갖는다. 따라서, 프리코딩 행렬 값의 변화에 따른 수신 성능의 변화는 없는 것을 알 수 있다.
이 경우에, 수학식 6은 하기 수학식 8과 같이 다시 정리될 수 있다.
[수학식 8]
수학식 8을 참고하면, 첫 번째 전송 안테나로부터의 채널만 존재하는 싱글 채널 환경으로 생각할 수 있다. 싱글 채널 환경에서 렉탱귤러(rectangular) 구조로 4개의 비트들을 전송하는 최적의 성상은 16-QAM이다. 따라서, 수학식 8에서 가 16-QAM의 성상을 가져야 한다. 이를 고려하면, 값을 가져야 함을 알 수 있다.
경우 3)과 경우 4)에서 최적의 값은 4-QAM 변조 방식에 대한 값이며, 다른 변조 차수에 대한 최적의 값도 간단히 유도 가능하다. 예를 들어, 16-QAM 변조 방식이 사용된 경우, 최적의 값은 또는 신호들이 256-QAM 성상을 가지는 것이다. 따라서, 최적의 값은 임을 알 수 있다.
일측에 따르면 송수신 안테나들간에는 연관성(correlation)이 발생할 수 있다. 특히 이동 방송 시스템에서는 송신국의 위치가 단말국에 비하여 상대적으로 높기 때문에, 송수신 안테나들 간 correlation이 발생할 확률이 높아진다. 일측에 따르면, 입력 벡터에 포함된 각 데이터 스트림의 전력을 상이하게 제어함으로써, 이와 같이 연관성이 존재하는 채널 환경에서도 수신 성능의 향상을 얻을 수 있다.
입력 벡터에 포함된 각 데이터 스트림의 전력이 상이하게 제어된다면, 입력 벡터(110) 는 하기 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 9]
여기서, 는 입력 벡터 에 포함된 각 데이터 스트림간의 전송 전력이 서로 상이하게 제어하기 위한 변수로서, 0과 1사이의 값을 가진다. 이므로, 수학식 9에 표현된 입력 벡터 의 전체 전력은 일정하다.
프리코더(120)는 프리코딩 행렬 을 이용하여 수학식 9에 표시된 입력 벡터 를 프리코딩 한다. 일측에 따르면, 프리코더(120)는 프리코딩 행렬 를 입력 벡터 에 곱해 프리코딩된 데이터 스트림을 생성할 수 있다.
또한, 프리코딩된 데이터 스트림은 연관성을 가지는 채널(141, 142, 143, 144)을 이용하여 방송 데이터 수신 장치로 전송될 수 있다. 이 경우에, 수신 안테나(151, 152)에서 수신된 수신 벡터의 원소들간에는 전송 빔포밍(transmit beamforming)현상이 발생한다. 따라서 수신 신호의 신호대 잡음비(SNR)이 증가하며 수신 성능이 향상된다.
도 2는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 방송 데이터 전송 시스템에서 프리코더(220) 및 ML 디코더(280) 등은 도 1에 도시된 프리코더(120) 및 ML 디코더(170)와 유사하게 동작한다.
도 2에 도시된 방송 데이터 전송 시스템은 프리코더(220)에서 프리코딩된 데이터 스트림의 위상을 변경하는 위상 변경부(223)를 포함한다. 일측에 따르면, 위상 변경부(223)는 기준 안테나(241)가 아닌, 다른 안테나(242)에만 설치될 수 있다. 또한, 위상 변경부(223)는 위상 변경부(223)가 설치된 각 안테나(242)를 이용하여 전송되는 데이터 스트림들의 위상을 랜덤(random)한 위상으로 변경할 수 있다.
위상 변경부(223)에 의하여 랜덤한 위상으로 변경되면, 각 안테나를 이용하여 전송되는 데이터 스트림들의 연관성은 감소한다. 따라서 MIMO 공간 다중화(Spartial Multiplexing)의 성능을 최적화할 수 있다.
만약 각 안테나의 변조 방식이 상이하다면, 도 1에 대한 설명에서 유도한 바와 같이 프리코딩 행렬의 회전각을 최적화할 수 있다. 또한, 입력 벡터 에 포함된 각 데이터 스트림의 전송 전력을 최적화할 수 있다.
일측에 따르면, 입력 벡터 가 수학식 9와 같이 표현된다면, 각 데이터 스트림의 전송 전력을 최적화하는 와 그에 따른 프리코딩 행렬의 회전각 는 하기 수학식 10과 같은 값을 가질 수 있다.
[수학식 10]
도 3은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
단계(310)에서 방송 데이터 전송 시스템은 입력 벡터 에 포함된 데이터 스트림의 전송 전력이 상이하도록 제어한다. 일측에 따르면, 입력 벡터 는 수학식 9와 같이 표현될 수 있다. 이 경우에, 방송 데이터 전송 시스템은 의 값을 제어하여 전송 전력을 제어할 수 있다.
일측에 따르면, 데이터 스트림은 복수의 전송 안테나를 이용하여 방송 데이터 수신 장치로 전송될 수 있다. 이 경우에, 안테나 각각의 변조 방식은 상이할 수 있다. 일측에 따르면 방송 데이터 전송 장치는 각 안테나에 따라 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 데이터 스트림의 전송 전력을 결정할 수 있다. 즉, 입력 벡터 에 포함된 각 원소의 크기가 상이하도록 결정할 수 있다.
단계(320)에서 방송 데이터 전송 장치는 각 안테나에 따라 상이한 변조 방식에 따라서 결정된 프리코딩 행렬을 이용하여 전송 전력이 제어된 데이터 스트림을 프리코딩 한다. 일측에 따르면 방송 데이터 전송 장치는 입력 벡터 와 프리코딩 행렬 를 곱하여 프리코딩을 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 프리코딩 행렬은 서로 직교하는 복수의 컬럼 벡터를 포함할 수 있다. 이 경우에, 각 컬럼 벡터는 각 안테나의 변조 방식에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어, 각 안테나의 변조 방식에 따라서 프리코딩 행렬의 회전각이 결정되고, 프리코딩 행렬의 회전각에 따라서 각 컬럼 벡터가 결정될 수 있다. 일측에 따르면 프리코딩 행렬은 상기 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
단계(330)에서 방송 데이터 전송 장치는 프리코딩된 데이터 스트림은 복수의 전송 안테나를 이용하여 방송 데이터 수신 장치로 전송한다.
도 4는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 전송 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
도 4의 단계(410) 내지 단계(420)은 도 3의 단계(310) 내지 단계(320)과 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
단계(430)에서 방송 데이터 전송 장치는 각 안테나를 이용하여 전송되는 데이터 스트림들의 위상을 랜덤하게 변경한다. 일측에 따르면 위상이 변경되면, 각 안테나를 이용하여 전송되는 데이터 스트림들간의 연관성이 감소하고, MIMO 공간 다중화의 성능을 최적화할 수 있다.
일측에 따르면, 입력 벡터 가 수학식 9와 같이 표현된다면, 각 데이터 스트림의 전송 전력을 최적화하는 와 그에 따른 프리코딩 행렬의 회전각 는 하기 수학식 10과 같은 값을 가질 수 있다. 의 값이 수학식 10과 같다면, 제1 전송 안테나로 전송되는 데이터 스트림의 전송 전력은 제2 전송 안테나로 전송되는 데이터 스트림의 전송 전력의 2배가 된다.
단계(440)에서 방송 데이터 전송 장치는 프리코딩된 데이터 스트림은 복수의 전송 안테나를 이용하여 방송 데이터 수신 장치로 전송한다.
도 5는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 방송 데이터 수신 방법을 단계별로 도시한 순서도이다.
단계(510)에서 방송 데이터 수신 장치는 복수의 수신 안테나를 이용하여 데이터 스트림들을 수신한다. 일측에 따르면, 데이터 스트림들은 방송 데이터 전송 장치에 구비된 복수의 전송 안테나를 이용하여 전송된다. 일측에 따르면, 각 전송 안테나에 따라서 변조 방식은 상이하게 결정될 수 있다. 이 경우에, 각 전송 안테나에 따라서 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 프리코딩 행렬이 결정되고, 각 데이터 스트림들이 포함된 입력 벡터는 프리코딩 행렬을 이용하여 프리코딩 될 수 있다.
일측에 따르면, 프리코딩 벡터는 서로 직교하는 복수의 컬럼 벡터를 포함할 수 있다. 일측에 따르면, 각 전송 안테나에 따라서 상이하게 결정된 변조 방식에 따라서 프리코딩 벡터의 회전각이 결정되고, 프리코딩 벡터의 회전각에 따라서 각 컬럼 벡터가 결정될 수 있다. 일측에 따르면, 프리코딩 벡터는 상기 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
단계(520)에서 방송 데이터 수신 장치는 수신된 데이터 스트림들을 디코딩한다. 일측에 따르면, 방송 수신 장치는 상기 수학식 5와 같이 최대 우도(ML: Maximum Likelihood) 디코딩 기법을 이용하여 데이터 스트림들을 디코딩할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 전송 방법 및 수신 방법은 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 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 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. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 입력 벡터
120: 프리코더
131, 132: 전송 안테나
141, 142, 143, 144: 채널
151, 152: 수신 안테나
161, 162: 수신 벡터의 엘레멘트
170: ML 디코더
180: 출력 벡터
120: 프리코더
131, 132: 전송 안테나
141, 142, 143, 144: 채널
151, 152: 수신 안테나
161, 162: 수신 벡터의 엘레멘트
170: ML 디코더
180: 출력 벡터
Claims (16)
- 전송 전력을 제어하기 위한 파라미터에 기초하여 복수의 데이터 스트림의 전송 전력을 상이하게 제어하는 단계;
프리코딩 행렬을 이용하여 상기 전송 전력이 상이하게 제어된 복수의 데이터 스트림을 프리코딩하는 단계; 및
프리코딩된 복수의 데이터 스트림 각각을 대응하는 복수의 전송 안테나 각각을 통해 전송하는 단계
를 포함하고,
상기 복수의 전송 안테나 각각에 대응하는 변조 방식은 상이하고,
상기 파라미터는 0과 1사이의 값이고,
상기 제어하는 단계는,
상기 파라미터에 기초하여 상기 복수의 데이터 스트림을 입력 벡터로 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 입력 벡터는 하기 수학식 6에 따라서 결정되는 방송 데이터 전송 방법.
[수학식 6]
여기서, 은 상기 입력 벡터이고, 은 상기 파라미터이고, x1 및 x2는 상기 복수의 데이터 스트림이다.
방송 데이터 전송 방법. - 제1항에 있어서,
상기 프리코딩 행렬은 서로 직교하는 복수의 컬럼 벡터를 포함하는 방송 데이터 전송 방법. - 제2항에 있어서, 상기 각각의 컬럼 벡터들은 상기 변조 방식에 따라서 결정되는 단위 벡터인 방송 데이터 전송 방법.
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