KR101832901B1 - 반복적인 타부 서치를 이용한 다중 안테나 통신시스템의 연판정 디코딩 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신기의 연판정 디코딩 성능을 향상하고 계산의 복잡도를 최소화하기 위하여 반복적인 타부 서치 방식을 적용한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 후보해 검출부, LLR 산출부, 타부리스트 갱신부 및 초기해 갱신부를 포함한 ITS 수단을 제안한다.

Description

반복적인 타부 서치를 이용한 다중 안테나 통신시스템의 연판정 디코딩 장치 및 방법{Soft Decision Decoding Apparatus and method using Iterative Tabu Search for MIMO}

본 발명은 다중 안테나 통신시스템에 관한 것으로서, 수신기의 연판정 디코딩 성능을 향상하고 계산의 복잡도를 최소화하기 위하여 반복적인 타부 서치 방식을 적용한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다중 안테나 통신시스템(MIMO, 이하 "MIMO"로 약칭함)은 LTE와 LTE-A와 같은 현재의 통신시스템에 광범위하게 사용된다.

채널 용량을 증가시키는 MIMO는 다중 신호 패쓰에 의해 획득된 다이버시티(Diversity)로 인해 향상된 연결 신뢰성을 제공하는바, MIMO를 기반으로 한 대규모 안테나 사용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 다중 안테나 사용이 고차변조 방식와 결합 될 때는 수신기에서 최적의 검파를 위한 높은 복잡도가 요구되는데, 이 복잡도는 송신 안테나의 수와 변조차수에 대해서 기하급수적이다.

경판정 디코딩 방식는 제로포싱(ZF), 최소 평균 제곱오차(MMSE) 또는 스피어 디코더(SD) 알고리즘이 대표적인데, 대다수의 안테나 및/또는 교차변조를 위해서는 부적당하다.

최근에는 타부 서치(TS(Tabu Search))에 기반한 또 다른 접근이 MIMO 신호 검출 분야에 적용되었는데, TS 알고리즘은 SD보다 훨씬 낮은 복잡도에서 잘 동작하면서 어떤 안테나 사양과 변조 방식에 대해서는 ML(Maximun Likelihood)에 근접하게 수행할 수 있음이 밝혀졌다.

그러나 TS 알고리즘은 주어진 초기해에 대한 지역탐색을 수행하므로 그 성능은 초기해의 품질과 수행되는 반복횟수에 직접 연관되기 때문에 많은 연구는 좋은 초기해 찾는 데에 집중되어 있다.

TS 알고리즘을 연판정 출력으로 확대하여 적용하는 기술에 대해서는 연구가 미흡한 실정인바, 채널 부호화를 고려한 연판정 타부 탐색 및 이를 위한 낮은 복잡도를 갖는 효율적인 기술이 요구된다.

선행특허 중 등록특허 제0863702호는 다중 안테나 통신시스템에서 반복적 검출 및 복호를 위한 장치 및 방법이고, 등록특허 제1106684호는 다중 안테나 시스템의 수신 장치 및 방법에 관한 것이나, 타부 서치를 이용 및 수정한 접근이 아니어서 본 발명과는 상이하다.

본 발명은 MIMO 시스템에서 TS 알고리즘에 기반한 연판정 디코딩 프레임워크 의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 장치에 있어서, 연판정 디코딩을 위해 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하는 ITS 수단을 포함하되, 상기 ITS 수단은, IDD 반복(Iterative Decoding and Detection)을 통해

개의 신뢰할 수 있는 해를 찾는 후보해 검출부; 이전 IDD 반복에서 찾은

개의 해를 이후 IDD 반복의 타부 리스트로 설정하는 타부리스트 갱신부; 상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 LLR 산출부; 및 이전 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 최적해를 이후 반복의 초기해로 설정하는 초기해 갱신부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 방법에 있어서, 연판정 디코딩을 위해 타부 서치 알고리즘을 이용하여 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하되, IDD 반복(Iterative Decoding and Detection)을 통해

개의 신뢰할 수 있는 해를 찾는 후보해 검출단계; 이전 IDD 반복에서 찾은

개의 해를 이후 IDD 반복의 타부 리스트로 설정하는 타부리스트 갱신 단계; 상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 LLR 산출단계; 및 이전 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 최적해를 이후 반복의 초기해로 설정하는 초기해 갱신 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 TS 알고리즘에 기반한 MIMO 시스템의 연판정 디코딩 프레임워크를 통해 연판정 디코딩 성능을 유지 또는 향상하면서도 계산 복잡도를 현저히 줄여, 안테나의 수가 증가함에 따라 계산 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 구성개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ITS 수단의 알고리즘이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 방식의 시뮬레이션 실험 결과 그래프이다.

본 발명에 따른 반복적인 타부 서치(ITS)는 디텍터와 디코더 사이에서 정보교환을

반복하도록 종래 TS 알고리즘을 아래와 같이 수정한다.

1) TS의 목적 함수는 전송비트 상에 사전정보(Priori information)가 포함되도록 수정된다

2) TS 알고리즘은 신뢰해 집합 L을 생성하고, 이로부터 단일 국부 최적해 보다는 전송된 비트의 LLR(LOG LIKELIHOOD RATIO)을 계산하도록 변경된다.

3) 매 IDD단계에서의 전송비트 상 연정보의 갱신은 연속되는 IDD반복에서 TS알고리즘을 위해 개선된 초기해를 생성하는 데에 사용된다.

4) 이 절차에서 IDD반복을 통해 발견되는 리스트 L이 후속의 타부가 됨으로써 탐색공간에서 알고리즘이 다른 해를 고려하도록 구성된다.

이하에서는, 상기 절차에 대해 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하며, 본 발명의 ITS를 16-QAM과 4-QAM변조 방식를 가진 8x8,16x16 및 24x24 MIMO 구성 위에서 구현하여 SD의 LIST 버전과 비교함으로써, 안테나의 수가 증가함에 따라 계산비용이 획기적으로 절감되는 본 발명의 효과를 검증한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 장치의 구성도로서, 연판정 디코딩을 위해 정해진 횟수(

)동안 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하는 ITS 수단을 포함하며, 종래기술에 속하는 부분은 도시 및 설명을 생략한다.

상기 ITS 수단은, 후보해 검출부(101), 타부리스트 갱신부(102), LLR 산출부(103) 및 초기해 갱신부(104)를 포함한다.

후보해 검출부(101)는 IDD(Iterative Decoding and Detection)반복에서 신뢰할 수 있는

개의 해들을 찾는 과정을 수행하며, 이 결과는 LLR계산에 이용된다.

타부리스트 갱신부(102)는 이전 반복에서 찾은

개의 해를 이후 반복의 타부 리스트로 설정하며, LLR 산출부(103)는 상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하여 최적해를 구하며, 이 때 식 1이 적용될 수 있다.

y는 수신 신호 벡터, H는 채널 행렬, x는 송신 심볼 벡터를 의미하며,

은 잡음 신호의 분산,

는 i번재 비트인 b_i가 +1인 송신 심볼 벡터의 집합,

는 b_i가 -1인 송신 심볼 벡터의 집합이다.

초기해 갱신부(104)는 이전 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 최적해를 이후 반복의 초기해로 설정한다.

도 2는 본 발명에 따른 반복적인 타부 서치(ITS) 알고리즘인바, 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 방법에 있어서, 연판정 디코딩을 위해 타부 서치 알고리즘을 이용하여

동안 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하되, IDD 반복(Iterative Decoding and Detection)을 통해

개의 신뢰할 수 있는 해를 찾는 후보해 검출단계(step 13-18); 이전 반복에서 찾은

개의 해를 이후 반복의 타부 리스트로 설정하는 타부리스트 갱신 단계(step 19); 상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 LLR 산출단계(step 22); 및 이전 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 최적해를 이후 반복의 초기해로 설정하는 초기해 갱신 단계(step 23-25); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 2의 알고리즘은 종래의 TS 알고리즘을 연판정 출력으로 확대하여 적용할 수 있도록 변경한 본 발명의 기술적 특징인바, 이를 토대로 보다 상세히 설명한다.

A. TS(Tabu Search)

TS 알고리즘은 메타휴리스틱 절차인데 그것은 입력으로서 초기해를 받아들인다. 그리고 중지 조건을 만날 때까지 이웃 구조들을 이용하여 LOCAL SEARCH를 수행한다.

가장 일반적인 형식에서, TS는 대략 MIMO신호검출을 위한 다음 절차를 따른다.

1) 초기해

은 ZF 또는 MMSE 등의 수신기로부터 획득된다. 초기해에 대해 ML을 산출한다.

이 가장 좋은 해

로서 설정된다.

2) n번째 반복에서,

의 이웃해 집합

를 구한다. 이웃해는

공간에서의 벡터이다.

3) 그리고나서 타부 셋

에는 없고

에 있는 모든 해에서 식 1의 최적해인

이 발견된다. 타부 셋은 검색시 이미 고려되고 반복(

)하는 동안 금지된 해들의 집합이다.

4)

이 식 1에서

보다 좋다면,

는

으로 갱신되고,

은 타부 리스트에 들어간다.

5) 중지조건이 만족되면 2단계로 분기한다.

TS알고리즘은 보통 반복의 최대수

후에 종료된다. 덧붙여서, 인자 r은 최적해를 찾지 못한 상태에서 얼마나 반복했는지를 추적한다. r이 최대값

에 도달하면, 알고리즘은 ML해가 이미 발견되었다는 가정위에 차단된다.

B. 후보해

연판정 복호에 중요한 것은 신뢰할 수 있는 해 리스트

의 생성으로서, 반복적인 디코딩과 검출(IDD(Iterative Decoding and Detection)은 이를 부호화 비트의 LLR계산에 이용한다.

낮은 값을 갖는 벡터가 발견될 때 최적해

를 갱신하기보다 목적함수 측면에서

개의 최적해 리스트

이 메모리에 저장된다.

step 13 ~ 15를 통해 구체적으로 살펴보면,

가

에 있는 벡터들 사이에서 가장 큰 값일 때

보다 낮은 값을 갖는 벡터가 탐색과정에서 발견된다면, 이 새로운 벡터는

에 대응하는 벡터를 교체한다.

그러면

는 갱신된 목록을 반영하기 위해 재산출된다. 이 방식으로 가장 좋은

해들이 저장된다. 인자 r은 TS알고리즘에서 가장 좋은

해를 찾기 위한 반복 탐색 횟수이다.

C. 목적 함수

정확한 LLR이 계산되어야 하는

의 크기를 고려할 때, TS 알고리즘은

동안 실행되어

이 LLR값에 대한 매우 신뢰할 수 있는 해들을 포함해야 한다.

이런 이유에서, 본 발명은 탐색이 보다 지능적으로 진행되어 제한된 반복으로도 유망한 후보해를 얻을 수 있도록 보장하는 TS알고리즘 목록에 대한 수정을 제안한다.

연판정의 TS 구현에 사용되는 목적함수(아래 식 2)는 LLR 산출(식 1)을 위한 좋은 리스트를 얻을 수 있도록 탐색 지역을 조종할 수 있는 충분한 정보를 제공하지 못한다.

y는 수신 신호 벡터, H는 채널 행렬, x는 송신 심볼 벡터를 의미한다.

이로 인해, 더 유망한 탐색 지역에 대한 탐색을 수행하는 부수적인 목적함수의 이용을 제안한다.

디코더가 사전정보(Priori Information)

를 계산하기 때문에, 전송된 벡터의 사전확률(Prior Probability) p(x)는 모든 채널의 구현을 위해 모든 비트의

값으로부터 계산될 수 있다.

따라서 사전확률 p(x)는 목적함수 대용일 수 있고 이는 p(x)가 반복적으로 갱신되기 때문에 TS 알고리즘이 매 IDD 반복마다 실행되는 것을 제안한다.

이것을 본 발명에 따른 ITS라 한다.

D. 초기해

우선 초기해의 선택이 중요하다. TS 알고리즘은 지역탐색이므로, 그 성능은 초기해 품질에 직접 연관된다.

연판정 디코딩을 위해서, 송신 비트의 LLR값은 매 IDD반복에서 갱신되기 때문에, 그 정보는 후속의 IDD 반복을 위한 개선된 초기해 제공에 사용될 수 있다.

step 22~24를 보면, 모든 비트

의 LLR값을 경판정 출력하고, 각 그룹의

비트들을

벡터

로 재변조하는바, 이는 채널구현을 위해 다음 IDD반복에서 ITS 알고리즘에 대한 초기해로서 사용된다.

LLR은 IDD절차에 전에는 알 수 없기 때문에, 본 발명은 첫 번째 IDD반복에서는 MMSE 등으로부터 초기해를 채용한다.

본 발명은 매 IDD반복에서 초기해가 개선되므로, TS 알고리즘에서 요구되는 반복횟수가 감소할 수 있고 전체적인 계산복잡도가 낮아진다.

E. TABUS

타부 서치 알고리즘의 주 목적은 탐색시 이미 방문한 해에 왔다갔다하는 사이클링을 막기 위한 것이다.

소프트 디코딩(연판정)을 위해서, 리스트

이

IDD반복에서 구해지면, 이 리스트는

반복의 TS절차에 이용될 수 있고, 새롭게 탐색된 벡터가

의 벡터보다 좋다면 리스트 갱신이 이루어진다.

즉,

반복의 리스트

는

로 초기화될 수 있다. 그러므로,

IDD반복에서, 불필요한 방문 포인트로부터의 탐색을 막고 다른 다양한 탐색영역에 대한 탐색을 강화하기 위하여

는 타부가 된다.

도 3 ~도 5는 본 발명에 따른 장치 및 방법의 성능을 시뮬레이션한 결과이다.

실험은 세 개의 MIMO 구성(8 x 8,16-QAM / 16 x 16,16-QAM / 24 x 24,4-QAM) 아래 본 발명의 방식을 시뮬레이션한다.

이 채널 지수들은 독립적이고 동일하게 분산된 영평균 가우시안 랜덤 변수(zero-mean Gaussian random variables)라고 가정하고, 블록단위로는 약 512 비트코드를 가진 280개 블록을 사용한다.

신뢰해

의 목록 사이즈는

= 8로 설정된다. 6-turbo-coding 반복의 터보코딩을 이용하는 3/4 code rate를 적용하고, IDD 반복 횟수

를 4로 제한한다.

본 실험에서 본 발명에 따른 ITS 방식은

BER(Bit Error Rate)을 달성하기 위해 요구되는 계산복잡도뿐만 아니라 BER 성능이라는 측면에서 LSD(List Sphere Decoder)와 비교된다.

본 발명에 따른 방식들은 각 TS 탐색에서 아래 표 1의 최대 반복횟수를

로 사용한다.

방식	최대반복횟수
8 x 8,16-QAM	200,100,50,25
16 x 16,16-QAM	1500,500,250,125
24 x 24,4-QAM	3500,50,25,10.(TS절차의 각 실행마다)

고정된 반지름을 사용하여 LSD를 실행하는데 발생하는 계산의 복잡도로 인해, 이 실험은 LSD를 한번 실행하고 모든

반복에서의 LLR 계산을 위해 동일한

해 리스트를 사용한다.

도 3의 결과는 LSD가 8 x 8,16-QAM구성에 대한

의 BER에서 약 1.5 dB가량 성능이 앞선다.

이는 계산 이득에 덧붙여 LSD가 ITS를 능가하는 부분이다. 특히, LSD는 표 2에서 보는 바와 같이 심볼당 평균 flops(floating point operations)이라는 측면에서 ITS 대비 88%가량 절감을 달성한다.

그러나 도 4와 도 5는

가 증가함에 따라 ITS의 BER 성능이 LSD에 근접해가는 것을 보여준다. 반면 동시에 표 2에 나타난 바와 같이 LSD 대비 상당한 계산이득을 나타낸다.

도 4의 시뮬레이션 환경에서 LSD에 대한

의 BER 성능 달성을 위해서는 flops의 수는 대략 ITS보다 30% 높다. 동일한 패턴이 도 5에도 도시되는데 ITS가 실제로 약 68% 적은 flops를 요구하면서

에서 0.2dB가량 LSD를 능가한다.

본 실험을 통해 본 발명에 따른 방식는 많은 송수신 안테나가 사용되는 다중 안테나 통신 환경에서 기존 LSD 방식과 비교하여 동일한 또는 향상된 BER 성능 가지면서도, 기존 LSD 대비 낮은 계산 복잡도 요구하는 것을 알 수 있다.

101 : 후보해 검출부 102 : 타부리스트 갱신부
103 : LLR 산출부 104 : 초기해 갱신부

Claims (4)

1. 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 장치에 있어서,
   연판정 디코딩을 위해 정해진 횟수(

   

   )만큼 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하는 ITS 수단을 포함하되,
   상기 ITS 수단은,
   IDD 반복(Iterative Decoding and Detection)을 통해

   

   개의 후보해를 찾는 후보해 검출부;
   이전 IDD 반복에서 찾은

   

   개의 후보해를 이후 IDD 반복의 타부 리스트로 설정하는 타부리스트 갱신부;
   상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 LLR 산출부; 및
   이전 IDD 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 후보해를 이후 IDD 반복의 초기해로 설정하는 초기해 갱신부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 LLR 산출부는 다음 식에 의해 LLR을 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
   

   

   
   (y는 수신 신호 벡터, H는 채널 행렬, x는 송신 심볼 벡터를 의미하며,

   

   은 잡음 신호의 분산,

   

   는 i번재 비트인 b_i가 +1인 송신 심볼 벡터의 집합,

   

   는 b_i가 -1인 송신 심볼 벡터의 집합)
3. 다중 안테나 통신시스템(MIMO)의 연판정 디코딩 방법에 있어서,
   연판정 디코딩을 위해 타부 서치 알고리즘을 이용하여 정해진 횟수(

   

   ) 동안 반복적인 타부 서치(Iterative Tabu Search)를 수행하되,
   IDD 반복(Iterative Decoding and Detection)을 통해

   

   개의 후보해를 찾는 후보해 검출단계;
   이전 IDD 반복에서 찾은

   

   개의 해를 이후 IDD 반복의 타부 리스트로 설정하는 타부리스트 갱신 단계;
   상기 후보해를 이용하여 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 LLR 산출단계; 및
   이전 IDD 반복에서 계산한 LLR을 통해 구해진 후보해를 이후 IDD 반복의 초기해로 설정하는 초기해 갱신 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 LLR 산출단계는 다음 식에 의해 LLR을 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
   

   

   
   (y는 수신 신호 벡터, H는 채널 행렬, x는 송신 심볼 벡터를 의미하며,

   

   은 잡음 신호의 분산,

   

   는 i번재 비트인 b_i가 +1인 송신 심볼 벡터의 집합,

   

   는 b_i가 -1인 송신 심볼 벡터의 집합)

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