KR20010076252A

KR20010076252A - 신호 송신 장치 및 방법, 송신기 및 수신기, 가중치 결정방법

Info

Publication number: KR20010076252A
Application number: KR1020010001747A
Authority: KR
Inventors: 포쉬니제라드조셉; 로자노엘젤; 라쉬드-파로키파로크; 발렌주엘라레이날도에이
Original assignee: 루센트 테크놀러지스 인크
Priority date: 2000-01-13
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2001-08-11
Also published as: CN1264287C; CN1304218A; CA2327611C; JP5008221B2; AU1108401A; US6888809B1; EP1117197B1; KR100716397B1; DE60039099D1; CA2327611A1; BRPI0100011B1; BR0100011A; EP1117197A2; JP2001237751A; EP1117197A3

Abstract

MIMO 시스템에서는 여러 안테나들로부터 송신된 신호들을 처리하여, 일부 상관이 존재하는 경우에도 수신기가 수신 신호로부터 신호를 추출하는 능력을 향상시킨다. 보다 구체적으로, 동시에 송신되는 비트 스트림의 수는 상관의 레벨에 따라 조절, 예를 들면 감소되며, 다양하게 가중화된 각 비트 스트림의 다수의 버전이 동시에 송신된다. 다양하게 가중화된 버전들은 조합되어 하나의 조합된 가중화 신호를 생성한다. 수신기는 수신 안테나에 도달하는 모든 신호들이 상관되지 않은 경우와 동일한 방법으로 수신 신호들을 처리한다. 가중치 벡터는 역방향 링크의 송신기에 의해 순방향 링크의 수신기로부터 송신됨으로써 순방향 링크의 송신기에게 알려지도록 만들어지는 순방향 링크의 채널 속성을 이용하여 순방향 채널 송신기에 의해 결정되거나, 또는 가중치 벡터는 순방향 링크의 채널 속성을 이용하며 순방향 채널 송신기에 의해 결정될 수 있으며, 결정된 가중치 벡터는 역방향 링크의 송신기에 의해 순방향 링크의 수신기로부터 송신됨으로써 순방향 링크의 송신기에게 알려지도록 만들어진다. 가중치 벡터를 결정하는데 이용된 채널 속성은 송신기로부터 수신기로의 채널 응답과, 수신기에서 측정된 잡음 및 간섭의 공분산 매트릭스(covariance matrix)를 포함한다.

Description

신호 송신 장치 및 방법, 송신기 및 수신기, 가중치 결정 방법{SPACE-TIME PROCESSING FOR MULTIPLE-INPUT, MULTIPLE-OUTPUT, WIRELESS SYSTEMS}

본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 송신기 및 수신기에서 다수의 안테나를 사용하는, 소위 다중 입력, 다중 출력(multiple-input, multiple-output; MIMO) 시스템이라 불리는 무선 통신 시스템에 관한 것이다. 본 기술 분야에서는 MIMO 시스템이 단일 안테나 시스템, 즉 단일 안테나 대 단일 안테나 또는 다수의 안테나 대 단일 안테나 시스템에 비해 크게 개선된 능력을 달성할 수 있다고 잘 알려져 있다. 그러나, 이러한 개선을 달성하기 위해서는 풍부한 산란 환경이 존재하여 다수의 수신 안테나에 도달하는 여러 신호들이 별반 상관되지 않는 것이 바람직하다. 신호들이 어느 정도 상관을 가짐에도 그러한 상관이 무시된다면, 성능은 저하되고 능력은 감소된다.

본 발명은 MIMO 시스템에서 어느 정도 상관이 있는 경우에도 그러한 레벨의 상관을 갖는 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 얻을 수 있도록 신호를 발생시킨다. 본 발명의 원리에 따르면, 여러 안테나들로부터 송신된 신호들은 수신 신호로부터 송신 신호를 추출하는 수신기의 능력이 개선되도록 처리된다. 특히, 다양하게 가중화된 각 비트 스트림의 다수의 버전이 동시에 송신되는 한편 동시에 송신되는 비트 스트림의 수는 상관의 레벨에 따라 조절되는바, 예를 들면 감소된다. 다양하게 가중화된 버전들은 조합되어, 각각의 안테나에 대해 소위 "송신 벡터(transmit vector)"라 불리는 하나의 조합형 가중치 신호를 생성한다. 수신기는 수신 안테나에 도달하는 모든 신호가 상관되지 않은 경우와 동일한 방법으로 수신 신호를 처리한다.

본 발명의 일실시예에서, 수방향 채널 송신기는 역방향 링크의 송신기가 순방향 링크의 수신기로부터 송신하여 순방향 링크의 송신기에게 알려준 순방향 링크의 채널 속성을 이용하여 가중치 벡터를 결정한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 순방향 채널 수신기는 순방향 링크의 채널 속성을 이용하여 가중치 벡터가 결정하며, 결정된 가중치 벡터를 역방향 링크의 송신기가 순방향 링크의 수신기로부터 송신하여 순방향 링크의 송신기에게 알려준다.

가중치 벡터를 결정하는데 이용된 채널 속성은 송신기로부터 수신기로의 채널 응답과, 수신기에서 측정된 잡음 및 간섭의 공분산 매트릭스(covariance matrix)를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 송신하는 예시적인 송신기 일부를 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 MIMO 시스템의 예시적인 수신기 일부를 도시하는 도면,

도 3은 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 송신하는 예시적인 처리과정을 도시한 흐름도,

도 4는 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 송신하는 또 다른 예시적인 처리과정을 도시한 흐름도.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이다. 따라서, 당업자라면 비록 본 명세서에서 명확하게 기술되거나 도시되지는 않았더라도 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 사상 및 청구범위에 속하는 여러 가지 구성을 생각해낼 수 있을 것이다. 게다가, 본 명세서에서 기술된 모든 실시예 및 조건적인 표현들은 주로 본 발명의 원리 및 발명자에 의해 당해 기술 분야 발전에 제공된 개념들에 대한 독자의 이해를 돕기 위해 단지 교육적인 목적으로 의도된 것이며, 특정하게 기술된 그러한 실시예 및 조건들로 제한되는 것은 아니다. 더욱이, 본 발명의 특정 실시예 뿐만 아니라 본 발명의 원리, 특징 및 구현을 기술하는 본 명세서의 모든 내용들은 그 구조적 및 기능적인 등가물을 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 그러한 등가물들은 현재 알려져 있는 등가물 뿐만 아니라, 미래에 개발될 등가물, 즉 구조와는 상관없이 동일한 기능을 수행하도록 개발된 임의의 구성 요소들을 포함하도록 의도된다.

따라서, 당업자라면 예를 들어, 본 발명에서의 블록도들은 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 회로를 개념적으로 나타내고 있음을 알 것이다. 마찬가지로, 플로우차트, 흐름도, 상태 전이도, 의사코드(pseudocode) 등은 컴퓨터 판독가능 매체에서 실질적으로 표현될 수 있고, 그러므로 컴퓨터 혹은 프로세서에 의해 (그러한 컴퓨터 혹은 프로세서가 명시적으로 도시되었는지의 여부와 상관없이) 실행될 수 있는 다양한 처리과정을 나타냄을 알 것이다.

"프로세서"라고 이름붙여진 기능 블록들을 포함하는 도면들에 도시된 다양한 구성 요소들의 기능은 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행시킬 수 있는 하드웨어 뿐만 아니라 전용의 하드웨어를 이용함으로써 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 기능이 제공되는 경우, 그러한 기능은 단일의 전용 프로세서, 단일의 공유 프로세서, 또는 다수의 개별적인 프로세서들(이들 중 일부는 공유될 수 있음)에 의해 제공될 수 있다. 나아가, "프로세서" 또는 "제어기"라는 용어의 명시적인 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어만을 의미하는 것으로 해석되어서는 안되며, 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor:DSP) 하드웨어와, 소프트웨어 저장을 위한 ROM과, RAM 및 비휘발성 저장 매체를 제한없이 내포할 수 있는 것이다. 통상적으로 및/또는 관례적으로 다른 하드웨어도 포함될 수 있다. 마찬가지로, 도면들에 도시된 임의의 스위치들은 단지 개념적인 것일 뿐이다. 그들의 기능은 프로그램 논리의 동작, 전용 논리, 프로그램 제어와 전용 논리의 상호 작용을 통해 수행될 수 있고, 또는 심지어 수동적으로 각 상황에서 보다 구체적으로 이해되는 바에 따라, 구현자에 의해 선택가능한 특정 기법을 통해 수행될 수 있다.

특허 청구 범위에서, 특정 기능을 수행하는 수단으로서 표현된 임의의 구성 요소는 기능을 수행하는 임의의 방식을 포함하도록 의도되는바 예를 들면, a) 그러한 기능을 수행하는 회로 구성 요소들의 조합, 또는 b) 펌웨어, 마이크로코드 또는 이와 유사한 임의의 형태의 소프트웨어로서 그러한 소프트웨어를 실행하는 적절한 회로와 조합되어 기능을 수행하는 소프트웨어를 포함한다. 그러한 특허 청구 범위에 의해 정의된 본 발명은, 여러 가지 개시된 수단들에 의해 제공되는 기능들이 청구 범위에서 요구하는 방식으로 함께 결합된 것이다. 따라서, 본 출원인은 상술한 기능성을 제공할 수 있는 어느 수단이라도 본 명세서에서 기술된 것으로 간주한다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, 순방향 채널을 통하여 L 개의 수신기 안테나 및 역방향 채널(수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 것)을 갖는 수신기로 송신하는 N 개의 송신 안테나를 갖는 송신기를 구비한 MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 송신하는 예시적인 송신기 일부를 도시한다.도 1에는 a) 디멀티플렉서(demultiplexer:demux)(101), b) 안테나 신호 발생기(antenna signal developer)(103-1 내지 103-N)를 포함하는 안테나 신호 발생기(103), c) 가중치 공급기(105), d) 안테나(107-1 내지 107-N)를 포함하는 N 개의 안테나(107), e) 디지털/아날로그 컨버터(digital-to-analog converter:DAC)(115-1 내지 115-N)를 포함하는 디지털/아날로그 컨버터(115), 및 f) 업컨버터(upconverter)(117-1 내지 117-N)를 포함하는 업컨버터(117)가 도시되어 있다.

디멀티플렉서(101)는 입력으로서 데이터 스트림을 취하여, 입력 데이터 스트림으로부터 데이터 서브스트림들 각각으로 여러 비트들을 공급함으로써 데이터 서브스트림들을 출력으로서 공급한다. 하나의 데이터 서브스트림은 디멀티플렉서(101)에 의해 N 개의 출력들 중 하나로 공급될 수 있다. 그러나, 송신될 수 있는 비상관 신호들의 수가 감소될 때, 송신될 수 있는 비상관 신호들의 수와의 매칭을 위해 동시 송신되는 비트 스트림들의 수가 감소된다. 그러한 경우에, 이용된 특정 출력들은 구현자가 의도한 바에 달려있다. 예를 들어, 단지 처음의 Y 개의 출력-Y는 송신될 수 있는 비상관 신호들의 수-들만이 이용된다.

각 데이터 서브스트림은 안테나 신호 발생기(103)들 중 대응하는 것에 공급된다. 안테나 신호 발생기(103)들 각각은 가중치 블록들(109-1 내지 109-N) 중 하나 및 가산기들(111-1 내지 111-N) 중 하나를 포함한다. 각각의 안테나 신호 발생기(103) 내에서 그 내부의 가중치 블록들(109) 중 하나에 있는 각각의 승산기(113)에 대해 데이터 서브스트림이 공급된다.

가중치 공급기(105)는 실제로 각각의 승산기(113)에 가중치를 공급한다. 본 발명의 일실시예에서, 가중치 공급기(105)는 수신기(도시되지 않음)로부터의 역방향 채널을 통해 수신된 정보에 응답하여 가중치를 발생시킨다. 본 발명의 다른 실시예에서, 수신기에서 가중치가 발생된 후, 역방향 채널을 통해 송신기로 공급되며, 가중치가 필요하게 될 때까지 가중치 공급기(105) 내에 저장된다. 본 발명의 특징에 따라 가중치를 발생시키는 처리과정이 이하에 기술될 것이다.

각각의 승산기(113)는 수신한 서브스트림과 수신한 가중치를 승산한다. 곱셈의 결과는 각각 가산기들(111) 중 하나에 공급된다. 보다 구체적으로, 각각의 가중치 블록(109)의 R 번째 승산기에 의해 공급된 곱셈 결과는 가산기들(111)들 중 R 번째 가산기에 공급되며, 여기서 R은 1 내지 N의 범위를 갖는다. 서브스트림이 공급되지 않는 승산기들의 경우, 그들의 출력은 구현자가 원하는 어떠한 기법에 의해서라도 0이 되도록 보장된다.

각각의 가산기(111)는 입력된 신호들을 가산하고, 합산된 결과를 DAC들(115) 중 관련된 각각의 DAC에 대해 출력으로서 공급한다. 각각의 DAC(115)는 가산기(111)로부터 수신한 디지털 신호를 취하고, 그것을 아날로그 베이스밴드 신호로 변환한다. 각각의 DAC(115)에 의해 생성된 아날로그 베이스밴드 신호는 업컨버터들(117) 중 하나로 공급되고, 업컨버터는 베이스밴드 아날로그 신호를 라디오 주파수 신호로 업컨버팅한다. 업컨버터(117)에 의해 생성된 라디오 주파수 신호들은 수신기로의 방송을 위해 각각의 안테나들(107)로 공급된다.

도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 MIMO 시스템의 예시적인 수신기 일부를 도시한다. 도 2는 a) 안테나(201-1 내지 201-L)을 포함하는 L 개의 안테나(201), b) 다운컨버터(203-1 내지 203-L)를 포함하는 다운컨버터(203), c) 아날로그/디지털 컨버터(205-1 내지 205-L)를 포함하는 아날로그/디지털 컨버터(ADC)(205), d) 간섭 공분산 매트릭스 평가(estimate interference covariance matrix) 및 채널 응답 유닛(207), e) 선택적 가중치 계산기(209), 및 f) 선택적 스위치(211)를 도시한다.

각각의 안테나(201)는 라디오 신호를 수신한 후, 그것의 전기적 버전을 다운컨버터들(203) 중 관련된 각각의 다운컨버터로 공급한다. 각각의 다운컨버터(203)는 수신한 신호를 베이스밴드로 다운컨버팅하고, 결과적인 베이스밴드 신호를 ADC들(205) 중 관련된 ADC로 공급한다. 각각의 ADC(205)는 수신한 베이스밴드 아날로그 신호를 디지털 형태로 변환하고, 그 디지털 형태를 간섭 공분산 매트릭스 평가 및 채널 응답 유닛(207)에 공급한다.

간섭 공분산 매트릭스 평가 및 채널 응답 유닛(207)은 간섭 공분산 매트릭스의 평가 및 순방향 매트릭스 채널 응답의 평가를 통상적인 방법으로 발생한다. 다수의 송신 안테나 및 다수의 수신 안테나가 있으므로 매트릭스들이 필요로됨에 주의해야 한다.

간섭 공분산 매트릭스의 평가 및 순방향 매트릭스 채널 응답의 평가는 선택적인 가중치 계산기(209)로 공급되거나, 또는 역방향 채널을 통해 송신기(도 1)로 공급된다. 간섭 공분산 매트릭스의 평가 및 순방향 매트릭스 채널 응답의 평가가 가중치 계산기(209)로 공급되면, 본 발명의 특징 및 이하에 기술된 바에 따라 가중치 계산기는 사용될 가중치를 결정한 후, 결과적인 가중치를 역방향 채널을 통해 송신기(도 1)로 공급한다.

도 3은 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, L 개의 수신기 안테나를 가지며 또한 수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 역방향 채널을 가지는 수신기에 대해 송신하는 N 개의 송신 안테나를 갖는 송신기를 구비한 MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 순방향 채널을 통하여 신호를 송신하는 예시적인 처리과정을 도시한 흐름도이다. 도 3의 처리과정은 간섭 공분산 매트릭스 평가 및 채널 응답 유닛(207)에 접속된 스위치 및 다음과 같은 통신 프로토콜을 갖는 도 1 및 도 2의 하드웨어를 이용하는 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있다. 우선, 채널 특성이 안정 상태인 시간의 길이를 결정할 필요가 있다. 전형적으로, 이것은 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 시스템 개발의 시스템 엔지니어링 단계에서 시스템이 이용될 환경 측정을 이용하여 수행된다. 일단, 채널 특성이 안정 상태인 시간의 길이가 알려지면, 그 시간은 프레임으로서 간주되며, 프레임은 시간 슬롯(time slot)들로 분할된다. 각각의 프레임은 서두부(preamble)를 가지며, 이것은 1 이상의 시간 슬롯을 차지하게 된다. 프레임들(따라서 시간 슬롯들)은 본질적으로 반복된다.

도 3의 처리과정은 각 프레임의 시작부에서, 단계(301)로부터 시작된다. 다음, 단계(303)에서는 수신기에서 간섭 공분산 매트릭스 K^N및 채널 응답 H가 결정되는데, 예를 들면 순방향 링크의 수신기의 간섭 공분산 매트릭스 및 채널 응답 유닛(207)(도 2)에서 결정된다. 그런 다음, 도 3의 단계(305)에서 간섭 공분산 매트릭스 K^N및 채널 응답 매트릭스 H가 순방향 링크의 수신기에 의해 순방향 링크의 송신기로 공급되는데, 예를 들면 역방향 채널을 통해 공급된다.

단계(307)에서, 가중치 w_i= [w_i1, ..., w_iN]가 계산되는데, 예를 들면 가중치 공급기(105)(도 1)에 의해 계산되며, 여기서 i는 1 내지 N 범위의 정수이다. 보다 구체적으로, 가중치는 다음과 같이 계산된다. 우선, 매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U가 해결되는데, 여기서,

a) H는 채널 응답 매트릭스이고,

b) H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치(conjugate transpose)이며, †는 켤레 전치를 위한 잘 알려진 심볼이고,

c) K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고,

d) U는 단위 매트릭스(이 매트릭스의 각각의 열은 H^†(K^N)H의 고유벡터)이고,

e) Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스이며, 여기서 λ¹, ..., λ^M은 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들이고, M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 실제로 사용될 수 있는 서브스트림들의 수에 대응하고,

f) U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이다.

그런 다음,에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해, 잘 알려져 있는 소위 "워터필링(waterfilling)"이 고유값 λ에 대해 수행되며, 여기서,

k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스,

P는 송신된 전력,

+는 그 인자가 음수인 경우 0을 돌려주고, 인자가 양수인 경우 인자 그 자체를 돌려주는 연산자이며,

각각의는 각각의 가중치 벡터에 대한 전력을 나타내는 중간 변수이다.

새로운 매트릭스 Φ는,로서 정의되며, 여기서 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열되고, 다른 모든 엔트리들은 0임을 나타낸다. 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 바와 같이 정규화된, 즉 단위 전력에 기초한 가중치 벡터로서 이용되며, 가중치 벡터들은 개별적인 가중치 z, z_i=[z_i1,...,z_iN]로 이루어진다. 그런 다음, 가중치 벡터에 할당될 전력에 기초하여 여러 가중치을 비정규화시킴으로써 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN]가 결정되며, 여기서 j는 1 내지 N 범위의 정수이다.

단계(309)에서, 입력 데이터 스트림 S(t)(도 1)가 예컨대, 디멀티플렉서(101)에 의해 N 개의 서브스트림 S1...S_N으로 분할된다. 그런 다음, 단계(311)(도 3)에서 각각의 데이터 스트림은 가중치 벡터들 w_i1,...,w_iN각각에 의해 승산된다. 다시 말하자면, 각각의 특정 데이터 스트림 각각의 각 비트는 그 개별적인 가중치 벡터의 각 가중치에 의해 승산되어, 각각의 데이터 스트림에 대해 N 개의 가중화된 비트를 생성한다.

단계(313)에서, 각각의 서브스트림에 대해 가중화된 비트들이 각각의 안테나 가산기, 예컨대 가산기(111)에 의해 결합된다. 이와 관련하여, 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 서브스트림에 대해 제 1 가중치로부터 생성된 가중화된 비트는 제 1 안테나의 가산기에서 가산되며, 각각의 서브스트림에 대해 제 2 가중치로부터 생성된 가중화된 비트는 제 2 안테나의 가산기에서 가산되는 등의 동작이 수행된다. 전술한 내용으로부터 쉽게 알 수 있듯이, M은 실제로 이용될 수 있는 서브스트림의 수에 대응하므로, 수에 있어서 M보다 더 많은 서브스트림이 0이 될 것이다. 그러한 0 서브스트림은 가산기(111)에 의해 생성된 합에 기여하지 않는다.

그런 다음, 단계(315)에서 처리과정이 종료된다.

도 4는 본 발명의 원리에 따라, 일부 상관이 존재하는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 획득하도록, L 개의 수신기 안테나를 가지며 수신기로부터 송신기로 통신하기 위한 역방향 채널을 갖는 수신기에 대해 송신하는 N 개의 송신 안테나를 갖는 송신기를 구비한 MIMO 시스템에서 신호를 발생시켜 순방향 채널을 통하여 송신하는 다른 예시적인 처리과정을 도시한 흐름도이다. 도 4의 처리과정은 가중치 계산기(209)에 접속되는 스위치(211) 및 도 3과 관련하여 기술된 것과 같은 통신 프로토콜을 갖는 도 1 및 도 2의 하드웨어를 사용하는 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있다. 도 4의 처리과정에서, 도 1의 가중치 공급기(105)는 여러 가중치들을 계산하지는 않고, 그 대신 가중치 계산기(209)로부터 수신된 가중치들을 단지 저장만 하고, 그들을 필요에 따라 여러 승산기들(113)에 공급할 것이다.

도 4의 처리과정은 각 프레임의 시작부에서, 단계(401)로부터 시작된다. 다음, 단계(403)에서는 수신기에서 간섭 공분산 매트릭스 K^N및 채널 응답 H가 결정되는데, 예를 들면 순방향 링크의 수신기의 간섭 공분산 매트릭스 및 채널 응답 유닛(207)(도 2)에서 결정된다. 단계(405)에서는, 가중치 w_i= [w_i1, ..., w_iN]가, 예컨대 가중치 공급기(105)(도 1)에 의해 계산된다. 보다 구체적으로, 가중치들은 다음과 같이 계산된다.

우선, 매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U가 해결되는데, 여기서,

a) H는 채널 응답 매트릭스이고,

b) H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치이며, †는 켤레 전치를 나타내는 잘 알려진 심볼이고,

c) K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고,

e) Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스이며, 여기서 λ¹, ..., λ^M는 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들이고, M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 실제로 사용될 수 있는 서브스트림들의 수에 대응하고,

f) U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이다.

그런 다음,에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해, 잘 알려져 있는 소위 "워터필링"이 고유값 λ에 대해 수행되며, 여기서,

k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스,

P는 송신된 전력,

새로운 매트릭스 Φ는,로서 정의되며, 여기서 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열되고, 다른 모든 엔트리들은 0임을 나타낸다. 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 바와 같이 정규화된, 즉 단위 전력에 기초한 가중치 벡터로서 이용되며, 가중치 벡터들은 개별적인 가중치들 z, z_i=[z_i1,...,z_iN]로 이루어진다. 그런 다음, 가중치 벡터에 할당될 전력에 기초하여 여러 가중치들을 비정규화시킴으로써 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN]가 결정되며, 여기서 j는 1 내지 N 범위의 정수이다.

그런 다음, 단계(407)에서, 결정된 가중치들이 순방향 링크의 수신기에 의해 순방향 링크의 송신기로 공급되는데, 예컨대 역방향 채널을 통해 공급된다. 가중치는 가중치 공급기(105)(도 1)에 저장된다.

단계(409)(도 4)에서, 입력 데이터 스트림 S(t)(도 1)가 예컨대, 디멀티플렉서(101)에 의해 N 개의 서브스트림 S1...S_N으로 분할된다. 그런 다음, 단계(411)(도 4)에서 각각의 데이터 스트림은 가중치 벡터들 w_i1,...,w_iN각각에 의해 승산되며, 여기서 i는 1 내지 N 범위의 정수이다. 다시 말하자면, 각각의 특정 데이터 스트림 각각의 각 비트는 그 개별적인 가중치 벡터의 각 가중치에 의해 승산되어, 각각의 데이터 스트림에 대해 N 개의 가중화된 비트를 생성한다.

단계(413)에서, 각각의 서브스트림에 대해 가중화된 비트들이 각각의 안테나 가산기, 예컨대 가산기(111)에 의해 결합된다. 이와 관련하여, 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 서브스트림에 대해 제 1 가중치로부터 생성된 가중화된 비트는 제 1 안테나의 가산기에서 가산되며, 각각의 서브스트림에 대해 제 2 가중치로부터 생성된 가중화된 비트는 제 2 안테나의 가산기에서 가산되는 등의 동작이 수행된다. 전술한 내용으로부터 쉽게 알 수 있듯이, M은 실제로 이용될 수 있는 서브스트림의 수에 대응하므로, 수에 있어서 M보다 더 많은 서브스트림은 0이 될 것이다. 그러한 0 서브스트림은 가산기(111)에 의해 생성된 합에 기여하지 않는다.

그런 다음, 단계(415)에서 처리과정이 종료된다.

순방향 및 역방향 채널 양자모두를 위해 단일 채널을 공유하는 소위 "TDD(time division duplex)" 라고 불리는 시스템과 함께 사용하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에서, 채널 응답의 평가는 무선 링크의 양 단부에서 수행될 수 있다. 이는 순방향 및 역방향 채널이 동일한 주파수 채널을 공유하고 교대로 어느임의의 시간에 순방향 또는 역방향 채널로 채널을 이용하므로, 순방향 채널과 역방향 채널 간의 시간 간격(time split)이 작은 경우, 순방향 및 역방향 채널에 대한 채널 응답은 동일할 것이기 때문이다. 따라서, 역방향 채널의 수신기는 순방향 채널의 수신기에서와 동일한 채널 응답을 겪게 될 것이므로, 역방향 링크의 수신기는 순방향 링크의 수신기에 의해 이전에 수행된 모든 채널 평가를 수행할 수 있다. 마찬가지로, 순방향 채널의 수신기는 역방향 채널의 수신기에서와 동일한 채널 응답을 겪게 될 것이므로, 순방향 링크의 수신기는 역방향 링크의 수신기에 의해 이전에 수행된 모든 채널 평가를 수행할 수 있다.

본 발명에 의하면, MIMO 시스템에서 신호들을 발생시켜, 일부 상관이 있는 경우에도 그러한 상관 레벨의 채널로 달성될 수 있는 최상의 성능 및 능력을 얻을 수 있으며, 또한 여러 안테나들로부터 송신된 신호들을 처리하여 수신 신호로부터 그들을 추출하는 수신기의 능력을 향상시킬 수 있다.

Claims

순방향 채널(a forward channel)을 통하여 수신기(a receiver)-상기 수신기는 L 개의 수신기 안테나 및 역방향 채널(a reverse channel)(수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 것)을 가짐-로 송신하는 송신기(a transmitter)-상기 송신기는 N 개의 송신 안테나를 가짐-를 구비한 통신 시스템에서 신호를 송신하는 방법―상기 방법에서 상기 L 개의 수신기 안테나중 두개이상에서 수신된 상기 신호에는 상관이 존재할 수 있음―으로서,

상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신기 안테나로 송신될 수 있는 독립적인 신호들의 개수를 결정하는 단계와,

데이터 스트림으로부터, 상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신 안테나로 송신될 수 있는 상기 개수의 독립적인 신호 각각에 대해 송신될 데이터 서브스트림을 생성하는 단계와,

N 개의 가중치(weights)로 상기 서브스트림 각각을 가중화(weighting)-상기 N 개의 송신 안테나 각각에 대해 하나의 가중치로 가중화-하여 서브스트림마다 N 개의 가중화된 서브스트림을 생성하는 단계와,

상기 송신 안테나들 각각에 대한 상기 서브스트림들 각각으로부터 생성된 상기 가중화된 서브스트림을 결합하여 상기 송신 안테나들 각각에 대한 송신 신호를 생성하는 단계

를 포함하는 신호 송신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 안테나들 가운데 제 각기의 것(a respective one of said antennas)으로부터 상기 송신 신호를 송신하는 단계

를 더 포함하는 신호 송신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 역방향 채널을 통해 상기 가중치들을 수신하는 단계

를 더 포함하는 신호 송신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가중치들은 상기 수신기로부터 상기 역방향 채널을 경유하여 수신된 채널 정보 및 간섭 공분산(interference covariance)의 함수로서 상기 송신기에 의해 결정되는

신호 송신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 가중치가 매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U를 해결함으로써 결정되는바 H는 채널 응답 매트릭스이고, H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치(a conjugate transpose)이며, †는 켤레 전치를 위한 잘 알려진 심볼이고, K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고, U는 단위 매트릭스(a unitary matrix)(이 매트릭스의 각각의 열은 H^†(K^N)H의 고유벡터)이고, Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스(a diagonal matrix)로서 여기서 λ¹, ..., λ^M은 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들(eignevalues)이고 M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 상기 독립적 신호들의 수에 대응하고, U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이고,

에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해 워터필링(waterfilling)이 수행되는바 k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스이고, P는 송신된 전력이며, +는 그 인자가 음수인 경우 0을 돌려주고 인자가 양수인 경우 인자 그 자체를 돌려주는 연산자이며, 각각의는 각각의 가중치 벡터에 대한 전력을 나타내는 중간 변수이고,

매트릭스 Φ는로서 정의되는바 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열됨을 나타내는데 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 정규화된 가중치 벡터로서 이용되며 상기 가중치 벡터들은 개별적인 가중치들 z, z_i=[z_i1,...,z_iN](i는 1 내지 N의 범위의 정수)로 이루어지고,

비정규화 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN](j는 1 내지 N 범위의 정수)를 발생시키되(developing) 상기 가중치 각각은인

신호 송신 방법.
순방향 채널을 통하여 수신기-상기 수신기는 L 개의 수신기 안테나 및 역방향 채널(수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 것)을 가짐-로 송신하는 송신기-상기 송신기는 N 개의 송신 안테나를 가짐-를 갖는 통신 시스템에서 신호를 송신하는 장치―상기 장치에서 상기 L 개의 수신 안테나중 두개 이상에서 수신된 상기 신호에는 상관이 존재할 수 있음―로서,

상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신기 안테나로 송신될 수 있는 독립적인 신호들의 개수를 결정하는 수단과,

데이터 스트림으로부터, 상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신 안테나로 송신될 수 있는 상기 개수의 독립적인 신호들 각각에 대해 송신될 데이터 서브스트림을 생성하는 수단과,

N 개의 가중치로 상기 서브스트림 각각을 가중화-상기 N개의 송신 안테나 각각에 대해 하나의 가중치로 가중화-하여 서브스트림마다 N 개의 가중화된 서브스트림을 생성하는 수단과,

상기 송신 안테나들 각각에 대한 상기 서브스트림들 각각으로부터 생성된 상기 가중화된 서브스트림을 결합하여 상기 송신 안테나들 각각에 대한 송신 신호를 생성하는 수단

을 포함하는 신호 송신 시스템.
순방향 채널을 통하여 수신기-상기 수신기는 L 개의 수신기 안테나 및 역방향 채널(수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 것)을 가짐-로 송신하는 송신기-상기 송신기는 N 개의 송신 안테나를 가짐-를 갖는 통신 시스템에서 신호를 송신하는 장치―상기 장치에서 상기 L 개의 수신 안테나중 두개 이상에서 수신된 상기 신호에는 상관이 존재할 수 있음―로서,

상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신기 안테나로 송신될 수 있는 독립적인 신호들의 개수를 결정하는 수단과,

데이터 스트림으로부터, 상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신 안테나로 송신될 수 있는 상기 개수의 독립적인 신호들 각각에 대해 송신될 데이터 서브스트림을 생성하는 수단과,

N 개의 가중치로 상기 서브스트림 각각을 가중화-상기 N개의 송신 안테나 각각에 대해 하나의 가중치로 가중화-하여 서브스트림마다 N 개의 가중화된 서브스트림을 생성하는 수단과,

상기 송신 안테나들 각각에 대한 상기 서브스트림들 각각으로부터 생성된 상기 가중화된 서브스트림을 결합하여 상기 송신 안테나들 각각에 대한 송신 신호를 생성하는 수단

을 포함하는 신호 송신 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 송신기가 상기 가중치를 발생시키는 수단

을 포함하는 신호 송신 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 송신기가 상기 가중치를 저장하는 수단

을 포함하는 신호 송신 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 수신기가 상기 가중치를 발생(developing)시키는 수단

을 포함하는 신호 송신 시스템.
순방향 채널을 통하여 수신기-상기 수신기는 L 개의 수신기 안테나 및 역방향 채널(상기 수신기로부터 송신기로의 통신을 위한 것)을 가짐-로 신호를 송신하는 송신기-상기 송신기는 N 개의 송신 안테나를 가짐-를 구비한 통신 시스템에서 신호를 송신하는 송신기이되 상기 L 개의 수신 안테나중 둘이상에서 수신된 신호에는 상관이 존재할 수 있는 송신기로서,

데이터 스트림으로부터 상기 N 개의 송신 안테나에서 상기 L 개의 수신 안테나로 송신될 수 있는 독립적 신호 각각에 대해 송신될 데이터 서브스트림을 만드는 디멀티플렉서(a demultiplexor)와,

N 개의 가중치로 상기 서브 스트림 각각을 가중화-상기 N 개의 송신 안테나 각각마다 하나의 가중치로 가중화-시켜 서브스트림마다 N 개의 가중치 서브스트림을 생성하되 상기 가중치 각각은 적어도 상기 송신기와 상기 수신기간에 간섭 공분산 매트릭스 평가 및 순방향 매트릭스 채널 응답 평가의 함수인 승산기(multipliers)와,

상기 안테나 각각에 대한 상기 서브스트림 각각으로부터 생성된 상기 가중치 서브스트림들 각각을 결합하여 상기 송신 안테나 각각을 위한 송신 신호를 생성하는 가산기(adders)

를 포함하는 송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 조합 가중치 서브스트림 각각을 컨버팅하는 디지털/아날로그 컨버터(a digital to analog converter)

를 더 포함하는 송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 아날로그 컨버팅된 조합 가중치 서브스트림 각각을 라디오 조파수(radio frequencies)로 컨버팅하는 업컨버터(an upconverter)

를 더 포함하는 송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 가중치가 상기 간섭 공분산 매트릭스 평가 및 상기 수신기로부터 상기 역방향 채널을 통하여 수신된 순방향 채널 응답 평가에 응답하여 상기 송신기에서 결정되는

송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 가중치가 상기 수신기에서 결정되어 상기 역방향 채널을 통해 상기 송신기로 송신되는

송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 가중치가 매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U를 해결함으로써 결정되는바 H는 채널 응답 매트릭스이고, H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치이며, †는 켤레 전치를 위한 잘 알려진 심볼이고, K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고, U는 단위 매트릭스(이 매트릭스의 각각의 열은 H^†(K^N)H의 고유벡터)이고, Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스로서 여기서 λ¹, ..., λ^M은 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들이고 M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 상기 독립적 신호들의 수에 대응하고, U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이고,

에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해 워터필링(waterfilling)이 수행되는바 k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스이고, P는송신된 전력이며, +는 그 인자가 음수인 경우 0을 돌려주고 인자가 양수인 경우 인자 그 자체를 돌려주는 연산자이며, 각각의는 각각의 가중치 벡터에 대한 전력을 나타내는 중간 변수이고,

매트릭스 Φ는로서 정의되는바 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열됨을 나타내는데 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 정규화된 가중치 벡터로서 이용되며 상기 가중치 벡터들은 개별적인 가중치들 z, z_i=[z_i1,...,z_iN](i는 1 내지 N의 범위의 정수)로 이루어지고,

비정규화 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN](j는 1 내지 N 범위의 정수)를 발생시키되 상기 가중치 각각은인

송신기.
제 11 항에 있어서,

상기 송신기 및 수신기가 시간 분할 멀티플렉싱(Time Division Multipexing:TDD)을 이용하여 통신하고 상기 가중치가 상기 송신기를 위한 상기 역방향 링크의 상기 수신기에 의해 결정된 순방향 채널 응답 평가를 이용하여 상기 송신기에서 결정되는

송신기.
MIMO 시스템에서 이용하는 수신기로서,

L 개의 안테나와,

L 개의 다운컨버터와,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 간섭 공분산 매트릭스 평가를 결정하는 평가기(an estimator)

를 포함하는 수신기.
MIMO 시스템에서 이용하는 수신기로서,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 채널 응답 평가를 결정하는 평가기와,

상기 간섭 공분산 매트릭스 평가 및 상기 채널 응답 평가를 역방향 채널의 수신기로 송신하는 상기 역방향 채널의 송신기

를 포함하는 수신기.
MIMO 시스템에서 이용하는 수신기로서,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 간섭 공분산 매트릭스 평가를 결정하는 평가기와,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 채널 응답 평가를 결정하는 평가기와,

상기 수신기에 의해 수신되는 순방향 채널의 상기 간섭 공분산 매트릭스의 평가 및 상기 수신기에 의해 수신되는 순방향 채널의 상기 채절 응답 평가의 함수로서 상기 수신기로 데이터 서브스트림을 송신하는 상기 순방향 채널의 송신기에 의해 이용될 가중치를 계산하는 가중치 계산기(a weight calculator)

를 포함하는 수신기.
제 20 항에 있어서,

상기 가중치를 상기 역방향 채널의 수신기로 송신하는 역방향 채널의 송신기

를 더 포함하는 수신기.
MIMO 시스템에서 이용하는 수신기로서,

L 개의 안테나와,

L 개의 다운컨버터와,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 간섭 공분산 매트릭스 평가를 결정하는 평가기와,

상기 수신기에 의해서 수신되는 순방향 채널의 채널 응답 평가를 결정하는평가기와,

상기 수신기로 데이터 서브스트림을 송신하는 상기 순방향 채널의 송신기에 의해 이용될 가중치를 계산하는 가중치 계산기이되 상기 가중치가 상기 가중치 계산기에 의해 매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U를 해결함으로써 결정되는바 H는 채널 응답 매트릭스이고, H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치이며, †는 켤레 전치를 위한 잘 알려진 심볼이고, K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고, U는 단위 매트릭스(이 매트릭스의 각각의 열은 H^†(K^N)H의 고유벡터)이고, Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스로서 여기서 λ¹, ..., λ^M은 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들이고 M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 상기 독립적 신호들의 수에 대응하고, U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이고,

에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해 워터필링(waterfilling)이 수행되는바 k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스이고, P는 송신된 전력이며, +는 그 인자가 음수인 경우 0을 돌려주고 인자가 양수인 경우 인자 그 자체를 돌려주는 연산자이며, 각각의는 각각의 가중치 벡터에 대한 전력을 나타내는 중간 변수이고,

매트릭스 Φ는로서 정의되는바 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열됨을 나타내는데 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 정규화된 가중치 벡터로서 이용되며 상기 가중치 벡터들은 개별적인 가중치들 z, z_i=[z_i1,...,z_iN](i는 1 내지 N의 범위의 정수)로 이루어지고,

비정규화 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN](j는 1 내지 N 범위의 정수)를 발생시키되 상기 가중치 각각은인 상기 가중치 계산기

를 포함하는 수신기.
순방향 채널을 통하여 수신기-상기 수신기는 L 개의 수신기 안테나 및 상기 수신기로부터 송신기로 통신하는 역방향 채널을 구비함-로 송신하는 송신기-상기 송신기는 N 개의 송신 안테나를 구비함-를 갖는 통신 시스템에서 송신기 신호에 이용하는 가중치를 결정하는 방법이되 상기 L 개의 수신 안테나중 두개 이상에서 수신된 신호에 상관이 존재할 수 있는 방법으로서,

상기 신호 형성의 일부로서 상기 N 개의 안테나를 경유하여 송신된 데이터로부터 유도된 서브스트림에 대한 가중치를 결정하는 처리과정을 통하여 상기 N 개의 송신 안테나로부터 상기 L 개의 수신 안테나로 송신될 수 있는 독립 신호의 수 M 을 결정하되 상기 가중치는

매트릭스 방정식 H^†(K^N)H = U^†Λ²U를 해결함으로써 결정되는바 H는 채널 응답 매트릭스이고, H^†는 채널 응답 매트릭스 H의 켤레 전치이며, †는 켤레 전치를 위한 잘 알려진 심볼이고, K^N은 간섭 공분산 매트릭스이고, U는 단위 매트릭스(이 매트릭스의 각각의 열은 H^†(K^N)H의 고유벡터)이고, Λ는 Λ= diag(λ¹, ..., λ^M)으로 정의되는 대각 매트릭스로서 여기서 λ¹, ..., λ^M은 H^†(K^N)H의 각각의 고유값들이고 M은 0이 아닌 고유값들의 최대 수로서 상기 독립적 신호들의 수에 대응하고, U^†는 매트릭스 U의 켤레 전치이고,

에 대한 연립 방정식및를 푸는 것에 의해 워터필링(waterfilling)이 수행되는바 k는 1 내지 M 범위의 정수 인덱스이고, P는 송신된 전력이며, +는 그 인자가 음수인 경우 0을 돌려주고 인자가 양수인 경우 인자 그 자체를 돌려주는 연산자이며, 각각의는 각각의 가중치 벡터에 대한 전력을 나타내는 중간 변수이고,

매트릭스 Φ는로서 정의되는바 diag는 다양한들이 매트릭스의 주 대각선의 구성 요소로서 배열됨을 나타내는데 매트릭스 Φ의 각각의 열은 Φ=[z₁,...,z_N]로 표현되는 정규화된 가중치 벡터로서 이용되며 상기 가중치 벡터들은 개별적인 가중치들 z, z_i=[z_i1,...,z_iN](i는 1 내지 N의 범위의 정수)로 이루어지고,

비정규화 가중치 벡터 w_i=[w_i1,...,w_iN](j는 1 내지 N 범위의 정수)를 발생시키되 상기 가중치 각각은인 상기 결정 단계

를 포함하는 가중치 결정 방법.