KR20040016672A - signal processing apparatus and method of multi input multi output communication system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다수의 안테나를 송신단과 수신단에서 공히 사용하는 다중입력, 다중출력 시스템(이하 MIMO 시스템이라 약칭함)이라는 통신 시스템에서의 송/ 수신단의 신호처리 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a signal processing apparatus and method of a transmitting / receiving end in a communication system called a multiple input, multiple output system (hereinafter, referred to as MIMO system) using a plurality of antennas at both a transmitting end and a receiving end.
본 기술 분야에서는 다중 입출력 이동 통신 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.It is well known in the art that multiple input / output mobile communication systems can achieve significantly improved capabilities over single antenna systems, ie single antenna to single antenna or multiple antenna to single antenna systems.
그러나, 이러한 개선을 달성하기 위해서는 풍부한 산란 환경이 존재하여 다수의 수신 안테나에 도달하는 여러 신호들이 별반 상관되지 않는 것이 바람직하다. 만일 신호들이 어느 정도 상관을 가짐에도 그러한 상관이 무시된다면, 성능은 저하되고 능력은 감소될 것이다.However, in order to achieve this improvement, it is desirable that there is a rich scattering environment such that several signals arriving at multiple receive antennas are not significantly correlated. If the signals have some correlation and that correlation is ignored, performance will degrade and capacity will decrease.
도 1 및 도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템을 도시한 것이다.1 and 2 illustrate a multiple input / output communication system applying a conventional Per-Antenna Rate Control (PARC) method.
여기서 상기 PARC(Per Antenna Rate Control)라 함은 MIMO 시스템의 종래 기술의 하나인 Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) 시스템의 구성을 기초로 하여 수신단에서 판단한 채널 정보를 참조하여 각 안테나에서 전송될 심볼의 채널 코딩과 변조 방법을 달리하여 신호를 전송하는 방법을 말하는 것이다.Here, the PARC (Per Antenna Rate Control) is transmitted from each antenna with reference to channel information determined by the receiver based on the configuration of a Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) system, which is one of the prior arts of a MIMO system. This refers to a method of transmitting a signal by different channel coding and modulation methods of symbols.
도 1은 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단을 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a transmitting end of a multiple input / output communication system to which a conventional Per-Antenna Rate Control (PARC) method is applied.
도 1을 참조하여 상기 PARC 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 1, the operation of a transmitter of a multiple input / output communication system to which the PARC method is applied is as follows.
송신단에서 순차적으로 발생되는 고속의 데이터 스트림은 다수의 전송 안테나에서 각기 전송되도록 하기 위하여 디멀티플렉서(DEMUX)(110)에서 역다중화된다. 여기서, 역다중화라 함은 일관성 있는 데이터를 정해지는 규칙에 따라 복수의 서브 데이터로 분할하는 것을 의미한다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 2개의 안테나를 예로 들었다.The high speed data streams sequentially generated at the transmitting end are demultiplexed in the demultiplexer (DEMUX) 110 to be transmitted in each of a plurality of transmit antennas. Here, demultiplexing means dividing the consistent data into a plurality of sub data according to a predetermined rule. In FIG. 1, two antennas are taken as examples for convenience of description.
이후, 역다중화된 각 서브 스트림들은 신호 처리기(121)(122)에서 코딩과 인터리빙이 되고 심벌로 매핑 된다.Thereafter, each of the demultiplexed substreams is interleaved with coding in the signal processors 121 and 122 and mapped to symbols.
상기에서 매핑된 심벌들은 확산기(131)로 입력되어 확산 코드(Spreading Code1)가 곱해진 후 스크램블링 코드 부호에 의해 코딩된 후 각각 전송 안테나(161)(162)를 통해 송신된다.The mapped symbols are input to the spreader 131, multiplied by a spreading code, and then coded by a scrambling code code, and then transmitted through the transmission antennas 161 and 162, respectively.
만일 사용자가 확산 코드로 구분되는 10개의 채널을 점유한다면 도1과 같이 분할된 각각의 서브 스트림을 다시 10개로 분할하여 각각의 분할된 데이터 심벌들은 확산기(131~133)로 입력되어 각각의 확산 코드들(Spreading Code 1~10)이 곱해진 후 합산기(141)(142)에 의해 다시 합해지고 스크램블링 코드 부호에 의해 코딩된 후 각각 전송 안테나(161)(162)를 통해 송신된다. 여기서 통상 스크램블링 코드는 사용자당 하나를 할당하게 된다. 각 전송 안테나(161)(162)에 할당되는 비트 수는 지정된 데이터 속도에 따라서 다를 수 있다.If the user occupies 10 channels divided by spreading codes, each of the divided substreams is further divided into 10 pieces as shown in FIG. 1, and the respective divided data symbols are input to the spreaders 131 to 133, respectively. Are multiplied by the spreaders 141 and 142 and then coded by the scrambling code codes and then transmitted through the transmit antennas 161 and 162, respectively. Here, the normal scrambling code is assigned one per user. The number of bits allocated to each of the transmit antennas 161 and 162 may vary depending on the designated data rate.
상기에서 코딩은 단지 시간적 차원에서만 이루어지므로 Single-rate 시스템에서 사용되는 Space-time 코딩처럼 데이터 복원 성능이 강력하지 않지만, 시간 영역에서의 코딩은 Post-decoding interference cancellation을 허용하며 이로 인해 수신기의 성능을 향상시킨다.Although coding is only performed in the temporal dimension, data reconstruction performance is not as powerful as space-time coding used in single-rate systems, but coding in the time domain allows for post-decoding interference cancellation, thereby reducing the performance of the receiver. Improve.
도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단을 나타낸 구성도이다.2 is a block diagram illustrating a receiver of a multiple input / output communication system to which a conventional PARC (Per-Antenna Rate Control) method is applied.
도 2를 참조하여 상기 PARC 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to Figure 2 describes the operation of the receiver of the multiple input and output communication system applying the PARC method as follows.
도 1의 송신단에서 데이터가 역다중화 된 후에 스크램블링 코드로 코딩되면 각 전송 안테나별 신호들은 도2의 수신단에서 독립적으로 디코딩 될 수 있다.If data is demultiplexed at the transmitting end of FIG. 1 and then coded with a scrambling code, signals for each transmitting antenna may be independently decoded at the receiving end of FIG. 2.
즉, 도 2에서 수신 안테나(211)(212)에서 수신된 심볼에 대해 심볼 검출기(230)에서 최소평균오차측정(MMSE : Minimum Mean Square Error) 방법으로 각 채널의 심볼이 추정된 후 역확산기(241)(242)와 멀티플렉서(250)에 의해 역확산과 다중화되어 하나의 안테나에 대한 신호가 검출되고 그 검출된 신호는 신호 처리기(260)에서 재할당(demap.), 디인터리빙(deinterleave), 디코딩 된다.That is, in FIG. 2, a symbol of each channel is estimated by a minimum mean square error (MMSE) method in a symbol detector 230 with respect to the symbols received by the reception antennas 211 and 212, and then despreader ( 241) 242 and multiplexer 250 despread and multiplex to detect a signal for one antenna, and the detected signal is de-assigned, deinterleaved, Decoded.
이후, 디코딩된 비트들을 기초로 하여 신호 제거기(270)에서 안테나에 대한 신호가 재구성되고 버퍼에 저장된 수신 신호로부터 제거된다.The signal for the antenna is then reconstructed in the signal canceller 270 based on the decoded bits and removed from the received signal stored in the buffer.
다른 안테나의 신호에 대하여도 동일한 방법과 동일한 경로로 처리되어 결국결합기(280)에 의해 결합되게 된다.Signals from other antennas are processed in the same way and in the same path, and are then combined by the combiner 280.
한편, PARC는 Lucent에 의해 제안된 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access : 고속 하향 패킷 접속)을 위한 MIMO 시스템 기술로서, V-BLAST와 달리 각 전송 안테나별로 다른 데이터 전송 속도를 사용할 수 있도록 하여 전송 용량을 증가시킨다. 이때 송신단에서는 각 전송 안테나별로 독립적으로 인코딩된 신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, PARC is a MIMO system technology for HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) proposed by Lucent. Unlike V-BLAST, PARC allows different data rates to be used for different transmission antennas. Increase. At this time, the transmitting end is characterized in that for transmitting the signal independently encoded for each transmission antenna.
이러한 PARC 시스템은 각 안테나마다 데이터 전송 속도(변조(Modulation)과 코딩(Coding))가 다를 수 있다는 점에서 이전의 Single-rate MIMO 기술인 V-BLAST 시스템과는 다르다. 즉, PARC 시스템은 각 안테나별로 독립적으로 데이터 전송 속도를 제어할 때 좀더 세밀하게 제어하는 것이 가능하며 이는 전체 시스템의 실질 전송 용량(Throughput)을 높일 수 있도록 한다. 이 경우, 안테나별 채널의 상태를 알려주기 위해 필요한 비트 수는 Single rate MIMO 시스템을 위해 제안된 기술들보다 많이 필요하지만, 기준이 되는 집합을 정할 수 있다.The PARC system differs from the previous single-rate MIMO technology, V-BLAST system, in that the data transmission rate (modulation and coding) may be different for each antenna. That is, the PARC system can control more precisely when controlling the data transmission rate independently for each antenna, which can increase the actual transmission capacity of the entire system. In this case, the number of bits needed to inform the state of each antenna channel is required more than the techniques proposed for the single rate MIMO system, but a reference set can be determined.
다시 말해서, PARC 시스템에서는 각 안테나에서 유효한 MCS(Modulation & Coding Scheme) 세트를 결정하기 위해 수신 안테나에서 수신된 각 송신 안테나의 SINR(Signal to Interference Noise Ratio : 간섭 신호 및 잡음 대 신호비)을 계산하도록 한다.이 때 각 안테나에서 사용하는 채널 코딩과 변조 방법을 선택하기 위하여 각 안테나에서는 수신되는 SINR을 측정하고 그 값을 기초로 각 안테나에서 사용할 채널 코딩과 변조 방법의 조합을 선택하도록 한다.In other words, the PARC system calculates the Signal to Interference Noise Ratio (SINR) of each transmitting antenna received at the receiving antenna in order to determine a valid Modulation & Coding Scheme (MCS) set at each antenna. In this case, in order to select a channel coding and modulation method used in each antenna, each antenna measures received SINR and selects a combination of channel coding and modulation methods to be used in each antenna based on the value.
표 1 및 표 2는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나로 이루어진 MIMO 시스템에 있어서 전송되는 데이터의 전송 속도와 MCS 조합의 예를 나타낸 것이다.Table 1 and Table 2 show examples of the transmission rate and the MCS combination of data transmitted in a MIMO system consisting of four transmit antennas and four receive antennas.
즉, 표 1에 있어서 변조방법이 16QAM에 의하고, 코딩 레이트(rate)가 3/4인경우가 가장 빠른 데이터 전송 속도를 보이고 있으며, 이는 단위 주파수당 전송 bit수가 3에 해당되는 것이다. 또한, 이러한 경우는 상기 수신 안테나에서 계산된 SINR이 가장 큰 경우와 매칭된다고 할 수 있다.That is, in Table 1, when the modulation method is 16QAM and the coding rate is 3/4, the fastest data transmission rate is shown, which corresponds to 3 transmission bits per unit frequency. In this case, it can be said that the SINR calculated by the reception antenna is matched with the largest case.
다음으로는 변조방법이 16QAM에 의하고, 코딩 레이트가 1/2인 경우 다음으로 빠른 데이터 전송 속도를 보이며, 이는 단위 주파수당 전송 비트수가 2에 해당된다. 이와 같이 변조방법 및 코딩레이트에 의해 일정하게 단위 주파수당 전송 비트수가 결정되며, 상기 단위 주파수당 전송 비트수는 표 2에서의 4개의 송신 안테나에 각각 할당된다.Next, when the modulation method is 16QAM and the coding rate is 1/2, the next fastest data transmission rate is shown, which corresponds to 2 transmission bits per unit frequency. In this way, the number of transmission bits per unit frequency is constantly determined by the modulation method and the coding rate, and the number of transmission bits per unit frequency is allocated to the four transmission antennas in Table 2, respectively.
표 2는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 사용하는 시스템에서 전송속도 조합의 예를 나타내는 것으로, 인덱스(index) 1은 4개의 송신안테나 각각의 단위 주파수당 전송 비트수가 모두 3인 경우를 나타낸 것이며 그 데이터 전송속도가 28.8로 가장 빠르게 되는 것이다.Table 2 shows an example of a combination of transmission rates in a system using four transmit antennas and four receive antennas, and index 1 represents a case where all three transmit bits per unit frequency of four transmit antennas are three. The data rate is the fastest at 28.8.
이러한 4 by 4 PARC시스템(송신안테나와 수신안테나의 수가 4개인 PARC시스템)에 있어서 송신단과 수신단의 거리가 가까워 그 채널 상황이 양호한 인덱스 1 부터 38까지는 4개의 송신 안테나를 모두 사용하여 데이터를 전송할 수 있으나, 송신단과 수신단의 거리가 상대적으로 멀어 그 채널 상황이 불량한 인덱스 39 부터 54까지는 4개의 송신 안테나 중에서 상기 단위 주파수당 전송 비트수가 높은 2개의 안테나를 선택하여 데이터를 전송하게 된다.In such a 4 by 4 PARC system (a PARC system having 4 transmitting antennas and 4 receiving antennas), the distance between the transmitting end and the receiving end is close, so that the data can be transmitted using all four transmitting antennas from indexes 1 to 38 where the channel condition is good. However, indexes 39 to 54 where the distance between the transmitting end and the receiving end are relatively far and the channel conditions are poor, select two antennas having a high number of transmission bits per unit frequency from four transmitting antennas and transmit data.
그러나, 종래 기술은 송신단에서 각 송신 안테나에서 전송할 MCS 세트를 결정하는데 있어서, 수신단에서 각 송신 안테나의 SINR을 보고 결정하도록 되어 있으므로 각 안테나에 대해 SINR을 결정하는 계산을 해야 하지만, 각 안테나의 SINR을 계산한 후 MCS 세트(set)를 결정하기 위한 알고리즘이 명확하게 제시되어 있지 않다. 또한, 종래 기술은 실험을 통해 얻은 테이블만으로 송신단의 각 안테나의 변조(modulation) 및 코딩(coding)을 결정하는 경우 모든 채널 상황을 고려할 수 없고 아울러 각 송신 안테나의 SINR을 추정하여 송신단의 각 안테나의 변조 및 코딩을 결정한다 하여도 각 안테나에서의 SINR을 계산하는 것이 수월치 않고 각 송신 안테나의 SINR이 비교적 빠르게 변할 수 있기 때문에 귀환 속도를 빨리 변경하여야 하는 어려움이 있다.However, in the prior art, when the transmitting end determines the MCS set to be transmitted by each transmitting antenna, the receiving end needs to look at and determine the SINR of each transmitting antenna. Therefore, the SINR of each antenna needs to be calculated. The algorithm for determining the MCS set after calculation is not clearly presented. In addition, in the prior art, when determining modulation and coding of each antenna of a transmitting end using only a table obtained through experiments, all channel conditions cannot be considered, and the SINR of each transmitting antenna is estimated to estimate each antenna of the transmitting end. Even when the modulation and the coding are determined, it is difficult to calculate the SINR at each antenna and the SINR of each transmitting antenna can change relatively quickly.
또한, 종래 기술은 송신단에서 발생한 data를 각 송신 안테나에 나눠주도록 serial-to-parallel 단을 두어 각 송신 안테나에서 서로 독립적인 신호가 송신되도록 한다. 그리고 수신단에서 신호 처리를 사용하여 각 송신 안테나에서 송신된 신호를 검출하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 실제 상황에서는 송신 안테나 어레이의 각 송신 안테나 간에 어느 정도의 상관 (correlation)이 존재하게 되고 아울러 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 간에도 어느 정도의 상관이 존재하여 송/수신 각 안테나의 독립성 뿐 아니라 상관성도 어느 정도 존재하게 된다. 따라서 기존 기술은 다수의 안테나가 송/수신단 공히 존재하는 시스템에서 송신 안테나에서 각각 다른 심볼을 전송하고자 하는 경우 실제 상황에서 발생하는 안테나 간의 상관성를 극복해야만 한다.In addition, the prior art has a serial-to-parallel stage to divide the data generated at the transmitting end to each transmitting antenna so that signals independent of each other are transmitted from each transmitting antenna. In addition, a method of detecting a signal transmitted from each transmitting antenna is used by the signal processing at the receiving end. However, in practice, there is some correlation between each transmit antenna of the transmit antenna array and some correlation between receive antennas of the receive antenna array. It will exist. Therefore, the existing technology has to overcome the correlation between antennas in a real situation when a different antenna is to be transmitted from a transmitting antenna in a system in which multiple antennas exist in both transmitting and receiving terminals.
결국 종래 기술에서 각 안테나의 채널 상황을 감안하여 수신단에서 수신단 각 안테나에서 수신되는 신호의 신호 대 간섭 잡음비를 추정하여 각 송신 안테나에서 전송할 신호의 채널 코딩과 변조 방법을 선택하도록 하지만 실제로 신호 대 간섭 잡음비를 각 안테나에서 정확히 추정하는 것이 어려우며 아울러 이렇게 각 송신 안테나의 채널 상황을 감안한다 하더라도 송신 안테나 어레이의 안테나 끼리의 간섭 및 상관을 근본적으로 제거하기는 어렵다.After all, in the prior art, considering the channel situation of each antenna, the receiving end estimates the signal-to-interference noise ratio of the signal received at each antenna at the receiving end to select the channel coding and modulation method of the signal to be transmitted at each transmitting antenna, but actually the signal-to-interference noise ratio It is difficult to accurately estimate the frequency at each antenna, and even considering the channel conditions of each transmitting antenna, it is difficult to fundamentally eliminate interference and correlation between antennas of the transmitting antenna array.
본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로, 다수의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 무선 통신 시스템에 있어서 수신단에서 무선 채널의 상태에 대한 행렬(이하 '채널 행렬'이라 한다)의 고유치 분리를 통해 얻은 고유치들의 상대적인 비교를 통해 송신단의 각 안테나에 귀속되는 채널의 상황에 맞게 다른 변조 방식 또는 변조 및 코딩의 조합을 결정하고, 상기 채널 행렬의 고유벡터를 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼에 곱하여 전송하게 함으로써, 상기 심볼의 독립성을 유지하도록 하는 다중 입출력 통신 시스템의 신호처리 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a multiple input / output wireless communication system using a plurality of transmit antennas and a plurality of receive antennas, a matrix for a state of a radio channel at a receiving end (hereinafter referred to as a 'channel matrix') is described. By comparing the eigenvalues obtained through eigenvalue separation, we determine different modulation schemes or combinations of modulation and coding according to the situation of the channel attributable to each antenna of the transmitter, and transmit the eigenvectors of the channel matrix at each transmit antenna. It is an object of the present invention to provide a signal processing apparatus and method of a multiple input / output communication system which maintains the independence of the symbol by multiplying the transmitted symbol.
도 1은 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 송신단을 나타낸 구성도.1 is a block diagram illustrating a transmitting end of a multiple input / output communication system to which a conventional Per-Antenna Rate Control (PARC) method is applied.
도 2는 종래의 PARC(Per-Antenna Rate Control) 방법을 적용한 다중 입출력 통신 시스템의 수신단을 나타낸 구성도.2 is a block diagram illustrating a receiver of a multiple input / output communication system to which a conventional Per-Antenna Rate Control (PARC) method is applied.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 구성도.3 is a configuration diagram of a multiple input / output communication system employing a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110 : 디멀티플렉서121,122,260 : 신호 처리기110: demultiplexer 121,122,260: signal processor
131~133 : 확산기141,142 : 합산기131 ~ 133: Diffuser 141,142: Totalizer
151,152 : 스크램블러230 : 심볼 검출기151,152: scrambler 230: symbol detector
241,242 : 역확산기250, 450 : 멀티플렉서241,242: despreader 250, 450: multiplexer
270 : 신호 제거기 300 : 송신단270: signal canceller 300: transmitter
310 : 송신 안테나320 : 결정부310: transmitting antenna 320: determination unit
400 : 수신단410 : 수신 안테나400: receiving end 410: receiving antenna
460 : 채널 추정기470 : 고유치 분해기460: channel estimator 470: eigenvalue decomposition
500 : MIMO 채널500: MIMO channel
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 방법은, 전송 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하는 제 1단계와, 상기에서 분리된 채널 행렬의 고유치들을 상대 비교하여 각 송신 안테나별로 전송할 심볼의 변조 방식을 결정하는 제 2단계와, 상기에서 분리된 채널 행렬의 고유벡터들을 각 송신 안테나별로 전송할 각각의 심볼에 곱하여 전송하는 제 3단계로 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a signal processing method in a multiple input / output communication system according to the present invention includes a first step of estimating a channel matrix from a signal vector of a transmission symbol and separating an eigenvalue and an eigenvector of the channel matrix; A second step of determining a modulation scheme of a symbol to be transmitted for each transmit antenna by comparing the eigenvalues of the separated channel matrices; and multiplying and transmitting the eigenvectors of the separated channel matrix to each symbol to be transmitted for each transmit antenna. It is characterized by consisting of three steps.
또한, 제 2단계는 심볼의 변조 방식과 함께 코딩 방식을 결정하는 것이 포함되며, 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단하는 과정이 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, the second step includes determining a coding scheme together with a modulation scheme of symbols, and comparing the eigenvalues and then blocking symbol transmission from the corresponding antenna by excluding eigenvalues smaller than a specific threshold. It is characterized by.
또한, 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 제 3단계와, 상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 제 4단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.Further, a third step of multiplying the eigenvectors of the estimated channel matrix by multiplying the eigenvectors by multiplying the conjugates of the eigenvectors by the estimated symbol is performed by a zero forcing or a minimum mean error measurement method. A fourth step of detecting the first symbol before multiplying is further included.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 방법은, 전송 심볼의 신호 벡터로부터 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하는 제 1단계와, 상기에서 분리된 각 채널 행렬의 고유치를 미리 저장된 변조 방식 설정 테이블과 비교하여 각 송신 안테나별 변조 및 코딩 방식을 결정하는 제2 단계와, 상기에서 분리된 채널 행렬의 고유벡터들을 각 송신 안테나별로 전송할 각각의 심볼에 곱하여 전송하는 제 3단계로 이루어짐을 특징으로 한다. 또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 장치는, 각 송신 안테나별로 전송할 심볼들에 대해 최소한 2 이상의 변조 방식을 적용되고 그에 따른 각각의 심볼들에 웨이트벡터가 곱해져 복수의 안테나를 통하여 상기 심볼들이 전송되는 송신단과, 상기 복수의 안테나를 통하여 전송되는 신호의 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하며, 상기 분리한 고유치 및 고유벡터를 상기 송신단에 귀환시키는 수신단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, in order to achieve the above object, a signal processing method in a multiple input / output communication system according to another embodiment of the present invention includes estimating a channel matrix from a signal vector of a transmission symbol and separating an eigenvalue and an eigenvector of the channel matrix. Step 1 and a second step of determining the modulation and coding scheme for each transmit antenna by comparing the eigenvalues of the separated channel matrix with a pre-stored modulation scheme setting table, and the eigenvectors of the separated channel matrix And a third step of multiplying and transmitting each symbol to be transmitted for each transmission antenna. In addition, in order to achieve the above object, a signal processing apparatus in a multiple input / output communication system according to the present invention applies at least two or more modulation schemes to symbols to be transmitted for each transmit antenna, and a weight vector is applied to each symbol. Multiply and estimate a channel matrix of a transmitting end through which the symbols are transmitted through a plurality of antennas and a signal transmitted through the plurality of antennas, and separate eigenvalues and eigenvectors of the channel matrix; And a receiving end for feeding back to the transmitting end.
또한, 상기 웨이트벡터는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터이며, 상기 송신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유치의 상대적인 크기에 따라 각 송신 안테나별로 적용할 변조 방식을 결정하는 결정부가 포함되는 특징으로 한다.The weight vector may be an eigenvector of the estimated channel matrix, and the transmitter may include a determiner for determining a modulation scheme to be applied to each transmit antenna according to a relative size of the eigenvalue of the estimated channel matrix.
또한, 상기 결정부는 변조 방식과 함께 코딩 방식을 결정하며, 각 고유치를 상대 비교한 후 특정 문턱값 보다 작은 고유치를 제외하여 해당 안테나로부터의 심볼 전송을 차단한 후 나머지 고유치에 대해 크기별로 높은 차수의 변조 및 코딩 방식을 할당하도록 구성하고, 상기 귀환 받은 채널 행렬의 고유치를 미리 저장된 변조 방식 설정 테이블과 비교하여 각 송신 안테나별 변조 및 코딩 방식을 결정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the decision unit determines a coding scheme together with a modulation scheme, and compares each eigenvalue, and blocks the symbol transmission from the corresponding antenna by excluding an eigen value smaller than a specific threshold value, and then selects a higher order by size for the remaining eigenvalues. It is configured to allocate a modulation and coding scheme, and the modulation and coding scheme for each transmitting antenna is determined by comparing the eigenvalue of the feedback channel matrix with a previously stored modulation scheme setting table.
또한, 상기 수신단에는 상기 추정된 채널 행렬의 고유벡터들이 곱해져서 전송되는 심볼들이 제로 포싱 또는 최소평균오차측정방법에 의해 추정되는 수단과, 상기 추정된 심볼에 상기 고유벡터들의 켤레값들을 곱해 상기 고유벡터가 곱해지기 전의 최초 심볼이 검출되는 수단이 포함되는 것을 특징으로 한다.The receiver may further multiply the eigenvectors of the estimated channel matrix by multiplying the transmitted symbols by means of zero forcing or a minimum mean error measurement method, and multiplying the pair of values of the eigenvectors by the estimated symbol. Means for detecting the first symbol before the vector is multiplied.
이와 같은 본 발명에 의하면, 각 심볼이 각 안테나에서 독립적으로 전송되도록 하기 위해 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 구한 고유 벡터 들을 각 심볼에 곱해서 전송하도록 하고, 아울러 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 feedback 받아서 채널 상황이 좋은 안테나에 대해서는 higher order modulation 을 사용하고 채널 상황이 좋지 않은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 사용하여 시스템 전체적으로 throughput을 늘리고 아울러 통신 품질을 향상 시키는데 기여한다.According to the present invention, in order to transmit each symbol independently at each antenna, the eigenvectors obtained through the eigenvalue separation of the channel matrix are multiplied by each symbol, and the channel state of each antenna is fed back from the receiver to receive the channel. Higher order modulation is used for good antennas and lower order modulation for antennas with poor channel conditions, which contributes to increased throughput and improved communication quality throughout the system.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 구성도이다.3 is a configuration diagram of a multiple input / output communication system employing a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 구성을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 3, a configuration of a multiple input / output communication system employing a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
먼저 본 발명은 폐루프 다중 입출력 이동 통신 시스템을 가정하였다. 아울러 FDD 시스템을 가정하였다. 따라서 송신단에서 수신단까지의 이동 채널 상황을 알 수 없기 때문에 순방향 채널의 상황을 수신단에서 피드백(feedback)하는 것을 가정하였다. 물론 TDD 시스템에서는 순방향 채널과 역방향 채널이 동일하기 때문에 수신단에서 별도의 피드백을 하지 않아도 송신단에서 순방향 채널을 추정할 수 있다.First, the present invention assumes a closed loop multiple input / output mobile communication system. The FDD system is also assumed. Therefore, it is assumed that the feedback state of the forward channel is feedback from the receiver because the mobile channel condition from the transmitter to the receiver is unknown. Of course, since the forward channel and the reverse channel are the same in the TDD system, the forward channel can be estimated by the transmitter without additional feedback from the receiver.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 우선 M개의 송신 안테나(310), N개의 수신 안테나(410)를 가진 MIMO 시스템을 가정한다. M개의 송신 안테나(310)를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터가 수신단(400)에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬(500)을 H라고 할 때 수신단(400)에서 채널 행렬(500)을 추정한 후 수신단(400)에서 고유치 분리를 통해 분리된 각 고유치들과 고유벡터 값들을 송신단으로 귀환(feedback) 하거나 혹은 고유치 값들의 비교를 통해 송수신단 미리 약속된 변조(modulation) 할당 table을 가지고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조에 해당하는 index를 귀환할 수도 있을 것이다.In describing an embodiment of the present invention, first, a MIMO system having M transmit antennas 310 and N receive antennas 410 is assumed. The receiver 400 estimates the channel matrix 500 when the mobile communication channel matrix 500 passed through the M transmit antennas 310 before being received by the receiver 400 is H. Then, the receiver 400 feeds back the eigenvalues and eigenvector values separated by the eigenvalue separation to the transmitter or compares the eigenvalues and has a predetermined modulation assignment table. The index corresponding to the modulation to be used in each antenna may be returned.
본 발명에 의한 신호처리 장치는 각 송신 안테나(310)별로 전송할 심볼들에대해 최소한 2 이상의 변조 방식을 적용되고 그에 따른 각각의 심볼들에 웨이트벡터가 곱해져 복수의 안테나를 통하여 상기 심볼들이 전송되는 송신단(300)과, 상기 복수의 안테나를 통하여 전송되는 신호의 채널 행렬을 추정하고 그 채널 행렬의 고유치 및 고유벡터를 분리하며, 상기 분리한 고유치 및 고유벡터를 상기 송신단에 귀환시키는 수신단(400)으로 이루어진다.In the signal processing apparatus according to the present invention, at least two modulation schemes are applied to symbols to be transmitted for each transmit antenna 310, and the weight vectors are multiplied by the respective symbols to transmit the symbols through a plurality of antennas. A receiver 400 for estimating a channel matrix of a signal transmitted through the plurality of antennas and the plurality of antennas, separating eigenvalues and eigenvectors of the channel matrix, and returning the separated eigenvalues and eigenvectors to the transmitter; Is done.
여기서, 상기 송신단에는 송신 안테나에서 각각 독립적인 심볼을 전송하는 기존의 시스템과 달리 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱해서 전송하는 시스템이므로 도3에 도시한 대로 송신단에서 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱하는 부분(330)을 포함하고 있다. 아울러 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값들을 계산한 이 후 각 안테나에 할당할 변조 방식을 결정하는 블록 즉, 결정부(320)도 포함된다.Here, since the transmitter is a system for multiplying each symbol by a weight vector, unlike a conventional system for transmitting independent symbols from a transmitting antenna, the transmitter multiplies each symbol by a weight vector as shown in FIG. 3. It includes. In addition, a block that determines the modulation scheme to be allocated to each antenna after calculating the eigenvalues through eigenvalue separation of the channel matrix, that is, the decision unit 320 is also included.
상기 각 안테나에 modulation을 할당하는 결정부(320)는 송수신단 미리 약속한 table일 수도 있고 혹은 송수신단 공히 알고 있는 알고리즘을 포함하는 블록일 수도 있으며, 상기 웨이트 벡터는 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유벡터이다.The determining unit 320 for allocating modulation to each antenna may be a table previously promised by a transceiver or a block including an algorithm known to the transceiver. The weight vector may be obtained by eigen separation of a channel matrix. Eigenvectors.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 송신단에(300)서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 신호를 전송한 경우 수신단(400)에서의 신호 처리를 위해 다음과 같이 수신단을 구성하도록 한다.In addition, as shown in FIG. 3, when a signal is transmitted by beamforming the symbols at the transmitter 300, the receiver is configured as follows for signal processing at the receiver 400.
우선 일반적으로 잘 알려진 제로포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정 (MMSE) 방법으로 송신단에서 각 심볼에 빔형성을 실시하여 생성한 신호 벡터를 추정하는 블록(420)과 그 블록을 통과한 신호 벡터에다 송신단에서 각 심볼에 곱한웨이트 벡터들의 conjugate값들을 곱해 각 심볼을 검출(detection)하는 블록(430)으로 구성하도록 한다. 아울러 각 송신 안테나에서 전송된 심볼에 해당하는 변조(modulation)에 맞게 복조(demodulation)하는 블록(440)을 통하여 결국 송신단에서 전송한 비트(bit)들을 알아내고 송신단에서 송신한 bit stream들을 재 구성하기 위해 멀티플렉서(450)를 통해 multiplexing 하도록 한다.First, a block 420 for estimating a signal vector generated by performing beamforming on each symbol at a transmitting end using a commonly known zero-forcing or minimum mean error measurement (MMSE) method and a signal passing through the block The vector is multiplied by the conjugate values of the weight vectors multiplied by each symbol at the transmitting end to configure a block 430 for detecting each symbol. In addition, through the block 440 demodulating according to the modulation (modulation) corresponding to the symbol transmitted from each transmit antenna to find the bits transmitted from the transmitting end and reconstruct the bit streams transmitted from the transmitting end In order to perform multiplexing through the multiplexer 450.
또한, 도 3에서는 수신단에서 채널 행렬 추정기(460)를 통해 채널 행렬을 추정한 후, 수신단에서 고유치 분해기(470)를 통해 상기 채널 행렬을 고유치 분해하고, 이를 통해 분리된 각 고유치들과 고유벡터 값들을 송신단으로 피드백하는 다중 입출력 이동 통신 시스템을 나타내고 있으나, 수신단에서 추정한 채널 행렬 전체를 송신단으로 귀환하여, 송신단의 안테나 수 혹은 그 보다 적은 수의 심볼에 각각 곱해 줄 웨이트 벡터를 구하기 위한 채널 행렬을 송신단에서 고유치 분해 (Eigen-decomposition)를 하는 다중 입출력 이동 통신 시스템도 있을 수 있다.In addition, in FIG. 3, after estimating the channel matrix through the channel matrix estimator 460 at the receiving end, the eigenvalue decomposition of the channel matrix is performed through the eigenvalue decomposition unit 470 at the receiving end. A multi-input I / O mobile communication system is provided for feeding back to the transmitter, but the channel matrix for returning the entire channel matrix estimated by the receiver to the transmitter and multiplying the number of antennas or fewer symbols of the transmitter by the channel matrix is obtained. There may be a multiple input / output mobile communication system that performs eigen-decomposition at the transmitter.
다음으로는 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 의한 신호처리 장치가 채용된 다중 입출력 통신 시스템의 동작을 상세히 설명하도록 한다.Next, the operation of the multiple input / output communication system employing the signal processing apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 will be described in detail.
종래 BLAST 송신단은 M개의 송신 안테나를 사용할 경우 다음과 같이 M개의 심볼로 구성된 신호 벡터 a를 구성하고, 그 각각의 심볼을 각각 다른 송신 안테나로 전송하도록 한다.When the conventional BLAST transmitter uses M transmit antennas, it configures a signal vector a consisting of M symbols as follows and transmits each symbol to a different transmit antenna.
본 발명은 실제 상황에서 존재하는 안테나 간의 상관성 및 심볼간의 상관성이 존재하는 상황에서 각 심볼이 독립된 채널로 전송되도록 하기 위해 송신단이 안테나 어레이로 구성되어 있는 것을 착안하여, 각 심볼에 대해 채널 행렬의 고유 벡터를 곱해서 각 심볼이 전송되도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention contemplates that the transmitting end is composed of an antenna array so that each symbol is transmitted on an independent channel in a situation where there is a correlation between antennas and a correlation between symbols existing in a real situation. The symbols are transmitted by multiplying the vectors.
아울러 본 발명은 다수 입출력 통신 시스템에서 수신단에서 추정하는 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 각 고유치 값들의 크기를 살펴본 후 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는 64QAM 또는 16QAM 등의 higher order modulation을 사용하도록 하고 상대적으로 고유치 값이 작은 안테나에 대해서는 BPSK 혹은 QPSK 등의 낮은 order의 변조(modulation)을 사용하도록 하는데 있다.In addition, the present invention examines the magnitude of each eigen value by separating the eigenvalues of the channel matrixes estimated by the receiver in multiple input / output communication systems, and then uses higher order modulation such as 64QAM or 16QAM for the antenna having a large eigenvalue. It is intended to use low order modulation such as BPSK or QPSK for small antennas.
다시 말하면 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조를 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조를 결정하도록 하는 것이다. 이 경우 수신단에서도 송신단에서 결정한 각 송신 안테나별로 사용하기 위한 변조 방식을 알기 위해서 송신단에 탑재된 동일한 알고리즘을 탑재하여야 한다.In other words, the symbols transmitted from each transmitting antenna do not use the same modulation, but the channel state of each antenna is returned from the receiver to determine the modulation to be used in each antenna according to the channel condition. In this case, the receiving end should also be equipped with the same algorithm mounted on the transmitting end to know the modulation scheme to use for each transmitting antenna determined by the transmitting end.
또한, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유치 값들이 특정 값 이하로 작은 안테나에 대해서는 아예 심볼을 전송하지 않도록 하여 송신 안테나에서 전송한 심볼이 수신단에서 에러를 유발할 가능성을 미리 배제하도록 한다.In addition, the eigenvalues obtained through the eigenvalue separation of the channel matrix are not transmitted at all for antennas whose eigenvalues are smaller than or equal to a specific value, thereby preliminarily excluding a possibility that a symbol transmitted from a transmitting antenna causes an error at a receiving end.
이렇게 하더라도 채널 상황이 좋은 안테나에 higher order modulation을 사용하도록 심볼을 할당할 것이기 때문에 오히려 전체 송신 안테나에서 전송할 bit 수는 늘어나 시스템 처리율(throughput)을 늘리는데 오히려 도움을 줄 것이고 아울러 심볼을 전송해 봐야 소용없는 안테나에서는 심볼이 전송되지 않도록 미리 송신단에서 처리함으로써 전체적인 통신 품질을 향상시킬 수 있다.Even though this will assign symbols to higher order modulation for antennas with good channel conditions, the number of bits to be transmitted on the entire transmit antenna will increase, which will help to increase the system throughput. In the antenna, the overall communication quality can be improved by processing at the transmitter so that symbols are not transmitted.
즉 수신단에서 채널 행렬을 추정한 후 수신단에서 고유치 분리를 통해 분리된 각 고유치들을 송신단으로 귀환시키거나 혹은 고유치 값들의 비교를 통해 송수신단 미리 약속된 변조 할당 테이블을 가지고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조방식에 해당하는 인덱스(index)를 귀환시키도록 하는 것이다.That is, the receiver estimates the channel matrix and then returns the eigenvalues separated by the eigenvalue separation from the receiver to the transmitter or compares the eigenvalues. It is to return the index corresponding to.
본 발명에서 각 심볼에 빔을 형성하는 방법을 다음과 같은 수식으로 요약할 수 있다.In the present invention, a method of forming a beam in each symbol may be summarized by the following equation.
여기서w i는 각 심볼에 빔형성을 실시하기 위한 웨이트 벡터를 지칭하는 것이고 a1부터 am까지는 데이터 심볼을,S는 각 심볼에 빔형성을 실시한 빔형성 후의 신호 벡터라고 할 수 있다.Here, w i refers to a weight vector for beamforming each symbol, a 1 to a m may be a data symbol, and S may be referred to as a signal vector after beam formation for beamforming each symbol.
아울러 본 발명은 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조 방식을 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 단말로부터 귀환받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조 방식을 결정하도록 한다.In addition, the present invention is to determine the modulation scheme to be used in each antenna according to the channel situation by receiving the channel state of each antenna from the terminal, rather than all the symbols transmitted from each transmit antenna using the same modulation scheme.
따라서 상기 수학식 2의 a1부터 am까지는 채널 행렬의 고유치 값들의 비교를 통해 각각 다른 변조 방식을 사용하도록 한다.Therefore, a 1 to a m in the above Equation 2 use different modulation schemes by comparing eigenvalues of the channel matrix.
즉, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는higher order modulation을 할당하고 고유치 값이 상대적으로 작은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 할당하도록 한다.That is, higher order modulation is allocated to antennas having a high eigen value and lower order modulation is allocated to antennas having a relatively small eigen value by eigen separation of a channel matrix.
이 때 각 심볼에 곱할 웨이트 벡터를 구하는 방법을 다음과 같이 요약할 수 있다.In this case, a method of obtaining a weight vector to be multiplied by each symbol can be summarized as follows.
우선 M개의 송신 안테나, N개의 수신 안테나를 가진 MIMO 시스템을 가정한다. 이 때 M개의 송신 안테나를 통해 각각 다르게 송신된 신호 벡터가 수신단에 수신되기 전 거치게 되는 이동 통신 채널 행렬을 H라고 할 때 수신단에서 개의 수신 안테나를 가진 경우 채널 행렬 H는 N*M 행렬이 된다. 송신단의 각 안테나에서 송/수신단에서 미리 알고 있는 pilot 심볼 혹은 별도의 파일럿 채널(pilot channel)을 전송한다고 할 경우 수신단에서는 채널 행렬 H의 각 성분을 추정할 수 있다.First, a MIMO system having M transmit antennas and N receive antennas is assumed. In this case, when H is a mobile communication channel matrix that is passed through the M transmit antennas before receiving different signal vectors, the channel matrix H becomes N * M matrix. When each antenna of the transmitter transmits a pilot symbol or a separate pilot channel known to the transmitter / receiver in advance, the receiver may estimate each component of the channel matrix H.
상기 채널 행렬 H는 수신단에서 다음과 같이 채널 행렬 H를 고유치 분해 (Eigen-Decomposition)을 실시한다. 이 발명에서는 송신단의 안테나 어레이의 안테나 개수가 수신단의 안테나 어레이의 안테나 개수보다 많은 시스템을 가정하였기 때문에 채널 행렬 H는 정방행렬이 아니므로 채널 행렬 자체를 고유치 분해를 할 수 없고 따라서 H H H의 고유치 분해를 실시하도록 한다. 여기서H는 허미션(Hermitian)연산을 의미한다.The channel matrix H performs eigen-decomposition of the channel matrix H as follows. This invention, since the number of antennas of the antenna array of the transmitter it is assumed the number of systems than the number of antennas of the antenna array of the receiver channel matrix H to the eigenvalue decomposition of the channel matrix itself there is not a square matrix, thus the eigenvalue of H H H Perform disassembly. Where H means Hermitian operation.
여기서,는 행렬 H H H의 고유치(eigenvalue)들을,e i는 고유벡터(eigenvector)들을 나타낸다. 각 고유벡터는 일반적으로 서로 직교(orthogonal)성을 유지하기 때문에 송신단의 안테나 수에 맞게 심볼을 한꺼번에 송신단에서 전송하고자 할 경우 각 심볼에 독립적인 웨이트 벡터를 곱하여 신호를 전송할 수 있다.here, Denotes eigenvalues of the matrix H H H, and e i denotes eigenvectors. Since each eigenvector generally maintains orthogonality with each other, when a transmitter wants to transmit a symbol at a time according to the number of antennas of a transmitter, a signal may be transmitted by multiplying an independent weight vector.
결국 본 발명에 있어서 수학식 2에 있어서의 웨이트 벡터는 상기 추정된 H H H 행렬의 고유벡터e i가 되는 것이다.As a result, in the present invention, the weight vector in Equation 2 becomes the eigenvector e i of the estimated H H H matrix.
송신단에서 상기 수식 (2)와 같이 각 심볼에 빔형성을 실시하여 즉, 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱하여 전송하는 경우에 수신단에서는 다음과 같이 신호 처리를 실시한다.When the transmitter performs beamforming on each symbol as in Equation (2), that is, multiplies the weight vector by each symbol, the receiver performs signal processing as follows.
각 심볼에 독립적인 웨이트 벡터를 곱하여 신호를 전송하였기 때문에 기존 BLAST 수신단의 신호 처리를 사용할 수 없으므로 일반적으로 잘 알려진 제로포싱(zero-forcing)이나 최소평균오차측정(MMSE : Minimum-Mean-Square-Error) 방법으로 우선 를 추정한 후 송신단에서 각 심볼에 곱한 웨이트 벡터의 conjugate값을 곱해 각 심볼을 검출(detection) 하도록 한다. zero-forcing, MMSE는 다음과 같이 수식으로 요약할 수 있다.Since the signal is transmitted by multiplying each symbol by an independent weight vector, it is not possible to use the signal processing of the existing BLAST receiver. Therefore, the well-known zero-forcing or minimum-average error measurement (MMSE) is generally known. After estimating the first method, the transmitter detects each symbol by multiplying the conjugate value of the weight vector multiplied by each symbol. Zero-forcing, MMSE can be summarized by the following formula.
우선 각 심볼에 웨이트 벡터를 곱해 송신단에서 전송한 신호를 수신단에서 수신한 신호를 다음과 같이 나타낼 수 있다.First, the signal received by the receiver may be represented as follows by multiplying each symbol by the weight vector.
여기서n은 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다. N represents Additive White Gaussian Noise (AWGN).
제로 포싱(Zero-forcing)을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터S를 추정한 신호 벡터를라고 하면는The signal vector obtained by estimating the transmitted signal vector S by performing beamforming on each symbol by using zero-forcing Say Is
으로 나타낼 수 있다.It can be represented as
최소평균오차측정(MMSE)방법을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터S를 추정한 신호 벡터를 라고하면는A signal vector obtained by estimating the signal vector S transmitted by beamforming each symbol by using the minimum mean error measurement (MMSE) method is called. if Is
으로 나타낼 수 있다. 여기서 α는 신호 대 간섭 잡음비,I는 항등 행렬을 나타낸다.It can be represented as Where α is the signal-to-interference noise ratio and I is the identity matrix.
이렇게 제로포싱(zero-forcing) 혹은 최소평균오차측정(MMSE) 방법을 이용하여 각 심볼에 빔형성을 실시하여 전송한 신호 벡터S를 추정한 신호 벡터인를 추정한 후 송신단에서 각 심볼에 곱하여 전송한 웨이트 벡터의 켤레(conjugate) 값을 다시에 곱하여 송신단에서 전송한 심볼들인 a1부터 am까지의 추정치부터를 다음과 같이 검출할 수 있다.This zero-forcing (zero-forcing) or minimum mean square error measure (MMSE) method a signal estimating the signal vector S transmitted by performing beamforming on each symbol by using a vector of After estimating, multiply each symbol by the transmitter and reconstruct the conjugate value of the weight vector. Estimates for symbols a 1 to a m transmitted by the transmitter multiplied by from Can be detected as follows.
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이 후 추정된부터을 각각 사용된 변조(modulation) 방법에 맞게 복조(demodulation)하여 각 심볼로 할당하기 전의 bit들을 알아내고 아울러 각 안테나에서 전송된 심볼의 bit들을 알아낸 다음 multiplexing을 통해 송신단에서 전송한 bit stream을 알아내도록 한다.Estimated after from To find the bits before allocating to each symbol by demodulating according to the modulation method used, and the bits of the symbol transmitted from each antenna, and then the bit stream transmitted from the transmitter through multiplexing. To pay.
또한, 본 발명은 각 안테나에서 각각 다른 심볼을 전송할 때 수신단에서 추정한 채널 행렬의 고유 벡터들을 각 심볼에 곱해서 전송하는 것 외에 각 안테나의 채널 상황을 함께 고려하기 위해 수신단에서 고유치 분리를 통해 얻은 채널 행렬의 고유치 값들을 상대적으로 비교해서 각 안테나에서 전송할 심볼의 채널 코딩과 변조 방법을 선택하도록 한다.In addition, the present invention, in addition to multiplying each symbol by the eigenvectors of the channel matrix estimated by the receiver when transmitting different symbols in each antenna, the channel obtained through the eigenvalue separation at the receiver to consider the channel conditions of each antenna together The eigenvalues of the matrix are compared relatively to select the channel coding and modulation method of the symbol to be transmitted in each antenna.
각 송신 안테나에서 독립적으로 전송할 심볼에 곱하여 줄 웨이트 벡터를 구하기 위해서는 수신단에서 추정한 채널 행렬의 고유치 분리를 실시해야 하고 고유치 분리를 통해서 고유치 값들과 고유 벡터들을 함께 구할 수 있기 때문에 별도의 계산이 더 요구되는 것은 없다.In order to obtain Joule weight vectors by multiplying the symbols to be transmitted independently from each transmitting antenna, the eigenvalue separation of the channel matrix estimated by the receiver must be performed, and since the eigenvalue separation can be obtained together, eigenvalue values and eigenvectors can be obtained. There is nothing to be done.
즉, 본 발명은 각 송신 안테나에서 전송되는 심볼이 모두 동일한 변조 방식을 사용하는 것이 아니라 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황에 맞게 각 안테나에서 사용할 변조 방식을 결정하도록 한다. 따라서 수학식 2의 a1부터 am는 채널 행렬의 고유치 값들의 비교를 통해 각각 다른 변조 방식을 사용하도록 한다.That is, the present invention does not use the same modulation scheme for all symbols transmitted from each transmitting antenna, but determines the modulation scheme to be used in each antenna according to the channel situation by receiving the channel state of each antenna from the receiving end. Therefore, a 1 to a m in Equation 2 use different modulation schemes by comparing eigenvalues of the channel matrix.
곧, 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치 값이 큰 안테나에 대해서는 higher order modulation을 할당하고 고유치 값이 상대적으로 작은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 할당하도록 한다.In other words, by separating the eigenvalues of the channel matrix, higher order modulation is allocated to antennas having a high eigen value and lower order modulation is assigned to antennas having a relatively small eigen value.
물론 각 안테나에서 전송할 심볼의 채널 코딩 방식과 변조 방법을 이렇게 결정하지만 각 안테나에서 전송할 심볼의 코딩 방식과 변조 방식을 결정한 후에는 수신단에서 구한 채널 행렬의 고유 벡터들을 웨이트 벡터로 사용하여 각 심볼에 독립적으로 빔형성을 실시하는 것에는 변함이 없다.Of course, the channel coding method and modulation method of the symbol to be transmitted at each antenna are determined in this way. However, after determining the coding method and modulation method of the symbol to be transmitted at each antenna, the independent vectors of the channel matrix obtained at the receiving end are used as weight vectors. There is no change in performing beamforming.
이 때 각 안테나에 할당할 MCS(Modulation Coding Scheme)를 결정하는 방법을 다음과 같이 설명할 수 있다.In this case, a method of determining a modulation coding scheme (MCS) to be allocated to each antenna may be described as follows.
수학식 3에서와 같이 실시된 고유치 분리를 통해 얻은 고유치 값들을 가지고 각 안테나에 할당할 변조 방식을 결정하기 위해 우선 각 고유치 값들의 상대적인 비를 결정한다.In order to determine the modulation scheme to be allocated to each antenna using the eigenvalues obtained through the eigenvalue separation performed as in Equation 3, a relative ratio of the eigenvalues is first determined.
이 상대적인 비를 통해 가장 작은 고유치(eigenvalue)값이 특정문턱(threshold) 값 이하이면 그 안테나에서는 심볼이 전송되지 않도록 하고 그 배제된 고유치 값 말고 최소 고유치 값에는 가장 낮은 변조방식 및 코딩 조합 을 사용하며 가장 큰 고유치 값을 가지는 안테나에 대해서는 가장 higher order modulation 및 코딩 조합을 사용하도록 한다.Through this relative ratio, if the smallest eigenvalue is less than or equal to a certain threshold, the symbol is not transmitted at that antenna.The lowest eigenvalue is used, except for the excluded eigenvalue, and the lowest modulation and coding combination is used. For the antenna with the largest eigenvalue, use the highest order modulation and coding combination.
중간 값들에 대해서는 상대적인 값들의 비교를 통해 중간 단계의 변조 방식 및 코딩 조합을 사용하도록 한다. 아울러 이런 선택을 미리 시뮬레이션을 통해 여러 채널 상황을 실험을 통해 확인한 후 필요한 table을 미리 가지고 있다가 (표 2와 같이) table에서 채널 상황에 맞게 변조 방식 및 코딩 조합을 선택하여 사용할 수도 있다. 아니면 실제 사용 가능한 변조 방식 및 코딩의 종류는 제한적일 것으로 그 조합을 생각한 표 1과 같은 내용을 송/수신단 공히 알고 있다가 각 안테나에서 사용할 변조 방식 및 코딩의 조합을 인덱스로 알려줄 수도 있을 것이다.For intermediate values, a comparison of relative values is used to use an intermediate modulation scheme and coding combination. In addition, such a selection can be simulated in advance through experiments to verify the various channel conditions, and then the necessary tables can be used in advance, and the modulation scheme and coding combination can be selected and used according to the channel conditions in the table (as shown in Table 2). Alternatively, the actual available modulation schemes and coding types may be limited, and the transmitter / receiver may know the contents of Table 1 considering the combinations, and may indicate the modulation schemes and coding combinations to be used in each antenna as an index.
또한, 채널 행렬의 고유치 값들은 비교적 천천히 변하는 것을 감안하면 고유치 값 전체를 천천히 귀환할 수도 있다. 이 경우는 송신단에서 귀환된 고유치 값을 가지고 각 송신 안테나에서 사용할 변조 방식 및 코딩 방식를 결정하게 된다.In addition, considering that the eigenvalues of the channel matrix change relatively slowly, the entire eigenvalues may be slowly returned. In this case, the modulation scheme and the coding scheme to be used in each transmitting antenna are determined with the eigenvalues returned from the transmitting end.
결국, 이와 같이 추정된 채널 행렬의 고유치 값을 통하여 송신 안테나 각각의 채널 상황을 알아내고 이에 의해 변조 방식 및 코딩 방식을 결정함으로써 종래 기술에 있어 수신 각 안테나에서 사용하는 채널 코딩과 변조 방법을 선택하기 위하여 각 안테나에서는 수신되는 SINR을 측정하는 것에 비해 시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.As a result, the channel state of each transmitting antenna is determined through the eigenvalues of the estimated channel matrix and thus the modulation scheme and the coding scheme are determined, thereby selecting the channel coding and modulation method used in each receiving antenna in the prior art. For each antenna, the performance of the system can be improved compared to measuring the received SINR.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호처리 장치 및 방법에 의하면, 각 심볼이 각 안테나에서 독립적으로 전송되도록 하기 위해 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 구한 고유 벡터 들을 각 심볼에 곱해서 전송하도록 하고, 아울러 각 안테나의 채널 상황을 수신단으로부터 귀환 받아서 채널 상황이 좋은 안테나에 대해서는 higher order modulation 을 사용하고 채널 상황이 좋지 않은 안테나에 대해서는 lower order modulation을 사용하여 시스템 전체적으로 전송률을 늘리고 아울러 통신 품질을 향상 시키는데 기여하는 장점이 있다.As described above, according to the signal processing apparatus and method of the multi-input / output communication system according to the present invention, in order to transmit each symbol independently at each antenna, each symbol is multiplied by the eigenvectors obtained through the eigenvalue separation of the channel matrix. In addition, the channel status of each antenna is returned from the receiver, and higher order modulation is used for antennas with good channel conditions, and lower order modulation for antennas with poor channel conditions, thereby increasing the transmission rate as a whole and improving communication quality. There is an advantage that contributes to improving.
또한, 본 발명은 각 전송 채널에 대한 고유치들의 상대적인 비교를 통해 각 송신 안테나에 대한 변조 및 코딩 방식을 결정하여 각 송신 안테나의 채널 상황에 맞도록 데이터 전송량을 선택하도록 함으로써 각 송신 안테나에서 독립적인 심볼 전송이 가능하도록 하는 장점이 있다.In addition, the present invention is to determine the modulation and coding scheme for each transmission antenna through the relative comparison of the eigenvalues for each transmission channel to select the amount of data transmission to match the channel conditions of each transmission antenna independent symbol at each transmission antenna This has the advantage of enabling transmission.
또한, 본 발명은 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유치들의 상대적인 값들을 비교하여 각 송신 안테나에 대한 변조 및 코딩 방식을 결정함으로써 각 송신 안테나의 SINR이 비교적 빠르게 변할지라도 귀환 속도를 아주 빠르지 않아도 되므로 간단히 구현할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention compares the relative values of the eigenvalues through the eigenvalue separation of the channel matrix to determine the modulation and coding scheme for each transmit antenna, so that even if the SINR of each transmit antenna changes relatively fast, the feedback rate does not need to be very fast. There are advantages to it.
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