KR20040108714A

KR20040108714A - 수신기 및 수신기 동작 방법

Info

Publication number: KR20040108714A
Application number: KR10-2004-7016081A
Authority: KR
Inventors: 에반스데이비드에이치; 카트리바하빈에스; 레이니스드보라엘
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-12-24
Also published as: EP1500213A1; US20050254445A1; JP2005522909A; CN1647415A; GB0208214D0; AU2003206090A1; WO2003085859A1

Abstract

수신기는 예컨대 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 송신기로부터, 최초 복수의 서로 다른 신호로 생성된 신호를 수신하는 복수의 안테나(108)를 포함한다. 이 수신기는 각각의 고유 코드를 각각의 수신된 신호에 적용하는 복수의 코더(302)와 코딩된 신호를 하나의 주파수 변환 스테이지(202)에 의해 다운 컨버젼되고 디지털화되는 하나의 신호로 결합하는 합산기(306)를 포함한다. 각각의 수신된 신호에 대응하는 출력 신호는 코더가 사용하는 코드를 참조해서 복수의 검출기(312)에 의해 획득된다. 바람직한 실시예에서, 고유 코드는 월시 코드와 같은 직교 코드이다. 수신기는 하나의 주파수 변환 스테이지를 사용해서 복수의 수신된 신호를 처리하는 것을 가능하게 해서, 하드웨어를 절감시키고 수신기의 전력 소비를 감소시킨다.

Description

수신기 및 수신기 동작 방법{RECEIVER AND METHOD OF OPERATION THEREOF}

종래의 통신 시스템에서, 무선 신호는 하나 이상의 산란체(scatterer)로부터의 반사를 포함한 복수의 경로를 통해서 송신기로부터 수신기로 전송된다. 이 경로로부터 수신된 신호는 수신기에서 건설적으로 혹은 파괴적으로(constructively or destructively) 간섭한다(그 결과 위치 의존형 페이딩이 나타난다). 또한, 경로의 길이가 서로 다르기 때문에, 신호가 송신기에서 수신기에 도달하기까지 걸리는 시간으로 인해서 신호간 간섭이 유발될 수 있다.

송신기와 수신기 모두에서 다수의 안테나를 사용해서 복수의 서로 다른 신호가 동시에 같은 주파수로 송신되게 함으로써 이러한 상황을 이용할 수 있다. 이러한 시스템은 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 시스템이라고 불리며, 이로써 송신 데이터 스트림이 복수의 서브 스트림으로 분할되고, 이들 각각은 많은 서로 다른 경로를 통해서 송신된다. 이러한 시스템의 일례가 미국 특허 제 6,067,290 호에개시되어 있으며, BLAST 시스템이라고 알려진 다른 예가 "V-BLAST: an architecture for realising very high data rates over the rich-scattering wireless channel" P W Wolniansky et al in the published papers of the 1998 URSI International Symposium on Signals, Systems and Electronics, Pisa, Italy, 29 September to 2 October 1998에 개시되어 있다.

BLAST에서, 각각의 서브 스트림은 하나의 안테나로 송신된다. 다른 시스템에서, 각각의 서브 스트림은 안테나 빔 형성 기술을 사용해서 공간적으로 서로 다른 방향으로 매핑될 수 있다. 빔의 방향을 동적으로 변화시키는 MIMO 시스템의 예는 함께 계류중인 공개되지 않은 국제 특허 출원 제 WO 02/061969호(출원인의 정리 번호 PHGB010012)에 개시되어 있다.

전형적인 MIMO 시스템에서, 최초 데이터 스트림은 N개의 서브 스트림으로 분할되고, 이들 각각은 n_T=N개의 성분을 가진 어레이의 서로 다른 안테나에 의해 송신된다. 유사한 n_R≥N개의 성분을 가진 어레이가 신호를 수신하는 데 사용되며, 각각의 어레이의 안테나는 N개의 서브 스트림의 상이한 중첩을 수용한다. 채널 송신 매트릭스에 관한 지식과 함께 이들의 차이를 이용해서, 서버 스트림이 분할되고, 재결합되어서 최초 데이터 스트림을 획득할 수 있다. 어떤 환경에서는, 특히 광대역 채널에서 복수의 실질적으로 상관 관계가 없는 신호 샘플이 각각의 수신된 신호로부터 측정될 수 있을 때에는, n_R이 N보다 작을 수 있다. 더 상세한 설명이 함께 계류중인 국제 특허 출원 제 PCT/IB02/02439 호(출원인의 정리 번호 PHGB010100)에개시되어 있다.

MIMO 시스템으로부터 획득할 수 있는 성능 이득은 주어진 에러 레이트에 대한 전체 데이터 레이트를 증가시키는데 혹은 주어진 데이터 레이트에 대한 에러 레이트를 감소시키는데, 또는 이 둘을 적당히 결합하는 데 사용될 수 있다. MIMO 시스템은 주어진 데이터 레이트 및 에러 레이트에서 전체 송신 에너지 또는 전력을 감소시키도록 제어될 수 있다. 이론적으로는, 통신 채널의 용량은 송신기 또는 수신기의 안테나 수가 줄어드는 것에 따라서 선형적으로 증가한다. 그러나, MIMO 시스템을 관찰하는 더 효율적인 방법은 채널의 용량이 환경적으로 산란체에 의해 야기된, 송신기와 수신기 사이의 통계적인 독립 경로의 수에 의해 제한된다는 것이다.

MIMO 시스템에서 사용하는 수신기를 설계할 때, 각각의 안테나가 수신된 신호를 RF에서 기저대역으로 변환시키는 개별적인 RF(Radio Frequency) 섹션의 요구 조건으로 인해서 상당한 추가 비용이 발생한다. 이러한 조건은 서브 스트림을 추출하기 위한 후속 처리를 위해 안테나 어레이로부터의 공간 정보를 보존하기 위한 것이다. 복수의 RF 섹션의 요구 조건을 제거하는 한가지 방법은 상이한 주파수 오프셋을 각각의 안테나로부터 신호에 적용하는 것으로, 그 후에 신호 주파수 변환이 수행되고, 개개의 신호가 디지털화된 이후에 회복될 수 있다. 이러한 기술은 함께 계류중인 국제 특허 출원 제 PCT/IB02/02410 호(출원인의 정리 번호 PHGB 010199)에 개시되어 있다. 그러나, 이 기술은 구현하는 수신기도 필요한 주파수 오프셋을 생성하기 위해서 추가 로컬 오실레이터를 필요로 한다.

본 발명은 최초 복수의 서로 다른 신호로서 송신되는 신호를 수신하는 수신기 및 이 수신기를 동작시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 예로서 참조하면서 설명될 것이다.

도 1은 기존의 MIMO 무선 시스템의 개략 블록도,

도 2는 기존의 MIMO 수신기의 일부를 개략적으로 도시한 블록도,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 MIMO 수신기의 일부를 개략적으로 도시한 블록도,

도 4는 본 발명에 따라 제조된 MIMO 수신기의 동작 방법을 나타내는 흐름도.

도면에서 동일한 참조 번호는 대응하는 특징부를 나타내는 데 사용되었다.

본 발명의 목적은 수신된 신호를 기저대역으로 다운 컨버젼하는 하나의 RF 섹션을 포함하는 MIMO 시스템용 수신기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 측면에 따라서, 최초 복수의 서로 다른 신호로 송신된 신호를 수신하는 복수의 안테나, 각각의 안테나가 수신하는 신호에 각각의 고유 코드를 적용하는 코딩 수단, 복수의 코딩된 신호를 하나의 신호로 결합하는 합산 수단, 하나의 신호의 주파수를 더 낮은 주파수로 변환하는 주파수 변환 수단 및 코딩 수단이 사용하는 고유 코드를 참조해서 주파수 변환된 하나의 신호로부터 복수의 신호를 추출하는 추출 수단을 포함한 수신기가 제공된다.

각각의 고유 코드를 각각의 수신기 신호에 적용함으로써 하나의 주파수 변환 스테이지를 사용해서 수신된 복수의 신호를 처리하는 것을 가능하게 하며, 이로써 하드웨어를 절감하고, 수신기의 전력 소비를 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 고유 코드는 월시 코드(Walsh code)와 같은 직교 코드이다. 고유 코드의 레이트는 수신된 신호의 심볼 레이트의 적어도 N배가 되어야 하며, 여기서 N은 안테나의 개수이다.

본 발명의 제 2 측면에 따라서, 최초 복수의 서로 다른 신호로 송신된 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 수신기를 동작시키는 방법이 제공되며, 이 방법은 각각의 고유 코드를 각각의 안테나에 의해 수신된 신호에 적용하는 단계와, 복수의 코딩된 신호를 하나의 신호로 결합하는 단계와, 하나의 신호의 주파수를 낮은 주파수로 변환하는 단계와, 코딩된 신호를 생성하는 데 사용되는 고유 코드를참조해서 주파수 변환된 하나의 신호로부터 복수의 신호를 추출하는 단계를 포함한다.

단일 주파수 변환 스테이지에 의해 직교 코딩된 신호를 결합하는 것은 미국 특허 출원 제 2001/0022822 호에 개시되어 있다. 그러나, 여기 개시된 수신기는 최초에 하나의 신호인 신호를 수신하는 데에만 적용된다. 또한, 직교 코딩이 적용된다는 것은 한번 합산된 개개의 신호가 회복될 필요가 없으며, 나아가 회복되지 않아야 한다는 것을 나타낸다. 이는 종래의 다이버시티 수신기와는 다르게 직교 코드의 특성이 합산된 신호의 에너지가 0이 될 수 없기 때문이다.

본 발명을 통해서, 기존의 수신기에 비해서 하드웨어 비용이 감소된 수신기를 구비한 MIMO 시스템을 만들 수 있다.

도 1은 기존의 MIMO 무선 시스템을 나타낸다. 복수의 애플리케이션(102:AP1 내지 AP4)은 송신용 데이터 스트림을 생성한다. 애플리케이션(102)은 복수의 데이터 스트림도 생성할 수 있다. 데이터 스트림은 멀티플렉서(MX:104)에 의해 하나의 데이터 스트림으로 결합되며, 이는 송신기(Tx:106)에 제공된다. 송신기(106)는 데이터 스트림을 서브 스트림으로 분할하고, 각각의 서브 스트림을 하나 이상의 복수의 송신 안테나(108)에 매핑시킨다.

멀티플렉싱 이전에, 전형적으로 FEC(Forward Error Correction)를 포함하는 적절한 코딩이 송신기(106)에 의해 적용될 수 있다. 이는 수직 코딩(vertical coding)이라고 알려져 있으며, 코딩이 모든 서브 스트림에 적용된다는 이점이 있다. 그러나, 서브 스트림을 추출할 때, 조인트 디코딩이 필요하고, 각각의 서브 스트림을 개별적으로 추출하는 것은 어렵다는 문제가 발생한다. 수신기 동작을 간략화시킬 수 있는 수평 코딩(horizontal coding)이라고 알려진 기술인, 다른 방안에 따라서, 각각의 서브 스트림은 개별적으로 코딩될 수 있다. 이 기술은 예컨대 문헌 "Effects of Iterative Detection and Decoding on the Performance of BLAST" by X Li et al in the Proceedings of the IEEE Globecom 2000 Conference, San Francisco, November 27 to December 1 2000에 개시되어 있다.

수직 코딩이 사용되면, 적용되는 FEC는 복수의 경로(110)를 포함한 전체 MIMO 채널을 처리하기 위해서 충분한 보정 성능을 가져야 한다. 간략하게 하기 위해서, 안테나들(108) 사이에 직접 경로(110)만 도시했지만, 경로의 세트는 하나 이상의 산란체에 의해 신호가 반사되는 간접 경로를 포함할 것이라는 것을 이해할 것이다.

복수의 안테나(108)가 설치된 수신기(Rx:112)는 다수의 경로로 신호를 수신한다. 결과적인 복수의 신호 각각은 신호가 결합되고, 디코딩되고, 디멀티플렉스되어서 각각의 데이터 스트림을 각각의 애플리케이션에 제공하기 위해서 기저대역으로 변환된 자체 주파수를 갖는다. 송신기(110)와 수신기(112)가 모두 동일한 수의 안테나를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 실제로 그럴 필요는 없으며, 안테나의 개수는 공간 및 용량 제한에 따라 최적화될 수 있다. 유사하게, 송신기(106)는 임의의 수의 애플리케이션(예컨대, 음성 전용 휴대 전화의 하나의 애플리케이션 또는 PDA의 다수의 애플리케이션)을 지원할 수 있다.

도 2는 수신기(112)의 초기 스테이지를 나타내는 블록도이다. 각각의 안테나는 관련 RF 섹션(202)을 갖고 있으며, 이는 수신된 신호의 주파수를 처리될 수 있는 기저대역으로 변환(다운 컨버젼)한다. 전형적으로, 기저대역 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC:204)에 의해서 디지털 영역으로 변환되며, 출력(206)으로서의 디지털화된 신호는 수신된 서브 스트림을 추출하기 위해서 추가 처리된다. 안테나당 하나의 RF 섹션을 위한 조건은 추가 처리를 위해 수신된 신호의 특성을 보존하는 것이나, 이는 구성 요소를 2배가 되게 해서 비용을 추가시키고 전력 소비를 증가시킨다.

도 3은 이러한 문제를 해결하는, 본 발명에 따라 제조된 MIMO 수신기의 초기 단계의 개략 블록도이다. 도시된 수신기는 4개의 안테나(108)를 포함한다. 각각의 안테나(108)로부터 수신된 신호는 각각의 입력단(304)을 통해서 공급된 고유 코드로 신호를 인코딩하는 각각의 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 위상 변조기(302)를 통해서 송신된다. 이후에 신호는 합산 블록(306)에 의해서 하나의 신호로 결합되고, 하나의 종래의 RF 섹션(202)에 의해 기저대역으로 다운 컨버젼된다.

기저대역 신호는 아날로그 디지털 변환기(204)에 의해서 디지털 영역으로 변환된다. 디지털화된 신호는 4개의 검출기(DET:312)에 의해 처리되며, 이들은 각각 입력단(314)에서 각각의 기준 코드를 공급받는다. 이들 기준 코드는 변조기(302)에 공급되는 고유 코드와 관련되며, 고유 코드의 특성을 통해서 각각의 검출기(312)는 각각의 안테나(108)에 의해 수신된 신호에 대응하는 기저 대역 신호의 검출할 수 있다. 추출된 기저대역 신호는 MIMO 회로에 의한 추가 처리를 위해서 출력(206)으로서 공급된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 아날로그-디지털 변환기(204)를 사용하는 대신에, 회복된 신호(206)가 복수의 ADC에 의해 디지털화될 수 있다. 이것이 일부 하드웨어가 배가되게 하지만, 이점이 있다. 우선, ADC들이 낮은 샘플링 레이트 및 동작 범위로 동작할 수 있으며, 따라서 낮은 전력 소비를 가질 수 있다. 두번째로, 도 3에 도시된 수신기에 필요한 채널 필터는 채널 대역폭의 N배의 대역폭을 가져야 했지만, ADC 이전에 필요한 필터가 실제 채널 대역폭에 대응해서, 고유 코드가 생성하는 대역폭을 증가시킨다.

위에 설명된 동작의 순서가 도 4에 도시된 흐름도에 개략적으로 나타나 있다. 단계 402에서 복수의 신호가 수신되고, 단계 404에서 이들 신호가 고유 코드와 인코딩되며, 단계 406에서 인코딩된 신호가 합산되어서 하나의 신호를 형성하고, 단계 408에서 하나의 신호의 주파수가 변환되며, 단계 410에서 복수의 신호가 하나의 신호로부터 추출되고, 단계 412에서 복수의 신호가 MIMO 회로에 의해 처리된다.

고유 코드는 예컨대, 낮은 상호 상관(low cross correlation)을 가진 의사 랜덤 시퀀스가 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에서 고유 코드는 월시 함수의 세트와 같은 직교 코드이다. 변조기(302)는 이들 코드를 직접 변조를 통해서 안테나로부터의 아날로그 신호에 적용한다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이 BPSK를 사용해서 행해지지만, 기존의 다른 변조 방안이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 직교 코드의 레이트는 수신된 신호의 심볼 주기보다 더 커서, 검출기(312)가 수신된 신호의 각각의 성분을 추출할 수 있다. 예컨대, 월시 함수 wal(0, θ)(수열 (1, 1)에 의해 주어진) 및 wal(1, θ)(수열 (1, -1)에 의해 주어진)를 한쌍의 안테나로부터의 결합된 신호에 적용하는 것은 기본 샘플 레이트의 2배로 수행되어야 한다. 일반적으로, N개의 안테나가 있다면, 직교 코드의 레이트는 기본 샘플 레이트의 최소 N배가 되어야 한다.

간단한 형태로 추출 과정이 디지털화된 신호를 각각의 월시 함수와 곱하는 것을 필요로 하지만, 검출기(312)는 전형적으로 상관기이다. 예컨대 위에서 2개의 안테나를 사용하는 경우에, 이는 최초 수신된 신호 각각을 추출하는 데, 2개의 결과적으로 나온 샘플의 2개의 곱(월시 함수의 각각의 요소당 하나씩) 및 하나의 합을 필요로 한다.

직교 코드가 수신기 내에서 적용되기 때문에, BPSK 변조기(302)와 검출기(312)의 타이밍 사이에 약간의 동기화 이슈만 있으면 된다. 따라서, 고유 코드의 레이트가 심볼 주기의 N개의 신호를 구별하기를 충분하다면, 수신된 신호의 고유 코드와 심볼 주기 사이의 어떤 정렬도 필요없다.

위에 설명된 MIMO 수신기의 한가지 문제는 기저대역 신호의 대역폭이 증가해서 인접 채널 간섭을 증가시킨다는 점이다. 이러한 문제가 있는 경우에는 인접 채널 간섭을 월시 함수 wal(0, θ)(이는 유일하다)와 인코딩하고, 안테나로부터의 신호의 코딩을 위해서는 wal(0, θ)를 사용하지 않음으로써 해결될 수 있다. 이러한 접근 방식의 단점은 추가적인 월시 함수가 사용되어야 할 것이고, 최악의 경우에 N배가 아닌 2N배 만큼 대역폭을 증가시킬 것이라는 점이다.

본 발명은 MIMO 수신기뿐만 아니라, 서로 다른 소스로부터 발생하는 복수의 신호가 동일한 주파수 변환(또는 자원 민감형 처리(resource-intensive processing))을 필요로 하는 어떤 수신기에도 적용될 수 있다.

본 개시물을 읽음으로써, 다른 수정이 당업자에게는 자명할 것이다. 이러한 수정은 수신기 및 그 부품의 설계, 제조 및 사용시에 알려진 다른 특성을 포함하며, 이미 여기서 설명된 특성을 추가하는 대신에 사용될 수 있다.

본 상세한 설명과 특허 청구 범위에서 용어 "하나의"는 그러한 구성 요소가 복수개 존재할 가능성을 배제하지 않는다. 또한, 용어 "포함한다"는 여기에 열거되지 않은 소자 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다.

Claims

최초 복수의 서로 다른 신호로 송신된 신호를 수신하는 복수의 안테나와,

각각의 상기 안테나에 의해 수신되는 신호에 각각의 고유 코드를 적용하는 코딩 수단과,

상기 복수의 코딩된 신호를 하나의 신호로 결합하는 합산 수단과,

상기 하나의 신호의 주파수를 더 낮은 주파수로 변환하는 주파수 변환 수단과,

상기 코딩 수단이 사용하는 상기 고유 코드를 참조해서 상기 주파수 변환된 하나의 신호로부터 복수의 신호를 추출하는 추출 수단

을 포함하는 수신기.
제 1 항에 있어서,

상기 각각의 고유 코드는 직교 코드인

수신기.
제 2 항에 있어서,

상기 각각의 고유 코드는 월시 코드(Walsh code)인

수신기.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 고유 코드의 레이트는 상기 수신된 신호의 심볼 레이트의 최소 N배이고, 여기서 상기 N은 안테나의 개수인

수신기.
제 3 항에 있어서,

상기 월시 코드 중 제 1 월시 코드 wal(0, θ)는 사용되지 않는

수신기.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 추출 수단은 상관기(correlators)를 포함하는

수신기.
최초 복수의 서로 다른 신호로 송신된 신호를 수신하는 복수의 안테나를 포함하는 수신기를 동작시키는 방법에 있어서,

각각의 안테나 각각에 의해 수신된 신호에 각각의 고유 코드를 적용하는 단계와,

상기 복수의 코딩된 신호를 하나의 신호로 결합하는 단계와,

상기 하나의 신호의 주파수를 더 낮은 주파수로 변환하는 단계와,

상기 코딩된 신호를 생성하는 데 사용되는 상기 고유 코드를 참조해서 상기 주파수 변환된 하나의 신호로부터 복수의 신호를 추출하는 단계

를 포함하는 수신기 동작 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 각각의 고유 코드는 직교 코드인

수신기 동작 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 각각의 고유 코드는 월시 코드인

수신기 동작 방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

상기 고유 코드의 레이트는 상기 수신된 신호의 심볼 레이트의 최소 N배이고, 여기서 상기 N은 안테나의 개수인

수신기 동작 방법.
제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 신호를 추출하는 단계는 상관기를 사용해서 수행되는

수신기 동작 방법.