KR20050038122A - 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법 - Google Patents

다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법은, 송신 안테나의 수만큼 병렬로 구성되어 있는 등화기마다 심벌을 추정할 때의 최소 자승 오차의 가중치 합이 최소가 되는 심벌을 추정하도록 심벌 검파 순서를 결정하고, 이 검파 순서에 맞추어 RLS 알고리즘에 기반한 필터 탭 계수를 갱신하도록 하는 것이다.
이와 같이 하면, 시간적으로 변하는 채널 환경 하에서도 채널 추적 과정 없이 필터 탭 계수를 직접 갱신하고, 그로 인해 채널 추적과 기존의 V-BLAST 방식에 비해 복잡도가 감소하면서도 거의 동일한 검파 성능을 나타낼 수 있다.

Description

다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR adaptive receiving OF MIMO}
본 발명은 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히 고속 데이터 전송을 위해 다수의 송신 안테나와 수신 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 채널이 시간적으로 변할 때 송신 신호를 복원하기 위한 것이다.
최근, 통신 기술을 이용한 산업 및 개인생활이 활발해지면서 영상 및 데이터 전송에 대한 중요성이 커지고 있다. 그로 인해, 고속 데이터 전송에 대한 필요성이 증가하고 있지만, 고속 데이터 전송을 위한 주파수 자원이 상대적으로 부족하여 단위 주파수 당 데이터 전송율을 높이는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
단위 주파수 당 데이터 전송율을 높이기 위해, 다수의 송수신 안테나를 사용하여 데이터를 병렬 전송하는 다중입력 다중출력(Multi-Input Multi-Output, MIMO) 시스템이 활발히 연구되어 왔고, 이러한 MIMO 시스템을 위한 효율적인 수신기로 V-BLAST(Vertical Bell Labs Layered Space Time) 기법이 개발되었다.
V-BLAST 기법은 수신기의 안테나 수가 송신기의 안테나 수 이상이고, 채널이 한 프레임(Frame)의 신호를 전송하는 동안 채널이 변하지 않는 경우에, 안테나 수에 비례해서 주파수 이용 효율을 높여준다.
그러나 실제 무선 이동 통신 채널은 한 프레임의 신호를 전송하는 동안에도 변하게 되고, 이렇게 채널이 변하는 환경에 V-BLAST 기법을 사용하면 수신기의 연산 복잡도가 급격히 증가하게 된다.
즉, V-BLAST 검파를 위해서는 MIMO 채널을 추정하고, 이에 대응되는 널링(nulling) 벡터를 계산해야 하는데 프레임 내에서 채널이 변하지 않는 경우에는 널링 벡터 계산을 프레임마다 1회 수행하지만, 채널이 변하는 경우에는 매 심벌마다 널링 벡터를 새로 계산해야 한다.
이와 같이 시간적으로 변하는 채널에서 V-BLAST 수신기를 이용할 때, 계산 복잡도를 줄이기 위해 널링 벡터의 갱신과 채널 추적을 근사적으로 수행하는 방법이 제안되고 있다.
그런데, 널링 벡터의 갱신과 채널 추적을 근사적으로 수행하는 방법은 하나의 프레임을 여러 개의 작은 블록으로 나누어서 각 블록에 대해 채널 추적을 하고 널링 벡터를 새로 갱신한다.
위에서 언급한 방법은 1개의 프레임을 나눈 여러 개의 블록의 크기에 따라 복잡도와 검파 성능을 타협(Tradeoff)시켜야 하므로 채널의 변화 속도가 빨라지면 검파 성능이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시간적으로 변하는 채널 환경에서 등화기의 필터 탭 계수와 심벌 검파 순서를 최적으로 결정함으로써 기존의 V-BLAST 방식에 비해 복잡도를 감소시키기 위한 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 RLS 알고리즘에 기반해서 각 등화기에서의 심벌 검파 순서를 결정하고, 그 검파 순서에 맞추어 등화기의 필터 탭 계수 벡터를 갱신한다.
본 발명의 첫 번째 특징에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템은, 다수의 송신 및 수신 안테나 사이의 채널을 통해 송신 및 수신 심벌 벡터가 송수신되는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템에 있어서, 상기 다수의 수신 심벌 벡터에서 상기 채널을 통과하면서 더해진 잡음을 제거하여 송신 심벌 벡터만을 추출하기 위해 최초 검파가 이루어지는 선형 등화기; 상기 선형 등화기에 의해 검파된 신호와 상기 수신 심벌 벡터를 일정 주기마다 갱신되는 필터 탭 계수 및 심벌 검파 순서에 의해 신호 간섭을 제거하면서 송신 심벌 벡터를 검파하는 다수의 결정 궤환 등화기; 및 상기 선형 등화기 및 결정 궤환 등화기의 심벌 검파 순서를 일정 주기마다 결정하고, 상기 결정된 심벌 검파 순서에 맞추어 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘에 기반하여 상기 필터 탭 계수를 갱신하는 적응 블록을 포함한다.
상기 적응 블록에서 결정된 상기 다수의 수신 심벌 벡터에 대한 심벌 검파 순서에 따라 상기 등화기를 통해 순차적으로 검파되는 신호를 기록하는 기록부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 선형 등화기는, 상기 다수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 심벌 벡터 중에서 첫 번째 수신 심벌 벡터가 입력되어 에러 신호에 대한 필터링을 수행하는 순방향 필터; 및 상기 순방향 필터에서 출력되는 신호를 일정한 결정 기준에 의해 최적의 필터 탭 계수를 적용하여 결정값을 출력하는 결정부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 결정 궤환 등화기는, 상기 다수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 심벌 벡터가 입력되어 적응 블록에서 결정된 순방향 필터 탭 계수로 필터링을 수행하는 순방향 필터; 상기 다수의 수신 심벌 벡터 중에서 이미 검파된 신호가 입력되어 적응 블록에서 결정된 궤환 필터 탭 계수로 필터링하여 궤환하는 궤환 필터; 상기 순방향 필터와 궤한 필터에서 출력되는 각 신호들을 합산하는 합산부; 및 상기 합산부에서 출력되는 값을 일정한 결정 기준에 의해 결정값을 출력하는 결정부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 궤환 필터는, 상기 수신 심벌 벡터의 두 번째 심벌에서 마지막 심벌까지의 검파가 반복됨에 따라 차수가 1씩 증가하는 것이 바람직하다.
상기 적응 블록은, 상기 탭 계수를 결정하기 위한 기준을 송신 안테나에서 송신되는 송신 심벌 벡터와 상기 등화기의 출력 사이의 오류 정도로 정의하고, 상기 최적의 필터 탭 계수를 상기 오류 정도를 최소화시키는 필터 계수로 정의하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법은, 다수의 송신 안테나에서 송신한 송신 심벌 벡터가 다수의 수신 안테나를 통해 수신 심벌 벡터로 입력되면 등화기에서 송신 심벌 벡터를 검파하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템에 있어서, A) 상기 등화기는 다수의 수신 심벌 벡터가 입력되면, 최초의 수신 심벌 벡터가 순방향 필터에 의해 에러 신호가 검출되고 일정한 결정 기준에 의해 송신 심벌 벡터를 검파하는 단계; 및 B) 상기 A) 단계가 완료되면, 상기 등화기는 순방향 필터와 궤환 필터에 최적의 필터 탭 계수를 적용하고 일정한 심벌 검파 순서에 따라 상기 수신 심벌 벡터와 이미 검파된 신호에서 간섭을 제거하여 송신 심벌 벡터를 검파하는 단계를 포함한다.
상기 B) 단계는, 상기 순방향 필터와 궤환 필터는 최적의 필터 탭 계수를 RLS 알고리즘에 기반하여 갱신되고, 상기 등화기에 대한 심벌 검파 순서는 자승 오차의 가중치 합이 최소가 되는 심벌을 추정하도록 정해지는 것이 바람직하다.
상기 최적의 필터 탭 계수는, 상기 송신 안테나에서 송신되는 송신 심벌 벡터와 상기 등화기에서 출력되는 송신 심벌 벡터 사이의 오류 정도가 최소화되는 필터 계수로 하는 것이 바람직하다.
상기 최적의 필터 탭 계수()는 아래 수학식을 이용하여 재귀적으로 구하는 것이 바람직하다.
상기 등화기의 심벌 검파 순서()는 자승 오차의 가중치 합()을 최소로 하는 심벌을 검파하도록 결정하는 것이 바람직하다.
상기 A) 단계는, 상기 수신 심벌 벡터()가 상기 순방향 필터에 입력되어 출력되는 값()을 이용해 첫 번째 송신 심벌 벡터에 대한 값()을 결정하는 것이 바람직하다.
상기 B) 단계는,
ⅰ)상기 수신 심벌 벡터가 순방향 필터를 통과한 값과 이미 검파된 신호가 궤환 필터를 통해 궤환된 값을 상관한 교차 상관 벡터를 이용해 교차 상관 행렬()을 정의하는 단계; ⅱ)상기 ⅰ)단계가 완료되면, 상기 순방향 필터와 궤환 필터에 적용되는 최적의 필터 탭 계수()를 계산하는 단계; ⅲ)상기 ⅱ)단계가 완료되면, 상기 등화기의 심벌 검파 순서를 결정하고, 상기 필터 탭 계수를 갱신하는 단계; 및 ⅳ) 상기 ⅲ)단계에서 결정된 심벌 검파 순서와 필터 탭 계수를 다음 수신 심벌 벡터에 적용하여 상기 송신 심벌 벡터를 검파하는 과정을 반복하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 ⅲ)단계는, 상기 교차 상관 벡터()를 획득한 후, 자승 오차의 가중치의 합()을 계산하여 각 등화기의 심벌 검파 순서()를 결정하는 것이 바람직하다.
상기 B) 단계는, 상기 등화기의 심벌 검파 순서를 일정한 상수()의 간격을 두고 결정하는 것이 바람직하다.
상기 n 번째 수신 심벌 벡터의 입력시, ⅰ)상기 n이의 배수이면, 상기 교차 상관 벡터()를 회득한 후, 자승 오차의 가중치의 합()을 계산하여 각 등화기의 심벌 검파 순서()를 결정하는 단계; 및 ⅱ)상기 n이 의 배수가 아니면, 아래 수학식을 이용하여 상기 필터 탭 계수를 갱신하고, 각 등화기의 심벌 검파 순서는 이전(n-1)의 심벌 검파 순서를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 B) 단계는, 상기 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널의 변화 속도에 따라 일정 주기 동안에는 매 심벌 시간마다 필터 탭 계수를 갱신하면서 심벌 검파 순서를 결정하고, 나머지 주기 동안에는 상수 의 간격을 두고 1회씩만 심벌 검파 순서를 결정하고 나머지 시간에 상기 필터 탭 계수만 갱신하고 심벌 검파 순서는 그대로 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템에 대하여 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템은, 등화기(100), 적응 블록(200), 기록부를 포함하는데, 등화기(100)는 최초의 송신 심벌 벡터를 검파하는 선형 등화기(150)와 나머지 송신 심벌 벡터를 검파하기 위한 병렬 등화기로 구분할 수 있다.
등화기(100)는 송신 안테나 수 만큼 병렬로 연결된 구조로서, 설명의 편의상 선형 등화기와 결정 궤환 등화기로 구분한 것이다.
등화기(100)의 i번째 등화기는, N차 순방향 필터(110), (i-1)차 궤환 필터(120), 합산부(130), 결정부(140)를 포함한다.
순방향 필터(110)는 N개의 수신 안테나를 통해 수신된 (N× 1)수신 심벌 벡터가 입력되어 에러 신호에 대한 필터링을 수행하고, 궤환 필터(120)는 (N× 1) 수신 심벌 벡터 중에서 이미 검파된 신호에서 에러 신호를 필터링하여 궤환한다.
합산부(130)는 순방향 필터(110)와 궤한 필터(120)에서 출력되는 각 신호들을 합산하여 출력하고, 결정부(140)는 합산부(130)에서 출력되는 합산값을 일정한 결정 기준에 의해 최적의 필터 탭 계수를 적용하여 결정값, 즉 송신 심벌 벡터를 출력한다.
적응 블록(200)은 등화기(100)의 탭 계수 및 심벌 검파 순서를 매 심벌 시간마다 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘에 기반하여 갱신되는데, 등화기(100)의 심벌 검파 순서를 자승 오차의 합을 이용하여 결정한다.
기록부(300)는 적응 블록(200)에서 결정된 심벌 검파 순서에 따라 등화기를 통해 순차적으로 검파되는 송신 심벌 벡터를 기록한다.
위와 같이 구성되는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템의 구성을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
M개의 송신 안테나와 N개의 수신 안테나를 사용할 경우에, 송신 안테나를 통하여 (M× 1) 송신 심벌 벡터()를 전송하고, 수신 안테나로부터 (N× 1) 수신 심벌 벡터()를 수신하게 된다.
이때, 수신 심벌 벡터는 각 송신 및 수신 안테나 사이의 채널 이득으로 이루어진 (N× M) 채널 행렬()을 통과한 후 잡음 벡터 ()가 더해져 아래 수학식1과 같이 표현된다.
이러한 수신 심벌 벡터는 등화기(100)에 입력되어 V-BLAST의 널링(nulling) 벡터에 해당하는 순방향 필터(110)를 통과하여 이미 검파가 이루어진 신호와 궤환 필터(120)를 이용하여 간섭을 제거한 후 검파되게 된다.
이때 등화기(100)에서의 심벌 검파 순서와 필터 탭 계수 벡터는 매 심벌 시간마다 갱신되는데, 시간적으로 필터 탭 계수를 갱신하는 연산을 타임 업데이트(time-update)라고 한다.
도 2는 도 1의 일부 구성요소인 등화기의 구조를 상세히 도시한 것이다.
도 2에 나타나 있듯이, 선형 등화기(150)는 위의 등화기(100)의 구성에서 순방향 필터(110)와 결정부(140)만을 포함하고 있고, 나머지 결정 궤환 등화기(100)는 순방향 필터(110), 궤환 필터(120), 상관부(130), 결정부(140)를 모두 포함하고 있다.
선형 등화기(150)의 다음에 있는 첫 결정 궤환 등화기는 이미 검파된 을 이용하는 1차 궤환 필터를 갖으며, 그 다음 둘째 결정 궤환 등화기는 과 를 이용하는 2차 궤환 필터를 갖고, 마지막 등화기는 (M-1)차 궤환 필터를 갖는다.
도 2에서, 는 N차 순방향 필터 탭 계수 벡터이고, 는 (i-1)차 궤환 필터 탭 계수 벡터이다.
M개의 동시에 전송된 송신 심벌 벡터는 등화기(100)를 통해 순차적으로 검파되는데, 최초에는 선형 등화기(150)에 의해 검파가 이루어지고, 검파가 반복됨에 따라 궤환 필터(120)의 차수가 하나씩 증가하는 병렬 등화기(100)에 의해 M개의 송신 심벌 벡터에 대한 검파가 순서대로 이루어진다.
송신 심벌 벡터()의 심벌 검파 순서를 나타낸 집합을 로 정의한다. 이때, S는 {1, 2, … , M}에서 원소의 순서를 바꾸어 생기는 집합이다.
병렬 등화기(100)는 송신 안테나의 수에 해당하는 등화기를 병렬로 겹쳐놓은 구조를 갖는데, 위쪽의 등화기부터 아래쪽의 등화기까지 차례로 심벌 검파 순서에 따라 송신 심벌 벡터를 검파한다.
결정부(140)에서 송신 심벌 벡터를 검파한 결과, 즉 결정값을 이라 한다.
적응 블록(200)에서는 매 심벌 시간마다 순방향 필터(110)와 궤환 필터(120)의 계수를 RLS 알고리즘에 기반하여 갱신하고, 자승 오차의 가중치 합을 각 등화기(100)에 대해 계산해서 심벌 검파 순서를 결정한다.
통합 필터 계수 벡터( )와 통합 입력 신호 벡터( )를 아래 수학식 2와 수학식 3에서 정의한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법에서 최적의 필터 탭 계수를 갱신하는 과정을 도시한 것이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이 M개의 송신 심벌 벡터가 입력되면 등화기(100)의 최적의 필터 탭 계수를 찾아내야 한다.
이를 위해, 적응 블록(200)에서는 결정 기준을 송신 안테나로부터 송신된 송신 심벌 벡터와 수신측의 등화기 출력 사이의 오류 정도로 정하고, 이 오류 정도를 최소화시키는 필터 계수를 최적의 필터 탭 계수로 정의한다.
최적의 필터 탭 계수를 정의하기 위해, i번째 등화기의 출력이 아래 수학식 4와 같이 정의되고, 비용 함수(cost function)는 수학식 5로 주어진다.
여기서, 을 최소화시키는 최적 필터 탭 계수 벡터는 다음 수학식 6으로 표현된다.
위의 수학식 6에서, 은 자기 상관 행렬이고, 는 교차 상관 벡터로 아래 수학식 7과 수학식 8로 각각 정의된다.
이렇게, 최적의 필터 탭 계수는 수학식 9에 나타나 있듯이 RLS 알고리즘을 이용하여 재귀적으로 구할 수 있다.
여기서, 는 등화기의 사전 추정 오차(a priori estimation error)이며, 사전 추정 오차는 아래 수학식 10과 같이 주어진다.
최적의 필터 탭 계수를 RLS 알고리즘으로 연산할 경우에, M개의 등화기 필터 탭 계수()에 대하여 독립적으로 RLS 알고리즘을 적용해야 하기 때문에 연산량이 아주 크다.
자기 상관 행렬()을 아래 수학식 11과 같이 정의하면, 자기 상관행렬을 이용해 는 수학식 12를 통해 재귀적으로 계산할 수 있다.
수학식 11에서, 이고, 수학식 12에서, 이다.
수학식 11 및 수학식 12에 의해, 로 표현되므로 수학식 9의 에 수학식 12와 의 전개식을 대입하면 은 아래 수학식 13과 같이 재귀적으로 계산될 수 있다. 이때 으로 주어진다.
수학식 13은 심벌 검파 순서를 알고 있어야 적용이 가능하다.
다음, 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법은 등화기의 최적의 필터 계수를 계산한 후에 심벌 검파 순서를 결정해야 한다.
일반적으로 V-BLAST방식에서는 각 단계에서 신호대 잡음비가 가장 큰 신호를 검파하는 것이 심벌 오류 확률을 최소화하는 심벌 검파 순서라고 알려져 있다. RLS 알고리즘에서는 수학식 14와 같이 주어지는 자승 오차의 가중치 합을 이용하여 등가적인 신호대잡음비(SNR)를 구할 수 있다.
등화기(100)는 각 검파 단계에서 수학식 14와 같은 자승 오류의 가중치 합을 최소로 하는 심벌을 수학식 15와 같이 검파한다.
그리고, 이라고 할 때, 은 수학식 6의 에서 이 로 바뀌어 수학식 6과 동일한 식이 된다. 자승 오차의 합은 다음 수학식 16과 같이 표현된다.
일례로, 송신 안테나의 수가 4이고 수신단에서의 심벌 검파 순서 S = {4, 3, 2, 1}라고 할 때, 수학식 12를 이용하여 를 재귀적으로 구하고, 수학식 15를 이용하여 최적의 심벌 검파 순서를 결정하고, 최적의 필터 탭 계수() 를 도 3에 도시된 바와 같이 구한다.
도 4는 도 3에 비해 단순화된 최적의 필터 탭 계수를 갱신하는 과정을 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같은 최적의 필터 탭 계수를 갱신하는 방법은 도 3에서 제시한 최적의 필터 탭 계수의 갱신 방식에서 와 를 재귀적으로 구하는 것이 비교적 많은 연산량을 요구하므로, 의 갱신 없이를 구할 수 있는 방식을 제시한다.
우선 에 대한 연산이 완료되었다는 가정 하에, 를 연산하기 위해서는 를 연산하기 위한 수학식 12와 의 갱신식이 필요하므로, 를 아래 수학식 17로 정의한다.
여기서, 이므로, 은 수학식 18과 같은 갱신식으로 표현할 수 있다.
그리고 과 이 동일하므로 자승 오차의 합을 아래 수학식 19와 같이 나타낼 수도 있다.
또한 을 정의한 수학식 8을 이용하여 다음과 같은 (N+M)× N의 교차 상관 행렬을 아래 수학식 20에서 정의한다.
위의 수학식 20에서, 은 의 ( i, j)번째 성분이라는 것을 알 수 있다. 그래서 수학식 18에 있는 는 를 통해서 얻을 수 있다. 또 을 얻기 위해서는 검파된 송신 심벌 벡터()가 필요하다.
송신 심벌 벡터()를 위해서는 위에서 언급한 (n-1)의 필터 탭 계수와 심벌 검파 순서를 이용한다. 즉, 아래 수학식 21과 수학식 22에 나타나 있다.
이렇게 이 주어져 있다면, 위의 수학식 12와 수학식 18을 이용하여 을 아래 수학식 23과 같이 재귀적으로 구할 수 있다.
수학식 23에서, 이고, 은 기존의 방식으로 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법에 대한 검파 과정을 위에서 언급한 수학식을 이용해 정리하면 다음과 같다.
<알고리즘 1>
제1 단계에서는 검파를 시작하기 위해 모든 파라미터 값들이 초기화된다.
여기서, 는 임의의 작은 양의 상수를 나타낸다.
제2 단계에서는 수신 안테나를 통해 입력된 수신 심벌 벡터가 순방향 필터(110)와 궤한 필터(120)를 거쳐 출력되고, 결정부(140)에서 결정값, 즉 송신 심벌 벡터를 출력한다. (i = 1, 2, …, M)
제3 단계에서는 상관부(130)에서 순방향 필터(110)와 궤환 필터(120)의 출력값들을 이용해 교차 상관 행렬을 갱신한다.
제 4단계에서는 적응 블록(200)에서 필터 탭 계수 및 검파 순서를 매 심벌 시간마다 갱신한다.
(I) 시간적 필터 탭 계수 갱신(time-update)을 이용한 계산
(II) 심벌 검파 순서 결정 및 필터 탭 계수 갱신
ⅰ)획득
ⅱ) 자승 오류의 합() 계산
ⅲ) 심벌 검파 순서() 결정
제5 단계에서는 n=n+1, 송신 안테나로부터 송신된 M개의 송신 심벌 벡터에 대한 모든 검파가 완료될 때까지 제2 단계부터 반복 수행한다.
알고리즘 1에서는 초기 구간 동안에 이미 알고 있는 데이터가 전송되기 때문에 제2 2단계가 생략될 수 있다. 그리고 단말기의 이동 속도가 낮아서 채널이 천천히 변하는 경우에, 매 심벌 시간마다 심벌 검파 순서가 바뀌지 않고, 을 검파하는 과정에서 사용하던 심벌 검파 순서가 을 검파 하는 시간에도 변하는 않는 경우가 많다.
알고리즘 2에서는 알고리즘 1과 같이 매 심벌 시간마다 심벌 검파 순서를 갱신하지 않고 상수 을 정하여 간격을 가지고 1회씩 심벌 검파 순서를 정하고, 나머지 시간에서는 이전에 정한 심벌 검파 순서를 그대로 유지하는 방식이다.
<알고리즘 2>
알고리즘 1과 유사하지만, 제4 단계의 (II) 과정이 아래와 같이 수정된다.
제4 단계의 (II) 필터 탭 계수 갱신하는 과정에서,
n이 의 배수이면, 알고리즘 1의 제4 단계 (II) 과정을 수행하고, n이 의 배수가 아니면, 아래 수학식 24를 이용하여 을 계산한다.
본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 방법은 시간적으로 변하는 채널 환경에서 기존의 V-BLAST 방식에 비하여 어느 정도 연산량이 감소하는지 알아보자.
기존의 V-BLAST 연산은 여러 가지 방법 중에서 연산이 간단한 것 중에 하나인, 웨이(Wei Zha)와 스티븐(Steven D. Blostein)이 "Modified Decorrelating Decision-Feedback Detection of BLAST Space-Time System," in Proc. ICC 2002에서 제안한 방식으로 하고, 기존의 RLS 방식을 이용하여 채널 추정 결과를 추적하는 방식을 사용한다고 가정한다.
송신 안테나 및 수신 안테나의 수가 M으로 동일하다고 가정하면, 복소수 곱셈과 덧셈의 회수가 심벌 검파 순서를 변화 유무에 따라 각각 아래와 같이 주어진다.
복소수의 곱셈과 덧셈의 회수는 과 을 검파하는 동안 심벌 검파 순서가 달라진다고 할 경우에 아래 표 1과 같이 주어진다.
복소수의 곱셈과 덧셈의 회수는 과 을 검파하는 동안 심벌 검파 순서가 동일할 경우에 아래 표 2와 같이 주어진다.
표 3에는 복소수 곱셈과 덧셈의 연산을 안테나 수에 따라 수치로 표시하고, 그 감소 정보를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법을 제안된 방식의 성능을 모의 실험을 통해 도출한 그래프를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 7에서는 모의 실험을 위해 제이크스(W. C. Jakes)의 채널 모델을 사용하였으며, 각 송수신 안테나 사이의 상관은 없다고 가정하고, 송수신 안테나의 개수를 모두 4개로 가정한 것이다.
한 프레임은 160개의 송신 심벌 벡터로 이루어지고, 이 송신 심벌 벡터 중에서 앞의 32개는 송신 안테나의 신호끼리 직교하는 훈련 구간으로 할당하고, 4-위상 변환 변조(QPSK)로 변조한 신호를 수신 측으로 전송한다.( =0.95라고 하였다.)
그리고, 채널의 변화 정도를 나타내는 척도인 도플러 주파수(fd)와 심벌 길이(T)의 곱인 정규화된 도플러 주차수가 0.0005라고 할 경우에, 알고리즘 1의 성능에 대한 그래프가 도 5에 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 알고리즘 1에서는 간단한 연산량을 가지고 채널 추적을 이용한 V-BLAST방식과 같은 성능을 보임을 알 수 있다.
도 3에서 성능의 하한이라고 할 수 있는 채널을 완전히 알고 있다는 가정 하에, V-BLAST를 적용한 결과와 비교할 때 BER = 10-3에서 약 2dB 정도의 성능 저하를 보인다.
1/4의 비율로 미드엠블(mid-amble)을 삽입하고, 블록 단위로 채널을 추적하는 방식은 본 발명의 실시예에 비해 성능 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 비트 전력과 잡음 전력의 비가 15dB인 경우의 fdT에 따른 성능 변화를 도시한 것으로서, 채널 변화 정도가 달라지더라도 이러한 경향이 변하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제안한 알고리즘 2의 성능을 도시한 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 알고리즘 2에서는 기본적인 모의 실험의 환경은 위의 도 5에 도시된 바와 같고, 심벌 검파 순서를 갱신 주기인 의 변화에 따른 성능을 도시한 것이다.
즉, fdT가 0.0005인 환경에서는 =12또는 24가 되어도 약 1dB이하의 성능 저하를 보인다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의한 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템 및 그 방법은 시간적으로 변하는 채널 환경에서 등화기의 필터 탭 계수와 심벌 검파 순서를 최적으로 결정함으로써 기존의 V-BLAST 방식에 비해 복잡도가 감소하고 구현이 간단하면서 유사한 성능을 나타내며, 다른 다중입력 다중출력 수신기에도 확장 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 일부 구성요소인 등화기의 구조를 상세히 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법에서 최적의 필터 탭 계수를 갱신하는 과정을 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 비해 단순화된 최적의 필터 탭 계수를 갱신하는 과정을 도시한 것이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 실시예와 기존의 V-BLAST 방식간의 비트 오율 성능을 비교한 그래프이다.

Claims (17)

  1. 다수의 송신 및 수신 안테나 사이의 채널을 통해 송신 및 수신 심벌 벡터가 송수신되는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템에 있어서,
    상기 다수의 수신 심벌 벡터에서 상기 채널을 통과하면서 더해진 잡음을 제거하여 송신 심벌 벡터만을 추출하기 위해 최초 검파가 이루어지는 선형 등화기;
    상기 선형 등화기에 의해 검파된 신호와 상기 수신 심벌 벡터를 일정 주기마다 갱신되는 필터 탭 계수 및 심벌 검파 순서에 의해 신호 간섭을 제거하면서 송신 심벌 벡터를 검파하는 다수의 결정 궤환 등화기; 및
    상기 선형 등화기 및 결정 궤환 등화기의 심벌 검파 순서를 일정 주기마다 결정하고, 상기 결정된 심벌 검파 순서에 맞추어 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘에 기반하여 상기 필터 탭 계수를 갱신하는 적응 블록
    를 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적응 블록에서 결정된 상기 다수의 수신 심벌 벡터에 대한 심벌 검파 순서에 따라 상기 등화기를 통해 순차적으로 검파되는 신호를 기록하는 기록부를 더 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선형 등화기는,
    상기 다수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 심벌 벡터 중에서 첫 번째 수신 심벌 벡터가 입력되어 에러 신호에 대한 필터링을 수행하는 순방향 필터; 및
    상기 순방향 필터에서 출력되는 신호를 일정한 결정 기준에 의해 최적의 필터 탭 계수를 적용하여 결정값을 출력하는 결정부
    를 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정 궤환 등화기는,
    상기 다수의 수신 안테나를 통해 수신된 수신 심벌 벡터가 입력되어 상기 적응 블록에서 결정된 순방향 필터 탭 계수로 필터링을 수행하는 순방향 필터;
    상기 다수의 수신 심벌 벡터 중에서 이미 검파된 신호가 입력되어 상기 적응 블록에서 결정된 궤환 필터 탭 계수로 필터링하여 궤환하는 궤환 필터;
    상기 순방향 필터와 궤한 필터에서 출력되는 각 신호들을 합산하여 출력하는 합산부; 및
    상기 합산부에서 출력되는 합산값을 일정한 결정 기준에 의해 최적의 필터 탭 계수를 적용하여 결정값을 출력하는 결정부
    를 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 궤환 필터는.
    상기 수신 심벌 벡터의 두 번째 심벌에서 마지막 심벌까지의 검파가 반복됨에 따라 차수가 1씩 증가하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적응 블록은,
    상기 탭 계수를 결정하기 위한 기준을 송신 안테나에서 송신되는 송신 심벌 벡터와 상기 등화기의 출력 사이의 오류 정도로 정의하고, 상기 최적의 필터 탭 계수를 상기 오류 정도를 최소화시키는 필터 계수로 정의하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템.
  7. 다수의 송신 안테나에서 송신한 송신 심벌 벡터가 다수의 수신 안테나를 통해 수신 심벌 벡터로 입력되면 등화기에서 송신 심벌 벡터를 검파하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 시스템에 있어서,
    A) 상기 등화기는 다수의 수신 심벌 벡터가 입력되면, 최초의 수신 심벌 벡터가 순방향 필터에 의해 에러 신호가 검출되고 일정한 결정 기준에 의해 송신 심벌 벡터를 검파하는 단계; 및
    B) 상기 A) 단계가 완료되면, 상기 등화기는 순방향 필터와 궤환 필터에 최적의 필터 탭 계수를 적용하고 일정한 심벌 검파 순서에 따라 상기 수신 심벌 벡터와 이미 검파된 신호에서 간섭을 제거하여 송신 심벌 벡터를 검파하는 단계
    를 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 B) 단계는,
    상기 순방향 필터와 궤환 필터는 최적의 필터 탭 계수를 RLS 알고리즘에 기반하여 갱신되고, 상기 등화기에 대한 심벌 검파 순서는 자승 오차의 가중치 합이 최소가 되는 심벌을 추정하도록 정해지는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 필터 탭 계수는,
    상기 송신 안테나에서 송신되는 송신 심벌 벡터와 상기 등화기에서 출력되는 송신 심벌 벡터 사이의 오류 정도가 최소화되는 필터 계수로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 최적의 필터 탭 계수()는 아래 수학식을 이용하여 재귀적으로 구함;
    여기서, 는 상기 등화기의 사전 추정 오차( )임;
    다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 등화기의 심벌 검파 순서()는 자승 오차의 가중치 합()을 최소로 하는 심벌을 검파하도록 결정함;
    여기서, 는 등화기의 통합 필터 계수 벡터, 는 통합 입력 신호 벡터, 는 송신 심벌 벡터를 각각 의미함;
    다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 A) 단계는,
    상기 수신 심벌 벡터()가 상기 순방향 필터에 입력되어 출력되는 값()을 이용해 첫 번째 송신 심벌 벡터에 대한 값()을 결정함;
    을 특징으로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 B) 단계는,
    ⅰ)상기 수신 심벌 벡터가 순방향 필터를 통과한 값과 이미 검파된 신호가 궤환 필터를 통해 궤환된 값을 상관한 교차 상관 벡터를 이용해 교차 상관 행렬()을 정의하는 단계; 및
    ⅱ)상기 ⅰ)단계가 완료되면, 상기 순방향 필터와 궤환 필터에 적용되는 최적의 필터 탭 계수()를 계산하는 단계;
    ⅲ)상기 ⅱ)단계가 완료되면, 상기 등화기의 심벌 검파 순서를 결정하고, 상기 필터 탭 계수를 갱신하는 단계; 및
    ⅳ) 상기 ⅲ)단계에서 결정된 심벌 검파 순서와 필터 탭 계수를 다음 수신 심벌 벡터에 적용하여 상기 송신 심벌 벡터를 검파하는 과정을 반복하는 단계
    를 포함하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 ⅲ)단계는,
    상기 교차 상관 벡터()를 획득한 후, 자승 오차의 가중치의 합()을 계산하여 각 등화기의 심벌 검파 순서()를 결정함;
    여기서, 는 통합 필터 탭 계수임.
    을 특징으로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 B) 단계는,
    상기 등화기의 심벌 검파 순서를 일정한 상수()의 간격을 두고 결정하는 것을 특징으로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 n 번째 수신 심벌 벡터의 입력시,
    ⅰ)상기 n이의 배수이면, 상기 교차 상관 벡터()를 획득한 후, 자승 오차의 가중치의 합()을 계산하여 각 등화기의 심벌 검파 순서()를 결정하는 단계;
    여기서, 는 통합 필터 탭 계수임.
    ⅱ)상기 n이 의 배수가 아니면, 아래 수학식을 이용하여 상기 필터 탭 계수를 갱신하고, 각 등화기의 심벌 검파 순서는 이전(n-1)의 심벌 검파 순서를 사용함;
    을 특징으로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
  17. 제7항에 있어서,
    상기 B) 단계는,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널의 변화 속도에 따라 일정 주기 동안에는 매 심벌 시간마다 필터 탭 계수를 갱신하면서 심벌 검파 순서를 결정하고, 나머지 주기 동안에는 상수 의 간격을 두고 1회씩만 심벌 검파 순서를 결정하고 나머지 시간에 상기 필터 탭 계수만 갱신하고 심벌 검파 순서는 그대로 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 다중입력 다중출력에서의 적응 수신 방법.
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