KR20050066633A - 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및그 방법 - Google Patents

다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법은, 송신단에서 통신 시작을 위한 제어 데이터가 전송되면 제어 데이터를 이용해 채널 추정을 수행하고 안테나 선택 정보를 산출한 후, 안테나 선택 정보를 토대로 실제 데이터의 송신하기 위한 상기 송신 안테나를 선택하고, 선택된 송신안테나만을 통해 송신단으로부터 실제 데이터가 전송되면 데이터를 검파하기 위한 채널 추정, 다중입력 다중출력 검파를 수행하여 데이터에서 송신 심벌을 복원하도록 한다.
이와 같이 하면, 전체 안테나 중에서 실제 데이터를 송신할 안테나를 선택하여 데이터를 전송함으로써 비트 오류 성능을 높이고, 수신단의 신호 검파 과정에서 널링 벡터를 이용한 등가 채널 용량을 통해 채널 용량을 비교함으로써 잉여 연산을 요구하지 않아 수신단의 복잡도를 감소시킬 수 있다.

Description

다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR SELECTING ANTENNA IN MIMO SYSTEM}
본 발명은 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 송신 안테나의 일부만을 이용하여 데이터를 전송함으로써 비트 오류 성능을 향상시키고 수신단의 복잡도를 감소시키기 위한 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
MIMO(Multi-Input Multi-Output, MIMO) 시스템은 주어진 대역폭에서 채널 용량을 증대시키기 위해 송수신단에 다수의 안테나를 설치하고, 각각의 송신 안테나에서 다른 송신 신호를 전송하는 시스템이다.
MIMO 시스템은 기존의 SISO(Single Input Single Output) 시스템에 비하여 송신 안테나 수만큼의 송신 데이터 전송률 이득, 채널 용량의 증대를 얻을 수 있고, MIMO 채널의 상관(correlation)이 있는 경우에 채널 용량이 감소한다.
그래서 MIMO 시스템에서는 매 순간의 전송 속도는 증가하지만 비트 오류 확률이 높아져 사용자가 원하는 성능을 얻을 수 없다.
그로 인해, MIMO 시스템에서 송신 안테나 중에서 상관관계가 적은 몇 개의 안테나만을 선택하여 전송하는 방식들이 여러 논문들을 통해 제안되고 있다.
이러한 안테나 선택 방식들은 수신단에서 추정한 모든 송수신 안테나 사이의 채널 행렬을 이용하여 이론적인 채널 용량이나 수신기의 검파 방식에 따라 정의되는 비트 오류 확률을 간략화한 파라미터를 계산하고, 이 계산된 값들을 비교하여 채널 용량을 최대로 하거나 비트 오류 확률을 최소로 하는 안테나 선택 조합을 결정하는 형태를 갖고 있다.
이러한 안테나 선택 방식들을 실제 시스템에 적용하면, MIMO 시스템에서는 채널 용량이나 비트 오류 확률을 간략화한 파라미터를 계산하기 위한 추가적인 하드웨어 블록이 필요하고, 위의 파라미터를 연산하는 과정은 역행렬과 행렬식(determinant)의 계산이나 고유치 또는 특이치를 구하는 연산이라 복잡도가 아주 높다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전체 송신 안테나 중 일부 안테나만을 선택하여 실제 데이터를 전송하고, 수신단에서 이에 맞게 검파를 수행함으로써 최적의 채널 용량에 도달하기 위한 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 널링 벡터를 이용하여 계산한 등가 채널 용량을 이용해 채널 용량을 비교하는 과정을 통해 송신 안테나를 선택하고, 수신단에서 V-BLAST 검파를 수행하도록 한다.
본 발명의 첫 번째 특징에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템은, 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템에 있어서, 상기 수신단은, 상기 송신단에서 전송되는 제어 프레임과 실제 데이터를 이용하여 채널을 추정하여 채널 추정 정보를 산출하는 채널 추정부; 상기 채널 추정부에서 채널 추정 정보를 이용하여 실제 데이터를 송수신할 안테나를 선택하는 안테나 선택 결정부; 상기 송신단에서 실제 데이터가 전송되면 이를 수신하여, 상기 채널 추정 정보를 이용하여 각 송신 안테나에서 거쳐 전송된 심벌에 해당하는 수신 심벌을 검파하는 MIMO 검파부; 상기 MIMO 검파부에서 검파된 수신 심벌을 상기 송신단에서 사용한 변조 방식에 부합되는 이진 데이터로 디매핑하는 심벌 디맵핑부; 및 상기 심벌 디맵핑부에서 디매핑된 이진 데이터를 상기 송신단에서 전송한 데이터로 복원하기 위해 데이터 처리하는 데이터 역처리부를 포함한다.
상기 안테나 선택 결정부는, 상기 송신 안테나와 수신 안테나로 이루어지는 채널 행렬에서 특정 안테나 열만을 선택하고 부행렬을 구성한 후에 모든 가능한 안테나 조합에 대해 상기 부행렬을 통해 등가 채널 용량을 계산하고, 상기 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합을 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명의 두 번째 특징에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템은, 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템에 있어서, 상기 송신단은, 송신 데이터를 이진 데이터로 데이터 처리하는 데이터 처리부; 상기 데이터 처리부에서 전송되는 이진 데이터를 상기 수신단에서 사용 가능한 변조 방식에 따라 매핑하는 심벌 매핑부; 상기 심벌 매핑부에서 매핑된 심벌을 상기 송신 안테나 수를 고려하여 각 안테나로 병렬화하여 나누어주는 병렬 변환부; 및 상기 수신단에서 전송되는 실제 데이터를 전송할 안테나 선택 정보를 토대로 안테나를 선택하여, 상기 병렬 변환부에서 병렬화된 심벌을 송신하는 안테나 선택부를 포함한다.
본 발명의 세 번째 특징에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법은, 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법에 있어서, a) 상기 송신단에서 통신 시작을 위한 제어 데이터가 전송되면, 상기 제어 데이터를 이용해 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정된 정보를 이용해 안테나 선택 정보를 산출하는 단계; b) 상기 a) 단계의 안테나 선택 정보를 토대로 실제 데이터의 송신을 위해 전체 송신 안테나 중 일부 안테나를 선택하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 선택된 송신 안테나를 통해 상기 송신단으로부터 실제 데이터가 전송되면, 상기 데이터를 검파하기 위한 채널 추정, 다중입력 다중출력 검파를 수행하여 상기 데이터에서 송신 심벌을 복원하는 단계를 포함한다.
상기 a) 단계는, a-1) 상기 모든 송신 안테나와 수신 안테나로 이루어지는 채널 행렬에서 선택 안테나 열만을 선택하고 부행렬을 구성하는 단계; a-2) 상기 a-1) 단계에서 구성한 부행렬을 이용해 등가 채널 용량을 계산하는 단계; 및 a-3) 상기 a-2) 단계를 모든 가능한 안테나 조합에 대해 수행하고, 상기 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합을 선택하여 안테나 선택 정보를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 a-2) 단계는, 아래 수학식으로 정의되는 준최적 채널 용량을 이용해 제1 널링 벡터의 크기만을 가지고 채널 용량을 비교하는 것이
상기 c) 단계는 상기 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널만을 추정하여 널링 벡터를 이용하는 직교 벨연구소 층적 공간 시간(Vertical Bell Labs Layered Space Time, V-BLAST) 검파를 수행하는 것이 바람직하다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명에 적용되는 MIMO 시스템의 송수신기의 구조를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, MIM0 시스템의 송수신기는 M개의 송신 안테나를 사용하는 송신단(10), N개의 수신 안테나를 사용하는 수신단(20)으로 구성되어 있다.
송신단(10)의 송신 데이터는 데이터 처리부(11), 심벌 맵핑부(12), 병렬 변환부(13)를 거쳐 송신 심벌 벡터로 송신 안테나를 통해 수신단(20)으로 송신된다.
그리고 수신단(20)에 송신 안테나를 통해 송신 심벌 벡터가 전송되어 수신 안테나에서 수신 심벌 벡터로 수신하면, 이 수신 심벌 벡터는 MIMO 검파 기술을 이용하여 검파하는 MIMO 검파부(21), 직렬 변환부(22), 심벌 디맵핑부(23), 데이터 역처리부(24)를 순차적으로 거치면서 수신 데이터로 검출된다.
수신단(20)에서의 수신 신호의 모델을 살펴보면, 송신 안테나를 통하여 (M× 1) 송신 심벌 벡터()가 전송되고, 수신 안테나로부터 (N× 1) 수신 심벌 벡터()를 수신할 때, 수신 신호는 각 송수신 안테나 사이의 플랫 페이딩 채널 이득으로 이루어진(N × M) 채널 행렬(H(n))을 통과한 후 잡음 벡터()가 더해져 아래 수학식 1과 같이 표현된다.
이러한 수신 신호 y(n)를 가지고, 송신 신호 d(n)를 복원하는 형태의 송수신 기법이 MIMO 기술이다. 이와 같은 MIMO 시스템의 채널 용량(channel capacity)(C)은 아래 수학식 2와 같이 주어진다.
수학식 2에서 I는 (Nㅧ N) 항등 행렬이고, SNR은 수신단에서의 신호 대 잡음비이며, 위 첨자 H는 행렬의 공액 전치 연산을 가리킨다. 수학식 2는 수학식 3과 같이 달리 표현될 수도 있다.
여기서, K는 채널 행렬 H의 랭크(rank)이고, 는 채널 행렬의 특이치(singular value)들이다.
수학식 3에서 알 수 있듯이, 채널 용량을 결정하는 요인에는 채널 행렬의 랭크와 특이치의 크기가 있다. 즉 MIMI 시스템은 동일한 송수신 안테나 수를 갖는다고 해도 채널 상태에 따라 채널 용량이 달라지므로, 각 송수신 안테나들 사이의 채널 상관에 따라 채널 용량이 결정된다.
특히, 송신단의 경우에는 전송률 향상을 위해서 좁은 공간에 많은 안테나를 설치하고, 이 안테나를 통하여 각각 다른 데이터 스트림을 전송할지라도 비트 오류 확률 높아서 단위 시간당 작업처리량(Throughput)이 떨어진다.
따라서 본 발명의 실시 예에서는 다수의 안테나 중에서 일부 안테나만을 선택하여 데이터를 전송하여, 비트 오류 확률이 낮춰 작업처리량을 높이게 된다.
이와 같은 MIMO 시스템에서 검파하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중에서 최우 검파(maximum likelihood detection), 선형 검파(linear detection), 직교 벨연구소 층적 공간 시간(Vertical Bell Labs Layered Space Time; V-BLAST) 기법 등이 대표적인 검파 방법이다. 위의 검파 방법들 중에서 성능 및 구현 복잡도를 비교해 보면 V-BLAST가 합리적이라 할 수 있다.
V-BLAST의 동작과정을 살펴보면, V-BLAST는 M개의 송신 데이터 중에서 널링 벡터(nulling vector, 이하 라고 함)의 놈(norm)이 가장 작은, 즉 가장 오류 확률이 작은 송신 심벌을 검파한다.
V-BLAST는 위에서 검파된 결과와 채널을 이용하여 수신 신호에서 그 신호의 영향을 제거(canceling)하고, 채널 행렬에서 이미 검파된 송신 데이터에 해당하는 열(column)의 성분을 제거한 후에 다시 생성된 채널 행렬로 위의 검파 과정을 반복 수행한다.
위의 수학식 3과 같이 표현되는 채널 용량은 MIMO 검파 방식으로 특이치 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 사용시 얻게 된다. MIMO 채널은 SVD에 의해서 K개의 독립적인 채널로 모델링 할 수 있고, 각 채널을 등가 채널 이득을 라고 한다. 그래서 채널 용량은 K개의 각각의 플랫 페이딩 채널의 용량 합으로 표현할 수 있다.
V-BLAST를 검파 방식을 사용할 경우에, 각 검파 과정에서 사용되는 널링 벡터 놈의 역수( )을 등가 채널 이득으로 이용할 수 있다. 널링 벡터를 결정하는 기준으로 ZF(Zero-forcing) 방법을 사용할 경우에, 널링 벡터는 아래 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.
여기서, 는 채널 행렬의 k번째 열을 나타내다. 그래서 i번째 송신 심벌에 해당하는 결정 통계치(Decision Statistic)는 수학식 5와 같이 주어진다.
즉, 등화기 출력에서 만큼 잡음의 전력이 증가하기 때문에 등가 채널 이득을 이라고 할 수 있다. 그래서 V-BLAST 수신기를 갖는 MIMO 시스템에서 최적의 성능을 얻기 위해서 들의 합이 최소가 되어야 한다.
수신단에서는 V-BLAST 형태의 검파를 수행할 경우에, 각 송신 심벌을 검파하기 위한 널링 벡터의 놈(norm)에 의해서 결정 통계치의 신호대 잡음비가 결정된다. 이와 같이 수신단에서는 V-BLAST 형태의 검파를 수행할 경우에 채널 용량은 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
그리고 수신단에서는 V-BLAST의 형태의 수신기를 이용할 경우에, 특이치를 이용한 채널 용량보다는 널링 벡터를 이용한 채널 용량이 더욱 효과적이다.
실제 시스템 구현 관점에서 볼 때, 널링 벡터를 구하는 연산은 검파 과정에도 사용하는 것이지만 채널 행렬의 특이치를 구하는 과정은 추가적인 연산 과정이기 때문에 추가적인 연산 과정이 필요 없는 널링 벡터를 이용한 채널 용량 계산이 현실적이다.
따라서 V-BLAST 형태의 수신기를 검파 기법으로 사용하는 MIMO 시스템에서는 수학식 6과 같이 표현되는 채널 용량을 이용할 경우에 최적이 검파 성능을 가질 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템은 V-BLAST 검파를 수행하는 경우에 송신단에 설치된 안테나를 가지고 조합할 수 있는 모든 선택 방법에 대하여 채널 용량을 구하고, 이 중에서 채널 용량을 최대로 하는 선택 조합을 선택하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템은, 송신단으로서 송신단(100)은 데이터 처리부(110), 심벌 맵퍼부(120), 병렬 변환부(130), 안테나 선택부(140)를 포함하고, 수신단(200)은 채널 추정부(210), 안테나 선택부 결정부(220), MIMO 검파부(230), 직렬변환부(240), 심벌 디매핑부(250), 데이터 역처리부(260)를 포함한다. 이때 송신단(100)은 단말, 수신단(200)은 기지국이 될 수 있다.
먼저, 송신단(100)의 구성을 살펴보면, 데이터 처리부(110)는 송신 데이터를 여러 가지 목적으로 처리하는 부분으로 스크램블링(scrambling), 오류 정정 부호화(error correction coding), 인터리빙(interleaving) 등의 과정을 거쳐 이진데이터로 처리한다.
이때, 송신 데이터는 각각 송신단에서 전송되는 데이터를 의미하는 것으로 매체 접속 제어(Medium Access Control; MAC) 계층으로부터 물리 계층으로 전달된다.
심벌 매핑부(120)는 데이터 처리부(110)에서 전송되는 이진 데이터를 원하는 변조 방식에 따라 매핑한다.
병렬 변환부(130)는 송신 안테나의 개수(M)를 고려하여 심벌 매핑부(120)에서 매핑된 심벌을 각 안테나로 병렬화하여 나누어 준다.
여기서, 병렬 변환부(130)는 초기에 채널 추정을 위한 프레임에 대해 M개의 모든 송신 안테나를 사용해서 전송하고, 실제로 안테나 선택이 적용되는 데이터 프레임에 대해 안테나 선택 정보에 의해서 선택된 안테나만을 사용해서 전송해야 한다.
안테나 선택부(140)는 수신단에서 귀환(feedback)된 안테나 선택 정보에 따라 안테나를 선택하고, 이렇게 선택한 안테나를 통하여 해당되는 데이터가 전달되도록 한다.
송신 안테나에서는 안테나 선택부(140)에 의해 배분된 신호들을 무선 환경으로 송신한다.
이렇게 송신단에서 송신된 데이터는 플랫 페이딩 채널을 거쳐서 수신 안테나를 통해 수신단(200)에서 수신한다.
송신단(100)은 최초 수신단(200)과의 통신을 시작하기 위해 전송하는 제어 정보 프레임을 M개의 모든 송신 안테나를 통해 전송하고, 이들 각 송신 안테나와 수신 안테나 사이에서 추정된 MIMO 채널을 기반으로 하는 안테나 선택 정보에 의해 안테나를 선택하게 된다.
그리고 실제 데이터를 송신할 때, 송신단은 선택된 안테나를 통해서만 신호가 송신되도록 하고, 수신단(200)은 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널만을 추정하여 V-BLAST 검파를 수행한다.
다음, 수신단(200)의 구성을 살펴보면, 채널 추정부(210)는 제어 데이터 프레임을 이용하여 안테나 선택을 수행하기 위한 채널 추정, 실제 데이터를 검파하기 위한 채널 추정을 수행하여 각각의 채널 추정 정보를 안테나 선택 결정부(220)와 MIMO 검파부(230)로 전달한다.
안테나 선택 결정부(220)는 안테나 선택을 위해 채널 추정부(210)에서 전달되는 채널 추정 정보를 이용하여 안테나를 선택하고, 그 안테나 선택 정보를 송신단(100)에 전달한다.
MIMO 검파부(230)는 수신 프레임을 채널 추정부(210)에서 전달되는 채널 추정 정보를 이용하여 V-BLAST 검파를 수행하고 각 송신 안테나를 통해 수신한 수신 심벌을 복원한다.
직렬 변환부(240)는 MIMO 검파부(230)에서 전달되는 수신 심벌을 직렬화 하고, 심벌 디맵핑부(250)는 심벌 매핑부(120)의 역과정을 수행하는 것으로서 수신 심벌을 해당 이진데이터로 디맵핑한다.
데이터 역처리부(260)는 데이터 처리부(110)의 역과정을 수행하는 것으로서 디스크램블링(descrambling), 오류 정정 부호의 복호화(decoding) 그리고 디인터리빙(deinterleaving) 등의 과정을 데이터 처리부(110)의 역순으로 수행한다.
다음, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템의 동작에 대하여 자세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법을 도시한 것이다.
도 3에 나타나 있듯이, 송신단(100)은 수신단(200)과 처음 통신을 시작할 때 안테나 선택에 대한 정보 없이 데이터 처리부(110), 심벌 맵퍼부(120), 및 병렬 변환부(130)를 거쳐 제어 프레임을 모든 송신 안테나를 이용하여 수신단(200)으로 전송한다.(S1)
수신단(200)은 수신 안테나를 통해 제어 프레임을 수신하고, 채널 추정부(210)에서는 각 송수신 안테나 사이의 MIMO 채널을 추정하여 채널 추정 정보를 MIMO 검파부(230)와 안테나 선택 결정부(220)로 전송한다.(S2, S3) 이때, 수신단(200)은 모든 안테나에 대한 채널 정보를 가지고 있어야 한다.
안테나 선택 결정부(220)는 전체 송수신 안테나로 이루어지는 (Nㅧ M) 채널 행렬에서 선택하고자 하는 안테나의 열만을 선택하고 부행렬을 구성한 후, 이 부행렬을 가지고 수학식 6을 이용해 등가 채널 용량을 계산한다.
안테나 선택 결정부(220)는 부행렬 구성 후 채널 용량을 계산하는 과정을 모든 가능한 안테나 조합에 대하여 수행하고, 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합을 선택하여 안테나 선택 정보를 생성 출력한다.(S3)
안테나 선택 결정부(220)는 안테나 선택 정보를 초기 제어 프레임에 대한 응답 프레임에 포함하여 송신단(100)으로 전송한다.(S4)
그러면, 송신단의 안테나 선택부(140)에서는 안테나 선택 정보를 토대로 원하는 송신 안테나만을 선택하여 실제 데이터를 전송하게 된다.(S5, S6)
송신단(100)으로부터 전송되는 실제 데이터를 수신한 수신단(200)은 MIMO 검파부(230), 직렬 변환부(240), 심벌 디맵핑부(250), 및 데이터 역처리부(260)를 통해 MIMO 검파를 수행하여 원래 송신단(100)에서 송시한 데이터로 복원한다.(S8, S9)
이와 같이, MIMO 채널에서 안테나 사이의 상관이 많을 경우에, 실제 데이터를 송신하기 위한 송신 안테나를 적절히 선택하면 채널 용량과 수신단의 복잡도를 고려할 때 매우 효과적이며, 안테나 상관뿐만 아니라 간섭이 있는 경우에도 작업 처리량 관점에서 효율적이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법의 모의실험 결과를 살펴본다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 적용되는 모의실험에서 안테나를 선택 사용하는 경우와 모든 안테나를 사용하는 경우의 채널 용량을 비교한 결과를 일례들을 도시한 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 적용되는 모의실험에서 이용한 채널 모델은 일반적으로 MIMO 채널 모델에 많이 쓰이는 형태로 아래 수학식 7과 같이 주어지고, 송수신 상관 행렬이 아래 수학식 8과 같이 주어지며, 송신 안테나의 개수는 6개이고 그중 5개의 송신 안테나만을 선택하여 데이터를 전송한다고 가정한다.
수학식 7에서, 와 는 각각 송신단과 수신단의 상관의 정도를 나타내는 행렬이고, 는 각각 독립인 영 평균, 단위 분산 복소수 가우시안 확률 변수로 이루어진 행렬이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 동일 채널 간섭이 없을 경우에 6개의 송신 안테나 중에서 5개의 송신 안테나를 사용하여 데이터를 전송하게 되면, 6개의 송신 안테나 모드를 사용하여 데이터를 전송하는 경우보다 0에서 30dB의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR) 구간에서 항상 6개의 안테나 중에서 5개를 선택하여 전송하는 경우가 더 높은 용량을 보임을 알 수 있다.
이는 6개의 송신안테나를 통해서 6개의 송신 심벌을 동시에 보내면 채널 상관에 의해서 성능이 저하되지만, 6개의 송신 안테나 중에서 5개만을 사용하여 송신 심벌을 전송하면 동시에 5개의 심벌만을 보내므로 전송률이 약 17% 떨어지지만 채널 상관을 어느 정도 극복할 수 있어 결과적으로 성능이 향상되기 때문이다.
따라서 도 4를 통해 전송률 저하의 영향보다는 채널 상관 개선으로 얻어지는 용량 이득이 크다고 해석할 수 있다.
그리고 수신단에서 주로 수행하는 연산은 역행렬 계산이기 때문에 그 복잡도는 채널 크기의 삼승 형태( O(M^3) )이므로, 안테나를 선택하여 데이터를 송ㅅ수신하게 되면 수신단의 복잡도 역시 지수적으로 감소하여 복잡도에서 이득을 얻을 수 있다.
4개의 안테나 중에서 3개의 안테나를 선택하는 경우와 4개의 안테나 모두를 사용하는 경우를 살펴보면, 우선 송수신단의 상관 행렬이 아래 수학식 9와 같이 주어진다고 가정하자.
도 5에 도시된 바와 같이, 0에서 25dB 신호 대 잡음비 구간은 안테나를 선택하여 데이터를 송수시하는 경우의 용량이 크지만, 25dB이상으로 신호 대 잡음비가 커지면서 4개의 안테나를 모두 사용하는 경우가 용량이 더 커진다.
이것은 신호 대 잡음비가 커지면서 상관에 의한 성능 저하 영향이 감소하기 때문이다.
안테나 선택을 결정하는 과정에서는 전체 안테나 수나 선택할 안테나의 수에 따라 비교해야 할 경우의 수가 달라지고, 그 경우의 수만큼 채널 용량을 계산해야하기 때문에 그 복잡도를 줄이는 것이 중요하다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 준최적 채널 용량 계산 방식을 사용한다.
V-BLAST 검파 과정의 특성을 보면, 우선 채널이 상태가 양호한 심벌을 검파하고, 이 영향을 제거한 후에 이미 검파된 심벌을 제외한 나머지 심벌 중에서 채널 상태가 가장 양호한 것을 검파하는 순서를 따른다.
그래서 첫 계층에 대한 널링 벡터의 크기가 나머지 널링 벡터의 크기를 좌우한다고 볼 수 있다.
본 발명의 실시 예에 아래 수학식 10에서 정의한 바와 같이 첫 널링 벡터의 크기만을 가지고 채널 용량을 비교한다.
안테나 선택을 결정하기 위해서는 절대적인 채널 용량이 필요한 것이 아니라, 상대적인 비교만 하면 되기 때문에 준최적 채널 용량으로 비교해도 무방할 것이다.
본 발명의 실시 예에 플랫 페이딩 채널의 무선 채널이 성립되지 않은 경우에, 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식과 결합하여 각 부반송파 별로 안테나 선택 과정을 적용하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
직교 주파수 분할 다중화 방식과 결합한 경우에, 각 안테나에 대하여 모든 부반송파의 채널 용량을 계산하고, 채널 용량의 합을 비교하여 실제적으로 안테나 스위치를 이용하여 안테나를 선택하는 과정을 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의한 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템 및 그 방법은 전체 안테나 중에서 실제 데이터를 송신할 안테나를 선택하여 데이터를 전송함으로써 비트 오류 성능을 높이고, 수신단의 신호 검파 과정에서 널링 벡터를 이용한 등가 채널 용량을 통해 채널 용량을 비교함으로써 잉여 연산을 요구하지 않아 수신단의 복잡도를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 MIMO 시스템의 송수신기의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법을 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 적용되는 모의실험에서 안테나를 선택 사용하는 경우와 모든 안테나를 사용하는 경우의 채널 용량을 비교한 결과를 일례들을 도시한 그래프이다.

Claims (10)

  1. 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템에 있어서,
    상기 수신단은,
    상기 송신단에서 전송되는 제어 프레임과 실제 데이터를 이용하여 채널을 추정하여 채널 추정 정보를 산출하는 채널 추정부;
    상기 채널 추정부에서 채널 추정 정보를 이용하여 실제 데이터를 송수신할 안테나를 선택하는 안테나 선택 결정부;
    상기 송신단에서 실제 데이터가 전송되면 이를 수신하여, 상기 채널 추정 정보를 이용하여 각 송신 안테나에서 거쳐 전송된 심벌에 해당하는 수신 심벌을 검파하는 MIMO 검파부;
    상기 MIMO 검파부에서 검파된 수신 심벌을 상기 송신단에서 사용한 변조 방식에 부합되는 이진 데이터로 디매핑하는 심벌 디맵핑부; 및
    상기 심벌 디맵핑부에서 디매핑된 이진 데이터를 상기 송신단에서 전송한 데이터로 복원하기 위해 데이터 처리하는 데이터 역처리부
    를 포함하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 역처리부는, 디인터리빙(DE-INTERLEAVING), 오류 정정 부호의 복호화(DECODING), 디스크램블링(DE-SCRAMBLING)과 같은 데이터 처리 과정을 수행하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 선택 결정부는,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나로 이루어지는 채널 행렬에서 특정 안테나 열만을 선택하고 부행렬을 구성한 후에 모든 가능한 안테나 조합에 대해 상기 부행렬을 통해 등가 채널 용량을 계산하고, 상기 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합을 선택하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  4. 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템에 있어서,
    상기 송신단은,
    송신 데이터를 이진 데이터로 데이터 처리하는 데이터 처리부;
    상기 데이터 처리부에서 전송되는 이진 데이터를 상기 수신단에서 사용 가능한 변조 방식에 따라 매핑하는 심벌 매핑부;
    상기 심벌 매핑부에서 매핑된 심벌을 상기 송신 안테나 수를 고려하여 각 안테나로 병렬화하여 나누어주는 병렬 변환부; 및
    상기 수신단에서 전송되는 실제 데이터를 전송할 안테나 선택 정보를 토대로 안테나를 선택하여, 상기 병렬 변환부에서 병렬화된 심벌을 송신하는 안테나 선택부
    를 포함하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는, 상기 송신 데이터를 스크램블링, 오류 정정 부호화, 인터리빙과 같은 데이터 처리 과정을 통해 이진 데이터로 출력하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 안테나 선택부에서 안테나 선택 정보는,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나로 이루어지는 채널 행렬에서 특정 안테나 열만을 선택하고 부행렬을 구성한 후에 모든 가능한 안테나 조합에 대해 상기 부행렬을 통해 등가 채널 용량을 계산하고, 상기 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합인 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 시스템.
  7. 다수의 송신 안테나를 갖는 송신단과 다수의 수신 안테나를 갖는 수신단에서 데이터를 송수신하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법에 있어서,
    a) 상기 송신단에서 통신 시작을 위한 제어 데이터가 전송되면, 상기 제어 데이터를 이용해 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정된 정보를 이용해 안테나 선택 정보를 산출하는 단계;
    b) 상기 a) 단계의 안테나 선택 정보를 토대로 실제 데이터의 송신을 위해 전체 송신 안테나 중 일부 안테나를 선택하는 단계; 및
    c) 상기 b) 단계에서 선택된 송신 안테나를 통해 상기 송신단으로부터 실제 데이터가 전송되면, 상기 데이터를 검파하기 위한 채널 추정, 다중입력 다중출력 검파를 수행하여 상기 데이터에서 송신 심벌을 복원하는 단계
    다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    a-1) 상기 모든 송신 안테나와 수신 안테나로 이루어지는 채널 행렬에서 선택 안테나 열만을 선택하고 부행렬을 구성하는 단계;
    a-2) 상기 a-1) 단계에서 구성한 부행렬을 이용해 등가 채널 용량을 계산하는 단계; 및
    a-3) 상기 a-2) 단계를 모든 가능한 안테나 조합에 대해 수행하고, 상기 채널 용량이 최대가 되는 안테나 조합을 선택하여 안테나 선택 정보를 산출하는 단계
    를 포함하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 a-2) 단계는,
    아래 수학식으로 정의되는 준최적 채널 용량을 이용해 제1 널링 벡터의 크기만을 가지고 채널 용량을 비교함;
    여기서, 는 (널링 벡터 놈)의 역수로 등가 채널 이득임;
    을 특징으로 하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널만을 추정하여 널링 벡터를 이용하는 직교 벨연구소 층적 공간 시간(Vertical Bell Labs Layered Space Time, V-BLAST) 검파를 수행하는 다중입력 다중출력 기술을 이용한 안테나 선택 방법.
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