KR20060037194A

KR20060037194A - 빔 포밍 방식을 사용하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060037194A
Application number: KR1020040086383A
Authority: KR
Inventors: 양호; 박형운; 김호진; 판드하리판드 아시시
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2006-05-03
Also published as: US20060104382A1; KR101023366B1; US7711330B2

Abstract

본 발명은 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템에서, 기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하고, 이후 상기 수신기로부터 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔을 나타내는 정보를 수신하면, 상기 최적 빔 정보에 상응한 빔으로 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신함으로써 최소 연산 복잡도를 가지면서도 수신 성능을 최대화시키는 빔 포밍 방식 적용을 가능하게 한다.

빔 포밍, 최적 빔, 준최적 빔, 시공간 블록 부호화 방식, 직교 코드

Description

빔 포밍 방식을 사용하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING/RECEIVING A SIGNAL IN A MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING BEAM FORMING SCHEME}

도 1은 일반적인 STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 2는 일반적인 빔 스캐닝 방식과 STBC-빔 포밍 방식을 컴바이닝하여 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 3은 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하는, STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면

도 4는 MIMO 무선 통신 시스템에서 수신 방향에 따른 수신 신호의 에너지 레벨을 도시한 그래프

도 5는 도 4의 에너지 레벨들중 최대 에너지 레벨을 가지는 빔을 도시한 그래프

도 6은 도 4의 32개의 빔들중 선택된 빔을 도시한 그래프

도 7은 MIMO 무선 통신 시스템에서 STBC-빔 포밍 방식을 사용할 경우 선택되 는 최적 빔 및 준최적 빔을 도시한 그래프

도 8은 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 일반적인 빔 포밍 방식들간의 성능을 비교 도시한 그래프

도 9는 송신기에서 적용 가능한 빔들 수에 따른 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식의 성능을 비교 도시한 그래프

도 10은 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식간의 성능을 비교 도시한 그래프

본 발명은 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭하기로 한다) 또는 다중 입력 단일 출력 (MISO: Multiple Input Single Output, 이하 'MISO'라 칭하기로 한다.) 무선 통신 시스템(이하 'MIMO / MISO 무선 통신 시스템'이라 칭하기로 한다)에 관한 것으로서, 특히 빔 포밍(beam forming) 방식과 시공간 블록 부호화(STBC: Space Time Block Coding, 이하 'STBC'라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 MIMO/MISO 무선 통신 시스템에서 수신기 성능을 최대화시키는 최적 빔(optimum beam)에 상응하게 빔포밍하여 신호를 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

차세대 무선 통신 시스템은 패킷 서비스 통신 시스템(packet service communication system) 형태로 발전되어 왔으며, 패킷 서비스 통신 시스템은 버스트(burst)한 패킷 데이터(packet data)를 다수의 사용자 단말기(user terminal)들로 전송하는 시스템으로서, 대용량 데이터 전송에 적합하도록 설계되어 왔다. 상기 패킷 서비스 통신 시스템은 고속 패킷 서비스를 위해 발전해나가고 있으며, 상기 고속 패킷 서비스를 제공하기 위해서는 평균 전송량(average throughput)뿐 아니라 최대 전송량(peak throughput)을 최적화하여 음성 서비스와 같은 서킷(circuit) 데이터 뿐만 아니라 패킷 데이터 전송을 원활하게 한다.

또한, 상기 고속 패킷 서비스를 위해서는 데이터 레이트(data rate)를 증가시키고 송신 신뢰성을 향상시키는 것이 중요한 요인으로 작용하는데, 상기 데이터 레이트를 증가시키고 송신 신뢰성을 향상시키는 방식으로 활발하게 연구되고 있는 방식이 다중 안테나(multiple antenna) 방식이다. 상기 다중 안테나 방식은 공간 영역(space domain)을 활용하므로 주파수 영역의 대역폭 자원의 한계를 극복하는 방식이다.

한편, 스마트 안테나(smart antenna) 방식은 수신 안테나들간에 상관이 존재할 때 수신측에서 미리 설정되어 있는 수신 방향(DOA: Direction Of Arrival)에 상응하게 신호를 수신하여 빔 포밍(beam forming)을 수행하는 방식이다. 상기 스마트 안테나 방식은 수신 빔 포밍 방식으로서, 상기 스마트 안테나 방식은 상기 사용자 단말기보다는 기지국(BS: Base Station)에서 업링크(uplink) 신호, 즉 사용자 단말기로부터 상기 기지국으로 송신한 신호를 수신하는데 적합한 방식이다.

즉, 상기 사용자 단말기의 경우 하드웨어 최소화 측면이나 혹은 제조 단가 등의 측면 등과 같은 여러 가지 측면에서 다수의 수신 안테나들을 구비한다는 것은 난이하지만, 이와는 반대로 상기 기지국의 경우 상기 하드웨어 최소화 측면이나 혹은 제조 단가 등의 측면 등에서 상기 사용자 단말기에 비해 다수의 수신 안테나들을 구비하는 것이 용이하기 때문에 상기 스마트 안테나 방식은 상기 기지국에 적용하는 것이 바람직하게 되는 것이다.

한편, 신호대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio, 이하 'SINR'이라 칭하기로 한다)를 최대화시키는 측면에서 최적인 방식으로는 최소 평균 제곱 에러(MMSE: Minimum Mean Square Error, 이하 'MMSE'라 칭하기로 한다) 방식이 존재한다. 또한, 최대비 컴바이닝(MRC: Maximum Ratio Combining, 이하 'MRC'라 칭하기로 한다) 방식은 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭하기로 한다)를 최대화시키는 측면에서 최적인 방식이다.

또한, 송신 빔 포밍 방식은 송신기측에서 다수개의 송신 안테나들을 사용하여 신호를 송신할 때, 즉 기지국에서 사용자 단말기들로 다운링크(downlink) 신호를 송신할 때 송신 신뢰성을 향상시키기 위해 고려되고 있는 방식이다. 상기 MRC 방식을 기반으로 하는 송신 빔 포밍 방식을 사용할 경우 SNR 측면에서 최적이 되며, 채널의 중요 아이겐 벡터(principal eigen vector)에 의해 생성된 선-왜곡(pre-distortion) 필터와 동일한 효과를 가지게 된다.

상기 송신 빔 포밍 방식은 수신기측에서 정확한 채널 추정을 수행하고, 상기 수신기측에서 송신기측으로 피드백하는 신호에 에러가 발생하지 않는다는 가정하에서만 다이버시티 이득과 어레이 이득을 제공하며, 데이터 송신의 신뢰성을 극대화 시키는 것이 가능하다. 그러나, 상기 송신 빔 포밍 방식은 상기 수신기측에서 정확한 채널 추정을 수행한다는 가정을 만족한다고 하더라도 송신기 또는 수신기측에서 복잡도가 높은 아이겐-분석(eigen-decomposition, 이하 'eigen-decomposition'라 칭하기로 한다)을 수행해야만 하며, 수신기로부터 채널 정보를 송신기로 피드백하여야만 한다는 문제점을 가진다.

한편, 채널 상호성(channel reciprocity)은 시분할 듀플렉스(TDD: Time Division Duplex, 이하 'TDD'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 채널 상태 정보의 피드백을 방지하기 위해 사용되는 방법으로서 아이겐-빔 포밍(eigen-beam forming) 방식과 방향성-빔 포밍(directional-beam forming) 방식을 사용할 경우에 적용된다. 즉, 상기 TDD 통신 시스템과 같이 다운링크와 업링크의 채널 상태가 동일하다고 가정하는 것이 가능할 경우에는, 즉 상기 다운링크와 업링크가 채널 상호성을 가질 경우에는 다운링크 혹은 업링크 중 어느 한 링크의 채널 상태만을 가지고도 나머지 다른 한 링크의 채널 상태를 유추하는 것이 가능하므로 상기 아이겐-빔 포밍 방식과 방향성-빔 포밍 방식을 사용함에 있어 상기 채널 상태 정보 피드백으로 인한 복잡도를 최소화시킬 수 있는 것이다.

그러나, 상기 TDD 통신 시스템에서도 송신과 수신 디바이스 특성이 서로 다르기 때문에 상기 채널 상호성이 무너지게 되고, 따라서 상기 채널 상태를 고려하기 위한 효율적인 교정(calibration)이 필요하다.

한편, 상기 STBC 방식은 분산 채널(rich scattering channel) 환경을 고려한 송신 방식으로서, 상기 STBC 방식은 송신기측에서 2개의 송신 안테나들을 사용하는 경우를 고려한다. 상기 STBC 방식은 이미 잘 알려진바 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다(S. M. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Vol. 16, pp 1451-1458, Oct. 1988).

상기 STBC 방식은 송신기측에서 비교적 간단하게 적용할 수 있으며, 수신기 구조 역시 간단하게 구현할 수 있어 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준에서는 이미 옵션 규격으로 채택된바 있다. 그러나, 상기 STBC 방식은 송신 안테나들간의 상관이 매우 중요한 요소로 작용하기 때문에 그 성능에 제한적이라는 문제점을 가진다.

한편, 채널 예측의 불완전성과 송신기측으로의 불완전한 정보 피드백을 보상하기 위해 상기 STBC 방식과 빔포밍 방식을 컴바이닝한 방식인 STBC-빔 포밍 방식이 제안된 바 있다(G. Jongren and M. Skoglund, 'Combining beamforming and orthogonal space-time block coding,'IEEE Trans. Information Theory, Vol. 48, No.3, pp. 611-627, March 200). 그러면 여기서 도 1을 참조하여 상기 STBC-빔 포밍 방식에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 1은 일반적인 STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 MIMO 무선 통신 시스템은 송신기(100)와 수신기(150)로 구성된다. 상기 송신기(100)는 시공간 블록 부호화기(space-time block encoder)(111)와, 빔 포밍기(beam former)(113)와, 복호화기(decoder)(115)와, 다 수의 송신 안테나(Tx. ANT)들(117-1, ... , 117-M)로 구성되며, 상기 수신기(150)는 다수의 수신 안테나(Rx. ANT)들(151-1, ... , 151-N)과, 수신 처리기(153)와, 부호화기(155)로 구성된다.

먼저, 상기 송신기(100)에서 수신기(150)로 송신할 데이터가 발생하면, 상기 데이터는 상기 시공간 블록 부호화기(111)로 전달되고, 상기 시공간 블록 부호화기(111)는 상기 데이터를 STBC 방식으로 부호화한 후 상기 빔 포밍기(113)로 출력한다. 상기 빔 포밍기(113)는 상기 시공간 블록 부호화기(111)에서 출력한 신호를 입력하여 상기 복호화기(115)에서 출력하는 빔 정보에 상응하는 빔으로 빔 포밍을 수행한 후 상기 송신 안테나들(117-1, ... , 117-M)을 통해 상기 수신기(150)로 송신한다. 상기 복호화기(115)는 상기 수신기(150)로부터 피드백되는 빔 정보를 복호화한 후 상기 빔 포밍기(113)로 출력하며, 상기 피드백되는 빔 정보는 양자화 정보로서 이는 하기에서 구체적으로 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 상기 수신기(150)로부터 상기 복호화기(115)로의 신호 수신 경로에 대해서는 별도로 도시하지 않았음에 유의하여야만 한다.

한편, 상기 송신기(100)에서 송신한 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 통한 후 백색 가산성 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise) 등과 같은 잡음이 가산된 형태로 상기 수신기(150)의 수신 안테나들(151-1, ... , 151-N)을 통해 수신된다. 상기 수신 안테나들(151-1, ... , 151-N)을 통해 수신된 신호는 상기 수신 처리기(153)로 전달되고, 상기 수신 처리기(153)는 상기 수신 안테나들(151-1, ... , 151-N)을 통해 수신된 신호를 수신 신호 처리하고, 상 기 수신 신호 처리 결과 획득된 채널 정보를 상기 부호화기(155)로 출력한다.

상기 부호화기(155)는 상기 수신 처리기(153)에서 출력한 채널 정보를 미리 설정되어 있는 양자화 방식으로 양자화한 후 상기 송신기(100)로 송신하도록 한다. 또한, 상기 부호화기(155)에서 상기 송신기(100)로의 신호 송신 경로에 대해서는 별도로 도시하지 않았음에 유의하여야만 한다.

상기 도 1에서 설명한 바와 같은 STBC-빔 포밍 방식이 제안된 후 상기 STBC 방식과 빔 포밍 방식을 개선시켜 상기 STBC-빔 포밍 방식의 성능 개선을 위한 연구들이 활발하게 진행되었다. 그 결과 상기 시공간 블록 부호화기를 위한 최적 선 부호화기(pre-encoder)가 제안되었으며, 상기 최적 선 부호화기는 직교(orthogonal) 시공간 블록 부호화기를 위한 아이겐-빔 포밍기로 구현될 수 있음이 증명된 바 있다(H. Sampath and A. Paulraj, "Linear precoding for space-time coded systems with known fading correlations," IEEE Communications Letters, Vol. 6, No 6, pp. 239-241, June 2002).

상기 STBC-빔 포밍 방식에 대한 활발한 연구가 진행되었음에도 불구하고 상기 STBC-빔 포밍 방식을 사용하기 위해서는 송신기는 여전히 수신기로부터 채널 정보를 피드백 받아야 할 뿐 아니라 채널 정보에 대한 아이겐 분석(eigen-analysis)을 필요로 한다.

그러면 여기서 도 2를 참조하여 상기 빔 스캐닝 방식과 STBC-빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 2는 일반적인 빔 스캐닝 방식과 STBC-빔 포밍 방식을 컴바이닝하여 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 MIMO 무선 통신 시스템의 송신기는 변조기(modulator)(211)와, 시공간 블록 부호화기(213)와, 직렬/병렬 변환기(serial to parallel converter)(215)와, 빔 포밍기(217)와, 다수의 송신 안테나들(219-1, ... , 219-M)로 구성된다.

먼저, 상기 송신기에서 수신기로 송신할 데이터가 발생하면, 상기 데이터는 상기 변조기(211)로 전달되고, 상기 변조기(211)는 상기 데이터를 미리 설정되어 있는 변조 방식으로 변조한 후 상기 시공간 블록 부호화기(213)로 출력한다. 상기 시공간 블록 부호화기(213)는 상기 변조기(211)에서 출력한 신호를 STBC 방식으로 부호화한 후 상기 직렬/병렬 변환기(215)로 출력한다. 상기 직렬/병렬 변환기(215)는 상기 시공간 블록 부호화기(213)에서 출력한 신호를 병렬 변환한 후 상기 빔 포밍기(217)로 출력한다. 상기 빔 포밍기(217)는 상기 직렬/병렬 변환기(215)에서 출력한 신호를 입력하여 미리 설정되어 있는 빔 정보에 상응하는 빔으로 빔 포밍을 수행한 후 상기 송신 안테나들(219-1, ... , 219-M)을 통해 상기 수신기로 송신한다. 여기서, 상기 빔 정보는 상기 빔 스캐닝 방식을 적용한, 즉 상기 송신기측에서 수신된 신호의 채널 공간 이득 패턴(GSGP: Channel Spatial Gain Pattern)을 고려한 정보로서 미리 설정한 임계값 이상의 에너지를 가지는 빔들을 고려하여 생성된다.

그러나, 상기 빔 스캐닝 방식을 함께 사용한다고 하더라도 상기 STBC-빔 포밍 방식은 임계값 이상의 에너지를 가지는 여러 빔들로부터 불필요한 간섭 신호에 대한 빔을 제외시켜야 하고 상기 채널 상호성과 같은 비현실적인 가정들이 만족 될 경우에만 우수한 성능을 보장받는다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 빔 포밍 방식과 STBC 방식을 사용하는 MIMO/MISO 무선 통신 시스템에서 수신기 성능을 최대화시키는 최적 빔에 상응하게 빔포밍하여 신호를 송수신하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 빔 포밍 방식과 STBC 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템에서 방향성을 갖는 최적 빔과 준최적 빔(이하에서는 최적 조건인'방향성를 갖는'을 생략하여 최적 빔과 준최적 빔을 사용한다)을 사용하여 신호를 송수신하여 연산 복잡도를 최소화시키는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 신호를 송신하는 장치에 있어서, 기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하고, 소정 제어에 따라 제공되는 최적 빔 정보에 상응한 빔으로 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 빔 포밍기와, 상기 수신기로부터 신호를 수신하면 상기 수신 신호를 복호화하여 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 정보를 상기 빔 포밍기로 제공하는 복호화기를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 장치는; 다중 입력 다중 출 력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 신호를 송신하는 장치에 있어서, 송신할 데이터 신호가 발생하면, 상기 데이터 신호를 시공간 블록 부호화 방식으로 부호화하는 시공간 블록 부호화기와, 기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하고, 소정 제어에 따라 제공되는 최적 빔 정보 및 준최적 빔 정보에 상응하는 빔들로 상기 시공간 블록 부호화된 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 빔 포밍기와, 상기 수신기로부터 신호를 수신하면 상기 수신 신호를 복호화하여 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 및 준최적 빔 정보를 상기 빔 포밍기로 제공하는 복호화기를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 장치는; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 장치에 있어서, 기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하고, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하는 수신 처리기와, 상기 선택된 최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 부호화기를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 장치는; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식과 시 공간 블록 부호화 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 장치에 있어서, 기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하고, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 제1코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2 코드에 매핑되는 빔을 준최적 빔으로 선택하는 수신 처리기와, 상기 선택된 최적 빔 및 준최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 부호화기를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 신호를 송신하는 방법에 있어서, 기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하는 과정과, 이후 상기 수신기로부터 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔을 나타내는 정보를 수신하면, 상기 최적 빔 정보에 상응한 빔으로 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 신호를 송신하는 방법에 있어서, 기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하는 과정과, 상기 수신기로부터 상기 빔들 중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 및 준최적 빔 정보를 수신하는 과정과, 이후 송신할 데이터 신호가 발생하면, 상기 데이터 신호를 시공간 블록 부호화 방식으로 부호화한 후 상기 최적 빔 및 준최적 빔 정보에 상응한 빔들로 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 방법은; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 방법에 있어서, 기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하는 과정과, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 방법은; 다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 방법에 있어서, 기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하는 과정과, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 제1코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2 코드에 매핑되는 빔을 준최적 빔으로 선택하고, 상기 최적 빔 및 준최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭하기로 한다) 또는 다중 입력 단일 출력 (MISO: Multiple Input Single Output, 이하 'MISO'라 칭하기로 한다) 방식을 사용하는 무선 통신 시스템(이하 'MIMO/MISO 무선 통신 시스템' 이라 칭하기로 한다)에서 빔 포밍(beam forming) 방식과 시공간 블록 부호화(STBC: Space Time Block Coding) 방식을 사용할 경우 송신기, 일 예로 기지국(BS: base Station)에서 수신기, 일 예로 사용자 단말기(user terminal)로부터 피드백되는 최적 빔(optimum beam) 정보에 상응하는 빔을 사용하여 상기 사용자 단말기로 송신할 신호를 빔 포밍하여 송신하는 방안을 제안한다. 특히, 본 발명은 상기 기지국에서 사용하는 모든 빔들 각각에 직교 코드(orthogonal code)들을 일대일로 매핑하여 송신함으로써 상기 사용자 단말기에서 상기 사용자 단말기 자신이 신호를 수신함에 있어 최적인 빔을 선택하도록 하여 수신 성능을 최대화시킨다. 또한, 본 발명은 상기 빔 포밍 방식과 STBC 방식을 컴바이닝한 방식인 STBC-빔 포밍 방식을 사용함에 있어 상기 최적 빔 및 준최적 빔 (sub-optimum beam)을 사용하여 상기 사용자 단말기로 송신할 신호를 빔 포밍하여 송신하는 방안을 제안한다.

먼저, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하는, STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 3은 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하는, STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 3을 설명하기에 앞서, 일반적으로 무선 통신 시스템에서 고속으로 데이터를 송신하기 위해서 기지국 및 사용자 단말기 중 어느 한 측에, 혹은 상기 기지국 및 사용자 단말기 모두에 다수의 안테나들을 구비하도록 하는 방식이 고려되고 있다. 또한, 상기 다수의 안테나들을 구비하여 상기 고속 데이터를 송신하기 위해서 사용자 단말기의 요구 및 채널 특성에 상응하도록 안테나 처리 방식을 정의하고 있다. 일 예로, 기지국 및 사용자 단말기 모두가 다수의 안테나들을 구비하고, 상기 사용자 단말기가 고속 데이터 전송을 타겟으로 할 경우에는 상기 안테나 처리 방식으로서 상기 MIMO 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 사용자 단말기가 구비하고 있는 안테나들의 개수에 상관없이 안정적인 데이터 전송을 타겟으로 할 경우에는 상기 안테나 처리 방식으로 빔 포밍 방식 및 송신 다이버시티(transmit diversity) 방식 등을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 무선 통신 시스템에서 사용자 단말기가 타겟으로 하는 데이터 전송의 특성에 상응하게 상기 안테나 처리 방식을 선택하여 사용함으로써 상기 무선 통신 시스템 전체 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 MIMO 무선 통신 시스템은 송신기(300)와 수신기(350)로 구성된다. 상기 송신기(300)는 부호화기(encoder)(311)와, 변조기(modulator)(313)와, 시공간 블록 부호화기(space-time block encoder)(315)와, 빔 포밍기(beam former)(317)와, 복호화기(decoder)(319)와, 다수의 송신 안테나(Tx. ANT)들(321-1, ... , 321-M_T), 즉 제1송신 안테나(Tx.ANT 1)(321-1) 내지 제M_T 송신 안테나(321-M_T)의 M_T개의 송신 안테나들로 구성되며, 상기 수신기(350)는 다수의 수신 안테나(Rx. ANT)들, 즉 즉 제1수신 안테나(Rx.ANT 1)(351-1) 내지 제M_R 수신 안테나(351-N_R)의 M_R개의 수신 안테나들과, 수신 처리기(353)와, 부호화기(355)로 구성된다.

먼저, 상기 송신기(300)에서 수신기(350)로 송신할 데이터가 발생하면, 상기 데이터는 상기 부호화기(311)로 전달되고, 상기 부호화기(311)는 상기 데이터를 미리 설정되어 있는 부호화 방식으로 부호화한 후 상기 변조기(313)로 출력한다. 상기 변조기(313)는 상기 부호화기(311)에서 출력한 신호를 입력하여 미리 설정되어 있는 변조 방식으로 변조한 후 상기 시공간 블록 부호화기(315)로 출력한다. 상기 시공간 블록 부호화기(315)는 상기 데이터를 STBC 방식으로 부호화한 후 상기 빔 포밍기(317)로 출력한다. 상기 빔 포밍기(317)는 상기 시공간 블록 부호화기(315)에서 출력한 신호를 입력하여 상기 복호화기(319)에서 출력하는 빔 정보에 상응하는 빔으로 빔 포밍을 수행한 후 상기 송신 안테나들(321-1, ... , 321-M_T)을 통해 상기 수신기(350)로 송신한다.

본 발명에서는 상기 빔 포밍기(317)가 최초 송신시에는 일종의 기준 신호(reference signal), 즉 트레이닝 신호(training signal) 등과 같은 기준 신호를 상기 송신기(300)에서 적용 가능한 모든 빔들 각각을 적용하여 송신한다. 즉, 상기 송신기(300)에서 적용 가능한 모든 빔들 각각에는 직교 코드(orthogonal code)들 각각이 일대일로 매핑되어 있으며, 따라서 상기 빔 포밍기(317)는 상기 모든 빔들 각각에 대해서 상기 기준 신호를 해당 빔과 상기 해당 빔에 매핑되어 있는 직교 코드를 적용하여 빔 포밍한 후 송신한다. 그러면, 상기 수신기(350)는 상기 모든 직교 코드들 각각을 적용하여 수신 신호를 처리함으로써 상기 수신기(350)에 최적인 직교 코드를 검출할 수 있고, 따라서 상기 직교 코드에 상응하는 빔을 최적 빔으로 선택하게 되는 것이다. 여기서, 상기 해당 빔과 해당 직교 코드간의 매핑 관계는 상기 송신기(300)와 수신기(350)간에 미리 규약되어 있음은 물론이다. 그래서, 상기 수신기(350)는 상기 최적 빔을 나타내는 빔 인덱스(beam index) 정보를 상기 송신기(300)로 피드백하고, 이에 상기 송신기(300)는 상기 최적 빔 정보를 획득할 수 있게 되는 것이다.

상기 복호화기(319)는 상기 수신기(350)로부터 피드백되는 빔 정보를 복호화한 후 상기 빔 포밍기(317)로 출력하며, 상기 피드백되는 빔 정보는 빔 인덱스 정보로서 이는 하기에서 구체적으로 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 상기 수신기(350)로부터 상기 복호화기(319)로의 신호 수신 경로에 대해서는 별도로 도시하지 않았음에 유의하여야만 한다.

한편, 상기에서는 상기 변조기(313)에서 출력한 신호를 상기 시공간 블록 부호화기(315)에서 상기 STBC 방식으로 부호화하는 동작을 필수적으로 설명하였으나, 상기 최적 빔이 선택될 경우 상기 변조기(313)에서 출력한 신호는 상기 시공간 블록 부호화기(315)로 출력되지 않고 바로 상기 빔 포밍기(317)로 출력될 수 있다. 즉, 상기 최적 빔이 선택될 경우 상기 STBC 방식을 적용하지 않아도 상기 MIMO 무선 통신 시스템의 성능이 충분하게 개선되므로 상기 STBC 방식 사용으로 인한 연산 복잡도를 제거하기 위해서 상기 STBC 방식을 사용하지 않을수도 있음은 물론인 것이다.

또한, 상기 변조기(313)에서 출력한 신호를 상기 시공간 블록 부호화기(315)에서 상기 STBC 방식으로 부호화하는 동작이 필수적일 경우에는 상기 수신기(350)는 상기 최적빔 뿐만 아니라 상기 준최적 빔, 즉 최대 상관값 이외의 상관값들중에서 피크(peak) 상관값을 가지면서도 상기 최대 상관값을 가지는 직교 코드와 미리 설정한 임계값 미만의 상관값을 가지는 직교 코드에 상응하는 빔을 준최적 빔으로 선택하여 상기 최적 빔과 준최적 빔을 나타내는 빔 인덱스들을 상기 송신기(300)로 피드백시킨다. 상기 최적 빔 및 준최적 빔을 선택하는 동작에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명할 것이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그러면, 상기 빔 포밍기(317)는 상기 최적 빔 인덱스와 준최적 빔 인덱스에 상응하는 빔들을 적용하여 상기 시공간 블록 부호화기(315)에서 출력한 신호를 빔포밍하여 상기 송신 안테나들(321-1, ... , 321-M_T)을 통해 상기 수신기(350)로 송신한다.

한편, 상기 송신기(300)에서 송신한 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 통한 후 백색 가산성 가우시안 잡음(AWGN: Additive White Gaussian Noise) 등과 같은 잡음이 가산된 형태로 상기 수신기(350)의 수신 안테나들(351-1, ... , 351-M_R)을 통해 수신된다. 상기 수신 안테나들(351-1, ... , 351-M_R)을 통해 수신된 신호는 상기 수신 처리기(353)로 전달되고, 상기 수신 처리기(353)는 상기 수신 안테나들(351-1, ... , 351-M_R)을 통해 수신된 신호를 수신 신호 처리하고, 상기 수신 신호 처리 결과 획득된 최적 빔 및 준최적 빔 정보를 상기 부호화기(355)로 출력한다. 여기서, 상기 수신 처리기(353)는 상기 송신기(300)에서 적용 가능한 모든 빔들중 최적 빔을 선택하기 위해 미리 설정되어 있는 직교 코드들을 각각 적용하여 수신 신호 처리하여 최대 상관값(maximum correlation value)을 가지는 직교 코드를 검출한다. 상기 수신 처리기(353)는 상기에서 설명한 바와 같이 상기 최대 상관값을 가지는 직교 코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택한다. 또한, 상기 최대 상관값 이외의 상관값들중 피크 상관값을 가지면서도, 상기 최대 상관값을 가지는 직교 코드와 미리 설정한 임계값 미만의 상관값을 가지는 직교 코드에 매핑되어 있는 빔을 준최적 빔으로 선택한다.

상기 부호화기(355)는 상기 수신 처리기(353)에서 출력한 최적 빔 및 준최적 정보를 미리 설정되어 있는 빔 인덱스와 매핑시켜 상기 송신기(300)로 송신하도록 한다. 또한, 상기 부호화기(355)에서 상기 송신기(300)로의 신호 송신 경로에 대해서는 별도로 도시하지 않았음에 유의하여야만 한다.

그러면 여기서 상기 최적 빔 및 준최적 빔을 선택하는 동작 및 상기 최적 빔 및 준최적 빔에 상응하게 신호를 빔 포밍 방식 및 STBC 방식으로 처리하여 송신하는 동작에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저, 상기 송신기(300)와 수신기(350)간의 채널은 플랫 페이딩(flat-fading) 채널로서, 하기 수학식 1과 같은 채널 행렬(channel matrix) H와 같은 채널 응답(channel response) 특성을 가진다고 가정하기로 한다.

상기 수학식 1에서, 는 제M_T송신 안테나(321-M_T)를 통해 송신한 신호가 제M_R수신 안테나(351-M_R)를 통해 수신될 경우의 채널 응답 특성을 나타낸다.

그리고, 상기 시공간 블록 부호화기(315)는 2개의 직렬 심벌들 s₀ = s(t), s₁ = s(t + T)이 입력될 경우 하기 수학식 2와 같은 사이즈의 블록 코드(block code) S로 생성한다고 가정하기로 한다.

상기 수학식 2에서 *은 복소 컨쥬게이트(complex conjugate) 연산을 나타내며, 상기 블록 코드 S의 각 열(column)의 엘리먼트(element)들은 해당 시구간에서의 입력 심벌 시퀀스들을 나타내며, 각 행(row)의 엘리먼트들은 상기 빔 포밍기(317)에 의해 정의되는 임의의 2개의 서로 다른 빔들 각각에 대응된다. 여기서, 사이즈 빔 포밍기, 즉 빔 포밍기(317)는 하기 수학식 3과 같은 빔 포밍 행렬 F로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 3에서 는 임의의 t 시점에서 제M_T송신 안테나(321-M_T)를 통해 송신되는 신호에 적용되는 가중치로 첫 번째 빔을 만드는데 사용되며,

는 임의의 시점 t + T에서 제M_T송신 안테나(321-M_T)를 통해 송신되는 신호에 적용되는 가중치로 두 번째 빔을 만드는데 사용된다.

또한, 상기 수신기(350)가 상기 M_R개의 수신 안테나들을 통해 수신하는 수신 신호는 하기 수학식 4와 같은

사이즈 수신 행렬 R로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 4에서, N은

사이즈 잡음(noise) 행렬을 나타내며, G는 하기 G와 R은 하기 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 5에서

은 제l빔과 제k수신 안테나간의 유효 채널(effective channel)을 나타내며,

은 임의의 시점 t에서 제k수신 안테나를 통해 수신된 신호를 나타내고, 즉

이고,

은 임의의 시점 t + T에서 제k수신 안테나를 통해 수신된 신호를 나타내고, 즉

이다.

특히,

일 경우

이고,

이면 상기 안테나 처리 방식은 간단한 STBC 방식으로 구현 가능하게 된다. 또한, 상기

사이즈 수신 행렬 R의 제2열이 0일 경우 상기 안테나 처리 방식은 간단한 빔 포밍 방식으로 구 현 가능하게 된다.

한편, 상기 수신기(350)에서의 최대 근사 추정값(maximum likelihood estimator)은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 빔 설계를 위해 상기 채널 행렬 H를 추정할 필요가 없을 경우에는 상기 채널 추정의 복잡도는 현저하게 줄어든다. 또한, 상기 수학식 7에 나타낸 바와 같은 최대 근사 추정값은 하기 수학식 8과 같이 다시 나타낼 수 있다.

상기 수학식 8에서

는 상기 채널 행렬 H에서 제k수신 안테나와 연관되는 채널 행 벡터(row-vector)를 나타내며, f_l은 제l빔을 나타내고, v_k1과 v_k2는 제k수신 안테나와 연관되는 AWGN을 나타낸다.

한편, 신호 송수신상에 손실이 없음을 가정할 경우 비용 함수(cost function)를 추정함에 있어 상기 AWGN v_k1과 v_k2는 고려할 필요가 없으며, 상기 최대 근사 추정값들을 위한 비용 함수는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 9에서

는 Frobenius norm을 낸다. 결국, 빔 포밍을 최적화하는 것은 상기

를 최대화시키는 빔 포밍 행렬 F를 검출하는 것과 동일하게 되며, 상기

를 최대화시키는 빔 포밍 행렬 F는 하기 수학식 10과 같이 검출할 수 있다.

상기 수학식 10에서 채널 행렬 H는 singular value decomposition(이하 'SVD'라 칭하기로 한다) 방식에 의해

의 관계를 가지고, ideal 빔 포밍 행렬 F_ideal는 최대 아이겐 값(eigen value)

에 상응하는 아이겐벡터를 선택하여 생성된다. 상기 ideal 빔 포밍 행렬 F_ideal는

의 빔 이득 상수(beam gain constant)를 가지고

를 위한 Frobenius norm을 최대화시킴으로써 쉽게 구할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같은 방식으로 ideal 빔 포밍 행렬 F_ideal를 검출 할 경우 단 한 개의 아이겐 벡터만을 사용해도 최대 신뢰성을 가지는 데이터 전송을 수행할 수 있기 때문에 상기 MIMO 무선 통신 시스템의 시스템 성능은 극대화된다. 그러나, 실제 무선 채널 환경에서는 상기 SVD 방식을 적용하기 위한 연산 복잡도와, 채널 추정 에러 및 피드백되는 채널 정보의 에러로 인해 상기에서 설명한 바와 같은 방식으로 ideal 빔 포밍 행렬 F_ideal를 검출하는 것이 난이하다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 ideal 빔 포밍 행렬 F_ideal과 유사한 성능을 가지면서도 연산 복잡도를 최소화시키면서도 피드백 채널 정보의 양을 최소화시키는 최적 빔 포밍 행렬 F_OPT를 제안하기로 한다. 그리고, 송신기(300)에서의 최적 아이겐 벡터들을 간략화시키기 위해 미리 정의된 다수의 f 벡터들을 검사하여 수신기(350)로 최대 에어지를 송신할 수 있는 1개의 벡터를 선택한다고 가정하기로 한다. 즉, 상기 MIMO 무선 통신 시스템의 무선 채널을 송신기(300)에서 dominant steering vector로 근사화시킴으로써 최적 빔 포밍 행렬 F_OPT이 생성되는 것이다.

먼저, 채널에 상응하는 조정 벡터(steering vector, 이하 'steering vector'라 칭하기로 한다) 셋을 정의하기로 한다. 또한, 다중 입력 단일 출력(MISO: Multiple Input Single Output, 이하 'MISO'라 칭하기로 한다) 채널의 임펄스 응답(impulse response) 벡터는 복소 가중되고 지연된 steering vector들의 중첩들로 주어진다. 상기 steering vector들의 집합 행렬을 W라고 칭하기로 하며, 상기 steering vector 집합 행렬 W는 미리 결정된 시나리오로부터 수집되는

들로 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 k는 상기 steering vector의 인덱스(index)를 나타내며, 간단한 시나리오는 신호의 송신 방향(DOD: Direction Of Departure, 이하 'DOD'라 칭하기로 한다)이

인 경우에만 의미를 가진다는 시나리오이다. 또한,

각도의 샘플링 분석(sampling resolution)을 위한

사이즈 steering vector 셋 행렬 W는 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 11에서는 송신하기를 원하는 방향, 즉 상기 DOD 이외의 방향으로 송신된 신호들에 대한 steering vector들은 전혀 고려하지 않았음에 유의하여야만 한다. 또한, DOD 이외의 방향, 즉

으로 송신된 신호를 위해서는

로 구성된 시나리오를 적용하는 것이 가능하다.

다음으로 상기 steering vector 셋 행렬 W에서 최적 steering vector를 선택하는 방안에 대해서 설명하기로 한다.

상기 steering vector 셋 행렬 W에서 최적 steering vector를 선택하기 위해서는 수신기(350)측에서 송신기(300)에서 각 송신 빔을 적용하여 송신한 신호들 각각에 대한 신호 에너지들을 측정해야만 한다. 이렇게 수신기(350)측에서 상기 송신기(300)에서 적용하는 각 송신 빔을 구별하기 위해서 본 발명에서는 직교 코드를 사용하는 방안을 제안한다. 즉, 본 발명에서는 상기 송신기(300)에서 적용하는 각 송신 빔에 서로 상이한 직교 코드를 곱해서 송신함으로써 수신기(350)가 각 송신 빔을 구별할 수 있도록 한다. 여기서, 상기 직교 코드는

사이즈 직교 코드 행렬 C로 표현할 수 있으며, 따라서 상기 수신기(350)가 상기 M_R개의 수신 안테나들을 통해 수신하는 수신 신호는 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 12에서 G는 제l 빔과 제k 수신 안테나간의 유효 채널을 나타내는 g_kl을 가지는 HW를 나타내고(G = HW), N은

사이즈 잡음 행렬을 나타낸다. 여기서, 상기 유효 채널과 가장 적합한 steering vector가 상기 수신 안테나에 최대 에너지를 전달할 수 있는 것이다. 상기 유효 채널과 가장 적합한 steering vector는 수신기(350)측에서 상기 직교 코드 행렬 C와 상기 수신 신호 행렬 R의 허미시안(Hermitian)을 곱한 후 해당 송신 빔들의 크기를 비교함으로써 검출할 수 있다. 즉, L개의 빔들의 품질을 평가하기 위한 빔 품질 행렬 T는 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 13에서 G는 유효 채널 행렬을 나타내며, V는 연관되는 가우시안 잡음 행렬을 나타낸다. 결과적으로, 최대 에너지를 전달하는 최적 빔 f_OPT는 하기 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.

,

상기 수학식 14에서 t_kj는 제k송신 빔을 통해 송신되고 제j수신 안테나를 통해 수신된 신호의 에너지를 나타내며, m은 빔 인덱스를 나타낸다.

상기 수신기(350)는 상기 수학식 14와 같은 방식으로 최적 빔을 결정하고, 상기 최적 빔을 나타내는 빔 인덱스 m을 상기 송신기(300)로 피드백시켜, 상기 송신기(300)가 상기 수신기(350)에 상기준최적 빔을 나타내는 빔 인덱스 m에 상응하는 빔을 적용하여 신호를 송신하도록 제어하는 것이다. 일 예로, 임의의 빔 포밍 벡터 f를 적용하였을 경우의 수신 신호를 r이라고 할 경우 상기 수신 신호 벡터 r은 하기 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 15에서 상기 수신 신호 벡터 r은

이고, g는 유효 채널 벡터를 나타낸다. 여기서, T는 이항(transpose) 연산을 나타낸다.

또한, 최대 근사 추정값은 하기 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 16에 나타낸 바와 같이 상기 최대 근사 추정값은 상기 유효 채널 벡터 g를 위한 채널 추정 복잡도가 상기 송신 안테나들의 개수에 의해 감소된다.

그리고, 상기 피드백되는 정보, 즉 빔 인덱스 정보의 사이즈는 상기 steering vector들의 집합을 감소시킴으로써 최소화시킬 수 있다. 일 예로, 상기 송신기에서 적용하는 빔들의 개수가 32개에서 16개로 감소되면, 상기 빔 인덱스 정보를 피드백시키기 위해 필요한 비트들의 개수는 5비트에서 4비트로 감소된다. 그러나, 상기 빔 인덱스 정보를 피드백시키기 위해 필요한 비트들의 개수를 감소시킨다는 것은 결과적으로 상기 송신기에서 적용하는 빔들의 개수를 감소시키는 것과 동일하므로 상기 빔 인덱스 정보를 피드백시키기 위해 필요한 비트들의 개수와 상기 송신기에서 적용하는 빔들의 개수간에는 일 종의 역관계가 성립하여 상기 무선 MIMO 통신 시스템의 상황에 적합하게 선택하는 것이 바람직하다.

상기에서는 수신기(350)가 상기 수신기(350) 자신이 신호를 수신함에 최적인 빔을 선택하고, 상기 선택한 빔을 나타내는 빔 인덱스를 기지국으로 피드백시킴으로써 송신기(300)가 상기 수신기(350)로 상기 선택한 빔 인덱스에 상응하는 빔을 적용하여 신호를 송신하는 경우에 대해서 설명하였다.

그런데, 상기에서도 설명한 바와 같이 송신기(300)와 수신기(350)간의 데이 터 전송의 신뢰성을 향상시키기 위한 또 다른 방식으로는 STBC 방식이 존재하고, 어떤 이유에서 상기 빔포밍 방식이 충분한 성능을 못 내었을 때 상기 빔 포밍 방식과 상기 STBC 방식을 컴바이닝하여 사용할 경우 상기 데이터 전송의 신뢰성은 향상된다. 상기에서 설명한 바와 같이 상기 STBC 방식은 적어도 2개의 빔들을 필요로하므로 상기 사용자 단말기는 상기 최적 빔뿐만 아니라 상기 최적 빔 다음으로 수신 성능이 좋은 빔, 즉 준 최적 빔을 결정하고, 상기 준 최적 빔에 대한 빔 인덱스 역시 상기 기지국으로 피드백 해주어야만 한다. 여기서, 상기 준최적 빔을 선택하는 방법은 상기에서 설명한 최적빔 선택 방법과 동일하지만, 상기 최적빔과 상관이 거의 존재하지 않아서 공간 다이버시티(spatial diversity)를 제공할 수 있도록 선택해야만 한다. 상기 STBC 방식과의 컴바이닝을 위한 준최적 빔포밍 행렬 F_SUB-OPT는 하기 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 17에서,

이고, 상기 α 및 β는 상기 수신기(350)에서 검출된 에너지에 의해 결정될 수 있으며, 본 발명에서는 설명의 편의상

(단, 무선 채널상에 LOS(Line Of Sight)가 존재하지 않는 경우)이라고 가정하기로 한다. 또한, 상기 수학식 17에서 상기 f_SUB-OPT1 및 상기 f_SUB-OPT2는 하기 수학식 18 및 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.

,

상기 수학식 19에서

는 상기 무선 통신 시스템에서 상기 무선 통신 시스템의 특성에 상응하게 미리 결정한 상관 임계값(correlation threshold value)으로서,

이다.

상기 도 3에서는 본 발명의 실시예에서의 기능을 수행하는, STBC-빔 포밍 방식을 사용하는 MIMO 무선 통신 시스템의 구조에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 4를 참조하여 수신 방향(DOA: Direction Of Arrival)에 따른 수신 신호의 에너지 레벨에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 4는 MIMO 무선 통신 시스템에서 수신 방향에 따른 수신 신호의 에너지 레벨을 도시한 그래프이다.

상기 도 4에 도시되어 있는 수신 방향에 따른 수신 신호의 에너지 레벨은 송신기에서 4개의 송신 안테나들을 사용하고, 32개의 빔(

)들을 사용하고, 채널 환경이 분산 채널(rich scattering channel) 환경일 경우의 에너지 레벨을 나타낸다. 본 발명에서는 상기에서 설명한 바와 같이 각 빔들에 직교 코드를 적용하여 송신하였으므로 상기 수학식 12 및 수학식 13과 같은 방식으로 각 빔들에 대한 수신 신호 에너지를 검출할 수 있다.

상기 도 4에서는 MIMO 무선 통신 시스템에서 수신 방향에 따른 수신 신호의 에너지 레벨에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 5를 참조하여 도 4의 에너지 레벨들중 최대 에너지 레벨을 가지는 빔에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 5는 도 4의 에너지 레벨들중 최대 에너지 레벨을 가지는 빔을 도시한 그래프이다.

상기 도 5에 도시되어 있는 빔은 상기 도 4의 에너지 레벨들중 최대 에너지 레벨을 가지는 빔이며, 상기 도 5에 도시되어 있는 빔은 송신 방향이

일 경우의 빔을 나타낸다.

상기 도 5에서는 도 4의 에너지 레벨들중 최대 에너지 레벨을 가지는 빔에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 6을 참조하여 도 4의 32개의 빔들중 선택된 빔에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 6은 채널의 아이겐 빔과 도 4의 32개 빔들과의 상관값을 도시한 그래프이다. 상기 도 5에서 선택된 두개의 빔의 방향이 도 6에 도시한 그래프의 최대값에 가까운 것을 볼 수 있다. 상기 도 5에 도시되어 있는 빔은 상기 도 4에서 최대 에너지 레벨을 가지는 빔과 동일한 빔이다.

상기 도 5에서는 도 4의 32개의 빔들중 선택된 빔에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 7을 참조하여 상기 MIMO 무선 통신 시스템에서 STBC-빔 포밍 방식을 사용할 경우 선택되는 최적 빔 및 준최적 빔에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 7은 MIMO 무선 통신 시스템에서 STBC-빔 포밍 방식을 사용할 경우 선택되는 최적 빔 및 준최적 빔을 도시한 그래프이다.

상기 도 7에서는 송신기에서 4개의 송신 안테나들을 사용하고, 32개의 빔(

)들을 사용하고, 채널 환경이 분산 채널(rich scattering channel) 환경일 경우를 가정하고, 또한 상기 최적빔과 준최적 빔간의 상관 임계값

가 0.7(

= 0.7)일 경우를 가정하고 있다. 이 경우, 상기 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 상기 최적 빔과 준최적 빔은 수신 방향이

인 경우가 된다.

상기 도 7에서는 상기 MIMO 무선 통신 시스템에서 STBC-빔 포밍 방식을 사용할 경우 선택되는 최적 빔 및 준최적 빔에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 8을 참조하여 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 일반적인 빔 포밍 방식들간의 성능을 비교하여 설명하기로 한다.

상기 도 8은 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 일반적인 빔 포밍 방식들간의 성능을 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 8에 도시되어 있는 성능 그래프들은 안테나 시스템이 0.5λ 이격되어 있는 균일 선형 어레이(ULA: Uniform Linear Array)이고, 채널 환경이 분산 채널 환경인 경우를 가정한 경우의 성능 그래프들이다. 여기서, 상기 분산 채널 환경을 고려하므로 상기 도 8에서는 채널 환경이 LOS가 존재하지 않고 high angular spread 특성을 가지는 저속 플랫 페이딩 채널 환경인 경우를 가정한다. 또한, 상기 도 8에서는 변조 방식으로서 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 방식을 사용하고, 송신 안테나들의 개수가 4개이고 수신 안테나의 개수가 1개인 경우를 가정하기로 한다.

상기 도 8에는 일반적인 STBC 방식만을 사용하는 경우의 성능 그래프와, 아이겐 빔 포밍(eigen-BF) 방식을 사용하는 경우의 성능 그래프와, 본 발명에서 제안하는 빔 포밍(propose BF) 방식을 사용하는 경우의 성능 그래프와, 상기 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식(STBC + propose BF)을 사용하는 경우의 성능 그래프가 도시되어 있다. 상기 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식은 일반적인 STBC 방식에 비해서 더 높은 다이버시티 이득을 획득할 수 있지만, 상기 아이겐 빔 포밍 방식에 비해서는 어레이 이득면에서 손실을 가져온다. 이는 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식이 빔 설계시 다른 중요 빔들을 무시하고 빔을 설계하기 때문이며, 상기 LOS 채널 모델을 고려할 경우 상기 어레이 이득면에서의 손실을 최소화될 수 있다. 한편, 상기 아이겐 빔 포밍 방식은 어레이 이득면에서 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식보다 높은 성능을 나타내지만, 연산 복잡도 및 데이터 전송 신뢰성면에서는 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식이 상기 아이겐 빔 포밍 방식에 대하여 훌륭한 대안임을 알 수 있다.

또한, 상기 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식간의 성능 차는 거의 존재하지 않는다. 이는, 상기 STBC 방식을 사용하기 위해 선택되는 2개의 빔들, 즉 최적 빔과 준최적 빔간의 에너지가 거의 동일하기 때문이다.

상기 도 8에서는 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 일반적인 빔 포밍 방 식들간의 성능을 비교 설명하였으며, 다음으로 도 9를 참조하여 송신기에서 적용 가능한 빔들 수에 따른, 즉 피드백 비트수에 따른 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식의 성능을 비교 설명하기로 한다.

상기 도 9는 송신기에서 적용 가능한 빔들 수에 따른 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식의 성능을 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 9에는 송신 안테나들의 개수가 4개이고, 수신 안테나의 개수가 1개인 경우의 빔들 수에 따른 성능 그래프들과, 송신 안테나들의 개수가 4개이고, 수신 안테나들의 개수가 2개인 경우의 빔들 수에 따른 성능 그래프들이 도시되어 있다. 상기 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 송신 안테나들의 개수와 송신 안테나들의 개수가 동일하다는 가정하에서는 상기 송신기에서 적용 가능한 빔들의 개수가 많을수록 성능이 향상됨을 알 수 있다.

상기 도 9에서는 송신기에서 적용 가능한 빔들 수에 따른 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식의 성능을 비교 설명하였으며, 다음으로 도 10을 참조하여 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식간의 성능을 비교 설명하기로 한다.

상기 도 10은 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식과 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식간의 성능을 비교 도시한 그래프이다.

상기 도 10에서는 수신기에서의 빔 선정에 심각한 오류가 발생할 경우를 가정할 경우 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식의 성능을 나타내는 그래프들과 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식간의 성능을 나타내 는 그래프들이 도시되어 있다. 상기 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 수신기에서의 빔 선정에 오류가 발생할 경우에는 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식만을 사용하는 것보다는 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식을 사용할 경우 그 성능이 향상됨을 알 수 있다. 여기서, 상기 STBC 방식과 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식을 컴바이닝한 방식을 사용할 경우에는 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 방식만을 사용할 경우에 비해서는 피드백 비트수가 증가함은 물론이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, MIMO/MISO 무선 통신 시스템에서 수신기에서 수신 성능을 최대화할 수 있는 최적 빔에 상응하게 송신기에서 신호를 빔포밍하여 송신함으로써 수신기의 수신 성능을 최대화할 수 있다는 이점을 가진다. 또한, 본 발명은 MIMO 무선 통신 시스템에서 직교 코드를 사용하여 송신 빔들을 구별하도록 하여 비교적 간단한 연산만으로도 최적 빔을 검출할 수 있다는 이점을 가진다. 또한, 본 발명은 상기 빔 포밍 방식과 함께 STBC 방식을 컴바이닝한 방식을 사용함에 있어 상기 최적 빔뿐만 아니라 준최적 빔을 사용함으로써 수신기의 수신 성능을 최대화할 수 있다는 이점을 가진다.

Claims

다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 신호를 송신하는 방법에 있어서,

기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하는 과정과,

이후 상기 수신기로부터 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔을 나타내는 정보를 수신하면, 상기 최적 빔 정보에 상응한 빔으로 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서,

상기 최적 빔은 상기 수신기에서 수신하는 기준 신호에 상기 직교 코드들을 상관한 값들중 최대 상관값을 나타내는 직교 코드 매핑을 통해 선택한 빔이 수신부에 최대 에너지를 전송하는 빔임을 특징으로 하는 상기 방법.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 신호를 송신하는 장치에 있어서,

기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하고, 소정 제어에 따라 제공되는 최적 빔 정보에 상응한 빔으로 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 빔 포밍기와,

상기 수신기로부터 신호를 수신하면 상기 수신 신호를 복호화하여 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 정보를 상기 빔 포밍기로 제공하는 복호화기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
제4항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 장치.
제4항에 있어서,

상기 최적 빔은 상기 수신기에서 수신하는 기준 신호에 상기 직교 코드들을 상관한 값들중 최대 상관값을 나타내는 직교 코드에 매핑되는 빔임을 특징으로 하는 에너지를 나타내는 빔임을 특징으로 하는 상기 장치.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 신호를 송신하는 방법에 있어서,

기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하는 과정과,

상기 수신기로부터 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 및 준최적 빔 정보를 수신하는 과정과,

이후 송신할 데이터 신호가 발생하면, 상기 데이터 신호를 시공간 블록 부호화 방식으로 부호화한 후 상기 최적 빔 및 준최적 빔 정보에 상응한 빔들로 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제7항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 방법.
제7항에 있어서,

상기 최적 빔은 상기 수신기에서 수신하는 기준 신호에 상기 직교 코드들을 상관한 값들중 최대 상관값을 나타내는 제1직교 코드에 매핑되는 빔임을 특징으로 하는 상기 방법.
제9항에 있어서,

상기 준최적 빔은 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1직교 코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2직교 코드에 매핑되는 빔임을 특징으로 하는 상기 방법.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 송신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 신호를 송신하는 장치에 있어서,

송신할 데이터 신호가 발생하면, 상기 데이터 신호를 시공간 블록 부호화 방식으로 부호화하는 시공간 블록 부호화기와,

기준 신호를 상기 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 미리 설정되어 있는 코드들 각각을 일대일로 매핑시켜 빔포밍한 후 수신기로 송신하고, 소정 제어에 따라 제공되는 최적 빔 정보 및 준최적 빔 정보에 상응하는 빔들로 상기 시공간 블록 부호화된 데이터 신호를 빔 포밍하여 상기 수신기로 송신하는 빔 포밍기와,

상기 수신기로부터 신호를 수신하면 상기 수신 신호를 복호화하여 상기 빔들중 수신 성능을 최대화하는 최적 빔 및 준최적 빔 정보를 상기 빔 포밍기로 제공하 는 복호화기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
제11항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 장치.
제11항에 있어서,

상기 최적 빔은 상기 수신기에서 수신하는 기준 신호에 상기 직교 코드들을 상관한 값들중 최대 상관값을 나타내는 제1직교 코드에 매핑되는 빔임을 특징으로 하는 상기 장치.
제13항에 있어서,

상기 준최적 빔은 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1직교 코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2직교 코드에 매핑되는 빔임을 특징으로 하는 상기 장치.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기 에서 빔 포밍 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 방법에 있어서,

기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하는 과정과,

상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제15항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 방법.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 장치에 있어서,

기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하고, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하는 수신 처리기와,

상기 선택된 최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 부호화기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
제17항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 장치.
다중 입력 다중 출력 또는 다중 입력 단일 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 방법에 있어서,

기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하는 과정과,

상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 제1코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2 코드에 매핑되는 빔을 준최적 빔으로 선택하고, 상기 최적 빔 및 준최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제19항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 방법.
다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 수신기에서 빔 포밍 방식과 시공간 블록 부호화 방식을 사용하여 송신한 신호를 수신하는 장치에 있어서,

기준 신호가 수신되면, 상기 기준 신호를 송신기에서 사용 가능한 빔들 각각에 일대일로 미리 매핑되어 있는 코드들 각각으로 상관하고, 상기 코드들 각각에 대해 상관한 상관값들중 최대 상관값을 가지는 제1코드에 매핑되어 있는 빔을 최적 빔으로 선택하고, 상기 최대 상관값을 제외한 상관값들중 피크 상관값을 나타내며, 상기 제1코드와 미리 설정한 임계 상관값 미만의 상관값을 가지는 제2 코드에 매핑되는 빔을 준최적 빔으로 선택하는 수신 처리기와,

상기 선택된 최적 빔 및 준최적 빔을 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 부호화기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
제21항에 있어서,

상기 코드들은 직교 코드들임을 특징으로 하는 상기 장치.