KR20060054155A - Ｍｉｍｏ 통신 시스템과 그 시스템에서의 데이터 송수신방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MIMO 통신 시스템에서 SVD와 QR 분해를 이용하여 데이터를 송수신하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 다중 송신 안테나를 구비하는 송신 장치와 다중 수신 안테나를 구비하는 수신 장치 간에 통신하는 MIMO 통신 시스템에 있어서, 송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 수신 장치와; 상기 수신 장치로부터 상기 SVD된 채널 정보를 수신하여 QR 분해를 하고 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하여 빔포밍을 수행하는 송신 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
SVD, QR 분해, MIMO

Description

ＭＩＭＯ 통신 시스템과 그 시스템에서의 데이터 송수신 방법 및 그 장치{Multiple-input multiple-out communication system and method for transmit and receive data in the system and apparatus thereof}
도 1은 다중 사용자 MISO 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 다중 사용자 MIMO 시스템을 나타내는 도면.
도 3과 도 4는 본 발명의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프.
본 발명은 MIMO(Multiple-Input Multiple-Out) 통신 시스템의 데이터 송수신 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MIMO 통신 시스템에서 SVD(Singular Value Decomposition)와 QR 분해를 이용하여 데이터를 송수신하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
MIMO 통신 시스템은 무선 페이딩(Fading) 채널을 통해 높은 채널 성능을 제공하기 위한 기술 중 하나이다. 이러한 MIMO 통신 시스템에서 주요 관심사는 당연 채널의 성능이며, 특히 다중 사용자 다이버시티(Multiuser Diversity)를 이용하여 사용자에게 양호한 상태의 채널을 공급하고 데이터 처리량을 증가시키는 방법이 최근 이슈화되고 있다.
도 1은 종래의 다중 사용자 MISO(Multiple-Input Single-Out) 시스템을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 송신기는 다중 안테나를 구비하고 수신기는 단일 안테나를 구비한 다중 사용자 MISO 시스템에서 데이터를 송신하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 수신기에 수신되는 신호 y는 Hx+n이다. 여기서 H는 채널 행렬이고, x는 입력 신호 s가 송신기에서 유니터리 변환(Unitary Transformation)을 거쳐 안테나를 통해 출력되는 신호벡터로서 Ws이며, n은 잡음벡터이다. W는 송신기의 유니터리 변환 행렬로서 Q H로 나타낼 수 있고, 송신기는 이를 이용한 빔포밍(Beamforming)을 채용한다. 여기서 Q는 직교(Orthogonal) 행렬로서 QQ H=I가 되는 행렬이다. 여기서 위첨자 H는 공액 전치(Conjugate Transposition)를 나타내며, 이는 이하에서도 동일하게 적용된다.
따라서 y는 HWs+n이 되고, H를 QR 분해를 하면, y는 RQQ H s+n =Rs+n이 되어 연산량이 줄어든다. R는 하위 삼각 행렬(Lower Triangular Matrix)이다. 즉, 채널 행렬을 QR 분해하면 y는 하위 삼각 행렬을 포함하는 식으로 변환되므로 그 연산량이 줄어들게 된다.
그러나 수신기의 안테나가 도 1과 달리 다중 안테나일 경우에는 다중 안테나 에 대한 모든 채널에 대한 정보를 이용해야 하므로 수신기에서 송신기로 피드백(Feedback)되는 데이터의 양이 증가하고 그 연산에 있어서도 송신기의 연산량이 증가하는 문제점이 있다. 그리고 수신기의 안테나가 다중 안테나일 경우 최적의 채널 성능을 제공하기 위해 채널 행렬 H를 하위 삼각 행렬로 분해하려면 여러 단계를 거쳐 반복 연산해야 하는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다중 사용자 MIMO 시스템에서 단일 사용자의 MIMO 채널을 분해함으로써 다중 사용자 MIMO 시스템을 다중 사용자 MISO 시스템으로 모델링하여 데이터를 송수신하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 수신기로부터 SVD를 이용하여 피드백된 채널 정보를 QR 분해하여 빔포밍을 수행함으로써 데이터를 송신하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 채널 정보를 SVD하여 송신기로 피드백하는 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 다중 송신 안테나를 구비하는 송신 장치와 다중 수신 안테나를 구비하는 수신 장치 간에 통신하는 MIMO 통신 시스템에 있어서, 송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 수 신 장치와; 상기 수신 장치로부터 상기 SVD된 채널 정보를 수신하여 QR 분해를 하고 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하여 빔포밍을 수행하는 송신 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 수신 장치는, 다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하고, 상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하고, 상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백한다. 그러면 상기 송신 장치는, 상기 F k를 수신하여 QR 분해를 수행하고 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명이 적용되는 MIMO 통신 시스템의 일 예이다.
도 2는 도시된 바와 같이 t개의 다중 송신 안테나를 구비하는 송신기와 rk개의 다중 수신 안테나를 구비하는 수신기 간에 K개의 무선 하향링크로 통신을 하는 시스템이다. 그러므로 여기서 모든 수신 안테나의 수 r은
Figure 112005065405100-PAT00001
이다.
그리고 수신기 k의 채널 출력 y k는 H k x+z k로 모델링된다. x는 송신 안테나에서 수신기로 전송된 t×1의 입력신호 벡터이고, t×1의 벡터 z k는 수신기 k에 대한 임의의 부가 잡음을 나타낸다. 채널 H k는 rk×t인 복소 행렬이다.
상기와 같은 시스템에서 본 발명에 따르면, 수신기는 단일 사용자에 대한 MIMO 채널 H k를 변환하여 다중 사용자 MISO 채널 F k로 분해하고 그 값을 송신기로 피드백한다. 이를 수학식으로 표현하면 수학식 1과 같다.
F k=U k H H k
여기서 U k H는 단일 사용자에 대한 MIMO 채널 H k를 단일 사용자 MISO 채널 F k로 변환하는 행렬이다. 즉, F k는 rk개의 다중 수신 안테나에 대한 채널 H k에서 선택된 하나의 유효 채널 행렬이다.
그리고 수신기에서 H k를 SVD 분해하면 H k=U k D k V k H로 나타낼 수 있다. 여기서 D k는 크기를 나타내는 대각 행렬(Diagonal Matrix)이고, V k H는 방향을 나타내는 행렬이다.
따라서 F k는 수학식 2처럼 나타낼 수 있다.
F k=U k H U k D k V k H=D k V k H
그러면 본 발명에 따른 송신기는 수학식 2와 같은 유효 채널 행렬 F k에 대해 각 수신기에 대한 조합 F=[F 1 T,…,F k T]T에 QR 분해를 적용하여 빔포밍을 수행한다. 즉, F는 유효 방송 채널을 의미하며 다중 사용자 MISO 채널로 취급될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 송신기는 채널별로 D k가 가장 큰 순서대로 안테나를 할당하고 안테나의 빔을 결정한다.
유효 방송 채널 F를 QR 분해하면 F=RW로 표현된다. 여기서 R은 r×t 하위 삼각 행렬(Lower Triangular Matrix)이고, W는 직교 행들을 가지는 t×t 행렬이다.
한편, 빔포밍에 이용되는 유니터리 행렬이 W H이고 송신기로 입력되는 전송 신호를 s라 하면, 수신기의 채널 출력 y는 수학식 3처럼 나타낼 수 있다.
y=Fx+z
=RWW H s+z
=Rs+z
여기서 y는 [y 1 T,…,y k T]T이고, z는 [z 1 T,…,z k T]T이다. 즉, 본 발명은 다중 사용자 MIMO 시스템에서 단일 사용자의 MIMO 채널 H k를 F k로 분해함으로써 다중 사용자 MIMO 시스템을 다중 사용자 MISO 시스템으로 모델링하여 데이터를 송수신하는 것이 특징이다.
도 3과 도 4는 상술한 바와 같은 본 발명의 성능을 종래기술과 비교한 것으 로 사용자 수, 즉, 수신기의 수에 따른 하향 링크 채널의 합 레이트 성능(Sum Rate Performance)을 나타낸다.
여기서 신호 대 잡음비는 10dB로 가정된다. 그리고 SU-MIMO는 점대점 링크 통신을 고려하고 SVD 기반 최적 워터 필링 솔루션에 의해 획득된 단일 사용자 레이트를 가리키며, 하나의 사용자를 갖는 TDMA-MIMO와 동일하다. TDMA-MIMO는 사용자 수의 증가에 비해 상대적으로 적은 이득을 보여준다. PU2RC(Per-user Unitary Feedback/Beamforming and Rate Control)는 본 발명에 대한 것으로, 괄호() 안의 숫자는 유효 채널 벡터의 수를 가리킨다. 도시된 바와 같이 본 발명은 단일 사용자에 대해서는 SU-MIMO 및 TDMA-MIMO와 성능이 동일하다. 그러나 사용자의 수가 충분히 많을 경우 본 발명의 성능은 최적의 성능을 구현하는 반복 워터 필링과 유사한 성능을 구현한다.
한편, 도 3은 시스템이 4개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나로 가정된 경우이고, 도 4는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나로 가정된 경우이다.
도 3에서는 시스템이 4개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나로 가정되기 때문에 유효 채널 벡터가 두개이다. 따라서 하나의 유효 채널 벡터의 피드백을 갖는 경우의 성능은 사용자 수가 5일 때 두개의 유효 채널 벡터의 피드백을 갖는 경우의 성능에 매우 근접하게 된다.
도 4에서는 시스템이 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나로 가정되기 때문에 3개의 다른 피드백 정보가 사용될 수 있다. 즉, 각각 한 개, 두개, 네개의 유 효 채널 벡터가 사용될 수 있다. 여기서 유효 채널 벡터 수에 따른 성능을 살펴보면, 유효 채널 벡터의 수가 하나 또는 두개일 경우의 성능이 유효 채널 벡터의 수가 네개일 경우의 성능과 같아지려면 사용자의 수가 증가하면 된다. 즉, 본 발명은 사용자의 수가 많을 경우에는 유효 채널 벡터의 수를 적게 하여, 다시 말하면 수신기에서 송신기로 피드백되는 정보의 양을 줄여도 동일한 성능을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명은 다중 사용자 MIMO 채널을 다중 사용자 MISO 채널로 모델링함으로써 송신기와 수신기의 연산량이 줄어들고, 채널의 데이터 전송량도 줄어드는 효과가 있다.
그리고 송신기는 수신기에서 SVD하여 피드백한 채널 정보를 이용하여 QR 분해를 하고 안테나를 설정하므로 다중 채널 선택 다이버시티의 용량 이득을 개선시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 다중 송신 안테나를 구비하는 송신 장치와 다중 수신 안테나를 구비하는 수신 장치 간에 통신하는 MIMO 통신 시스템에 있어서,
    송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 수신 장치와;
    상기 수신 장치로부터 상기 SVD된 채널 정보를 수신하여 QR 분해를 하고 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하여 빔포밍을 수행하는 송신 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하고,
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하고,
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    상기 F k를 수신하여 QR 분해를 수행하고 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템.
  4. MIMO 통신 시스템에서 다중 송신 안테나를 구비하여 다중 수신 안테나를 구비한 수신 장치와 통신을 하는 데이터 송신 장치에 있어서,
    수신 장치와 형성된 채널에 대하여 상기 수신 장치로부터 SVD된 채널 정보를 수신하고, 상기 채널 정보를 QR 분해하여 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하고 빔포밍을 수행하여 데이터를 송신하는 것을 특징을 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송신 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하고,
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행 렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하고,
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송신 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    상기 F k를 수신하여 QR 분해를 수행하고 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송신 장치.
  7. MIMO 통신 시스템에서 다중 수신 안테나를 구비하여 다중 송신 안테나를 구비한 송신 장치와 통신을 하는 데이터 수신 장치에 있어서,
    송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 수신 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하고,
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하고,
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 수신 장치.
  9. 다중 송신 안테나를 구비하는 송신 장치와 다중 수신 안테나를 구비하는 수신 장치 간에 데이터를 송수신하는 방법에 있어서,
    상기 수신 장치가 상기 송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 과정과;
    상기 송신 장치가 상기 수신 장치로부터 상기 SVD된 채널 정보를 수신하여 QR 분해를 하고 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하여 빔포밍을 수행하여 데이터를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 수신 장치가 상기 채널 정보를 SVD하고 피드백하는 과정은,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하는 단계;
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하는 단계; 및
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    상기 F k를 수신하여 QR 분해를 수행하고 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  12. MIMO 통신 시스템에서 다중 송신 안테나를 구비하여 다중 수신 안테나를 구비한 수신 장치와 통신을 하는 송신 장치에서 데이터를 송수신하는 방법에 있어서,
    수신 장치와 형성된 채널에 대하여 상기 수신 장치로부터 SVD된 채널 정보를 수신하고, 상기 채널 정보를 QR 분해하여 상기 채널에 할당될 다중 송신 안테나를 설정하고 빔포밍을 수행하여 데이터를 송신하는 것을 특징을 하는 MIMO 통신 시스 템의 데이터 송수신 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 수신 장치가 상기 채널 정보를 SVD하는 과정은,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하는 단계;
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하는 단계; 및
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    상기 F k를 수신하여 QR 분해를 수행하고 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  15. MIMO 통신 시스템에서 다중 수신 안테나를 구비하여 다중 송신 안테나를 구비한 송신 장치와 통신을 하는 수신 장치에서 데이터를 송수신하는 방법에 있어서,
    송신 장치와 형성된 채널에 대한 채널 정보를 SVD하여 상기 송신 장치로 피드백하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 수신 장치가 상기 채널 정보를 SVD하는 과정은,
    다중 수신 안테나에 대한 채널 행렬 H k를 SVD하는 단계;
    상기 채널 행렬 H k를 단일 안테나에 대한 유효 채널 행렬 F k로 변환하는 행렬을 이용하여, 상기 채널 행렬 H k를 유효 채널 행렬 F k로 분해하는 단계; 및
    상기 F k를 상기 송신 장치에게 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신 시스템의 데이터 송수신 방법.
KR1020050108705A 2004-11-15 2005-11-14 Ｍｉｍｏ 통신 시스템과 그 시스템에서의 데이터 송수신방법 및 그 장치 KR100950643B1 (ko)

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