KR20070059400A

KR20070059400A - 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법

Info

Publication number: KR20070059400A
Application number: KR1020050118210A
Authority: KR
Inventors: 장재원; 임빈철; 천진영; 이문일; 정진혁; 이욱봉
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-12
Also published as: KR101073921B1

Abstract

본 발명은 n 개의 안테나와 m 개의 타임 슬롯을 하나의 단위로 하여, 입력된 복소 신호에 대하여 인터리빙 및 위상 천이를 수행하는 시공간 코드를 생성하는 단계 및 입력된 신호에 상기 시공간 코드를 적용하여 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 관한 것으로, 보다 성능이 우수하면서도 인코딩 복잡도가 낮은 시공간 코드를 제공함으로써, 다중안테나 시스템을 이용한 신호 전송을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

다중 안테나, 최대 다이버시티, 최대 공간 다중화, 시공간 부호, 인터리빙, 위상천이

Description

다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법{Method of Transmitting Signals for Multiple Antenna System}

도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도.

도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도.

도 3 은 C^k 와 C^l 의 차분 행렬(difference matrix)의 디터미넌트 분포를 나타낸 일실시예 설명도.

도 4 는 상기 수학식 8 에 기재된 시공간 코드와 표 1 의 SM 및 GOD(Generalized Optimal Diversity)부호와의 성능 비교 결과를 나타낸 일실시예 설명도.

본 발명은 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 보다 성능이 좋은 STC 코드를 이용하여 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.

정보통신 서비스의 보편화와 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 고품질 서 비스의 출현 등 통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 이에 능동적으로 대처하기 위해서는 무엇보다도 통신 시스템의 용량이 증대되어야 한다. 무선통신에서는 기본적으로 가용 주파수 자원이 제한되어 있으므로, 무선통신 환경에서 통신용량을 증가시키기 위해서는 이용 가능한 주파수 대역을 보다 효율적으로 사용할 필요가 있다.

무선 자원의 효율성을 높이는 방법으로, 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 자원활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보함으로써, 대역폭의 증가 없이 다이버시티 이득(diversity gain)을 통해 통신 링크의 신뢰성을 높이는 시공간 부호(Space Time Code; 이하 'STC')나, 공간 다중화(Spatial Multiplexing; 이하 'SM')를 통한 병렬 전송을 통하여 전송 용량을 높이는 방법들이 제안되었다. 또한, 다중화 이득과 공간다중화 이득을 동시에 얻는 최대 다이버시티 및 최대 공간 다중화 시공간 부호(Full Diversity Full Rate Space Time Code; 이하 'FDFR-STC')가 제안되었다.

도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 1 을 참조하면, 채널 인코더(11)는 입력되는 데이터 비트에 일정한 알고리즘에 따른 채널 인코딩(channel encoding)을 수행한다. 상기 채널 인코딩은 입력되는 데이터 비트에 부가 비트(redundancy)를 부가하여, 보다 잡음에 강한(robust) 신호를 생성하기 위한 것이다. 한편, 맵퍼(mapper)(12)는 채널 인코딩을 거친 비트에 대하여 콘스털레이션(constellation) 맵핑을 수행하여 심볼(symbol)로 변환하는 기능을 수행한다. 또한, 직/병렬 변환기(13)는 상기 맵퍼에서 출력된 심볼이 다중 안테나를 통해 전송될 수 있도록 직렬로 입력되는 심볼을 병렬로 변환한다. 그리고, 다중 안테나 인코더(14)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 다중 안테나 심볼로 변환하여 전송한다.

도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 2 를 참조하면, 다중 안테나 인코더(21)는 다중 안테나 심볼을 수신하여 채널 심볼로 변환한다. 한편, 병/직렬 변환기(22)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 직렬로 변환한다. 또한, 디맵퍼(demapper)(23)는 직렬로 입력된 채널 심볼들에 대하여 콘스털레이션 디맵핑을 수행하여 비트로 전환하고, 채널 디코더(24)는 상기 디맵퍼로부터 입력받은 비트들에 대해 디코딩(decoding)을 수행한다.

상기와 같이, 다중 안테나 인코딩을 수행하는 경우, 어떠한 방법으로 인코딩을 수행하는지 여부에 따라, 다중 안테나에 따른 이득(gain)이 달라지게 된다. 따라서, 최적의 성능을 위한 최대 다이버시티 및 최대 공간다중화 시공간 코딩을 위한 인코딩 행렬이 필요하다.

상기와 같은 MIMO 기술을 이용하여 무선통신 시스템의 전송용량은 상당히 증가시킬 수 있다. 알라무티(Alamouti)에 의해 제안된 시공간 블록 부호 기법 ('A simple transmit diversity technique for wireless communications', IEEE JSAC, vol. 16, no. 8, Oct. 1998)은 송수신기에 다수의 안테나를 사용하여 무선채널에서의 페이딩을 극복하기 위한 송신 다이버시티 기술이다. 상기 기법은 2 개의 송신 안테나를 사용하는 전송기법으로서 다이버시티 등급 (diversity order)이 송신 안테나 개수와 수신 안테나 개수의 곱으로 최대의 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.

그러나, 방식은 두 개의 송신 안테나를 통하여 두 타임슬롯(time slot) 동안 두 개의 데이터 심볼 만을 전송하므로 전송율(rate)이 1 로서, 수신 안테나의 개수에 상관없이 공간 다중화 이득을 얻지 못하며, 송신 안테나가 3 개 이상인 경우에 대한 전송 방식은 제시하지 못하고 있다.

한편, 공간 다중화 이득을 얻는 방법으로는 V-BLAST (Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time) ('Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space-time communication architecture', IEE, Vol. 35, No. 1, pp.14~16, 1999)이 있다. 상기 방식은 송신기에서 각 전송 안테나마다 서로 다른 신호를 같은 송신 전력과 전송률로 동시에 전송하며, 수신기에서는 전송신호를 검출할 때 크게 검출 오더링(detection ordering), 간섭 널링(interference nulling), 간섭 제거(interference cancellation)의 세 가지 과정으로 나누어 처리하여, 불필요한 간섭신호를 제거해 줌으로써 신호대 잡음비를 높일 수 있다.

상기 방식은 수신 안테나의 개수가 송신 안테나의 개수와 같거나 많다면 송신 안테나의 개수에 해당하는 독립적인 데이터 신호를 동시에 전송할 수 있으므로 공간 다중화 이득을 최대로 유지할 수 있다. 그러나, 수신안테나 수가 송신안테나 수보다 많아야 하며, 다중화 이득을 최대로 하기 위해서는 다이버시티 등급이 1 로서 다이버시티 이득을 얻을 수 없으므로 채널 환경이 나쁜 경우 한번 신호가 잘못 복원되면 그 다음 전송신호를 검출할 때도 영향을 주게 되어 심각한 성능 열화를 초래할 수도 있게 된다.

한편, tilted-QAM 방식('Structured space-time block codes with optimal diversity-multiplexing tradeoff and minimum delay', Globecom, pp.1941-1945, 2003)은 최적의 다이버시티-멀티플렉싱 트레이드 오프(diversity-multiplexing tradeoff)를 만족시키는 최대 다이버시티 및 최대 다중화 이득(full diversity & full rate)(FDFR)를 얻는 STC 코드이다. 상기 방식은 2개의 송신 안테나와 2 개의 수신 안테나를 갖는 시스템에서 최소의 코드길이 2 를 갖는 쇼트 시공간 블럭 코드(short space-time block code) 이다. 그러나, 이러한 방식은 부호화 이득을 충분히 얻지 못하고 있으며, 여러개의 데이터 심볼 조합으로 부호를 구성하므로 인코딩 복잡도가 높은 단점을 가지고 있다.

따라서, 다이버시티 및 코딩 이득의 측면에서 보다 효율적이고 보다 낮은 인코딩 복잡도를 가지는 시공간 코드가 필요하다.

본 발명은, 다중 안테나 시스템에서, 보다 성능이 우수하고 인코딩 복잡도가 낮은 FDFR-STC 코드를 제공하고, 이를 이용하여 통신 효율을 높이는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 n 개의 안테나와 m 개의 타임 슬롯을 하나의 단위로 하여, 입력된 복소 신호에 대하여 인터리빙 및 위상 천이를 수행하는 시공간 코드를 생성하는 단계 및 입력된 신호에 상기 시공간 코드를 적용하여 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

다중 안테나를 통한 통신 기술은 시스템의 용량(capacity), 처리량(throughput) 및 통화영역(coverage)를 증가를 위해 사용된다. 다중 안테나를 이용한 기술의 일례로서, 공간 분할 다중화(Spatial Multiplexing; 이하 'SM') 방식과 시공간 코딩(Space Time Coding; 이하 'STC') 방식이 있다. 상기 SDM 방식은 송신단에서 각 안테나를 통해 각각 독립적인 데이터를 보냄으로써 송신 율을 극대화 시키는 방법이다. 한편, STC 방식은 공간 도메인(domain)과 시간 도메인 상에서 심볼 수준에서 코딩을 수행 함으로써, 안테나 다이버시티 이득과 코딩 이득을 얻기 위한 것이다.

표 1 은 STC 를 위한 시공간 코드를 나타낸 일례이다.

표 1 에서, (1)은 알라무티(Alamouti) 코드로서 공간 다중화율은 1 이지만, 다이버시티와 부호화 이득을 최대로 얻을 수 있다. 한편, (2)는 공간 멀티플렉싱(Spatial Multiplexing; 이하 'SM')으로, 2 개의 송신안테나와 2개의 수신안테나를 이용하여 공간 다중화율 2 를 얻으면서 데이터율(data rate)을 높일 수 있다. 또한, (3)은 FDFR-STC로 공간 다중화율 2 를 얻으면서 다이버시티 이득(diversity gain)을 최대로 얻을 수 있다.

다중 안테나에 적용되는 시공간 코딩 방식은 선형 분산 코딩(Linear Dispersion Coding; 이하 'LDC') 행렬(matrix)에 의해 표현될 수 있다. 즉, 다중 안테나 인코딩은 수학식 1 과 같이 표현할 수 있다.

수학식 1 에서, S 는 전송행렬 이고, 전송행렬 S 의 i 번째 행은 i 번째 시간에 전송되는 심볼들이고, j 번째 열은 j 번째 송신 안테나를 통해 전송되는 심볼을 의미한다. 한편,

는 q 번째 송신 데이터 심볼 곱해지는

분산 매트릭스이고, S 는 전송 매트릭스이다. 여기서, T 는 LDC 구간,

는 송신 안테나 개수를 의미한다. 한편, Q 는 하나의 LDC 구간 동안 전송하는 데이터의 수를 의미하고,

로 나타낼 수 있다.

일반적으로,

의 실수부(

) 와 허부수(

)가 각각 다른 분산행렬에 의해 시공간 영역에 확산되는 경우, 전송행렬은 수학식 2 와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2 에서,

및

는 각각 실수부와 실수 부와 허수 부에 곱해지는

분산행렬(dispersion matrix)이다. 상기와 같은 방법으로 신호를 전송한 경우, 수신안테나를 통해 수신된 신호는

에 곱해지는 LDC 행렬이 같은 경우, 수학식 3 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 3 에서,

은 r 번째 안테나의 수신 잡음,

는 k 번째 수신안테나 신호 값이고,

는 송신측에서 전송한 신호를 나타낸다. 한편,

는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.

또한, 수학식 1 과 같이 표현된 LDC 에 있어서, 동등 채널 응답(equivalence channel response)은 수학식 5 와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 동등 채널 응답이고,

는

단위행렬이고,

는

채널행렬이다.

보다 일반적으로, LDC 가 수학식 2 로 표현되는 경우, 수신 안테나에 수신된 신호는 수학식 6 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 6 에서, 아래첨자 R 은 복소 형식으로 나타낸 신호의 실수부(real part), 아래첨자 I 는 허수부(imaginary part)를 나타낸다. 이때, 동등채널응답

는 수학식 7 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 7 에서,

,

,

를 타나낸다. 한편,

은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 실수부이고,

은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 허수부이다. 다중안테나 디코딩은 상기 수학식 3 또는 6 혹은 이와 동등한 식으로부터

및

를 추정하는 과정이다.

2 개의 송신 안테나와 1 개의 수신 안테나를 구비한 통신 시스템에서, 최대 다중화 이득과 다이버시티 이득을 얻기 위한 시공간 코드를 생성하기 위한 방법은 다음과 같다. 즉, 하나의 타임슬롯동안 한 개의 안테나로부터만 신호가 전송되며 모든 데이터 심볼이 최대 다이버시티 이득을 얻도록 하기 위하여, 각 복소 데이터심볼을 성상도(constellation) 상에서 회전(rotation) 시킨 후, 회전된 두 신호의 허수부(imaginary part)를 인터리빙 함으로써 최대의 다이버시티 이득을 얻는 부호를 생성할 수 있다.

먼저 수학식 8 과 같은 시공간 코드를 정의한다. 시공간 코드에서,

수학식 8 에서,

이고,

이다. 수학식 8 의 부호를 다이버시티 이득을 유지하면서 공간 다중화율 2 가 되도록 하기 위해, 수학식 9 의 디터미넌트(determinant) 기준을 적용할 수 있다.

수학식 9 에서, C^k 는 데이터 심볼 셋트에 의해 생성되는 C 의 k 번째 데이터 심볼 셋트로부터 생성되는 부호를 의미하며, C^l 은 l 번째 데이터 심볼 셋트로부터 생성되는 부호를 의미한다.

수학식 9 의

값이 0 이 아니면 수학식 8의 시공간 부호는 최대의 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 한편,

값이 클수록 높은 코딩 이득을 얻을 수 있다. 따라서, 수학식 8 에서,

값이 최대가 되도록 하는 시공간 코드가 최적의 성능을 가질 수 있다.

도 3 은 C^k 와 C^l 의 차분 행렬(difference matrix)의 디터미넌트 분포를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 3 의 각 데이터 심볼은 4-QAM 변조 방식을 사용한 경우의 예이다. 먼저, 공간 다중화율 2 를 얻는 시공간 부호를 얻기 위해, 수학식 8 의 C^k 와 C^l 의 차분 행렬(difference matrix)의 디터미넌트 분포를 살펴보면 도 3 과 같다. 즉, 수학식 8 의 시공간 부호의 차분 행렬의 디터미넌트 분포는 실수부(real part) 영역에 주로 분포하는 것을 알 수 있다. 따라서, 디터미넌트가 허수부(imaginary part)으로 분포하도록 하기 위해, 수학식 10 과 같이, 수학식 8 의 비대각 부분(off-diagonal)에 두개의 다른 데이터 심볼을 삽입하고, 도 3 상에서 분포도를 회전시키면, 최소 디터미넌트의 크기는 영향을 받지 않고, 공간 다중화율은 2 로 증가되면서 다이버시티 이득과 부호화 이득을 최대로 할 수 있다.

수학식 10 은 2 개의 타임 슬롯을 단위로 하여 각 타임슬롯에서 각 안테나마다 다른 시공간신호를 전송하되, 각 시공간 신호는 데이터 심볼의 회전과 인터리빙에 의해 생성되는 시공간 부호의 일례를 나타낸 것이다. 상기 시공간 코드의 행은 안테나 별로 전송되는 신호를 나타내며, 열은 타임 슬롯을 나타낸다.

수학식 8 에서,

이고,

이다.

는 복소값을 가지는 데이터 심볼을 나타내며,

값과

값은 위상각(phase angle)를 나타내는데, 시스템의 특성에 따라 최적화된 값을 정할 수 있다. 수학식 8 에서,

는 상기 도 3 에서 디터미넌트 분포를 회전시키는 역할을 한다.

일례로,

값이 수학식 11 과 같이 정할 수 있다.

또한,

가 수학식 12 의 관계에 있을 때는 최대의 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.

또한, 수학식 10 의 유니터리 변환(unitary transformation)에 의해 생성된 시공간 코드 역시 동일한 성능을 나타낸다.

한편, 수학식 10 을 확장하여, 수학식 13 과 같이 4 개의 송신안테나에서 최대의 다이버시티 이득과 다중화 이득을 얻을 수 있는 시공간 코드를 생성할 수 있다.

상기와 같은 시공간 코딩을 수행하여 전송된 신호에 대해, 수신단에서는 ML (Maximum Likelihood) 디코더, MMSE(Minimum Mean Squared Error) 디코더를 통해 수신할 수 있다.

도 4 에 도시된 바와 같이, GOD 부호 (3)와 성능이 동일하고, 동일한 공간 다중화율을 가지는 SM 보다는 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 한편, 수학식 10 에 기재된 시공간 코드는 GOD 부호 (3)보다 인코딩 복잡도가 낮아 더욱 우수한 시공간 코드라고 볼 수 있다. 한편, 표 1 의 (1) 번 코드는 공간 다중화율이 낮으므로 비교를 수행하지 않았다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 보다 성능이 우수하면서도 인코딩 복잡도가 낮은 시공간 코드를 제공함으로써, 다중안테나 시스템을 이용한 신호 전송을 보다 효율적으로 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

n 개의 안테나와 m 개의 타임 슬롯을 하나의 단위로 하여, 입력된 복소 신호에 대하여 인터리빙 및 위상 천이를 수행하는 시공간 코드를 생성하는 단계; 및

입력된 신호에 상기 시공간 코드를 적용하여 신호를 전송하는 단계

를 포함하여 이루어지는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 n 및 상기 m 은 2 인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 시공간 코드는,
인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법(
,
,
는 복소값을 가지는 상기 입력 데이터 심볼,
값은 상기 천이되는 위상각).
제 3 항에 있어서,

인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법.
제 4 항에 있어서,

인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 시공간 코드는,
를 유니터리 변환(unitary transformation) 한 코드인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법(
,
,
는 복소값을 가지는 상기 입력 데이터 심볼,
값은 상기 천이되는 위상각).
제 1 항에 있어서,

상기 n 및 상기 m 은 4 인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되 는 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 시공간 코드는,
인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법(
,
,
는 복소값을 가지는 상기 입력 데이터 심볼,
값은 상기 천이되는 위상각).
제 8 항에 있어서,

상기 시공간 코드는,
를 유니터리 변환(unitary transformation)한 코드인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법.