KR20080075936A

KR20080075936A - 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법

Info

Publication number: KR20080075936A
Application number: KR1020070015130A
Authority: KR
Inventors: 구형우; 강지원; 이충용
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-20

Abstract

본 발명은 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쉐이핑 코드를 이용하여 기본 성상도를 확장하며, 확장된 성상도 상에서 보내고자 하는 정보에 대응되는 심볼들 중 간섭신호와 가장 가까이에 있는 심볼에서 간섭신호를 빼서 보내줌으로써, 송신 전력을 최소화 할 수 있으며, SNR 이득을 얻을 수 있도록 한 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 쉐이핑 코드를 이용하여 기본 성상도(CONSTELLATION)를 확장하며, 확장된 성상도 상에서 보내고자하는 정보에 대응되는 심볼들 중 간섭신호와 가장 가까이에 있는 것으로부터 간섭신호를 빼서 송신하되, 상기 기본 성상도의 확장은 원점을 중심으로 한 회전을 통해 심볼들이 확장되는 것을 특징으로 하는 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법을 제공한다.

트렐리스 프리코더, 성상도, DPC, THP, 심볼

Description

트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법{Constellation expansion method for trellis precorder}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법을 설명하기 위한 도면이고,

도 2는 본 발명의 기본 성상도 위에서의 회전과 기존 성상도 확장방법을 병행한 것을 나타내는 도면이고,

도 3은 종래의 트렐리스 프리코더의 구조를 설명하기 위한 도면이고,

도 4는 종래의 트렐리스 프리코더의 쉐이핑 코드에 의해 확장된 성상도를 나타내는 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 성상도 확장방법과 기존의 성상도 확장방법의 성능을 비교한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

S₁,S₂,S₃,S₄ : 심볼

여기서, 스케줄링이란 하나의 송신단(기지국(base station) 또는 접속점(access point))이 복수의 수신단(사용자)들에게 패킷 데이터를 전송할 때 매 전송시마다 어떤 사용자에게 데이터를 전송할지를 결정하는 방법이다.

일반적으로, 스케줄링 방법은 송신단이 채널의 상태에 대한 정보를 이용하는 방법과 이용하지 않는 방법, 두 가지로 분류된다.

무선 통신 시스템에서는 채널 특성이 페이딩(fading)으로 인해 시간에 따라 계속 변하기 때문에 유선 통신 시스템과는 달리 채널의 상태를 이용하는 스케줄링의 필요성이 대두된다. 채널 상태를 이용하여 스케줄링을 하면 전체 시스템 전송용량의 향상을 가져올 수 있는데, 이는 다중 사용자 다이버시티(multiuser diversity) 이득에 기인한다.

다중 사용자 다이버시티 이득이란 복수의 사용자가 존재할 때 각각의 사용자들이 겪는 채널의 특성이 독립적으로 페이딩을 겪는다는 사실을 이용하여, 매 전송시마다 그 시점에서 가장 좋은 채널 특성을 가진 사용자에게 무선 자원(시간)을 할 당함으로써 얻어지는 전송 용량의 이득을 말한다.

스케줄링 방법을 개발하는데 있어 상기의 시스템 전송 용량의 향상과 더불어 고려되어야 할 점은 사용자간의 형평성 문제이다. 다중 사용자 무선 통신 시스템에서는 사용자들과 송신단과의 거리 차이로 인해 송신단과 멀리 떨어져 있는 사용자의 경우 신호의 감쇄 현상이 더 심해 가까이 있는 사용자보다 평균적으로 더 나쁜 채널 특성을 가지게 된다.

이 경우 상기의 다중 사용자 다이버시티 이득만을 고려하여 스케줄링을 하면 송신단과 가까운 거리에 있는 사용자가 대부분의 자원(시간)을 할당받아 멀리 떨어져 있는 사용자는 거의 자원을 할당받지 못하게 된다.

이 같은 경우를 피하기 위해 공정성(fairness)까지 고려한 스케줄링 방법이 필요하다.

송수신단에서 하나의 안테나를 사용하는 단일 송수신 안테나 시스템에서는 상기의 전송 용량 향상과 형평성을 동시에 고려한 비례공정 스케줄링(proportionally fair scheduling) 알고리즘이 제안되어 1xEV-DO 시스템의 고속데이터 서비스에서 사용되고 있다[A. Jalali, R. Padovani, and R. Pankaj, "Data throughput of CDMA-HDR a high efficiency-high data rate personal communication wireless system," in Proc. of IEEE VTC2000, pp. 1854-1858].

고속 데이터 전송을 가능케 하는 또 하나의 중요한 기술로 다중 송수신 안테나(Multiple-Input Multiple-Out: MIMO) 기술이 현재 많은 주목을 받으며 활발한 연구가 진행되고 있다.

특히 최근의 다중 사용자 다중 송수신 안테나 시스템에서의 전송 용량에 대한 연구 결과들은 M. Costa의 "Dirty Paper Coding"(이하, DPC라고 함)[M. Costa, "Writing on dirty paper," IEEE Tran. Inform. Theory , vol. IT-29, pp.439-441, May 1983.]를 이용하면 최대의 전송 용량을 얻을 수 있음을 이론적으로 증명하였다[G. Caire and S. Shamai,"On the achievable throughput of a multiantenna Gaussian broadcast channel," IEEE Tran. Inform. Theory , vol.49, pp. 1691-1706, July 2003].

즉, 상기 다중 안테나를 이용하여 다중사용자에게 동시에 통신 서비스를 할 경우 한 번에 여러 명에게 정보를 보냄에 따라 총 통신 용량이 증가하지만 사용자간의 간섭신호가 발생하는 문제점이 존재한다.

이 간섭신호는 실제 신호에 비교해서 크기가 작지 않기 때문에 통신 서비스의 품질에 심각한 저하를 야기한다.

이러한 사용자간의 간섭신호를 제거하기 위하여 사용되는 것이 DPC기법이다.

한편, 상기 DPC는 간섭신호가 존재하는 환경에서 그 간섭신호를 송신단에서 미리 알고 있다면 완벽하게 제거할 수 있으나, 무한한 크기의 추가적 코드북이 필요하여 현실적으로 구현이 불가능하게 되고, 이에 따라 현실적으로 구현이 가능한 DPC 기법들이 제안되어져 왔다.

이에 가장 기초적인 기법은 송신단에서 간섭신호를 미리 제거하여 보내준다. 즉 간섭신호를 송신단에서 알고 있기 때문에 미리 제거하여 보내줄 수 있으며, 이에 따라 후에 더해질 간섭신호를 상쇄할 수 있다.

이렇게 간섭신호를 미리 제거하여 보내주는 경우 간섭신호를 완벽히 제거할 수 있지만, 한가지 큰 문제점이 발생하게 되는데 만일 간섭신호와 송신해야 하는 신호의 차이가 크다면 송신 전력이 너무 커지는 문제점이 발생하게 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 특히 이론적인 DPC 기법을 현실적으로 구현한 THP(Tomlinson-Harashima Precoder)와 트렐리스 프리코더(Trellis precoder)가 널리 이용되고 있다.

이 중 트렐리스 프리코더는 THP의 성능적 한계를 극복해준 기법으로써 THP에 비하여 월등히 높은 복잡도를 갖지만 그만큼 성능 개선이 있어 관심을 끌고 있다.

트렐리스 프리코더는 기존에 ISI(Inter Symbol Interference)를 제거하기 위하여 제안되고 사용되어져오던 기법을 Wei Yu가 MIMO 환경으로 가져오면서 MUI(Multiple User Interference)를 제거하는데 이용되고 있다.

또한, 상기 트렐리스 프리코더는 간섭신호와 송신신호의 차이가 너무 커지는 것을 막기 위하여 이른바 쉐이핑(shaping) 기법을 사용한다. 이는 성상도를 여러 개의 영역으로 확장시켜 그 중 간섭신호와의 차이가 가장 작아지는 영역에 속한 신호를 전송하는 기법이다.

이렇게 선택된 영역의 정보는 블록 코드(block code)에서 사용되는 신드롬(syndrome) 개념을 이용하여 보내고자하는 정보에 덮어져서 전송된다.

도 3을 참조하여 트렐리스 프리코더의 구조에 대해 자세하게 살펴보면, 두 개의 코드가 독립적으로 동작하고, Cc는 컨벌루션널(convolutional) 코드로써 채널코드이며, Cs는 트렐리스 프리코더의 핵심이라고 할 수 있는 쉐이핑 코드이다.

상기 트렐리스 프리코더는 송신할 정보 비트들을 세 그룹으로 나누어서 이용한다. 첫번째 그룹은 채널코드에 의해 확장되며, 두번째 그룹과 함께 성상도상의 심볼(symbol)을 형성한다.

이때 성상도는 쉐이핑 코드에 의하여 여러 개의 영역으로 확장되는데 이 영역의 개수는 쉐이핑 코드에 의해 결정된다.

도 4는 쉐이핑 코드에 의해 확장된 성상도를 설명하기 위한 도면으로서, QPSK 변조신호를 4개의 영역으로 확장한 형태가 나타나 있고, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 성상도를 다시 QPSK 성상도위에 겹쳐놓은 형태가 되어 마치 16-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)변조기법의 성상도와 같은 형태가 된다.

이와 같이 성상도가 확장되면 각 영역에서 같은 위치에 있는 심볼들은 같은 심볼로 여겨진다. 즉 도 4에서 표현된 모든 영역들의 S₁은 같은 신호를 의미하는 것이다. 영역으로 성상도가 확장되면 보내고자 하는 심볼과 간섭신호의 차이가 가장 작아지게 하는 영역을 찾게 된다.

영역을 찾는 과정은 쉐이핑 코드의 비터비 알고리즘(Viterbi algorithm)을 통해 이루어진다. 쉐이핑 코드의 비터비 알고리즘을 통해 영역이 선택되면 영역에 대한 정보는 셋으로 나누어진 정보비트들 중 세 번째 부분에 덮여서 송신된다.

블록 코드에서 나오는 신드롬 개념을 이용하는 것으로 이에 대해 수식적으로 살펴보면 다음과 같다.

송신할 정보비트들 중 세 번째 부분을 S₃라고 한다면 영역정보에 덮여질 신 호 z는 다음과 같다.

z = S₃(H^-1)^T

여기서 H는 쉐이핑코드의 패러티 체크(parity check)행렬이며, H^T는 신드롬 포머(syndrome former)가 된다. 이렇게 만들어진 z는 비터비 알고리즘에 의해 만들어진 영역정보 c에 덮여서(exclusive or 연산을 통하여) 전송된다.

이와 같이 전송된 신호는 수신단에서 신드롬 포머를 통과하게 된다. 이 과정을 통하여 S₃는 다음과 같이 검출될 수 있다(아래의 수식에서 ‘+’는 ‘exclusive or’를 의미한다).

(z+c)H^T= zH^T + cH^T

= S₃ + 0

= S₃

이는 블록 코드의 신드롬 포머가 모든 코드워드들과 직교함을 이용한 것이다. 이렇게 S₃가 검출되면 받은 영역 정보신호로부터 S₃를 빼줌으로써 영역정보도 검출할 수 있게 된다.

이와 같은 과정을 통하여 트렐리스 프리코더는 정보 전송률의 손실 없이 영 역정보를 전송할 수 있는 것이다.

그러나, 종래의 트렐리스 프리코더의 경우 기본 성상도를 확장하는 방식에 있어 확장된 심볼들이 정원을 이루지 못하며, 널리 퍼져있는 경우가 많아 송신신호의 전력을 줄이는데 그 한계가 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기본 성상도의 회전을 통하여 심볼들을 확장하여 사용자 간 간섭신호와의 차이를 줄여줌으로써, 송신전력을 감소시킬 수 있고, 기본 성상도 위에서의 회전과 기존 트렐리스 프리코더에서 사용되는 성상도의 확장을 동시에 적용함으로써, 간섭신호가 정보신호와 비슷한 크기로 발생할 때와 그보다 더 큰 크기로 발생할 때의 모든 경우에 대응할 수 있도록 한 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법에 있어서,

쉐이핑 코드를 이용하여 기본 성상도(CONSTELLATION)를 확장하며, 확장된 성상도 상에서 보내고자하는 정보에 대응되는 심볼들 중 간섭신호와 가장 가까이에 있는 것으로부터 간섭신호를 빼서 송신하되, 상기 기본 성상도의 확장은 원점을 중심으로 한 회전을 통해 심볼들이 확장되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 기본 성상도가 4개의 영역으로 확장될 경우에 4개의 회전각을 이용하여 회전하면서 확장하고, 4개의 심볼들은 기본 성상도 위의 어떠한 심볼로도 나타내어 지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 동시에 서비스하는 사용자의 수가 많아져서 다중사용자에게 신호를 전송함에 따라 발생하는 간섭신호의 크기가 커지게 되는 경우에 상기 심볼들이 기본 성상도 위의 원점을 중심으로 한 회전과 동시에 기본 성상도 주위에 퍼뜨리는 방식으로 확장되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

본 발명에서 제안된 기법의 전반적 동작원리는 기존의 트렐리스 프리코더와 동일하다. 앞에서 언급한 것과 같이 기본 성상도의 확장 기법에 변화를 주었으며 이를 통하여 성능을 개선할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명에서 사용되는 기본적인 성상도 확장방법은 다음과 같다.

도 1의 좌측에는 기본적인 QPSK 변조기법의 성상도로서, 성상도를 4개의 영역으로 확장하고자 할 때 본 발명에서 제안된 기법에 따르면 도 1의 오른편에 나타나있는 것과 같이 확장된다.

즉, 기본 성상도를 원점을 중심으로 회전시켜 가면서 확장해 주는 것이다. 만일 기본 성상도가 90˚회전되었다면 S₁은 원래 S₂가 있던 곳으로 이동 되며, S₂,S₃,S₄도 회전되어 이동된다.

4개의 영역으로 확장한다는 것은 4개의 회전각을 이용하여 성상도를 확장한 다는 뜻이 되어 0˚, 90˚, 180˚, 270˚의 회전각을 이용하게 된다. 즉 네 개의 심볼들은 기본 성상도위의 어떠한 심볼로도 나타내어질 수 있다.

이와 같이 기본 성상도의 회전을 통하여 심볼들을 확장하게 되면 기존의 트렐리스 프리코더에서의 확장에 비하여 송신전력을 감소시킬 수 있다.

이는 크게 두 가지 이유 때문이다. 첫 번째 이유는 확장된 성상도의 형태이다. 기존의 트렐리스 프리코더의 경우 확장된 성상도에서 같은 정보를 나타내는 심볼들을 모아보면 그 형태가 원점을 중심으로 정원을 이루지 않고 있다.

보다 상세하게는 도 4는 기존의 트렐리스 프리코더에서 쉐이핑 코드에 의해 확장된 성상도로서, 도 4의 제1 내지 제4영역에서 각각의 S₁은 중심점으로부터 거리가 다르다.

즉 간섭신호가 좌표평면상에서 무작위로 발생된다고 할 때, 보내고자 하는 정보를 담고 있는 심볼들을 선택함에 있어 이상적인 형태가 아니라고 볼 수 있다.

반면, 본 발명에서 제안된 확장방법을 통하여 확장된 성상도의 경우 같은 정보를 담고 있는 심볼들끼리 모아보면 원점을 중심으로 정원을 형성하고 있음을 알 수 있다.

보다 상세하게는 도 2는 본 발명에 따른 성상도 확장방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 2의 제1 내지 제4영역에서 각각의 S₁은 중심점으로부터 거리가 같다. 즉 간섭신호가 무작위로 찍힌다고 할 때 통계적으로 간섭신호와의 차이가 가장 작아지도록 선택해 줄 수 있다.

두 번째 이유는 간섭신호의 크기에 의한 것이다. 다중 안테나를 이용하여 다중 사용자에게 신호를 보낼 경우 발생되는 간섭신호는 원래 보내고자 했던 정보와 통계적으로 비슷한 크기의 전력을 갖게 된다.

이는 간섭신호가 다른 사용자에게 보내는 신호이기 때문이다.

기존 트렐리스 프리코더의 심볼 확장 방식은 기본 성상도주위에 퍼뜨리는 방식이며, 본 발명에서 제안된 확장 방식은 기본성상도 위로 회전시키는 방식이다. 즉 간섭신호가 기본 성상도와 유사한 전력을 갖게 된다고 할 때, 제안된 확장방식이 간섭신호와의 차이를 더 줄여줄 수 있는 것이다.

다중사용자에게 신호를 전송함에 따라 발생하는 간섭신호는 위에서 언급하고 있는 것과 같이 보내고자 하는 정보와 크기가 비슷하다.

그러나 동시에 서비스받는 사용자의 수가 많아지게 될 경우 간섭신호들이 더해져서 작용하게 되어 그 크기가 커지게 된다. 이러한 경우, 본 발명에서 제안된 기법은 성능 하락을 일으킬 수 있다.

이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 본 발명의 성상도 확장기법과 기존 트렐리스 프리코더에서 적용되던 성상도 확장기법을 동시에 사용하게 된다. 즉 기본 성상도 위에서의 회전과 기존 트렐리스 프리코더에서 사용되던 성상도의 확장을 동시에 적용함으로써, 간섭신호가 정보신호와 비슷한 크기로 발생할 때와 그보다 더 큰 크기로 발생할 때의 모든 경우에 대응할 수 있게 하는 것이다.

도 2에 나타나있는 16개의 심볼들은 모두 S₁이라는 정보를 나타낼 수 있다. 이는 기본 성상도를 회전시킴과 동시에 또 다른 QPSK 성상도위에 덮어씌움으로써 총 16개의 영역으로 기본 성상도가 확장되었기 때문이다. 즉 도2의 심볼들은 S₁, S₂, S₃, S₄의 모든 정보들을 나타낼 수 있는 것이다.

실험예

본 발명을 통하여 제안된 기법은 기존의 트렐리스 프리코더와 동일한 비율로 신호를 전송한다. 즉, 동일한 환경에서 실험을 하여 BER(Bit Error Rate) 성능의 향상을 보여주면 발명의 효과를 증명할 수 있다.

도 5에 나타나있는 실험결과는 3명의 사용자가 한 개의 안테나를 가지고 있는 경우에 대하여 송신단에서 세 개의 안테나를 이용하여 동시에 신호를 전송하는 환경에서 실험한 것이다. 컨벌루션널 코드는 1/2 레이트(rate) 코드가 이용되었으며 성상도는 16개의 영역으로 확장되었다.

실험 결과를 보면 10^-3BER에서 약 2.0dB정도의 SNR(Signal to Noise Ratio) 이득이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다.

이는 제안된 기법의 성상도 확장형태가 기존 기법보다 더 효율적으로 송신 전력을 감소시켜 주기 때문인 것으로 감소된 송신 전력이 SNR 이득으로 나타난 것이다.

상기 성상도 확장에 있어서 4개의 영역 및 각도를 사용하여 설명하였으나, 성상도를 돌리는 각도 및 갯수는 제한되지 않는다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였 으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법에 의하면, 기존 트렐리스 프리코더에서 사용하던 성상도 확장방법에 변화를 줌으로써, 다중사용자 다중안테나 통신시스템에서 보내고자 하는 정보를 담고 있는 심볼들 중 선택함에 있어 간섭신호와의 차이가 가장 작아지도록 선택하여, 송신 전력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 SNR 측면에서 추가적인 이득을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims

트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법에 있어서,

쉐이핑 코드를 이용하여 기본 성상도를 확장하며, 확장된 성상도 상에서 보내고자하는 정보에 대응되는 심볼들 중 간섭신호와 가장 가까이에 있는 것으로부터 간섭신호를 빼서 송신하되, 상기 기본 성상도의 확장은 원점을 중심으로 한 회전을 통해 심볼들이 확장되는 것을 특징으로 하는 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법.
청구항 1에 있어서,

상기 기본 성상도가 4개의 영역으로 확장될 경우에 4개의 회전각을 이용하여 회전하면서 확장하고, 4개의 심볼들은 기본 성상도 위의 어떠한 심볼로도 나타내어 지는 것을 특징으로 하는 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

동시에 서비스하는 사용자의 수가 많아져서 다중사용자에게 신호를 전송함에 따라 발생하는 간섭신호의 크기가 커지게 되는 경우에 상기 심볼들이 기본 성상도 위의 원점을 중심으로 한 회전과 동시에 기본 성상도 주위에 퍼뜨리는 방식으로 확 장되는 것을 특징으로 하는 트렐리스 프리코더의 성상도 확장방법.