KR20080087369A - 다중 입력 다중 출력 방식을 사용하는 무선 통신시스템에서 사전 부호화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송신 안테나 군이 짧은 간격의 선형 배열안테나로 구성되어 있고 복수개의 송신 안테나 군이 긴 간격으로 선형 배열되어 있는 송신 안테나 구조에 적합한 사전부호화 행렬 또는 사전부호화기를 구성하는 방법을 제안한다. 송신 안테나 군 내의 선형 배열 안테나에는 높은 공간 상관도를 활용하는 군내 사전부호화 기법을 적용하고, 송신 안테나 군 간에는 낮은 공간 상관도를 활용하는 군간 사전부호화 기법을 적용하는 이중 사전부호화 기법을 사용한다. 이러한 이중 사전부호화 기법 중에서 군내 사전부호화 기법이 송신 안테나 군 별로 일치한다면 등가 사전부호화 행렬은 군간 사전부호화 행렬과 군내 사전부호화 행렬의 크로네커 곱으로 표현할 수 있다.

MIMO, 사전부호화, 크로네커 곱, 이중 사전 부호화

Description

다중 입력 다중 출력 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 사전 부호화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRE-CODING IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM USING MULTI INPUT MULTI OUTPUT}

도 1은 일반적인 SCW 방식을 사용하는 MIMO의 송수신기 구조의 예를 도시한 도면,

도 2는 일반적인 MCW 방식을 사용하는 MIMO 송수신기 구조의 예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에서 따른 비균등 간격으로 배치된 송신 안테나 구조를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 사전부호화기의 제 1 실시 예에 따른 내부 블록 구성도,

도 5는 본 발명에 사전부호화기 제 2 실시 예의 내부 블록 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 사전부호화기 제 3 실시 예에 따른 내부 블록 구성도.

본 발명은 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용하여 데이터를 송신하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output : 이하 "MIMO"라 함) 방식으로 데이터를 송신할 시 송신 데이터의 사전 부호화 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 무선 통신 시스템은 사용자들에게 이동성을 제공하여 위치의 제약에서 벗어나기 위한 하나의 방편으로 개발되었다. 이러한 무선 통신 시스템의 대표적인 예로, 이동통신 시스템이 있다. 상기 이동통신 시스템은 음성 신호를 전기적 신호로 변환하고, 소정의 가공을 통해 라디오 주파수(RF)에 실어 전송함으로써 사용자들에게 음성 서비스를 제공하도록 개발된 시스템이다.

그런데, 기술이 비약적으로 발전하면서 이동통신 시스템은 초기의 음성 위주의 서비스를 제공하던 것에서 벗어나 데이터 서비스 및 멀티미디어 서비스 제공을 위해 고속, 고품질의 무선 패킷 데이터 통신시스템으로 발전하고 있다. 최근 3GPP의 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), 3GPP2의 HRPD(High Rate Packet Data), 그리고 IEEE의 802.16 등 다양한 이동통신 표준이 고속, 고품질의 무선 패킷 데이터 전송 서비스를 지원하기 위해 개발되었다.

HSDPA, HSUPA, HRPD 등의 현존하는 3세대 무선 패킷 데이터 통신 시스템은 전송 효율을 개선하기 위해 적응 변조 및 부호화(Adaptive Modulation and Coding : 이하 "AMC"라 함) 방법과 채널 감응 스케줄링 방법 등의 기술을 이용한 다. 상기의 AMC 방법을 활용하면 송신기는 채널 상태에 따라 전송하는 데이터의 양을 조절할 수 있다. 즉 채널 상태가 좋지 않으면 전송하는 데이터의 양을 줄여서 수신 오류 확률을 원하는 수준에 맞추고, 채널 상태가 좋으면 전송하는 데이터의 양을 늘려서 수신 오류 확률은 원하는 수준에 맞추면서도 많은 정보를 효과적으로 전송할 수 있다. 상기의 채널 감응 스케줄링 자원관리 방법을 활용하면 송신기는 여러 사용자 중에서 채널 상태가 우수한 사용자를 선택적으로 서비스하기 때문에 한 사용자에게 채널을 할당하고 서비스해주는 것에 비해 시스템 용량이 증가한다. 이와 같은 용량 증가를 소위 다중 사용자 다이버시티 (Multi-user Diversity) 이득이라 한다. 요컨대 상기의 ACM 방법과 채널 감응 스케줄링 방법은 수신기로부터 부분적인 채널 상태 정보를 궤환(feedback) 받아서 가장 효율적이라고 판단되는 시점에 적절한 변조 및 부호화 기법을 적용하는 방법이다.

상기의 ACM 방법과 채널 감응 스케줄링 방법을 실현하기 위해서 수신기는 채널 상태 정보를 송신기에 궤환(feedback)해야 한다. 이렇게 수신기가 궤환하는 채널 상태 정보를 채널 품질 지시자(Channel Quality Indicator : 이하 "CQI"라 함)라고 한다.

최근 2세대와 3세대 이동통신 시스템에서 사용되던 다중접속 방식인 CDMA (Code Division Multiple Access)을 차세대 시스템에서 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)으로 바꾸려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 3GPP와 3GPP2는 OFDMA를 사용하는 진화 시스템에 관한 표준화를 진행하기 시작하였다. CDMA 방식에 비해 OFDMA 방식에서 용량 증대를 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다. OFDMA 방식에서 용량 증대를 낳는 여러 가지 원인 중의 하나가 주파수 축 상에서의 스케줄링(Frequency Domain Scheduling)을 수행할 수 있다는 것이다. 채널이 시간에 따라 변하는 특성에 따라 채널 감응 스케줄링 방법을 통해 용량 이득을 얻었듯이 채널이 주파수에 따라 다른 특성을 활용하면 더 많은 용량 이득을 얻을 수 있다. 그러나 주파수 도메인 스케줄링(frequency domain scheduling)을 지원하기 위해서는 송신기가 주파수 별로 채널 상태 정보를 파악하고 있어야 한다. 즉 주파수 별로 CQI 궤환이 필요하기 때문에 CQI 궤환의 부담이 증가한다.

한편, 차세대 시스템에서는 다중 송수신 안테나를 활용한 MIMO 기술의 도입이 활발히 연구되고 있다. MIMO란 다중 송수신 안테나를 이용하여 복수개의 데이터 스트림을 동시에 동일 자원을 이용하여 전송하는 기술이다. 채널 상태가 양호할 때 변조 차수(modulation order)를 증가하는 것보다 복수개의 낮은 변조 차수의 데이터 스트림을 전송하는 것이 같은 오류 확률에서 전송량을 증가시킬 수 있는 방법인 것으로 알려져 있다. MIMO 기법에서 개별 데이터 스트림이 전송되는 차원을 계층 (layer)이라 한다. 상기 계층은 채널 상태에 따라 AMC를 따로 적용하는 방법이 용량을 증대하는데 효율적이다. 예를 들어 안테나별 전송률 제어(Per Antenna Rate Control : 이하 "PARC"라 함)는 송신 안테나마다 서로 다른 데이터 스트림을 전송하는 기술로서 계층은 송신 안테나가 된다. 복수개의 송신 안테나는 서로 다른 채널을 겪게 되는데, PARC 기법에서는 채널 상태가 양호한 송신 안테나로 더 많은 데이터가 전송될 수 있도록 AMC를 적용하고 채널 상태가 불량한 송신 안테나로는 전송 데이터 양을 줄인다.

다른 예로 공통 베이시스별 전송률 제어(Per Common Basis Rate Control : 이하 "PCBRC"라 함)이 있다. 상기 PCBRC 기술은 계층이 고정된 송신 빔이 된다. 따라서 PCBRC 기법에서는 채널 상태가 양호한 송신 빔으로 더 많은 데이터를 전송하고 채널 상태가 불량한 송신 빔으로는 전송 데이터 양을 줄인다.

또한 다중 안테나를 이용하여 MIMO를 구현할 때, 채널 상태에 따라 적응적으로 송신 빔을 형성하기 위해 사전부호화 방법이 사용된다. 사전부호화란 송신기에서 송신 안테나로 신호를 전송하기 전 단계에 송신 신호를 사전 왜곡시키는 것을 의미한다. 사전부호화가 선형 결합으로 구현된다면 사전부호화 과정은 <수학식 1>과 같이 표기할 수 있다.

x = Es

여기서 s는 K×1 크기의 벡터로 전송하고자 하는 신호를 나타내고 x는 M×1 크기의 벡터로 실제 전송하는 신호를 나타낸다. 또한, K는 MIMO를 통해 동시에 동일 자원으로 전송되는 심볼의 수이며, M은 송신 안테나의 수이다. 그리고 E는 N×K 크기의 행렬로 precoding을 나타낸다. 즉 <수학식 1>은 M개의 송신 안테나를 갖춘 MIMO 송신기에서 K개의 신호열을 동시에 전송할 때 E라는 사전부호화 방식을 적용하는 것을 표현한 것이다.

사전부호화 행렬 E는 송신 MIMO 채널에 따라 적응적으로 결정된다. 그런데 송신기가 송신 MIMO 채널에 관한 정보를 알 수 없을 경우에는 수신기가 보고한 궤환 정보에 따라 시전부호화를 수행한다. 이를 위해서 유한개의 사전부호화 행렬 E 를 포함하고 있는 사전부호화 코드북(codebook)을 송수신기 간에 미리 설정한다. 수신기는 이 사전부호화 코드북 중에서 현재의 채널 상태에서 가장 선호하는 사전부호화 행렬 E를 선택하여 이를 송신기에 궤환한다. 따라서 송신기는 이 사전부호화를 적용하여 MIMO 전송을 수행한다.

<수학식 1>의 송신 신호가 MIMO 채널 H를 거쳐 수신되는 신호는 하기 <수학식 2>와 같다.

y = Hx + z = HEs + z

여기서 y와 z는 N×1 크기의 벡터로 각각 N개의 수신 안테나에 수신된 신호와 잡음 신호를 나타내고, H는 N×M 크기의 행렬로 MIMO 채널을 나타낸다. 상기 수신 신호는 수신 결합 과정을 거쳐 각 계층의 송신 신호열의 신호 대 간섭 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio : 이하 "SINR"라 함)가 개선되도록 한다. 수신 결합 과정을 거친 신호 r은 하기 <수학식 3>과 같다.

r = Wy = WHx + Wz = WHEs +Wz

여기서 W는 N×N 행렬로 수신 결합 과정을 나타내고, r은 N×1 신호 벡터이다. 각 계층의 송신 신호열을 보다 잘 수신하기 위해 추가적으로 간섭제거나 최대 우도율(Maximum Likelihood : 이하 "ML"이라 함) 수신 등의 수신 기법을 사용할 수 있다.

종래의 사전부호화 기법은 크게 두 분류로 구분할 수 있다. 우선, 등 간격으 로 배치된 선형 배열 안테나를 감안해서 공간 상관도를 이용할 수 있도록 설계된 사전부호화 기법으로 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform : 이하 "DFT"라 함) 기반 사전부호화 행렬이 있다. 하기 <수학식 4>는 DFT 기반 사전부호화 행렬 E를 나타낸 것이다.

여기서 F는 DFT 행렬 또는 IDFT 행렬을 나타내며 A는 위상만 조정을 하는 대각 행렬을 나타낸다. DFT 기반 사전부호화 행렬은 DFT 행렬 F가 공간적인 빔을 성형한다는 특성을 활용한 것으로 공간 상관도가 높은 채널에서 우수한 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 다음으로 공간 상관도가 없는 안테나 구조에서 설계된 GLP(Grassmannian Line Packing) 사전부호화 행렬이 있다. 이는 사전부호화 행렬간의 거리를 넓혀서 사전부호화 이득을 개선시키기 위한 것으로 공간 상관도가 전혀 없다는 가정에서 설계된 것이다. 상기의 DFT 기반 사전부호화 행렬도 공간 상관도가 없는 안테나 구조에 적용할 수 있지만 GLP 사전부호화 방법이 약간의 성능 개선을 보이는 것으로 알려져 있다. 한편 공간 상관도가 전혀 없다면 사전부호화를 거치지 않고 PARC를 적용하는 것도 채널 용량에 접근하는 기법인데 이 경우에는 사전부호화 행렬을 단위행렬로 표현 할 수 있다.

MIMO 기법에 의해 전송되는 복수 신호열이 몇 개의 부호화된 패킷으로부터 생성된 것인가에 따라 단일 코드워드(Single CodeWord : 이하 "SCW"라 함) 방식과 복수의 코드워드(Multi-CodeWord : 이하 "MCW"라 함) 방식이 있다. SCW 방식은 계층의 수와 상관 없이 하나의 코드워드가 MIMO 기법에 의해 만들어진 복수개의 계층을 통해 전송되는 것이고, MCW 방식은 MIMO 기법에 의해 만들어진 복수개의 계층 각각에 하나의 코드워드를 전송하는 것이다. MCW 방식의 장점은 수신기 측에서 간섭 제거기와 같은 수신 과정을 거처 추가적인 이득을 취할 수 있다는 것이다. 왜냐하면 하나의 코드워드마다 적용된 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 통해 수신기가 각 코드워드의 복호 성공 여부를 판단할 수 있기 때문이다. 그렇지만 전송 코드워드의 수를 증가시킴에 따라 CRC를 적용하기 위해 선형적으로 증가하는 추가적인 자원을 소비한다는 측면과 수신기의 복잡도가 증가한다는 측면 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하면서도 MCW 방식이 가지고 있는 전송률 개선 효과를 얻기 위한 절충안으로 이중 코드워드(Dual CodeWord : 이하 "DCW"라 함) 방식이 고안되었다. DCW 방식은 계층의 수와 상관 없이 최대 두개의 코드워드가 MIMO 기법에 의해 만들어진 복수개의 계층을 통해 전송되는 것이다.

도 1은 일반적인 SCW 방식을 사용하는 MIMO의 송수신기 구조의 예를 도시한 도면이다. 이하 도 1을 참조하여 일반적인 SCW 방식을 사용하는 MIMO의 송수신기 구조를 살펴보기로 한다.

전송하고자 하는 데이터열은 채널 부호화 및 변조기(101)로 입력되어 채널 부호화 및 변조 과정을 거쳐 하나의 부호화된 패킷 신호열로 변환된다. 이와 같이 패킷 신호열로 변환된 신호는 MIMO 전송을 위해 역다중화기(103)로 입력된다. 상기 역다중화기는 상기 신호열을 K개의 신호열로 역다중화한다. 이렇게 역다중화된 K개 의 신호열은 사전부호화기(105)를 거쳐 각 송신안테나로 전송될 M개의 신호열로 선형 변환된다. 상기 사전부호화기(105)에서 사전부호화되는 과정은 K개의 신호열이 서로 다른 송신 빔으로 전송하게 처리하는 것으로 볼 수 있다. 사전부호화된 M개의 신호열은 각각 송신처리기들(107a, …, 107m)을 거쳐 각 송신 안테나들(109a, …, 109m)로 전송된다. 송신처리기들(107a, …, 107m)은 CDMA 혹은 OFDMA 신호를 만드는 과정뿐 아니라 각 안테나에서 수행되는 필터링이나 라디오 주파수(Radio Frequency : RF) 처리 과정을 모두 포함하는 것이다. 송신된 신호는 N개의 다중 수신 안테나(111a, …, 111n)로 수신되고 수신 안테나에 수신된 신호는 각 수신처리기들(113a, …, 113n)을 거쳐 기저대역 신호로 복원된다. 수신 처리된 신호는 수신 결합기(115)로 입력되어 송신 안테나별로 신호가 결합된다. 이와 같이 송신 안테나별로 결합된 신호는 다중화기(117)로 입력되어 본래 전송하고자 했던 신호열로 복원된다. 그러면 상기 복원된 신호는 복조 및 채널 복호기(119)에서 복조 및 복호되어 본래 전송하고자 했던 데이터열이 복원된다.

SCW MIMO의 특징은 하나의 채널 부호화 및 변조기(101)를 적용하여 복수개의 전송 신호열을 생성하기 때문에 하나의 CQI만을 궤환 받으면 된다는 것이다. 단 MIMO 방식으로 전송되는 송신 신호열의 수, 즉 송신되는 MIMO 계층의 수 K는 채널 상태에 따라 조정되어야 한다. 본 명세서에서는 송신되는 MIMO 계층의 수 K를 랭크(rank)라고 명명한다. 따라서 SCW MIMO의 궤환은 송신 MIMO 계층의 채널 상태를 대표하는 하나의 CQI와 송신 계층의 수 rank로 구성된다.

도 2는 일반적인 MCW 방식을 사용하는 MIMO 송수신기 구조의 예를 도시한 도 면이다. 이하 도 2를 참조하여 일반적인 MCW 방식을 사용하는 MIMO 송수신기 구조의 예를 살펴보기로 한다.

먼저 MCW 방식의 MIMO는 SCW 방식의 MIMO와 다르게 MIMO 계층별로 서로 다른 부호화된 패킷 신호열이 전송된다. 따라서 전송하고자 하는 데이터 열이 역다중화기(201)로 입력되어 rank만큼 역다중화된다. 이와 같이 역다중화 된 신호열은 각각 서로 다른 채널 부호화 및 변조기들(203a, …, 203k)를 거쳐 MIMO 계층별 신호열이 된다. 다음의 송신 과정은 SCW 방식의 MIMO의 송신기에서와 동일한 구성을 이용하여 전송된다. 즉, 사전부호화 과정과, 각 송신 안테나별 송신처리 과정 및 M개의 송신 안테나들로 전송될 신호가 만들어진다. 도 2에서 도 1과 동일한 방식으로 전송되는 구성에 대하여는 도 1과 동일한 참조부호를 사용하였음에 유의해야 한다. 다만 상기 도 2에서 채널 부호화 및 변조 과정은 하나의 채널 부호화 및 변조기로 구성할 수도 있다. 이러한 경우 상기 도 1과 채널 부호화 및 변조 과정이 동일한 과정이 될 수 있다.

MCW 방식의 MIMO의 수신 과정 역시 수신 직후의 몇 단계는 SCW 방식의 MIMO 수신기에서 이루어지는 과정과 동일한다. 즉, 각 안테나별로 수신된 신호를 기저대역 신호로 변환하는 수신 처리 과정과 수신된 신호를 계층별 전송 신호로 결합하는 수신 결합 과정은 동일한 과정이 된다. 따라서 동일한 부분에 대하여는 동일한 참조부호를 사용하였다. 이 복원된 신호들은 상호간의 간섭을 포함하고 있게 된다. MCW 방식의 MIMO 수신기에서는 계층별로 서로 다른 부호화 및 변조를 거쳤기 때문에 수신기는 우선 복원되는 특정 계층의 신호를 제거하여 이 신호가 다른 계층에 끼친 간섭 효과가 없어지도록 할 수 있다. 이와 같은 간섭제거기(205)를 활용하면 MIMO 계층의 채널 용량을 개선할 수 있다. 따라서 MCW 방식의 MIMO 전송을 통해 더 많은 데이터를 전송할 수 있게 된다.

상기 도 2에서는 간섭 제거기(205)를 활용하는 수신기 구조를 예로 들었으나 다른 형태의 수신 방법도 사용될 수 있다. 그러면 상기 도 2에서 예로 든 간섭 제거기(205)를 통한 수신 과정을 좀 더 상세히 살펴보기로 한다.

복조 및 채널 복호화기(203)를 통해 한 계층의 신호가 성공적으로 복원되면 그 복원된 신호를 활용하여 간섭을 제거기(205)에서 간섭이 제거된다. 간섭이 제거된 신호열(207)은 다시 복조 및 채널 복호화기(203)로 전달되고 복원 및 간섭 제거는 모든 계층의 신호가 성공적으로 복원되거나 더 이상 추가로 복원될 계층의 신호가 없을 때까지 반복된다. 그리고 마지막으로 복원된 복수개의 계층별 신호열은 다중화기(209)를 통해 하나의 전송하고자 한 데이터열로 복원된다.

MCW 방식의 MIMO 송신기의 특징은 계층별로 채널 부호화 및 변조기(203a, …, 203k)를 적용하여 복수개의 전송 신호열을 생성하기 때문에 계층별 CQI를 궤환 받아야 한다는 것이다. 한편 rank는 별도로 궤환하지 않고 CQI 값 중 전송을 하지 말라는 의미의 약속된 CQI 값을 설정하여 내제적으로 rank를 표현할 수 있다. 따라서 MCW 방식의 MIMO 수신기에서 궤환은 송신 MIMO 계층별 채널 상태를 대표하는 복수개의 CQI로 구성된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 SCW 방식 및 MCW 방식의 MIMO 기법은 각각의 장단점들이 존재한다. 따라서 보다 효과적인 MIMO 기법이 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 빔 성형 이득을 얻을 수 있는 사전 부호화 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 공간 다중화 이득을 얻을 수 있는 사전 부호화 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 전송의 효율을 높일 수 있는 사전 부호화 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 송신 안테나 군이 짧은 간격의 선형 배열안테나로 구성되고, 복수 개의 송신 안테나 군이 긴 간격으로 선형 배열되어 있는 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신 신호의 사전 부호화 방법으로, 서로 다른 변조 심볼열들을 특정 군별로 수신하여 미리 결정된 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 과정과, 상기 군간 사전 부호화된 신호들을 각 군에서 적어도 하나씩 수신하여 미리 결정된 군내 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 과정을 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 송신 안테나 군이 짧은 간격의 선형 배열안테나로 구성되고, 복수 개의 송신 안테나 군이 긴 간격으로 선형 배열되어 있는 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신 신호의 사전 부호화 장치로, 서로 다른 변조 심볼열들을 특정 군별로 수신하여 미리 결정된 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 군간 사전부호화기들과, 상기 각각의 군간 사전 부호화기들로부터 출력된 신호들을 적어도 하나씩 수신하여 미리 결정된 군내 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 군내 사전부호화기들을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명에서 따른 비균등 간격으로 배치된 송신 안테나 구조를 도시한 도면이다. 이하 도 3을 참조하여 본 발명에서 따른 비균등 간격으로 배치된 송신 안테나에 대하여 살펴보기로 한다.

상기 도 3에서는 송신 안테나들(109-1, 109-2, 109-3, 109-4)이 모두 4개인 것을 도시하고 있다. 그러나 4개 이상의 송신 안테나가 다음과 같은 규칙을 만족하도록 배치된다면 본 발명을 적용할 수 있다. 하나의 송신 안테나 군(Transmit Antenna Group)은 균일한 간격으로 배치되어 있는 두 개 이상의 안테나로 구성된다. 그리고 서로 다른 송신 안테나 군이라도 군 내의 안테나들은 동일한 간격을 사용하여 배치되어 있다. 그리고 송신 안테나 군 간에도 균일한 간격으로 배치되어 있으며 송신 안테나 군 간의 간격은 군 내의 안테나 간격보다는 더 큰 값으로 설정 되어 있다. 도 3의 예를 살펴 보면 참조부호 211a와 참조부호 211b는 송신 안테나 군을 나타내며 각각 제1안테나 군 내의 안테나들(109-1, 109-2)과 제2안테나 군 내의 안테나들(109-3, 109-4)이 포함되어 있다. 송신 안테나 군 내의 안테나간 간격은 제1안테나 군(211a)과 제2안테나 군(211b) 모두 d1이다. 제1송신 안테나 군(211a)과 제2송신 안테나 군(211b)간의 간격은 제1송신 안테나 군(211a)에서 우측의 안테나(109-2)와 제2송신 안테나 군(211b)에서 좌측의 안테나(109-3)간의 간격으로 정의되며 그 값은 d2이다. 본 발명에서 가정하는 안테나 구조는 군 간의 간격 d2가 군 내 안테나 간의 간격 d1보다 더 큰 경우이다.

상기 도 3의 예는 송신 안테나 군이 두 개의 송신 안테나로 구성되어 있으며 그러한 두 개의 송신 안테나 군이 선형 배열되어 있는 것이다. 이를 일반적으로 정의하자면 송신 안테나 군이 Me개의 선형 배열된 송신 안테나로 구성되어 있으며 그러한 송신 안테나 군이 Mg개 선형 배열되어 있는 것으로 할 수 있다.

상기 도 3과 같은 안테나 배열은 다음과 같은 목적으로 사용된다. 송신 안테나 군 내의 안테나는 작은 간격 d1을 가지고 배열되어 있다. 이는 각 송신 안테나에서 송신된 신호가 겪는 공간 채널의 상관도를 높이기 위한 것이다. 공간 상관도가 높아지면 빔 성형에 유리하다는 특성이 있다. 여기서 빔 성형이란 송신 신호열이 방향성을 갖도록 전송하는 것으로 다중 안테나를 사용하되 하나의 빔을 형성하는 경우 하나의 신호열을 전송할 수 있게 하고 그 빔에 에너지를 집중하는 효과를 얻는 것이다. MIMO 채널이 다중 신호열을 전송할 수 있는 조건을 갖는다면 다중 빔을 형성하여 각각의 빔에 개별 신호열을 전송하는 기법도 가능하다. 대표적인 d1의 값은 반송파의 반(1/2) 파장 크기이지만 공간 상관도를 일정 수준 유지하는 범위 내에서 d1의 값을 키울 수도 있다. 송신 안테나 군은 상대적으로 큰 간격 d2를 가지고 배열된다. 이는 각 송신 안테나 군에서 송신된 신호가 겪는 공간 채널의 상관도를 낮추기 위한 것이다. 공간 상관도가 낮아지면 공간 다이버시티(Spatial Diversity)나 공간 다중화에 유리하다는 특성이 있다. 공간 상관도는 d2의 값을 키울수록 낮아지는 특성이 있다. 요컨대 송신 안테나 군내의 안테나 배열은 빔 성형을 목적으로 한 것이고, 송신 안테나 군의 배열은 공간 다이버시티나 공간 다중화를 목적으로 한 것이다.

종래 기술에서 살핀 바와 같이 MIMO 기술은 동시에 복수개의 신호열을 전송하여 전송률을 높이기 위해 개발 되었다. 그런데 송신기와 수신기가 모두 다중 안테나를 구비하였다고 해서 복수개의 신호열을 성공적으로 전송할 수 있는 것은 아니다. MIMO 채널의 특성에 따라 전송하는 신호열의 개수가 결정되어야 하기 때문이다. 전송하는 신호열의 개수는 MIMO 채널의 공간 상관도와 평균 SINR에 의해 결정된다. MIMO 채널의 공간 상관도가 낮을수록 그리고 평균 SINR이 높을수록 성공적으로 전송 가능한 신호열의 개수를 높일 수 있다.

상기 도 3과 같은 안테나 배열은 MIMO 기법을 적용하기 용이하게 만들기 위한 것이다. 빔 성형은 특정 사용자의 채널에 적합하게 다중 안테나에 가중치를 적용하여 에너지를 집중시키는 것으로 빔 성형을 사용하면 평균 SINR을 높이는 효과를 얻을 수 있다. 개별 송신 안테나 군을 등가적인 하나의 안테나로 본다면 송신 안테나 군 내의 안테나가 빔 성형을 통해 SINR을 개선하도록 동작시킬 수 있다. 그 렇지만 모든 안테나가 좁은 간격을 가지고 배열되어 있다면 공간 상관도가 높아지기 때문에 MIMO 기법을 통해 전송률을 증대시킬 수 없다. 개별 송신 안테나 군을 등가적인 하나의 안테나로 본다면 송신 안테나 군 간의 간격을 넓히면 공관 상관도가 낮은 MIMO 채널을 구현 할 수 있다.

본 발명에서는 송신 안테나 군 내의 선형 배열 안테나에는 높은 공간 상관도를 활용하는 군 내의 사전부호화 기법을 적용하고 송신 안테나 군 간에는 낮은 공간 상관도를 활용하는 군간 사전부호화 기법을 적용하는 이중 사전부호화 기법을 제안한다. 군내 사전 부호화 행렬을 E1이라고 표기하고 군간 사전부호화 행렬을 E2라고 표기하면 등가 사전 부호화 행렬 E는 하기 <수학식 5>와 같이 표현된다.

여기서

는 크로네커 곱(Kronecker product)이라고 불리는 연산으로 m×n 행렬 A와 p×q 행렬 B를 크로네커 곱한 C = A

B는 (mp)×(nq) 행렬이 되며,

이고,

이라면, 그 원소

의 관계를 갖는다. 예를 들어 2×2 행렬 A와 3×2 행렬 B를 크로네커 곱하면 하기의 <수학식 6>과 같은 6×4 행렬을 얻는다.

예를 들어 군내 사전 부호화 행렬 E1과 군간 사전부호화 행렬 E2가 하기 <수학식 7>과 같은 집합에서 정의된다면 등가 사전부호화 행렬 E의 집합은 하기 <수학식 8>과 같다.

다른 실시 예로 군내 사전 부호화 행렬 E1과 군간 사전부호화 행렬 E2가 하기 <수학식 9>와 같은 집합에서 정의된다면 등가 사전부호화 행렬 E의 집합은 하기 <수학식 10>과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 사전부호화기의 제 1 실시 예에 따른 내부 블록 구성도이다. 이하 도 4를 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 사전 부호화기의 내부 블록 구성 및 그 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

도 4는 앞에서 기술한 군 내의 사전부호화기와 군간 사전부호화기의 크로네커 곱으로 사전부호화기를 구성하는 것을 도면으로 도시한 것이다. 4개의 송신 안테나를 사용하는 경우 최대 4개의 변조 심볼열을 전송할 수 있다. 변조 심볼열 1과 3이 쌍이 되고 변조 심볼열 2와 변조 심볼열 4가 쌍이 되어 각각 군간 사전부호화기들(301a, 301b)로 입력된다. 여기서 군간 사전부호화기들(301a, 301b)은 동일한 기능을 수행한다. 제1군간 사전부호화기(301a)의 제 1 출력은 제1군내 사전부호화기(303a)의 제 1 입력이 되고, 제1군간 사전부호화기(301a)의 제 2 출력은 제2군내 사전부호화기(303b)의 제 1 입력이 된다. 한편 제2군간 사전부호화기(301b)의 제 1 출력은 제2군내 사전부호화기(303a)의 제 2 입력이 되고, 제2군간 사전부호화기(303b)의 제 2 출력은 제2군내 사전부호화기(303b)의 제 2 입력이 된다. 여기서 제1군내 사전부호화기(303a)와 제2군내 사전부호화기(303b)는 동일한 기능을 수행한다. 이상에서 설명한 도 4의 동작을 행렬식으로 나타내면 하기 <수학식 11>과 같다.

여기서 P는 permutation 행렬로 다음과 같다.

상기 permutation 행렬의 P는 변조 심볼열 2와 3을 각각 군간 사전부호화기들(301b, 301a)에 입력하는 동작과 제 1 군간 사전부호화기(301a)의 제 2 출력과 제 2 군간 사전부호화기(301b)의 제 1 출력을 각각 제 2 군내 사전부호화기(303b)의 제 1 입력과 제 1 군내 사전부호화기(303a)의 제 2 입력으로 대응시키는 동작을 나타낸다. 상기 군간 사전부호화기들(301a, 301b)을 위치상 외부 사전부호화기라 할 수 있으며, 상기 군내 사전부호화기들(303a, 303b)을 위치상 내부 사전부호화기라 할 수 있다.

상기 도 4와 같은 구조로 사전부호화기를 구성하기 않더라도 상기 <수학식 8>이나 상기 <수학식 10>과 같이 크로네커 곱으로 구한 등가 부호화행렬을 이용하여 사전부호화하더라도 동일한 동작을 수행하게 된다.

도 5는 본 발명에 사전부호화기 제 2 실시 예의 내부 블록 구성도이다. 이하 도 5를 참조하여 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 사전부호화기의 내부 블록 구성 및 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

앞서 설명한 도 4에서는 군내 사전부호화기들(303a, 303b)을 동일하게 설정한 것인 반면 도 5의 구조는 군별로 군내 사전부호화기를 다르게 설정한 경우이다. 사전부호화 심볼열 1과 2를 적용할 안테나 군 A에 적용하는 내부 사전부호화기 A(303)는 사전부호화 행렬

를 사용하고, 사전부호화 심볼열 3과 4를 적용할 안테나 군 B에 적용하는 내부 사전부호화기 B (305)는 사전부호화 행렬

을 사용한다고 할 경우 상기 도 5의 동작을 행렬식으로 나타내면 하기 <수학식 12>와 같다.

상기 도 5의 구조는 안테나 군별로 공간 특성이 다르게 나타나서 서로 다른 빔 성형을 사용하는 것이 유리할 경우를 감안하여 설계된 것이다. 군내 사전부호화기들(303, 305)이 서로 다른 빔을 성형할 수 있다는 특성을 갖는다.

도 6은 본 발명에 따른 사전부호화기 제 3 실시 예에 따른 내부 블록 구성도이다. 이하 도 6을 참조하여 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 사전 부호화기의 내부 블록 구성 및 그 동작에 대하여 살펴보기로 한다.

도 6은 송신 안테나 군내의 공간 상관도가 매우 높아서 송신 안테나 군내의 다중 안테나로는 하나의 신호열 밖에 전송할 수 없을 경우에 적합한 사전부호화기의 구조이다. MIMO 송신기는 일반적으로 MIMO 채널의 특성에 따라 전송하는 신호열의 수를 조절하는 기능인 랭크 적응(rank adaptation)이 필요하다. 앞에서 상술한 도 4의 구조에서 랭크 적응을 통해 2개 이하의 신호열을 전송하기로 하였다면 도 6과 같은 동작으로 변형되는 것이 바람직하다. 변조 심볼열 1과 변조 심볼열 2는 군간 사전 부호화기(401)를 거쳐 사전 부호화된 2개의 신호열로 변환되고 각각 군내 사전부호화기들(403a, 403b)로 입력된다. 상기 군내 사전부호화기들(403a, 403b)_은 하나의 심볼열을 다중 송신 안테나로 전송되도록 빔 성형한다. 군내 사전부호화기를 e1이라는 벡터로 표기한다면 상기 도 6의 동작은 하기 <수학식 13>과 같은 행렬식으로 표현할 수 있다.

상기 도 6의 구조는 전술한 도 4의 구조의 특수한 예이기 때문에 상기 도 4의 동작으로도 설명할 수 있다. 상기 도 4의 변조 심볼열 1과 변조 심볼열 3이 전송 되고 변조 심볼열 2와 변조 심볼열 4는 전송되지 않는다면 상기 도 4의 변조 심볼열 1과 변조 심볼열 3은 각각 도 6의 변조 심볼열 1과 변조 심볼열 2에 대응되는 것으로 동일한 동작을 수행할 수 있다. MIMO 송신기가 랭크 적응을 하는 경우에는 이와 같은 동작이 별도의 추가 조건 또는 동작 없이도 수행가능하다.

상기 도 6과 같은 구조의 사전부호화기를 사전부호화 행렬로 표현하는 예를 들어 보자. 군내 사전 부호화 벡터 e1과 군간 사전부호화 행렬 E2가 하기 <수학식 14>와 같은 집합에서 정의된다면 등가 사전부호화 행렬 E의 집합은 하기 <수학식 15>와 같다.

이상에서 상술한 본 발명의 군내 사전부호화기는 빔 성형 이득을 얻기 위해 사용되는 것이고, 군간 사전부호화기는 공간 다중화 이득을 얻기 위해 사용되는 것이다. MIMO 구조에서 전송 신호열의 수를 증대하기 위해서는 평균 SINR이 높아야 하는데 군내 사전부호화기는 빔 성형 이득을 통해 평균 SINR을 개선하는 효과를 기대할 수 있다. 한편 MIMO 구조에서 전송 신호열의 수를 증대하기 위한 또 다른 조건은 공간 상관도가 낮아야 한다는 것인데 송신 안테나 군간의 간격을 키움으로써 송신 안테나 군간의 등가적인 공간 상관도를 낮출 수 있다. 한편 MIMO를 사용하여 전송률을 높이는 다른 방법으로 공간 상관도가 낮은 채널에 적용하는 사전부호화기를 복수 개 설정하여 사전부호화 경우의 수를 증대시키는 방법이 있다. 송신 안테나 군간의 사전 부호화기를 통해 이와 같이 사전부호화 경우의 수를 증대시켜 전송률을 높이는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (2)

1. 송신 안테나 군이 짧은 간격의 선형 배열안테나로 구성되고, 복수 개의 송신 안테나 군이 긴 간격으로 선형 배열되어 있는 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신 신호의 사전 부호화 장치에 있어서,

   서로 다른 변조 심볼열들을 특정 군별로 수신하여 미리 결정된 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 군간 사전부호화기들과,

   상기 각각의 군간 사전 부호화기들로부터 출력된 신호들을 적어도 하나씩 수신하여 미리 결정된 군내 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 군내 사전부호화기들을 포함함을 특징으로 하는 사전 부호화 장치.
2. 송신 안테나 군이 짧은 간격의 선형 배열안테나로 구성되고, 복수 개의 송신 안테나 군이 긴 간격으로 선형 배열되어 있는 MIMO 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신 신호의 사전 부호화 방법에 있어서,

   서로 다른 변조 심볼열들을 특정 군별로 수신하여 미리 결정된 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 과정과,

   상기 군간 사전 부호화된 신호들을 각 군에서 적어도 하나씩 수신하여 미리 결정된 군내 사전 부호화 방식으로 사전 부호화하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 사전 부호화 방법.

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