KR20090056729A

KR20090056729A - ＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）ＯＦＤＭ 시스템에서 채널 추정을 위한임펄스 심볼을 포함하는 데이터 송신 및 수신 방법,ＭＩＭＯ 방식의 ＩＰ(ＩｍｐｕｌｓｅＰｏｓｔｆｉｘ）ＯＦＤＭ 시스템

Info

Publication number: KR20090056729A
Application number: KR1020070124009A
Authority: KR
Inventors: 김영억; 이영탁; 강준혁; 장남석; 이남정
Original assignee: 주식회사 케이티; 한국정보통신대학교 산학협력단
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-03

Abstract

본 발명은 MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 직교적인 파형의 임펄스 심볼을 이용한 채널 추정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 STBC(Space-Time Block Code) 또는 SFBC(Space-Frequency Block Code) 방식을 사용하는 MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위하여, 시간축상의 데이터 심볼(data symbol)들 사이의 보호구간(guard interval)에 임펄스 심볼(impulse symbol)을 삽입하는 방법(Impulse Postfix, IP)을 적용하며, 또한 다중 안테나에서 서로 직교적인 파형을 가지는 임펄스 심볼을 삽입하여, 이에 의해 채널을 추정하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, MIMO OFDM 시스템의 데이터 송수신에 있어서, 각각의 채널에 직교적인 임펄스(orthogonal impulse)를 사용함으로써 채널 추정의 성능을 높임과 동시에 높은 데이터 전송 효율을 가질 수 있다.

MIMO, STBC, SFBC, impulse postfix, 채널 추정

Description

ＭＩＭＯ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＩｎｐｕｔＭｕｌｔｉｐｌｅＯｕｔｐｕｔ）ＯＦＤＭ 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하는 데이터 송신 및 수신 방법, ＭＩＭＯ 방식의 ＩＰ(ＩｍｐｕｌｓｅＰｏｓｔｆｉｘ）ＯＦＤＭ 시스템{MIMO(Multiple Input Multiple Output) OFDM SYSTEM, DATA TRANSMITTING METHOD AND DATA RECEIVING METHOD IN MIMO OFDM SYSTEM}

본 발명은 MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 직교적인 파형의 임펄스 심볼을 이용한 채널 추정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 STBC(Space-Time Block Code) 또는 SFBC(Space-Frequency Block Code) 방식을 사용하는 MIMO OFDM 시스템의 채널 추정을 위하여, 시간축상의 데이터 심볼(data symbol)들 사이의 보호구간(guard interval)에 임펄스 심볼(impulse symbol)을 삽입하는 방법(Impulse Postfix, IP)을 적용하며, 또한 다중 안테나에서 서로 직교적인 파형을 가지는 임펄스 심볼을 삽입하여, 이에 의해 채널을 추정하는 방법에 관한 것이다.

무선 채널로 신호를 전송하는 경우 송신기와 수신기 사이에는 다양한 장애물 들에 의해 전파가 반사되는 다중경로 채널 환경이 형성된다. 다중경로가 존재하는 무선채널은 마지막 반사신호가 수신되는 시간인 '최대 지연 확산'이 존재하는데, 광대역을 사용하는 고속 전송의 경우에는 신호의 전송 주기가 최대 지연 확산보다 짧아 연속된 수신 신호 사이에 간섭이 발생하여, 수신된 신호는 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)을 받게 된다.

OFDM 방식은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 사용하고자 하는 주파수 대역을 여러개의 작은 주파수 대역(부채널)으로 분할하여 데이터를 전송하는 주파수 분할 다중화(Frequency Division Multiplexing, FDM) 방식의 일종이다. 즉, 전송하고자 하는 일련의 데이터 시퀀스를 부채널의 수만큼 병렬화하고 각각의 병렬 데이터를 각 부채널에 해당하는 부반송파(subcarrier)로 변조시킴으로써, 전체 데이터 전송 속도는 원래의 전송 속도를 유지하면서 각 부채널에서의 심볼 주기는 부채널의 수만큼 길어지게 하여, 신호의 전송 주기가 최대 지연 확산보다 긴 경우와 같은 효과를 얻게되는 것이다. 이와 함께 OFDM 방식은, 각 부채널의 부반송파(subcarrier)의 주파수를 부채널 사이에 간섭이 발생하지 않게 하는 위치에 배치함으로써 직교성(orthogonality)을 유지하면서도, 각 부반송파가 서로 중첩 가능하게 배치되어 보호대역(guard band)을 둘 필요없이 전체 대역을 효과적으로 사용할 수 있게 하는 방식이다.

한편, 이러한 무선 통신 시스템에서 다중경로 감쇠로 인하여 심볼의 크기와 위상의 왜곡이 일어나는데, 이를 추정하여 보상하기 위하여 채널 추정 기법이 사용된다. 기존의 채널을 추정하는 기법은 파일럿(pilot)을 활용하는 것인데 파일럿을 배치하는 방식은 두 가지로 나누어진다. 하나는 주기적으로 하나의 OFDM 심볼의 모든 부반송파에 파일럿을 할당하는 방법이고, 다른 하나는 매 OFDM 심볼의 특정 부반송파에 파일럿을 할당하는 것이다. 전자는 시간 선택성에 취약하며, 후자는 주파수 선택성에 약점을 지니는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위한 방법으로서의 임펄스 포스트픽스를 이용한 채널 추정 기법은 기존의 기법과 달리 시간 선택성과 주파수 선택성에 모두 강한 장점이 있다.

OFDM 시스템은 주파수 선택성에 강하며 주파수 효율이 높은 장점을 지니고, MIMO 시스템은 다중 안테나를 사용함으로써 주파수 효율을 높이거나 다이버시티 이득(diversity gain)을 얻는다. 그 중 STBC-OFDM(Space-Time Block Code OFDM)과 SFBC-OFDM(Space-Frequency Block Code OFDM) 시스템은 주파수 효율을 높이며 전송의 신뢰성을 보장한다.

그러나 이러한 시공간 부호화된(space-time coded) OFDM 시스템에서 파일럿을 이용할 경우 채널 추정의 성능이 매우 열화된다. 파일럿을 한 OFDM 심볼의 모든 부반송파에 할당하는 경우 모든 가능한 전송 채널마다 훈련(training) 심볼을 할당하여야 한다. 따라서 데이터 전송률을 떨어뜨리지 않으려면 가까운 훈련 심볼들 사이에 더 많은 데이터 OFDM 심볼을 전송하여야 한다. 그 결과 시간 선택성이 큰, 즉 이동성이 높은 환경에서 매우 취약하다. 또한 매 OFDM 심볼마다 특정 부반송파에 파일럿이 할당되는 경우 모든 가능한 전송 채널마다 파일럿들이 주어져야 하므로 할당된 파일럿들을 나누어서 사용하여야 한다. 그 결과 채널 추정에 사용되는 파일럿의 개수가 SISO(Single-Input Single-Output) 시스템보다 감소하여 주파수 선택 성이 높은 채널에서 성능이 열화되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은, 임펄스 포스트픽스(impulse postfix) 기법을 STBC-OFDM과 SFBC-OFDM에 적용할 때 각각의 채널에 직교적인 파형을 가지는 임펄스 심볼을 사용(orthogonal impulse postfix)함으로써 채널 추정의 성능을 높임과 동시에 높은 데이터 전송 효율을 가지는 채널 추정 기법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른, MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하여 데이터를 송신하는 방법으로서, (a) 직렬의 데이터 심볼을 병렬로 변환시키는 단계; (b) 상기 병렬로 변환된 데이터 심볼을 다수 채널에 대하여 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩한 데이터를 생성하고 이를 각 부반송파에 매핑시킨 데이터를 생성하는 단계; (c) 상기 단계(b)에서 생성된 데이터를 역퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT) 연산에 의해 시간영역의 데이터로 변환하는 단계; (d) 상기 시간영역의 데이터를 직렬로 변환한 후 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하여 송신하는 단계;를 포함한다.

상기 단계(d)에서 각 채널에 삽입되는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함한 데이터를 수신하여 복원하는 방법으로서, (a) 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함한, 다수 채널에 대하여 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩된 데이터를 수신하는 단계; (b) 수신된 시간영역의 신호로부터 각 채널의 채널 임펄스 응답(채널값)을 추정하는 단계; (c) 수신된 시간영역의 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 단계; (d) 중첩 및 부가(overlap and add) 연산을 수행하고 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하는 단계; (e) 상기 단계(d)에서 FFT에 의해 변환된 신호와 상기 단계(b)에서 추정된 각 채널의 채널값으로부터, STBC 또는 SFBC 인코딩된 데이터에 대한 디코딩을 수행하는 단계; (f) 상기 디코딩된 신호를 직렬로 변환하여 데이터를 복원하는 단계;를 포함한다.

상기 단계(a)에서 각 채널의 데이터에 포함되어 있는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성되고, 상기 단계(b)에서 각 채널의 채널값 추정에는 orthonormal 파형이 이용되는 것이 바람직하다.

상기 단계(b)에서의 각 채널의 채널값 추정시, 두 채널로 구성된 시스템에서의 각 채널값(채널의 임펄스 응답)은, 수식

에 의해 정해지고,상기

는 수식

로 표현되고, 상기 u ₁,u ₂는 각 채널의 임펄스 심볼, 상기 p ₁ 및 p ₂는 orthonormal 파형을 의미하고, 상기

및

는 상기 p ₁ 및 p ₂에 대한 Hermitian 행렬이며, m은 OFDM 심볼 번호, l은 다중경로 인덱스를 나타내는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식의 IP(Impulse Postfix) OFDM 시스템은, 데이터 심볼을 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩하고, 인코딩된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하여 송신하는 송신장치를 포함한다.

상기 송신장치는, 직렬로 입력되는 데이터 심볼을 병렬로 변환하는 Serial to Parallel 변환부; 상기 Serial to Parallel 변환부로부터 입력되는 병렬의 데이터 심볼을 STBC 또는 SFBC 중 어느 한가지 방식으로 인코딩하여 신호를 구성하는 STBC/SFBC 인코더; 상기 STBC/SFBC 인코더에서 인코딩된 데이터에 대하여 역퓨리에 변환(inverse Fast Fourier Transform)하여 시간축 상의 신호로 변환하는 IFFT 변환부; 상기 IFFT 변환부에서 변환된 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 Parallel to Serial 변환부; 시간영역으로 변환된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하는 IP 삽입부;를 포함할 수 있다.

상기 IP 삽입부에서 각 채널에 삽입되는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성된 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식의 IP(Impulse Postfix) OFDM 시스템은, STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼이 삽입되어 송신된 데이터를 수신하여, 상기 임펄스 심볼에 의한 임펄스 응답을 구하여 수신된 신호를 원래의 신호로 복원하는 수신장치를 포함한다.

상기 수신장치는, 수신된 데이터로부터 각 채널에 대한 특성값(채널값)을 추정하는 채널 추정부; 수신된 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 Serial to Parallel 변환부; 상기 Serial to Parallel 변환부에서 변환된 데이터에 대하여 중첩 및 부가(overlap and add) 연산을 수행하는 Overlap and Add 연산부; Overlap and Add 연산된 데이터에 대하여 퓨리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 FFT 변환부; 상기 채널 추정부에서 추정된 채널값 및 상기 FFT 변환부에서 변환된 데이터로부터 디코딩을 수행하는 STBC/SFBC 디코더; 디코딩되어 추정된 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 Parallel to Serial 변환부;를 포함할 수 있다.

상기 채널 추정부의 각 채널에 대한 채널값 추정에는 orthonormal 파형이 이 용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, MIMO OFDM 시스템의 데이터 송수신에 있어서, 각각의 채널에 직교적인 파형의 임펄스 심볼을 사용함으로써 채널 추정의 성능을 높임과 동시에 높은 데이터 전송 효율을 가지는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 CP(Cyclic Prefix)-OFDM 및 ZP(Zero-added Postfix)-OFDM 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

OFDM 심볼의 전송은 블럭 단위로 처리가 이뤄지나 OFDM 심볼이 다중경로 채널을 통해 전송되는 동안 이전에 전송된 심볼에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 OFDM 심볼간 간섭을 방지하기 위해 연속된 OFDM 블럭 사이에 보호 구간(Guard Interval)을 삽입한다. 이 때 보호 구간의 길이는 무선 채널의 최대 지연 확산보다 길어야 한다. 수신단에서는 보호구간을 제거한 후 나머지 수신 신호를 취하여 데이터 복조를 수행한다. 만약 채널을 통과한 후 수신된 신호의 모든 부반송파가 지연 없이 수신되었다면 FFT(Fast Fourier Transform) 구간에서 직교성이 유지된다. 하지만 N개의 부반송파 중 어떤 부반송파가 시간 지연을 갖고 수신되었다면 그 부반송파는 FFT 구간 내에서 기본 주파수의 정수배 주기가 되지 않아 직교성이 파괴된다. 따라서 다른 부반송파에 왜곡을 주는 채널간 간섭이 발생하게 되는 것이다.

CP(Cyclic Prefix) OFDM(100)에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 송신단(110)의 시간축 상의 보호 구간 위치에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입한다(113). OFDM 심볼 블럭의 마지막 특정 개수의 데이터를 그 OFDM 심볼 블럭 앞의 보호 구간에 삽입해 넣는 것이다. 이와 같이 CP를 삽입하게 되면 임의의 부반송파에 지연이 발생할 경우에도 FFT 구간 내에서 부반송파가 정수배 주기가 유지되어 직교성이 보장된다. 복조된 신호에는 단지 지연에 의한 위상의 회전만이 발생하게 되므로 채널간 간섭이 발생하지 않는다. 수신단(120)에서는 이와 같이 수신된 신호 중 CP를 제거한 후(122) 신호를 복원한다. 본 도면(100) 상에 도시된 이외의 블럭들에 대한 설명은 IP(Impulse Postfix)-OFDM의 경우와 동일하므로 이에 대하여는 도 3을 참조하여 후술한다.

한편 ZP(Zero-added Postfix) OFDM 시스템(200)에서는 송신단(210)에서 CP를 삽입하지 않고 OFDM 심볼 블럭 뒤의 보호 구간에 특정 개수의 널(null) 데이터, 즉 '0'을 삽입하는데(Zero Padding)(213), 이 경우에는 수신단(220)에서 이 보호 구간이 제거되는 것이 아니라 'Overlap and Add' 연산을 수행한다(222). Overlap and Add 연산이란 고속 블록 컨벌루션을 수행하는 방식이다. 즉, FIR(Finite Impulse Response) 시스템에 무한히 긴 신호가 들어오면 그 신호를 블록으로 나누어 컨벌루션을 적용하는 방식인데, 원래의 신호를 작은 단위(보통의 경우 임펄스 응답과 같은 길이)로 겹쳐지지 않게 나눈 후 각 부에 대한 응답을 모두 더하는 방식이다. 본 도면(200) 상에 도시된 이외의 블럭들에 대한 설명은 IP(Impulse Postfix)-OFDM의 경우와 동일하므로 이에 대하여는 도 3을 참조하여 후술한다.

도 2는 OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 파일럿 배치의 실시예를 나타내는 도면이다.

도시된 그림은 OFDM 심볼을 의미하며, OFDM 시스템의 특성에 따라 횡축은 시간축이며, 종축은 부반송파의 주파수를 나타낸다. 위에 도시된 도면은 주기적으로 하나의 OFDM 심볼의 모든 부반송파에 파일럿을 할당하는 방법이며, 아래에 도시된 도면은 매 OFDM 심볼의 특정 부반송파에 파일럿을 할당하는 방법을 나타낸다. 도면에서 검은색 원으로 표시된 부분이 파일럿이 할당된 부분을 나타낸다. 전술한 바와 같이 전자는 시간 선택성에 취약하며, 후자는 주파수 선택성에 약점을 지니는 문제점이 있다.

도 3은 IP(Impulse Postfix)-OFDM 시스템(300)의 구성을 나타내는 도면으로서 도 1의 ZP-OFDM 시스템(200)과 비교하여, 'Zero Padding'(213) 대신 채널 추정을 위한 임펄스(impulse)가 삽입(Impulse Postfix)(313)되는 차이가 있다.

도면을 참조하여 이를 다시 설명하기로 한다. 송신단(310)에서 주파수 대역의 신호 'X(k)'가 병렬(parallel) 데이터로 분할되고(311), IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)을 거쳐(312) 시간축 상의 신호 'x'로 바뀌면, 그 시간축 상의 데이터 블럭 사이의 보호 구간(Guard Interval)에 임펄스 신호(impulse)를 삽입(Impulse Postfix)한다(313). 이후, IP가 삽입된 신호 'x''가 다시 직렬(serial)로 변환되고, 변환된 신호인 'x(n)'이 안테나로부터 송신된다. 'h(n,l)'은 이 신호가 송신되는 채널의 특성을 나타내는 채널값으로서, 임펄스 응답을 의미한다. 'n'은 시간축 상 데이터의 샘플링 인덱스이며, 'l'은 다중경로 지연성분의 인덱스이다. 송신신호 'x(n)'이 'h(n,l)'에 의해 변환된 후 AWGN(Additive White Gaussian Noise)인 'Z(n)'과 더해진 신호 'y(n)'가 수신단(320)에 입력되어, 병렬화된 후(321), 수신단(320)에서 ZP-OFDM 시스템(200)의 경우와 같이 'Overlap and Add' 연산을 수행한다(322). 이후 DFT(Discrete Fourier Transform)을 거쳐(323) 주파수 대역 신호가 직렬신호로 변환되고(324) 이후 원래의 송신신호 'X'를 복원하게 된다.

이와 같은 과정을 수식을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

송신단(310)에서 IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) 연산 후의 OFDM 신호는 수식 1과 같다.

수식 1

위 식에서 (·) ^T 연산은 전치행렬 연산을 의미한다. 보호 구간(guard interval)의 길이가 L일 때, 수식 1에 impulse postfix가 붙게 되면 그 결과는 수식 2와 같다.

수식 2

위 식에서 O _L 은 1×L 널 벡터(null vector)이며, c는 채널 추정을 위한 임펄스 샘플이다.

시간 주파수 선택적(time-frequency-selective) 채널을 거친 후 수신단(320)에서 받은 신호는 수식 3처럼 표현된다.

수식 3

여기에서 h(n,l)은 샘플링 인덱스가 n이고 다중경로 지연 인덱스가 l인 채널 값을 의미하며, z(n)은 AWGN (Additive White Gaussian Noise)이다.

도 4는 IP(Impulse Postfix)-OFDM 시스템의 송신 신호와 수신 신호를 나타내는 도면이다.

수신단(320)에서 받은 신호(420)는 또한 벡터 형태로 수식 4와 같다.

수식 4

송신신호(410)에서 앞의 점선으로 둘러싼 부분(411) 및 수신신호(420)에서 앞의 점선으로 둘러싼 부분(421)이 데이터를 추정하기 위해 사용되는 부분(Data detection part)이며, 송신신호(410)에서 뒤의 점선으로 둘러싼 부분(412) 및 수신신호(420)에서 뒤의 점선으로 둘러싼 부분(422)은 채널을 추정하기 위하여 사용되는 부분(Channel estimation part)이다. 송신단(310)에서 송신되는 임펄스 심볼(412.1) 및 이에 의해 수신단(320)에서 수신되는 다중 경로 지연성분(422.1)이 도시되어 있다. IP-OFDM 시스템(300)에서 데이터를 찾는 방법은 도 1을 참조하여 ZP-OFDM(Zero-added Postfix OFDM) 시스템(200)에서 전술한 바와 같은 overlap-and-add 연산을 이용한다. Overlap-and-add 연산 후의 신호는 수식 5와 같이 나타난다.

수식 5

위 식에서

이고

이다.

시간 영역의 채널 행렬은 수식 6과 같이 주어진다. 이때 h _n _,l 은 h(n,l)과 동일하다.

수식 6

주파수 영역에서 수신 신호를 등화하기 위해 수식 6을 주파수 영역의 채널 행렬로 변환한다. 이때 N-point DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬이 필요하며 p행 q열의 성분은 수식 7 과 같다.

수식 7

주파수 영역의 수신 신호는 수식 8처럼 얻어진다.

수식 8

위 식에서 (·) ^H 는 Hermitian 전치행렬을 의미하며, G는 주파수 영역의 채널 행렬이다. 수신 신호에 G의 역행렬을 왼쪽에 곱함으로써 전송된 신호를 검출한다.

수식 9

도 5는 채널을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.

시간축 상의 수신 신호(500)를 받으면 도 4에서 볼 수 있듯이 채널의 임펄스 응답을 직접적으로 얻는다. 시간축 상의 수신 신호(500)에서 m번째 OFDM 심볼에 부가되어 있는 'Channel Estimation Part'의 신호 그래프(510) 및 m+1번째 OFDM 심볼에 부가되어 있는 'Channel Estimation Part'의 신호 그래프(540)가 도시되어 있다. 그 중에서 특정 기준값(threshold) 이하의 신호(503,505)는 0으로 설정하 고(504,506), 나머지(501.1, 501.2, 502.1, 502.2)를 다중경로 지연 성분으로 이용하는데, 그 그래프가 도시 되어 있다(520,550)).

각각의 선택된 다중경로 지연 성분들에 대해서 두 개의 인접한 OFDM 심볼들(501.1과 501.2, 502.1과 502.2)에서 얻어진 채널 값에 보간법 (interpolation)을 적용하는데 보간법을 적용하기 위한 그래프가 도시되어 있다(530,560). 즉, m번째 OFDM 심볼의 'channel estimation part'의 첫번째 다중 경로 지연성분(501.1)과 m+1번째 OFDM 심볼의 'channel estimation part'의 첫번째 다중 경로 지연성분(501.2)을 하나의 그래프로 옮겨(530) 보간법을 적용하여 채널값을 추정하며, 두번째 다중 경로 지연성분(502.1, 502.2)도 하나의 그래프로 옮겨(560) 보간법을 적용하여 채널값을 추정한다

그 결과로 F _s 의 샘플링 주파수로 샘플 값들을 얻는데 이 값들 중 일정 길이만큼을 잘라 내어(531,561) 각각의 값들을 'time-delay' 공간에 표시(532,562)한 도면(570)이 도시되어 있으며, 이로부터 시간 영역의 채널 행렬(수식 6)을 구성할 수 있다.

도 6은 송신 안테나가 2개인 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.

STBC-OFDM 시스템이나 SFBC-OFDM 시스템 모두 각 기법에 해당하는 인코딩 과정을 거친 후, IFFT, 임펄스 심볼의 삽입(impulse postfix,IP)의 과정을 통해 신호를 전송한다. 수신부에서는 중첩 및 부가(overlap and add) 연산 후 FFT 과정을 거 쳐 추정된 채널을 바탕으로 전송된 신호를 복원한다. 이를 구현하기 위한 구성으로서, 도면을 참조하면, 송신단(100)은 직/병렬 변환부(Serial to Parallel 변환부)(101), STBC/SFBC 인코더(102), 역 퓨리에(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT) 변환부(103), 병/직렬 변환부(Parallel to Serial 변환부)(104), IP 삽입부(105) 및 안테나(106)를 포함하며, 수신단(200)은 직/병렬 변환부(Serial to Parallel 변환부)(201), 중첩 및 부가(Overlap and Add) 연산부(202), 퓨리에(Fast Fourier Transformer, FFT) 변환부(203), STBC/SFBC 디코더(204), 병/직렬 변환부(Parallel to Serial 변환부)(205), 채널 추정부(206) 및 안테나(207)를 포함한다.

송신단(100)의 Serial to Parallel 변환부(101)는 직렬로 입력되는 데이터 심볼을 병렬로 변환하여 STBC/SFBC 인코더(102)로 입력되도록 한다.

STBC/SFBC 인코더(102)는 Serial to Parallel 변환부(101)로부터 입력되는 병렬의 데이터 심볼을 알라무티 코드(Alamouti code)를 이용하여 STBC 또는 SFBC 중 어느 한가지 방식으로 인코딩하여 신호를 구성한다.

인코딩된 데이터는 IFFT(103)에서 시간축 상의 신호로 변환되고, Parallel to Serial 변환부(104)에서 직렬 데이터로 변환되어, IP 삽입부(105)에서 보호구간(guard interval)에 IP를 삽입한 후 안테나(106)를 통해 수신단(200)으로 송신된다.

수신된 데이터는 Serial to Parallel 변환부(201)에서 병렬 데이터로 변환되고, Overlap and Add 연산부(202)에서 overlap and add 연산을 거친다. FFT(203)에 서 퓨리에 변환을 통해 주파수 영역의 데이터로 변환된다. 이 데이터는 채널 추정부(206)에서 추정된 각 채널에 대한 특성값(채널값)과 함께 STBC/SFBC 디코더(204)에서 디코딩된 후, 디코딩되어 추정된 데이터가 Parallel to Serial 변환부(205)에서 직렬 데이터로 변환되어 원래의 데이터로 복조하게 된다. Overlap and add 연산이란 도 1을 참조하여 전술한 바와 같으며, 채널값이란 각 채널의 임펄스 응답일 수 있다.

전술한 과정을 수식을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

주파수 영역에서 수신된 m번째 OFDM 심볼은 수식 10과 같이 주어진다.

수식 10

위 식에서 k는 부반송파의 인덱스이다. 또한 r을 송신안테나 인덱스라 할 때, G _r (m)은 r번째 송신 안테나에서 수신 안테나까지의 주파수 영역 채널 행렬이고, C _r (m)은 r번째 송신 안테나에서 전송되는 시공간 부호화된 OFDM 톤(tone)이며, Z(m)은 AWGN이다.

만약 하나의 OFDM 심볼 안에서 채널의 임펄스 응답이 변하지 않는다면, 주파수 영역의 채널 행렬은 대각 성분만 0이 아닌 값을 갖는다. 따라서 수식 10은 수식 11과 같이 표현될 수 있다.

수식 11

위 식에서 Λ _r (m)은 G r(m)의 대각 행렬이다.

그러나 이동성이 있는 경우 매 샘플링 주기마다 채널의 임펄스 응답이 변하므로 G r(m)은 더 이상 대각 행렬(diagonal matrix)이 아니므로 수식 11은 수식 12와 같이 표현된다.

수식 12

이때 W(m)는 ICI와 AWGN으로 구성되며 그 정의는 수식 13과 같다.

수식 13

STBC-OFDM 시스템에서 공간적 부호화 (spatial coding)는 인접한 OFDM 심볼 사이에서 이루어진다. 도 7에 STBC-OFDM 시스템에서 송신 안테나가 2개인 경우 부호화된 심볼(701)이 도시되어 있다.

2m번째 및 (2m+1)번째 OFDM 심볼의 k번째 부반송파의 수신 신호는 수식 14와 같다.

수식 14

여기서 Λ_r(m;k)는 [Λr(m)] _kk 이다.

수식 14는 두 번째 식의 복소수 공액(complex conjugate)을 취함으로써 수식 15처럼 선형식으로 표현될 수 있다.

수식 15

위 식에서

,

, 그리고

이다.

수식 15의 양변의 왼쪽에 Λ ^H 를 곱하면, 추정된 신호는 수식 16과 같이 표현된다.

수식 16

위 식에서 만약 인접한 두 개의 OFDM 심볼간에 채널의 임펄스 응답이 동일하 다면 Λ ^H Λ는 대각 행렬이 되며 모든 대각 성분의 값이 동일하다. 그러나 채널의 임펄스 응답이 두 개의 OFDM 심볼간에 다르면 Λ ^H Λ는 수식 17과 같이 주어진다.

수식 17

이때

,

이다. 대각 성분이 아닌

와

의 영향으로 비트오율 커브에 error floor 현상이 발생한다.

SFBC-OFDM 시스템에서는 공간적 부호화가 인접한 부반송파간에 이루어진다. 도 7에 SFBC-OFDM 시스템에서 송신 안테나가 2개인 경우 주파수-공간 블록 부호(702)가 도시되어 있다. m번째 OFDM 심볼의 2k번째 및 (2k+1)번째 부반송파의 수신 신호는 수식 18과 같이 주어진다.

수식 18

수식 18은 두 번째 식의 복소수 공액을 취함으로써 수식 19처럼 선형식으로 표현될 수 있다.

수식 19

위 식에서

,

이다.

수식 19의 양변의 왼쪽에 Λ ^H 를 곱하여 얻어진 추정된 신호는 수식 20과 같이 표현된다.

수식 20

위 식에서 만약 인접한 두 개의 부반송파간에 채널의 값이 동일하다면 Λ ^H Λ는 대각 행렬이 되며 모든 대각 성분의 값이 동일하다. 그러나 채널 값이 동일하지 않으면 Λ ^H Λ는 수식 21과 같이 주어진다.

수식 21

이때

,

이다. 대각 성분이 아닌

와

의 영 향으로 비트오율 커브에 error floor 현상이 발생한다.

각각의 송신 안테나에서 IFFT 결과에 orthogonal impulse postfix를 추가한 후 전송되는 신호는 수식 22와 같다.

수식 22

여기서 D는 zero-padded postfix의 길이이고, u ₁ 및 u ₂ 는 impulse sample이며, 0 _D 는 D×1 널 벡터이다. 또한 c ₁ 및 c ₂는 각각의 송신 안테나에서 부호화된 C ₁ 및 C ₂의 IFFT 결과값이다. 이때 u ₁ 및 u ₂ 를 동시에 전송함으로써 데이터 전송 효율을 좋게 한다. 그 대신 수신단에서 둘을 구분하기 위하여 각각의 임펄스 샘플을 생성할 때 orthogonal waveform이 사용된다.

시간 영역에서 받은 OFDM 신호는 수식 23과 같이 얻어진다.

수식 23

이때 마지막 (D+1)의 값이 채널 정보를 추정하는 데 사용된다. 게다가 orthogonal waveform을 사용하였으므로 correlation 연산을 수행하기 전의 수신 샘플인

은 수식 24와 같이 표현된다.

수식 24

위 식에서 p₁ 및 p₂는 orthonormal waveform이고,

은 oversampling된 AWGN이며, h_r(m;l)은 r번째 송신 안테나에서 수신 안테나까지 m번째 OFDM 심볼이 겪는 l번째 다중경로 인덱스의 채널 값이다. 따라서 correlation 연산을 통해 얻는 채널의 임펄스 응답은 수식 25와 같다.

수식 25

위에서 얻어진 채널 임펄스 응답으로부터 각각의 채널에 대한 시간 영역의 채널 행렬을 얻어서 데이터를 추정하는 데 이용한다.

도 8은 IP OFDM을 MIMO 시스템으로 확장 시켰을 때의 OFDM 심볼의 구조를 나타내는 도면이다.

직교적인 파형을 이용하지 않은 임펄스 심볼을 적용한 경우의 도면(800)에서, 시간축 상의 보호구간(guard interval)(801)에 안테나 1 및 2에 각각 채널 추정을 위한 임펄스 심볼(802,803)이 삽입되어 송신되고, 이 경우 수신단에서의 각각에 대한 임펄스 응답(802.1, 803.1)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 각각의 임 펄스 응답(802.1, 803.1)을 수신단에서 정확하게 얻을 수 있으나, 이를 위해 보호구간(guard interval)(801)의 길이가 길어짐으로 하여, 데이터 전송률(data rate)가 떨어지는 문제점이 있다.

이를 개선하기 위해 직교적인 파형을 이용한 임펄스 심볼을 적용한 경우의 도면(850)을 참조하면, 시간축 상의 보호구간(guard interval)(851)에 안테나 1 및 2에 각각 채널 추정을 위한 임펄스 심볼(852,853)이 삽입되어 송신된다. 이 임펄스 심볼(852,853)은 서로 직교적인 파형을 가진다. 이 경우 수신단에서 두 임펄스 응답이 섞여서 수신되나(854) 직교적인 성질 때문에 각각에 대한 임펄스 응답(852.1, 853.1)을 추출해 낼 수 있게 된다. 이와 같이 하여 보호구간(guard interval)(851)의 길이를 줄일 수 있음으로 하여, 데이터 전송률(data rate)이 향상된다.

도 9는 'Training symbols' 및 'Pilot tones'의 OFDM 심볼 구조를 나타내는 도면으로서, 상기 'Training symbols' 및 'Pilot tones'을 이용한 경우와 본 발명에 따른 직교적인 파형의 임펄스를 적용한 경우의 성능 비교 그래프를 도 10 내지 도 13에 도시한다.

성능 비교시, 사용된 시뮬레이션 변수를 기술하면, 변조방식은 QPSK, FFT/IFFT size는 64, zero-padded postfix의 길이는 16, 시스템 대역(bandwidth)는 500kHz를 사용한다. 채널은 2-ray Rayleigh fading 모델이며, 두 개의 지연 성분의 전력은 평균적으로 동일하다. 채널은 정규화된 도플러 확산 (normalized Doppler spread)이 0.02이고, RMS 지연 확산(delay spread)은

이다. 공정한 성능 비교 를 위해서 동일한 데이터 전송률을 갖도록 각각의 시스템을 설계하였다. 모든 부반송파에 파일럿을 할당하는 'training symbols'의 경우 두 개의 training OFDM 심볼에 10개의 데이터 OFDM 심볼이 따른다. 한편 매 OFDM 심볼마다 특정 부반송파에 파일럿을 할당하는 'pilot tones'의 경우 하나의 OFDM 심볼에서 12개의 부반송파에 파일럿이 할당되며 6개의 파일럿이 각각의 채널을 추정하기 위하여 사용된다.

도 10 및 도 11은 STBC-OFDM 시스템에서의 BER 성능 및 채널 추정 MSE 성능 비교 결과를 나타내는 도면이다. Impulse postfix를 사용할 경우 OFDM 데이터 심볼의 평균 전력(power)의 몇 배인지를 나타내는 수치인 파워 부스팅 팩터(power boosting factor)는 4.6052가 사용되었다. 두 도면을 통하여 12dB 이상의 SNR에서 제안 기법이 가장 우수한 성능을 보이는 것을 알 수 있다.

도 12 및 도 13은 SFBC-OFDM 시스템에서의 BER 성능 및 채널 추정 MSE 성능 비교 결과를 나타내는 도면이다. SFBC-OFDM 시스템에서 BER 성능 및 채널 추정 MSE 성능 비교 결과를 보인다. 10dB 이상의 SNR에서 제안 기법이 가장 우수한 성능을 보인다.

도 1은 CP(Cyclic Prefix)-OFDM 및 ZP(Zero-added Postfix)-OFDM 시스템의 구성을 나타내는 도면.

도 2는 OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 파일럿 배치의 실시예를 나타내는 도면.

도 3은 IP(Impulse Postfix)-OFDM 시스템의 구성을 나타내는 도면.

도 4는 IP(Impulse Postfix)-OFDM 시스템의 송신 신호와 수신 신호를 나타내는 도면.

도 5는 채널을 추정하는 과정을 나타내는 도면.

도 6은 송신 안테나가 2개인 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템의 구성을 나타내는 도면.

도 7은 송신 안테나가 2개인 경우, STBC-OFDM 시스템에서의 시-공간 블록 부호 및 SFBC-OFDM 시스템에서의 주파수-공간 블록 부호를 나타내는 도면.

도 8은 IP OFDM을 MIMO 시스템으로 확장 시켰을 때의 OFDM 심볼의 구조를 나타내는 도면.

도 9는 'Training symbols' 및 'Pilot tones'의 OFDM 심볼 구조를 나타내는 도면.

도 10은 STBC-OFDM 시스템에서의 BER 성능 비교 결과를 나타내는 도면.

도 11은 STBC-OFDM 시스템에서의 채널 추정 MSE 성능 비교 결과를 나타내는 도면.

도 12는 SFBC-OFDM 시스템에서의 BER 성능 비교 결과를 나타내는 도면.

도 13은 SFBC-OFDM 시스템에서의 채널 추정 MSE 성능 비교 결과를 나타내는 도면.

Claims

MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하여 데이터를 송신하는 방법으로서,

(a) 직렬의 데이터 심볼을 병렬로 변환시키는 단계;

(b) 상기 병렬로 변환된 데이터 심볼을 다수 채널에 대하여 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩한 데이터를 생성하고 이를 각 부반송파에 매핑시킨 데이터를 생성하는 단계;

(c) 상기 단계(b)에서 생성된 데이터를 역퓨리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT) 연산에 의해 시간영역의 데이터로 변환하는 단계;

(d) 상기 시간영역의 데이터를 직렬로 변환한 후 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하여 송신하는 단계;

를 포함하는, MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하는 데이터 송신 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 단계(d)에서 각 채널에 삽입되는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성된 것

을 특징으로 하는, MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하는 데이터 송신 방법.
MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식을 사용하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식의 통신 시스템에서, 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함한 데이터를 수신하여 복원하는 방법으로서,

(a) 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함한, 다수 채널에 대하여 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩된 데이터를 수신하는 단계;

(b) 수신된 시간영역의 신호로부터 각 채널의 채널 임펄스 응답(채널값)을 추정하는 단계;

(c) 수신된 시간영역의 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 단계;

(d) 중첩 및 부가(overlap and add) 연산을 수행하고 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 수행하는 단계;

(e) 상기 단계(d)에서 FFT에 의해 변환된 신호와 상기 단계(b)에서 추정된 각 채널의 채널값으로부터, STBC 또는 SFBC 인코딩된 데이터에 대한 디코딩을 수행하는 단계;

(f) 상기 디코딩된 신호를 직렬로 변환하여 데이터를 복원하는 단계;

를 포함하는, MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하 는 데이터 수신 및 복원 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 단계(a)에서 각 채널의 데이터에 포함되어 있는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성되고,

상기 단계(b)에서 각 채널의 채널값 추정에는 orthonormal 파형이 이용되는 것

을 특징으로 하는, MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하는 데이터 수신 및 복원 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 단계(b)에서의 각 채널의 채널값 추정시, 두 채널로 구성된 시스템에서의 각 채널값(채널의 임펄스 응답)은,

수식

에 의해 정해지고,

상기
는 수식
로 표현되고,

상기 u ₁,u ₂는 각 채널의 임펄스 심볼, 상기 p ₁ 및 p ₂는 orthonormal 파형을 의미하고, 상기
및
는 상기 p ₁ 및 p ₂에 대한 Hermitian 행렬이며, m은 OFDM 심볼 번호, l은 다중경로 인덱스를 나타내는 것

을 특징으로 하는, MIMO OFDM 시스템에서 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 포함하는 데이터 수신 및 복원 방법.
데이터 심볼을 STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩하고, 인코딩된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하여 송신하는 송신장치를 포함하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식의 IP(Impulse Postfix) OFDM 시스템.
청구항 6에 있어서,

상기 송신장치는,

직렬로 입력되는 데이터 심볼을 병렬로 변환하는 Serial to Parallel 변환부;

상기 Serial to Parallel 변환부로부터 입력되는 병렬의 데이터 심볼을 STBC 또는 SFBC 중 어느 한가지 방식으로 인코딩하여 신호를 구성하는 STBC/SFBC 인코더;

상기 STBC/SFBC 인코더에서 인코딩된 데이터에 대하여 역퓨리에 변환(inverse Fast Fourier Transform)하여 시간축 상의 신호로 변환하는 IFFT 변환부;

상기 IFFT 변환부에서 변환된 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 Parallel to Serial 변환부;

시간영역으로 변환된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼을 삽입하는 IP 삽입부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템.
청구항 7에 있어서,

상기 IP 삽입부에서 각 채널에 삽입되는 임펄스 심볼은 서로 직교(orthogonal) 파형으로 구성된 것

을 특징으로 하는 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템.
STBC(Space-Time Block Coded) 방식 또는 SFBC(Space-Frequency Block Coded) 방식으로 인코딩된 데이터의 시간축 상의 보호구간(guard interval)에 채널 추정을 위한 임펄스 심볼이 삽입되어 송신된 데이터를 수신하여, 상기 임펄스 심볼에 의한 임펄스 응답을 구하여 수신된 신호를 원래의 신호로 복원하는 수신장치를 포함하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output, 다중 입출력) 방식의 IP(Impulse Postfix) OFDM 시스템.
청구항 9에 있어서,

상기 수신장치는,

수신된 데이터로부터 각 채널에 대한 특성값(채널값)을 추정하는 채널 추정부;

수신된 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 Serial to Parallel 변환부;

상기 Serial to Parallel 변환부에서 변환된 데이터에 대하여 중첩 및 부가(overlap and add) 연산을 수행하는 Overlap and Add 연산부;

Overlap and Add 연산된 데이터에 대하여 퓨리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 데이터로 변환하는 FFT 변환부;

상기 채널 추정부에서 추정된 채널값 및 상기 FFT 변환부에서 변환된 데이터로부터 디코딩을 수행하는 STBC/SFBC 디코더;

디코딩되어 추정된 데이터를 직렬 데이터로 변환하는 Parallel to Serial 변환부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템.
청구항 10에 있어서,

상기 채널 추정부의 각 채널에 대한 채널값 추정에는 orthonormal 파형이 이용되는 것

을 특징으로 하는 MIMO 방식의 IP OFDM 시스템.