KR20090071336A - 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선송수신 시스템 - Google Patents

복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선송수신 시스템 Download PDF

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Abstract

복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 송수신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템에 있어서, 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 상기 무선 송신 장치와, 상기 무선 송신 장치에 의해 송신된 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 스위칭하는 안테나 제어부와, 상기 안테나에 의해 수신되는 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 상기 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 수신 전력 측정부와, 상기 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 상기 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 채널 추정부를 구비하는 상기 무선 수신 장치와, 상기 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 차례로 상기 제어 패턴을 스위칭하고, 상기 채널 추정부에 의한 채널 추정이 수행될 때, 상기 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 상기 제어 패턴으로 스위칭하고, 상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에 상기 채널 추정 결과에 근거하여 상기 제어 패턴을 스위칭하는 상기 안테나 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
Figure P1020080077638
프리앰블 신호, 송수신 전력, 안테나 제어

Description

복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 송수신 시스템{RADIO SYSTEM THAT SEND AND RECEIVE DATA USING MULTIPLE ANTENNA}
본 발명은 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법에 관한 것으로, 특히, 복수의 송수신 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법에 관한 것이다.
종래부터, 무선 통신에 있어서 고속전송을 실현하기 위한 여러 가지 방법이 제안되고 있으며, 그 중에서도 높은 주파수 이용 효율을 실현 가능하게 하는 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 방식이 주목받고 있다. MIMO는 복수의 안테나를 이용하여, 복수의 데이터를 동일 주파수에 의해 동시에 송수신하는 공간 다중 전송 기술이다. 동시에 복수의 데이터를 송신할 수 있는 것으로부터, 이론상으로는 안테나의 수에 비례하여 통신 속도를 고속화시키는 것이 가능하다고 말해지고 있다. 또한, 동일 주파수에 의해 데이터를 전송할 수 있는 것으로부터, 다중화를 위해 넓은 주파수대역을 확보할 필요가 없어, 주파수의 이용 효율에도 뛰어나다.
이러한 MIMO 방식에 의한 전송에서는 기지국이나 단말국에서 사용되는 안테나 조건이나, 주위의 전파 환경에 의해 전송특성이 큰 영향을 받는 것이 알려져 있 다. 따라서, 높은 통신 품질을 확보하기 위해서, 전파 환경에 따라 수신시에 이용되는 안테나의 조합이나 안테나의 특성(지향성 등)을 제어하는 것이 수행되고 있고, 효과적인 제어를 수행하기 위한 방법이 연구되고 있다.
이러한 안테나의 제어 패턴(사용하는 안테나의 조합이나, 지향성 패턴 등의 조합)을 선택하기 위해서, 수신 장치측에서 수신되는 신호로부터 채널 용량이나 수신 전력 등을 구하고, 그 값들에 의해 최적의 제어 패턴을 선택하는 방법이 채용되고 있다. 예를 들면, 비특허문헌 1에는 채널 추정을 수행하여 채널 용량을 구해, 가장 높은 채널 용량이 얻어진 경우의 안테나를 선택하거나, 또는 같은 안테나 특성을 얻을 수 있도록 안테나 특성을 제어하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에서는 안테나의 제어 패턴을 선택하는 데에 채널 용량을 이용하기 때문에, 채널 용량을 가장 크게 할 수 있는 제어 패턴을 선택할 수 있어, 이상적인 안테나 제어를 수행할 수 있는 것을 기대할 수 있다.
또한, 채널 용량 대신에 모든 제어 패턴에서의 수신 전력을 측정하여, 가장 높은 수신 전력이 얻어진 제어 패턴을 선택하는 방법도 있다. 수신 전력은 최초로 수신되는 프레임의 파일럿 캐리어 등으로부터 측정할 수 있기 때문에, 채널 용량을 이용하는 방법보다도 간단하고, 또한, 처리시간도 단축할 수 있는 메리트가 있다.
또한, 특허문헌 1(특개 2005-45351호 공보)에는 채널 행렬의 고유값을 이용하여 안테나의 지향성을 제어하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는 수신한 신호로부터 전송로의 전송특성을 나타내는 채널 행렬 H를 구하여, 채널 행렬 H와 채 널 행렬의 공액 전치 행렬의 곱으로 표현되는 고유값 λi를 계산한다. 그리고 모든 고유값 λi가 고유값의 평균값 λave에 가까운 소정 범위내의 값이 되도록 채널 행렬 H'를 계산하고, 실제 채널 행렬이 H'에 근접하도록, 안테나의 지향성을 제어한다.
비특허문헌 1(A.F.Molisch, "MIMO Systems with Antenna Selection", IEEE microwave magazine, March 2004, pp.46-56)에 기재된 방법을 이용할 경우, 채널 추정을 수행하기 위해서는 채널 행렬 H를 구한 후, 행렬 계산을 수행할 필요가 있어, 계산 처리량이 증대한다고 하는 문제가 있다. 한편, 수신 전력을 이용하는 방법의 경우, 채널 용량을 이용하는 경우와 비교하면, 계산 처리량이라는 점에서는 큰 메리트가 있지만, 전파 환경에 따라서는 성능이 열화될 가능성이 있어, 안테나 제어를 최적으로 수행할 수 없는 경우가 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는 비특허문헌 1의 방법과 동일하게 행렬 계산을 필요로 한다. 또한, 채널 행렬로부터 고유값을 계산하고, 게다가, 고유값으로부터 채널 행렬 H'를 역산할 필요가 있기 때문에, 비특허문헌 1의 방법 이상으로 처리시간이 증대할 가능성이 있다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는 실제 채널 행렬이 H'에 근접하도록 안테나를 제어하기 위해, 도래방향 추정을 할 필요가 있다. 도래방향 추정을 수행하기 위해서는 적어도 4~8개 정도의 안테나를 필요로 하고, 하드웨어 구성이 복잡하게 될 가능성이 있기 때문에, 이동단말에의 적용이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 처리시간이 적고 간편한 방법으로 최적의 안테나 제어를 수행하는 것이 가능한, 신규하고도 개량된 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 소정 관점에 의하면, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송신하는 무선 송신 장치와, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 수신하는 무선 수신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템에 있어서, 무선 송신 장치는 송신하는 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하고, 무선 수신 장치는 무선 송신 장치에 의해 송신된 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 스위칭하는 안테나 제어부와, 안테나에 의해 수신되는 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 수신 전력 측정부와, 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 채널 추정부를 구비하는 무선 통신 시스템이 제공된다. 상기 안테나 제어부는 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 차례로 제어 패턴을 스위칭하고, 채널 추정부에 의한 채널 추정이 수행될 때, 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 제어 패턴으로 스위칭하고, 제2 프리앰블 신호의 수신 후에 채널 추정 결과에 근거하여 제어 패턴을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 제1 프리앰블 신호의 수신 기간 중에 수신 전력의 측정을 수행하고, 그 후의 제2 프리앰블 신호의 수신 기간 중에 채널 추정을 수행하고, 최종적으로 채널 추정 결과를 이용한 정밀도가 높은 안테나 제어를 수행하는 것이 가능해진다. 또한, 최초로 수신 전력을 측정함으로써, 채널 추정을 수행할 때의 안테나 제어 패턴의 선택을 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 수행할 수 있고, 채널 추정을 효율적으로 수행하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 종래의 채널 용량이나 고유값을 평가 파라미터로 한 경우와 동등한 성능 향상 효과를 얻을 수 있는 동시에, 데이터의 수신에 이용되는 안테나 제어 패턴의 결정 기간을 대폭적으로 단축하는 것이 가능해진다.
또한, 안테나 제어부는 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 모든 제어 패턴에 대해 스위칭하고, 수신 전력 측정부는 모든 제어 패턴에 대한 수신 전력을 측정하도록 해도 된다. 이에 의해, 제1 프리앰블 신호의 수신 기간 중에 모든 제어 패턴의 수신 전력을 측정할 수 있고, 수신 전력의 측정 결과를 이용하여 그 후의 채널 추정을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 안테나 제어부는 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 제어 패턴을 스위칭할 때, 수신 전력이 큰 순으로 제어 패턴을 스위칭하도록 해도 된다. 통상, 수신 전력이 큰 경우에 최소고유값이나 채널 용량도 커질 가능성이 높기 때문에, 수신 전력이 큰 순으로 제어 패턴을 스위칭함으로써, 제2 프리앰블 신호의 수가 비교적 적은 경우라도 성능열화를 작게 하는 것이 가능해진다.
또한, 안테나 제어부는 복수의 안테나의 각각의 지향성 패턴의 조합을 스위칭함으로써 제어 패턴을 스위칭하도록 해도 된다. 또는, 안테나 제어부는 복수의 안테나 중, 데이터를 송수신하기 위해서 이용되는 안테나의 조합을 스위칭함으로써 제어 패턴을 스위칭하도록 해도 된다. 이에 의해, 복수의 안테나 중 여러 개의 안테나를 선택하여 송신 데이터를 수신하는 경우나, 수신 안테나의 지향성을 제어하는 경우에, 전파 환경에 가장 적합한 안테나의 조합이나 지향성 패턴의 조합을 선택할 수 있어, 통신 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 안테나 제어부는 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 채널 추정부에 의한 채널 추정 결과로부터 구해지는 최소고유값 중 가장 큰 최소고유값에 대응하는 제어 패턴으로 스위칭하도록 해도 된다. 또는, 안테나 제어부는 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 채널 추정부에 의한 채널 추정 결과로부터 구해지는 채널 용량 중 가장 큰 채널 용량에 대응하는 제어 패턴으로 스위칭하도록 해도 된다. 이에 의해, 수신 전력 등을 이용하는 경우에 비해, 보다 채널 용량을 증가시키는 것이 가능한 제어 패턴을 선택할 수 있다.
또한, 안테나 제어부는 수신 전력이 소정의 문턱값 이하의 제어 패턴으로는 스위칭하지 않도록 해도 된다. 이에 의해, SNR이 극히 낮은 경우의 제어 패턴은 제외할 수 있기 때문에, 통신에 필요한 SNR은 확보할 수 있어, 트레이닝 신호를 복조하지 못해 통신이 단절될 우려가 없어진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에 있어서, 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 스위칭하는 안테나 제어부와, 안테나에 의해 수신되는 수신 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 부가된 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 수신 전력 측정부와, 수신 데이터의 최초 프레임의 제1 프리앰블 신호 후에 부가된 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 채널 추정부를 구비하는 무선 통신 장치가 제공된다. 상기 안테나 제어부는 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 차례로 제어 패턴을 스위칭하고, 채널 추정부에 의한 채널 추정이 수행될 때, 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 제어 패턴으로 스위칭하고, 제2 프리앰블 신호의 수신 후에 채널 추정 결과에 근거하여 제어 패턴을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 제1 프리앰블 신호의 수신 기간 중에 수신 전력의 측정을 수행하고, 그 후의 제2 프리앰블 신호의 수신 기간 중에 채널 추정을 수행하고, 최종적으로 채널 추정 결과를 이용한 정밀도가 높은 안테나 제어를 수행하는 것이 가능해진다. 또한, 최초로 수신 전력을 측정함으로써, 채널 추정을 수행할 때의 안테나 제어 패턴의 선택을 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 수행할 수 있고, 채널 추정을 효율적으로 수행하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 종래의 채널 용량이나 고유값을 평가 파라미터로 한 경우와 동등한 성능 향상 효과를 얻을 수 있는 동시에, 데이터의 수신에 이용되는 안테나 제어 패턴의 결정 기간을 대폭적으로 단축하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에 있어서, 송신하는 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치가 제공된다.
이러한 구성에 의해, 상기 무선 통신 장치에 의해 송신된 데이터를 수신하는 무선 통신 장치에 있어서, 제1 프리앰블 신호 및 제2 프리앰블 신호를 이용함으로써, 최적의 수신 안테나의 제어 패턴을 선택하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송신하는 무선 송신 장치와, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 수신하는 무선 수신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템에서의 무선 통신 방법에 있어서, 무선 송신 장치가 송신하는 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 송신 스텝과, 무선 수신 장치가 무선 송신 장치에 의해 송신된 데이터를 수신하는 수신 스텝을 포함하는 무선 통신 방법이 제공된다. 상기 수신 스텝은 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 제1 프리앰블 신호를 검출하는 스텝과, 수신 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 차례로 스위칭하는 동시에, 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 스텝과, 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 2 이상의 제2 프리앰블 신호를 검출하는 스텝과, 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 제어 패턴 으로 스위칭하는 스텝과, 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 스텝과, 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 채널 추정 결과에 근거하여 제어 패턴을 스위칭하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에서의 무선 통신 방법에 있어서, 수신 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 부가된 제1 프리앰블 신호를 검출하는 스텝과, 수신 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 차례로 스위칭하는 동시에, 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 스텝과, 수신 데이터의 최초 프레임의 제1 프리앰블 신호 후에 부가된 2 이상의 제2 프리앰블 신호를 검출하는 스텝과, 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 제어 패턴으로 스위칭하는 스텝과, 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 스텝과, 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 채널 추정 결과에 근거하여 제어 패턴을 스위칭하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 복수의 송수신 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 시스템, 무선 통신 장치 및 무선 통신 방법에 있어서, 처리시간이 적고 간편한 방법으로 최적의 안테나 제어를 수행하는 것이 가능해지는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
우선, 본 발명의 바람직한 실시 예에 관한 무선 통신 장치를 이용한 MIMO 방식의 무선 통신 시스템의 구성 예에 대해, 도 1을 참조하여 간단하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 장치를 이용한 MIMO 방식의 무선 통신 시스템의 구성 예를 나타낸 블록 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, MIMO 방식 무선 통신 시스템(10)은 송신측의 무선 통신 장치(무선 송신 장치, 100)와, 수신측의 무선 통신 장치(무선 수신 장치, 200)에 의해 구성된다.
본 실시 예에서는 무선 통신 시스템(10)이 WLAN(IEEE 802.11a)이나 WiMAX(IEEE 802.16e) 등과 같은, OFDM-TDD(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Time Division Duplex) 시스템인 것을 상정하여 설명한다. OFDM 변조 방식은 각 서브캐리어가 심볼 구간 내에서 서로 직교하도록 각 서브 캐리어의 주파수를 설정한 멀티캐리어 전송 방식이다.
우선, 무선 송신 장치(100)에 대해 설명한다. 무선 송신 장치(100)는 M개(M≥2)의 송신 안테나 110-1~110-m을 구비하고, M계통의 신호를 송신하는 장치이다. 무선 송신 장치(100)는 외부에서 입력되는 송신 데이터로부터 무선에 의해 송신하는 데에 적합한 소정의 프레임 포맷의 데이터 프레임을 생성하고, 생성된 각 프레 임의 선두에 프리앰블 신호라고 불리는 정보를 부가한다. 본 실시 예에 관한 무선 통신 시스템(10)에서는 이 프리앰블 신호가 수신측에서 안테나 패턴을 제어하기 위한 트레이닝 신호로서 이용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 송신 장치100)에 의해 생성되는 송신 신호의 프레임 포맷을 나타낸 블록구성도이다. 무선 송신 장치(100)는 송신 데이터로부터 생성되는 송신 프레임 중, 최초로 송신되는 제1 프레임의 선두에 프리앰블 신호를 부가한다. 프리앰블 신호가 부가된 부분을 프리앰블 신호 구간이라고 칭한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 프리앰블 신호 구간은 하나의 쇼트 프리앰블(Short Preamble: SP) 신호와, k개의 롱 프리앰블(Long Preamble: LP) 신호로 구성된다(ｋ는 2 이상의 정수). 쇼트 프리앰블 신호는 모든 송신 안테나 110-1~110-m 모두 같은 부호로 구성되고, 예를 들면, OFDM 신호 1 심볼 정도의 길이로 구성된다.
롱 프리앰블 신호는 각 송신 안테나(110)에 대해 서로 직교하는 부호로 변조된 신호이며, 시스템에 있어서 기지의 부호 패턴이다. 롱 프리앰블 신호는 예를 들면, M계열이나 Hadamard계열 등의 직행 부호로 구성되어도 되고, 따라서, 그 길이는 직교부호의 길이에 의해 결정된다(예를 들면, OFDM 신호수 심볼 정도). 롱 프리앰블 신호는 k회 반복하여 송신된다. k의 값은 무선 송신 장치 100 및 무선 수신 장치 200의 안테나 제어 패턴 수 등에 의해 적절하게 설정된다.
또한, 여기서 부가되는 프리앰블 신호(쇼트 프리앰블 신호 및 롱 프리앰블 신호)는 WLAN(IEEE 802.11a)이나 WiMAX(IEEE 802.16e)에서 규정되는 프리앰블 신호와는 다른 것이다. 따라서, 본 발명을 상기와 같은 기존의 무선 통신 방식에 적용할 경우에는 각 방식에 있어서 규정되어 있는 포맷에 포함되는 프리앰블 신호와는 별도로, 상술한 프리앰블 신호 구간이 구비된다. 예를 들면, 각 방식에서 규정된 프리앰블 신호 영역의 뒤나, 송신 데이터가 포함되는 영역 앞 등에, 본 발명에서 규정되는 프리앰블 신호 구간이 구비되도록 해도 된다.
무선 송신 장치(100)는 프리앰블 신호가 부가된 M계통의 신호를 변조하여, 소정의 무선주파수대의 신호로 주파수변환한 후, 소정의 레벨로 증폭하여 출력한다. 이렇게 하여 출력된 M계통의 출력 신호는 각각 송신 안테나 110-1~110-m에 의해 RF(Radio Frequency) 신호로서 송신된다.
또한, 여기서는 무선 송신 장치(100)는 상술한 무선 신호 송신 수단만을 구비하는 것으로서 설명했지만, 이하에서 설명하는 무선 수신 장치(200)에 구비되는 것과 동일한 무선 신호 수신 수단을 동시에 구비하는 것이어도 된다.
다음으로, 무선 수신 장치(200)에 대해 설명한다. 무선 수신 장치(200)는 N개(N≥2)의 수신 안테나를 이용하여, 무선 송신 장치(100)으로부터 송신된 M계통의 신호를 수신한다. 따라서, 무선 송신 장치(100)와 무선 수신 장치(200)의 사이에는 N×M개의 전송로가 존재한다. 여기서, 제i 송신 안테나로부터 송신되어 제j 수신 안테나에서 수신되는 경우의 전달함수를 hji로 하면, 이를 제(j, i)성분으로 하는 N행 M열의 행렬이 채널 행렬이다. 이하, 채널 행렬을 H로 표기한다.
도 3을 참조하여, 본 실시 예에 관한 무선 수신 장치(200)의 구성에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이다. 본 실시 예에 관한 무선 수신 장치(200)는 복수의 지향성 패턴을 스위칭 할 수 있는 복수의 수신 안테나를 포함하며, 전파 환경에 따라서 최적의 지향성 패턴의 조합을 스위칭하는 것을 특징으로 한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 무선 수신 장치(200)는 N개의 수신 안테나 210-1~210-n(이하, 통합해서 수신 안테나(210)라고 한다)과, 안테나 패턴 스위칭부 220과 N개의 무선부 230-1~230-n(이하, 통합해서 무선부(230)라고 한다)과 N개의 AD 변환부 240-1~240-n(이하, 통합해서 AD 변환부(240)라고 한다)과 신호 처리부(250)에 의해 구성된다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 무선 수신 장치(200)는 상술한 무선 송신 장치(100)에 구비되는 것과 동일한 무선 신호 송신 수단을 동시에 구비하는 것이어도 된다. 이하, 무선 수신 장치(200)의 각 부에 대해 설명한다.
수신 안테나(210)는 무선 송신 장치(100)에 의해 송신된 무선 신호를 수신하기 위한 것이다. 또한, 여기에서 수신 안테나(210)는 신호의 수신에만 이용되는 것으로서 설명하지만, 신호를 송신하기 위해서 이용되는 송신 안테나를 겸하는 것으로도 사용된다. 수신 안테나(210)의 각각은 지향성을 제어하는 것이 가능한 어레이 안테나이며, 복수의 지향성 패턴을 스위칭 할 수 있도록 구성된다. 본 실시 예에서는 각 수신 안테나(210)는 각각 L개의 지향성 패턴을 가지는 것으로 하고, 각 패턴을 P1~PL로 나타낸다. 따라서 N개의 안테나로부터 선택가능한 지향성 패턴의 조합은 LN개가 된다.
안테나 패턴 스위칭부(220)는 수신 안테나(210)의 각각의 지향성 패턴을 스위칭하기 위한 기능부이다. 안테나 패턴 스위칭부(220)는 신호 처리부(250)에 의해 제어되고, 수신 안테나(210)의 각각의 지향성 패턴을 스위칭한다. 안테나 패턴 스위칭부(220)는 예를 들면, RF 스위치 및 그 구동회로 등으로 구성되어도 된다.
수신 안테나(210)에 의해 수신된 신호는 안테나 패턴 스위칭부(220)를 경유하여, 무선부(230)에 입력된다. 무선부(230)는 수신 안테나(210)로부터 각각 출력되는 RF 신호를 수신 계통마다 소정 대역에서 필터링하고, 증폭 및 주파수변환 등을 수행하여 베이스밴드 신호로 변환한다. 변환된 베이스밴드 신호는 AD 변환부(240)에 의해 수신 계통마다 디지털 신호로 변환되어, 신호 처리부(250)에 입력된다. 무선부(230)는 예를 들면, RF 필터, 저잡음 증폭기, 주파수변환기 등으로 구성되고, AD 변환부(240)는 AD 변환기 등으로 구성될 수 있다.
신호 처리부(250)는 수신 안테나(210)에 의해 수신되고, 무선부(230) 및 AD 변환부(240)에 의해 처리된 N계통의 신호를 받아, 최적의 안테나의 지향성 패턴을 결정하고, 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어하기 위한 기능부이다. 또한, 신호 처리부(250)는 디지털 신호 프로세서(Digital Signal Processor: DSP)나 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 디지털 회로나, 반도체 메모리 등의 기억매체에 의해 구성되어도 된다.
신호 처리부(250)는 도 3에 도시한 바와 같이, 트레이닝 신호 검출부(251)와 수신 전력 측정부(252)와 수신 전력 테이블 기억부(253)와 채널 추정부(254)와 고유값 계산부(255)와 안테나 제어부(256)에 의해 구성된다. 이하, 신호 처리부(250)의 각 구성요소에 대해 설명한다.
트레이닝 신호 검출부(251)는 수신되는 각 프레임에 포함되는 트레이닝 신호(프리앰블 신호)를 검출하기 위한 기능부이다. 트레이닝 신호 검출부(251)는 각 프레임의 선두에 부가되어 있는 트레이닝 신호를 검출하여, 프레임 동기를 확립한다. 또한, 프레임 타이밍 신호에 의해, 수신 전력 측정부(252)에서의 수신 전력 측정 및 채널 추정부(254)에서의 채널 추정의 타이밍이 결정된다.
수신 전력 측정부(252)는 각 지향성 패턴에 대응하는 수신 전력 Pi(1≤i≤LN)를 측정하기 위한 기능부이다. 수신 전력 측정부(252)는 트레이닝 신호 검출부(251)에 의해 검출된 제1 프레임의 프리앰블 신호 구간에 포함되는 쇼트 프리앰블 신호의 수신 전력 Pi를 측정한다. 쇼트 프리앰블 신호의 수신 기간 동안, 후술하는 안테나 제어부(256)는 안테나의 지향성 패턴의 조합을 차례로 스위칭한다. 수신 전력 측정부(252)는 안테나 제어부(256)에 의한 스위칭이 수행될 때마다, 그 안테나 지향성 패턴의 조합에 대응하는 수신 전력 Pi를 측정한다.
수신 전력 측정부(252)는 측정된 수신 전력 Pi의 값을 수신 전력 테이블 기억부(253)에 격납하여 수신 전력 테이블을 작성한다. 이때, 수신 전력 측정부(252)는 수신 전력 테이블을 수신 전력 Pi의 값이 큰 순으로 소트하여 격납하도록 해도 된다.
수신 전력 테이블 기억부(253)은 수신 전력 측정부(252)에 의해 작성된 수신 전력 테이블을 기억하기 위한 기억부이다. 수신 전력 테이블 기억부(253)는 수신 안테나(210)의 각 지향성 패턴과 수신 전력 Pi(1≤i≤LN)를 대응시켜 수신 전력 테이블 내에 격납한다.
채널 추정부(254)는 각 안테나 지향성 패턴의 조합에 있어서의 채널 추정을 수행하기 위한 기능부이다. 채널 추정부(254)는 제1 프레임의 프리앰블 신호 구간에 포함되는 롱 프리앰블 신호에 근거하여 채널 추정을 수행해, 채널 행렬 Hi(1≤i≤LN)를 구한다. 채널 추정부(254)는 각 수신 안테나(210)의 출력 신호에 대해 상관연산을 수행함으로써, 채널 행렬 Hi의 각 요소를 계산한다.
롱 프리앰블 신호의 수신 기간 동안, 후술하는 안테나 제어부(256)는 안테나의 지향성 패턴의 조합을 차례로 스위칭한다. 채널 추정부(254)는 안테나 제어부(256)에 의한 스위칭이 수행될 때마다, 그 안테나 지향성 패턴의 조합에 대응하는 채널 행렬 Hi를 산출한다. 계산에 의해 구해진 채널 행렬 Hi는 고유값 계산부(255)에 주어진다.
고유값 계산부(255)는 채널 추정부(254)에 의해 계산된 채널 행렬 Hi로부터 Hi의 고유값 λ을 계산하여, 최소고유값 λi(1≤i≤LN)를 구한다. 고유값 λ은 하기 의 수학식 1에 의해 구해지는 값이다. 여기서, E는 단위행렬을 의미한다. 구해진 최소고유값 λi는 안테나 제어부(256)에 주어진다.
|Hi-λE|=0
안테나 제어부(256)는 각 수신 안테나(210)의 지향성 패턴의 LN가지의 조합 중에서 하나를 선택하여, 각 수신 안테나(210)의 지향성 패턴이 선택된 조합으로 설정되도록 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어한다. 본 실시 예에 관한 무선 수신 방법에서는 안테나 제어부(256)는 이하의 3단계에서, 안테나 패턴을 스위칭 제어한다. 우선, 제1 단계로서, 수신 전력 측정부(252)에 의한 수신 전력 측정을 수행하기 위해 스위칭 제어하고, 제2 단계로서, 채널 추정부(254)에 의한 채널추정을 수행하기 위해 스위칭 제어한다. 상기 제1 및 제2 단계를 거쳐 데이터 수신에 최적인 제어 패턴을 결정하고, 제3 단계에서, 결정된 최적의 제어 패턴으로 스위칭 제어된다.
우선, 제1 단계의 스위칭 제어는 제1 프레임의 쇼트 프리앰블 수신 기간에 수행된다. 트레이닝 신호 검출부(251)에 의해 제1 프레임의 선두에 부가된 쇼트 프리앰블 신호가 검출되면, 안테나 제어부(256)는 모든 지향성 패턴의 조합에 있어서의 수신 전력의 측정을 수행하기 위해서, 각 수신 안테나(210)의 지향성을 차례로 스위칭하도록 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어한다. 지향성 스위칭의 타이밍은 수신 전력 측정부(252)에 의해 각 지향성 패턴의 조합에 있어서의 수신 전력의 측 정이 완료된 타이밍에 의해 결정된다.
다음으로, 제2 단계의 스위칭 제어는 쇼트 프리앰블 신호 후에 수신되는 롱 프리앰블 수신 기간에 수행된다. 상술한 바와 같이, 롱 프리앰블 신호는 무선 송신 장치(100)에 의해 k회 반복하여 송신된다. 안테나 제어부(256)는 트레이닝 신호 검출부(251)에 의해 각 롱 프리앰블 신호가 검출될 때마다 안테나 지향성 패턴의 조합을 스위칭한다. 따라서, 제2 단계에서의 스위칭은 롱 프리앰블 신호의 반복 횟수인 ｋ회 수행된다. 스위칭 시에 선택되는 지향성 패턴의 조합은 수신 전력 테이블 기억부(253)에 격납된 수신 전력 테이블에 의해 결정되고, 예를 들면, 수신 전력 Pi의 값이 큰 순으로 지향성 패턴의 조합이 선택된다.
또한, 제2 단계의 스위칭 제어에 있어서는 수신 전력 테이블 내에서 최소 수신 전력(문턱값)을 미리 결정하고, 그 값보다도 수신 전력 Pi쪽이 작은 조합에 대해서는 스위칭을 수행하지 않도록 해도 된다. 이때, 수신 전력의 문턱값에는 예를 들면, 시스템에서 규정된 트레이닝 신호를 수신하기 위해서 필요한 최소 수신 전력값을 이용해도 된다.
예를 들면, IEEE Std.802.11a-1999, P31, Table91에는 수신측의 무선 통신 장치에 요구되는 감도(Minimum sensitivity), 즉 신호를 수신하기 위해서 필요한 최소 수신 전력이 규정되어 있다. 이 값은 데이터 비에 의해 다르지만, 트레이닝 신호는 확실하게 복조되는 것을 목적으로 하여 최저 데이터 비로 보내지므로, 6Mbps가 되고, 이때의 최소 수신 전력은 -82dBm이다. 이 값은 어디까지나 규격값 (최저 성능)이며, 실제로는 수신에 이용되는 무선 통신 장치의 성능에 따라 최소 수신 전력값을 결정하도록 해도 된다. 예를 들면, 상술한 예의 경우, 수신 전력의 문턱값으로서 -90dBm 등의 값을 채용하도록 해도 된다.
마지막으로, 제3 단계의 스위칭 제어는 k개의 롱 프리앰블 신호의 수신 종료 후에 수행된다. 안테나 제어부 256은 제2 단계에서 스위칭이 수행된 각 제어 패턴에서 산출된 최소고유값 λ에 근거하여 최적의 지향성 패턴의 조합을 결정하고, 각 수신 안테나(210)의 지향성 패턴이 최적의 지향성 패턴의 조합이 되도록 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어한다.
이상, 본 실시 예에 관한 무선 수신 장치(200)의 구성에 대해 설명했다. 상술한 무선 수신 장치(200)는 수신 안테나의 지향성 패턴을 스위칭하는 것이었지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않고, 다른 방법에 의해 수신 안테나를 제어하는 것이어도 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 지향성 패턴의 스위칭 이외의 방법으로 수신 안테나를 제어하는 무선 수신 장치의 예를 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)를 변형한 무선 수신 장치(300)의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도이다. 무선 수신 장치(300)는 변형 전의 무선 수신 장치(200)와 동일한 구성요소를 가진다. 차이점으로는, 상술한 무선 수신 장치(200)의 안테나 패턴 스위칭부(220)가 수신 안테나(210)의 지향성 패턴의 조합을 스위칭하는 것이었던 것에 반하여, 본 변형 예의 무선 수신 장치(300)는 수신에 이용되는 안테나의 조합을 스위칭하는 점이 다르다.
무선 송신 장치(100)에 의해 송신되는 M계통의 신호가 송신되는 경우, 무선 수신 장치(300)는 각 계통의 신호를 각각 1개의 수신 안테나에 의해 수신한다. 따라서, M〈N의 경우, N개의 수신 안테나(310) 중, 신호의 수신에 이용되는 안테나는 M개만이 된다. 이러한 경우, N개의 수신 안테나로부터 M개를 선택하는 조합의 수는 NCM이지만, 이 중, 가장 수신 상태가 좋은 조합을 선택함으로써, 통신 품질을 향상시킬 수 있다. 무선 수신 장치(300)는 상술한 실시 예의 무선 수신 장치(200)와 동일한 방법을 이용하여, 전파 환경에 가장 적합한 안테나의 조합 선택의 제어를 수행한다.
도 4에 도시한 무선 수신 장치(300)는 다른 무선 통신 장치로부터 2계통의 신호를 수신하고, 수신되는 신호를 4개의 수신 안테나 중의 2개에 의해 수신하는 경우의 예를 나타낸 것이다. 무선 수신 장치(300)는 도 4에 도시한 바와 같이, 4개의 수신 안테나 310-1~310-4(이하, 통합해서 수신 안테나(310)이라고 한다)를 구비하고, 4개의 수신 안테나 310-1~310-4 중 수신에 이용하는 안테나의 조합을 스위칭하는 안테나 스위칭부(320)와, 수신한 2계통의 신호에 대응하는 무선부 330-1 및 330-2(이하, 통합해서 무선부(330)이라고 한다)와, 수신한 2계통의 신호에 대응하는 AD 변환부 340-1 및 340-2(이하, 통합해서 AD 변환부(340)이라고 한다)와, 신호 처리부(350)에 의해 구성된다.
본 변형 예에 관한 무선 통신 장치 중에서, 안테나 스위칭부(320)만이 상술한 무선 수신 장치(200)의 구성과 다르다. 본 변형 예에 관한 안테나 스위칭 부(320)는 수신에 이용되는 안테나의 조합을 스위칭한다. 안테나 스위칭부(320)는 4개의 수신 안테나 310-1~310-4 중, 신호 수신에 이용되는 안테나 2개의 조합으로서, 4C2=6가지의 조합 중 하나가 선택되도록 스위칭한다. 안테나 스위칭부(320)에 있어서 어느 수신 안테나(310)가 선택될지는, 신호 처리부(350)로부터 전달되는 제어 신호에 의해 제어된다. 안테나 스위칭부(320)는 예를 들면, RF 스위치 및 그 구동회로로 구성되어도 된다.
다음으로, 도 5 및 6에 근거하여 상술한 무선 수신 장치(200)의 신호 처리부(250)에 의해 실행되는 무선 통신 처리의 일례를 설명한다. 도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)의 신호 처리부(250)에 의해 실행되는 무선 통신 처리의 흐름을 나타낸 흐름도이다.
본 실시 예에 관한 무선 통신 처리는 제1 프레임에 부가된 프리앰블 신호에 근거하여 최적의 수신 안테나의 제어 패턴을 결정하는 것을 특징으로 한다. 여기서는 수신 안테나의 제어 패턴(이하, 단순히 제어 패턴이라고 한다)이 수신 안테나의 지향성 패턴의 조합인 예에 근거하여 설명하지만, 상술한 변형 예의 무선 수신 장치(300)와 같이, 수신 안테나의 제어 패턴이 신호 수신에 이용되는 수신 안테나의 조합일 수도 있다.
또한, 이하에서는 제어 패턴 수를 n으로 하고, 각 제어 패턴을 Tj(1≤j≤n)로 나타낸다. 여기서, j는 수신 전력 테이블 내에서 제어 패턴을 수신 전력 순으로 소트했을 때의 순번을 의미한다. T1은 수신 전력이 최대인 제어 패턴을 나타내고, Ｔn은 수신 전력이 최소인 제어 패턴을 나타낸다. 또한, 각 제어 패턴 Tj일 때의 채널 행렬을 Hj, 최소 고유값을 λj로 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 통신이 개시되면, 먼저, 스텝 S101에서, 제1 프레임의 수신이 개시되고, 스텝 S103에서 트레이닝 신호 검출부(251)가 제1 프레임의 선두에 부가되어 있는 쇼트 프리앰블 신호를 검출한다. 이어서, 스텝 S105 내자 S111에서, 쇼트 프리앰블 신호의 수신 기간에 각 제어 패턴에서의 수신 전력이 측정된다. 우선, 스텝 S105에서, 수신 전력 측정부 252에 의해 최초의 제어 패턴에서의 수신 전력이 측정된다. 이어서, 스텝 S107에서, 모든 제어 패턴 Tj에 대해 수신 전력의 측정이 종료되었는지 아닌지를 판정한다. 아직 종료되어 있지 않은 경우에는 스텝 S109에서 안테나 제어부(256)에 의해 다음 제어 패턴 Tj+1로의 스위칭을 수행하고, 스텝 S105로 되돌아가서, 제어 패턴 Tj+1에서의 수신 전력의 측정을 수행한다. 이렇게, 스텝 S105~S109를 n회 반복해서, n개의 모든 제어 패턴에 대해 수신 전력을 측정한다.
스텝 S107에서, 모든 제어 패턴에 대한 수신 전력의 측정이 종료되었다고 판정되면, 스텝 S111로 천이하여, 측정된 수신 전력값을 기록한 수신 전력 테이블을 수신 전력 테이블 기억부(253)에 격납한다. 수신 전력 테이블 기억부(253)에는 수신 전력과 대응하는 제어 패턴이 대응된 수신 전력 테이블이 기억된다. 또한, 수신 전력 테이블은 수신 전력이 큰 순으로 소트되어 기억되도록 해도 된다.
스텝 S111에 계속해서 수행되는 처리를 도 6을 참조하여 설명한다. 모든 제어 패턴에 대한 수신 전력의 측정이 종료되면, 스텝 S113에서, 안테나 제어부(256)는 수신 전력 테이블 기억부(253)에 기록되어 있는 수신 전력 테이블에 근거하여 수신 전력이 큰 순으로 제어 패턴 Tj를 스위칭한다. 따라서 안테나 제어부(256)는 우선 수신 안테나(210)의 제어 패턴을 수신 전력이 최대가 되는 제어 패턴 T1이 되도록 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어한다.
이어서, 스텝 S115에서, 트레이닝 신호 검출부(251)는 제1 프레임의 첫 번째 롱 프리앰블 신호를 검출한다. 이어서, 스텝 S117에서, 채널 추정부(254)는 스텝 S115에서 수신된 롱 프리앰블 신호에 근거하여 채널 추정을 수행해, 채널 행렬 H1을 구한다. 이어서, 고유값 계산부(255)는 채널 행렬 H1로부터 최소 고유값 λ1을 계산한다. 이에 의해, 제1 프레임의 첫 번째 롱 프리앰블 신호 수신 기간에, 제어 패턴 T1일 때의 최소 고유값 λ1이 계산된다.
이어서, 스텝 S119에서, 롱 프리앰블 신호의 수신이 종료되었는지 아닌지를 판정한다. 여기서, 아직 수신이 종료되어 있지 않은 경우에는 스텝 S113으로 되돌아가, 다음 제어 패턴에서의 채널 행렬 및 최소 고유값의 계산이 수행된다. 이 경우, 스텝 S113에서, 안테나 제어부(256)는 수신 전력 테이블 기억부(253)에 기억된 수신 전력 테이블을 참조하여, 제어 패턴 Tj의 다음으로 수신 전력이 큰 제어 패턴 T2를 추출한다. 그리고 수신 안테나(210)의 제어 패턴이 T2가 되도록 안테나 패턴 스위칭부(220)를 제어한다.
이어서, 스텝 S115에서, 트레이닝 신호 검출부(251)는 두 번째 롱 프리앰블 신호를 수신한다. 이어서, 스텝 S117에서, 채널 추정부(254)는 두 번째 롱 프리앰블 신호에 근거하여 채널 행렬 H2를 구하고, 고유값 계산부(255)는 채널 행렬 H2의 최소 고유값 λ2를 계산한다. 이렇게, 제1 프레임의 프리앰블 신호 구간에 포함되는 롱 프리앰블 신호의 수 k와 같은 횟수만큼 스텝 S113 내지 S117의 처리를 반복하여, 제어 패턴 T1~Tk의 각각에 대응하는 채널 행렬 Hj 및 최소 고유값 λj(1≤j≤k)를 구한다.
다만, SNR이 극히 낮은 경우, 트레이닝 신호를 복조하지 못해 통신이 단절될 우려가 있으므로, 미리 수신 전력의 하한을 정해 두고, 수신 전력 테이블에 있어서 하한 이하의 수신 전력이었던 제어 패턴으로의 스위칭은 수행하지 않도록 해도 된다.
스텝 S119에서, 롱 프리앰블 신호의 수신이 종료되었다고 판단되면, 안테나 제어부(256)는 스텝 S121에서, 제어 패턴 T1~Tk의 각각에 대응하는 최소 고유값 λj(1≤j≤k) 중 값이 최대가 되는 최소 고유값 λj일 때의 제어 패턴 Tj로 스위칭한다. 그리고 스텝 S123에서, 프리앰블 신호에 계속되어 수신되는 제1 프레임의 데이터 신호를 수신한다. 이어서, 스텝 S125에서, 제2 프레임 이후의 데이터를 수신하고, 처리를 종료한다. 통신 종료 시, 통신 두절시, 또는 BER 열화 등으로 상위 레 이어로부터의 지시가 있었던 경우에는 다시 S101로 되돌아간다.
이렇게, 우선, 쇼트 프리앰블 신호의 수신 구간에 있어서 모든 제어 패턴의 수신 전력을 측정하고, 이어서, 롱 프리앰블 신호의 수신 구간에 있어서 수신 전력이 큰 제어 패턴부터 순서대로 최소 고유값을 구한다. 최소 고유값은 제1 프레임에 부가되어 있는 롱 프리앰블 신호의 수에 대응하는 제어 패턴에 대해서만 구해지기 때문에, 모든 제어 패턴에 대한 최소 고유값을 구하는 경우와 비교하여 시간을 단축할 수 있다. 또한, 최소 고유값을 구할 때의 제어 패턴의 선택은 수신 전력이 큰 순으로 수행되기 때문에, 미리 수신 성능이 높다고 예측되는 제어 패턴으로 좁혀서 최소 고유값의 계산을 수행할 수 있다.
이렇게 해서 구해진 최소 고유값에 근거하여, 제1 프레임의 데이터 신호 및 제2 프레임 이후의 데이터를 수신할 때에 이용되는 안테나의 제어 패턴이 결정된다. 따라서 제1 프레임의 데이터 수신전에, 최적의 제어 패턴을 판단하여 통신을 개시할 수 있다.
하기에서, 본 실시 예에 관한 무선 통신 방법에 의한 MIMO 성능의 향상 및 처리시간 단축 효과에 대해 설명한다. 우선, 비교를 위해, 종래 기술에 의한 MIMO 성능의 향상 및 처리시간 단축 효과와 문제점에 대해서 기술한다. 종래 기술에 있어서, (1) 모든 제어 패턴에 대해 채널 추정을 수행하여 채널 용량 또는 고유값을 구하고, 가장 큰 채널 용량이 얻어진 경우의 제어 패턴을 선택하는(또는, 같은 안테나 특성을 얻을 수 있도록 안테나를 제어하는) 경우, 성능 향상 효과는 크지만, 계산량이 크고, 처리시간의 증가를 초래한다. 한편, (2) 모든 제어 패턴에 대해 수 신 전력을 측정하고, 가장 높은 수신 전력이 얻어지는 경우의 제어 패턴을 선택하는(또는, 같은 안테나 특성을 얻을 수 있도록 안테나를 제어하는) 경우, 측정 시간이나 처리량은 적지만, 성능 향상 효과는 비교적 적다.
본 실시 예의 무선 통신 방법의 효과는 송신측에서 제1 프레임에 부가되는 롱 프리앰블 신호의 반복 횟수 k에 의존한다. k가 모든 안테나 제어 패턴의 조합수와 같은 경우, 모든 안테나 제어 패턴의 조합에 대해 최소 고유값을 구하는 계산이 수행되기 때문에, 채널 용량이나 고유값을 이용하는 종래의 방법과 비교하면 트레이닝 기간의 단축 효과는 없다. 따라서 상술한 무선 통신 방법에서는 성능열화를 억제한 후에 k를 가능한 한 작은 값으로 설정하는 것이 중요하게 된다. 이러한 ｋ의 값은 각 전파 환경에서 시뮬레이션을 수행한 결과에 의해 구해진다.
도 7에, 롱 프리앰블 신호의 반복 횟수 k와 MIMO 성능(채널 용량)의 향상율의 관계를 밝힌 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2×2 MIMO에 있어서 각 안테나의 지향성 패턴이 3패턴일 때의 성능 향상율(통상의 2×2 MIMO에 비교한 경우)과, 롱 프리앰블 신호의 반복 횟수 k의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7에서, 세로축은 통상의 2×2 MIMO와 비교한 경우의 채널 용량의 향상율을 나타내고, 가로축은 전파 환경의 변화를 나타내고 있다.
도 7을 참조하면, k=1일 경우, 수신 전력이 최대가 되는 안테나 제어 패턴의 조합에 대해서만 채널 추정이 수행되고, 결과적으로 그 조합이 데이터 수신 시에 선택되기 때문에, 상기 (1)의 수신 전력을 평가 파라미터로서 안테나 제어를 수행한 경우와 MIMO 성능 향상에 대한 효과는 동등하다고 생각된다. 이것이, k=2, 3과 k의 값이 증가함에 따라서, k=1일 경우에 비하여 개선 효과를 볼 수 있게 되고, k=4에서는 상기 (2)의 채널 용량을 평가 파라미터로 한 경우의 종래 기술과 동등한 성능을 보이고 있다. 이는 통상, 수신 전력이 큰 경우에 최소 고유값도 커질 가능성이 높기 때문에, 수신 전력이 큰 순으로 k개의 제어 패턴의 조합을 선택하면, k를 비교적 작게 해도 성능열화가 작은 것을 나타내고 있다.
여기서, 처리시간에 대한 효과를 생각해 보면, 도 7에 도시하는 종래 기술의 경우, 즉 상기 (2)의 채널 용량을 평가 파라미터로 한 경우에서는 2개의 수신 안테나에 대해 3가지의 지향성 패턴의 스위칭이 수행되기 때문에, 모든 안테나 제어 패턴의 조합은 32=9가지가 된다. 따라서 (2)의 경우에는 9회의 채널 추정이 수행되게 된다.
한편, 본 실시 예에 관한 무선 통신 방법에서는 롱 프리앰블 신호의 수 k와 같은 수의 안테나 제어 패턴의 조합에 대해 채널 추정을 수행하기 때문에, 채널 추정이 수행되는 횟수는 k회이며, 트레이닝 기간의 처리시간은 k의 값에 비례하여 증가한다. 도 7의 시뮬레이션 결과의 경우, k=4에서 채널 용량을 평가 파라미터로 한 경우와 동등한 성능 향상 효과가 있고, k=2에서도 전파 환경에 따라서는 동등한 성능 향상 효과를 얻을 수 있는 것으로부터, k=2~4로 설정했다고 가정하면 처리시간은 약 4/9에서 2/9로 대폭적으로 단축할 수 있다고 생각된다.
처리시간 단축에 대한 효과에 대해 보다 상세하게 비교하면, 우선 (1)의 경우, 트레이닝 기간에 모든 제어 패턴(Ln 또는 NCM)의 채널 추정을 수행할 필요가 있 다. 채널 추정을 위해서는 송신측에서 각 송신 안테나로부터 서로 직교하는 부호(예를 들면, 아다마르 부호 등)로 변조된 신호를 트레이닝 신호로서 송신할 필요가 있다. 예를 들면, 신호의 심볼 길이가 4μ초로, 32차 아다마르 부호로 변조한 경우, 1회의 채널 추정에 필요한 측정 시간은, 4μ초×32=168μ초가 된다. 따라서 모든 조합 패턴에 대해 채널 추정을 수행하는 데에 필요한 시간, 즉 통신 개시까지 필요한 시간 t는, t=Ln×168μ초(또는 NCM×168μ초)이기 때문에, 도 7의 예에서 계산하면, t=32×168μ초=9×168μ초=1512μ초라고 계산할 수 있다.
또한, (2)의 경우, 모든 제어 패턴에 대해 수신 전력을 측정하고, 단지 하나의 조합에 대해 채널 추정을 수행함으로써 통신을 개시할 수 있다. 예를 들면, 1회의 수신 전력 측정에 필요한 시간을 1μ초로 하면, 통신 개시까지 필요한 시간 t는, t=Ln×1μ초+168μ초(또는 NCM×1μ초+168μ초)이다. 상기 (1)의 경우의 예와 같이, 도 7의 예에서 계산하면, t=32×1μ초+168μ초=9μ초+168μ초=177μ초가 된다.
한편, 본 실시 예에 관한 무선 통신 방법을 이용한 경우에는 모든 제어 패턴에 대해 수신 전력을 측정하고, k개의 조합에 대해 채널 추정이 수행된다. 따라서 통신 개시까지 필요한 시간 t는, t=Ln×1μ초+k×168μ초(또는 NCM×1μ초+k×168μ초) 이다. 도 7의 예에서 k=4로 설정한 경우로 계산하면, t=32×1μ초+4×168μ초=9μ초+672μ초=681μ초가 된다. 상기 (1) 및 (2)의 계산 결과 및 도 7의 성능 향상에 대한 시뮬레이션 결과를 참조하면, k=4로 설정한 경우, (1)의 경우와 동등한 성능 향상 결과를 얻을 수 있는 동시에, 처리시간을 절반 이하로 감소시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
이렇게, 본 실시 예에 관한 무선 통신 방법에 의하면, 종래의 채널 용량이나 고유값을 평가 파라미터로 한 경우와 동등한 성능 향상 효과를 얻을 수 있는 동시에, 트레이닝 기간의 처리시간을 대폭적으로 단축하는 것이 가능해진다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 송수신 시스템의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 장치를 이용한 MIMO 방식의 무선 통신 시스템의 구성 예를 나타낸 블록 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 송신 장치에 의해 생성되는 송신 신호의 프레임 포맷을 나타낸 블록구성도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)를 변형한 무선 수신 장치(300)의 개략적인 구성을 나타낸 블록구성도
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 수신 장치(200)의 신호 처리부(250)에 의해 실행되는 무선 통신 처리의 흐름을 나타낸 흐름도
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2ㅧ 2 MIMO에 있어서 각 안테나의 지향성 패턴이 3패턴일 때의 성능 향상율과 롱 프리앰블 신호의 반복 횟수 k의 관계를 나타낸 그래프

Claims (14)

  1. 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 송수신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템에 있어서,
    데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 상기 무선 송신 장치와,
    상기 무선 송신 장치에 의해 송신된 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 스위칭하는 안테나 제어부와, 상기 안테나에 의해 수신되는 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 상기 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 수신 전력 측정부와, 상기 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 검출되는 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 상기 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 채널 추정부를 구비하는 상기 무선 수신 장치와,
    상기 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 차례로 상기 제어 패턴을 스위칭하고, 상기 채널 추정부에 의한 채널 추정이 수행될 때, 상기 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 상기 제어 패턴으로 스위칭하고, 상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에 상기 채널 추정 결과에 근거하여 상기 제어 패턴을 스위칭하는 상기 안테나 제어부를 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 모든 상기 제어 패턴에 대해 스위칭하고,
    상기 수신 전력 측정부는 상기 모든 제어 패턴에 대한 수신 전력의 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 상기 제어 패턴을 스위칭할 때, 상기 수신 전력이 큰 순으로 상기 제어 패턴을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 복수의 안테나의 각각의 지향성 패턴의 조합을 스위칭함으로써 상기 제어 패턴을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 복수의 안테나 중, 데이터를 송수신하기 위해서 이용되는 상기 안테나의 조합을 스위칭함으로써 상기 제어 패턴을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 상기 채널 추정부에 의한 채널 추정 결과로부터 구해지는 최소 고유값 중 가장 큰 최소고 유값에 대응하는 상기 제어 패턴으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 상기 채널 추정부에 의한 채널 추정 결과로부터 구해지는 채널 용량 중 가장 큰 채널 용량에 대응하는 상기 제어 패턴으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 제어부는 상기 수신 전력이 소정의 문턱값 이하의 상기 제어 패턴으로는 스위칭하지 않는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  9. 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에 있어서,
    데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 스위칭하는 안테나 제어부와,
    상기 안테나에 의해 수신되는 수신 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 부가된 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 수신 전력 측정부와,
    상기 수신 데이터의 최초 프레임의 상기 제1 프리앰블 신호 후에 부가된 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 상기 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 채널 추정부를 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 수신 전력 측정부에 의한 수신 전력의 측정이 수행되는 동안에 차례로 상기 제어 패턴을 스위칭하고, 상기 채널 추정부에 의한 채널 추정이 수행될 때, 상기 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 상기 제어 패턴으로 스위칭하고, 상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에 상기 채널 추정 결과에 근거하여 상기 제어 패턴을 스위칭하는 상기 안테나 제어부를 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  11. 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에 있어서,
    송신하는 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  12. 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 송수신 장치를 구비하는 무선 통신 시스템에서의 무선 통신 방법에 있어서,
    상기 무선 송신 장치가 송신하는 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 하나의 제1 프리앰블 신호와 2 이상의 제2 프리앰블 신호로 이루어지는 프리앰블 신호를 부가하여 송신하는 과정과,
    상기 무선 수신 장치가 상기 무선 송신 장치에 의해 송신된 데이터를 수신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 수신하는 과정은,
    수신 데이터의 최초 프레임으로부터 상기 제1 프리앰블 신호를 검출하는 단계와,
    상기 수신 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 차례로 스위칭하는 동시에, 상기 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 단계와,
    상기 수신 데이터의 최초 프레임으로부터 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호를 검출하는 단계와,
    상기 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 상기 제어 패턴으로 스위칭하는 단계와,
    상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 상기 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 단계와,
    상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 상기 채널 추정 결과에 근거하여 상기 제어 패턴을 스위칭하는 단계와를 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
  14. 복수의 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 무선 통신 장치에서의 무선 통신 방법에 있어서,
    수신 데이터의 최초 프레임의 데이터 신호 전에 부가된 제1 프리앰블 신호를 검출하는 과정과,
    상기 수신 데이터의 수신에 이용되는 안테나의 제어 패턴을 차례로 스위칭하는 동시에, 상기 제1 프리앰블 신호의 수신 전력을 측정하는 과정과,
    상기 수신 데이터의 최초 프레임의 상기 제1 프리앰블 신호 후에 부가된 2 이상의 제2 프리앰블 신호를 검출하는 과정과,
    상기 수신 전력의 측정 결과에 근거하여 상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 대해 다른 상기 제어 패턴으로 스위칭하는 과정과,
    상기 2 이상의 제2 프리앰블 신호의 각각에 근거하여 각각 다른 상기 제어 패턴에서의 채널 추정을 수행하는 과정과,
    상기 제2 프리앰블 신호의 수신 후에, 상기 채널 추정 결과에 근거하여 상기 제어 패턴을 스위칭하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
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