KR20100049909A - 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 관한 것으로, 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나눈 후 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거함으로써, 낮은 지연시간을 유지하면서 높은 인접 부반송파 제거 효과를 달성하고, 이를 통해 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 안정적인 데이터 전송을 가능하게 하기 위한, 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은 부반송파간섭 제거 방법에 있어서, 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나누는 단계; 및 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거하는 부반송파간섭 제거단계를 포함한다.

다중 반송파, 다중 안테나 시스템, 부반송파간섭 제거, 파일럿 신호, 순차적 간섭 제거 방식, 그룹

Description

다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법{METHOD FOR INTER-CARRIER INTERFERENCE CANCELLATION IN HIGH MOBILITY MIMO-OFDM SYSTEM}

본 발명은 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나눈 후 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거함으로써, 낮은 지연시간을 유지하면서 높은 인접 부반송파 제거 효과를 달성하고, 이를 통해 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 안정적인 데이터 전송을 가능하게 하기 위한, 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 관한 것이다.

고속 이동 환경에서 다중 반송파 기반의 다중 안테나 시스템은, 도플러 편이로 인해 발생하는 인접 부반송파간섭(ICI : Inter-Carrier Interference)에 의해 그 성능이 열화된다.

이러한 부반송파간섭을 제거하기 위해 다양한 방안이 제안되고 있으나, 단일 안테나 시스템에 적용되었던 인접 부반송파간섭 제거 방법은 다중 안테나 시스템에서 안정적인 성능을 제공하지 못한다.

일예로, "A Low Complexity ICI Cancellation Method for High Mobility OFDM Systems"란 제목으로 제안된 논문 1은, 고속 이동 환경에서 다중 반송파 기반의 시스템은 인접 부반송파간섭에 의해 그 성능이 열화되는데, 이러한 성능 열화를 극복하기 위한 저 복잡도 채널 보상 기법을 제안하고 있다.

즉, 최소 평균 자승 에러(Minimum Mean Square Error, MMSE) 기반 채널 보상기(Equalizer)의 높은 계산 복잡도를 줄이기 위해 인접 부반송파 간섭의 분포를 이용한 저 복잡도 MMSE 채널 보상기를 제안하고, 보다 성능을 높이기 위해 순차적 간섭 제거 기법(SIC : Successive Interference Cancellation)을 활용한다.

이러한 종래의 기술을 다중 안테나 시스템에 적용할 경우, 다중 안테나를 통해 획득되는 다이버시티 효과를 크게 감소시킨다.

한편, "An MIMO-OFDM Technique for High-Speed Mobile Channels"란 제목으로 제안된 논문 2는, 고속 이동 환경에서는 OFDM과 같은 다중 캐리어 전송 방식을 사용하기 위해 ICI(Inter-Carrier Interference)를 수신부 혹은 송신부에서 제거해야 하고, 다중 안테나를 사용하는 환경에서는 다이버시티를 통해 성능 향상 효과를 얻을 수 있지만, ICI를 적절히 제거하지 않을 경우 성능에 큰 열화를 보임을 감안하여, 2개의 송신 안테나를 사용하는 경우, 'Alamouti'의 송신 다이버시티 기법과 부반송파간섭을 제거하기 위한 'Precodeing'기법을 결합하여 다중 송신 안테나에 적합한 전송 기법을 제안하였다.

이러한 종래의 기술은, 다중 송신 안테나 환경에서 고속 이동 환경에 강인한 전송 방안으로, 수신 안테나가 여러 개일 경우 안테나 수 증가에 따른 전송률 향상을 기대할 수 없는 문제점이 있다.

이를 요약해 보면, 지금까지 제안되었던 다중 캐리어 시스템에서의 고속 이동에 따른 ICI 제거 기법은 주로 단일 안테나 시스템에서 연구되어 왔다.

논문 2를 통해 알 수 있듯이, 고속 이동 환경에서 'MIMO OFDM' 기술에 관한 연구가 이루어졌지만, 이는 다중 송신 안테나 시스템에 적합한 송신 기법의 개발이며, 이러한 기술을 다중 송/수신 안테나 시스템에 응용할 경우, 안테나 사용에 따른 데이터 전송률의 향상을 얻을 수 없는 단점이 있다.

또한, 논문 1을 통해 알 수 있듯이, 단일 안테나 시스템에서 최소 평균 자승 에러(MMSE) 기반의 저 복잡도 채널 보상기를 이용하여 인접 부반송파의 간섭을 제거하고, 순차적 간섭 제거 기법을 응용하여 저 복잡도 채널 보상기의 성능 열화를 보완하였다.

그러나 최소 평균 자승 에러 기반의 채널 보상기를 다중 송/수신 안테나 시스템에 적용할 경우, MIMO 수신기의 사용에 제약이 생긴다. 즉, 이 채널 보상기를 'MIMO OFDM'에 사용할 경우, ZF(Zero forcing) 혹은 MMSE 기반의 MIMO 수신기를 사용하여야 한다.

결국, 종래의 기술들은 다중 안테나 사용에 따른 다이버시티의 획득이 어렵기 때문에 정확한 수신이 어려운 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

따라서 본 발명은 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나눈 후 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거함으로써, 낮은 지연시간을 유지하면서 높은 인접 부반송파 제거 효과를 달성하고, 이를 통해 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 안정적인 데이터 전송을 가능하게 하기 위한, 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 부반송파간섭 제거 방법에 있어서, 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나누는 단계; 및 상기 나누어 진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거하는 부반송파간섭 제거단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 어떠한 MIMO 수신기와도 호환될 수 있는 ICI 제거 기법을 제안한다.

또한, 본 발명은 MIMO-OFDM, 특히 SM(Spatial Multiplexing) OFDM 시스템에서 더욱 정확한 수신을 가능하게 한다.

상기와 같은 본 발명은, 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나눈 후 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거함으로써, 낮은 지연시간을 유지하면서 높은 인접 부반송파 제거 효과를 달성하고, 이를 통해 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 안정적인 데이터 전송을 가능하게 하는 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 일실시예 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템은, 도플러 편이에 따른 성능 열화를 효과적으로 제거할 수 있는 수신부(100)를 포함한다.

여기서, 수신부(100)는 병렬적으로 구성된 다중 안테나 수신기인 2N_t×2N_r의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 수신기를 포함한다.

이하, 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기를 기반으로 본 발명에 따른 부반송파간섭 제거 방법을 설명하기 위해, 도 2를 참조하여 k번째 부반송파 수신신호의 신호 모델을 하기의 [수학식 1]과 같이 표현한다.

여기서, H(k,j)는 j번째 부반송파가 k번째 부반송파에 미치는 ICI(Inter-Carrier Interference) 계수를 모든 송/수신 채널에 대해 조합한 것으로, 하기의 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.

여기서,

는 t번째 안테나에서 r번째 안테나 사이의 채널을 의미한다.

한편, 상기 [수학식 1]의 신호를 모든 N개의 부반송파에 대해 표현하면, 하기의 [수학식 3]과 같이 표현할 수 있다.

또한, 일반적으로 MIMO 수신기를 부반송파별로 수신한다는 의미는 H(j,j) 이외의 비 대각성분은 무시함을 의미한다.

아울러, 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기는 두 반송파의 신호를 한꺼번에 검출하는 수신기로서, 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기에서 0번째와 1번째 신호를 검출하는 ML(Maximum Likelihood) 검출 과정은 하기의 [수학식 4]와 같이 표현할 수 있다.

여기서, 0번째 부반송파의 신호를 검출한 후(또는 파일럿 신호와 같이 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기가 알고 있는 신호일 경우), 1번째 신호를 검출하는 과정은 하기의 [수학식 5]와 같다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 부반송파간섭 제거 방법에 대해 예를 들어 살펴보기로 한다. 즉, ML 기반 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기에서의 부반송파간섭 제거 과정에 대해 살펴본다.

도 3 내지 도 5에 도시된 행렬은 채널 행렬을 나타내는 것으로, 상기 채널 행렬은 하기의 [수학식 6]과 같이 표현할 수 있다. 이는 상기 [수학식 2]를 적용한 것임을 알 수 있다.

그리고 사선으로 표현된 부분은 ICI를 일으키는 요소로서, 해당 신호가 검출됨과 동시에 제거되는 부분이다.

X(0)가 파일럿 또는 확장된 MIMO 검출 기법에 의해 검출되었을 경우, 상기 [수학식 5]를 통해 X(1)이 검출되는데, 이에 해당하는 부분이 도 3의 두 번째 네모 박스(301)라고 할 수 있다.

상기 [수학식 5]에서

에 해당하는 부분이 도 3의 첫번째 사선 기둥(302)이다. 도 3은 이러한 사선 기둥(302)이 [수학식 5]를 통해 제거되는 과정을 도시하고 있다.

이때, 2개의 부반송파에 해당하는 신호가 검출되는데, 이중 앞선 부반송파의 신호만을 취한다. 즉, 박스(301) 안에 H(1,1)이 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 H(1,1)과 대각선 방향에 H(2,2)가 검출되는데, 이때 H(1,1)을 취한다.

하기의 [수학식 7]은 X(1), X(2), X(3)을 검출하기 위해 사용되는 채널 행렬을 나타낸다.

결국, 본 발명에 이용되는 순차적 간섭 제거 방식(SIC)은 부반송파 신호를 하나씩 수신한 후, 그에 해당하는 ICI를 순차적으로 제거한다.

도 4 는 본 발명에 이용되는 순차적 간섭 제거 방식을 병렬로 수행하는 과정을 나타내는 일예시도이다.

도 4에서는 두 그룹으로 나누어 순차적 간섭 제거 방식을 적용한 일예를 설명하지만, 그룹의 수는 고정되지 않는다.

또한, 그룹의 시작 위치를 파일럿으로 정할 경우 최대 가능한 평행한 수신기의 개수는 파일럿의 개수보다 하나 적고 그룹의 수와는 동일하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 정확히 2개의 그룹으로 나눈 경우 하나의 평행한 수신기의 시작신호가 X(0)라고 하면, 그 다른 평행한 수신기의 시작신호는 X(N/2)이 된다. 이 경우 ML 방식의 MIMO 수신기를 사용하였을 때, 상기 [수학식 5]와 하기의 [수학식 8]에 해당하는 연산을 동시에 수행한다.

도 5 는 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 설명도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 0번째(H(0,0))와 5번째(H(5,5))의 신호가 파일럿 신호이다. 그리고 두 파일럿 신호(시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호) 사이의 1,2,3,4번째 부반송파가 데이터 전송을 위해 사용된다.

이를 제 1 그룹이라 하고, 상기 제 1 그룹에서 제 1 평행 수신기가 동작한다면, 파일럿의 간격이 균등하다가 가정하였을 때, 제 2 평행 수신기가 동작하는 제 2 그룹은 5번째와 10번째 부반송파가 파일럿에 해당하며, 그 사이에 6,7,8,9번째 부반송파가 데이터 전송을 위해 사용된다.

즉, 도 5 는 파일럿 사이에 4개의 부반송파가 사용될 경우, 각 평행 수신기가 사용하는 부반송파의 위치를 보여준다. 이때, X(5)와 X(10)과 같은 파일럿에 해당하는 부반송파의 경우 2개의 수신기에서 함께 사용된다.

결국, 도 5는 제 1 평행 수신기에서의 수신 과정으로서, (a)는 0번과 5번의 파일럿에 해당하는 ICI를 수신신호에서 제거하는 과정을 나타낸다. 이는 하기의 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다.

도 5의 (b)는 X(1)과 X(4)를 검출하고, 그에 상응하는 ICI를 제거하는 과정을 나타낸다. 먼저, X(1)과 X(4) 검출 과정은 하기의 [수학식 10]과 같다. 이는 상기 [수학식 5]를 적용한 것이다.

그리고 도 5의 (b)에서 ICI가 제거된 수신신호(Y)는 하기의 [수학식 11]과 같이 표현할 수 있다.

도 5의 (c)에서 상기 [수학식 11]을 이용하여 X(2)와 X(3)을 동시에 검출한다. 이는 하기의 [수학식 12]와 같이 표현할 수 있다.

도 5에서 설명한 부반송파간섭 제거 과정은 각 평행 수신기에서 동시에 수행될 수 있다. 이때, 최대 가능한 평행 수신기의 개수는 파일럿의 개수보다 1개 적고, 그룹의 수와 동일할 경우 최소 지연시간을 갖는다.

일반적으로, 순차적 간섭 제거 방식은 특정 부반송파를 검출하기 위해 이전의 모든 부반송파의 신호를 기다려야 하는 단점이 있다.

본 발명에서는 이를 극복하기 위해 순차적 간섭 제거 방식을 병렬적으로 적용한다. 그리고 이에 따른 성능 열화를 최소화하기 위해 도 4와 같이 단순히 병렬적으로 진행하지 않고, 도 5와 같이 순차적 간섭 제거 순서를 변형시킨다.

즉, 도 5의 경우 파일럿 사이에 4개의 데이터 부반송파가 있는 경우이며, 순차적 간섭 제거 방식을 다른 부반송파 부분에 대해서 병렬적으로 실행함으로써, 순차적 제거 간섭 방식의 높은 지연 시간을 크게 줄일 수 있다.

도 6 은 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

먼저, 파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나눈다. 이때, 최초 파일럿 신호와 최후 파일럿 신호를 제외한 모든 파일럿 신호는 두 그룹이 공유한다(601).

이후, 상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거한다(602).

이때, 마지막에 2개의 부반송파가 남게 되면 동시에 검출한다. 즉, 마지막에 2개의 수신신호가 남게 되면 두 수신신호를 동시에 검출한다.

도 7 및 도 8 은 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 성능 분석도로서, QPSK OFDM 시스템에서의 성능 분석 결과를 나타낸다.

먼저, 대역폭은 1 MHz를 사용하였으며, 상기 대역폭은 128개의 균등 간격 부반송파로 나누어진다.

또한, 32개의 시간 샘플에 해당하는 보호 구간을 CP(Cyclic Prefix)로 이용하였고, 채널 7개의 탭(Tap)이 지수 분포를 가지며 감소하는 채널 모델을 사용하였다.

그리고 이동성은 도 6의 경우 200 Km/h에 해당하며, 도 7의 경우 300 Km/h에 해당한다.

상기와 같은 환경에서 비트 오류율을 이용하여 성능을 평가하였다.

두 결과에서 모두 알 수 있듯이, 일반 ML 수신기는 이동 환경에서 성능이 크게 열화되며, 확장된 ML 수신기(2N_t×2N_r) 역시 그 성능 향상이 크지 않음을 알 수 있다.

그리고 SIC 기반의 수신기는 비트 오류율 성능에 있어서는 매우 향상된 결과를 보여주지만, 지연 시간이 매우 크다는 것을 알 수 있다.

반면, 본 발명이 적용된 MSIC(Modified SIC) 기반의 수신기는, 비트 오류율 성능에서 SIC 기반의 수신기에 비해 약간의 성능 열화는 있지만, SIC 기법에 비해 지연 시간이 1/25(각 파일럿 간에 데이터 부반송파가 4개씩 분포할 경우)로 단축됨 을 확인할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 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 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템 등에 이용될 수 있다.

도 1 은 본 발명이 적용되는 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템의 일실시예 구성도,

도 2 는 특정 캐리어에서의 송/수신 신호 모델에 대한 일예시도,

도 3 은 본 발명에 이용되는 순차적 간섭 제거 기법에 대한 일예시도,

도 4 는 본 발명에 이용되는 순차적 간섭 제거 방식을 병렬로 수행하는 과정을 나타내는 일예시도,

도 5 는 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 설명도,

도 6 은 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 흐름도,

도 7 및 도 8 은 본 발명에 따른 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법에 대한 일실시예 성능 분석도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 수신부

Claims (5)

1. 부반송파간섭 제거 방법에 있어서,

   파일럿 신호를 기준으로 부반송파를 그룹으로 나누는 단계; 및

   상기 나누어진 그룹 내 시작 파일럿 신호와 끝 파일럿 신호 사이의 부반송파에서 부반송파간섭을 제거하되, 두 파일럿 신호에서 가까운 부반송파부터 순차적으로 검출하여 부반송파간섭을 제거하는 부반송파간섭 제거단계

   를 포함하는 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부반송파간섭 제거단계는, 마지막 2개의 부반송파가 남게 되면 2개의 부반송파를 모두 검출하는

   다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 끝 파일럿 신호는, 이웃하는 그룹에서 공유하는

   다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 부반송파간섭 제거단계는, 다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템 내 ML(Maximum Likelihood) 기반 2N_t×2N_r(N는 부반송파의 개수, t와 r은 안테나의 순번)의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 수신기에 의해 수행되는

   다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 그룹의 수는, 상기 ML 기반 2N_t×2N_r의 MIMO 수신기의 수와 동일한 것을 특징으로 하는

   다중 반송파 기반 다중 안테나 시스템에서의 부반송파간섭 제거 방법.

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