KR20100056304A - Precoding apparatus and method for orthogonalized spatial multiplexing system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐루프 다중 입출력 무선 통신에 있어서 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a preprocessing apparatus and method for an orthogonal spatial multiplexing system, and more particularly, to a preprocessing apparatus and method for an orthogonal spatial multiplexing system in a closed loop multiple input and output wireless communication.
무선 통신 서비스가 대중화됨에 따라 부호 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA), 개인 휴대 통신 시스템(Personal Communication System, PCS) 방식의 이동 통신 서비스를 이용하는 사용자는 시간이 흐를수록 증가하는 반면, 주파수 등의 통신 자원은 한정되어 있어 많은 사용자에게 고품질의 무선 통신 서비스를 제공하는 데 한계가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 송신 장치와 수신 장치에서 하나의 안테나를 사용하는 단일 입출력(Single Input Single Output, SISO) 방식이 아닌 송신 장치와 수신 장치에서 복수 개의 안테나를 사용하는 다중 입출력(Multi Input Multi Output, MIMO) 방식을 무선 통신 서비스에 적용하는 기술이 개발되고 있다. 다중 입출력 기술은 한정된 통신 자원에서 단일 입출력 기술에 비해 많은 다이버시티(diversity) 이득과 다중 전송 이득을 얻을 수 있 다.As wireless communication services become more popular, users using code division multiple access (CDMA) and personal communication systems (PCS) mobile communication services increase over time, while frequency, etc. Communication resources are limited, providing high quality wireless communication services to many users. In order to solve this problem, a multi-input multi-output using a plurality of antennas in a transmitter and a receiver is not a single input single output (SISO) method using a single antenna in a transmitter and a receiver. , A technology for applying a MIMO scheme to a wireless communication service has been developed. Multiple input / output technology can obtain more diversity gain and multiple transmission gain than limited input / output technology in limited communication resources.
다중 입출력 방식이 적용된 무선 통신 시스템(이하, 'MIMO 시스템'이라 함)은 채널 상태 정보의 피드백 여부에 따라 개루프 MIMO 시스템(Open Loop MIMO System)과 폐루프 MIMO 시스템(Closed Loop MIMO System)으로 구분할 수 있다. 폐루프 MIMO 시스템은 수신 장치로부터 피드백 받은 채널 상태 정보를 이용함으로써 시스템의 용량과 평균 오차율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 종래의 폐루프 MIMO 시스템은 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decompositon, SVD)에 기초한 방식을 채용하고 있다. 그러나 이러한 특이값 분해 방식은 높은 연산 복잡도와 피드백 오버헤드(overhead)를 유발하는 문제점이 있어서 최근에는 채널 상태 정보의 피드백 양을 줄이고 좀더 효율적으로 시스템 자원을 활용하는 방안이 연구되고 있으며, 그 중 송신 장치에서 위상 회전에 의하여 송신되는 심벌 사이의 직교성을 보장하는 직교 공간 다중화(Orthogonalized Spatial Multiplexing, OSM) 기술이 활발하게 연구되고 있다.A wireless communication system (hereinafter, referred to as a 'MIMO system') to which a multiple input / output method is applied can be classified into an open loop MIMO system and a closed loop MIMO system according to whether or not channel state information is feedback. Can be. Closed loop MIMO system has an advantage of improving the capacity and the average error rate of the system by using the channel state information feedback from the receiving device. Conventional closed loop MIMO systems employ a method based on singular value decompositon (SVD) of a channel matrix. However, the singular value decomposition method has high computational complexity and feedback overhead. Recently, a method of reducing the amount of feedback of channel state information and using system resources more efficiently has been studied. Orthogonalized Spatial Multiplexing (OSM) techniques that ensure orthogonality between symbols transmitted by phase rotation in devices are being actively studied.
이러한 직교 공간 다중화 기술은 낮은 연산 복잡도와 적은 양의 피드백 정보를 가지고 폐루프 MIMO 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.This orthogonal spatial multiplexing technique has the advantage of improving the performance of a closed loop MIMO system with low computational complexity and a small amount of feedback information.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 연산 복잡도와 적은 양의 피드백 정보를 가지면서도 폐루프 MIMO 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a preprocessing apparatus and method for an orthogonal spatial multiplexing system capable of improving the performance of a closed loop MIMO system while having low computational complexity and a small amount of feedback information.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치는, 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 제1 선처리 행렬 및 제2 선처리 행렬을 결정하는 피드백 처리부, 상기 피드백 처리부에서 결정된 상기 제1 선처리 행렬을 이용하여 유클리드 최소거리를 최대화하도록 연산을 수행하는 제1 선처리부, 그리고 상기 피드백 처리부에서 결정된 상기 제2 선처리 행렬을 이용하여 제1 심벌 내의 실수부와 허수부가 서로 직교성을 가지도록 연산을 수행하는 제2 선처리부를 포함한다.In order to solve the above technical problem, a preprocessing apparatus of an orthogonal spatial multiplexing system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a feedback processor configured to determine a first preprocessing matrix and a second preprocessing matrix by using channel state information from a receiving apparatus. A first preprocessor performing an operation to maximize a Euclidean minimum distance using the first preprocessing matrix determined by the processor, and a real part and an imaginary part in a first symbol using the second preprocessing matrix determined by the feedback processor It includes a second line processor for performing the operation to have orthogonality.
상기 제1 선처리 행렬은 이며, 상기 는 이고, 상기 는 이며, 상기 와 는 상기 채널 상태 정보로부터 결정될 수 있다.The first preprocessing matrix is And said Is And Is And said Wow May be determined from the channel state information.
변조 방식이 4-QAM(Quadrature Amplitude Modulation)인 경우 상기 채널 상태 정보는 한 개의 비트 정보를 포함하며, 상기 한 개의 비트 정보에 따라 미리 정 해져 있는 두 쌍의 값 중 어느 하나가 상기 와 의 값으로 결정될 수 있다.When the modulation scheme is 4-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), the channel state information includes one bit information, and any one of two pairs of predetermined values according to the one bit information is selected. Wow It can be determined by the value of.
변조 방식이 16-QAM인 경우 상기 채널 상태 정보는 두 개의 비트 정보를 포함하며, 상기 두 개의 비트 정보에 따라 미리 정해져 있는 네 쌍의 값 중 어느 하나가 상기 와 의 값으로 결정될 수 있다.When the modulation scheme is 16-QAM, the channel state information includes two bits of information, and any one of four pairs of predetermined values according to the two bits of information is determined. Wow It can be determined by the value of.
상기 제2 선처리 행렬은 이며, 상기 은 이고, 상기 은 상기 채널 상태 정보에 포함될 수 있다.The second preprocessing matrix is And said silver And May be included in the channel state information.
상기 피드백 처리부는 상기 채널 상태 정보를 이용하여 제3 선처리 행렬을 결정하며, 상기 피드백 처리부에서 결정된 상기 제3 선처리 행렬을 이용하여 상기 제1 심벌 간에 직교성을 가지도록 연산을 수행하는 제3 선처리부를 더 포함할 수 있다.The feedback processor may further determine a third preprocessing matrix using the channel state information, and perform a calculation to perform orthogonality between the first symbols by using the third preprocessing matrix determined by the feedback processor. It may include.
상기 제3 선처리 행렬은 이며, 상기 는 상기 채널 상태 정보에 포함될 수 있다.The third preprocessing matrix is And said May be included in the channel state information.
비트 스트림을 제2 심벌로 변환하는 매핑부, 그리고 상기 제2 심벌을 상기 제1 심벌로 변환하는 심벌 변환부를 더 포함하며, 상기 제1 심벌은 및 를 포함하고, 상기 제2 심벌은 및 를 포함하며, 상기 심벌 변환부는 상기 심벌 의 실수부를 상기 심벌 의 실수부로, 상기 심벌 의 실수부를 상기 심벌 의 허수부로 변환하고, 상기 심벌 의 허수부를 상기 심벌 의 실수부로, 상기 심벌 의 허수부를 상기 심벌 의 허수부로 변환할 수 있다.A mapping unit for converting a bit stream into a second symbol, and a symbol converter for converting the second symbol into the first symbol, wherein the first symbol is And The second symbol includes And Includes, the symbol conversion unit the symbol The real part of the symbol As the real part of the symbol The real part of the symbol Convert to the imaginary part of The imaginary part of the symbol As the real part of the symbol The imaginary part of the symbol Can be converted to an imaginary part of.
본 발명의 다른 태양에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 방법은, 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 제1 선처리 행렬 및 제2 선처리 행렬을 결정하는 단계, 상기 결정 단계에서 결정된 상기 제1 선처리 행렬을 이용하여 유클리드 최소거리를 최대화하도록 연산을 수행하는 단계, 그리고 상기 결정 단계에서 결정된 상기 제2 선처리 행렬을 이용하여 제1 심벌 내의 실수부와 허수부가 서로 직교성을 가지도록 연산을 수행하는 단계를 포함한다.In a preprocessing method of an orthogonal spatial multiplexing system according to another aspect of the present invention, determining a first preprocessing matrix and a second preprocessing matrix using channel state information from a receiving apparatus, wherein the first preprocessing matrix determined in the determining step Performing an operation to maximize the Euclidean minimum distance by using and performing an operation such that the real part and the imaginary part in a first symbol are orthogonal to each other using the second preprocessing matrix determined in the determining step. do.
이와 같이 본 발명에 의한 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치 및 방법에 의하면 낮은 연산 복잡도와 적은 양의 피드백 정보를 가지면서도 폐루프 MIMO 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the apparatus and method for preprocessing an orthogonal spatial multiplexing system according to the present invention can improve performance of a closed loop MIMO system while having low computational complexity and a small amount of feedback information.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 장치가 포함되어 있는 송신 장치(transmitter)에 대하여 상세하게 설명한다.First, a transmitter including a preprocessor of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a transmission apparatus of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 비트 변환부(110), 복수의 매핑부(120, 125), 심벌 변환부(130), 제1 선처리부(140), 제2 선처리부(150), 제3 선처리부(160), 복수의 송신 안테나(170, 175), 그리고 피드백 처리부(180)를 포함한다. 여기서 매핑부(120, 125)의 수효와 송신 안테나(170, 175)의 수효는 동일하도록 구현된다. 이하 매핑부(120, 125) 및 송신 안테나(170, 175)는 두 개씩 존재하는 것으로 가정하고 설명하기로 한다. 그러나 설명의 편의를 위하여 필요에 따라 두 개 이상인 일반적인 경우와 혼용하여 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 선처리 장치는 좁은 의미로 제1 내지 제3 선처리부(140, 150, 160)를 포함하지만 넓은 의미로 비트 변환부(110), 매핑부(120, 125) 및 심벌 변환부(130)를 더 포함할 수 있다.The transmission apparatus according to the embodiment of the present invention includes a bit converter 110, a plurality of mapping units 120 and 125, a symbol converter 130, a first preprocessor 140, a second preprocessor 150, The third preprocessor 160, a plurality of transmit antennas 170 and 175, and a feedback processor 180 are included. Here, the number of mapping units 120 and 125 and the number of transmitting antennas 170 and 175 are implemented to be the same. Hereinafter, it will be assumed that two mapping units 120 and 125 and two transmitting antennas 170 and 175 exist. However, for convenience of explanation, the description will be mixed with two or more general cases as necessary. The preprocessing apparatus according to the embodiment of the present invention includes the first to third preprocessing units 140, 150, and 160 in a narrow sense, but in a broad sense, the bit converter 110, the mapping units 120, 125, and the symbol transform. The unit 130 may further include.
비트 변환부(110)는 직렬로 입력되는 비트 스트림(bit stream)을 매핑부(120, 125)의 수효에 따라 복수의 병렬 스트림으로 변환하여 해당 매핑부(120, 125)에 보낸다. 각 병렬 스트림은 직렬 비트 스트림을 매핑부(120, 125)의 변조 레벨(modulation level)에 대응하는 일정 비트수만큼씩 잘라서 생성된다. 여기서 변조 레벨은 매핑부(120, 125)에서 이용되는 변조 방식에 따라 결정된다. 예를 들어, 매핑부(120, 125)의 개수가 두 개이고 변조 방식이 16-QAM이라면, 직렬로 입력되는 비트 스트림을 4비트 단위로 하여 두 개의 병렬 비트 스트림으로 변환할 수 있다. 즉, 직렬로 입력되는 비트 스트림이 '01000010'이면, 4비트씩 '0100'과 '0010'의 두 개의 병렬 비트 스트림으로 변환할 수 있다.The bit converter 110 converts a bit stream that is serially input into a plurality of parallel streams according to the number of the mapping units 120 and 125 and sends them to the mapping units 120 and 125. Each parallel stream is generated by cutting the serial bit stream by a predetermined number of bits corresponding to the modulation levels of the mapping units 120 and 125. In this case, the modulation level is determined according to the modulation scheme used in the mapping units 120 and 125. For example, if the number of mapping units 120 and 125 is two and the modulation scheme is 16-QAM, the serially input bit stream may be converted into two parallel bit streams in units of 4 bits. That is, if the serially input bit stream is '01000010', it may be converted into two parallel bit streams of '0100' and '0010' by 4 bits.
매핑부(120, 125)는 직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 방식을 이용하여 비트 변환부(110)로부터 제공받은 병렬 비트 스트림을 복소수 형태의 심벌로 변환한다. 매핑부(120, 125)는 변조 레벨에 따라 16-QAM 방식을 이용하면 비트 스트림을 4비트 단위로 하여 심벌로 변환하고, 4-QAM 방식을 이용하면 비트 스트림을 2비트 단위로 하여 심벌로 변환할 수 있다. 예를 들어, 16-QAM 방식을 이용하고 비트 스트림이 '0100', '0010'이면, 각각 복소수 형태의 심벌 '-1-j*3', '-3+j*3'으로 변환할 수 있다. 물론 매핑부(120, 125)는 직교 진폭 변조 방식이 아니라 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 등의 다른 변조 방식을 이용할 수도 있다. 매핑부(120)은 심벌 을 생성하고, 매핑부(125)는 심벌 을 생성한다.The mapping units 120 and 125 convert the parallel bit stream provided from the bit converter 110 into a complex symbol by using quadrature amplitude modulation (QAM). The mapping unit 120 or 125 converts the bit stream into symbols using 4-bit units using the 16-QAM scheme and converts the bit stream into symbols using the 2-QAM scheme according to the modulation level. can do. For example, if a 16-QAM scheme is used and the bit streams are '0100' and '0010', they may be converted into complex symbols '-1-j * 3' and '-3 + j * 3', respectively. . Of course, the mapping units 120 and 125 may use other modulation schemes such as quadrature phase shift keying (QPSK), instead of the quadrature amplitude modulation scheme. The mapping unit 120 is a symbol To generate, and the mapping unit 125 is a symbol .
이하에서 보통 문자는 스칼라를, 볼드체 소문자는 벡터를, 볼드체 대문자는 행렬을 나타내는 것으로 한다. 복소 변수에 대하여는 변수 상단에 바(bar)를 붙여 표현한다.In the following description, normal characters are scalars, bold lowercase letters are vectors, and bold uppercase letters are matrices. For complex variables, add a bar to the top of the variable.
심벌 변환부(300)는 아래의 [수학식 1]과 같이 매핑부(120, 125)로부터 제공받은 심벌 과 을 이용하여 심벌 과 으로 변환하며 이를 으로 나타내기로 한다.The symbol converter 300 is a symbol provided from the mapping unit 120, 125 as shown in
즉, 심벌 의 실수부가 심벌 의 실수부로 심벌 의 실수부가 심벌 의 허수부로 변환되고, 심벌 의 허수부가 심벌 의 실수부로 심벌 의 허수부가 심벌 의 허수부로 변환된다.I.e. symbol Real part of the symbol The symbol of the real part of Real part of the symbol Converted to an imaginary part of Imaginary symbol of The symbol of the real part of Imaginary symbol of Is converted to the imaginary part of.
제1 선처리부(140)는 성좌도(constellation)에서 유효 채널 상의 성좌점(constellation point) 간의 유클리드 최소거리()를 최대화시키며, 제2 선처리부(150)는 직교 공간 다중화 시스템의 심벌() 내의 실수부 및 허수부를 서로 직교화시키며, 제3 선처리부(160)는 심벌()과 심벌()을 직교화시킨다. 제1 내지 제3 선처리부(140, 150, 160)는 각 선처리부에 대응하는 선처리 행렬을 가지고 연산을 수행하며, 제3 선처리부(160)에 의하여 최종 연산된 처리된 심벌을 송신 안테나(170, 175)를 통하여 전송한다.The first preprocessor 140 may have a Euclidean minimum distance between constellation points on an effective channel in a constellation. ), The second line processor 150 is a symbol of the orthogonal spatial multiplexing system. The orthogonal part and the imaginary part in the orthogonal part are orthogonal to each other, and the third line processor 160 is a symbol ( ) And a symbol ( Orthogonalize The first to third preprocessors 140, 150, and 160 perform calculations with preprocessing matrices corresponding to the preprocessors, and transmit the processed symbols finally calculated by the third preprocessor 160 to the transmit antenna 170. 175).
수신 장치(도시하지 않음)는 송신 안테나(170, 175)로부터 심벌을 받아 적절한 처리 과정을 거쳐 채널 상태 정보를 추출하며 이를 다시 송신 장치의 피드백 처리부(180)로 보낸다. 피드백 처리부(180)는 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 제1 내지 제3 선처리부(140, 150, 160)에 대응하는 선처리 행렬을 결정하고 이를 해당 선처리부에 알린다.A receiving device (not shown) receives symbols from the transmitting antennas 170 and 175, extracts channel state information through an appropriate process, and sends them to the feedback processing unit 180 of the transmitting device. The feedback processor 180 determines a preprocessing matrix corresponding to the first to third preprocessors 140, 150, and 160 by using the channel state information from the receiver, and informs the preprocessor.
선처리 없는 직교 공간 다중화 시스템Orthogonal Space Multiplexing System without Preprocessing
우선 제1 선처리부(140) 및 제2 선처리부(150)가 없는 직교 공간 다중화 시스템에 대하여 간략하게 살펴본다. 이 시스템은 다음의 [수학식 2]와 같이 모델링된다.First, an orthogonal space multiplexing system without the first preprocessor 140 and the second preprocessor 150 will be briefly described. This system is modeled as in
여기서 는 수신 장치(도시하지 않음)가 수신하는 복소 수신 신호이고, 는 송신 장치가 전송하려는 복소 송신 신호이며, 는 에 대한 유효 채널 행렬로서 를 나타낸다. 여기서 는 (i, j)의 원소가 j번째 송신 안테나와 i번째 수신 안테나 사이의 페이딩 계수(Fading Coefficient)를 나타내는 복소 채널 행렬이고, 는 두 번째 안테나에 적용되는 회전각을 나타낸다. 그리고 은 복소 가우시안 노이즈(Gaussian noise)를 나타낸다.here Is a complex received signal received by a receiving device (not shown), Is a complex transmit signal that the transmitting device wants to transmit, Is As the effective channel matrix for Indicates. here Is a complex channel matrix where the elements of (i, j) represent the fading coefficients between the j th transmit antenna and the i th receive antenna, Represents the rotation angle applied to the second antenna. And Denotes complex Gaussian noise.
위의 [수학식 2]를 실수값 형태로 표현(real-valued representation)하면 아래의 [수학식 3]과 같다.
여기서 는 의 길이를 가지는 실수 칼럼 벡터(real column vector)로서 유효 실수 채널 행렬 의 i번째 칼럼을 나타낸다. 여기서, 은 수신 안테나의 개수를 나타낸다.here Is A real real channel vector with a length of real column vector It represents the i th column of. here, Denotes the number of receive antennas.
[수학식 3]에서 값에 관계없이, 칼럼 벡터 과 이 직교하고 와 이 직교함을 알 수 있다. 또한 모든 값에 대해 이 성립 하는 것을 알 수 있다. 여기서 과 가 직교하고 와 가 직교하면, 유효 실수 채널 행렬 는 직교성을 가지게 된다.In [Equation 3] Column vector, regardless of the value and Is orthogonal Wow You can see this orthogonality. Also all About the value You can see that this holds true. here and Is orthogonal Wow Is orthogonal, the effective real channel matrix Is orthogonal.
과 가 직교하고 와 가 직교하는 회전각 는 아래의 [수학식 4]에 의해 결정된다. and Is orthogonal Wow Rotation angle orthogonal Is determined by
여기서 는 이고, 는 이다.here Is ego, Is to be.
그리고 회전각 일 때 수신 장치에서 수신되는 심벌 과 는 아래의 [수학식 5]에 의해 추정할 수 있다.And rotation angle Symbol received at the receiving device when and Can be estimated by
여기서 는 의 크기를 가지는 성좌점(constellation)을 나타낸다.here Is It represents a constellation having the size of.
본 발명에 따른 선처리가 적용된 직교 공간 다중화 시스템Orthogonal Space Multiplexing System with Preprocessing According to the Present Invention
그러면 본 발명에 따라 선처리가 적용된 직교 공간 다중화 시스템에 대하여 설명한다. 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템은 [수학식 3]에 선처리(precoding)가 적용된 형태로 나타낼 수 있으며, 다음의 [수학식 6]과 같이 모델링될 수 있다.Next, an orthogonal spatial multiplexing system to which line processing is applied according to the present invention will be described. An orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention may be represented in a form in which precoding is applied to [Equation 3], and may be modeled as in
여기서 는 수신 장치(도시하지 않음)가 수신하는 신호이고, 는 송신 장치가 전송하려는 신호이며, 는 에 대한 유효 채널 행렬로서 위에서 설명한 과 동일한 행렬이다. 그리고 는 4Ⅹ4 실수 선처리 행렬을 나타내고, 아래의 [수학식 7]과 같다.here Is a signal received by a receiving device (not shown), Is the signal that the transmitting device wants to transmit, Is As the effective channel matrix for Is the same matrix as And Denotes a 4Ⅹ4 real preprocessing matrix, as shown in Equation 7 below.
여기서 과 는 2Ⅹ2 실수 행렬이다.here and Is a 2Ⅹ2 real matrix.
유클리드 최소거리()관점에서, 유효 채널 행렬 의 첫 번째와 두 번째 칼럼의 채널 품질은 유효 채널 행렬 의 세 번째와 네 번째 칼럼의 채널 품질과 동일하다. 따라서 실수 선처리 행렬 에 있는 과 는 동일한 행렬이다. 실수 선처리 행렬 는 아래의 [수학식 8]과 같이 3개의 2Ⅹ2 실수 행렬로 분해시킬 수 있다.Euclidean minimum distance ( From the point of view, the effective channel matrix The channel quality of the first and second columns of is the effective channel matrix Is equal to the channel quality of the third and fourth columns. So real preprocessing matrix In and Is the same matrix. Real preprocessing matrix Can be decomposed into three 2Ⅹ2 real matrices as shown in Equation 8 below.
여기서 은 로, 는 로, 는 로 선택할 수 있으며, 행렬 는 제1 선처리부(140)의 선처리 행렬에 대응하고, 행렬 는 제2 선처리부(150)의 선처리 행렬에 대응하며, 행렬 는 제3 선처리부(160)의 선처리 행렬에 대응한다.here silver in, Is in, Is Can be selected as Corresponds to the preprocessing matrix of the first preprocessor 140, and Corresponds to a preprocessing matrix of the second preprocessor 150, and the matrix Corresponds to the preprocessing matrix of the third preprocessing unit 160.
위의 [수학식 8]을 [수학식 6]에 대입하면 아래의 [수학식 9]로 표현할 수 있다.Substituting Equation 8 above into
여기서 는 로, 는 로 표현할 수 있다.here Is in, Is .
전송되는 심벌 은 아래의 [수학식 10]에 의해 추정할 수 있다.Symbol sent Can be estimated by
그리고 전송되는 심벌 는 와 를 이용하여 위의 [수학식 10]과 유사한 방법으로 추정할 수 있다.And transmitted symbol Is Wow It can be estimated by using a method similar to
그러면 선처리 행렬 , 및 를 구하기 위해 파라미터 , 및 를 결정하는 방법에 대해 도 2를 참고하여 설명한다.Preprocessing matrix , And Parameter to find , And A method of determining will be described with reference to FIG. 2.
도면 2는 본 발명의 실시예에 따른 파라미터 값을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a method of determining a parameter value according to an embodiment of the present invention.
먼저 과 가 직교하도록 하는 파라미터 은 아래의 [수학식 11]에 의하여 결정할 수 있다.first and Parameters to make orthogonal May be determined by Equation 11 below.
여기서 는 이고, 는 이다. 는 이 일 때 최대인 반면, 는 이 일 때 최대가 된다. 그러나 이 둘 중 어느 값을 가지더 라도 동일한 유클리드 최소거리()를 가지게 되므로 은 둘 중 어느 값을 가지더라도 상관없다. 이하 인 경우에 대하여 설명한다.here Is ego, Is to be. Is this Is maximum when Is this Is the maximum when But Regardless of which value, the same Euclidean minimum distance ( Will have Can be either value. Below Will be described.
파라미터 와 를 최적의 값으로 결정하기 위한 방법은 아래의 [수학식 12]와 같다.parameter Wow The method for determining the optimal value is as shown in Equation 12 below.
여기서 는 파라미터 와 로 이루어진 함수로서 유클리드 최소거리를 나타낸다. 그리고 파라미터 가 의 범위 내에 있을 때의 유클리드 최소거리()와 파라미터 가 의 범위 내에 있을 때의 유클리드 최소거리()는 서로 대칭적이기 때문에, 파라미터 를 결정하기 위한 검색범위를 의 범위 내로 제한할 수 있다.here Is a parameter Wow It is a function consisting of the Euclidean minimum distance. And parameters end Euclidean minimum distance within the range of ) And parameters end Euclidean minimum distance within the range of ) Are symmetrical to each other, so Search scope to determine It can be limited in the range of.
변조 방식에 따라 최적의 파라미터 와 는 변하기 때문에, 이하 변조 방식은 4-QAM 방식을 이용하는 것으로 가정하고 설명한다.Optimal parameters depending on the modulation method Wow Since is changed, the following modulation scheme is assumed to use a 4-QAM scheme.
4-QAM 방식에서, 전송되는 심벌의 실수부와 허수부가 과 같다고 가정하면, 위의 [수학식 6]으로부터 유효 채널에서 잡음이 없이 수신된 심벌은 , , 및 과 같다는 것을 알 수 있다. 따라서 [수학식 12]는 아래의 [수학식 13]과 같이 표현할 수 있다.In the 4-QAM scheme, the real part and the imaginary part of the transmitted symbol are Suppose that is equal to, the received symbol without noise in the effective channel from
그리고 과 가 직교하면, , , 및 는 아래의 [수학식 14]와 같다.And and If is orthogonal, , , And Is shown in Equation 14 below.
그러면, 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 와 를 결정하기 위해, 파라미터 와 의 범위인 과 를 도 2에 도시한 바와 같이 세 개의 영역(, , )으로 분할한다. 그리고 각 영역(, , )별 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 와 를 결정하 고, 각 영역(, , )별 결과를 통해 전체 영역에서 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 와 를 결정할 수 있다. 여기서 는 를 나타내고, 을 최대화하는 을 선택하면, 이 성립한다는 것을 알 수 있다. 이하 각 영역별로 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 와 의 값을 설명한다.Then, at the Euclidean minimum distance ( To maximize) Wow To determine the parameters Wow Which is the range of and As shown in FIG. 2, three regions ( , , Divide by) And each area ( , , Euclidean minimum distance by) To maximize) Wow To determine each area ( , , ) Results show that the Euclidean minimum distance ( To maximize) Wow Can be determined. here Is Lt; / RTI > To maximize If you select, It can be seen that this holds true. Euclidean minimum distance for each region To maximize) Wow Explain the value of.
영역 domain
파라미터 가 의 범위 이내이고, 파라미터 가 의 범위 이내이면, 관계가 성립한다. 이 관계와 위의 [수학식 14]로부터 아래의 [수학식 15]가 성립함을 알 수 있다.parameter end Is within the range of end If within the range of, The relationship is established. From this relationship and Equation 14 above, it can be seen that
위의 [수학식 15]로부터 파라미터 와 에 관계없이 유클리드 최소거리()는 과 같다는 것을 알 수 있다. 파라미터 가 주어지면 는 파라미터 의 값에 따라 증가하는 함수이고, 파라미터 가 주어지면 는 파라미터 의 값에 따는 증가하는 함수이다. 따라서 영역()에서 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 는 이고 파라미터 는 임을 알 수 있다.Parameters from
영역 domain
파라미터 가 의 범위 이내이고 파라미터 가 의 범위 이내이면, 와 관계가 성립한다. 따라서 유클리드 최소거리()의 후보는 과 임을 알 수 있고, 유클리드 최소거리()는 가 성립할 때 최대임을 알 수 있다.parameter end Is within the range of end If within the range of, Wow The relationship is established. Therefore, at the Euclidean minimum distance ( ) Candidates and You can see that the Euclidean minimum distance ( ) It can be seen that when is true.
위의 식 를 풀기 위해 파라미터 를 아래의 [수학식 16]과 같이 표현할 수 있다.Expression above To solve Can be expressed as Equation 16 below.
[수학식 16]을 [수학식 14]에 대입하면 아래의 [수학식 17]과 같다.Substituting [Equation 16] into [Equation 14] is shown in [Equation 17] below.
[수학식 17]을 파라미터 의 관점에서 다시 정리하면 아래의 [수학식 18]과 같다.Parameters of Equation 17 In summary, Equation 18 is shown below.
[수학식 18]을 정리하면 아래의 [수학식 19]와 같다.[Equation 18] is summarized as [Equation 19] below.
[수학식 19]를 을 기준으로 정리하면 아래의 [수학식 20]과 같다.Equation 19 When summarized based on
[수학식 19]와 [수학식 20]으로부터, 유클리드 최소거리()를 최대화하려면 파라미터 가 영역()의 경계에 있어야 함을 알 수 있다. 따라서 파라미터 는 와 중 하나의 값을 가지게 된다. 그리고 파라미터 는 와 중 하나의 값을 가지게 된다.From Equation 19 and
영역 domain
파라미터가 의 범위 이내이고 파라미터 가 의 범위 이내이면, 채널 행렬 의 첫 번째 칼럼의 크기는 두 번째 칼럼의 크기보다 더 작게 되어, 다른 영역(, )보다 유클리드 최소거리()의 최대값이 작다는 것을 알 수 있다. 따라서 영역()은 파라미터 와 를 결정하는 데 고려할 필요가 없다.parameter end Is within the range of end If within the range of The size of the first column of is smaller than the size of the second column, so that other areas ( , Euclidean minimum distance () We can see that the maximum value of) is small. Therefore, the area ( ) Is a parameter Wow There is no need to consider in determining.
정리하면, 4-QAM 방식에서 파라미터 의 최적값 와 의 최적값 은 아래의 [수학식 21]과 같다.In summary, the parameters in 4-QAM Optimal value of Wow Optimal value of Is shown in Equation 21 below.
[수학식 21]으로부터, 4-QAM 방식에서 파라미터 와 의 후보군은 단지 두 개 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 값만 결정되면 파라미터 와 를 결정할 수 있다.From Equation 21, the parameter in the 4-QAM method Wow It can be seen that there are only two candidate groups. therefore If only the value is determined, the parameter Wow Can be determined.
그리고 4-QAM 방식에서 파라미터 와 를 결정하는 방법과 유사하게 16-QAM 방식에서도 최적의 파라미터를 결정할 수 있다. 16-QAM 방식에서 파라미터 의 최적값 와 의 최적값 은 아래의 [수학식 22]와 같다.And parameters in 4-QAM Wow Similar to the method for determining the optimal parameter in the 16-QAM scheme can be determined. Parameters in 16-QAM Method Optimal value of Wow Optimal value of Is shown in Equation 22 below.
또한 4-QAM 방식에서 파라미터 와 를 결정하는 방법과 유사하게 M-QAM 방식에서도 파라미터를 결정할 수 있다. M-QAM 방식에서 유클리드 최소거리()를 최대화하는 파라미터 와 를 결정하는 데 아래의 [수학식 23]이 이용될 수 있다.Also, the parameters in 4-QAM method Wow Similar to the method for determining the parameters in the M-QAM method can be determined. Euclidean minimum distance in M-QAM To maximize) Wow Equation 23 below can be used to determine.
송신 장치의 피드백 처리부(180)는 수신 장치로부터 채널 상태 정보로서 값을 수신하여 [수학식 21] 및 [수학식 22]에 따라 파라미터 와 를 결정하고 이 값을 이용하여 [수학식 8]에 따라 선처리 행렬 을 결정하면 된다.The feedback processing unit 180 of the transmitter transmits the channel state information from the receiver. Receive the value and set the parameter according to [Equation 21] and [Equation 22]. Wow And use this value to preprocess the matrix according to Equation (8). You just need to decide.
한편 값 대신 한 개 또는 두 개의 비트 정보를 이용하여 선처리 행렬 을 결정할 수도 있다. [수학식 21]과 [수학식 22]에서 값에 따라 변동되는 변화량이 작기 때문에 파라미터 값을 1 또는 로 대치할 수 있으며, 이렇게 하더라도 실질적인 성능 저하는 거의 없다. 그 결과가 [표 1]에 표시되어 있다. 값이 변동됨에 따라 결정되는 (, )값이 4-QAM 시스템에서는 2개, 16-QAM에서는 4개이다. 그러므로 송신 장치로 실수값 를 피드백하는 대신에 4-QAM에서는 피드백 정보로서 한 개의 비트 정보가 요구되고, 16-QAM 시스템에서는 피드백 정보로서 두 개의 비트 정보가 요구된다. 수신 장치는 값에 대응하는 적절한 비트 정보를 송신 장치의 피드백 처리부(180)로 피드백하고, 피드백 처리부(180)는 해당 비트 정보에 대응하는 선처리 행렬 을 결정하면 된다. 이와 같이 함으로써 성능 저하 없이 피드백 정보의 양을 줄일 수 있다. 더욱이 선처리 행렬 을 연산에 의하여 산출하는 것이 아니라 미리 정해진 선처리 행렬 후보군에서 추출하기만 하면 되므로 연산 복잡도는 한층 낮아진다.Meanwhile Preprocessing matrix using one or two bits of information instead of values May be determined. In [Equation 21] and [Equation 22] Depending on the value Since the amount of change is small Value is 1 or It can be replaced with, and there is little practical performance deterioration. The results are shown in [Table 1]. As the value changes ( , ) Are two in the 4-QAM system and four in the 16-QAM system. Therefore, the real value to the sending device In the 4-QAM, one bit information is required as feedback information, and two bit information is required as feedback information in the 16-QAM system. The receiving device The appropriate bit information corresponding to the value is fed back to the feedback processor 180 of the transmitting apparatus, and the feedback processor 180 preprocesses the matrix corresponding to the bit information. You just need to decide. In this way, the amount of feedback information can be reduced without degrading performance. Moreover, preprocessing matrix Calculation complexity is further lowered by only extracting from a predetermined preprocessing matrix candidate group, rather than calculating by arithmetic.
지금까지 [수학식 11]에서 인 경우에 대하여 설명하였으나, 인 경우도 지금까지 설명한 방법과 동일한 방법으로 와 을 추출할 수 있다. 그러나 값이 달라지면 값도 달라지고 따라서 [표 1]의 값과 값도 달라질 수 있다.So far in [Equation 11] Has been described, In the same way as described above Wow Can be extracted. But If the value is different The values are different and therefore Value and The value can also vary.
한편, 채널 상태 정보는 [수학식 4]의 와 [수학식 11]의 을 더 포함한다. 피드백 처리부(180)는 수신된 에 의하여 선처리 행렬 를 결정하고, 수신된 에 의하여 선처리 행렬 를 결정한다.On the other hand, the channel state information of [Equation 4] And of Equation 11 It includes more. The feedback processor 180 receives the Preprocessing matrix by , And received Preprocessing matrix by Determine.
이렇게 결정된 선처리 행렬을 가지고 제1 내지 제3 선처리부(140, 150, 160)는 연산을 수행하여 최종 연산 처리된 심벌을 송신 안테나(170, 175)를 통하여 전송한다.With the preprocessing matrix determined as described above, the first to third preprocessing units 140, 150, and 160 perform arithmetic operation and transmit the final arithmetic processed symbols through the transmit antennas 170 and 175.
그러면 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치의 성능을 시뮬레이션한 결과에 대하여 도 3을 참고하여 설명한다.Next, a result of simulating the performance of the transmitting apparatus of the orthogonal spatial multiplexing system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치의 성능을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph for explaining the performance of the transmission apparatus of the orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시한 그래프는 시스템의 성능을 나타내는 그래프로서 가로축은 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)이고, 세로축은 비트 에러율(Bit Error Rate, BER)이다. 4-QAM 변조 방식을 사용하는 경우 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치는 곡선 ①과 같은 성능을 가지며, 선처리 없는 시스템은 곡선 ②와 같은 성능을 가진다. 따라서 비트 에러율이 일 때 신호대 잡음비는 9dB 개선됨을 알 수 있다. 한편 16-QAM 변조 방식인 경우 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치는 곡선 ③과 같은 성능을 가지며, 선처리 없는 시스템은 곡선 ④와 같은 성능을 가진다. 따라서 비트 에러율이 일 때 신호대 잡음비는 7.5dB 개선됨을 알 수 있다.3 is a graph showing the performance of the system. The horizontal axis represents a signal-to-noise ratio (SNR), and the vertical axis represents a bit error rate (BER). In the case of using the 4-QAM modulation scheme, the transmission apparatus of the orthogonal spatial multiplexing system according to the embodiment of the present invention has the performance as shown by the
그러면, 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 방법에 대해 설명한다.Next, a line processing method of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a line processing method of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 송신 장치는 직렬로 입력되는 비트 스트림을 변조 레벨에 기초하여 복수의 병렬 비트 스트림으로 변환한다(S410). 그런 후 송신 장치는 직교 진폭 변조 방식(QAM)을 이용하여 병렬 비트 스트림을 복소수 형태의 심벌로 변환하여(S420) 심벌 과 을 생성한다. 물론 송신 장치는 직교 진폭 변조 방식(QAM)이 아니라 직교 위상 편이 변조(QPSK) 등의 다른 변조 방식을 이용할 수도 있다. 그리고 송신 장치는 심벌 과 을 이용하여 심벌 과 으로 변환한다(S430). 심벌 의 실수부가 심벌 의 실수부로 심벌 의 실수부가 심벌 의 허수부로 변환되고, 심벌 의 허수부가 심벌 의 실수부로 심벌 의 허수부가 심벌 의 허수부로 변환된다.First, the transmitting apparatus according to an embodiment of the present invention converts a serially input bit stream into a plurality of parallel bit streams based on a modulation level (S410). Thereafter, the transmitting apparatus converts the parallel bit stream into a complex symbol using a quadrature amplitude modulation (QAM) (S420). and . Of course, the transmitting device may use other modulation schemes such as quadrature phase shift keying (QPSK) instead of quadrature amplitude modulation (QAM). And the transmitting device is a symbol and Symbol using and Convert to S430. symbol Real part of the symbol The symbol of the real part of Real part of the symbol Converted to an imaginary part of Imaginary symbol of The symbol of the real part of Imaginary symbol of Is converted to the imaginary part of.
송신 장치는 수신 장치로부터의 채널 상태 정보를 이용하여 선처리 행렬을 결정한다(S440). 선처리 행렬은 [수학식 8]에서의 및 과 [수학식 2]에서의 이다. 채널 상태 정보는 , 및 를 포함한다. 이때 는 4-QAM 또는 16-QAM 방식에서 한 개 또는 두 개의 비트 정보로 대신할 수 있다.The transmitter determines the preprocessing matrix using the channel state information from the receiver (S440). The preprocessing matrix is expressed in Equation 8 And And in [Equation 2] to be. Channel status information is , And It includes. At this time Can be replaced with one or two bit information in 4-QAM or 16-QAM.
다음으로 송신 장치는 선처리 행렬 을 이용하여 유클리드 최소거리()를 최대화시도록 연산을 수행한다(S450). 그리고 송신 장치는 선처리 행렬 을 이용하여 심벌 내의 실수부와 허수부가 직교성을 가지도록 연산을 수행한다(S460). 또한 송신 장치는 선처리 행렬 을 이용하여 심벌 간에 직교성을 가지도록 연산을 수행한다(S470).Next, the transmitter is a preprocessing matrix. Using the Euclidean minimum distance ( Operation is performed to maximize) (S450). And the transmitting device is a preprocessing matrix In operation S460, the real part and the imaginary part in the symbol are orthogonal. In addition, the transmitting device is a preprocessing matrix Operation is performed so as to have orthogonality between symbols (S470).
그런 후 송신 장치는 최종적으로 연산이 처리된 심벌을 송신 안테나(170, 175)를 통해 전송한다(S480). 그러면 수신 장치는 수신한 심벌을 복호화하여 비트 스트림으로 변환하는 등 적절한 동작을 수행한다. 또한 수신 장치는 채널 행렬에 기초한 채널 상태 정보를 생성하여 이를 송신 장치로 전송한다.Thereafter, the transmitting apparatus transmits the processed symbols finally through the transmission antennas 170 and 175 (S480). The receiving device then performs an appropriate operation such as decoding the received symbol and converting it into a bit stream. In addition, the receiving apparatus generates channel state information based on the channel matrix and transmits the channel state information to the transmitting apparatus.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치를 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a transmission apparatus of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
도면 2는 본 발명의 실시예에 따른 파라미터 값을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining a method of determining a parameter value according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 송신 장치의 성능을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph for explaining the performance of the transmission apparatus of the orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직교 공간 다중화 시스템의 선처리 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a line processing method of an orthogonal spatial multiplexing system according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
110: 비트 변환부, 120, 125: 매핑부,110: bit converting unit, 120, 125: mapping unit,
130: 심벌 변환부, 140: 제1 선처리부,130: symbol converter, 140: first preprocessor,
150: 제2 선처리부, 160: 제3 선처리부,150: second preprocessor, 160: third preprocessor,
170, 175: 송신 안테나, 180: 피드백 처리부170, 175: transmitting antenna, 180: feedback processing unit
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