KR20100102741A - 무선통신시스템, 송신장치, 및 통신제어방법 - Google Patents

무선통신시스템, 송신장치, 및 통신제어방법 Download PDF

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KR20100102741A
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다쿠 나카야마
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Abstract

복수의 송신 웨이트를 생성하기 위한 송신웨이트생성유닛(21); 각각의 고유경로의 통신 품질을 나타내는 값을 취득하기 위한 통신품질취득유닛(22); 및 상기 송신웨이트생성유닛(21)에 의해 생성되는 송신 웨이트들 가운데, 상기 통신품질취득유닛(22)에 의해 얻어지는 고유경로들의 통신 품질들을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 고유경로들의 모든 통신 품질들의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 선택하기 위한 송신웨이트결정유닛(23)이 제공된다.

Description

무선통신시스템, 송신장치, 및 통신제어방법{RADIO COMMUNICATION SYSTEM, TRANSMISSION DEVICE, AND COMMUNICATION CONTROL METHOD}
본 출원은 (2008년 2월 27일에 출원된) 일본특허출원 제2008-45870호의 우선권 이익을 주장하며, 그 전문이 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 송신측과 수신측 양자 모두에서 복수의 안테나를 이용하여 MIMO 통신을 행하기 위한 무선통신시스템, 송신장치 및 통신제어방법에 관한 것이다.
최근, 통신시스템에 있어서 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 전송 기술이 실용화되었다. MIMO 전송에 있어서는, 전송 속도와 신뢰성을 향상시키기 위하여, 송신측에 있는 장치와 수신측에 있는 장치 모두가 복수의 안테나를 사용한다. 또한, MIMO의 특성은 수신측에 있는 장치가 송신측에 있는 장치로 취득한 채널 정보를 피드백하도록, 그리고 송신측에 있는 장치가 상기 정보를 이용하도록 시스템을 구성하여 더욱 개선될 수도 있다는 것이 알려져 있다. 이를 폐쇄 루프 MIMO 또는 피드백 MIMO 라고 한다.
피드백될 정보가 더욱 상세해짐에 따라 특성은 개선된다. 하지만, 이는 대량의 피드백 정보를 필요로 하게 되는데, 이는 시스템의 용량을 타이트하게 만들게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 사전에 미리 송신측에 있는 장치와 수신측에 있는 장치 양자 모두를 위한 복수의 공통 송신 웨이트(common transmission weight)를 준비하고, 송신 시에 사용되기 원하는 송신 웨이트의 인덱스를 지정하도록 수신측에 있는 장치를 구성함으로써 피드백 정보의 양을 대폭 줄일 수 있게 된다.
이 때, 송신 웨이트는 특이값분해(singular value decomposition)를 이용하여 MIMO(SVD-MIMO)를 토대로 선택되고, 수신측에 있는 장치는 채널 정보를 측정하여, 상기 채널 정보와 송신 웨이트가 조합될 때 모든 고유경로(eigenpath)의 SINR(Signal to Noise plus Interference Ratio)의 합계를 최대화하는 송신 웨이트를 선택한다.
도 8은 송신 웨이트를 선택하기 위한 종래의 방법을 예시한 흐름도이다. 종래의 방법에 따르면, 우선 송신 웨이트의 후보가 생성된다(단계 201). 다음으로, 모든 송신 웨이트의 후보들에 대한 고유경로들의 SINR의 계산이 종료되는 지의 여부가 판정된다(단계 202). 상기 계산이 종료되지 않는다면(No라면), 각각의 고유경로의 SINR이 현재 송신 웨이트의 후보에 대해 계산된다(단계 203). 다음으로, 모든 고유경로들의 SINR의 합계가 앞서 계산된 SINR의 합계의 최대값을 상회하는 지의 여부가 판정된다(단계 204). 만일 상회한다면(Yes라면), 현재 송신 웨이트의 후보와 SINR의 합계가 저장된다(단계 205). 만일 상회하지 않는다면(No라면), 다시 한번 모든 송신 웨이트의 후보에 대한 고유경로들의 SINR의 계산이 종료되는 지의 여부가 판정된다(단계 202). 모든 송신 웨이트의 후보에 대한 계산이 종료된다면(Yes라면), 저장된 송신 웨이트의 후보가 출력된다(단계 206).
특허문헌 1: 일본미심사특허출원공보 제2005-522086호
MIMO의 특성은 송신 웨이트를 선택하기 위한 종래의 방법에 의해 개선되지만, 특이값분해를 이용하는 MIMO는 고유경로들 가운데 현저한 품질 차이를 발생시킨다. 이 경우에는, 각각의 고유경로에 적합한 변조 방식을 선택하거나 적절한 정정 처리를 행함으로써 전반적인 특성을 대폭 개선하는 것이 알려져 있다. 하지만, 단일 패킷의 데이터를 일괄(a lump)하여 변조하고 정정 처리를 행하는, MIMO의 동작모드 중 하나인 SCW(Single Code Word)와 같은 MIMO 방식을 채택할 때 각각의 고유경로에 대한 적응 제어를 행하는 것은 어렵다.
이러한 경우, 모든 고유경로들의 SINR의 합계가 최대이지만 상기 고유경로들 중 여하한의 것에 발생되는 에러 때문에, 전체 패킷이 에러가 된다는 문제점이 있게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 송신 웨이트의 선택 시, 복수의 고유경로의 각각의 품질이 가능한 한 등가가 되도록 그리고 전체 고유경로들의 통신 품질이 향상되도록 송신 웨이트를 선택함으로써, SCW 방식을 채택하는 경우에도, MIMO의 장점들을 완전히 취할 수 있는 무선통신시스템, 송신장치 및 통신제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 송신장치와 수신장치 간에 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 무선통신시스템에 있어서, 복수의 송신 웨이트(transmission weight)를 생성하기 위한 송신웨이트생성유닛; 각각의 경로들의 통신 품질을 나타내는 값을 취득하기 위한 통신품질취득유닛; 및 상기 송신웨이트생성유닛에 의해 생성되는 송신 웨이트들 가운데, 상기 통신품질취득유닛에 의해 얻어지는 경로들의 통신 품질들을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질들의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 선택하기 위한 송신웨이트결정유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 웨이트를 선택하는 것은, 상기 송신장치가 단일 패킷을 복수의 경로로 분할하여 송신할 때 수행되고, 상기 패킷은 변조부호화처리를 행한 패킷인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 송신장치에 있어서, 상기 송신장치는, 상기 복수의 경로를 통해 송신을 행할 때, 상기 경로들의 통신 품질을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 송신장치와 수신장치 간에 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 무선통신시스템의 통신제어방법에 있어서, 복수의 송신 웨이트를 생성하는 단계; 각각의 경로들의 통신 품질을 나타내는 값을 취득하는 단계; 및 생성되는 상기 송신 웨이트들 가운데, 상기 경로들의 통신 품질들을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질들의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 송신 웨이트의 선택 시, 복수의 고유경로의 각각의 품질이 가능한 한 등가가 되도록 그리고 전체 고유경로들의 통신 품질이 향상되도록 송신 웨이트를 선택함으로써, SCW 방식을 채택하는 경우에도, MIMO의 장점들을 완전히 취할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 시스템의 BER 특성을 도시한 그래프;
도 2는 본 발명에 따른 무선통신시스템을 예시한 기본적인 구성도;
도 3은 송신웨이트선택유닛을 예시한 구성도;
도 4는 본 발명에 따른 송신 웨이트를 선택하기 위한 동작을 예시한 흐름도;
도 5는 본 발명에 따른 무선통신시스템의 BER 특성을 도시한 그래프;
도 6은 본 발명에 따른 무선통신시스템 및 종래의 시스템의 BER 특성을 도시한 그래프;
도 7은 심볼당 송신가능한 비트수를 도시한 그래프; 및
도 8은 종래의 송신 웨이트를 선택하기 위한 동작을 예시한 흐름도이다.
하기는 본 발명의 실시예들의 상세한 설명이다. 송신 웨이트는 예컨대 하기 수학식에 의해 정의된다. 예를 들면,
Figure pct00001
상기 수학식으로부터, 송신 웨이트를 선택하기 위한 기준으로서 SINR을 산출하기 위한 방법이 설명된다.
송신 안테나의 수를 N, 수신 안테나의 수를 M, 사용되는 고유경로들의 수를 R, 송신 신호를 x(x는 R-차원의 복소 벡터임), 그리고 수신 신호를 y(y는 R-차원의 복소 벡터임)라고 하면, 전파로 H(H는 M×N 차원의 복소 행렬임), 송신웨이트(Precoding Matrix) WTx(WTx는 N×R 차원의 복소 행렬임), 수신웨이트행렬 WRx(WRx는 R×M 차원의 복소 행렬임) 및 잡음전력 N(N은 M×M 차원의 복소대각행렬임)이 하기 수학식을 만족한다.
Figure pct00002
수신 방식이 MMSE(Minimum Mean Square Error)라고 하면, 수신웨이트 WRx는 하기 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure pct00003
즉, 수신웨이트 WRx는 전파로 H 및 송신웨이트(Precoding Matrix) WTx로부터 도출된다.
생성된 모든 송신웨이트(Precoding Matrix) WTx에 대한 수신웨이트 WRx가 계산되고, WRxHWTx에 대입되어 송신측과 수신측 간의 잡음전력없이 모든 채널 응답을 얻게 된다.
Figure pct00004
복수의 고유경로들에 걸쳐 송신이 행해질 때, 각각의 고유경로들의 송신 전력이 같으면, 수학식 5의 각 행의 대각성분의 절대값의 제곱이 각각의 고유경로들의 신호전력의 값에 대응하는 한편, 비대각성분의 절대값의 제곱은 간섭전력의 값에 대응한다.
Figure pct00005
수학식 6에서는, 각 행의 놈(norm)이 1이 되도록 수신웨이트 WRx가 정규화되더라도, 신호전력 및 간섭전력의 비에 대한 영향이 전혀 없다. 이에 따라, 수신웨이트 WRx의 각 행을 정규화하여, 잡음전력에 대한 정규화된 신호전력과 간섭전력을 얻을 수 있게 된다.
Figure pct00006
이에 따라, 주어진 송신웨이트가 사용될 때 각각의 고유경로의 SINR(Signal to Noise plus Interference Ratio)을 얻을 수 있게 된다. 상기 송신웨이트(Precoding Matrix)는 SINR을 토대로 선택된다.
종래의 시스템은 취득한 고유경로들의 각각의 SINR의 합계를 최대화하는 송신웨이트(Precoding Matrix)를 선택한다. 이 때, 내림차순으로 고유경로들의 각각의 SINR을 배치하는 송신웨이트(Precoding Matrix)가 선택되는 경우, 기본적으로 SVD-MIMO에 가장 근접한 특성을 취득할 수 있게 된다. 도 1은 이 때 각각의 고유경로의 BER(Bit Error Rate) 특성 및 전체 BER 특성을 보여준다. 도 1은 4개의 송신 안테나, 4개의 수신 안테나, 2개의 고유경로, QPSK(1차변조) 및 5GHz(전송주파수)를 갖는 SNR에 대한 BER을 보여준다.
고유경로들의 특성의 차이가 종래의 시스템에서 크기 때문에, 일부 고유경로들은 에러를 발생시키지 않는 한편, 다른 것들은 에러를 발생시킨다. 복수의 고유경로에 걸쳐 단일 패킷에 대한 공통 변조 방식을 사용하는 SCW와 같은 변조 방식을 채택하는 경우에는, 모든 고유경로들에서의 에러들을 방지하기 위하여 고유경로들 가운데 차이를 덜 가지는 것이 바람직할 수도 있다.
상술된 종래의 시스템과는 대조적으로, 폐쇄 루프 MIMO 통신을 위한, 본 발명에 따른 무선통신시스템은, 복수의 고유경로들의 통신 품질이 가능한 한 등가가 되고, 전체 고유경로들의 통신 품질이 향상되도록 송신웨이트를 선택한다. 구체적으로는, 본 발명에 따른 무선통신시스템이, 고유경로들의 SINR의 차이가 소정값 이하인 모든 송신웨이트(Precoding Matrix) 가운데 고유경로의 SINR의 합계를 최대화하는 송신웨이트(Precoding Matrix)를 선택한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선통신시스템의 기본적인 구성도이다. 본 발명에 따른 무선통신시스템은 SCW라고 하는 MIMO 방식에 의하여 단일 패킷을 복수의 고유경로로 분할하여 송신한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 송신장치(1)는 복수의 송신 안테나를 구비하고, 변조부호화유닛(11), S/P 유닛(12) 및 송신빔형성유닛(14)이 제공된다. 수신유닛(2) 또한 복수의 수신 안테나를 구비하고, 수신안테나처리유닛(15), P/S 유닛(16) 및 복조처리유닛(17)이 제공된다. 채널추정유닛(18), 송신적응제어계산유닛(19) 및 송신웨이트선택유닛(20)이 상기 송신장치(1) 또는 수신장치(2)에 제공될 수도 있다.
상기 변조부호화유닛(11)은 상기 송신적응제어계산유닛(19)의 출력을 토대로 송신 데이터를 변조 및 부호화한다. 상기 S/P 유닛(12)은 상기 변조부호화유닛(11)에 의해 출력되는 송신 데이터에 대한 시리얼-투-패럴렐(serial-to-parallel) 변환을 행하고, 각각의 고유경로에 대한 송신 데이터를 출력한다. 상기 송신빔형성유닛(14)은 상기 송신웨이트선택유닛(20)으로부터 출력되는 송신웨이트를 상기 S/P 유닛(12)에 의해 출력되는 각각의 고유경로의 송신 신호에 적용하여 송신 고유빔을 형성하고, 각각의 안테나에 대한 신호를 다중화한다.
MIMO 채널은 복수의 송신 안테나와 복수의 수신 안테나 간에 형성된다. 상기 수신안테나처리유닛(15)은 상기 채널추정유닛(18)으로부터 출력되는 채널 추정의 결과를 토대로 수신 웨이트를 계산하여 공간 필터링을 행하거나, 또는 최대가능수신처리(maximum likelihood reception process)를 행하여 각각의 고유경로의 신호를 추출한다. 상기 P/S 유닛(16)은 각각의 고유모드의 수신 데이터에 대한 패럴렐-투-시리얼 변환을 행한다. 상기 복조처리유닛(17)은 각각의 고유모드의 신호에 대한 에러-정정 복조 등을 행하고, 상기 수신 데이터를 출력한다.
복수의 수신 안테나에 의해 수신되는 신호를 토대로, 상기 채널추정유닛(18)은 전파로의 특성을 추정한다(채널 추정). 상기 송신적응제어계산유닛(19)은 상기 송신웨이트선택유닛(20)에 의하여 계산된 값을 기초로 하여 변조부호화를 제어한다.
도 3은 송신웨이트선택유닛의 구성도이다. 상기 송신웨이트선택유닛(20)에는 송신웨이트생성유닛(21), 통신품질취득유닛(22) 및 송신웨이트결정유닛(23)이 제공된다. 상기 송신웨이트생성유닛(21)은 복수의 송신웨이트를 생성한다. 상기 통신품질취득유닛(22)은 각각의 고유경로의 통신 품질을 나타내는 값을 취득한다. 상기 송신웨이트결정유닛(23)은, 상기 송신웨이트생성유닛(21)에 의해 생성되는 송신웨이트들 가운데, 상기 통신품질취득유닛(22)에 의해 얻어지는 고유경로들의 통신 품질을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 복수의 고유경로들의 모든 통신 품질의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 결정(선택)한다.
다음으로, 도 4에 도시된 흐름도를 토대로 본 발명의 동작이 기술된다. 우선, 상기 송신웨이트생성유닛(21)은 송신웨이트의 후보를 생성한다(단계 101). 다음으로, 상기 통신품질취득유닛(22)은 모든 송신웨이트의 후보에 대한 고유경로들의 SINR의 계산이 종료되는 지의 여부를 판정한다(단계 102). 계산이 종료되지 않는다면(No라면), 현재 송신웨이트의 후보에 대한 각각의 고유경로의 SINR이 계산된다(단계 103). 그 후, 상기 송신웨이트결정유닛(23)은 고유경로들 간의 SINR의 차이가 소정값 이하인 지의 여부를 판정한다(단계 104). 구체적으로는, 상기 송신웨이트결정유닛(23)이 고유경로들 간의 SINR의 차이가 하기 수학식을 만족하는 지의 여부를 판정한다.
Figure pct00007
SINR의 차이가 상기 수학식을 만족한다면(Yes라면), 상기 송신웨이트결정유닛(23)은 고유경로들의 SINR의 합계가 이전에 계산된 SINR의 합계의 최대값을 상회하는 지의 여부를 판정한다(단계 105). 상회한다면(Yes라면), 현재 송신웨이트의 후보 및 SINR의 합계가 저장된다(단계 106). SINR의 차이가 단계 104에서 소정값을 넘고(No라면), SINR의 합계가 최대값을 상회하지 않는다면(No라면), 상기 통신품질취득유닛(22)이 다시 한번 모든 송신웨이트의 후보에 대한 고유경로들의 SINR의 계산이 종료되는 지의 여부를 판정한다(단계 102). 모든 송신웨이트의 후보에 대한 계산이 종료된다면(Yes라면), 상기 송신웨이트결정유닛(23)은 저장된 송신웨이트의 후보를 출력한다(단계 107).
도 5는 본 발명에 따른 무선통신시스템이 경로들의 통신 품질을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질의 합계가 최대가 되도록 하는 송신 웨이트를 채택할 때의 BER(Bit Error Rate) 특성 및 전체 BER 특성을 보여준다. 도 5는 4개의 송신 안테나, 4개의 수신 안테나, 2개의 고유경로, QPSK(1차변조) 및 5GHz(전송주파수)를 갖는 SNR에 대한 BER을 보여준다.
또한, 도 6은 종래의 시스템에 의해 선택된 송신웨이트를 이용할 때 그리고 본 발명에 따른 무선통신시스템에 의해 선택된 송신웨이트를 이용할 때 전체 BER 특성들의 비교를 보여준다. 도 6은 본 발명에 따른 무선통신시스템이 SNR이 적은 저BER 특성을 달성하는 것을 보여준다.
도 7은 주파수이용효율에 유사한 인덱스로서, 심볼당 송신가능한 비트수를 보여준다. 본 발명에 따른 무선통신시스템의 송신웨이트를 선택하는 방법의 효율도 도면에 도시되어 있다.
상기 실시예에서는, 통신 품질로서 SINR이 사용되고, 송신 웨이트를 선택하기 위한 조건으로서, 고유경로들의 통신 품질을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질의 합계가 최대가 되도록 송신 웨이트가 결정(선택)된다. 하지만, 전파로가 변경되거나 추정 에러가 인식될 때, SNR(Signal to Noise Ratio) 또는 SIR(Signal to Interference Ratio)과 같은 또다른 인덱스가 통신 품질로서 사용될 수도 있고, 상기 송신 웨이트가 상이한 조건들을 이용하여 선택될 수도 있다.
더욱이, 상기 실시예에서는 모든 고유경로들에 대하여 동일한 변조 방식을 사용하는 것이 가정되어 있지만, 본 발명은 복수의 고유경로들에 대하여 동일한 변조 방식이 사용될 때에도 적용가능하다.

Claims (5)

  1. 송신장치와 수신장치 간에 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 무선통신시스템에 있어서,
    복수의 송신 웨이트(transmission weight)를 생성하기 위한 송신웨이트생성유닛;
    각각의 경로들의 통신 품질을 나타내는 값을 취득하기 위한 통신품질취득유닛; 및
    상기 송신웨이트생성유닛에 의해 생성되는 송신 웨이트들 가운데, 상기 통신품질취득유닛에 의해 얻어지는 경로들의 통신 품질들을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질들의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 선택하기 위한 송신웨이트결정유닛을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선통신시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 웨이트를 선택하는 것은, 상기 송신장치가 단일 패킷을 복수의 경로로 분할하여 송신할 때 수행되는 것을 특징으로 하는 무선통신시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패킷은 변조부호화처리를 행한 패킷인 것을 특징으로 하는 무선통신시스템.
  4. 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 송신장치에 있어서,
    상기 송신장치는, 상기 복수의 경로를 통해 송신을 행할 때, 상기 경로들의 통신 품질을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 적용하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  5. 송신장치와 수신장치 간에 복수의 경로를 통해 무선 통신을 행하기 위한 무선통신시스템의 통신제어방법에 있어서,
    복수의 송신 웨이트를 생성하는 단계;
    각각의 경로들의 통신 품질을 나타내는 값을 취득하는 단계; 및
    생성되는 상기 송신 웨이트들 가운데, 상기 경로들의 통신 품질들을 나타내는 값들의 차이가 소정값 이하가 되도록, 그리고 상기 복수의 경로들의 모든 통신 품질들의 합계가 최대가 되도록, 송신 웨이트를 선택하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선통신시스템의 통신제어방법.
KR1020107018897A 2008-02-27 2009-02-25 무선통신시스템, 송신장치, 및 통신제어방법 KR20100102741A (ko)

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