KR20100125593A

KR20100125593A - 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템 및 이를 이용한 송신신호 검출방법

Info

Publication number: KR20100125593A
Application number: KR1020090044382A
Authority: KR
Inventors: 김재권; 이규희
Original assignee: 주식회사강산넷
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-01

Abstract

본 발명은 공간 다중화(Spatial Multiplexing, SM) 방식을 사용하는 다중 송수신 시스템 및 이를 이용한 송신신호 검출방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성상도의 크기에 따라 선형검출기법을 달리하여 계산전력을 감소시킬 수 있는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템 및 이를 이용한 송신신호 검출방법에 관한 것이다.

적응선형신호검출, 성상도, ZF, MMSE

Description

적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템 및 이를 이용한 송신신호 검출방법{MIMO SYSTEM HAVING ADAPTIVE LINEAR DETECTOR AND DETECTION METHOD OF OUTPUT SIGNAL USING THE SAME}

미래의 이동통신 시스템에서는 고정 및 이동 환경에서 고속의 데이터 전송이 요구된다. 이러한 요구 조건을 충족 시키기 위하여, 다중 데이터 레이어 전송을 가능하게 하는 공간 다중화(Spatial Multiplexing, SM) 방식을 사용하는 다중 안테나 송수신(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 시스템이 주목을 받고 있다.

공간 다중화 방식을 사용하는 MIMO 시스템은 다중 송신 안테나를 통해 각각 다른 정보를 전송하며, 수신단은 중첩된 신호로부터 송신된 데이터 레이어를 분리한다.

종래 분리 기법에서는 송신 가능한 신호 벡터 각각에 대한 ML(Maximum Likelihood) 메트릭(Metric)을 계산하여 가장 작은 ML 메트릭(Metric)을 갖는 송신 신호 벡터를 찾는 ML 신호 검출 기법(Maximum Likelihood Bit Metric Detection)을 사용하였다.

그러나, 이러한 ML 신호 검출 기법은 최적의 송신 신호 검출 성능을 보이지만, 성상도(constellation) 크기 및 송신단 안테나 수에 따라 하드웨어 복잡도가 지수함수적으로 증가하기 때문에 매우 높은 복잡도를 요구하는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 새로운 검출기법인 QR-LRL, QRM-MLD 등의 기법들이 개발되었다. 그러나 이런 기법들도 기존 ML 신호 검출 기법에 비해서는 요구되는 계산량이 적지만, 여전히 높은 계산량이 요구된다.

안테나의 개수나 성상도의 크기가 증가함에 따라 복잡도가 증가하게 되거나 높은 계산량이 요구하게 되면, 전력 소모가 많아지게 되고, 이는 곧 이동단말기의 배터리 수명을 단축시키는 문제점으로 되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 성상도의 크기가 커져도 그 복잡도가 높아지지 않고, 송수신 안테나의 개수가 많아져도 미미하게 계산량이 증가하는 Zero forcing (ZF) 및 minimum mean squared error (MMSE)의 선형 신호 검출기법들을 선택적으로 사용하는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템 및 이를 이용한 송신신호 검출방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 낮은 연산량을 요구하고 성상도의 크기에 관계없는 연산량을 요구하는 것으로 알려진 ZF 및 MMSE 수신기술을 기반으로 한다.

특히, modulation coding scheme (MCS) 레벨에 따라 성상도가 바뀜에 따라 적응으로 ZF와 MMSE를 사용하여 추가적으로 연산 량과 이에 따른 계산전력을 감소한다.

보다 구체적으로, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템은 복수개의 송신 안테나가 연결된 송신기와 상기 각 송신 안테나의 송신신호를 받도록 복수개의 수신 안테나가 연결된 수신기를 포함하여 구성된 다중 송수신 시스템에 있어서, 상기 송신기는, 송신데이터를 입력받아 스크램블링(scrambling), 오류 정정 부호화(error correction coding) 및 인터리빙(interleaving) 등의 신호 처리를 행하는 송신단 신호처리부와; 상기 송신단 신호처리부에서 출력된 신호를 입력받아 특정 변조방식에 따라 심볼로 변환하여 출 력하는 심볼매핑부와; 상기 심볼매핑부에서 출력되는 고속의 심볼들을 상기 복수개의 송신 안테나 수에 따라 저속 레이어(layer)로 나누어 상기 각 송신 안테나로 동시 전송하는 역다중화부를 포함하여 구성되고, 상기 수신기는, 상기 복수개의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호를 이용해 채널 추정을 수행하고, 추정된 채널정보는 상기 송신기로 피드백시키는 채널추정부와; 상기 채널추정부에서 추정된 채널정보와 상기 채널추정부가 피드백시킨 채널정보를 기반으로 선택된 MCS 레벨정보를 사용하여 송신신호를 검출하는 적응선형검출부와; 상기 적응선형검출부에서 출력된 신호를 입력받아 상기 수신기의 상기 역다중화부 및 상기 송신단 신호처리부와 각각 역기능을 하며 채널복호를 수행하는 다중화부와 수신단 신호처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 의한 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용한 송신신호 검출방법은, 상기 적응선형검출부는 상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 작은 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 MMSE 선형검출기법으로 송신신호를 검출하고, 상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 큰 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 ZF 선형검출기법으로 송신신호를 검출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 성상도가 작은 변조방식은 상기 심볼매핑부에서 변환된 심벌(캐리어)의 갯수가 16개 미만인 경우(예: QPSK)이고, 상기 성상도가 큰 변조방식은 상기 심볼매핑부에서 변환된 심벌(캐리어)의 갯수가 16개 이상인 경우(예: 16-QAM 또는 64-QAM)를 말하는 것을 본 발명에 의한 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용한 송신신호 검출방법의 다른 특징으로 한다.

본 발명은 공간다중화 MIMO 시스템의 수신부에서 MCS 레벨에 따른 선형 수신기법을 적응으로 사용함으로써, 적응이지 않는 수신기에 비해 성능열화는 미미하면서 계산량을 줄여 계산 전력을 감소시킨 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 아래에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공간 다중화(Spatial Multiplexing, SM) 방식을 사용하는 다중 송수신(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 시스템에서의 송신 신호 검출 방법 및 수신기에 대하여 첨부된 도면을 참조 하며 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 송신기(100) 및 수신기(200)를 도시한 구조도이다.

본 발명의 실시예에 따른 송신기(100) 및 수신기(200)는 서로 다른 개수의 송수신 안테나를 가질 수 있으나, 이하 설명의 편의를 위하여 송신기(100)는 4개의 송신 안테나를 가지며, 수신기(200)도 4개의 수신 안테나를 갖는 MIMO 시스템을 이용하여 송수신기의 구조를 설명한다.

도 1을 참조하면, 송신기(100)는 신호 처리부(110), 심볼 매핑부(120) 및 역다중화부(130)를 포함한다.

신호 처리부(110)는 송신 데이터에 대하여 스크램블링(scrambling), 오류 정정 부호화(error correction coding), 인터리빙(interleaving) 등의 신호 처리를 수행하여 출력한다. 이때, 신호 처리부(110)에 입력되는 송신 데이터는 매체 접속 제어(Medium Access Control, MAC) 계층에서 물리 계층으로 전달된 이진 데이터를 의미한다.

심볼 매핑부(120)는 신호 처리부(110)에서 신호처리 되어 출력되는 송신 데이터에 변조 방식에 따라 심볼로 변환하여 출력한다.

역다중화부(130)는 심볼 매핑부(120)에서 출력되는 고속의 심볼들을 송신 안테나 수에 따라 4개의 저속 레이어(layer)로 나누어 출력하고, 출력된 4개의 저속 레이어는 각각의 송신 안테나를 통해 동시에 전송된다. 여기서, 레이어는 데이터 스트림(stream)을 의미한다.

수신기(200)는 채널 추정부(210), 적응 신호검출부(220) 다중화부(230) 및 신호 처리부(240)를 포함한다.

채널 추정부(210)는 수신 안테나를 통해 수신되는 신호를 이용해 채널 추정을 수행한다. 이렇게 추정된 채널의 정보는 특정한 채널정보 피드백 기법(400)을 사용하여 송신기(100)로 전달된다. 송신기에서는 이렇게 피트백 받은 채널정보를 기반으로 알맞은 MCS 레벨을 선택하여 수신기(200)와 MCS 레벨 정보를 공유(300)한다.

적응 선형 신호검출부(220)는 추정된 채널정보 및 MCS 레벨정보를 사용하여 송신신호를 검출한다.

다중화부(230) 및 신호 처리부(240)는 송신기(100)의 역다중화부(130) 및 신호 처리부(110)의 역 기능을 수행하며, 채널 복호를 수행하고 송신 신호를 검출한다.

본 명세서에서는 채널 추정부(210)를 새롭게 제안하지 않으므로 고성능 채널 추정기를 사용해 실제 채널과 추정된 채널의 정보가 거의 유사하다고 가정한다.

따라서, 지금부터 사용되는 Ｈ는 실제 채널뿐만 아니라 추정된 채널정보도 동시에 나타낸다고 가정한다.

송신 안테나가 4개이고 수신 안테나가 4개일 때 송수신신호의 관계는 아래 수학식 1과 같이 표현된다.

[수학식 1]

여기서, ｘ_i, i = 1, 2, 3, 4는 i번째 송신안테나로부터 송신된 신호를 나타내고, ｙ_j, j = 1, 2, 3, 4는 j번째 수신 안테나에서 수신된 신호를 나타낸다.

그리고, ｈ_ji, j = 1, 2, 3, 4, i = 1, 2, 3, 4는 i번째 송신 안테나와 j번째 수신 안테나 사이의 채널 이득을 나타낸다.

잡음 ｚ_j~ CN(0, σ_z ²), j = 1, 2, 3, 4은 환형 대칭 백색 가우시안 잡음이라고 가정한다.

본 실시예에서 송신신호 ｘ_i, i = 1, 2, 3, 4는 QPSK, 16-QAM, 64-QAM 등으로 변조된 심볼이라고 가정한다.

위의 송수신 신호관계를 가정할 때, zero forcing (ZF) 기법은 수학식 2와 같 은 가중치 행렬을 갖는다.

[수학식 2]

상기 pseudo 역행렬은 Ｈ가 정방행렬이 아닐 때 이고, 정방행렬의 경우에는 아래 수학식 3과 같게 된다.

[수학식 3]

한편, minimum mean squared error (MMSE) 기법은 수학식 4와 같은 가중치 행렬을 갖는다.

[수학식 4]

수학식 2 및 수학식 4에서,

는 Ｈ의 Hermitian transpose이다. MMSE의 경우 잡음에 대한 사전정보인 σ_z ²가 사용됨을 볼 수 있다.

일반적으로 ZF에 비해 MMSE가 우월한 성능을 보이는데, 이는 채널 이득행렬의 condition number가 클 경우 가중치를 곱할 때 발생하는 잡음증폭이 MMSE의 경우가 ZF에 비해 적기 때문이다.

따라서, SNR이 낮아 잡음의 크기가 클 때, MMSE와 ZF의 성능 차이가 크고, SNR이 높아 잡음의 크기가 작을 때는 두 가지 기법의 성능이 유사하게 된다.

그러나 이러한 상대적인 성능은 성상도의 크기에 따라 달라지게 된다. 성상점에 따른 상대적인 성능을 관찰하기 위해 하기 표 1에 있는 모의실험환경에서 비교한다.

[표 1] 모의실험 환경

System model	4x4 MIMO systems (spatial multiplexing)
채널모델	i.i.d. Rayleigh fading channels
채널추정	Ideal CSI at Rx
변조방식	QPSK 및 16-QAM

도 3 및 도 4에서 관찰할 수 있듯이 QPSK를 사용할 경우에는 ZF과 MMSE의 SNR차이가 오류율에 관계없이 큰 값으로 유지되고, 16-QAM을 사용할 경우에는 SNR이 높아지면서 두 가지 검출기법의 성능차이가 매우 미미함을 알 수 있다.

하기 표 2 및 표 3은 ZF 및 MMSE 검출기의 복잡도를 나타낸다. 표 2와 표 3의 비교를 통해 ZF 검출기의 복잡도가 MMSE 검출기의 복잡도에 비해 매우 낮다는 것을 알 수 있다.

[표 2] ZF 복잡도

동작	곱셈	나눗셈
Ｈ ^-1	136	8
Ｗ _ZF ｙ	64	0
Total	200	8

[표 3] MMSE 복잡도

동작	곱셈	나눗셈
A=Ｈ ^ＨＨ+σI	104	0
B=A ^-1	136	8
Ｗ _MMSE=BＨ ^Ｈ	192	0
Ｗ _MMSE ｙ	64	0
Total	496	8

상기와 같은 상대적인 복잡도 및 성상도에 따는 성능차이를 기반으로, MCS 레벨정보를 송신기와 수신기가 서로 공유하도록 하고, 수신기의 적응선형검출부에서 이를 판단하여, 상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 작은 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 MMSE 선형검출기법으로 송신신호를 검출하고, 상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 큰 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 ZF 선형검출기법으로 송신신호를 검출하게 함으로써, 적응이지 않는 수신기에 비해 성능열화는 미미하면서 계산량을 줄여 계산 전력을 감소시켜, 결과적으로 이동단말기의 배터리의 수명을 연장할 수 있다.

즉, 본 실시예에 의한 적응선형검출부(220)는 MCS 레벨정보를 입력받아 이것이 변환된 심벌(캐리어)의 갯수(성상도 복소평면상에 캐리어 신호를 나타내는 점의 갯수)가 16개 이상에 해당되는지 여부를 판단하여, 심벌(캐리어)의 갯수가 16개 이상으로 성상도가 큰 변조방식에 의한 것으로 판단된 경우에는 ZF 선형검출기법으로 송신신호를 검출하고, 그렇지 않을 경우에는 성상도가 작은 변조방식에 의한 것으로 판단하여 MMSE 선형검출기법으로 송신신호를 검출하게 된다.

보다 구체적으로, 도 2와 같이, 적응선형검출부는 MCS 레벨정보로 변조방식이 성상도가 작은 QPSK 인지 판단하여, QPSK 라면 MMSE 선형검출기법으로 송신신호를 검출하고, 그렇지 않다면, 예컨대 성상도가 큰 변조방식인 16-QAM 또는 64-QAM이라면 ZF 선형검출기법으로 송신신호를 검출하게 된다.

이렇게 함으로써, QPSK를 사용할 경우에는 복잡한 MMSE 검출기를 사용하여 성능이득을 달성하고, QPSK 보다 큰 16-QAM/64-QAM 등이 사용될 경우에는 간단하지 만 성능열화가 미미한 ZF 검출기를 사용하여 사용 계산전력을 감소시킬 수 있게 된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 하기 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 한 상기 실시예에 기초한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기 및 수신기를 도시한 전체적인 구조도이다.

도 2는 본 발명의 적응선형검출부의 일 동작관계를 보여주는 순서도이다.

도 3 및 도 4는 성상도에 따는 ZF 및 MMSE 검출기의 상대적인 오류성능을 나타낸 시뮬레이션 결과도이다.

Claims

복수개의 송신 안테나가 연결된 송신기와 상기 각 송신 안테나의 송신신호를 받도록 복수개의 수신 안테나가 연결된 수신기를 포함하여 구성된 다중 송수신 시스템에 있어서,

상기 송신기는,

송신데이터를 입력받아 스크램블링(scrambling), 오류 정정 부호화(error correction coding) 및 인터리빙(interleaving) 등의 신호 처리를 행하는 송신단 신호처리부와;

상기 송신단 신호처리부에서 출력된 신호를 입력받아 특정 변조방식에 따라 심볼로 변환하여 출력하는 심볼매핑부와;

상기 심볼매핑부에서 출력되는 고속의 심볼들을 상기 복수개의 송신 안테나 수에 따라 저속 레이어(layer)로 나누어 상기 각 송신 안테나로 동시 전송하는 역다중화부를 포함하여 구성되고,

상기 수신기는,

상기 복수개의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호를 이용해 채널 추정을 수행하고, 추정된 채널정보는 상기 송신기로 피드백시키는 채널추정부와;

상기 채널추정부에서 추정된 채널정보와 상기 채널추정부가 피드백시킨 채널정보를 기반으로 선택된 MCS 레벨정보를 사용하여 송신신호를 검출하는 적응선형검출부와;

상기 적응선형검출부에서 출력된 신호를 입력받아 상기 수신기의 상기 역다중화부 및 상기 송신단 신호처리부와 각각 역기능을 하며 채널복호를 수행하는 다중화부와 수신단 신호처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템.
제 1 항의 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용하여,

상기 적응선형검출부는 상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 작은 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 MMSE 선형검출기법으로 송신신호를 검출하고,

상기 MCS 레벨정보로부터 성상도가 큰 변조방식인 것으로 판단되는 경우에는 ZF 선형검출기법으로 송신신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용한 송신신호 검출방법.
제 2 항에 있어서,

상기 성상도가 작은 변조방식은 상기 심볼매핑부에서 변환된 심벌(캐리어)의 갯수가 16개 미만인 경우이고,

상기 성상도가 큰 변조방식은 상기 심볼매핑부에서 변환된 심벌(캐리어)의 갯수가 16개 이상인 경우를 말하는 것을 특징으로 하는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용한 송신신호 검출방법.
제 3 항에 있어서,

상기 성상도가 작은 변조방식은 QPSK이고,

상기 성상도가 큰 변조방식은 16-QAM 또는 64-QAM인 것을 특징으로 하는 적응선형검출부를 갖는 다중 송수신 시스템을 이용한 송신신호 검출방법.