KR20110047946A

KR20110047946A - 무선통신시스템에서 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110047946A
Application number: KR1020100013612A
Authority: KR
Inventors: 이유로; 손정보; 이석규
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-05-09

Abstract

본 발명은 무선통신시스템에서 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다중 사용자가 존재하는 무선통신시스템에서 전송 효율을 향상시키기 위한 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 VHT-SIG-D의 detection 성능을 개선할 수 있고, 전송 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 및 훈련 심볼 전송 방법은, 무선통신시스템의 기지국에서 제어 및 훈련 심볼 전송 방법에 있어서, 사운딩(sounding)이나 궤환(feeback)을 이용하여 단말들의 채널 정보를 수집하는 과정과, 상기 수집된 단말별 채널로부터 프리코딩 알고리즘(ZF, MMSE, Sphere encoder등)을 적용한 후에 단말간 잡음을 추정하는 과정과, 상기 단말 간의 상기 잡음 증가로 채널 추정 오류가 증가하여 요구되는 성능을 만족하는 단말이 존재하는 지를 판단하는 과정과, 상기 성능을 만족하는 단말이면 VHT-SIG의 변조 및 코딩 기법을 결정하는 과정과, 상기 결정된 변조 및 코딩 기법을 이용하여 PPDU를 결정하는 과정과, 상기 결정된 PPDU를 이용하여 구성한 프레임을 전송하는 과정을 포함한다.

Description

무선통신시스템에서 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROL AND TRAINING SYMBOL IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 무선통신시스템에서 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 다중 사용자가 존재하는 무선통신시스템에서 전송 효율을 향상시키기 위한 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 무선 통신 시스템에서는 고속의 전송 속도를 갖기 위한 전송 방식들이 논의 되고 있고, 규격화 되고 있다. 무선 랜 시스템에서도 이러한 고속의 전송속도를 갖기 위하여 IEEE 802.11 TGn에서 다중입출력을 갖는 MIMO 시스템이 적용된 최대 600Mbps의 전송속도를 갖는 구조가 규격화 되었다. IEEE 802.11 VHTSG에서는 MAC SAP에서 최대 1Gbps급의 전송 속도를 갖는 시스템에 대한 논의가 되어서, IEEE 802.11 TGac/TGad의 Task Group이 구성되었다. 이러한 고속의 전송 속도를 만족하면서 주파수 효율을 유지하려면 접속점(Access Point : 이하 "AP"라 칭함)과 단말(Station : 이하"STA"라 칭함)은 TGn에서 지원하는 4개보다 많은 스트림을 지원해야 하므로, 많은 수의 안테나가 필요하다. STA 측면에서는 STA의 복잡도 또는 전력소모를 고려해 볼 때 많은 수의 안테나를 지원하는 것이 어려우며, 따라서 AP가 동시에 다수의 STA들에게 전송하는 Multi-user MIMO를 고려한다.

도 1은 다중 사용자 MIMO에서 STA간의 간섭 발생에 관한 개념도이다.

도 1에서는 Multi-user MIMO를 지원하면서 TGn과 같은 전송 방식을 유지하는 경우에는 동시에 전송하는 STA들간에 간섭이 발생한다. 또한 각 STA들은 STA별로 채널 상태나 간섭 정도에 따라서 수신 SINR이 다르다. 그러나 현재 고려되는 프레임 구조는 LTF의 수는 스트림 수에 의하여 그 수가 결정되고, SIG는 최소 전송 속도로 그 변조 및 코딩 방법(Modulation and Coding Scheme : 이하 "MCS"라 칭함)이 결정된다. 11n에서는 11a/g와 backward compatibility를 제공하기 위한 mixed PPDU format이 있고, 11n만 지원하는 green field format이 있다. 각 STA들은 프레임의 signal field에 포함되어 있는 MCS와 length 정보로 NAV (TXOP)정보를 세팅한다. Multi-user MIMO를 적용하는 경우에는 빔포밍 된 프레임이 각 STA들로 수신되므로, signal field의 MCS와 length 정보를 제대로 검출할 수 없는 STA들이 발생하여 hidden node 문제를 더 심각하게 한다.

따라서 본 발명에서는 VHT-SIG-D의 detection 성능을 개선할 수 있다.

또한 본 발명에서는 전송 효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 및 훈련 심볼 전송 방법은, 무선통신시스템의 기지국에서 제어 및 훈련 심볼 전송 방법에 있어서, 사운딩(sounding)이나 궤환(feeback)을 이용하여 단말들의 채널 정보를 수집하는 과정과, 상기 수집된 단말별 채널로부터 프리코딩 알고리즘(ZF, MMSE, Sphere encoder등)을 적용한 후에 단말간 잡음을 추정하는 과정과, 상기 단말 간의 상기 잡음 증가로 채널 추정 오류가 증가하여 요구되는 성능을 만족하는 단말이 존재하는 지를 판단하는 과정과, 상기 성능을 만족하는 단말이면 VHT-SIG의 변조 및 코딩 기법을 결정하는 과정과, 상기 결정된 변조 및 코딩 기법을 이용하여 PPDU를 결정하는 과정과, 상기 결정된 PPDU를 이용하여 구성한 프레임을 전송하는 과정을 포함한다.

본 발명의 제어 및 훈련 심볼 전송 장치 및 방법은 채널 상태가 좋지 않은 STA은 LTF의 길이를 늘이고(반복), VHT-SIG-D에 낮은 MCS를 적용하거나 VHT-SIG-D의 심볼들을 반복하여 VHT-SIG-D의 detection 성능을 개선할 수 있고, 채널 상태가 우수한 STA은 VHT-SIG-D를 1개 이상의 스트림으로 전송하고, 높은 MCS를 사용하여 VHT-SIG-D가 차지하는 심볼수를 줄여서 전송 효율을 높일 수 있다. 또한 STA간에 LTF를 coodination하여 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있고 Green-field format에서 beamforming에 의한 hidden node 문제를 피할 수 있다.

도 1은 다중 사용자 MIMO에서 STA간의 간섭 발생에 관한 개념도,
도 2는 모드 a에서 11a/g/n/VHT mixed 모드에서 PPDU 포맷의 구성도,
도 3은 모드 a에서 11n/VHT mixed 모드에서 PPDU 포맷의 구성도,
도 4는 모드 a에서 VHT green-field 모드에서 PPDU 포맷의 구성도,
도 5는 모드 b에서 11a/g/n/VHT mixed 모드에서 PPDU 포맷의 구성도,
도 6은 모드 b에서 VHT green-field 모드에서 PPDU 포맷의 구성도,
도 7a 내지 도 7d는 LTF coordination하는 방식의 예시,
도 8은 PPDU 포맷의 결정을 위한 흐름도.

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.

Multi-user MIMO의 송수신 신호는 <수학식 1>과 같다.

여기서, y는 수신 신호이고, H는 채널이고, W는 송신단의 precoding matrix이고, p는 training sequence값이며, n은 noise이다. 만일, STA간에 간섭을 Nulling하는 ZF precoding방식을 사용한다면, 이상적인 환경에서는 STA간에 간섭이 없다. 그러나 MMSE precoding과 같은 방식을 적용하는 경우에는 STA간에 간섭이 발생한다. 2개의 스트림을 전송하는 AP와 각각 1개의 스트림을 수신하는 2개의 STA이 있다고 하면, Multi-user MIMO에서 Training sequence의 송수신 신호는 <수학식 2>와 같다.

여기서, STA 1과 STA 2의 채널 추정은 각각 <수학식 3>과 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

따라서 간섭이 존재하며, 이러한 간섭은 채널의 상관 정도에 따라서 오류가 심해진다. 오류를 줄이기 위해서는 LTF를 반복하여 길이를 증가시키거나, SIG의 MCS를 낮추거나 심볼 길이를 증가시키거나, LTF를 분리(coordination)하여 전송하는 방법이 있다. 또한 채널 상태가 우수할 경우에는 MCS를 높여서 overhead를 줄여서 전송하는 방법이 있다.

오류를 줄이는 방법은 프레임에서 차지하는 LTF의 overhead가 증가한다. 따라서 이러한 overhead를 줄이기 위하여 LTF 반복 여부, SIG의 MCS, LTF의 coordination여부를 알려주는 signal field가 필요하다. LTF의 coordination여부는 coordination하는 모든 STA들이 알아야 하므로 특정 빔포밍이 아닌 모든 STA이 수신할 수 있도록 전송해야 한다. 따라서 VHT-SIG의 common control signal과 dedicated control signal로 구분해야 한다.

본 발명에서는 VHT-SIG의 common control signal을 전송하는 Field를 VHT-SIG-C이라고 하고, VHT-SIG의 dedicated control signal을 전송하는 Field를 VHT-SIG-D라고 정의한다. 그리고, LTF를 coordination 하지 않는 STA들을 위한 모드를 mode a라고 하고, LTF를 coordination하는 STA들을 위한 모드를 mode b라고 정의 한다.

AP가 VHT STA이 아닌 11a/g/n STA들을 지원하기 위한 모드를 11a/g/n/VHT mixed mode라고 하고, 11n을 지원하는 모드를 11n/VHT mixed mode라고 하고, 11a/g/n을 지원하지 않은 모드을 green-field 모드라고 한다. 각각의 전송 프레임 포멧을 PPDU format이라고 한다.

도 2 내지 도 4는 Mode a에서 전송 방법에 관한 프레임 포맷의 구성도이다. 도 2는 mode a에서 11a/g/n/VHT mixed mode에서 PPDU 포맷의 구성도이고, 도 3은mode모드 a에서 11n/VHT mixed 모드에서 PPDU 포맷의 구성도이며, 도 4는 Mode a에서 VHT green-field mode에서 PPDU 포맷의 구성도이다.

VHT mixed mode format PPDU의 경우에는 도 2와 도3에서의 HT-SIG후에 바로 VHT-SIG-C가 올 수도 있고(210, 310), VHT 단말이 11n 프레임 포멧을 수신하는 경우에는 단말이 VHT-SIG-C를 detection하기 전에는 그 프레임이 11n 프레임인지, VHT 프레임인지 알수 없으므로 VHT-SIG-C의 심볼 위치에 AGC를 위한 HT-STF가 올 수 있음을 고려하여 HT-SIG후에 VHT-STF 심볼을 송신하고, 그 다음에 VHT-SIG-C가 올 수도 있다(220, 320). 또한 VHT-STF를 통하여 AGC를 수행한 경우에는 VHT-SIG-C의 복조 성능을 위하여 VHT-STF와 VHT-LTF를 전송한 후에 VHT-SIG-C를 전송할 수 있다(230, 330). 또한 도2에서 240과 같이 L-SIG후에 HT-SIG없이 VHT-SIG-C를 바로 전송할 수 있다. 이 이외에도 다양한 PPDU format을 가질 수 있다.

Green-field PPDU format은 도4의 410과 같이 모든 STA이 수신할 수 있는 VHT-SIG-C를 통하여 VHT-STF와 VHT-LTF1, VHT-SIG-D와 VHT-LTF2의 정보를 전달한다. 또는 420과 같이 VHT-SIG-C 이후에 AGC가 필요 없는 경우에 VHT-LTF1이 전송된다.

도 5와 6은 LTF를 coordination하는 STA들을 위한 mode b에서 mixed mode format PPDU와 green-field format PPDU에 대한 것이다. 도 5는 mode b에서 11a/g/n/VHT mixed 모드에서 PPDU 포맷의 구성도이며, 도 6은 mode b에서 VHT green-field 모드에서 PPDU 포맷의 구성도이다.

도 5에서 510, 520, 530, 540은 도2의 Mode a에서 3가지 경우와 동일하다. STA간 coordination은 K개의 동시 전송하는 STA들 중에 모두 할 수도 있고, STA a부터 STA b까지와 같이 필요한 수만큼 할 수 있다. 도 5 510에서는 STA 2부터 STA K를 coordination을 한 경우이다. VHT-SIG-D의 위치는 VHT-SIG-C와 Data Field사이에 임의의 위치에 위치할 수 있으며, VHT-SIG-C의 정보를 통하여 위치를 지정할 수도 있다. 520, 530, 540도 510과과 동일한 방식으로 STA들을 coordination할 수 있다.

도 6에서 610, 620은 도3의 Mode a에서 3가지 경우와 동일하다. STA간 coordination은 K개의 동시 전송하는 STA들 중에 모두 할 수도 있고, STA a부터 STA b까지와 같이 필요한 수만큼 할 수 있다. 도 6의 610에서는 STA 2부터 STA K를 coordination을 한 경우이다. 620도 610과 동일한 방식으로 STA들을 coordination할 수 있다. VHT-SIG-D의 위치는 VHT-SIG-C와 Data Field사이에 임의의 위치에 위치할 수 있으며, VHT-SIG-C의 정보를 통하여 위치를 지정할 수도 있다.

다음은 signal field에 포함되는 control message의 예이다.

모든 STA들이 동일한 정보를 수신하는 VHT-SIG1 (common control signal, VHT-SIG-C)에 포함되는 정보는 다음과 같다. VHT-SIG1(VHT-SIG-C)에는 다음과 같은 정보를 포함한다.

Mode a: LTF coordination하지 않는 STA : STA별 정보가 필요

■ VHT-LTF1의 심볼수, repetition여부

■ VHT-LTF2의 심볼수 (VHT-SIG2(VHT-SIG-D)에 포함도 가능함)

■ VHT-SIG2(VHT-SIG-D)의 MCS

■ VHT-SIG2(VHT-SIG-D)의 심볼수, repetition여부

Mode b: LTF coordination을 하는 STA

- LTF coordination하는 STA index

- LTF coordination 방법

- VHT-LTF1의 심볼수, repetition 여부

- VHT-LTF2의 심볼수 (VHT-SIG2(VHT-SIG-D)에 포함도 가능함)

- VHT-SIG2(VHT-SIG-D)의 MCS

- VHT-SIG2(VHT-SIG-D)의 심볼수, repetition여부

Green-field mode의 경우에는 빔포밍에 의한 Hidden node 문제를 피하기 위하고, 빔포밍을 사용하지 않는 STA의 경우를 위하여 추가로 다음과 같은 정보를 포함한다.

- MCS, Length

- VHT-STF2 사용 여부

STA들이 각각 다른 정보를 수신하는 VHT-SIG2(VHT-SIG-D)에는 다음과 같은 정보를 포함한다.

- MCS, BW, Length, aggregation, Short GI등 STA의 데이터 영역을 위한 정보

- VHT-SIG1에 포함되어 있는 정보중에 VHT-LTF2의 구조는 VHT-SIG2에 포함시킬 수 있음.

LTF를 coordination하는 방식은 시간, 주파수, 코드 영역의 coordination에 따라서 다음과 같은 방식들이 있을 수 있다.

- Mode b-1: 시간 영역 coordination

- Mode b-2: 주파수 영역 coordination

- Mode b-3: 시간, 코드 영역 coordination

- Mode b-4: 코드, 주파수 영역 coordination

도 7a 내지 도 7d는 LTF를 coordination하는 방법의 예시이다.

도 7a 내지 도 7d는 4개의 STA이 동시에 전송하고, 각 STA이 1개의 스트림을 수신하는 경우이다. 각 STA이 n개의 스트림을 수신하는 경우는 각 STA에 해당되는 LTF를 N개로 확장하고, 이를 STA별로 coordination하면 되므로, 한 개의 스트림의 경우로부터 용이하게 유추할 수 있다. Mode b-1부터 Mode b-4의 조합 이외에 이들 Mode들의 조합들로부터 새로운 LTF coordination방식을 구성할 수 있으며, 이러한 구성은 기존 Mode들로부터 용이하게 유추할 수 있다. 도 7a는 Mode b-1이고 도 7b는 Mode b-2이다. 또한 도 7c는 Mode b-3이고 도 7d는 Mode b-4이다.

도 8은 PPDU 포멧 결정을 위한 흐름도이다.

810 단계에서 AP에서 sounding이나 feeback을 통하여 STA들의 채널 정보를 수집한다. 820 단계에서 수집된 STA별 채널로부터 AP는 프리코딩 알고리즘(ZF, MMSE, Sphere encoder등)을 적용한 후에 STA간 간섭(interference)을 추정한다. 830 단계에서 STA간 간섭 증가로 채널 추정 오류가 증가하여 요구되는 성능을 만족하지 못하는 STA은 LTF coordination을 하고, 요구되는 성능을 만족하는 STA은 LTF coordination을 하지 않는다. 840 단계에서 VHT-LTF를 coordination 하지 않는 경우에는 Mode a로 동작하며, 이 경우에는 추정된 STA의 SINR을 이용하여 VHT-SIG-D의 MCS를 결정한다. 추정된 SINR이 높으면 VHT-SIG-D에 BPSK 대신에 더 높은 MCS를 적용하고, 추정된 SINR이 낮으면 가장 낮은 MCS를 전송한다.

850단계에서 VHT-LTF를 coordination 하는 경우에는 Mode b로 동작하며, 이 경우에는 AP가 coordination하는 STA들의 mobility, delay spread, SINR 정보등을 이용하여 적절한 coordination mode를 선택할 수 있다. 예를 들어, delay spread가 큰 경우에는 Mode b-3를 적용하고, delay spread가 작은 경우에는 Mode b-4를 적용한다. 그리고, SNR이 낮고, delay spread가 큰 경우에는 동시 전송 사용자 수를 줄이고, Mode b-3를 적용하여 despreading에 의한 이득을 얻을 수 있다. 860 단계에서 LTF를 coordination하는 경우에는 채널 추정 성능을 추가로 향상시키기 위하여 LTF를 repetition할 수 있다. 또한 VHT-SIG-D를 반복하여 dedicated control signal의 detection 확률을 높일 수 있다. 870 단계에서 결정된 Mode에 따라서 PPDU format을 구성하여 전송한다.

또한 도 2에서와 같이 Mode a에서 11a/g/n/VHT mixed mode에서 수신단은 다음과 같이 동작한다.

1)L-STF를 통하여 Carrier sensing, AGC, timing sync., coarse frequency offset estimation을 수행한다.

2) L-LTF를 통하여 fine frequency offset estimation과 채널 추정을 수행한다.

3) L-LTF를 이용한 채널 추정값을 이용하여 L-SIG를 복조한다.

4) HT-SIG를 detection하는 방법(BPSK phase rotation)을 이용하여 HT-SIG를 detection하고 L-LTF의 채널 추정값을 이용하여 복조한다. 이상의 동작은 210 내지 240에서 동일하게 수행되며 210, 220,230,240의 각각의 특징은 아래와 같다.

<210의 경우>

5) VHT-SIG-C를 detection하는 방법(BPSK phase rotation)을 이용하여 VHT-SIG-C를 detection 하고, L-LTF의 채널 추정값을 이용하여 복조한다.

6) VHT-STF를 이용하여 Beamforming된 multi-user MIMO신호의 AGC를 수행한다.

7) VHT-SIG-C의 VHT-LTF의 구조에 대한 정보를 이용하여 VHT-LTF를 통하여 Multi-user MIMO 채널을 추정한다.

8) VHT-SIG-C가 지시하는 VHT-SIG-D에 대한 정보와 VHT-LTF를 이용한 채널 추정값으로부터 VHT-SIG-D를 복조한다.

9) VHT-SIG-D의 데이터에 대한 정보를 이용하여 데이터를 복조한다.

<220의 경우>

5) VHT-STF를 이용하여 AGC를 수행한다.

6) VHT-SIG-C를 detection하는 방법(BPSK phase rotation)을 이용하여 VHT-SIG-C를 detection 하고, L-LTF의 채널 추정값을 이용하여 복조한다.

7) VHT-STF를 이용하여 Beamforming된 multi-user MIMO신호의 AGC를 수행한다.

8) VHT-SIG-C의 VHT-LTF의 구조에 대한 정보를 이용하여 VHT-LTF를 통하여 Multi-user MIMO 채널을 추정한다.

9) VHT-SIG-C가 지시하는 VHT-SIG-D에 대한 정보와 VHT-LTF를 이용한 채널 추정값으로부터 VHT-SIG-D를 복조한다.

10) VHT-SIG-D의 데이터에 대한 정보를 이용하여 데이터를 복조한다.

<230의 경우>

5) VHT-STF를 이용하여 AGC를 수행한다.

6) VHT-LTF를 이용하여 채널 추정을 수행한다.

7) VHT-SIG-C를 detection하는 방법(BPSK phase rotation)을 이용하여 VHT-SIG-C를 detection 하고, VHT-LTF의 채널 추정값을 이용하여 복조한다.

8) VHT-STF를 이용하여 Beamforming된 multi-user MIMO신호의 AGC를 수행한다.

9) VHT-SIG-C의 VHT-LTF의 구조에 대한 정보를 이용하여 VHT-LTF를 통하여 Multi-user MIMO 채널을 추정한다.

10) VHT-SIG-C가 지시하는 VHT-SIG-D에 대한 정보와 VHT-LTF를 이용한 채널 추정값으로부터 VHT-SIG-D를 복조한다.

11) VHT-SIG-D의 데이터에 대한 정보를 이용하여 데이터를 복조한다.

<240의 경우>

4) VHT-SIG-C를 detection하는 방법(BPSK phase rotation)을 이용하여 VHT-SIG-C를 detection 하고, L-LTF의 채널 추정값을 이용하여 복조한다.

5) VHT-STF를 이용하여 Beamforming된 multi-user MIMO신호의 AGC를 수행한다.

6) VHT-SIG-C의 VHT-LTF의 구조에 대한 정보를 이용하여 VHT-LTF를 통하여 Multi-user MIMO 채널을 추정한다.

7) VHT-SIG-C가 지시하는 VHT-SIG-D에 대한 정보와 VHT-LTF를 이용한 채널 추정값으로 부터 VHT-SIG-D를 복조한다.

8) VHT-SIG-D의 데이터에 대한 정보를 이용하여 데이터를 복조한다.

Mode a에서 11n/VHT mixed mode/ VHT Greenfield mode와 mode b에서의 mixed mode와 Greenfield mode의 수신방식은 위의 동작 구조로부터 용이하게 구성할 수 있다.

Claims

무선통신시스템의 기지국에서 제어 및 훈련 심볼 전송 방법에 있어서,
사운딩(sounding)이나 궤환(feeback)을 이용하여 단말들의 채널 정보를 수집하는 과정과,
상기 수집된 단말별 채널로부터 프리코딩 알고리즘(ZF, MMSE, Sphere encoder등)을 적용한 후에 단말간 잡음을 추정하는 과정과,
상기 단말 간의 상기 잡음 증가로 채널 추정 오류가 증가하여 요구되는 성능을 만족하는 단말이 존재하는 지를 판단하는 과정과,
상기 성능을 만족하는 단말이면 VHT-SIG의 변조 및 코딩 기법을 결정하는 과정과,
상기 결정된 변조 및 코딩 기법을 이용하여 PPDU를 결정하는 과정과,
상기 결정된 PPDU를 이용하여 구성한 프레임을 전송하는 과정을 포함하는 제어 및 훈련 심볼 전송 방법.