KR20110075485A - 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 신호 송신방법은, 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 입출력 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 방법에 있어서, (a) 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 단계, (b) 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 단계, (c) 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 단계, (d) 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계를 포함한다.
HARQ, MIMO, 비트열, 인터리빙, 코딩레이트, 네트워크 부호화

Description

신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING SIGNALS, METHOD FOR RECEIVING, METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNALS}
본 발명은 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다수개의 송신 안테나들과 다수개의 수신 안테나들을 구비하여 적용하는 다중 입출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭하기로 한다) 방식은, 네트워크 부호(Network Coding)가 적용되지 않은 BICM(Bit-Interleaved Coded Modulation)에서 이용된다. 종래기술의 송신단 구조는 다음과 같다.
여기서, 네트워크 코딩(Network Coding)은 통신망을 통하여 전송되는 정보의 부호화를 발신지와 목적지에서뿐 아니라 네트워크상의 중간 노드들에서도 수행하는 방법을 의미한다. 네트워크 코딩은 유선망에서의 멀티캐스트 수율(Throughput)의 향상을 위하여 처음 제안되었으나 현재는 보다 가시적인 효과를 얻을 수 있는 무선망에의 활용에 대한 관심이 증대되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 송신단의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 송신단은, 디먹스(10), 제1 부호화기(20a, 20b), 인터리버(30), 제2 부호화기(40a, 40b), 송신 안테나(50a, 50b)를 포함한다. 이와 같이 구성된 송신단은, HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request) 방식을 사용한다.
ARQ(Automatic Repeat Request) 기법은 수신 패킷(Packet)에 오류가 발생하는 경우 송신단에 부가 데이터의 재전송을 요청하여 이를 수정하는 기법이다. 또한, ARQ 기법은 네트워크 프로토콜의 2계층인 데이터 링크 계층에서 널리 사용되는 기법이다. 반면, HARQ는 ARQ 기법을 물리 계층의 채널 코딩과 결합한 기술로서, 전송 채널의 동작 SNR을 낮출 수 있는 장점이 있다. 이러한 HARQ 방식은 채널 오류를 제어하는 하나의 방식으로 길쌈부호와 같은 오류정정부호의 천공된 부호 비트를 이용한다.
도 2는 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 부호화기를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 부호화기는, 와이브로(WiBro)에 적용된 레지스터(register)가 6개(21 내지 26)인 길쌈부호의 부호화기이다.
이와 같은 부호화기를 이용하여 1/2 코딩 레이트(coding rate)로 부호화 과정을 수행한다. 이때, X, Y출력은 이진 합의 값으로서, 각각 주어진 시간에 하나씩 출력된다. 이와 같이 시간에 따른 X, Y출력에 대하여 아래 표 1에 나타내었다.
[표 1]은 부호비트를 생성하는 순서를 나태는 것으로서, 표 1에 정의된 천공순서로 부호화 비트를 천공하여 높은 코딩 레이트(coding rate)의 부호 비트를 생성한다.
[표 1]
coding rate 1/2 2/3 3/4 5/6
X 1 10 101 10101
Y 1 11 110 11010
XY X1Y1 X1Y1Y2 X1Y1Y2X3 X1Y1Y2X3Y4Y5
도 3은 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식을 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식은, 우선 천공된 부호 비트를 송신단에서 저장하고, 송신단이 수신단으로부터 HARQ-NACK 신호를 수신하면, 송신단은 천공된 비트열의 일정부분과 특정 데이터를 수신단에 다시 송신한다. 즉, 송신단은 기 전송된 신호의 천공된 신호열과 특정 신호열을 재송신한다. 그런 다음, 수신단은 이전에 받은 신호와 새롭게 수신한 신호를 결합하여, 다시 오류정정부호의 복호화 과정을 거쳐 수신신호의 신뢰도(reliability)를 향상시킨다.
이와 같이, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식은, 여러 번의 재전송으로 수신신호의 신뢰도를 비약적으로 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식은, 재전송으로 인한 전체 시스템의 용량(Capacity) 저하를 발생시킨다. 즉, 이 방식은 새로운 데이터를 전송하는 대신에 이전에 전송한 데이터의 신뢰도 향상을 위한 부가적인 데이터를 전송해야 하므로, 다중 입출력 시스템의 용량이 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식은, 수신된 비트열에 오류가 존재하는 경우 수신단은 송신단에 증분 리던던시(Incremental redundancy)의 재전송을 요청한다. 이때, 송신단은 이전의 천공된 비트열을 저장하고, 이중 특정 부분을 최대 3번까지 재 전송한다. 그러므로, 송신단은 이전의 전송된 부호화된 비트열의 천공된 부분을 모두 저장하고 있어야 한다. 또한, 새로운 데이터를 전송하여야 할 시간이나 주파수에 이전데이터의 부가적인 정보를 전송함으로써, 다중 입출력시스템 전체 용량의 저하를 일으킬 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 이전데이터의 정보를 재전송함으로써 송신단의 스케쥴링(scheduling)이 복잡해진다는 문제점이 있다.
본 발명은, 네트워크 부호를 다중 입출력 시스템(MIMO)의 BICM(bit-interleaved coded modulation)에 적용하는 것에 의하여, 송신측에 부가적으로 재전송 요구없이 다른 레이어에 증분 리던던시에 대한 정보를 요청하여 HARQ를 수행할 수 있고, 따라서 다중 입출력 시스템 전체 용량을 증가시킬 수 있는 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 다른 레이어로 부터의 증분 리던던시에 대한 정보를 이용하는 것에 의하여, 복호 성능을 향상시킬 수 있고, 따라서 수신된 데이터의 신뢰도를 높일 수 있는 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 일정한 BER을 요구하는 다중 입출력 시스템의 경우, 부호율를 증가시켜 데이터 전송 속도를 더욱 개선시킬 수 있는 신호 송신방법 및 신호 송신장치, 신호 수신방법 및 신호 송수신방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법은, 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 방법에 있어서, (a) 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 단계, (b) 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 단계, (c) 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 단계, (d) 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계를 포함한다.
(c) 단계는, 다수의 레이어는 n개이고, n번째 레이어의 천공된 비트열의 그룹들을 첫번째 레이어부터 n-1번째 레이어까지 두 개의 그룹씩 네트워크 부호화하고, 두번째 레이어의 천공된 비트열이 네트워크 부호화되는 때 종료된다.
(c) 단계는, (c-1) 어느 하나의 레이어를 낮은 코딩 레이트로 부호화하는 단계, (c-2) 어느 하나의 레이어를 높은 코딩 레이트로 천공하는 단계, (c-3) 어느 하나의 레이어의 천공된 비트열을 다른 레이어의 비트열과 XOR연산을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신장치는, 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 장치에 있어서, 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 부호화기, 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 인터리버, 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 네트워크 부호화기, 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하는 매퍼, 변조된 비트열을 송신하는 송신 안테나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 신호 수신방법은, 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 방법에 있어서, 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 단계, 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 단계, 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 단계, 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계를 포함하는 신호 송신방법에 의하여 송신된 신호를 수신하는 방법에 있어서, (a) 송신된 비트를 수신하여 네트워크 복호화하는 단계, (b) 네트워크 복호화가 실패한 레이어에 증분 리던던시(incremental redundancy)를 제공하여 다시 네트워크 복호화하는 단계를 포함한다.
(a) 단계는, (a-1) n번째 레이어의 비트의 LLR(Log Likelihood Ratio)값을 계산하고, 천공된 비트의 LLR값은 0으로 설정하여 복호화하는 단계, (a-2) 복호화 후의 LLR값과 n-1번째 레이어의 비트의 LLR값을 이용하여 소정의 LLR값을 추출하는 단계, (a-3) n-1번째 레이어의 비트의 LLR값, 추출된 소정의 LLR값 및 천공된 비트의 LLR값을 이용하여 n-1 레이어를 복호화하는 단계를 포함하고, 첫번째 레이어가 복호화되는 때 종료된다.
(b) 단계는, (b-1) 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 이전 레이어들에서 계산된 LLR값을 이용하여, 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값을 계산하는 단계, (b-2) 계산된 LLR값을 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값으로 하여 다시 복호화하는 단계를 포함하고, 증분 리던던시는, (b-1)에 의하여 계산된 LLR값이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신호 송수신방법은, 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 신호를 송수신하는 방법에 있어서, (a) 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 이진 비트열을 생성하는 단계, (b) 생성된 이진 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 단계, (c) 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트를 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트와 네트워크 부호화하는 단계, (d) 네트워크 부호화된 비트를 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계, (e) 송신된 비트를 수신하여 네트워크 복호화하는 단계, (f) 네트워크 복호화가 실패한 레이어에 증분 리던던시(incremental redundancy)를 제공하여 다시 네트워크 복호화하는 단계를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 네트워크 부호를 다중 입출력 시스템(MIMO)의 BICM(bit-interleaved coded modulation)에 적용하고 있기 때문에, 송신측에 부가적으로 재전송 요구없이 다른 레이어에 증분 리던던시에 대한 정보를 요청하여 HARQ를 수행할 수 있고, 따라서 다중 입출력 시스템 전체 용량을 증가시 킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 다른 레이어로 부터의 증분 리던던시에 대한 정보를 이용하고 있기 때문에, 복호 성능을 향상시킬 수 있고, 따라서 수신된 데이터의 신뢰도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 일정한 BER을 요구하는 다중 입출력 시스템의 경우, 부호율를 증가시켜 데이터 전송 속도를 더욱 개선시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법을 나타내는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법은, 비트열 생성단계(S100), 랜덤 인터리빙 단계(S200), 네트워크 부호화 단계(S300), 송신단계(S400)로 구성된다.
비트열 생성단계(S100)는, 부호화기에 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성한다. 예를 들면, RCPC 부호(Rate-compatible punctured convolutional code)를 이용하여 각 레이어(layer)의 부호율(이하, 코딩 레이트(coding rate)라 한다.)에 맞춰 부호화하여 얻어진 비트열(Ci)과 천공된 비트열(Pi)을 각각 아래 [수학식 1]과 같이 정의한다.
Figure 112009080788734-PAT00001
[수학식 1]
여기서, C는 부호화된 비트이고, i는 레이어의 수이며, 1≤i≤n의 조건을 만족한다. n은 송신단의 안테나의 개수이고, N은 송신단이 전송하고자 하는 코드워드(codeword)의 길이이다.
첫번째 레이어에는 천동된 비트가 존재하지 않는다고 가정한다.
또한, n>1인 레이어의 천공된 비트를 아래 [수학식 2]와 같이 정의한다.
Figure 112009080788734-PAT00002
[수학식 2]
여기서， Pi 는 천공된 비트열이고, i는　레이어의 수이며, 1≤i≤n의　조건을　만족한다． Ｌi는　i번째 레이어의 천공된 비트의 개수이다.
랜덤 인터리빙 단계(S200)는, 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여
Figure 112009080788734-PAT00003
를 생성하고, 이를 다수의 레이어에 할당한다. 즉, [수학식 2]의 k번째 천공된 비트열은 원소의 개수가 같은 2(k-1)개의 그룹(group)
Figure 112009080788734-PAT00004
으로 분할한다.
네트워크 부호화 단계(S300)는, 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화한다. 네트워크 부호화 단계(S300)는, 다수의 레이어는 n개이고, n번째 레이어의 천공된 비트열의 그룹들을 첫번째 레이어부터 n-1번째 레이어까지 두 개의 그룹씩 네트워크 부호화하고, 두번째 레이어의 천공된 비트열이 네트워크 부호화되는 때 종료된다.
네트워크 부호화 단계(S300)는, 어느 하나의 레이어를 낮은 코딩 레이트로 부호화하는 단계, 어느 하나의 레이어를 높은 코딩 레이트로 천공하는 단계, 어느 하나의 레이어의 천공된 비트열을 다른 레이어의 비트열과 XOR연산을 수행하는 단계를 포함한다.
보다 상세하게 설명하자면, n번째 레이어의 천공의 천공된 비트열의 그룹들을 첫번째 레이어로부터 (n-1)번째 레이어까지 2개의 그룹씩 네트워크 부호화 과정을 수행한다. (n-1)번째 레이어의 천공의 천공된 비트열의 그룹들을 첫번째 레이어로부터 (n-2)번째 레이어까지 2개의 그룹씩 네트워크 부호화 과정을 수행한다. 예를 들면, 특정 레이어를 높은 코딩 레이트로 전송하고자 할 경우, 이 레이어를 먼저 낮은 코딩 레이트로 부호화 과정을 수행한 다음, 높은 코딩 레이트로 천공하여 전송하는 것이다. 이때, 이 과정에서 발생한 천공된 비트열을 다른 레이어의 비트 데이터와 "XOR"연산을 수행하는 것이다.
송신단계(S400)는, 네트워크 부호화된 비트열을 매퍼에 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법을 구현하는 신호 송신장치를 나타내는 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법을 구현하는 신호 송신장치는, 디먹스(100), 부호화기(200a, 200b), 인터리버(300), 네트워크 인코더(400), 매퍼(500a, 500b), 송신 안테나(600a, 600b)를 포함한다. 도 5는 네트워크 부호가 적용된 MIMO-BICM의 구조를 도시한 것이다.
디먹스(Demux)(100)는, 채널 부호화된 부호 비트들이 입력되고, 입력된 부호 비트들이 송신 안테나(600a, 600b) 별로 각각 출력될 수 있는 정보 데이터 비트를 출력한다.
부호화기(Enc)(200a, 200b)는, 일반적으로 컨벌루션 부호(convolutional code)를 생성하기 위하여, 이진(binary)으로 구성된다. 부호화기(200a, 200b)는, 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나(600a, 600b)의 개수에 대응되도록 부호화하여 이진 비트열을 생성한다.
인터리버(random interleaver)(300)는, 부호화기(200a, 200b)로부터 입력되는 이진 비트열 간의 시간적인 상관성을 없애 독립적인 관계를 가지도록 한다. 인터리버(300)는, 부호화기(200a, 200b)에서 생성된 이진 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당한다. 이러한 인터리버를 통하여 부호화기(200a, 200b)에 입력되는 정보 비트는 다이버시티(diversity) 효과를 가지게 된다. 이때, 송신 안 테나의 개수에 대응되도록 생성된 이진 비트열은 다수의 레이어에 각각 할당된다.
네트워크 인코더(network encoder)(400)는, 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화한다. 여기서, 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트
Figure 112009080788734-PAT00005
를 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 부호비트 [c1, c2, ...]와 네트워크 부호화(NC)를 수행한다. 여기서, 네트워크 부호화는 주어진 두 비트 데이터 p 와 c 에 대하여 아래 [수학식 3]과 같이 정의된 연산을 수행하는 것이다.
Figure 112009080788734-PAT00006
[수학식 3]
이와 같은 네트워크 부호화 과정을 코딩레이트가 높은 레이어부터 낮은 레이어까지 순차적으로 안테나의 수에 따른 연산 과정을 수행한다.
매퍼(mapper) (500a, 500b)는, 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조한다. 매퍼(500a, 500b)는, 네트워크 부호화기를 거친 비트 열로부터 정해진 순서에 따라 비트들을 변조 심볼의 크기에 맞추어 결합하고, 매핑법(mapping rule)에 따라 변조 심볼을 원하는 대역에서 변조하는 역할을 한다.
송신 안테나(600a, 600b)는, 변조된 비트열을 송신한다. 즉, 송신안테나는 이에 대응되는 수신안테나로 변조된 비트열을 송신한다.
도 6은 도 4에 의하여 수신된 비트를 복호화하는 수신단의 구조를 나타내는 블록도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입출력 시스템 의 수신단은, 검파기(700), 디매퍼(800), 복호기(900)를 포함한다.
검파기(Detector)(700)는, ML(Maximum Likelihood), ZF(zero-forcing), MMSE(minimum mean squared error)등과 같은 장치를 이용하여 각각의 레이어의 송신비트에 대한 LLR(log-likelihood ratio) 값을 계산한다. 이때, 임의의 비트 c 에 대한 LLR값은 아래의 [수학식 4]와 같이 정의한다.
Figure 112009080788734-PAT00007
[수학식 4]
여기서 y는 수신 신호이다. 또한, 비트 c 가 아래 [수학식 5]와 같이 특정 두 비트의 XOR과 같다라고 가정한다.
Figure 112009080788734-PAT00008
[수학식 5]
또한, C에 대한 LLR값과 C1에 대한 LLR 값이 주어진 경우, C2에 대한 LLR 값은 아래 [수학식 6]으로 계산된다.
Figure 112009080788734-PAT00009
[수학식 6]
을 만족한다.
디매퍼(Demapper)(800)는, 검파기(700)에서 계산된 다수의 레이어에 대한 LLR값을 추출하여 복호기로 출력한다.
복호기(Decorder)(900)는, [수학식 6]에 의하여 두 비트를 "XOR"연산을 연판정(soft decision) 역연산으로 네트워크 복호화한다. 보다 상세하게 설명하자면, 먼저 n번째 레이어의 부호비트의 LLR값을 추출하고 천공된 비트의 LLR값은 0으로 설정하여 복호한다. 이러한 복호과정을 거치면 천공된 비트의 LLR 값이 갱신된다. 그런 다음, 이러한 갱신된 LLR 값과 (n-1)번째 레이어의 네트워크 부호화된 수신된 비트의 LLR 값을 [수학식 6]에 적용하여 필요한 LLR값을 추출한다. 그리고, 수신된 (n-1)번째 레이어의 LLR 값, 추출된 LLR 값 및 천공된 비트의 0으로 설정된 값을 이용하여 (n-1)번째 레이어의 복호를 수행한다. 이러한 과정을 첫번째 레이어까지 반복한다.
만약, k번째 레이어(920)의 복호가 실패할 경우, k번째 레이어(920)는 복호 실패 신호(HARQ-NACK)를 이전 레이어들(910)에 보내고, 이전 레이어 들(910)은 복호 과정에서 얻어진 LLR 값(즉, 증분 리던던시(incremental redundancy))으로 k번째 레이어(920)의 천공된 비트의 LLR 값을 [수학식 6]에 의하여 구하고, 천공된 비트의 LLR 값을 0이 아닌 새롭게 계산된 LLR 값으로 갱신한 다음, 다시 복호한다. 이러한 방법을 통하여 복호 신뢰도를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 시스템의 신호 송수신 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 시스템의 신호 송수신 방법은, 비트열 생성단계(S100), 랜덤 인터리빙 단계(S200), 네트워크 부호화 단계(S300), 송신단계(S400), 수신단계(S500), 네트워크 복호화단계(S600)를 포함한다. 이하에서는, 비트열 생성단계(S100), 랜덤 인터리빙 단계(S200), 네트워크 부호화 단계(S300), 송신단계(S400), 수신단계(S500)에 대한 설명이 도 4 내지 도 6의 설명과 중복되는 것을 피하기 위하여 생략하기로 한다. 또한, 네트워크 복호화단계(S600)는, 도 6의 검파기, 디매퍼, 복호화기에 의하여 수행되는 복호화 과정을 의미한다.
네트워크 복호화 단계(S600)는, 수신된 비트를 네트워크 복호화하는 단계로서, n번째 레이어의 비트의 LLR(Log Likelihood Ratio)값을 계산하고, 천공된 비트의 LLR값은 0으로 설정하여 복호화하는 단계, 복호화 후의 LLR값과 n-1번째 레이어의 비트의 LLR값을 이용하여 소정의 LLR값을 추출하는 단계, n-1번째 레이어의 비트의 LLR값, 추출된 소정의 LLR값 및 천공된 비트의 LLR값을 이용하여 n-1번째 레이어를 복호화하는 단계를 포함한다. 네트워크 복호화 단계(S600)는, 첫번째 레이어가 복호화되는 때 종료된다.
만약, 네트워크 복호화가 실패한 경우(S650), 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 이전 레이어들에서 계산된 LLR값을 이용하여, 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값을 계산하는 단계, 계산된 LLR값을 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값으로 하여 다시 복호화하는 단계(S600)를 거치게 된다. 이때, 증분 리던던시는, 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 이전 레이어들에서 계산된 LLR값이다.
보다 상세하게 설명하자면, 검파기에 의하여 계산된 각 레이어의 LLR 값을 추출하고, 레이어의 천공된 비트에 대한 LLR 값은 0으로 설정한다. 예를 들면, 네트워크 복호화 단계(S600)는, 이러한 각 레이어에 대한 LLR 값을 L(ci)로 정의하고, 아래 [수학식 7]과 같이 BCJR(Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv) 알고리즘을 수행한다.
Figure 112009080788734-PAT00010
[수학식 7]
여기서, i는 1, 2이고,
Figure 112009080788734-PAT00011
는 복호화기의 출력(output)으로 개선된 부호비트 LLR 값의 수열이다. 이때, 천공된 비트에 해당하는
Figure 112009080788734-PAT00012
값을 이전 레이어의 네트워크 부호화된 비트에 대한 LLR값과 [수학식 7]을 통하여 이전 레이어의 부호비트에 대한 LLR 값을 계산한 다음, 다시 이전 레이어의 복호를 수행한다.
도 8a 내지 8c는 송신 안테나의 개수에 따른 네트워크 부호화 방식을 나타내는 도면이다.
도 8a는 송신 안테나가 2개인 경우, 1-레이어(1-layer)와 2-레이어(2-layer) 간에 천공된 잉여 비트(punctured parity bits)를 이용한 네트워크 방식을 나타낸 것이다.
도 8b는 송신 안테나가 3개인 경우, 1-레이어(1-layer), 2-레이어(2-layer) 및 3-레이어(3-layer) 간에 천공된 잉여 비트(punctured parity bits)를 이용한 네트워크 방식을 나타낸 것이다.
도 8c는 송신 안테나가 4개인 경우, 1-레이어(1-layer), 2-레이어(2-layer), 3-레이어(3-layer) 및 4-레이어(4-layer)간에 천공된 잉여 비트(punctured parity bits)를 이용한 네트워크 방식을 나타낸 것이다.
이하에서는, 본 발명에 따른 네트워크 부호가 적용된 MIMO-BICM의 HARQ의 성 능을 실험하기 위하여, 채널환경은 패스트 페이딩(fast fading)이고, 사용된 채널부호는 와이브로(WiBro)에서 적용한 (133,171) 컨볼루션 부호(convolutional code)를 사용하였다. 또한, 적용된 인터리버 길이는 4000 정도이며, QPSK(quadrature phase shift keying) 변조방식만을 고려하였다. 그리고, LLR 계산을 위한 검파기는 MMSE를 적용하였고, BCJR 복호 알고리즘을 HARQ를 위하여 반복적으로 사용하기 때문에, 그 과정의 최대 반복 횟수는 2로 고정하였다.
도 9a 및 9b는 송신 안테나의 수(Tx_Ant = 2, Tx_Ant = 3)에 따른 네트워크 부호가 적용된 HARQ 방식의 성능곡선을 나타내는 그래프이다. 도 9a 및 9b는 네트워크 부호가 적용된 시스템과 적용되지 않은 시스템의 성능 차이를 나타낸 것이다.
도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이, 마크가 없는 곡선은 두 레이어가 모두 천공을 하지 않고, 모든 부호화된 비트를 전송한 경우의 성능이다. 이 경우 전송 비트 파워(power)는 코딩 레이트를 1/2로 사용한 경우이므로, 심볼 파워를 변조지수와 코딩 레이트로 나눈 값으로 계산된다. 즉, 심볼 파워를 1로 고정하고, 변조 지수를 M이라 할 경우, Eb/N0는 아래 [수학식 8]과 같이 계산된다
Figure 112009080788734-PAT00013
[수학식 8]
여기서, r은 부호화 율이고, 모든 레이어가 1/2로 전송할 경우의 값은 1/2이다. 이와 같은 실험결과에서와 같이, 채널 상태가 특정 Eb/N0 이상일 경우 복호 과정의 신뢰성이 확보되고 이전 레이어에서 증분 리던던시(incremental redundancy) 정보를 제공받게 되어, 전체 시스템의 성능이 모든 레이어를 1/2로 전송한 것과 동일하게 된다. 그러나, 본 발명에서의 네트워크 부호가 적용된 HARQ 방식은 전송 코딩 레이트가 각각의 레이어마다 다르므로(예를 들면, (1/2, 2/3) 또는 (1/2, 2/3, 3/4)), 코딩 레이트가 1/2보다 증가한다. 그러므로, 전체 성능은 모든 레이어를 1/2로 전송하는 것보다 약간의 SNR 이득을 얻게 된다.
보다 상세하게 설명하자면, 원을 지닌 곡선은 네트워크 부호화 과정을 수행하지 않고, 각각의 레이어마다 다른 부호화율 (1/2, 2/3) 또는 (1/2, 2/3, 3/4)을 적용한 성능곡선이다. 또한, "+"을 지닌 곡선은 각각의 레이어간 HARQ를 수행하지 않고, 각각 복호 만을 수행한 결과이다. 이와 같이, 만약 수신기가 복잡도나 시스템 지연(delay)으로 인하여 레이어간 HARQ를 수행하지 않을 경우에는, 낮은 SNR에서 레이어마다 다른 코딩 레이트((1/2, 2/3) 또는 (1/2, 2/3, 3/4))을 적용한 경우에 비해 매우 작은 성능의 열화를 지닌다. 따라서, 네트워크 부호가 적용된 HARQ 방식을 수신기 상황에 적응하여 사용하게 되면, 전체 시스템의 성능향상에 효과적일 수 있다.
도 10a 및 10b는 도 9a 및 9b의 복호 복잡도를 나타내는 그래프이다. 이때, 복잡도는 각각의 레이어에서 복호 횟수에 0.5를 곱하여 합산 것이다.
도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 그 곡선이 나타내는 값이 도 10a에서 2이거나 도 10b에서 3이면 복호 과정을 각각 2번씩 수행한 것이다. 또한, 도 10a의 경우 1이거나 12인 경우, 1.5이면 한번씩 수행한 것이다. 즉 0.5가 한 번의 복호 수행을 의미한다.
따라서, 이 값이 1 또는 1.5이면 복잡도의 증가가 거의 없음을 상대적으로 나타낸 것을 의미한다. 또한, 채널 상태가 좋아지면 복호 신뢰도가 증가하여, 빈번히 레이어 간의 HARQ를 수행하지 않아도 되기 때문에, 전체 시스템의 복잡도의 증가가 거의 없게 된다.
상기와 같은 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템의 신호 송수신 방법은, HD TV의 셋탑 box와 TV와의 다중입출력 시스템이나 차세대 무선통신 시스템(LTE or WiBro) 등에 적용되면, 그 시스템의 성능을 크게 개선시킬 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 송신단의 구조를 나타내는 블록도.
도 2는 종래 기술에 따른 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템의 부호화기를 나타내는 도면.
도 3은 종래 기술에 따른 다중 입출력 시스템에 이용되는 HARQ 방식을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법을 나타내는 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 송신방법을 구현하는 신호 송신장치를 나타내는 순서도.
도 6은 도 4에 의하여 수신된 비트를 복호화하는 수신단의 구조를 나타내는 블록도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 시스템의 신호 송수신 방법.
도 8a 내지 8c는 송신 안테나의 개수에 따른 네트워크 부호화 방식을 나타내는 도면.
도 9a 및 9b는 송신 안테나의 수(Tx_Ant = 2, Tx_Ant = 3)에 따른 네트워크 부호가 적용된 HARQ 방식의 성능곡선을 나타내는 그래프.
도 10a 및 10b는 도 9a 및 9b의 복호 복잡도를 나타내는 그래프.

Claims (8)

  1. 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    (a) 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 단계;
    (b) 상기 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 단계;
    (c) 상기 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 단계; 및
    (d) 상기 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계;
    를 포함하는, 신호 송신방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 다수의 레이어는 n개이고,
    n번째 레이어의 천공된 비트열의 그룹들을 첫번째 레이어부터 n-1번째 레이어까지 두 개의 그룹씩 네트워크 부호화하고,
    두번째 레이어의 천공된 비트열이 네트워크 부호화되는 때 종료되는,
    신호 송신방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c-1) 어느 하나의 레이어를 낮은 코딩 레이트로 부호화하는 단계;
    (c-2) 상기 어느 하나의 레이어를 높은 코딩 레이트로 천공하는 단계; 및
    (c-3) 상기 어느 하나의 레이어의 천공된 비트열을 다른 레이어의 비트열과 XOR연산을 수행하는 단계;
    를 포함하는, 신호 송신방법.
  4. 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 송신측이 신호를 송신하는 장치에 있어서,
    입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 비트열을 생성하는 부호화기;
    상기 생성된 비트열을 랜덤 인터리빙하여 다수의 레이어에 할당하는 인터리버;
    상기 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트열을 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트열과 네트워크 부호화하는 네트워크 부호 화기;
    상기 네트워크 부호화된 비트열을 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하는 매퍼; 및
    상기 변조된 비트열을 송신하는 송신 안테나;
    를 포함하는, 신호 송신장치.
  5. 제1항에 기재된 신호 송신방법에 의하여 송신된 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 송신된 비트를 수신하여 네트워크 복호화하는 단계; 및
    (b) 상기 네트워크 복호화가 실패한 레이어에 증분 리던던시(incremental redundancy)를 제공하여 다시 네트워크 복호화하는 단계;
    를 포함하는, 신호 수신방법.
  6. 제5항에 있어서,
    (a) 단계는,
    (a-1) n번째 레이어의 비트의 LLR(Log Likelihood Ratio)값을 계산하고, 천공된 비트의 LLR값은 0으로 설정하여 복호화하는 단계;
    (a-2) 상기 복호화 후의 LLR값과 n-1번째 레이어의 비트의 LLR값을 이용하여 소정의 LLR값을 추출하는 단계;
    (a-3) 상기 n-1번째 레이어의 비트의 LLR값, 상기 추출된 소정의 LLR값 및 천공된 비트의 LLR값을 이용하여 n-1 레이어를 복호화하는 단계;
    를 포함하고,
    첫번째 레이어가 복호화되는 때 종료되는,
    신호 수신방법.
  7. 제5항에 있어서,
    (b) 단계는,
    (b-1) 상기 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 이전 레이어들에서 계산된 LLR값을 이용하여, 상기 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값을 계산하는 단계; 및
    (b-2) 상기 계산된 LLR값을 상기 네트워크 복호화가 실패한 레이어의 천공된 비트의 LLR값으로 하여 다시 복호화하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 증분 리던던시는, 상기 (b-1)에 의하여 계산된 LLR갑인,
    신호 수신방법.
  8. 네트워크 부호가 적용된 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 프로토콜을 이용하는 다중 안테나 (MIMO) 시스템에서 신호를 송수신하는 방법에 있어서,
    (a) 입력된 정보 데이터 비트를 송신 안테나의 개수에 대응되도록 부호화하여 이진 비트열을 생성하는 단계;
    (b) 상기 생성된 이진 비트열을 랜덤 인터리빙하여 상기 다수의 레이어에 할당하는 단계;
    (c) 상기 다수의 레이어 중 높은 코딩레이트를 가지는 레이어의 천공된 비트를 낮은 코딩레이트를 가지는 레이어의 비트와 네트워크 부호화하는 단계;
    (d) 상기 네트워크 부호화된 비트를 미리 설정된 변조방식에 의하여 변조하여 송신 안테나를 이용하여 송신하는 단계;
    (e) 상기 송신된 비트를 수신하여 네트워크 복호화하는 단계; 및
    (f) 상기 네트워크 복호화가 실패한 레이어에 증분 리던던시(incremental redundancy)를 제공하여 다시 네트워크 복호화하는 단계;
    를 포함하는, 신호 송수신방법.
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