KR20110079755A - 멀티 유저 ｍｉｍｏ 시스템, 수신 장치 및 송신 장치 - Google Patents

Abstract

각 송신 장치가 다른 전송 방식을 이용한 경우에 있어서도, 각 송신 장치의 신호를 분리한다. 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 적용되는 수신 장치이며, 동일 시각 또한 동일 주파수로, 다른 전송 방식에 의해 송신된 신호를 수신하고, 수신한 신호를 송신 장치마다 분리하는 MIMO 분리부(40)와, 분리된 신호의 전송 방식에 따라서, 출력처를 전환하는 전환부(41)와, 전송 방식마다 설치되고, 전환부(41)로부터의 출력 신호를, 전송 방식에 따라서 처리하는 싱글 캐리어 처리부(42)와, 멀티 캐리어 처리부(43)를 구비한다.

Description

멀티 유저 ＭＩＭＯ 시스템, 수신 장치 및 송신 장치{MULTI-USER MIMO SYSTEM, RECEIVER APPARATUS AND TRANSMITTER APPARATUS}

본 발명은, 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템, 및 이에 사용되는 수신 장치 및 송신 장치에 관한 것이다.

차세대의 이동 통신에서는, 고속의 데이터 전송이 요구되고 있다. 고속의 데이터 전송을 행하기 위해서는, 넓은 주파수 대역이 필요해진다. 그러나, 무선 통신의 전파로에서는, 다수의 지연파(멀티 패스)로 구성되는 주파수 선택성 페이딩이 발생한다. 이와 같은 통신 환경 하에서, 광대역 싱글 캐리어 전송을 행하는 경우, 수신 신호의 샘플링 간격이 짧아지므로, 전파로의 지연파에 의해 심볼간 간섭이 발생하게 되어, 전송 특성이 대폭으로 열화되어 버린다. 심볼간 간섭을 시간 영역 신호 처리에 의해 억압하는 기술도 존재하지만, 수신기의 회로 규모가 방대해진다는 문제가 있다.

따라서, 직교 주파수 간격으로 배치된 다수의 협대역 서브 캐리어를 사용하여 주파수 영역에서 병렬로 대용량 전송하는 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM)이나, 멀티 캐리어 CDMA(Multi-Carrier Code Division Multiple Access; MC-CDMA)와 같은 멀티 캐리어 전송이 주목을 받고 있다.

멀티 캐리어 전송은, OFDM 심볼 구간의 후방의 파형을 가드 인터벌(Guard Interval; GI)로서 전방에 부가함으로써, OFDM 심볼의 주기성을 유지할 수 있다. 이로 인해, 주파수 선택성 페이딩 환경 하에 있어서도, 각 서브 캐리어가 멀티 패스의 영향을 받지 않고, 서브 캐리어간의 직교성을 유지한 상태에서, 패스수에 의존하지 않는 신호 처리가 가능해진다. 이로 인해, 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 규격인 LTE(Long Term Evolution)에서는, 하향 링크(기지국으로부터 이동 단말기로의 전송)에 있어서, OFDM이 채용되어 있다. 또한, 그 밖에, 지상 디지털 방송, 무선 LAN(Local Area Network) 등에 있어서도 OFDM이 사용되고 있다.

한편, 이동 통신의 상향 링크(이동 단말기부터 기지국으로의 전송)에 있어서는, 이동 단말기의 송신 전력 증폭기의 비선형성의 문제로부터, PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 높은 OFDM 전송을 사용하는 것은 어려워, 싱글 캐리어 전송을 사용하는 것이 요망된다. 따라서, LTE의 상향 링크에 있어서는, SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access(DFT-S-OFDM이라고도 칭해짐))라고 불리는 싱글 캐리어 전송이 채용되어 있다. SC-FDMA에서는, OFDM과 같은 방식을 이용하여 싱글 캐리어 전송에 GI를 부가하고, 주파수 영역에서 1회의 승산으로 신호의 왜곡을 보상하는 등화(주파수 영역 등화)를 사용함으로써, 심볼간 간섭을 억압하면서 주파수 다이버시티 효과를 얻은 양호한 전송 특성을 달성할 수 있다. 이와 같이, 최근의 이동 통신에서는, 상하 링크에서 다른 전송 방식을 채용하고 있는 현상이 있다.

그러나, 주파수 영역 등화를 사용한 싱글 캐리어 전송에서는, 완전하게는 심볼간 간섭을 억압할 수 없으므로, 전송 특성이 멀티 캐리어 전송(예를 들어, OFDM)보다 약간 열화되는 문제가 있다. 또한, 싱글 캐리어 전송은, 주파수축 상에서의 적응 변조를 행할 수 없으므로, 멀티 캐리어 전송보다 처리량(주파수 이용 효율)이 저하되어 버린다.

이와 같은 과제가 있으므로, 특허문헌 1에서는, 싱글 캐리어형의 무선 액세스 방식과 멀티 캐리어형의 무선 액세스 방식을 전환할 수 있는 송신 장치, 수신 장치 및 이동 통신 시스템 및 송신 제어 방법을 제안하고 있다. 특허문헌 1에서는, 송신 장치에, 전송 방식을 전환하는 전환부를 설치하고 있다. 이 전환부는, 소요 송신 전력이 높아 PAPR이 높은 멀티 캐리어 전송을 행할 수 없는 경우에는, 싱글 캐리어 전송을 선택한다. 한편, 송신 전력이 낮아, PAPR이 문제가 되지 않는 송신 장치는 멀티 캐리어 전송을 선택한다. 이에 의해, 셀 전체의 처리량을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 상하 링크에서 다른 전송 방식을 사용할 뿐만 아니라, 상향 링크 내에서도 다른 전송 방식을 사용하는 이동 단말기를 존재시키는 것이 제안되어 있고, 현재 3GPP에 있어서 활발히 검토가 행해지고 있다(비특허문헌 1).

일본 특허 공개 제2007-151059호 공보

R1-082575, NTT DoCoMo

특허문헌 1에서는, 싱글 캐리어 유저와 멀티 캐리어 유저는, 시간 분할 다중 또는 주파수 분할 다중된다. 그러나, 한층 더 시스템 전체적으로 고속화를 실현하기 위해서는, 복수의 유저가 동일 시각 또한 동일 주파수로 송신을 행하여, 기지국이 각 유저의 신호를 분리하는 멀티 유저 MIMO(Multiple Input Multiple Output)를 적용하고, 이에 의해 처리량을 향상시키는 것이 바람직하다. 한편, 상향 링크에서 다른 전송 방식이 채용되는 시스템은, 종래 존재하지 않았으므로, 멀티 유저 MIMO로서는 전체 유저가 싱글 캐리어(혹은 멀티 캐리어) 전송을 행하는 것이 검토되어 왔다.

그러나, 각 유저가, 동일 시각 또한 동일 주파수로 다른 전송 방식을 사용한, 즉 싱글 캐리어와 멀티 캐리어가 혼재하는 환경에서의 멀티 유저 MIMO는, 이제까지의 시스템에서는 존재하지 않는 개념이었다. 즉, 종래는, 한 유저가 싱글 캐리어 전송을 행하고 있는 대역은, 다른 유저는 멀티 캐리어 전송을 행할 수 있는 환경이어도 싱글 캐리어 전송을 행해야만 했다. 한편, 이미 한 유저가 멀티 캐리어 전송을 행하고 있는 대역에서는, 다른 유저는 멀티 캐리어 전송을 행해야만 하지만, 멀티 캐리어 전송을 행할 수 있는 환경이 아닌 경우, 그 대역에서의 통신 자체를 포기해야만 했다.

본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 각 송신 장치가 다른 전송 방식을 사용한 경우에 있어서도, 각 송신 장치의 신호를 분리할 수 있는 멀티 유저 MIMO 시스템, 수신 장치 및 송신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

(1) 상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 이하와 같은 수단을 강구하였다. 즉, 본 발명의 멀티 유저 MIMO 시스템은, 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템이며, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 복수의 송신 장치와, 상기 각 송신 장치로부터 무선 송신된 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호를 상기 송신 장치마다 분리하여 데이터를 취득하는 적어도 하나의 수신 장치로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 복수의 송신 장치가 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하고, 적어도 하나의 수신 장치가 각 송신 장치로부터 무선 송신된 신호를 수신하고, 수신한 신호를 송신 장치마다 분리하여 데이터를 취득하므로, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 송신 장치가 혼재하는 환경에 있어서도, 수신 장치가 신호를 분리할 수 있는 무선 통신 시스템을 제공할 수 있다. 이에 의해, 각 송신 장치는, 다른 송신 장치의 전송 방식에 관계없이 전송 방식을 결정할 수 있다. 그 결과, 셀 처리량을 향상시키는 것이 가능해진다.

(2) 또한, 본 발명의 멀티 유저 MIMO 시스템에 있어서, 상기 송신 장치는 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중을 행하고, 상기 수신 장치는 상기 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중된 신호의 분리를 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 송신 장치는 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중을 행하므로, 보다 유연한 주파수 스케줄링을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 복수의 송신 장치의 사용 대역이 다중되어 있지 않거나 또는 다중수가 수신 안테나 개수보다도 적은 주파수 대역에 있어서는, 수신 안테나 다이버시티 효과를 얻을 수 있으므로, 전송 특성의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

(3) 또한, 본 발명의 수신 장치는, 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 적용되는 수신 장치이며, 동일 시각 또한 동일 주파수로, 다른 전송 방식에 의해 송신된 신호를 수신하는 수신부와, 상기 수신한 신호를 상기 송신 장치마다 분리하는 MIMO 분리부와, 상기 분리된 신호의 전송 방식에 따라서 출력처를 전환하는 전환부와, 전송 방식마다 설치되고, 상기 전환부로부터의 출력 신호를 전송 방식에 따라서 처리하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 동일 시각 또한 동일 주파수로, 다른 전송 방식에 의해 송신된 신호를 송신 장치마다 분리하고, 분리한 신호의 전송 방식에 따라서 출력처를 전환하여, 전송 방식에 따른 처리를 행하므로, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 송신 장치가 혼재하는 환경에 있어서도, 수신 장치가 신호를 분리할 수 있는 무선 통신 시스템을 제공할 수 있다. 이에 의해, 각 송신 장치는, 다른 송신 장치의 전송 방식에 관계없이, 전송 방식을 결정할 수 있다. 그 결과, 셀 처리량을 향상시키는 것이 가능해진다.

(4) 또한, 본 발명의 수신 장치에 있어서, 상기 MIMO 분리부는, MMSE(Minimum Mean Square Error) 가중치를 사용하여 신호를 분리하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, MMSE 가중치를 사용하므로, 각 송신 장치의 전송 방식에 관계없이 신호를 분리하는 것이 가능해진다.

(5) 또한, 본 발명의 수신 장치에 있어서, 상기 MIMO 분리부는, MMSE 가중치를 사용하여 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중된 신호의 분리를 행하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, MMSE 가중치를 사용하여 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중된 신호의 분리를 행하므로, 송신 장치는, 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중을 행할 수 있어, 보다 유연한 주파수 스케줄링을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 복수의 송신 장치의 사용 대역이 다중되어 있지 않거나, 또는 다중수가 수신 안테나 개수보다도 적은 주파수 대역에 있어서는, 수신 안테나 다이버시티 효과를 얻을 수 있으므로, 전송 특성의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

(6) 또한, 본 발명의 송신 장치는, 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 적용되는 송신 장치이며, 다른 송신 장치와 동일 시각 또한 동일 주파수로, 상기 다른 송신 장치와 다른 전송 방식에 의해, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 하나에 기재된 수신 장치에 대하여 무선 신호를 송신하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 다른 송신 장치와 동일 시각 또한 동일 주파수로, 상기 다른 송신 장치와 다른 전송 방식에 의해, 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 하나에 기재된 수신 장치에 대하여 무선 신호를 송신하므로, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 송신 장치가 혼재하는 환경에 있어서도, 수신 장치가 신호를 분리할 수 있는 무선 통신 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 송신 장치가, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하고, 적어도 하나의 수신 장치가, 각 송신 장치로부터 무선 송신된 신호를 수신하고, 수신한 신호를 송신 장치마다 분리하여 데이터를 취득하므로, 다른 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 송신 장치가 혼재하는 환경에 있어서도, 수신 장치가 신호를 분리할 수 있는 무선 통신 시스템을 제공할 수 있다. 이에 의해, 각 송신 장치는, 다른 송신 장치의 전송 방식에 관계없이, 전송 방식을 결정할 수 있다. 그 결과, 셀 처리량을 향상시키는 것이 가능해진다.

도 1은 싱글 캐리어로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 기지국에 있어서, N_r개의 수신 안테나를 갖는 수신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 신호 처리부의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 싱글 캐리어 처리부의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 멀티 캐리어 처리부의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 MIMO 분리부의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태의 전송 특성을 계산기 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 Clustered DFT-S-OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은 OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 11은 Clustered DFT-S-OFDM 및 OFDM의 스펙트럼이 다중된 모습을 도시하는 도면이다.
도 12는 제2 실시 형태에 관한 MIMO 분리부의 구성을 도시하는 도면이다.

(제1 실시 형태)

다음에, 본 발명에 관한 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 제1 실시 형태에서는, 복수의 송신 장치가 동일 시각 동일 주파수로 기지국에 액세스를 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 있어서, 각 송신 장치가 싱글 캐리어 전송, 혹은 멀티 캐리어 전송을 행하므로, 수신 장치에서 수신되는 신호가, 싱글 캐리어와 멀티 캐리어가 혼재하는 환경을 상정하고 있다. 본 발명은, 상기한 환경에 있어서도 각 유저의 신호를 분리할 수 있는 통신 시스템을 실현하는 것이다.

도 1은, 싱글 캐리어로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 싱글 캐리어 전송에는 다양한 것이 존재하지만, 본 명세서에서는, 싱글 캐리어 전송을 시간 영역에서 신호를 생성하는 전송 방식이라 정의하고, 멀티 캐리어 전송을 주파수 영역에서 신호를 생성하는 전송 방식이라 정의한다. 따라서, 제1 실시 형태에서는 싱글 캐리어 전송으로서, 순수한 싱글 캐리어 전송을 예로 들어 설명을 행하지만, DS-CDMA(Direct Sequence Code Division Multiple Access)나, 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 LTE(Long Term Evolution)에 있어서의 업링크에서 채용되어 있는 DFT-S-OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM, SC-FDMA라고도 칭해침)이나, LTE-A(LTE Advanced)에서 논의되고 있는 Clustered DFT-S-OFDM 등, 다른 싱글 캐리어 베이스의 송신 방법에서도 적용 가능하다.

도 1에 있어서, 정보 데이터, 즉, 데이터 비트 계열은, 오류 정정 부호화부(10)에 입력된다. 오류 정정 부호화부(10)에서는, 입력된 데이터 비트 계열에 대하여, 컨볼루션 부호, 터보 부호 혹은 LDPC(Low Density Parity Check) 부호 등의 오류 정정 부호화를 행하여, 얻어진 부호화 비트 계열을 인터리브부(11)에 출력한다. 인터리브부(11)는, 전파로의 영향을 랜덤화하기 위한 순서의 재배열을 행하여, 변조부(12)에 출력한다. 변조부(12)는, QPSK(Quaternary Phase Shift Keying)나 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등의 변조 심볼을 N_FFT 심볼 생성하고, GI 부가부(13)에 출력한다. GI 부가부(13)는, 입력된 신호에 대하여, N_FFT 심볼의 신호의 후방부 N_GI 심볼을 입력된 신호의 전방에 부가하는 처리를 행하고, N_FFT+N_GI 심볼의 신호 계열을 출력한다. 시각 t에 있어서 GI 부가부(13)가 출력한 데이터 신호 s(t)는, 프레임 구성부(14)에 입력되고, 참조 신호 생성부(15)가 생성된 참조 신호와의 다중을 행하여 프레임을 구성하고, 무선 송신부(16)에 출력한다. 무선 송신부(16)는, 입력된 디지털 신호에 대하여, D/A(Digital to Analog) 변환, 업 컨버전, 대역 통과 필터링 등의 처리를 실시한 후, 안테나부(17)로부터 송신을 행한다.

다음에, OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 구성에 대하여 설명을 행한다. 또한, 본 실시 형태에서는 멀티 캐리어 전송으로서 OFDM을 예로 들어 설명을 행하지만, MC-CDMA나 VSF-OFCDM(Variable Spreading Factor Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing) 등, 다른 멀티 캐리어 베이스의 송신 방법에서도 적용 가능하다.

도 2는, OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. OFDM의 송신 장치 구성은, 도 1에 나타낸 싱글 캐리어 송신 장치 구성에 있어서, 변조부(12)와 GI 부가부(13) 사이에 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)부(20)를 삽입함으로써 구성되고, 그 밖의 구성은 동일하다. IFFT부(20)에서는, 변조 심볼을 시간 영역으로 변환하는 처리가 행해진다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 각 송신 장치는, 1개의 송신 안테나를 구비하고, 송신 신호를 1계통만 송신하는 예에 대하여 설명을 행하고 있지만, 1개의 송신 장치가 복수의 안테나를 구비하고, 복수 계통을 사용하여 복수의 송신 신호를 송신해도 된다.

여기서, 이동 단말기가 멀티 캐리어 송신 장치와 싱글 캐리어 송신 장치 모두를 구비하는 경우에는, 일반적으로, 이동 단말기의 위치에 따라 전송 방식이 결정된다. 예를 들어, 기지국 장치로부터의 거리가 가깝고, 이동 단말기의 소요 송신 전력이 낮은 경우는 멀티 캐리어 전송을 사용한 쪽이 주파수 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 기지국 장치로부터의 거리가 멀고, 이동 단말기의 소요 송신 전력이 높은 경우는, PAPR이 높은 싱글 캐리어 전송을 행함으로써 통신을 가능하게 할 수 있다.

각 송신 장치로부터 송신된 신호는, 전파로를 경유하여, 기지국의 수신 장치의 안테나부에서 수신된다. 도 3은, 기지국에 있어서, N_r개의 수신 안테나를 갖는 수신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 또한, 송신을 행한 송신 장치수를, U라 하면, 시각 t에 있어서의 수신 신호 r(t)(N_r×1벡터)은 다음 식으로 나타내어진다.

여기서,

이고, h_{n, u, l} 및 τ_l은 각각, 제l 패스에 있어서의 제u 송신 장치와 제n 수신 안테나간의 복소 채널 이득 및 지연 시간, s_u(t)는, 시각 t에 있어서의 제u 송신 장치의 송신 신호, η_n(t)은, 제n 수신 안테나에 있어서의 열 잡음이다.

안테나부(30-1 내지 30-p)에서 수신한 신호 r(t)은, 무선 수신부(31-1 내지 31-p)에 입력된다. 무선 수신부(31-1 내지 31-p)에서는 다운 컨버전, 필터링 처리, A/D(Analog to Digital) 변환이 행해진 후, 참조 신호 분리부(32-1 내지 32-p)에 입력된다. 참조 신호 분리부(32-1 내지 32-p)에서는, 참조 신호와 데이터 신호의 분리를 행한다.

참조 신호는, 전파로 추정부(36)에 입력되고, 데이터 신호는 GI 제거부(33-1 내지 33-p)에 입력된다. GI 제거부(33-1 내지 33-p)에서는, N_FFT+N_GI 심볼의 데이터 신호로부터, 송신 장치에서 부가한 N_GI 심볼의 GI의 제거를 행하고, FFT부(34-1 내지 34-p)로 출력한다. FFT부(34-1 내지 34-p)에서는, 입력된 신호에 대하여 FFT를 적용하여, 주파수 영역 신호로의 변환을 행한다. 이들 처리는, 안테나부(30-1 내지 30-p)마다, 각각 독립하여 행해진다.

FFT부(34-1 내지 34-p)의 출력인, 수학식 3으로 나타내어지는 시간 영역 수신 신호에 FFT를 적용함으로써 얻어지는 제k 서브 캐리어에 있어서의 주파수 영역 수신 신호 벡터 R(k)(N_r×1벡터)은, 다음 식으로 주어진다.

여기서,

이고, 제k 서브 캐리어의 전파로 행렬 H(k)(N_r×U행렬)을 구성하는 H_{n, u}(k)는, 제u 송신 장치와 제n 수신 안테나 사이의 전파로, S_u(k)는 제u 송신 장치의 제k 서브 캐리어의 송신 스펙트럼, Π_n(k)은 제n 수신 안테나에 있어서의 제k 서브 캐리어의 잡음 성분이다. FFT부(34-1 내지 34-p)의 출력은 신호 처리부에 입력된다.

전파로 추정부(36)에서는, 수신 안테나 개수분의 수신 참조 신호를 사용하여, 수학식 4로 나타내어지는 각 송신 장치와 각 수신 안테나 사이의 전파로 행렬H(k)의 추정값(수학식 5로 나타내어짐)과, 수신 안테나에 있어서의 평균 잡음 전력σ²의 추정을 행하여, 신호 처리부(35)에 출력한다.

도 4는, 신호 처리부(35)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 신호 처리부(35)에서는, 입력된 수신 안테나 개수분의 주파수 영역의 데이터 신호와, 전파로 행렬 추정값과, 평균 잡음 전력 추정값을, MIMO 분리부(40)에 입력한다. MIMO 분리부(40)에서는, 입력된 전파로 행렬 추정값, 및 평균 잡음 전력 추정값을 사용하여 각 송신 장치의 데이터를 분리하는 신호 처리를 행하고, 분리된 U인분(U개의 송신 장치)의 주파수 영역 신호를 전환부(41)에 출력한다. 이 MIMO 분리부(40)의 개략 구성에 대해서는 후술한다.

전환부(41)에서는, 분리된 U인분의 주파수 영역 신호가 싱글 캐리어 전송된 신호인지, OFDM 전송된 신호인지를 판단하고, 이 판단 결과에 따라서, 입력 신호의 출력처를 전환한다. 즉, 전환부(41)는, 입력 신호를 싱글 캐리어 처리부(42), 또는 멀티 캐리어 처리부(43) 중 어느 한쪽에 출력한다. 예를 들어, 유저 u가 싱글 캐리어 전송을 행하고 있는 경우, MIMO 분리부(40)가 출력한 유저 u의 주파수 영역 신호는, 전환부(41)에 의해 싱글 캐리어 처리부(42)에 출력된다. 한편, 유저 u가 OFDM 전송을 행하고 있는 경우에는, MIMO 분리부(40)가 출력한 유저 u의 주파수 영역 신호는 전환부(41)에 의해 멀티 캐리어 처리부(43)에 출력된다.

도 5는, 싱글 캐리어 처리부(42)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 싱글 캐리어 처리부(42)에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 분리가 행해진 제u 유저의 주파수 영역 신호는, IFFT부(50)에 의해 시간 영역으로 변환된다. 다음에, 복조부(51)에 있어서, 송신 장치에서 행해진 변조에 기초한 복조가 행해진다. 또한, 디인터리브부(52)에 있어서, 송신 장치에서 행해진 인터리브를 복귀시키는 처리를 행하고, 오류 정정 복호부(53)에 있어서, 오류 정정 복호 처리를 행한다. 이에 의해, 제u 유저가 송신한 데이터를 얻는다.

도 6은, 멀티 캐리어 처리부(43)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 이 멀티 캐리어 처리부(43)는, 도 5에 나타낸 싱글 캐리어 처리부(42)에 있어서, IFFT부(50)가 P/S 변환부(60)로 되는 점 이외는 같은 구성을 취한다.

도 7은, MIMO 분리부(40)의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 전파로 추정부(36)로부터 입력된 전파로 행렬의 추정값(수학식 5로 나타내어짐)과, 잡음 전력 추정값 σ²는, 가중치 생성부(70)에 입력된다. 가중치 생성부(70)에서는, MMSE(Minimum Mean Square Error; 최소 평균 제곱 오차) 가중치나, ZF(Zero Forcing) 가중치 등의 가중치의 산출이 행해진다. 예를 들어, MMSE 가중치 행렬 w(k)(U×N_r행렬)은 다음 식으로 주어진다.

여기서, I는, N_r×N_r의 단위 행렬이며, (.)^H는, 에르미트 전치를 실시한 수반 행렬을 나타낸다.

얻어진 가중치는, 가중치 승산부(71)에 입력된다. 또한, 가중치 승산부(71)에서는, 가중치 행렬 w(k)(U×N_r행렬)와 벡터 R(k)(N_r×1벡터)의 승산을 행함으로써, MIMO 분리를 행한다. 분리 후의 각 유저의 주파수 영역 신호 벡터(U×1벡터)는, 다음 식으로 나타내어진다.

가중치 승산부(71)는, U 유저분의 분리 후의 각 유저의 주파수 영역 신호를 출력한다. 제1 실시 형태의 MIMO 분리부(40)는, 수신 안테나에서 싱글 캐리어 신호와 OFDM 신호가 혼재하는 경우에 있어서, 각 유저의 전송 방식에 따르지 않고, 일괄로 MMSE 가중치를 승산하여, MIMO 분리를 행하는 구성으로 되어 있다.

도 8은, 제1 실시 형태의 전송 특성을 계산기 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면이다. 도 8에 있어서, 횡축은, 평균 수신 E_S/N₀, 종축은, BER(Bit Error Rate)이다. 여기서, E_s는, 1심볼당 에너지, N₀는 잡음 스펙트럼 밀도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 싱글 캐리어(SC)끼리 MU-MIMO를 행한 경우의 특성과, OFDM과 SC가 혼재한 MU-MIMO에 있어서의 SC의 특성은 일치한다. 이것으로부터, 각 유저의 전송 방식에 관계없이, 일괄로 MMSE 가중치를 승산함으로써 분리가 가능한 것을 알 수 있다.

또한, 제1 실시 형태에서는, MIMO 분리법으로서, 안테나마다 가중치를 승산하여, 안테나 합성하는 공간 필터링을 사용하고 있지만, MLD(Maximum Likelihood Detection) 등, 다른 분리법을 사용해도 된다.

종래, 송신 장치는, 다른 송신 장치와 동일한 전송 방식으로 송신을 행함으로써 멀티 유저 MIMO를 달성할 필요가 있었지만, 제1 실시 형태에 따르면, 각 송신 장치는, 다른 송신 장치의 전송 방식에 관계없이 전송 방식을 결정할 수 있다. 예를 들어, 한 유저가 싱글 캐리어 전송을 행하고 있는 경우에 있어서도, 다른 유저는 동일 시각 동일 주파수에 있어서 주파수 이용 효율이 높은 멀티 캐리어 전송을 사용할 수 있다. 혹은, 한 유저가 멀티 캐리어 전송을 행하고 있는 경우에 있어서도, 다른 유저는 동일 시각 동일 주파수에 있어서 허용 송신 전력의 제한이 적은 싱글 캐리어 전송을 사용할 수 있다. 이와 같이, 멀티 유저 MIMO 시스템에 있어서, 싱글 캐리어 전송과 멀티 캐리어 전송이 혼재하는 것을 허용하는 시스템으로 함으로써, 셀 처리량을 비약적으로 증가시킬 수 있다.

(제2 실시 형태)

상기한 제1 실시 형태에서는, 각 유저의 스펙트럼이 모두 겹치는 경우에 대하여 설명을 행하였지만, 제2 실시 형태에서는, 어느 일부의 스펙트럼만으로 MIMO 다중이 행해지는 경우에 대하여 설명을 행한다. 또한, 제2 실시 형태에서는, 싱글 캐리어 전송으로서 Clustered DFT-S-OFDM, 멀티 캐리어 전송으로서 불연속 대역을 사용한 OFDM으로 설명을 행하지만, 다른 방식을 사용한 경우에 있어서도 본 발명을 실시할 수 있다.

도 9는, Clustered DFT-S-OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한, 싱글 캐리어로 송신을 행하는 송신 장치의 구성과 비교하여, 변조부(12)와 GI 부가부(13) 사이에, DFT부(90), 스펙트럼 맵핑부(91), IFFT부(92)가 삽입되는 점만이 다르다.

변조부(12)의 출력은 DFT부(90)에 입력된다. DFT부(90)는 N_DFT개의 변조 심볼에 대하여, N_DFT 포인트 DFT를 적용하여, 주파수 신호로 변환한다. 얻어진 N_DFT 포인트의 주파수 스펙트럼은 스펙트럼 맵핑부(91)에 출력된다. 스펙트럼 맵핑부(91)는 입력된 N_DFT 포인트의 주파수 스펙트럼을 클러스터(클러스터는 1 이상의 스펙트럼의 집합)로 분할하고, 클러스터마다 N_FFT 포인트의 주파수 포인트의 어느 것에 할당한다. 할당 방법으로서는, 전파로 상태가 좋은 임의의 주파수에 할당을 행하거나, 다른 송신 장치가 사용하고 있지 않은 주파수에 할당하는 방법 등, 다양한 것이 있다. 스펙트럼 맵핑부(91)는 할당이 행해지지 않은 주파수에는 0을 삽입하여, IFFT부(92)에 출력한다.

IFFT부(92)는, 스펙트럼 맵핑부(91)에 의해 얻어진 할당 후의 주파수 신호에 대하여 N_FFT 포인트 IFFT를 적용하고, N_FFT 심볼의 시간 영역의 신호로 변환하여 출력한다. IFFT부(92)의 출력은, GI 부가부(13)에 입력된다. 이후의 처리는, 도 1에 나타낸 제1 실시 형태의 경우와 마찬가지이다.

도 10은, OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 이 송신 장치는, 도 9에 나타낸, Clustered DFT-S-OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치의 구성과 비교하여, DFT부(90) 대신에 S/P 변환부(100)를 갖고 있는 점만이 다르다. S/P 변환부(100)에서는, 변조부(12)로부터 입력된 신호에 대하여, 직접 병렬 변환을 행하여, 스펙트럼 맵핑부(91)에 출력한다. 그 이후의 처리는, 도 9에 나타낸 Clustered DFT-S-OFDM으로 송신을 행하는 송신 장치와 마찬가지이다.

도 11은, Clustered DFT-S-OFDM 및 OFDM의 스펙트럼이 다중된 모습을 도시하는 도면이다. 제2 실시 형태에서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 수신 안테나에 있어서, 주파수 대역의 일부만, Clustered DFT-S-OFDM과 OFDM의 스펙트럼이 다중되어 수신된다.

제2 실시 형태에 관한 수신 장치의 구성에 대하여 설명한다. 신호를 수신하여 MIMO 분리부에 입력할 때까지의 처리는, 도 3 내지 도 7에 나타낸 제1 실시 형태에 관한 수신 장치와 마찬가지이다. 도 12는, 제2 실시 형태에 관한 MIMO 분리부의 구성을 도시하는 도면이다. MIMO 분리부(120)에서는, 전파로 추정부(36)로부터 입력된 전파로 행렬 추정값과 평균 잡음 전력 추정값을 제로 치환부(121)에 입력한다. 제로 치환부(121)에서는, 송신 스펙트럼 정보부(122)로부터 통지되는 각 유저의 사용 주파수 정보를 기초로, 수학식 4로 나타내어지는 각 서브 캐리어의 전파로 행렬의 요소 중, 데이터 송신이 행해지고 있지 않은 전파로의 값을 0으로 하여, 가중치 생성부(123)에 제로 치환된 전파로 행렬 추정값과 평균 잡음 전력 추정값을 출력한다. 가중치 생성부(123)에서는, MMSE 가중치나 ZF 가중치 등 가중치의 산출이 행해진다. 예를 들어, MMSE 가중치 w(k)(U×N_r행렬)는, 수학식 6에 기초하여 산출된다.

얻어진 가중치는 가중치 승산부(124)로 출력된다. 가중치 승산부(124)에 있어서, 각 안테나의 주파수 영역 수신 신호는, 가중치 승산부(124)에 입력되어, 가중치와의 승산이 행해진다. 그 결과, 유저마다 분리된 주파수 영역 신호가 얻어진다. 각 유저의 주파수 영역 신호는 스펙트럼 디맵핑부(125)에 입력된다. 스펙트럼 디맵핑부(125)에서는, 송신 스펙트럼 정보부(122)로부터의 각 유저의 사용 주파수 정보를 기초로, 각 유저의 송신 스펙트럼을 추출하는 처리가 행해진다. 스펙트럼 디맵핑부(125)는, 각 유저의 주파수 영역 신호를 출력한다.

그 후, 각 유저의 주파수 영역 신호는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 도 4에 도시한 전환부(41)에 입력되고, 송신 신호가 싱글 캐리어 전송인지, 멀티 캐리어 전송인지에 따라, 각각 싱글 캐리어 처리부(42) 혹은 멀티 캐리어 처리부(43)에 입력된다.

이와 같이, 멀티 유저 MIMO를 행하는 유저끼리가, 송신을 행하는 모든 대역을 공유하는 것은 아니며, 부분적으로 다중하는 것을 허용함으로써, 보다 유연한 주파수 스케줄링을 행할 수 있다. 또한, 다른 유저가 다중되어 있지 않거나, 혹은 다중수가 수신 안테나 개수보다 적은 주파수에 있어서는, 수신 안테나 다이버시티 효과도 얻어지므로, 양호한 전송 특성을 달성할 수 있다. 상기한 결과, 셀 처리량을 대폭으로 향상시킬 수 있다.

10: 오류 정정 부호화부
11: 인터리브부
12: 변조부
13: GI 부가부
14: 프레임 구성부
15: 참조 신호 생성부
16: 무선 송신부
17: 안테나부
20: IFFT부
30-1 내지 30-p: 안테나부
31-1 내지 31-p: 무선 수신부
32-1 내지 32-p: 참조 신호 분리부
33-1 내지 33-p: GI 제거부
34-1 내지 34-p: FFT부
35: 신호 처리부
36: 전파로 추정부
40: MIMO 분리부
41: 전환부
42: 싱글 캐리어 처리부
43: 멀티 캐리어 처리부
50: IFFT부
51: 복조부
52: 디인터리브부
53: 오류 정정 복호부
60: P/S 변환부
70: 가중치 생성부
71: 가중치 승산부
90: DFT부
91: 스펙트럼 맵핑부
92: IFFT부
100: P/S 변환부
120: MIMO 분리부
121: 제로 치환부
122: 송신 스펙트럼 정보부
123: 가중치 생성부
124: 가중치 승산부
125: 스펙트럼 디맵핑부

Claims (6)

1. 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템으로서,
   상이한 전송 방식으로 무선 송신을 행하는 복수의 송신 장치와,
   상기 각 송신 장치로부터 무선 송신된 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호를 상기 송신 장치마다 분리하여 데이터를 취득하는 적어도 하나의 수신 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 멀티 유저 MIMO 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 송신 장치는 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중을 행하고,
   상기 수신 장치는 상기 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중된 신호의 분리를 행하는 것을 특징으로 하는 멀티 유저 MIMO 시스템.
3. 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 적용되는 수신 장치로서,
   동일 시각 또한 동일 주파수로, 상이한 전송 방식에 의해 송신된 신호를 수신하는 수신부와,
   상기 수신한 신호를 상기 송신 장치마다 분리하는 MIMO 분리부와,
   상기 분리된 신호의 전송 방식에 따라 출력처를 전환하는 전환부와,
   전송 방식마다 설치되고, 상기 전환부로부터의 출력 신호를 전송 방식에 따라 처리하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 MIMO 분리부는, MMSE(Minimum Mean Square Error) 가중치를 사용하여 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 MIMO 분리부는, MMSE 가중치를 사용하여 시스템 대역의 일부의 주파수 대역만으로 다중된 신호의 분리를 행하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
6. 복수의 송신 장치가 적어도 하나의 수신 장치에 대하여 송신을 행하는 멀티 유저 MIMO 시스템에 적용되는 송신 장치로서,
   다른 송신 장치와 동일 시각 또한 동일 주파수로, 상기 다른 송신 장치와 상이한 전송 방식에 의해, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 수신 장치에 대하여 무선 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.

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