KR20160091667A - 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빔 공간 매시브 다중 안테나 시스템에서 여유 빔들을 활용하여 빔 공간 다중 안테나 시스템의 전송률을 높인 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 각각의 입력된 데이터 정보를 각각의 변조신호로 변환하는 하나 이상의 신호변조기, 입력된 데이터 정보를 빔 선택정보로 변환하는 빔 선택 변조기, 상기 각각의 변조신호와 상기 빔 선택 정보로부터 빔 공간 MIMO 부호를 생성하는 빔 공간 MIMO 부호화기 및 상기 빔 공간 MIMO 부호를 전송하는 다중 안테나 송신기를 포함할 수 있다.

Description

빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치 { Method and apparatus for beam selection based beam-space MIMO systems }

본 발명은, 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빔 공간 매시브 다중 안테나 시스템에서 여유 빔들을 활용하여 빔 공간 다중 안테나 시스템의 전송률을 높인 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다.

근래 무선통신에서 급격히 증가하고 있는 높은 전송률 요구로 인해 송/수신기에 다중 안테나 기술을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 다중 안테나들과 RF chain들을 소형화된 송/수신기에 구현해 내는 것이 해결되어야 할 주요 연구주제로 여겨지고 있다. 여기서의 첫 번째 어려움은 제한된 사이즈에서의 다중 안테나 회로의 구현이고 두 번째 어려움은 소형화에 따른 공간 상관성 (spatial correlation)과 전자기 결합(electromagnetic coupling)의 발생으로 다중 안테나의 DoF (Degrees of Freedom)가 감소한다는 것이다. 소형화 문제를 배제하더라도 다중 안테나에 독립적인 RF 체인이 구현되어야 한다는 큰 부담은 완화될 필요성이 있다.

이런 기존 다중안테나 구현의 어려움을 극복하기 위한 방법으로 오직 하나의 능동 안테나(active antenna)와 그 주변을 감싸고 있는 기생 안테나(passive (or parasitic) antenna)들로 구성된 구조가 제안되었다. 능동 안테나(active antenna)는 RF 체인이 연결되어 있고 기생 안테나(parasitic antenna)들에 전류가 인가되는 방식은 큰 상호 결합(mutual coupling) 영향을 활용하는 방식이다. 이런 구조 내에서 기존의 다중 안테나 송신 방식들을 그대로 구현해 낼 수 있음이 연구를 통해 확인되었다. 이런 결과 내에서 기존 다중 안테나 방식들이 빔 도메인에서 재정의가 되었고 빔 공간 다중 안테나 시스템이라 불려지고 있다. 하나의 예로 기존 다중 안테나 시스템의 멀티플렉싱 (multiplexing) 송신 방법은 각 안테나에 독립적인 신호를 맵핑 (mapping) 하여 전송하는 것이었다면 빔 공간 다중 안테나 시스템에서는 개루프(open-loop)로 송수신간 약속된 각 빔에 독립적인 신호를 맵핑하여 전송하는 방식을 취하고 있다. 최근에는 큰 배열 이득(array gain)을 얻고자 송수신기에 안테나 수를 늘리는 추세이고 안테나 수가 많아 짐에 따라 설계 가능한 빔의 수는 이보다 같거나 작게 된다. 하지만 전송하는 스트림 수가 작을 경우 빔의 여유 차원이 존재하게 되어 많아진 안테나 수에 대한 이득을 최대한 얻기 위해서는 여유 빔 차원의 활용도를 높이는 방법이 요구된다.

종래 기술에 따른 다중 안테나 시스템에서 신호 송신 방법에 관한 선행문헌으로는 한국 특허 제1414611호가 있다.

이에 본 발명은 빔 공간 매시브 다중 안테나 시스템에서 여유 빔들을 활용함으로써, 빔 공간 다중 안테나 시스템의 전송률을 높인 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 장치는 각각의 입력된 데이터 정보를 각각의 변조신호로 변환하는 하나 이상의 신호변조기; 입력된 데이터 정보를 빔 선택정보로 변환하는 빔 선택 변조기; 상기 각각의 변조신호와 상기 빔 선택 정보로부터 빔 공간 MIMO 부호를 생성하는 빔 공간 MIMO 부호화기; 상기 빔 공간 MIMO 부호를 전송하는 다중 안테나 송신기를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 장치는 다중 안테나 시스템의 송신 장치가 전송한 빔 공간 MIMO 부호를 수신하는 다중 안테나 수신기; 상기 빔 공간 MIMO 부호로부터 빔 선택 정보와 각각의 변조신호를 최대우도추정법에 기반하여 공동 검출하는 빔 공간 복호화기; 상기 빔 선택 정보로부터 데이터를 생성하는 빔 선택 복조기; 각각의 변조신호로부터 각각의 데이터를 생성하는 하나 이상의 신호복조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법은 각각의 입력된 데이터 정보를 각각의 변조 신호로 변환하는 단계; 입력된 데이터 정보를 빔 선택 정보로 변환하는 단계; 상기 각각의 변조신호와 상기 빔 선택 정보로부터 빔 공간 MIMO 부호를 생성하는 단계; 상기 빔 공간 MIMO 부호를 전송하는 상기 다중 안테나를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 방법을 포함할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 빔 공간 매시브 다중 안테나 시스템에서 여유 빔들을 활용함으로써, 빔 공간 다중 안테나 시스템의 전송률을 높인 빔 선택 기반 빔 공간 다중 안테나 시스템의 송수신 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 기존 빔 공간 멀티플렉싱 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 멀티플렉싱 방식에 대한 송신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 멀티플렉싱 방식에 대한 수신기 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 joint 빔/심볼 디코딩을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 순차적 빔/심볼 디코딩을 나타낸 도면이다.
도 6은 기존 방식에 따른 시스템과 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 안테나 시스템의 전송량 비교를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

발명 설명에 도움이 되도록 기존 빔 공간 다중 안테나 기술을 선 기술한다. 또한, 빔 공간 다중 안테나 기술 중 멀티플렉싱 방법에 집중하여 기술하지만 다이버시티 방법 등의 모든 다중 안테나 기법들로 쉽게 확장이 가능하다. 도면들의 MIMO 송신기 및 수신기항목은 ESPAR, load modulated MIMO, hybrid MIMO 그리고 기존 MIMO 송수신기 (full RF chain) 등의 다중 안테나 기반의 전파를 송수신 하는 모든 것들을 포함한다.

도 1은 두 정보 스트림들을 두 빔에 맵핑하여 전송하는 동작을 보여준다.

독립적인 두 정보 스트림들은 크기와 위상정보로 변환된 심볼들로 변조되고 빔 공간 인코딩을 통해 고정된 두 개의 빔에 맵핑되어 합하여진 후 다중 안테나 송신기(130)를 통해 전파된다. 최종 전파되는 빔 패턴은 아래의 (수학식 1)과 같다.

(수학식 1)

빔 공간 다중 안테나 시스템에서 안테나 수만큼의 독립적인 또는 직교한 빔들을 구성할 수 있다. 본 발명에서는 전체 빔들 중에 스트림 수 만큼의 빔들만 선택되어 사용되기 때문에 이런 자유도를 추가적인 정보를 표현하는 방식으로 활용하는 것을 제안한다.

본 발명의 송신기 구조는 도 2와 같다.

독립적인 두 스트림은 기존 방식과 마찬가지로 신호의 크기와 위상의 변화로 변조되고 추가적인 세 번째 정보 스트림은 빔의 선택으로 변조된다. (수학식 2)와 같이 선택된 빔들에 두 심볼이 맵핑되는 빔 공간 인코딩 과정을 거치는 방식으로 기존 방식대비 추가적인 스트림을 보낼 수 있게 된다.

(수학식 2)

기존 방식과의 가장 큰 차이점은 추가적인 정보 스트림에 따라 빔 선택을 달리 하였기 때문에 빔 공간 인코딩 시 시간에 따라 사용되는 빔의 조합이 다르다는 것이다.

빔 선택 (또는 빔 변조)에는 아래의 방식들이 가능하고 각 경우의 표현 가능한 비트는 다음과 같다. 빔 집합의 크기는 안테나 수와 동일 또는 작을 수 있다. 채널 피드백이 있을 경우 채널 상황을 고려하여 빔 집합의 크기를 조절할 수 있다.

(송신 안테나 수:

, Signal mod.되는 스트림 수:

, Signal mod. Order:

)

1) 스트림 수가 고정인 경우:

개의 빔 중에 고정된

를 선택하는 조합의 수로 정보를 표현함으로 표현 가능한 비트 수는

bits 이다.

2) 스트림 수가 가변인 경우:

개의 빔 중에 가변적인

를 선택하는 조합의 수로 정보를 표현함으로 표현 가능한 비트 수는

bits 이다.

각 경우의 기존 빔 공간 다중 안테나 대비 추가적으로 전송 가능한 전송량은

bits와

bits 이다. 빔 선택 조합과 비트 스트림간의 약속된 맵핑 룰은 다양한 방법이 가능하며 맵핑 룰은 송수신기 간 사전에 약속되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 안테나 시스템에서의 수신기 구조는 도 3과 같다. 수신기에서는 기존빔 공간 수신기와는 다르게 심볼 디코딩만 수행되는 것이 아니라 빔 디코딩도 함께 수행이 된다.

아래의 수신기 동작들은 ML (maximum likelihood) 기반으로 설명한다.

빔/심볼 디코딩은 빔 공간 다중안테나 디코딩 절차에서 수행이 되는 아래의 방식들이 존재할 수 있다.

(수신신호:

,

를 생성시키는 송신 신호:

, 송수신기 사이의 무선채널:

)

1) Joint 빔 공간 디코딩 방식: 아래의 (수학식 3)과 도 4와 같이 송신기에서 사용한 빔 인덱스들과 맵핑된 심볼들을 ML 룰을 기반으로 joint하게 디코딩 하는 방식이다.

(수학식 3)

2) 순차적(sequencial) 빔 공간 디코딩 방식: 도 5와 같이 송신기에서 사용한 빔 인덱스들을 (수학식 4.1)에 따라 우선적으로 디코딩하고 이 결과를 토대로 (수학식 4.2)를 따라 심볼들을 디코딩하는 순차적인 방식이다.

(수학식 4.1)

(수학식 4.2)

본 발명의 일 실시예에 따른 빔 공간 다중 안테나의 성능은 다음과 같이 비교될 수 있다.

송수신 안테나는 각각 16개, 8개로 설정하였고 송신 스트림 수는 2개로 16-QAM 변조 방식을 가정하였다. Rayleigh fading 채널을 가정하였다. 성능평가의 지표는 Throughput으로서 (수학식 5)와 같이 계산된다.

(수학식 5)

FER은 frame error rate을 의미하고 100symbols을 1frame으로 가정하였다. R은 spectral efficiency를 정의한다.

도 6은 기존 빔 공간 다중안테나 시스템의 throughput 성능과 제안하는 것의 성능을 비교한 것이다. 기존 방식은 16-QAM(4ibt) 두 심볼을 전송하기 때문에 8bit의 한계 throughput 성능을 보이는 반면 제안 방식에서는 8bit 이외의 추가적인 정보를 빔을 선택함으로써 표현하였으므로

bit의 이득이 발생하여 총 14bit의 한계 throughput 성능을 보이게 된다.

본 발명은 빔 공간 다중 안테나 시스템에서 여유 빔 자원을 정보를 표현하는 데에 활용함으로써 기존 방식 대비 추가적인 전송률을 달성할 수 있는 이점이 있다.

110 : 신호 변조기
120 : 빔공간 MIMO 부호화기
130 : 다중 안테나 송신기
140 : 빔 선택 변조기
210 : 신호 복조기
220 : 빔 공간 MIMO 복호기
221 : Joint 빔/심볼 디코딩
222 : 빔 디코딩
223 : 심볼 디코딩
230 : 다중 안테나 수신기

Claims (3)

1. 다중 안테나 시스템이 적용된 통신시스템에 있어서,
   각각의 입력된 데이터 정보를 각각의 변조신호로 변환하는 하나 이상의 신호변조기;
   입력된 데이터 정보를 빔 선택정보로 변환하는 빔 선택 변조기;
   상기 각각의 변조신호와 상기 빔 선택 정보로부터 빔 공간 MIMO 부호를 생성하는 빔 공간 MIMO 부호화기; 및
   상기 빔 공간 MIMO 부호를 전송하는 다중 안테나 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 장치.
2. 다중 안테나 시스템이 적용된 통신시스템에 있어서,
   다중 안테나 시스템의 송신 장치가 전송한 빔 공간 MIMO 부호를 수신하는 다중 안테나 수신기;
   상기 빔 공간 MIMO 부호로부터 빔 선택 정보와 각각의 변조신호를 최대우도추정법에 기반하여 공동 검출하는 빔 공간 복호화기;
   상기 빔 선택 정보로부터 데이터를 생성하는 빔 선택 복조기; 및
   각각의 변조신호로부터 각각의 데이터를 생성하는 하나 이상의 신호복조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 수신 장치.
3. 다중 안테나 시스템이 적용된 통신시스템에서 신호를 송신하는 방법에 있어서,
   각각의 입력된 데이터 정보를 각각의 변조 신호로 변환하는 단계;
   입력된 데이터 정보를 빔 선택 정보로 변환하는 단계;
   상기 각각의 변조신호와 상기 빔 선택 정보로부터 빔 공간 MIMO 부호를 생성하는 단계; 및
   상기 빔 공간 MIMO 부호를 전송하는 상기 다중 안테나를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템의 송신 방법.

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