KR20230152294A - 다중 안테나 신호를 위한 송신 및 검출 기술 - Google Patents

Abstract

다중 안테나 공간 다중화 시스템은 향상 신호 검출을 사용하는 다중 안테나 공간 다중화 시스템에 있어서, 비트 정보를 부호화 및 변조하는 부호화 변조 모듈과, 상기 변조된 신호들을 전송하는 신호 송신 모듈과, 상기 신호를 수신하는 신호 수신 모듈과, 채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환하는 신호 형태 변환 모듈과, 수신된 신호들을 검출하는 신호 검출 모듈과, 상기 신호 검출 모듈에서의 검출 결과를 복원하고, 검출된 신호 S를 획득하는 신호 복원 모듈과, 상기 신호 복원 모듈의 출력을 복조 및 복호하여, 비트 정보를 출력하는 복조 복호 모듈을 포함하고, 상기 신호 송신 모듈은 모듈의 원리는 송신되기를 기다리는 신호가 S, 쿼시 정적 페이딩 채널(quasi-static fading channel) H 가 근접한 시간 블록 T₁ 및 T₂ 사이에 남아있다고 가정하면, 타임 블록 T₁에서, 송신 신호는

이고, 송신 블록 T₂에서 송신 신호는

이다. Re(s)는 복소 신호의 실수부이고, Im(s)는 복소 신호의 허수부이다.

Description

다중 안테나 신호를 위한 송신 및 검출 기술{technique of Transmission and detection for multi-antenna signals}

본 발명은 다중 안테나 통신 시스템에서의 정보 전송에 관한 것으로, 특히 다중 안테나 신호를 위한 송신 및 검출 기술에 관한 것이다.

제한된 스펙트럼 자원을 가지고, 다중 안테나 공간 다중화 BLAST 기술을 이용하여 데이터 송신율은 효과적으로 개선될 수 있다.

현존하는 BLAST 검출 알고리즘은 선형 검출(Zero-Forcing detection (ZF), Minimum Mean Square Error Detection (MMSE)) 및 비선형 검출 (Zero-Forcing and signal Interference Cancellation detection (ZFSIC), Minimum mean Square Error and signal Interference Cancellation detection (MMSE-SIC))로 나누어질 수 있다.

상기 선형 검출 방법은 상대적으로 구현이 용이한 반면, 성능이 좋지 않다. 상기 선형 검출 방법과 비교하여, 상기 비선형 검출 방법은 시스템의 성능을 개선한다. 그러나 반복 간섭 제거로 인해 상당히 증가되는 복잡도는 상기 비선형 검출 구현을 어렵게 만드는 주된 요인이다.

하기에 선형 및 비선형 BLAST 검출 알고리즘의 간단한 개요를 살펴본다.

선형 검출 알고리즘

수신된 신호를

으로 가정한다.

상기 H는 N x M 채널 매트릭스이고, 상기 S는 M차 송신 신호 벡터이고, r은 N차 수신 신호 벡터이고, n은 N차 독립 백색 가우시안 잡음이고, M 및 N은 송신 및 수신 안테나들 시스템 수이다.

ZF 검출 알고리즘에 있어서,

이고,

MMSE((Minimum mean square error detection) 알고리즘에 있어서,

이다.

상기 및 는 각각 상이한 알고리즘에서의 검출된 신호의 M-차 벡터들이다

비선형 검출 알고리즘

상기 선형 검출과 비교하여, 상기 비선형 검출 기술은 동작 복잡도가 증가할지라도 시스템 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

하기에서는 BLAST 비선형 검출 알고리즘에서 연속 간섭 제거 알고리즘의 개요를 설명하기로 한다. 이러한 알고리즘의 기본 원리는 간섭이 더 작은 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)를 가진 데이터에 미치는 충격을 줄이기 위해, 현재의 신호를 검출하는 과정에서 검출 파트로부터 온 간섭을 제거하는 것이다.

이러한 원리는 결정 피드백 균등화 (decision feedback equalization)와 유사하다.

하기에서는 검출 과정을 설명하기로 한다.

ZF-SIC 검출기에 대해, 다음과 같이 정의된다.

MMSE-SIC 검출기에 대해, 다음과 같이 정의된다.

그리고 하기의 과정 1 후에, 결정 신호가 획득된다.

과정 1:

상기 과정에서, K₁, k₂,...,k_M 검출 과정에서 안테나들을 전송하는 순서를 형성한다.

다음으로, 과정 2가 수행되고, 상기 검출된 신호들의 충격이 수신된 신호들로부터 제거된다. 상기 새로운 의사역행렬(pseudo inverse matrix)이 결정되고, 상기 새로운 결정 순서가 또한 결정된다.

과정 2:

다음으로, 순환 과정이 형성되고, 상기 순환 과정은 과정 1 및 과정 2를 포함한다. 상기 순환 과정은 i=M 이 될 때까지 신호들 상에서 수행된다. 그러면, 모든 신호들은 결정되고, 순환 과정은 완료된다.

상기 BLAST 선형 검출 방법은 상대적으로 구현이 용이한 반면, 성능이 좋지 않다. 상기 선형 검출 방법에 비해, 상기 비선형 검출 방법은 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 반복 간섭 제거로 인한 상당히 증가되는 복잡도가 상기 비선형 검출을 구현하기 어렵게 하는 주요 단점이다.

본 발명은 시스템의 성능을 향상시키는 동시에 시스템의 복잡도는 상대적으로 낮은 향상 신호 검출을 사용하는 BLAST 시스템을 제공한다.

일실시예로서, 다중 안테나 공간 다중화 시스템은 향상 신호 검출을 사용하는 다중 안테나 공간 다중화 시스템에 있어서, 비트 정보를 부호화 및 변조하는 부호화 변조 모듈과, 상기 변조된 신호들을 전송하는 신호 송신 모듈과, 상기 신호를 수신하는 신호 수신 모듈과, 채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환하는 신호 형태 변환 모듈과, 수신된 신호들을 검출하는 신호 검출 모듈과, 상기 신호 검출 모듈에서의 검출 결과를 복원하고, 검출된 신호 S를 획득하는 신호 복원 모듈과, 상기 신호 복원 모듈의 출력을 복조 및 복호하여, 비트 정보를 출력하는 복조 복호 모듈을 포함하고, 상기 신호 송신 모듈은 모듈의 원리는 송신되기를 기다리는 신호가 S, 쿼시 정적 페이딩 채널(quasi-static fading channel) H 가 근접한 시간 블록 T₁ 및 T₂ 사이에 남아있다고 가정하면, 타임 블록 T₁에서, 송신 신호는

이고, 송신 블록 T₂에서 송신 신호는

이다. Re(s)는 복소 신호의 실수부이고, Im(s)는 복소 신호의 허수부이다.

다중 안테나 공간 다중화 시스템의 채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환하는 원리는

수학식을 따른다.

다중 안테나 공간 다중화 시스템의 수신된 신호들을 검출하는 신호 검출 모듈을 위한 원리는

여기서 Re(s)는 상기 검출 신호의 실수부이고,

여기서 Im(s)는 상기 검출 신호의 허수부인 수학식을 따른다.

다중 안테나 공간 다중화 시스템의 상기 신호검출 결과를 복원하기 위한 신호 복원 모듈의 원리는

을 따른다.

다중 안테나 공간 다중화 시스템의 상기 안테나는 MIMO 안테나이다.

본 발명에 따른 다중 안테나 공간 다중화 시스템은 BER 및 FER 성능이 상당히 향상되는 효과를 갖는다.

또한, 시스템의 복잡도가 낮아 구현하기 쉽고 간편한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 일실시예에 따른 송신단의 시스템 구조도이다..
도 2는 본 발명에 일실시예에 따른 수신단 및 시그널링 플로우단의 시스템 구조도이다.
도 3은 본 발명에 일실시예의 프레임 오류율(FER: frame error rate) 성능을 도시한 도면이다.

이하 설명되는 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

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.

또한 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 구분하여 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한 본 출원에서 적어도 2개의 상이한 실시예들이 각각 기재되어 있을 경우, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 별다른 기재가 없더라도 각 실시예들은 구성요소의 전부 또는 일부를 상호 병합 및 혼용하여 사용할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명 및 첨부 도면이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 따른 시스템 구조와 시그널링 흐름은 도 1 및 2에 도시된다.

이러한 시스템 구조의 개요는 하기에서 설명된다.

부호화 변조 모듈은 비트 정보를 부호화 및 변조한다.

신호 송신 모듈은 상기 변조된 신호들을 전송한다. 상기 신호 송신 모듈의 원리는 다음과 같이 구성된다. 송신 되기를 기다리는 신호가 S, 쿼시 정적 페이딩 채널(quasi-static fading channel) H가 근접한 시간 블록 T1 및 T2 사이에 남아있다고 가정한다. 타임 블록 T1에서, 송신 신호는 이고, 송신 블록 T2에서 송신 신호는 이다. Re(s)는 복소 신호의 실수부이고, Im(s)는 복소 신호의 허수부이다.

신호 수신 모듈은 의 신호를 수신한다.

신호 형태 변환 모듈은 다음과 같은 채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환한다.

신호 검출 모듈은 수신 신호 및 을 검출한다.

상기 수신 신호에서 는 상기 검출 신호의 실수부이고, 는 상기 검출 신호의 허수부이다.

신호 복원 모듈은 상기 신호 검출 결과를 복원하고, 상기 검출된 신호 를 획득한다. 상기 복원 원리는 와 같다.

복조 및 복호 모듈은 상기 검출 신호를 복조 및 복호하여, 비트 정보를 출력한다.

상기 과정에 따라, 이러한 시스템의 신호 검출의 과정에서, 일반적인 검출 알고리즘에서의 의사 역 검출 행렬 은 및 로 재생성되고, 이는 검출 과정에서 잡음 증가를 확실히 감소시킬 것이다.

동시에, 일반적인 검출 알고리즘과 비교하면, 이러한 시스템의 복잡도는 확실히 증가되지 않았다. 상기 복잡도는 순차적 간섭 제거 비선형 검출 알고리즘보다 훨씬 낮다.

하기에서는 이러한 발명에 따라, 시스템에서 상기 시그널링 <51> 과정의 합리성을 증명하기로 한다.

하기의 증명 과정에서 는 행렬 의사 역을 의미하고, 는 행렬 전치 켤레를 의미한다.

수신단에서 하기의 <수학식 1>을 가정한다.

상기 <수학식 1>에서 균등 변환을 수행하면 하기의 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같다.

하기에서는 <수학식 8>이 <수학식 9> 및 <62> <수학식 10>에 의해 증명된다.

그러면, 상기 <수학식 8> 및 하기의 <수학식 11>로부터 하기의 <수학식 12> 및 <수학식 13>이 획득된다.

상기 검출 신호의 하기의 <수학식 14>와 같다.

이러한 실시 예는 네 개의 송신 네 개의 수신 안테나들로 구성된 다중 안테나 BLAST 통신 시스템을 사용한다.

상기 채널은 쿼시 정적 플랫 레일리 페이딩 채널(quasi-static flat Rayleigh fading channel)이다. 채널이 연속 시간 블록 T₁ 및 T₂ 사이에 동일한 것으로 남을 것을 가정한다. 상기 실시 예에서, 본 발명 및 ZF 검출 및 ZF SIC 검출기를 사용하는 BLAST 시스템에 다른 시스템은 성능 시뮬레이션을 위해 모두 수행된다. 정당한 성능 비교를 확실히 하기 위해, 송신단에서, 본 발명에 따른 시스템은 16QAM 변조를 사용하는 반면, ZF 및 ZF SIC 알고리즘 송신단은 QPSK 변조를 사용한다.

상기 시뮬레이션에서, 1/3 터보 코드가 모든 알고리즘들에서 부호화 및 복호화를 위해 사용된다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 본 발명에 따른 다중 안테나 공간 다중화 시스템은 BER 및 FER 성능이 상당히 향상되는 효과를 갖는다.

또한, 시스템의 복잡도가 낮아 구현하기 쉽고 간편한 효과를 갖는다.

한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (5)

1. 향상 신호 검출을 사용하는 다중 안테나 공간 다중화 시스템에 있어서,
   비트 정보를 부호화 및 변조하는 부호화 변조 모듈과,
   상기 변조된 신호들을 전송하는 신호 송신 모듈과,
   상기 신호를 수신하는 신호 수신 모듈과,
   채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환하는 신호 형태 변환 모듈과,
   수신된 신호들을 검출하는 신호 검출 모듈과,
   상기 신호 검출 모듈에서의 검출 결과를 복원하고, 검출된 신호 S를 획득하는 신호 복원 모듈과,
   상기 신호 복원 모듈의 출력을 복조 및 복호하여, 비트 정보를 출력하는 복조 복호 모듈을 포함하고,
   상기 신호 송신 모듈은 모듈의 원리는 송신되기를 기다리는 신호가 S, 쿼시 정적 페이딩 채널(quasi-static fading channel) H 가 근접한 시간 블록 T₁ 및 T₂ 사이에 남아있다고 가정하면, 타임 블록 T₁에서, 송신 신호는

   

   이고, 송신 블록 T₂에서 송신 신호는

   

   이다.
   Re(s)는 복소 신호의 실수부이고, Im(s)는 복소 신호의 허수부인 다중 안테나 공간 다중화 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   채널 매트릭스 H 및 수신 신호 벡터 r의 형태를 변환하는 원리는

   

   수학식을 따르는 다중 안테나 공간 다중화 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   수신된 신호들을 검출하는 신호 검출 모듈을 위한 원리는
   

   

   여기서 Re(s)는 상기 검출 신호의 실수부이고,
   

   

   여기서 Im(s)는 상기 검출 신호의 허수부인 수학식을 따르는 다중 안테나 공간 다중화 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 신호검출 결과를 복원하기 위한 신호 복원 모듈의 원리는
   

   

   을 따르는 다중 안테나 공간 다중화 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 안테나는 MIMO 안테나인 다중 안테나 공간 다중화 시스템.