KR100845498B1 - 다중사용자 다중안테나 통신 시스템에서 전처리 장치 및전처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중사용자 다중안테나 통신 시스템에서 전처리 장치 및 전처리 방법에 관한 것이다.

다수 개의 안테나를 갖고 있는 송신단에서 하나의 안테나를 갖는 수신단으로 다수의 신호를 송신할 때, 간섭 신호에 의한 시스템의 성능 열화를 막아줄 뿐만 아니라 성상도의 회전 각도를 변화시켜가며 송신 전력을 효율적으로 줄여줄 수 있도록 하는 전처리 장치 및 그를 이용한 전처리 방법에 관한 것이다. 이와 같은 전처리 장치를 이용하여 전력을 제어하면, 기존의 다중 사용자 다중 안테나 전처리 장치의 구조적 이득을 깨트리지 않으면서도 시스템의 성능을 개선할 수 있다.

다중사용자 다중안테나, 전처리 장치, 간섭 제거, 성상도 회전, 회전 각도, 스위칭

Description

다중사용자 다중안테나 통신 시스템에서 전처리 장치 및 전처리 방법{Apparatus and method for precoder in multiuser MIMO system}

도 1은 일반적인 다중사용자 다중안테나 전처리 장치의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중사용자 다중안테나 전처리 장치의 구조도이다.

도 3a는 일반적인 THP(Tomlinson Harashima Precoder)에 따른 송신 전력을 나타낸 예시도이다

도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 송신 전력의 예를 나타낸 예시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치의 회전 각도 추정을 나타낸 예시도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 경계를 나타낸 예시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전처리 방법의 흐름도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭이 포함된 상태의 전처리 장치와 THP의 성능 비교를 나타낸 예시도이다.

본 발명은 이동 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 다중사용자 다중안테나 통신 시스템에서의 전처리 장치와 전처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 통신 시스템에서의 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과는 달리, 다중 경로 간섭(Multi path interference), 쉐도잉(Shadowing), 전파 감쇠, 시변 잡음 및 간섭 등과 같은 여러 요인들로 인해 실제 송신 신호에서 왜곡된 신호를 수신하게 된다. 여기서, 다중 경로 간섭에 의한 페이딩은 반사체나 사용자, 즉 이동국의 이동 단말과 밀접한 관련이 있으며, 실제 송신 신호와 간섭 신호가 혼재한 형태로 이동 단말은 신호를 수신한다.

그러므로 수신 신호는 실제 송신 신호에서 강한 왜곡을 겪은 형태가 되어 전체 이동통신 시스템의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. 결과적으로, 페이딩 현상은 수신 신호의 크기와 위상을 왜곡시킬 수 있기 때문에, 무선 채널 환경에서 고속의 데이터 통신을 방해하는 주요 원인이 된다. 이 페이딩 현상을 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있으며, 그 중 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템이 한 예라고 할 수 있다.

MIMO 시스템은 송수신단에 다중 안테나를 사용함으로써 독립적인 페이딩 채널을 다수 개 형성하고 송신 안테나마다 다른 신호를 전송함으로써, 데이터 전송 속도를 크게 향상시킬 수 있다. 그러나, MIMO 시스템은 고속 전송 시 발생하는 송신 신호의 심벌간의 간섭 및 주파수 선택적 페이딩에 약하다는 단점이 있다. 이 외에도, 다중 사용자들 간에 신호 간섭의 영향을 제거하기 위하여 전처리 장치를 이용하여 송신 신호에 대하여 소정의 전처리 과정을 수행하지만, 신호 간섭과 송신 신호의 전력 차가 커져 SNR(Signal-to-Noise Ratio, 신호대 잡음비)에서 손해를 보게 되고, 성능 열화가 발생하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력을 제어하여 시스템의 성능을 향상시키는 저전력 다중 사용자(MU: Multi-User) MIMO 시스템에서의 전처리 장치를 제공한다.

또한, 제공된 전처리 장치를 이용하여 효과적으로 전력을 제어하는 방법을 제공한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징인 전처리 장치는, 이동통신 시스템에서 송신단에서 송신 신호를 수신단으로 전송하는 경우, 상기 송신 신호를 전처리하는 전처리 장치에 있어서,

제1 사용자가 전송하고자 하는 송신 신호와 상기 제1 사용자에 앞서 신호를 송신한 이전 사용자의 송신 신호를 이용하여, 상기 제1 사용자의 송신 신호에 작용될 간섭 신호를 추출하는 간섭 신호 실제 채널 생성부; 상기 제1 사용자를 포함하는 다수의 사용자들에 대한 사용자별 채널 정보들을 토대로 추출한 회전 각도 가짓수 정보와 상기 추출한 간섭 신호를 이용하여, 상기 제1 사용자가 전송하고자 하는 송신 신호의 성상도를 회전할 회전 각도를 선택하는 회전 각도 선택부; 상기 제1 사용자의 송신 신호로부터 상기 간섭 신호를 제거하여 송신 전력을 제어하는 모듈로 연산부; 및 상기 간섭 신호가 제거된 상기 제1 사용자의 송신 신호에 허미 션(Hermitian) 행렬을 곱하여, 상기 선택된 회전 각도만큼 상기 제1 사용자의 송신 신호를 상기 수신단으로 전송하기 위한 통신 채널을 생성하는 행렬 곱셈부를 포함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 전처리 장치는, 이동통신 시스템에서 송신단에서 수신단으로 전송한 신호를 수신하여 전처리하는 전처리 장치에서,

사용자별 채널 정보를 토대로 추출된 회전 각도 가짓수 정보를 토대로 다수의 사용자들로부터 수신 신호들의 성상도 회전 각도를 추정하는 회전 각도 추정부; 및 상기 추정된 성상도 회전 각도만큼 회전하여 상기 수신 신호가 원 성상도를 유지하도록 하고, 상기 수신 신호에 대해 모듈로 연산을 수행하여 수신 신호의 위치를 확정한 후 복조를 통해 수신된 신호의 데이터 비트를 복원하는 모듈로 연산/복조부를 포함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 전처리 방법은, 이동 통신 시스템에서 송신단에서 송신 신호를 통신 채널을 통하여 수신단으로 전송하는 경우, 상기 송신 신호를 전처리 하는 방법에 있어서,

제1 사용자가 전송하고자 하는 제1 송신 신호의 성상도 회전 각도를 선택하는 단계; 상기 제1 송신 신호에 대한 모듈로 연산을 수행하여 송신 전력을 제어하는 단계; 및 상기 송신 전력이 제어된 제1 송신 신호에서 간섭 신호를 제거하고 소정의 행렬을 곱하여 통신 채널을 추출하고, 추출된 통신 채널을 통해 상기 선택한 성상도 회전 각도를 이용하여 상기 제1 송신 신호를 회전시켜 전송하는 단계를 포 함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 전처리 방법은, 이동통신 시스템에서 송신단에서 수신단으로 전송한 신호를 수신하여 전처리하는 전처리 방법에서,

다수의 사용자들로부터 다수의 수신 신호들을 미리 설정된 단위 구간동안 각각 모아서 평균화시켜 해당 수신 신호의 성상도 회전 각도를 각각 추정하는 단계; 및 상기 각각 추정된 성상도 회전 각도만큼 해당 수신 신호들을 회전하여 원 성상도를 유지하도록 하며, 상기 평균화 과정이 완료된 수신 신호들에 모듈로 연산을 수행하여 수신 신호의 위치를 확정하고, 위치가 확정된 수신 신호를 복조하여 데이터 비트를 복원하는 단계를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서, 일반적으로 송신단에 다수 개의 안테 나가 있고 사용자들은 하나의 안테나만을 가지고 있는 환경에서, 다중 사용자에게 통신 서비스를 제공한다고 가정한다. 이와 같은 경우, 각각의 사용자들은 다른 사용자들에 의해 자신에게 들어오는 간섭 신호를 제거할 방법이 없기 때문에 성능 열화가 크게 발생한다. 이러한 사용자간 간섭 신호를 제거하기 위하여 채널 정보를 이용한 다중 사용자 다중 안테나 전처리 장치가 이용되며, 이에 대하여 도 1을 토대로 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 다중사용자 다중안테나 전처리 장치의 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 풀 피드백(Full feedback) 기반 다중 사용자 MIMO 시스템에서의 전처리 장치는 다중 사용자들에 의해 피드백된 채널들을 모아 전체 채널 행렬(channel matrix)을 구성한다. 전처리 장치는 QR 분해(decomposition)를 이용하여, 구성된 채널 행렬을 단위 행렬(Q)(unitary matrix)과 삼각 행렬(R)(triangular matrix)로 분해하고, 이를 다중 안테나로 수신할 송신 신호의 전처리에 이용한다. 이는 일반적인 채널 행렬 상태에서는 모든 사용자들 간의 신호가 뒤섞여 수신되기 때문에, 송신단에서 미리 다중 사용자 간섭(MUI: Multi-User Interference) 신호를 제거하여 전송하기 위함이다.

그러므로 상기와 같이 채널을 분해하여 이용하면, 송신 신호에 단위 행렬의 허미션(Hermitian) 값을 곱하여 수신단으로 전송하기 때문에, 삼각 행렬이 실제 유효 채널(effective channel)로 작용할 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

먼저, 각각의 사용자들이 수신할 신호들을 모아놓은 벡터

는 [수학식 1]과 같다.

여기서,

는 다수의 사용자들에게 보내지는 다수의 송신 신호 벡터이며,

은 각각의 사용자들이 겪는 잡음 벡터이다. 또한, H는 채널 행렬을 의미한다.

만약 [수학식 1]과 같은 신호가 다중 사용자들에게 전송되면, 다른 사용자들의 신호가 채널을 통해 모두 섞여 들어오기 때문에 제대로 된 통신을 수행할 수 없게 된다. 이때 QR 분해를 이용하여, 구성된 채널 행렬을 단위 행렬과 삼각 행렬로 분해하면 다음 [수학식 2]와 같다.

이때, R은 삼각 행렬, Q는 단위 행렬이다.

여기서 송신단 측에서 채널 정보를 알고 있어서

를 곱해 수신단으로 전송한다면 다음 [수학식 3]과 같다.

여기서 위첨자로 표기된 H는 행렬을 변화시키는 수학적 연산인 허미션이다.

[수학식 3]과 같이 실제적인 유효 채널이 [수학식 1]의 H에서 R로 바뀐 것을 알 수 있다. 이를 좀 더 상세히 풀어 제시하면 다음 [수학식 4]와 같다.

즉, [수학식 4]에 나타난 바와 같이, 첫 번째 사용자(y1)는 다른 사용자(y2 ∼ yk)로부터 간섭 신호가 전혀 들어오고 있지 않으나, 두 번째 사용자(y2)는 자신의 바로 앞 사용자(y1)의 신호가 간섭 신호로 작용하여 자신의 신호와 함께 수신되는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 어떠한 사용자의 신호가 다음 사용자에게 간섭 신호로 작용함을 알 수 있다.

그러므로, 송신단은 순차적으로 각 사용자들에게 작용할 간섭 신호를 미리 제거하여 수신단으로 보내줄 수 있다. 이를 수학식으로 나타내면 다음 [수학식 5] 와 같다.

이와 같이, 송신단에서 사용자들에게 작용할 간섭 신호를 미리 제거하여 보내줌으로써, 간섭 신호의 영향이 사라진다. 그러나, 송신할 신호와 간섭 신호의 차이가 크다면, 송신 전력이 급격하게 증폭된다. 즉, 송신 신호의 전력이 너무 커져서 신호대 잡음비에서 손해를 보게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 practical DPC(Dirty-Paper Coding) 알고리즘들을 이용하여 송신 신호에 대한 전력을 제어한다. 송신 전력을 제어하는 방법으로는 다수의 DPC 알고리즘 중 주로 THP(Tomlinson Harashima Precoder)를 이용한다. THP는 송신 전력이 과도하게 커지는 것을 막아주기 위하여, 송신단에서 수신단으로 신호를 송신하기 전에 모듈로(modulo) 연산을 수행한 후 신호를 전송한다. 즉, 모듈로 연산에 의해 송신 신호의 전력이 일정 범위 안으로 강제적으로 유지되도록 한다.

그러나, THP는 모듈로 연산에 의해 모듈로 손실(modulo loss)이 발생한다. 여기서 모듈로 손실은, 잡음을 받은 신호가 모듈로 연산 때문에 완전히 다른 방향으로 전송됨으로써 발생하는 성능 열화를 의미한다. 즉, 모듈로 연산이 수행되지 않을 경우 송신 신호가 채널을 통한 잡음의 영향을 받는다 하더라도 원래 신호의 주위에 위치하도록 전송되지만, 모듈로 연산이 수행될 경우 모듈로 연산에 의해 완전히 반대 방향으로 전송될 수 있다.

이와 같이 일반적인 다중 사용자 다중 안테나 전처리 장치는 송신 전력을 효율적으로 줄여줄 수는 있지만, 단순한 모듈로 연산만을 이용하기 때문에 시스템의 성능에 한계가 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예에서는 성상도의 회전 각도를 변화시켜가며 시스템의 성능을 개선시키는 전처리 장치를 제공한다. 이때 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치는 다음 도 2를 참조로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중사용자 다중안테나 전처리 장치의 구조도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치는 통신 채널로 상호 연결되어 있는 송신단(100)과 수신단(200)으로 나누어 살펴볼 수 있다. 송신단(100)은 회전 각도 선택부(110), 모듈로 연산부(120), 간섭 신호 실제 채널 생성부(140) 및 행렬 곱셈부(130)를 포함하며, 수신단(200)은 회전 각도 추정부(210) 및 모듈로 연산/복조부(220)를 포함한다.

먼저 송신단(100)의 구성 요소 중 하나인 회전 각도 선택부(110)는 송신하고자 하는 신호의 성상도를 변화시키기 위한 회전 각도를 선택한다. 즉, 신호가 전송되는 한 블록 구간인 단위 구간 동안, 송신 신호에서 간섭 신호를 제거한 평균 전력이 최소가 되는 회전 각도를 선택한다.

여기서 평균 전력이 최소가 되는 회전 각도라 함은, 간섭 신호와 송신 신호 의 차이가 가장 작아지는 회전 각도를 의미한다. 이때, 간섭 신호와 송신 신호와의 차이에 대한 설명은 하기 도 3b를 참조하여 설명하기로 한다.

모듈로 연산부(120)는 간섭 신호에서 송신 신호를 제거한 신호와 회전 각도 선택부(110)에서 선택된 회전 각도를 모듈로 연산하는 기능을 수행한다. 이와 같은 모듈로 연산을 통해, 전력 증폭을 막아준다. 여기서, 모듈로 연산은 송신 심볼들을 여러 개의 2차원 영역으로 확장시켜 놓고, 간섭 신호와 가장 가까이 있는 영역의 신호를 선택하여 간섭 신호를 제거한 뒤 송신함으로써 송신 신호의 전력이 커지는 것을 막아준다.

간섭 신호 실제 채널 생성부(140)는 송신 신호에 작용하는 간섭 신호의 실체 채널을 파악하여 추출하는 기능을 수행한다. 이때, 다수의 사용자에게서 받은 사용자별 채널 정보를 모아 구성된 전체 채널 행렬을 QR 분해를 이용하여 단위 행렬과 삼각 행렬을 이용한다. 간섭 신호는 송신단(100)으로 신호가 송신되기 까지 다수의 신호들에 의해 원 간섭 신호가 영향을 받을 수 있기 때문에, 실제 자신의 신호에 해당하는 간섭 신호의 실제 채널을 추출해야 한다.

여기서, 앞 사용자의 송신 신호에 대한 회전 각도가 선택되고 난 후 다음 사용자에 대한 간섭 신호의 실제 채널이 추출되는 것은, 회전 각도가 선택되고 선택된 회전 각도로 앞 사용자의 송신 신호가 전송되면 앞 사용자의 신호가 다음 사용자의 송신 신호에 대한 간섭 신호로 작용하기 때문이다.

이때, 전체 채널 행렬을 QR 분해하여 생성된 삼각 행렬을 이용하여 간섭 신호의 실제 채널을 생성한다. 여기서 전체 채널 행렬을 구성하는 것은 풀 피드백 기 반의 전처리 장치에서는 일반적인 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 전체 채널 행렬이 구성되는 방법에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

한편 행렬 곱셈부(150)는 간섭 신호가 제거된 송신 신호에 유니터리 행렬을 곱한다. 이는 QR 분해를 통해 생성된 삼각 행렬을 실제 통신 채널인 유효 채널이 되도록 해 주기 위함이다.

상기 송신단(100)으로부터 출력되는 신호를 수신하는 전처리 장치의 수신단(200) 구성 요소인 회전 각도 추정부(210)는 각각의 사용자들로부터 수신한 신호를 일정구간 동안 쌓아 평균화를 해주어, 성상도의 회전 각도를 추정한다. 여기서 각각의 사용자들로부터 수신한 신호는 통신 채널을 거치면서 백색 정규분포를 따르는 잡음의 영향을 받게 된다.

모듈로 연산/복조부(220)는 회전 각도 추정부(210)로부터 수신된 신호의 회전 각도가 추정되면, 회전된 각도 만큼 원위치시켜 원래 성상도를 유지하도록 한 후 모듈로 연산과 복조 작업을 통해 원 신호로 복원하는 기능을 수행한다. 모듈로 연산/복조부(220)는 모듈로 연산과 복조 작업을 함께 수행한다.

여기서 모듈로 연산은, 신호가 송신될 때 모듈로 연산을 수행하여 수신단(200)으로 수신된 심볼이 원래 심볼이 아닌 다른 위치의 심볼일 경우, 원래의 위치로 돌려놓는 작업을 의미한다. 다음 복조 작업은 일반적인 통신 시스템에서와 같은 복조 작업으로, 송신단(100)에서 비트들을 심볼로 변조하여 보낸 만큼 이를 원래의 비트들로 복원하는 것이다. 모듈로 연산과 복조 작업은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이와 같은 구성 요소로 이루어진 전처리 장치를 이용하여 송신 전력을 제어하고, 이때의 송신 전력에 대하여 도 3a의 일반적인 송신 전력과 비교하여 도 3b를 참고로 설명하기로 한다.

도 3a는 일반적인 THP에 따른 송신 전력을 나타낸 예시도이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 송신 전력을 나타낸 예시도이다.

일반적인 THP 전처리 장치에 따른 송신 전력은 도 3a에 나타난 바와 같이, 일반적인 THP 전처리 장치에서는 모듈로 연산을 통하여 성상도를 여러 곳으로 확장시켜 송신 전력을 절약한다. 이에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 송신 전력은 도 3b에 나타난 바와 같다.

본 발명의 실시예에서는 간섭 신호를 제거해주는 THP를 개선하였으며, 기존의 THP 기법과 비교할 때 송신 전력을 낮추기 위한 추가적인 정보가 필요하지 않기 때문에, 정보 전송률에 대해서는 고려하지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 기법에 의하면, THP의 성능을 개선시키기 위하여 송신 신호의 성상도 회전이라는 추가적 선택 효과를 이용한다.

즉, 도 3b에 나타나 있는 바와 같이, 성상도를 회전시켜가면서, 한 단위 구간 동안 간섭 신호를 제거한 평균 전력 즉, 실제적인 송신 전력이 최소(도 3b에서는 화살표의 길이로 표기됨)가 되는 회전 각도를 찾아준다. 송신단(100)은 회전 된 성상도를 통해 단위 구간동안 송신 신호를 수신단(200)으로 송신한다. 이 경우, 회전된 회전 각도는 수신단(200)에서 추정해주어야 하기 때문에, 송/수신단(100, 200)에서 상호 알고 있으며 미리 약속된 제한된 회전 각도 가짓수를 선택하고, 선 택된 회전 각도 가짓수 중 어느 하나의 회전 각도를 이용한다.

예를 들어 설명하면, 도 3b에 도시된 그래프의 X축은 실수부를, Y축은 허수부를 나타낸다. 회전 각도 선택부(110)는 전송하고자 하는 송신 신호의 실수부와 허수부 수치를 제곱한 값과 간섭 신호의 실수부와 허수부 수치를 감산한 후 제곱한 값을 이용하며, 이때 계산된 값이 최소가 되는 회전 각도를 찾는다.

이와 같이 송신단(100)이 송신 전력을 최소로 하기 위해 성상도를 회전하여 신호를 전송하면, 수신단(200)에서는 단위 구간 동안 다수의 심볼들을 받아보고 회전 각도 가짓수에 대한 정보를 토대로 송신 신호의 돌아간 회전 각도를 추정해야만 원 신호인 데이터 비트를 구해낼 수 있다. 이때 회전 각도를 추정하는 방법에 대하여 도 4를 참조로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치의 회전 각도 추정을 나타낸 예시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 수신단(200)에서 원형으로 표현된 일정 범위로 심볼들을 수신하면, 수신한 심볼들의 평균을 취함으로써 돌아간 성상도를 추정해낸다. 즉, 다수의 사용자에 대한 성상도가 회전된 채널 심볼들이 송신단(100)으로부터 수신단(200)으로 전송되면, 수신단(200)은 도 4에 도시된 일정 범위 내에 심볼들이 분포되어 나타나 있음을 알 수 있다. 이때 수신단(200)의 회전 각도 추정부(210)는 분포된 심볼들에 대하여 평균을 취하여 회전된 성상도의 회전 각도를 점과 같이 추정한다.

이와 같이 수신단(200)에서 평균화를 통해 돌아간 회전 각도를 추정하기 위 해서는, 단위 구간의 길이가 충분히 커야 한다. 만약, 단위 구간의 길이가 작다면, 잡음의 영향에 의해 회전 각도가 제대로 추정되지 못하게 되며, 이에 따라 단위 구간 전체에서의 신호가 제대로 검출되지 않기 때문이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 송신단(100)에서 회전 각도에 대한 추가적인 정보를 송신하지 않기 때문에, 수신단(200)에서 각도의 추정이 제대로 이루어지지 않을 수 있으며, 이 경우 성능에서 큰 열화가 발생한다. 즉, 실제 채널의 상태가 좋지 않거나, 신호대 잡음비가 좋지 않아 잡음의 영향이 커지게 되면 기존의 THP에 비해 오히려 성능이 나빠질 수도 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 회전 각도 가짓수에 대한 순시적 선택을 제안하며, 이에 대하여 도 5를 참조로 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 경계를 나타낸 예시도이다.

도 5는 원래의 성상도와 45도 회전시킨 성상도 중 어느 하나를 선택하도록 제안되어 있다. 즉, 신호대 잡음비와 실제적 채널 상황에 의해 계산된 잡음의 분산이 오차 없이 회전 각도를 추정할 수 있는 경계 이내에 존재하도록 회전 각도의 가짓수를 선택해 주는 것이다.

선택된 회전 각도의 가짓수는 채널 상황에 따라 달라지며, 전처리 장치의 송신단(100)과 수신단(200) 모두 해당 정보를 알고 있다. 즉, 신호가 송수신되지 않는 휴지 기간과 같은 때에 전처리 장치는 채널 상황을 파악하고, 회전 각도의 가짓수를 선택하여 송/수신단(100, 200)에서 모두 알고 있는 상태에서 신호의 송/수신을 시작한다. 도 5에서는 회전 각도의 가짓수를 2개(원래의 성상도, 45도 회전)로 선택한 경우를 나타내었다.

여기서 회전 각도를 45도로 한 것은, 도 3b에 나타난 바와 같이 성상도를 회전시킬 때, 네모 블록으로 표시된 성상도가 회전할 때 상호 이웃한 신호와 겹쳐지지 않도록 하는 회전 각도가 45도 이기 때문이다. 즉, 상호 간섭되는 것을 방지하기 위해 90도에서 간섭 없이 회전할 수 있는 각도인 45도를 예로 하여 설명하였다.

상기에서 설명한 바와 같은 회전 각도의 가짓수를 선택하는 방법을 수학식으로 표기하면 다음과 같다. 하기의 수학식에는 잡음의 평균 반경, 오차 없이 회전 각도 검출이 가능한 경계, 잡음의 크기가 표준편차의 배 이상을 가지게 될 확률, 회전 각도를 제대로 추정하지 못할 확률이 P_out인 스위칭 경계, n개의 회전 각도 중 선택하는 경우로의 확장에 대하여 나타내었다.

먼저 [수학식 6]은 잡음의 평균 반경을 구하는 수식이다.

여기서, P_S는 송신 전력, N_S는 단위 구간 내의 심볼 개수를 의미함.

[수학식 7]은 오차 없이 회전 각도의 검출이 가능한 경계를 구하는 수식이다.

여기서 P_C는 기존 성상도의 평균 전력, r_ii는 삼각 행렬의 대각선 성분의 값을 의미함.

[수학식 8]은 잡음의 크기가 표준편차의 소정 수치인 x배 이상을 가지게 될 확률을 구하는 수식이다.

[수학식 9]는 회전 각도를 제대로 추정하지 못할 경우의 확률이 P_out인 스위칭 경계를 구하는 수식이다.

· 원래 성상도와 45도 회전된 것 중 선택하는 경우 :

· 기존의 THP를 사용하는 경우 :

상기 [수학식 9]에 나타난 원래 성상도와 45도 회전된 것 중 하나를 선택하는 것에서, N개의 회전 각도 중 어느 하나를 선택하는 일반적인 경우로 확장하면 다음 [수학식 10]과 같다.

여기서, k는 0 〈 k 〈 N

이와 같이 순시적으로 회전 각도를 선택해주면, 채널의 환경이 안 좋은 경우에라도 THP와 같은 성능을 보이며, 채널 환경이 좋은 경우에는 성상도의 회전 각도 선택 효과에 의하여 성능이 개선된다.

다음은 상기에서 설명한 회전 각도를 선택하여 성능을 개선하는 전처리 방법에 대하여 도 6을 참조로 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전처리 방법의 흐름도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 신호를 송수신하기 앞서, 전처리 장치의 송신단(100)과 수신단(200)은 채널의 상태를 파악하고, 채널의 상태에 따라 송신 신호의 성상도를 회전할 회전 각도의 가짓수를 결정(S100)한다. 결정된 회전 각도의 가짓수는 전처리 장치의 송신단(100)과 수신단(200)에서 모두 알고 있으며, 회전 각도의 가짓수를 선택함에 있어 신호대 잡음비와 실제 채널 상황에 의해 계산된 잡음의 분산이 오차 없이 회전 각도를 추정할 수 있는 경계 내에 존재하도록 선택한다.

다음 전처리 장치의 송신단(100)은 다수의 사용자에게서 받은 사용자별 채널들을 모아 전체 채널 행렬을 구성(S110)한다. 본 발명의 실시예에서는 4명의 사용자에 대한 신호 송수신을 예로 하여 설명하기로 한다. 4명의 사용자에게 받은 채널을 이용하여 구성된 채널은 QR 분해(S120)를 통해 단위 행렬과 삼각 행렬로 나뉜다. 여기서, 전처리 장치에서 전체 채널 행렬을 구성하는 방법이나 QR 분해를 통해 단위 행렬과 삼각 행렬로 나누는 방법은 이미 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

송신단(100)이 QR 분해를 통해 단위 행렬과 삼각 행렬로 나누면, 각각의 삼각 행렬을 실제 채널로 변환하여 수신단(200)으로 송신할 수 있도록 한다. 즉, 전체 채널 행렬을 단위 행렬과 삼각 행렬로 나눈 후,

를 곱하여 삼각 행렬이 실제적인 통신 채널이 되도록 한다.

삼각 행렬이 통신 채널로 변화되면 송신을 시작한다. 이때, 가장 첫 번째 사용자에 대한 신호는 간섭 신호를 받지 않게 되기 때문에, 회전 각도 선택이나 모듈 로 연산이 수행될 필요가 없다. 그러므로 전처리 장치 송신단(100)에서는 가장 첫 번째 사용자에 대한 신호는

만 곱한 통신 채널을 바로 수신단(200)으로 전송한다.

그러나, 두 번째 사용자에 대한 신호부터는 앞선 신호가 자신의 신호에 간섭 신호로 작용하기 때문에 회전 각도를 선택(S130)하고 모듈로 연산(S140)을 수행하여야 한다. 즉, 상기 [수학식 4]에 나타나 있는 바와 같이, 첫 번째 사용자에 대한 신호는 두 번째 사용자에 대한 신호에 간섭으로 작용하게 된다.

그러므로, 회전 각도 선택부(110)에서는 간섭 신호 실제 채널 생성부(130)에서 생성된 간섭 신호의 실제 채널을 토대로 성상도의 회전 각도를 선택하고, 모듈로 연산부(120)에서 모듈로 연산을 통해 간섭 신호가 제거된다. 간섭 신호가 제거된 뒤 삼각 행렬의 대각선 성분인 1/r_ii가 곱해져 사용자들이 실제로 전송받게 될 채널의 크기가 되고, 행렬 곱셈부(130)에서

가 곱해져 통신 채널로 변경되면, 채널을 통해 수신단(200)으로 전송(S150)된다.

전처리 장치의 수신단(200)은 송신단(100)으로부터 전송되는 신호를 단위구간 동안 모아 평균화 과정을 수행한다. 여기서 평균화 과정이라 함은 회전 각도 추정부(210)에서 회전 각도를 추정(S160)하는 것을 의미한다. 즉, 일정 구간에 분포되어 수신된 신호를 단위구간 동안 수신기에 쌓아두었다가, 분포된 정도에 대한 평균화를 취하여 회전 각도 선택부(110)에서 선택된 회전 각도를 추정한다.

회전 각도 추정부(210)가 회전 각도를 추정(S160)하면, 모듈로 연산/복조 부(220)는 회전된 각도 만큼 되돌려 원래 성상도를 유지하도록 한후, 송신단(100)의 모듈로 연산부(120)에서 수행한 모듈로 연산(S170)을 수행한다. 모듈로 연산(S170)을 통해 수신된 신호가 원래 신호가 아닌 다른 위치의 신호인 경우 원래 위치로 되돌려 놓은 후, 복조(S180)를 통해 원래의 비트들로 복원한다. 이와 같은 과정을 통해 전처리 장치의 송신단(100)에서는 채널 정보를 토대로 적은 송신 전력을 이용하여 신호를 송신할 수 있으며, 수신단(200)에서는 이미 송신단(100)과 상호 알고 있는 성상도 회전 각도와 복조 작업을 통해 수신한 신호로부터 원 신호를 복원할 수 있다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 전처리 장치와 THP의 성능 비교를 도 7을 참고로 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭이 포함된 상태의 전처리 장치와 THP의 성능 비교를 나타낸 예시도이다.

본 발명의 실시예는 앞에서 언급한 바와 같이, 기존 THP 기법에 비하여 추가적 정보나 추가적 피드백 정보를 수신단(200)으로 전송할 필요가 없다. 따라서, 정보의 전송률은 고려될 필요가 없다.

도 7에 도시된 바와 같이, 원래의 성상도와 45도 회전한 성상도 중 선택하는 경우에 대한 실시예의 실험 결과가 나타나 있다. 이는 상기에서 제안한 회전 각도 가짓수에 대한 순시적 선택도 추가되어 있다.

성능 비교를 나타낸 그래프에 도시된 바와 같이, 기존 기법에 비해 높은 신호대 잡음비로 갈수록 성능 개선이 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 이는 회전 각도 가짓수에 대한 순시적 선택에 의한 효과이다. 즉, 신호대 잡음비가 높아지면 잡음에 의한 효과가 작아져서 각도 추정이 잘못 될 확률이 줄어들기 때문에, 더 많은 가짓수에서 회전 각도를 선택하는 것이 가능하다.

여기서, 전술한 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

전술한 실시예에 따르면, 송신단에서 사용자간 간섭 신호를 토대로 성상도 회전 각도를 선택해줌으로써, 송신 전력이 최소화될 수 있도록 한다.

또한, 기존의 다중 사용자 다중 안테나 전처리 장치의 구조적 이득을 깨트리지 않으면서도 성능을 개선할 수 있다.

Claims (15)

1. 이동통신 시스템에서 송신단에서 송신 신호를 수신단으로 전송하는 경우, 상기 송신 신호를 전처리하는 전처리 장치에 있어서,

   제1 사용자가 전송하고자 하는 송신 신호와 상기 제1 사용자에 앞서 신호를 송신한 이전 사용자의 송신 신호를 이용하여, 상기 제1 사용자의 송신 신호에 작용될 간섭 신호를 추출하는 간섭 신호 실제 채널 생성부;

   상기 제1 사용자를 포함하는 다수의 사용자들에 대한 사용자별 채널 정보들을 토대로 추출한 회전 각도 가짓수 정보와 상기 추출한 간섭 신호를 이용하여, 상기 제1 사용자가 전송하고자 하는 송신 신호의 성상도를 회전할 회전 각도를 선택하는 회전 각도 선택부;

   상기 제1 사용자의 송신 신호로부터 상기 간섭 신호를 제거하여 송신 전력을 제어하는 모듈로 연산부; 및

   상기 간섭 신호가 제거된 상기 제1 사용자의 송신 신호에 허미션(Hermitian) 행렬을 곱하여, 상기 선택된 회전 각도만큼 상기 제1 사용자의 송신 신호를 상기 수신단으로 전송하기 위한 통신 채널을 생성하는 행렬 곱셈부

   를 포함하는 전처리 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 송신 신호는,

   전체 채널 행렬--여기서 전체 채널 행렬은 상기 제1 사용자 및 상기 다수의 사용자들로부터 다수의 사용자별 채널 정보를 모아 구성된 행렬임--을 QR 분해하여 생성된 단위 행렬과 삼각 행렬 중 상기 삼각 행렬로부터 추출되는 전처리 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 사용자에게 작용될 간섭 신호는, 상기 제1 사용자에 앞서 송신 신호를 전송한 사용자가 이전 사용자의 송신 신호--여기서 이전 사용자의 송신한 신호는 이전 사용자의 송신 신호에 대응하여 결정된 회전 각도 만큼 성상도가 회전되어 송신된 신호임--인 전처리 장치.
4. 이동통신 시스템에서 송신단에서 수신단으로 전송한 신호를 수신하여 전처리하는 전처리 장치에서,

   사용자별 채널 정보를 토대로 추출된 회전 각도 가짓수 정보를 토대로 다수의 사용자들로부터 수신 신호들의 성상도 회전 각도를 추정하는 회전 각도 추정부; 및

   상기 추정된 성상도 회전 각도만큼 회전하여 상기 수신 신호가 원 성상도를 유지하도록 하고, 상기 수신 신호에 대해 모듈로 연산을 수행하여 수신 신호의 위치를 확정한 후 복조를 통해 수신된 신호의 데이터 비트를 복원하는 모듈로 연산/복조부

   를 포함하는 전처리 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 회전 각도 추정부는 미리 설정된 단위 구간동안 수신된 신호를 모아 평균화 과정을 통해 상기 송신단으로부터 선택된 상기 수신 신호에 대한 회전 각도를 추정하는 전처리 장치.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 회전 각도 가짓수 정보는 상기 전처리 장치의 송신단과 수신단이 동일한 회전 각도 가짓수 정보를 이용하는 전처리 장치.
7. 이동 통신 시스템에서 송신단에서 송신 신호를 통신 채널을 통하여 수신단으로 전송하는 경우, 상기 송신 신호를 전처리 하는 방법에 있어서,

   제1 사용자가 전송하고자 하는 제1 송신 신호의 성상도 회전 각도를 선택하는 단계;

   상기 제1 송신 신호에 대한 모듈로 연산을 수행하여 송신 전력을 제어하는 단계; 및

   상기 송신 전력이 제어된 제1 송신 신호에서 간섭 신호를 제거하고 소정의 행렬을 곱하여 통신 채널을 추출하고, 추출된 통신 채널을 통해 상기 선택한 성상도 회전 각도를 이용하여 상기 제1 송신 신호를 회전시켜 전송하는 단계

   를 포함하는 전처리 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 성상도 회전 각도를 선택하기 이전에,

   상기 제1 사용자를 포함한 다수의 사용자들로부터 사용자별 채널 정보를 모아 전체 채널 행렬을 구성하는 단계; 및

   상기 구성된 전체 채널 행렬을 QR 분해하여 단위 행렬과 삼각 행렬로 분리하는 단계

   를 추가로 포함하는 전처리 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 통신 채널은 상기 분리된 전체 채널 행렬 중 상기 삼각 행렬에 허미션 행렬을 곱하여 생성된 전처리 방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 사용자별 채널 정보를 토대로 상기 회전 각도의 가짓수를 결정하는 단계

    를 더 포함하는 전처리 방법.
11. 제7항에 있어서,

    상기 간섭 신호는,

    상기 제1 사용자보다 앞서 송신 신호를 전송한 이전 사용자의 송신 신호--여기서 이전 사용자의 송신 신호는, 상기 이전 사용자의 송신 신호에 대한 회전 각도가 결정되어, 상기 회전 각도 만큼 회전되어 전송된 신호임--인 전처리 방법.
12. 이동통신 시스템에서 송신단에서 수신단으로 전송한 신호를 수신하여 전처리하는 전처리 방법에서,

    다수의 사용자들로부터 다수의 수신 신호들을 미리 설정된 단위 구간동안 각각 모아서 평균화시켜 해당 수신 신호의 성상도 회전 각도를 각각 추정하는 단계; 및

    상기 각각 추정된 성상도 회전 각도만큼 해당 수신 신호들을 회전하여 원 성상도를 유지하도록 하며, 상기 평균화 과정이 완료된 수신 신호들에 모듈로 연산을 수행하여 수신 신호의 위치를 확정하고, 위치가 확정된 수신 신호를 복조하여 데이터 비트를 복원하는 단계

    를 포함하는 전처리 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 평균화 과정은 상기 다수의 사용자들로부터 수집된 사용자별 채널 정보를 이용하여 결정된 회전 각도의 가짓수를 토대로 상기 다수의 송신 신호들의 회전각이 추정되는 전처리 방법.
14. 제13항에 있어서,

    상기 회전 각도의 가짓수는 신호대 잡음비와 현재 채널 상황에 의해 계산된 잡음의 분산이 오차 없이 성상도의 회전 각도를 추정할 수 있는 경계 이내에 존재하도록 결정되는 전처리 방법.
15. 삭제

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