KR100905605B1

KR100905605B1 - 직교주파수분할다중화 다중입출력 통신 시스템의 전송 방법

Info

Publication number: KR100905605B1
Application number: KR1020050088173A
Authority: KR
Inventors: 남승훈; 박창순; 이광복; 정구철
Original assignee: 삼성전자주식회사; 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2009-07-02
Also published as: KR20060051528A; US7623588B2; US20060067417A1

Abstract

본 발명은 직교주파수분할다중화 다중입출력 무선 통신 시스템에서 데이터 전송 제어 방법에 관한 것으로, 다른 다중화 이득들을 가지는 공간 모드들과 공간 부채널들과 부반송파들을 고려하여 한 비트를 더 전송할 때 요구되는 전력 증가분들을 계산하며, 상기 전력 증가분들 중에서 상기 공간 모드들과 상기 부반송파들에 대응되는 제1최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제1최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 부채널들을 선택하며, 상기 제1최소 전력 증가분들 중에서 상기 부반송파들에 대응되는 제2최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제2최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 모드들을 선택하며, 상기 제2최소 전력 증가분들 중에서 제3최소 전력 증가분을 검사하고, 상기 제3최소 전력 증가분에 대응되는 부반송파를 선택하며, 데이터 전송을 위해, 상기 선택된 부반송파에 대해 적어도 한 비트와 상기 제3최소 전력 증가분에 따라 상기 선택된 부반송파에 대한 전력을 갱신함을 특징으로 한다.

시공간 부호화, 다중화 이득, 다이버시티, 직교주파수분할다중화(OFDM)

Description

직교주파수분할다중화 다중입출력 통신 시스템의 전송 방법{DATA TRANSMISSION METHOD FOR OFDM-MIMO SYSTEM}

도 1은 본 발명의 데이터 전송 방법이 적용될 MIMO-OFDM 시스템을 보인 구성도;

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 전송 방법에 적용될 공간 모드들을 설명하기 위한 개념도들;

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 개념도;

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 자원 그래프들;

도 5는 본 발명의 전송 방법에서 공간 모드들의 부채널 별 SNR특성을 보인 그래프;

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 개념도;

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 데이터 전송 방법에서 공간모드 별 평균 SNR에 대한 할당 비트 수 및 평균 정보량 변화를 보인 그래프들;

도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전송 방법의 공간모드 선택 과정을 설명하기 위한 그래프들; 그리고

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명은 직교주파수분할다중화 기반의 다중입출력 무선통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 직교주파수분할다중화 다중입출력 무선 통신 시스템을 위한 데이터 전송 제어 방법에 관한 것이다.

다중입출력 (multiple-input multiple output: MIMO) 기법은 다수의 송신 안테나와 수신 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 기술로서, 다수의 송수신 안테나들에 의해 형성되는 다수의 독립적인 공간 채널들에 의해 시스템 용량의 획기적 개선이 가능하다. 이러한 이유로, MIMO 기법은 고속 대용량 데이터 전송이 요구되는 차세대 무선 통신에 적합한 전송기법으로 알려져 있다. 산란이 심한 무선 채널 환경 (rich scattering wireless channel environment) 에서 MIMO 레일리 패이딩 채널의 근사적인 용량은 송신 안테나 수와 수신 안테나 수 중 더 작은 수에 대해 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있다.

한편, 직교주파수분할다중화 (orthogonal frequency division multiplexing: OFDM) 방식은 한 개의 광대역 채널을 여러 개의 협대역 채널들로 분할하여 각 채널에 서로 직교하는 주파수를 할당하고, 서로 다른 데이터를 실어 전송함으로써, 고 속 데이터 전송에 적합한 전송 방식이다. OFDM 방식에서는 각 부반송파의 심벌 구간을 부반송파의 수만큼 증가시킬 수 있기 때문에 주파수 선택적 패이딩 채널로 인한 심벌간 간섭을 효과적으로 줄일 수 있으며, 수신기의 구조를 보다 간단하게 구현할 수 있다. 따라서, MIMO 시스템과 OFDM 방식을 결합한 MIMO-OFDM 시스템이 차세대 무선 통신 시스템의 표준으로 자리잡을 것으로 기대되고 있다.

현재까지의 MIMO 시스템 연구는 대부분 다중화 이득 (multiplexing gain) 또는 다이버시티 이득 (diversity gain)을 최대화 시키는 데 초점을 맞추어 왔다. 그러나 주어진 채널 환경에 따라 최적의 다중화 이득 또는 다이버시티 이득은 변할 수 있기 때문에 시변 채널 환경에서 고정된 MIMO 기법의 적용이 항상 효과적인 채널 활용을 보장하지는 않는다.

OFDM 시스템에서의 기존의 연구는 송신단에서 비트와 송신 전력을 적절히 조절해 줌으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있음을 보여주고 있지만, 이는 OFDM 시스템에 제한된 기법으로 공간 영역이 아니라 주파수 영역에서 전송 파라미터를 조절해 주는 기법이다.

MIMO-OFDM 시스템을 위한 LA 기법으로서 적응 변조 및 MIMO 부호화 기법이 제안된 바 있다. 적응 변조 및 MIMO 부호화 기법에서는 시간적으로 변화하는 채널 상황에 맞추어 변조방식, 부호율, 등의 전송 파라미터를 바꾸어 줌으로써 채널 효율을 개선한다. 그러나, 적응 변조 및 MIMO 부호화 기법에서는 공간 영역과 주파수 영역에서 서로 동일한 전송 파라미터를 적용한다는 점에서 한계가 있으며 각 부채널에 모두 동일한 송신 전력을 할당함으로 성능 향상에 한계를 가지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 채널 상태에 따라 비트 전송률과 송신전력은 물론 공간모드 (spatial mode)를 적절하게 조절함으로써 시스템 전송율 (throughput)을 최대화 할 수 있는 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 있어서, 상기한 목적은 다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 의해 달성 될 수 있다. 본 발명의 데이터 전송 방법에서는 다른 다중화 이득들을 가지는 공간 모드들과 공간 부채널들과 부반송파들을 고려하여 한 비트를 더 전송할 때 요구되는 전력 증가분들을 계산하며, 상기 전력 증가분들 중에서 상기 공간 모드들과 상기 부반송파들에 대응되는 제1최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제1최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 부채널들을 선택하며, 상기 제1최소 전력 증가분들 중에서 상기 부반송파들에 대응되는 제2최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제2최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 모드들을 선택하며, 상기 제2최소 전력 증가분들 중에서 제3최소 전력 증가분을 검사하고, 상기 제3최소 전력 증가분에 대응되는 부반송파를 선택하며, 데이터 전송을 위해, 상기 선택된 부반송파에 대해 적어도 한 비트와 상기 제3최소 전력 증가분에 따라 상기 선택된 부반송파에 대한 전력을 갱신한다.

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본 발명의 다른 일 국면에 있어서, 다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법은 주파수 영역에서 미리 정해진 수의 부반송파를 선택하고, 선택된 부반송파들에 대해 다중화 이득이 다른 적어도 두 개의 공간모드를 적용하여 각 부반송파-공간모드 별 신호대잡음비를 구하고, 매핑 테이블을 이용해 각 부반송파-공간모드의 신호대잡음비에 대응하는 데이터 레이트를 결정하고, 동일한 공간모드 적용시의 상기 부반송파들에 대한 데이터 레이트의 합을 구하고, 공간 모드 간 데이터 레이트의 합을 비교하여 데이터 레이트 합이 가장 큰 공간 모드를 선택하고, 모든 부반송파에 상기 선택된 공간 모드를 할당한다.

본 발명의 또 다른 일 국면에 있어서, 다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법은 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 다른 두 개의 공간모드에 적용 시의 데이터 레이트들을 구하고, 상기 두 개의 공간모드 중 다중화 이득이 작은 제1공간모드의 데이터 레이 트 평균을 구하고, 상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이, 미리 정해진 포화 데이터 레이트 보다 작은지 판단하고, 상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이 포화 데이터 레이트 보다 작으면 모든 부반송파에 대해 제1공간모드를 할당하고, 상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이 포화 데이터 레이트와 같거나 크면 모든 부반송파에 대해 상기 제1공간모드 보다 다중화 이득이 큰 제2공간모드를 할당하는 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 국면에 있어서, 다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법은 주파수 영역에서 미리 정해진 수의 부반송파를 선택하고, 선택된 부반송파들에 대해 다중화 이득이 1인 공간모드와 다중화 이득이 2인 공간모드 적용시의 전체 전송율을 산출하고, 상기 다중화 이득이 2인 공간모드의 전체 전송율이 다중화 이득이 1인 공간모드의 전체 전송율과 같거나 큰지를 판단하고(조건 1), 상기 조건 1이 만족되지 않으면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 1인 공간모드를 할당하고, 상기 조건 1이 만족되면 상기 다중화 이득이 2인 공간모드의 평균 전송율이 미리 정해진 포화 전송율보다 크거나 같은지 판단하고 (조건 2), 상기 조건 2가 만족되지 않으면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 2인 공간모드를 할당하고, 상기 조건 2가 만족되면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 4인 공간 모드를 할당한다. 상기 데이터 전송 방법은 상기 다중화 이득이 4인 공간모드를 할당 받은 부반송파들에 대해 상 기 다중화 이득이 4인 공간모드 적용 시 평균 전송율을 산출하고, 상기 다중화 이득이 4인 공간 모드의 평균 전송율이 미리 정해진 보상 전송율보다 작거나 같은지 판단하고 (조건 3), 상기 조건 3이 만족되는 부반송파들에 대해 다중화 이득이 2인 공간모드를 할당하는 것을 더욱 포함한다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO-OFDM 시스템에서의 데이터 전송 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 데이터 전송 방법이 적용될 MIMO-OFDM 시스템을 보인 구성도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 MIMO-OFDM 시스템은 입력 비트 열을 다수의 병렬 비트 열로 변환하여 출력하는 직/병렬 변환기 (110), 상기 직/병렬 변환기 (110)로부터 출력되는 병렬의 비트 열들에 대해 변조, 전력 할당, 공간 부호화를 수행하여 병렬의 전송 심벌로 출력하는 부호화 유닛 (120) 상기 부호화 유닛 (120)으로부터 병렬로 출력되는 각각의 심벌에 대해 역푸리에 변환을 수행하여 대응하는 송신 안테나를 통해 전송하는 푸리에변환기 (130-1 ~ 130-4)를 포함하는 송신기와; 다수의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호에 대해 푸리에 변환을 수행하는 푸리에변환기(140-1 ~ 140-4), 상기 푸리에 변환기 (140-1 ~ 140-4)들로부터 입력되는 신호들에 대해 공간 복호화 및 복조를 수행하는 복호 유닛 (150), 상기 복호 유닛 (150)으로부터 출력되는 병렬의 신호열에 대해 병/직렬 변환을 수행하여 전송 비트 열을 출력하는 병/직렬 변환기 (160), 그리고 상기 푸리에 변환기 (140-1 ~ 140-4)들로부터 출력되는 신호 값을 이용하여 채널을 추정하고 채널 별 공간 모드, 변조 방식, 및 송신 전력을 계산하여 송신기로 피드백 하는 채널 추정기(170)를 포함하는 수신기로 구성된다.

본 발명에서는 송신 안테나의 수를

, 수신안테나의 수를

, 그리고 부반송파(subcarrier) 수를

으로 가정하고, 주어진 공간 모드에서의 다중화 이득, 즉 한 심볼 구간 동안 전송될 수 있는 서로 다른 독립적인 데이터의 수를 다중화 이득

로 정의한다.

다중화 이득

의 공간 모드를 사용한다면 각 주파수 별로

개의 공간 열 (spatial substream)을 통해 신호가 전송된다. 따라서, 특정 시점에 공간 및 주파수 영역으로 전송되는 총 신호열의 수는

이 된다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 전송 방법에 적용될 공간 모드들을 설명하기 위한 개념도들로서, 각각 시공간블록부호화 (space time block code: STBC), 이중시공간전송다이버시티 (dual space-time transmit diversity: D-STTD), 하이브리드 STTD, 완전다중화 (full multiplexing)를 보이고 있다. 도 2a 내지 도 2d에서 보는 바와 같이 STBC 모드의 다중화 이득은 1, D-STTD 모드의 다중화 이득은 2, 하이브리드 STTD 모드의 다중화 이득은 3, 완전다중화 모드의 다중화 이득은 4 임을 알 수 있다.

본 발명에서는 공간모드로서 상기 4가지 MIMO 기법을 적용하고 있으나 이에 한정되지 않으며 이미 알려져 앞으로 제안될 수 있는 여러가지 MIMO 기법들이 적용될 수 있다. 각 G에 대응하는 공간 모드의 구체적인 송수신 기법에 대해서는 잘 알려져 있으며 본 발명의 범위를 벗어나므로 설명을 생략한다.

본 발명에서 모든 공간 신호열 (substream)들이 사용하는 총 송신 전력은 특정한 값으로 제한되어 있다. 또한, 수신기는 각 신호열이 만족해야 할 특정한 성능조건, 예를 들면 특정한 비트오류율(bit error rate: BER) 이하여야 한다는 조건을 만족시키기 위해 표 1과 같은 참조 테이블 (look-up table: LUT)을 가지고 있다.

SNR	변조방식	비트 수
0 ~ SNR₁	미전송 (No Tx)	0
SNR₁~ SNR₂	BPSK	1
SNR₂~ SNR₃	QPSK	2
SNR₃~ SNR₄	8QAM	3
SNR₄~ SNR₅	16QAM	4
SNR₅~ SNR₆	32QAM	5
SNR₆~	64QAM	6

표 1은 목표 BER을 만족시키기 위해 요구되는 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR) 및 변조방식(modulation scheme)을 보이고 있다. 표 1에서 보는 바와 같이 각 채널에 대한 SNR의 범위에 따라 변조 방식이 결정된다. 예를 들어, 한 부반송파의 SNR이 SNR₁~ SNR₂ 범위에 있으면 변조방식으로 BPSK가 선택되고 전송 비트 수는 1이 된다. 또한, SNR이 SNR₅~ SNR₆ 범위에 있으면 변조방식으로 32QAM이 선택되고 전송 비트 수는 5가 된다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에서는 설명의 편의상 선택할 수 있는 공간모드로서 다중화 이득

는 각각 STBC G=1(301), D-STTD G=2(302), 및 다중화(multiplexing) G=4(303)을 채용한다.

먼저, 도 1의 채널추정기(170)는 부반송파 별로 상기 3가지 공간모드에 대해 비트를 추가할 때 최소한의 전력 증가가 요구되는 공간 부채널을 선택한다.

다시 말해, 상기 채널 추정기(170)는 하나의 부반송파에 대해 STBC 모드의 경우 첫번째 SNR 블럭(311)에서 하나의 SNR 값이 존재하므로 이에 대응하는 공간 부채널을 선택하고, D-STTD 모드의 경우 두번째 SNR 블럭(312)에서 2개의 SNR 값이 존재 하므로 이들 중 최소한의 전력 증가가 요구되는 공간 부채널을, 그리고 다중화 모드의 경우 세번째 SNR 블럭(313)에서 4개의 SNR 값이 존재하므로 이들 중 최소한의 전력 증가가 요구되는 공간 부채널을 선택한다.

부반송파 별로 각 공간모드에서의 최소 전력증가가 요구되는 공간 부채널이 선택되면, 상기 채널 추정기는 표 1의 참조 테이블(305)을 통해 각 공간모드의 변조 방식을 선택하고 선택된 변조 방식을 적용할 경우의 공간모드 별 총 데이터 레이트를 산출블럭들(321, 322, 323)에서 산출하고 산출된 데이터 레이트를 비교하여 가장 큰 데이터 레이트 값을 갖는 공간모드를 공간모드선택블럭(307)에서 최적 공간 모드로 선택한다.

모든 부반송파들에 대해 최적 공간모드가 선택되면 부반송파들 중 가장 적은 전력증가분을 요구하는 부반송파를 선택한다.

상기 채널 추정기는 주어진 전체 송신전력이 모두 할당될 때까지 상기 과정들을 반복한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 전송 방법의 구체적인 알고리즘은 다음과 같다.

1) 모든 부반송파 k (k=1,2,…,N), 공간 신호열 j (j=1,2,…,G), 및 다중화 이득 G(≤M_t )에 대한 초기 비트를

=0 로 설정하고, 모든 부반송파 k (k=1,2,…,N) 및 다중화 이득 G 에 대한 초기전력을

=0 로 설정한다.

2) 모든 부반송파 k (k=1,2,…,N), 공간 신호열 j (j=1,2,…,G), 및 다중화 이득 G 에 대한 잡음분산

산출한다.

3) 한 비트 더 전송하기 위해 요구되는 증가 전력값

을 수학식 1에 의해 계산한다.

여기서

는 이전 반복(iteration)에서 선택된 k번째 부반송파에 대한 다중화 이득이다. 이 과정은 모든 부반송파, 공간 모드, 그리고 공간 부채널들에 대해 수행된다.

4) 부반송파 k와 다중화 이득 G 에 대한 공간 부채널 인덱스

를 수학식 2에 따라 선택한다.

단계 4)는 모든 부반송파와 공간 모드들에 대해 수행된다.

5) 각 부반송파로부터 하나의 공간 모드를 수학식 3에 의해 선택한다.

단계 5)는 모든 부반송파에 대해 수행된다.

6) 최소요구전력으로 한 비트 더 할당 할 수 있는 부반송파를 수학식 4 선택한다.

7) 선택된

번째 공간 부채널에 대한 비트와,

번째 부반송파 및 다중화 이득

에 해당하는 전력을 수학식 5 및 수학식 6에 의해 각각 갱신한다.

8) 이후 공간모드 전환이 발생할 경우를 대비하여, 선택된 부반송파

를 위한 다른 공간모드들의 비트 및 전력을 수학식 7 및 수학식 8에 의해 각각 예약(reserve)한다.

그리고 인덱스

를 수학식 9에 의해 갱신한다.

9) 주어진 전체 전송 전력이 할당될 때까지 단계 3) 에서부터 8) 까지를 반복 수행한 후, 전송을 위한 비트, 전력, 및 공간 모드를 결정한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 자원 그래프들로서, 본 발명의 제2실시예에서는 주파수 영역에서 연속된 부반송파들의 상관관계를 이용하여 공간모드를 선택한다.

도 4a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 주파수 영역에서 부반송파들을 일정 개수 씩 그룹 지어 각 부반송파 그룹의 중간 부반송파에 대한 공간모드를 선택한다. 이는 인접한 부반송파들은 변화가 작다는 가정에 따른 것으로 부반송파를 그룹 지어 그 중 하나의 부반송파에 대한 대표 공간모드를 선택하고 동일 그룹 내의 인접 부반송파들에 대해서는 동일한 공간모드를 적용함으로써 연산 복잡도를 줄일 수 있다.

그룹을 구성하는 부반송파의 수는 연산 복잡도를 줄이기 위해 초기에는 크게 설정하는 것이 바람직하다.

모든 그룹에 대한 공간모드가 선택되면 인접 그룹 간 공간모드의 다중화 이득

를 비교한다.

비교 결과 두 공간모드의 다중화 이득 차이가 크면 하나의 그룹을 구성하는 부반송파의 수를 줄이고 다시 그룹별 공간모드를 선택한다. 이와 같이 그룹을 구성하는 부반송파의 수를 줄이는 이유는 공간모드가 점진적으로 변화하도록 하기 위한 것이다.

예를 들어, 도 4a에서 하나의 그룹을 구성하는 부반송파의 수

가 10이고 인접한 두 그룹에 대해 선택된 공간 모드의 다중화 이득이 각각 1과 4일 경우 도 4b와 같이 하나의 그룹에 대한 부반송파의 수를 5로 줄임으로써 그룹간 다중화 이 득의 변화를 완화시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 자원 그래프로서, 제 3실시예에서는 공간모드에 따른 주파수 영역에서의 SNR 특성을 이용한다.

도 5에서 보는 바와 같이, 송신기에서 다중화 이득이 1 또는 2인 공간모드로 전송한 경우 수신전력대잡음비 변화가 작고 다중화 이득이 4인 공간모드의 경우 공간 부채널 별 수신전력대잡음비 변화가 큼을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 주파수 영역에서 다중화 이득이 각각 1과 2인 공간모드 중 하나를 선택하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 제3실시예에서는 미리 정해진 수의 부반송파들 각각에 대해 다중화 이득이 각각 1과 2인 공간모드(601, 602)에 대한 공간 부채널을 선택하고 표 1의 참조 테이블을 통해(605) 선택된 공간모드의 변조방식들을 선택하고 동일 공간모드의 부반송파들에 대한 데이터 레이트를 가산블럭들(621, 622)에서 합하고 공간모드 별 데이터 레이트 합을 비교하여 그 값이 큰 공간모드를 공간모드선택블럭(607)에서 선택하고, 선택된 모드를 모든 부반송파에 적용한다. 단, 다중화 이득이 2인 공간모드는 데이터 레이트의 평균이 포화 데이터 레이트 보다 작은 경우이다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 다른 전송 방법을 설명하기 위한 그래프들로서, 제 4 실시예에서는 제한된 변조 수준에 의한 전송율의 포화 특성을 이용한다.

도 7a 에서, 평균 SNR에 대한 부반송파 별 평균 할당 비트 수는 낮은 SNR에서는 다중화 이득이 2인 공간모드가 다중화 이득이 4인 공간모드보다 높고 25dB 에서 크로스 오버가 발생함을 알 수 있다. 또한, 도 7b에서 평균 SNR에 대한 부반송파 별 평균 정보량도 낮은 SNR에서는 다중화 이득이 2인 공간모드가 다중화 이득이 4인 공간모드 보다 높고 15dB에서 크로스 오버가 발생함을 알 수 있다.

도 8a는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전송 방법의 공간모드 선택 과정을 설명하기 위한 그래프이고, 도 8b는 다중화 이득이 4인 공간모드 적용시 수신 SNR이 낮은 부반송파에 대한 공간모드 보상을 설명하기 위한 그래프이다.

본 발명의 제 4실시예에서는 도 8a에서 보는 바와 같이, 다중화 이득이 2인 공간모드의 평균 데이터 레이트

가 포화 데이터 레이트

보다 작으면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 2인 공간모드를 적용한다. 한편, 다중화 이득이 2인 공간모드의 데이터 레이트

의 평균이 포화 데이터 레이트

와 같거나 크면, 잠정적으로 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 4인 공간모드를 선택하고 다중화 이득이 4인 공간모드의 데이터 레이트

의 평균이 미리 정해진 보상 데이터 레이트

보다 작거나 같은 부반송파들에 대해서는 부분적으로 다중화 이득이 2인 공간모드를 적용한다. 상기 보상 데이터 레이트는 도 8b에서 보는 바와 같이 미리 정해진 수신 SNR에 의해 결정된다.

도 9는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 순 서도로서, 본 발명의 제 5 실시예에서는 복잡도가 최소화 되도록 공간모드를 선택한다.

먼저, 수신기는 전체 전송율 (throughput)을 계산하고 무작위로 선택된 일부 부반송파들에 대해 다중화 이득이 1 및 2인 공간모드를 적용할 경우의 데이터 레이트 합

과

를 구하고 (S901),

가

보다 같거나 큰지 판단한다(조건 1) (S902).

만약 상기 조건 1이 만족되지 않으면 수신기는 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 1인 공간모드를 선택하고 (903) 상기 조건 1이 만족되면 다중화 이득이 2인 공간모드의 데이터 레이트

의 평균이 미리 정해진 포화 데이터 레이트

보다 크거나 같은지 판단한다(조건 2) (S904).

만약 상기 조건 2가 만족되지 않으면 수신기는 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 2인 공간모드를 선택하고 (S905), 그렇지 않으면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 4인 공간모드를 선택한다 (S906). 다중화 이득이 4인 공간모드가 선택되면 계속해서 수신기는 다중화 이득이 4인 공간모드의 데이터 레이트

의 평균이 미리 정해진 보상 데이터 레이트 보다 작거나 같은 부반송파들에 대해 부분적으로 다중화 이득이 2인 공간모드를 선택한다(S907).

도 10a 내지 도 10f는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전송 방법을 설명하기 위한 그래프들로서, 본 발명의 제 6 실시예에서는 전체 부채널들의 SNR 영 역을 몇 개의 수준(level)으로 나누고 각 부채널들을 미리 정해진 수의 그룹으로 묶어서 적응(adaptation) 시킨다. 이 때, 각 그룹별로 적용되는 공통의 할당전력은 그룹별 계산에 의해 미리 결정된 양자화된 전력 집합 테이블 (quantized power set table)을 이용하게 된다.

먼저 도 10a에서와 같이 송신기에서 각 부채널에 동일한 전력을 할당하여 초기 비트를 할당하여 전송하면 수신기에서는 도 10b에서 보는 바와 같이 전송 가능한 비트수의 임계치에 해당하는 수신 SNR에 따라 부채널들을 그룹화한다. 여기서 부채널이란 주파수 영역과 공간 영역에서 나타날 수 있는 한 개의 독립적인 데이터 스트림이 보내질 수 있는 부채널을 말한다.

수신기는 각 부채널에 할당된 초기 비트 수를 전송하기 위해 필요한 최소한의 전력을 제외한 여분의 전력들을 구하여 더함으로써 전체적으로 사용 가능한 가용 전력을 산출하고 산출된 전력을 각 부반송파에 할당한다(도 10c 참조). 도 10d는 가용 전력을 각 부반송파에 할당했을 때의 수신 SNR을 보여준다.

이후, 그룹별 계산에 의해 미리 결정된 양자화된 전력 집합 테이블 (quantized power set table)을 이용하여 각 부채널 그룹 별로 전력과 비트수를 할당한다. 도 10e는 그룹별 각 부반송파에 할당된 전력을 나타내며 도 10f는 이 때의 수신 SNR을 보여준다.

도 10e에서 부채널 그룹 3에서 부채널 그룹 4로 할당될 때 각 부채널이 요구하는 전력이 가장 적다고 가정하면 이 전력은 그룹 3에 속하는 부채널들에 대해 모두 같은 값이 된다. 즉 그룹별로 각 그룹에 속한 부채널들이 다른 그룹의 부채널로 옮겨갈 때 요구되는 전력은 같게 설정하여 계산량을 줄인다. 그룹 3에 속하는 각 부채널들에 그룹 4로 옮겨가기 위해 필요한 (동일한)전력들을 채눠 나가기 시작하고, 그룹 3에 속했던 부채널들이 그룹 4로 옮겨가면, 다음으로 이전의 첫째 단계에서 그룹 4에 속했던 부채널들이 그룹 5로 옮겨가는 과정으로 이어지게 된다. 이러한 과정이 전체 가용 전력이 모두 할당될 때까지 반복된다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 데이터 전송 방법에서는 데이터 전송을 위해 채널 환경에 따라 시간 및 주파수 영역에서 적절하게 공간모드를 바꾸어 주며, 공간, 주파수 및 시간의 세 영역에서 적절하게 비트 전송율 및 송신 전력을 조절함으로써 주어진 채널 환경에서 시스템 전송율(throughput)을 최대화 할 수 있다.

Claims

다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널을 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

다른 다중화 이득들을 가지는 공간 모드들과 공간 부채널들과 부반송파들을 고려하여 한 비트를 더 전송할 때 요구되는 전력 증가분들을 계산하는 과정과,

상기 전력 증가분들 중에서 상기 공간 모드들과 상기 부반송파들에 대응되는 제1최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제1최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 부채널들을 선택하는 과정과,

상기 제1최소 전력 증가분들 중에서 상기 부반송파들에 대응되는 제2최소 전력 증가분들을 검사하고, 상기 제2최소 전력 증가분들에 대응되는 공간 모드들을 선택하는 과정과,

상기 제2최소 전력 증가분들 중에서 제3최소 전력 증가분을 검사하고, 상기 제3최소 전력 증가분에 대응되는 부반송파를 선택하는 과정과,

데이터 전송을 위해, 상기 선택된 부반송파에 대해 적어도 한 비트와 상기 제3최소 전력 증가분에 따라 상기 선택된 부반송파에 대한 전력을 갱신하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
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제 1항에 있어서, 상기 다중화 이득들 각각은 한 심벌 구간 동안 전송되는 서로 다른 독립적인 데이터의 수인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
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다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널을 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

주파수 영역에서 미리 정해진 수의 부반송파를 선택하는 과정;

상기 선택된 부반송파들에 대해 다중화 이득이 다른 적어도 두 개의 공간모드를 적용하여 각 부반송파-공간모드 별 신호대잡음비를 구하는 과정;

매핑 테이블을 이용해 상기 각 부반송파-공간모드의 신호대잡음비에 대응하는 데이터 레이트를 결정하는 과정;

동일한 공간모드 적용시의 상기 부반송파들에 대한 상기 데이터 레이트의 합을 구하는 과정;

공간 모드 간 상기 데이터 레이트의 합을 비교하여 상기 데이터 레이트 합이 가장 큰 공간 모드를 선택하는 과정; 및

모든 부반송파에 상기 선택된 공간 모드를 할당하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
제 7항에 있어서, 상기 다중화 이득은 한 심벌 구간 동안 전송되는 서로 다른 독립적인 데이터의 수인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널을 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 다른 두 개의 공간모드에 적용 시의 데이터 레이트들을 구하는 과정;

상기 두 개의 공간모드 중 다중화 이득이 작은 제1공간모드의 데이터 레이트 평균을 구하는 과정;

상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이 포화 데이터 레이트 보다 작은지 판단하는 과정;

상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이 상기 포화 데이터 레이트 보다 작으면 모든 부반송파에 대해 제1공간모드를 할당하는 과정; 및

상기 제1공간모드의 데이터 레이트 평균이 상기 포화 데이터 레이트와 같거나 크면 모든 부반송파에 대해 상기 제1공간모드 보다 다중화 이득이 큰 제2공간모드를 할당하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
제 9항에 있어서,

상기 제2공간모드의 데이터 레이트 평균을 구하는 과정;

상기 제2공간모드의 데이터 레이트 평균이 미리 정해진 보상 데이터 레이트 보다 작거나 같은지 판단하는 과정; 및

상기 제2공간모드의 데이터 레이트 평균이 상기 보상 데이터 레이트 보다 작거나 같은 부반송파들에 대해 제1공간모드를 할당하는 과정을 더 포함하는 데이터 전송 방법.
제 9항에 있어서, 상기 제1공간모드의 다중화 이득은 2이고 상기 제2공간모드의 다중화 이득은 4인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제 9항에 있어서, 상기 다중화 이득은 한 심벌 구간 동안 전송되는 서로 다른 독립적인 데이터의 수인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널을 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

주파수 영역에서 미리 정해진 수의 부반송파를 선택하는 과정;

선택된 부반송파들에 대해 다중화 이득이 1인 공간모드와 다중화 이득이 2인 공간모드 적용시의 전체 전송율을 산출하는 과정;

상기 다중화 이득이 2인 공간모드의 전체 전송율이 상기 다중화 이득이 1인 공간모드의 전체 전송율과 같거나 큰지를 판단하는 과정(조건 1);

상기 조건 1이 만족되지 않으면 모든 부반송파에 대해 상기 다중화 이득이 1인 공간모드를 할당하는 과정;

상기 조건 1이 만족되면 상기 다중화 이득이 2인 공간모드의 평균 전송율이 포화 전송율보다 크거나 같은지 판단하는 과정(조건 2);

상기 조건 2가 만족되지 않으면 모든 부반송파에 대해 상기 다중화 이득이 2인 공간모드를 할당하는 과정; 및

상기 조건 2가 만족되면 모든 부반송파에 대해 다중화 이득이 4인 공간 모드를 할당하는 것을 포함하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
제 13항에 있어서,

상기 다중화 이득이 4인 공간모드를 할당 받은 부반송파들에 대해 상기 다중화 이득이 4인 공간모드 적용시 평균 전송율을 산출하는 과정;

상기 다중화 이득이 4인 공간 모드의 평균 전송율이 미리 정해진 보상 전송율보다 작거나 같은지 판단하는 과정(조건 3); 및

상기 조건 3이 만족되는 부반송파들에 대해 상기 다중화 이득이 2인 공간모드를 할당하는 과정을 더 포함하는 데이터 전송 방법.
제 13항에 있어서, 상기 다중화 이득은 한 심벌 구간 동안 전송되는 서로 다른 독립적인 데이터의 수인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
다수의 수신 안테나로 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기와 상기 수신기로부터 궤환되는 채널 정보를 이용하여 전송 채널을 선택하고 다수의 송신 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기로 구성되는 다중입출력 직교주파수분할다중화 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

각 부채널에 균일하게 송신전력과 초기 비트 수를 할당하여 전송된 신호를 수신하는 과정;

수신 신호의 SNR에 따라 부채널들을 그룹화하는 과정;

상기 각 부채널에 할당된 초기 비트 수를 전송하기 위해 필요한 최소 전력들을 구하는 과정;

상기 최소 전력들을 제외한 여분의 전력들을 합하여 전체 가용전력을 구하는 과정; 및

그룹별 계산에 의해 미리 결정된 양자화된 전력 집합 테이블을 이용해 각 부채널 그룹 별로 전력과 비트 수를 할당하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,

상기 전력 증가분들 각각은 다음과 같은 수학식을 이용하여 계산됨을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

<수학식 1>

상기
는 k번째 부반송파와 j번째 공간 신호열과 다중화 이득 G에 대한 전력 증가분을 나타내며, 상기
는 k번째 부반송파와 j번째 공간 신호열과 다중화 이득 G에 대한 초기 비트를 나타내며, 상기
는 k번째 부반송파와 j번째 공간 신호열과 다중화 이득 G에 대한 잡음분산을 나타내며, 상기
는 이전 반복에서 선택된 k번째 부반송파에 대한 다중화 이득을 나타내며, 상기 SNR은 신호 대 잡음 비율을 나타내며, 상기
는 k번째 부반송파와 다중화 이득 G에 대한 전력을 나타내고, 상기
는 k번째 부반송파와 다중화 이득
에 대한 전력을 나타냄.
제17항에 있어서,

상기 선택된 공간 부채널들 각각은 다음과 같은 수학식을 이용하여 선택됨을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

<수학식 2>

상기
는 k번째 부반송파와 다중화 이득 G에 대해 선택된 공간 부채널을 나타냄.
제18항에 있어서,

상기 선택된 공간 모드들 각각은 다음과 같은 수학식을 이용하여 선택됨을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

<수학식 3>

상기
는 k번째 부반송파에 대해 선택된 공간 모드를 나타냄.