KR101100211B1 - 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 안테나를 이용하여 2 이상의 이동국에 신호를 전송하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 있어서, 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 따라, 상기 각 이동국에 상응하는 선형 분산 코딩(LDC; Linear Dispersion Coding) 행렬을 생성하는 단계 및 상기 생성된 행렬을 이용하여, 신호를 전송하는 단계를 포함고, 상기 생성된 행렬은 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 기초하여 각 이동국으로 전송되는 신호의 전력을 분배하는 변수를 포함하여 생성되는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법에 관한 것으로, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, LDC 행렬 요소를 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 변경함으로써, 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.

다중사용자 다중안테나, LDC 행렬, 신호대 잡음비

Description

다중안테나를 이용한 신호 전송 방법{Method for Transmitting Signal Using Multiple Antenna}

도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도.

도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도.

도 3 은 셀 내에서 이동국의 위치에 따른 MIMO 적용 방식을 나타낸 일실시예 설명도.

도 4 는 폐루프 다중입출력(CL-MIMO) 시스템에서, 이동국의 이동 속도에 따른 성능 저하를 나타낸 일실시예 설명도.

도 5 는 수학식 9 및 수학식 10 에 따른 신호 전송에 있어서, 송신 SINR 대 수신 SINR 을 나타낸 일실시예 설명도.

본 발명은 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 LDC 를 수행하여 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.

도 1 은 다중안테나를 이용한 송신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 1 을 참조하면, 채널 인코더(11)는 입력되는 데이터 비트에 일정한 알고리즘에 따른 채널 인코딩(channel encoding)을 수행한다. 상기 채널 인코딩은 입력되는 데이터 비트에 정보 비트(redundancy)를 부가하여, 보다 잡음에 강한(robust) 신호를 생성하기 위한 것이다. 한편, 맵퍼(mapper)(12)는 채널 인코딩을 거친 비트에 대하여 콘스털레이션(constellation) 맵핑을 수행하여 심볼(symbol)로 변환하는 기능을 수행한다. 또한, 직/병렬 변환기(13)는 상기 맵퍼에서 출력된 심볼이 다중 안테나를 통해 전송될 수 있도록 직렬로 입력되는 심볼을 병렬로 변환한다. 그리고, 다중 안테나 인코더(14)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 다중 안테나 심볼로 변환하여 전송한다.

도 2 는 다중안테나를 이용한 수신부를 나타낸 일실시예 구성도이다. 도 2 를 참조하면, 다중 안테나 인코더(21)는 다중 안테나 심볼을 수신하여 채널 심볼로 변환한다. 한편, 병/직렬 변환기(22)는 병렬로 입력된 채널 심볼들을 직렬로 변환한다. 또한, 디맵퍼(demapper)(23)는 직렬로 입력된 채널 심볼들에 대하여 콘스털레이션 디맵핑을 수행하여 비트로 전환하고, 채널 디코더(24)는 상기 디맵퍼로부터 입력받은 비트들에 대해 디코딩(decoding)을 수행한다.

도 3 은 셀 내에서 이동국의 위치에 따른 MIMO 적용 방식을 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, MIMO 시스템에서는 이동국이 셀 내의 어느 위치에 있는지 혹은 사용자의 신호대 잡음비(Singnal to Noise Ratio; 이하 'SNR')(geometry)에 따라 가장 효율적인 MIMO 적용 방식을 결정할 수 있다. 즉, 셀의 가장자리(cell edge) 영역(300)에서는 전송 다이버시티(transmit diversity) 방 식, 셀 중앙 영역(cell center)(100)에서는 공간 다중화(spatial multiplexing) 방식, 셀 가장자리 영역(300)과 셀 중앙 영역(100) 사이의 영역(200)에서는 전송 다이버시티(transmit diversity) 방식과 공간 다중화(spatial multiplexing) 방식의 혼합된 방식을 사용한다. 따라서, 서로 다른 여러가지 방식의 MIMO 시스템을 모두 구현해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은, 다중사용자 다중안테나 시스템에서, 각 이동국의 채널 상태에 상응하는 LDC 행렬을 이용하여 보다 효율적으로 통신을 수행하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다중 안테나를 이용하여 2 이상의 이동국에 신호를 전송하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 있어서, 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 따라, 상기 각 이동국에 상응하는 선형 분산 코딩(LDC; Linear Dispersion Coding) 행렬을 생성하는 단계 및 상기 생성된 행렬을 이용하여, 신호를 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

다중 안테나를 통한 통신 기술은 시스템의 용량(capacity), 처리량(throughput) 및 통화영역(coverage) 증가를 위해 사용된다. 다중 안테나를 이용한 기술의 일례로서, 공간 분할 다중화(Spatial Division Multiplexing; 이하 'SDM') 방식과 시공간 코딩(Space Time Coding; 이하 'STC') 방식이 있다. 상기 SDM 방식은 송신단에서 각 안테나를 통해 각각 독립적인 데이터를 보냄으로써 송신 율을 극대화 시키는 방법이다. 한편, STC 방식은 공간 도메인(domain)과 시간 도메인 상에서 심볼 수준에서 코딩을 수행 함으로써, 안테나 다이버시티 이득과 코딩 이득을 얻기 위한 것이다.

상기 두가지 방식을 일반화 한 것이 선형 분산 코딩(Linear Dispersion Coding; 이하 'LDC')이다. 즉, 다중 안테나에 적용되는 시공간 코딩 방식은 LDC 행렬(matrix)에 의해 표현될 수 있다. 즉, 다중 안테나 인코딩은 수학식 1 과 같이 표현할 수 있다.

수학식 1 에서, S 는 전송행렬 이고, 전송행렬 S 의 i 번째 행은 i 번째 시간에 전송되는 심볼들이고, j 번째 열은 j 번째 송신 안테나를 통해 전송되는 심볼을 의미한다. 한편,

는 q 번째 송신 데이터 심볼 곱해지는

분산 매트릭스이고, S 는 전송 매트릭스이다. 여기서, T 는 LDC 구간,

는 송신 안테나 개수를 의미한다. 한편, Q 는 하나의 LDC 구간 동안 전송하는 데이터의 수를 의미하고,

로 나타낼 수 있다.

일반적으로,

의 실수부(

) 와 허부수(

)가 각각 다른 분산행렬에 의해 시공간 영역에 확산되는 경우, 전송행렬은 수학식 2 와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2 에서,

및

는 각각 실수부와 허수 부에 곱해지는

분산행렬(dispersion matrix)이다. 상기와 같은 방법으로 신호를 전송한 경우, 수신안테나를 통해 수신된 신호는

에 곱해지는 LDC 행렬이 같은 경우, 수학식 3 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 3 에서,

은 k 번째 안테나의 수신 잡음,

는 k 번째 수신안테나 신호 값이고,

는 송신측에서 전송한 신호를 나타낸다. 한편,

는 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.

또한, 수학식 1 과 같이 표현된 LDC 에 있어서, 동등 채널 응답(equivalence channel response)은 수학식 5 와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 동등 채널 응답이고,

는

단위행렬이고,

는

채널행렬이다.

보다 일반적으로, LDC 가 수학식 2 로 표현되는 경우, 수신 안테나에 수신된 신호는 수학식 6 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 6 에서, 아래첨자 R 은 복소 형식으로 나타낸 신호의 실수부(real part), 아래첨자 I 는 허수부(imaginary part)를 나타낸다. 이때, 동등채널응답 H 는 수학식 7 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 7 에서,

,

,

를 나타낸다. 한편,

은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 실수부이고,

은 n 번째 수신 안테나를 통해 수신되는 채널 응답 벡터의 허수부이다. 다중안테나 디코딩은 상기 수학식 3 또는 6 혹은 이와 동등한 식으로부터

및

를 추정하는 과정이다.

특히 다중 사용자 다중안테나 시스템에서는 일정한 판별방법(criteria)에 따라서 선행코딩 행렬(precoding matrix)을 정하게 된다. 예를 들어, 상기 판별 방법은 수신 신호대 간섭 잡음비(Signal to Interference Noise Ratio; 이하 'SINR') 을 최대화(maximize)하거나 채널 용량을 최대화(maximize) 하거나, 간섭(interference)를 최소화(minimize)하는 목적에 따라 달라지는데, 이러한 시스템은 폐루프 다중입출력(CL-MIMO; Close Loop MIMO) 이라고 한다. 또한, 다중 사용자(이동국)가 주파수, 시간 및 공간을 공유하므로, 수학식 1 의 전송행렬 S 를 만들 때 여러 사용자에 상응하는 값이 더해지게 된다. 즉, 전송행렬은 수학식 8 과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 8 에서,

은 n 번째 이동국에 상응하는 하나의 LDC 구간 동안 전송하는 데이터 개수이고,

를 의미한다. 이때, 수신신호는 수학식 6 에 나타낸 바와 같고, 특정 이동국을 기준으로 할 때, 자신에게 전송되는 데이터가 아닌 다른 이동국에 전송되는 데이터는 간섭(interference)으로 작용하게 된다.

도 4 는 폐루프 다중입출력(CL-MIMO) 시스템에서, 이동국의 이동 속도에 따른 성능 저하를 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 4 에서는 폐루프 다중입출력 시스템의 일례로, 휴대인터넷 표준인 IEEE 802.16e 에 적용되는 CL-MIMO 의 일례를 나타낸 것이다. 상기 CL-MIMO 는 수신 SINR 을 최대화(maximize)하기 위해, 수신단에서 선행코딩 행렬(precoding matrix)의 인덱스(index)를 피드백(feedback)하는데, 상기 선행코딩 행렬은 수학식 7 의

,

의 조합에 의해 구성될 수 있다.

그러나, 이동국의 이동속도가 증가하면, 이전채널 상태와 전송할 당시의 채널 상태가 빠르게 변화하므로, 실제 전송은 SINR 특성이 가장 좋은 선행코딩 행렬 을 이용하여 수행된다고 볼 수 없다. 따라서, 높은 속도의 이동국이 존재할 경우 이와 같은 CL-MIMO는 적절하지 않다고 할 수 있다.

개의 이동국이 동시에 선택되고, 선택된 이동국들로 데이터가 전송될 경우, 각 이동국의 SNR(또는 SINR)에 따라서 각 사용자의 수신 성능이 달라진다. 이 경우, 선행코딩 행렬별로 전송 전력을 할당하거나(per user power control), 전송 레이트(rate)를 조절할 수 있다(per user rate control). 즉, 여러명의 선택된 이동국 중에, SNR(또는 SINR)이 매우 낮은 이동국에 보다 높은 전송 전력을 할당함으로써, 그 이동국에 대한 스루풋(throughput)을 증가시키고, 이에 따라, 시스템 전체의 스루풋을 증가시킬 수 있다.

일반적으로 낮은 SNR(또는 SINR)을 가지는 이동국에 대해서는 STTD 방식 등을 사용하여 링크의 안정성을 증가시켜야 하지만, 다중 사용자 다중안테나 방식은 여러명의 이동국이 MIMO 채널을 공유하도록 되어 있으므로, STTD 방식을 사용할 수 없거나, 여러 방식을 스위칭하며 스케줄링 해야 하는 등 시스템이 복잡해질 수 있다.

다음과 같은 방법으로 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국에게 전력을 더 할당해 주고, 상대적으로 높은 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국 이동국에 대한 전력을 적게 할당해 주면, 낮은 SNR(또는 SINR) 값을 가지는 이동국의 채널 응답은 STTD 를 사용한 것과 같은 효과를 나타내고, 전체적인 링크 스루풋은 높일 수 있게 된다.

예를 들어, 2 개의 송신 안테나와

개의 수신안테나를 이용하여, 2 개의 이동국을 동시에 선택하는 경우, 다음과 같이 신호를 전송할 수 있다.

수학식 9 에서,

및

은 제 1 이동국에 상응하는 행렬이고,

및

는 제 2 이동국에 상응하는 행렬이다. 각 사용자에 대하여, 각각 하나의 LDC 구간 동안에 2 개의 심볼을 전송한다. γ와 β는 각 이동국에 전력을 분배하는 변수로서, 수학식 10 의 조건을 만족한다.

제 1 이동국의 수신 SINR 이 제 2 이동국의 수신 SINR 보다 높은 경우 γ를 낮추고 β를 높임으로써 제 2 이동국의 수신 SINR 을 높일 수 있다. 한편, 제 1 이동국의 수신 SINR이 제 2 이동국의 수신 SINR 보다 낮은 경우, γ를 높이고 β를 낮춤으로써 제 1 이동국의 수신 SINR 을 높일 수 있다.

수학식 9 에서

및

는 속도에 따른 폐루프 다중입출력의 단점을 보완하기 위해서, 장기적으로 볼 때 가장 좋은 성능을 나타내는 행렬을 사용하였다. 수학식 9 에서는, 제 1 이동국에는 γ와 β를 제외한다면 STTD 방식인 알라무티(Alamouti) 방식의 행렬을 사용하였고, 제 2 이동국에는 이에 상응하는 변형된 STTD 방식을 사용하였다.

수신 단에서 두 개의 수신안테나를 가지는 경우, 수신신호는 수학식 11 에 나타낸 바와 같다.

수학식 11 에서, * 는 켤레복소수(complex conjugate) 를 의미하고,

,

는 j 번째 시간에 i 번째 수신안테나에 들어오는 수신 신호와 잡음신호, s 는 송신 데이터 심볼을 벡터로 표현한 것이고, 두 이동국에 대한 동등 채널 응답(Equivalent Channel Response)은 수학식 12 에 나타낸 바와 같다.

는 k 번째 송신 안테나로부터 i 번째 수신 안테나로의 채널 응답을 의미한다. 이때, 제 1 이동국에 대한 동등 채널 응답은 의 첫번째 및 두번째 열(column)이 되고, 다른 두 행은 간섭으로 작용한다. 한편, 제 2 이동국에 대한 동등 채널 응답은

의 세번째 및 네번째 행이 되고, 다른 두 행은 간섭으로 작용한다.

도 5 는 수학식 9 및 수학식 10 에 따른 신호 전송에 있어서, 송신 SINR 대 수신 SINR 을 나타낸 일실시예 설명도이다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 수학식 9 와 같은 LDC 행렬의 γ 및 β 값을 적응적으로 변경함으로써, 다중안테나 다중사용자 시스템의 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 신호를 전송할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

본 발명은 다중사용자 다중안테나 시스템에서, LDC 행렬 요소를 각 이동국의 채널 상태에 따라 적응적으로 변경함으로써, 효율적으로 통신을 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 다중 안테나를 이용하여 2 이상의 이동국에 신호를 전송하는 다중 안테나 시스템에 적용되는 신호 전송 방법에 있어서,

   상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 따라, 상기 각 이동국에 상응하는 선형 분산 코딩(LDC; Linear Dispersion Coding) 행렬을 생성하는 단계; 및

   상기 생성된 행렬을 이용하여, 신호를 전송하는 단계를 포함하고,

   상기 생성된 행렬은 상기 2 이상의 이동국의 채널 상태에 기초하여 각 이동국으로 전송되는 신호의 전력을 분배하는 변수를 포함하여 생성되는, 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 이동국의 수는 2 인 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 전송 신호는

   

   인 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법(S 는 데이터 심볼 벡터, q 는 심볼 인덱스,

   

   는 제 1 이동국에 전송할 심볼의 수 ,

   

   는 제 2 이동국에 전송할 심볼의 수,

   

   및

   

   은 제 1 이동국에 상응하는 행렬이고,

   

   및

   

   는 제 2 이동국에 상응하는 행렬).
4. 제 3 항에 있어서,

   

   이고,

   

   인 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 채널 상태는 신호대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio) 또는 신호대 간섭 잡음비(SINR; Signal to Interference Noise Ratio)로 측정되는 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 제 1 이동국에 대한 채널 상태가 상기 제 2 이동국에 대한 채널 상태보 다 좋은 경우에는, β 가 γ 보다 큰 값을 가지고, 상기 제 2 이동국에 대한 채널 상태가 상기 제 1 이동국에 대한 채널 상태보다 좋은 경우에는, γ 가 β 보다 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 β 및 γ는 상기 각 이동국으로 전송되는 신호의 전력을 분배하는 변수인 것을 특징으로 하는 다중안테나를 이용한 신호 전송 방법.

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