KR20040016673A

KR20040016673A - 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법

Info

Publication number: KR20040016673A
Application number: KR1020020048956A
Authority: KR
Inventors: 심동희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-02-25
Also published as: KR100550769B1

Abstract

본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법은, 다수개의 송신 안테나를 통해 심볼을 전송하는 폐루프 시공간 전송 다이버시티 방법에 있어서, 각각의 송신 안테나에서 전송될 각 심볼이 시공간 전송 다이버시티 코딩되고, 상기 각 심볼에 웨이트 벡터가 곱해지어 전송되는 단계와, 상기 웨이트 벡터와 동일한 값으로 상기 심볼을 디코딩하는 단계와, 상기 디코딩된 심볼을 통해 실제 송신 안테나에서 전송되는 신호를 검출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 종래 기술에 의한 STTD 및 폐루프 STTD에 비해 신호 대 간섭 잡음비에 따른 비트 오류율에 있어 0.7 ~ 1 dB 정도 성능이 향상되는 장점이 있다.

Description

다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법{Signal Processing Method of Multi Input, Multi Output Mobile Communication System}

본 발명은 다수의 안테나를 송신단과 수신단에서 공히 사용하는 다중입력, 다중출력 시스템(이하 MIMO 시스템이라 약칭함)이라는 통신 시스템에서의 송/ 수신단의 신호 처리 방법에 관한 것이다.

현재 3GPP(Third Generation Partnership Project) 내의 개루프 송신 다이버시트(Diversity) 기법으로는 시공간 전송 다이버시티(STTD :Space Time Transmit Diversity, 이하 STTD라 칭하기로 함) 방법이 채택되어 있다.

STTD 방법이란 시간축 상에서 주로 적용되었던 채널 부호화(channel coding) 기법을 공간 상으로 확장시킨 시공간 부호화(Space-Time coding)를 통해 다이버시티 효과를 얻기 위한 기술이다.

종래의 STTD는 2개의 안테나를 사용하여 그 2개의 안테나에서 전송되는 심볼들 간의 시공간 상의 간단한 코딩을 통해 시간적인 다이버시티 이득 뿐만 아니라 공간적인 다이버시티 이득도 얻도록 구성된다.

이러한 종래 기술에는 2개의 안테나로 전송되는 심볼 간의 코딩을 위해 시공간 코딩 블록을 구비하여 구성되며, 상기 STTD의 동작원리는 표 1을 통해 설명되어 진다.

2개 안테나의 STTD 인코딩과 전송순서 (T: 심볼주기)

	Time t	Time t + T
Antenna 0	s₁	s₂
Antenna 1	-s₂ ^*	s₁ ^*

표 1과 같이 송신될 심볼은 STTD 인코딩되고 시간 순서에 따라 안테나 1, 2로 각각 송신된다. 각각의 안테나로 송신된 신호는 서로 다른 독립적인 채널을 거치게 되고, 시간 t에서의 채널과 t+T에서의 채널이 같다고 가정할 경우 수신 안테나 단에서는 다음과 같이 수신된다.

여기서는 각각 송신 안테나 1, 2와 수신 안테나 간의 채널을 의미하며, n₁, n₂는 수신단에서의 복소 잡음을 의미한다. 각각의 채널은 파일럿 신호로 추정이 가능하며, 수신신호를 다음과 같이 결합을 하게 되면 수신 다이버시티의 MRC(Maximum Ratio Combining)방법과 같은 값을 얻을 수 있고 이를 바탕으로 송신된 심볼을 추정할 수 있게 된다.

이러한 상기 STTD 기법은 단말기의 이동 속도가 빠른 경우에 그 성능이 좋으며, 반대로 단말기의 이동 속도가 느릴 경우에는 그 성능이 저하되는 단점이 있다. 이에 반해 폐루프 통신 시스템의 경우 수신단에서 송신단으로 일정한 정보를 귀환하는 것으로 단말기의 이동 속도가 느린 경우에 시스템의 성능이 향상된다.

이러한 특성에 의해 폐루프 STTD 방법이 이용되는데, 이는 단말기의 이동속도가 저속인 경우와 고속의 경우에 모두 일정한 성능을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 폐루프 STTD 시스템을 나타내는 구성도이다.

도 1을 참조하여 종래의 폐루프 STTD 시스템의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

종래 기술을 설명하기에 앞서 먼저 송신단의 안테나 수가 2개, 수신단의 안테나 수가 1개인 시스템을 가정한다.

종래의 폐루프 STTD 시스템은 STTD 인코더(110)와 웨이트가 곱해지는 수단 및 2개의 송신 안테나(120)로 이루어진 송신단(100)과, STTD 디코더(140)와 간섭 제거 수단(cross interference conversion)(150), 웨이트 계산부(160) 및 1개의 수신 안테나(170)로 이루어진 수신단(130)으로 구성된다.

종래의 폐루프 STTD를 사용할 경우 하나의 수신안테나를 가진 수신단에서 두 심볼 구간 동안 수신되는 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이 때r ₁과r ₂는 두 심볼 구간 동안 수신된 신호를 나타낸 것이다.

이 때S ₁과S ₂는 실제 송신 안테나에서 전송하고자 한 데이터 심볼을 나타내고n ₁과n ₂는 각 수신 심볼 구간동안 수신단에 추가된 잡음 성분을 나타낸다.

또한,는 상기에서 설명한 바와 같이 각각 송신 안테나 1,2와 수신 안테나 간의 채널을 의미한다.

수신단에서는 일단 일반적인 STTD decoding을 실시하게 되는데 그것을 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이 때s ₁과s ₂는 STTD decoding을 거친 후의 두 심볼 구간 동안의 신호를 각각 나타낸다.

여기서

와 같이 치환하면 수학식 4는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

여기서 원래 송신단에서 전송하고자 한 심볼을 추정하기 위해 다음과 같은 신호 처리를 한 번 더 거친다. 여기서과는 일련의 신호 처리를 거친 후수신단에서 추정된 송신 심볼을 나타낸다.

기존에 제안된 방법은 수신단에서

를 최대화하는 웨이트 벡터를 계산하였는데 이것은의 성질 (로 부터) 및의 성질을 이용하여 각각 다음과 같은 웨이트 값을 유도하였다.

이렇게 웨이트를 계산한 이유는 수학식 4에서와 같이 각 심볼의 파워를 결정하는 데 A의 값이 가장 주요하게 영향을 미치기 때문이다.

그러나, 종래의 폐루프 STTD 방법의 웨이트 계산 방법은 수신단의 추정된 심볼의 파워를 최대화하는 optimal한 웨이트 벡터를 유도한 것은 아니다.

즉, 상기 수신단에서 추정된 심볼의 파워를 최대화하려면 원칙적으로 ()를 최대화하는 웨이트 벡터를 계산하여야 하는데, 종래의 방법에 의하면이를 최대화하기 위한 것이 아니라 A를 최대화하는 것을 통하여 웨이트를 구하는 것으로 수신단의 추정된 심볼의 파워를 최대화하는 optimal한 웨이트 벡터를 유도한 것은 아니다.

본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로, 폐루프 STTD 시스템에 있어서 전송되는 심볼에 곱해지는 웨이트 값과 동일한 웨이트 벡터를 사용하여 중간 수신 신호를 계산한 후 그 값을 이용하여 최종 송신 심볼을 추정하는 수신단을 구성함으로써 종래 기술에 비해 향상된 성능이 구현되는 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 폐루프 STTD 시스템을 나타내는 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 폐루프 STTD 시스템의 수신단을 나타내는 구성도.

도 3은 신호 대 간섭 잡음비에 따른 비트 오류율을 나타낸 모의 실험 결과도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 송신단110 : STTD 인코더

120 : 송신 안테나130 : 수신단

140 : STTD 디코더150 : 간섭 제거 수단

160, 220 : 웨이트 계산부170 : 수신 안테나

200 : 웨이트 곱셈부210 : 변형된 STTD 디코딩부

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법은, 다수개의 송신 안테나를 통해 심볼을 전송하는 폐루프 시공간 전송 다이버시티 방법에 있어서,

각각의 송신 안테나에서 전송될 각 심볼이 시공간 전송 다이버시티 코딩되고, 상기 각 심볼에 웨이트 벡터가 곱해지어 전송되는 단계와, 상기 웨이트 벡터와 동일한 값으로 상기 심볼을 디코딩하는 단계와, 상기 디코딩된 심볼을 통해 실제 송신 안테나에서 전송되는 신호를 검출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 송신 안테나의 수가 2개인 것을 특징으로 하며, 상기 웨이트 벡터는 수신단에서 귀환되는 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터임을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 의한 폐루프 STTD 시스템의 수신단을 나타내는 구성도이다.

도 2를 참조하여 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 송신단은 종래의 폐루프 STTD 방법의 송신단과 동일하나 수신단의 신호 처리 방법 및 웨이트를 계산하는 방법이 다르므로 수신단의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이 바뀌어 진다.

상기 본 발명에 의한 폐루프 STTD 시스템의 수신단에서는 우선 송신단에서 송신할 때 사용한 웨이트 값과 같은 웨이트 벡터 값을 사용하여 중간 수신 신호를 계산한 후, 그 값을 이용 최종 송신 심볼을 추정하게 된다.

이는 실험적으로 우선 웨이트 벡터를 적절히 다시 곱하는 단계를 실시한 후 최종적으로 송신 심볼을 추정하는 것이 더 나은 성능을 나타내므로 웨이트 벡터를 적절히 다시 곱하는 단계 후, 최종적으로 송신 심볼을 추정하는 것이다.

이에 따라 본 발명의 송신단 구조는 기존 발명의 것과 동일하므로 생략하고수신단 구성만 도 2에 도시하였다.

상기 본 발명의 동작을 설명하기에 앞서 종래 기술에서와 동일하게 먼저 송신단의 안테나 수가 2개, 수신단의 안테나 수가 1개인 시스템을 가정한다.

본 발명에 의한 폐루프 STTD를 사용할 경우 하나의 수신안테나를 가진 수신단에서 두 심볼 구간 동안 수신되는 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이 때r ₁과r ₂는 두 심볼 구간 동안 수신된 신호를 나타낸 것이다.

이 때S ₁과S ₂는 실제 송신 안테나에서 전송하고자 한 데이터 심볼을 나타내고,n ₁과n ₂는 각 수신 심볼 구간동안 수신단에 추가된 잡음 성분을 나타낸다.

또한,는 상기에서 설명한 바와 같이 각각 송신 안테나 1, 2와 수신 안테나 간의 채널을 의미한다. 본 발명에 있어서의 수신단에서는 종래 기술과는 다르게 일반적인 STTD decoding을 실시하는 것이 아니라 다른 방식으로 디코딩을 한다.

즉, 종래의 기술에 의하여 STTD 디코딩을 할 경우에는 수신된 신호에 송신 안테나 1, 2와 수신 안테나 간의 채널인 h₁, h₂를 이용하지만, 본 발명에 있어서는 웨이트 벡터인 w₁, w₂를 이용하여, 우선 웨이트 벡터 값을 사용 다음과 같이 웨이트벡터를 적절히 곱하는 단계를 우선 실시한다.

도 2에 도시된 수신단의 웨이트 곱셈부(weight multiplier)(200)에서 이러한 단계가 진행된다.

이 때 z₁과 z₂는 웨이트 벡터를 다시 곱하는 단계를 실시한 후의 두 심볼 구간 동안의 신호를 각각 나타낸다.

여기서,

과 같이 치환하면 수학식 9는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

다음으로는 원래 송신단에서 전송하고자 한 심볼을 추정하기 위해 다음과 같은 신호 처리를 한 번 더 거치며, 이러한 과정은 도 2에 도시된 수신단의 변형된 STTD 디코딩부(modified STTD decoder)(210)에서 수행된다.

여기서과는 일련의 신호 처리를 거친 후 수신단에서 추정된 송신 심볼을 나타낸다. 또한, z₁과 z₂로부터과를 구하는 과정은 기존의 STTD decoding 방법의 변형으로 그 과정은 유사하다고 볼 수 있다.

이 때 송신단으로 귀환되는 웨이트는 종래 기술과는 달리 다음과 같이 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터로 선택한다. 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유벡터는 다음과 같이 구할 수 있다.

h = (h_{1 ,}h₂)^T

R = hh ^H

Rw =w

이 때 h = (h_{1 ,}h₂)^T는 채널 벡터로 두 개의 송신안테나로부터 거쳐온 페이딩 채널 값이고, R은 채널 벡터의 자기 상관행렬,와 w는 각각 자기 상관 행렬의 최대 고유치 및 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터를 나타낸다. 이러한 웨이트 벡터의 계산 및 검출은 도 2에 도시된 수신단의 웨이트 계산부(220)에서 이루어지며, 이를 송신단으로 귀환시킨다.

도 3은 신호 대 간섭 잡음비에 따른 비트 오류율을 나타낸 모의 실험 결과도 이다.

도 3을 통해 알 수 있듯이 본 발명에 의한 신호처리 방법에 의할 경우 종래 기술에 의한 STTD 및 폐루프 STTD에 비해 신호 대 간섭 잡음비에 따른 비트 오류율에 있어 0.7 ~ 1 dB 정도 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법에 의하면, 종래 기술에 의한 STTD 및 폐루프 STTD에 비해 신호 대 간섭 잡음비에 따른 비트 오류율에 있어 0.7 ~ 1 dB 정도 성능이 향상되는 장점이 있다.

Claims

다수개의 송신 안테나를 통해 심볼을 전송하는 폐루프 시공간 전송 다이버시티 방법에 있어서,

각각의 송신 안테나에서 전송될 각 심볼이 시공간 전송 다이버시티 코딩되고, 상기 각 심볼에 웨이트 벡터가 곱해지어 전송되는 단계와,

상기 웨이트 벡터와 동일한 값으로 상기 심볼을 디코딩하는 단계와,

상기 디코딩된 심볼을 통해 실제 송신 안테나에서 전송되는 신호를 검출하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
제 1항에 있어서,상기 송신 안테나의 수가 2개인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.
제 1항에 있어서,

상기 웨이트 벡터는 수신단에서 귀환되는 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터임을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템에서의 신호 처리 방법.