KR20060043035A - 개선된 다중입출력 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다중입출력 통신 시스템은 적어도 두 개의 부채널에 대해 부채널 별로 적어도 4개의 송신안테나를 조합하여 시공간 부호화된 신호를 전송하는 송신기와 적어도 2개의 수신 안테나로 상기 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기를 포함한다. 상기 수신기는 수신된 신호를 이용하여 부채널 별 최적의 송신 안테나 조합 정보를 생성하여 피드백 하는 안테나 조합 정보 생성기를 포함하며, 상기 송신기는 상기 수신기로부터 피드백 되는 송신 안테나 조합 정보에 따라 상기 부채널 별 송신 안테나들의 조합을 제어하는 안테나 조합 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 MIMO 시스템 및 방법에서는 다수 개의 안테나 조합 사이의 상관관계를 이용하여 하나의 안테나 조합에 대한 가중치 행렬 만으로 다른 부채널에 대한 나머지 안테나 조합의 최적 가중치 행렬을 자동적으로 산출함으로써 가중치 행렬 계산량과 피드백 정보량의 증가 없이 전송 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
다중입출력(MIMO), 시공간블록부호(STBC), 전송행렬, 공간다이버시티, 공간다중화

Description

개선된 다중입출력 통신 시스템 및 방법{IMPROVED MIMO SYSTEM AND METHOD}
도 1은 본 발명이 적용될 MIMO 시스템을 보인 구성도;
도 2는 도 1의 송신기에서 첫 번째 부채널에 대한 시공간부호들의 안테나 매핑을 설명하기 위한 도면;
도 3은 도 1의 송신기에서 두 번째 부채널에 대한 시공간부호들의 안테나 매핑을 설명하기 위한 도면; 그리고
도 4는 본 발명의 MIMO 전송 방법과 종래의 MIMO 전송 방법의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전송률 2의 시공간 부호를 이용한 다중입출력 통신 시스템에 관한 것이다.
차세대 이동통신시스템에서는 고속의 데이터 전송을 위한 전송 방식으로 다중 송수신 안테나를 이용한 다중 입력 다중 출력 (Multiple Input Multiple Output: MIMO) 시스템이 중요한 표준화 이슈로 대두되고 있다. MIMO 시스템을 이용한 데이터 전송 방식에는 송신단과 수신단의 다중 안테나를 이용하여 서로 다른 데이터를 동시에 전송함으로써 시스템의 대역폭(bandwidth) 증가 없이 고속으로 데이터를 전송하는 공간 다중화 (Spatial Multiplexing: SM) 방식과 다중 송신 안테나를 통해 동일한 데이터를 전송하여 송신 다이버시티 이득을 얻는 공간 다이버시티 (Spatial Diversity: SD) 기법이 있다.
시공간 블록부호(Spatial Time Block Code: STBC)와 시공간트렐리스부호 (Spatial Time Trellis Code: STTC) 등은 안테나 다이버시티를 목적으로 제안된 SD 기법들이다. STBC 와 STTC는 송신 안테나 수가 증가할수록 다이버시티 차수는 증가하지만 이로 인한 이득 증가는 상대적으로 낮다.
한편, V-BLAST 와 같은 SM 기법에서는 송신 안테나의 수에 비례하여 데이터 레이트 (data rate)가 증가하나 다이버시티 이득은 없기 때문에 성능 저하의 요인이 되며 수신 안테나 수가 송신 안테나 수보다 많거나 같아야만 하는 제약 조건이 존재한다.
이러한 두 가지 전송 기법들의 단점을 보완 하기 위해, 2개의 송신 안테나 조합이 한 조를 이루는 총 4개의 송신 안테나들 중 각 안테나 조합에 대해 알라무티 (Alamouti)의 시공간 블록부호를 적용하는 전송률 2의 시공간 부호, 계층화 시공간 블록부호(layered-STBC), 또는 이중 시공간 트렐리스부호(double STTC) 등으로 불리는 전송 기법이 제안되었다. 전송률 2의 시공간 부호는 수학식 1과 같이 표현될 수 있으며 이는 SD와 SM 기법들을 결합한 형태로 다이버시티 이득과 데이터 전송률 측면에서 개선된 효과를 보인다.
Figure 112005009090467-PAT00001
한편, 부채널 별 상이한 안테나 조합을 적용하는 전송률 2의 시공간 부호가 제안된 바 있다. 이는 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112005009090467-PAT00002
행렬 B의 처음 두 열과 마지막 두 열은 상이한 두 부채널(또는 부반송파)에 대응된다. 이 경우 전송률을 2로 유지함과 동시에 부채널 별 상이한 안테나 조합을 통해 추가적인 이득을 얻을 수 있다.
상기한 전송률 2의 시공간 부호화 방식들에서는 채널 상태에 따른 최적의 안테나 조합을 결정하기 위해 채널 상태 정보를 획득하는 것이 필요하다.
상기 수학식 1의 시공간 부호를 사용하는 전송 시스템과 관련하여 단말로부터 최적 안테나 조합을 위한 가중치 행렬을 피드백 받아 가중치 행렬에 따라 안테나 조합을 설정하는 방식이 제안된 바 있다.
그러나, 가중치 행렬을 피드백 하는 방식은 수신단의 계산량을 증가시키는 것은 물론 방대한 가중치 행렬의 피드백 정보량으로 인해 채널 효율을 감소시키는 문제점이 있다.
또한, 상기 가중치 행렬 피드백 방식을 수학식 2의 시공간 부호를 사용하는 전송시스템에 적용할 경우 각 부채널 마다 최적 안테나 조합이 상이하므로 각 부채널 별 가중치 행렬을 산출해야 하므로 가중치 행렬 계산량과 피드백 정보량이 모두 두 배가 되므로 채널효율을 더욱 악화시키게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 수신측으로부터의 피드백 정보를 기반으로 최적의 안테나 조합을 결정함으로써 전송 효율을 최대화 할 수 있는 MIMO 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부채널 별로 상이한 안테나 조합을 적용함으로써 전송률은 그대로 유지하면서 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있는 MIMO 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 최적의 안테나 조합을 결정하기 위한 가중치 행렬을 수신측에서 대응하는 인덱스 형태로 피드백 함으로써 채널 효율을 향상시킬 수 있는 MIMO 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다수 개의 안테나 조합 사이의 관계를 이용하여 하나의 안테나 조합에 대한 가중치 행렬 만으로 나머지 안테나 조합에 대한 최적 가중치 행렬을 자동적으로 산출함으로써 가중치 행렬 계산량과 피드백 정보량의 증 가 없이 전송 신뢰도를 향상시킬 수 있는 MIMO 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다중입출력 통신 시스템은 적어도 두 개의 부채널에 대해 부채널 별로 적어도 4개의 송신안테나를 조합하여 시공간 부호화된 신호를 전송하는 송신기와 적어도 2개의 수신 안테나로 상기 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기를 포함한다. 상기 수신기는 수신된 신호를 이용하여 부채널 별 최적의 송신 안테나 조합 정보를 생성하여 피드백 하는 안테나 조합 정보 생성기를 포함하며, 상기 송신기는 상기 수신기로부터 피드백 되는 송신 안테나 조합 정보에 따라 상기 부채널 별 송신 안테나들의 조합을 제어하는 안테나 조합 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 일 국면에 있어서, 적어도 두 개의 부채널에 대해 부채널 별로 적어도 4개의 송신안테나를 조합하여 시공간 부호화 행렬을 통해 부호화된 신호를 전송하는 송신기와 적어도 2개의 수신 안테나를 통해 상기 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기로 구성되는 다중 입출력 통신 시스템을 위한 다중입출력 통신 방법에서는 상기 수신기로부터 궤환 되는 안테나 조합 정보를 수신하고, 상기 안테나 조합 정보에 따라 부채널 별 송신 안테나들을 조합하고, 상기 송신 안테나들의 조합에 따라 상기 신호를 전송한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명이 적용될 MIMO 시스템을 보인 구성도로서 4개의 송신안테나를 포함하는 송신기(110)와 4개의 수신안테나를 포함하는 수신기(120)로 구성된다.
상기 송신기(110)는 입력되는 변조심벌 열을 직렬/병렬 변환하는 직렬/병렬 변화기(111), 상기 직렬/병렬변환기(111)로부터 출력되는 심벌들을 공간다중화하여 시공간블록부호화를 수행하는 시공간블록부호기(113-1, 113-2), 상기 시공간블록부호기(113-1, 113-2)로부터 출력되는 부호화심벌들을 대응하는 안테나 조합 패턴에 따라 해당 안테나를 통해 전송하는 안테나 조합기(115), 그리고 상기 수신기(120)로부터 피드백 되는 안테나 조합 행렬 인덱스에 대응하는 안테나 조합 행렬 패턴(두 개의 안테나 조합 행렬)을 선택하여 상기 안테나 조합기(115)의 안테나 조합 패턴으로 제공하는 매핑기(117)로 구성된다.
상기 수신기(120)는 두 개의 수신 안테나를 통해 수신되는 신호를 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정기(121)와 상기 채널 추정기의 추정된 채널을 이용하여 원본 신호를 검출하여 출력하는 MMSE 검출기(123), 그리고 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 최적의 송신 안테나 조합을 검출하고 이에 대응하는 안테나 조합 행렬 인덱스를 생성하여 상기 송신기(110)로 피드백하는 인덱스 생성기 (125)로 구성된다.
상기 송신기(110)의 안테나 조합기(115)는 상기 수신기(120)로부터 피드백 되는 안테나 조합 행렬 인덱스에 따라 최적의 안테나 조합들로 구성되는 안테나 조합 패턴을 결정하고 결정된 안테나 조합 패턴에 따라 상기 시공간블록부호기(113-1, 113-2)로부터 출력되는 부호화 심벌들을 해당 안테나를 통해 전송한다.
상기 안테나 조합 행렬은 안테나 조합을 바꾸어주기 위한 가중치 행렬로 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112005009090467-PAT00003
본 발명에서는 상기 수학식 3의 행렬에서 각 행과 열에 한 요소만이 1인 행렬들 중 다음과 같이 여섯 가지의 행렬 W1, W2, W3, W4, W5, 및 W6을 안테나 조합 행렬로 사용한다.
Figure 112005009090467-PAT00004
상기 W 행렬에서 행 인덱스는 상기 안테나 조합기의 입력 포트를 나타내고 열 인덱스는 출력 안테나를 나타낸다. 상기 W 행렬을 구성하는 요소들 중 그 값이 1인 지점의 입력 포트를 통해 입력되는 심볼이 대응하는 출력 안테나를 통해 전송된다. 따라서, 행렬 W2를 예를 들어 설명하면 상기 안테나 조합기 (115) 제1입력포 트의 입력은 제1송신안테나에 매핑되고, 제2입력포트의 입력은 제2송신안테나로, 제3입력포트의 입력은 제4송신안테나로, 그리고 제4입력포트의 입력은 제3송신안테나로 매핑된다.
도 2는 상기 도 1의 송신기에서 첫 번째 부채널에 대한 시공간부호들의 안테나 매핑을 설명하기 위한 도면으로, 상기 안테나 조합기(115)는 상기 매핑기(117)로부터 입력되는 안테나 조합 행렬 패턴을 참조하여 첫 번째 부채널에 대응하는 안테나 조합 행렬에 따라 안테나들을 조합한다.
도 3은 상기 도 1의 송신기에서 두 번째 부채널에 대한 시공간부호들의 안테나 매핑을 설명하기 위한 도면으로, 시공간 부호기(113-1, 113-2)로부터 출력되는 시공간부호들이 첫 번째 부채널에서와는 다른 경로로 안테나 조합기(115)에 입력된다. 따라서 첫 번째 부채널에 대한 안테나 조합 행렬과는 다른 안테나 조합 행렬이 요구되며, 상기 매핑기(117)로부터 입력되는 안테나 조합 행렬 패턴을 참조하여 두 번째 부채널에 대응하는 안테나 조합 행렬에 따라 안테나들을 조합하다.
도 2와 도 3을 통해 각각의 부채널에 대한 안테나 조합 과정을 분리하여 설명하였으나 실제로 수신기로부터 하나의 안테나 조합 행렬 인덱스를 수신하면 송신기는 상기 안테나 조합 행렬 인덱스에 따라 두 개의 부채널 각각에 대해 서로 다른 최적의 안테나 조합 행렬을 적용한다.
본 발명의 일 실시예에서는 수학식 2의 행렬 B를 전송 행렬로 이용한다.
전송 행렬 B의 경우 앞의 두 열과 뒤의 두 열에 대한 수신 신호는 각각 수학식 4와 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112005009090467-PAT00005
Figure 112005009090467-PAT00006
여기서 yij은 i번째 수신 안테나의 j번째 심볼구간에서의 수신 신호이고, N은 잡음 행렬이다.
수학식 4와 수학식 5에서 보는 바와 같이 두 시공간 부호의 전송 형태가 다르기 때문에 Wopt,1(앞의 두 열에 대한 최적 안테나 조합 행렬)와 Wopt,2는 서로 다른 형태를 갖게 된다. 한편, 수학식 5의 시공간 블록 부호는 수학식 6으로 재작성될 수 있다.
Figure 112005009090467-PAT00007
따라서, 수학식 6을 수학식 5에 대입하면 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112005009090467-PAT00008
이 경우 안테나 조합 행렬의 형태가 동일 하므로 Wopt,2= Wopt,1이고 이 관계를 이용하면 뒤 의 두 열에 대한 안테나 조합 행렬 Wopt,2는 수학식 8고 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005009090467-PAT00009
따라서, 상기 B 행렬의 첫 번째 두 열에 대한 최적 안테나 조합 행렬 Wopt,1이 계산 만으로도 나머지 두 열에 대한 최적 안테나 조합 행렬 Wopt,2을 알 수 있다.
전송 행렬 B를 이용하여 4개의 송신 안테나를 2개씩 묶어 두 개의 안테나 조합을 생성하는 경우 두 가지 전송 행렬 형태에 대한 안테나 매핑 규칙은 표 1과 같다.
Figure 112005009090467-PAT00010
표 1에서 (1, 2) (4, 3)은 전송행렬의 첫 번째 행과 두 번째 행이 각각 안테나 1과 안테나 2에 대응하고 3 번째 행이 안테나 4, 그리고 네 번째 행이 안테나 3에 대응하는 것을 말한다.
본 발명의 일 실시예에서는 행렬 B를 전송행렬로 이용하고 있지만 이에 한정되지 않으며 다양한 형태의 행렬을 전송 행렬로 이용할 수 있으며 이 경우도 X 행렬을 곱한 후의 전송 행렬 형태가 모두 일치하도록 X 형렬을 구해주게 되면 수학식 8을 이용하여 단일 피드백 결과 만으로도 나머지 전송 행렬에 대한 최적의 안테나 조합 행렬을 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 MIMO 전송 방법과 종래의 MIMO 전송 방법의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프로서, 본 발명의 MIMO 전송 방법이 패키오류율(PER) 측면에서 종래의 피드백 기반의 MIMO 전송 방식에 비해 상당한 성능 향상이 있음을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 MIMO 시스템 및 방법에서는 부채널 별로 상이한 안테나 조합을 적용함으로써 전송률은 그대로 유지하면서 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있는 MIMO 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 MIMO 시스템 및 방법에서는 최적의 안테나 조합을 결정하기 위한 가중치 행렬을 수신측에서 대응하는 인덱스 형태로 피드백 함으로써 피드백 정보량이 감소하고 이에 따라 채널 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 MIMO 시스템 및 방법에서는 다수 개의 안테나 조합 사이의 상관관계를 이용하여 하나의 안테나 조합에 대한 가중치 행렬 만으로 다른 부채널에 대한 나머지 안테나 조합의 최적 가중치 행렬을 자동적으로 산출함으로써 가중치 행렬 계산량과 피드백 정보량의 증가 없이 전송 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 두 개의 부채널에 대해 부채널 별로 적어도 4개의 송신안테나를 조합하여 시공간 부호화된 신호를 전송하는 송신기;
    적어도 2개의 수신 안테나로 상기 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기를 포함하며,
    상기 수신기는 수신된 신호를 이용하여 부채널 별 최적의 송신 안테나 조합 정보를 생성하여 피드백 하는 안테나 조합 정보 생성기를 포함하며,
    상기 송신기는 상기 수신기로부터 피드백 되는 송신 안테나 조합 정보에 따라 상기 부채널 별 송신 안테나들의 조합을 제어하는 안테나 조합 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중입출력 통신시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 송신 안테나 조합 정보는 상기 부채널 별 송신 안테나들의 조합 행렬들인 것을 특징으로 하는 다중입출력 통신 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 송신 안테나 조합 정보는 상기 부채널 별 송신 안테나들의 조합 행렬들에 대응하는 미리 정해진 인덱스인 것을 특징으로 하는 다중입출력 통신 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 송신 안테나 조합 정보는 상기 부채널들 중 하나에 대한 송신 안테나들의 조합 행렬인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 안테나 조합 제어기는 상기 조합 행렬을 이용하여 나머지 부채널에 대한 송신 안테나들의 조합 행렬을 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 송신 안테나 조합 정보는 상기 부채널들 중 하나에 대한 송신 안테나들의 조합 행렬에 대응하는 미리 정해진 인덱스인 것을 특징으로 하는 다중입출력 통신 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 안테나 조합 제어기는 상기 인덱스에 대응하는 조합 행렬에 따라 상기 송신 안테나들을 조합하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  8. 적어도 두 개의 부채널에 대해 부채널 별로 적어도 4개의 송신안테나를 조합하여 시공간 부호화 행렬을 통해 부호화된 신호를 전송하는 송신기와 적어도 2개의 수신 안테나를 통해 상기 신호를 수신하는 적어도 하나의 수신기로 구성되는 다중 입출력 통신 시스템에 있어서,
    상기 수신기로부터 궤환 되는 안테나 조합 정보를 수신하고;
    상기 안테나 조합 정보에 따라 부채널 별 송신 안테나들을 조합하고;
    상기 송신 안테나들의 조합에 따라 상기 신호를 전송하는 다중 입출력 통신 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 안테나 조합 정보는 부채널 별 최적의 안테나 조합을 나타내는 안테나 조합 행렬들인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 안테나 조합 정보는 부채널 별 최적의 안테나 조합을 나타내는 안테나 조합 행렬들에 대응하는 인덱스들인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 안테나 조합 정보는 부채널 별 최적의 안테나 조합을 나타내는 안테나 조합 행렬들로 구성되는 안테나 조합 행렬 세트에 대응하는 인덱스인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 안테나 조합 정보는 부채널 별 최적 안테나 조합을 나타내는 안테나 조합 행렬들 중 하나의 부채널에 대한 안테나 조합 행렬인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 나머지 부채널에 대한 안테나 조합 행렬은 상기 피드백 된 안테나 조합 행렬을 이용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 안테나 조합 정보는 부채널 별 최적 안테나 조합을 나타내는 안테나 조합 행렬들 중 하나의 부채널에 대한 안테나 조합 행렬에 대한 인덱스인 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 나머지 부채널에 대한 안테나 조합 행렬은 상기 인덱스에 의해 결정된 안테나 조합 행렬을 이용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
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