KR20090045906A - Ｍｉｍｏ 무선통신 시스템에서 ｓｔｃ 모드 결정 방법 및 장치, 결정된 ｓｔｃ 모드의 응답 방법 및 장치 - Google Patents

Ｍｉｍｏ 무선통신 시스템에서 ｓｔｃ 모드 결정 방법 및 장치, 결정된 ｓｔｃ 모드의 응답 방법 및 장치 Download PDF

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KR20090045906A
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Abstract

MIMO 무선통신 시스템의 수신기에서 주어진 채널 상태에 따라 STC 모드를 결정하는 방법 및 장치가 개시된다. 이에 따르면, STC 모드의 결정을 채널용량 추정치를 이용하는 것으로, 이를 위해 채널 특성을 추정하고, 이 채널 추정치를 통해 얻어진 각 STC 모드 별 신호 대 잡음비를 구한 후, 이 STC 모드 별 신호대 잡음비를 이용하여 얻어진 채널용량을 기준으로 STC 모드를 결정함으로써, 실제 구현 시 발생되는 각 오차와 복호화 방식에 따른 특성이 대부분 고려되어 보다 정확하게 데이터를 검출할 수 있다.

Description

ＭＩＭＯ 무선통신 시스템에서 ＳＴＣ 모드 결정 방법 및 장치, 결정된 ＳＴＣ 모드의 응답 방법 및 장치{Method and Apparatus for Space-Time Coding Mode Decision in MIMO system, and Method and Apparatus for Responding the Decided STC Mode}
본 발명은 다중입출력(MIMO; Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MIMO 무선통신 시스템의 수신기에서 주어진 채널 상태에 따라 STC 모드를 결정하는 방법 및 장치, 그리고 상기 결정된 STC 모드를 송신기로 응답하는 응답 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 채널 환경은 다중경로 간섭(multi-path interference)과, 쉐도잉(shadowing)과, 전파 감쇠와, 시변 잡음과, 간섭 및 페이딩(fading) 등과 같은 여러 요인들로 인해 불가피한 오류가 발생하여 정보의 손실이 생긴다. 이러한 정보 손실은 실제 송신 신호에 심한 왜곡을 발생시켜 무선통신 시스템 전체 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.
한편, 페이딩 현상으로 인한 통신의 불안정성을 제거하기 위해 다이버시티(diversity) 방식을 사용한다. 이는 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 자원 활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보함으로써 대역폭의 증가 없이 다이버시티 이득을 통한 통신 링크의 신뢰성을 높일 수 있고, 공간 다중화를 통한 병렬 전송을 통하여 전송 용량을 높일 수도 있다.
도 1은 SISO 시스템과 MIMO 시스템의 개요를 설명하는 도면이다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, SISO(Single Input Single Output) 시스템은 하나의 송신 안테나(TxAnt)와 하나의 수신 안테나(RxAnt) 사이에 형성된 하나의 채널(H)을 통해 단일 입출력 전송을 수행하는 기술로서, 무선 통신에서 송신측과 수신측이 각각 하나의 안테나로 통신하는 경우, 언덕, 철탑 등 전파 경로상 장애로 다중 경로 현상이 나타나 페이딩으로 인한 문제가 발생하고, 무선 인터넷 등과 같은 디지털 통신에서는 데이터 속도의 저하 및 오류 증가의 원인이 된다.
이와는 달리, 다중입출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 시스템은 기지국과 단말기의 안테나를 복수 개로 늘려 데이터를 여러 경로로 전송하고, 수신단에서 각각의 경로로 수신된 신호를 검출해 간섭을 줄이며 송신단에서 시공간 다이버시티 및 공간 다중화를 통해 전송 효율성을 높일 수 있다. 도 1(b)는 그 중 2개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나를 사용하는 2×2 MIMO 시스템을 예시한 것인데, 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 송신 안테나(TxAnt1, TxAnt2)와 제1 및 제2 수신 안테나(RxAnt1, RxAnt2) 사이에는 4개의 채널, 즉 제1 채널(H11), 제2 채널(H12), 제3 채널(H21) 및 제4 채널(H22)이 형성된다.
이러한 MIMO 모드의 경우, 복수의 안테나와 송신될 심볼들을 할당하는 방식에 따라, 시공간 전송 다이버시티(STTD: Space Time Transmit Diversity), 공간 다 중화(SM; Spatial Multiplexing) 모드로 구분될 수 있고, 특히 IEEE 802.16d/e 기반의 휴대인터넷 시스템에서는 STTD와 SM이 선택적으로 전송될 수 있도록 규정하였기 때문에 채널 상태에 따라 이러한 공간 부호화(STC: Space Time Coding) 모드를 선택하는 방식이 개발 중에 있다.
특히, 단순히 채널 상태에 관한 매우 근본적인 채널 특성(예컨대, MIMO 채널의 강도 및 MIMO 채널 강도의 편차)만을 고려하여 STC 모드를 선택할 경우, 채널 추정에 따른 오차의 영향이 무시되어 성능 열화가 발생하며, 상기 STC 모드 별로 그 복호 방식이 다양하고 그 특성들이 서로 상이하므로 구현된 결과가 이상적인 특성을 보이지 않게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은, 다중입출력 시스템에서 채널 추정 시 발생할 수 있는 오차를 고려하여 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 다중입출력 시스템에서 STC 모드 복호화 방식에 따른 특성이 반영된 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다중입출력 시스템에서 송신기와 수신기가 폐루프 다중 입출력 구조인 경우, 채널 추정 시 발생할 수 있는 오차를 고려하고, STC 모드 복호화 방식에 따른 특성이 반영된 파라미터를 통해 보다 실질적인 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하며, 상기 결정된 STC 모드를 피드백 함으로써 상기 송신기로부터 전송된 신호에 대한 응답 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템의 수신기에서 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 방법은 (a) 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호로부터 STC 모드 별로 채널용량을 추정하는 단계; 및 (b) 상기 추정된 채널용량을 이용하여 상기 STC 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템의 수신기에서 복수의 수신안테 나를 통해 수신된 수신신호들에 대해 송신기로 응답하는 방법은 (a) 상기 수신신호로부터 STC(Space-Time Coding) 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 상기 송신기의 STC 모드를 결정하는 단계; 및 (b) 상기 결정된 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템의 수신기에서 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 장치는, 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호로부터 각 채널이득 및 잡음 전력을 추정하는 채널 파라미터 추정부; 상기 채널이득 및 잡음 전력 추정치를 이용하여 상기 STC 모드 별로 신호대 간섭과 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio)를 추정하는 STC SINR 추정부; 상기 SINR 추정치를 이용하여 상기 STC 모드 별로 채널용량을 연산하는 채널용량 연산부; 및 상기 STC 모드 별로 연산된 상기 채널용량을 이용하여 상기 STC 모드를 결정하는 STC 모드 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템의 수신기에서 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호들에 대해 송신기로 응답하는 장치는, 상기 수신신호로부터 STC(Space-Time Coding) 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 상기 송신기의 STC 모드를 결정하는 STC 모드 결정부; 및 상기 결정된 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 피드백 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템에서 수신기로부터의 수신응답을 토대로 송신신호를 상기 수신기로 송신하는 장치는, 상기 수신응답 -STC(Space- Time Coding) 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 결정된 STC 모드 정보를 포함함- 을 복호화하는 피드백 메시지 복호화부; 상기 수신응답을 토대로 상기 STC 모드 -시공간 전송 다이버시티(STTD: Space-Time Transmit Diversity) 또는 공간 다중화(SM: Spatial Multiplexing)- 를 선택하는 STC 모드 선택부; 및 상기 선택된 STC 모드에 따라 상기 송신신호를 부호화하는 시공간 부호화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 MIMO 시스템에서 수신기로부터의 수신응답을 토대로 송신신호를 상기 수신기로 송신하는 방법은, (a) 상기 수신응답 STC(Space-Time Coding) 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 결정된 STC 모드 정보를 포함함- 을 복호화하는 단계; (b) 상기 수신응답을 토대로 상기 STC 모드 -시공간 전송 다이버시티(STTD: Space-Time Transmit Diversity) 또는 공간 다중화(SM: Spatial Multiplexing)- 를 선택하는 단계; 및 (c) 상기 선택된 STC 모드에 따라 상기 송신신호를 부호화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다중입출력 시스템에서 채널 추정 시 발생할 수 있는 오차를 고려하여 선호 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정함으로써, 채널 상황에 적합한 STC 모드를 결정하여 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다중입출력 시스템에서 STC 모드 별 복호화 방식에 따른 특성이 반영된 선호 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정함으로써, 보다 정확하게 결정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 다중입출력 시스템에서 송신기와 수신기가 폐루프 다중 입출력 구조인 경우, 채널 추정 시 발생할 수 있는 오차를 고려하고, STC 모드 별 복호화 방식에 반영된 선호 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하여 이를 송신기로 피드백 함으로써, 송신기가 다음 프레임 전송 시에 보다 실질적이고 정확한 채널 특성이 고려된 STC 모드를 결정할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 N×M MIMO 시스템의 송신기를 나타내는 구성도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 N×M MIMO 시스템의 수신기를 나타내는 구성도로서, 송신기를 기지국(BS; Base Station)으로, 수신기를 단말(MS; Mobile Station)로 나타낼 수도 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하고 송신기 또는 수신기에 대한 기지국 및 단말의 역할이 서로 전환될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다.
도 2를 참조하면, 송신기(200)는 부호화부(210)와, 인터리버(220)와, 변조부(230)와, 다중화 및 공간 부호화부(240)와, 복수의 안테나와, 피드백 메시지 복호화부(250)와, 스케줄러(260)와, STC 모드 선택부(270)를 포함하고, 도 3을 참조하면, 수신기(300)는 복수의 안테나와, 역다중화 및 공간 복호화부(310)와, 복조부(320)와, 디인터리버(330)와, 복호화부(340)와, MIMO 채널 파라미터 추정부(350) 와, 선호 STC 모드 결정부(360)를 포함한다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여 송신기의 동작을 먼저 설명하고, 연이어 본 발명과 관련된 STC(Space-Time Coding)에 대하여서 개략적으로 설명한 후, 수신기의 동작을 설명하도록 한다.
송신기(200)에서, 부호화부(210)는 전송할 정보를 담은 n번째 비트 un를 FEC(Forward Error Correction)등과 같은 방식으로 채널 부호화(channel encoding)하여 부호화된 비트 ci를 출력한다. 예컨대, 부호화 방식으로는 길쌈 부호화(Convolutional encoding), CTC(Convolutional Turbo Codes) 등을 사용한다. 이 부호화된 비트 ci에 대하여, 인터리버(220)는 높은 상관관계를 갖는 연속된 ci들 각각이 상호 상관도가 낮은 채널들에 통하여 전송되도록 정해진 규칙에 따라 재배열한다. 예컨대, 연속된 ci들에 대하여 인접되지 않은 부반송파로 맵핑하거나, 연속된 ci들에 대하여 성상도(constellation) 중에서 하위 또는 상위 비트에 교대로 맵핑하도록 상술한 규칙을 정할 수 있다. 이처럼 인터리빙된 bi들에 대하여, 변조부(230)는 QPSK 또는 QAM등과 같은 변조 방식을 사용하여 하나의 심볼에 하나 이상의 비트를 맵핑한다. 또한, 다중화 및 공간 부호화부(240)는 변조된 심볼을 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 또는 CDM(Code Division Multiplexing) 등과 같은 방식으로 다중화한 후, 선택된 STC 모드에 따라 전체 심볼의 일부나 또는 전부를 복수의 안테나를 사용하여 수신기(300)로 송출할 수 있 다.
이때, 심볼과 안테나 간의 맵핑을 시공간 부호화(STC: Space-Time Coding)라 하고, 부호화 방식에 따라 시공간 전송 다이버시티(STTD: Space-Time Transmit Diversity)와 공간 다중화(SM: Spatial Multiplexing)로 구분될 수 있다.
STTD는 서로 다른 두 개의 심볼을 전송함에 있어서 심볼 각각의 위상과 그 심볼 각각을 송출할 안테나를 바꾸어 반복 전송하는 방식으로, 대표적으로 알라무티(Alamouti) 방식이 있으며, 공간에 따른 페이딩을 완화시킴으로써 비교적 안정되고 향상된 전송율을 보장한다. 한편, SM은 각기 다른 다수의 심볼을 복수의 안테나를 통해 동시에 송출하고 수신하는 방식으로, 대표적으로 BLAST 방식이 있으며, 데이터 전송률을 증가시킨다. 특히, IEEE 802.16d/e 기반의 휴대인터넷 시스템에서는 STTD와 SM이 선택적으로 전송될 수 있도록 규정하였기 때문에 적절한 성능 비교 후에 전송될 수 있도록 하는 기술이 필요하다.
STTD와 SM의 상대적인 성능은 채널 상태에 따라 다르게 나타나므로, 상술한 바와 같이, 이들을 적절히 선택하여 사용해야 한다. 이를 위하여, 수신기(300)는 송신기(200)에서 송출된 신호로부터 채널 특성을 분석한 후 사전에 정해진 판단 기준에 따라 STTD 또는 SM을 결정하고 이에 대한 정보를 부호화하여 송신기(200)로 전송, 즉 피드백 한다. 이때, 상기 부호화된 정보는 수신기(300)에서 결정된 STC 모드와 유효 CINR(Effective CINR) 등을 포함하며, 정해진 시점에 송신기(200)로 전송된다.
이하에서는 상술한 바와 같이 부호화되어 전송되는 정보를 피드백 메시지라 하고, 수신기(300)에서 결정된 STC 모드를 선호 STC 모드(preferred STC mode) 라 한다. 그리고, STTD와 SM에 대하여서는 후술할 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
다시 도 2에서, 피드백 메시지 복호화부(250)는 수신기(300)로부터 전송된 정보를 복호화하여 STC 모드 선택부(270)에 제공하고, 스케줄러(260)는 자원 상태 및 스케줄링 전략 등을 STC 모드 선택부(270)에 제공한다. 이에 따라, STC 모드 선택부(270)는 자원 상태 및 스케줄링 전략 등을 고려하여 수신기(300)로 전송할 STC 모드를 최종적으로 결정할 수 있다.
한편, 도 3에서, 수신기(300)는 복수의 안테나에서 수신신호들을 심볼 단위로 역다중화 및 공간 복호화부(310)에서 역다중화를 수행하고 공간 복호(ST decoding)를 수행한다. 특히, STC 모드가 STTD인 경우에는 적어도 두 개의 심볼 인덱스를 이용하여 복호하고, STC 모드가 SM인 경우에는 각 수신 심볼에 대하여 복호한다. 복조부(320)는 이렇게 역다중화 되고 복호된 심볼들을 복조하여 비트 매트릭스를 산출하며, 디인터리버(330)는 송신기(200)에서 적용된 인터리빙 방식의 역으로 디인터리빙 하며, 복호화부(340)는 이 디인터리빙된 비트열을 토대로 원래 송신기(200)에서 전송된 정보 비트 추정치를 출력한다.
또한, 수신기(300)는 송신기(200)에서 송출된 신호로부터 MIMO 채널 특성, 예컨대 MIMO 채널 추정 및 잡음 전력 등을 분석하는 MIMO 채널 파라미터 추정부(350)와, 추정된 MIMO 채널 및 잡음 전력을 이용하여 선호 STC 모드를 결정하는 선호 STC 모드 결정부(360)를 더 포함하며, MIMO 채널 파라미터 추정부(350) 는 선호 STC 모드 결정부(360)의 구성에 포함될 수도 있다.
이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 각각의 STC 모드와, 각 STC 모드 별로 SINR을 연산하는 과정을 설명한 후, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 STC 모드 결정 장치 및 방법에 대하여 설명한다.
도 4는 2 × 2 MIMO 시스템에서 STTD의 송수신 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 두 개의 전송할 심볼(또는 OFDMA의 부심볼(sub-symbol))을 각각 s1, s2라 하고, 각 행이 각 안테나에 대응하는 벡터로 나타낼 수 있으면, k 및 k+1번째 전송할 심볼벡터 s(k) 및 s(k+1)는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, k는 STTD 심볼 인덱스 중 우수(even number)로 가정하며, k = 0, 2, 4, ...이다.
[수학식 1]
Figure 112009024914733-PAT00001
송신기(200)의 안테나에서 일련의 송신신호의 송신 심볼벡터들 s(k), s(k+1), s(k+2), ...이 송출되면, 수신기(300)의 안테나에서 수신신호로부터 수신 샘플벡터들 r(k), r(k+1), r(k+2), ...이 얻어진다. 여기서, 송신기(200)의 n(n=1,2)번째 안테나와 수신기(200)의 m(m=1,2)번째 안테나 간의 채널이득을 hn,m라 하고, m번째 수신안테나의 수신신호로부터 k번째 수신 샘플의 잡음 성분을 vm(k)라 하면, 수신 샘플벡터는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112009024914733-PAT00002
STTD의 경우, 수신 샘플벡터 r(k)와 r(k+1)로부터 송신기(200)로부터 전송된 심볼 sk 와 sk+1를 복구하는 STC 복호는 비교적 단순하며, 한 개의 안테나로도 가능하고 두 개의 안테나(2×2)를 사용할 경우 수신 다이버시티 이득 등을 더 얻을 수 있는 장점이 있다. 따라서, 수신기(300)의 m번째 안테나에서 잡음 전력이 σm 2일 때, 복구된 심볼 Sk 와 Sk+1는 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112009024914733-PAT00003
이 수학식 3에서 4개의 채널이득 hn,m 중 적어도 하나라도 0이 아니면, 복구된 심볼 Sk 와 Sk+1를 구할 수 있다. 여기서, 송신기(200)로부터 전송된 심볼 에너지를 Es/N = 1/2라 하고, 잡음성분이 공간적(서로 다른 안테나), 시간적(서로 다른 시 간 인덱스)으로 상호 상관관계가 없으며, 정상적(stationary)이라면, 추정된 심볼들의 신호대 잡음 비(SNRSTTD)는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112009024914733-PAT00004
한편, 도 5는 2 × 2 MIMO 시스템에서 SM의 송수신 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, SM에서는 시간 인덱스 k에 대하여 모든 송신 심볼벡터가 독립적이다. 따라서, 상술한 STTD에서 s(k)에 대하여 r(k)와 r(k+1)의 두 연속된 수신신호의 수신 샘플벡터로부터 복호되는 것과는 다르게, SM에서는 s(k)가 r(k)만으로 복호되어야 한다.
SM에서 최적인 복호 방법은 MLD(Maximum Likelihood Decoding)으로 알려져 있으며, 이외에도 ZF(Zero-Forcing) 및 MMSE(Minimum Mean Squared Error)이 제시되어 있다. 본 실시예에서는 MMSE 방식을 이용하는 SM 복호 방법을 예로 들어 설명한다.
MMSE 방식의 SM 복호 방법에서는 각 안테나로부터 얻어진 수신샘플을 선형 조합함으로써, 송신기(200)로부터 전송된 심볼 sk 와 sk+1를 추정한다. 이를 수식으로 표현하면 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 위 첨자「H」는 매트릭스 트랜스포즈 컨쥬게이트(matrix transpose conjugate)를 의미한다.
[수학식 5]
Figure 112009024914733-PAT00005
따라서, MMSE 방식의 STC 복호에서, n 번째 송신안테나에서 송출된 심볼에 대한 복호 후에 그 심볼에 대한 SINR은 다음 수학식 6 또는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 수학식 7은 수학식 6에서
Figure 112009024914733-PAT00006
인 경우에 해당하며, 수학식 6과 수학식 7에서 R rr은
Figure 112009024914733-PAT00007
로 나타나는 수신 샘플벡터에 대한 상관 매트릭스이고, H는 채널행렬이며, h n =[hn,1, ...,hn,M] T 이다. 또한, I N은 N×N 단위 행렬(identity matrix)이다.
[수학식 6]
Figure 112009024914733-PAT00008
[수학식 7]
Figure 112009024914733-PAT00009
결과적으로, 상술한 수학식 4와 수학식 6 (혹은 수학식 7)을 참조하면, STTD의 복호 후 SINR과 SM의 복호 후 SINR(즉 STTD 포스트 SINR과 SM 포스트 SINR)은 채널이득 hn,m 뿐만 아니라, STC 모드 및 STC 모드에 따른 복호 방법에 따라서도 달라짐을 알 수 있다. 이로 인하여, 수신기(300)에서 결정되는 선호 STC 모드는 단순히 채널특성만으로 결정할 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 STC 모드에 따른 복호 방법을 고려하고, 이러한 STTD 또는 SM의 복호 후 SINR들로부터 비교 가능한 파라미터를 유도함으로써 선호 STC 모드를 결정할 수 있다. 예컨대, 채널용량을 사용하여 선호 STC 모드를 결정하면 주어진 채널상황에 적합한 선호 STC 모드를 선택할 수 있고, 이로 인하여 전송효율을 극대화시킬 수 있다.
도 6은 도 3의 선호 STC 모드 결정부를 나타내는 구성도로서, 이 선호 STC 모드 결정부(360)는 정확한 채널 특성만으로 STC 모드를 결정하는 것이 아니라, 채널 특성을 추정하고, 이 채널 추정치를 통해 얻어진 각 STC 모드 별 포스트 신호 대 잡음비(Post SINR; Post Signal to Interference and Noise Ratio)를 구한 후, 이 STC 모드 별 포스트 SINR을 이용하여 얻어진 채널용량을 기준으로 선호 STC 모드를 결정한다. 이렇게 함으로써, 실제 구현 시 발생되는 각 오차와 복호화 방식에 따른 특성이 대부분 고려되어 보다 정확하게 데이터를 검출할 수 있다. 여기서, 포스트 SINR(post SINR)은 STC 모드 별 복호된 후의 SINR을 의미한다.
도 6을 참조하면, 선호 STC 모드 결정부(360)는, 도3의 MIMO 채널 파라미터 추정부(350)에서 추정된 채널 및 잡음전력 추정치로부터 STC 포스트 SINR을 추정하는 STC 포스트 SINR 추정모듈(362)과, 전술한 포스트 SINR 추정치로부터 수학식 또는 미리 작성된 참조 테이블을 이용하여 STC별 채널용량을 연산하는 채널용량 연산모듈(363)와, 각 STC 모드 별 채널용량의 차에 대하여 누적 평균을 연산하는 누적 평균 연산모듈(364)과, 누적 평균치를 참조하여 선호 STC를 결정하는 STC 모드 결정모듈(365)을 포함한다. 여기서, STC 포스트 SINR 추정모듈(362)은 STTD 복호 후 SINR을 추정하는 STTD 포스트 SINR 추정모듈(362a)과 SM 복호 후 SINR을 추정하는 SM 포스트 SINR 추정모듈(362b)을 포함하며, 채널용량 연산모듈(363)은 STTD 채널용량 연산모듈(363a)과 SM 채널용량 연산모듈(363b)을 포함한다.
STC 포스트 SINR 추정모듈(362)은 MIMO 채널 파라미터 추정부(350)에서 추정된 채널 및 잡음전력 추정치로부터 STC 포스트 SINR을 추정한다. 이 STC 포스트 SINR 추정모듈(362)은 OFDM 또는 OFDMA 모드에서 l 번째 프레임에 대한 k번째 처리 단위로 표현되며, l 번째 프레임 전체에 대해서는 상기 k번째 처리단위로부터 대표값을 이용하여 추정한다. 이 SINR 추정모듈(362)은 상기 처리단위를 송신안테나에 할당하는 방식에 따라 STTD 복호 후 SINR을 추정하는 STTD 포스트 SINR 추정모듈(362a)과 SM 복호 후 SINR을 추정하는 SM 포스트 SINR 추정모듈(362b)로 구분된다.
채널용량 연산모듈(363)은 전술한 포스트 SINR 추정치로부터 수학식 또는 미리 작성된 참조 테이블을 이용하여 STC 모드 별 채널용량을 연산한다. 예컨대 수학식을 이용하는 경우 샤논의 채널용량을 이용하여 각 STC 모드 별 채널용량을 산출 하며, 참조 테이블을 이용하는 경우 상술한 포스트 SINR 추정치에 따른 채널용량을 미리 저장해두고 특정 포스트 SINR 추정치에 따른 채널용량을 참조 테이블에서 읽어오는 방식을 이용한다. 이러한 채널용량 연산모듈(363)은 상기 처리단위를 송신안테나에 할당하는 방식에 따라 STTD 채널용량 연산모듈(363a)과 SM 채널용량 연산모듈(363b)로 구분된다.
누적 평균 연산모듈(364)은 각 STC 모드 별 채널용량의 차에 대하여 누적 평균을 연산한다. 예컨대, 매 프레임마다 STTD 채널용량으로부터 SM 채널용량의 차를 구한 후 이를 누적한다. 이때 SM 채널용량의 경우 n 번째 송신안테나로부터 수신된 수신신호의 프레임에서 송신안테나의 개수에 따라 SM 채널용량이 누적됨에 유의해야 한다.
STC 모드 결정모듈(365)은 상술한 누적 평균치를 참조하여 선호 STC를 결정한다. 예컨대, 상술한 바와 같이, 누적 평균치는 STTD 채널용량으로부터 SM 채널용량의 차 또는 SM 채널용량으로부터 STTD 채널용량의 차로부터 구해지며, 누적 평균치가 양이냐 음이냐에 따라 선호 STC 모드가 결정된다.
한편, 도 6에 도시되지는 않았으나, 상기 송신기(200)와 수신기(300)가 폐루프 MIMO 구조인 경우, 수신기(300)는 상기 결정된 선호 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 피드백 메시지 전송부(미도시)를 더 포함하여 상기 송신기(200)로부터 전송된 신호에 대한 응답 장치로서 이용할 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 STC 모드 결정 방법을 도 7을 참조하여 구체적으로 설명한다.
각 안테나로부터 수신된 신호가 RF 부(미도시)에서 적절히 처리되고, 양자화되어 기저대역 OFDMA 심볼 프레임을 형성하는데 있어 미리 설정된 부반송파 표본 집단에 대하여, 각각의 부반송파 단위 또는 주파수-시간(부반송파-OFDMA 심볼) 2D 영역상에서 인접한 부반송파들이 일정한 규모의 집단(클러스터)으로 클러스터링되어 처리될 수 있다. 또한, 이 부반송파 표본 집단은 해당 프레임에서 STC를 사용하는 OFDMA 심볼 전부가 될 수도 있고 그 일부가 될 수도 있다. 따라서, 이하에서는 하나의 프레임에서 처리되는 단위(부반송파 또는 클러스터)에 대한 인덱스를 k라 하고, 그 프레임에 대한 인덱스를 l 이라 한다.
먼저, 포스트 SINR을 추정하는데 필요한 파라미터인 채널이득과 잡음전력을 추정한다(S710). 이때, 채널이득과 잡음전력은 각 프레임마다 각각의 처리단위(예컨대, 부반송파 또는 클러스터)에 대하여 추정된다. 여기서, 이 채널이득의 추정은 파일럿을 이용할 수도 있으며, 이 경우 파일럿을 이용한 보간 방식 또는 평균 방식을 적용할 수 있다.
이어, 채널 및 잡음전력 추정치로부터 STC 모드 별 포스트 SINR을 추정한다(S720).
STTD의 경우, 채널 이득 및 잡음전력 추정치로부터 l 번째 프레임의 표본 집단에 해당하는 STTD 포스트 SINR
Figure 112009024914733-PAT00010
을 추정한다. 예컨대, OFDM 또는 OFDMA 방식에서는 다수의 부반송파를 사용하므로 다중경로 채널을 고려하게 되고, 이때 채널 특성과 간섭을 포함한 잡음 전력 모두 전술한 처리단위(부반송파 또는 클러스터)에 따라 다른 값을 가질 수 있으므로 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, hn,m(l, k)는 l 번째 프레임의 k번째 처리단위에 대한 채널이득을 나타내고, σm 2(l, k)은 수신기(300)의 m번째 안테나로 수신한 l 번째 프레임의 k번째 처리단위에 대한 간섭 및 잡음전력을 의미한다.
[수학식 8]
Figure 112009024914733-PAT00011
또한, l 번째 프레임 전체에 대한 STTD 포스트 SINR 대표값을 설정하는 방법은 인덱스 k에 대한 기하평균, 산술평균 또는 중앙값 중 하나를 사용할 수 있다. 여기서, 기하평균은 수학식 9로, 산술평균은 수학식 10로, 중앙값은 수학식 11로 나타낼 수 있으며, 수학식 11에서 median<x(l, k)ㅣl>는 l이 주어졌을 때 x(l, k)에 대한 중앙값이다.
[수학식 9]
Figure 112009024914733-PAT00012
[수학식 10]
Figure 112009024914733-PAT00013
[수학식 11]
Figure 112009024914733-PAT00014
한편, SM의 경우, 채널 이득 및 잡음전력 추정치로부터 상술한 수학식 6 또는 수학식 7에 따라 송신기(200)의 n번째 송신안테나로부터 전송된 프레임에 대한 SM 포스트 SINR
Figure 112009024914733-PAT00015
을 구할 수 있다. 예컨대, OFDM 또는 OFDMA 방식에서는 다수의 부반송파를 사용하므로 다중경로 채널을 고려하게 되고, 이때 채널 특성과 간섭을 포함한 잡음 전력 모두 전술한 처리단위에 따라 다른 값을 가질 수 있으므로, n번째 송신안테나로부터 전송된 l 번째 프레임의 k번째 처리단위에서의 SM 포스트 SINR
Figure 112009024914733-PAT00016
은 다음 수학식 12 또는 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 상술한 처리단위는 부반송파 또는 클러스터를 나타낸다.
[수학식 12]
Figure 112009024914733-PAT00017
[수학식 13]
Figure 112009024914733-PAT00018
또한, n번째 송신안테나의 l 번째 프레임 전체에 대한 SM 포스트 SINR 대표 값을 설정하는 방법은 인덱스 k에 대한 기하평균, 산술평균 또는 중앙값 중 하나를 사용할 수 있다. 여기서, 기하평균은 수학식 14로, 산술평균은 수학식 15로, 중앙값은 수학식 16으로 나타낼 수 있으며, 수학식 16에서 median<x(l, k)|l>는 l이 주어졌을 때 x(l, k)에 대한 중앙값이다.
[수학식 14]
Figure 112009024914733-PAT00019
[수학식 15]
Figure 112009024914733-PAT00020
[수학식 16]
Figure 112009024914733-PAT00021
다음으로, 전술한 STC 모드 별 포스트 SINR 추정치로부터 수학식 또는 미리 작성된 참조 테이블을 사용하여 STC 모드 별 채널용량을 연산한다(S730). 예컨대, 수학식을 사용하는 경우, 다음 수학식 17로부터 STTD의 채널용량을 구하고, 다음 수학식 18로부터 SM의 채널용량을 구한다. 여기서, 수학식 18의 경우, SM에서 N개의 송신안테나에 대한 누적 채널용량을 의미한다.
[수학식 17]
Figure 112009024914733-PAT00022
[수학식 18]
Figure 112009024914733-PAT00023
이러한 채널용량은 기본적으로 다음 수학식 19 및 수학식 20에서 유도된 것이다. 즉, 무선채널에서 주파수 효율은 단위 주파수당 데이터 전송율로 정의되며 그 단위가 bps/Hz인 경우, 최대의 에러 없이 전송 가능한 주파수 효율은 샤논(Shannon)의 채널용량에 의해 정의된다. 하나의 송수신 안테나를 가진 SISO시스템의 경우 샤논의 채널용량은 다음 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, ρ는 SNR이다.
[수학식 19]
C = log2(1+ρ)
샤논의 채널용량이 여러 개의 안테나를 이용한 송수신 시스템(특히 2 × 2 MIMO 시스템에서), 즉 MIMO 시스템에 적용되면 그 채널용량은 다음 수학식 20과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 20]
C = log2(Det(I+ρHHH/2))
한편, 참조 테이블을 이용하는 경우, 채널 특성과 관련된 MCS 레벨 별 채널용량을 미리 테이블에 작성해두고, 선호 STC 모드 결정 시마다 이 테이블을 참조할 수 있도록 한다.
이어, 각 STC별 채널용량의 차에 대하여 누적 평균을 연산한다(S740). 즉, 매 프레임마다 각 STC 모드에 대한 채널용량의 차를 다음 수학식 21 또는 수학식 22을 이용하여 다음 수학식 23과 같이 누적 평균한다. 여기서, α(l)은
Figure 112009024914733-PAT00024
계산시에
Figure 112009024914733-PAT00025
가 기여하는 비율을 조절하기 위한 변수이다.
[수학식 21]
Figure 112009024914733-PAT00026
[수학식 22]
Figure 112009024914733-PAT00027
[수학식 23]
Figure 112009024914733-PAT00028
그리고, 상술한 누적 평균치를 참조하여 선호 STC 모드를 결정한다(S750). 즉, 누적 평균치가 양이냐 음이냐에 따라 STC 모드를 결정한다. 예컨대, 누적 평균치를 구하는 과정에서 상술한 수학식 21를 사용하면,
Figure 112009024914733-PAT00029
> 0일 때 SM를 선택하고,
Figure 112009024914733-PAT00030
≤ 0일 때 STTD를 선택한다. 하지만, 누적 평균치를 구하는 과정에서 상술한 수학식 22을 사용하면,
Figure 112009024914733-PAT00031
≥ 0일 때 STTD를 선택하고,
Figure 112009024914733-PAT00032
< 0일 때 SM를 선택한다.
이렇게 함으로써, 전술한 바와 같이, 채널용량을 사용하여 선호 STC 모드를 결정하면 주어진 채널상황에 적합한 선호 STC 모드를 선택할 수 있고, 이로 인하여 전송효율을 극대화시킬 수 있는 특징이 있다.
한편, 도 7에 도시되지는 않았으나, 상기 송신기(200)와 수신기(300)가 폐루프 MIMO 구조인 경우, 수신기(300)가 상기 결정된 선호 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 단계(미도시)를 더 포함하여 상기 송신기(200)로부터 전송된 신호에 대한 응답 방법으로서 이용할 수도 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 예컨대, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 2 × 2 MIMO 시스템을 위주로 설명하였으나, N × M MIMO 시스템(M ≥ N)에서 적용 가능함을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 SISO 시스템과 MIMO 시스템의 개요를 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 N×M MIMO 시스템의 송신기를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 N×M MIMO 시스템의 수신기를 나타내는 구성도.
도 4는 2 × 2 MIMO 시스템에서 STTD의 송수신 원리를 설명하기 위한 도면.
도 5는 2 × 2 MIMO 시스템에서 SM의 송수신 원리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 3의 선호 STC 모드 결정부를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선호 STC 모드 결정 방법을 나타내는 순서도.

Claims (10)

  1. MIMO 시스템의 수신기에서 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 방법으로서,
    (a) 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호를 STC 모드 별로 복호화(decoding)한 신호로부터 상기 STC 모드 별 채널용량을 추정하는 단계; 및
    (b) 상기 추정된 채널용량을 이용하여 상기 STC 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 채널용량은,
    상기 STC 모드 별로 복호화한 신호에 근거한 신호대 간섭과 잡음비를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정방법.
  3. MIMO 시스템의 수신기에서 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호들에 대해 송신기로 응답하는 방법으로서,
    (a) 상기 수신신호들을 STC 모드 별로 복호화(decoding)한 신호로부터 상기 STC 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 상기 송신기의 STC 모드를 결정하는 단계; 및
    (b) 상기 결정된 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 응답 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피드백 메시지는,
    상기 수신기의 유효 CINR(Effective CINR)을 더 포함하며, 특정 시점에 상기 송신기로 전송되는 것을 특징으로 하는 응답 방법.
  5. MIMO 시스템의 수신기에서 STC(Space-Time Coding) 모드를 결정하는 장치로서,
    복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호를 STC 모드 별로 복호화(decoding)한 신호로부터 각 채널이득 및 잡음 전력을 추정하는 채널 파라미터 추정부;
    상기 채널이득 및 잡음 전력 추정치를 이용하여, 상기 STC 모드 별로 복호화한 신호로부터 신호대 간섭과 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio)를 추정하는 STC SINR 추정부;
    상기 SINR 추정치를 이용하여 상기 STC 모드 별로 채널용량을 연산하는 채널용량 연산부; 및
    상기 STC 모드 별로 연산된 상기 채널용량을 이용하여 상기 STC 모드를 결정하는 STC 모드 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 STC 모드 별 채널용량의 차에 대하여 누적 평균을 연산하는 누적 평균 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 채널 파라미터 추정부는,
    상기 STC 모드 별로 복호화한 신호에 대해 각각의 처리단위로 상기 채널이득 및 잡음전력을 추정하는 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 처리단위는,
    상기 수신기가 OFDM 또는 OFDMA를 지원하는 경우, 부반송파 또는 클러스터인 것을 특징으로 하는 STC 모드 결정 장치.
  9. MIMO 시스템의 수신기에서 복수의 수신안테나를 통해 수신된 수신신호들에 대해 송신기로 응답하는 장치로서,
    상기 수신신호들을 STC 모드 별로 복호화(decoding)한 신호로부터 상기 STC 모드 별로 추정된 채널용량을 이용하여 상기 송신기의 STC 모드를 결정하는 STC 모드 결정부; 및
    상기 결정된 STC 모드를 피드백 메시지에 실어 상기 송신기로 전송하는 피드백 메시지 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 응답 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 피드백 메시지는
    상기 수신기의 유효 CINR(Effective CINR)을 더 포함하며, 특정 시점에서 상 기 송신기로 전송되는 것을 특징으로 하는 응답 장치.
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