WO2011065764A2 - Ofdm 기반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿 신호를 이용한 채널추정 방법 및 장치 - Google Patents

Ofdm 기반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿 신호를 이용한 채널추정 방법 및 장치 Download PDF

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WO2011065764A2
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이용환
박한준
이건욱
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서울대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a channel estimation method and apparatus using a dedicated pilot signal in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based wireless communication system using a multi-antenna transmission technique.
  • OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with a multiple input multiple output (MIMO) structure uses spatial multiplexing to increase channel capacity This diversity technique can improve the reliability of data transmission.
  • OFDM Orthogonal frequency division multiplexing
  • MIMO multiple input multiple output
  • each transmit antenna is assigned to each orthogonal resource.
  • a common pilot symbol aided channel estimation method is widely used using an assigned common pilot signal.
  • the common pilot signal requires orthogonal resources that correspond to the number of transmit antennas, it has a disadvantage of large pilot transmission overhead.
  • the dedicated pilot signal is defined as a pilot signal to which beam weights such as data are applied for channel estimation and data detection in the virtual channel.
  • the dedicated pilot signal is allocated to the number of virtual channels, thereby reducing pilot transmission overhead, and gaining power improvement according to the bumping gain.
  • the virtual channel has a characteristic that its probabilistic characteristic is different from that of a conventional individual antenna channel, whereas the dedicated pilot signal is a signal transmitted only to a specific user to which a transmission beamforming technique is applied. It is very difficult to estimate the propagation characteristics of the virtual channel from the received dedicated pilot signal because the resource area allocated for the R-S is very small.
  • Conventional techniques mainly use a linear interpolation technique (LI), which does not take into account the stochastic characteristics of virtual channels due to such constraints. It is not suitable for use in a cell boundary environment that is vulnerable to noise and low SINR, and also fails to determine the optimal pilot pattern suitable for the channel environment of the receiver and thus does not minimize the pilot transmission overhead according to the user environment.
  • LI linear interpolation technique
  • dedicated pilot signals considered in 4th generation wireless communication systems such as IEEE 802.16m and 3GPP LTE are very effective in a low SINR environment because they have advantages such as improved pilot power and reduced pilot transmission overhead due to the bumping gain.
  • the dedicated pilot signal has a problem that it is very difficult to estimate the stochastic characteristics of the virtual channel generated by beamforming because the resources for signal transmission are very limited only for a specific beamforming user.
  • the characteristic of the dedicated pilot signal also has a problem of reducing channel estimation performance in a low siNR environment by limiting the use of an optimized channel estimation technique utilizing the stochastic characteristics of the virtual channel.
  • the stochastic characteristics of the virtual channel generated by the multi-antenna transmission beamforming are calculated using the stochastic characteristics of the common pilot channel estimated through the common pilot signal.
  • the present invention proposes a method and apparatus for estimating the optimal dedicated pilot pattern for maximizing a system transmission rate by estimating the stochastic characteristics of the estimated virtual channel and estimating the virtual channel from the optimal dedicated pilot pattern. This enables a low SINR environment By using the dedicated pilot signal in, gains of pilot power improvement and pilot transmission overhead are reduced, and the channel estimation performance can be greatly improved by applying an optimal channel estimation technique using the stochastic characteristics of the virtual channel.
  • a channel estimation method and apparatus using a dedicated pilot signal in an OFDM-based wireless communication system using a multi-antenna transmission beamforming scheme according to the present invention for solving the above problems, the probability of the common pilot channel estimated from the common pilot signal A method and estimator for estimating the propagation characteristics of a virtual channel generated by using the bumping characteristics, and a method for estimating the propagation characteristics of the virtual channel and the estimating characteristics of the virtual channel estimated from the estimator And a method and determiner for determining a pattern of an optimal dedicated pilot signal using a method, a method and an estimator for estimating a channel using a dedicated pilot signal transmitted from the determiner and a method for determining a pattern of the dedicated pilot signal. It is characterized by.
  • a stochastic characteristic of a virtual channel generated by a panforming is estimated using the stochastic characteristics of a common pilot channel, and the estimated virtual Determine the optimal dedicated pilot pattern using the stochastic characteristics of the channel, and based on the estimated virtual channel value, affine minimum mean square error:
  • the channel is estimated using the interpolation technique.
  • the present invention estimates the correlation function of the virtual channel considering the influence of the bumping technique on the correlation function of the common pilot channel, and based on the result, by applying the AMMSE interpolation method of correcting the average channel gain of the virtual channel,
  • the present invention proposes a method to effectively use a dedicated pilot in a wireless communication system using a bump forming technique.
  • the present invention derives an optimal dedicated pilot pattern based on system transmission, and maximizes channel estimation performance in view of simultaneous transmission overhead and channel estimation MSE of the dedicated pilot.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a transmitter and a receiver for adaptive channel estimation using a dedicated pilot signal in a wireless communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a method for estimating a stochastic characteristic of a virtual channel in a wireless communication system to which a transmission beamforming technique is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating in detail the configuration of the correlation function estimator included in the apparatus for estimating the stochastic characteristics of the virtual channel of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a method of determining an optimal dedicated pilot pattern in a wireless communication system to which a transmission beamforming technique is applied according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating in detail the configuration of an optimum dedicated pilot pattern determiner included in the apparatus for estimating the stochastic characteristics of the virtual channel of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a wireless communication to which a transmission beamforming technique is applied according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a detailed configuration of an AMMSE interpolator for a virtual channel as an example of the virtual channel interpolation device 132 of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the structure of an overall receiver in a wireless communication system to which a transmission beamforming technique is applied according to the present invention.
  • a common pilot in an OFDM-based wireless communication system using a multi-antenna transmission technique such as coherent beamforming (CBF) and eigen-beamforming (EBF) according to an embodiment of the present invention.
  • a method and apparatus for determining a pattern and estimating the virtual channel from the optimal dedicated pilot pattern are described in detail.
  • Y (n, k) B (n, k) v / (n, k) P d (n, k) + N (n, k)
  • H (;) is an independent equal distribution with each element having a mean of 0 and a variance
  • iid refers to a (lxW r ) dimensional channel vector of complex Gaussian random variables, where ⁇ ( ⁇ , ⁇ is additive white Gaussian noise with variance ⁇ Gaussian noise: AWGN, where each element of ⁇ ( ⁇ ) means a common pilot channel, and the virtual channel by the bump forming is represented by Equation 2.
  • H w (n, k) U (n, k) w (n, k)
  • Equation 3 the correlation function of the common pilot channel is Equation 3 is defined.
  • ⁇ and M are OFDM symbol intervals on the time axis and subbands on the frequency axis, respectively. It is the wave spacing, £ ⁇ . ⁇ Means the expectation operator, and the superscript * means the complex conjugate operator. Similar to the correlation function of the common pilot channel, the correlation function of the virtual channel may be defined as in Equation 4.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an application using a dedicated pilot signal in a wireless communication system according to an embodiment of the present invention. A schematic diagram of a transmitter and a receiver for male channel estimation is shown.
  • the transmitter 101 includes a signal transmission device 111 for transmitting a dedicated pilot signal having a data signal and a unique pattern, and a beamforming device 112 for generating a signal obtained by applying a weight to the data and the dedicated pilot signal.
  • a dedicated weighted data and a dedicated pilot signal having a unique pattern are transmitted through ⁇ transmit antennas.
  • the receiver 103 estimates the virtual channel of the entire resource region by applying a channel interpolation technique based on a stochastic characteristic estimating apparatus 131 for estimating the stochastic characteristic of the virtual channel and the estimated stochastic characteristic of the virtual channel.
  • the virtual channel interpolation device 132 is included.
  • step 201 the receiver receives a common pilot signal and a dedicated pilot signal. Using the received common pilot signal, the correlation function of the common pilot channel is estimated in step 203 as shown in Equation 3.
  • step 205 the correlation of the virtual channel from the correlation function of the common pilot channel estimated in step 203 is estimated. Estimate the function.
  • the correlation function estimation method of the virtual channel depends on the transmission beamforming technique. In the case of using the CBF technique according to an embodiment of the present invention, the correlation function of the virtual channel may be obtained according to the conversion equation of ⁇ Equation 5>. .
  • the correlation function of the virtual channel may be calculated using a transform equation (7).
  • Equation 8 is the spatial correlation matrix in the channel where spatial correlation exists Is the maximum eigenvalue that can be obtained by eigenvalue decomposition, and the spatial correlation matrix is defined as Equation (8). [Equation 8]
  • FIG. 3 is a diagram illustrating in detail the configuration of the correlation function estimator included in the apparatus for estimating the stochastic characteristics of the virtual channel of FIG. 1.
  • the correlation function estimator 300 includes a pilot signal receiver 301, a common pilot channel correlation function estimator 303, a transform selector 305, and a virtual channel correlation function estimator 307.
  • the common pilot signal and the dedicated pilot signal transmitted from the transmitter are received by the pilot signal receiver 301, and the common pilot channel correlation function estimator 303 uses the received common pilot signal to correlate the correlation function of the common filer channel. Estimate.
  • the transform selection unit 305 selects Equation 5 when the beamforming technique used is the CBF technique, and selects Equation 7 in the EBF technique to the virtual channel correlation function estimator 307. To pass.
  • the virtual channel correlation function estimator 307 applies the transform equation received from the transform equation selector 305 to the correlation function of the common pilot channel estimated by the common pilot channel correlation function estimator 303, and the virtual channel.
  • Estimate the correlation function of. 4 is a diagram illustrating a method of determining an optimal dedicated pilot pattern in a wireless communication system to which a transmission beamforming technique is applied according to an embodiment of the present invention. First, in this step 4, the initial pattern is determined as in Equation 9.
  • step 403 the average of the case where the dedicated pilot pattern is (+ ⁇ ,, ⁇ ) and the case of ,, ⁇ + ⁇ ⁇ ) using the correlation function of the virtual channel estimated in step 205 of FIG.
  • step 403 when the time axis interval or the frequency axis interval is increased in the initial pattern, the case where the MSE increase is smaller than the density decrease of the pilot signal is selected.
  • the derived dedicated pilot pattern gradually converges to a pattern in which the average MSE with respect to the pilot density is minimized.
  • Equation 10 Where «'and k' are the OFDM symbols and subcarrier positions where the dedicated pilot is received, respectively, and '' and k 'are the OFDM symbols and subcarrier positions that are the subject of channel estimation. Indicates.
  • Average MSE of the resource area S which is defined as the ⁇ Equation 10>, is calculated by ⁇ number Hi 1 "Equation 11>.
  • Equation 13 Equation 14
  • ( ⁇ ; Also, ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ) is defined as the cross covariance vector (Eq. 15), and ⁇ ( ⁇ ,,) is the auto covariance matrix.
  • is the minimum integer greater than or equal to w, and is the average channel gain of the virtual channel.
  • the average channel gain of the virtual channel may be calculated as in Equation 18 and Equation 19, respectively.
  • the pattern with the smallest MSE is defined as (,) and is selected as in Equation 20.
  • step 405 the system transmission rate when using the existing dedicated pilot pattern () is compared with the system transmission rate when using the dedicated pilot pattern selected in step 403 according to Equation 21. After updating the lot pattern to the selected dedicated pilot pattern and returning to step 403, if the transfer rate does not improve, the existing dedicated pilot pattern is determined to be the optimal pattern (d,, op ,, d f, op ,), and then proceeds to step 407. To pass.
  • is the transmission rate of the dedicated pilot and the system rate in consideration of MSE, and is defined as in Equation 22.
  • steps 403 and 405 are repeated to transmit the finally determined optimal pilot pattern d,, op ,, d f, op ,) to the transmitter.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating in more detail the configuration of an optimum dedicated pilot pattern determination unit included in the apparatus for estimating the characteristics of a virtual channel of FIG. 1.
  • the optimal dedicated pilot pattern determiner 500 includes an initial pattern determiner 501, an MSE comparator 503, a system data rate comparator 505, and a final pattern feedback unit 507.
  • the initial dedicated pilot pattern is determined by Equation (9) in the initial pattern determination unit 501, and the pattern and frequency axis in which the MSE comparator 503 increments the time axis by one unit according to Equation (20). As a result, a sequential pilot pattern having a smaller MSE is selected among the patterns increased by one unit.
  • the system transmission comparing unit 505 compares the system transmission rate when the previous file 3 ⁇ 4 pattern is used with the system transmission rate when the sequential pilot pattern is used as shown in Equation 21. After the pattern is updated to the sequential pilot pattern, the updated pilot pattern is transferred to the MSE comparator 503 to repeat the previous process. If the system data rate does not increase, the previous pilot pattern is determined as the optimal dedicated pilot pattern, and the final pattern feedback unit 507 transmits the optimal dedicated pilot pattern to the transmitter.
  • FIG. 6 is a wireless communication to which a transmission beamforming technique is applied according to an embodiment of the present invention
  • a virtual channel value is estimated using the least square method (LS) for the dedicated pilot signal received in step 6 as shown in Equation 17.
  • step 603 a cross covariance vector and a self covariance matrix are calculated using the stochastic characteristics of the virtual channel estimated in step 205 of FIG. 2 and the optimal dedicated pilot pattern determined in step 407 of FIG. 4.
  • a dedicated pilot signal is transmitted at a ⁇ '-th OFDM symbol and a ⁇ '-th subcarrier position, and a dedicated pilot pattern (d ,, op ,, d f , op) is determined in step 407 of FIG.
  • a dedicated pilot pattern (d ,, op ,, d f , op) is determined in step 407 of FIG.
  • the cross covariance vector and the self covariance matrix for estimating the virtual channel in the resource region defined by S according to Equation 10 may be calculated as in Equation 23 and Equation 24. [Equation 23]
  • step 605 the tap coefficient of the AMMSE interpolation filter that minimizes the MSE is determined using the calculated cross covariance vector and the self covariance matrix according to Equation 25.
  • Equation 25 Based on the tap coefficient determined in step 605, in step 607, the virtual channel included in the resource region S is estimated according to Equation 26 in order to apply the AMMSE interpolation scheme suitable for the probabilistic characteristic of the virtual channel.
  • FIG. 7 is a figure which shows the detailed structure of the AMMSE interpolation part about the virtual channel as an example of the virtual channel interpolation apparatus 132 of FIG.
  • the virtual channel AMMSE interpolator 700 includes an LS estimator 701, a covariance calculator 703, an AMMSE tap coefficient calculator 705, and an AMMSE interpolator 707.
  • Each dedicated pilot signal is used by the LS estimator 701 to estimate a virtual channel value according to the LS scheme, as shown in Equation 17 above.
  • the covariance calculator 703 calculates a cross covariance vector and a self-covariance matrix used in the AMMSE interpolation scheme based on the stochastic characteristics of the virtual channel estimated in step 205 and the optimal dedicated pilot pattern determined in step 407. And " (24) "
  • the AMMSE map coefficient calculation unit 705 uses the result of the covariance calculation unit 703 to determine the optimum tap coefficient of the AMMSE interpolation filter as shown in Equation 25.
  • the AMMSE interpolator 707 interpolates the virtual channel as shown in Equation 26 using the optimal lap coefficients of the AMMSE interpolation filter determined by the AMMSE tap coefficient calculator 705.
  • 8 is a diagram illustrating the structure of an overall receiver in a wireless communication system to which a transmission bumping technique is applied according to an embodiment of the present invention.
  • the receiver includes an apparatus for estimating the characteristics of a virtual channel including the correlation function estimator 300 of FIG. 3 and the optimal dedicated pilot pattern determiner 500 of FIG. 5, and the AMMSE interpolation apparatus 700 of FIG. 7. .
  • the common pilot signal is received by the pilot signal receiver 301, and the received common pilot signal is used by the common pilot channel correlation function estimator 303 to estimate the correlation function of the common pilot channel.
  • the conversion selector 305 selects a conversion equation such as Equation 5 and Equation 7 and transfers it to the virtual channel correlation function estimator 307 according to the bumping technique.
  • the virtual channel correlation function estimator 307 estimates the correlation function of the virtual channel by applying the received transform equation to the correlation function of the common pilot channel estimated by the common pilot channel correlation function estimator 303.
  • the initial pattern determiner 501 determines an initial pattern for a dedicated pilot as shown in Equation 9, and the MSE comparator 503 estimates a virtual channel estimated by the virtual channel correlation function estimator 307.
  • the initial pilot pattern is changed as shown in Equation (20) in the direction in which the MSE becomes the minimum with respect to the pilot density by using a correlation function of.
  • the system rate comparison unit 505 is piloted in association with the MSE comparison unit 503.
  • the pilot pattern that maximizes the system data rate considering the load is determined as in Equation 21, and the final pattern determiner 507 feeds the final dedicated pilot pattern derived in the above-described process to the transmitter.
  • the transmitter transmits a dedicated pilot by applying the feedback-only optimal pilot pattern, and applies the LS technique to the dedicated pilot signal received by the LS estimator 701 of the receiver to calculate the virtual channel value as shown in Equation 17.
  • the covariance calculation unit 703 uses the cross-covariance vector and the self by using the correlation function of the virtual channel estimated by the virtual channel correlation function estimator 307 and the optimal dedicated pilot pattern determined by the final pattern determiner 507.
  • the covariance matrix is calculated as in Equation 23 and Equation 24.
  • the AMMSE map coefficient calculation unit 705 calculates the AMMSE interpolation filter tap coefficient as shown in Equation 25 based on the calculation result of the covariance calculation unit 703, and the LS estimation unit (707)
  • the estimated value of the virtual channel obtained in 701 is applied to the AMMSE interpolation filter to estimate the virtual channel generated by the bump forming as shown in Equation 26.

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Abstract

본 발명은, 송신 빔포밍(transmit beamforming) 기법과 같이 다중 안테나 송신 기법을 사용하는 OFDM 기반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿(dedicated pilot) 신호를 이용하는 채널 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 수신기가 공통 파일럿(common pilot) 채널의 확률적 특성(statistical property)을 이용하여 송신 빔포밍 기법의 효과로 발생되는 가상 채널(virtual channel)의 확률적 특성을 추정하여 최적 전용 파일럿 패턴(pattern)을 결정하고, 송신기에서 최적 패턴으로 전송한 전용 파일럿 신호로부터 AMMSE 보간 기법을 이용하여 채널을 추정한다. 본 발명은 종래의 전용 파일럿 신호를 이용한 채널 추정 기술의 비효율성을 극복하기 위해서 빔포밍에 의해 발생된 가상 채널의 확률적 특성을 이용함으로써 채널의 추정 오류를 최소화하고 파일럿 전송 오버헤드(pilot signaling overhead)와 채널 추정 오류의 관계 분석을 통하여 최적의 전용 파일럿 패턴을 환경에 따라 적응적으로 결정하여 시스템의 전송률(throughput)을 최대화할 수 있으며, 특히 신호 대 간섭 및 잡음 전력 비율(signal-to-interference plus noise power ratio; 이하 SINR)이 낮아 채널 추정이 부정확한 환경에서 큰 이득을 얻을 수 있게 한다.

Description

【명세서】
【발명 의 명 칭】
OFDM 기 반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿 신호를 이용한 채 널추정 방법 및 장치
【기술분야】
본 발명은 다중 안테나 송신 기 법을 사용하는 직교주파수 분할다중 (OFDM) 기 반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿 신호를 이용한 채널추정 방법 및 장치에 관한 것 이다.
【배경 기술】
다중입 력 다중출력 (multiple input multiple output: 이하 MIMO) 구조의 직교 주파수 분할다중 (orthogonal frequency division multiplexing: 이하 OFDM) 무선통신 시스템은 공간 다중화 (spatial multiplexing) 기 법을 사용하여 채 널용량 증가 및 다 이 버시티 (diversity) 기 법을 통한 데이터 전송의 신뢰성 향상을 달성 할 수 있다. 상 기 MIMO OFDM 기 반 무선통신 시스템의 성능을 극대화하기 위해서는 수신기에 서 채 널을 정 확하게 추정하는 것 이 중요하며, MIMO OFDM 기 반 무선통신 시스템 의 하향링크에서는 각각의 송신 안테나 별로 직교 자원에 할당되는 공통 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 방식 (common pilot symbol aided channel estimation)이 널리 사용되고 있다. 그러나 상기 공통 파일럿 신호는 송신 안테나 수에 대웅하는 직교 자원을 필요로 하기 때문에, 파일럿 전송 오버헤드가 크다는 단점을 갖는다. 따라서 단일 안테나 시스템과 동일한 파일럿 전송 오버헤드를 유 지할 경우 파일럿 밀도가 감소하게 되어, 신호 대 간섭 및 잡음 전력 비율 (signal to interference and noise power ratio: 이하 SINR)이 낮은 환경에서 채널추정 성능이 떨어져 평균 자승 오차 (mean square error: 이하 MSE)가 커지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 IEEE 802.16m과 3GPP LTE 등의 4세대 무 선통신 시스템에서는 전용 파일럿 신호의 사용을 고려하고 있다. 송신 빔포밍 기 법이 적용된 시스템에서는 송신 안테나 별 채널과 빔 가중치 (beam weight) 백터가 결합하여 가상적인 가상 채널을 발생하며, 송신 범포밍 기법이 적용된 데이터는 상기 가상 채널을 통하여 수신기에 전달된다. 이때 전용 파일럿 신호는 상기 가 상 채널에서의 채널 추정 및 데이터 검출을 위해 데이터와 같은 빔 가중치가 적 용된 파일럿 신호로 정의된다. 상기 전용 파일럿 신호는 상기 가상 채널 수에 대 웅하여 자원이 할당되어 파일럿 전송 오버헤드가 감소하며, 또한 범포밍 이득에 따른 전력 향상 효과를 얻을 수 있어 다중 셀 경계와 같이 SINR이 낮은 환경에 서 매우 효과적이다.
그러나, 상기 가상 채널은 그 확률적 특성이 기존의 개별 안테나 채널의 확률적 특성과 다르다는 특징이 있는 반면, 상기 전용 파일럿 신호는 송신 빔포 밍 기법이 적용된 특정 사용자만을 대상으로 전송되는 신호이기 때문에 신호전송 을 위해 할당되는 자원영역이 매우 작아, 수신된 전용 파일럿 신호로부터 가상 채널의 확를적 특성을 추정하는 것이 매우 어렵다. 종래의 기술은 이와 같은 제 약으로 인해 가상 채널의 확률적 특성을 고려하지 않는 선형 보간 기법 (linear interpolation: 이하 LI)과 같은 기법을 주로 사용하고 있으나, LI 기법은 간섭 및 잡음에 취약하고 SINR이 낮은 셀 경계 환경에서 사용하기에 부적합하며 , 또한 수 신기의 채널 환경에 적합한 최적의 파일럿 패턴을 결정하지 못하여 사용자 환경 에 따라 파일럿 전송 오버헤드를 최소화하지 못한다는 문제점이 있다.
즉, IEEE 802.16m과 3GPP LTE 등의 4세대 무선통신 시스템에서 고려되는 전용 파일럿 신호는 범포밍 이득에 의한 파일럿 전력 향상 및 파일럿 전송 오버 헤드 감소 등의 장점을 가지기 때문에 SINR이 낮은 환경에서 매우 효과적이나, 상기 전용 파일럿 신호는 특정 빔포밍 사용자만을 대상으로 하여 신호 전송을 위 한 자원이 매우 제한적이기 때문에 빔포밍에 의해 발생하는 가상 채널의 확률적 특성을 추정하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다. 또한 이와 같은 상기 전용 파 일럿 신호의 특징은 가상 채널의 확률적 특성을 활용하는 최적화된 채널 추정 기 법의 사용에 제약을 두어 siNR이 낮은 환경에서의 채널 추정 성능을 감소시킨다 는 문제점도 있다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명에서는 상기한 바와 같은 전용 파일럿 신호의 한계를 극복하기 위 해 공통 파일럿신호를 통해 추정한 공통 파일럿 채널의 확률적 특성을 이용하여 상기 다중 안테나 송신 빔포밍에 의해 발생한 가상 채널의 확률적 특성을 추정하 고, 추정된 가상 채널의 확률적 특성을 이용하여 시스템 전송률을 최대로 하기 위한 최적의 전용 파일럿 패턴을 결정하며, 상기 최적 전용 파일럿 패턴으로부터 상기 가상 채널을 추정하는 방법 및 장치를 제안한다. 이로써 SINR이 낮은 환경 에서 전용 파일럿 신호를 사용하여 파일럿 전력 향상 및 파일럿 전송 오버헤드 감소의 이득을 얻는 동시에 가상 채널의 확률적 특성을 이용하는 최적 채널 추정 기법을 적용하여 채널 추정 성능을 대폭 향상시킬 수 있다.
【기술적 해결 방법】
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 다중 안테나 송신 빔포밍 기법을 사용하는 OFDM 기반 무선통신 시스템에서 전용 파일럿 신호를 이용하는 채널추정 방법 및 장치는, 공통 파일럿 신호로부터 추정된 공통 파일럿 채널의 확률적 특성을 이용하여 범포밍을 사용하여 발생되는 가상 채널의 확를적 특성을 추정하는 방법 및 추정부와, 상기 가상 채널의 확를적 특성을 추정 하는 방법 및 추정부로부터 추정된 가상 채널의 확를적 특성을 이용하여 최적 전 용 파일럿 신호의 패턴을 결정하는 방법 및 결정부와, 상기 전용 파일럿 신호 의 패턴을 결정하는 방법 및 결정부로부터 전송된 전용 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 방법 및 추정부를 포함하는 것올 특징으로 한다.
【유리한 효과】
본 발명은 다중 안테나를 사용하여 송신 빔포밍 기법을 사용하는 무선통 신 시스템에서, 공통 파일럿 채널의 확률적 특성을 이용하여 범포밍에 의해 생성 되는 가상 채널의 확률적 특성을 추정하고, 추정된 가상 채널의 확률적 특성을 이용하여 최적 전용 파일럿 패턴 결정하고, 이를 통해 추정된 가상 채널 값을 토 대로 어파인 최소 평균 자승 오차 (affine minimum mean square error: 이하 AMMSE) 보간 기법을 이용하여 채널을 추정한다. 특히 본 발명은 공통 파일럿 채널의 상 관함수에 범포밍 기법에 따른 영향을 고려한 가상 채널의 상관함수를 추정하고, 그 결과를 토대로 가상 채널의 평균 채널 이득을 보정한 AMMSE 보간 기법을 적용함으로써, 송신 범포밍 기법이 적용된 무선 통신 시스템에서 전용 파일럿을 효과적으로 이용할 수 있는 방안을 제시한다. 또한 본 발명은 시스템 전송를을 기준으로 최적 전용 파일럿 패턴을 도출하여, 전용 파일럿의 전송 오버헤드와 채 널 추정 MSE를 동시에 고려한 관점에서 채널 추정 성능을 극대화시킬 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 전용 파일럿 신 호를 이용한 적응적 채널 추정을 위한 송신기와 수신기의 개략적인 구성을 나타 낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 가상 채널의 확률적 특성 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 도 1의 가상 채널의 확률적 특성 추정 장치에 포함되는 상관 함수 추정부의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 최적 전용 파일럿 패턴을 결정하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 가상 채널의 확률적 특성 추정 장치에 포함되는 최적 전용 파일럿 패턴 결정부의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 가상 채널에 대한 AMMSE 보간 기법을 나타낸 도면이다. 도 7은 도 1의 가상 채널 보간 장치 (132)의 일례로서의 가상 채널에 대한 AMMSE보간부의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 전체적인 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
【발명의 실시를 위한 최선의 형태】
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 흑은 구성에 대 한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 동기 범포밍 (coherent beamforming: 이하 CBF) 및 고유 범포밍 (eigen-beamforming: 이하 EBF)과 같은 다중 안테나 송 신 기법을 사용하는 OFDM 기반 무선통신 시스템에서 공통 파일럿 채널의 확률 적 특성을 이용하여 상기 다중 안테나 송신 기법에 의해 발생된 가상 채널의 확 를적 특성을 추정하고, 추정된 가상 채널의 확률적 특성을 이용하여 시스템 전송 률을 최대로 하기 위한 최적의 전용 파일럿 패턴을 결정하며, 상기 최적 전용 파 일럿 패턴으로부터 상기 가상 채널을 추정하는 방법 및 장치를 상세히 설명한다. 이하 전용 파일럿 신호를 사용하는 개의 송신 안테나로 구성된 MIMO OFDM 기반 무선통신 시스템을 고려한다. 상기 무선통신 시스템에서 « -번째 OFDM 심볼 (symbol) 및 번째 부반송파 (subcarrier)에 할당된 전용 파일럿 신호를 라고 하자. 상기 무선통신 시스템에서 ΛΓ7개의 다중 송신 안테나를 사용하 여 (Nrxi)-차원 범 가중치 백터 w(^ )로 신호를 범포밍하여 송신한다고 가정하면: 수신된 파일럿 신호는〈수학식 1〉 과 같다.
【수학식 1】
Y(n,k) = B(n,k)v/(n,k)Pd(n,k) + N(n,k)
여기서 H(; )는 각 원소가 평균이 0이고 분산이 인 독립 동일 분포
(independent and identically distributed: 이하 i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤변수 (complex Gaussian random variable)로 이루어진 (lxWr)차원 채널백터를 의미하며, Ν(η,Ιή는 분산이 σ 인 가산성 백색 가우시안 잡음 (additive white Gaussian noise: 이하 AWGN)이다. 이때 Η(^ )의 각 원소는 공통 파일럿 채널을 의미하며, 범포밍에 의한 상기 가상 채널은〈수학식 2〉 로 표현된다.
【수학식 2】
Hw (n,k) = U(n,k)w(n,k)
상기 채널 백터 H(«,*)의 번째 원소를 w,(/ )라고 하고, 채널이 광의적 인 정상과정 (wide sense stationary process)이라고 가정하면, 공통 파일럿 채널의 상 관함수 (correlation function)는 〈수학식 3〉 과 같이 정의된다.
【수학식 3】
rH(An,Ak) = E{Hi(n + An,k + Ak)H'(n,k)} fori = l, ···, N,
여기서 ^과 M는 각각 시간 축의 OFDM 심볼 간격과 주파수 축의 부반 송파 간격이며, £{.}는 평균 (expectation) 연산자를 의미하고, 윗첨자 *는 복소 켤 레 (complex conjugate) 연산자를 의미한다. 상기 공통 파일럿 채널의 상관함수와 유 사하게 가상 채널의 상관함수를〈수학식 4〉 와 같이 정의할 수 있다.
【수학식 4]
r, (An,Ak) = E{H„ (n + An,k + M)H (n,k)} 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 전용 파일럿 신 호를 이용한 적웅적 채널 추정을 위한 송신기와 수신기를 개략적인 구성을 나타 낸 도면이다.
송신기 (101)는 데이터 신호 및 고유의 패턴을 가진 전용 파일럿 신호를 전 송하는 신호 전송 장치 (111)와, 상기 데이터와 전용 파일럿 신호에 범 가중치를 적용한 신호를 생성하는 빔 포밍 장치 (112)를 포함하며, 범 가중치를 적용한 데이 터와 고유의 패턴을 가진 전용 파일럿 신호가 ^개의 송신 안테나를 통해 전송 된다.
수신기 (103)는 가상 채널의 확률적 특성을 추정하는 확를적 특성 추정 장 치 (131)와, 추정된 상기 가상 채널의 확률적 특성을 토대로 채널 보간 기법을 적 용하여 전체 자원영역의 가상 채널을 추정하는 가상 채널 보간 장치 (132)를 포함 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 송신 범포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 가상 채널의 확률적 특성 추정 방법을 나타낸 도면이다. 201단계에서 수신기는 공통 파일럿 신호 및 전용 파일럿 신호를 수신한 다. 수신된 공통 파일럿 신호를 이용하여 203단계에서 상기 〈수학식 3〉 과 같이 공통 파일럿 채널의 상관함수를 추정한다.205단계에서는 상기 203단계에서 추정 된 공통 파일럿 채널의 상관함수로부터 상기 가상 채널의 상관함수를 추정한다. 상기 가상 채널의 상관함수 추정 방법은 송신 빔포밍 기법에 따라 달라 지며, 본 발명의 실시 예에 따른 CBF 기법을 사용한 경우, 가상 채널의 상관함 수는 〈수학식 5〉 의 변환식에 따라 구할 수 있다.
【수학식 5】
Figure imgf000011_0001
여기서 σ 는 범 가증치 백터의 오차를 의미하며, Γ(·) 는 감마 함수 (gamma function)이다. 또한 ρ는 공통 파일럿 채널의 정규 상관함수 (normalized correlation function)를 나타내며 〈수학식 6〉 과 같다.
【수학식 6】
Figure imgf000011_0002
다른 일례로 EBF 기법을 사용하는 경우, 가상 채널의 상관함수는 〈수학식 7> 의 변환식을 사용하여 계산될 수 있다.
【수학식 7】
rw (An,Ak) = pAmax
여기서 «는 공간 상관도 (spatial correlation)가 존재하는 채널에서 공간 상관 행렬 을 고유 값 분해 (eigenvalue decomposition)하였을 때 얻을 수 있는 최대 고유 값 (eigenvalue)을 의미하며, 상기 공간 상관 행렬은〈수학식 8〉 과 같이 정의된다. 【수학식 8】
R = E{U" {n,k)H{n,k)}
도 3은 도 1의 가상 채널의 확률적 특성 추정 장치에 포함되는 상관 함수 추정부의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
상기 상관함수 추정부 (300)는 파일럿 신호 수신부 (301), 공통 파일럿 채널 상관함수 추정부 (303), 변환식 선택부 (305), 가상 채널 상관함수 추정부 (307)로 구 성되어 있다.
송신기로부터 전송된 공통 파일럿 신호 및 전용 파일럿 신호는 파일럿 신 호 수신부 (301)에서 수신되며, 공통 파일럿 채널 상관함수 추정부 (303)는 수신된 공통 파일럿 신호를 이용하여 공통 파일릿 채널의 상관함수를 추정한다.
변환식 선택부 (305)에서는 사용된 빔포밍 기법이 CBF 기법인 경우 상기 〈수학식 5〉 를 선택하고, EBF 기법인 경우 상기 〈수학식 7〉 을 선택하여 가상 채널 상관함수 추정부 (307)로 전달한다.
가상 채널 상관함수 추정부 (307)에서는 상기 변환식 선택부 (305)로부터 전달받은 변환식을 상기 공통 파일럿 채널 상관함수 추정부 (303)에서 추정된 공 통 파일럿 채널의 상관함수에 적용하여, 상기 가상 채널의 상관함수를 추정한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 최적 전용 파일럿 패턴을 결정하는 방법을 나타낸 도면이다. 먼저 4이단계에서는 초기 패턴을〈수학식 9〉 와 같이 결정한다.
【수학식 9】
(d df) = (d,0,df 0)
여기서 는 전용 파일럿의 시간 축에서의 OFDM 심볼 간격 (interval)이고, ^는 전용 파일럿의 주파수 축에서의 부반송파 간격이다.
403단계에서는 도 2의 상기 205단계에서 추정된 가상 채널의 상관함수를 이용하여 전용 파일럿 패턴이 ( +^,,^)인 경우와 ,,^+Δ^)인 경우의 평균
MSE를 비교하고, 보다 작은 MSE를 갖는 전용 파일럿 패턴을 선택한다. 여기서 와 는 각각 시간 축 및 주파수 축의 파일럿 간격 변화의 단위로, 고정된 상수 값이다. 일반적으로 초기 패턴 。, .0)과 변화 간격 와 M OFDM 및 부반송파의 최소간격인 1로 정할 수 있다.
상기 403단계는 초기 패턴에서 시간 축 간격 또는 주파수 축 간격을 증가 시킬 때, 파일럿 신호의 밀도 감소량 대비 MSE 증가량을 작게 하는 경우를 선택 한다. 특히 상기 403단계가 반복 수행될 경우, 도출되는 전용 파일럿 패턴은 점차 파일럿 밀도 대비 평균 MSE가 최소가 되는 패턴으로 수렴하게 된다.
수신기가 시간 축으로 개의 탭과 주파수 축으로 Λ ^개의 랩을 갖는 필 터를 사용하여 가상 채널을 추정한다고 가정할 때, 상기 403단계에서 〈수학식 10〉 과 같이 정의되는 자원영역에서 상기 평균 MSE를 계산한다.
【수학식 10]
Figure imgf000013_0001
여기서 «'과 k'는 각각 전용 파일럿이 수신된 OFDM 심볼과 부반송파 위 치이고, „' '과 k"는 채널추정의 대상이 되는 OFDM 심볼과 부반송파 위치이다. 또한 «, )는 송신되는 전용 파일럿 패턴을 나타낸다.
상기 〈수학식 10〉 과 같이 정의되는 자원영역 S에서의 평균 MSE는 〈수 히 1"식 11〉 과 같이 계산된다.
【수학식 11】
Figure imgf000014_0001
여기서 συ^' ,ά,,^는 AMMSE 방식의 보간 기법을 이용하여 번째 OFDM 심볼과 -번째 부반송파 위치의 데이터 채널을 추정할 때의 MSE를 의미하며
〈수학식 12〉 과 같다.
【수학식 12】
σΜ 2 n' k' dnd Λ = σ^ -ΘΓ (n",k", άηάΛΦ (dt,df* (n k' d df ) 여기서 σ 는 가상 채널의 분산을 의미하며, CBF 기법 또는 EBF 기법이 사용된 경우, 가상 채널의 분산은 각각 〈수학식 13〉 및 〈수학식 14〉 와 같이 계산할 수 있다.
【수학식 13】
Τ(ΝΤ +1/2) 、2
Figure imgf000014_0002
【수학식 14】
(了 ; 또한 θ^,Λ^,ί^)는 교차 공분산 백터 (cross covariance vector)로 〈수학식 15〉 와 같이 정의되고, Φ(ίί,, )는 자기 공분산 행렬 (auto covariance matrix)로 〈수학식
16〉 와 같이 정의된다.
【수학식 15】
Q{n",k",d„df) =
Figure imgf000015_0001
(H„ ")— /"„)'}
【수학식 16]
여기서 ,ap(d,세는 (N,. V,xl)차원 백터로서 상기 자원영역 S에서 데이터 채널을 추정하기 위한 가상 채널의 측정값들 (measurements)을 의미하며, 상기 ή(ορ( ^)의 i=l, -, N,-Nf 번째 원소 [HM;1 ( 이는〈수학식 17〉 과 같이 정의된다.
【수학식 17]
Figure imgf000015_0003
여기서 ΓΛΠ는 w보다 크거나 같은 최소 정수를 의미하며, 는 가상 채널의 평 균 채널 이득 (cha皿 el gain)을 의미한다. CBF 기법 또는 EBF 기법이 사용된 경우, 가상 채널의 평균 채널 이득은 각각〈수학식 18〉 및 〈수학식 19〉 와 같이 계산할 수 있다.
【수학식 18】
Figure imgf000015_0002
【수학식 19]
EBF =ο
상술된 과정에서 계산된 (^+Δί, )와 의 두 가지 파일럿 패턴 에 대한 평균 MSE를 비교하여, 이 중 작은 MSE를 갖는 패턴을 ( , )로 정 의하며 〈수학식 20〉 과 같이 선택한다.
【수학식 20]
if σΜ 2 (d,+Adl,df)≤aM 2 SE(d,,df +Mf)
Figure imgf000016_0001
if aM 2 SE [d, + Ad,,d f)> aM 2 SE(d„d f + Mf)
405단계에서는 기존 전용 파일럿 패턴 ( )을 사용할 때의 시스템 전송 률과 상기 403단계에서 선택된 전용 파일럿 패턴 을 사용할 때의 시스 템 전송률을 〈수학식 21〉 에 따라 비교하여, 전송률이 향상되면 기존 전용 파일 럿 패턴을 선택된 전용 파일럿 패턴으로 경신 (update)한 뒤 403단계로 돌아가 전송률이 향상되지 않으면 기존 전용 파일럿 패턴올 최적 패턴 (d,,op,,df,op,)으로 결 정한 뒤 407단계로 전달한다.
【수학식 21]
0 {d df)^{dlnew,df new) if T(d1^„d! new)>T(d„dI)
") dP,,d f,op,) — d,'di) if T{d,^d „ew)<T(dl,df)
여기서 ^ )는 전용 파일럿의 전송 오버헤드와 MSE를 고려한 시스템 전송률로 〈수학식 22〉 과 같이 정의된다.
【수학식 22]
Figure imgf000017_0001
여기서 y는 평균 SNR 값을 의미한다.
407단계에서는 상기 403단계와 상기 405단계를 반복하여 최종적으로 결정 된 최적 전용 파일럿 패턴 d,,op,,df,op,)을 송신기로 전송한다.
도 5는 도 1의 가상 채널의 확를적 특성 추정 장치에 포함되는 최적 전용 파일럿 패턴 결정부의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.
상기 최적 전용 파일럿 패턴 결정부 (500)는 초기 패턴 결정부 (501), MSE 비교부 (503), 시스템 전송률 비교부 (505), 최종 패턴 궤환부 (507)로 구성된다.
초기 전용 파일럿 패턴은 초기 패턴 결정부 (501)에서 상기 〈수학식 9〉 와 같이 결정되며, MSE 비교부 (503)에서는 상기 〈수학식 20〉 에 따라 시간 축으로 한 단위 증가시킨 패턴과 주파수 축으로 한 단위 증가시킨 패턴 중 보다 작은 MSE를 갖는 순차적 파일럿 패턴을 선택한다.
시스템 전송를 비교부 (505)에서는 상기 〈수학식 21〉 과 같이 이전 파일 ¾ 패턴을 사용했을 때의 시스템 전송률과 상기 순차적 파일럿 패턴을 사용했을 때 의 시스템 전송률을 비교하여, 시스템 전송률이 증가하면 이전 파일럿 패턴을 상 기 순차적 파일럿 패턴으로 경신한 뒤 경신된 파일럿 패턴을 MSE 비교부 (503)로 전달하여 이전 과정을 반복 수행한다. 만약 시스템 전송률이 증가하지 않으면, 이 전 파일럿 패턴을 최적 전용 파일럿 패턴으로 결정하고, 최종 패턴 궤환부 (507)에 서 상기 최적 전용 파일럿 패턴을 송신기로 전송한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 가상 채널에 대한 AMMSE보간 기법을 나타낸 도면이다. 우선 6이단계에서 수신된 전용 파일럿 신호에 대해 최소 자승법 (least square: 이하 LS)을 이용하여 가상 채널 값을 상기 〈수학식 17〉 와 같이 추정한다.
603단계에서는 도 2의 205단계에서 추정된 가상 채널의 확률적 특성 및 도 4의 407단계에서 결정된 최적 전용 파일럿 패턴을 이용하여 교차 공분산 백터 와 자기 공분산 행렬을 계산한다.
상기 603단계에서 η'-번째 OFDM 심볼과 Λ' -번째 부반송파 위치에서 전용 파일럿 신호가 전송되고, 전용 파일럿이 도 4의 407단계에서 결정된 최적 전용 파일럿 패턴 (d,,op,,df,op,)을 갖는다고 가정하자. 이때 상기 〈수학식 10> 에 따라 S 로 정의되는 자원영역 내에서 상기 가상 채널을 추정하기 위한 교차 공분산 백터 및 자기 공분산 행렬은 〈수학식 23〉 및 〈수학식 24〉 과 같이 계산될 수 있다. 【수학식 23]
【수학식 24】
^{dl:0p„df op,) = E{ntap dt op,,dfᅳ。 pl).u'ap (d^„df^)}
605단계에서는 계산된 교차 공분산 백터와 자기 공분산 행렬을 이용하여 MSE를 최소로 하는 AMMSE 보간 필터의 탭 계수를 〈수학식 25〉 에 따라 결정 한다.
【수학식 25]
Figure imgf000018_0001
상기 605단계에서 결정된 탭 계수를 토대로 607단계에서는 상기 가상 채널의 확 률적 특성에 적합한 AMMSE 보간 기법을 적용하기 위하여 〈수학식 26〉 에 따라 상기 자원영역 S에 포함되는 가상 채널을 추정한다.
【수학식 26】
H„(n'',k'') = \VH,ap(d,op,,df op,) + mH^
도 7은 도 1의 가상 채널 보간 장치 (132)의 일례로서의 가상 채널에 대한 AMMSE보간부의 상세 구성을 나타낸 :도면이다.
상기 가상 채널 AMMSE 보간부 (700)는 LS 추정부 (701), 공분산 계산부 (703), AMMSE 탭 계수 계산부 (705), AMMSE 보간부 (707)로 구성된다. 수신된 각각 의 전용 파일럿 신호는 LS 추정부 (701)에서 상기 〈수학식 17〉 과 같이 LS 기법에 따른 가상 채널 값을 추정하기 위해 사용된다.
공분산 계산부 (703)에서는 상기 205단계에서 추정된 가상 채널의 확률적 특성과 상기 407단계에서 결정된 최적 전용 파일럿 패턴을 토대로 AMMSE 보간 기법에서 사용되는 교차 공분산 백터와 자기 공분산 행렬을 상기 〈수학식 23〉 및 상기 〈수학식 24〉 과 같이 계산한다.
AMMSE 맵 계수 계산부 (705)에서는 상기 공분산 계산부 (703)의 결과를 이 용하여, 상기 〈수학식 25〉 과 같이 AMMSE 보간 필터의 최적 탭 계수를 결정한 다. AMMSE 보간부 (707)는 상기 AMMSE 탭 계수 계산부 (705)에서 결정된 AMMSE 보간 필터의 최적 랩 계수를 이용하여 상기 〈수학식 26〉 와 같이 가상 채널을 보간한다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 송신 범포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 전체적인 수신기의 구조를 나타낸 도면이다.
수신기는 도 3의 상관함수 추정부 (300) 및 도 5의 최적 전용 파일럿 패턴 결정부 (500)를 포함하는 가상채널의 확를적 특성 추정 장치 및 도 7의 AMMSE 보간 장치 (700)를 포함하여 이루어진다.
초기에 공통 파일럿 신호가 파일럿 신호 수신부 (301)에서 수신되며, 수신 된 공통 파일럿 신호는 공통 파일럿 채널 상관함수 추정부 (303)에서 공통 파일럿 채널의 상관함수를 추정하기 위해 사용된다.
변환식 선택부 (305)는 범포밍 기법에 따라 일례로 상기 〈수학식 5〉 및 상 기 〈수학식 7〉 과 같은 변환식을 선택하여, 가상 채널 상관함수 추정부 (307)로 전 달한다.
가상 채널 상관함수 추정부 (307)는 전달받은 변환식을 상기 공통 파일럿 채널 상관함수 추정부 (303)에서 추정된 공통 파일럿 채널의 상관함수에 적용하여 가상 채널의 상관함수를 추정한다.
한편, 초기 패턴 결정부 (501)에서는 전용 파일럿을 위한 초기 패턴을 상기 〈수학식 9〉 와 같이 결정하고, MSE 비교부 (503)는 상기 가상 채널 상관함수 추 정부 (307)에서 추정된 가상 채널의 상관함수를 이용하여 상기 초기 파일럿 패턴 을 파일럿 밀도 대비 MSE가 최소가 되는 방향으로 상기 〈수학식 20〉 와 같이 변 화시킨다.
시스템 전송률 비교부 (505)는 상기 MSE 비교부 (503)와 연계하여 파일럿 부하를 고려 한 시스템 전송률을 최 대화하는 파일럿 패턴을 상기 〈수학식 21〉 과 같이 결정하며, 최종 패턴 결정부 (507)는 상술된 과정에서 도출된 최종 전용 파일 럿 패턴을 송신기로 궤환한다. 송신기에서는 궤환받은 최 적 전용 파일럿 패턴올 적용하여 전용 파일럿을 전송하며, 수신기의 LS 추정부 (701)에서 수신된 전용 파 일럿 신호에 LS 기 법을 적용하여 상기 가상 채널 값을 상기 〈수학식 17〉 과 같 이 추정 한다.
공분산 계산부 (703)에서는 상기 가상 채 널 상관함수 추정부 (307)에서 추정 된 가상 채널의 상관함수과 상기 최종 패턴 결정부 (507)에서 결정 된 최 적 전용 파일럿 패턴을 이용하여 교차 공분산 백터 및 자기 공분산 행렬을 상기 〈수학식 23〉 및 상기 〈수학식 24〉 와 같이 계산한다.
AMMSE 맵 계수 계산부 (705)는 상기 공분산 계산부 (703)의 계산 결과를 토대로 AMMSE 보간 필터 탭 계수를 상기 〈수학식 25〉 과 같이 계산하며, AMMSE 보간부 (707)에서는 상기 LS 추정부 (701)에서 얻어진 가상 채 널의 추정 값을 AMMSE 보간 필터에 적용하여 상기 〈수학식 26〉 과 같이 범포밍 에 의해 발생된 가상 채 널을 추정 한다.

Claims

【특허청구범위】
【청구항 1】
다중 안테나 송신 빔포밍 기법을 사용하는 OFDM 기반 무선통신 시스템 에서 전용 파일럿 신호를 이용하는 채널추정 방법에 있어서,
공통 파일럿 신호로부터 추정된 공통 파일럿 채널의 확률적 특성을 이용 하여 빔포밍을 사용하여 발생되는 가상 채널의 확률적 특성을 추정하는 제 1 단 계;
추정된 상기 가상 채널의 확률적 특성을 이용하여 최적 전용 파일럿 신호 의 패턴을 결정하는 제 2 단계; 및
상기 최적 전용 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 제 3 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 2]
제 1항에 있어서,
상기 제 1 단계는,
다중 안테나 송신 기법에 따라 공통 파일럿 채널의 추정 값으로부터 가 상 채널의 확를적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 3】
제 2항에 있어서,
CBF 송신 기법을 사용하는 경우 하기 〈수학식 5〉 과 같은 변환식을 이용 하여 상기 가상 채널의 확률적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 방법. 【수학식 5】
Figure imgf000023_0001
여기서 σ 는 빔 가중치 백터 의 오차를 의미하며 , Γ(.) 는 감마 함수 (gamma function)이다. 또한 p 는 공통 파일럿 채 널의 정규 상관함수 (normalized correlation function) 를 나타낸다.
【청구항 4】
제 2항에 있어서 , EBF 송신 기 법을 사용하는 경우 하기 〈수학식 7〉 의 변환식 을 이용하여 가상 채널의 확률적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 방법 .
【수학식 7】 여기서 Amax 는 공간 상관도 (spatial correlation)가 존재하는 채 널에서 , 공간 상 관 행 렬을 고유 값 분해 (eigenvalue decomposition)하였을 때 얻을 수 있는 최 대 고 값 (eigenvalue)을 의미 한다.
【청구항 5】
제 1항에 있어서
상기 제 2 단계는 :
파일럿 신호 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정과 파일럿 신호 전송 오 버헤드와 채 널 추정 MSE를 고려하여 시스템 전송를을 최 대화하는 과정을 반복 적으로 수행하여 최 적 전용 파일럿 패턴을 도출하고, 이를 송신기로 보내는 것 을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법 【청구항 6]
제 5항에 있어서, 상기 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정에 있어 서,
시간 간격 또는 주파수 간격이 한 단위 증가된 두 가지 전용 파일럿 패턴 중 MSE를 작게 하는 패턴을 하기 〈수학식 20〉 과 같이 선택하는 것을 특징으로 하는 방법 .
【수학식 20] if aM 2 SE (d, +Adl,df)≤ aM 2 SE (d,,df + Adf )
Figure imgf000024_0001
if aM 2 SE (d, +Ml,df)> am 2 E [d,,df +Adf) 여기서 ^SE d, +M,,df) 및 「씌(몌 는 각각 ) 및
(d,,df +Ad,)을 전용 파일럿 패턴으로 갖는 경우의 AMMSE 보간 기법에 따른 MSE이다.
【청구항 7】
제 5항에 있어서, 상기 파일럿 전송 오버헤드와 채널 추정 MSE를 고려하 여 시스템 전송률을 최대화하는 과정에 있어서,
상기 파일럿 밀도 대비 MSE 최소화 과정에서 도출된 전용 파일럿 신호 패턴에 대해 하기 〈수학식 21〉 및 〈수학식 22〉 과 같이 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법 .
【수학식 21】
0 {d,,df)^{dlinew,df new) if T(dl new,df^)>T(d„df)
H) p''d f,。 니d''d f)
Figure imgf000024_0002
)≤T(d„df) 【수학식 22】
Figure imgf000025_0001
여기서 y는 평균 SNR 값을 의미하며, ^SE d,,df)는 ( ,, )을 전용 파일럿 패턴으로 갖는 경우의 AMMSE 보간 기법에 따른 MSE이다. 는 가상 채널의 평균 채널 이득을 의미하며, 일례로 CBF 기법 및 EBF 기법이 사용된 경우 각각 하기 〈수학식 13〉 및 하기 〈수학식 14〉 과 같이 계산할 수 있다.
【수학식 13】
Γ(Ντ+ί/2)
Ντ - + σ,
【수학식 14]
Figure imgf000025_0002
는 가상 채널의 분산을 의미하며, 일례로 CBF 기법 및 EBF 기법이 사 용된 경우 각각 하기 〈수학식 18〉 및 하기 〈수학식 19〉 과 같이 계산할 수 있다.
【수학식 18】
T(Nr +1/2)
r(0
【수학식 19]
【청구항 8】
제 5항에 있어서, 상기 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정과 파 전송 오버헤드와 채널 추정 MSE를 고려하여 시스템 전송률을 최대화하는 정을 반복적으로 수행하여 최적 전용 파일럿 패턴을 도출하는 과정에 있어서, 하기 〈수학식 27〉 와 같은 순차적인 반복과정을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
【수학식 27] d if am 2 E (dl +Ad,,df)≤ aM 2 SF (d„df + Mf )
''腳, f'neW
Figure imgf000026_0001
if am 2 K (d, +Ad,,df)> aU 2 SE (d, , df + Adf ) (d,,df) - dt new,df nm) if T{d^eK,dl nm)>T{dt,dl) Return to Step ii) 111 {d,ftPndf,opl)^{d„df) if T(d,^,d{ neK)≤T(d„df) Finalization
여기서 ᅳ。, 。)는 순차적인 반복과정을 시작하는 초기 전용 파일럿 패턴 이고, ( , )는 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 방향으로 확장된 전용 파일럿 패턴이며, (d,,opl,df,op,)는 최종적으로 결정되는 최적 전용 파일럿 패턴을 의 미한다.
【청구항 9】
제 5항에 있어서, 상기 최적 전용 파일럿 패턴을 송신기로 보내는 과정에 있어서,,
상기 최적 전용 파일럿 패턴 결정부에서 결정된 최적 전용 파일럿 신호의 패턴을 송신기에 보고하여 송신기가 수신된 상기 전용 파일럿 패턴에 따라 전용 파일럿 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 10]
제 1항에 있어서,
상기 제 3 단계는, 수신된 전용 파일럿 신호를 이용하여 빔포밍에 의해 발생된 가상 채널을 추정하고, 추정된 가상 채널 값에 AMMSE 보간 기법을 적용하여 전 대역의 채널 값을 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
【청구항 111
제 10항에 있어서, 상기 AMMSE 보간 기법을 적용하여 전 대역의 채널 값을 추정하는 과정에 있어서,
하기 〈수학식 26〉 과 같이 상기 가상 채널의 평균 이득을 보정하는 AMMSE 보간 기법을사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
【수학식 26]
Hv(n",k") = WUlap(d,opl,df op,) + m^
여기서 W는 AMMSE 보간 필터의 탭 계수를 나타내고, i p«,p,,df폐는 상기 수 신된 전용 파일럿 신호로부터 추정된 가상 채널 값이며, H>는 상기 가상 채널의 평균 채널 이득을 의미한다.
【청구항 12]
다중 안테나 송신 빔포밍 기법을 사용하는 OFDM 기반 무선통신 시스템 에서 전용 파일럿 신호를 이용하는 채널 추정 장치에 있어서,
공통 파일럿 신호로부터 추정된 공통 파일럿 채널의 확률적 특성을 이용 하여 범포밍을 사용하여 발생되는 가상 채널의 확를적 특성을 추정하는 가상채널 의 확률적 특성 추정부;
추정된 상기 가상 채널의 확률적 특성을 이용하여 최적 전용 파일럿 신호 의 패턴을 결정하는 최적 전용 파일럿 신호 패턴 결정부; 및
상기 최적 전용 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하는 가상 채널 보간 부
포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
【청구항 13]
제 12항에 있어서 :
상기 가상 채널의 확률적 특성 추정부
다중 안테나 송신 기법에 따라 공통 파일럿 채널의 추정 값으로부터 가 상 채널의 확률적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
【청구항 14】
제 13항에 있어서,
CBF 송신 기법을 사용하는 경우 하기 〈수학식 5〉 과 같은 변환식을 이용 하여 상기 가상 채널의 확률적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
【수학식 5】
Figure imgf000028_0001
여기서 는 범 가중치 백터의 오차를 의미하며, Γ(.) 는 감마 함수 (gamma function)이다. 또한 p는 공통 파일럿 채널의 정규 상관함수 (normalized correlation function) 를 나타낸다.
【청구항 15]
제 13항에 있어서, EBF 송신 기법을 사용하는 경우 하기 〈수학식 7〉 의 변환식을 이용하여 가상 채 널의 확률적 특성을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
【수학식 7]
^ (An, ) = /?Amax
여기서 Amax는 공간 상관도 (spatial correlation)가 존재하는 채널에서, 공간 상관 행 렬을 고유 값 분해 (eigenvalue decomposition)하였을 때 얻을 수 있는 최대 고유 값 (eigenvalue)을 의미한다.
【청구항 16]
게 12 항에 있어서,
상기 최적 전용 파일럿 신호 패턴 결정부는,
파일럿 신호 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정과 파일럿 신호 전송 오 버헤드와 채널 추정 MSE를 고려하여 시스템 전송률을 최대화하는 과정을 반복 적으로 수행하여 최적 전용 파일럿 패턴을 도출하고, 이를 송신기로 보내는 것 을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
【청구항 17]
제 16항에 있어서, 상기 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정에 있 어서,
시간 간격 또는 주파수 간격이 한 단위 증가된 두 가지 전용 파일럿 패턴 중 MSE를 작게 하는 패턴을 하기 〈수학식 20〉 과 같이 선택하는 것을 특징으로 하는 장치ᅳ 【수학식 29] if aM 2 SE {d, +Ad„df)< σ2 Ε (d,,df + Adf
Figure imgf000030_0001
if aM 2 SE d,+Ml,df)> aM 2 SE [d„df +Adf 여기서 ^,+Μ,,ά,) 및 52 d' +Mf)는 각각 (d,+M„df) 및
Figure imgf000030_0002
+Δί/,)을 전 용 파일럿 패턴으로 갖는 경우의 AMMSE 보간 기법에 따른 MSE이다.
【청구항 18]
제 16항에 있어서, 상기 파일럿 전송 오버헤드와 채널 추정 MSE를 고려 하여 시스템 전송률올 최대화하는 과정에 있어서,
상기 파일럿 밀도 대비 MSE 최소화 과정에서 도출된 전용 파일럿 신호 패턴에 대해 하기 〈수학식 21〉 및 〈수학식 22〉 과 같이 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치 .
【수학식 21】
0 if T{d,new,dfm)>T(dl,d
if T(dl new,df^)≤T(d„d
【수학식 22]
Figure imgf000030_0003
Figure imgf000030_0004
여기서 평균 SNR 값을 의미하며, dd,,d/)는 « )을 전용 파일럿 패턴으 로 갖는 경우의 AMMSE 보간 기법에 따른 MSE이다. 는 가상 채널의 평균 채널 이득을 의미하며, 일례로 CBF 기법 및 EBF 기법이 사용된 경우 각각 하기 〈수학식 13〉 및 하기 〈수학식 14〉 과 같이 계산할 수 있다. 【수학식 13】
Figure imgf000031_0001
【수학식 14]
σΗ 2 는 가상 채널의 분산을 의미하며, 일례로 CBF 기법 및 EBF 기법이 사용된 경 우 각각 하기 〈수학식 18〉 및 하기 〈수학식 19〉 과 같이 계산할 수 있다.
【수학식 18]
Τ+\Ι2)
Γ(^)
【수학식 19】
= 0
【청구항 19]
제 16항에 있어서, 상기 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 과정과 파 럿 전송 오버헤드와 채널 추정 MSE를 고려하여 시스템 전송률을 최대화하 1 과정을 반복적으로 수행하여 최적 전용 파일럿 패턴을 도출하는 과정에 있어서 : 하기 〈수학식 27〉 와 같은 순차적인 반복과정을 갖는 것을 특징으로 하 장
【수학식 27] \{d, +Mndf) if σΜ 2 (d, +M,,df)≤ ¾ (d,,d + Ad )
[(d,,d;+Adf) if aM 2 SF [d,+Adl,df)> aM 2 SE (d,,df + Adf )
Hi) (^"^)^^'"™'^^"') ^ T{d'.^'df,^)> T{d df) Return to Step ii)
Ul {d Pndf,opl)^{d„df) if T{dl new,df new)≤T(dl,df) Finalization
여기서 ( 00)는 순차적인 반복과정을 시작하는 초기 전용 파일럿 패턴 이고, 쑤, )는 파일럿 밀도 대비 MSE를 최소화하는 방향으로 확장된 전용 파일럿 패턴이며, 쁴 ,)는 최종적으로 결정되는 최적 전용 파일럿 패턴을 의 미한다.
【청구항 20]
제 16항에 있어서, 상기 최적 전용 파일럿 패턴을 송신기로 보내는 과정에 있어서,,
상기 최적 전용 파일럿 패턴 결정부에서 결정된 최적 전용 파일럿 신호의 패턴을 송신기에 보고하여 송신기가 수신된 상기 전용 파일럿 패턴에 따라 전용 파일럿 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
【청구항 21]
제 12항에 있어서,
상기 가상 채널 보간부는,
수신된 전용 파일럿 신호를 이용하여 빔포밍에 의해 발생된 가상 채널을 추정하고, 추정된 가상 채널 값에 AMMSE 보간 기법을 적용하여 전 대역의 채널 값을 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
【청구항 22】 제 21항에 있어서, 상기 AMMSE 보간 기법을 적용하여 전 대역의 채널 값을 추정하는 과정에 있어서,
하기 〈수학식 26〉 과 같이 상기 가상 채널의 평균 이득을 보정하는 AMMSE 보간 기법을 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
【수학식 26】 여기서 W는 AMMSE 보간 필터의 랩 계수를 나타내고, B,ap«op,,d네는 상기 수신된 전용 파일럿 신호로부터 추정된 가상 채널 값이며, 는 상기 가상 채널의 평균 채널 이득을 의미한다.
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