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KR100799580B1 - Ｍｉｍｏ 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치 및그 방법 - Google Patents

Ｍｉｍｏ 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치 및그 방법 Download PDF

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KR100799580B1
KR100799580B1 KR1020060096415A KR20060096415A KR100799580B1 KR 100799580 B1 KR100799580 B1 KR 100799580B1 KR 1020060096415 A KR1020060096415 A KR 1020060096415A KR 20060096415 A KR20060096415 A KR 20060096415A KR 100799580 B1 KR100799580 B1 KR 100799580B1
Authority
KR
South Korea
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node
communication
antenna
signal
combination
Prior art date
Application number
KR1020060096415A
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Inventor
정운철
김내수
표철식
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치 및 그 방법은 수신되는 신호에서 통신 시작 신호를 검출하는 수신부; 상기 통신 시작 신호를 기초로 통신 용량을 계산하여 그 값이 최대로 되는 송신 안테나 조합을 찾아내어 통신을 수행하는 제1조합부; 상기 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하여 통신을 수행하는 제2조합부; 및 상기 제1조합부 또는 제2조합부중 하나를 활성화하고 나머지는 비활성화시키는 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 채널 환경에 기안한 무선 노드간의 수신 신호의 품질이 저하될 경우, 공간 다이버시티를 이용하여 신호 전달 경로상의 방해물에 의한 그림자 효과 (shadowing effect)가 가장 작은 노드를 선택함으로써, 링크의 통신 실패를 최소화하고 노드에 탑재된 어레이 안테나를 이용하여 공간 다중화 이득 (spatial multiplexing gain)을 얻음으로써 통신 용량의 최대화를 꾀할 수 있다.
MIMO 시스템, 어레이 안테나, 안테나 선택 알고리즘, 다이버시티 수신기, 멀티 홉 릴레이 무선 네트워크

Description

ＭＩＭＯ 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치 및 그 방법{Apparatus for selecting antenna and node in MIMO system and method thereof}
도 1은 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 방법의 일 실시예의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 3은 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 방법의 다른 일 실시예의 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 어레이 안테나를 탑재한 일반적인 옥외 MIMO 통신시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.
도 5는 상기 도 4와 같은 시스템의 통신 용량 outage 성능 곡선도를 보여주는 도면이다.
도 6은 Macroscopic 다이버시티 토폴로지를 갖는 MIMO 통신 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 제안된 알고리즘을 이용한 통신 용량 outage 성능 곡선도 이다.
본 발명은 2개 이상의 안테나(어레이 안테나)가 탑재된 다중입력 다중출력 (Multiple-input multiple-output) 무선 노드끼리 통신할 때, 링크의 신뢰도 및 통신 용량을 최대화하기 위하여 안테나 혹은 노드를 선택하는 장치 또는 그 방법에 관한 것이다.
어레이 안테나가 부착된 노드간의 통신시, MIMO 기술은 공간 다중 이득을 통해 통신 용량의 증대시킬 수있다. 하지만, 이러한 이득은 그림자 효과에 의한 수신 신호 품질의 저하로 인해 링크 실패율이 증가하게 된다. MIMO 통신 시스템에서, 노드의 안테나간의 small-scale fading 변수들이 통계적으로 상관되어 있지 않을 경우(statistically uncorrelate), 이를 이용하여 공간 다중화 이득을 얻음으로써, 송신과 수신 노드에 탑재된 안테나의 수가 증가함에 따라, 통신 용량도 선형적으로 증가한다고 알려졌다. 하지만, 이러한 통신 용량의 향상은 small-scale fading 변수들간의 상관도가 증가함에 따라 저하되며, 수신 신호 전파 경로에 빌딩등과 같은 방해물로 인한 그림자 효과(shadowing effect)가 더 해질 경우 공간 다중화 이득을 얻을 수 없다.
따라서, 다중 안테나를 탑재한 MIMO 노드에서는 그림자 효과에 의한 수신 신호 감도를 극복하고 다중 경로 페이딩현상을 이용하여 공간 다중화 이득을 얻는 MIMO 기술의 장점을 얻기 위한 방법의 필요성이 제기되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 MIMO 통신의 장점인 공간 다중화 이득을 극대화하고, MIMO 무선 노드간 통신시, 다중 경로에 의한 채널 페이딩과 무선 신호 전파 경로에 존재하는 빌딩이나 큰 장애물들에 기인한 그림자 효과 (Shadowing effect)로 인한 수신 신호 감쇠 현상을 극복하기 위하여, 네트워크상의 가용의 노드들로 macroscopic 다이버시티 형태의 통신 토폴로지를 구축하여 수신 신호 품질 저하를 극복하고 장착된 어레이 안테나를 이용하여 MIMO 기술을 사용함으로써 통신 용량의 극대화 및 링크의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 노드 및 안테나의 선택 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치는 수신되는 신호에서 통신 시작 신호를 검출하는 수신부; 상기 통신 시작 신호를 기초로 통신 용량을 계산하여 그 값이 최대로 되는 송신 안테나 조합을 찾아내어 통신을 수행하는 제1조합부; 상기 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하여 통신을 수행하는 제2조합부; 및 상기 제1조합부 또는 제2조합부중 하나를 활성화하고 나머지는 비활성화시키는 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법은 M개의 노드가 각각 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 가지는 MIMO 통신시스템에서 안테나를 선택하는 방법에 있어서, 통신 시작을 알리는 신호를 기초로 채널 이득 행렬을 추정하는 단계; 상기 모든 송신 안테나에서 NT개를 선정한 후, 상기 채널 이득 행렬을 기초로 통신 용량을 계산하는 단계; 및 상기 통신 용량 계산 단계를 모든 안테나 조합에 대하여 반복한 후 최적 조합을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법은 M개의 노드가 각각 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 가지는 MIMO 통신시스템에서 안테나 및 노드를 선택하는 방법에 있어서, 통신시작을 알리는 신호를 수신하는 단계; 상기 신호를 기초로 노드별 평균 신호대 잡음비를 계산하는 단계; 및 상기 계산결과값이 최대로 되는 노드를 선택하여 그 노드와 통신을 개시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 2는 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 방법의 일 실시예의 과정을 보여주는 흐름도이고, 도 3은 MIMO 통신시스템에서의 안테나 선택 방법의 다른 일 실시예의 과정을 보여주는 흐름도이다. 한편 도 4는 어레이 안테나를 탑재한 일반적인 옥외 MIMO 통신시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이고, 도 5는 상기 도 4와 같은 시스템의 통신 용량 outage 성능 곡선도(r은 안테나간의 통계적 상관도)를 보여주는 도면이다. 그리고 도 6은 Macroscopic 다이버시티 토폴로지를 갖는 MIMO 통신 시스템의 구성을 보여 주는 도면이고, 도 7은 본 발명에서 제안된 알고리즘을 이용한 통신 용량 outage 성능 곡선도(실선: 알고리즘 1, 점선: 알고리즘 2)이다.
먼저 본 발명의 배경과 필요성을 언급한 후 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하도록 한다. 도 4는 일반적인 옥외 환경에서 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 사용하는 다중입력 다중출력 (Multiple-input multiple-output; MIMO) 통신 노드를 나타낸다. 이러한 (NT,NR)-MIMO 노드의 통신 용량(C)은 다음의 수학식 1과 같이 표현되며, 이는 종래의 단일 안테나를 이용한 통신 시스템에 비해 상당한 통신 용량의 향상을 얻을 수 있다.
Figure 112006071811693-pat00001
여기서,
Figure 112006071811693-pat00002
는 송신 신호 (
Figure 112006071811693-pat00003
)와 노이즈 파워 (
Figure 112006071811693-pat00004
)로 표시되는 신호대잡음비를 나타내며,
Figure 112006071811693-pat00005
는 행렬 A의 행렬식 (determinant)이고,
Figure 112006071811693-pat00006
는 하기 수학식 2로 표기된 채널 이득 행렬이며,
Figure 112006071811693-pat00007
는 행렬
Figure 112006071811693-pat00008
의 Hermitian 행렬이고,
Figure 112006071811693-pat00009
는 단위 행렬이다.
Figure 112006071811693-pat00010
여기서,
Figure 112006071811693-pat00011
와
Figure 112006071811693-pat00012
은 각각 j번째 송신 안테나와 i번째 수신 안테나사이의 small-scale fading과 large-scale fading 채널 이득을 나타낸다.
도 5는 이러한 그림자 효과와 다경로 페이딩을 함께 고려한 composite 페이딩 채널 환경에서 MIMO 시스템의 통신용량 outage 성능을 보여준다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 shadowing에 의한 large-scale fading 변수의 확률 분포에 따라 통신 용량 outage는 현저히 저하됨을 알 수 있다. 이것은 신호 전송 경로에 존재하는 방해물에 의한 수신 신호 품질의 저하에 기인한다.
이를 극복하기 위하여, 즉 링크의 신뢰도와 통신 용량을 극대화하기 위하여 도 6과 같이 M개의 노드로 구성된 Macroscopic 다이버시티 토폴로지를 갖는 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 갖는 (NT,NR)-MIMO 통신 시스템을 고려한다. 편의상 이러한 Macroscopic 다이버시티 토폴로지의 MIMO 시스템을 (M,NT,NR)MIMO 시스템이라 표기한다. 또한, MIMO 수신과정의 복잡도는 안테나의 개수에 따라 증가하므로, 이를 고려하여 본 시스템에서는 특정한 시간에 사용할 수 있는 송신 안테나와 수신 안테나의 수는 노드의 개수와 상관없이 각각 NT,NR로 고정한다. 이때 실제 사용가능한 송신 안테나는 M*NT가 되며, 실제 통신시에는 이들 중 NT 안테나만 을 사용하게 된다. 이러한 (M,NT,NR)-MIMO 시스템의 통신 용량은 수학식 1과 같이 표현되며, 통신 용량을 극대화하기 위한 방안으로서, NT 안테나를 선택하기 위해 본 발명에서 제안하는 두 가지 형태의 선택 알고리즘의 요지는 다음의 알고리즘 1 및 알고리즘 2와 같다.
- 알고리즘 1
M*NT개의 사용가능한 송신 안테나중 수학식 1을 최대로 하는 NT개의 안테나를 노드와 상관없이 선택하여 MIMO 통신을 한다
- 알고리즘 2
M개의 송신 노드중 평균 수신 신호대 잡음비가 가장 작은 노드를 선택하고 이 노드에 장착된 NT개의 안테나를 사용하여 MIMO 통신을 한다.
위와 같은 알고리즘을 수행하기 위한 구체적인 일 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하면서 설명하도록 한다. 먼저 수신부(110)는 노드(예를 들면 기지국)로부터 수신되는 신호에서 통신 시작 신호를 검출한다(S210 또는 S310). 위의 알고리즘 1, 즉 상기 통신 시작 신호를 기초로 통신 용량을 계산하여 그 값이 최대로 되는 송신 안테나 조합을 찾아내어 통신을 수행하는 것이 제1조합부(130)이고, 상기 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하여 통신을 수행하는 알고리즘 2를 수행하는 것이 제2조합부(140)이다. 선택부(120)는 상기 제1조합부 또는 제2조합부중 하나를 선택하여 활성화했으면, 나머지 선택되지 않은 것은 비활성화시킨다. 먼저 제1조합부를 살펴보면 채널이득추정 부(131)는 상기 통신 시작 신호를 기초로 수학식 2와 같이 채널 이득 행렬을 계산한다(S220). 통신용량계산부(133)는 상기 채널 이득 행렬 계산 결과를 입력받아 NT개의 송신 안테나를 선택하여 통신용량을 계산한다. 여기서 NT개의 송신 안테나는 한 노드에서만 선정할 수도 있고, 여러 개의 노드에서 임의개의 송신 안테나를 선정하여 그 합이 NT개가 되도록 선정할 수도 있다. 즉 사용가능한 M*NT 개의 모든 송신 안테나중 임의의 개의 송신 안테나를 선택했을 경우에 대한 통신 용량을 수학식 1에 의해 계산한 후 이중 가장 성능이 뛰어난 조합을 추정한다. 그러므로, 통신 용량을 최대로 하는 최적의 송신 안테나 집합을 선택할 수 있고,
Figure 112006071811693-pat00013
번의 통신 용량을 계산한다(S230).
조합계산부(135)는 상기의 계산 결과 즉 통신 용량을 최대로 하는 조합을 선정한다(S240).
이제, 제2조합부(140)가 수행하는 알고리즘 2의 구현 예를 설명한다. 먼저 SNR 계산부(141)는 상기 입력부(110)가 수신하여 제공하는 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비를 계산한다. 여기서 평균 신호대 잡음비는 송신 신호 (PT)와 노이즈 파워 (
Figure 112006071811693-pat00014
)에 의하여
Figure 112006071811693-pat00015
로 계산된다(S320). 노드선택부(143)는 상기 계산된 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하게 된 다(S330).
이와 같이 알고리즘 2는 수학식 1에 의한 통신 용량을 계산할 필요 없이 수신된 통신 시작 신호를 이용하여 각 노드의 평균 신호대 잡음비를 계산하고 이중 최고값을 갖는 노드를 선택하여 MIMO 통신을 한다. 이는 알고리즘 1에 비해 구현상의 복잡도가 현저히 줄어드는 장점이 있다. 이 알고리즘은 무선 채널 환경을 관찰하여 귀납적으로 얻어진 결과로, 도 5에서 보여지는 바와같이 MIMO 시스템의 통신 용량이 안테나간 채널 상관도보다 그림자 효과에 의한 수신 신호 감도의 저하에 훨씬 심한 영향을 받는다는데 주목한 결과이다. 그러므로 그림자 효과의 영향을 가장 적게 받는 노드의 통신 용량이 가장 높을 것으로 기대된다. 한편 도 7은 알고리즘 1과 알고리즘 2를 이용한 시스템의 통신 용량 outage 성능 곡선이다. 그림에서 보이듯이 두 알고리즘의 성능차이는 무시할 수 있을 정도로 극히 미비하다. 따라서 알고리즘 2가 성능과 그 구현상의 복잡도에서 알고리즘 1보다 월등하다 할 수 있다.
본 명세서에서 개시된 장치 및 방법에서 사용되는 기능은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시 스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치 및 그 방법은 MIMO 통신 기술을 이용하는 네트워크에서 간단한 구현 방법으로 통신 용량의 극대와 Macroscopic 다이버시티 토폴로지를 이용한 링크의 신뢰도의 향상을 얻을 수 있다. 아울러, 이러한 링크 신뢰도의 향상은 멀티 홉 네트워크상에서 홉의 개수를 줄여주어 릴레이에 의한 지연 효과를 줄일 수 있다.
그리고 채널 환경에 기안한 무선 노드간의 수신 신호의 품질이 저하될 경우, 공간 다이버시티를 이용하여 신호 전달 경로상의 방해물에 의한 그림자 효과 (shadowing effect)가 가장 작은 노드를 선택함으로써, 링크의 통신 실패를 최소화하고 노드에 탑재된 어레이 안테나를 이용하여 공간 다중화 이득 (spatial multiplexing gain)을 얻음으로써 통신 용량의 최대화를 꾀할 수 있다.
또한 무선 센서 네트워크에서 싱크 노드와 게이트웨이에 어레이 안테나를 장착하여 본 발명이 제안하는 알고리즘으로 신뢰도 및 통신 용량을 향상시킴으로써, 네트워크의 fault tolerance를 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. 수신되는 신호에서 통신 시작 신호를 검출하는 수신부;
    상기 통신 시작 신호를 기초로 통신 용량을 계산하여 그 값이 최대로 되는 송신 안테나 조합을 찾아내어 통신을 수행하는 제1조합부;
    상기 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하여 통신을 수행하는 제2조합부; 및
    상기 제1조합부 또는 제2조합부중 하나를 활성화하고 나머지는 비활성화시키는 선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1조합부는
    상기 통신 시작 신호를 기초로 채널 이득 행렬을 계산하는 채널이득추정부;
    상기 채널 이득 행렬 계산 결과를 입력받아 소정의 개수의 안테나에 대한 통신용량을 계산하는 통신용량계산부; 및
    상기 통신용량을 최대로 하는 조합을 구성하는 조합선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2조합부는
    상기 통신 시작 신호를 기초로 각 노드의 평균 신호대 잡음비를 계산하는 SNR계산부; 및
    상기 계산된 평균 신호대 잡음비가 최대로 되는 노드를 선택하는 노드선택부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 장치.
  4. M개의 노드가 각각 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 가지는 MIMO 통신시스템에서 안테나 및 노드를 선택하는 방법에 있어서,
    (a) 통신시작을 알리는 신호를 기초로 채널 이득 행렬을 추정하는 단계;
    (b) 상기 모든 송신 안테나에서 NT개를 선정한 후, 상기 채널 이득 행렬을 기초로 통신 용량을 계산하는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계를 모든 안테나 조합에 대하여 반복한 후 최적 조합을 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 채널 이득 행렬은 하기 수학식 3에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법.
    Figure 112007054447139-pat00016
    여기서,
    Figure 112007054447139-pat00017
    와
    Figure 112007054447139-pat00018
    은 각각 j번째 송신 안테나와 i번째 수신 안테나사이의 small-scale fading과 large-scale fading 채널 이득이다.
  6. 제5항에 있어서, 상기 통신 용량은 하기 수학식 4에 의하여 구해지는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법.
    Figure 112007054447139-pat00019
    여기서,
    Figure 112007054447139-pat00020
    는 송신 신호 (
    Figure 112007054447139-pat00021
    )와 노이즈 파워 (
    Figure 112007054447139-pat00022
    )로 표시되는 신호대잡음비를 나타내며,
    Figure 112007054447139-pat00023
    는 행렬 A의 행렬식 (determinant)이고,
    Figure 112007054447139-pat00024
    는 상기 수학식 3으로 표기된 채널 이득 행렬이며,
    Figure 112007054447139-pat00025
    는 행렬
    Figure 112007054447139-pat00026
    의 Hermitian 행렬이고,
    Figure 112007054447139-pat00027
    는 단위 행렬이다.
  7. M개의 노드가 각각 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나를 가지는 MIMO 통신시스템에서 안테나 및 노드를 선택하는 방법에 있어서,
    (a) 통신시작을 알리는 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 신호를 기초로 노드별 평균 신호대 잡음비를 계산하는 단계; 및
    (c) 상기 계산결과값이 최대로 되는 노드를 선택하여 그 노드와 통신을 개시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법.
  8. 제4항 또는 제7항의 MIMO 통신시스템에서의 안테나 및 노드 선택 방법을 컴퓨터에서 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체.
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