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KR101208538B1 - 다중 안테나를 사용하는 시스템에서의 신호 전송 방법 - Google Patents

다중 안테나를 사용하는 시스템에서의 신호 전송 방법 Download PDF

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KR101208538B1
KR101208538B1 KR1020060100445A KR20060100445A KR101208538B1 KR 101208538 B1 KR101208538 B1 KR 101208538B1 KR 1020060100445 A KR1020060100445 A KR 1020060100445A KR 20060100445 A KR20060100445 A KR 20060100445A KR 101208538 B1 KR101208538 B1 KR 101208538B1
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transmission
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천진영
장재원
정진혁
이문일
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 다중 안테나를 사용하는 시스템에서의 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다. 특히, 다중 안테나를 통해 전송할 데이터 심볼을 다중 안테나 인코딩하는 방법에 있어서, 동일한 다중 안테나 인코딩된 데이터 심볼을 두 개 이상 형성하여 반복 전송하는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 통해서 다중 안테나 전송의 효율을 높일 수 있다.
MIMO, STFTD, SFTD, 다중 안테나 인코딩

Description

다중 안테나를 사용하는 시스템에서의 신호 전송 방법{method for transmitting signals in the system with multiful antennas}
도 1a는 다중 송신 안테나를 포함하는 송신 시스템의 블록 구성도이다.
도 1b는 다중 수신 안테나를 포함하는 수신 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 송신 시스템의 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 다중 안테나를 사용하는 시스템에서의 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.
무선 자원의 효율성을 높이는 방법으로 최근 큰 주목을 받으며 활발한 개발이 추진되고 있는 기술이 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 이용하는 방법이다. 상기 다수의 안테나를 통해서 자원 활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보함으로써 대역폭의 증가 없이 다이버시티 이득을 통한 통신 링크의 신뢰성을 높이 거나 공간 다중화를 통한 병렬전송을 통하여 전송용량을 높일 수 있다.
도 1a는 다중 송신 안테나를 포함하는 송신 시스템의 블록 구성도이다. 도 1a를 참조하면, 상기 송신 측(10)은 채널 인코더(101)와, 매퍼(mapper)(102)와, 직/병렬 변환기(S/P converter)(103)와, 다중 안테나 인코더(104) 및 다수의 송신 안테나(Tx antenna)를 포함한다.
상기 채널 인코더(101)는 데이터 비트에 중복의 비트를 붙여서 채널에서 오는 효과나 잡음에 대한 효과를 줄인다. 상기 직/병렬 변환기(102)는 직렬의 데이터를 병렬의 데이터로 바꾸어 준다. 상기 매퍼(103)는 데이터 비트를 데이터 심볼(data symbol)로 변환하는 성상 매핑(constellation mapping)을 수행한다. 상기 다중 안테나 인코더(104)는 데이터 심볼을 전송 신호로 변환시켜 주는 역할을 한다. 상기 다중 안테나 인코더(104)를 통해서 각 데이터 심볼이 공간, 시간 및 주파수 자원에 대해서 어떻게 전송될 것이지 구성되어 출력된다. 상기 다중 안테나 인코더의 예로, 시공간 블럭 코딩(space time block coding), 공간 주파수 블록 코딩(space frequency block coding), 시공간 주파수 블록 코딩(space time frequency block coding) 등이 포함될 수 있다. 다수의 송신 안테나(105)는 상기 다중 안테나 인코더에 의해 다중 안테나 인코딩된 신호를 무선 채널을 통해 전송시킨다.
도 1b는 다중 수신 안테나를 포함하는 수신 시스템의 블록 구성도이다. 도 1b를 참조하면, 상기 수신 측(11)은 다수의 수신 안테나(106)와, 상기 다중 안테나 인코더(104)에 대응하는 다중 안테나 디코더(107)와, 병/직렬 변환기(P/S converter)(108)와, 상기 매퍼(102)에 대응하는 디매퍼(demapper)(109) 및 채널 디코더(110)를 포함한다.
상기 다수의 수신 안테나(106)는 채널로부터 신호를 수신한다. 상기 다중 안테나 디코더(107)는 상기 다중 안테나 인코더(104)에 의해 다중 안테나 인코딩된 전송 신호를 각각의 데이터 심볼로 변환한다. 또한, 상기 병/직렬 변환기(108)는 상기 병렬의 데이터 심볼을 직렬의 데이터 심볼로 변환한다. 상기 디매퍼(demapper)(109)는 상기 직렬의 데이터 심볼을 디매핑하여 비트 정보로 변환한다. 상기 채널 디코더(110)는 상기 채널 인코더(101)에서 수행한 채널 코드에 대한 디코딩을 수행하고 데이터를 추정한다.
이하, 상기 다중화 안테나 인코더(104)를 통해 시간, 공간, 주파수 자원에 대해 다중 안테나 인코딩를 수행하는 방법을 설명한다. 하나의 전송 자원(resource)은 하나의 시간 슬롯(time slot) 및 하나의 부 반송파(sub-carrier)로 이루어진다.
표 1은 시간, 주파수, 공간(안테나) 다중화(STFTD: Space Time Frequency Multiple Access)를 위한 다중 안테나 인코딩 방법의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00001
표 1의 다중 안테나 인코딩 방법에 따르면, 다수(표 1의 경우 4개)의 안테나 자원과 다수(표 1의 경우 4개)의 전송 자원이 할당되었으나, 각각의 안테나 자원에 할당된 전송 자원 중에서 일부(표 1의 경우 2개)의 자원만 이용한다.
표 2는 공간, 주파수 다중화(SFTD: Space Frequency Multiple Access)를 위한 다중 안테나 인코딩 방법의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00002
표 2에서 제시된 다중 안테나 인코딩 방법에 따르면, 동일한 시간 자원에 대해 주파수 자원을 다수 개(표 2의 경우 4개)를 사용하여 다중 안테나 인코딩하는 방법을 제시한다. 이 경우에도 각각의 안테나 자원에 할당된 전송 자원 중에서 일부(표 2의 경우 2개)의 자원만 이용한다. 또한, 시간 자원에 대한 다이버시티 효과를 얻을 수 없다.
상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 제시된 다중 안테나 인코딩 방법을 통해서는 할당된 시간, 주파수 및 공간 자원을 충분히 활용하지 못한다. 또한, 수신 측에서의 다중안테나 디코딩 과정에 있어서, 복잡한 복소수 행렬의 역행렬을 계산하는 과정이 포함될 수 있는데, 이 과정은 행렬의 규모가 커질수록 복소수 연산이 복잡하게 되어 시스템에 많은 부담을 주는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술을 개선하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 더욱 효율적으로 다중 안테나를 이용하여 신호를 전송할 수 있는 다중 안테나 인코딩 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의해 다중 안테나 인코딩을 수행하는 방법을 제공한다. 다중 안테나 인코딩은 그 인코딩 수행 정보를 소정의 행렬식을 이용하여 나타낼 수 있다. 이하 상기 소정의 행렬식을 부호화 행렬이라고 칭하고, 이하 상세한 설명을 통해서는 본 발명의 실시예들을 상기 부호화 행렬을 이용하여 설명한다. 상기 부호화 행렬은, 특정 개수의 안테나와 특정 개수의 전송 자원(resource)을 하나의 행렬 단위로 해서 구성된다. 본 발명에서 제공되는 다중 안테나 인코딩 방법을 통해 복수의 안테나를 종래보다 더 효율적으로 이용할 수 있다.
본 발명의 일 양상으로서, 다수의 송신 안테나를 이용하는 통신 시스템에 있 어서 다중 안테나 신호 전송 방법은, 둘 이상의 데이터 심볼을 포함하는 제1 데이터 심볼 그룹을 다중 안테나 인코딩하여 적어도 두 개의 동일한 제2 데이터 심볼 그룹을 형성하는 단계 및 상기 적어도 두 개의 제2 데이터 심볼 그룹 각각에 포함된 심볼들 중에서 동일한 데이터 심볼을 서로 다른 송신 안테나를 통해서 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 다른 양상으로서, 다수의 송신 안테나를 이용하는 통신 시스템에 있어서 다중 안테나 신호 전송 방법은, 둘 이상의 데이터 심볼을 이용하여 둘 이상의 전송 심볼을 구성하는 단계와, 둘 이상의 전송 심볼을 포함하는 제1 전송 심볼 그룹을 다중 안테나 인코딩하여 적어도 두 개의 동일한 제2 전송 심볼 그룹을 형성하는 단계 및 상기 적어도 두 개의 제2 전송 심볼 그룹 각각에 포함된 심볼들 중에서 동일한 전송 심볼을 서로 다른 송신 안테나를 통해서 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 또 다른 양상으로서, 다수의 송신 안테나를 이용하는 통신 시스템에 있어서 다중 안테나 신호 전송 방법은, 둘 이상의 데이터 심볼을 포함하는 제1 데이터 심볼 그룹을 직교 설계 조건에 따라 다중 안테나 인코딩하여 제2 데이터 심볼 그룹을 형성하는 단계 및 상기 제2 데이터 심볼 그룹에 포함된 데이터 심볼을 적어도 두 개의 서로 다른 송신 안테나를 통해서 적어도 두 번 이상 전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상술한 본 발명의 목적, 구성 및 다른 특징들은 첨부한 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 송신 시스템의 블록 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 송신 시스템은 매퍼(mapper)(200), 직/병렬 변환기(210), 다중 안테나 인코더(220), IFFT 변환부(230), 병/직렬 변환부(240), 보호구간(guard interval: GI) 삽입부(250), 송신 안테나 모듈(260a~260d)을 포함하여 이루어진다.
상기 매퍼(200)는 데이터를 전송하기 위해서 상기 비트열의 형태인 데이터를 둘 이상의 데이터 심볼(s1, s2, s3,...,sl)의 형태로 구성한다. 즉, 상기 매퍼(200)는 데이터 비트열을 입력받아 성상 매핑(예를 들어, QPSK, 16QAM 등) 등의 방법을 통해서 둘 이상의 데이터 심볼로 구성하여 출력한다.
상기 직/병렬 변환기(210)는 상기 출력된 직렬로 입력되는 데이터 심볼을 병렬 신호로 변환하여 출력한다. 상기 직/병렬 변환기(210)를 통해서 병렬 신호로 변환된 데이터 심볼들은 상기 다중 안테나 인코더로 입력된다(220). 상기 다중 안테나 인코더(220)는 입력된 데이터 심볼들을 안테나, 시간 및 주파수 자원에 따라서 인코딩을 수행한다. 즉, 상기 임의의 개수의 안테나에 대해서 인접한 임의의 심볼간 혹은 부 반송파 사이에 다중 안테나 인코딩이 수행된다. 상기 다중 안테나 인코딩 수행의 결과 혹은 과정은 행렬식을 통해서 표현될 수 있다. 이하 상기 다중 안테나 인코딩를 표현한 행렬식을 부호화 행렬이라고 한다.
상기 IFFT 변환부(230)는 다수의 송신 안테나에 상응하는 다수의 IFFT 모듈 들을 포함하여 이루어진다. 상기 각 IFFT 모듈은 입력된 데이터 심볼들을 주어진 부 반송파에 할당하여 시간 영역 신호로 변환한다. 즉, 상기 다중 안테나 인코딩를 통해 각 안테나 신호로 구분된 데이터 심볼이 입력되어 송신 안테나별로 부반송파 매핑이 수행된다. 상기 병/직렬 변환부(240)는 다수의 병/직렬 변환기를 포함하여 이루어진다. 상기 각 병/직렬 변환기는 병렬로 입력된 신호를 직렬의 데이터 심볼열의 형태로 변환하여 출력한다. 상기 병/직렬 변환기를 통해서 직렬 신호로 변환된 상기 데이터 심볼들은 보호구간 삽입부(250)로 입력된다. 상기 보호구간 삽입부(250)는 다수의 보호구간 삽입기를 포함하여 이루어지며, 상기 각 보호구간 삽입기는 심볼간, 채널간 간섭을 막기 위해서 심볼간 보호구간을 삽입한다. 상기 보호구간이 삽입된 데이터 신호 열은 각 송신 안테나(260a~260d)를 통해서 전송된다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 부호화 행렬은, 상기 특정 개수의 안테나와 상기 각 안테나에 주어진 상기 특정한 개수의 전송 자원을 하나의 전송 단위로 구성해서 적용된다. 상기 전송 자원은, 시간 슬롯(time-slot) 자원과 부 반송파(sub-carrier) 자원을 각각 독립적으로 할당하여 구성한다. 예를 들어, 4개의 송신 안테나와 4개의 전송 자원을 하나의 단위로 이용하는 경우를 설명한다. 상기 자원들은 시간 t의 시간 슬롯과 k번째 부 반송파를 할당받은 제 1 자원, 시간 t+T의 시간 슬롯과 k번째 부 반송파를 할당받은 제 2 자원, 시간 t의 시간 슬롯과 k+1번째 부 반송파를 할당받은 제 3 자원 및 시간 t+T의 시간 슬롯과 k+1번째 부 반송파를 할당받은 제 4 자원으로 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면으로서 다중 안테나 인코더를 통해 다중 안테나 인코딩이 수행되는 방법을 설명하기 위한 것이다. 이하 도 3을 참조하여 이하 상기 본 발명에 따른 다중 안테나 인코딩 방법의 일례를 설명한다.
이하 본 발명의 실시예들은 데이터 레이트가 '1'인 경우 4개의 송신 안테나와 4개의 전송 자원에 적용한 것들이다. 상기 데이터 레이트(data rate)는 상기 특정 개수의 전송 자원으로 이루어진 하나의 전송 단위에 전송되는 데이터 심볼의 개수와 상기 특정 개수의 송신 안테나와의 비율을 의미한다. 예를 들어, 상기 송신 안테나의 개수가 4개이며, 상기 하나의 전송 단위 동안에 전송되는 데이터 심볼이 s1, s2, s3, s4의 4개인 경우에는 상기 데이터 레이트가 '1'이 된다.
도 2의 시스템과 비교할 때, 상기 송신 시스템에서 매퍼(mapper)(200), 직/병렬 변환기(210), 다중 안테나 인코더(220), IFFT 변환부(230), 병/직렬 변환부(240), 보호구간(guard interval: GI) 삽입부(250), 송신 안테나 모듈(260a~260d)에서 이루어지는 동작은 동일하다. 다만, 상기 다중 안테나 인코더(220)에 있어서, 인코딩 방법에 차이가 있다. 이하 상기 다중 안테나 인코딩 과정에 대해 상세히 설명한다.
표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 인코딩 방법을 설명하기 위한 부호화 행렬을 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00003
표 3의 부호화 행렬에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 4개의 안테나를 통해 s1, s2, s3, s4 의 심볼을 전송한다. 상기 s1, s2, s3, s4의 4개의 데이터 심볼들에 대해 상기와 같이 직교 설계를 이용하여 각 안테나별로 전송할 신호를 구성한다. 또한, 상기 각 안테나를 통해 데이터 심볼을 전송하되, 적어도 두 개의 전송 안테나를 이용하여 동일한 데이터 심볼 구성이 반복해서 전송되도록 한다.
도 3을 참조하여 각 송신 안테나별로 설명하면, 상기 제1 안테나(Tx1) 및 제2 안테나(Tx2)를 통해서 s1, -s2*, s3, -s4*의 다중 안테나 인코딩된 데이터 심볼들을 전송한다. 그리고, 제3 안테나(Tx3)와 제4 안테나(Tx4)를 통해서 s2, s1*, s4, s3*의 다중 안테나 인코딩된 데이터 심볼들을 전송한다.
상기 제1 안테나(Tx1) 및 제2 안테나(Tx2)의 경우에 있어서 더욱 자세하게 각 전송 자원별로 설명하면, t 시간 및 k 부 반송파로 이루어지는 제 1 자원의 경우, s1을 두 번 반복하여 각 안테나를 통해 전송한다. t+T 시간 및 k 부 반송파로 이루어지는 제 2 자원의 경우, 상기 직교 설계에 기반한 코드 행렬을 이용하는 행렬 구조를 이루도록 구성된 -s2*의 데이터 심볼을 두 번씩 반복해서 전송한다. t 시간 및 k+1 부 반송파로 이루어지는 제 3 자원의 경우, s3 을 두 번 반복하여 전송하고, t+T 시간 및 k+1 부 반송파로 이루어지는 제 4 자원의 경우도 -s4*을 두 번 반복하여 전송한다. 상기 두 번 반복하여 전송할 때 각각 제1 안테나(Tx1)와 제2 안테나(Tx2)를 통해서 전송한다.
제3 안테나(Tx3)와 제4 안테나(Tx4)의 경우도 상기 제1 안테나(Tx1)와 제2 안테나(Tx2)를 통해서 s1, -s2*, s3, -s4*의 데이터 심볼을 전송한 방법으로, s2, s1*, s4, s3*의 데이터 심볼을 전송한다.
상기 방법으로 데이터 심볼을 전송하면, 각 안테나에 할당된 전송 자원을 모두 사용할 수 있어 자원 이용 효율 면에서 좋은 효과가 있게 된다. 즉, 표 1의 부호화 행렬을 통해 다중 안테나 전송을 할 때는 하나의 전송 자원에 대해 두 개의 안테나만을 이용하기 때문에 나머지 두 개의 안테나에 할당된 해당 전송 자원을 사용하지 않는다. 그러나, 표 3에서 제시된 부호화 행렬을 통해서는 할당된 모든 전송 자원을 사용하게 되어 자원 이용 효율이 좋아진다. 또한, 시간 및 공간뿐만 아니라 주파수 자원에 대한 다이버시티 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 부호화 행렬에 따라 다중 안테나 인코딩하면, 상기 직교 설계에 따른 결과, 상기 표 3의 행렬에서 제1 행과 제2 행이 서로 직교성을 갖는다. 즉, 첫 번째 행(시간 t, 부 반송파 k)을 r1, 두 번째 행(시간 t+T, 부 반송파 k)을 r2라고 하면 r1=[s1, s1, s2, s2], r2 =[-s2*, -s2*, s1*, s1*]이 된다. 그리고, r1r2 H 즉, 상기 벡터의 행들에 대한 내적의 합이 '0'이 된다. 상기와 같이 내적의 합이 '0'이 되는 경우를 '직교한다' 라고 한다.
상기 부호화 행렬에 있어서, 각 행 및 열에 대해 모두 직교성을 만족하지 못하는 경우에는 수신 단에서의 디코딩 과정에 있어서, 채널 벡터로 이루어지는 수신 식에 상응하는 행렬식의 역행렬을 구하는 복잡한 과정이 요구된다. 하지만, 표 3에서 제시된 행렬을 이용하면 각 행 및 열이 직교 설계되었기 때문에 상기와 같은 과정을 거치지 않고, 단순한 선형계산으로 상기 다중 안테나 인코딩의 디코딩 과정이 이루어진다. 즉, 전송되는 행렬이 직교 설계된 경우에는, 디코딩을 할 때 심볼 단위로 분리해서 디코딩할 수 있기 때문에 수신기의 구조가 간단해 지고, 단순한 선형 계산만으로 수신 신호의 복원이 가능하므로, 수신기의 복잡도가 안테나의 개수에 따라서 상대적으로 간단한 장점이 있다.
표 1에서 제시된 부호화 행렬을 사용한 경우와 표 3에서 제시된 부호화 행렬을 사용한 경우를 비교하여 설명하면 다음과 같다.
수학식 1은 표 1에서 제시된 부호화 행렬을 사용하여 신호를 다중 안테나 인코딩한 경우 수신식을 나타낸 것이다.
Figure 112006074523540-pat00004
수학식 1에서 hm ,k는 k번째 부 반송파의 m번째 전송 안테나에 해당하는 채널 벡터(channel vector)를 의미한다. v는 잡음 신호를 의미한다. 신호대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)를 이용해서 채널 상태의 양호 정도를 판단할 수 있다. 수학식 1과 같은 수신식이 얻어지는 경우에 s1에 대한 SNR을 계산하면 아래 수학식 2와 같다.
Figure 112006074523540-pat00005
수학식 2에서
Figure 112006074523540-pat00006
는 신호에 대한 전력을 의미하고,
Figure 112006074523540-pat00007
는 잡음에 대한 전력을 의미한다. 상기
Figure 112006074523540-pat00008
와
Figure 112006074523540-pat00009
의 값은 사용자가 지정하면 채널 상황에 따라 변하지 않고 고정될 수 있는 값이기 때문에, SNR은
Figure 112006074523540-pat00010
의 값에 비례한다고 볼 수 있다.
수학식 3은 표 3에서 제시된 부호화 행렬을 사용하여 신호를 다중 안테나 인코딩한 경우 수신식을 나타낸 것이다.
Figure 112006074523540-pat00011
수학식 4는 표 1의 부호화 행렬을 이용하여 전송할 때와 전송 전력을 맞추어준 경우 수신식을 나타낸 것이다.
Figure 112006074523540-pat00012
수학식 1에서와 마찬가지로, 수학식 3과 수학식 4에 나타난 hm ,k는 k번째 부 반송파의 m번째 전송 안테나에 해당하는 채널 벡터를 의미하고, v는 잡음 신호를 의미한다.
수학식 4과 같은 수신식이 얻어지는 경우에 s1에 대한 SNR을 계산하면 이하 수학식 5와 같다.
Figure 112006074523540-pat00013
수학식 5에 나타난 hm ,k,
Figure 112006074523540-pat00014
,
Figure 112006074523540-pat00015
는 수학식 1, 2에 나타난 것과 동일한 의미이다. 마찬가지로 상기
Figure 112006074523540-pat00016
와
Figure 112006074523540-pat00017
의 값은 사용자가 지정하면 채널 상황에 따라 변하지 않고 고정될 수 있는 값이기 때문에 SNR은
Figure 112006074523540-pat00018
의 값에 비례한다고 볼 수 있다.
상기
Figure 112006074523540-pat00019
을 전개하면 이하 수학식 6과 같이 된다.
Figure 112006074523540-pat00020
수학식 6에서 나타난
Figure 112006074523540-pat00021
는 안테나 1과 안테나 2의 상관 계수를 나타낸다. 마찬가지로
Figure 112006074523540-pat00022
는 안테나 3과 안테나 4의 상관계수를 나타낸다. 상기
Figure 112006074523540-pat00023
과
Figure 112006074523540-pat00024
는 이하 수학식 7에서 제시된다.
Figure 112006074523540-pat00025
따라서, 표 3에서 제시된 부호화 행렬에 따라서 신호를 전송할 때,
Figure 112006074523540-pat00026
과
Figure 112006074523540-pat00027
이 될 경우에는 더 높은 SNR을 갖게 되어 디코딩 효과가 좋아진다. 즉, 안테나 1과 안테나 2를 통해 전송되는 신호의 양/음의 부호(plus/minus sign)가 동일한 경우 및 안테나 3과 안테나 4를 통해 전송되는 신호 의 양/음의 부호가 동일한 경우에 더 높은 SNR을 갖게 된다.
통신 시스템에 있어서, 수신 측이 전송 채널 상황을 확인하여 상기 채널 상황에 대한 정보를 송신 측으로 피드백하면, 상기 송신 측은 상기 피드백 정보를 이용하여 데이터 전송 효율을 높일 수 있다. 송신 측에서 송신 신호를 구성할 때 상기 수신 측이 전송한 피드백 정보를 이용하여 송신 신호를 구성하는 방식을 폐회로(closed loop) 방식이라고 한다. 그리고, 상기 폐회로(closed loop) 방식과 달리 상기 피드백 정보가 이용되지 않는 방식을 개회로(open loop) 방식이라고 한다.
상기 제시된 다중 안테나 인코딩 방법을 폐회로(closed loop) 방식에서 사용하는 경우를 설명한다. 수신 측에서 피드백한 채널 벡터에 대한 정보를 이용하여 상기 상관 계수의 실수부 혹은 허수부 값이 양수가 되는지 음수가 되는지를 알 수 있기 때문에 상기 값이 음수인 경우 신호의 부호를 음수로 하여 전송함으로써 상기 상관 계수의 실수부 혹은 허수부 값이 항상 양수가 되도록 할 수 있다. 그 결과 상기와 같이 더 높은 SNR을 갖도록 할 수 있다. 즉, 수신 단에서 전송 채널 벡터를 이용하여 상기 상관 계수를 계산한다. 그 결과 상기 상관 계수의 값이 양수인 경우에는 송신 단에서 상기 반복되는 신호의 양/음의 부호(plus/minus sign)를 양수 값으로 전송하고, 상기 상관 계수의 값이 음수인 경우에는 상기 반복되는 신호의 양/음의 부호(plus/minus sign)가 음수 값으로 전송한다. 따라서, 결과적으로 상관 계수의 실수 혹은 허수부의 값은 항상 양수 값이 생성될 수 있어서 상기와 같은 높은 SNR 효과를 얻을 수 있다.
하지만, 개회로(open loop) 방식에서 사용하는 경우에는, 상기와 같은 정보 를 얻을 수 없기 때문에 상관 계수의 실수 혹은 허수 부의 값이 음수가 될 수 있어, 오히려 SNR이 감소할 수 있다. 이 경우에는 상기 데이터 심볼을 패킷 단위로 전송하되, 상기 하나의 패킷에 포함되는 각 데이터 심볼에 상응하는 신호의 양/음의 부호를 양수 혹은 음수로 번갈아 가면서 전송할 수 있다. 전송 심볼의 반은 표 3에 제시된 부호화 행렬을 이용하여 전송하고, 전송 심볼의 나머지 반은 이하 표 4에서 제시된 부호화 행렬을 이용하여 전송할 수 있다.
Figure 112006074523540-pat00028
상기와 같이 표 3과 표 4에서 제시된 부호화 행렬을 동일한 비율로 바람직하게는 각 전송 단위에 교대로 사용하면, 채널 디코딩을 할 때, 선택성 이득(selectivity gain)의 면에서 개선된 효과가 있다.
표 3에서 제시된 부호화 행렬을 일반화하여 나타낸 것을 이하 표 5에서 제시한다.
Figure 112006074523540-pat00029
표 5은 s1, s2에 대한, 즉, 표 3의 상단의 2개 열에 대해서 일반화한 경우만 표현한다. 나머지 s3, s4에 대한 하단의 2개의 열에 대해서도 동일한 방법으로 일반화하여 확장가능할 것이다.
표 5에 나타난
Figure 112006074523540-pat00030
값은, 복소수 파라미터로 상기 행렬의 형태가 r1r2 H=0를 만족한다면 '0'을 제외하고 어느 형태로도 변형하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 개회로(open loop) 방식일 때는, 상기 파라미터
Figure 112006074523540-pat00031
를 임의의 복소수로 설정할 수 있다. 가장 간단한 것으로 +/-1과 +/-j되는 경우를 예로 들 수 있다. 표 3에서는
Figure 112006074523540-pat00032
=1,
Figure 112006074523540-pat00033
=+/1,
Figure 112006074523540-pat00034
=1,
Figure 112006074523540-pat00035
=+/-1가 되는 것이다. 이외에도 간단하게는 (
Figure 112006074523540-pat00036
=0.8,
Figure 112006074523540-pat00037
=+/-0.2,
Figure 112006074523540-pat00038
=0.8,
Figure 112006074523540-pat00039
=+/-0.2), (
Figure 112006074523540-pat00040
=0.2,
Figure 112006074523540-pat00041
=+/-0.8,
Figure 112006074523540-pat00042
=0.2,
Figure 112006074523540-pat00043
=+/-0.8)와 같이 전력(power) 비율을 다르게 하여 구성할 수도 있다. 상기 폐회로 (closed loop) 방식일 때는, 전력 비율(power ratio) 및 상관 계수의 양/음의 부호(plus/minus sign) 값 중에서 적어도 하나를 수신 단에서 피드백 받을 수 있다.
표 6은 수신 측에서 전송한 피드백 정보를 이용하여 가중치를 부가한 경우 부호화 행렬의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00044
표 6을 통해 알 수 있듯이, 수신 단으로부터 상기
Figure 112006074523540-pat00045
와
Figure 112006074523540-pat00046
의 전력 비율(power ratio) 및 상관 계수의 양/음의 부호(plus/minus sign) 값을 피드백(feedback)받아, 이를 이용하여 상기 부호화 행렬에 나타난 방식으로 전송할 심볼의 계수 및 부호를 결정한다. 상기 표 6에서는 상관 계수의 실수부 값만에 대해서 나타나 있지만, 상관 계수의 허수부 값에 대한 부호값을 이용할 수도 있다. 상기 sign()은
Figure 112006074523540-pat00047
과
Figure 112006074523540-pat00048
의 양/음의 부호(plus/minus sign) 값을 생성하는 함수이다. 그리고,
Figure 112006074523540-pat00049
과
Figure 112006074523540-pat00050
를 구하는 방법의 일례는 이하 수학식 8에서 제시한다.
Figure 112006074523540-pat00051
수학식 8을 통해 알 수 있듯, 상기
Figure 112006074523540-pat00052
과
Figure 112006074523540-pat00053
는 상관 계수의 실수부 값을 의미한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 이하 도 4를 참조하여 다중 안테나 인코딩 방법의 다른 일례를 설명한다. 이하 본 발명의 실시예는 데이터 레이트가 '1'인 경우 4개의 송신 안테나와 4개의 전송 자원에 적용한 것들이다.
채널의 시변 정도가 커서 연속된 OFDM 심볼 사이에 채널이 변화할 경우, 채널의 주파수 선택적 특성이 크지 않은 경우에는 인접 부 반송파(부 채널)의 심볼 사이에 다중 안테나 인코딩를 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 다중 안테나 인코딩가 주파수 영역에서 이루어진다. 도 2의 시스템과 비교할 때, 상기 송신 시스템에서 매퍼(mapper)(200), 직/병렬 변환기(210), 다중 안테나 인코더(220), IFFT 변환부(230), 병/직렬 변환부(240), 보호구간(guard interval: GI) 삽입부(250), 송신 안테나 모듈(260a~260d)에서 이루어지는 동작은 동일하다. 다만, 상기 다중 안테나 인코더(220)에 있어서, 인코딩 방법에 차이가 있다. 이하 상기 전송 자원의 한 단위가 동일한 시간 슬롯 자원(t)에 대해 4개의 부 반송파 자원(k, k+1, k+2, k+3)으로 이루어진 경우의 코딩 방법의 일례를 상세히 설명한다.
표 7은 상기 4개의 부 반송파 자원을 이용한 부호화 행렬의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00054
표 7에서 제시된 부호화 행렬은 표 5에서 제시된 행렬에 대해서 전송 자원을 다르게 구성한 실시예이다. 즉, 동일한 시간 슬롯(T)에 대해서 서로 다른 4개의 부반송파를 이용하여 한 전송 단위의 데이터 심볼을 전송한다. 이 경우에도 두 개의 송신 안테나를 통해서 동일한 데이터 심볼을 반복 전송하는 구조는 동일하게 적용된다. 즉, 제1 안테나(Tx1)와 제2 안테나(Tx2)를 통해서 4개의 부 반송파(k, k+1, k+2, k+3)에 할당될 s1, -s2*, s3, -s4*의 데이터 심볼을 전송하고, 제3 안테나(Tx3)와 제4 안테나(Tx4)를 통해서 s2, s1*, s4, s3*의 데이터 심볼을 전송한다.
표 8은 수신 측에서 전송한 피드백 정보를 이용하여 가중치를 부가한 경우 부호화 행렬의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00055
표 8에서 제시된 부호화 행렬은 상기 표 6에서 제시된 행렬에 대해서 4개의 부 반송파 자원을 통해 인접 부 채널(반송파)의 심볼 사이에 다중 안테나 인코딩를 적용한 것이다. 즉, 주파수 영역에서 다중 안테나 인코딩가 이루어진 것이다. 폐회로 방식에 있어서, 수신 단으로부터 상기
Figure 112006074523540-pat00056
와
Figure 112006074523540-pat00057
의 전력 비율(power ratio) 및 상관 계수의 양/음의 부호(plus/minus sign) 값을 피드백(feedback)받아, 이를 이용하여 상기 부호화 행렬에 나타난 방식으로 전송할 심볼의 계수 및 부호를 결정한다.
상기 부호화 행렬의 안테나 인덱스(index)는 상기 표에 의해 결정된 것에 한정되는 것이 아니라 임의로 정할 수 있다. 즉, 상기 행렬들의 열(column)에 표현된 전송 데이터 심볼들은 상기 표에서 제시된 안테나 외에도 임의의 안테나를 통해서 전송할 수 있다.
표 9는 송신 안테나 결정이 고정되지 않음을 고려한 부호화 행렬의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00058
표 9는 표 5의 부호화 행렬에 대해서 안테나 2와 안테나 3을 이용하여 전송할 신호를 서로 바꾸어 구성한 것으로, 안테나의 인덱스를 임의로 지정할 수 있다는 것에 대한 실시예를 보여준다.
또 다른 실시예로, 다중 안테나에 할당된 각 전송 자원에 대해서 하나 이상의 데이터 심볼들이 가중합(차)의 형태로 구성된 신호를 다중 안테나 인코딩하여 전송할 수 있다. 이 경우에도, 다수의 안테나의 동일한 전송 자원을 통해서 동일한 데이터 심볼을 전송하여 전송 효율을 높일 수 있다. 표 10은 상기 하나 이상의 데이터 심볼들로 구성된 신호에 대해 반복 전송하는 방법을 적용한 부호화 행렬의 일례를 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00059
표 10은 s1, s2, s3, s4의 4개의 데이터 심볼을 4개의 안테나와 4개의 전송 자원을 이용하여 전송할 때(데이터 레이트가 '1'인 경우) 적용할 수 있는 다중 안테나 인코딩 방법을 나타낸다. 표 10의 부호화 행렬에서는 s1, s3을 하나의 가중 합 형태로 구성하고 s2, s4를 다른 하나의 가중 합 형태로 구성하여 전송한다. s1, s3을 합의 형태로 구성한 데이터를 x1, s2, s4를 합의 형태로 구성한 데이터를 x2, s1, s3을 차의 형태로 구성한 데이터를 x3, s2, s4를 차의 형태로 구성한 데이터를 x4라고 한다. 상기 데이터 심볼들의 가중 합(차) 형태를 구성할 때
Figure 112006074523540-pat00060
는
Figure 112006074523540-pat00061
이 될 수 있으며
Figure 112006074523540-pat00062
값은 조절가능한 파라미터이다. 표 10에서 제시된 전송 방법은, 동일한 데이터 심볼을 이용하여 구성한 가중 합(차) 형태의 데이터를 두 안테나를 이용하여 전송한다. 제1 안테나와 제2 안테나를 통해서 x1, -x2*, x3, -x4*를 전송하고, 제3 안테나와 제4 안테나를 통해서 x2, x1*, x4, x3*를 전송한다. 표 10에서 제시된 다중 안테나 인코딩 방법도 상기 표 10에서 나타난 안테나로 고정되는 것이 아니라 임의의 안테나를 통해서 상기 다중 안테나 인코딩가 수행된 데이터를 전송할 수 있다.
Figure 112006074523540-pat00063
표 11은 표 10에서 제시된 부호화 행렬의 제 3 자원 및 제 4 자원에 대해서는, 제1 안테나와 제3 안테나를 통해 x3, -x4*를 전송하고, 제2 안테나와 제 4 안테나를 통해 x4, x3*를 전송하는 부호화 행렬을 나타낸다. 즉, 상기 부호화 행렬에서 안테나 인덱스에는 구속되지 않고, 이는 하나의 전송 단위 내에서도 그러하다.
상기 전송 심볼을 가중 합(차)의 형태로 구성하여 전송하는 경우에도 동일한 시간 슬롯에 대해 인접한 4개의 부 반송파(채널) 사이에 다중 안테나 인코딩를 적용할 수 있다. 이하 표 12 및 표 13은 주파수 영역에서 다중 안테나 인코딩가 이루어지는 방법을 나타낸다.
Figure 112006074523540-pat00064
표 12는 표 10에서 제시된 부호화 행렬의 전송 자원의 구분을 달리하여 적용한 부호화 행렬을 제시한다. 즉, 동일한 시간 슬롯 자원(t)에 대해 부 반송파 자원(k, k+1, k+2, k+3)으로 구분하여 할당된 자원으로 사용하는 경우에 적용할 수 있다.
Figure 112006074523540-pat00065
표 13은 표 11에서 제시된 부호화 행렬의 전송 자원을 동일한 시간 슬롯 자원(t)에 대해 부 반송파 자원(k, k+1, k+2, k+3)으로 구분하여 할당된 자원으로 사용하는 경우에 적용할 수 있는 부호화 행렬을 나타낸다.
또 다른 실시예로, 상기 다중 안테나 인코딩, IFFT, 병/직렬 변환, GI 삽입까지의 과정이 수행된 데이터 심볼들을 송신 안테나를 통해서 전송할 때 적어도 두 개 이상의 안테나를 통해서 전송할 수 있다. 즉, 반복해서 전송할 안테나들은 상기 GI 삽입까지의 절차는 함께 수행되고, 마지막으로 송신 안테나를 통해서 전송할 때 상기 구성된 데이터 심볼들을 다수의 안테나를 통해 전송함으로써 상기 동일한 데이터 심볼을 반복하여 전송하는 방법을 구현할 수 있다.
상기 제시된 표들을 통해서 설명된 본 발명의 실시예들은 각 행과 열을 통해 할당되는 시간, 주파수 및 안테나를 임의로 설정할 수 있으며 본 명세서를 통해서 제시된 실시예들에 한정되는 것이 아니다. 또한, 상기 부호화 행렬들을 통해서 데이터 심볼을 다중 안테나 인코딩하는 방법은 상기 다중 안테나 인코더를 통해서 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 상기 다중 안테나 인코딩를 수행할 수 있는 다른 장치를 통해서도 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 동일한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석될 것이다.
본 발명은 다수의 송신 안테나를 이용하는 이동 통신 시스템에 있어서, 다수의 안테나와 각 안테나에 할당된 전송 자원을 효율적으로 이용할 수 있다. 또한, 수신 신호를 복조하는데 더 간단하게 수행할 수 있다. 그리고, 수신 신호의 상태를 좋게 전송할 수 있는 방법을 제시하여 통신 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 다수의 송신 안테나를 이용하는 통신 시스템에 있어서,
    둘 이상의 데이터 심볼을 다중 안테나 인코딩하여, 각 전송 심볼 그룹이 일 송신 안테나에 대응하며 상기 둘 이상의 데이터 심볼로부터 생성된 복수의 전송 심볼을 포함하는, 적어도 두 개의 전송 심볼 그룹을 형성하고;
    상기 적어도 두 개의 전송 심볼 그룹 각각을 시간-주파수 자원 모음을 이용하여 해당 송신 안테나를 통해서 전송하되,
    상기 다수의 송신 안테나 중 적어도 2개의 송신 안테나는 동일한 데이터 심볼로부터 생성된 전송 심볼을 상기 시간-주파수 자원 모음 내 동일한 시간-주파수 자원 상에서 각각 전송하며,
    상기 적어도 2개의 송신 안테나 중 하나를 통해 전송되는 전송 심볼로 구성된 벡터 r1과 상기 적어도 2개의 송신 안테나 중 다른 하나를 통해 전송되는 전송 심볼로 구성된 벡터 r2의 내적의 합이 '0'인,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 전송 심볼 각각은 상기 둘 이상의 데이터 심볼 중 적어도 하나에 가중치가 부가된 것인,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 가중치는 복소수인,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간-주파수 자원 모음은 각 시간-주파수 자원이, 상기 다수의 송신 안테나 각각에 할당된, 시간 슬롯(time slot) 및 부 반송파(sub-carrier)로 구성되는 복수의 시간-주파수 자원을 포함하는,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    수신 단에서 상기 다수의 송신 안테나 각각의 채널 벡터(vector)를 통해 생성한 피드백 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 수신한 피드백 정보를 이용하여, 상기 둘 이상의 데이터 심볼 중 적어도 하나의 데이터 심볼에 가중치를 부가하는 단계를 더 포함하는,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드백 정보는,
    상기 채널 벡터(vector)를 이용하여 계산된 상관 계수(correlation coefficient)의 실수 부(real part) 및 허수 부(imaginary part) 중에서 어느 하나에 대해 취한 양/음의 부호(plus/minus sign) 정보인,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각 전송 심볼 그룹 내 각 전송 심볼은 상기 둘 이상의 데이터 심볼 중 두 데이터 심볼의 합과, 상기 두 데이터 심볼의 차 중 적어도 하나를 이용하여 구성되는,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 적어도 하나에 있어서,
    상기 둘 이상의 데이터 심볼은 s1 및 s2이고, 상기 다수의 송신 안테나의 개수는 4이며, 상기 시간-주파수 자원 모음 내 2개의 시간-주파수 자원을 이용하여 각 송신 안테나를 통해 전송되는 전송 심볼은 다음의 제 1 행렬로 표현되되
    Figure 112012078312277-pat00071
    ,
    상기 제1행렬의 각 행(row)는 일 시간-주파수 자원을 나타내고, 상기 제 1 행렬의 각 열(column)은 일 송신 안테나를 나타내며, 상기 제 1 행렬의 각 원소는 j-번째 시간-주파수 자원 (j=1,2)를 이용하여 i-번째 송신 안테나 (i=1,2,3,4)를 통해 전송되는 전송 심볼을 나타내고,
    α, β, γ 및 ξ는 상기 제 1 행렬의 첫 번째 행 벡터와 두 번째 행 벡터의 내적의 합이 '0'이 되도록 하는 '0'이 아닌 복소수인,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 데이터 심볼은 s1, s2, s3 및 s4이고, 상기 다수의 송신 안테나의 개수는 4이며, 상기 시간-주파수 자원 모음 내 2개의 시간-주파수 자원을 이용하여 각 송신 안테나를 통해 전송되는 전송 심볼은 다음의 제 2 행렬로 표현되되
    Figure 112012078312277-pat00072
    ,
    상기 제 2 행렬의 각 행(row)는 일 시간-주파수 자원을 나타내고, 상기 제 2 행렬의 각 열(column)은 일 송신 안테나를 나타내며, 상기 제 2 행렬의 각 원소는 j-번째 시간-주파수 자원 (j=1,2,3,4)를 이용하여 i-번째 송신 안테나 (i=1,2,3,4)를 통해 전송되는 전송 심볼을 나타내는,
    다중 안테나 신호 전송 방법.
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