KR101455992B1

KR101455992B1 - 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법

Info

Publication number: KR101455992B1
Application number: KR1020080011197A
Authority: KR
Inventors: 권영현; 박홍원; 조성구; 남기호; 김동철; 곽진삼; 문성호; 이현우; 한승희; 노민석
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2014-11-03
Anticipated expiration: 2028-02-04
Also published as: WO2009064108A3; US20100284477A1; US8406333B2; KR20090049972A; WO2009064108A2

Abstract

다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 전송 방법은 수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 송신단의 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형하며, 상기 신호를 상기 수신단에 전송하는 과정을 포함한다. 본 발명의 실시 형태들에 의하면, 송신 신호들을 사전등화함으로써, 수신단에서 코히어런트 조합을 가능하게 하고, 불필요한 파일럿을 줄여 파일럿 밀도를 감소시킬 수 있으며, 셀 내 간섭 및 셀 간 간섭을 감소시킬 수 있다.

다중 안테나, 송신 신호 변형, 코히어런트 검출

Description

다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법 {Method for transmitting singnal in multiple antenna system}

본 발명은 다중 안테나 시스템에서 신호 전송 방법에 관한 것으로, 채널 상태를 반영하여 송신 신호를 변형하거나 수신단에서 채널 추정이 용이하도록 부가 정보를 전송하는 신호 전송 방법에 관한 것이다.

통신 시스템에서의 동기화 과정은 크게 두 가지로 구분될 수 있다. 송신되는 패킷이 전송되어야 하는 시간을 절대적으로 정해놓고 시스템을 운영하는 셀룰러(cellular)망과 임의 타이밍을 허용하는 개인(private) 망으로 구분할 수 있다. 셀룰러 망의 경우에는 다양한 사용자에게 주어진 대역으로 최대한 효율적으로 데이터를 전송해야 하는 상업망으로서, 주파수/시간 자원을 최대한 절약하여 사용해야 한다. 하지만 무선랜(Wireless LAN)이나 무선 팬(Wireless PAN) 혹은 이더넷(ethernet)과 같이 그 리소스의 중요성이 문제되지 않는 경우에는 송수신 타이밍에 대해 자유롭다. 즉, 이 경우 송신단이 정하는 패킷의 시작지점에서 수신단은 패킷을 수신하고 응답을 보낼 때 자신만의 전송 타이밍으로 전송한다. 즉 송신단과 수신단의 동기화 과정에서는 단지 송신단에서 보낸 패킷의 시작점을 찾는 것을 필 요로 한다. 하지만 셀룰러 망과 같은 경우에는 모든 단말이 동시에 패킷을 전송할 수 있고 이들 간의 간섭을 줄이면서 망에 접근하기 위해서는 각 단말이 접근하고자 하는 네트워크의 특정 시간 지점에서 패킷을 전송해야 한다. 이를 위해서는 동기화 과정이 필요하다. 기지국은 동기의 기준시간을 동기 채널(synchronization channel)을 통해 전송하고, 단말들은 이들로부터 시스템의 기준시간을 확인한다. 랜덤 액세스 채널(Random Access Channel)은 기지국에 의해 수신 가능한 신호를 단말이 자신의 물리적 거리로 인한 모호성(ambiguity)을 무시하고 송신할 수 있는 영역이다. 이 물리적인 채널에서 기지국은 단말의 신호를 수신하고 검색된 단말들에 대해 망 접근을 허용하는 과정을 수행한다.

기지국에서 랜덤 액세스(random access) 신호를 수신하기 위한 채널은 3GPP LTE에서는 RACH로, IEEE 802.16에서는 레인징 채널(ranging channel)로 정의된다. 또한 이들 채널에 전송되는 신호는 3GPP LTE에서는 Zadoff-Chu CAZAC이 사용되고 있고, IEEE 802.16에서는 PN 시퀀스가 사용된다. 단말이 랜덤 액세스 채널을 접근할 때, 단말은 이미 정해진 시퀀스 셋 중 하나를 선택하여 정해진 타이밍에 전송한다. 기지국은 시퀀스 셋 전체에 대한 검색을 수행한다. 기지국에서 수신된 신호가 있다고 판단되면, 해당 시퀀스 ID에 대한 응답을 브로드캐스트(broadcast)한다.

송신단에서 전송하는 신호는 송신단과 수신단 사이의 채널에 의해서 왜곡된 후 수신단에 전달된다. 이 신호가 검출되는 시점에서는 여러 단말이 전송한 신호가 동시에 발견된다. 이때, 본래 랜덤 액세스로 사용한 신호구조에 의거하여 성능이 결정된다. 하지만 이와 같은 검출 성능은 중간 채널 영향에 따라 신호구조의 특징 이 저하되면서 신호 간 간섭이 증가한다.

수학식 1은 채널 경과 영향에 따른 수신단의 신호를 나타낸 것이다.

Rx = Ha*Sa + Hb*Sb

송신단 A의 신호 Sa와 송신단 B의 신호 Sb가 수신단에 수신되는 경우, 수신단에서는 채널 경과 영향으로 수학식 1과 같이 수신된다.

각 시퀀스와 상관(correlation)을 구하면 수학식 2와 같이 표현된다.

Da = Ha*Rsa + Hb*Sb*Sa

여기에서 Rsa는 시퀀스 Sa의 자기상관(autocorrelation)으로 특정 지점, 즉 타이밍 에러가 0이 되는 지점에서 1의 값을 갖는 함수이다. 따라서 채널 영향이 없다면 Da = 1 + delta와 같이 검출되어 본래 시퀀스가 의도하는 형태의 특징을 갖는다. 하지만 채널의 영향이 남을 경우 수학식 2의 간섭항에 의해 성능이 저하되는 문제를 발견할 수 있다. 이 성능저하를 막기 위해서는 수학식 2의 간섭항의 영향이 줄어들도록 주파수나 시간 영역에서 신호가 구분될 수 있어야 한다. 현재 LTE에서는 이 간섭을 줄이기 위한 방안으로 다른 랜덤 액세스 시퀀스(random access sequence)를 사용하면서 루트 시퀀스(root sequence)를 변화시켜 간섭을 줄이는 방법, 순환이동(cyclic shift)을 이용하여 채널 응답이 서로 다른 시간 영역에 나타나도록 하는 방법 등이 고려된다. 하지만 IEEE 802.16에서는 PN 시퀀스를 사용함으로써 시간영역에서의 간섭은 줄어들지 않으며 루트 인덱스(root index)를 변화시켜 상호상관(cross correlation)으로 신호들을 구분할 수 있을 뿐이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 통신 시스템에서 송신단과 수신단 사이에 타이밍 모호성(timing ambiguity) 및 다중 기기간의 간섭을 최소화할 수 있도록 송신단에서 신호를 생성하여 전송하는 신호 전송 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 전송 방법은 수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 송신단의 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형하며, 상기 신호를 상기 수신단에 전송하는 과정을 포함한다.

바람직하게는, 상기 사전등화를 수행하는 과정에서, 상기 다중 안테나에 의한 채널들의 신호 간에 위상차가 최소가 되도록 상기 신호의 위상을 조절할 수 있다.

바람직하게는, 상기 송신단의 신호는 랜덤 액세스 신호일 수 있다. 이때 , 상기 추정된 채널은 RACH 또는 레인징 채널 중 어느 하나일 수 있다.

바람직하게는, 상기 사전등화를 수행하는 과정에서, 상기 수신단의 안테나 수가 송신단의 안테나보다 많은 경우, 상기 송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가할 수 있다.

바람직하게는, 채널을 추정하는 과정은 TDD 시스템의 상향링크 채널과 하향 링크 채널 사이의 상호관계에 따라 채널을 추정하는 과정일 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 신호 전송 방법은 송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가하고, 상기 신호와 함께 상기 추가된 파일럿 정보를 I채널 또는 Q채널 중 적어도 하나의 채널을 통해 상기 수신단에 전송하는 과정을 포함한다.

바람직하게는, 상기 파일럿 정보를 추가하는 과정에서, 상기 송신단의 신호가 심볼 단위로 구성되는 경우, 상기 신호에 파일럿 심볼을 추가할 수 있다.

바람직하게는, 상기 파일럿 정보를 추가하는 과정에서, 상기 송신단의 신호에 파일럿 심볼을 추가하는 경우, 상기 수신단의 안테나 수에서 상기 송신단의 안테나 수를 뺀 값에 해당하는 수의 파일럿 심볼을 추가할 수 있다.

바람직하게는, 상기 파일럿 정보를 추가하는 과정에서, 상기 송신단의 신호에 파일럿 시퀀스를 추가하는 경우, 상기 송신단의 안테나 수에 비례하는 파일럿 시퀀스를 추가할 수 있다.

바람직하게는, 상기 파일럿 정보를 추가하는 과정에서, 상기 송신단의 신호에 파일럿 시퀀스를 추가하는 경우, 상기 파일럿 시퀀스를 특정 성좌에 매핑할 수 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 신호 전송 방법은 송신단의 신호를 수신단에서 사용되는 성좌들 중 다른 송신단에 의 해 선택된 성좌와 최소로 겹치는 성좌들을 선택하고, 상기 선택된 성좌들에 상기 송신단의 신호를 매핑하며, 상기 매핑된 신호를 상기 수신단에 전송하는 과정을 포함한다.

바람직하게는, 상기 송신단은 BPSK 변조를 이용하고, 상기 수신단은 QPSK 변조를 이용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 성좌들을 선택하는 과정에서, 상기 송신단의 변조 모드에 해당하는 갯수의 성좌를 선택할 수 있다.

바람직하게는, 상기 송신단의 신호를 매핑하는 과정에서, 상기 수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형할 수 있다.

본 발명의 실시 형태들에 의하면, 송신 신호들을 사전등화(Pre-equalization)하거나 채널 추정을 위한 부가정보를 포함하거나 전송신호의 구조를 변형하여, 수신단에서 코히어런트 조합(coherent combining)을 가능하게 하고, 불필요한 파일럿을 줄여 파일럿 밀도를 감소시킬 수 있으며, 셀 내 간섭 및 셀 간 간섭을 감소시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

이하에서, 다중 안테나를 갖는 송신단 및 수신단은 다중 안테나를 갖는 하나의 기기와 단일 안테나를 갖는 다중 기기 등 가능한 경우를 모두 포함한다. 이들은 통상 가상(virtual) MIMO 또는 상보적(collaborative) MIMO의 경우에 해당한다.

도 1은 비트 시퀀스로부터 변조 신호를 생성하는 과정을 도시한 것이다.

도 1의 블록들은 비트 시퀀스를 심볼로 변환하는 비트-투-심볼(110), 전송 심볼을 특정 성좌(Constellation) 조합으로 매핑(mapping)하는 심볼 매퍼(symbol mapper)(120), 채널이나 파일럿(Pilot) 정보를 제어하는 프리코딩(precoding) 부분(130) 및 프리코딩된 신호를 수신단에 전송하기 위한 신호로 변조하는 변조 부분(140)을 포함한다. 또한, 이와 같이 신호를 생성한 후에 서로 다른 단말이 각각 I채널, Q채널을 통해 생성된 신호를 전송할 수 있다. 전송 심볼의 구조를 QPSK 이상으로 정하는 경우에는 송신단에서 특정 성좌의 부분집합으로 신호를 생성하여 전송할 수 있다.

바람직하게는, 동일 단말이 레인징 시퀀스(ranging sequence) 검출 성능을 향상시키기 위해 I채널 및 Q채널을 동시에 사용하여 신호를 전송할 수도 있다. 이 경우 송신단은 채널정보 보상 용도로 모두 동일한 시퀀스 또는 서로 다른 시퀀스를 I채널 및 Q채널을 통해 전송하고, 수신단에서 이를 검출한다. 여기서, 동일 단말이 사용하는 여러가지 시퀀스는 동일 시퀀스의 변형된 시퀀스를 포함한 일반적인 시퀀스일 수 있다. 이 경우, 사전등화 과정을 생략할 수 있다. 이에 따라 다이버시티 이득을 얻을 수 있고 신호 검출의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

위와 같은 전송 방식은 초기 네트워크 접근(network access) 과정에서 추가 적인 정보 전송을 가능하게 한다. 이를 통해 듀플렉스 방식과 같은 단말 정보 또는 우선권(priority) 정보를 전송할 수 있어 긴급(emergency) 환경, 우선 채널 할당 요구 등 다양한 방식으로 활용될 수 있다. IEEE 802.16e 기반의 시스템의 경우 동일한 시퀀스를 통해 대역폭 요청(bandwidth request), 핸드오버(handover), 주기적 레인징(periodic ranging) 등에 위와 같은 전송 방식을 활용하여 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한, 부가 정보를 통해 우선 채널을 할당하거나 버퍼 크기 등 스케줄링 요청하면서 추가 정보를 전송할 수 있고, 핸드오버 과정에 필요한 정보를 전송할 수도 있다.

또한 수신 안테나 수가 2개 이상일 경우에는 부가되는 시퀀스는 파일럿으로 사용될 수 있다. 이에 따라 수신단에서 다중 안테나 사이의 코히어런트 검출(coherent detection)이 가능해진다. 이때 부가되는 시퀀스는 특정 I채널 또는 Q채널에 한정될 수도 있지만, 부가정보가 포함될 경우에는 임의의 I채널 또는 Q채널에 추가되어 전달될 수 있다.

OFDM기반 신호의 생성은 보통 주파수 영역에 데이터를 싣는 것으로 시작된다. 전송될 비트 시퀀스는 심볼 시퀀스로 변환되고 심볼 시퀀스는 부반송파(subcarrier)에 일정한 규칙에 따라 매핑된다.

본 발명에서는 이 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정 중 혹은 과정의 완료 후에 채널 변화를 보정하거나 수신 성좌의 위치가 특정한 위치가 되도록 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시 예는 신호를 전송하기 전에 특정 방식으로 변형하여 수신 신호의 형태를 조절하는 것이다. 이는 일종의 사전등화로 볼 수 있다. 특 히, 수신단에 수신되는 신호는 채널의 영향을 받을 수 있으므로 송신 신호를 채널에 근거하여 미리 변형하는 것이 바람직하다. 송신단에서 미리 채널을 보상하기 위해 수신단으로부터 채널 정보를 피드백 받을 수 있다. TDD(Time Division Duplex)의 경우에는 채널의 상호관계(reciprocity)를 이용하여 채널을 추정할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는 송신단의 신호가 수신단에서 특정한 형태로 보이도록 조정하는 과정을 포함한다. 그 적용대상은 랜덤 액세스 신호뿐만 아니라 데이터나 제어 채널 등이 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호 전송 방법의 흐름도이다.

먼저, 수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되는지 판단한다(S210). 채널 상태 정보가 수신되지 않으면, 사전등화를 수행하지 않고 신호를 전송한다(S230).

이때, 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 채널을 추정하고, 추정된 채널에 따라 프리코딩 행렬을 결정한다. 이후, 송신단 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 프리코딩 행렬을 이용하여 송신단 신호의 사전등화를 수행한다(S220). 이때, 사전등화는 송신단에서 신호를 변형하는 일 예에 해당하고, 본 발명의 기술적 보호 범위는 여기에 한정되지 않는다.

랜덤 액세스 시퀀스 전송의 경우에도 접근 방법은 시퀀스 자체로 특수한 특징, 즉 상호상관이 최소가 되고 자기상관이 최대가 되도록 수신 신호가 델타 함수(delta function)처럼 보이도록 하는 것이다. 랜덤 액세스(Random access)에서는 송신단에서 발생하는 신호들이 서로 충돌하지 않으면서 여러 송신단의 랜덤 액세스(random access) 신호 끼리 간섭이 최소가 되수록 송신단과 수신단의 동기를 맞 추는데 더 정확한 처리를 수행할 수 있기 때문이다. 수신단에서 처리될 신호를 송신단에서 특수하게 변형하면 최초 설계된 시퀀스의 특징을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 채널의 영향이나 서로 다른 단말이 같은 시퀀스를 사용하는 경우에도 충돌(collision)이나 간섭(interference)이 감소할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는 수신단에서 랜덤 액세스 신호를 수신함에 있어서 여러 신호 간의 간섭 정도를 낮출 수 있도록 송신단의 신호를 변형한다. 이와 같은 방법은 랜덤 액세스 신호 뿐만 아니라, 임의의 전송 신호에 대해서도 적용할 수 있다.

마지막으로, 사전등화가 수행된 신호를 다중 안테나로 수신단에 전송한다(S230).

본 발명의 다른 실시 예에서는 송신단의 안테나보다 많은 안테나를 갖는 수신단에 신호를 전송하는 경우, 송신단 신호에 파일럿 정보를 추가한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 신호 전송 방법의 흐름도이다.

먼저, 송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가한다(S310).

다음, 추가된 파일럿 정보를 송신단 신호와 함께 I채널 또는 Q채널 중 적어도 하나의 채널을 통해 수신단에 전송한다(S320).

본 발명의 다른 실시 예는 미리 정해진 방법으로 신호를 변형하는 경우에도 적용될 있다. 즉 신호의 전송을 단순히 I채널이나 Q채널로 구분한 경우, 하나의 송신단이 I채널을 사용하면, 다른 송신단은 Q채널만 사용한다. 한편, 송신단에서 해 당 채널에 대해 등화(equalization)된 수신 신호는 수신단에서 I채널 및 Q채널로 구분될 수 있다.

상술한 내용을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

채널을 보상하는 방법은 송신단과 수신단의 안테나 구성에 따라 운용형태가 변형될 수 있다.

일반적으로 다이버시티를 중심으로 하는 안테나 설정(antenna configuration)이라면, 즉 수신단에 1보다 큰 N개의 안테나가 있고 송신단에 1개의 안테나가 있을 경우에는 N개의 안테나 경로(antenna path)가 존재한다. 수신단에서 N개의 안테나로 수신된 신호를 복원하기 위해 N개의 채널을 추정하고 각 채널에 대한 보정을 한 후에 신호의 합산을 수행하게 된다. 채널을 추정하기 위해 송신단에서 파일럿 정보를 전송하면 수신단은 그 파일럿 정보를 토대로 각 안테나에서 수신한 신호와 비교하여 채널을 추정한다. 따라서, 이 경우 각 안테나별로 채널을 추정하는데 문제가 없고, 수신된 신호를 코히어런트 조합하는데 문제가 되지 않는다.

만약 전송 신호에 파일럿이 같이 전송되지 않는 경우, 즉 특정 시퀀스 셋 중에 하나를 선택하여 보내는 경우 수신단에서는 어떠한 시퀀스가 전송되었는지 파악할 수 없고, 각 안테나별로 채널을 추정할 수 없으며, 검출은 코히어런트 방식으로 접근할 수 없다. 단일(Single) 부반송파 기준으로 수신단의 N개의 안테나까지의 채널을 h_i라고 하면, N개의 안테나에서 수신된 신호를 코히어런트 조합하기 위해 각 신호의 위상(phase) 차이를 없애야 한다. 즉, 수학식 3과 같이 추정하는 것이 최적 값이 된다.

H_coh = |h₁| + |h₂| + ... + |h_N|

이를 단일 부반송파 상에서 전송되는 신호에 대해서 단일 주파수/시간 빈(bin)/공간(space), 즉 하나의 안테나로 하나의 부반송파를 통해 송신되는 1개의 신호를 수학식 3과 같이 수신되게 하기는 어렵다.

채널 추정을 위한 최소의 파일럿을 포함하는 것은 전체 성능을 개선시키는 방법이다. 특히 현재 IEEE 802.16 시스템에서처럼 레인징에 파일럿을 사용하지 않는 것보다 일정 수준이상의 파일럿을 첨가하는 것이 수신단의 성능을 개선시킬 수 있는 적절한 방법이다.

반대로 수신단이 안테나 1개를 가지는 경우 그리고 송신단에 M개의 안테나를 가지는 경우에는 M개의 채널이 생성되지만 수신단에서는 M개의 채널이 합산되어 수신된 신호만 존재하게 된다. 다시 말해서, 수신단에서 특별한 조작 예를 들어, M개의 신호를 구분하기 위해 M의 자유도를 주파수/시간/코드 등의 자원을 할당하여 수신신호를 처리하지 않는 한 M개의 채널이 합산되어 수신될 뿐이다. 이러한 현상은 셀룰러에서처럼 하향링크에서 많이 나타나지만, 업링크에서도 발생할 수 있다. 이때, TDM시스템에서와 같이 채널의 상호관계를 가정하거나 채널 상태 정보 피드백(channel status information feedback)이 존재하는 경우에는 각 안테나에서 전송되는 신호를 미리 보정하여 전송한다. 즉, 각 안테나에서 수신안테나까지의 채널 을 h₁, h₂, ... , h_M이라고 하면 수신단에서 최적의 신호를 수신하게 하는 방법은 송신 신호들을 미리 사전등화를 수행하여 보내는 것이다. 이렇게 하면 신호가 수신 안테나에 전달되었을 때 이상적인 M개의 채널을 통해 전달된 신호이므로, M배의 SNR 이득을 얻을 수 있다.

그러나, 실제 송신단에서 각 부반송파별로 파워를 달리하는 것은 선호되지 않는다. 특히 사전등화와 같이 채널을 미리 보상하기 위해 깊은 페이딩(deep fading)에 빠진 부분까지 채널의 역을 사용하여 파워를 할당하게 되면 규칙적 스펙트럴 마스크(regulatory spectral mask)를 어기게 될 가능성이 크다. 따라서, 송신단에서는 최소한의 파워 제어만 할 수 있다. 또는, 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density; PSD)는 조절하지 않은 채 각 안테나와 수신단 사이의 채널이 리얼 채널이 되도록 하거나 혹은 특정 위상값이 되도록 미리 송신 신호의 위상을 변화시킬 수 있다. 상기 위상 변동은 손쉽게 얻을 수 있는데, 상기 위상 변동에 따르면, 수신단에서의 총 수신 신호는 수학식 4와 같이 보이게 된다.

H_eq * s = (|h₁| + |h₂| + ... + |h_M|) * s

이는 코히어런트 검출과 같은 다이버시티 이득을 갖게 된다.

한편, 송신단에 M개의 안테나가 있고 수신단에 N개의 안테나가 있는 경우는 다음과 같다. 먼저 M과 N이 같은 경우, 송신단과 수신단은 풀랭크(full rank) 관계에 있게 되고, 송신단에서의 보정은 상기 풀랭크 채널의 변형을 반영한다. 각 안테 나에 송신될 신호 셋을 s_T=[s₁, s₂, ... , s_M]이라고 하고 수신된 신호를 s_R=[r₁, r₂, ... , r_N]이라고 할 때, 이들의 관계는 하나의 부반송파에 대해 수학식 5와 같이 표현된다.

s_R = H*s_T

여기에서 H는 채널 행렬(channel matrix)로서, 구성요소 H(i,j)는 i번째 수신 안테나에서 j번째 송신 안테나로의 채널을 나타낸다. s_T에 파일럿이 포함되지 않는 경우에는 수신단에서 채널을 추정할 수 없으므로 송신신호의 보정이 필요한데, 보정된 신호 s'_T는 수학식 6과 같다.

s'_T = H_pre * s_T

여기서 H_pre는 채널 행렬 H와 결합되어 수신된 신호가 특정한 형태를 갖도록 변형하는 프리코딩 행렬(precoding matrix)이다. 이 둘의 조합으로 나오는 H_rx = H * H_pre이다. 수신신호를 조합하기 용이한 형태 혹은 SNR이 최대가 되는 형태가 되게 H_pre를 설정할 수 있다. 만약 수신단에서 s_T를 코히어런트 조합하고자 한다면, H_rx는 수학식 7과 같은 형태일 수 있다.

H_rx = diag{exp(j θ₁) exp(j θ₂) ... exp(j θ_M)}

여기에서 θ_i는 모두 동일한 값일 수 있다. 실제 시스템에서는 H_pre의 값에 따라서 부반송파 파워 스펙트럼 밀도가 규칙 마스크(regulation mask)에 의해 영향받을 수 있기 때문에, 수학식 7과 같이 균일한 파워 수신을 가정할 수는 없다.

실제 수신단에서의 채널 행렬은 수학식 8과 같이 수신단에서의 균등한(equivalent) 채널은 이미 알려진 θ_i의 값에 알려지지 않은 파워 펙터(factor) 형태로 표시될 수 있다.

H_rx = diag{r₁*exp(j θ₁) r₂*exp(j θ₂) ... r_M*exp(j θ_M)}

따라서 H_pre의 설계는 수신단에서 받아야 하는 θ_i 값 조합에 대해서, 송신단의 파워 스펙트럼 밀도 기준(PSD criterion) 예를 들어, 모든 안테나에서의 송신 파워레벨이 같은 조건을 만족하도록 r_i들을 조절하면서 H_pre의 구성요소를 설계할 수 있다.

이와 같은 설계는 송신단과 수신단 사이에 채널 상태 정보(CSI)가 공유되거나 TDD와 같이 채널의 상호관계로부터 채널을 추정한 경우에 사용할 수 있다.

송신 안테나의 개수가 수신 안테나의 개수보다 작은 경우(M < N), 송신단에서의 H_pre는 수신단의 모든 θ_i의 조건을 만족시킬 수 없다. 이 경우 랭크 M 만큼의 자유도에 대해서는 H_pre를 통해서 수신단에서의 수신 신호의 θ_i를 조절할 수 있으 나, N - M 만큼의 자유도에 대해서는 파일럿을 통해 채널을 추정할 수 있다. 즉, 이 경우 N - M만큼의 자유도를 보장하기 위해서 송신 신호는 부반송파보다 많은 심볼을 사용하게 되고 (x-1)M <= N - M < xM 이면 x개의 부반송파가 더 필요하다. 추가로 전송되는 심볼은 파일럿의 역할을 수행한다. 수신단에서는 송신단에서의 H_pre에 의한 보정과 파일럿으로부터 얻어지는 채널추정을 통해서 코히어런트 검출을 수행할 수 있다. 또는, 랭크 부족(rank deficiency)을 고려하여 사전 등화기(pre-equalizer)를 랭크 M으로 변경가능하고, 이 경우에서는 수학식 7 또는 수학식 8에서 수신 신호의 유효 차원(dimension)을 M으로 설정가능하고, N - M은 0이 되도록 사전 등화기(pre-equalizer)를 설계할 수 있다. 이후의 과정은 상술한 바와 같다.

한편, 송신 안테나의 개수가 수신안테나 개수보다 많은 경우(M> N), 송신단에서의 H_pre는 수신단에서의 θ_i에 대한 조건을 만족시킬 수 있도록 설계가 가능하기 때문에, M=N인 경우의 설계 기준에 맞추어서 전송신호를 보정할 수 있다.

위와 같이 사전등화를 수행하는 경우, TDD와 같이 채널의 상호관계를 이용하기 어려운 FDD(Frequency Division Duplex) 환경에 있어서는 수신단은 피드 포워딩(feed-forwarding) 정보를 채널 상태 정보의 형태보다는 미리 정의된 코드북(pre-defined codebook) 정보의 형태로 전송하여 부가 제어정보 전송량을 줄일 수 있다.

한편, 신호 전송에 있어서 단일 심볼 단위의 정보 전달이 아닌, 시퀀스 개념의 전송을 시도하는 경우에도, 부반송파 상에 직접 파일럿을 정의하거나 각 심볼별 로 상술한 바와 같은 채널 보정을 수행할 수 있다. 또는 채널 추정을 위해 OFDM 심볼의 일부 또는 전체 대역을 할당하여 파일럿으로 사용할 수도 있다. 하지만 시퀀스를 전송하는 경우 대부분 시퀀스 자체가 리던던시(redundancy)를 가지고 있으므로 수신단에서 채널 추정을 가능하게 하기 위해 파일럿을 추가하는 것은 낭비일 수 있다. 따라서 채널 추정을 위한 부반송파나 OFDM 심볼을 할당하지 않고 시퀀스의 특징을 이용하여 수신단에서 채널 추정을 하게 할 수 있다. 상술한 바와 같이 송신 시퀀스가 수신단에 전달될 때 채널의 상태를 특정 수신 채널 형태로 보정할 수 있는 경우에는 이러한 시퀀스를 사용할 필요가 없다.

그러나, FDD의 경우 또는 채널 상태 정보(CSI) 전달량이 많은 경우, 전송하는 방법으로 채널 추정을 위한 특정 시퀀스를 각 안테나의 신호 전송시에 같이 전달할 수 있다. 먼저, 보내려는 채널의 상태를 알지 못하는 경우, 수신단에서 코히어런트 검출을 가능하게 하기 위해, 전달되는 채널들의 상태를 추정할 수 있어야 한다. 따라서 각 안테나에서 전송될 때 신호는 보내는 시퀀스 및 파일럿 시퀀스의 조합으로 이루어진다. 수신단에서는 수신 신호의 채널은 파일럿 시퀀스를 이용하여 추정하고, 수신 신호를 보정할 수 있다. 이후에 다른 안테나에서 수신된 신호와 코히어런트 조합이 가능하다. 전송 안테나의 수가 늘어나면 그에 사용되는 파일럿 시퀀스의 수도 늘어날 수 있다. 이 경우, 안테나마다 동일한 파일럿 시퀀스를 사용할 수 있다. 이는 전송하고자 하는 시퀀스가 안테나별로 동일한지 다른지에 따라서 연관될 수 있다.

여기서, 파일럿을 시퀀스는 단순히 전송 시퀀스에 오버래핑(overlapping)하 거나 I채널 및 Q채널로 구분지어 보낼 수 있다. 또는 특정 성좌 위치로만 파일럿 시퀀스를 매핑하여 전송할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 실제 다중 기기가 통신에 관여하게 되는 경우, 기기 간 사전 조절을 통해서 검출 성능을 향상시킨다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 신호 전송 방법의 흐름도이다.

도 4에서는 송신단보다 많은 성좌를 이용하는 수신단을 가정한다.

먼저, 송신단의 신호를 수신단에서 사용되는 성좌들 중 다른 송신단에 의해 선택된 성좌와 최소로 겹치는 성좌들을 선택한다(S410). 성좌를 선택하는 기준은, 예를 들어, 최대 거리(max distance), 이웃하는 성좌(neighboring constellation), PAPR/CM이 작거나 큰 것, 코딩 방식(coding scheme) 등을 들 수 있다. 이때, 다른 기기는 선택되지 않은 성좌 중에 자신이 사용하는 모듈레이션 모드(modulation mode)에 해당하는 개수만큼 선택하여 그 위치로 매핑 되게 할 수 있다. 이때 각 기기가 선택하는 성좌 위치들은 서로 겹치지 않는(disjoint) 것이 바람직하나, 상황에 따라 일부 혹은 전부를 겹치게 할 수 있다.

다음, 선택된 성좌들에 송신단의 신호를 매핑한다(S420).

마지막으로, 매핑된 신호를 수신단에 전송한다(S430).

도 5 및 도 6은 서로 다른 송신단에서 매핑된 성좌의 예를 도시한 것이다.

도 5 및 도 6과 같이, 전송단에서 BPSK 신호를 전송하는 경우, 이 BPSK 신호의 두개 성좌 위치를 수신단에서의 특정 성좌 위치로 매핑하는 것이 가능하다.

도 7은 도 4의 성좌 매핑 과정에 따른 성좌 조합의 예를 도시한 것이다.

수신단에서 QPSK를 사용한다면 각각의 송신단은 4개의 성좌중에 상술한 기준에 따라 2개의 성좌위치(710, 720)를 선택할 수 있다.

따라서 다중 기기가 동시에 같은 자원에 접근할 때, 수신단에서는 특정 성좌로부터 특정 기기들의 신호를 검출하고 다른 성좌 조합으로부터 다른 기기들의 신호를 검출할 수 있다. 이와 같은 성좌 매핑을 제한하는 방법은 동일한 자원을 사용하는 다중 사용자(multi-user) MIMO나 공유 자원(shared resource)을 사용하는 랜덤 액세스, 제어 채널 등에 적용할 있다.

성좌 매핑을 제한하는 경우에 수신단에서는 하나의 성좌 위치에서 특정 신호와 다른 신호 사이의 간섭 레벨(interference level)을 줄일 수 있다. 또한 성좌 매핑을 지원하기 위해 기기들이 임의로 자신의 성좌을 선택하는 경우, 다중 기기들은 특정한 성좌 조합을 미리 정하고 성좌 조합들 중 임의 조합을 선택할 수 있다. 이는 복수의 송신단들이 수신단과 사전에 어떠한 형식으로 심볼을 보낼지 결정하지 않은 경우에 보다 효과적이다. 특히, 이 방법은 랜덤 액세스와 같이 요구받지 않은 트래픽(unsolicited traffic)에 대해서 적용할 수 있다.

이와 달리 수신단의 협조(coordination)를 받는 경우에는 송신단의 각 기기들은 수신단이 정한 성좌 매핑에 의거하여 자신의 송신 신호를 변환할 수 있다. 전송 신호가 시퀀스일 경우, 시퀀스들을 전송할 때 모든 시퀀스 심볼들이 같은 성좌 조합으로 매핑되는 것이 바람직하지만, 실제 성좌 조합이 가지는 특성에 의거하여 시퀀스 심볼간에 서로 다른 성좌 조합을 가지도록 할 수 있다. 이에 따라 특정 조합이 가지는 단점을 극복할 수 있다.

수신단이 성좌 매핑을 정해주는 방법은 시퀀스를 전송할 때뿐만 아니라 데이터 심볼을 전송하는 경우에도 적용할 수 있다. OFDM 전송의 경우에는 부반송파별로 특정 매핑방법을 정할 수 있으며 이를 위해 특정 매핑 모드를 각 부반송파별로 알려주거나, 부반송파별로 매핑을 사전에 정해놓고 특정 조합 인덱스를 알려줌으로써 송신단의 각 기기들이 성좌 조합을 선택하게 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시 예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

본 발명은 수신단에서 코히어런트 조합을 가능하게 하고, 파일럿 밀도를 감소시킬 수 있으며, 셀 내 또는 셀 간 간섭을 감소시킬 수 있는 신호 전송 방법에 관한 것으로, 시퀀스 전송뿐만 아니라 데이터나 제어 신호의 전송에도 적용될 수 있으며, 다중 안테나를 구비하는 기지국, 단말 등의 통신 장치에 적용될 수 있다.

Claims

송신단의 신호를 변형하여 다중 안테나로 전송하는 방법에 있어서,

수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 채널을 추정하는 단계;

상기 추정된 채널에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 송신단의 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형함으로써 사전등화를 수행하는 단계; 및

상기 신호를 상기 수신단에 전송하는 단계

를 포함하며,

상기 사전등화를 수행하는 단계는 상기 수신단의 안테나 수가 송신단의 안테나보다 많은 경우, 상기 송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가하는 단계를 포함하며,

상기 프리코딩 행렬은 상기 송신 안테나 수에 해당하는 신호의 위상을 조절하는데 사용되고, 상기 파일럿 정보는 상기 수신단에서 상기 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 차이에 해당하는 신호의 채널 추정에 사용되며, 상기 위상 조절 및 상기 신호의 채널 추정은 상기 수신단에서 상기 신호의 코히런트 복조를 위한 것인, 신호 전송 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 사전등화를 수행하는 단계는,

상기 다중 안테나에 의한 채널들의 신호 간에 위상차가 최소가 되도록 상기 신호의 위상을 조절하는 단계를 포함하는, 신호 전송 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 송신단의 신호는,

랜덤 액세스 신호인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 추정된 채널은,

RACH 또는 레인징 채널 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
삭제
송신단의 신호를 변형하여 다중 안테나로 전송하는 방법에 있어서,

TDD 시스템의 상향링크 채널과 하향링크 채널 사이의 상호관계에 따라 채널을 추정하는 단계;

상기 추정된 채널에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 송신단의 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형함으로써 사전등화를 수행하는 단계; 및

상기 신호를 수신단에 전송하는 단계

를 포함하며,

상기 사전등화를 수행하는 단계는 상기 수신단의 안테나 수가 송신단의 안테나보다 많은 경우, 상기 송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가하는 단계를 포함하며,

상기 프리코딩 행렬은 상기 송신 안테나 수에 해당하는 신호의 위상을 조절하는데 사용되고, 상기 파일럿 정보는 상기 수신단에서 상기 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 차이에 해당하는 신호의 채널 추정에 사용되며, 상기 위상 조절 및 상기 신호의 채널 추정은 상기 수신단에서 상기 신호의 코히런트 복조를 위한 것인, 신호 전송 방법.
송신단의 안테나보다 많은 안테나를 갖는 수신단에 신호를 전송하는 방법에 있어서,

채널 상태 정보를 수신하는 단계;

상기 수신된 채널 상태 정보에 따라 채널을 추정하는 단계;

상기 채널 추정 결과에 따라 프리코딩 행렬을 결정하는 단계;

상기 송신단 신호의 심볼을 부반송파에 매핑하는 과정에서 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형함으로써 사전등화를 수행하는 단계;송신단의 신호에 파일럿 심볼 또는 파일럿 시퀀스 중 적어도 하나의 파일럿 정보를 추가하는 단계; 및

상기 신호와 함께 상기 추가된 파일럿 정보를 I채널 또는 Q채널 중 적어도 하나의 채널을 통해 상기 수신단에 전송하는 단계

를 포함하며,

상기 프리코딩 행렬은 상기 송신 안테나 수에 해당하는 신호의 위상을 조절하는데 사용되고, 상기 파일럿 정보는 상기 수신단에서 상기 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 차이에 해당하는 신호의 채널 추정에 사용되며, 상기 위상 조절 및 상기 신호의 채널 추정은 상기 수신단에서 상기 신호의 코히런트 복조를 위한 것인, 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 파일럿 정보를 추가하는 단계는,

상기 송신단의 신호가 심볼 단위로 구성되는 경우, 상기 신호에 파일럿 심볼을 추가하는 단계인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 파일럿 정보를 추가하는 단계는,

상기 송신단의 신호에 파일럿 심볼을 추가하는 경우, 상기 수신단의 안테나 수에서 상기 송신단의 안테나 수를 뺀 값에 해당하는 수의 파일럿 심볼을 추가하는 단계인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 파일럿 정보를 추가하는 단계는,

상기 송신단의 신호에 파일럿 시퀀스를 추가하는 경우, 상기 송신단의 안테나 수에 비례하는 파일럿 시퀀스를 추가하는 단계인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 파일럿 정보를 추가하는 단계는,

상기 송신단의 신호에 파일럿 시퀀스를 추가하는 경우, 상기 파일럿 시퀀스를 특정 성좌에 매핑하는 단계를 포함하는, 신호 전송 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 송신단의 신호는,

랜덤 액세스 신호인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 12 항에 있어서,

상기 추정된 채널은,

RACH 또는 레인징 채널 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
송신단보다 많은 성좌를 이용하는 수신단에 신호를 전송하는 방법에 있어서,

송신단의 신호를 수신단에서 사용되는 성좌들 중 일부의 성좌를 선택하는 단계;

상기 선택된 성좌들에 상기 송신단의 신호를 매핑하는 단계; 및

상기 매핑된 신호를 상기 수신단에 전송하는 단계

를 포함하는, 신호 전송 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 성좌를 선택하는 단계는,

다른 송신단에 의해 선택된 성좌와 최소로 겹치는 성좌들을 선택하는 단계를 포함하는, 신호 전송 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 성좌를 선택하는 단계는,

사전의 정의된 성좌의 부분 집합 중 어느 하나를 선택하여 성좌를 결정하는 단계를 포함하는, 신호 전송 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 송신단은 BPSK 변조를 이용하고, 상기 수신단은 QPSK 변조를 이용하는 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 성좌들을 선택하는 단계는,

상기 송신단의 변조 모드에 해당하는 갯수의 성좌를 선택하는 단계인 것을 특징으로 하는, 신호 전송 방법.
제 14 항에 있어서,

상기 송신단의 신호를 매핑하는 단계는,

상기 수신단으로부터 채널 상태 정보가 수신되면, 채널 상태 정보에 따라 프리코딩 행렬을 결정하고, 상기 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 신호를 변형하는 단계를 포함하는, 신호 전송 방법.