KR102184302B1

KR102184302B1 - 미모 시스템에서 데이터 송수신 방법 및 장치

Info

Publication number: KR102184302B1
Application number: KR1020120126021A
Authority: KR
Inventors: 권종형; 진승리; 박상욱; 박동조; 박정현; 조연제
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2020-11-30
Anticipated expiration: 2032-11-08
Also published as: KR20140059498A; US20140126667A1; US10103791B2

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 송신기에서 데이터를 전송하는 방법은 전송 데이터를 기반으로 복수개의 안테나 중 전송에 이용할 안테나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 안테나를 통해 상기 전송 데이터를 전송하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템에서 데이터를 전송하는 송신기는 1개 이상의 안테나를 포함하고 수신기와 신호를 송수신 하는 안테나부; 및 전송 데이터를 기반으로 상기 1개 이상의 안테나 중 전송에 이용할 안테나를 선택하고, 상기 선택된 안테나를 통해 상기 전송 데이터를 전송하도록 상기 안테나부를 제어하는 제어부를 포함한다. 실시 예에 따른 데이터 송수신 방법을 이용하면, MIMO 통신 시스템에서 전송량(Throughput)이 증대되는 효과가 있다. 따라서 종래의 기술대비 복잡도 및 성능면에서 뛰어난 송수신기를 설계할 수 있다. 이로 인하여 종래 통신 기술 대비 추가적인 DOF(Degree of Freedom)을 획득하여 한번에 전송할 수 있는 심볼의 수가 늘어난다. 또한 제안한 기술은 특정한 조건에서만 사용될 수 있는 것이 아니라, 종래의 MIMO 통신 시스템에 적용을 하였을 때도 추가적인 성능향상을 얻을 수 있다.

Description

미모 시스템에서 데이터 송수신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DATA TRANSMISSION AND RECEPTION IN MIMO SYSTEM}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로서 보다 상세하게는 복수의 안테나를 가지는 MIMO 시스템에서 안테나 선택 기법을 통해 데이터를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

통신 시스템에서 전송량(throughput)향상을 위해 복수개의 안테나를 사용하여 송수신을 하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템을 이용한 송수신 방법을 고려할 수 있다.

상기 MIMO 시스템을 이용하여 데이터를 송수신 할 때 전송 채널의 상태를 송신단과 수신 단에서 알 경우, 목적에 맞는 송수신 필터를 설계하여 성능을 향상할 수 있다.

이 경우에는 모든 통신 노드들이 MIMO 채널에 대한 정보를 알아야 하고, 이를 통해 인접 노드들로부터의 간섭 및 다중 채널에 의한 영향을 없애는 신호처리를 할 수 있게 된다. MIMO 통신 시스템에서 수신단의 채널 인지 여부는 파일럿 신호 등을 통해 쉽게 추정할 수 있지만, 송신단에서의 채널 인지는 채널 정보를 다시 피드백 해야 하므로 쉽게 추정이 힘들 뿐 아니라, 신호 교환에 따른 복잡도를 유발할 수 있다.

또한 MIMO 시스템에서 빔형성(Beamforming) 기술의 경우는 송신단에서 모든 MIMO 채널 정보를 알아야 하기 때문에 신호 교환에 따른 복잡도를 유발한다. 뿐만 아니라 엄청나게 많은 안테나가 존재하는 Massive MIMO 시스템에서 모든 안테나를 사용함으로써 생기는 하드웨어의 복잡도가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

또한 MINO 시스템에서 안테나 선택기술의 경우는 하드웨어 및 신호처리의 복잡도를 줄이기 위해 사용되는 기술이므로 복잡도를 줄이는 대신 안테나를 모두 사용하여 통신하는 종래의 기술들에 비해 성능이 떨어질 수 있다.

또한, 종래의 MIMO 통신 기술들의 성능(Multiplexing gain, Diversity gain)은 수신 안테나의 개수에 의존적인 방법으로, 송신 안테나의 개수가 수신 안테나 개수보다 많다고 하더라도 한번에 보낼 수 있는 전송 심볼(Symbol)은 수신 안테나의 개수에 한정된다. 그러므로 전송량(Throughput) 관점에서는 수신 안테나 이상의 송신 안테나의 사용은 이득이 없다.

따라서 MIMO를 이용한 통신 시스템에서는 전송 안테나의 개수가 클 경우 구현이 힘든 복잡도를 가지게 된다. 이런 이유로, 시스템 복잡도를 줄이기 위해 다수의 안테나 중에서 임의의 안테나를 선택해서 통신하는 안테나 선택(Antenna Selection) 기술이 존재한다. 그러나 안테나의 개수가 증대할 경우 그 복잡도가 급격하게 증대되는 문제점이 있고, 이에 따른 오버헤드가 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시 예에서는 MIMO 시스템에서 안테나 선택 및 선택에 따른 모듈레이션 방법 및 상기 방법을 통해 구현되는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로 MIMO 시스템에서 송신단의 안테나 선택 방법을 적용함으로써 이에 따른 전송량(throughput)향상을 가지고 올 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 송신기에서 데이터를 전송하는 방법은 전송 데이터를 기반으로 복수개의 안테나 중 전송에 이용할 안테나를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 안테나를 통해 상기 전송 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템에서 데이터를 전송하는 송신기는 1개 이상의 안테나를 포함하고 수신기와 신호를 송수신 하는 안테나부; 및 전송 데이터를 기반으로 상기 1개 이상의 안테나 중 전송에 이용할 안테나를 선택하고, 상기 선택된 안테나를 통해 상기 전송 데이터를 전송하도록 상기 안테나부를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 수신기에서 데이터를 수신하는 방법은 송신기에서 수신한 신호를 기반으로 상기 송신기에서 상기 신호를 전송하는데 사용한 안테나를 추론하는 단계; 및 상기 추론한 안테나 정보 및 상기 수신한 신호를 기반으로 상기 송신기에서 전송한 데이터를 결정하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르는 MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템에서 데이터를 수신하는 수신기는 1개 이상의 안테나를 포함하고 송신기로부터 신호를 수신 하는 안테나부; 및

상기 송신기에서 수신한 신호를 기반으로 상기 송신기에서 상기 신호를 전송하는데 사용한 안테나를 추론하고, 상기 추론한 안테나 정보 및 상기 수신한 신호를 기반으로 상기 송신기에서 전송한 데이터를 결정하는 제어부를 포함한다.

실시 예에 따른 데이터 송수신 방법을 이용하면, MIMO 통신 시스템에서 전송량(Throughput)이 증대되는 효과가 있다. 따라서 종래의 기술대비 복잡도 및 성능면에서 뛰어난 송수신기를 설계할 수 있다.

이로 인하여 종래 통신 기술 대비 추가적인 DOF(Degree of Freedom)을 획득하여 한번에 전송할 수 있는 심볼의 수가 늘어난다. 또한 제안한 기술은 특정한 조건에서만 사용될 수 있는 것이 아니라, 종래의 MIMO 통신 시스템에 적용을 하였을 때도 추가적인 성능향상을 얻을 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 통신 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 데이터 송신 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 데이터 송신 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 실시 예에 따른 데이터 수신 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 실시 예에 따른 데이터 송신 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시 예에 따른 데이터 수신 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 예에 따른 업링크(uplink) 시스템 모델을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 다운링크(downlink) 시스템 모델을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 수신기가 송신기에서 전송에 사용된 안테나 패턴을 추론하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 실시 예에 따른 수신기가 송신기에서 전송에 사용된 안테나 패턴을 추론하기 위한 방법을 나타내기 위한 도면이다.
도 11은 실시 예에 따른 송수신 방법을 사용할 경우 얻을 수 있는 전송량(throughput)향상을 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

도 1은 실시 예에 따른 통신 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 마크로 기지국과 소형 기지국이 존재하는5G 통신시스템을 고려하고 있다. [그림1]에서와 같이 마크로 기지국과 다수의 소형 기지국들이 무선 백홀을 통해 연결되어 있고, 각각의 마크로 기지국 및 소형 기지국들은 무선 백홀과 BDMA(Beam Division Multiple Access)를 위해 다수의 안테나를 가지고 있다. 기존의 통신 시스템에서도 전송량 증대 및 신호가 겪게 되는 채널의 다양성(Diversity)을 통한 이득을 얻기 위해 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템을 구성하고, 관련 통신 기법들을 사용하고 있다. 하지만, 본 발명에서 고려하는 5G 시스템은 기존의 MIMO 시스템과 비교하여 엄청나게 많은 수의 안테나를 가지는 Massive MIMO 시스템이고, 이런 통신 시스템일 경우에는 기존에 사용되던 MIMO 통신 기법을 그대로 사용하기에는 무리가 따른다. 다수의 안테나를 모두 사용하여 통신을 할 경우에는 RF chain이 많아지게 되면서 시스템 복잡도 및 하드웨어의 가격이 상승한다. 뿐만 아니라, 신호처리 관점에서 다중 채널에 의한 채널 추정 및 빔형성(Beamforming)에 의해서도 시스템 복잡도가 상승한다. 즉, 엄청나게 많은 수의 안테나가 설치된 MIMO 상황에서 시스템 복잡도를 줄이고, 효율적인 자원 사용을 위해 몇 개의 안테나를 선택해서 통신하는 기법이 필요하다.

도 1을 참조하면 실시 예에 따른 통신 시스템은 마크로 기지국(110) 및 소형 기지국(120)을 포함할 수 있다. 마크로 기지국(110) 및 소형 기지국(120)은 무선 백홀 링크(wireless backhaul link)로 연결 될 수 있다. 각각의 마크로 기지국(110)은 소형 기지국(120)들은 무선 백홀과 BDMA(Beam Division Multiple Access)를 적용하기 위한 복수개의 안테나를 구비할 수 있다.

또한 단말(user equipment)(130)은 소형 기지국(120)과 무선 액세스 링크(wireless access link)를 통해 연결될 수 있다.

또한 마크로 기지국(110)은 건물(140) 내부에 위치하는 중앙 관리 유닛(Central Management Unit, CMU)(145)와 무선 백홀(115)를 통해 연결 될 수 있다. CMU(145)는 건물(140) 내부에 설치됨으로써 건물(140) 내부의 접속 지점(Access Point)(150)과 보다 용이하게 신호를 송수신 할 수 있다.

마크로 기지국(110), 소형 기지국(120), 단말(130), CMU(145) 및 접속 지점(150)은 각각 복수개의 안테나를 구비하고, 상기 복수개의 안테나를 통해 신호를 송수신 할 수 있다. 각 구성 요소가 구비하는 아테나의 개수는 실시 예에 다라 유동적일 수 있다.

도 2는 실시 예에 따른 데이터 송신 방법을 나타내는 순서도이다.

도 2를 참고하면 송신기는 단계 210에서 통신 상태를 모니터링 할 수 있다. 상기 송신기는 복수개의 안테나를 포함할 수 있다. 또한 상기 통신 상태는 상기 송신기가 수신기로 신호를 전송할 채널의 상태를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 송신기는 각 안테나가 통신할 수 있는 채널 환경을 측정할 수 있다. 다만 다른 실시 예에서 상기 단계 210은 선택적으로 실시 될 수 있다.

단계 220에서 상기 송신기는 송신 데이터를 판단할 수 있다. 상기 송신 데이터는 상기 송신기가 수신기로 전송할 데이터로 실시 예에 따라 2진수를 통한 데이터를 포함할 수 있다. 상기 송신기는 상기 송신 데이터 중 일부의 비트 구성을 획득할 수 있다.

단계 230에서 상기 송신기는 단계 220에서 판단된 송신 데이터에 따라 전송에 사용될 안테나를 결정 할 수 있다. 상기 송신할 데이터의 구성에 따라 상기 송신기가 포함하는 복수의 안테나 중 일부의 안테나를 선택하여 데이터를 송신할 수 있다. 상기 송신 데이터에 따라 상기 안테나를 선택하는 법칙은 기 설정된 규칙에 따를 수 있고, 상기 기 설정된 규칙은 상기 송신기 및 상기 수신기가 공유할 수 있다. 실시 예를 통해 설명하면 상기 송신기의 안테나 개수가 T개이고, 상기 송신기에서 데이터 전송에 사용되는 안테나 개수가 K 개일 경우 _TC_K만큼의 데이터를 전송할 수 있다. 보다 구체적으로 T=5, K=2인 경우 총 ₅C₂=10 만큼의 안테나 선택의 조합이 결정되고 따라서 각기 다른 안테나 선택으로 최대 3bit의 데이터를 전송할 수 있다. 또한 일 실시예로 아래와 같은 안테나 선택에 따른 할당되는 전송 비트를 결정하는 규칙을 제시할 수 있다.

On 된 안테나 포지션	표현하는 Bits
1,2	000
1,3	001
1,4	010
1,5	011
...	...
3,4	111

상기 표 1을 참고하여 상기 송신 데이터의 특정 위치의 3개의 bit가 010일 경우 상기 송신기는 안테나 1번 및 4번을 온(on)하여 데이터를 송신할 수 있다. 상기 송신 데이터의 어느 부분의 데이터를 전송 안테나에 매핑 시키는 것은 실시 예에 따라 다양하게 결정 될 수 있으며 바람직하게는 가장 먼저 전송되는 데이터를 기반으로 상기 전송 안테나를 매핑 할 수 있다.

단계 240에서 상기 송신기는 상기 단계 230에서 안테나 선택을 통해 표현할 수 있는 bit 수를 제외한 나머지 송신 데이터를 모듈레이션 하고, 이를 선택된 안테나를 통해 상기 수신기로 전송할 수 있다. 실시 예를 통해 설명하면 전송할 데이터가 010110011...로 표현될 경우 단계 230에서와 같이 안테나 1번 및 4번을 온 하여 데이터를 전송함으로써 010을 전송하고 나머지 110011...를 모듈레이션 하여 데이터를 전송할 수 있다. 다른 실시 예의 경우에 단계 230에서 안테나 선택을 통해 표현할 수 있는 bit 수를 제외하되 안테나 선택을 통해 전송하는 데이터의 유효성을 판단할 수 있는 보조 데이터를 추가할 수 있다. 일 예로 전송하는 데이터의 유효성을 판단할 수 있는 페러티 비트를 추가하여 보낼 수 있다.

도 3은 다른 실시 예에 따른 데이터 송신 방법을 나타내는 순서도이다.

도 3을 참고하면 송신기는 단계 310에서 통신 상태를 모니터링 할 수 있다. 상기 송신기는 복수개의 안테나를 포함할 수 있다. 또한 상기 통신 상태는 상기 송신기가 수신기로 신호를 전송할 채널의 상태를 포함할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 송신기는 각 안테나가 통신할 수 있는 채널 환경을 측정할 수 있다.

단계 320에서 상기 송신기는 상기 단계 310에서 측정한 채널 상태를 기반으로, 데이터 전송에 사용할 안테나를 선택할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 송신기는 상기 측정된 채널 상태를 기반으로 CQI(Channel Quality Information)를 피드백 받아서 통신이 허용될 수 있는 문턱 값(threshold) 값 이상의 CQI를 가지는 안테나를 선택할 수 있다. 따라서 전체 안테나 중 선택된 부분 집합 안테나 들을 통해 데이터를 송신 할 수 있다. 실시 예에서 일정 수준 이상의 CQI를 가지는 안테나를 통해 데이터를 송신함으로써 데이터 송신에 따른 안테나 선택에 따른 추가적인 DOF(Degree of Freedom)을 확보함과 동시에 일정 수준 이상의 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하다.

단계 330에서 상기 송신기는 단계 320에서 선택된 안테나의 부분집합에 관한 정보를 상기 수신기로 송신할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 선택된 안테나의 부분집합에 관한 정보는 비트맵을 통해 전달될 수 있다. 상기 수신기는 상기 비트맵을 통해 데이터를 수신함으로써 상기 송신기가 상기 선택된 부분집합의 안테나 중 일부의 안테나를 선택하여 데이터를 송신할 것을 예측할 수 있다. 또 다른 실시 예의 경우 상기 수신기가 상기 송신기가 안테나를 선택하기 위한 CQI의 Threshold 값을 알게 될 경우 채널 측정에 따라 선택될 안테나를 역으로 추정하는 것도 가능하다.

상기 수신기는 단계 330을 통해 상기 송신기가 데이터를 송신하기 위해 선택할 안테나의 부분집합에 관한 정보를 획득할 수 있다.

단계 340에서 상기 송신기는 송신 데이터를 판단할 수 있다. 상기 송신 데이터는 상기 송신기가 수신기로 전송할 데이터로 실시 예에 따라 2진수를 통한 데이터를 포함할 수 있다. 상기 송신기는 상기 송신 데이터 중 일부의 비트 구성을 획득할 수 있다.

단계 350에서 상기 송신기는 단계 340에서 판단된 송신 데이터에 따라 전송에 사용될 안테나를 결정 할 수 있다. 상기 안테나를 결정하는 것은 단계 320에서 선택된 안테나의 부분 집합 중에서 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 송신할 데이터의 구성에 따라 상기 송신기가 포함하는 복수의 안테나 중 일부의 안테나를 선택하여 데이터를 송신할 수 있다. 상기 송신 데이터에 따라 상기 안테나를 선택하는 법칙은 기 설정된 규칙에 따를 수 있고, 상기 기 설정된 규칙은 상기 송신기 및 상기 수신기가 공유할 수 있다.

단계 360에서 상기 송신기는 상기 단계 350에서 안테나 선택을 통해 표현할 수 있는 bit 수를 제외한 나머지 송신 데이터를 모듈레이션 하고, 이를 선택된 안테나를 통해 상기 수신기로 전송할 수 있다. 실시 예를 통해 설명하면 전송할 데이터가 010110011로 표현될 경우 단계 230에서와 같이 안테나 1번 및 4번을 온 하여 데이터를 전송함으로써 010을 전송하고 나머지 110011...를 모듈레이션 하여 데이터를 전송할 수 있다. 다른 실시 예의 경우에 단계 230에서 안테나 선택을 통해 표현할 수 있는 bit 수를 제외하되 안테나 선택을 통해 전송하는 데이터의 유효성을 판단할 수 있는 보조 데이터를 추가할 수 있다. 일 예로 전송하는 데이터의 유효성을 판단할 수 있는 페러티 비트를 추가하여 보낼 수 있다.

다른 실시예에서 단계 310에서 측정한 채널 상태가 안 좋을 경우 단계 320으로 진행하지 않고, 기존의 통신 방법을 사용하여 MIMO 시스템에서 데이터 송수신을 하는 것이 가능하다.

도 4는 실시 예에 따른 데이터 수신 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4를 참고하면 단계 410에서 수신기는 송신기로부터 전송 안테나 정보를 획득할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 송신기가 채널 상태에 따라 일정 수준 이상의 CQI가 보장되는 안테나를 선택하여 데이터 송수신에 사용할 경우 단계 410에서 상기 수신기는 상기 송신기로부터 선택된 안테나 정보를 수신할 수 있다. 상기 선택된 안테나 정보는 비트맵 형식으로 전송될 수 있다. 다른 실시 예에서 상기 송신기가 전체 안테나를 사용하여 데이터를 송신할 경우 기 설정된 지시자를 송신할 수 있다. 단계 410을 통해 상기 수신기는 상기 송신기가 데이터 전송을 하기 위해 사용하는 안테나의 부분집합에 관한 정보를 수신할 수 있다.

단계 420에서 상기 수신기는 상기 송신기로부터 신호를 수신할 수 있다. 상기 송신기는 상기 안테나의 부분 집합 중 일부의 안테나를 온(on)하여 데이터를 송신할 수 있다.

단계 430에서 상기 수신기는 단계 420에서 수신한 신호를 기반으로 상기 송신기가 상기 안테나의 부분 집합 중 어떤 안테나를 온(on)하여 데이터를 송신하는 지 추론할 수 있다. 상기 데이터를 추론하는 방법은 신호의 성격을 기반으로 온(on)된 안테나를 추론할 수 있다. 이에 관련된 방법은 후술하도록 한다.

단계 440에서 단계 430에서 추론한 송신 안테나 정보를 기반으로 수신한 신호에서 상기 송신기가 안테나 매핑을 통해 송신한 데이터를 추론하고, 수신 신호를 디모듈레이션 한다. 상기 수신기는 상기 안테나 매핑을 통해 송신하는 데이터 및 상기 수신신호를 디모듈레이션 한 데이터의 싱크를 맞추어 상기 송신기가 송신한 데이터를 디코딩 할 수 있다. 이로써 상기 수신기는 상기 송신기가 안테나 매핑을 통해 전송하는 데이터 및 일반적인 MIMO 시스템에서 데이터 송신 방법을 통해 송신하는 데이터를 수신할 수 있다.

도 5는 실시 예에 따른 데이터 송신 과정을 나타내는 도면이다.

송신기는 소스 데이터(510)를 전송할 수 있다. 상기 송신 데이터는 실시 예에서 ...101110011...일 수 있다. 실시 예에서 상기 송신기는 총 5개의 안테나를 포함한다. 상기 안테나 중에서 2개의 안테나를 선택하여 데이터를 송신 할 수 있다. 상기 선택되는 안테나의 개수는 채널 상태 등을 기반으로 상기 송신기가 결정할 수 있다. 5개의 송신 안테나에서 2개의 안테나를 온(on)하여 데이터를 송신할 경우에 총 ₅C₂=10개의 경우의 수를 가지므로 최대 3비트의 데이터를 안테나 매핑을 통해 전송할 수 있다.

비트 선택기(520)는 전송 데이터 중 안테나 매핑을 통해 전송 가능한 비트를 안테나 매핑기(Antenna Selection Patten Mapping)(530)에 전송할 수 있다. 또한 나머지 데이터 비트를 모듈레이터(540)로 전송할 수 있다. 모듈레이터(540)에서 전송된 데이터는 모듈레이션 된 후 프리코더(550)에서 프리코딩 될 수 있다.

안테나 매핑기(530)은 안테나 매핑에 따라 전송되는 데이터(실시 예에서 010)에 대응되는 안테나를 안테나부(560)에서 선택될 수 있다. 상기 안테나 매핑에 따라 안테나부(560)에서 안테나를 선택하는 방법은 기설정된 방법일 수 있다. 실시 예에서 010의 비트에 대응되는 안테나는 X1안테나(562) 및 X2안테나(564)이고, 안테나부(560)는 X1안테나(562) 및 X2안테나(564)를 온(on)하여 모듈레이션 된 데이터를 전송할 수 있다.

실시예에서 안테나 선택 패턴을 이용해 추가적인 데이터 비트를 전송할 수 있다. 이것은 새로운 하드웨어나 통신 블록의 추가로 얻어지는 것이 아니라, 단지 선택된 안테나의 인덱스(Index) 정보를 이용하여 이득을 얻을 수 있기 때문에 동일 하드웨어상에서 추가적인 이득을 항상 얻을 수 있다.

또한 실시 예에서 선택된 안테나를 통해 M-QAM으로 변조된 신호를 전송하고, 기존의 통신 기술 대비 안테나 선택 패턴으로 생길 수 있는 조합의 개수만큼의 이득을 얻을 수 있다. 즉, 전체 송신 안테나 중에서 몇 개의 안테나를 선택하는 조합의 경우의 수만큼 심볼을 추가로 전송할 수 있다. 실시 예는 안테나 선택 패턴 자체가 데이터를 포함하고 있기 때문에 수신단에서 안테나 위치를 찾고, 패턴에 따른 심볼을 복구할 필요가 있다. 앞서 설명한 것과 같이, 본 발명은 선택된 안테나에 대해서는 종래의 MIMO 통신 기술을 그대로 적용 가능하다. 뿐만 아니라, 안테나 선택 패턴을 통해 추가적인 DOF를 얻을 수 있다.

도 6은 실시 예에 따른 데이터 수신 과정을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면 송신기에서 송신한 신호를 수신한 수신기는 수신한 신호를 기반으로 안테나 위치 파악부(610)에서 상기 송신기가 전송에 사용한 안테나를 판단할 수 있다. 안테나 위치 파악부(610)은 판단한 안테나 위치를 안테나 위치 역매핑기(620)(Antenna Selection Pattern De-Mapping)를 통해 전송에 사용된 안테나 패턴을 기반으로 상기 송신기가 안테나 패턴을 통해 전송한 데이터를 판단할 수 있다. 실시 예에서 상기 송신기는 X1안테나(562) 및 X2안테나(564)를 통해 신호를 송신하고 안테나 위치 역매핑기(620)는 이것을 기반으로 010이라는 데이터를 추론할 수 있다.

또한 안테나 위치 파악부(610)는 수신한 신호를 수신 필터(630)에 전송하고 디모듈레이터(640)를 통해 상기 송신기가 송신한 신호를 디모듈레이션 할 수 있다.

상기 안테나 위치 역매핑기(620) 및 디모듈레이터(640)를 거친 신호는 싱크매칭기(650)를 통해 상기 송신기가 송신한 데이터를 복원할 수 있다.

도 7은 실시 예에 따른 업링크(uplink) 시스템 모델을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면 업링크 시스템은 송신기(710)의 안테나 개수(N_T)가 수신기(720)의 안테나 개수(N_R)보다 적다. 이는 실시 예에 따른 설명으로 다른 실시 예의 경우 업링크의 경우에도 송신기의 안테나 개수가 수신기의 안테나 개수보다 많을 수 있다.

송신기(710)는 N_T개의 안테나 중에서 K개의 안테나를 선택하여 수신기(720)으로 데이터를 전송할 수 있다. 실시 예에서 N_T, N_R 및 K의 관계는 N_R ≥ N_T ≥ K 와 같을 수 있다.

수신기(720)의 안테나 개수가 더 많기 때문에 결정계(Determined system)이므로 ZF-Detector 또는 MMSE-Detector등의 방법을 통해 전송에 사용된 안테나의 인덱스를 찾을 수 있다. 수신기(720)는 송신기(710)가 사용한 안테나 인덱스에 따라 결정되는 데이터를 추론할 수 있다. 실시 예에서 수신기(720)은 도 6에서 진행되는 수신 방법과 같이 데이터를 수신할 수 있다.

도 8은 실시 예에 따른 다운링크(down link) 시스템 모델을 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면 다운링크 시스템은 송신기(810)의 안테나 개수(N_T)가 수신기(820)의 안테나 개수(N_R)보다 많다. 이는 실시 예에 따른 설명으로 다른 실시 예의 경우 다운링크의 경우에도 송신기의 안테나 개수가 수신기의 안테나 개수보다 적을 수 있다.

송신기(810)는 N_T개의 안테나 중에서 K개의 안테나를 선택하여 수신기(820)으로 데이터를 전송할 수 있다. 실시 예에서 N_T, N_R 및 K의 관계는 N_T ≥ N_R ≥ K 와 같을 수 있다.

수신기(820)의 안테나 개수가 더 적기 때문에 비결정계(Underdetermined system)이고 수신기(820)는 송신기(810)가 신호를 송신하기 사용하는 안테나의 패턴을 판단하기 위한 별도의 방안이 필요하다. 이에 대한 방법은 후술하도록 한다.

도 9 및 도 10은 또 다른 실시 예에 따른 수신기가 송신기에서 전송에 사용된 안테나 패턴을 추론하기 위한 방법을 나타내는 도면이다.

실시 예에서 수신기는 송신기가 어떤 안테나를 선택하여 송신하였는지의 여부를 판별할 수 있어야 한다. 이것을 가능하게 하기 위해서는 Compressed sensing 관련 기법들이 필요하다.

Compressed sensing은 앞서 설명한 상황에서 관측 값이 예측해야 하는 값보다 적은 상황에서도 복구할 수 있는 알고리즘이다.

보다 구체적으로 바람직하게 Compressed sensing은 먼저 송신하는 데이터가 sparse(송신 데이터에서 0의 개수가 1의 개수보다 많은 것) 하고, 다음으로 measurement matrix(통신 상황에서는 channel matrix)가 random 한 것이 바람직하다. 실시 예에 따라 sparse하다는 가정은 송신하는 데이터에서 사용되는 안테나의 개수가 그렇지 않은 안테나의 개수 보다 적을 경우를 포함할 수 있다.

실시 예에서 통신 채널은 바람직하게 Gaussian 분포를 가진다. 또한 실시 예의 안테나 선택 패턴을 이용할 경우 데이터가 sparse한 것을 만족할 수 있다. 일 예로 총 10개의 송신 안테나 중에서 2개의 안테나를 선택해서 데이터를 보내는 경우가 해당된다.

결국 상기 수신기는 상기 송신기가 송신한 신호들을 복구한다. 상기 송신기에서 sparse한 정보(안테나의 on-off 패턴)를 보냈기 때문에 수신기에서는 이 정보를 복구한다. 상기 수신기의 동작은 아래와 같은 L0-optimization문제로 볼 수 있다.

즉, L0-optimization 문제는 받은 신호 중에서 신호의 크기를 가지는 것을 찾는 것이다. 이것은 여러 안테나 중에서 송신 신호를 포함하는 안테나의 인덱스를 찾는 문제와 동치임을 알 수 있다. 하지만 이 문제는 NP hard 문제로써 closed solution이 존재하지 않는다. 그러므로 이것을 조금 다른 측면에서 풀어서 거의 비슷한 결과를 얻는 것이 compressed sensing이다. 이때, L1-optimization 문제를 풀어서 해를 구한다.

이것은 L1 norm을 최소화하는 최적화 문제를 푸는 것으로 compressed sensing에서 가정한 조건을 만족할 경우에는 L1 최적화 문제를 푸는 것이 L0 최적화 문제를 푸는 것과 같을 수 있다.

그러므로 수신 신호의 크기를 최소화하는 복구 알고리즘이 필요하고 이와 관련된 많은 compressed sensing 복구 알고리즘이 존재한다. 본 특허에서는 이 중에서도 복잡도가 낮고 싶게 구현할 수 있다. 또한 바람직하게 CoSaMP 기법을 적용하여 구현할 수 있다.

이와 같은 예시를 제기하기 위해 아래와 같은 시스템을 고려해 볼 수 있다.

System Model : y=Hx

Input : y, H, K (Number of non-zero elements)

Initialization r=y

도 9 및 10을 참고하면 단계 910에서 수신기는 송신기에서 전송에 사용된 안테나 인덱스를 결정하기 위해 수신된 신호를 기반으로 송신 안테나 후보군을 선택할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 수신기는 수신 신호의 채널의 Hermitian을 곱해서 proxy vector 만들 수 있다.

이와 같은 단계는 도 10 의 (a)에 설명되어 있다. 실시 예에서 인덱스 10, 15 및 30의 안테나가 후보군이 될 수 있다. 이와 같이 상기 수신기에서 필터링 한 후의 수신신호에 후처리를 통해 전송에 사용된 안테나의 인덱스의 후보군을 선택할 수 있다.

단계 920에서 상기 송신기는 사용되는 안테나의 숫자(K)를 기반으로 안테나 후보군을 재선택 할 수 있다. 실시 예에선 채널의 영향에 따른 수신 신호의 크기가 큰 2K개의 후보군을 선택할 수 있다. 이는 도 10의 (b)에 설명되어 있고, 실시 예에서 K=3이고 총 6개의 후보군을 선택할 수 있다. 실시 예에서 인덱스 8, 10, 15, 19, 21 및 30의 안테나 인덱스가 선택될 수 있다.

단계 930에서 상기 수신기는 단계 920에서 재선택된 상기 후보군을 기반으로 상기 송신기가 사용했을 가능성이 높은 안테나 인덱스를 저장할 수 있다.

단계 940에서 상기 수신기는 단계 930에서 저장된 인덱스의 안테나 후보군을 통한 채널 추론을 할 수 있다. 실시 예에서 상기 수신기는 상기 저장된 안테나 후보들로 구성된 채널을 만들고, 그 채널을 이용한 Least Square Estimation을 할 수 있다. 이는 도 10의 (c)에 설명되어 있다.

단계 950에서 상기 수신기는 단계 940에서 추론한 값을 기반으로 K개의 인덱스를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로 상기 수신기는 수신 신호의 크기가 가장 큰 K개의 인덱스를 결정할 수 있고, 이는 도 10의 (d)에 설명되어 있고, 실시 예에서 10, 15 및 30의 인덱스의 수신 신호 값이 가장 크므로 안테나를 선택할 수 있다.

단계 960에서 상기 수신기는 수신 신호와 예측값을 이용한 SIC(Successive Interference Cancellation)을 적용하여 error 가 적을 때까지 상기 단계 910 내지 단계 950까지 과정을 반복할 수 있다.

도 11은 실시 예에 따른 송수신 방법을 사용할 경우 얻을 수 있는 전송량(throughput)향상을 보여주는 그래프이다. 실시 예는 안테나 선택 패턴으로 추가적인 DOF를 얻을 수 있고, 이에 따라 전송량(Throughput) 늘릴 수 있다. Throughput은 에러 없이 한번에 전송 가능한 데이터의 양을 말할 수 있고, 아래와 같은 수식으로 정의 가능하다.

(1-BER) * N_TXbit

도 11을 참조하면, 도 11(a)는 64-QAM을 이용한 하향링크에 관한 성능 향상을 보여주는 그래프이고, 도 11(b)는 256-QAM을 이용한 상향링크에 관한 성능향상을 보여주는 그래프이다. 보다 구체적으로 상향링크의 경우, N_T=7, N_R=50, K=2의 환경에서 측정하고 하향링크의 경우 N_T=24, N_R=10, K=2 의 환경에서 측정하였다.

모든 안테나를 사용하여 전송하는 기술, 즉 Full MIMO의 경우에 전송할 수 있는 심볼의 개수는 송신 안테나와 수신 안테나 중에서 적은 수(N=min(N_T,N_R ₎) 만큼이다. 또한, 송수신단에서 전송 채널을 안다면 송수신 필터를 제작하여 채널에 의한 감쇠 및 간섭 채널의 영향을 줄일 수 있다.

안테나 선택 기술의 경우는 여러 개의 안테나 중에서 몇 개의 안테나(K)를 선택하여 전송하는 기술이다. 안테나를 선택한 이후의 통신 기술은 앞서 설명한 Full MIMO의 경우와 같이 할 수 있다. 즉, 송수신 필터를 통한 성능 향상을 이룰 수 있다. 이 방법의 경우는 송신 안테나의 수가 줄어들게 되어 복잡도에서 이득을 가질 수 있다.

실시 예를 통한 비교를 위해 Downlink의 경우를 들어 설명하면, 24개의 송신 안테나가 존재하지만 수신 안테나가 10개 이므로 Full MIMO의 경우 동시에 10개의 심볼을 전송할 수 있다. 안테나 선택 기술은 K개의 안테나를 통해서 신호를 전송하므로 K개의 심볼을 한번에 보낼 수 있다. 반면에 본 발명에서는 K개의 심볼과 안테나 선택 패턴을 통한 추가적인 심볼(

)을 더 보낼 수 있다. 64-QAM을 사용할 때 전송 비트는 다음과 같다.

Full MIMO 기술: N_R * log₂M = 10 *log₂64 = 60 bit

안테나 선택 기술: K * log₂M = 2 * log₂64 = 12 bit

안테나 선택 패턴 송신 기술 :

SNR(Signal-to-Noise Ratio)에 따른 Throughput 실험 결과는 아래와 같다.

위의 실시 예와 실험 결과를 통해 본 발명과 종래 기술과의 성능 비교를 할 수 있다. 모든 안테나를 사용하는 경우와 비교하면, 본 발명은 하드웨어 및 송신 전력은 1/5로 줄어들지만 성능은 1/3밖에 줄어들지 않아 복잡도 대비 성능에서 종래 기술보다 나아지는 것을 확인할 수 있다. 전송 채널 정보를 알기 위한 피드백 신호 처리의 복잡도를 고려하면 복잡도 측면에서 더 많은 이득을 가진다고도 볼 수 있다. 또한, 안테나 선택 기법과 비교하면 추가적인 성능의 이득을 가지는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서 얻어지는 이득은 안테나 선택 패턴을 통한 추가적인 DOF를 얻을 수 있기 때문이다.

DOF는 SNR이 충분히 클 때, 얻을 수 있는 독립적인 신호 전송의 경로를 의미한다. 결국 SNR 대 Capacity의 그래프에서 기울기에 해당하고, 다음과 같은 수식으로 정의할 수 있다.

실시예에서 송신기 및 수신기는 각기 데이터를 송수신 할 수 있는 안테나부를 포함한다. 또한 상기 안테나부를 통해 송수신되는 데이터를 통해 연산을 수행하고, 상기 연산 수행의 결과에 따라 상기 안테나부를 제어할 수 있는 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 송신기에서 데이터 전송방법에 있어서,
제1데이터 및 제2데이터를 포함하는 전송 데이터를 확인하는 단계;
상기 제1데이터를 포함하는 복수의 비트 시퀀스 및 복수의 안테나 조합 간 매핑 정보를 기반으로 상기 전송 데이터를 전송하기 위한 안테나 조합을 확인하는 단계;
상기 제2데이터를 변조하는 단계;
상기 변조된 제2데이터를 상기 확인된 안테나 조합을 이용해 전송하는 단계를 포함하며,
상기 제1데이터의 크기는, 전체 안테나 개수 및 상기 전송 데이터 전송에 이용되는 안테나 개수를 기반으로 결정되는 안테나 조합의 개수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1데이터의 크기는 상기 송신기의 안테나 개수를 기반으로 확인되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 확인된 안테나 조합을 제외한 적어도 하나의 안테나를 사용해서 제3데이터를 전송하는 단계를 포함하되,
상기 제3데이터는 상기 변조된 제2데이터의 유효성을 확인하기 위한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
각 안테나의 채널 상태를 모니터링 하는 단계; 및
상기 모니터링 결과를 기반으로 상기 전송 데이터 전송에 사용될 안테나의 부분집합을 확인하는 단계를 더 포함하고,
상기 안테나 조합을 확인하는 단계는 상기 확인된 부분집합을 기반으로 상기 안테나 조합을 확인하고,
상기 안테나의 부분집합을 확인하는 단계는 상기 모니터링 결과를 기반으로 채널 품질 지시자(CQI)가 기 설정된 값 이상인 부분집합을 확인하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 안테나 조합은 채널 정보를 기반으로 수신기에서 확인되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 수신기에서 데이터 수신 방법에 있어서,
송신기로부터 변조된 제2데이터를 포함하는 신호를 수신하는 단계;
상기 수신한 신호를 기반으로 상기 제2데이터 전송에 사용된 안테나 조합을 확인하는 단계; 및
제1데이터를 포함하는 복수의 비트 시퀀스 및 복수의 안테나 조합 간 매핑 정보를 기반으로 상기 수신한 신호에 포함된 제1데이터를 복구하는 단계;
상기 수신한 신호에 포함된 제2데이터를 복조하는 단계;
상기 복구된 제1데이터 및 복조된 제2데이터를 포함하는 전송 데이터를 디코딩 하는 단계를 포함하며,
상기 제1데이터의 크기는, 전체 안테나 개수 및 상기 전송 데이터 전송에 이용되는 안테나 개수를 기반으로 결정되는 안테나 조합의 개수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
제6항에 있어서,
상기 안테나 조합을 확인하는 단계는,
상기 수신한 신호의 세기를 기반으로 상기 송신기가 신호를 송신하는데 이용한 안테나 조합을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
제6항에 있어서,
상기 안테나 조합을 확인하는 단계는,
전송에 사용되는 안테나의 개수가 전송에 사용되지 않는 안테나의 개수보다 적다는 가정을 기반으로 상기 송신기가 신호를 송신하는데 이용한 안테나를 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
제6항에 있어서,
상기 송신기가 상기 신호를 송신하는데 이용한 안테나 조합은 채널 정보를 기반으로 확인되는 것을 특징으로 하는 데이터 수신 방법.
MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 송신기에 있어서,
복수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이(array); 및
상기 안테나 어레이와 연관되며,
제1데이터 및 제2데이터를 포함하는 전송 데이터를 확인하고,
상기 제1데이터를 포함하는 복수의 비트 시퀀스 및 복수의 안테나 조합 간 매핑 정보를 기반으로 상기 전송 데이터를 전송하기 위한 안테나 조합을 확인하고,
상기 제2데이터를 변조하고,
상기 변조된 제2데이터를 상기 확인된 안테나 조합을 이용해 전송하는 제어부를 포함하고,
상기 제1데이터의 크기는, 전체 안테나 개수 및 상기 전송 데이터 전송에 이용되는 안테나 개수를 기반으로 결정되는 안테나 조합의 개수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 송신기.
제10항에 있어서,
상기 제1데이터의 크기는 상기 송신기의 안테나 개수를 기반으로 확인되는 것을 특징으로 하는 송신기.
제10항에 있어서,
상기 제어부는
상기 확인된 안테나 조합을 제외한 적어도 하나의 안테나를 사용해서 제3데이터를 전송하되, 상기 제3데이터는 상기 변조된 제2데이터의 유효성을 확인하기 위한 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제10항에 있어서,
상기 제어부는
각 안테나의 채널 상태를 모니터링 하고,
상기 모니터링 결과를 기반으로 상기 전송 데이터 전송에 사용될 안테나의 부분집합을 확인하고,
상기 확인된 부분집합을 기반으로 상기 안테나 조합을 확인하되,상기 제어부는 상기 모니터링 결과를 기반으로 채널 품질 지시자(CQI)가 기 설정된 값 이상인 부분집합을 확인하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제10항에 있어서,
상기 안테나 조합은 채널 정보를 기반으로 수신기에서 확인되는 것을 특징으로 하는 송신기.
MIMO(multiple-input and multiple-output)시스템의 수신기에 있어서,
복수의 안테나를 포함하는 안테나 어레이(array); 및
상기 안테나 어레이와 연관되며,
송신기로부터 변조된 제2데이터를 포함하는 신호를 수신하고,
상기 수신한 신호를 기반으로 상기 제2데이터 전송에 사용된 안테나 조합을 확인하고,
제1 데이터를 포함하는 복수의 비트 시퀀스 및 복수의 안테나 조합 간 매핑 정보를 기반으로 상기 수신한 신호에 포함된 제1데이터를 복구하고,
상기 수신한 신호에 포함된 제2데이터를 복조하고,
상기 복구된 제1데이터 및 복조된 제2데이터를 포함하는 전송 데이터를 디코딩 하는 제어부를 포함하고,
상기 제1데이터의 크기는, 전체 안테나 개수 및 상기 전송 데이터 전송에 이용되는 안테나 개수를 기반으로 결정되는 안테나 조합의 개수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 수신기.
제15항에 있어서,
상기 제어부는
상기 수신한 신호의 세기를 기반으로 상기 송신기가 신호를 송신하는데 이용한 안테나 조합을 확인하는 것을 특징으로 하는 수신기.
제15항에 있어서,
상기 제어부는
전송에 사용되는 안테나의 개수가 전송에 사용되지 않는 안테나의 개수보다 적다는 가정을 기반으로 상기 송신기가 신호를 송신하는데 이용한 안테나를 확인하는 것을 특징으로 하는 수신기.
제15항에 있어서,
상기 송신기가 상기 신호를 송신하는데 이용한 안테나 조합은 채널 정보를 기반으로 확인되는 것을 특징으로 하는 수신기.
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