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KR20120035837A - 공간 다중화 전송 방법 및 장치 - Google Patents

공간 다중화 전송 방법 및 장치 Download PDF

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KR20120035837A
KR20120035837A KR1020110042563A KR20110042563A KR20120035837A KR 20120035837 A KR20120035837 A KR 20120035837A KR 1020110042563 A KR1020110042563 A KR 1020110042563A KR 20110042563 A KR20110042563 A KR 20110042563A KR 20120035837 A KR20120035837 A KR 20120035837A
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signal
transmission
parallel
antenna
signals
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배재휘
이광순
이현
김영수
허남호
송윤정
이수인
정태진
김준호
김호준
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부산대학교 산학협력단
한국전자통신연구원
전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 다중 안테나를 이용한 공간 다중화 전송 방법과 장치에 관한 것으로서, 공간 다중화 전송 방법은 순차 전송 신호에 서로 다른 전송 전력 가중치(weight)를 교차 부여하는 단계, 전송 전력 가중치가 부여된 순차 전송 신호를 프리코딩하는 단계, 프리코딩된 순차 전송 신호를 병렬 전송 신호로 변환하는 단계, 다중 안테나를 구성하는 제1 안테나에 연결된 제1 증폭기와 다중 안테나를 구성하는 제2 안테나에 연결된 제2 증폭기에 병렬 전송 신호를 교차 입력하는 단계 및 입력된 신호를 다중 안테나를 통해 전송하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 다중안테나를 구성하는 각 안테나로 전송되는 신호에 대한 수신 범위를 동일하게 조정할 수 있다.

Description

공간 다중화 전송 방법 및 장치{Transmitting Method And Apparatus Using MIMO}
본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서 공간 다중화 전송을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
다중 안테나 시스템을 이용하는 MIMO 기술은 다중 송수신 안테나들을 통해서 높은 데이터 전송률을 얻는다.
한편, MIMO 기술은 송수신 안테나들 사이에 상관(correlation)이 발생하는 경우에는 성능 열화가 발생한다. 기존의 MIMO 기술은 일반적으로 이동 통신 시스템에 적용되는데, 이 경우에는 송수신 안테나 사이의 채널 값들이 독립적이라는 가정을 사용하여 안테나를 설계하였다.
이에 대하여, 방송 시스템에서는 이동 통신의 경우와 달리 송수신 안테나들 사이에서 상관이 발생할 확률이 높아서 성능 열화를 방지할 방법이 문제된다.
본 발명은 불균등 송신 전력이 적용된 MIMO 시스템의 전송 효율을 높일 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다중안테나를 구성하는 안테나들에 연결된 각 증폭기에서 출력되는 전송 신호에 대한 송신 전력을 동일하게 조정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다중안테나를 구성하는 각 안테나로 전송되는 신호에 대한 수신 범위를 동일하게 조정할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다중 안테나를 이용한 공간 다중화 전송 방법으로서, 순차 전송 신호에 서로 다른 전송 전력 가중치(weight)를 교차 부여하는 단계, 전송 전력 가중치가 부여된 순차 전송 신호를 프리코딩하는 단계, 프리코딩된 순차 전송 신호를 병렬 전송 신호로 변환하는 단계, 다중 안테나를 구성하는 제1 안테나에 연결된 제1 증폭기와 다중 안테나를 구성하는 제2 안테나에 연결된 제2 증폭기에 병렬 전송 신호를 교차 입력하는 단계 및 입력된 신호를 다중 안테나를 통해 전송하는 단계를 포함한다.
이때, 제1 증폭기와 제2 증폭기에 교차 입력되는 병렬 전송 신호는 입력 시간마다 교차 입력될 수 있다.
또한, 제1 증폭기와 제2 증폭기에 교차 입력되는 병렬 전송 신호는 소정의 주기마다 교차 입력될 수 있다. 여기서 소정의 주기는 병렬 전송 신호를 구성하는 신호들 중 가장 높은 주파수를 가지는 신호의 주기일 수 있다.
본 발명은 또한, 공간 다중화 전송 장치로서, 입력되는 순차 전송 신호를 프리코딩하는 프리코더, 프리코딩된 순차 전송 신호를 병렬 전송 신호로 변환하는 직렬-병렬 변환기, 병렬 신호를 증폭하는 증폭부 및 증폭된 신호를 전송하는 다중 안테나부를 포함하며, 증폭부는 다중 안테나부를 구성하는 각 안테나에 일대일로 연결된 복수의 증폭기를 포함하고, 프리코더에 입력되는 순차 전송 신호에는 서로 다른 송신 전력 가중치가 교차 부여되어 있으며, 직렬-병렬 변환기는 변환된 병렬 전송 신호를 상기 복수의 증폭기에 교차 입력할 수 있다.
이때, 직렬-병렬 변환기는 복수의 증폭기에 병렬 전송 신호를 입력 시간마다 교차 입력할 수 있다.
또한, 직렬-병렬 변환기는 복수의 증폭기에 병렬 전송 신호를 소정의 주기마다 교차 입력할 수 있다. 여기서, 소정의 주기는 상기 병렬 전송 신호를 구성하는 신호들 중에서 가장 높은 주파수를 가지는 신호의 주기일 수 있다.
본 발명에 의하면, 불균등 송신 전력이 적용된 MIMO 시스템의 전송 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 다중안테나를 구성하는 안테나들에 연결된 각 증폭기에서 출력되는 전송 신호에 대한 송신 전력을 동일하게 조정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다중안테나를 구성하는 각 안테나로 전송되는 신호에 대한 수신 범위를 동일하게 조정할 수 있다.
도 1은 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이다.
도 2는 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템에서 신호를 송신하는 방법의 일 예를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라서 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템에서 안테나별 송신 전력을 균등화하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명이 적용되는 MIMO 시스템의 송신단에서 불균등 송신 전력을 이용하여 신호를 전송하는 방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다.
본 발명은 이동 방송 채널 환경에서 기존의 공간 다중화(MIMO) 시스템과 프리코더(precoder)를 직접 연접하여 수신 성능을 향상시키는 MIMO 시스템에 있어서, 복수의 송신 안테나에 서로 다른 변조 방식과 서로 다른 송신 전력을 동시에 적용하는 경우에, 각 안테나에서 출력되는 송신 전력이 동일한 값을 가지도록 하는 방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같은 송수신 안테나들 사이에서의 상관에 의한 성능 열화를 방지하기 위해서, 상관된 페이딩(correlated fading) 채널 환경에서 MIMO 방법을 적용할 수 있다.
예컨대, 2X2 MIMO의 경우에, 두 송신 안테나에서 동일한 변조를 적용하는 경우뿐만 아니라, 두 송신 안테나에 서로 다른 변조를 적용하는 경우, 가령 한쪽 안테나에는 QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)을 적용하고, 다른 안테나에는 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)을 적용할 때, 도 1과 같은 방법을 적용할 수 있다.
도 1은 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템의 개략적인 구성을 도시한 것이다. 입력 신호 벡터 x=[x1, x2]T의 송신 신호들인 x1과 x2에는 서로 다른 송신 전력이 할당된다. 이때, 두 안테나의 전체 송신 전력은 항상 일정하다. 두 송신 신호 x1과 x2는 Θ에 의해 r=[r1, r2]T로 프리코딩된 후 각 송신 안테나(120)를 통해서 전송된다.
수신 안테나(130)로 수신된 수신 신호 y=[y1, y2]T는 채널 행렬 H에 의해 수식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
수신된 신호는 ML 디코더(140)에 의해 복조된다.
도 1의 경우와 같이 서로 다른 신호들에 서로 다른 전력을 사용하면, 프리코딩된 두 신호들 r1과 r2 사이에 상관이 발생하게 된다. 이처럼, 출력 신호들 사이에 상관(correlation)이 존재하여 채널 값들 사이에도 상호 상관이 발생하면, 송신 빔포밍(transmission beam forming) 현상에 의해 수신 안테나에 수신되는 신호의 SNR(Signal to Noise Ratio)가 증가하게 된다. 따라서, 수신 성능이 향상된다.
이 방법에 의하면, 송수신 신호들 사이의 상관이 클 때, 수신 성능이 개선되지만, 송신 신호들 사이에 서로 다른 송신 전력이 사용된다. 즉, 다중 안테나 시스템을 구성하고 있는 송신 안테나 각각의 송신 전력이 서로 다르게 된다. 따라서, 송신 신호들이 동일한 특성을 가지는 증폭기(HPA: High Power Amplifier)에 입력되는 경우에, 각 증폭기의 출력 신호에 대한 송신 전력도 서로 다르게 된다.
이 송신 전력의 차이에 의해, 송신 신호들을 수신단에서 수신할 수 있는 수신 범위가 서로 다르게 되는데, 본 발명에 의하면, 이런 불균등 송신 전력(Unequal Transmission Power) MIMO 전송에 있어서 송신 신호에 대한 수신 범위를 같게 하여 송신 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2는 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이다. 도 2에서는 2X2 구조를 가지는 MIMO 시스템을 일 예로서 설명한다.
도 2를 참조하면, 송신 신호 x1, x2에 대해서 서로 다른 송신 전력
Figure pat00002
을 적용한다. 프리코더(210)를 거친 신호 r1, r2는 직렬-병렬(serial to parallel) 변환기(220)를 통해서 순차 전송 신호에서 병렬 전송 신호로 변환된다. 병렬 전송 신호로 변환된 전송 신호는 증폭기(230, 240)에 입력되어 증폭된 후에 안테나(250, 260)을 통해서 전송된다.
이때, 송신 신호 x1, x2에 할당된 송신 전력이 서로 다르기 때문에, 프리코더(210)를 거친 r1, r2에 대한 전력도 서로 다르게 된다. 결국, 동일한 특성의 증폭기(230, 240)를 거쳐 최종적으로 출력되는 신호들의 전력도 서로 다르게 되며, 이에 따라서, 신호들에 대한 수신 범위가 서로 달라지게 된다.
이하, 각 송신 안테나별로 시간에 따라 송신되는 신호에 대해 구체적으로 설명한다. 2X2 MIMO 시스템에 있어서, 각 송신 안테나(안테나 1, 안테나 2)로 전송되는 신호를 시간대별로 살펴보면 아래 식과 같다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
…………
Figure pat00007
여기서 두 송신 안테나(ant1, ant2)의 송신 신호에 대한 (평균) 송신 전력이 동일할 수 있으면, 송신 신호에 대한 수신 범위가 같아질 수 있다.
불균등 송신 전력 MIMO에 의한 송신 방법의 일 예를 구체적으로 설명한다. 도 3은 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템에서 신호를 송신하는 방법의 일 예를 개략적으로 설명하는 도면이다.
신호 xn, xn+1을 프리코딩하여 송신되는 신호인 rn, rn+1을 얻을 수 있다. xn, xn+1은 서로 다른 송신 전력을 할당 받기 때문에 프리코딩된 신호 rn, rn+1에 대한 송신 전력도 서로 다르게 된다. 따라서, 직렬-병렬 변환기(310)를 거쳐 동일한 특성의 증폭기(320, 330)를 거쳐 안테나(340, 350)로 전송되는 신호에 대한 수신 범위도 달라지게 된다.
MIMO 시스템에서는 공간 다중화를 이용하여 신호들을 전송함으로써 전송 효율을 향상시킨다. 이때, 신호들의 수신 범위가 서로 다르게 되면, 시스템의 전송 효율은 수심 범위가 좁은 쪽으로 수렴해 버리고 만다.
따라서, 송신 신호들에 대한 수신 범위가 달라지게 되는 문제를 해결하기 위해서, 각 증폭기로부터 출력되는 신호에 대한 평균 전력을 동일하게 하는 방법을 고려할 수 있다.
본 발명에서는 MIMO 시스템의 다중 안테나를 구성하는 각 안테나에 일대일로 연결된 증폭기에 전송할 신호를 교차 입력함으로써 안테나별로 전송되는 신호에 대한 송신 전력의 평균값을 동일하게 할 수 있다. 이때 전송 신호 x에 불균등 송신 전력 가중치(
Figure pat00008
)가 할당되어 있으므로, 송신할 신호 r들도 한 신호씩 교차하여 서로 다른 송신 전력이 부여되게 된다.
송신한 신호 r들은 교차하여 각 증폭기에 입력된다.
각 증폭기로 입력되는 신호들은 입력 시간마다 각 증폭기에 교차 입력될 수 있다. 예컨대, 2X2 MIMO 시스템의 경우에, rn이 첫 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력되면, rn+1은 두 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력되고, 이어서 rn+2는 다시 두 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력되며, rn+3이 첫 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력된다.
또한, 각 증폭기로 입력되는 신호들은 소정의 주기마다 각 증폭기에 교차 입력될 수도 있다. 이 경우에, 소정의 주기는 송신 신호를 구성하는 각 신호의 주파수들 중에서 가장 큰 주파수의 주기를 따를 수 있다. 예컨대, 2X2 MIMO 시스템에서 병렬 전송 신호로 변환된 신호에 대한 주기가 n개의 신호에 대응하는 경우에는, r1부터 rn까지의 신호 중에서 홀수 번째 신호는 첫 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력하고, 짝수 번째 신호는 두 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력하며, rn+1부터 r2n까지의 신호 중에서 홀수 번째 신호는 두 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력하고, 짝수 번째 신호는 첫 번째 안테나에 연결된 증폭기에 입력하여 각 안테나로 전송되는 신호에 대한 평균 전송 전력을 동일하게 할 수 있다.
각 안테나로 전송되는 신호들의 평균 전송 전력이 동일하게 됨으로써, 각 신호들의 수신 범위도 동일하게 조정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라서 불균등 송신 전력을 적용한 MIMO 시스템에서 안테나별 송신 전력을 균등화하는 방법을 개략적으로 도시한 것이다. 도 4에서는 각 안테나에 연결되는 증폭기에 송신할 신호를 입력 시간마다 교차 입력하는 경우를 본 발명의 일 예로서 설명하고 있다.
도 4를 참조하면, 직렬-병렬 변환기(410)를 거친 신호 r들은 증폭기(420, 430)에 입력 시간마다 교차 입력되며, 이후 안테나(440, 450)를 통해서 전송된다.
다중 안테나를 구성하는 각 안테나에 일대일로 연결된 각 증폭기에 입력되는 신호를 입력 시간별로 살펴보면, 수학식 3과 같다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
…………
Figure pat00013
Figure pat00014
수학식 3에서 볼 수 있듯이, 첫 번째 안테나(ant1)에 연결된 증폭기에 입력되는 신호는 송신 전력 가중치
Figure pat00015
가 번갈아 가며 적용된 송신 신호 x가 프리코딩된 신호 r들이 입력된다. 두 번째 안테나(ant2)에 연결된 증폭기에 입력되는 신호도 송신 전력 가중치
Figure pat00016
가 번갈아 가며 적용된 송신 신호 x가 프리코딩된 신호 r들이 입력된다. 이때, 전체 매 시간 전송 전력을 일정하게 유지하기 위해서, 각 안테나별로 할당되는 전송 전력 가중치는 서로 상이하다.
도 5는 본 발명이 적용되는 MIMO 시스템의 송신단에서 불균등 송신 전력을 이용하여 신호를 전송하는 방법을 개략적으로 설명하는 순서도이다.
도 5를 참조하면, 송신 신호별로 송신 전력 가중치
Figure pat00017
가 교차 부여된다(S510). 이 신호들은 프리코더에 순차적으로 입력된다.
프리코더는 다중 안테나 시스템을 통해 공간다중화 방식으로 신호를 전송하기 위해, 입력되는 신호들을 프리코딩한다(S520).
프리코딩된 신호들은 직렬-병렬 변환기에 의해서 순차 전송 신호에서 병렬 전송 신호로 변환된다(S530).
병렬 전송 신호로 변환된 신호는 증폭기에 입력된다(S540). 증폭기는 다중안테나를 구성하는 각 안테나에 일대일로 연결되어 있다. 병렬 전송 신호는 각 증폭기에 하나씩 입력된다. 이때, 병렬 전송 신호는 입력 시간마다 교차 입력될 수도 있고, 소정의 주기마다 교차 입력될 수도 있다.
입력된 신호는 증폭기에서 증폭된다(S550). 이후, 신호들은 다중 안테나를 통해서 전송된다(S560).
본 명세서에서 설명하는 내용 중, 통신 네트워크에서 이루어지는 작업은 해당 통신 네트워크를 관할하는 시스템(예를 들어 서버 등)에서 네트워크를 제어하고 데이터를 송신하는 과정에서 이루어지거나, 해당 네트워크에 결합한 단말에서도 작업이 이루어질 수 있다.
아울러, 본 발명에서 특정 구성을 "포함"한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 실시예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 다중 안테나를 이용한 공간 다중화 전송 방법으로서,
    순차 전송 신호에 서로 다른 전송 전력 가중치(weight)를 교차 부여하는 단계;
    상기 전송 전력 가중치가 부여된 순차 전송 신호를 프리코딩하는 단계;
    상기 프리코딩된 순차 전송 신호를 병렬 전송 신호로 변환하는 단계;
    다중 안테나를 구성하는 제1 안테나에 연결된 제1 증폭기와 상기 다중 안테나를 구성하는 제2 안테나에 연결된 제2 증폭기에 상기 병렬 전송 신호를 교차 입력하는 단계; 및
    상기 입력된 신호를 상기 다중 안테나를 통해 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 병렬 전송 신호를 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기에 입력 시간마다 교차 입력하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 병렬 전송 신호를 상기 제1 증폭기와 상기 제2 증폭기에 소정의 주기마다 교차 입력하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 소정의 주기는 상기 병렬 전송 신호를 구성하는 신호들 중 가장 높은 주파수를 가지는 신호의 주기인 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 방법.
  5. 입력되는 순차 전송 신호를 프리코딩하는 프리코더;
    상기 프리코딩된 순차 전송 신호를 병렬 전송 신호로 변환하는 직렬-병렬 변환기;
    상기 병렬 신호를 증폭하는 증폭부; 및
    증폭된 신호를 전송하는 다중 안테나부를 포함하며,
    상기 증폭부는 상기 다중 안테나부를 구성하는 각 안테나에 일대일로 연결된 복수의 증폭기를 포함하며,
    상기 프리코더에 입력되는 순차 전송 신호에는 서로 다른 송신 전력 가중치가 교차 부여되어 있으며,
    상기 직렬-병렬 변환기는 변환된 병렬 전송 신호를 상기 복수의 증폭기에 교차 입력하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 직렬-병렬 변환기는 상기 복수의 증폭기에 상기 병렬 전송 신호를 입력 시간마다 교차 입력하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 직렬-병렬 변환기는 상기 복수의 증폭기에 상기 병렬 전송 신호를 소정의 주기마다 교차 입력하는 것을 특징으로 하는 공간 다중화 전송 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 증폭기에 병렬 전송 신호가 교차 입력되는 소정의 주기는 상기 병렬 전송 신호를 구성하는 신호들 중에서 가장 높은 주파수를 가지는 신호의 주기인 것을 특징으로 하는 공간 다중화 장치.
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