다중 사용자 ＭＩＭＯ ＭＣ-ＣＤＭＡ 시스템에서의 하향 링크 데이터 수신 방법 및 그 장치 document_id A220517005080

본 발명은 하향 링크의 다중 사용자 MIMO MC-CDMA(Multiple Input Multiple Output MultiCarrier-Code Division Multiple Access) 시스템에서 데이터 수신 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 무선 이동 통신 시스템에서 보다 고속의 데이터 전송을 위한 차세대 방법으로 대두하고 있는 다중 송수신 안테나를 채용한 다중 반송파 대역 확산(MIMO MC-CDMA) 시스템을 위한 보다 향상된 수신기 설계를 위한 방법을 다루고 있다. 특히, 다른 사용자의 코드 정보를 모르는 하향 링크 상황에서 기존의 일반적인 MIMO 수신 방법인 V-BLAST(Vertical-Bell LAb layered Space Time) 방법이 갖는 문제점을 개선하기 위한 새로운 수신기 구조에 대해서 다루고 있다. 대역확산 다중접속(CDMA) 방식의 경우 효과적으로 다수의 사용자를 수용할 수 있는 접속 방식으로 지금까지 여러 상용 무선 이동 통신 시스템에 적용되어 운용되어 오고 있다. 하지만, 고속 데이터 전송 시 다중 경로 페이딩에 의한 칩간 간섭의 증가에 의해 별도의 간섭 제거기 등이 필요하게 되고 이는 시스템 용량에 제한을 초래하게 된다. 이러한 문제를 해결해 주기 위한 방법 중에 하나인 직교주파수분할다중(OFDM : Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 전송방법은 최대지연 확산 보다 긴 보호구간(Guard Interval : GI)을 사용하여 주파수 선택적인 페이딩 채널 환경에서 고속의 데이터 전송에 따른 다중 경로 페이딩 신호에 의한 신호의 왜곡 문제를 효과적으로 해결해줄 수 있는 방법이다. 따라서, 보다 향상된 시스템 성능을 얻기 위한 방법으로 CDMA와 OFDM을 결합한 MC-CDMA 시스템에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 이와 함께, 다중 송수신(MIMO) 안테나를 이용한 공간 영역에서의 신호처리를 통해 주파수 이용 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있는데, 이러한 MIMO 시스템에 대한 수신 방법으로는 순차 간섭 제거 방식(Successive Interference Cancellation : SIC)에 기반한 V-BLAST 방법이 널리 사용되고 있다. 최근 들어, 4세대 통신으로 대별되는 차세대 이동통신 시스템에서 요구하는 주파수 이용 효율과 시스템 용량을 만족시켜주기 위한 방법으로, 위에서 설명한 MIMO 전송 방식과 다중 반송파를 이용한 대역 확산 다중 접속 방식(MC-CMDA)을 결합한 MIMO MC-CDMA 시스템이 유력한 후보 중의 하나로 대두되고 있다. MC-CDMA 시스템의 블록도는 도 1과 같고, 이의 동작을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 먼저 송신단에서는 입력 신호를 확산 코드로 확산시킨 후, 각각의 칩 신호를 다중 반송파(subcarrier) 매핑시킨다. 모두 Nc 개의 부반송파에 매핑된 칩 신호들은 역 고속 퓨리에 변환(IFFT : Inverse Fast Fourier Transform)에 의해 시간영역의 신호로 바뀐 뒤에 보호구간(GI)을 붙여서 채널을 통과한 후에 수신된다. 수신단에서는 각각의 수신 안테나별로 수신된 신호에 대해서 보호구간을 제거한 후에 이를 고속 퓨리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)을 통해 주파수 영역의 신호로 바꾸어 Nc 개 각각의 부반송파에 매핑되어 전송된 칩 신호에 대해서를 역확산 과정을 거쳐서 신호를 검출해 낸다. 지금까지 설명한 내용에 대한 신호 모델을 살펴보면, 수학식 1과 수학식 2와 같다. 여기서 yj는 수신단에 수신된 신호, Hj는 채널 이득, xj는 송신단에서 송신한 신호, nj는 채널 잡음이다. 여기서, 는 번째 송신 안테나에서 개의 확산 코드로 확산 및 다중화되어 전송되는 송신 신호이고, 는 번째 송신 안테나에서 번째 확산 코드로 확산되어 부반송파 에 매핑되어 송신되는 신호이고, ck는 길이가 SF인 확산 코드를 나타낸다. 위 식에서 사용된 는 보다 크지 않은 최소 정수를 얻는 연산이고, mod(x,y)는 x/y에 대한 모듈로 연산으로 이는 각각의 입력 신호와 이를 확산한 칩 신호를 해당하는 부반송파에 매핑해주는 역할을 한다. 앞으로 다중 사용자 환경에서는 첫번째 사용자에게 전체 개의 코드 중에서 개의 확산 코드를 할당하고, 나머지 사용자들에게 남는 코드를 할당한다고 가정한다. 지금까지 살펴본 바와 같이, 수신단에서 FFT를 거친 후에 얻게 되는 각각의 부반송파에 대한 신호는 단일 반송파 MIMO 신호와 같고, 따라서 각 부반송파 별로 MIMO 수신 알고리즘인 V-BLAST를 적용하게 된다. 따라서, 앞으로는 표기의 편의를 위해서 부반송파 인덱스 는 생략한다. 이제 기존의 V-BLAST 알고리즘을 살펴보면 수학식 3과 같다. 여기서 (Gi)j는 Gi 의 j번째 row 이고, Q(x)는 양자화 과정을 나타낸다. 하향 MIMO MC-CDMA 시스템에 대한 V-BLAST 수신기는 단일 사용자 경우에 있어서는 어느 정도 만족할 만한 성능을 보이는 것으로 알려져 있지만, 다중 사용자 경우에 있어서는 매우 급격한 성능 저하를 보이는 것으로 알려져 있다. 이에 대한 원인을 살펴보면 다음과 같다. 설명의 편의상 두 명의 사용자가 있는 다중 사용자 환경을 가정하고, 첫번째 사용자에 대한 수신 성능을 살펴본다. 이러한 다중 사용자 환경에서의 하향 MIMO MC-CDMA 시스템에 대해서 수신단에서 V-BLAST 방법을 적용함에 있어서 문제가 되는 부분은, 첫번째 사용자가 알지 못하는 확산코드에 의한 신호는 검출해 낼 수가 없기 때문에 이러한 신호는 제거를 해 줄 수가 없고, 이러한 간섭 신호 성분이 순차 간섭 제거 방식에서는 구조적으로 과도한 에러를 발생시키게 되므로 결과적으로 수신기의 급격한 성능 저하를 가져온다. 이러한 상황을 앞서 살펴본 수신 신호 식을 통해서 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에서는 설명의 편의상 안테나 순서대로 널링(Nulling)을 한다고 가정한다. 앞서 살펴본 V-BLAST 알고리즘을 CDMA 신호에 적용시켰을 때, 안테나 i에 대한 널링과 간섭 제거 과정을 살펴보면 수학식 4와 같다. 여기서 zi는 안테나 i에 대하여 널링 후 얻어지는 수신 신호이고, y'는 간섭을 제거한 신호이다. 그리고 는 안테나 i에 대한 널링 벡터이고, DECk(x)는 신호 x에 대한 k번째 확산 신호에 의한 역확산 및 신호검출 과정을 나타낸다. 이 과정을 통해서 얻어진 개의 신호성분에 대해서 제거를 해주게 된다. 이와 같은 신호 모델을 이용하여, V-BLAST 수신기의 문제점을 살펴보면 다음과 같다. 전체 수신 신호에 대해서 송신 안테나 1을 제외한 다른 안테나 송신신호 성분을 w1로 널링한 후에 얻어지는 수신 신호 z1은 수학식 5와 같다. 여기서 는 안테나 i에 대한 널링 벡터 wi와 송신 안테나 j의 채널 벡터 hj간의 내적을 의미한다. 안테나 1에 대해서 구한 널링 벡터에 대해서, 널링이 완벽히 이루어졌다고 한다면, 으로 가정할 수 있다. 하지만, 일반적으로 널링 벡터가 널링시키려고 하는 채널 벡터와 완벽한 직교성을 갖지는 못하기 때문에 널링 과정에서 인 조건을 만족시키지 못하는 상황에서는 여전히 위에서 살펴본 간섭 성분 I2가 존재하게 된다. 안테나 1에 대해서 널링을 한 후에 얻어지는 z1 신호에 대해 역확산과 양자화를 거쳐서 검출된 신호에 대한 간섭 제거 과정은 수학식 6과 같다. 여기서, y'는 간섭이 제거된 후의 신호이고, 는 안테나 1의 신호에 대한 검출 에러로 안테나 2로 전파되는 에러 성분이다. 계속해서, 안테나 2에 대한 널링 과정을 살펴보면 수학식 7과 같다. 여기서 는 안테나 신호 1에 대한 간섭 제거를 한 후에 채널 행렬 H에서 송신 안테나 1에 대한 채널 백터를 제거하고 남는 채널 행렬에 대해서 새로이 구한 널링 벡터이다. 그리고, 는 안테나 2에 대해 새로이 구한 널링 벡터 와 채널 벡터 hj간의 내적을 의미한다. 안테나 2에 대해서 구한 널링 벡터에 대해서, 이라고 가정할 수 있지만, 은 채널 백터 h1를 고려하지 않고 구한 널링 벡터이므로 일반적으로 이라고는 할 수가 없다. 위 식에서 에러 성분 E를 살펴보면, 안테나 1의 신호 검출 시의 에러와 첫번째 사용자가 알지 못하는 확산 코드에 의한 간섭 성분이 에 의해 곱해져 있으므로 이 값은 안테나 2의 신호 검출에 있어서 매우 큰 간섭 성분으로 작용하게 된다. 이와 같이 순차 간섭 제거 방법에 기반한 V-BLAST의 경우, 연속적으로 널링과 간섭 제거를 해 나갈수록 에러성분 E에는 알지 못하는 코드에 의한 간섭 신호가 누적되게 되고, 이는 전체 수신 성능 저하를 야기하게 된다.