ＭＩＭＯ 다중통신 시스템 및 신호 분리 방법 document_id A220623068203

MIMO(Multiple Input Multiple Output) 공간 다중화(spatial multiplexing)는 대용량 및 고속 데이터 통신을 실현하기 위한 하나의 기술이다. 도 1은, MIMO 다중 시스템(10)의 일반적인 구조를 개략적으로 도시한다. MIMO 다중 시스템(10)에 있어서, 송신기(100)는, 동일한 주파수, 시간 및/또는 코드(code)를 이용하여, 복수의 상이한 안테나 브랜치들(antenna branches : 101, 102, ...,)을 통해, 복수의 상이한 신호들 또는 데이터를 송신한다. 수신기(200)는, 공간적으로 다중화(spatially multiplex)된 복수의 상이한 신호들을 안테나들(201, 202,...,)을 통해 수신하고, 송신된 신호들 또는 데이터를 취득(retrieve)하기 위해 수신된 신호들을 분리한다. MIMO 다중 시스템은 상이한 데이터를 동시에 송신하고 수신할 수 있으므로, 그것은 정보 비트율(bit rate)을 대폭으로 증가할 수 있다. 몇몇 신호 분리 방식들이 MIMO 다중화를 위해 제안되어 왔다. 그들 중, 최우도 검출법(maximum likelihood of detection(MLD) method)이, 매우 뛰어난 신호 분리 특성들을 가지고 있으며, 비트당 요구되는 신호 에너지 대 잡음 전력 스펙트럼 밀도비(required signal energy per bit-to-noise power spectrum density ratio(Eb/No))를 감소시킬 수 있고, 따라서, 높은 쓰루풋(throughput)을 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 그러나, MIMO 방법에서는, 모든 송신 브랜치들(송신되는 신호들)에 대해 모든 가능한 심볼 레플리카 후보들의 브랜치 메트릭(metric)들(유클리드 거리의 제곱)을 계산할 필요가 있으며, 그에 따라, 계산처리량과 복잡성이 과도하게 크다. MLD에서, 최소 브랜치 메트릭들을 부여하는 심볼 레플리카 후보들의 조합이 송신신호들의 올바른 조합이라는 가정하에, 송신신호들을 취득될 수 있다. MLD법의 실제 실행에 대한 계산처리량 및 복잡성을 감소시키는 것이 바람직하다. MLD법에서 계산처리량을 감소시키는 하나의 유망한 접근법으로서, LSD(List Sphere Decoding)법이 제안되어왔다. LSD법에서는, QR분해(QR decomposition) 기술이, 송신신호들을 (도 2에 도시된 바와 같이, 각 수신신호가 특정 송신신호 성분(들)만 포함하며 다른 송신신호 성분들은 포함하지 않는 상태로) 직교화하기 위해 이용된다. 적절한 문턱값(threshold)은 이전에 설정된다. 송신신호들 또는 송신 브랜치들은, 그들의 수신된 SINR들(Signal to Interference plus Noise power Ratios)이 작아지는 순서로 분류되거나(sorted) 랭크된다. 송신 브랜치들에 대한 심볼 레플리카 후보들의 브랜치 메트릭들이, 그들의 수신 SINR들이 작아지는 순서로 문턱값과 비교된다. 비교 결과에 따라, 하위에 랭크된 송신신호들(비특허문헌 #1 참조)에 대한 심볼 레플리카 후보들은 삭제된다. QR분해는 아래에서 더 상세하게 설명된다. 송신신호들이 x(네 개의 송신 안테나 브랜치들이 사용된다면, x1, x2, x3, 및 x4)로 표현되고, 수신신호들이 y(네 개의 수신 안테나들이 사용된다면, y1, y2, y3, 및 y4)로 표현된다고 가정하면, 수신신호들은 다음의 수학식 1에 의해 표현될 수 있다. H는, 송신신호들로 다중화된 기지(known)의 직교 파일럿 신호들을 이용하여, 수신기에서 채널 추정(channel estimation)을 수행함으로써 얻어질 수 있는 채널 행렬(matrix)이다. 직교 파일럿 신호들은, 시간 분할 다중화, 주파수 분할 다중화, 및 코드 분할 다중화 중 어느 하나 또는 그들의 조합에 의해, 송신신호로 다중화된다. 다음의 수학식 2를 만족시키는 유니타리 행렬(unitary matrix) Q와 상삼각행렬(upper triangular matrix) R이 결정된다. 상기 수학식 1은, QR을 이용하여 다음의 수학식 3으로 표현될 수 있다. 행렬 Q의 에르미트 전치 행렬(Hermitian transposed matrix) QH이, 다음의 수학식 4를 얻기 위해 수학식 3의 양측에서 좌측으로 곱해진다. 도 2에 도시된 수학식은, 송신신호들 x의 성분들 x1, x2, x3, 및 x4과, 송신신호들 x을 직교화함으로써 얻어지는 수신신호들 QHy의 성분들 z1, z2, z3, 및 z4을 나타낸다. 예를 들면, 성분 z1=r44x1이므로, 그것은 성분 x1만을 포함하고 x의 다른 성분들을 포함하지는 않는다. 성분 z2은 성분 x1 및 x2만을 포함한다. 이러한 상태를 여기서는 "직교(orthogonal)"라고 한다. 이렇게 상삼각 행렬 R을 이용하여 송신신호들 x을 직교화한 수신신호들 z에 대해서, 안테나 브랜치(101)에서 송신된 각 송신신호(x1, x2, x3, x4)에 대한 각 심볼 레플리카 후보들(S1, S2, S3, S4, S5, S6,...)에 관한 브랜치 메트릭이, 문턱값과 차례로 비교된다. 비교 결과에 따라(예를 들면, 도 3에 도시된 스테이지 1에서 x1에 대한 실선의 백색원 S1이 문턱값보다 크다), 송신신호들(예를 들면, 도 3에 도시된 스테이지 2에서 x2)에 대해 하위로 랭크된 심볼 레플리카 후보들(예를 들면, 스테이지 2에서 네 개의 점선 백색원들로 표현되는 다음의 심볼 레플리카 후보들)은 계산처리량을 감소시키기 위해 삭제된다. 각 스테이지는 각 송신 안테나 브랜치에 대응하며, 따라서 각 송신신호에 대응한다. 각 스테이지에서 심볼 레플리카 후보들을 결정함으로써, 송신신호는 각 안테나 브랜치에서 취득된다. 도 3은, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조 및 2x2 MIMO 다중화가 채용되는 상태에서, 위에서 설명된 LSD법의 브랜치 메트릭 계산 및 비교 처리를 개략적으로 도시한다. 실선 및 점선의 백색원들은, 문턱값과의 비교에 따라 삭제된 심볼 레플리카 후보들을 나타낸다. 흑색원들은 생존하는 심볼 레플리카 후보들을 나타낸다. 이 예에서, 계산 및 비교 처리는 단계 S1에서 시작하여, 단계 S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, 및 S11을 통해, 단계 S12에서 종료된다. [비특허문헌 1] B.M. Hochwald, et al., "Achieving near-capacity on multiple-antenna channel," IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 3, pp. 389-399, March 2003.