KR100921202B1

KR100921202B1 - 시공간 주파수 블록 부호화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100921202B1
Application number: KR1020040093704A
Authority: KR
Inventors: 채찬병; 윤성렬; 정재학; 노원일; 정영호; 남승훈; 오정태; 고균병; 정홍실
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2009-10-13
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: CN101053230B; KR20060040540A; KR20090101152A; CN101053230A

Abstract

본 발명은 3 개의 송신 안테나들을 사용하는 통신시스템의 송신기 및 송신방법 관한 것으로, 입력되는 심볼열을 소정 규칙에 의해 복수개의 송신 안테나를 통해 전송하는 방식에서 시공간 주파수 블록 부호의 코딩 이득을 최대화하기 위한 방법을 제안하고 이에 따른 통신시스템의 송신기 및 송신방법을 제공한다.

시공간 주파수 블록 부호화, 최대 다이버시티 이득, 최대 데이터 레이트, 선부호화기, 재결합기

Description

시공간 주파수 블록 부호화 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF SPACE TIME FREQUENCY BLOCK CODE}

도 1은 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 송신기의 구성을 도시하는 도면.

도 2는 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 수신기 구성을 도시하는 도면.

도 3은 본 발명에서 제안하는 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 송신기의 송신절차를 도시하는 도면.

도 4는 종래기술로서 Tarokh이 제안한 코드 설계 방법에 근거한 코딩 이득을 나타내는 곡선.

도 5는 본 발명에서 사용한 설계 방법에 근거한 코딩 이득을 나타내는 곡선.

도 6은 phase rotator 값을 바꾸어 주면서 구한 BER 성능 곡선

도 7은 종래 Tarokh이 제안한 코드 설계 방법에 근거한 시공간 주파수 블록 부호와 본 발명에서 제안한 코드 설계 방법에 근거한 시공간 주파수 블록 부호의 성능 곡선

본 발명은 무선통신 시스템의 송신 안테나 다이버시티 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 다중 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 코딩이득(coding advantages)을 최대화하기 위한 송신기 및 송신 방법에 관한 것이다.

통신에서 가장 근본적인 문제는 채널(channel)을 통하여 얼마나 효율적이고 신뢰성 있게(reliably) 데이터(data)를 전송할 수 있느냐 하는 것이다. 최근에 활발하게 연구되고 있는 차세대 멀티미디어 이동 통신 시스템에서는 초기의 음성 위주의 서비스를 벗어나 영상, 무선 데이터 등의 다양한 정보를 처리하고 전송할 수 있는 고속 통신 시스템이 요구됨에 따라 시스템에 적절한 채널 부호화 방식을 사용하여 시스템의 효율을 높이는 것이 필수적이다.

일반적으로, 이동통신시스템에 존재하는 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과 달리 다중 경로 간섭(multipath interference), 쉐도잉(shadowing), 전파 감쇠, 시변 잡음(time-varying noise) 및 페이딩(fading) 등과 같은 여러 요인들로 인해 불가피한 오류가 발생하여 정보의 손실이 생긴다.

상기 정보 손실은 실제 송신 신호에 심한 왜곡을 발생시켜 상기 이동 통신 시스템의 전체 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 일반적으로 이러한 정보의 손실을 감소시키기 위해 채널의 성격에 따라 다양한 에러 제어 기법(error- control technique)을 이용하여 시스템의 신뢰도를 높이는데, 이러한 에러 제어 기법 중에 가장 기본적인 방법은 에러 정정 부호(error-correcting code)를 사용하는 것이다.

또한, 무선통신 시스템에서 다중경로 페이딩을 완화시키기 위해 다이버시티 기술을 사용하는데, 예를 들어 시간 다이버시티(time diversity), 주파수 다이버시티(frequency diversity)와 안테나 다이버시티(antenna diversity) 등이 있다.

이 중에서 상기 안테나 다이버시티 방식은 다중 안테나(multiple antenna)를 사용하는 방식으로서, 상기 안테나 다이버시티 방식은 수신 안테나들을 다수개로 사용하는 수신 안테나 다이버시티 방식과 송신 안테나들을 다수개 사용하는 송신 안테나 다이버시티 방식 및 다수개의 송신 안테나들과 다수개의 수신 안테나들을 사용하는 다중 입력 다중 출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 방식으로 분류된다.

여기서, 상기 MIMO 방식은 일종의 시공간 부호화(STC : Space-Time Coding) 방식이며, 상기 시공간 부호화 방식은 미리 설정된 부호화 방식으로 부호화된 신호를 다수개의 송신 안테나들을 사용하여 송신함으로써 시간 영역(time domain)에서의 부호화 방식을 공간 영역(space domain)으로 확장하여 보다 낮은 에러율을 달성하는 방식이다.

한편, 상기 안테나 다이버시티 방식을 효율적으로 적용하기 위해서 제안된 방식들중의 하나인 시공간 블록 부호화(STBC : Space Time Block Coding) 방식은 "Vahid Tarokh" 와 "S.M.Alamouti" 등에 의해 제안되었다(Vahid Tarokh, "Space time block coding from orthogonal design," IEEE Trans. on Info., Theory, Vol. 45, pp. 1456-1467, July 1999, S.M.Alamouti, " A simple transmitter diversity scheme for wireless communication, " IEEE Journal on Selected Area in Communication, Vol. 16, pp.1451-1458, Oct.1998). 상기 S.M.Alamouti에 제안된 상기 시공간 블록 부호화 방식은 송신 안테나 다이버시티 방식을 2개 이상의 송신 안테나들에 적용할 수 있도록 확장한 방식이다.

상기 안테나 다이버시티 방식을 효율적으로 적용하기 위한 또 다른 방법으로 제안된 것은 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 것이다. 도 1은 이러한 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 송신기의 구성을 보여주고 있다. 송신기는, 도면에 나타난 바와 같이 변조기(100), 직/병렬 변환기(Serial to Parallel Converter: S/P Converter)(102), 시공간 주파수 블록 부호화기(Encoder)(104) 및 3개의 송신 안테나들(106)로 구성된다.

도 1을 참조하여 송신기의 송신 방식으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 변조기(100)는 입력되는 정보 데이터(또는 부호화 데이터)를 미리 설정된 변조 방식으로 변조하여 변조 심볼들을 출력한다. 여기서, 상기 미리 설정된 변조 방식은 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation), PAM(Pulse Amplitude Modulation), PSK(Phase Shift Keying) 등과 같은 변조방식들 중 어느 한 방식이 될 수 있다.

직렬/병렬 변환기(102)는 상기 변조기(100)로부터의 직렬 데이터를 병렬 데 이터로 변환하여 시공간 주파수 블록 부호화기(104)로 출력한다. 여기서, 상기 변조기(100)에서 출력되는 직렬 변조 심볼들을 s_1,s_2,s_3,s₄라고 가정하기로 한다. 상기 시공간 주파수 블록 부호화기(104)는 상기 직렬/병렬 변환기(102)로부터 입력된 4개의 데이터는 최대 다이버시티(fulldiversity)를 얻기 위하여 선부호화기(104)에서 <수학식 1>에서 정의된 방식에 의하여 선부호화 된다.

여기에서 1 ≤ i ≤ 4

여기서

는 변조된 심볼의 값을 의미하며

는

를 phase rotator

만큼 회전한 값이다. 선부호화된 심볼

는 재결합기(106)에 입력되며 재결합기에서는 상기 선부호화된 심볼열의 실수부와 허수부를 인터리브방식으로 2개씩 묶어 재결합하여 심볼벡터들을 발생한다. 즉 <수학식2>와 같이 입력된 선부호화 심볼을 재결합하여

를 생성한다.

여기서 I는 실수부 Q는 허수부 그리고 j 는 복소수를 의미한다.

상기 재결합기(106)의 출력 데이터인 4개의 심볼들은 시공간 주파수 블록부 호화(STFBC)하여 3개의 송신 안테나들을 통해 송신한다. 상기 조합들을 생성하기 위한 부호화 행렬은 하기 <수학식 3>과 같다.

여기서,

는 상기 선부호화기(104)와 재결합기(106)를 거친 심볼이다. 본 방법은 인도의 Sundar Rajan 교수 그룹에 의하여 제안되었다. 그러나 상기에서 언급한 <수학식 3>과 같이 상기

가 시공간 주파수 부호화기를 구성하는 것에 국한하는 것이 아님은 자명하다. <수학식 3>은 4개의 입력 데이터를 2개씩 알라모우티 방식에 의하여 구성하고 2개의 송신 안테나에 대한 알라모우티 방식에 의하여 구성된 시주파수 블록부호화기를 3개의 안테나를 통해 전송할 수 있도록 적절히 배열 하도록 한다.

상기에서 언급한 2개의 송신 안테나에 대한 알라모우티 방식은 2개의 입력 심볼 s₁, s₂에 대하여 <수학식 4>의 행렬중 하나의 행렬로 구성할 수 있다.

상기 부호화 행렬에서 행(row)의 개수는 송신 안테나 개수에 대응되고, 열(row)의 개수는 상기 3개의 심볼들을 전송하는데 소요되는 시간과 주파수를 나타낸다. 여기에서 첫 번째 두 열은 주파수 f1에 나머지 두 열은 주파수 f2에 전송된다. f1을 통해 전송될 두 열 중 앞 열은 시간 t1에 뒤의 열은 시간 t2에 전송된다. 즉, 4개의 심볼들이 2개의 시간구간, 2개의 주파수 구간 동안 3개의 안테나들을 통해 송신된다.

즉, 첫 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f1과 시간 t1에 전송되며, 두 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f1과 시간 t2에 전송되며, 세 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f2과 시간 t1에 전송되고 네 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f2와 시간 t2에 전송된다. 그러므로 4개의 심볼들이 2개의 시간구간, 2개의 주파수 구간 동안 3개의 안테나들을 통해 송신된다.

이와 같은 맥락으로 첫 번째 두 열(column)의 데이터는 시간 t1에 나머지 두 열(column)의 데이터는 시간 t2에 전송될 수도 있다. 시간 t1을 통해 전송될 두 열(column)의 데이터 중 앞 열(column)의 데이터는 주파수 f1에 뒤의 열(column)의 데이터는 주파수 f2에 전송된다. 즉, 첫 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f1과 시간 t1에 전송되며, 두 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f2과 시간 t1에 전송되며, 세 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f1과 시간 t2에 전송되고 네 번째 열(column)의 데이터는 주파수 f2와 시간 t2에 전송된다.

그러나 상기에서 언급한 바와 같이 신호를 전송할 때 시간과 주파수를 모두 사용하는 것으로 한정시킬 필요가 없음은 자명하다.

4개의 열에 대하여 각 열의 데이터들은 같은 주파수를 사용하여 전송되지만, 모두 다른 시간간격으로 전송될 수 있다. 즉, 첫 번째 열의 데이터는 시간 t1에 전송되며, 두 번째 열의 데이터는 시간 t2에 전송되며, 세 번째 열의 데이터는 시간 t3에 전송되고 네 번째 열의 데이터는 시간 t4에 전송된다.

또한 모두 같은 시간을 사용하고 다른 주파수 영역으로 전송할 수도 있다. 즉, 첫 번째 열의 데이터는 주파수 f1에 전송되며, 두 번째 열의 데이터는 주파수 f2에 전송되며, 세 번째 열의 데이터는 주파수 f3에 전송되고 네 번째 열의 데이터는 주파수 f4에 전송된다.

이상 살펴본 바와 같이, 상기 시공간 주파수 블록 부호화기(108)는 입력되는 4개의 심볼들에 반전(negative)과 공액(conjugate)을 적용하여 4개의 새로운 심볼열들을 생성하고, 상기 4개의 심볼열들을 2개의 시간구간, 2개의 주파수 구간 동안 3개의 안테나들(110, 112, 114)을 통해 송신한다. 즉, 상기 시공간 주파수 블록부호화기(108)에서 구성한 시공간 주파수 부호의 첫 번째 행(row)는 첫 번째 안테나(110)으로 송신되며 두 번째 행(row)는 두 번째 안테나(112)로 송신되며 세 번째 행(row)는 세 번째 안테나(114)로 송신된다. 여기서 각각의 안테나로 출력되는 심볼 시퀀스들, 즉 부호화 행렬의 열(column)들은 상호간에 직교성을 갖기 때문에 다이버시티 차수(diversity order)만큼의 다이버시티 이득(gain)을 획득할 수 있다.

앞서 언급한 Alamouti의 시공간 주파수 블록 부호화 기술은 2개의 송신 안테나들을 통해 복소 심볼들(complex symbols)을 송신하더라도, 전송률(data rate)을 손실하지 않고 송신 안테나들의 개수와 동일한, 즉 최대의 다이버시티 차수 (diversity order)를 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 2는 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 수신기 구성을 도시하고 있다. 특히, 상기 도 2는 도 1의 송신기 구조에 대응하는 수신기 구조를 보여준다.

도시된 바와 같이, 상기 수신기는 복수의 수신 안테나들(200 내지 202), 채널 추정기(Channel Estimator)(204), 신호 결합기(Signal Combiner)(206), 검출기(Detector)(208), 병렬/직렬 변환기(210) 및 복조기(212)로 구성된다.

도 2를 참조하면, 먼저 도 1의 송신기에서 3개의 송신 안테나들을 통해 송신된 신호는 제1수신 안테나(200) 내지 제P수신 안테나(202) 각각을 통해 수신된다. 상기 제1수신 안테나(200) 내지 제P수신 안테나(202) 각각은 수신된 신호를 채널 추정기(204)와 신호 결합기(206)로 출력한다.

상기 채널 추정기(204)는 상기 제1수신안테나(200) 내지 제P수신안테나(202) 각각을 통해 수신된 신호를 입력하여 채널 이득(channel gain)을 나타내는 채널 계수들(channel coefficients)을 추정하여 검출기(208)와 상기 신호 결합기(206)로 출력한다. 즉, 상기 채널 추정기(204)는 상기 송신기의 송신 안테나들(106, 108, 110, 112)로부터 상기 수신안테나들(200 내지 202)로의 채널 이득들을 나타내는 채널 계수들(channel coefficients)을 추정한다.

상기 신호 결합기(206)는 상기 제1수신안테나(200) 내지 제P수신안테나(202) 각각을 통해 수신된 신호와 상기 채널 추정기(204)에서 출력되는 채널 계수들을 소 정 규칙에 의해 결합하여 수신 심볼들을 출력한다.

상기 검출기(208)는 상기 신호 결합기(206)의 결합된 수신 심볼들에 상기 채널 추정기(204)의 상기 채널 계수들을 곱하여 추정(hypotheses) 심볼들을 생성하고, 상기 추정(hypotheses) 심볼들을 가지고 상기 송신기에서 송신 가능한 모든 심볼들에 대한 결정 통계량(decision statistic)을 계산한 후, 임계값 검출(threshold detection)을 통해 상기 송신기에서 송신한 심볼들을 검출하여 출력한다.

병렬/직렬 변환기(210)는 상기 검출기(208)로부터의 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하여 출력한다. 복조기(212)는 상기 병렬/직렬 변환기(210)로부터의 심볼들을 미리 설정된 복조 방식으로 복조하여 원래의 정보 데이터 비트들로 복원한다.

이러한 방식에서 수학식3과 같이 2개의 심볼을 알라모우티 방식을 이용하여 3개의 안테나에 대한 시주파수 공간 부호를 구성하면 수신기에서 선형 디코딩이 가능하여 복잡도를 낮추는 이득이 있다. 여기에서 Sundar Rajan 그룹은 위상회전값(phase rotator)

를 변조에 상관 없이 (modulation order) 특정 값으로 고정하여 사용한다. 즉, QPSK, 16QAM, 등의 변조에 상관 없이 모두

를 사용한다.

이하에서는 Sundar Ragan 그룹의 시공간 주파수 블록 부호의 코딩이득에 대해 설명한다. 먼저 Sundar Ragan 그룹의 시공간 주파수 블록 부호의 코딩이득에 대 한 설명의 전제가 되는 시공간 주파수 블록 코드를 설계하는 방식에 대하여 설명한다.

1997년 Tarokh은 논문을 통해 시공간 트렐리스 코드에 대하여 2가지 디자인 룰을 제안하였다. 이 디자인 룰을 설명하기 전에 시공간 트렐리스 코드 c가 시공간 트렐리스 코드 e로 될 에러확률(

) 바운드를 살펴보면 다음과 같다.

상기 <수학식 5>는 쌍간에러율(pairwise error probability)을 나타내며, 여기에서 r은 시공간 트렐리스 코드 행렬의 rank, M은 수신 안테나 개수,

는 시공간 트렐리스 코드 행렬의 대각 성분들(diagonal term)을 나타낸다. E_s는 심벌에너지이며, N₀는 노이즈 값이다. <수학식 5>의 오른쪽 부분을 구성하는 2식 중 앞부분이 코딩 이득을 나타내는 Determinant Criterion이며, 뒷 부분이 다이버시티 이득을 나타내는 Rank Criterion이다.

1) Determinant Criterion : 코딩 이득을 최대화하는 디자인 조건으로 큰 코딩이득을 얻기 위하여는

의 곱이 가장 큰 코드를 설계하여야 한다.

2) Rank Criterion : diversity 이득을 최대화하는 디자인 조건으로 full rank를 갖도록 해야 한다. 상기 full rank는 시공간 트렐리스 코드 행렬의 rank 값과 안테나 개수가 동일함을 의미한다.

코딩이득에 관해서 Sundar Rajan 그룹은 시공간 블록 부호를 Tarokh이 제안한 1) Determinant Criterion의 설계 룰로 구한다. 상기 Determinant Criterion는 서로 다른 두 신호 벡터들의 차(c-e)에 대한 N×N 행렬 A(c,e)들의 0이 아닌 아이겐 밸류(eigen value) 값의 곱들 중에서 최소값을 최대화한 것으로, 이렇게 하여

를 구하면 약 59도이다.

도 4는 종래기술로서 Tarokh이 제안한 디자인 룰에 의하여 구한 최소 코딩 이득을 다양한

, 즉 0-90까지로 변화시켜 가며 찾은 값이다. 그림에서 보는 바와 같이 최소 코딩 이득이 가장 큰 값을 찾으면 약 59도라는 위상 값이라는 것을 확인할 수 있다.

그러나 이 값을 사용하여 시뮬레이션을 하면 성능이 더 열화된다. 이러한 열화현상에 대해 이해를 돕기 위하여 예를 들어 보면 다음과 같다. Tarokh의 디자인 룰을 사용하여

를 구하면 위에서 언급한 바와 같이 59도 이다. 이 경우 최소 코딩 이득 값은 1.7659이며 QPSK를 가정할 경우 이 값을 갖는 경우의 수는 2048가지이다. 또 2번째로 작은 코딩 이득 값은 1.8779이며 이 값을 갖는 경우의 수는 1024번 존재한다. 3번째 4번째로 작은 값은 각각 3.5318, 3.7558이며 3072번 768번 존재한다. 그러나 만약

를 63.43도로 가정한다면 최소 코딩 이득은 1.6002이며 2048번 발생, 2번째 작은 코딩 이득은 2.3994로 1024번 발생, 3번째 4번째 작은 코딩 이득은 3.2001, 4.000이며 각각 3072번 발생한다. 두 경우를 비교하면 Tarokh의 디자인 룰을 따르면 최소 코딩 이득이 큰 59를 사용하는 것이 좋아야 한다. 그러나 실제로는 63.43일 때가 성능이 더 좋음을 알 수 있다.

따라서 이러한 결과로 보아 디자인 룰 1)이 완벽하지 않다는 것을 알 수 있다. 즉, Sudar Rajan 그룹의 시공간 주파수 블록 부호의 코딩이득을 더 향상시키는 방법을 찾는 것이 필요하다.

따라서 본 발명의 목적은 3개의 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 코딩이득을 향상시키는 송신기 및 송신 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 3개의 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서, 특히 벡터심볼들을 복소평면 상에서 회전하여 새로운 값

를 얻은 후, 이 새로운 값의 실수부 허수부를 재구성하여 얻은 벡터 심볼들을 송신하는 통신시스템에서 코딩이득을 최대화하는 위상회전 값을 제공하는 송신기 및 송신방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면 본 발명은 입력되는 심볼열의 심볼벡터에

{여기서 0≤

≤pi/2 범위에서

는 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(2/7) 또는 pi/2-atan(2/7), 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/8) 또는 pi/2-atan(1/8)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화하는 선부호화기와, 상기 선부호화 심볼열을 하기 수학식에 따라 재배열하여, 재배열된 선부호화 심볼을 출력하는 재결합기와,

여기서 I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미하고,

는 i번째 선부호화 심볼,

는 i 번째 재배열된 선부호화 심볼임.
상기 재배열된 선부호화 심볼열로부터, 2개씩 재결합된 심볼벡터들 각각을 하기 수학식의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 시공간 주파수 블록 부호기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 송신기를 제공한다.

여기서,

는 i 번째 재배열된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬임.

또한, 변조 방법에 따라

값을 변화시키지 않는 경우에는

값을 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3)로 고정한다.

위의 선부호화기에서 선부호화할 때, pi/2<

범위에서는

는, QPSK일 경우에는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고, 16QAM일 경우에는 atan(2/7)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(2/7)+n*pi/2이고, 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/8)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/8)+n*pi/2 이다. 여기서 n은 정수이다.

또한, 변조 방법에 따라

값을 변화시키지 않을 경우에는

값을 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2 로 고정한다.

이외에 본 발명의 범위에 속하면서 본 발명의 목적을 달성하는 다른 실시예들이 실현가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 3개의 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기에서 입력되는 심볼열을 소정 규칙에 의해 복수개의 송신 안테나를 통해 전송하는 방식에서 시공간 주파수 블록 부호의 코딩 이득을 최대화하기 위한 방법을 제안하고 이를 바탕으로 한 송신기 및 송신방법을 제안한다.

본 발명의 구성은 도1의 구성과 외견상 동일하다. 그러나 본 발명은 도 1의 선부호화기(104)에서 심벌벡터에

를 곱하여(복소평면상에서

만큼 회전함을 의미한다) 새로운 값

를 구할 때, 시공간 주파수 블록 부호를 Tarokh이 제안한 설계 룰로 구하는 값 대신에 다른 방법을 사용하여 얻은 값을 사용하여 코딩이득의 향상을 얻는다.

본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다. 즉, 상기 도1의 변조기(100)에서는 입력된 정보 데이터를 변조한다. 상기 도1의 변조기(100)의 출력 데이터는 상기 도1의 직렬/병렬 변환기(102)에 입력되어 4개의 변조된 신호들이 상기 도1의 선부호화기(104)에 입력된다. 상기 도 1의 선부호화기(104)에 입력되는 심볼열의 심볼벡터에

{여기서 0≤

≤pi/2 범위에서

는 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(2/7) 또는 pi/2-atan(2/7), 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/8) 또는 pi/2-atan(1/8)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화한다. 이 때 각 변조 방식에 따라 다른 값을 사용하지 않을 경우에는 모든 변조 방식에 대하여

는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3)로 하는 것이 가장 효율적이다. 상기 선부호화기(104) 출력 신호인 선부호화된 심볼열의 심볼벡터는 상기 도1의 재결합기(106)에 입력되어 실수부와 허수부를 인터리브방식으로 2개씩 묶어 재결합하여 심볼벡터들을 발생하고, 상기 2개씩 재결합된 심볼벡터들 각각을 알라모우티 부호화하여 대응되는 안테나를 통해 송신하게 된다. 이러한 시공간 주파수 블록 부호화기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 송신기가 본 발명의 구성이다.

여기에서

는 pi/2<

범위에서는, 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고, 16QAM일 경우에는 atan(1/4)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/4)+n*pi/2이고, 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/18)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/18)+n*pi/2 이다. 여기서 n은 정수이다.

이 때 각 변조 방식에 따라 다른 값을 사용하지 않을 경우에는 모든 변조 방식에 대하여

는 atan(1/3)n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)n*pi/2로 하는 것이 가장 효율적이다.

이하 도 3을 이용하여 본 발명의 방법에 대하여 상세히 알아보도록 한다.도 3은 본 발명에서 제안하는 시공간 주파수 블록 부호화 방식을 사용하는 이동통신시스템에서 송신기의 송신절차를 도시하는 도면이다. 이하에서 도3의 순서도를 이용하여 본 발명을 설명하도록 한다.

우선, 전송해야할 정보 데이터를 입력받는다(300). 이후 정보 데이터를 소정의 변조 방식에 의하여 변조한다(302). 상기에서 언급한 바와 같이 변조 방법은 BPSK나, QPSK, PAM, QAM 등 다양하게 사용할 수 있다. 변조된 신호들은 상기에서 언급한 바와 같이 변조 방식에 따라 선부호화 한다(304). 즉, X_i 를 입력 받는다고 하면, 입력 받은 X_i 에

값을 곱하여 S_i를 구한다. 이때 0≤

≤pi/2 범위에서

는 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(2/7) 또는 pi/2-atan(2/7), 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/8) 또는 pi/2-atan(1/8)이고,

가 pi/2<

범위에서는, 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고, 16QAM일 경우에는 atan(2/7) 또는 pi/2-atan(2/7)이고, 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/8) 또는 pi/2-atan(1/8) 이다. 이때 각 변조 방식에 따라 값을 결정하지 않을 경우에는

값을 각각 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3) 그리고 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2 으로 한다. 여기서 n은 정수이다. 상기 선부호화된 심볼열의 실수부와 허수부를 인터리브방식으로 2개씩 묶어 재결합하여 심볼벡터들을 발생한다.

즉,

같이 재결합한다. 재결합된 심볼들은 2개의 심볼씩 알라모두티 방식을 이용하여 시주파수 부호화하여 3개의 안테나에 대하여 상기 <수학식 3>과 같이 시주파수 공 간 사상을 한다(308). 시주파수 공간 사상된 신호들은 할당된 안테나를 통하여 전송된다(310).

상기에서 언급한 방법에 의하여 시공간 블록 부호화를 하였을 경우

는 시공간 주파수 블록 부호화기전에 있는 변조기에서의 변조방식에 따라 값이 변화된다. 이러한

값을 알아내는 방법은 아래와 같다.

즉, 가능한 모든 경우의 코딩 이득을 구하여 이에 대한 발생 경우의 수를 체크한 후 전체 평균 코딩 이득을 구해서 그 값이 가장 큰

를 구하는 아래의 <수학식 6>에 의해

를 구한다. 이러한 방법으로 얻은 값을 적용한 결과 코딩이득의 향상을 확인할 수 있다. 여기에서 (C.A.)은 코딩이득(coding advantage)을 의미한다.

실제적인 계산방법은 아래와 같다.

즉, 아래의 <수학식7를> 이용하여

에 대해 계산하면 여기서 0≤

≤pi/2범위에서

는, 변조기에서의 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(2/7) 또는 pi/2-atan(2/7), 그리고 64QAM일 경 우에는 atan(1/8) 또는 pi/2-atan(1/8) 이다. pi/2<

범위에서

는, QPSK일 경우에는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2, 16QAM일 경우에는 atan(2/7)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(2/7)+n*pi/2, 그리고 64QAM일 경우에는atan(1/8)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/8)+n*pi/2 이다. 여기에서 n은 정수이다.

다만, 시스템의 복잡도를 줄이기 위해 모든 변조 방식에 대하여 같은

값을 사용하고자 하는 경우에는

는 0≤

≤pi/2 범위에서는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3) 그리고 pi/2<

범위에서는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2 으로 하는 것이 가장 효율적으로 나타난다. 여기서 n은 정수이다.

over all possible

여기에서 구한 값은 Sundar Ragan이 제시한

=(1/2)*atan(2)와는 다른 값이다. 도 5는 본 발명에서 사용한 설계방법에 근거한 코딩이득을 나타내는 곡선이다.즉, 위의 <수학식 7>을 이용하여 얻은 average coding gain을 나타낸 도면이다. 도면에서 보는 바와 같이 Tarokh의 디자인 룰에 의해 찾은 값과 다름을 알 수 있다. 도 5에서는 atan=(1/3)에서 최고의 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 phase rotator 값을 바꾸 주면서 구한 BER 성능 곡선이다. 즉, 도 6은 IEEE802.16 환경에 맞추어 phase rotator

를 바꾸어 주면서 얻은 coded BER(bit error rate)의 성능이다. 도면에서 보는 바와 같이 약 atan(1/3)에서 가장 좋은 성능을 냄을 알 수 있다. 이는 위의 도 5에서의 결과와 완전히 일치 한다.

도 7은 종래 Tarokh이 제안한 코드 설계 방법에 근거한 시공간 주파수 블록 부호와 본 발명에서 제안한 코드 설계 방법에 근거한 시공간 주파수 블록 부호의 성능을 비교하는 그래프를 나타내는 도면이다. 즉, Sundar Ragan그룹이 Tarokh의 디자인 룰을 사용하여 구한

=(1/2)atan(2)인 경우와 본 발명에서 구한

=atan(1/3) 인 경우의 성능을 비교하여 나타내는 곡선이다. 본 발명인 경우가 BER(bit error rate)/FER(frame error rate)성능이 더 우수함을 알 수 있다. 시뮬레이션은 IEEE802.16 시스템 환경을 이용한 것이다. 구체적인 시뮬레이션 조건은 Pedestrian A 채널에서 단말기가 3km/h로 이동한다고 가정하였고, QPSK, 그리고 convolutional Turbo code 1/2 부호화율을 갖는 채널 코딩을 사용하였다. IEEE802.16은 band AMC와 FUSC의 서브 채널 구조가 있는데, 본 시뮬레이션에서는 band AMC를 사용하였다.

본 발명은 3개의 송신 안테나들을 사용하는 송신기의 시공간 블록 부호화 장치 및 방법에서,

over all possible

에 의해 계산되는

값을 사용하면, 입력되는 심볼열을 소정 규칙에 의해 복수개의 송신 안테나를 통해 전송하는 방식에서 시공간 주파수 블록 부호의 코딩 이득을 최대화할 수 있다.

Claims

3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 0≤
≤pi/2 범위에서
는 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(1/4) 또는 pi/2-atan(1/4), 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/18) 또는 pi/2-atan(1/18)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 선부호화기;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 9>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 재결합기와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 10>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 시공간 주파수 블록 부호기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬이며, *는 공액(conjugate) 표시임.
삭제
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 pi/2<
범위에서는
는, 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고, 16QAM일 경우에는 atan(1/4)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/4)+n*pi/2이고, 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/18)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/18)+n*pi/2이고 n은 정수}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 선부호화기;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 11>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 재결합기와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 12>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 시공간 주파수 블록 부호기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬이며, *는 공액(conjugate) 표시임.
삭제
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템의 송신 방법에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 0≤
≤pi/2 범위에서
는 변조방식이 QPSK일 경우에는 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3), 16QAM일 경우에는 atan(1/4) 또는 pi/2-atan(1/4), 그리고 64QAM일 경우에는 atan(1/18) 또는 pi/2-atan(1/18)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 13>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 2개씩 재결합된 심볼벡터들 각각을 하기 <수학식 14>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함하는 시공간 주파수 블록 부호화 단계를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬이며, *는 공액(conjugate) 표시임.
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법에 있어서,

입력되는 심볼열에
(여기서 pi/2<
범위에서는 QPSK일 경우 는, atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2 16QAM일 경우 atan(1/4)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/4)+n*pi/2, 그리고 64QAM일 경우 atan(1/18)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/18)+n*pi/2 이고 n은 정수)를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 15>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 16>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함하는 시공간 주파수 블록 부호화 단계를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬, *는 공액(conjugate) 표시임.
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 0≤
≤pi/2 범위에서
는 변조방식이 QPSK, 16QAM, 64QAM일 경우 모두 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 선부호화기;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 17>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 재결합기와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 18>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 시공간 주파수 블록 부호기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬, *는 공액(conjugate) 표시임.
삭제
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 pi/2<
범위에서는
는, 변조방식이 QPSK, 16QAM 또는 64QAM일 경우 모두 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고 n은 정수}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 선부호화기;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 19>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 재결합기와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 20>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 시공간 주파수 블록 부호기를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신기.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬, *는 공액(conjugate) 표시임.
삭제
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신 시스템의 송신 방법에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 0≤
≤pi/2 범위에서
는 변조방식이 QPSK, 16QAM, 64QAM일 경우 모두 atan(1/3) 또는 pi/2-atan(1/3)}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 21>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 22>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함하는 시공간 주파수 블록 부호화 단계를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬, *는 공액(conjugate) 표시임.
3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법에 있어서,

입력되는 심볼열에
{여기서 pi/2<
범위에서는
는, 변조방식이 QPSK, 16QAM 또는 64QAM일 경우 모두 atan(1/3)+n*pi/2 또는 pi/2-atan(1/3)+n*pi/2이고 n은 정수}를 곱하여 실수부와 허수부로 구성되는 형태로 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와;

상기 선부호화 심볼열을 하기 <수학식 23>에 따라 재결합하여, 재결합된 선부호화 심볼열을 출력하는 단계와,

상기 재결합된 선부호화 심볼열로부터, 하기 <수학식 24>의 알라모우티 행렬중 하나의 행렬을 이용하여 알라모우티 부호화하고, 대응되는 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함하는 시공간 주파수 블록 부호화 단계를 포함하는 3개의 송신 안테나를 사용하는 통신시스템의 송신 방법.

여기서,
는 i번째 선부호화 심볼,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼, I는 실수부, Q는 허수부, 그리고 j는 복소수를 의미함.

여기서,
는 i 번째 재결합된 선부호화 심볼이고, A1, A2, A3, A4는 알라모티 부호화 행렬, *는 공액(conjugate) 표시임.