특허청구의범위청구항 1 삭제청구항 2 삭제청구항 3 삭제청구항 4 삭제청구항 5 제1송신안테나내지제4송신안테나의 4개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는방법에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력된정

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1 (51) Int. Cl. (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) H04L 27/26 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2005 년 04 월 12 일 심사청구일자 2008 년 02 월 05 일 (65) 공개번호 (43) 공개일자 2006 년 05 월 17 일 (30) 우선권주장 년 06 월 16 일대한민국 (KR) (56) 선행기술조사문헌 US A1 US A KR B1 (45) 공고일자 2010년01월21일 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2010년01월13일 (73) 특허권자 삼성전자주식회사 경기도수원시영통구매탄동 416 재단법인서울대학교산학협력재단 서울특별시관악구봉천 7 동산 4 의 2 번지 (72) 발명자 이인규 서울특별시서초구서초 4 동삼풍아파트 21 동 호 이흔철 경기도포천시일동면기산 1 리 (74) 대리인 이건주 전체청구항수 : 총 6 항심사관 : 박부식 (54) 다중입력다중출력방식을사용하는이동통신시스템에서의사직교시공간블록부호부호화 / 복호화장치및방법 (57) 요약 본발명은제 1 송신안테나내지제 4 송신안테나의 4 개의송신안테나들을사용하는송신기에서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 x 1,x 2,x 3,x 4 로병렬변환하고, 상기병렬 변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를상기의사직교시공간블록부호화방식을적용하여제 1 시구간에서는제 1 송 신안테나를통해서는 x 1 이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서는 x 2 가송신되고, 제 3 송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제 4 송신안테나를통해서는 x 4 가송신되고 ; 제 2 시구간에서는상기제 1 송신안테나를통해서는 이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서는이송신되고, 제 3 송신안테나를통해서는이송신되고, 제 4 송 신안테나를통해서는 이송신되고 ; 제 3 시구간에서는제 1 송신안테나를통해서는 -x 1 이송신되고, 제 2 송신안 테나를통해서는 -x 2 가송신되고, 제 3 송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제 4 송신안테나를통해서는 x 4 가송 신되고 ; 제 4 시구간에서는상기제 1 송신안테나를통해서는이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서는이 송신되고, 제 3 송신안테나를통해서는이송신되고, 제 4 송신안테나를통해서는이송신되도록부호화한 다. 대표도 - 도 5-1 -

2 특허청구의범위청구항 1 삭제청구항 2 삭제청구항 3 삭제청구항 4 삭제청구항 5 제1송신안테나내지제4송신안테나의 4개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는방법에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력된정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 x 1,x 2,x 3,x 4 로병렬변환하는과정과, 상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를의사직교시공간블록부호화방식에적용하여미리설정된제1 시구간내지제4시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는과정을포함하며, 상기부호화하는과정은, 제1시구간에서는제1송신안테나를통해서는 x 1 이송신되고, 제2송신안테나를통해서는 x 2 가송신되고, 제3송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제4송신안테나를통해서는 x 4 가송신되도록상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를부호화하는과정과, 제2시구간에서는상기제1송신안테나를통해서는이송신되고, 제2송신안테나를통해서는이송신되고, 제3송신안테나를통해서는이송신되고, 제4송신안테나를통해서는이송신되도록상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를부호화하는과정과, 제3시구간에서는제1송신안테나를통해서는 -x 1 이송신되고, 제2송신안테나를통해서는 -x 2 가송신되고, 제3송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제4송신안테나를통해서는 x 4 가송신되도록상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를부호화하는과정과, 제4시구간에서는상기제1송신안테나를통해서는이송신되고, 제2송신안테나를통해서는이송신되고, 제3송신안테나를통해서는이송신되고, 제4송신안테나를통해서는이송신되도록상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를부호화하는과정을포함하고, 상기 * 은복소컨쥬게이트연산임을특징으로하는의사직교시공간블록부호부호화방법. 청구항 6 삭제청구항 7 삭제 - 2 -

3 청구항 8 삭제청구항 9 삭제청구항 10 삭제청구항 11 삭제청구항 12 삭제청구항 13 삭제청구항 14 삭제청구항 15 제1송신안테나내지제4송신안테나의 4개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는장치에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 x 1,x 2,x 3,x 4 로병렬변환하는직렬 / 병렬변환기와, 상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를의사직교시공간블록부호화방식을적용하여미리설정된제1 시구간내지제4시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는의사직교시공간블록부호화기를포함하며, 상기의사직교시공간블록부호화기는, 제1시구간에서는제1송신안테나를통해서는 x 1 이송신되고, 제2송신안테나를통해서는 x 2 가송신되고, 제3송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제4송신안테나를통해서는 x 4 가송신되고 ; 제2시구간에서는상기제1송신안테나를통해서는이송신되고, 제2송신안테나를통해서는이송신되고, 제3송신안테나를통해서는이송신되고, 제4송신안테나를통해서는이송신되고 ; 제3시구간에서는제1송신안테나를통해서는 -x 1 이송신되고, 제2송신안테나를통해서는 -x 2 가송신되고, 제3송신안테나를통해서는 x 3 가송신되고, 제4송신안테나를통해서는 x 4 가송신되고 ; 제4시구간에서는상기제1송신안테나를통해서는이송신되고, 제2송신안테나를통해서는이송신되고, 제3송신안테나를통해서는이송신되고, 제4송신안테나를통해서는이송신되도록부호화하고, 상기 * 은복소컨쥬게이트연산임을특징으로하는의사직교시공간블록부호부호화장치. 청구항 16 삭제 - 3 -

4 청구항 17 삭제청구항 18 삭제청구항 19 삭제청구항 20 삭제청구항 21 송신기에서정보심벌열들을의사직교시공간블록부호화방식으로부호화하여다수개의송신안테나들을통해송신한의사직교시공간블록부호를수신기에서복호화하는방법에있어서, 상기의사직교시공간블록부호를포함하는수신신호를채널추정하여채널응답행렬을생성하는과정과, 상기수신신호에상기채널응답행렬을적용하여상기송신기에서송신한의사직교시공간블록부호를상기정보심벌열들로복원하는과정을포함하며, 상기의사직교시공간블록부호는하기수학식과같은의사직교시공간블록부호화행렬에상응하게부호화된것이고, 단, 상기수학식의 x i 과, x j 와, x k 와 x l 은상기정보심벌열들각각을나타내고, 상기송신안테나들은제 1 송신안테나내지제 4 송신안테나를포함하며, 상기채널응답행렬은하기수학식과 같음을특징으로하는의사직교시공간블록부호복호화방법. 단, 상기수학식에서 h 1 은제1송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 2 는제2송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 3 은제3송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 4 는제4송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타냄. 청구항 22 제21항에있어서, 상기의사직교시공간블록부호를상기정보심벌열들로복원하는과정은 ; 상기수신신호와상기채널응답행렬을곱하고, 상기채널응답행렬이곱해진신호의엘리먼트들각각을상기정보심벌열들각각으로추정하 - 4 -

5 는과정임을특징으로하는의사직교시공간블록부호복호화방법. 청구항 23 삭제청구항 24 송신기에서정보심벌열들을의사직교시공간블록부호화방식으로부호화하여다수개의송신안테나들을통해송신한의사직교시공간블록부호를수신기에서복호화하는장치에있어서, 상기의사직교시공간블록부호를포함하는수신신호를채널추정하여채널응답행렬을생성하는채널추정기와, 상기수신신호에상기채널응답행렬을적용하여상기송신기에서송신한의사직교시공간블록부호를상기정보심벌열들로복원하는검출기를포함하며, 상기의사직교시공간블록부호는하기수학식과같은의사직교시공간블록부호화행렬에상응하게부호화된것이고, 단, 상기수학식의 x i 과, x j 와, x k 와 x l 은상기정보심벌열들각각을나타내고, 상기송신안테나들은제 1 송신안테나내지제 4 송신안테나를포함하며, 상기채널응답행렬은하기수학식과 같음을특징으로하는의사직교시공간블록부호복호화장치. 단, 상기수학식에서 h 1 은제1송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 2 는제2송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 3 은제3송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타내며, h 4 는제4송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득을나타냄. 청구항 25 제24항에있어서, 상기검출기는상기수신신호와상기채널응답행렬을곱하고, 상기채널응답행렬이곱해진신호의엘리먼트들각각을상기정보심벌열들각각으로추정함을특징으로하는의사직교시공간블록부호복호화장치. 청구항 26 삭제 명세서 발명의상세한설명 - 5 -

6 발명의목적 <7> <8> <9> <10> <11> <12> <13> <14> <15> 발명이속하는기술및그분야의종래기술본발명은다중입력다중출력 (Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO' 라칭하기로한다 ) 방식을사용하는이동통신시스템 ( 이하 'MIMO 이동통신시스템 ' 이라칭하기로한다 ) 에서부호부호화 / 복호화장치및방법에관한것으로서, 특히부호화이득 (coding gain) 과데이터레이트 (data rate) 를최대화하는의사직교시공간블록부호 (pseudo orthogonal space time code) 를부호화 / 복호화하는장치및방법에관한것이다. 통신에서가장근본적인문제는채널 (channel) 을통하여얼마나효율적이고신뢰성있게 (reliably) 데이터 (data) 를전송할수있느냐하는것이다. 최근에활발하게연구되고있는차세대멀티미디어이동통신시스템에서는초기의음성위주의서비스를벗어나영상, 무선데이터등의다양한정보를처리하여전송할수있는고속통신시스템이요구됨에따라, 시스템에적절한채널부호화방식을사용하여시스템의효율을높이는것이필수적이다. 그런데, 이동통신시스템에존재하는무선채널환경은유선채널환경과는달리다중경로간섭 (multipath interference) 과, 쉐도잉 (shadowing) 과, 전파감쇠와, 시변잡음과, 간섭및페이딩 (fading) 등과같은여러요인들로인해불가피한오류가발생하여정보의손실이생긴다. 상기정보손실은실제송신신호에심한왜곡을발생시켜상기이동통신시스템전체성능을저하시키는요인으로작용하게된다. 일반적으로이러한정보의손실을감소시키기위해채널의성격에따라다양한에러제어기법 (error-control technique) 을이용하여시스템의신뢰도를높이는데, 이러한에러제어기법중에가장기본적인방법은에러정정부호 (error-correcting code) 를사용하는것이다. 또한, 상기페이딩현상으로인한통신의불안정성을제거하기위해다이버시티 (diversity) 방식을사용하며, 상기다이버시티방식은크게시간다이버시티 (time diversity) 방식과, 주파수다이버시티 (frequency diversity) 방식및안테나다이버시티 (antenna diversity) 방식, 즉공간다이버시티 (space diversity) 방식으로분류된다. 상기안테나다이버시티방식은다중안테나 (multiple antenna) 를사용하는방식으로서, 상기안테나다이버시티방식은수신안테나들을다수개로구비하여적용하는수신안테나다이버시티 (Rx.ANT diversity) 방식과송신안테나들을다수개로구비하여적용하는송신안테나다이버시티 (Tx.ANT diversity) 방식및다수개의수신안테나들과다수개의송신안테나들을구비하여적용하는 MIMO 방식으로분류된다. 상기 MIMO 방식은일종의시공간부호화 (STC: Space-Time Coding) 방식이며, 상기시공간부호화방식은, 미리설정된부호화방식으로부호화된신호를다수개의송신안테나들을사용하여송신함으로써시간영역 (time domain) 에서의부호화방식을공간영역 (space domain) 으로확장하여보다낮은에러레이트 (error rate) 를달성하는방식을나타낸다. 여기서, 상기시공간부호화방식은일반적으로송수신기간무선채널을 flat 페이딩채널이라고가정하여개발된방식이다. 상기안테나다이버시티방식을효율적으로적용하기위해서제안된방식들중의한방식인시공간블록부호화 (STBC: Space time block coding) 방식은 S.M.Alamouti가제안한 (S.M.Alamouti, 'A simple transmitter diversity scheme for wireless communications', IEEE Journal on Selected Area in Communications, Vol. 16, pp , Oct. 1998) 송신안테나다이버시티방식, 즉시공간블록부호화방식에서부터 Vahid Tarokh 등이제안한 (Vahid Tarokh, 'Space time block coding from orthogonal designs', IEEE Trans. on Info., Theory, Vol. 45, pp , July 1999) 시공간블록부호화방식등까지다양한형태로개발되었다. 이하, 설명의편의상 S.M.Alamouti가제안한시공간블록부호화방식을 'Alamouti 시공간블록부호화방식 ' 이라고칭하기로하며, Vahid Tarokh이제안한시공간블록부호화방식을 'Tarokh 시공간블록부호화방식 ' 이라고칭하기로한다. 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식은송신기에서 2개의송신안테나들을사용하는경우의시공간블록부호화방식이며, 상기 Tarokh 시공간블록부호화방식은상기 Alamouti 시공간블록부호화방식을 2개를초과하는송신안테나들을사용하는송신기에서적용할수있도록확장한시공간블록부호화방식이다. 그리고, 상기시공간부호화방식과 MIMO 방식을조합하여사용할경우의성능이득은이미널리알려져있으므로여기서는그구체적인설명은생략하기로한다

7 <16> <17> <18> <19> <20> <21> <22> <23> 한편, 차세대통신시스템인 4세대 (4th Generation; 이하 '4G' 라칭하기로한다 ) 통신시스템에서는고속의전송속도를가지는다양한서비스품질 (Quality of Service; 이하 'QoS' 칭하기로한다 ) 을가지는서비스들을사용자들에게제공하기위한활발한연구가진행되고있다. 특히, 현재 4G 통신시스템에서는무선근거리통신네트워크 (Local Area Network; 이하 'LAN' 이라칭하기로한다 ) 시스템및무선도시지역네트워크 (Metropolitan Area Network; 이하 'MAN' 이라칭하기로한다 ) 시스템과같은광대역무선접속 (BWA: Broadband Wireless Access) 통신시스템에이동성 (mobility) 과 QoS를보장하는형태로고속서비스를지원하도록하는연구가활발하게진행되고있다. 그래서, 상기 4G 통신시스템에서는유 무선채널에서고속데이터전송에유용한방식으로직교주파수분할다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM' 이라칭하기로한다 ) 방식을활발하게연구하고있다. 상기 OFDM 방식은멀티-캐리어 (multi-carrier) 를사용하여데이터를전송하는방식으로서, 직렬로입력되는심벌 (symbol) 열을병렬로변환하여이들각각을상호직교성을갖는다수의서브캐리어 (sub-carrier) 들로변조하여전송하는멀티캐리어변조 (MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의일종이다. 상기 4G 통신시스템이고속, 고품질의무선멀티미디어서비스를제공하기위해서는광대역의스펙트럼 (spectrum) 자원이필요하다. 하지만, 광대역스펙트럼자원을사용할경우에는다중경로전파 (multipath propagation) 에따른무선전송로상에서의페이딩영향이심각해지며, 전송대역내에서도주파수선택적페이딩 (frequency selective fading) 에따른영향이발생한다. 따라서, 고속의무선멀티미디어서비스를위해서는부호분할다중접속 (Code 야vision Multiple Access, 이하 'CDMA' 라칭하기로한다 ) 방식에비해주파수선택적페이딩에강인한 OFDM 방식이더큰이득을가지게된다. 따라서상기 4G 통신시스템에서는상기 OFDM 방식이적극적으로활용되고있는추세에있다. 한편, 상기에서설명한바와같이이동통신시스템에존재하는무선채널환경에는유선채널환경과는달리다중경로간섭과, 쉐도잉과, 전파감쇠와, 시변잡음과, 지연확산등으로인해심벌간간섭 (ISI: Inter Symbol Interference) 및주파수선택적페이딩 (frequency selective fading) 등과같은정보손실요인들이발생하게되고, 상기정보손실요인들로인해불가피한오류가발생하여정보데이터의손실이발생한다. 상기정보데이터의손실은실제송신신호에심한왜곡을발생시켜상기이동통신시스템전체성능을저하시키는요인으로작용하게된다. 따라서, 상기 OFDM 방식을사용하는이동통신시스템 ( 이하 'OFDM 이동통신시스템 ' 이라칭하기로한다 ) 에서는상기심벌들간간섭및주파수선택적페이딩등을극복하기위해상기직교성을가지는다수의서브캐리어들을사용할뿐만아니라, 보호구간 (guard interval) 을삽입하여상기 OFDM 심벌들을송신한다. 여기서, 상기보호구간은시간영역의 OFDM 심벌의마지막일정샘플 (sample) 들을복사하여유효 OFDM 심벌에삽입하는형태의 'cyclic prefix' 방식혹은시간영역의 OFDM 심벌의처음일정샘플들을복사하여유효 OFDM 심벌에삽입하는형태의 'cyclic postfix' 방식중어느한방식으로선택되어삽입된다. 결과적으로, 상기 OFDM 이동통신시스템은상기주파수선택적페이딩에따른영향을다수의서브캐리어별로균일하게분포하도록하여수신기에서서브캐리어들별로단일탭 (tap) 등화기만을구비하여도신호수신이가능하도록하는것이다. 한편, 상기시공간부호화방식은 (1) 에러성능을최대화하기위한목적, 즉다이버시티차수 (diversity order) 와부호화이득과같은에러성능을최대화하기위한목적과, (2) 부호화레이트 (coding rate) 를최대화하기위한목적과, (3) 복호화 (decoding) 의복잡도를최소화시키기위한목적의 3가지목적들면에서상호간에트레이드오프 (tradeoff) 가발생한다. 즉, 상기 3가지목적들모두를만족하는시공간부호화방식은존재하지않으며, 상기 3가지목적들중어느한목적을만족시키기위해서는다른어느한목적면에서의손실을감수해야만한다. 일예로, 상기 flat 페이딩채널에서는상기시공간부호화방식을사용함에있어서상기다이버시티차수를최적화시키는것이가장중요한요인으로작용하게된다. 이와는달리, 상기주파수이와는달리주파수다이버시티가유용한상기주파수선택적페이딩채널에서는상기시공간부호화방식을사용함에있어서다이버시티차수를최적화시키는것, 즉최대다이버시티 (full diversity) 이득을획득하는것은비교적덜중요한요인으로작용하게된다. 그이유는상기에서설명한바와같이주파수선택적페이딩채널에서는상기 OFDM 방식을적용하여다이버시티이득을최대화시키는것이가능하기때문이다. 따라서, 상기 MIMO 이동통신시스템에서최대다이버시티이득을가지면서도데이터레이트를최대화시키고, 부호화이득을최대화시키는새로운시공간블록부호화방식에대한필요성이대두되고있다

8 <24> <25> <26> <27> 발명이이루고자하는기술적과제따라서, 본발명의목적은 MIMO 이동통신시스템에서데이터레이트및부호화이득을최대화하는시공간블록부호를부호화 / 복호화하는장치및방법을제공함에있다. 본발명의다른목적은 MIMO 이동통신시스템에서복호화연산량및복잡도를최소화시키는시공간블록부호를부호화 / 복호화하는장치및방법을제공함에있다. 상기한목적들을달성하기위한본발명의장치는 ; 다수개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는장치에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들이입력되면, 상기입력정보심벌열들을상기송신안테나들의개수에상응하게병렬변환하는직렬 / 병렬변환기와, 상기병렬변환된정보심벌열들을상기의사직교시공간블록부호화방식을적용하여미리설정된시구간들동안상기송신안테나들을통해송신되도록부호화하는의사직교시공간블록부호화기를포함함을특징으로한다. 상기한목적들을달성하기위한본발명의다른장치는 ; 제1송신안테나내지제4송신안테나의 4개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는장치에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 x 1,x 2,x 3,x 4 로병렬변환하는직렬 / 병렬변환 기와, 상기병렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를상기의사직교시공간블록부호화방식을적용하여미리 설정된제 1 시구간내지제 4 시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는의사직교시공간블 록부호화기를포함함을특징으로한다. <28> 상기한목적들을달성하기위한본발명의또다른장치는 ; 제 1 송신안테나내지제 4 송신안테나의 4 개의송신 안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는장치에있어서, 송신하고자하는정 보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 로병렬변환하는직렬 / 병렬 변환기와, 상기병렬변환된정보심벌열들를상기의사직교시공간블록부호화방식에적용하여미리설정된제1시구간내지제4시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는의사직교시공간블록부호화기를포함함을특징으로한다. <29> <30> <31> 상기한목적들을달성하기위한본발명의또다른장치는 ; 송신기에서정보심벌열들을의사직교시공간블록부호화방식으로부호화하여다수개의송신안테나들을통해송신한의사직교시공간블록부호를수신기에서복호화하는장치에있어서, 신호가수신되면, 상기수신신호를채널추정하여채널응답행렬을생성하는채널추정기와, 상기수신신호를생기채널응답행렬을참조하여상기송신기에서송신한의사직교시공간블록부호를상기정보심벌열들로복원하는검출기를포함함을특징으로한다. 상기한목적들을달성하기위한본발명의방법은 ; 다수개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는방법에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들이입력되면, 상기입력정보심벌열들을상기송신안테나들의개수에상응하게병렬변환하는과정과, 상기병렬변환된정보심벌열들을의사직교시공간블록부호화방식을적용하여미리설정된시구간들동안상기송신안테나들을통해송신되도록부호화하는과정을포함함을특징으로한다. 상기한목적들을달성하기위한본발명의다른방법은 ; 제1송신안테나내지제4송신안테나의 4개의송신안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는방법에있어서, 송신하고자하는정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을 x 1,x 2,x 3,x 4 로병렬변환하는과정과, 상기병 렬변환된정보심벌열들 x 1,x 2,x 3,x 4 를상기의사직교시공간블록부호화방식을적용하여미리설정된제 1 시 구간내지제 4 시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는과정을포함함을특징으로한다. <32> 상기한목적들을달성하기위한본발명의또다른방법은 ; 제 1 송신안테나내지제 4 송신안테나의 4 개의송신 안테나들을사용하는송신기에서의사직교시공간블록부호를부호화하는방법에있어서, 송신하고자하는정 보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 이입력되면, 상기입력정보심벌열들 x 1 x 2 x 3 x 4 을로병렬변환하는과정과, 상기병렬변환된정보심벌열들 를상기의사직교시공간블록부호화방식에적용하여미리설 정된제 1 시구간내지제 4 시구간에서해당송신안테나들을통해송신되도록부호화하는과정을포함함을특징으 - 8 -

9 로한다. <33> 상기한목적들을달성하기위한본발명의또다른방법은 ; 송신기에서정보심벌열들을의사직교시공간블록부호화방식으로부호화하여다수개의송신안테나들을통해송신한의사직교시공간블록부호를수신기에서복호화하는방법에있어서, 신호가수신되면, 상기수신신호를채널추정하여채널응답행렬을생성하는과정과, 상기수신신호를생기채널응답행렬을참조하여상기송신기에서송신한의사직교시공간블록부호를상기정보심벌열들로복원하는과정을포함함을특징으로한다. <34> <35> <36> <37> <38> <39> 발명의구성및작용이하, 본발명에따른첨부한도면을참조하여상세히설명한다. 하기의설명에서는본발명에따른동작을이해하는데필요한부분만이설명되며그이외부분의설명은본발명의요지를흩트리지않도록생략될것이라는것을유의하여야한다. 본발명은다중입력다중출력 (Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO' 라칭하기로한다 ) 방식을사용하는이동통신시스템 ( 이하 'MIMO 이동통신시스템 ' 이라칭하기로한다 ) 에서데이터레이트 (data rate) 및부호화이득 (coding gain) 을최대화시키는의사직교 (pseudo-orthogonal) 시공간블록부호화 (STBC: Space Time Block Coding) 방식을제안한다. 특히, 본발명은최대다이버시티이득 (full diversity gain) 을가지면서도데이터레이트및부호화이득을최대화시키는의사직교시공간블록부호화방식을제안하며, 상기의사직교시공간블록부호화방식은주파수선택적페이딩 (frequency selective fading) 채널에서최적화된다. 그러면여기서도 1을참조하여본발명의실시예에서의기능을수행하기위한 MIMO 이동통신시스템의송신기구조에대해서설명하기로한다. 상기도 1은본발명의실시예에서의기능을수행하기위한 MIMO 이동통신시스템의송신기구조를도시한도면이다. 상기도 1을설명하기에앞서, S.M.Alamouti가제안한 (S.M.Alamouti, 'A simple transmitter diversity scheme for wireless communications', IEEE Journal on Selected Area in Communications, Vol. 16, pp , Oct. 1998) 송신안테나다이버시티 (Tx.ANT diversity) 방식에대해서설명하면다음과같다. 이하, 설명의편의상 S.M.Alamouti가제안한송신안테나다이버시티방식을 'Alamouti 송신안테나다이버시티방식 ' 이라고칭하기로한다. 먼저, Alamouti 송신안테나다이버시티방식은상기 MIMO 이동통신시스템의송신기에서 2개의송신안테나들 을사용할경우에적용되는송신안테나다이버시티방식이며, 상기송신기로입력되는직렬변조심벌들을 x i x j 라고가정하기로한다. 그러면상기직렬변조심벌들 x i x j 는상기 Alamouti 송신안테나다이버시티방식에의 해하기수학식 1 에나타낸바와같이시공간블록부호화된다. 수학식 1 <40> <41> 상기수학식 1 에나타낸 X ij 와같은형태의 행렬 (matrix) 이상기 Alamouti 송신안테나다이버시티방식에 따른부호화행렬이며, * 은복소컨쥬게이트 (complex conjugate) 연산을나타낸다. 이하, 설명의편의상상기 Alamouti 송신안테나다이버시티방식에따른부호화행렬, 즉상기수학식 1 에나타낸바와같은 을 'Alamouti 행렬 ' 이라고칭하기로한다. 행렬 <42> 상기 Alamouti 행렬은상기 2개의송신안테나들을통해송신되는변조심볼들의부호화행렬이며, 상기 Alamouti 행렬에서각행 (row) 의엘리먼트 (element) 들은상기 2개의송신안테나들각각에대응되며, 상기 Alamouti 행렬에서상기각열 (column) 들의엘리먼트는해당시구간에서의상기 2개의송신안테나들각각에대응된다

10 <43> 즉, 첫번째시구간 t 1 에서는제 1 송신안테나 (Tx.ANT 1) 를통해서는 x i 이송신되고, 제 2 송신안테나 (Tx.ANT 2) 를통해서는 x j 가송신되고, 두번째시구간 t 1 +1 서는상기제 1 송신안테나를통해서는 이송신되고, 제 2 송 신안테나 (Tx.ANT 2) 를통해서는이송신된다. <44> 본발명에서는상기에서설명한바와같은 Alamouti 송신안테나다이버시티방식의 Alamouti 행렬과일반적인하다마드 (Hadamard) 행렬각각의특성을고려하여새로운시공간블록부호화방식을제안하며, 본발명에서새롭게제안하는시공간블록부호화방식을 ' 의사직교 (PO: Pseudo Orthogonal) 시공간블록부호화방식 ' 이라고칭하기로한다. 본발명에서제안하는상기의사직교시공간블록부호화방식에따른부호화행렬은하기수학식 2와같이나타낼수있다. 수학식 2 <45> <46> 상기수학식 2 에서번째요소는번째심볼주기에번째안테나를통해전송되는심볼을나타낸다. 상기 주어진행렬은 4 심볼주기동안 4 개의심볼들이전송되므로, 안테나전송률은 1 이된다. 여기서, 의사직교신 호공간다이버시티부호화방식은상기부호화행렬의원소들을하기수학식 3 과같은규칙을통해생성한다. 수학식 3 <47> <48> <49> 상기수학식 3에서상기는원래신호점의심볼들을나타내고, 상기는신호공간다이버시티방식에의해생성되는심볼들을나타낸다. 즉, 신호공간다이버시티기법은부호화방식은신호점의인페이즈 (inphase) 성분과쿼드러쳐 (quadrature) 성분을뒤섞어각성분이서로다른채널과분산값이서로다른잡음을겪음으로써다이버시티이득을얻는방식이다. 또한, 상기수학식 2에나타낸상기의사직교시공간블록부호화방식에따른부호화행렬을확장하면하기수학식 4와같이나타낼수있다. 수학식 4 <50> <51> 상기수학식 2 에서 C 는상기의사직교시공간블록부호화방식에따른부호화행렬을나타내며, 상기수학식 4에서는상기수학식 2의의사직교시공간블록부호화방식에따른부호화행렬의확장된형태를나타낸다. 이하설명의편의상상기수학식 2 및수학식 4에나타낸의사직교시공간블록부호화방식에따른부호화행렬을 ' 의사직교부호화행렬 ' 이라칭하기로한다. 상기의사직교시공간블록부호화방식은상기송신기에서 4개의송신안테나들을사용할경우에적용되는시공간블록부호화방식이다. 또한, 상기수학식 2 및수학식 3에나타낸바와같이상기의사직교부호화행렬은상기 Alamouti 행렬과하다마드행렬의특성이혼재하는형태를나타낸다. <52> 상기의사직교부호화행렬에서각행들의엘리먼트는상기송신안테나들각각에대응되며, 상기의사직교

11 부호화행렬에서각열들의엘리먼트는해당시구간에서의상기송신안테나들각각에대응된다. <53> 먼저상기수학식 2 에서, 입력되는직렬변조심벌들을 x 1 x 2 x 3 x 4 라고가정하면, 첫번째시구간 t 1 에서는제 1 송신 안테나 (Tx.ANT 1) 를통해서 x 1 이송신되고, 제2송신안테나 (Tx.ANT 2) 를통해서 x 2 가송신되고, 제3송신안테나 (Tx.ANT 3) 를통해서 x 3 가송신되고, 제4송신안테나 (Tx.ANT 4) 를통해서 x 4 가송신된다. 두번째시구간 t 2 에서는상기제1송신안테나를통해서이송신되고, 제2송신안테나를통해서이송신되고, 제3송신안테나를통해서이송신되고, 제4송신안테나를통해서이송신된다. 세번째시구간 t 3 에서는제1송신안테나를통해서 -x 1 이송신되고, 제2송신안테나를통해서 -x 2 가송신되고, 제3송신안테나를통해서는 x 3 가송신되 고, 제 4 송신안테나를통해서 x 4 가송신된다. 네번째시구간 t 4 에서는상기제 1 송신안테나를통해서 이송 신되고, 제 2 송신안테나를통해서이송신되고, 제 3 송신안테나를통해서이송신되고, 제 4 송신안테나 를통해서이송신된다. <54> 다음으로상기수학식 4 에서, 입력되는직렬변조심벌들을 x 1 x 2 x 3 x 4 라고가정하면, 첫번째시구간 t 1 에서는제 1 송신안테나 (Tx.ANT 1) 를통해서이송신되고, 제 2 송신안테나 (Tx.ANT 2) 를통해서가송신되고, 제 3 송신 안테나 (Tx.ANT 3) 를통해서가송신되고, 제 4 송신안테나 (Tx.ANT 4) 를통해서가송신된다. 두번째시구 간 t 2 에서는상기제 1 송신안테나를통해서이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서이송신되고, 제 3 송 신안테나를통해서이송신되고, 제 4 송신안테나를통해서이송신된다. 세번째시구간 t 3 에서는제 1 송신안테나를통해서이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서가송신되고, 제 3 송신안테나를통해서 가송신되고, 제 4 송신안테나를통해서 가송신된다. 네번째시구간 t 4 에서는상기제 1 송신안테나를통해 서이송신되고, 제 2 송신안테나를통해서이송신되고, 제 3 송신안테나를통해서이송신되고, 제 4 송신안테나를통해서이송신된다. <55> <56> <57> 상기수학식 2 및수학식 4에서설명한바와같이, 상기의사직교부호화행렬은최대데이터레이트를가지며, Vahid Tarokh 등에의해제안된 (Vahid Tarokh, "Space time block coding from orthogonal designs," IEEE Trans. on Info., Theory, Vol. 45, pp , July 1999) 시공간블록부호화방식에서의복소직교 (complex orthogonal) 의정의에대해서설명하면다음과같다. 이하, 설명의편의상상기수학식 2에따른의사직교부호화행렬 C를예로하여설명하며, 또한 Vahid Tarokh이제안한시공간블록부호화방식을 'Tarokh 시공간블록부호화방식 ' 이라고칭하기로한다. 상기 Tarokh 시공간블록부호화방식에서의복소직교의정의에대해서설명하기에앞서상기의사직교부호화행렬에대해서설명하면다음과같다. (1) 변수 x 1, x 2,..., x n 에서의의사직교설계는부호화행렬 C이며, 상기부호화행렬 C는다음 과같은특성을가진다. <58> 1 상기부호화행렬 C 의구성엘리먼트들은하기수학식 5 와같이나타낼수있다. 수학식 5 <59> <60> 2 상기부호화행렬 C 와상기부호화행렬 C 의복소컨쥬게이트및이항 (transpose) 연산을수행한 행렬는하기수학식 6 과같은관계를가진다

12 수학식 6 <61> <62> 상기수학식 6 에서 D 는의형태를가지는대각행렬 (diagonal matrix) 을 나타내며, 는복소컨쥬게이트및이항행렬연산을나타낸다. 상기수학식 5 에서상기음이아닌 (nonnegative), 즉양 (positive) 의계수들은하기수학식 7 과같이나타낼수있다. 수학식 7 <63> <64> 한편, 상기 Vahid 시공간블록부호화방식에서의직교정의와는대조적으로, 상기의사직교시공간블록부호 화방식은상기대각행렬 D가항등행렬 (identity matrix) 크기보다크지않도록하기위해서 0 계수를포함한다. 따라서, 상기수학식 2의의사직교행렬 C는하기수학식 8과같은의사직교부호설계조건을만족한다. 수학식 8 <65> <66> 상기수학식 8 에서, 이고, 이다. 상기의사직교부호화행렬 의최소랭크 (minimum rank) 는 2 이다. <67> <68> <69> 상기도 1을참조하면, 상기송신기는변조기 (modulator)(100) 와, 직렬 / 병렬변환기 (Serial to Parallel Convertor)(102) 와, 의사직교시공간블록부호화기 (104) 와, 4개의송신안테나들, 즉제1송신안테나 (106) 내지제4송신안테나 (112) 를포함한다. 먼저, 정보데이터비트 (information data bit) 들이입력되면상기변조기 (100) 는미리설정되어있는변조방식으로상기입력정보데이터비트들을변조하여변조심벌 (symbol) 들로생성한후상기직렬 / 병렬변환기 (102) 로출력한다. 여기서, 상기변조방식으로는 BPSK(Binary Phase Shift Keying, 이하 'BPSK' 라칭하기로한다 ) 방식과, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying, 이하 'QPSK' 라칭하기로한다 ) 방식과, QAM(Quadrature Amplitude Modulation, 이하 'QAM' 이라칭하기로한다 ) 방식과, PAM(Pulse Amplitude Modulation, 이하 'PAM' 이라칭하기로한다 ) 방식과, PSK(Phase Shift Keying, 이하 'PSK' 라칭하기로한다 ) 방식등과같은변조방식들중어느한방식이사용될수있다. 상기직렬 / 병렬변환기 (102) 는상기변조기 (100) 에서출력한직렬변조심벌들을입력하여병렬변환한후상기의사직교시공간블록부호화기 (104) 로출력한다. 여기서, 상기변조기 (100) 에서출력한직렬변조심벌들을 x 1 x 2 x 3 x 4 라고가정하기로한다. 상기시공간블록부호화기 (104) 는상기직렬 / 병렬변환기 (102) 에서 4개의변조 심벌들, 즉 x 1,x 2,x 3,x 4 를입력하여의사직교시공간블록부호화하여상기수학식 2 또는상기수학식 4 에서 설명한바와같은변조심벌들로출력한다. <70> 즉, 상기수학식 2 를예로하면, 첫번째시구간 t 1 에서는제 1 송신안테나 (106) 를통해서 x 1 이송신되고, 제 2 송 신안테나 (108) 를통해서 x 2 가송신되고, 제 3 송신안테나 (110) 를통해서 x 3 가송신되고, 제 4 송신안테나 (112) 를

13 통해서 x 4 가송신된다. 두번째시구간 t 2 에서는상기제 1 송신안테나 (106) 를통해서 이송신되고, 제 2 송신 안테나 (108) 를통해서이송신되고, 제3송신안테나 (110) 를통해서이송신되고, 제4송신안테나 (112) 를통해서이송신된다. 세번째시구간 t 3 에서는제1송신안테나 (106) 를통해서 -x 1 이송신되고, 제2송신안테나 (108) 를통해서 -x 2 가송신되고, 제3송신안테나 (110) 를통해서 x 3 가송신되고, 제4송신안테나 (112) 를통 해서 x 4 가송신된다. 네번째시구간 t 4 에서는상기제 1 송신안테나 (106) 를통해서 이송신되고, 제 2 송신안 테나 (108) 를통해서이송신되고, 제3송신안테나 (110) 를통해서이송신되고, 제4송신안테나 (112) 를통해서이송신된다. 여기서, 상기 4개의송신안테나들을통해송신되는심벌들각각은상호간에상호직교함으로써다이버시티차수 (diversity order) 만큼의다이버시티이득 (diversity gain) 을얻을수있다. <71> <72> <73> <74> <75> 상기도 1에서는본발명의실시예에따른기능을수행하기위한 MIMO 이동통신시스템의송신기구조에대해서설명하였으며, 다음으로도 2를참조하여상기도 1에서설명한 MIMO 이동통신시스템의송신기구조에대응하는 MIMO 이동통신시스템의수신기구조에대해서설명하기로한다. 상기도 2는도 1의 MIMO 이동통신시스템의송신기구조에대응하는 MIMO 이동통신시스템의수신기구조를도시한도면이다. 상기도 2를설명하기에앞서, 상기수신기는설명의편의상 1개의수신안테나 (Rx.ANT) 를사용한다고가정하기로한다. 상기도 2를참조하면, 상기수신기는수신안테나 (200) 와, 채널추정기 (channel estimator)(202) 와, 검출기 (detector)(204) 와, 병렬 / 직렬변환기 (parallel to serial converter)(206) 와, 복조기 (de-modulator)(208) 로구성된다. 상기도 2에서는상기수신기에대응하는송신기의송신안테나들의개수와상기수신기의수신안테나들의개수가상이한경우를일예로하여설명하였으나, 상기송신기의송신안테나들의개수와상기수신기의수신안테나들의개수는동일할수도있음은물론이다. 먼저, 상기도 1에서설명한바와같이상기송신기에서 4개의송신안테나들을통해송신된신호는상기수신안테나 (200) 를통해수신된다. 상기수신안테나 (200) 는상기수신한신호를상기채널추정기 (202) 로출력한다. 상기수신안테나 (200) 를통해수신된신호를 r이라고가정하면, 상기수신신호 r은상기도 1의송신기로부터송신되는상기수학식 2 및수학식 4에대응하여하기수학식 9 또는수학식 10과같이나타낼수있다. 이때, 채널은상기한바와같이주어진 4 심볼주기동안시간적으로변하지않는채널이고, 각채널간에는독립적인것을가정한다. 수학식 9 <76> 수학식 10 <77> <78> 상기수학식 9 및수학식 10 에서 n 은복소가우시안분산 (complex Gaussian variance) 인경우의잡음성 분을나타내며, h 1, h 2, h 3 및 h 4 에대한 h i 는제 i 송신안테나를통해송신된신호가겪는경로의경로이득 (path gain) 을나타낸다. 여기서, 상기경로이득은차원 (dimension) 당분산 0.5 를가지는독립복소가우시안랜덤

14 변수들로모델화될수있으며, 일예로레일레이 (Rayleigh) 페이딩환경이라고가정하기로한다. <79> 한편, 상기수학식 9 및수학식 10 에서설명한수신신호 r 의 2 번째엘리먼트와 4 번째엘리먼트에서복소컨쥬 게이팅을수행할경우하기수학식 11 및수학식 12 와같은결과를각각얻을수있다. 수학식 11 <80> 수학식 12 <81> <82> 상기수학식 11 및수학식 12에서이고, 이고, 이다. 또한, 상기 T 는이항 (transpose) 연산을나타내며, 상기 11 및수학식 12에서 H는채널응답 (channel response) 행렬을나타낸다. 상기채널응답행렬 H는공간영역 ( 열엘리먼트들에대응 ) 과시간영역 ( 행엘리먼트들에대응 ) 의 2차원으로정의되는행렬이다. 상기채널응답행렬 H는하기수학식 13과같이나타낼수있다. 수학식 13 <83> <84> 또한, 상기채널응답행렬 H 는하기수학식 14 와같은의사직교특성을가진다. 수학식 14 <85> <86> <87> <88> <89> 상기수학식 14에서이고, 이다. 상기수학식 14를살펴보면, 먼저정합필터 (matched filter) 는완전한직교성은아니지만, 유사직교성을가지고있기때문에, 상기수학식 14에서와같이대각행렬이나타난다. 이에따라송신기에서시공간블록부호화기에의해동시에전송되는 4개의심볼들은상기한바와같은과정예컨대, 수학식 9, 수학식 11 및수학식 14의과정을통해개별적인심볼추정이가능하게된다. 그러면다음으로, 이상에서살펴본바와같은의사직교신호공간다이버시티부호화방식이적용된시스템의송수신과정을개략적으로설명하기로한다. 즉, 송신기에서는시공간블록부호화기의입력심볼들을먼저인페이즈 (inphase)/ 쿼드러쳐 (quadrature) 성분을분리한후시공간부호화과정이이루어진다. 이때, 신호-공간다이버시티이득을얻기위해서는회전된신호점을사용해야한다. 여기서, 회전각도는 4QAM인경우는 arctan(2), 16QAM인경우는 arctan(1/4), 64QAM인경우는 arctan(1/8) 로서변조레벨에따라차이를가질수있다. 이와같이전송된신호들은수신단에서정합필터링및인페이즈 / 쿼드러쳐성분이재조합된후데이터추정프로세싱이이루어진다. <90> 예컨대, 신호 를정합필터링및인페이즈 / 쿼드러쳐재조합과정의결과신호라고하면, 하기수학식 15 와같

15 이나타낼수있다. 수학식 15 <91> <92> 상기수학식 15 에서잡음성분 다. 는정합필터링된잡음성분을나타내며, 하기수학식 16 과같이나타낼수있 수학식 16 <93> <94> 이때, 상기필터링된잡음성분와은분산값이이고, 와는의 분산값을갖는다. 또한, 상기잡음성분의인페이즈와쿼드러쳐성분은서로독립적인확률변수로가정할수 있다. 따라서, 상기신호 를이용하여 ML(Maximum Likelihood) 추정방식을사용하면, 하기수학식 17 과같이 나타나는확률값을이용하여송신된심볼들을추정하게된다. 수학식 17 <95> <96> <97> 여기서, 상기는송신기에서사용하는회전된신호점을나타낸다. 그러면여기서상기수학식 11 을예로하여선형프로세싱 (linear processing) 에대해서살펴보기로한다. 즉, 상기수학식 11 에나타낸바와같이수신신호 r 의 2 번째엘리먼트와 4 번째엘리먼트에서복소컨쥬게이팅을수 행한을사용하여수신기에서의선형프로세싱에대해서설명하기로한다. <98> 먼저, 상기수신기는상기채널응답행렬 H 에대해서미리인식하고있으며, 상기송신기는상기채널응답행 렬 H 를미리인식하고있지않다고가정하기로한다. 또한, MIMO 채널은채널정합필터 (channel matched filter) 를적용함으로써병렬채널들로분해할수있으며, 이를나타내면하기수학식 18 과같다. 수학식 18 <99> <100> 상기수학식 18 에서, D 는대각행렬을나타내며, 은을나타낸다 ( ). 즉, 상기

16 수학식 11 에나타낸바와같이이고, 상기수학식 14 에나타낸바와같이 행렬이되는것이다. 이므로상기대각행렬 D 는상기수학식 14 의우변의대각행렬과동일한 <101> 한편, 상기송신기에서송신한신호 x 를추정한추정신호는하기수학식 19 와같이나타낼수있다. 수학식 19 <102> <103> 또한, 상기잡음성분의자기상관 (autocorrelation) 행렬은하기수학식 20 과같이계산된다. 수학식 20 <104> <105> 한편, 상기 (x 1,x 2 ) 및 (x 3,x 4 ) 에상응하는다이버시티이득은각각 γ 1,γ 2 이다. 그래서, 상기의사직교시공간 블록부호화방식은최대다이버시티방식의다이버시티이득, 즉 에비해서낮은다이 버시티이득, 즉혹은을가지게된다. 그러나, 상기의사직교시공간블록부호화방식이최대데이터레이트를가지는반면에, 상기최대다이버시티방식의경우데이터레이트면에서의손실을초래한다. 따라서, 본발명에서는병렬송신다이버시티방식을적용하여주파수선택적채널을위한최대다이버시티획득을가능하게한다. <106> <107> <108> <109> 또한, 상기의사직교시공간블록부호화방식은일반적인시공간블록부호화방식, 즉 Alamouti 시공간블록부호화방식과 Tarokh 시공간블록부호화방식등과같은일반적인시공간블록부호화방식과동일한다이버시티이득을가지면서도상기일반적인시공간블록부호화방식과는달리최대데이터레이트를획득할수있게된다. 한편, 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식을적용할경우최대다이버시티이득과, 간단한복호화가가능하지만, 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식은 2개의송신안테나들을사용할경우에만최적으로적용가능하게된다는문제점을가진다. 즉, 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식은 2개를초과하는송신안테나들을사용할경우최대다이버시티이득과최대데이터레이트를동시에획득할수없다는문제점을가진다. 즉, Alamouti 시공간블록부호화방식을 2개를초과하는송신안테나들을사용하는 MIMO 이동통신시스템에적용할경우다이버시티이득과데이터레이트중어느한측면에서의손실을감소해야만한다는문제점을가진다. 따라서, 상기의사직교시공간블록부호화방식은최대데이터레이트를획득하는것을목적으로하고있으므로, 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식의복소직교부호설계조건을완벽하게충족시키지는않는다. 그렇지만, 상기의사직교시공간블록부호화방식은직교특성을유지하면서도매우간단한 ML(Maximum Likelihood, 이하 'ML' 이라칭하기로한다 ) 복호화알고리즘을적용할수있어복호화복잡도를최소화시킬수있다. 그러면이하에서는, 상기송신기에서송신가능한모든심벌벡터 (vector) x들의조합을 s라고가정하기로

17 한다. 상기송신가능한모든심벌벡터 x 들의조합 s 의사이즈는 M 4 이며, M 은성상도포인트 (constellation point) 의개수를나타낸다. 상기수학식 10 에서설명한바와같이상기송신가능한모든심벌벡터 x 들의 ML 검출은하기수학식 21 과같이나타낼수있다. 수학식 21 <110> <111> 상기수학식 14 에서설명한바와같이상기채널응답행렬 H 가의사직교특성을가진다는점을이용하면, 상 기수학식 21 은하기수학식 22 와같이나타낼수있다. 수학식 22 <112> <113> <114> 상기에서설명한바와같이상기수학식 21 에서의 ML 복호화방식은상기수학식 22 에서설명한바와같은간단 한연산식으로변경된다. 다음으로, 상기채널응답행렬 H 의 i 번째열벡터를 h i 라고가정하기로하면, 상기 x 1 혹은 x 2 의검출을위한 결정메트릭 (decision metric) 은상기수학식 22 로부터하기수학식 23 과같이나타낼수있다. 수학식 23 <115> <116> 또한, 상기 x 3 혹은 x 4 의검출을위한결정메트릭은상기수학식 22 로부터하기수학식 24 와같이나타낼수있 다. 수학식 24 <117> <118> <119> <120> 상기에서설명한바와같이상기의사직교시공간블록부호화방식을사용할경우수신기측에서의복호화과정은다수개의송신안테나들, 즉 2개를초과하는송신안테나들을사용할경우에도간단하게구현됨을알수있다. 그러면여기서상기의사직교시공간블록부호화방식의성능에대해서설명하기로한다. 먼저, 시공간부호의설계기준은코드워드 (codeword) 차이행렬 B ce 를통해서나타낼수있다. 여기서, 상기코 드워드차이행렬 C ce 은 C ce =C c -C e 이며, 상기 C c 는송신부호행렬을나타내며, 상기 C e 는상기송신부호행렬 C c 를오추정하여발생된검출행렬을나타낸다. 이때, 상기코드워드를 'c' 라고정의하기로하며, 상기코드워드 c에에러가발생한코드워드를 'e' 라고정의하기로한다. 그러면, 상기코드워드가송신되어상기에러가발생한코드워드로검출될확률은하기수학식 25와같이나타낼수있다

18 수학식 25 <121> <122> 상기수학식 25 에서은상기코드워드 가송신되어상기에러발생한코드워드 로검출될확률을나타내며, n 은송신안테나들의개수를나타내며, m 은수신안테나들의개수를나타내며, l 은패킷 (packet) 들의개수를나타낸다. 또한, 상기송신기와수신기간의 채널환경을 Rayleigh 페이딩채널환경으로가정할경우, 상기코드워드 가송신되어상기에러발생한코드워드 기수학식 26 과같이나타낼수있다. 로검출될확률 은하 수학식 26 <123> <124> 상기수학식 26 에서 r 는행렬 의랭크 (rank) 를나타내고, λ i 는상기행렬 A 의 O 이아닌고유값 (nonzero eigenvalue) 를나타낸다. 여기서, 다이버시티이득 rm과부호화이득이획득된다. 상기행렬 C ce 는랭크 r측면에서상기행렬 A와동일한특성을가지며, 높은신호대잡음비 (Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR' 이라칭하기로한다 ) 에서의성능을결정하는 PEP(Pairwise Error Probability) 를최소화시키기위해서상기행렬 B ce 에대한연구가꾸준히진행되고있다. <125> 그러면여기서 4 개의송신안테나들을사용할경우의복소직교설계에대해서비교하면다음과같다. <126> 먼저, 의사직교설계를 P 라고가정하고, 직교설계를 수학식 27 과같이나타낼수있다. 라고가정하기로한다. 그러면다이버시티차수는하기 수학식 27 <127> <128> 또한, 상기의사직교설계 P 를회전 (P r ) 하여얻어지는다이버시티차수는하기수학식 25 와같이나타낼수있 다. 즉, 상기 P r 과 P 는각각행렬의요소인시그널 (signal) 을회전 (rotation) 과셔플링 (shuffling) 해준것들의 표현이며, 이는하기수학식 28 과같이나타낼수있다

19 수학식 28 <129> <130> 상기수학식 28 에서와같이, 결국원래 QAM 신호 x, 회전 (rotation) 한신호 x t, 그리고이들의셔플링 (shuffling) 후이획득된다. 수학식 29 <131> <132> 상기수학식 29 에서상기 r 은회전 (rotation) 개념을나타내며, 상기 이다. 즉, 상 기 P r 은상기 P 의방식 (scheme) 의개념에각각의신호 (signal) 끼리셔플링과회전이라는기법을통해풀다이버 시티 (full diversity) 까지얻을수있도록한다. 즉, 상기수학식 25 는상기 P 에서각각신호의실수부와허수 부를각각소정의규칙에의해섞어준후, 상기신호자체를최상의각도로회전을시켜주는과정을나타낸것 이다. 이러한과정을통해상기 P 에서만족하지못하는풀다이버시티까지만족시킬수있다. <133> 한편, 상기수학식 27 에나타낸바와같이상기의사직교설계 P 의다이버시티차수는 2 이며, 상기수학식 29 에나타낸바와같이상기 P 를회전한 P r 의다이버시티차수는 4 이며, 상기직교설계 의다이버시티차수는 4 임을알수있다. 여기서, 상기직교설계 O 는일반적으로모든시공간블록부호화의기본개념으로, 본발명 에서는생략하기로한다. <134> 또한, 상기의사직교부호를위한결정기준의측면에서대각선행렬의배수 2 가부호화이득을가져옴을알 수있다. 상기의사직교설계 P와직교설계를위한결정기준의평가량은하기수학식 30 및수학식 31과같이나타낼수있다. 또한상기의사직교설계 P r 를위한결정기준의평가량은하기수학식 32와같이나타낼수있다. 수학식 30 <135> 수학식 31 <136>

20 수학식 32 <137> <138> 상기수학식 31 및수학식 32 에서 셈을나타낸다. 는 0 인값들 (zero value) 을제외한 O 이아닌 (nonzero value) 값들간의곱 <139> 상기의최소값이상기수학식 26 에서설명한바와같은부호화이득을결정하게되는것이다. 그래서, 상기의사직교설계 P 의부호화이득이이고, 상기 P r 의부호화이득이 인반면에, 상기직교설계의부호화이득은이되는것 이다. 여기서, 상기와같이정의되며, 상기와같이성립하는이유는각각의신호들이회전되어있는상태이기때문에신호들사이에서겹치는좌표가하나도없기때문이다. 이때, 로정의되며, 주어진신호셋 (signal set) 에서상기 MPD(min product distance) 가최대값이되는각도로각각의신호들을회전시 켜줘야한다. <140> 한편, 상기에서살펴본바와같이, 상기의사직교설계 P 및 P r 은상기직교설계 부호화이득을가진다. 에비해서 3[dB] 정도의 <141> <142> <143> <144> 또한, 상기도 2에서상기채널추정기 (202) 는상기수신안테나 (200) 를통해수신된신호를입력하여채널추정한후상기검출기 (204) 로출력한다. 상기검출기 (204) 는상기채널추정기 (202) 에서출력한신호를입력하여추정 (hypotheses) 심볼들을생성하고, 상기추정심벌들을가지고상기송신기에서송신가능한모든심볼들에대한결정통계량 (decision statistic) 을계산한후, 임계값검출 (threshold detection) 을통해상기송신기에서송신한변조심벌들을검출하여상기병렬 / 직렬변환기 (206) 로출력한다. 상기병렬 / 직렬변환기 (206) 는상기검출기 (204) 에서출력한병렬변조심벌들을입력하여직렬변환한후상기복조기 (208) 로출력한다. 상기복조기 (208) 는기병렬 / 직렬변환기 (206) 에서출력한직렬변조심벌들을입력하여상기송신기의변조기 (100) 에서적용한변조방식에상응하는복조방식으로복조하여원래의직렬변조심벌들로복원한다. 그러면여기서상기의사직교시공간블록부호화방식과일반적인시공간블록부호화방식의채널용량 (channel capacity) 을비교하여설명하기로한다. 먼저, 상기채널용량을비교함에있어송신안테나들의개수에따른총송신전력 (total transmit power) 은미리설정된상수값으로결정되어있다고가정하기로한다. 그리고, 상기송신기에서송신가능한모든심벌벡터 x들의컴퍼넌트 (component) 들은서로독립적으로동일하게분산되었다고가정하면, 하기수학식 33과같은관계가성립한다. 수학식 33 <145>

21 <146> <147> 상기수학식 33 에서는수신기에서의 SNR 을나타내며, I N 은차수 N 의항등행렬 (identity matrix) 을나타낸다. 그리고, N 개의송신안테나들을가지는 MIMO 이동통신시스템의용량은하기수학식 34 와같이나타낼수 있다. 수학식 34 <148> <149> 상기수학식 34 에서 C N 은채널용량을나타내며, 상기채널용량 C N 은상기송신안테나들의개수 N 이증가할수 록가우시안용량 (Gaussian capacity) 에근접하게된다. 랜덤변수은 N 이 4 보다작아질 경우 1 에거의근접함은이미알려져있으며, 이런특성은최대데이터레이트와최대다이버시티간의 tradeoff 가발생함을알수있게해준다. <150> 먼저, 상기 Alamouti 시공간블록부호화방식은상기송신안테나들의개수 N 이 2 일경우 (N = 2) 상기수학식 14 에나타낸개루프 (open-loop) 채널용량을획득할수있으며, 이는하기수학식 35 에나타낸바와같다. 수학식 35 <151> <152> 상기수학식 35 에서 C Al 은상기 Alamouti 시공간블록부호화방식을통해획득할수있는채널용량을 나타낸다. <153> 한편, 상기수학식 18 에서설명한바와같은 MIMO 채널모델을적용할경우상기의사직교시공간블록부호화 방식을통해획득할수있는채널용량은하기수학식 36 에나타낸바와같다. 수학식 36 <154> <155> 상기수학식 36 에서 C PO 은상기의사직교시공간블록부호화방식을통해획득할수있는채널용량을나타내 며, D 는대각선행렬을나타낸다. 또한, 상기수학식 36 에서상기 D 가대각선행렬을나타내므로상기수학식 36 은하기수학식 37 과같이나타낼수있다. 수학식 37 <156> <157> 그러면여기서상기 MIMO 이동통신시스템에영향을발생시킬수있는 outage 채널용량에대해서살펴보기로 한다. <158> 먼저, 데이터레이트 b 에서의 outage 채널용량을 이나타낼수있다. 이라고가정하기로하며, 이는하기수학식 38 과같

22 수학식 38 <159> <160> <161> <162> <163> <164> <165> <166> <167> <168> 상기수학식 38에서 P(b) 는상기데이터레이트 b가지원되지않을확률을나타낸다. 상기 outage 채널용량은몬테카를로 (Monte-Carlo) 시뮬레이션에의해서계산되며, 다른설계들의성능특성에도추가적으로고려된다. 여기서, 상기몬테카를로시뮬레이션이라함은, 통상적으로입력변수를확률함수로보고난수를발생시켜서적합한값만을취하며, 나머지값을버림으로써, 가장근사한결과값을얻는방법을말한다. 그러면여기서도 3을참조하여상기의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의 10% outage 채널용량에대해서설명하기로한다. 상기도 3은본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의 10% outage 채널용량을도시한그래프이다. 상기도 3을참조하면, 가로축은신호대잡음비 ([db]) 를나타내며, 세로축은데이터레이트 ([bps/hz]) 를나타낸다. 또한, 상기도 3에는의사직교부호및직교부호의채널용량뿐만아니라, 4개의송신안테나들을사용하는경우와 2개의송신안테나들을사용하는경우각각의채널용량이도시되어있다. 결과적으로, 상기의사직교시공간블록부호화방식은 4개의송신안테나들을적용하는 MIMO 이동통신시스템에서복호화복잡도를최소화시키면서도최대다이버시티이득및최대데이터레이트를획득할수있다는이점을가지게되는것이다. 다음으로도 4 및도 5를참조하여상기의사직교시공간블록부호화방식의성능에대해서설명하기로한다. 상기도 4는 3bps/Hz 채널환경과, MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의성능을도시한그래프이다. 상기도 5는 2bps/Hz 채널환경과, MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의성능을도시한그래프이다. 상기도 4 및도 5를설명하기에앞서, 상기도 4 및도 5에도시되어있는상기의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의성능곡선은하기표 1과같은시스템파라미터 (parameter) 들을가정할경우에획득된성능곡선이다. 표 1 <169> <170> 상기표 1에나타낸바와같이 Monte-Carlo 시뮬레이션에서 8진법상의이진컨벌루셔널코드 (convolutional code) 다항식 (133,171) 이사용되며, 또한 2bps/Hz와 3bps/Hz 채널환경이적용되며, 각채널은독립적인 Rayleigh 페이딩채널을가지며, 지수적으로감소되는페이딩특성을가지는 5-탭 (tap) 전력지연프로파일을가지는실내채널모델을사용한다고가정하기로한다. 그리고, 직교주파수분할다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM' 이라칭하기로한다 ) 변조는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) a 통신시스템에서정의된바와같이 64-포인트 (point) 고속푸리에변환 (Fast Fourier Transform, 이하 'FFT' 라칭하기로한다 ) 이사용된다고가정하기로한다. 또한, 1개의 OFDM 심벌 (symbol) 구간은 0.8[ μs ] 의보호구간을포함하는 4[ μs ] 의길이를가진다. 그리고, 상기보호구간및 OFDM 심벌구간의길이는 25[ns] 까지의 RMS(Root Mean Square) 지연확산을처리가능하도록결정되는것이다

23 <171> <172> <173> <174> <175> <176> <177> <178> 상기 Monte-Carlo 시뮬레이션에서사용되는 5-탭다중경로채널은대략 100[ns] 의 RMS 지연확산을가진다. 그리고, 1개의프레임 (frame) 은 4개의 OFDM 심벌들로구성된다고가정하기로한다. 또한, 성상도상의회전은상기의사직교부호의성능향상을획득함은이미잘알려져있으며, 상기성상도상의최적회전은상기의사직교부호를위해사용됨역시이미잘알려져있다. 또한, 3/4 데이터레이트직교코드를위해서는제곱행렬삽입시공간블록부호 (square-matrix embedded space time block code) 와같은부호화행렬이사용된다고가정하기로한다. 상기도 4를참조하면, 가로축은신호대잡음비 ([db]) 를나타내며, 세로축은프레임에러레이트 (Frame Error Rate, 이하 'FER' 이라칭하기로한다 ) 를나타낸다. 상기도 4에나타낸바와같이상기의사직교시공간블록부호화방식이다른시공간블록부호화방식에비해서약 1[dB] 정도의이득을가지며, 1% FER에서상기의사직교시공간블록부호화방식이최적성능을나타낸다. 또한, 수신기측에서의복잡도를고려해보면, 비교적복잡한복호화기구조를가지는준직교부호에비해서상기의사직교시공간블록부호화방식이훨씬간단한복호화기구조를가지고도복호화가가능하다는이점을가진다. 또한, 상기도 4에도시되어있는성능곡선들간에는서로급격한기울기변화를나타내지않는데, 이는상기의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들모두상기 OFDM 방식을사용함으로써획득되는다이버시티이득으로인해주파수선택적페이딩채널에서의성능열화를방지할수있기때문이다. 상기 OFDM 방식을사용함으로인해나타나는성능은비교적낮은코딩레이트 (coding rate) 의채널코딩및추가주파수다이버시티를적용함으로써더욱개선될수있다. 특히, 상기주파수다이버시티는상기의사직교시공간블록부호화방식의공간송신다이버시티를보완해줄수있게된다. 상기도 5를참조하면, 상기도 4보다더낮은코딩레이트, 즉 2[bps/Hz] 에서의성능곡선들이도시되어있다. 도 6은 4QAM 변조, 준정적플랫페이딩 (Quasi-static flat fading) 채널환경이적용되는 MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및 Alamouti 방식의성능을도시한그래프이다. 상기도 6을참조하면, 가로축은신호대잡음비 ([db]) 를나타내며, 세로축은비트에러레이트 (BER: Bit Error Rate, 이하 'BER' 이라칭하기로한다 ) 를나타낸다. 상기도 6에나타낸바와같이상기의사직교시공간블록부호화방식이일반적인시공간블록부호화방식예컨대, Alamouti 방식에비해서 BER 성능이우수함을알수있다. 한편본발명의상세한설명에서는구체적인실시예에관해설명하였으나, 본발명의범위에서벗어나지않는한도내에서여러가지변형이가능함은물론이다. 그러므로본발명의범위는설명된실시예에국한되어정해져서는안되며후술하는특허청구의범위뿐만아니라이특허청구의범위와균등한것들에의해정해져야한다. <179> 발명의효과상술한바와같은본발명은, 의사직교시공간블록부호화방식을새롭게제안함으로써 MIMO 이동통신시스템에서최대다이버시티이득을유지하면서도, 데이터레이트및부호화이득을최대화할수있다는이점을가진다. 또한, 상기의사직교시공간블록부호화방식은수신기측의연산량및복잡도를최소화시킨다는이점을가진다. <1> <2> <3> <4> 도면의간단한설명도 1은본발명의실시예에서의기능을수행하기위한 MIMO 이동통신시스템의송신기구조를도시한도면도 2는도 1의 MIMO 이동통신시스템의송신기구조에대응하는 MIMO 이동통신시스템의수신기구조를도시한도면도 3은본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의 10% outage 채널용량을도시한그래프도 4는 3bps/Hz 채널환경과, MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의성능을도시한그래프

24 <5> <6> 도 5는 2bps/Hz 채널환경과, MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및일반적인시공간블록부호화방식들의성능을도시한그래프도 6은 4QAM 변조, 준정적플랫페이딩 (Quasi-static flat fading) 채널환경이적용되는 MIMO 이동통신시스템에서본발명의실시예에따른의사직교시공간블록부호화방식및 Alamouti 방식의성능을도시한그래프 도면 도면 1 도면

25 도면 3 도면

26 도면

27 도면