KR20100102677A

KR20100102677A - Ｕｗｂ 펄스 타입의 다중 안테나 통신 시스템에서 낮은 ｐａｐｒ을 갖는 시공간 코딩 방법

Info

Publication number: KR20100102677A
Application number: KR1020107016415A
Authority: KR
Inventors: 샤디 어보우 르제일리
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: CN101933238B; ATE539494T1; EP2245751A1; JP2011514708A; ES2379320T3; US20100296550A1; KR101528951B1; US8218670B2; CN101933238A; FR2927205A1; EP2245751B1; WO2009095430A1

Abstract

본 발명은 복수의 방사성 요소 (430₁, 430₂, .., 430_P)를 포함하는 초광대역(UWB) 전송 시스템을 위한 시공간 코딩 방법으로서, 상기 방법은 M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳에 속하는 정보 심볼들인 S=(σ₁, σ₂, ..., σ_P)의 블록을 아래 매트릭스의 요소들로부터 얻어진 벡터들의 순서로 코딩하고,

여기서, 매트릭스의 열은 전송 채널의 사용에 대응하고, 매트릭스의 행은 방사성 요소에 대응하고, 매트릭스 C는 그 열들 또는 그 행들, 또는 그 열과 행들의 순열 이내에서 정의되고, Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열(ω)과 그 변조 위치들(m_±) 중 하나에 대한 M'-PAM 변조 알파벳의 대칭 동작(π)의 조합으로서 정의된다.

Description

ＵＷＢ 펄스 타입의 다중 안테나 통신 시스템에서 낮은 ＰＡＰＲ을 갖는 시공간 코딩 방법{METHOD OF SPACE TIME CODING WITH LOW PAPR FOR MULTIPLE ANTENNA COMMUNICATION SYSTEM OF THE UWB PULSE TYPE}

본 발명은 시공간 코딩(STC: Space Time Coding)을 적용한 초광대역(UWB: Ultra wide band) 전기통신 분야와 다중 안테나 시스템들 분야 모두에 관한 것이 다.

다중 안테나 타입의 무선 전기통신 시스템들은 종래 기술로서 잘 알려져 있다. 이러한 시스템들은 송출시에 또는 수신시에, 또는 송출과 수신시에 복수의 안테나를 사용하며, 채택된 구성의 타입에 따라 MIMO(multiple input multiple output), MISO(multiple input single output) 또는 SIMO(single input multiple output)로 지정된다. 여기서부터, MIMO라는 용어는 위에서 언급된 MIMO와 MISO 변이들을 대신하기 위하여 사용될 것이다. 송출시에 또는 수신시에, 또는 송출과 수신시에 공간 다양성의 개발은 기존의 단일 안테나 시스템들(또는, SISO: Single input single output)에서보다 상기 시스템들에 현저히 우수한 채널 용량의 제공을 가능하게 한다. 이러한 공간 다양성은 일반적으로 시공간 코딩에 의한 시간 다양성에 의하여 완성된다. 이러한 코딩에 있어, 전송된 정보 심볼은 여러 안테나 및 여러 전송 시점에서 코드화된다. 시공간 코딩 MIMO 시스템들의 두 가지 주요 범주는, 시공간 격자 코딩 또는 STTC(space time trellis coding) 시스템들과 시공간 블록 코딩 또는 STBC(space time block coding) 시스템들로 알려져 있다. 시공간 격자 코딩 시스템에서는 시공간 코더(coder)가 P 전송 심볼들을, 코드화된 현재 상태와 정보 심볼의 함수로서, P 안테나들로 제공하는 유한한 상태의 기계로 보여질 수 있다. 수신한 것을 디코딩하는 것은 다차원의 비터비(Viterbi) 알고리듬에 의하여 수행되고, 해독의 복잡성은 상태들의 수의 함수로서 지수적인 방식으로 증가한다. 블록(block) 코딩 시스템에서, 전송된 정보 심볼들의 블록은 전송 심볼들의 매트릭스로서 코딩되고, 매트릭스의 일 차원은 안테나의 수에 대응하고 다른 차원은 연속적인 전송 시점들에 대응한다.

도 1은 STBC 코딩에 대한 MIMO 전송 시스템(100)을 도식적으로 나타낸다. 예를 들어 b 비트의 이진 워드 또는 더 일반적으로는 b M진(M-ary) 심볼들의 이진 워드인 정보 심볼들(S=σ₁, ..., σ_b)이 다음의 시공간 매트릭스로 코딩된다.

여기서, 상기 코드의 계수들(c_t _,p, t=1,...,T; p=1,...,P)은 일반적인 규칙의 복소 계수로서 정보 심볼들에 의존적이고, P는 방출 때 사용되는 안테나의 갯수이고, T는 상기 코드의 시간 확장을 나타내는 정수이며, 다른 말로 하면 채널 당 사용하는 수 또는 PCUs이다.

상기 시공간 코드의 워드 C를 정보 심볼들의 어떠한 벡터 S에 대응하도록 만드는 함수 f는 코딩 함수로서 알려져 있다. 함수 f가 선형이라면, 시공간 코드는 선형으로 알려진다. 만약, 계수 c_t _,p가 실수라면, 시공간 코드는 실수로 알려진다.

도 1에서, 시공간 코더(110)가 나타난다. 채널 t를 사용하는 각 시점에서, 코더는 멀티플렉서(120)에 매트릭스 C의 t번째 열(row) 벡터를 제공한다. 멀티플렉서는 변조기들(130₁, ..., 130_P)에 열 벡터의 계수를 전송하고, 변조된 신호들은 안테나들(140₁, ..., 140_P)에 의하여 전송된다.

상기 시공간 코드는 상기 매트릭스 C의 랭크(rank)로서 정의될 수 있는 그 다양성에 의하여 특징지어진다. 만약, 두 개의 벡터들 S1과 S2에 대응하는 어떤 두 개의 코드 워드들 C₁과 C₂에 있어, 매트릭스 C₁-C₂가 풀 랭크(full rank)이라면, 이때 최대의 다양성이 있게 된다.

게다가, 시공간 코드는 그 코드의 다른 워드들 간의 최소 거리를 반영하는 코딩 이득(coding gain)에 의하여 특징지어진다. 이는 다음과 같이 정의된다.

또는, 같은 방식으로, 선형 코드에 대해서는 다음과 같이 정의된다.

여기서, det(C)는 C의 행렬식을 의미하고, C^H는 C로부터 변형된 공액 매트릭스이다. 정보 심볼당 전송 에너지에 대하여, 상기 코딩 이득이 제한된다.

시공간 코드의 코딩 이득이 높을수록, 페이딩(fading)에 대하여 더욱 저항력이 있게 된다.

마지막으로 시공간 코드는 그 비율, 다른 말로 하면 채널사용 시점당(PCU) 전송하는 정보 심볼들의 수에 의하여 특징지어진다. 상기 코드는 하나의 안테나를 사용하는 것(SISO)에 따르는 비율보다 P배 높을 때가 최대 비율(full rate)로 된다. 코드는 하나의 안테나를 사용하는 것에 따르는 비율과 동일한 비율일 때가 단일 비율(single rate)이라고 알려져 있다.

많은 수의 안테나를 가지는 MINO 시스템에 대해 최대의 다양성과 단일 비율을 갖는 시공간 코드의 예는 2003년 10월 IEEE Trans.에서 출판된 B.A. Sethuraman 등이 저자인 vol.49의 "Full-diversity, high rate space time block codes from division algebras" 2596 ~2616 페이지에서 제안되어 왔다. 그 코드는 다음의 시공간 매트릭스에 의하여 정의된다.

여기서, σ₁, ..., σ_P는 정보 심볼들, 예를 들어 PAM 심볼들이다. 실수(real)로 되기 위하여 매트릭스 (4)에 의해 정의되는 시공간 코드에서, 계수 γ은 그 자체가 실수일 것이 필요하고, 더욱이 하나의 안테나 시스템에 비해 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)이 증가하지 않는 것이 기대된다면, 이것은 γ가 ±1로 추정된다. 그러나, 안테나의 수 P가 2의 거듭제곱수인 경우에서, 코드의 최대 다양성은 γ가 1인 경우에 상실되고, γ가 -1인 경우에 오직 유지된다.

전기통신의 또 다른 분야는 현재 상당히 많은 연구 주제이다. 여기에는 주로 미래 무선 개인 영역 네트워크(WPAN: Wireless Personal Area Networks)의 개발에 대하여 기대되는 초광대역 전기통신 시스템을 포함한다. 이 시스템은 매우 넓은 대역의 신호를 가진 기본 대역에서 직접적으로 동작하는 특수성을 가진다. 초광대역 신호는 일반적으로 2002년 2월 14일의 FCC 규약에서 규정되고 2005년 3월에 개정된 스펙트럼 마스크에 준수하는 신호를 의미하도록 한다. 다른 말로 하자면, 필수적으로 3.1GHz에서 10.6GHz까지의 스펙트럼 대역에서의 신호이고, 최소한 500MHz에서 -10dB의 대역 폭을 가진다. 실질적으로, 초광대역 신호의 두 가지 타입이 다중대역 OFDM 신호(MB-DFDM)와 펄스 타입 초광대역(UWB) 신호로 알려져 있다. 여기서부터는, 오직 후자의 타입에 대하여 논할 것이다.

펄스 초광대역 신호는 보통 하나의 프레임 안에서 퍼져 있는 약 수백 피코세컨즈(picoseconds)의 매우 짧은 펄스로 구성된다. 다중 접근 간섭(MAI: Multiple Access Interference)을 감소시키기 위해서, 별개의 시간도약(TH: Time Hopping) 코드가 각 사용자에게 할당된다. 그때, 사용자(k)로부터 들어오거나 사용자에게 나가는 신호는 다음 식으로 쓰여질 수 있다.

여기서, w는 기본 펄스의 형태이고, T_c는 칩시간(chip time)이며, T_s는 N_s=N_cT_c인 기본 간격의 시간이고, 여기서, N_c는 한 간격에서의 칩들의 갯수이며, 전체 프레임에 따른 시간 T_f은 T_f=N_sT_s이고, 여기서, N_s는 그 프레임에서 간격들의 갯수이다. 기본 펄스의 시간은 칩시간보다 더 작게 선택된다. 즉, T_w≤T_c 와 같다. n=0, ..., N_s-1에 대한 순서 c_k(n)는 사용자 k의 시간도약 코드를 정의한다. 시간도약 순서는 별개 사용자들의 시간도약 순서에 속한 펄스 간의 충돌 횟수를 최소화하기 위하여 선택된다.

사용자 k와 관련된 시간도약 초광대역(TH-UWB) 신호는 도 2a에 나타난다. 사용자 k로부터 들어오거나 나가는 주어진 정보 심볼를 전송하기 위해서, TH-UWB 신호는 일반적으로 위치 변조기(PPM for pulse position modulation)를 써서 변조되며, 즉, 변조된 신호는 다음 식과 같다.

여기서, ε은 주로 칩 시간 T_c보다 작은 모듈레이션 디더(dither)이고, d_k ∈ {0, ..., M-1}는 심볼의 M진(M-ary) PPM 위치이다.

선택적으로, 정보 심볼는 진폭 변조기(PAM)를 써서 전송될 수 있다. 이러한 경우, 변조된 신호는 다음 식과 같이 쓰여질 수 있다.

여기서, a^(k)=2m'-1-M'는 PAM 변조의 M'진(M'-ary) 심볼이고, 여기서, m'=1, ..., M'이다. 예를 들어, BPSK 변조(M'=2)가 사용될 수 있다.

PPM과 PAM 변조는 또한 M.M'진(M.M'-ary) 복합 변조로 조합될 수 있다. 이때, 변조된 신호는 다음의 일반식을 가진다.

기수(cardinal) Q=M.M'의 상기 M-PPM-M'-PAM 변조의 알파벳은 도 3에 나타나고 있다. M 시간 위치들 각각에 대하여, M' 변조 진폭들이 가능하다. 이러한 알파벳의 심볼인 (μ, α)는 순서 α_m에 의해서 표현될 수 있다. α_m=δ(m-μ)α이고, 여기서, m=0,..,M-1이고, μ는 PPM 변조의 한 위치이고, α는 M'-PAM 알파벳의 한 요소이며, δ(.)는 디랙 분포(Dirac distribution)이다.

시간 도약 코드(time hopping code)들을 사용하여 다른 사용자들을 분리하는 대신에 직교식 코드들, 예를 들어, DS-CDMA에서처럼 하다마드 코드들(Hadamard codes)에 의해 그들을 분리하는 것도 가능하다. 이 중 하나는 DS-UWB(direct spread UWB)를 나타낸다. 이 경우에 있어서, (5)에 대응하는 비변조 신호식을 획득한다.

여기서, b_n ^(k)은 사용자 k의 확산 순서이고, n=0, ..., N_s-1이다. 상기 식 (9)는 종래 DS-CDMA 신호의 것과 유사하다는 것이 발견될 것이다. 그러나, 그 칩들이 프레임 전부를 차지하는 것이 아니라 주기 T_s에서 널리 퍼져 있는 사실에 있어 차이가 있다. 사용자 k와 관련된 DS-UWB 신호는 도 2b에 나타난다.

이전처럼, 그 정보 심볼들은 PPM 변조, PAM 변조 또는 복합 PPM-PAM 변조를 써서 전송될 수 있다. TH-UWB 신호(7)에 대응하는 진폭 변조된 DS-UWB 신호는 다음에 나타나는 식과 같은 식을 가지는 것으로 표현될 수 있다.

마지막으로, 다른 사용자들에게 다중 접속을 제공하기 위하여 시간도약 코드들과 스펙트랄 스프레드 코드들을 조합하는 것이 알려져 있다. 그렇게 함으로써, TH-DS-UWB 펄스 UWB 신호는 다음의 일반적인 형식을 가진다.

사용자 k와 관련된 TH-DS-UWB 신호는 도 2c에 나타난다. 이 신호는 PPM-PAM M.M'진 복합 변조에 의하여 변조될 수 있다. 이때, 다음 식이 변조된 신호에 대하여 얻어진다.

MIMO 시스템에서 UWB 신호들을 사용하는 것은 종래 기술로부터 알려져 있다. 이 경우에 있어서, 각 안테나는 정보 심볼의 함수로서 변조된 UWB 신호 또는 그러한 심볼들의 블록(STBC)을 전송한다.

당초에 시공간 코딩 기술은 협대역 신호들 또는 펄스 UWB 신호들에 드물게 적용되는 DS-CDMA를 위해 개발되었다. 실제로, 상기 언급된 B.A. Sethuraman의 글에서 개시된 것처럼, 알려진 시공간 코드는 일반적으로 복합계수들로 되어 있으며, 결과적으로는 상(phase) 정보를 운반한다. 그러나, 펄스 UWB 신호들의 대역만큼 넓은 대역을 가진 신호의 이 상 정보를 복구하는 것은 극히 어렵다.

실제 코드의 사용은, 예를 들어 (4)에서 정의된 코드에 대하여 γ=±1을 선택하는 것에 의해서, 지금까지 보여진 것처럼, 최대 다양성의 손실을 이끌 수 있다. 반대로, 최대 다양성의 특성을 유지하는 것은, 그 코드의 요소들(예를 들어, |γ|≠1인 매트릭스 σ_γ의 요소들)이 정보 심볼들이 속한 집단에 비하여 증폭되거나 플립(flip)된, 또는 증폭되고 플립된 변조 집단에 속하도록 이끌며, 이는 단일 안테나 구성에서보다 더 높은 PAPR 값으로 이끌 수 있다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 결점들, 특히 단일 안테나 구성과 비교해 볼 때, 증가된 레벨(level)의 PAPR을 갖지 않는 실제 시공간 코드를 제시하는 것이다.

본 발명의 부수적인 목적은 안테나의 수와 무관하게 최대 다양성을 가지는 그러한 코드를 제시하는 것이다.

본 발명은 복수의 방사성 요소 P를 포함하는 초광대역(UWB) 전송 시스템용 시공간 코딩 방법에 의하여 정의되며, 상기 방법은 M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳(M≥2)에 속하는 정보 심볼들인 S=(σ₁, σ₂, ..., σ_P)의 블록을 벡터들의 순서로 코딩하며, 위치와 진폭에 대한 벡터의 구성요소들은 상기 시스템의 특정한 방사성 요소와 전송 채널의 사용을 위하여 펄스 UWB 신호를 변조하며, 벡터의 각 구성요소는 PPM 변조 위치에 대응하고, 상기 벡터는 다음 매트릭스의 요소들로부터 얻어진다.

매트릭스의 열은 전송 채널의 사용에 대응하고, 매트릭스의 행은 방사성 요소에 대응하고, 매트릭스 C는 그 열들 또는 그 행들, 또는 그 열과 행들의 순열 이내에서 정의되고, Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열과 그 변조 위치들 중 하나에 대한 M'-PAM 변조 알파벳의 대칭 동작의 조합으로서 정의된다.

예를 들어, 상기 순열 동작은 상기 변조 위치들의 원순열(circular permutation)이며, 특히 상기 변조 위치들의 원형 쉬프트(circular shift)이다.

일 실시예에 따르면, 방사성 요소의 갯수 P와 변조 위치의 갯수 M은, M-d(M)≥P 이다. 여기서 M은 2의 거듭제곱수인 경우에 d(M)=0으로 정의되고, 비율 M/d(M)이 짝수가 아닌 경우 d(M)은 M의 최대 약수로서 정의된다.

M'=1인 대안에 따르면, 심볼들 σ₁, σ₂, ..., σ_P는 상기 M-PPM 변조 알파벳에 속한다. 상기 심볼들 σ₂, ..., σ_P은 상기 대칭 동작이 적용되는 m_±를 저장하는 변조 위치들 모두를 차지한다.

방사성 원소들은 UWB 안테나들 또는 레이저 다이오드 또는 발광(light emitting) 다이오드 일 수 있다.

상기 펄스 신호는 TH-UWB 신호 또는 DS-UWB 신호 또는 TH-DS-UWB 신호일 수 있다.

본 발명은 또한 복수의 방사성 원소들을 포함하는 UWB 전송 시스템에 관한 것이며, 다음과 같이 구성된다.

- 벡터들의 순서에 따라서, M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳(M≥2)에 속하는 정보 심볼들인 S=(σ₁, σ₂, ..., σ_P)의 블록을 코드하기 위한 코딩 수단으로서, 각 벡터는 전송채널의 특정한 사용과 방사성 요소와 관련되며, 벡터의 각 구성요소는 PPM 변조 위치와 대응하며, 상기 벡터들은 아래 매트릭스로부터 요소들을 획득한다.

매트릭스의 열은 전송채널의 사용에 대응하고, 매트릭스의 행은 방사성 요소에 대응하며, 매트릭스 C는 그 열들 또는 그 행들, 또는 그 열과 행들의 순열 이내에서 정의되고, Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열과 그 변조 위치들 중 하나에 대한 M'-PAM 변조 알파벳의 대칭 동작의 조합으로서 정의된다.

- 펄스 UWB 신호를 변조하는 복수의 위치 및 진폭 변조기로서, 각 변조기는 방사성 요소, 위치와 진폭과 관련 있고,상기 전송 채널을 사용하는 동안 상기 방사성 요소와 상기 채널의 사용과 관련된 상기 벡터의 구성요소들을 사용하여 상기 신호를 변조한다.

- 각 방사성 요소는 상기 관련된 변조기에 의하여 변조됨으로써 신호를 방출하는데 적합하게 된다.

일 실시예에 따르면, 방사성 요소들의 갯수 P와 변조 위치들의 갯수 M이, M-d(M)≥P 이다. 여기서, M이 2의 거듭제곱수인 경우에 d(M)=0으로 정의되고, 비율 M/d(M)이 짝수가 아닌 경우 d(M)은 M의 최대 약수로서 정의된다.

본 발명에 따른 시공간 코딩 방법을 이용하면, 단일 안테나 구성과 비교해 볼 때 증가된 레벨(level)의 PAPR을 갖지 않는 실제 시공간 코드를 제시할 수 있으며, 나아가, 안테나의 수와 무관하게 최대 다양성을 가지는 코드를 제시할 수 있다.

발명의 다른 특징과 장점들은 발명의 우선적인 실시예를 읽는 것과 첨부된 도면을 참조하는 것에 의하여 명확해 질 것이다.
도 1은 종래 기술에서 알려져 있는 STBC 코딩을 하는 MIMO 전송 시스템을 도식적으로 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c 각각 TH-UWB, DS-UWB 및 TH-DS-UWB 신호들의 형태을 나타낸다.
도 3은 M-PPM-M'-PAM 집단의 일 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 UWB 전송 시스템을 도식적으로 나타낸다.

본 발명의 기본 개념은 M-PPM-M'-PAM 변조 집단(M≥2, M'≥1)에 속하는 정보 심볼들을 사용하는 것과, M-PPM 알파벳의 변조 위치의 순열 동작과 PAM 알파벳의 대칭 동작으로부터 시공간 코드를 구성하는 것이다.

P 전송 안테나들과 더 일반적으로는, 이후에서와 같이, P 방사성 요소들을 가지는 UWB 전송 시스템이 이후부터 고려될 것이다. 이 시스템에 의하여 사용되는 시공간 코드는, 같은 표시 규칙을 가지는, 다음의 PM×P차원의 매트릭스에 의하여 정의된다.

여기서, σ₁, σ₂, ..., σ_P은 전송되는 상기 M-PPM-M'-PAM 정보 심볼들이고, M 차원의 행 벡터들의 형태로 표현되며, 상기 구성요소들은 상기 M'-PAM 알파벳에 속하는 하나의 1의 예외를 가지며 모두 zero(0) 이다.

일반적으로 말해서, C의 상기 행들 또는 상기 열들(여기서 열은 벡터들의 열을 의미하는 것으로 받아들여진다), 또는 상기 행들과 상기 열들은 본 발명에 따른 시공간 코드이고, 상기 열들의 순열은 상기 채널의 사용 시점(PCUs)의 순열과 동일하고, 상기 행들의 순열은 상기 전송 안테나들의 순열과 동일하다.

M×M 크기의 매트릭스 Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열 동작 ω와 변조 위치들 중 하나에 대한 M'-PAM 알파벳의 대칭(또는 플립) 동작 π의 조합을 나타낸다. 플립 동작은 상기 순열 동작에 선행하거나 뒤따를 수 있으며, 다시 말하면 , 각각 Ω=ωοπ 또는 Ω=ποω이 된다. 변조 위치들의 순열은 동일성의 예외를 가진 변조 위치들 {0, ..., M-1} 모두의 어떠한 전단사(bijection)를 지정한다. M'-PAM 알파벳의 대칭 또는 플립 동작은 π(α)=-α인 동작 π를 가리키며, 여기서, α∈{2m'-1-M'|m'=1, ..., M'}이다. 도 3은 M'-PAM 알파벳 대칭의 축 △를 나타내며, 여기서, 이 축 주변의 상기 플립은 PPM 위치들 중 오직 하나에 대해서 수행된다. 상기 매트릭스 Ω가 단일화된 것으로 주어지면, 전송 안테나당 평균 에너지는 모든 안테나에 대해서 동일하다.

상기 정보 심볼들 σ_ℓ 의 구성요소들이 실수이기 때문에, 식 13에 의해서 정의된 시공간 코드는 실수이다. 상기 정보 심볼들에 대한 제약이 없기 때문에, P 독립 심볼들은 P PCUs 동안 전송되고, 이에 따라 시공간 코드의 비율은 하나(single)이다.

예시한 방법에 의해서, 상기 언급된 순열 동작 ω가 단순 원형 쉬프트라면, 상기 매트릭스 Ω는 다음과 같이 쓰여질 수 있다.

여기서, I_M _-1×M-1은 M-1 크기의 동일한 매트릭스이고, 0_1×M-1은 M-1 크기의 제로 열 벡터이고, 0_M-1×1은 크기 M-1의 제로 행 벡터이다. 상기 플립 동작이 상기 순열에 선행한다면 플립 동작은 M-1 위치에서 수행되며, 상기 플립 동작이 상기 순열을 뒤따른다면 플립 동작은 1 위치에서 수행된다.

실시예의 방법에 의해서, 시공간 매트릭스 (13)의 형태는 ω가 단순 원형 쉬프트 (14)인 경우에 설명될 수 있다.

여기서, σ_ℓ=(σ_ℓ,0 σ_ℓ,1 ··· σ_ℓ,M-1)^T, σ_ℓ,m=α_ℓδ(m-μ_ℓ), ℓ=1, ..., P 이고, 여기서, α_ℓ은 M'-PAM 알파벳의 한 요소로서, 달리 말하면 α_ℓ∈{-M'+1, .., M'-1}이고, μ_ℓ는 심볼 σ_ℓ에 대한 변조 위치이고, δ는 디랙 심볼이다. -α_ℓ이 또한 M'-PAM 알파벳의 한 요소인 것으로 주어지면, Ωσ_ℓ은 또한 M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳의 한 요소이다.

이제, 시스템은 바이(bi) 안테나(P=2)인 특정한 경우가 고려될 것이다. 이때 매트릭스 C는 다음 형태를 가진다.

정의에 의해서, 상기 코드의 별개 매트릭스 C와 C'의 어떤 쌍에 대하여, △C=C-C'이 풀 랭크(full rank)일 때 그 코드는 최대 다양성이 있는 때이다. 달리 말해서,

이고, 여기서, α₁=σ₁-σ'₁, α₂=σ₂-σ'₂ 일 때, 풀 랭크일 때이다.

상기 매트릭스 △C는 다음의 개선된 형태로 쓰여질 수 있다.

여기서, Ω는 식 14에서 주어진 형태를 가지고, α_ℓ,m=σ_ℓ,m-σ'_ℓ,m이고, ℓ=1,2이고, m=0, .., M-1인 범용성(generality)의 손실이 없다고 가정된다.

상기 매트릭스 △C는 두 개의 행 벡터들이 함께 직선일 때, 달리 말해서 다음 식과 같이 영이 아닌 스칼라 λ가 존재하면 풀 랭크일 때가 아니다.

이 식은 다음 식에서 연역(deduced)된다.

그리고, 더 일반적인 방식으로는 다음과 같다.

달리 말해서, λ가 실수인 사실이 주어지면, 벡터 a₁과 a₂는 반드시 0이 되며, 달리 말하면 C=C'이다.

따라서, 상기 시공간 코드는 M≥2이고 M'≥1인 어떤 값에서든 P=2일 경우에 최대 다양성이 있게 된다.

더 일반적인 방식으로는, 안테나의 특정한 갯수 P에 대하여, 상기 M-PPM-M'-PAM 알파벳의 변조 위치 M의 갯수가 충분히 큰 때, 더 정확히는 다음 식의 순간에 최대 다양성이 얻어지는 것이 보여질 수 있다.

여기서, d(M)은 다음에 의하여 정의된다.

- M이 2의 거듭제곱수일 때 d(M)=0

- d(M)은 M/d(M)이 홀수인 M의 최대 약수(M으로부터 떨어진)이다.

예를 들어, M=2^K에 대하여, PPM 위치의 갯수 M이 안테나의 갯수 P보다 크거나 같은 순간에 최대 다양성을 이루게 된다.

두 번째 예에 따르면, M이 소수(prime number)라면, d(M)=1이고, 최대 다양성은 M≥P=1인 순간에 얻어지게 된다.

상기 식 21에 관련하여, 식 13(그 열과 행의 순열 이내에서)에 의해서 정의된 상기 시공간 코드가 M'≥1인 어떤 값에서든 최대 다양성이 있는 때인 점에 주의해야 한다.

상기 매트릭스 Ω는 M'≥2인 순간에서부터 상기 M-PPM-M'-PAM 변조 집단을 변함없이 하는 점에 주의하는 것이 필수적이다. 이러한 특성은, 식 (13)(그 열과 행의 순열 이내에서)에 의해서 정의된 상기 시공간 코드를 이용한 상기 MIMO 시스템의 PAPR 레벨이 같은 구성을 사용하는 단일 안테나 시스템의 PAPR 레벨과 동일한 것을 보장한다.

M'=1인 특정한 경우에 있어서, 상기 M-PPM-M'-PAM 심볼들은 사실상 M-PPM 알파벳의 요소들이다. 달리 말하면, 1과 동일한 하나의 예외를 가진 모두 0(zero)인 구성요소들 M으로 된 벡터들이다. 상기 매트릭스 Ω가 M 변조 위치들의 순열 뿐 아니라 대칭 동작도 수행하도록 주어지면, 상기 매트릭스 C의 어떤 요소들은 -1과 같은 구성요소를 가질 수 있으며, 이들은 초기 변조 집단의 확장과 단일 안테나 구성과 비교할 때 PAPR 레벨(level)의 증가를 이끈다. 그러나, 상기 PAPR 레벨(level)은 상기 시스템의 비율에서의 경미한 감소를 비용으로 동일성을 유지할 수 있다.

사실상, 상기 플립 동작 π가 적용되는 상기 PPM 위치 m_±에 주의하면, 상기 심볼들 σ₂,..,σ_P이 위치 m_±에서 1과 동일한 구성요소를 가질 수 없게끔 제공하는 것이 충분하다. 반대로, 상기 매트릭스 Ω에 의하여 곱해지지 않는 상기 심볼 σ₁에서는, 이러한 제약에 종속되지 않는다. 예를 들어, 상기 매트릭스 Ω가 식 14에서 주어진 형태를 가지면, 상기 심볼들 σ₂,..,σ_P는 변조 위치 m_±=M-1 을 차지할 수 없을 것이다.

이때, PCU별 비트 수로 표현되는 상기 코드 비율은 다음 식과 같이 감소된다.

상기 분모의 상기 용어는 P 단일 안테나 시스템들의 상대적 비율을 나타낸다. 상기 분자에서의 상기 용어 (P-1)log₂(M-1)은 상기 심볼들 σ₂,..,σ_P의 기여에 대응하고, 상기 용어 log₂(M)은 상기 심볼 σ₁의 기여에 대응한다.

R≤1인 점과 R이 M의 증가함수이자 P의 감소함수이라는 점에 주의할 것이다. 그러므로, 안테나의 특정한 갯수 P에 대하여, 만약 시공간 코드 C가 M-PPM 심볼들을 사용한다면(달리 말해서 M'=1이라면), 코드 비율은 변조 위치들의 높은 수에 대하여 사실상 단일화 될 것이다. 예시된 방법에 의해서, 두 개의 안테나를 가진 MIMO 시스템에 있어서, 비율 R=0.97이 8-PPM 변조 알파벳에 대하여 얻어진다.

인 상기 발명에 따라 시공간 코드를 사용하는 두 개의 안테나를 가진 MIMO 전송 시스템의 경우가 이제 고려될 것이다. 게다가, 식 8에서 정의된 것처럼, TH-UWB 신호를 사용하는 시스템을 가정할 것이다. 상기 시공간 코드는 이러한 신호를 변조하고, 상기 채널의 두 번의 연속적인 사용(PCU) 동안에 전송된다. 첫 번째 사용 동안에는, 상기 안테나 1이 제1 프레임을 전송하며, 제1 프레임은 아래와 같이 상기 표기들 (8)과 (15)로 이루어진다.

(23)

여기서, μ₁은 상기 심볼 σ₁과 관련된 변조 위치이다.

상기 안테나 2는 동시에 아래와 같이 제1 프레임을 전송한다.

(24)

여기서, μ₂은 상기 심볼 σ₂와 관련된 변조 위치이다.

상기 채널의 두 번째 사용 동안에는, 상기 안테나 1은 아래와 같이 제2 프레임을 전송한다.

(25)

여기서, ω는 Ω=ωοπ와 관련된 집합 {0,1,..,M-1}의 순열(여기서, "ο"는 복합 동작이다)이고, ω'=ω^-1이다.

상기 안테나 2는 동시에 아래와 같이 제2 프레임을 전송한다.

(26)

당해 기술 분야의 당업자들에게는 식 (8)에 따른 TH-UWB 신호 대신에 식 (9)에 따른 DS-TH-UWB 신호를 사용함으로써 유사한 식을 얻을 수 있다는 것은 명확하다.

도 4는 본 발명에 따른 시공간 코드를 사용한 전송 시스템의 예시를 나타낸다.

시스템(400)은 블록에 의해 정보 심볼 S=(σ₁,σ₂,..,σ_P)들을 수신한다. 여기서, σ_ℓ(ℓ=1,..,P, P>1)은 M-PPM-M'-PAM 집단의 심볼들이다. 대신, 상기 정보 심볼들은 이전에 상기 M-PPM-M'-PAM 집단에서 매핑(mapping) 과정을 겪은 조건에서 또 다른 집단인 Q=MM'로 된 Q진으로부터 도출될 수 있다. 또한, 상기 정보 심볼들은 블록에 의해서 또는, 서로 얽혀있는 인스테드(instead) 직렬 또는 병렬 터보 코딩 등에 의해서 복잡한 타입 채널 코딩인 원시 코딩으로서 당해 기술 분야의 당업자들에게 잘 알려진 하나 또는 복수의 동작으로부터 도출될 수 있다.

정보 심볼들 S=(σ₁,σ₂,..,σ_P)의 상기 블록은 상기 시공간 코더(410)에서 코딩 동작을 겪는다. 더 정확하게는, 모듈(410)은 상기 식 13에 따르는 상기 매트릭스 C의 상기 계수들 또는 이전에 지적한 것처럼 그 열들 또는 그 행들 또는 그 열과 행들의 순열에 의하여 얻어진 변형을 계산한다. C의 첫 번째 열의 P번째 행의 벡터들(M 구성요소를 가진 벡터들)은 제1 프레임을 발생시키는 상기 UWB 변조기들(420₁,..,420_P) 각각에 전송되는 P PPM 심볼들을 나타내고, 그 후, C의 2번째 열의 상기 P 행 벡터들은 제2 프레임을 발생시키는 것을 나타내며, 이와 같이 하여, 행 벡터들의 최종 열까지 최종 프레임을 발생시키는 것을 나타낸다. 상기 UWB 변조기(420₁)는 상기 대응하는 변조된 펄스 UWB 신호들인 상기 행 벡터들(σ₁,Ωσ_P,Ωσ_P-1,..,σ₁)로부터 발생한다. 같은 방식으로, 상기 UWB 변조기(420₂)는 상기 대응하는 변조된 펄스 UWB 신호들인 상기 벡터들(σ₂,σ₁,Ωσ_P,..,Ωσ₃)로부터 발생하고, 이와 같이 하여, UWB 변조기(420_P)까지 벡터들(σ_P,σ_P-1,..,σ₁)로부터 발생한다.

예를 들어, 바이 안테나 시스템(P=2)에 있어서, 만약, (14)에서 정의된 매트릭스 Ω로 된 시공간 코딩 매트릭스(13)와 TH-UWB 타입의 변조 지원 신호를 사용한다면, 상기 UWB 변조기(320₂)가 신호들 (24)와 (26)을 연이어서 제공하는 반면, 상기 UWB 변조기(320₁)는 상기 신호들 (23)과 (25)를 연이어서 제공할 것이다. 상기 변조를 지원하는 역할을 하는 펄스 UWB 신호들이 DS-UWB 또는 TH-DS-UWB 타입의 대체적인 것(alternatively)이 될 수 있다. 모든 경우에 있어서, 이와 같이 변조된 펄스 UWB 신호들이 방사성 요소들 430₁에서 430_P까지로 전송된다. 이러한 방사성 요소들은 예를 들어 적외선 영역에서 동작하고, 전기 광학 변조기와 관련된 UWB 안테나이거나 인스테드(instead) 레이저 다이오드들 또는 LED들 일 수 있다. 이때, 상기 제안된 전송 시스템은 무선 광학 전기통신 분야에서 사용될 수 있다.

도 4에서 보여진 상기 시스템에 의하여 전송된 UWB 신호들은 전통적인 방식의 다중 안테나 수신기에 의하여 처리될 수 있다. 상기 수신기는, 예를 들면, 결정 단계가 뒤따르는 RAKE 타입의 상관관계 단계를 포함할 수 있으며, 결정 단계는, 예를 들면, 당해 기술 분야의 당업자들에게 알려진 스피어 디코더(sphere decoder)을 사용한다.

110 : 시공간 코더 120 : 멀티플렉서
130 : 변조기 140 : 안테나
410 : 시공간 코더 420 : UWB 변조기
430 : 방사성 요소

Claims

복수의 방사성 요소 P를 포함하는 초광대역(UWB) 전송 시스템을 위한 시공간 코딩 방법으로서, 상기 방법은 M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳(M≥2)에 속하는 정보 심볼들인 S=(σ₁, σ₂, ..., σ_P)의 블록을 벡터들의 순서로 코딩하는 단계와, 위치와 진폭에 대한 벡터의 구성요소들은 상기 시스템의 특정한 방사성 요소와 전송 채널의 사용을 위하여 펄스 UWB 신호를 변조하는 단계를 포함하며, 벡터의 각 구성요소들은 PPM 변조 위치에 대응하고, 상기 벡터는 다음 매트릭스의 요소들로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.

여기서, 매트릭스의 열은 전송 채널의 사용에 대응하고, 매트릭스의 행은 방사성 요소에 대응하며, 매트릭스 C는 그 열들 또는 그 행들, 또는 그 열과 행들의 순열 이내에서 정의되고, Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열(ω)과 그 변조 위치들(m_±) 중 하나에 대한 M'-PAM 변조 알파벳의 대칭 동작(π)의 조합으로서 정의된다.
제 1 항에 있어서,
상기 순열 동작(ω)은 상기 변조 위치들의 원순열(circular permutation)인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 원순열은 상기 변조 위치들의 원형 쉬프트(circular shift)인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사성 요소들의 갯수 P와 상기 변조 위치들의 갯수 M이 M-d(M)≥P인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
여기서, M은 2의 거듭제곱수인 경우에 d(M)=0으로 정의되고, 비율 M/d(M)이 짝수가 아닌 경우 d(M)은 M의 최대 약수로서 정의된다.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
M'=1이고, 그때, 심볼들 σ₁, σ₂, ..., σ_P는 상기 M-PPM 변조 알파벳에 속하고, 상기 심볼들 σ₂, ..., σ_P은 상기 대칭 동작이 적용되는 m_±를 저장하는 변조 위치들 모두를 차지하는 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사성 요소들이 UWB 안테나인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사성 요소들이 레이저 다이오드들이거나 발광 다이오드들인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 펄스 신호가 TH-UWB 신호인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 펄스 신호가 DS-UWB 신호인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 펄스 신호가 TH-DS-UWB 신호인 것을 특징으로 하는 시공간 코딩 방법.
복수의 방사성 요소들(430₁, 430₂,.., 430_P)을 포함하는 UWB 전송 시스템으로서,
M-PPM-M'-PAM 변조 알파벳(M≥2)에 속하는 정보 심볼들인 S=(σ₁, σ₂, ..., σ_P)의 블록을 벡터들의 순서에 따라서 코드화하기 위한 코딩 수단;
각 벡터는 전송채널의 특정한 사용과 방사성 요소와 관련되며, 벡터의 각 요소는 PPM 변조 위치와 대응하며, 상기 벡터들은 아래 매트릭스로부터 요소들을 획득하는 것을 특징으로 하며,

여기서, 매트릭스의 열은 전송채널의 사용에 대응하고, 매트릭스의 행은 방사성 요소에 대응하며, 매트릭스 C는 그 열들 또는 그 행들, 또는 그 열과 행들의 순열 이내에서 정의되고, Ω는 M-PPM 알파벳의 변조 위치들의 순열(ω)과 그 변조 위치들(m_±) 중 하나에 대한 M'-PAM 변조 알파벳의 대칭 동작(π)의 조합으로서 정의되고,
펄스 UWB 신호를 변조하는 복수의 위치 및 진폭 변조기(420₁, 420₂,.., 420_P); 및
방사성 요소, 위치와 진폭과 관련 있는 각 변조기는 상기 전송 채널을 사용하는 동안 상기 방사성 요소와 상기 채널의 사용과 관련된 상기 벡터의 구성요소들을 사용하여 상기 신호를 변조하고,
상기 관련된 변조기에 의하여 변조됨으로써 신호를 방출하는데 적합하게 되는 각 방사성 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 UWB 전송 시스템.
제 11 항에 있어서,
방사성 요소들의 갯수 P와 변조 위치들의 갯수 M이 M-d(M)≥P 인 것을 특징으로 하는 UWB 전송 시스템.
여기서, M이 2의 거듭제곱수인 경우에 d(M)=0으로 정의되고, 비율 M/d(M)이 짝수가 아닌 경우 d(M)은 M의 최대 약수로서 정의된다.