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KR100888061B1 - Transmission Power Allocation Method for Improving Bit Error Rate Performance of Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems - Google Patents

Transmission Power Allocation Method for Improving Bit Error Rate Performance of Multiple Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems Download PDF

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KR100888061B1
KR100888061B1 KR1020070054191A KR20070054191A KR100888061B1 KR 100888061 B1 KR100888061 B1 KR 100888061B1 KR 1020070054191 A KR1020070054191 A KR 1020070054191A KR 20070054191 A KR20070054191 A KR 20070054191A KR 100888061 B1 KR100888061 B1 KR 100888061B1
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지영근
이홍원
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템의 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있는 송신 전력 할당 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 수신 단에서, 각 채널에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information)를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제1 단계와, (2) 송신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 제2 단계와, (3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 각 안테나별 부반송파에 할당하는 제3 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다. 특히, 본 발명은, 각 채널에 대한 채널 품질 정보를 측정하여 송신 단으로 전송하는 상기 제1 단계가, 각 안테나의 각각의 부반송파에 해당하는 채널 상태를, 수신 단의 신호 검출 과정에서 신호 대 간섭 잡음 비로 측정하는 단계를 포함하고, 각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 상기 제2 단계가, (a) 측정된 상기 신호 대 간섭 잡음 비에 대한 함수로서 각 안테나별 부반송파의 비트 오류율을 표현한 후, 이를 산술 평균함으로써 전체 비트 오류율을 구하는 단계와, (b) 라그랑지 승수법을 이용하여, 구해진 상기 전체 비트 오류율을 최소화하는 각 안테나별 부반송파의 송신 전력을 구하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다. 한편, 본 발명은, (1) 채널의 유사 특성 대역폭에 따라 부채널들을 그룹화하는 제1 단계와, (2) 수신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 그룹화된 각각 의 부채널들에 대한 채널 품질 정보를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제2 단계와, (3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 그룹화된 각각의 부채널들에 할당될 송신 전력을 계산하는 제 3 단계와, (4) 송신 단에서, 상기 제3 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 그룹화된 각각의 부채널들에 할당하는 제4 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 또 다른 특징으로 한다.The present invention relates to a transmission power allocation method that can improve bit error rate performance of an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based system using spatial multiplexing. More specifically, in (1) a receiver, A first step of measuring channel quality information for each channel and transmitting the measured channel quality information to the transmitting end; and (2) the transmitting end for each antenna using the channel quality information transmitted by the first step. And a third step of calculating a transmission power to be allocated to a subcarrier, and (3) a third step of assigning, at the transmitting end, the transmission power calculated by the second step to the subcarriers for each antenna. Features of the jacket. In particular, in the present invention, the first step of measuring and transmitting channel quality information for each channel to a transmitting end, the signal state interference in the signal detection process of the receiving end of the channel state corresponding to each subcarrier of each antenna And a second step of calculating the transmission power to be allocated to each subcarrier for each antenna, comprising: (a) calculating the bit error rate of each subcarrier for each antenna as a function of the measured signal to interference noise ratio; And calculating (b) the total bit error rate by arithmetic averaging, and (b) obtaining the transmit power of each subcarrier for each antenna that minimizes the obtained total bit error rate using the Lagrange multiplier method. Features of the jacket. On the other hand, the present invention provides a method comprising the steps of: (1) grouping subchannels according to a similar characteristic bandwidth of a channel; and (2) at a receiving end, channel quality for each subchannel grouped by the first step. A second step of measuring information and transmitting it to the transmitting end; and (3) calculating a transmission power to be allocated to each of the subchannels grouped using the channel quality information transmitted by the second step in the transmitting end. And (4) a fourth step of assigning, at the transmitting end, the transmission power calculated by the third step to each of the grouped subchannels. do.

본 발명의 송신 전력 할당 방법에 따르면, 채널의 상태에 따라 계산된 송신 전력을 송신 안테나의 각 부반송파에 할당함으로써, 공간 다중화 OFDM 시스템의 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다. 한편, 무선 채널의 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널로 그룹화한 후 그룹화된 각각의 부채널별로 송신 전력을 할당함으로써, 기존의 방법보다 비트 오류율 성능을 향상시켜 데이터의 안정적인 전송을 가능하게 하면서 동시에 송신 전력 할당을 위한 연산량을 크게 줄일 수 있다.According to the transmission power allocation method of the present invention, the bit error rate performance of the spatial multiplexed OFDM system can be improved by allocating the transmission power calculated according to the state of the channel to each subcarrier of the transmission antenna. On the other hand, by grouping the subchannels corresponding to the similar characteristic bandwidth of the wireless channel and then assigning transmission power to each of the subchannels, the bit error rate performance is improved compared to the conventional method, thereby enabling stable transmission of data while simultaneously transmitting. The amount of computation for power allocation can be greatly reduced.

직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM), 공간 다중화 기술, 다중 입력 다중 출력(Multi Input Multi Output; MIMO), 신호 대 간섭 잡음 비, 비트 오류율, 채널 품질 정보(Channel Quality Information), 송신 전력 할당, 부반송파, 전체 비트 오류율, 라그랑지 승수법, 부채널, 그룹화, 연산량 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), spatial multiplexing technology, Multi Input Multi Output (MIMO), signal-to-interference noise ratio, bit error rate, channel quality information, transmit power Allocation, subcarrier, total bit error rate, Lagrange multiplier, subchannel, grouping, computation

Description

다중 입력 다중 출력 직교 주파수 분할 다중화 시스템의 비트 오류율 성능 향상을 위한 송신 전력 할당 방법{A TRANSMIT POWER ALLOCATION METHOD FOR BIT ERROR RATE PERFORMANCE IMPROVEMENT IN MIMO OFDM SYSTEMS}Transmit Power Allocation Method for Improving Bit Error Rate Performance of Multi-Input Multiple Output Orthogonal Frequency Division Multiplexing System {A TRANSMIT POWER ALLOCATION METHOD FOR BIT ERROR RATE PERFORMANCE IMPROVEMENT IN MIMO OFDM SYSTEMS}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 다중화 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템의 송수신단 구조를 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram illustrating a transmission / reception structure of a spatial multiplexing orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZF(Zero Focusing) 검출 방법의 실험 결과를 나타내는 도면.2 is a view showing the experimental results of the Zero Focusing (ZF) detection method according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MMSE(Minimum Mean Square Error) 검출 방법의 실험 결과를 나타내는 도면.3 is a view showing an experimental result of a method for detecting a minimum mean square error (MMSE) according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널로 그룹화한 구조를 나타내는 도면.4 is a diagram illustrating a structure grouped into subchannels corresponding to similar characteristic bandwidths according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 실시예예 따라 부채널로 그룹화한 송신 전력 할당의 ZF 검출 방법의 실험 결과를 나타내는 도면.5 is a diagram illustrating an experimental result of a ZF detection method of transmission power allocation grouped into subchannels according to an embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 부채널로 그룹화한 송신 전력 할당의 MMSE 검출 방법의 실험 결과를 나타내는 도면.6 is a diagram illustrating an experimental result of a method of detecting MMSE of transmission power allocation grouped into subchannels according to an embodiment of the present invention.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

100 : 본 발명의 일 실시예가 구현된 시스템 100 : system in which an embodiment of the present invention is implemented

101 : 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 부분101: part of converting serial data to parallel data

102 : 송신 전력 계산 및 할당 부분102: calculating and allocating transmit power

103 : 역 고속 푸리에 변환기(Inverse FFT; IFFT)103: Inverse FFT (IFFT)

104 : 송신 안테나104: transmit antenna

105 : 수신 안테나105: receiving antenna

106 : 고속 푸리에 변환기(FFT)106: Fast Fourier Transform (FFT)

107 : 각 송신 안테나의 부반송파 신호를 검출하기 위한 부분107: part for detecting subcarrier signal of each transmit antenna

108 : 채널 품질 정보 전송 부분108: channel quality information transmission part

본 발명은 송신 전력 할당 방법에 관한 것으로서, 특히 공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템의 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있는 송신 전력 할당 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a transmission power allocation method, and more particularly, to a transmission power allocation method capable of improving bit error rate performance of an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based system using a spatial multiplexing technique.

OFDM 기반 시스템에 다중 안테나를 사용하는 다중 입력 다중 출력(Multi Input Multi Output; MIMO) 기술을 적용할 경우, 데이터 전송률의 향상이나 비트 오류율 성능 향상을 통한 데이터의 안정적인 전송 효과를 얻을 수 있다. OFDM 기반 시스템은, 시공간 블록 부호화(Space-Time Block Coding) 또는 주파수 공간 블 록 부호화(Space-Frequency Block Coding)와 같은 MIMO 기술을 적용하여 송수신 다이버시티 이득을 통해 데이터 전송의 안정성을 얻을 수 있고, 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 기술로 데이터 전송률을 증가시킬 수 있다. 그리고 각 안테나를 통해 전송되는 데이터에 채널의 상태에 따라 변조 부호화된 데이터나 송신 전력을 할당하는 기술은 다중 안테나 시스템의 전송률 향상이나 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다. 수신 단에서 채널의 상태에 맞게 변조 부호화된 데이터를 송신 단에 할당하는 방법은 데이터의 전송률을 향상시킬 수 있고, 채널의 상태가 나쁜 쪽에 더 큰 송신 전력을 할당하고 채널 상태가 좋은 쪽에 작은 전력을 할당하는 송신 전력 할당 방법은 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 무선랜(Wireless LAN; WLAN), 무선사설망(Wireless Personal Area Network; WPAN)과 같은 시스템에서는 각 안테나의 OFDM 부반송파에 각 채널의 상태에 맞는 변조 부호화된 데이터를 할당하기가 어렵다. 그러므로 각 안테나의 부반송파에 채널 상태에 따른 송신 전력 할당 방법을 적용하여 비트 오류율 성능을 개선할 필요성이 있다.When the Multi Input Multi Output (MIMO) technique using multiple antennas is applied to an OFDM-based system, it is possible to obtain stable transmission of data by improving data rate or improving bit error rate performance. In the OFDM-based system, MIMO techniques such as Space-Time Block Coding or Space-Frequency Block Coding can be applied to obtain stability of data transmission through transmit / receive diversity gain. Spatial multiplexing technology can increase the data rate. In addition, the technique of allocating the modulation-coded data or the transmission power according to the channel state to the data transmitted through each antenna may improve the transmission rate or the bit error rate performance of the multi-antenna system. The method of allocating the modulation-coded data to the transmitting end in the receiving end can improve the data transmission rate, allocate more transmission power to the bad channel and reduce the power to the good channel. The transmission power allocation method to allocate can improve bit error rate performance. However, in a system such as a wireless LAN (WLAN) and a wireless personal area network (WPAN), it is difficult to allocate modulated coded data corresponding to the state of each channel to OFDM subcarriers of each antenna. Therefore, there is a need to improve bit error rate performance by applying a transmission power allocation method according to channel conditions to subcarriers of each antenna.

기존의 송신 전력 할당 방법으로는, 단일 반송파를 사용한 공간 다중화 시스템에서 각 안테나별로 채널 상태에 맞게 송신 전력을 할당하는 방법과, OFDM의 다중 부반송파를 사용하는 시스템에서 수신 단에서 계산된 송신 전력 정보를 각 부반송파별로 할당하는 방법이 있다. 단일 반송파를 사용한 공간 다중화 시스템에서 각 안테나별로 채널 상태에 맞게 송신 전력을 할당하는 방법은, 공간 다중화 기법을 사용한 MIMO 시스템에서 각 안테나별로 송신 전력을 할당하는 방법이며, OFDM의 다중 부반송파를 사용하는 시스템에서 수신 단에서 계산된 송신 전력 정보를 각 부 반송파별로 할당하는 방법은, 공간 다중화를 사용하는 여러 개의 송신 안테나가 고려되지 않는 단일의 송신 안테나에서의 부반송파별 할당 방법이다. 이와 같은 기존의 송신 전력 할당 방법들, 즉 안테나별로 송신 전력을 할당하는 기존의 방법과 공간 다중화 기법이 적용되지 않고 단지 OFDM 각 부반송파에만 송신 전력을 할당하는 기존의 방법을 접목함으로써, 공간 다중화 기술을 적용한 OFDM 기반 시스템에 대한 비트 오류율 성능의 향상을 도모해 볼 필요성이 있다.In the conventional transmission power allocation method, a transmission power is allocated for each antenna according to a channel state in a spatial multiplexing system using a single carrier, and transmission power information calculated at a receiving end in a system using an OFDM multiple subcarrier is used. There is a method of assigning each subcarrier. In a spatial multiplexing system using a single carrier, a method of allocating transmission powers according to channel conditions for each antenna is a method of allocating transmission powers for each antenna in a MIMO system using a spatial multiplexing technique, and a system using multiple subcarriers of OFDM. In the method of allocating transmission power information calculated at a receiving end for each subcarrier, a subcarrier allocation method in a single transmission antenna in which multiple transmission antennas using spatial multiplexing is not considered. By combining these existing transmission power allocation methods, that is, the conventional method of allocating transmission power for each antenna and the conventional method of allocating transmission power only to each OFDM subcarrier, the spatial multiplexing technique is not applied. There is a need to improve the bit error rate performance for the OFDM-based system.

본 발명은, 상기와 같은 필요성 인식 및 문제점 해결을 위해 제안된 것으로서, 채널의 상태에 따라 계산된 송신 전력을 송신 안테나의 각 부반송파에 할당함으로써, 공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 기반 시스템의 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있는 송신 전력 할당 방법을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is proposed for recognizing the necessity and solving the problems as described above, and by assigning the transmission power calculated according to the channel state to each subcarrier of the transmission antenna, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based on spatial multiplexing technology. The purpose of the present invention is to propose a transmission power allocation method that can improve the bit error rate performance of the system.

또한 본 발명은, 무선 채널의 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널로 그룹화한 후 그룹화된 각각의 부채널별로 송신 전력을 할당함으로써, 기존의 방법보다 비트 오류율 성능을 향상시켜 데이터의 안정적인 전송을 가능하게 하면서 동시에 송신 전력 할당을 위한 연산량을 크게 줄일 수 있는 송신 전력 할당 방법을 제안하는 것을 그 또 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention, by grouping the sub-channel corresponding to the similar characteristic bandwidth of the wireless channel, and then allocates the transmission power for each of the sub-channel grouping, thereby improving the bit error rate performance than the conventional method to enable stable transmission of data It is another object of the present invention to propose a transmission power allocation method capable of greatly reducing the amount of computation for transmission power allocation.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 송신 전력 할당 방법은,In accordance with a feature of the present invention for achieving the above object, a transmission power allocation method,

공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템에서,In Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based System Using Spatial Multiplexing Technique,

(1) 수신 단에서, 각 채널에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information)를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제1 단계;(1) a first step of, at the receiving end, measuring channel quality information for each channel and transmitting the measured channel quality information to the transmitting end;

(2) 송신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 제2 단계; 및(2) a second step of calculating, at the transmitting end, transmission power to be allocated to subcarriers for each antenna by using the channel quality information transmitted by the first step; And

(3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 각 안테나별 부반송파에 할당하는 제3 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.(3) In the transmitting end, it comprises a third step of allocating the transmission power calculated by the second step to the subcarriers for each antenna.

바람직하게는, 각 채널에 대한 채널 품질 정보를 측정하고 송신 단으로 전송하는 상기 제1 단계는, 각 안테나의 각각의 부반송파에 해당하는 채널 상태를, 수신 단의 신호 검출 과정에서 신호 대 간섭 잡음 비로 측정하는 단계를 포함하고,Preferably, the first step of measuring the channel quality information for each channel and transmitting to the transmitting end, the channel state corresponding to each subcarrier of each antenna as a signal to interference noise ratio in the signal detection process of the receiving end Measuring,

각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 상기 제2 단계는,The second step of calculating the transmission power to be allocated to each subcarrier for each antenna,

(a) 측정된 상기 신호 대 간섭 잡음 비에 대한 함수로서 각 안테나별 부반송파의 비트 오류율을 표현한 후, 이를 산술 평균함으로써 전체 비트 오류율을 구하는 단계; 및(a) expressing a bit error rate of each subcarrier for each antenna as a function of the measured signal-to-interference noise ratio, and calculating the total bit error rate by arithmetically averaging it; And

(b) 라그랑지 승수법을 이용하여, 구해진 상기 전체 비트 오류율을 최소화하는 각 안테나별 부반송파의 송신 전력을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.(b) using the Lagrange multiplier method, the method may further include obtaining transmission power of each subcarrier for each antenna to minimize the obtained total bit error rate.

본 발명의 또 다른 특징에 따른, 송신 전력 할당 방법은,According to yet another aspect of the present invention, a transmission power allocation method includes

공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템에서,In Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based System Using Spatial Multiplexing Technique,

(1) 채널의 유사 특성 대역폭에 따라 부채널들을 그룹화하는 제1 단계;(1) grouping subchannels according to the similar characteristic bandwidth of the channel;

(2) 수신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 그룹화된 각각의 부채널들에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information)를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제2 단계;(2) a second step of measuring, at a receiving end, channel quality information of each subchannel grouped by the first step and transmitting the measured channel quality information to the transmitting end;

(3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 그룹화된 각각의 부채널들에 할당될 송신 전력을 계산하는 제 3 단계; 및(3) a third step of calculating, at the transmitting end, transmission power to be allocated to each of the subchannels grouped using the channel quality information transmitted by the second step; And

(4) 송신 단에서, 상기 제3 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 그룹화된 각각의 부채널들에 할당하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.(4) characterized in that at the transmitting end, assigning the transmission power calculated by the third step to each of the grouped subchannels.

바람직하게는, 그룹화된 각각의 부채널들에 대한 채널 품질 정보를 측정하여 송신 단으로 전송하는 상기 제2 단계는, 그룹화된 각각의 부채널에 해당하는 채널 상태를, 수신 단의 신호 검출 과정에서 신호 대 간섭 잡음 비로 측정하는 단계를 포함하고,Preferably, the second step of measuring and transmitting channel quality information for each of the grouped subchannels to the transmitting end, the channel state corresponding to each of the grouped subchannels, during the signal detection process of the receiving end Measuring with a signal to interference noise ratio,

그룹화된 각각의 부채널들에 할당될 송신 전력을 계산하는 상기 제3 단계는,The third step of calculating the transmission power to be allocated to each of the grouped subchannels,

(a) 송신 단에서, 전송된 상기 신호 대 간섭 잡음 비에 대한 함수로서 그룹화된 각각의 부채널들의 비트 오류율을 표현한 후, 이를 산술 평균함으로써 전체 비트 오류율을 구하는 단계; 및(a) at the transmitting end, expressing the bit error rates of each subchannel grouped as a function of the transmitted signal to interference noise ratio, and then calculating the total bit error rate by arithmetically averaging them; And

(b) 라그랑지 승수법을 이용하여, 구해진 상기 전체 비트 오류율을 최소화하는 그룹화된 각각의 부채널들의 송신 전력을 구하는 단계를 더 포함할 수 있다.(b) using the Lagrange multiplier method, the method may further include obtaining the transmit power of each of the grouped subchannels to minimize the obtained overall bit error rate.

이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명의 실시예를 구체적으로 살펴보기에 앞서, 본 발명에 따른 송신 전력 할당 방법의 이해를 돕기 위해, 기존의 공간 다중화를 적용한 OFDM 시스템의 수신 단 검출 과정을 먼저 살펴보기로 한다. 송신 안테나 개수가 Mt, 수신 안테나 개수가 Mr이고, OFDM 부반송파 개수가 K개로 구성되어 있을 경우, 각 송신 안테나의 k번째 부반송파에 전송되는 신호는

Figure 112007040536481-pat00001
이다. 여기서, [ ]T는 전치(Transpose) 연산을 의미한다. 송신 안테나에서 송신되어, 채널을 통과한 후, Mr개의 수신 안테나에서 수신된 신호는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.In order to understand the transmission power allocation method according to the present invention, the reception stage detection process of the OFDM system to which the conventional spatial multiplexing is applied will be described first. If the number of transmitting antennas is M t , the number of receiving antennas is M r, and the number of OFDM subcarriers is K, then the signal transmitted to the kth subcarrier of each transmitting antenna is
Figure 112007040536481-pat00001
to be. Here, [] T means a transpose operation. After being transmitted by the transmitting antenna and passing through the channel, the signals received by the M r receiving antennas can be expressed by Equation 1 below.

Figure 112007040536481-pat00002
Figure 112007040536481-pat00002

여기서,

Figure 112007040536481-pat00003
는 k번째 부반송파에 해당하는 수신 신호 벡터를, 채널 H k는 k번째 부반송파에서
Figure 112007040536481-pat00004
크기를 갖는 채널 행렬을 각각 의미한다. 즉, H k(i,j)는 j번째 송신 안테나에서 i번째 수신 안테나로의 채널을 의미한다. n k는 평균이 0이고 분산이
Figure 112007040536481-pat00005
인 복소 가우시안 랜덤 잡음 벡터를 의미한다.here,
Figure 112007040536481-pat00003
Is the received signal vector corresponding to the k th subcarrier, and channel H k is the k th subcarrier.
Figure 112007040536481-pat00004
Each means a channel matrix having a size. That is, H k (i, j) means a channel from the j th transmit antenna to the i th receive antenna. n k has a mean of 0 and its variance
Figure 112007040536481-pat00005
It means a complex Gaussian random noise vector.

상기 수학식 1의 수신 신호 y k로부터 송신 신호 x k을 결정하기 위하여, ZF(Zero Forcing) 형태와 MMSE(Minimum Mean Square Error) 형태의 공간 다중화 MIMO 검출 방식을 고려할 수 있다.In order to determine the transmitted signal x k from a received signal y k of Equation 1, ZF (Zero Forcing) may take into account the shape and MMSE (Minimum Mean Square Error) type spatial multiplexing MIMO detection methods.

먼저 ZF 형태의 검출 방식은 다음 수학식 2 내지 4를 이용하여 설명될 수 있다.First, the ZF-type detection method may be described using Equations 2 to 4 below.

i = 1i = 1

Figure 112007040536481-pat00006
Figure 112007040536481-pat00006

Figure 112007040536481-pat00007
Figure 112007040536481-pat00007

여기서, ( )+는 의사 역행렬(Pseudo Inverse Matrix) 연산을, ( )j는 행렬의 j번째 행 벡터를, ∥∥는 놈(Norm) 연산을 각각 의미한다.Here, () + denotes a pseudo inverse matrix operation, () j denotes a j th row vector of the matrix, and ∥∥ denotes a norm operation.

송신 신호 x k을 검출하기 위하여, 먼저 상기 수학식 3과 같이 채널의 의사 역행렬을 구하고, 이를 통해 전송된 신호의 성분을 제거하는 순서를 상기 수학식 4와 같이 구한다. 상기 수학식 2 내지 4는 수신 단에서 신호를 검출하기 위한 초기치 설정이며, 다음 수학식 5 내지 11을 반복적으로 수행함으로써 원래의 데이터를 검출해 낼 수 있다.In order to detect the transmission signal x k , first, a pseudo inverse of a channel is obtained as shown in Equation 3, and an order of removing components of the transmitted signal is obtained as shown in Equation 4 above. Equations 2 to 4 are initial values for detecting signals at the receiving end, and original data may be detected by repeatedly performing Equations 5 to 11 below.

Figure 112007040536481-pat00008
Figure 112007040536481-pat00008

Figure 112007040536481-pat00009
Figure 112007040536481-pat00009

Figure 112007040536481-pat00010
Figure 112007040536481-pat00010

Figure 112007040536481-pat00011
Figure 112007040536481-pat00011

Figure 112007040536481-pat00012
Figure 112007040536481-pat00012

Figure 112007040536481-pat00013
Figure 112007040536481-pat00013

i = i + 1i = i + 1

상기 수학식 5와 같이, 행렬 Z i ,k의 si번째 행 벡터를 널링(Nulling) 벡터

Figure 112007040536481-pat00014
로 정의하고, 이를, 상기 수학식 6과 같이, 수신 신호 y i ,k에 곱해
Figure 112007040536481-pat00015
을 얻는다. 얻어진
Figure 112007040536481-pat00016
을, 상기 수학식 7과 같이, 변조 방식에 따른 결정 함수 Q( )에 대입함으로써 송신 신호 x k의 si번째 신호 성분에 대한 추정치
Figure 112007040536481-pat00017
을 얻을 수 있다. 여기서, x k의 si번째 신호 성분이 완벽히 추정되었다고 가정하고, i번째 단계에서의 수신 신호 벡터 y i ,k에서 si번째 검출된 간섭 신호 성분을 제거한다. 상기 수학식 8을 통해 (i+1)번째 단계에서의 연산을 위한 수신 신호 벡터 y i +1,k을 결정한다. 상기 수학식 8에서,
Figure 112007040536481-pat00018
는 행렬의 si번째 열 벡터를 의미하고, 상기 수학식 9의
Figure 112007040536481-pat00019
는 행렬의 si번째 열 벡터 성분을 모두 0으로 널링한 행렬을 의미한다. 나머지 간섭 신호 성분 검출을 위하여 채널의 의사 역행렬 Z i +1,k을 상기 수학식 9에서 구하고, 상기 수학식 10에서 다음 단계를 위한 최적의 검출 순서를 결정한다. 위와 같은 과정을 K개의 모든 부반송파에 대하여 적용하면, 수신 신호로부터 원래의 송신 데이터를 검출해 낼 수 있다.Nulling vector of the s i th row vector of the matrix Z i , k as shown in Equation 5 above.
Figure 112007040536481-pat00014
And multiply the received signals y i and k as in Equation 6 above.
Figure 112007040536481-pat00015
Get Obtained
Figure 112007040536481-pat00016
, Equation (7), by substituting the decision function Q () according to the modulation scheme for the s i th signal component of the transmission signal x k
Figure 112007040536481-pat00017
Can be obtained. Here, it is assumed that the s i th signal component of x k is perfectly estimated , and the s i th detected interference signal component is removed from the received signal vectors y i , k in the i th stage. Equation 8 determines the received signal vector y i + 1, k for the operation in the (i + 1) th step. In Equation 8,
Figure 112007040536481-pat00018
Denotes the s i th column vector of the matrix,
Figure 112007040536481-pat00019
Denotes a matrix in which all of the s i- th column vector components of the matrix are nulled. In order to detect the remaining interference signal components, the pseudo inverse Z i + 1, k of the channel is obtained from Equation 9, and the optimal detection order for the next step is determined in Equation 10. If the above process is applied to all K subcarriers, the original transmission data can be detected from the received signal.

이상 설명한 ZF 검출 방법은 간섭 성분을 완전히 제거함으로써 잡음의 영향이 증대된다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해, 간섭의 억제와 잡음 증대 영향을 잘 절충한 MMSE 형태의 공간 다중화 MIMO 검출 방법이 제안되었다. MMSE 검출 방법은, 송신 신호와 수신 단에서 추정된 신호 사이의 평균 제곱 오차를 최소화함으로써 ZF 검출 방법보다 더 나은 성능을 나타낸다. MMSE 검출 방법에서는, ZF 검출 방법의 상기 수학식 3 및 9에서 구한 채널의 의사 역행렬을 다음 수학식 12 및 13과 같이 구할 수 있다.The ZF detection method described above has the disadvantage that the influence of noise is increased by completely removing the interference component. In order to solve this problem, a MMSE type spatial multiplexed MIMO detection method has been proposed that provides a good compromise between interference suppression and noise enhancement. The MMSE detection method exhibits better performance than the ZF detection method by minimizing the mean square error between the transmitted signal and the signal estimated at the receiving end. In the MMSE detection method, the pseudo inverse of the channel obtained in Equations 3 and 9 of the ZF detection method can be obtained as in Equations 12 and 13.

Figure 112007040536481-pat00020
Figure 112007040536481-pat00020

Figure 112007040536481-pat00021
Figure 112007040536481-pat00021

여기서, ( )H는 켤레 전치(Conjugate Transpose) 연산을 의미한다.Here, () H means conjugate transpose operation.

신호의 검출 순서를 결정하기 위한 ZF 검출 방법의 상기 수학식 4 및 10은, 다음 수학식 14 및 15로 대체된다.Equations 4 and 10 of the ZF detection method for determining the detection order of the signal are replaced by the following equations (14) and (15).

Figure 112007040536481-pat00022
Figure 112007040536481-pat00022

Figure 112007040536481-pat00023
Figure 112007040536481-pat00023

여기서, ( )ij는 행렬의 i번째 행, j번째 열의 원소를 의미한다. 상기 수학식 12 내지 15의 채널의 의사 역행렬 연산과 검출 순서를 결정하는 부분을 제외한 나머지 과정은 위의 ZF 검출 방법과 동일하다.Here, () ij means the elements of the i th row and j th column of the matrix. Except for determining the pseudo inverse matrix operation and the detection order of the channels of Equations 12 to 15, the remaining processes are the same as the above ZF detection method.

이상 설명한 내용을 기초로 하여, 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.Based on the above description, the embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시예는, 도 1과 같이 공간 다중화 기술을 적용한 OFDM을 기반으로 하는 시스템에 대하여, 각 송신 안테나별 부반송파에 송신 전력을 할당하도 록 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예가 구현된 시스템(100)의 송신 단은, 각 안테나별로 서로 다른 데이터를 전송할 수 있도록 직렬 데이터를 병렬 데이터로 변환하는 부분(101), 각 안테나별 부반송파에 대한 송신 전력을 계산하고 할당하는 송신 전력 계산 및 할당 부분(102), OFDM을 위한 역 고속 푸리에 변환기(IFFT)(103), 및 Mt개의 송신 안테나(104)로 구성된다. 본 발명의 일 실시예가 구현된 시스템(100)의 수신 단은, 송신 안테나(104)로부터 송신되어 무선 채널을 통과한 신호를 수신하기 위한 Mr개의 수신 안테나(105), 고속 푸리에 변환기(FFT)(106), 각 송신 안테나의 부반송파 신호를 검출하기 위한 부분(107), 및 측정된 신호 대 간섭 잡음 비를 채널 품질 정보로 송신 단에 전송하는 채널 품질 정보 전송 부분(108)으로 구성된다.An embodiment of the present invention may be implemented to allocate transmission power to subcarriers for each transmission antenna for an OFDM based system using a spatial multiplexing technique as shown in FIG. 1. The transmitting end of the system 100 in which an embodiment of the present invention is implemented includes a portion 101 for converting serial data into parallel data so as to transmit different data for each antenna, and calculating transmission power for subcarriers for each antenna. And a transmit power calculation and allocation portion 102, an inverse fast Fourier transformer (IFFT) 103 for OFDM, and M t transmit antennas 104. The receiving end of the system 100 in which an embodiment of the present invention is implemented includes M r receiving antennas 105 and a fast Fourier transformer (FFT) for receiving a signal transmitted from the transmitting antenna 104 and having passed through a wireless channel. 106, a portion 107 for detecting a subcarrier signal of each transmit antenna, and a channel quality information transmission portion 108 for transmitting the measured signal-to-interference noise ratio as channel quality information to the transmitting end.

도 1에 도시된 바와 같이, 수신 단에서 신호 대 간섭 잡음 비의 형태로 측정된 채널의 품질 정보는 채널 품질 정보 전송 부분(108)에 의해 송신 단으로 전송이 된다. 이러한 채널 품질 정보의 전송과 관련하여, 본 발명은, 시분할 복신(Time Division Duplexing; TDD) 시스템의 프레임을 통해 수신 단에서 송신 단으로 전송하는 방법을 기반으로 하고 있다.As shown in FIG. 1, the quality information of the channel measured in the form of a signal-to-interference noise ratio at the receiving end is transmitted to the transmitting end by the channel quality information transmitting part 108. In relation to the transmission of such channel quality information, the present invention is based on a method of transmitting from a receiving end to a transmitting end through a frame of a time division duplexing (TDD) system.

본 발명은, 모든 부반송파에 대하여 동일한 송신 전력을 할당하는 종래의 공간 다중화 OFDM 시스템과 달리, 수신 단 신호 검출 과정에서 신호 대 간섭 잡음 비의 형태로 채널 품질 정보를 송신 단에 전송하고, 송신 단에서 채널 품질 정보를 이용한 송신 전력을 계산하여 송신 단 각 안테나별 부반송파에 할당하도록 구성된 다. 공간 다중화 OFDM 시스템의 데이터 검출 순서는, 송신 신호의 신호 대 간섭 잡음 비(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 근거하여 결정된다. 결정된 검출 순서를 이용하여 채널의 상태를 파악하고 송신 단에서 전체 비트 오류율을 최소화하는 송신 전력을 라그랑지 승수법으로 계산하여 각 송신 안테나의 부반송파에 할당한다. 각 송신 안테나의 k번째 부반송파에

Figure 112007040536481-pat00024
의 송신 전력을 할당하면 수신 신호는 다음 수학식 16과 같다.The present invention, unlike the conventional spatial multiplexing OFDM system that allocates the same transmission power to all subcarriers, transmits the channel quality information to the transmitter in the form of signal-to-interference noise ratio during the receiver-side signal detection process. It is configured to calculate the transmission power using the channel quality information and assign it to subcarriers for each antenna of the transmitting end. The data detection order of a spatial multiplexed OFDM system is determined based on the signal to interference plus noise ratio of the transmission signal. Using the determined detection order, the state of the channel is determined, and the transmit power that minimizes the overall bit error rate is calculated by the Lagrange multiplier method and allocated to the subcarriers of each transmit antenna. To the kth subcarrier of each transmit antenna
Figure 112007040536481-pat00024
When the transmission power of is allocated, the received signal is given by the following equation (16).

Figure 112007040536481-pat00025
Figure 112007040536481-pat00025

수신 단에서, ZF 검출 과정을 통해 추정된

Figure 112007040536481-pat00026
의 검출 후 각 부반송파의 신호 대 간섭 잡음 비(
Figure 112007040536481-pat00027
)를 구하면, 다음 수학식 17의 널링 벡터를 통해 다음 수학식 18로 구할 수 있다.At the receiving end, estimated through the ZF detection process
Figure 112007040536481-pat00026
Signal-to-interference noise ratio of each subcarrier after
Figure 112007040536481-pat00027
) Can be obtained by the following equation (18) through the nulling vector of the following equation (17).

Figure 112007040536481-pat00028
Figure 112007040536481-pat00028

Figure 112007040536481-pat00029
Figure 112007040536481-pat00029

여기서,

Figure 112007040536481-pat00030
는 동일한 전력이 할당되었을 경우의 널링 벡터를 의미하며, 상기 수학식으로부터, 각 부반송파의 신호 대 잡음 비(
Figure 112007040536481-pat00031
)는 널링 벡터
Figure 112007040536481-pat00032
와 송신 전력
Figure 112007040536481-pat00033
로 구성됨을 확인할 수 있다.here,
Figure 112007040536481-pat00030
Denotes a nulling vector when the same power is allocated, and from the above equation, the signal-to-noise ratio of each subcarrier (
Figure 112007040536481-pat00031
Knurled vector
Figure 112007040536481-pat00032
And transmit power
Figure 112007040536481-pat00033
You can see that it consists of.

상기 수학식 17 및 18에서 확인할 수 있는 바와 같이, ZF 검출 방법의 경우에는 간섭 성분이 제거되어 고려되지 않는 반면에, MMSE 검출 방법의 경우에는 si번째 송신 신호뿐만 아니라 다른 송신 신호의 송신 전력도 고려하여야 한다. 이를 반영한 다음 수학식 19를 이용하여, MMSE 검출 방법에 대한 신호 대 간섭 잡음 비를 구할 수 있다.As can be seen from Equations 17 and 18, in the case of the ZF detection method, the interference component is removed and not considered, whereas in the case of the MMSE detection method, not only the s i th transmission signal but also the transmission power of other transmission signals are not considered. Consideration should be given. Reflecting this, using Equation 19, a signal-to-interference noise ratio for the MMSE detection method can be obtained.

Figure 112007040536481-pat00034
Figure 112007040536481-pat00034

구해진 신호 대 간섭 잡음 비를 이용하여 채널의 상태에 따른 송신 전력을 할당하고, 전체 비트 오류율을 최소화하기 위한 최적의 송신 전력 계산은 라그랑지 승수법을 이용한다. 비트 오류율 성능 향상을 위한 송신 전력 계산을 위해서는 먼저 각 송신 신호에 따른 비트 오류율(

Figure 112007040536481-pat00035
)을 송신 전력(
Figure 112007040536481-pat00036
)의 함수로 표현해야 한다. 이전 검출 단계에서 추정된 송신 신호가 완벽히 제거되었다고 가정하면, 주어진 채널 상태에서 k번째 부반송파의 si번째 송신 신호의 비트 오류율(
Figure 112007040536481-pat00037
)은 다음 수학식 20과 같이 신호 대 간섭 잡음 비의 함수로 표현할 수 있다.Using the obtained signal-to-interference noise ratio, the transmission power is allocated according to the state of the channel, and the Lagrange multiplier method is used to calculate the optimal transmission power to minimize the overall bit error rate. To calculate the transmit power for improving the bit error rate performance, the bit error rate (
Figure 112007040536481-pat00035
Transmit power (
Figure 112007040536481-pat00036
Must be expressed as a function of Assuming that the transmitted signal estimated in the previous detection phase has been completely removed, the bit error rate of the s i th transmitted signal of the k th subcarrier in a given channel state (
Figure 112007040536481-pat00037
) Can be expressed as a function of signal-to-interference noise ratio, as shown in Equation 20 below.

Figure 112007040536481-pat00038
Figure 112007040536481-pat00038

여기서, f( )는 구체적인 변조 방식에 따라 정해지는 함수로서, 예컨대, QPSK 방식의 경우에는

Figure 112007040536481-pat00039
이며, Q-함수는
Figure 112007040536481-pat00040
로 정의된다. 각 안테나별 부반송파에 실린 데이터는 서로 독립이기 때문에, 전체 비트 오류율(
Figure 112007040536481-pat00041
)은 다음 수학식 21과 같이 각 안테나별 부반송파의 비트 오류율(
Figure 112007040536481-pat00042
)에 대한 산술 평균으로 구할 수 있다.Here, f () is a function determined according to a specific modulation scheme. For example, in the case of the QPSK scheme,
Figure 112007040536481-pat00039
And the Q-function is
Figure 112007040536481-pat00040
Is defined as Since the data on the subcarriers of each antenna are independent of each other, the overall bit error rate (
Figure 112007040536481-pat00041
) Is the bit error rate of the subcarrier for each antenna as shown in Equation 21 below.
Figure 112007040536481-pat00042
Can be calculated as the arithmetic mean of

Figure 112007040536481-pat00043
Figure 112007040536481-pat00043

전체 비트 오류율을 최소화하는 송신 전력(

Figure 112007040536481-pat00044
)을 찾기 위해서는, 다음 수학식 22와 같은 전체 송신 전력 제한 조건(Power Constraint) 하에서, 라그랑지 승수법을 이용할 수 있다. 라그랑지 승수법의 비용 함수(Cost Function)는, 상기 수학식 20 및 21을 대입한 다음 수학식 23의 형태가 된다.Transmit power to minimize overall bit error rate
Figure 112007040536481-pat00044
), The Lagrange multiplier method can be used under an overall transmit power constraint (Equation 22). The cost function of the Lagrange multiplier method becomes the form of Equation 23 after substituting Equations 20 and 21 above.

Figure 112007040536481-pat00045
Figure 112007040536481-pat00045

Figure 112007040536481-pat00046
Figure 112007040536481-pat00046

여기서, λ는 라그랑지 승수이고,

Figure 112007040536481-pat00047
는 각 안테나별 송신 전력이 K개의 부반 송파에 균등하게 분포되어 있을 때 각 부반송파의 평균 송신 전력을 의미한다.Where λ is the Lagrange multiplier,
Figure 112007040536481-pat00047
Denotes the average transmit power of each subcarrier when the transmit power of each antenna is evenly distributed among the K subcarriers.

라그랑지 승수법의 비용 함수인 상기 수학식 23을 송신 전력

Figure 112007040536481-pat00048
에 대해 미분한 값이 0이 되도록 두면, 다음 수학식 24 및 25와 같다.Equation 23, which is a cost function of the Lagrange multiplier, is transmitted
Figure 112007040536481-pat00048
If the derivative value for is set to 0, the following equations (24) and (25) are given.

Figure 112007040536481-pat00049
Figure 112007040536481-pat00049

Figure 112007040536481-pat00050
Figure 112007040536481-pat00050

상기 수학식 25를 계산함으로써, 전체 비트 오류율을 최소화하는 각 안테나별 부반송파의 송신 전력

Figure 112007040536481-pat00051
을 구할 수 있다. MMSE 검출 방법의 경우, 위와 같은 방법으로 송신 전력을 계산하기 위해서는 신호 대 간섭 잡음 비의 근사화가 필요하다. MMSE 검출 방법의 각 검출 과정을 통한 신호 대 잡음 비는, 다음 수학식 26과 같이, 송신 전력
Figure 112007040536481-pat00052
와 각 안테나별 부반송파에 같은 전력이 할당되었을 경우의 신호 대 간섭 잡음 비의 곱으로 근사화할 수 있다.By calculating the equation (25), the transmission power of the sub-carrier for each antenna to minimize the overall bit error rate
Figure 112007040536481-pat00051
Can be obtained. In the case of the MMSE detection method, an approximation of the signal-to-interference noise ratio is required to calculate the transmission power in the above manner. The signal-to-noise ratio through each detection process of the MMSE detection method is represented by Equation 26 below.
Figure 112007040536481-pat00052
It can be approximated by the product of the signal-to-interference noise ratio when the same power is allocated to each subcarrier and each antenna.

Figure 112007040536481-pat00053
Figure 112007040536481-pat00053

ZF 검출 방법과 마찬가지로, MMSE 검출 방법의 경우에도 근사화된 신호 대 잡음 비를 이용하여 라그랑지 승수법으로 송신 전력을 구할 수 있다.Similar to the ZF detection method, in the case of the MMSE detection method, the transmission power can be obtained by the Lagrange multiplier method using the approximated signal-to-noise ratio.

각 송신 안테나의 부반송파에 송신 전력

Figure 112007040536481-pat00054
가 할당된 경우, 수신 단에서 신호를 검출하는 방법은 종래의 공간 다중화 OFDM 시스템의 검출 과정과 동일하다. 다만, 기존의 수학식 3 및 9에 송신 전력 행렬 P k가 추가되어 다음과 같은 수학식 27 및 28의 형태가 된다.Transmit power to subcarriers of each transmit antenna
Figure 112007040536481-pat00054
If is assigned, the method of detecting a signal at the receiving end is the same as the detection process of the conventional spatial multiplexing OFDM system. However, the transmission power matrix P k is added to the existing equations (3) and (9) to form the following equations (27) and (28).

Figure 112007040536481-pat00055
Figure 112007040536481-pat00055

Figure 112007040536481-pat00056
Figure 112007040536481-pat00056

마찬가지로, MMSE 검출 방법의 경우에는, 상기 수학식 12 및 13이 다음과 같은 수학식 29 및 30으로 바뀐다.Similarly, in the case of the MMSE detection method, Equations 12 and 13 are replaced by Equations 29 and 30 as follows.

Figure 112007040536481-pat00057
Figure 112007040536481-pat00057

Figure 112007040536481-pat00058
Figure 112007040536481-pat00058

그리고 검출된 간섭 신호를 제거하여 다음 단계를 위한 새로운 수신 벡터를 만드는 수학식 8은 다음과 같은 수학식 31로 바뀌게 된다.Equation 8, which removes the detected interference signal and creates a new reception vector for the next step, is changed to Equation 31 as follows.

Figure 112007040536481-pat00059
Figure 112007040536481-pat00059

한편, 본 발명에 따른 송신 전력 할당 방법에 따르면, 공간 다중화를 적용한 OFDM 시스템의 송신 안테나 개수 및 부반송파 개수가 증가할수록 송신 전력 할당을 위한 연산량이 증가하게 된다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명의 송신 전력 할당 방법의 또 다른 실시예에서는, 무선 채널의 전체 대역폭을 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널로 그룹화하고 그룹화된 각각의 부채널들에 대하여 송신 전력을 할당함으로써, 기존의 송신 전력 할당 방법에 비하여 비트 오류율 성능을 향상시키면서도 송신 전력을 계산하기 위한 연산량을 대폭 줄일 수 있는 방법을 제안한다. 무선 채널의 유사 특성 대역폭(Bc)을 구하여 전체 대역폭(B)을 분할하면 C개의 그룹화된 부채널을 다음 수학식 32와 같이 구할 수 있다.Meanwhile, according to the transmission power allocation method according to the present invention, as the number of transmission antennas and subcarriers in an OFDM system to which spatial multiplexing is applied increases, the amount of computation for transmission power allocation increases. In order to solve this problem, in another embodiment of the transmission power allocation method of the present invention, the total bandwidth of the wireless channel is grouped into subchannels corresponding to similar characteristic bandwidths, and the transmission power is allocated to each of the grouped subchannels. In addition, we propose a method that can significantly reduce the amount of computation for calculating transmit power while improving bit error rate performance compared to the existing transmit power allocation method. By dividing the total bandwidth B by obtaining the similar characteristic bandwidth B c of the wireless channel, the C grouped subchannels can be obtained as in Equation 32 below.

Figure 112007040536481-pat00060
Figure 112007040536481-pat00060

각 안테나별 K개의 부반송파 대신 유사 특성 대역폭(Bc)에 해당하는 C개의 부채널마다 송신 전력을 할당함으로써 송신 전력 연산량을 KMt개에서 CMt개로 대폭 감소시킬 수 있다.By allocating transmit power for each C subchannel corresponding to the similar characteristic bandwidth B c instead of the K subcarriers for each antenna, the transmission power calculation amount can be greatly reduced from KM t to CM t .

다음으로, 지금까지 설명한 본 발명의 실시예들에 대한 비트 오류율 성능 향상 효과를 구체적 실험을 통해 살펴보기로 한다.Next, the effect of improving the bit error rate performance of the embodiments of the present invention described so far will be described through concrete experiments.

먼저, 실험 조건으로서는, 공간 다중화 기술의 2개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나를 가진 OFDM 기반의 초광대역(Ultra WideBand; UWB) 시스템을 가정하였다. 무선 채널로서는 IEEE 802.15.3a의 UWB 채널 CM1(3.1~3.628GHz)을 사용하였고, UWB 시스템의 OFDM 부반송파 개수는 128개로 하였다. 각 부반송파의 데이터에 대해서는 부호화되지 않은 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying; QPSK)를 실시하였다. QPSK의 경우 k번째 부반송파의 si번째 송신 신호의 비트 오류율(

Figure 112007040536481-pat00061
)은 다음 수학식 33과 같이 Q-함수(Q-Function)를 사용하여 표현할 수 있다.First, as an experimental condition, an OFDM based Ultra WideBand (UWB) system having two transmit antennas and two receive antennas of a spatial multiplexing technique is assumed. UWB channel CM1 (3.1 to 3.628 GHz) of IEEE 802.15.3a was used as the wireless channel, and the number of OFDM subcarriers of the UWB system was 128. Uncoded quadrature phase shift keying (QPSK) was performed on the data of each subcarrier. For QPSK, the bit error rate of the s i th transmit signal of the k th subcarrier (
Figure 112007040536481-pat00061
) Can be expressed using a Q-Function as shown in Equation 33 below.

Figure 112007040536481-pat00062
Figure 112007040536481-pat00062

여기서,

Figure 112007040536481-pat00063
는 검출 과정에서의 잡음에 대한 간섭 부분으로서, 다음 수학식 34와 같이 ZF 방법과 MMSE 방법에 따라 다르게 정의가 된다.here,
Figure 112007040536481-pat00063
Is an interference part for noise during the detection process, and is defined differently according to the ZF method and the MMSE method as shown in Equation 34 below.

Figure 112007040536481-pat00064
Figure 112007040536481-pat00064

비트 오류율에 대한 상기 수학식 33을, 송신 전력 계산을 위한 수학식 23의 라그랑지 승수법에 대입한 후, 송신 전력

Figure 112007040536481-pat00065
에 대해 미분한 값이 0이 되도록 하면, 다음과 같은 수학식 35를 얻을 수 있다.After substituting the equation 33 for the bit error rate into the Lagrange multiplier method of equation 23 for calculating the transmission power, the transmission power
Figure 112007040536481-pat00065
If the derivative is 0, the following equation (35) can be obtained.

Figure 112007040536481-pat00066
Figure 112007040536481-pat00066

각 부반송파에 할당된 평균 송신 전력(

Figure 112007040536481-pat00067
)을 1이라고 가정을 하고, 상기 수학식 35를 계산하면, 채널 상태에 따른 송신 전력을 다음 수학식 36 및 수학식 37과 같이 얻을 수 있다.Average transmit power allocated to each subcarrier (
Figure 112007040536481-pat00067
Assuming that 1) is 1 and the equation 35 is calculated, the transmission power according to the channel state can be obtained as shown in Equations 36 and 37.

Figure 112007040536481-pat00068
Figure 112007040536481-pat00068

Figure 112007040536481-pat00069
Figure 112007040536481-pat00069

상기 수학식 37의 λ는 전체 송신 전력 제한에 대한 수학식 22를 통해 구할 수 있다. 라그랑지 승수법을 이용하여 송신 전력을 계산하는 과정에서 송신 전력의 일부 값이 음수로 나오는 경우가 발생한다. 이 경우에는 음수 값의 송신 전력을 0으로 할당하고 나머지 값들로 라그랑지 승수법을 다시 계산한다. 전체 값들에서 음수가 없을 때까지 계산하면 결과적으로 라그랑지 승수법에 의한 송신 전력 값은 다음 수학식 38 및 39와 같게 된다.Λ of Equation 37 may be obtained through Equation 22 for the total transmission power limit. In the process of calculating the transmission power using the Lagrange multiplier, some values of the transmission power may be negative. In this case, we assign a negative transmit power of zero and recalculate the Lagrange multiplier method with the remaining values. When the calculations are made until all the values are negative, the transmission power values by the Lagrange multiplier method are as shown in Equations 38 and 39.

Figure 112007040536481-pat00070
Figure 112007040536481-pat00070

Figure 112007040536481-pat00071
Figure 112007040536481-pat00071

상기 수학식 38은, 채널의 상태가

Figure 112007040536481-pat00072
보다 작으면 k번째 부반송파의 si번째 송신 신호에 송신 전력을 할당하지 않음을 의미한다.In Equation 38, a state of a channel is
Figure 112007040536481-pat00072
If smaller, it means that no transmit power is allocated to the s i th transmission signal of the k th subcarrier.

도 2는 ZF 검출 방법에 대하여, 각 안테나별 128개 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 경우(기존의 방법)와 채널 상황에 따라 송신 전력을 할당한 경우(본 발명에 따른 방법)의 비트 오류율 성능을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 2로부터, 본 발명에 따른 방법을 ZF 검출 방법에 적용할 경우, 각 안테나별 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 기존의 방법보다 10-2 비트 오류율에서 약 5.5dB의 신호 대 잡음 비 이득이 발생한 것을 확인할 수 있다.2 shows the bit error rate performance of the ZF detection method when the same transmission power is allocated to 128 subcarriers for each antenna (the existing method) and when the transmission power is allocated according to the channel condition (the method according to the present invention). This is a diagram showing the comparison. From FIG. 2, when the method according to the present invention is applied to the ZF detection method, a signal-to-noise ratio gain of about 5.5 dB occurs at a 10 -2 bit error rate compared to the conventional method in which the same transmission power is allocated to subcarriers for each antenna. You can see that.

도 3은 MMSE 검출 방법에 대하여, 각 안테나별 128개의 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 경우(기존의 방법)와 채널 상황에 따라 송신 전력을 할당한 경우(본 발명에 따른 방법)의 비트 오류율 성능을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 3 으로부터, 본 발명에 따른 방법을 MMSE 검출 방법에 적용할 경우, 각 안테나별 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 기존의 방법보다 10-2 비트 오류율에서 약 5dB의 신호 대 잡음 비 이득이 발생한 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 3을 도 2와 비교함으로써, MMSE 검출 방법이 잡음 증대 영향이 발생하는 ZF 방법보다 그 성능이 우수함을 확인할 수 있다.Fig. 3 shows the bit error rate performance of the MMSE detection method when the same transmission power is allocated to 128 subcarriers for each antenna (the existing method) and when the transmission power is allocated according to the channel condition (the method according to the present invention). This is a diagram showing the comparison. 3 shows that, when the method according to the present invention is applied to the MMSE detection method, a signal-to-noise ratio gain of about 5 dB occurs at a 10 -2 bit error rate compared to the conventional method in which the same transmission power is allocated to subcarriers for each antenna. You can check it. Also, by comparing FIG. 3 with FIG. 2, it can be seen that the MMSE detection method is superior in performance to the ZF method in which the noise increase effect occurs.

한편, 본 발명에서 제안한 송신 전력 할당 방법에 따르면, 각 송신 안테나의 모든 부반송파에 대하여 송신 전력을 할당하기 때문에 송신 전력에 대한 연산량이 매우 커진다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로서, UWB 채널의 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널마다 동일한 송신 전력을 할당함으로써 연산량을 줄일 수 있다. 즉, 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널별로 그룹화하고, 그룹화된 부채널의 평균 신호 대 간섭 잡음 비를 구한 후, 상기 수학식 36 및 37에서 K개의 부반송파 대신 C개의 부채널에 대해 송신 전력을 구함으로써, 그 연산량을 크게 줄일 수 있다. IEEE UWB 채널의 유사 특성 대역폭은, 채널의 제곱 평균 제곱근 지연을 이용하여 다음 수학식 40과 같이 대략적으로 구할 수 있다.On the other hand, according to the transmission power allocation method proposed in the present invention, since the transmission power is allocated to all subcarriers of each transmission antenna, there is a problem in that the amount of calculation for the transmission power becomes very large. As a method for solving this problem, the amount of computation can be reduced by allocating the same transmission power for each subchannel corresponding to the similar characteristic bandwidth of the UWB channel. That is, after grouping by subchannels corresponding to the similar characteristic bandwidth and obtaining the average signal-to-interference noise ratio of the grouped subchannels, Equation 36 and 37 calculates transmission power for C subchannels instead of K subcarriers. By doing so, the amount of calculation can be greatly reduced. The pseudo characteristic bandwidth of the IEEE UWB channel can be roughly obtained using Equation 40 using the root mean square delay of the channel.

Figure 112007040536481-pat00073
Figure 112007040536481-pat00073

CM1 채널의 제곱 평균 제곱근 지연

Figure 112007040536481-pat00074
은 약 5.28ns이고, 이를 상기 수학식 40에 대입하면 유사 특성 대역폭(Bc)은 약 33MHz로 근사화할 수 있다. 이는 전체 528MHz 대역폭을 16개의 33MHz의 부채널로 그룹화할 수 있다는 것을 의미한다. 그룹화된 부채널별로 할당된 송신 전력은, 상기 수학식 36 및 37로부터 다음 수학식 41 및 42와 같이 구할 수 있다.Square root mean square delay of CM1 channel
Figure 112007040536481-pat00074
Is about 5.28 ns. Substituting this in Equation 40, the pseudo characteristic bandwidth B c can be approximated to about 33 MHz. This means that the entire 528MHz bandwidth can be grouped into 16 33MHz subchannels. The transmission power allocated to each of the grouped subchannels can be obtained from Equations 36 and 37 as shown in Equations 41 and 42.

Figure 112007040536481-pat00075
Figure 112007040536481-pat00075

Figure 112007040536481-pat00076
Figure 112007040536481-pat00076

이와 같은 방법을 통해, 각 안테나별 부반송파 개수만큼 송신 전력을 할당하는 대신에 각 안테나별 부채널에 해당하는 송신 전력만 계산하여 할당함으로써, 연산량을 KMt인 128*2=256개에서 CMt의 16*2=32개로 대폭 감소시킬 수 있다.In the over the same way, each antenna by calculating only the number of subcarriers the transmission power that corresponds to the place of each antenna sub-channel to the allocated transmission power by assigned, 128 the amount of computation KM t * 2 = CM t at 256 It can be greatly reduced to 16 * 2 = 32.

도 4는 ZF 검출 방법에 대하여, 128개의 모든 부반송파에 대하여 송신 전력을 할당한 경우와 16개의 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당한 경우의 비트 오류율 성능을, 각 안테나별 128개의 모든 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 경우(기존의 방법)와 비교하여 나타낸 도면이다. 도 4로부터, 16개의 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당한 경우, 각 안테나별로 128개의 모든 부반송파에 송신 전력을 할당한 경우보다는 약 1.5dB 정도의 성능 열화가 있지만, 동일한 송신 전력을 할당한 기존의 경우보다는 10-2 비트 오류율에서 약 4dB의 신호 대 잡음 비 이득이 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 그룹화된 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당하는 경우, 모든 부반송파에 송신 전력을 할당하는 경우에 비해 약간의 성능 열화가 있지만 송신 전력 할당을 위한 연산량을 대폭 감소시킬 수 있고, 동일한 전력을 할당하는 기존의 방법보다는 비트 오류율 성능을 대폭 향상시킬 수 있다는 결과를 확인하였다.Fig. 4 shows the same bit error rate performance for the ZF detection method when the transmission power is allocated to all 128 subcarriers and when the transmission power is allocated to only 16 subchannels. The figure shows the comparison with the case where electric power was allocated (the existing method). From FIG. 4, when the transmission power is allocated to only 16 subchannels, there is a performance degradation of about 1.5 dB compared to the case where the transmission power is allocated to all 128 subcarriers for each antenna. If instead it can be confirmed that the signal-to-noise ratio gain of about 4dB generated from 10-2 bit error rate. That is, in case of allocating transmit power only to grouped subchannels, there is a slight performance degradation compared to allocating transmit power to all subcarriers, but the computation amount for allocating transmit power can be greatly reduced, and the same power is allocated. The results show that the bit error rate performance can be significantly improved over the conventional method.

도 5는 MMSE 검출 방법에 대하여, 128개의 모든 부반송파에 송신 전력을 할당한 경우와 16개의 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당한 경우의 비트 오류율 성능을, 각 안테나별 128개의 모든 부반송파에 동일한 송신 전력을 할당한 경우(기존의 방법)와 비교하여 나타낸 도면이다. 도 5로부터, 16개의 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당한 경우, 각 안테나별 128개의 모든 부반송파에 송신 전력을 할당한 경우보다는 약 1dB 정도의 성능 열화가 있지만, 동일한 송신 전력을 할당한 기존의 경우보다는 10-2 비트 오류율에서 약 4dB의 신호 대 잡음 비 이득이 발생한 것을 확인할 수 있다. ZF 검출 방법의 경우와 마찬가지로, 그룹화된 부채널에 대해서만 송신 전력을 할당하는 경우, 모든 부반송파에 송신 전력을 할당하는 경우에 비해 약간의 성능 열화가 있지만 송신 전력 할당을 위한 연산량을 대폭 감소시킬 수 있고, 동일한 전력을 할당하는 기존의 방법보다 비트 오류율 성능을 대폭 향상시킬 수 있다는 결과를 확인하였다.FIG. 5 shows the bit error rate performance when the transmission power is allocated to all 128 subcarriers and the transmission power is allocated only to 16 subchannels in the MMSE detection method. The transmission power is the same for all 128 subcarriers for each antenna. Is shown in comparison with the case of assigning (the conventional method). From FIG. 5, when the transmission power is allocated to only 16 subchannels, there is a performance degradation of about 1 dB compared to the case of allocating the transmission power to all 128 subcarriers for each antenna, but the conventional case in which the same transmission power is allocated Rather, we can see that a signal-to-noise ratio gain of about 4dB occurs at a 10 -2 bit error rate. As in the case of the ZF detection method, when the transmission power is allocated only to the grouped subchannels, there is a slight performance degradation compared to the case of allocating the transmission power to all subcarriers, but the computation amount for the transmission power allocation can be greatly reduced. In addition, the results show that the bit error rate performance can be significantly improved over the conventional method of allocating the same power.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자 에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above may be variously modified or applied by those skilled in the art, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.

본 발명의 송신 전력 할당 방법에 따르면, 채널의 상태에 따라 계산된 송신 전력을 송신 안테나의 각 부반송파에 할당함으로써, 공간 다중화 OFDM 시스템의 비트 오류율 성능을 향상시킬 수 있다.According to the transmission power allocation method of the present invention, the bit error rate performance of the spatial multiplexed OFDM system can be improved by allocating the transmission power calculated according to the state of the channel to each subcarrier of the transmission antenna.

한편, 무선 채널의 유사 특성 대역폭에 해당하는 부채널로 그룹화한 후 그룹화된 각각의 부채널별로 송신 전력을 할당함으로써, 기존의 방법보다 비트 오류율 성능을 향상시켜 데이터의 안정적인 전송을 가능하게 하면서 동시에 송신 전력 할당을 위한 연산량을 크게 줄일 수 있다.On the other hand, by grouping the subchannels corresponding to the similar characteristic bandwidth of the wireless channel and then assigning transmission power to each of the subchannels, the bit error rate performance is improved compared to the conventional method, thereby enabling stable transmission of data while simultaneously transmitting. The amount of computation for power allocation can be greatly reduced.

Claims (4)

공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템에서,In Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based System Using Spatial Multiplexing Technique, (1) 수신 단에서, 각 채널에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information)를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제1 단계;(1) a first step of, at the receiving end, measuring channel quality information for each channel and transmitting the measured channel quality information to the transmitting end; (2) 송신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 각 채널의 상태에 따라 각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 제2 단계; 및(2) a second step of calculating, at the transmitting end, transmission power to be allocated to subcarriers for each antenna according to the state of each channel using the channel quality information transmitted by the first step; And (3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 각 안테나별 부반송파에 할당하는 제3 단계를 포함하며,(3) a third step of allocating, at the transmitting end, the transmission power calculated by the second step to the subcarriers for each antenna, 각 채널에 대한 채널 품질 정보를 측정하여 송신 단으로 전송하는 상기 제1 단계는, 각 안테나의 각각의 부반송파에 해당하는 채널 상태를, 수신 단의 신호 검출 과정에서 신호대 간섭 잡음 비로 측정하는 단계를 포함하고,The first step of measuring and transmitting channel quality information for each channel to a transmitting end includes measuring a channel state corresponding to each subcarrier of each antenna with a signal-to-interference noise ratio in a signal detecting process of the receiving end. and, 각 안테나별 부반송파에 할당될 송신 전력을 계산하는 상기 제2 단계는,The second step of calculating the transmission power to be allocated to each subcarrier for each antenna, (a) 측정된 상기 신호대 간섭 잡음 비에 대한 함수로서 각 안테나별 부반송파의 비트 오류율을 표현한 후, 이를 산술 평균함으로써 전체 비트 오류율을 구하는 단계; 및(a) expressing a bit error rate of subcarriers for each antenna as a function of the measured signal-to-interference noise ratio, and calculating the total bit error rate by arithmetically averaging it; And (b) 라그랑지 승수법을 이용하여, 구해진 상기 전체 비트 오류율을 최소화하는 각 안테나별 부반송파의 송신 전력을 구하는 단계(b) obtaining a transmission power of each subcarrier for each antenna that minimizes the obtained overall bit error rate by using a Lagrange multiplier; 를 더 포함하는 송신 전력 할당 방법.Transmission power allocation method further comprising. 삭제delete 공간 다중화 기술을 적용한 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; OFDM) 기반 시스템에서,In Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) based System Using Spatial Multiplexing Technique, (1) 채널의 유사 특성 대역폭에 따라 부채널들을 그룹화하는 제1 단계;(1) grouping subchannels according to the similar characteristic bandwidth of the channel; (2) 수신 단에서, 상기 제1 단계에 의해 그룹화된 각각의 부채널들에 대한 채널 품질 정보(Channel Quality Information)를 측정하여 송신 단으로 전송하는 제2 단계;(2) a second step of measuring, at a receiving end, channel quality information of each subchannel grouped by the first step and transmitting the measured channel quality information to the transmitting end; (3) 송신 단에서, 상기 제2 단계에 의해 전송된 상기 채널 품질 정보를 이용하여 그룹화된 부채널의 송신 전력을 계산하는 제3 단계; 및(3) a third step of calculating, at the transmitting end, transmission power of grouped subchannels using the channel quality information transmitted by the second step; And (4) 송신 단에서, 상기 제3 단계에 의해 계산된 상기 송신 전력을 상기 그룹화된 각각의 부채널들에 할당하는 단계를 포함하며,(4) at the transmitting end, allocating the transmit power calculated by the third step to each of the grouped subchannels, 그룹화된 각각의 부채널들에 대한 채널 품질 정보를 측정하여 송신 단으로 전송하는 상기 제2 단계는, 그룹화된 각각의 부채널에 해당하는 채널 상태를, 수신 단의 신호 검출 과정에서 신호 대 간섭 잡음 비로 측정하는 단계를 포함하고,In the second step of measuring and transmitting channel quality information of each of the grouped subchannels, the channel state corresponding to each of the grouped subchannels is determined by signal-to-interference noise in a signal detection process of the receiver. Measuring by ratio, 그룹화된 각각의 부채널들에 할당될 송신 전력을 계산하는 상기 제3 단계는,The third step of calculating the transmission power to be allocated to each of the grouped subchannels, (a) 측정된 상기 신호 대 간섭 잡음 비에 대한 함수로서 그룹화된 각각의 부채널들의 비트 오류율을 표현한 후, 이를 산술 평균함으로써 전체 비트 오류율을 구하는 단계; 및(a) expressing the bit error rates of each subchannel grouped as a function of the measured signal-to-interference noise ratio, and then calculating the total bit error rate by arithmetically averaging them; And (b) 라그랑지 승수법을 이용하여, 구해진 상기 전체 비트 오류율을 최소화하는 그룹화된 각각의 부채널들의 송신 전력을 구하는 단계(b) using the Lagrange multiplier method to obtain the transmit power of each grouped subchannel that minimizes the obtained overall bit error rate 를 더 포함하는 송신 전력 할당 방법.Transmission power allocation method further comprising. 를 포함하는 송신 전력 할당 방법.Transmission power allocation method comprising a. 삭제delete
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