KR100690872B1 - 폐루프 ｍｉｍｏ 시스템의 신호 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 폐루프 MIMO시스템은 송신안테나의 수가 증가하는 경우, predefined집합의 원소들을 이용하여 새로운 predefined 집합을 구성하고, 새 predefined 집합에서 소정의 행렬을 선택하여 그 행렬의 인덱스를 피드백하는 수신단과; 상기 피드백된 인덱스의 행렬을 송신신호에 곱하여 신호전송을 수행하는 송신단으로 구성된다. 본 발명은 송신 안테나가 증가해도 이전 집합의 후보 행렬들을 이용하여 간단하게 후보 행렬들을 얻을 수 있다. 또한, 계산량이 적은 최적해 선정 기준을 마련하여, 시스템의 부담을 크게 줄였다.

폐루프 MIMO 시스템, predefined set

Description

폐루프 ＭＩＭＯ 시스템의 신호 전송 방법{METHOD FOR TRANSMISSION OF CLOSED-LOOP MIMO SYSTEMS}

도1은 일반적인 폐루프 MIMO 시스템 구성도.

도2는 본 발명에 따른, predefined 집합의 구성방법을 보인 그림.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100 : 송신단 200 : 수신단

본 발명은 이동통신의 MIMO시스템에 관한 것으로, 특히 폐루프 MIMO시스템에서 피드백 정보의 구성 및 전송 방법에 관한 것이다.

Multiple Input Multiple Output(MIMO)시스템은 capacity를 증가시키고 고속(High data rate) 전송을 약속하는 기술이다.

채널정보를 송신단으로 피드백(feedback)하는 폐루프(Closed-loop) MIMO 시스템은 보다 큰 capacity와 보다 낮은 비트 오차율(bit error rate)을 얻는다.

폐루프 기술에 이러한 장점이 있음에도 불구하고, 시스템 설계자들이 폐루프 기술을 물리적 시스템에 적용을 꺼리는 이유는 폐루프 기술(closed-loop scheme)이 큰 용량의 피드백 데이터를 요구하여 상하향 링크 중 하나의 용량을 잠식하는 문제점을 발생시키기 때문이다.

그리고 피드백 데이터의 용량이 큰 이유는 피드백 데이터가 복소수를 원소로 하는 행렬이고 이 행렬의 차수(dimension)가 송신안테나 수와 수신안테나 수의 곱이기 때문이다.

이러한 문제점을 개선하기 위해, 종래 폐루프 MIMO시스템의 수신단은 최적해의 인덱스만을 송신단으로 피드백한다.

도1은 일반적인 폐루프 MIMO시스템의 구성도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 폐루프 MIMO시스템의 수신단(200)은 무선채널 환경을 나타내는 행렬(H)을 이용하여 C_optimal를 구한 후, C_optimal와 미리 정해진 행렬 집합(이하, "predefined 집합"이라 한다)의 원소들 간의 거리를 비교하여 가장 가까운 원소를 최적 성능의 행렬(이하, "최적해"라 한다)로 선정한다.

하기 [수학식 1]은 C_optimal를 구할 때 사용되는 방법 중 하나인 SVD(Singular Value Decomposition)의 식으로, U가 C_optimal를 의미한다.

최적해가 구해지면, 수신단(200)은 그 최적해에 관한 정보를 송신단(100)으 로 피드백한다. predefined집합에 관한 정보는 송신단(100)과 수신단(200)이 공유하는 것이므로, 수신단(200)은 최적해의 인덱스만을 피드백한다.

도1에서 {C₁, C₂, C₃, ... , C_L}은 predefined 집합을 정의한 것이고, predefined 집합의 각 원소(C_l)는 행렬이다. 이 행렬들{C₁, C₂, C₃ , ... , C_L}을 구성하는 가이드는 정규 직교성(orthonormality)과 최대 최소거리(maximum minimum-distance)이다. 이때 정규 직교성이란

을 의미하고, 최대 최소거리는 각 행렬들간의 최소거리가 최대인 행렬들로 predefined 집합을 구성해야 하는 것을 의미한다. predefined집합의 원소를 정하기 위해, 수신단(200)은 모든 행렬을 일일이 검색한다. 그리고 각 행렬들간의 최소거리가 최대인 행렬들을 predefined 집합의 원소(후보행렬)로 결정한다.

전술된 종래 방식의 문제점은 다음과 같다.

첫째, 두 개의 가이드만으로 predefined 집합을 구성하기 위해서는, 수 많은 직교 행렬들을 임의의 개수만큼 무작위로 선택하여 최소거리가 최대가 되는 행렬들을 골라내야 하기 때문에 임의의 개수가 상당히 커야 한다. 즉, predefined 집합을 구성하기 위한 종래의 방식은 체계성이나 규칙성이 부족하여 비효율적이다.

둘째, 송신 안테나 개수가 달라질 때마다 위의 과정을 반복 수행해야 하므로 시스템의 변화에 즉각적인 대처가 어렵다.

셋째, 종래 방식은 모든 행렬을 일일이 검색하여 predefined 집합의 원소를 결정하므로 매우 비효율적이다.

따라서, 본 발명의 목적은 predefined 집합의 원소를 체계적 (Systematically) 으로 구하기 위한 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 최적해를 고르는 기준을 제안하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 폐루프 MIMO시스템은

송신안테나의 수가 증가하는 경우, predefined집합의 원소들을 이용하여 새로운 predefined 집합을 구성하고, 새 predefined 집합에서 소정의 행렬을 선택하여 그 행렬의 인덱스를 피드백하는 수신단과; 상기 피드백된 인덱스의 행렬을 송신신호에 곱하여 신호전송을 수행하는 송신단으로 구성된다.

바람직하게, 송신안테나의 수가 2인 경우, predefined집합의 원소들은 하기 식에 따라 구해지는 것을 특징으로 한다.

여기서, k_mn은 0, 1, ... , K-1의 정수값 중 임의의 하나를 갖는다. 그리고 m은 행을 나타내고, n은 열을 나타낸다.

바람직하게, 상기 소정의 행렬은 하기 식에 따라 선택되는 것을 특징으로 한 다.

여기서, H는 무선채널을 나타내는 행렬이며 [ ]^H는 conjugate transpose를 의미한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 폐루프 MIMO시스템의 수신단은 송신안테나의 수가 증가하는 경우, 이전의 predefined집합의 원소들을 이용하여 새로운 predefined 집합을 구성하고, 새 predefined 집합에서 소정의 행렬을 선택하여 그 행렬의 인덱스를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법은,

송신안테나의 수가 증가하는 경우, 이전의 predefined집합의 원소들을 이용하여 구성된 새로운 predefined 집합에서 소정의 행렬을 선택하고, 선택된 행렬의 인덱스를 송신단으로 피드백하는 과정과; 상기 피드백된 인덱스의 행렬을 송신신호에 곱하여 신호전송을 수행하는 과정으로 이루어진다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 폐루프 MIMO 시스템 수신단의 신호 궤환 방법은,

송신안테나의 수가 증가하는 경우, 이전의 predefined집합의 원소들을 이용하여 구성된 새로운 predefined 집합에서 소정의 행렬을 선택하는 과정과; 선택된 행렬의 인덱스를 송신단으로 피드백하는 과정으로 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 따른 predefined 집합의 구성방법을 보인 그림이다.

폐루프 MIMO시스템의 송신 안테나가 2개일 때, seed행렬은 하기 [수학식2]과 같이 표현된다. 이때 [수학식2]의 k_mn은 0, 1, ... , K-1의 정수값 중, 임의의 하나를 갖는다. m은 행을 나타내고, n은 열을 나타낸다.

그리고 하기 [수학식3]은 송신 안테나가 2개이고 K=4일 때,(단위원을 4등분한 것을 의미한다) 폐루프 MIMO 시스템의 seed행렬을 나타낸 것으로, [수학식 2]에 의해 구해지는 행렬들 중에서 거리가 먼 행렬들 즉, 서로 유사하지 않은 행렬들이다.

폐루프 MIMO시스템의 송신 안테나가 4개로 증가했을 때, 하기 [수학식4]와 같이 행렬들을 증가시켜 나갈 수 있다. [수학식4]의 A와 B는 이전 단계(혹은 차원)의 행렬들이다. 즉, 송신 안테나가 2개일 때의 seed행렬들이다. 하기 [수학식4]는 아다마르 행렬(Hadamard matrix)에 기초한 것으로, 송신 안테나의 수가 2배씩 증가 할 때에 후보행렬(predefined집합의 원소)들을 간단하게 구성할 수 있다. 아다마르 행렬은 이동통신의 신호처리에 있어서 필수적인 것으로, 아다마르 행렬을 사용하는 이유는 Matrix원소가 ±1로 간단하면서, 직교행렬(Orthogonal Matrix)로 곱셈기가 필요없어 고속의 신호처리가 가능하고, 하드웨어 구현이 용이하기 때문이다.

위의 행렬식에서 각 행렬들의 정규화 상수(normalization constant)는 편의상 생략하였다. 송신 안테나가 8개로 증가해도 상기 [수학식4]와 같은 형태로 행렬들을 확장시킬 수 있으며, 상기 행렬들이 predefined 집합을 구성하는 후보 행렬(candidate matrices)이 된다.

후보 행렬이 결정되면, 수신단(200)은 이 후보행렬들 중 최적해를 선정하고, 그에 대한 인덱스를 송신단(100)으로 피드백한다.

본 발명에서는 최적해를 찾기 위한 기준으로서, 하기 [수학식5]를 제안한다.

상기 [수학식5]는 무선채널 행렬(H)의 직교화(orthogonalization)에 기초한 것으로, 본 발명은 predefined집합을 상기 [수학식5]에 대입하여 최적해를 결정한다. 본 발명에서 C_optimal를 구하는 과정은 불필요하다. 상기 식에서 H는 무선 채널을 나타내는 행렬이며 [ ]^H는 conjugate transpose를 의미한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐루프 MIMO시스템은 predefined 집합을 구성하는 후보 행렬들을 쉽게 구할 수 있다. 또한, 송신 안테나가 증가해도 이전 집합의 후보 행렬들을 이용하여 간단하게 후보 행렬들을 얻을 수 있다. 또한, 계산량이 적은 최적해 선정 기준을 마련하여, 시스템의 부담을 크게 줄였다.

Claims (19)

1. 적어도 두 개의 송신 안테나를 구비하며 상기 송신 안테나의 수가 네트워크 상황에 따라 2의 배수로 증가할 수 있는 폐루프 MIMO 시스템에 있어서,

   송신단의 송신 안테나의 수가 2부터 시작되며 그 수가 2의 배수로 증가하는 경우, 미리 정의된 집합의 원소들을 이용하여 새로운 미리 정의된 집합을 구성하고, 새 미리 정의된 집합에서 소정의 행렬을 선택하여 그 행렬의 인덱스를 피드백하는 수신단과;

   상기 피드백된 인덱스의 행렬을 송신신호에 곱하여 신호 전송을 수행하는 송신단으로 구성된 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템.
2. 제1항에 있어서, 송신 안테나의 수가 2인 경우, 미리 정의된 집합의 원소들은 하기 식에 따라 구해지며,

   

   여기서, k_mn은 0, 1, ... , K-1의 정수값 중 임의의 하나를 갖으며, K=2π (즉, 360도)를 몇 등분하는 것을 의미하며, m은 행을 나타내고, n은 열을 나타내는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 소정의 행렬은

   무선채널 행렬

   

   과 후보행렬

   

   을 곱하고

   

   과

   

   의 Transpose conjugate 행렬을 곱하여, 상기 두 곱의 값을 서로 곱한 후의 대각 원소들의 곱이 가장 작은 때 의 후보행렬인 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 소정의 행렬은

   하기 식에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템.

   

   여기서, H는 무선채널을 나타내는 행렬이며 [ ]^H는 conjugate transpose를 의미한다.
5. 제1항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

   아다마르 행렬과 같은 구조의 행렬들로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템.
6. 제1항에 있어서, 송신안테나는

   2배수씩 증가되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

   직교성을 갖는 행렬들로 구성된 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

   각 행렬들간 최소거리가 최대인 행렬들로 구성된 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템.
9. 적어도 두 개의 송신 안테나를 구비하며 상기 송신 안테나의 수가 네트워크 상황에 따라 2의 배수로 증가할 수 있는 폐루프 MIMO 시스템에 있어서,

   송신단의 송신 안테나의 수가 2부터 시작되며 그 수가 2의 배수로 증가하는 경우, 수신단은 이전의 미리 정의된 집합의 원소들을 이용하여 새로운 미리 정의된 집합을 구성하고, 새 미리 정의된 집합에서 소정의 행렬을 선택하여 그 행렬의 인덱스를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템.
10. 적어도 두 개의 송신 안테나를 구비하며 상기 송신 안테나의 수가 네트워크 상황에 따라 2의 배수로 증가할 수 있는 폐루프 MIMO 시스템에 있어서,

    송신단의 송신 안테나의 수가 2부터 시작되며 그 수가 2의 배수로 증가하는 경우, 이전의 미리 정의된 집합의 원소들을 이용하여 구성된 새로운 미리 정의된 집합에서 소정의 행렬을 선택하고, 선택된 행렬의 인덱스를 수신단이 송신단으로 피드백하는 과정과;

    상기 피드백된 인덱스의 행렬을 송신신호에 곱하여 신호전송을 수행하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템의 신호 전송 방법.
11. 제10항에 있어서, 송신 안테나의 수가 2인 경우, 미리 정의된 집합의 원소들은 하기 식에 따라 구해지며,

    

    여기서, k_mn은 0, 1, ... , K-1의 정수값 중 임의의 하나를 갖으며, K=2π (즉, 360도)를 몇 등분하는 것을 의미하며, m은 행을 나타내고, n은 열을 나타내는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템의 신호 전송 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 소정의 행렬은

    무선채널 행렬

    

    과 후보행렬

    

    을 곱하고

    

    과

    

    의 Transpose conjugate 행렬들을 곱하여, 상기 두 곱의 값을 서로 곱한 후의 대각 원소들의 곱이 가장 작은 때의 후보행렬인 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 소정의 행렬은

    하기 식에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.

    

    여기서, H는 무선채널을 나타내는 행렬이며 [ ]^H는 conjugate transpose를 의미한다.
14. 제10항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

    아다마르 행렬과 같은 구조의 행렬들로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.
15. 제10항에 있어서, 송신안테나는

    2배수씩 증가되는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.
16. 제10항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

    직교성을 갖는 행렬들로 구성된 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.
17. 제10항에 있어서, 상기 새로운 predefined집합은

    각 행렬들간 최소거리가 최대인 행렬들로 구성된 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO시스템의 신호전송 방법.
18. 적어도 두 개의 송신 안테나를 구비하며 상기 송신 안테나의 수가 네트워크 상황에 따라 2의 배수로 증가할 수 있는 폐루프 MIMO 시스템에 있어서,

    송신단의 송신 안테나의 수가 2부터 시작되며 그 수가 2의 배수로 증가하는 경우, 수신단은 이전의 미리 정의된 집합의 원소들을 이용하여 구성된 새로운 미리 정의된 집합에서 소정의 행렬을 선택하고, 선택된 행렬의의 인덱스를 송신단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템의 신호 궤환 방법.
19. 적어도 두 개의 송신 안테나를 구비하며 상기 송신 안테나의 수가 네트워크 상황에 따라 2의 배수로 증가할 수 있는 폐루프 MIMO 시스템에 있어서,

    적어도 두개 이상의 송신 안테나를 갖는 폐루프 MIMO 시스템의 송신단은 수신단으로부터 미리 정의된 집합 중 소정의 행렬에 해당하는 행렬 인덱스를 수신하고, 상기 행렬 인덱스에 해당하는 행렬을 이용하여 신호를 전송하는 데,

    여기서 상기 미리 정의된 집합은 상기 송신 안테나의 수에 따라, 송신 안테나 수가 두 개일 때의 미리 정의된 집합으로부터 구해지는 행렬을 원소로 갖는 것을 특징으로 하는 폐루프 MIMO 시스템의 신호 전송 방법.

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