KR100790165B1

KR100790165B1 - 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR100790165B1
Application number: KR1020060106047A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 김호진; 이주호; 권환준; 리지안준; 주용싱; 황인수; 이광복
Original assignee: 삼성전자주식회사; 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-01-02
Also published as: KR20070108304A; KR20070046755A; US20070160162A1; US7729442B2

Abstract

본 발명은 다중입력 다중출력(MIMO: Multiple-Input Multiple-Out) 방식의 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 수신기가 송신기와 형성된 채널의 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 개수를 결정하고, 상기 결정된 서브스트림들의 개수에 상응한 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정하는 과정과, 상기 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 나타내는 안테나 조합과 상기 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정한 후 상기 측정한 채널 상태에 상응한 데이터를 상기 송신기로 전송하는 과정을 포함한다.

다중입력 다중출력, 송신 다이버시티, 빔포밍, 프리 코딩 매트릭스, 서브스트림

Description

통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TRANSMITTING DATA IN COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 데이터의 송수신 흐름을 개략적으로 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 사용자 수에 상응한 데이터 전송 효율을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 사용자 수에 상응한 데이터 전송 효율을 도시한 도면.

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중입력 다중출력(MIMO: Multiple-Input Multiple-Out, 이하 'MIMO'라 칭하기로 함) 방식의 통신 시스템(이하 'MIMO 통신 시스템'이라 칭하기로 함)에서 데이터 전송 방법 및 시스템에 관한 것이다.

차세대 통신 시스템에서는 고속의 다양한 서비스 품질(Quality of Service: 이하 'QoS' 칭하기로 함)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 차세대 통신 시스템에서는 무선 근거리 통신 네트워크(WLAN: Wireless Local Area Network, 이하 'WLAN'이라 칭하기로 함) 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크(WMAN: Wireless Metropolitan Area Network, 이하 'WMAN'이라 칭하기로 함) 시스템과 같은 광대역 무선 접속 통신 시스템에 이동성(mobility)과 QoS를 보장하는 형태로 고속 서비스를 지원하도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 대표적인 통신 시스템이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16a/d 통신 시스템 및 IEEE 802.16e 통신 시스템이다.

상기 IEEE 802.16a/d 통신 시스템 및 IEEE 802.16e 통신 시스템은 상기 무선 MAN 시스템의 물리 채널(physical channel)에 광대역(broadband) 전송 네트워크를 지원하기 위해 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭하기로 한다)/직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭하기로 함) 방식을 적용한 통신 시스템이다. 상기 IEEE 802.16a/d 통신 시스템은 현재 가입자 단말기(SS: Subscriber Station, 이하 'SS'라 칭하기로 함)가 고정된 상태, 즉 SS의 이동성을 전혀 고려하지 않은 상태 및 단일 셀 구조만을 고려하고 있는 시스템이다. 이와는 달리 IEEE 802.16e 통신 시스템은 상기 IEEE 802.16a 통신 시스템에 SS의 이동성을 고려하는 시스템이며, 상기 이동성을 가지는 SS를 이동 단말기(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 함)이라고 칭하기로 한다.

한편, 차세대 통신 시스템에 존재하는 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과는 달리 다중 간섭(Multipath Interference)과, 쉐도잉(shadowing)과, 전파 감쇠와, 시변 잡음과, 간섭 및 페이딩(fading) 등과 같은 여러 요인들로 인해 데이터 전송시 오류가 발생하여 정보의 손실이 발생한다. 이러한 정보 손실을 감소시키기 위해 채널의 성격에 따라 다양한 에러 제어 기법(Error-Control Technique)을 이용한다. 또한, 상기 페이딩 현상으로 인한 통신의 불안정성을 제거하기 위해 다이버시티(Diversity) 방식을 사용하며, 상기 다이버시티 방식은 크게 시간 다이버시티(Time Diversity) 방식과, 주파수 다이버시티(Frequency Diversity) 방식 및 안테나 다이버시티(Antenna Diversity) 방식으로 나눌 수 있다.

상기 안테나 다이버시티 방식은 다중 안테나(multiple antenna)를 사용하는 방식으로서, 상기 안테나 다이버시티 방식은 수신 안테나들을 다수개로 구비하여 적용하는 수신 안테나 다이버시티 방식과 송신 안테나들을 다수개로 구비하여 적용하는 송신 안테나 다이버시티 방식 및 다수개의 수신 안테나들과 다수개의 송신 안테나들을 구비하여 적용하는 MIMO 방식으로 분류된다.

상기 MIMO 방식의 통신 시스템은 송신 안테나 다이버시티(Transmit Antenna Diversity) 방식 또는 공간 다중 다이버시티(Spatial Multiplexing Diversity) 방 식 등으로 인해 높은 송신 이득을 얻을 수가 있다. 상기 송신 안테나 다이버시티 방식과 공간 다중 다이버시티 방식 등은, 실제로 적용되는 채널의 상태에 따라 상기 송신 이득이 각각 다르며, 또한 송신기가 신호를 다수의 송신 안테나들을 통해 전송할 때에 송신 안테나의 가중치를 전송하는 경로가 개방루프(open loop)인지 폐루프(closed loop)인지에 따라 상기 송신 이득은 각각 다르다.

한편, 다중 사용자 환경에서 폐루프 MIMO 통신 시스템은 각 사용자의 프리코딩(precoding) 매트릭스의 데이터 스트림 별 각 사용자들, 예컨대 각 수신기들로부터 피드백되는 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 'CQI'라 칭하기로 함), 일예로 신호대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio, 이하 'SINR'이라 칭하기로 함)에 상응하여 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 즉, 상기 수신기가 데이터 스트림 별로 SINR을 산출하고, 상기 산출한 SINR에 상응하여 CQI를 송신기로 피드백 방식이 필요하다. 즉, 수신기가 상기 송신기로 CQI를 피드백할 경우, 다중 사용자 다이버시트 이득을 충분히 획득하고, CQI 피드백시 오버헤드를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 특히 사용자의 수, 즉 수신기의 수가 증가하여도 전술한 바와 같이 다중 사용자 다이버시티를 보장하고 오버헤드 증가를 방지할 수 있는 데이터 전송 방안이 필요하다.

아울러, 전술한 바와 같이 폐루프 MIMO 통신 시스템은 송신기, 예컨대 기지국(BS: Base Station, 이하 'BS'라 칭하기로 함)과 수신기, 예컨대 MS 간의 형성된 채널 환경에 상응하여 상기 BS와 MS 간의 데이터 송수신이 이루어지도록 한다. 다시 말해, MIMO 통신 시스템에서 상기 MS는 BS와 형성된 채널의 환경, 즉 채널의 상 태를 측정하고, 상기 측정 결과에 상응한 채널 상태 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 'CQI'라 칭하기로 함)를 BS로 전송하며, 상기 BS는 상기 MS로부터 수신한 CQI에 상응하여 MS와의 데이터를 송수신한다.

그러므로, 상기 MIMO 통신 시스템에서, 임의의 한 BS가 관장하는 셀 내에 존재하는 사용자 수, 즉 MS의 개수 및 송수신기가 포함하는 다수의 안테나들에 의해 형성된 채널들의 상태가 가변적일 경우 효율적으로 데이터를 전송하는 방안이 필요하다. 보다 구체적으로 설명하면, MIMO 통신 시스템에서 셀 내에 존재하는 MS의 개수가 가변적이거나, 또는 송수신기가 포함하는 다수의 안테나들 중에서 특정 안테나와 형성된 채널 상태가 다른 안테나들과 비교하여 매우 열악하거나, 또는 다수의 송신 안테나들과 다수의 수신 안테나들에 의해 형성된 채널 매트릭스의 랭크(rank)가 열악한 경우 데이터의 송수신 효율이 감소하여 시스템의 성능을 저하시키는 문제점이 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 MIMO 방식의 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

아울러, 본 발명은 MIMO 방식의 통신 시스템에서 셀 내에 존재하는 사용자가 적은 경우, 또는 특정 안테나의 채널 상태가 좋지 않은 경우 효율적으로 데이터를 전송할 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 수신기가 송신기와 형성된 채널의 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 개수를 결정하고, 상기 결정된 서브스트림들의 개수에 상응한 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정하는 과정과, 상기 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 나타내는 안테나 조합과 상기 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정한 후 상기 측정한 채널 상태에 상응한 데이터를 상기 송신기로 전송하는 과정을 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 방법은, 통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 송신기가 다수의 수신기들로부터 서브스트림의 조합과 안테나 조합에 대한 채널 품질 정보를 수신하는 과정과, 상기 수신한 채널 품질 정보에 포함된 채널 상태 값들 중에서 각 서브스트림들의 최대값을 검색하여 상기 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율을 산출하는 과정과, 상기 산출한 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율에서 최대 전송율에 상응하는 서브스트림 조합의 인덱스를 결정하고, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 결정한 후, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 이용하여 상기 다수의 수신기들로 데이터를 전송하는 과정을 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은, 통신 시스템에서 데이 터를 전송하는 시스템에 있어서, 송신기와 형성된 채널의 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 개수를 결정한 후, 상기 결정된 서브스트림들의 개수에 상응한 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정하고, 상기 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 나타내는 안테나 조합과 상기 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정한 후 상기 측정한 채널 상태에 상응한 데이터를 상기 송신기로 전송하는 수신기를 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 시스템은, 통신 시스템에서 데이터를 전송하는 시스템에 있어서, 다수의 수신기들로부터 서브스트림의 조합과 안테나 조합에 대한 채널 품질 정보를 수신한 후, 상기 수신한 채널 품질 정보에 포함된 채널 상태 값들 중에서 각 서브스트림들의 최대값을 검색하여 상기 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율을 산출하고, 상기 산출한 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율에서 최대 전송율에 상응하는 서브스트림 조합의 인덱스를 결정하고, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 결정한 후, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 이용하여 상기 다수의 수신기들로 데이터를 전송하는 송신기를 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설 명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템을 제안한다. 후술할 본 발명의 실시예에서는 다중입력 다중출력(MIMO: Multiple-Input Multiple-Out, 이하 'MIMO'라 칭하기로 함) 방식의 통신 시스템(이하 'MIMO 통신 시스템'이라 칭하기로 함), 예컨대 PU²RC(Per User Unitary Rate Control) 방식의 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템을 제안한다. 여기서, 본 발명은 MIMO 통신 시스템으로 PU²RC 방식의 통신 시스템을 일예로 하여 설명하지만, 본 발명에서 제안하는 데이터 전송 방법 및 시스템은 다른 통신 시스템들에도 적용될 수 있다.

또한, 본 발명은 다수개의 송신 안테나를 포함하는 송신기, 일예로 기지국(BS: Base Station, 이하 'BS'라 칭하기로 함)으로 다수개의 수신 안테나를 포함하는 수신기, 일예로 이동 단말기(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 함)이 피드백 정보, 예컨대 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information, 이하 'CQI'라 칭하기로 함)를 송수신하여 상기 BS와 MS 간의 데이터를 전송하는 방법 및 시스템을 제안한다. 여기서, 후술할 본 발명의 실시예에서는, 다수개의 수신 안테나를 포함하는 MS가 다수 존재, 즉 상기 BS가 관장하는 셀 내에 존재하는 MS가 다수 존재하는 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템에서 데이터 전송 방법 및 시스템을 제안한다. 이때, 상기 수신기들은 송신기로부터 전송되는 데이터 스트림 별로 데이터 스트림 상태 측정하여 산출, 예컨대 신호대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio, 이하 'SINR'이라 칭하기로 함)를 측정하고, 상기 측정한 SINR에 상응하는 CQI의 송신기 전송하며, 상기 송신기는 수신한 CQI에 상응하여 데이터를 송수신하도록 한다.

아울러, 본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 셀 내에 존재하는 MS의 수가 가변적일 경우, 또는 다수의 송신 안테나들과 다수의 수신 안테나들에 형성된 채널들 중에서 특정 안테나에 의해 형성된 채널의 상태가 다른 안테나들에 의해 형성된 채널들의 상태보가 열악하거나, 채널 매트릭스의 랭크(rank)가 열악할 경우, 데이터를 효율적으로 전송하기 위한 방법 및 시스템을 제안한다. 후술할 본 발명의 실시예에서는 MIMO 통신 시스템에서 다수의 MS들이 BS로 전송하는 CQI의 양을 감소시키며, 상기 CQI에 상응하여 BS와 MS들 간의 효율적으로 데이터를 송수신함으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 데이터 전송 방법 및 시스템을 제안한다. 그러며 여기서, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 설명의 편의를 위해 도 1에 도시한 통신 시스템은 M개의 송신 안테나를 구비한 송신기와, N개의 수신 안테나를 구비한 K개의 수신기들을 포함하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 상기 송신기(100)는 공간 다중화와 레이트 적응(rate adaptation)을 위한 전송 프리 코딩 매트릭스(precoding matrix)들을 사용하여 데이터를 수신기들(150-1,150-K)로 전송한다. 제어부(110)는 수신기들(150-1,150-K) 로부터 수신된 피드백 정보, 즉 CQI를 사용자 선택부(120)와 유니터리 빔폼부(130) 및 멀티모드 선택부(140)로 각각 전송한다. 사용자 선택부(110)는 상기 제어부(100)로부터 전송된 피드백 정보에 상응하여 수신기들(150-1,150-K)로 송신할 사용자별, 즉 수신기들(150-1,150-K)별 데이터 스트림(User₁, User₂, …, User_K)을 선택한 후 유니터리 비폼부(130)로출력하고, 상기 유니터리 빔폼부(130)는 상기 제어부(110)로부터 전송된 피드백 정보에 상응하여 상기 사용자 선택부(120)가 출력한 데이터 스트림들을 프리 코딩 매트릭스에 매핑하여 멀티모드 선택부(1140)로 전송한다. 이때, 상기 프리 코딩 매트릭스는 사용자 서브셋의 선택에 상응하여 동등하게 결정된다.

이렇게 사용자 선택부(120)는, 수신기들(150-1,150-K)로부터 제어부(110)를 통해 전송된 피드백 정보로서 CQI에 포함된 각 사용자들로부터 사용자 서브셋 선택에 상응하여 결정된 프리 코딩 매트릭스 셋의 인덱스 정보(g)와, 각 사용자들로 데이터를 전송하기 위한 전송 서브스트림들의 개수(l)와, 상기 l개의 서브스트림들에서 안테나 매핑 매트릭스의 인덱스(p)에 상응하여 K개의 사용자 데이터들 중 사용자들의 서브셋을 결정한다. 유니터리 빔폼부(130)는 다중 전송을 위해 상기 사용자 선택부(120)가 선택한 사용자들을 스케줄링하고, 독립된 스트림들을 레이트 매칭으로 변조 및 코딩한다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 유니터리 빔폼부(130)는, 수신기들(150-1,150-K)로부터 제어부(110)를 통해 전송된 피드백 정보로서 CQI에서 미리 결정된 상기 프리 코딩 매트릭스 셋의 인덱스를 이용하여 상기 사용자 선택부(120)가 출력한 데이터 스트림들을 프리 코딩한다. 여기서, 상기 피드백 정보로서 CQI는, 수신기들(1150-1,150K)이 생성하여 전송한 정보로서, 상기 유니터리 빔폼부(130)가 프리 코딩 매트릭스를 선택하기 위한 레이트 적응과 전체 레이트 추정시 사용된다.

상기 수신기들(150-1, 150-K)은 MIMO 통신 시스템에서 수신한 데이터를 검출하여 복호하기 위한 다중화 방식으로 최소평균자승오류(MMSE: Minimum Mean Square Error, 이하 'MMSE'라 칭하기로 함) 방식을 이용할 경우 MMSE부(160-1,160-K)를 포함하며, 각 MMSE부(160-1,160-K)는 상기 CQI를 생성하여 송신기(100)로 전송하기 위해 각각 CQI 생성부(162-1,162-K)와 CQI 송신부(164-1,164-K)를 포함한다.

그리고, 멀티모드 선택부(140)는 상기 유니터리 빔폼부(130)에 의해 프리 코딩 매트릭스에 매핑된 데이트 스트림을 채널 상황에 상응하여 적응적으로 상기 데이터 스트림을 할당하기 위해, 수신기들(150-1,150-K)로부터 제어부(110)를 통해 전송된 피드백 정보로서 CQI에 상응하여 모든 프리 코딩 매트릭스에서 다운링크를 위한, 즉 각 수신기들(150-1,150-K)로 데이터를 전송하기 위한 프리 코딩 매트릭스를 선택하고, 다수의 송신 안테나들과 다수의 수신 안테나들에 의해 형성된 채널들 중에서 채널 상태가 다른 임의 채널의 상태보다 열악한 프리 코딩 매트릭스에 대해서는 오프(off)를 수행한다.

이렇게 MIMO 통신 시스템에서 공간 다중화 방식을 통해 송신 다이버시티을 획득하기 위해서, 송신기(100)는 수신기들(150-1.150-K)로부터 CQI를 수신하며, 상기 CQI를 수신한 송신기(100)는 수신기들(150-1,150-K)로 전송할 데이터 스트림에 G개의 프리 코딩 매트릭스를 사용하여 상기 데이터 스트림을 수신기에 전송하고, 수신기들(150,150-K)은 자신들이 수신한 데이터 스트림에서 획득할 수 있는 스트림별 SINR을 측정하여 CQI를 생성한 후 상기 CQI를 전술한 바와 같이 송신기(100)로 전송한다.

이때, 상기 수신기들(150-1,150-K)은 비선형의 연속 간섭 제거(SIC: Successive Interference Cancellation, 이하 'SIC'라 칭하기로 함) 또는 MMSE 방식을 이용하여 데이터 스트림을 수신하며, 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예에서는 전술한 바와 같이 수신기들(150-1,150-K)이 MMSE 방식을 이용하여 데이터 스트림을 수신하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 상기 수신기들(150-1,150-K)은 프리 코딩 매트릭스 인덱스 값 g와 벡터 인덱스 v_m ^(g)(m = 1, …, M, g = 1, …, G)를 피드백 정보를 전송하도록 할당된 업링크 채널을 통해 송신기(100)로 전송하며, 상기 피드백 정보는 송신기(100)의 제어부(110)를 통해 사용자 선택부(120)와 유니터리 빔폼부(130), 및 멀티모드 선택부(140)로 전송되어 수신기들(150-1,150-K)로 데이터 스트림 전송 및 적응 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding, 이하 'AMC'라 칭하기로 함)에 이용된다.

여기서, 상기 유니터리 빔폼부(130)와 상기 멀티모드 선택부(140)에서의 동작에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 유니터리 빔폼부(130)가 프리 코딩 매트릭스를 통해 데이터 스트림 전송할 경우 상기 프리 코딩 매트릭스를 W라 가정하기로 한다. 송신기(100)와 수신기 들(150-1,150-K) 간에는 프리 코딩 매트릭스(W)에 대한 코드북(code book)을 미리 설정하여 송신기(100)와 수신기들(150-1,150-K)은 프리 코딩 매트릭스(W)에 대한 코드북을 인지한 상태이다. 상기 수신기들(150-1,150-K)이 송신기(100)로 피드백 정보를 전송할 경우, 상기 수신기들(150-1,150-K)은 각 사용자로부터 프리 코딩 매트릭스 셋의 인덱스 정보(g)와, 전송 서브스트림들의 수(l)와, 서브스트림에서 안테나 매핑 매트릭스의 인덱스(p)에 대한 모든 조합으로 SINR을 측정하여 피드백 정보로서 CQI를 생성한 후 상기 CQI를 송신기(100)로 전송하며, 상기 송신기(100)는 프리 코딩 매트릭스(W)별로 상기 수신기들(150-1,150-K)로 전송할 데이터 스트림을 그룹핑한다. 이때, 상기 수신기들(150-1,150-K)은 모든 프리 코딩 매트릭스(W)에 대한 SINR을 측정한 후 상기 측정한 SINR 중에서 최대의 SINR을 갖는 프리 코딩 매트릭스(W)를 선택한다. 여기서, 상기 수신기들(150-1,150-K)은 최대의 SINR을 갖는 하나의 프리 코딩 매트릭스(W)만을 선택하거나, 또는 통신 환경에 상응하여 미리 설정된 임계값 이상의 SINR을 갖는 프리 코딩 매트릭스(W)를 선택할 수 있다.

예를 들어 보다 구체적으로 설명하면, 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 가지는(4Tx, 4RX) MIMO 통신 시스템에서는 4개의 프리 코딩 매트릭스(W₁~W₄)가 존재하며, 셀 내의 수신기가 100개 존재할 경우, 송신기(100)는 상기 프리 코딩 매트릭스(W₁~W₄)를 선택한 수신기들을 차례로 열거한다. 그렇다면, 각 열(column)은 프리 코딩 매트릭스(W₁~W₄)를 선택한 수신기들이 열거되며, 이는 빔포밍 벡터가 프리 코딩 매트릭스(W별)로 그룹핑된 데이터 스트림으로서, 랭크(rank)라 칭한다.

여기서, 행(row)은 각각 전송 안테나수가 되며, 열의 개수는 데이터 스트림의 개수를 나타낸다. 이때, 각각의 프리 코딩 매트릭스(W)에 열거된 데이터 스트림들은 수신기로 전송되도록 프리 코딩 매트릭스(W별)로 경쟁하며, 상기 수신기로부터 전송된 CQI에 포함된 SINR이 최대의 프리 코딩 매트릭스(W)에 대한 데이터 스트림을 선택하고, 그에 따른 변복조 방식을 선택하여 상기 SINR이 최대의 프리 코딩 매트릭스(W)와 데이터 스트림을 매핑한다. 이렇게 유니터리 빔폼부(130)는 수신기들로부터 전송된 피드백 정보로서 CQI에 포함된 SINR에 상응하여 빔포밍 벡터, 즉 랭크를 형성한 후, 최대의 SINR을 갖는 프리 코딩 매트릭스(W)에 해당하는 데이터 스트림을 매핑하여 멀티모드 선택부(140)로 전송한다.

상기 멀티모드 선택부(140)는 채널 상태가 열악한, 즉 CQI에 포함된 SINR이 작은 서브스트림을 확인하여 상기 서브스트림을 제외시킨 후, 남은 서브스트림들을 기준으로 전송할 데이터 스트림을 결정하여 상기 결정된 데이터 스트림들을 이용하여 데이터를 수신기로 전송한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.여기서, 설명의 편의를 위해 도 2에 도시한 통신 시스템은 M개의 송신 안테나를 구비한 송신기와, N개의 수신 안테나를 구비한 K개의 수신기들을 포함하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 송신기(200)는 수신기들(250-1,250-K)로부터 피드백 정보, 즉 CQI를 수신하는 제어부(210)와, 상기 제어부(210)로부터 전송된 피드백 정보에 상응하여 수신기들(250-1,250-K)로 송신할 사용자별, 즉 수신기들(250-1,250-K)별 데이터 스트림(User₁, User₂, …, User_K)을 선택하는 사용자 선택부(220)와, 상기 제어부(210)로부터 전송된 피드백 정보에 상응하여 상기 사용자 선택부(220)가 선택한 데이터 스트림에 해당하는 프리 코딩 매트릭스(W)별 빔포밍 벡터, 즉 랭크(rank)를 확인하는 멀티모드 선택부(230)와, 상기 제어부(210)로부터 전송된 피드백 정보에 상응하여 상기 멀티모드 선택부(230)가 출력한 데이터 스트림들을 프리 코딩 매트릭스에 매핑하여 수신기들(260-1,260-K)로 전송하는 유니터리 빔폼부(240)를 포함한다. 여기서, 상기 멀티모드 선택부(230)는 랭크의 확인 결과 셀 내 수신기의 수가 적어 채널 상태가 열악한, 즉 피드백 정보로서 CQI에 포함된 SINR이 작은 랭크가 존재할 경우, 상기 채널 상태가 열악한 랭크를 오프하고 나머지 랭크에 대해서만 데이터 스트림을 할당한다. 그에 따라, 상기 멀티모드 유니터리 빔폼부(240)는 데이터 스트림별로 할당된 유니터리 프리 코딩 매트릭스에서 최대 SINR을 포함하는 랭크를 선택하고 상기 선택된 랭크를 이용하여 수신기들(250-1,250-K)로 데이터를 전송한다. 그러면 여기서 도 2에 도시한 송신기(200) 및 수신기(250)에 포함된 구성 요소에 대해서는 앞서 구체적으로 설명하였으므로 여기서는 그에 관한 구체적인 설명을 생략하기로 하며, 이하에서 도 1 및 도 2에 도시한 수신기가 CQI를 생성하여 송신기로 전송하는 동작에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 각 수신기들은, 전술한 바와 같이 각 사용자들로부터 사용자 서브셋 선택에 상응하여 결정된 프리 코딩 매트릭스 셋 의 인덱스 정보(g)와, 각 사용자들로 데이터를 전송하기 위한 전송 서브스트림들의 개수(l)와, 상기 l개의 서브스트림들에서 빔 매핑 매트릭스의 인덱스(p), 및 데이터 전송시 실제 사용된 서브트림, 즉 랭크의 개수(m)의 모든 조합에 대한 SINR을 측정하여 CQI를 생성한다. 즉, 수신기들은 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 서브스트림 개수를 결정하고, 상기 결정된 서브스트림의 각 열 조합에 대한 SINR을 측정하여 CQI를 생성한다. 또한, 상기 수신기들은 모든 안테나의 조합(g,m)과 모든 서브스트림의 조합(l,p)에 대한 모든 SINR을 측정하여 CQI를 생성한 후 상기 생성한 CQI를 송신기로 전송한다. 여기서, g는 앞서 설명한 바와 같이 프리 코딩 매트릭스의 인덱스로서 g=1~G이며 G는 프리 코딩 매트릭스의 총 개수이며, l는 전송 서브스트림들의 개수로서 l=1~M이며, 여기서 M은 전송 안테나의 총 개수를 의미한다. 그리고, p는 정해진 서브스트림 중 선택된 열로 매핑 매트릭스의 인덱스로서 p=1~P_l이며 여기서 P_l=

이다. m은 실제로 사용되는 서브스트림(랭크)의 개수이며 m=1~l이다. 그러면 이하에서는 수신기들로부터 전술한 바와 같이 생성된 CQI를 수신한 송신기가 상기 수신기들로 데이터를 전송하는 동작에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 송신기는, 각 수신기들로부터 수신한 CQI에서 모든 K 사용자들의 스케줄링 방식들 중에 g, l, p, m의 모든 조합들에 부합하는 최대 SINR을 찾고, 각 서브스트림에 대한 최대 SINR을 이용하여 총 전 송률(sum rate)을 산출한다. 그리고 총 전송률이 최대가 되는 g, l, p의 조합을 구한다. 여기서, 상기 총 전송률은 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서,

는 l과 P_l에 상응하여 단일 사용자 환경, 즉 단일모드 PU²RC 방식의 통신 시스템에서의 데이터 전송률을 의미하며,

는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 환경, 즉 멀티모드 PU²RC 방식의 통신 시스템에서의 데이터 총 전송률을 의미한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통신 시스템에서 데이터의 송수신 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 설명의 편의를 위해 도 3은 셀 내에 적은 수의 수신기, 예컨대 6~7개의 MS들이 존재하는 경우로 가정하여 송신기, 예컨대 BS와 수신기, 예컨대 MS 간의 데이터 송수신 흐름을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, BS(301)는 사용자별, 즉 MS별로 원하는 유니터리 프리 코딩 방식을 전달받아 데이터 송신에 대한 전송 서브스트림(랭크)를 결정하기 위해, MS(303)로 파일럿 신호 등의 제어 신호를 통하여 피드백 정보를 전송하도록 요청한다(311단계). 상기 MS(303)는, BS(301)의 요청에 상응하여 전술한 바와 같이, 각 사용자들로부터 사용자 서브셋 선택에 상응하여 결정된 프리 코딩 매트릭스 셋의 인덱스 정보(g)와, 각 사용자들로 데이터를 전송하기 위한 전송 서브스트림들의 개수(l)와, 상기 l개의 서브스트림들에서 빔 매핑 매트릭스의 인덱스(p), 및 데이터 전송시 실제 사용된 서브트림, 즉 랭크의 개수(m)의 모든 조합에 대한 SINR을 측정하여 CQI를 생성한 후, 상기 생성한 CQI, 피드백 정보를 BS(301)로 전송한다(313단계).

그러면, 상기 BS(301)는 MS(303)로부터 수신한 피드백 정보에 상응하여 MS(303)에 최대 SINR을 갖는 프리 코딩 매트릭스를 할당하고(315단계), 채널 상황이 열악한 서브스트림이 존재한다면, 상기 서브스트림을 제외시킨 후, 최대의 SINR을 갖는 프리 코딩 매트릭스에 데이터 스트림을 매핑하여 데이터를 MS(303)에게 전송한다.

이렇게 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 데이터 송수신 방안은, 적은 수의 수신기가 셀 내에 존재할 경우, 또는 다수의 송신 안테나와 수신 안테나들에 의해 형성된 채널들 중에서 특정 송수신 안테나에 의해 형성된 채널 상태가 다른 채널 상태보다 열악할 경우, 채널 매트릭스의 서브스트림의 상태가 열악할 경우 BS(301)에서 상태가 열악한 서브스트림을 제외하거나 또는 안테나 수를 감소시킴으로써 시스템 성능이나 다이버시티 이득을 향상시킬 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명은 수신기들로 전송할 데이터 스트림을 프리 코딩 매트릭스를 사용하여 보내되 랭크의 상태에 상응하여, 즉 송수신들 간의 채널 상태에 상응하여 적응적으로 데이터 스트림을 할당하여 전송한다. 이렇게 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 통신 시스템에서 공간 다중화 방식을 통해 송신 다이버 시티을 획득하기 위해서, 송신기는 각각의 프리 코딩 매트릭스를 사용해서 수신기로 데이터 스트림을 보내며, 상기 수신기는 수신한 데이터 스트림별로 SINR을 측정하여 CQI를 생성한 후 상기 생성한 CQI를 상기 송신기로 전송한다. 이때, 통신 시스템 성능을 극대화시키기 위해서는 수신기가 송신기로 전송하는 CQI, 즉 피드백 정보의 양을 효과적으로 감소시켜야 한다.

여기서, 수신기가 모든 경우에 대해 데이터 스트림별로 CQI를 송신기로 전송할할 경우, 즉 전피드백(full feedback)할 경우, 상기 수신기가 피드백하는 CQI의 양은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

예를 들어 상기 수학식 2에서, G=4이고, M=4인 경우 O_Full=128이 되므로, 전술한 바와 같이 전피드백할 경우, 피드백 정보, 즉 CQI를 전송하기 위해 필요로 한 자원, 즉 업링크 피드백 대역폭이 증가한다. 그러므로, 상기 업링크 피드백 대역폭을 감소시키기 위해 P_l은 고정시키고, 각 l을 위한 모든 G와 M중에서 최대의 SINR을 측정하고, 상기 측정한 SINR에 상응하여 CQI를 생성한 후 상기 생성한 CQI를 전송한다.

즉, 수신기는 송신기의 총 송신 안테나 개수 만큼의 SINR을 측정하여 CQI를 생성하고 상기 생성한 CQI를 전송한다. 여기서, 상기 수신기가 송신기로 피드백하 는 CQI의 양은 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

예를 들어 상기 수학식 3에서, G=4, M=4인 경우 O_RF=4가 되므로 수학식 2를 이용한 전피드백에 비해 현저히 작은 업링크 피드백 대역폭으로도 CQI를 전송할 수 있다. 또한, 두개의 인접한 CQI들의 차이에 대한 평균값인 델타 CQI를 이용하면 피드백을 더욱 줄일 수 있다.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 사용자 수에 상응한 데이터 전송 효율을 도시한 도면이다. 여기서, 도 4는, 4개의 송신 안테나와 1개의 수신안테나를 가지는(4T X 1R) 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템, 즉 본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 PU²RC 방식의 통신 시스템에서 각각 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭하기로 함)가 15.0 dB인 경우의 총 전송률(sum rate)에 따른 성능을 나타낸 그래프이고, 도 5는 4개의 송신 안테나와 4개의 수신안테나를 가지는(4T X 4R) 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템, 즉 본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 PU²RC 방식의 통신 시스템에서 각각 와 SNR이 10.0db인 경우의 성능을 나타낸 그래프이다. 이때, 설명의 편의를 위해 도 4와 도 5는 G=1인 것으로 가정한다.

도 4와 도 5를 살펴보면, 종래의 MIMO 통신 시스템(OL-SU(open loop-single user), PARC(Per-antenna Rate Control)에서는 한번에 한명의 사용자에게만 서비스를 할 수 있기 때문에 사용자 수가 증가함에 따라 많은 이득을 얻지 못한다. 또한, 일반적인 PU²RC 방식의 통신 시스템에서는 사용자가 증가함에 따라 높은 이득을 나타내지만, 사용자가 1~2명인 경우는 다른 방식들과 비교하여 별다른 이득을 얻지 못한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 멀티모드 PU²RC방식의 통신 시스템에서는 사용자가 증가함에 따라 높은 이득을 나타낼 뿐만 아니라 사용자가 1~2명인 경우에도 다른 방식의 통신 시스템들보다도 높은 이득을 나타낸다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명은, 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템에서 셀 내 송신기, 예컨대 BS와 수신기들, 예컨대 MS들과의 송수신 채널의 상태가 열악한 랭크를 제외하도록 스케쥴링한 후 데이터를 송수신함으로써, 셀 내 MS의 개수가 가변적일지라도 높은 다이버시티 이득을 획득하여 시스템의 성능 향상시킬 수 있다.

Claims

통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서,

수신기가 송신기와 형성된 채널의 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 개수를 결정하고, 상기 결정된 서브스트림들의 개수에 상응한 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정하는 과정과,

상기 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 나타내는 안테나 조합과 상기 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정한 후 상기 측정한 채널 상태에 상응한 데이터를 상기 송신기로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,

상기 데이터를 전송하는 과정은, 상기 각 서브스트림별로 가장 우수한 상태의 채널 품질 정보를 포함한 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,

상기 데이터를 전송하는 과정은, 상기 채널 상태를 측정한 서브스트림들 중에서 인접한 두 개의 서브스트림에 대한 채널 상태 값들의 평균값을 산출한 후, 상기 산출한 평균값을 포함한 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
통신 시스템에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서,

송신기가 다수의 수신기들로부터 서브스트림의 조합과 안테나 조합에 대한 채널 품질 정보를 수신하는 과정과,

상기 수신한 채널 품질 정보에 포함된 채널 상태 값들 중에서 각 서브스트림들의 최대값을 검색하여 상기 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율을 산출하는 과정과,

상기 산출한 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율에서 최대 전송율에 상응하는 서브스트림 조합의 인덱스를 결정하고, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 결정한 후, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 이용하여 상기 다수의 수신기들로 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제4항에 있어서,

상기 서브스트림의 조합은, 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 조합을 의미함을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제4항에 있어서,

상기 안테나 조합은, 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 의미함을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제4항에 있어서,

상기 데이터를 전송하는 과정은, 모든 프리 코딩 매트릭스들 중에서 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스에 상기 다수의 수신기들로 전송할 데이터를 매핑하여 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제4항에 있어서,

상기 채널 품질 정보는, 각 서브스트림별로 가장 우수한 상태의 채널 품질 정보인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
제4항에 있어서,

상기 채널 품질 정보는, 상기 다수의 수신기들이 채널 상태를 측정한 서브스트림들 중에서 인접한 두 개의 서브스트림에 대한 채널 상태 값들의 평균값을 산출한 후, 상기 산출한 평균값을 포함한 채널 품질 정보인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
통신 시스템에서 데이터를 전송하는 시스템에 있어서,

송신기와 형성된 채널의 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 개수를 결정한 후, 상기 결정된 서브스트림들의 개수에 상응한 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정하고, 상기 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 나타내는 안테나 조합과 상기 서브스트림 조합에 대해 채널 상태를 측정한 후 상기 측정한 채널 상태에 상응한 데이터를 상기 송신기로 전송하는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제10항에 있어서,

상기 수신기는, 상기 각 서브스트림별로 가장 우수한 상태의 채널 품질 정보 를 포함한 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제10항에 있어서,

상기 수신기는, 상기 채널 상태를 측정한 서브스트림들 중에서 인접한 두 개의 서브스트림에 대한 채널 상태 값들의 평균값을 산출한 후, 상기 산출한 평균값을 포함한 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
통신 시스템에서 데이터를 전송하는 시스템에 있어서,

다수의 수신기들로부터 서브스트림의 조합과 안테나 조합에 대한 채널 품질 정보를 수신한 후, 상기 수신한 채널 품질 정보에 포함된 채널 상태 값들 중에서 각 서브스트림들의 최대값을 검색하여 상기 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율을 산출하고, 상기 산출한 각 서브스트림들의 총 데이터 전송율에서 최대 전송율에 상응하는 서브스트림 조합의 인덱스를 결정하고, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 결정한 후, 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스를 이용하여 상기 다수의 수신기들로 데이터를 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제13항에 있어서,

상기 서브스트림의 조합은, 모든 프리 코딩 매트릭스에 대해 프리 코딩 매트릭스의 각 열(colum)에 해당하는 서브스트림들의 조합을 의미함을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제13항에 있어서,

상기 안테나 조합은, 모든 프리 코딩 매트릭스들에서 데이터 전송시 사용된 서브스트림을 의미함을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제13항에 있어서,

상기 송신기는, 모든 프리 코딩 매트릭스들 중에서 상기 결정한 서브스트림 조합의 인덱스와 프리 코딩 매트릭스의 인덱스에 상응하는 프리 코딩 매트릭스에 상기 다수의 수신기들로 전송할 데이터를 매핑하여 전송하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제13항에 있어서,

상기 채널 품질 정보는, 각 서브스트림별로 가장 우수한 상태의 채널 품질 정보인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.
제13항에 있어서,

상기 채널 품질 정보는, 상기 다수의 수신기들이 채널 상태를 측정한 서브스트림들 중에서 인접한 두 개의 서브스트림에 대한 채널 상태 값들의 평균값을 산출한 후, 상기 산출한 평균값을 포함한 채널 품질 정보인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 시스템.