KR100835285B1

KR100835285B1 - 빔 형성 방법 및 이를 위한 빔 형성 장치

Info

Publication number: KR100835285B1
Application number: KR1020060122857A
Authority: KR
Inventors: 최인경; 여충일; 권등승; 강지원; 이충용
Original assignee: 한국전자통신연구원; 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-06-05
Also published as: WO2008069427A1; US20100322223A1; US8243707B2

Abstract

본 발명은 랜덤 빔 형성 방법 및 이를 위한 빔 형성 장치에 관한 것이다.

양자화 전처리기와 사전에 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬을 이용하여, 이동 단말에 대해 빔을 형성한다. 이때, 기지국은 이동 단말로부터 피드백된 양자화 코드북의 코드워드 인덱스와 그에 대응되는 채널 품질 정보를 이용하여 빔을 형성하며, 기지국으로부터 최대 송신 안테나 수만큼 생성된 파일럿 신호를 이용하여 코드워드 인덱스와 채널 품질 정보를 생성한다.

따라서, 이동 단말과 기지국이 모두 알고 있는 코드북을 이용하며, 이동 단말에서도 양자화를 위한 코드워드 인덱스를 선택할 수 있기 때문에, 선택적 다이버시티가 부과되어 시스템 효율이 증가된다.

랜덤 빔 형성, 양자화 전처리기, 채널 추정 파일럿, 단위 행렬

Description

빔 형성 방법 및 이를 위한 빔 형성 장치{Method and apparatus for an opportunistic beamforming scheme using quantized precoder}

도 1은 일반적인 파일럿 송신부의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 구조도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 타임 슬롯의 예시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이동 단말의 구조도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 방법에 대한 흐름도이다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 사용자 수에 따른 시스템 용량의 예시도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 사용자 수에 따른 시스템 용량의 예시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 단위 행렬 수에 따른 시스템 용량의 예시도이다.

본 발명은 빔 형성 방법 및 이를 위한 비 형성 장치에 관한 것으로, 보다 자 세하게는 양자화 전처리기를 이용하여 랜덤 빔을 형성하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 사용자간의 독립적인 시변 채널 환경에 기인하는 다이버시티의 종류로 다중 사용자 다이버시티가 있다. 다수의 사용자의 채널 변화를 감시하고 이들을 스케줄링을 통해 각 사용자의 채널이 거의 최상의 상태에 다다랐을 때 즉, 채널 이득이 가장 큰 상태일 때 사용자들에게 자원을 할당함으로써 다이버시티에 대한 이득이 얻어진다.

다이버시티 이득은 채널 변화가 커짐에 따라 이득도 커지기 때문에, 채널 변화가 작거나 느린 채널환경에서는 다이버시티 이득에 대한 제약을 받는다. 이러한 환경에서, 다중 송신 안테나를 이용해 빠른 채널 변화를 유도함으로써 다이버시티의 이득을 이끌어낼 수 있는 방식을 오퍼튜니스틱 빔포밍(Opportunistic BeamForming, 이하 OBF라 지칭함)라 한다. 그러나, OBF 기법은 사용자 수가 매우 많은 경우에만 충분한 다중 사용자의 다이버시티 이득을 얻을 수 있다는 문제점이 있다.

이 외에도 다중 파일럿을 이용하여 파일럿 선택의 다양성을 부여함으로써 다이버시티의 이득을 구하는 방법이 있다. 그러나, 이와 같은 방법을 이용하면 다중 파일럿의 수에 의해 시스템 용량이 감소된다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양자화 전처리기와 단위 행렬을 이용하여 빔을 형성하는 장치를 제공한다.

또한, 양자화 코드북을 사용하고 무작위 단위 행렬을 이용하여 OBF(Opportunistic BeamForming)의 성능을 증가시키는 빔 형성 방법을 제공한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징인 빔 형성 방법은, 랜덤 빔 형성 방법에 있어서,

채널 추정을 위한 파일럿을 통해 다수의 이동 단말로부터 수신한 코드워드 인덱스 및 채널 품질 정보를 토대로 특정 이동 단말을 선택하는 단계; 상기 선택한 특정 이동 단말로 전송할 데이터를 수집하고, 상기 선택된 특정 이동 단말로 전송할 상기 데이터에 대한 빔 형성 코드를 선택하는 단계; 및 상기 수집된 데이터와 상기 선택한 빔 형성 코드를 이용하여 전송 데이터를 생성하여 상기 특정 이동 단말로 전송하는 단계를 포함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 빔 형성 방법은,

기지국으로부터 수신한 파일럿--여기서 파일럿의 수는 송신 안테나 수만큼 상기 기지국에서 생성됨--을 이용하여 상기 파일럿이 수신된 채널을 추정하는 단계; 상기 추정된 채널 및 미리 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬을 이용하여, 양자화 코드북의 코드워드에 대한 다수의 채널이득을 예측하는 단계; 및 상기 예측된 다수의 채널이득 중 가장 큰 이득의 코드워드에 대한 인덱스 및 상기 코드워드에 대응되는 채널 품질 정보를 피드백하는 단계를 포함한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 빔 형성 장치는,

다수의 이동 단말로부터 다수의 코드워드 인덱스 및 상기 코드워드 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보를 수신하고 이를 이용하여 데이터를 수신할 특정 이동 단말을 선택하는 스케줄러; 다수의 채널 중 상기 스케줄러에서 선택된 특정 이동 단말에 제공될 데이터가 선호하는 채널로의 빔 포밍을 수행하기 위한 빔 형성 코드를 출력하는 양자화 전처리부; 상기 특정 이동 단말로 전송할 데이터를 이미 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬로 양자화 코드북의 각 코드워드의 채널 이득을 예측하는 코드워드 채널 이득 예측부; 및 상기 양자화 전처리부로부터 출력된 빔 포밍을 위한 상기 빔 형성 코드와 상기 코드워드 채널 이득 예측부로부터 예측된 채널 이득을 토대로 상기 선택된 특정 이동 단말에 전달될 데이터 신호를 생성하는 데이터 생성부를 포함한다.

기지국으로부터 수신한 채널 추정을 위한 파일럿을 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정부; 상기 기지국으로부터 수신할 데이터의 벡터 양자화를 수행할, 상기 기지국과 미리 대응되도록 양자화 코드북을 저장하는 코드북 저장부; 상기 채널 추정부로부터 추정된 채널과 상기 코드북 저장부에 저장되어 있는 양자화 코드북을 이용하여, 상기 양자화 코드북에 대한 다수개의 코드워드의 채널 이득을 예측하고 다수의 채널 이득 중 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 선택하는 채널 이득 예측부; 및 상기 채널 이득 예측부에서 선택된 상기 코드워드의 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보를 생성하고, 상기 채널 품질 정보와 상기 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 코드워드 채널 품질 정보 생성부를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 일반적인 파일럿 신호 송신부의 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 사용자 수가 적은 경우의 OBF는 그 성능이 크지 않음을 주목하여, 다이버시티의 성능을 향상시키기 위해 각각의 타임 슬롯마다 다중 파일럿을 전송할 수 있도록 파일럿 신호 송신부를 구성한다. 먼저, 사용자 수를 K, 다중 파일럿의 수를 Q라 하자.

이때, 각 Q개의 파일럿 신호에 의한 채널 이득을 각 이동 단말에서 측정할 경우, k 번째 사용자의 q 번째 파일럿 신호의 채널 이득을

라 할 수 있다. 여기서, t는 타임 슬롯의 인덱스이고, q 번째 파일럿 신호에서 각 안테 나에 곱해지는 벡터(vector)는

로 정의한다. 또한, '타임 슬롯'은 스케줄링의 단위, 즉 피드백(feedback)이 오는 시간 단위로 정의하며,

는 타임 슬롯 동안 채널이 변하지 않는다는 가정 하에서, k 번째 사용자의 무선 채널 계수를 의미한다.

이동 단말은 이렇게 측정된 채널 이득, 또는 채널 이득의 함수인 채널 용량을 기지국으로 피드백한다. 기지국은 이 정보들을 이용하여 다음 [수학식 1]과 같이 최적의 빔 인덱스를 선택한다.

[수학식 1]을 통해 선택된 빔

에 대하여 최대의 채널 이득을 갖는 사용자

를 찾고, 찾은 사용자가 원하는 데이터

를 해당하는 파일럿 신호에 곱하여 생성(

)된 최적의 빔 인덱스를 해당 타임 슬롯에서 전송한다. 여기서 설명의 편의상 서브 스크립트(sub-script)의 시간 인덱스 t는 생략한다.

이와 같이 도 1에서 설명한 다중 파일럿 신호를 이용한 OFB 기술을 다중 파 일럿을 이용하여 파일럿 선택의 다양성을 부여함으로써 이득을 얻을 수 있지만, 다중 파일럿 신호의 수에 의해 시스템 용량이 감소할 수 있다. 따라서 시스템 용량의 증감에 영향을 주지 않으면서도 파일럿 신호 수가 제한되지 않는 파일럿 신호 선택 방법이 요구된다. 이를 위해 다음 도 2를 참조로 본 발명의 실시예에 따라 채널 추정을 위한 파일럿 신호만을 전송하는 기지국의 구조에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 구조도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기지국(100)은 데이터 선택부(110), 코드워드 채널 이득 예측부(120), 데이터 생성부(130), 파일럿 생성부(140), 양자화 전처리부(150) 및 스케줄러(160)를 포함한다. 기지국(100)은 채널(200)을 통해 다수의 이동 단말(300)과 통신을 주고 받으며, 이동 단말(300)로부터 선택된 코드워드 인덱스(selected codeword index)와 코드워드 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Indicator)인 채널 이득 정보를 피드백 받는다.

스케줄러(160)는 다수의 이동 단말(300)로부터 각각의 이동 단말(300)이 선택한 코드워드 인덱스와 해당 코드 워드에 따른 채널 이득에 대한 다수의 정보를 수신하면, 어느 사용자에게 데이터를 전송할 것인가를 결정한다. 즉, 이동 단말(300)로부터 피드백 된 코드워드 인덱스와 해당 코드 워드에 따른 채널 이득에 대한 다수의 정보를 이용하여 소정 이동 단말을 선택하고 이에 대한 정보를 데이터 선택부(110)로 전달한다. 특정 타임 슬롯에는 다수의 사용자에 대한 데이터를 전송하기 어렵기 때문에, 스케줄러(160)는 선택된 이동 단말로 전달될 데이터가 선호하는 안테나의 특성 등에 맞춰, 이동 단말로 전달할 데이터의 적응적인 변조 방법과 부호화 방법 등을 포함한 정보를 데이터 선택부(110)와 양자화 전처리부(150)로 전달한다.

양자화 전처리부(150)는 다수의 이동 단말(300)로 데이터 신호를 제공하기 위하여, 생성된 다수의 신호를 각각의 이동 단말(300)이 대응되어 수신할 수 있도록 빔 포밍을 수행한다. 즉, 스케줄러(160)로부터 수신한 데이터의 적응적인 변조 방법과 부호화 방범 등에 대한 정보와 데이터가 선호하는 안테나의 특성 등을 토대로 빔 형성을 수행하기 위한 코드 정보를 데이터 생성부(130)로 전달한다.

여기서 사용되는 양자화 전처리 기법은 미리 결정된 다수 개의 채널 세트를 이동 단말(300)이 알고 있고, 각 채널 세트에 대한 적합한 코드북(여기서 코드북은 양자화 전처리를 위한 코드워드 인덱스들이 포함되어 있는 코드북을 의미한다)이 주어져 있을 경우, 양자화 전처리 기법이 사용될 수 있다. 즉, 이동 단말(300)이 현재 채널 추정을 위한 파일럿을 수신한 채널과 가장 유사한 채널 세트를 결정한 후, 그 인덱스를 기지국에 피드백함으로써 기지국(100)은 결정된 채널 세트에 적합한 코드 북을 선택하고 그에 대한 데이터를 이동 단말(300)로 전송한다. 여기서 양자화 전처리 기법은 이미 널리 알려진 기술로 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.

데이터 선택부(110)는 스케줄러(160)에 의해 선택된 이동 단말이, 이용하길 원하는 데이터를 선택하는 기능을 수행한다. 즉, 스케줄러(160)에 의해 선택된 이동 단말에 제공할 데이터를 수집하여 하기에서 설명할 코드워드 채널 이득 예측부(120)로 전달한다. 여기서 수집된 데이터는 데이터만을 모아놓은 다수의 서버들 로부터 수집될 수 있으며, 수집 방법은 공지된 다양한 방법을 이용할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

코드워드 채널 이득 예측부(120)는 다수의 이동 단말(300)과 기지국(100)이 공통으로 포함하고 있는 단위 행렬(Unitary Matrix) 중 무작위 단위 행렬을 이용하여 데이터 선택부(110)가 선택한 사용자가 이용할 데이터에 단위 행렬을 곱하여 출력한다. 여기서 단위 행렬은 다수의 이동 단말(300)과 기지국(100)에 사전에 저장되어 있는 다수의 행렬 중 어느 하나의 행렬을 이용한다. 또한, 단위 행렬은 채널 추정을 위해 전송된 파일럿을 수신한 이동 단말(300)들이, 추정된 채널을 토대로 코드워드의 인덱스를 예측할 때 이용되는 행렬과 동일하다.

데이터 생성부(130)는 코드워드 채널 이득 예측부(120)로부터 출력된 데이터와 양자화 전처리부(150)로부터 전달받은 빔 형성을 위한 코드를 이용하여 실제 이동 단말에 제공될 데이터 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 이때, 데이터 신호는 사용자가 원하는 데이터, 빔 형성을 위한 코드, 사용자 선택과 동시에 선택된 코드워드, 시간에 해당하는 단위 행렬을 곱하여 생성된다.

파일럿 생성부(140)는 부 반송파의 페이딩 정보를 추정하는 채널 추정을 수행하기 위하여 다수의 이동 단말(300)로 전송될 파일럿을 생성한다. 다수의 이동 단말(300)들은 채널(200)을 통해 수신한 파일럿을 이용하여, 최대의 채널 이득을 얻을 수 있는 파일럿에 대한 채널 이득과 채널 용량에 대한 정보를 생성하여 기지국(100)으로 피드백한다. 이때 생성된 파일럿의 수는 최대 송신 안테나 수 만큼만 생성된다.

이와 같은 구성 요소로 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 기지국(100)을 이용하여 채널 추정을 위하여 파일럿 생성부(140)에서 생성된 파일럿을 채널(200)을 통해 이동 단말(300)에 전송할 때, 이동 단말(300)에서는 추정된 채널과 미리 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬 U(t)로 양자화 코드북의 각 코드워드의 채널 이득을 예측한다. 예측된 다수의 채널 이득 중 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스

와 최대 채널 이득 혹은 데이터 용량을 포함하는 CQI(Channel Quality Information, 채널 품질 정보)를 기지국(100)으로 피드백한다.

기지국(100)의 스케줄러(160)는 피드백된 정보들을 이용하여 최적의 사용자

를 선택하며, 이때 비례 공평(proportional fair) 스케줄러 또는 다른 종류의 다중 사용자 다이버시티를 얻는 스케줄러(160)를 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스케줄러(160)는 cost 함수가 채널 이득에 비례하는 특성을 지녀야 하며, 이와 같은 특성은 일반적인 스케줄러에서 모두 만족하기 때문에 스케줄러(160)로 이용되는 스케줄러의 종류에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다.

최종적으로 사용자

가 이용하길 원하는 데이터

를 선택한 코드워드 및 시간에 해당되는 단위 행렬의 곱인

를 해당 타임 슬롯에서 이동 단말(300)로 전송한다.

이와 같은 방법에 의해 이동 단말(300)로 파일럿이 전송될 때, 파일럿이 전송되는 시점인 타임 슬롯에 대하여 도 3을 참조로 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 타임 슬롯의 예시도이다.

도 3을 살펴보면, 파일럿 생성부(140)로부터 채널 추정을 위해 생성된 파일럿을 이동 단말(300)로 전송한다. 이때의 파일럿은 최대 송신 안테나 수 만큼만 필요하다. 즉, 채널의 코히어런스 시간(coherence time)이 수 개 내지 수십 개의 타임 슬롯이라 하더라도, 채널 추정이 매 타임 슬롯마다 수행될 필요가 없다. 여기서 '타임 슬롯'은 스케줄링의 단위, 즉 피드백(feedback)이 오는 시간 단위로 정의한다.

채널 추정을 위한 파일럿을 수신한 다수의 이동 단말 중 k 번째 이동 단말에서는 파일럿을 이용하여 추정된 채널

를 가지고, 미리 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬 U(t)로 양자화 코드북의 각 Q 개의 코드워드의 채널 이득 즉,

q=1, … Q를 예측한다. 예측된 채널이득 중에서 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스

와 그 코드워드에 해당하는 CQI 정보를 기지국으로 피드백한다. 여기서 코드워드의 인덱스는 모든 이동 단말(300)에 이미 공통으로 저장되어 있다.

이것을 수식으로 나타내면 하기 [수학식 2]와 같다. 여기서 무작위 단위 행렬은 송수신단 즉 기지국(100)과 이동 단말(300)에서 모두 알고 있어야 하고, 이는 사전에 약속된 패턴으로 움직인다.

기지국의 스케줄러(160)는 비례 공평 스케줄러 혹은 다른 종류의 다중 사용자 다이버시티를 얻는 스케줄러를 이용하여, 상기 정보들을 토대로 최적의 사용자

를 선택한다.

최종적으로 사용자

가 원하는 데이터

를 선택한 코드워드와 시간에 해당되는 단위 행렬에 곱한

를 타임 슬롯에서 이동 단말(300)로 전송한다. 여기서 데이터 전송 모델을 식으로 표현하면 다음 [수학식 3]과 같다.

여기서,

는 k 번째 사용자가 데이터 전송 구간에 기지국(100)으로부터 받은 신호이고,

는 백색 잡음 및 간섭 신호이다.

마찬가지로 다음 시간 구간 t + 1에서도 채널의 변화가 없다면, 이전 시간 구간에서 추정된 채널과 다음 시간 구간에서 사용될 단위 행렬 U(t + 1)로 동일한 과정을 반복할 수 있다.

다음은 상기에서 설명한 시스템으로부터 데이터를 수신하는 수신기인 이동 단말(300)의 구조에 대하여 도 4를 참조로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이동 단말의 구조도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이동 단말은 채널 추정부(310), 채널 이득 예측부(320), 코드북 저장부(340) 및 코드워드 채널 품질 정보 생성부(330)를 포함한다.

채널 추정부(310)는 기지국(100)으로부터 전송된 파일럿을 수신하고 채널을 추정한다. 채널 추정 방법에 대해서는 이미 익히 알려진 사항으로, 본 발명의 실시예에서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

채널 이득 예측부(320)는 채널 추정부(310)로부터 추정된 채널과 하기에서 설명할 코드북 저장부(340)에 저장되어 있는 양자화 코드북을 이용하여, 양자화 코드북에 포함된 다수개의 코드워드의 채널 이득을 각각 예측하고 다수의 채널 이득 중 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 선택한다.

코드북 저장부(340)는 기지국(100)으로부터 수신할 데이터에 대해 벡터 양자화를 수행할 코드북을 저장하고 있다. 여기서 양자화 코드북은 기지국(100)과 이동 단말(300)이 공통으로 알고 있는 것으로서, 미리 대응되도록 코드북 저장부(340)에 저장한다.

코드워드 채널 품질 정보 생성부(330)는 채널 이득 예측부(320)에서 선택된 코드워드의 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보를 생성하고, 상기 선택된 코드워드의 인덱스와 이에 해당하는 채널 품질 정보를 기지국(100)으로 피드백한다. 피드백 된 정보는 기지국(100)에서 사용자의 선택과 빔 포밍을 위한 기본 정보로 이용된다.

이때, 피드백 되는 정보는 일반적인 OBF 방식의 시스템과 달리 모든 파일럿에 해당하는 채널 이득을 포함하지 않는다. 이것은 OBF가 사용하는 비례 공평 스케줄러나 다른 종류의 다중 사용자 이득을 얻는 스케줄러를 사용할 때, 코스트 함수는 채널 이득에 비례하게 되기 때문이다.

다시 말하면, 코스트 함수는 코드워드와는 무관하므로, 코스트 함수를

와 같이 정의할 수 있다. 여기서

는 q 번째 코드워드, k 번째 사용자의 채널 이득을 의미한다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템에서

는

와 동일하다고 정의한다.

이러한 경우,

가 성립하기 때문에, 우선 각 사용자에게 최대 이득을 얻는 코드워드만을 선택한 후, 기지국(100)에서 그 값들을 비교하여 사용자를 선택할 수 있다. 그러므로 모든 파일럿에 해당하는 채널 이득을 보낼 필요 없이, 가장 큰 이득을 갖는 코드워드의 인덱스와 그에 해당하는 채널 품질 정보만을 피드백한다.

다음은 상기에서 설명한 시스템과 타임 슬롯 및 이동 단말(300)을 토대로 빔 형성 및 데이터 전송 과정에 대하여 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 기지국(100)의 파일럿 생성부(140)에서 채널 추정을 위한 파일럿을 생성(S100)하여 다수의 이동 단말(300)에 전송한다. 이때 생성되는 파일럿의 수는 최대 송신 안테나 수 만큼 생성되어 이동 단말(300)로 전송된다.

파일럿을 수신한 이동 단말(300)은 파일럿을 이용하여 채널을 추정(S120)하고, 추정된 채널을 가지고 이미 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬 U(t)로 양자화 코드북의 각 Q개의 코드워드의 채널 이득을 각각 예측(S130)한다. 예측된 다수의 채널 이득 중 가장 큰 이득을 나타내는 코드워드의 인덱스와 그에 대응되는 채널 품질 정보를 생성(S140)하여 기지국(100)으로 피드백(S150)한다. 피드백된 정보들은 스케줄러(160)로 전달되고, 스케줄러(160)는 정보들을 토대로 최적의 사용자 즉, 이동 단말(300)을 선택한다.

그 후, 데이터 선택부(110)는 선택된 이동 단말(300)에 전달할 즉, 사용자가 원하는 데이터를 선택하여 수집(S170)하고, 그와 동시에 양자화 전처리부(150)는 선택하여 수집된 데이터에 적합한 빔을 형성(S180)한다. 양자화 전처리부(150)에서 형성된 빔과 데이터 선택부(110)에서 선택되어 수집된 데이터에 대하여 코드워드 채널 이득 예측부(120)에서 예측한 채널 정보를 토대로 데이터 생성부(130)에서는 실제 전송할 전송 데이터를 생성(S190)한다. 즉, 사용자가 원하는 데이터를 스케줄러(160)에서 사용자 선택 시 함께 선택된 코드워드와 시간에 해당되는 단위 행렬에 곱하여 전송 데이터를 생성한다.

여기서 시간은, 파일럿 생성부(140)에서 생성된 파일럿을 이용하여 이동 단말(300)에서 코드워드 인덱스와 채널 품질 정보를 생성한 시간이 t - 1이라 가정하면, 이들 정보를 기지국(100)이 피드백 받아 사용자를 선택하는 시간인 t를 의미한다. 생성된 데이터는 해당 타임 슬롯에 이동 단말(300)로 전송(S200)된다.

다음은 상기에서 설명한 시스템과 타임 슬롯을 토대로 실제 시스템의 용량을 측정한 실시예에 대하여 도 6 내지 도 8을 토대로 설명하기로 한다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라 기지국의 송신 안테나들은 통계적으로 서로 비 상관(uncorrelated) 관계이고, 이동 단말(300)의 속도는 1km/h인 채널을 가정하며, 사용자들의 평균적인 채널 이득이 같도록 가정하였다.

또한, 하나의 타임 슬롯 중에서 하나의 파일럿이 차지하는 비율을 1%로 하며, 본 발명의 실시예에서 필요한 최대 파일럿인 매 타임슬롯마다 송신 안테나 수만큼의 파일럿 수가 존재한다고 가정한다. 또한, 양자화 전처리기(150)와 단위 행렬은 임의로 발생하였으며, 송신 안테나의 수는 4개로 고정한다고 가정한다.

도 6을 살펴보면, Q = 8 즉, 3비트 코드북을 사용하였을 경우, 사용자 수에 따른 시스템 용량에 대하여 나타낸다. 여기서 단위 행렬은 이미 기지국과 이동 단말간에 약속되어 있는 80개의 행렬을 번갈아 가며 사용한다.

가장 성능이 안 좋은 시스템은 각 이동 단말(300)에서 채널 이득을 보내고 기지국(100)에서는 비례 공평 알고리즘으로 자원을 할당하는 기본적인 시스템이다. 동그라미로 표시된 그래프는 OBF 방식 시스템의 성능이고, 다이아몬드로 표시된 그래프는 다중 파일럿을 이용한 OBF 방식 시스템의 성능을 나타낸 것이다.

또한, 엑스표시가 된 그래프는 본 발명의 실시예에 따른 시스템과의 비교를 위해 무작위 단위 행렬을 이용하지 않고 양자화 전처리기만을 이용한 경우의 시스템에 대한 성능을 나타낸 것이다. 이 시스템은 여러 고정된 빔들에 대해 선택적으로 OBF를 수행하는 시스템으로 이해할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 시스템이 양자화 전처리기만을 사용한 시스템에 비해 높은 시스템 효율을 보이는 것은, 무작위 단위 행렬로 채널 변화가 빠르고 커져서 다중 사용자 다이버시티 이득을 더욱 크게 하고 있음을 의미한다. 또한, 다중 파일럿을 이용한 OBF 방식보다 성능이 우수한 것은, 다중 파일럿을 이용한 OBF 방식은 매 타임 슬롯 당 8개의 파일럿을 사용하는데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 송신 안테나 수인 4개만을 사용하기 때문이다. 또한, OBF보다 사용자 수가 적을수록 큰 시스템 효율의 이득을 보고 있다.

다음은 상기 도 6에서 설명한 환경과 동일한 환경에서 코드북의 크기만 4 비트로 늘린 경우의 사용자 수에 따른 시스템 용량에 대하여 도 7을 참조로 설명하기로 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 피드백으로 필요한 정보 비트가 하나 더 증가한 경우의 사용자 수에 따른 시스템 용량을 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 시스템 용량이 증가함을 알 수 있다. 반면, 다중 파일럿을 이용한 OBF 방식의 시스템 성능은 파일럿의 수의 증가로 인해 크게 저하되었고, 사용자 수가 대략 7명 이상인 경우 오히려 단일 파일럿을 사용한 OBF 방식이 다중 파일럿을 이용한 OBF 방식보다 더 우월한 성능을 보임을 알 수 있다.

다음은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템 용량에 대하여 도 8을 참고로 설명하기로 한다.

도 8에 도시된 시스템 용량을 측정하기 위해 상기 설명한 도 6과 같이 3 비트 코드북을 사용하였으며, 사용자 수는 10명으로 고정하였다. 도 8에서 단위 행렬의 수가 1개인 경우는 상기 도 5에서의 양자화 전처리기만을 사용한 경우와 동일하며, 시스템 성능도 일치한다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 단위 행렬의 수가 클수록 그 성능이 커지며, 대략 10개 이상의 단위 행렬을 이용하게 되면 수렴한다. 이는 단위 행렬의 수가 어느 정도 이상이 되면 충분한 무작위성(randomness)을 갖게 됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 필요로 하는 기지국(100)과 이동 단말이(300) 가지고 있어야 하는 단위 행렬의 수가 많지 않아도, 충분한 시스템 성능을 유지할 수 있음을 의미한다.

여기서, 전술한 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로 그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체 역시 본 발명의 범주에 포함되는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

전술한 실시예에 따르면, 이동 단말도 기지국이 알고 있는 코드북을 저장하고 있고 이를 이용하여 이동 단말에서도 인덱스를 선택할 수 있기 때문에, 선택적 다이버시티가 부과되어 시스템 효율이 증가된다.

또한, 채널 추정을 위한 파일럿을 이용하고 사용하고자 하는 코드 워드의 수를 늘려, 시스템 용량이 증가되도록 한다.

Claims

기지국에서 이동 단말에 대한 빔을 형성하는 방법에 있어서,

채널 추정을 위한 파일럿 신호를 수신한 다수의 이동 단말로부터, 양자화를 위한 코드워드 인덱스 및 채널 품질 정보를 수신하고, 이를 토대로 하나의 이동 단말을 선택하는 단계;

상기 선택된 이동 단말로 전송할 데이터를 수집하고, 상기 수집된 데이터에 대한 빔 형성 코드를 선택하는 단계; 및

상기 수집된 데이터와 상기 선택한 빔 형성 코드를 이용하여 전송 데이터를 생성하여 상기 선택된 이동 단말로 전송하는 단계

를 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 이동 단말로 전송하는 단계는,

상기 수집된 데이터에 무작위 단위 행렬을 이용하여 양자화 코드북의 채널 이득을 예측하는 단계; 및

상기 수집된 데이터에 가장 큰 이득의 코드워드와 그 시간에 해당되는 단위 행렬을 곱하여 생성된 빔 인덱스 정보를 상기 이동 단말로 상기 형성된 빔을 이용하여 전송하는 단계

를 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 생성된 전송 데이터는,

특정 이동 단말이 데이터 전송 구간에 받길 원하는 데이터, 추정된 채널, 상기 데이터를 선택한 코드워드 및 단위 행렬의 곱에 백색잡음 및 간섭신호를 더하여 생성되는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 파일럿 신호를 수신하며, 빔 형성을 위해 기지국으로 정보를 제공하는 이동 단말은,

상기 이동 단말이 기지국으로부터 수신한 파일럿--여기서 파일럿의 수는 송신 안테나 수만큼 상기 기지국에서 생성됨--을 이용하여 상기 파일럿이 수신된 채널을 추정하는 단계;

상기 추정된 채널 및 미리 약속된 패턴의 무작위 단위 행렬을 이용하여, 양자화 코드북의 코드워드에 대한 다수의 채널이득을 예측하는 단계; 및

상기 예측된 다수의 채널이득 중 가장 큰 이득의 코드워드에 대한 인덱스 및 상기 코드워드에 대응되는 채널 품질 정보를 피드백하는 단계

를 포함하는 빔 형성 방법.
제4항에 있어서,

상기 코드워드 인덱스는 단위 행렬, 상기 코드워드 및 상기 추정된 채널의 곱으로 계산되는 빔 형성 방법.
제4항에 있어서,

상기 양자화 코드북은 상기 기지국에서 사용되는 양자화 코드북과 동일한 빔 형성 방법.
다수의 이동 단말로부터 다수의 코드워드 인덱스 및 상기 코드워드 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보를 수신하고 이를 이용하여 데이터를 수신할 특정 이동 단말을 선택하는 스케줄러;

다수의 채널 중 상기 스케줄러에서 선택된 특정 이동 단말에 제공될 데이터가 선호하는 채널로의 빔 포밍을 수행하기 위한 빔 형성 코드를 출력하는 양자화 전처리부;

상기 특정 이동 단말로 전송할 데이터를 이미 약속된 패턴의 무작위 단위 행 렬로 양자화 코드북의 각 코드워드의 채널 이득을 예측하는 코드워드 채널 이득 예측부; 및

상기 양자화 전처리부로부터 출력된 빔 포밍을 위한 상기 빔 형성 코드와 상기 코드워드 채널 이득 예측부로부터 예측된 채널 이득을 토대로 상기 선택된 특정 이동 단말에 전달될 데이터 신호를 생성하는 데이터 생성부

를 포함하는 빔 형성 장치.
제7항에 있어서,

상기 다수의 이동 단말에 대한 채널을 추정하기 위한 파일럿을 생성하는 파일럿 생성부; 및

상기 스케줄러에서 선택된 특정 이동 단말로 제공될 데이터를 수집하여 상기 코드워드 채널 이득 예측부로 전달하는 데이터 선택부

를 더 포함하는 빔 형성 장치.
제7항에 있어서,

상기 각 코드워드의 채널이득 및 상기 코드워드에 대응되는 채널 품질 정보는 상기 다수의 이동 단말에서 추정된 채널과 무작위 단위 행렬로 양자화 코드북의 채널 이득을 예측하여 수집되는 빔 형성 장치.
제9항에 있어서,

상기 채널 품질 정보는 상기 코드워드 인덱스의 채널 이득 또는 데이터 용량 정보인 빔 형성 장치.
제7항에 있어서,

상기 스케줄러는 코스트 함수가 채널 이득에 비례하는 특성을 나타내는 비례 공평(proportional fair) 스케줄러 및 다중 사용자 다이버시티를 얻는 스케줄러 중 어느 하나의 형태인 빔 형성 장치.
제11항에 있어서,

상기 코스트 함수는,

(여기서,
는 q번째 코드워드, k번째 사용자의 채널 이득으로, 상기
는
의 의미임)

인 빔 형성 장치.
기지국으로부터 수신한 채널 추정을 위한 파일럿을 이용하여 채널을 추정하는 채널 추정부;

상기 기지국으로부터 수신할 데이터의 벡터 양자화를 수행할, 상기 기지국과 미리 대응되도록 양자화 코드북을 저장하는 코드북 저장부;

상기 채널 추정부로부터 추정된 채널과 상기 코드북 저장부에 저장되어 있는 양자화 코드북을 이용하여, 상기 양자화 코드북에 대한 다수개의 코드워드의 채널 이득을 예측하고 다수의 채널 이득 중 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 선택하는 채널 이득 예측부; 및

상기 채널 이득 예측부에서 선택된 상기 코드워드의 인덱스에 대응되는 채널 품질 정보를 생성하고, 상기 채널 품질 정보와 상기 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 코드워드 채널 품질 정보 생성부

를 포함하는 이동 단말.
제13항에 있어서,

상기 가장 이득이 큰 코드워드의 인덱스를 선택할 때, 상기 기지국과 함께 미리 정의된 형태로 저장되어 있는 무작위 단위 행렬을 이용하는 이동 단말.