KR100842619B1

KR100842619B1 - 분산 무선 통신 시스템에서 심볼 에러율의 기반 직교 공간시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당방법

Info

Publication number: KR100842619B1
Application number: KR1020060115851A
Authority: KR
Inventors: 슈앙펑 한; 황성택; 김훈; 김상호; 조재헌; 이재훈; 송기욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-30
Also published as: US20080117961A1; US7904106B2; KR20080046420A

Abstract

본 발명은 분산 무선 통신 시스템에서의 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 장치에 있어서, 각각 다수개의 분산 안테나가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있는, 다수개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이와; 수신측으로부터 피드백된 서브어레이 각각의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터를 이용하여, 다수의 서브어레이에서 조합 가능한 서브세트별 미리 설정된 파워 할당 방식을 적용하여 성능을 확인하며, 확인한 성능에 따라 최선의 성능을 가지는 서브세트를 최적의 서브세트로 설정하며, 이에 따른 파워 할당을 수행하는 중앙 처리 유닛을 구비한다.

DA, MIMO, DWCS, OSTBC, 파워, 빔 형성

Description

분산 무선 통신 시스템에서 심볼 에러율의 기반 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 방법{SYMBOL ERROR RATE BASED POWER ALLOCATION SCHEME FOR COMBINED ORTHOGONAL SPACE TIME BLOCK CODES AND BEAM FORMING IN DISTRIBUTED WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 종래의 분산 무선 통신 시스템에서 직교 공간 시간 블록 코드(OSTBC: Orthogonal Space Time Block Codes)와 빔 형성을 조합한 전송 장치의 블록 구성 예시도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC와 빔 형성을 조합한 전송 장치의 블록 구성도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC 전송 방식의 유효 입력 및 출력 관계를 나타낸 도면

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 동작의 흐름도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 방식의 성능 특성 그래프

본 발명은 공간-시간 코딩 기술(space-time coding techniques)을 사용하는 분산형 입력 - 분산형 출력(distributed input - distributed output) 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 심볼 에러율(SER: Symbol Error Rate) 기반의 전송 파워 할당 방법에 관한 것이다.

무선 기술에서 상대적으로 새롭게 개발된 기술은 공간 멀티플렉싱 기술(spatial multiplexing) 및 공간-시간 코딩 기술이다. 공간-시간 코딩 중 특정 타입은 다중 입력 다중 출력(multiple input multiple output)을 위한 MIMO로서 지칭되며, 신호를 수신 및 송신하는데 있어서 다수의 안테나를 사용함으로써, 다수의 독립적 무선파가 동일한 주파수 범위 내에서 동일한 시간에 송신되도록 한다.

근본적으로, MIMO 기술은 공통 주파수 대역 내에서 병렬적 공간 데이터 스트림을 생성함으로써 공간적으로 분산된 안테나의 사용을 기반으로 하고 있다. 개별적인 신호가 동일한 주파수 내에서 송신될지라도 수신기에서 분리되고 복조되어 다수의 통계적으로 독립된(즉, 효과적으로 분리된) 통신 채널들이 생성되도록 무선파들이 송신된다. 따라서, 다중 경로(즉, 시간상 지연되고 진폭 및 위상이 수성된 동일한 주파수의 다수의 신호들)를 금지하도록 하는 표준적인 무선 통신 시스템과는 대조적으로 MIMO는 적절한 주파수 대역 내에서 개선된 신호 대 잡음 비율 및 보다 높은 처리량을 성취하도록, 상관이 거의 없는(또는 약하게 상관된) 다중 경로 신호를 의존할 수 있다.

MIMO 타입 기술의 한 특정한 응용 중에서, 하기 참조문헌[1], [2]에서 제공된 이론적 결과는 분산 안테나(DA: Distributed Antennas)가 위치 공유된(co-located) 다중 입력 다중 출력(C-MIMO) 채널에 비해 용량 측면에서 유리함을 입증하였다. 그러나, DA의 용량상의 이점을 충분히 얻기 위한 방법에 대해서는 아직 철저한 연구가 이루어지지 않은 상태이다. 이를 위해서 분산 무선 통신 시스템(DWCS: Distributed Wireless Communication System)의 개념이 하기 참조문헌[3]에 제안되었는데, 이 시스템은 송신 및 수신 신호를 함께 처리할 수 있어 시스템 용량을 크게 증가시킬 것으로 기대되고 있다.

DWCS에서 하기 참조문헌[4]에 개시된 바와 같은 직교 공간 시간 블록 코드(OSTBC: Orthogonal Space Time Block Codes)와 빔 형성을 조합하면 매우 고무적인 결과를 낳는데, 왜냐하면 (DA로부터의) 거시적 다양성, (OSTBC로부터의) 송신/수신 밀도, 그리고 (빔 형성으로부터의) 어레이 이득을 이용하기 때문이다. 이 방안에 관한 이전의 연구에서는 주로 동일한 대규모(large-scale) 페이딩(섀도잉 및 경로 손실: shadowing and pathloss) 시나리오를 고려하였다. 그러나, 실제 시스템에서 일어나는 이동 단말(MT: Mobile Terminal)로부터 지리적으로 분산되어 있는 DA로의 대규모 페이딩은 크게 다를 수 있으며, 이는 전송 파워를 동일하게 할당하는 것이 비경제적임을 의미한다. 따라서, 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information)에 기초한 전송 파워 할당이 필수적이다.

도 1은 종래의 분산 무선 통신 시스템에서 직교 공간 시간 블록 코드(OSTBC: Orthogonal Space Time Block Codes)와 빔 형성을 조합한 전송 장치의 블록 구성도 이다. 도 1을 참조하면, 전송측에서 전송하고자 하는 데이터 심볼은 지정된 변조 방식에 의해 변조된 후 공간-시간 인코더(100)로 입력되어 공간-시간 부호화되며, 이후 부호화된 데이터 심볼들은 지리적으로 분산된 다수의 서브어레이(111)에 제공되어 각각 빔 형성된다. 도 1에 도시한 바와 같이(또한 하기 참조문헌[5], [6]에 채택된 바와 같이), 종래에서는 다음과 같은 가정 하에 OSTBC 겸 빔 형성용 전송 방안을 제공한다.

1) 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 일부 서브어레이(111) 중에 기지국 안테나가 분리되어 있다. MT(120)로부터 각 서브어레이(111)로의 대규모 페이딩은 동일하다고 가정한다.

2) 각각의 서브어레이(111) 내의 안테나에 대해 반파장 간격을 이용한다. MT(110)로부터 각 서브어레이(111)까지 단일 경로가 존재하며, 주어진 서브어레이(111) 내에서 안테나에 의해 보여지는 채널은 어레이 응답 벡터에 의해 완벽히 상호 연관되어 있다. 이 어레이 응답 벡터는 피드백 또는 기타 도착 방향(DOA: Direction - of - Arrival) 추정 기법에 의해 추정할 수 있다.

3) 상응하는 정규화 어레이 응답 벡터를 j번째 서브어레이(111)의 빔 형성 가중치 벡터로 직접 사용한다. 최대 개구 이득 q _j 을 얻도록 j번째 서브어레이(111)에 대해 완벽한 빔 형성을 가정한다(개구 이득은 한 안테나에 대해 안테나 어레이에 의해 달성되는 원하는 방향에서의 신호 파워의 평균의 증가로 볼 수 있으며, 이 때 양 시스템에서 전송되는 전체 파워는 동일하다고 가정한다).

4) 각각의 전송 서브어레이(111)로부터의 신호에서 독립적인 페이딩이 일어날 수 있을 정도로 서브어레이(111)들이 충분히 멀리 떨어져 있다. 이 경우 각각의 서브어레이(101)를 등가 전송 유닛으로 볼 수 있다. 이 등가 유닛에 OSTBC를 인가하여 전송 다양성을 달성한다. 동일한 파워 할당을 채택한다.

5) 준 자율(Quasi-static) 플랫 레일리(Rayleigh) 페이딩 채널을 가정한다.

6) 시스템은 완전히 동기화되어 있다.

7) 수신 안테나는 단 하나이다.

그런데, 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 OSTBC 겸 빔 형성용 전송 방안에서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

1) 레일리 페이딩은 비가시선(NLOS: None Line Of Sight) 통신 시나리오의 경우에만 적용된다. 그러나, DA의 분포로 인해 가시선(LOS: Line Of sight) 신호가 DWCS에 존재하는 경우가 종종 있다. 나카가미 페이딩(Nakagami fading)이 더 일반적인 페이딩 모델이며, 따라서 이를 대신 고려해야 한다.

2) MT로부터 지리적으로 분산되어 있는 DA로의 대규모 페이딩은 실제 시스템에서 크게 다를 수 있다. 따라서, 파워 할당을 동일하게 하면 허용 불가능한 수준의 성능이 초래될 수 있다. 전송 파워를 최적으로 할당해야 한다.

3) 각각의 서브어레이에서의 안테나의 수는 모든 서브어레이에 대해 동일하다고 가정한다. 실제 시스템에서는 각각의 서브어레이에서의 안테나 수를 통신 환경에 따라 적응식으로 구성해야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 최적에 근접한 성능을 발휘할 수 있는 DWCS에서의 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 최적에 가까운 파워 할당 방안을 제공할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 DWCS 내의 플랫(flat) 나카가미 페이딩 채널에서의 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 방안을 제공하여 주어진 목표 데이터 레이트 및 전체 전송 파워에서 심볼 에러율(SER)을 최소할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 양상은 분산 무선 통신 시스템에서의 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 장치에 있어서, 각각 다수개의 분산 안테나가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있는, 다수개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이와; 수신측으로부터 피드백된 상기 서브어레이 각각의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터를 이용하여, 상기 다수의 서브어레이에서 조합 가능한 서브세트별 미리 설정된 파워 할당 방식을 적용하여 성능을 확인하며, 상기 확인한 성능에 따라 최선의 성능을 가지는 서브세트를 최적의 서브세트로 설정하며, 이에 따른 파워 할당을 수행하는 중앙 처리 유닛을 구비함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상은 각각 다수개의 분산 안테나가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있는, 다수개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이를 구비한 분산 무선 통신 시스템에서의 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 방법에 있어서, 상기 각각의 서브어레이에 대해 DOA(Direction - of - Arrival)를 추정하고, 각각의 안테나 서브어레이에 대해 어레이 응답 벡터를 생성하는 과정과, 수신측으로부터 피드백된 상기 서브어레이 각각의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터를 이용하여, 상기 다수의 서브어레이에서 조합 가능한 서브세트별 상기 각각의 서브어레이의 나카가미 페이딩 파라미터 m에 비례하는 전송 파워를 할당하여, 상기 각각의 서브세트별 심볼 에러 레이트를 구하는 과정과, 상기 구한 심볼 에러 레이트가 가장 낮은 서브세트를 최적의 서브세트로 설정하며 이에 따른 파워 할당을 수행함을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

본 발명은 수신기로부터 송신기로 피드백되는 대규모 페이딩 정보(경로 손실 및 섀도잉) 및 나카가미 페이딩 파라미터에 기반하여, 분산 무선 통신 시스템에서의 플랫 나카가미 페이딩 채널 내에서의 OSTBC 겸 빔 형성 전송 방안을 위한 적응식의 심볼 에러 레이트(SER)에 기초한 전송 파워 할당 방안을 제공한다.

본 발명에서 송신기는 지리적으로 분산되어 있는 분산 안테나 서브어레이를 위하여 MT의 DOA를 추정하고, 각각의 서브어레이 내에서 빔 형성을 실행하여, 추정된 어레이 응답 벡터를 이용하여 어레이 이득을 달성한다. OSTBC 심볼은 서브어레이로 전송되어 전송 다이버시티(diversity)를 달성한다.

또한 본 발명에서는 통신 환경을 고려하여 각각의 서브어레이에 대해 안테나 수를 유동적으로 한다. 고밀도 통신 지역의 경우에는 더 많은 안테나를 서브어레이에 배치할 수 있다.

각각의 서브어레이에 대한 나카가미 페이딩 파라미터 m은 반드시 동일할 필요는 없다.

전송 안테나 서브세트는 서브어레이의 임의의 조합이다. 본 발명의 파워 할당 방안은 파워 할당이 최적화된 최선의 서브세트를 선택한다.

본 발명에서 임의의 전송 안테나 서브세트를 위한 준-최적 파워 할당 방안은 "water pouring algorithm"(PAS1)을 사용하여 전송 파워를 할당하거나, 또는 단순히 각 서브어레이의 나카가미 페이딩 파라미터 m에 비례하는 전송 파워를 할당한다. 이러한 전송 할당은 높은 전송 파워 레벨에서 최적의 파워 할당에 매우 가깝다.

본 발명에서는 각각의 안테나 서브세트로의 준-최적 파워 할당에 기초하여 안테나 서브세트 선택을 행함으로써, 임의의 전송 파워 레벨에서 최적의 성능에 가까운, 전송을 위한 최선의 SER 성능을 갖는 서브세트를 선택한다

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

[시스템 모델]

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC와 빔 형성을 조합한 전송 장치의 블록 구성도로서, 다운링크 단일 사용자 (n, l, q ₁ ,…, q _ㅣ , 1) DWCS를 고려한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 l개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이(211)에 각각 n개의 DA가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있으며, q _j 개의 DA가 j번째(j=1, 2,…,l) 서브어레이(211)에 있고,

이며, MT(220)는 하나의 안테나를 구비한다. 모든 DA는 이들 DA의 전송 및 수신 신호가 처리되는 중앙 처리 유닛(200)에 독립적으로 연결되어 있다. 일반적으로 상이한 DA 서브어레이(211)의 거시적 및 미시적 페이딩은 서로 독립적이다.

각각의 서브어레이(211) 내의 안테나에 대해 반파장 간격을 이용한다. MT(220)로부터 각 서브어레이(211)까지 단일 경로가 존재하며, 주어진 서브어레이(211) 내에서 안테나에 의해 보여지는 채널은 어레이 응답 벡터에 의해 완벽히 상호 연관되어 있다고 가정한다. 이 어레이 응답 벡터는 DOA 추정 기법에 의해 추정할 수 있다. 상응하는 정규화 어레이 응답 벡터를 j번째 서브어레이(211)의 빔 형성 가중치 벡터로 직접 사용한다. 최대 개구 이득 q _j 을 얻도록 j번째 서브어레이(211)에 대해 완벽한 빔 형성을 가정한다. 이 경우 각각의 서브어레이(211)를 등가 전송 유닛으로 볼 수 있다. 이 등가 유닛에 OSTBC를 인가하여 전송 다양성을 달 성한다.

본 발명에서는 중앙 처리 유닛(200)에서 최적의 파워 할당을 가지는 최적의 전송 안테나 서브세트(안테나 서브어레이의 조합)를 먼저 얻는다. 그리고 나서, 공간-시간 인코더(201)에 의해 단위 평균 파워의 OSTBC 심볼을 생성하고, 전송 전에 파워 할당 행렬 P를 먼저 곱한다. 각각의 서브어레이(211) 내에서의 파워 할당은 동일하다고 가정한다. 따라서, 대각선(diagonal) 파워 할당 행렬 P는

와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서 w _j , j=1,…,l 는 j번째 서브어레이에 대한 파워 할당 가중치를 의미하고,

이다. 채널의 주파수는 플랫(flat)하며, 수신기에서 완벽한 CSI를 사용할 수 있다고 가정한다. 각각의 서브어레이(211)의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터는 송신측으로 피드백된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC 전송 방식의 유효 입력 및 출력 관계를 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 경우, 유효 입력 및 출력 관계는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서 y 와 x는 수신 및 송신 벡터이고, n은 복합(complex)

노이즈이며, P _o 는 전체 평균 전송 파워이다. 따라서,

이 전송 파워 대 수신 노이즈의 비(TSNR: transmit power to receive noise ratio)가 되며, 이를

로 표시한다. 대각선 행렬 B는 빔 형성 이득 행렬이며,

이다. j번째 전송 안테나 서브어레이로부터 수신기 안테나로의 채널 이득은

이며,

에 걸쳐

가 균일하게 분포되어 있다.

는 나카가미 분산된 랜덤 변수이며, 그 확률 밀도 함수(PDF: Probability Density Function)는 하기 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2에서,

는

의 평균 파워이며,

은 나카가미 페이딩 파라미터이다. 일반적으로

이며, 이는 페이딩의 심각성을 나타낸다.

, j=1,…,l,은 j번째 안테나 서브어레이에 대한 대규모 페이딩임에 주목하기 바란다. 이 대규모 페이딩은 나카가미 페이딩 파라미터와 더불어 수신기로부터의 피드백을 통해 송신기에 알려져 있다고 가정한다. 일반적인 점대점 MIMO 채널에서는 이 대규모 페이딩이 동일하다고 가정하는데, 왜냐하면 안테나들이 위치를 공유하기 때문이다. 그러나, 본 발명에 따른 DWCS에서는 지리적 분산으로 인해 대규모 페이딩이 크게 변할 수 있다.

전송 안테나 서브세트를 DA 서브어레이의 임의의 조합으로 정의한다. 이때 서브어레이의 개수가 l이므로 총

개의 서브세트가 있으며, 이를

로 나타낸다. 예를 들면, 서브세트 A _l 는 l개의 포트를 모두 포함한다고 가정한다. OSTBC의 레이트를 r로 나타내며, r = n _s /T 이고, n _s 개의 독립적인 데이터 스트림이 T 개의 연속된 심볼 기간 동안 전송된다. 안테나 서브세트마다 레이트가 서로 다를 수 있으므로, 편의상 서브세트 A _k 에 대해서는 단 하나의 레이트 r _k (k=1,…,

)만을 가정하기로 한다. 동일한 데이터 레이트로 전송하기 위해, 다른 안테나 서브세트들에는 다른 심볼 성상도(constellation)가 사용될 수 있다. 본 발명에서는 성상도 포인트는 QAM(Quadrature Amplitued Modulation)의 q _k 및 서브세트 A _k 의 PSK(Phase Shift Keying) 심볼로 간주한다. 예를 들어, OSTBC의 3/4 레이트가 사용되는 4 안테나 서브-어레이 상에서 3bit/s 데이터 레이트로 전송할 경우에, 변조 타입은 16QAM 또는 16PSK가 될 수 있다.

[M-QAM 및 M-PSK로 나타낸 SER 유도]

플랫(flat) 나카가미 페이딩 채널에서의 코드화되지 않은 OSTBC 겸 빔 형성의 경우, SER은 유용한 성능의 척도가 된다. 따라서, 본 발명에서는 SER을 최소화하여 전송을 최적화하기 위한 파워 할당 방안을 제안한다. 변조가 각각 M _l -QAM 및 M _l -PSK로 가정할 경우에, 레이트가 r _l 인 서브세트 A _l 의 SER은 다음과 같이 유도된다.

신호 대 노이즈 비율(SNR: Signal to Noise Ratio)

는 이는 하기 수학식 3과 같이 유도할 수 있다.

상기 수학식 3에서

는 감마 분포 무작위 변수이며, 이 변수의 PDF는 하기 수학식 4와 같다.

의 MGF(Moment Generation Function)는 하기 수학식 5와 같이 유도된다.

상기 수학식 5에서서 계수

는 부분 분수(partial fraction)를 실행함으로써 얻을 수 있다.

따라서,

의 PDF는

로 역변환함으로써 얻을 수 있다.

상기 수학식 7로부터 C-MIMO 페이딩 채널 상으로 OSTBC의 M _l -QAM 및 M _l -PSK 계수의 보다 정연한 닫힌 형식(closed-form)의 SER 표현을 도출하여, OSTBC의 SER은 하기 수학식 8 및 9와 같을 수 있다.

상기에서

이며,

,

이다.

다른 서브세트 상으로 전송된 OSTBC를 위한 SER 표현도 얻어질 수 있다. 본 발명에서는 각각의 서브-에러이에 최적의 파워 할당을 통해서 또한 최고의 전송시최고의 SER 성능을 가질 수 있는 서브세트의 선택에 의해서 각 서브세트에 SER을 최소화할 수 있는 방안을 제공한다. 이때 SER을 직접적으로 최적화하기는 어려우므로, 본 발명에서는 다음과 같은 준-최적 방안을 따른다.

[MQAM 심볼을 위한 준-최적 파워 할당]

MQAM 성상도를 갖는 OSTBC의 SER은 하기 수학식 10과 같다.

주어진 전송 시나리오에서 STBC 전송을 위한 최적의 서브세트를 모르는 상태에서, 본 발명에서는 서브세트 A_g(서브-어레이 1, 2,…, g를 포함함;

)를 최적의 파워 할당 가중치 w₁,…, w_g(일부는 0일 수 있음)를 가진 최적으로 간주 한다. Q 함수 즉,

에 체르노프 상한(Chernoff bound)을 적용하면, 이러한 결합된 기법(MgQAM 심볼을 가진)의 SER의 상한(upper bound)은 하기 수학식 11과 같을 수 있다.

본 발명에서는 최적으로 전송 파워를 할당하는 것에 의해 이러한 상한을 최소화하는 것은 하기 수학식 12와 같은 최적화 문제에 해당함을 주목하였다.

극대화 표현은 변수 w _j 에 의한 오목(concave) 함수이며, 라그랑지(Lagrangian) 방법을 이용하여 최대화할 수 있다. 함수 F는 하기 수학식 13과 같이 정의된다.

라 할 경우에,

(j=1,…,g)는 하기 수학식 14와 같이 "water pouring" 알고리즘을 통해 반복적으로 등식을 푸는 것에 의해 구해질 수 있다.

본 발명에서는 이러한 방식을 제1 파워 할당 방안(Power Allocation Scheme 1: PAS1)으로 칭하기로 한다. 고(high)　TSNR 영역에서 파워 할당 가중치는 하기 수학식 15와 같을 수 있다.

본 발명에서는 특정 전송 파워 레벨로 상기 수학식 15를 적용하는 방안을 제2 파워 할당 방안(PAS2)으로 칭하기로 한다.

[MPSK 심볼을 위한 준-최적 파워 할당]

서브세트 A_g 상에서 MPSK 심볼을 가진 OSTBC의 SER은 하기 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.

일 경우에, 상기 수학식 16은

로 근사될 수 있다. AWGN(Additive White Gaussian Noise) 채널 상으로 BPSK 및 QPSK의 SER은 하기 수학식 17 및 18과 같이 근사될 수 있다.

체르노프 상한을 Q 함수에 적용하면, SER의 상한은 하기 수학식 19 내지 21과 같이 도출될 수 있다.

간략히, 준-최적 파워 할당 가중치는 MgPSK(M_g>4), BPSK 및 QPSK 성상도를 위해 상기 수학식 14에 각각

,

를 적용하여 라그랑지 방법에 의해 얻어질 수 있다. 고 TSNR 영역에서 파워 할당은 상기 수학식 15임에 유의하여야 한다.

[준-최적 파워 할당 방안을 이용한 안테나 서브세트 선택]

상기 수학식 14 및 15로부터 얻어진 파워 할당 가중치를 상기 수학식 8 및 9에 적용하여, MQAM 및 MPSK 심볼의 준-최적 SER

를 구할 수 있다.

상기 방법을 임의의 가능한 최적의 안테나 서브세트에 적용하면, 유사한 준-최적 파워 할당 방안을 PAS1, PAS2와 같이 쉽게 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 무선 통신 시스템에서 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 동작의 흐름도로서, 특정 단계는 최적 서브세트를 얻기 위해 필요하다. 도 4에 도시된 파워 할당 방안의 흐름도에 도시된 바와 같이, 최적의 파워 할당을 위해서는,

- 먼저 초기화를 행한다. 즉, i=1, A=A _i , P=P₀=1로 설정하는데, 여기서 A는 최적의 안테나 서브세트를 나타내고, P는 준-최적 SER을 나타낸다(401단계).

- 각각의 서브어레이에 대해 DOA를 추정하고, 각각의 안테나 서브어레이에 대해 어레이 응답 벡터를 생성한다. 이때 MT는 대규모 페이딩 정보를 나카가미 페이딩 파라미터와 더불어 송신기로 피드백하는 것으로 가정하며, 이를 제공받는다(402단계).

- 준-최적 파워 할당 방안 PAS1, PAS2를 이용하여, 서브세트 A _i 에 대한 준-최적 SER P _i 을 계산한다(403단계).

- 이때 계산한 SER P _i <=P _i _-1인지 확인하여(404단계), P _i <=P _i _-1이면 A=A _i , P=P _i 로 설정한다(405단계). 이러한 과정에 따라 각 서브세트별 SER 중 가장 최적(가장 작은 값)의 SER이 확인되고 그에 대응되는 해당 서브세트를 확인할 수 있게 된다.

- 이후 i<2 ^l -1인지 확인하여(406단계), i<2 ^l -1일 경우에 i=i+1한 후에(407단계) 해당 서브세트에서 SER을 계산하는 동작을 반복적으로 수행하며, 그렇지 않으면 프로그램을 종료하고 A와 P를 출력한다.

[수치 결과]

본 발명에 따른 방안의 성능을 검사하기 위하여, 예를 들어, 4개의 DA가 2개의 서브어레이로서 그룹을 이루고 있고 수신기가 1개의 안테나를 구비하며 정규화된 대규모 페이딩이

및

인, (n, l, q ₁ ,…, q _ㅣ , 1)이 (4,2,2,2,1) DA 토폴로지를 고려한다. 목표 용량은 2 bits/s/Hz이다. 서브어레이 1 및 2에 대한 m 파라미터는 각각 1 및 2이다. 안테나 서브세트는 A₁(서브어레이 1), A₂(서브어레이 2) 및 A₃(2개의 서브어레이)을 포함한다. 최대 레이트(레이트 1)의 OSTBC가 A₃으로 전송되며, 순수한 빔 형성이 A₁ 및 A₂에 적용된다. 변조 타입은 QPSK이다.

도 5는 준-최적 파워 할당이 적용된 A₁, A₂, A₃와, 동일한 파워 할당이 적용된 A₃ 및 최적 파워 할당(수치적 최적화에 의해 얻어진)이 적용된 A₃의 SER 성능을 나타내고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 A₃의 준-최적 성능이 최적과 매우 유사함을 알 수 있으며, 임의의 전송 파워 레벨에서 준-최적 파워 할당을 가진 안테나 서브세트의 선택 성능은 최적과 매우 유사하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 순수한 빔 형성과 비해 본 발명의 OSTBC와 빔 형성의 조합이 현저한 성능상 이점을 가짐을 일 수 있다. 즉, A₁ 상에서 10^-1 SER에서 빔 형성과 비교할 때에 전송 파워는 7dB 감소하였으며, A₂ 상에서 10^-3 SER에서 빔 형성과 비교할 때에 전송 파워는 1dB 감소하였다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 DWCS의 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정 할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 송신기에서 대규모 페이딩 및 나카가미 페이딩 파라미터를 가정하여 MQAM 및 MPSK 심볼의 SER을 최소화하기 위하여 DWCS 내의 플랫 나카가미 페이딩 채널에서의 OSTBC 겸 빔 형성을 위한 적응식 준-최적 파워 할당 방안을 제안한다. 대규모 페이딩 정보가 변하면 파워 할당도 이에 따라 변할 수 있다.

대규모 페이딩은 큰 시간 규모로 변하기 때문에 본 발명에서의 피드백 오버로는 매우 제한된다. 또한, 매우 간단하지만 효과적인 준-최적 파워 할당 방안이 제안되는데, 이 방안에 따르면 각각의 서브어레이의 페이딩 파라미터에 비례하는 전송 파워를 할당한다. 이 파워 할당 방안은 고 전송 파워 영역에서 정확하다.

안테나 선택에 있어서 본 발명에 따른 성능은 임의의 전송 파워 레벨에서 준 정적 페이딩 환경에서의 최적의 성능과 매우 가까운 것으로 판명되었다. 서브어레이 중 하나에서의 순수한 빔 형성 방안과 비교할 때, 본 발명에 따르면 큰 성능 이득을 얻을 수 있다.

이와 같이 적응식으로 전송 파워 할당이 이루어지는 본 발명의 OSTBC 겸 빔 형성 방안은 거시 다양성 이득, 최대 다양성 이득 및 어레이 이득을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 방안은 3G 또는 4G 무선 통신 시스템에 폭넓게 응용할 수 있을 것으로 예상된다.

[참조 문헌]

[1] W. Roh and A. Paulraj, "MIMO channel capacity for the distributed antenna systems," in Proc. IEEE VTC'02, vol. 2, pp. 706709, 2002.

[2] H. Zhuang, L. Dai, L. Xiao and Y. Yao, "Spectral efficiency of distributed antenna system with random antenna layout," Electronics Letters,vol. 39, no. 6, pp. 495-496, 2003.

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Claims

분산 무선 통신 시스템에서의 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 장치에 있어서,

각각 다수개의 분산 안테나가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있으며, 다수개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이와,

수신측으로부터 피드백된 상기 서브어레이 각각의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터를 이용하여, 상기 다수의 서브어레이에서 조합 가능한 서브세트별 미리 설정된 파워 할당 방식을 적용하여 성능을 확인하며, 상기 확인한 성능에 따라 최선의 성능을 가지는 서브세트를 최적의 서브세트로 설정하며, 이에 따른 파워 할당을 수행하는 중앙 처리 유닛을 구비하며,

상기 미리 설정된 파워 할당 방식은 상기 각각의 서브어레이의 나카가미 페이딩 파라미터 m에 비례하는 전송 파워를 할당하는 것이며,

상기 성능 확인은 심볼 에러 레이트를 확인하는 것이며, 상기 확인한 심볼 에러 레이트가 가장 낮은 서브세트를 상기 최적의 서브세트로 설정하는 것임을 특징으로 하는 전송 파워 할당 장치.
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각각 다수개의 분산 안테나가 무작위로 그룹을 이루며 위치해 있으며, 다수개의 지리적으로 분산되어 있는 빔 형성을 위한 서브어레이를 구비한 분산 무선 통신 시스템에서의 직교 공간 시간 블록 코드 겸 빔 형성을 위한 적응식 전송 파워 할당 방법에 있어서,

상기 각각의 서브어레이에 대해 DOA(Direction - of - Arrival)를 추정하고, 각각의 안테나 서브어레이에 대해 어레이 응답 벡터를 생성하는 과정과,

수신측으로부터 피드백된 상기 서브어레이 각각의 대규모 페이딩에 대한 정보 및 나카가미 페이딩 파라미터를 이용하여, 상기 다수의 서브어레이에서 조합 가능한 서브세트별 상기 각각의 서브어레이의 나카가미 페이딩 파라미터 m에 비례하는 전송 파워를 할당하여, 상기 각각의 서브세트별 심볼 에러 레이트를 구하는 과정과,

상기 구한 심볼 에러 레이트가 가장 낮은 서브세트를 최적의 서브세트로 설정하며 이에 따른 파워 할당을 수행함을 특징으로 하는 전송 파워 할당 방법