KR100901800B1 - 다중 안테나 중계장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 안테나를 갖는 중계기 및 그 방법에 관한 것으로, 기지국으로부터 수신되는 무선 신호를 단말로 중계하는 복수의 안테나를 갖는 중계 장치로서, 기지국과의 채널 정보를 추정하는 채널 추정부; 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 계산부; 및 계산부로부터 데이터를 입력받아 이를 기초로 무선 신호를 조합하고 처리하는 신호 처리부를 포함하되, 계산부는 조합 및 처리 과정에 필요한 데이터를 기지국과의 채널 정보를 기초로 사전에 계산하는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의하여, 다중 안테나를 사용하는 중계기 시스템에서 현실적으로 중계기가 중계기-단말 사이의 채널 정보를 알지 못할 경우에도, 중계기의 가중치 행렬을 효과적으로 할당하여 무선통신 시스템의 평균 전송률을 향상시킬 수 있다.
안테나, 중계기, 단말, 채널정보, 추정

Description

다중 안테나 중계장치 및 그 방법{Wireless repeater with multiple antenna and method thereof}
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기의 중계방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 제 2실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기의 중계방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 제 5실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 8은 제 6실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭 도이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100, 400, 700, 860 : 기지국 200, 500, 730, 780, 830, 880 : 중계기
300, 600, 760, 800 : 단말 210, 510 : 하향변환 필터부
220, 520, 733, 782, 833, 882 : 채널추정부
230, 530, 735, 784, 835, 884 : 계산부
240, 540, 737, 786, 837, 886 : 신호처리부
250, 550 : 상향변환 필터부
731, 831 : 통과대역 필터부
본 발명은 다중 안테나를 갖는 중계기 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중계기가 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 중계기와 단말 사이의 채널 정보를 모를 경우, 시스템의 평균 용량을 향상시키기 위하여 중계기의 다중 수신 안테나와 다중 송신 안테나 사이에 가중치 행렬을 곱하는 중계기 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
중계기를 이용한 무선 통신 시스템은 주로 음영지역이나 셀의 영역 밖에 위치한 사용자도 통신이 가능케 하기 위해 개발되었으며, 중계기는 수신한 신호를 증폭시켜 재전송하는 기능을 수행한다. 종래에 제안된 중계기는 단일 송수신 안테나를 주로 이용해 왔으나, 최근 다중 송수신 안테나를 이용한 중계기 기술 또한 연구되기 시작하였다. 일반적으로, 다중 송수신 안테나를 이용한 무선 통신 시스템은 제한된 대역폭 내에서 큰 비트의 전송율을 달성하기 위하여 개발되었는데, 송수신단에서 다중의 안테나를 사용하고 이에 따른 적절한 송수신기 구조를 채택함으로써 높은 전송률을 달성할 수 있도록 한다. 다중 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 중계기를 활용하려면, 중계기 또한 다중 안테나를 사용하여야 한다. 이러한 중계기는 수신부에서 전송된 신호 벡터의 각 항목에 적절한 가중치 행렬을 곱함으로써 중계기 양 단의 공간 영역에 복수개의 부채널을 형성할 수 있고, 각 부채널에 적절한 전력을 할당할 수 있으며, 이 부채널을 통해 독립적인 데이터 스트림을 전 송할 수 있게 된다.
다중 안테나를 사용하는 중계기가 송수신 양단의 채널 정보를 모두 알고 있을 경우, 시스템의 용량을 극대화시킬 수 있는 중계기의 가중치 행렬에 대하여는 이미 알려져 있다. ( [1] X. Tang and Y. Hua, "Optimal design of non-regenerative MIMO wireless relays," IEEE Transactions on Wireless Communications, Apr. 2007. [2] O. Munoz, J. Vidal, and A. Agustin, "Non-regenerative MIMO relaying with channel state information," Proceedings of IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Philadelphia, PA, Mar. 2005.) 그러나 기존의 다중 안테나 중계기 시스템에 대한 연구는 중계기가 송수신 양단의 채널 정보를 모두 알고 있다고 고려함으로써, 제한적인 채널 정보만을 갖는 실질적인 이동통신 환경이 충분히 고려되지 않았다는 한계점을 가지고 있다. 중계기가 송수신 양단의 채널 정보를 모두 알려면, 기지국과 사용자 각각으로부터 오는 파일럿 신호를 이용하여 채널 정보를 각각 추정해야 하는데, 채널의 변화가 심한 환경에서는 이와 같은 채널 추정과 가중치 행렬 계산 및 이를 적용한 신호 재전송을 채널이 기준치 이상 변하는 시간 이내에 수행해야 한다는 문제점을 갖는다. 또한 중계기를 통해 신호를 송수신하는 사용자가 중계기를 사용하지 않는 다른 사용자들과 같은 시스템 안에서 원활하게 동작하기 위해서도 중계기에서의 신호 지연은 최소화되어야 한다. 일반적으로 중계기가 설치되는 위치는 고정되어 있기 때문에 기지국과 중계기 사이의 채널은 비교적 오랜 시간 일정하다고 볼 수 있으나, 이동성이 있는 단말과 중계기 사이의 채널은 시간에 따른 페이딩 이 발생한다. 따라서 기지국과 중계기 사이의 채널 정보는 중계기가 사전에 추정하여 시간 지연 없이 이용할 수 있는 데 반하여, 중계기와 단말 사이의 채널 정보는 신호 지연으로 인해 중계기가 이용하기 어렵다. 중계기가 채널을 추정해서 가중치 행렬을 계산하고 중계하는 신호에 반영하기까지의 과정이 끝나기 전에, 채널 상태가 달라진다면, 이전의 채널을 기반으로 계산된 적절치 못한 가중치를 부과함으로 인해 오히려 전송률을 떨어뜨릴 수도 있다.
따라서, 이와 같이 다중 안테나를 사용하는 중계기가 중계기와 단말 사이의 채널 정보 없이 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 이용할 수 있을 경우에도, 중계기에서 적절한 가중치 행렬을 부과함으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다. 특히, 추정되지 않은 중계기와 단말 간의 채널의 분포만은알고 있을 경우, 이 채널에 대한 평균 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 중계기의 가중치 행렬에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 다중 안테나를 사용하는 중계기가 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 있을 경우, 중계기의 가중치 행렬을 효과적으로 할당하여 상향과 하향링크 각각에 대하여 무선통신 시스템의 평균 전송률을 향상시키는 중계기 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 중계기는, 기지국으로부터 수신되는 무선 신호를 단말로 중계하는 복수의 안테나를 갖는 중계 장치로서, 기지국과의 채널 정보를 추정하는 채널 추정부; 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 계산부; 및 계산부로부터 데이터를 입력받아 이를 기초로 무선 신호를 조합하고 처리하는 신호 처리부를 포함하되, 계산부는 조합 및 처리 과정에 필요한 데이터를 기지국과의 채널 정보를 기초로 사전에 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 중계기는, 단말로부터의 무선 신호를 기지국으로 중계하는 복수의 안테나를 갖는 중계 장치로서, 기지국과의 채널 정보를 추정하는 채널 추정부; 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 계산부; 및 데이터를 입력받아 이를 기초로 상기 무선 신호를 조합하고 처리하는 신호 처리부를 포함하되, 계산부는 조합 및 처리 과정에 필요한 데이터를 기지국과의 채널 정보를 기초로 사전에 계산하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 중계기의 중계 방법은, 기지국으로부터의 무선 신호를 단말로 중계하는 방법에 있어서, 기지국과의 채널 정보를 추정하는 제 1단계; 기지국과의 채널 정보를 기초로, 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 제 2단계; 기지국으로부터의 무선 신호를 수신하는 제 3단계; 및 데이터를 기초로 무선 신호를 조합 및 처리하는 제 4단계; 및 조합 및 처리된 무선 신호를 단말로 송신하는 제 5단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 중계기의 중계 방법은, 단말로부터 수신되는 무선 신호를 기지국으로 중계하는 방법에 있어서, 기지국과의 채널 정보를 추정하는 제 1단계; 기지국과의 채널 정보를 기초로, 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 제 2단계; 단말로부터의 무선 신호를 수신하는 제 3단계; 및 데이터를 기초로 무선 신호를 조합 및 처리하는 제 4단계; 및 조합 및 처리된 무선 신호를 기지국으로 송신하는 제 5단계를 포함한다.
이와 같이 이루어진 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시 형태는 당업자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하의 도면에서는 하나의 셀 내에 하나의 기지국과 하나의 단말이 있는 것으로 도시하였으나, 이는 이해를 돕기 위한 것이고, 실제적으로는 다수의 단말이 존재한다. 단말은 모두 동일한 구성으로 이루어져 있으므로, 이하에서는 중복되는 설명을 생략하기 위해 하나의 단말을 예로 들어 설명하기로 한다.
한편, 중계기를 이용해서 기지국과 단말이 서로 통신할 수 있다. 즉, 기지국이 단말에게 서로 다른 데이터 스트림을 전송할 수 있고, 반대로 단말이 기지국에게 각각의 데이터 스트림을 전송할 수도 있다. 이하에서는, 중계기가 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 있을 때의 중계 방법을 상향링크시와 하향링크시로 구분하여 설명하기로 한다.
(중계기가 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 있는 경우의 중계방법 - 하향링크시의 설명)
도 1은 단일 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 기지국으로부터 송신되는 데이터 스트림을 수신하여 다중 안테나를 갖는 단말로 송신하는 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기의 중계방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단일 대역 환경에서 하향링크 시 본 발명의 제 1실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기(200)는 하향변환부(210), 채널추정부(220), 계산부(230), 신호처리부(240), 및 상향변환부(250)를 포함한다.
하향변환부(210)는 복수 개의 하향변환필터로 구성되며, 다중 안테나를 갖는 기지국(100)으로부터 송신되는 무선 신호(데이터 스트림)를 중계기(200) 수신단의 복수 개의 안테나를 통해 수신하고, 이를 기저대역으로 변환하여 신호 처리부(240)로 출력한다. 또한, 하향변환부(210)는 기지국(100)으로부터 파일럿 신호를 수신단의 복수 개의 안테나를 통해 수신하고, 이를 기저대역으로 변환하여 채널 추정부(220)로 출력한다.
채널추정부(220)는 하향변환부(210)로부터의 파일럿 신호를 기초로 기지국(100)과 중계기(200) 사이의 채널 정보를 추정한다(S100, S110). 하지만, 채널추정부(220)에서 채널 정보를 추정하는 방법이 상술한 파일럿 신호를 이용한 방법에 만 국한되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 방법이라면, 모두 본 발명의 범주에 속한다고 봐야할 것이다.
계산부(230)는 채널추정부(220)에서 추정된 채널 정보를 기초로, 사전에 기지국(100)으로부터 수신되는 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터(예를 들면, 기지국으로부터 수신된 무선 신호의 신호 벡터(Vector)에 곱해질 가중치 행렬)를 생성한다. 이때, 계산부(230)는 매번 기지국(100)으로부터의 파일럿 신호를 기초로, 기지국(100)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 생성하는 것은 아니다. 중계기(200)가 고정 설치되어 있는 전파환경에서는 기지국(100)과 중계기 사이의 채널이 오랜 시간 동안 변하지 않는다. 따라서, 계산부(230)는 기지국(100)으로부터의 파일럿 신호를 기초로 채널 정보를 추정한 후, 이를 기설정된 임계치와 비교판단하여(S120), 기설정된 임계치 이상으로 기지국(100)과 중계기(200) 사이의 채널 정보가 변한 경우에만 기지국(100)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 새로 생성하여 신호처리부(240)로 출력한다(S130).
신호처리부(240)는 기지국(100)으로부터 수신되는 무선 신호가 있는지를 판단한다(S140). 기지국(100)으로부터 무선 신호가 인가되면, 계산부(230)로부터 입력받은 데이터에 기초하여 수신된 무선 신호를 조합 및 처리한다(S150). 한편, 상술한 바와 같이, 기지국(100)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터는 중계기(200)와 기지국(100)의 채널 정보의 변화 정도에 따라 갱신될 수 있다.
상향변환부(250)는 복수 개의 상향변환필터로 구성되며, 신호처리부(240)에서 조합 및 처리된 무선 신호를 기저대역에서 전파대역으로 상향조정하여 단말(300)로 송신한다(S150).
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 기지국-중계기간 채널 정보를 이용하여, 계산부(230)에서 기지국(100)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 방법을 설명하기로 한다(도 2의 S130참조).
단말(300)의 각 수신 안테나로 수신된 무선 신호의 신호 벡터 y는 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00001
H1은 기지국(100)의 NB개의 송신 안테나와 중계기(200)의 수신단의 NR개의 수신안테나 사이에 형성되는 채널을 나타내는 행렬이고, H2는 중계기(200)의 송신단의 NR개의 송신안테나와 단말(300)의 NM개의 수신안테나 사이에 형성되는 채널을 나타내는 행렬이다. n1과 n2는 각각 중계기(200)와 단말(300)의 수신단에서의 잡음 성분을 나타내는 벡터이다. 전술한 바와 같이, 중계기(200)는 H1의 값은 채널 추정을 통해 알고 있지만, H2의 값은 모르고 있다고 가정한다. G는 신호처리부(240)에서 기지국(100)으로부터 수신되는 무선 신호에 곱해지는 가중치 행렬(즉, 기지국으로부 터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터)을 나타낸 것으로서 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00002
U1은 H1의 좌 싱귤라(left singular) 행렬이며, Σ는 중계기(200)에서의 전력 할당치를 나타내는 행렬이다. U1은 H1을 SVD 연산으로 분해하여 구할 수 있는데 이 과정은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다(S131).
Figure 112007047875901-pat00003
수학식 3에서 U1과 V1은 각각 H1의 좌 싱귤라 행렬과 우 싱귤라 행렬이고, S1은 H1의 싱귤라 벨류(Singular value)로 구성된 대각 행렬을 나타내며 S1 = diag(s1, s2, …, sNR)이다. 여기서, si는 i번째 부채널의 싱귤라 벨류를 나타내고, V1 H는 V1 행렬의 허미션을 나타낸다(S132). 이와 같이, 중계기 가중치 행렬에 U1의 허미션을 포함시킴으로써 중계기(200)는 H1채널을 복수 개의 부채널로 분리시킬 수 있으며, 이후 각 부채널의 si 값에 맞게 전력 할당치를 결정할 수 있다. 전력 할당치 Σ는 다음과 같이 구한다.
중계기(200)는 중계기(200)-단말(300) 간의 채널을 모르는 가운데, 중계기(200) 송신단의 각 송신안테나에 할당될 전력을 결정해야 한다. 그러나, 중계기(200)-단말(300) 간의 채널 분포에 대한 정보가 있다면, 중계기(200)-단말(300) 간의 평균 전송률을 극대화하도록 전력 할당치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 중계기(200)를 사용하지 않는 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 기지국(100)-단말(300) 간의 채널을 모를 경우, 평균 전송률을 최적화하는 전력 할당 방식으로 각 안테나별로 동일한 전력을 할당하는 방식이 Teletar에 의해 연구된 바 있다 ( I. E. Telatar, "Capacity of multi-antenna Gaussian channels," European Transactions on Telecommunications, vol. 10, pp. 585-595, Nov. 1999. ). 본 발명에 따른 중계기(200) 또한, 중계기(200)의 송신단에 해당하는 중계기(200)-단말(300) 간의 채널을 모를 경우에, 중계기(200)가 알고 있는 수신단 쪽에 해당하는 기지국(100)-중계기(200) 간의 채널 정보를 이용하여 평균 전송률을 극대화하는 전력 할당치를 구할 수 있다.
그러나, 이와 같은 최적의 전력 할당치는 수학적으로 단일 해를 구하기가 어렵다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 중계기(200) 양단의 각 채널의 상황에 따른 수학적 근사 방법을 통해 최적화 가능성이 있는 몇 가지 전력 할당치를 결정하고, 이중 평균 전송률을 극대화하는 값을 선택하는 방식을 제안한다.
(전력할당방법 1)
중계기(200)에서 분리된 각 무선 신호가 최종적으로 균등화된 전력으로 전송 되게 한다(S133). 이때, 중계기(200)의 수신단에는 잡음 n1이 존재하므로, 이 잡음의 크기까지 고려되어야 한다. 이에 대한 일례로 전력 할당치 행렬 Σ를 수학식 4와 같이 놓을 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00004
수학식 4에서 σ1 2은 잡음 성분 n1의 분산값이고, c는 조절 가능한 상수이다. 예를 들어, c가 1일 경우 분리된 각 무선 신호는 완벽하게 같은 전력을 갖게 된다. 이와 같은 전력 할당치는 상기 언급한 Teletar의 논문에서 제시된 것과 유사한 개념인데, 주로 기지국(100)-중계기(200) 간의 채널 이득이 높아서 n1을 무시할 수 있을 경우에 적합한 값이다.
(전력할당방법 2)
중계기(200)에서 분리된 무선 신호 중에서 가장 높은 싱귤라 벨류를 갖는 스트림 하나 만을 선택하여 전송한다(S134). 이에 대한 일례로 전력 할당치 행렬 Σ를 수학식 5와 같이 놓을 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00005
수학식 5에서 p1은 기지국(100)이 송신하는 신호 벡터 x의 전력값이고, p2는 중계기(200)에서의 송신 전력값이다.
Figure 112007047875901-pat00006
는 무선 신호의 각 스트림이 선택되었는지를 나타내는 값으로 0또는 1을 가지며,
Figure 112007047875901-pat00007
이면 i번째 스트림이 선택된 것이고,
Figure 112007047875901-pat00008
이면 i번째 스트림이 선택되지 않은 것이다. 이와 같은 전력 할당치는 채널 환경이 좋은 스트림에 중계기(200)의 모든 전력을 할당하는 방식이며, 주로 중계기(200) 양단의 채널 이득이 모두 낮을 경우에 적합한 값이다.
(전력할당방법 3)
전력할당방법 2는 가장 높은 채널 이득을 갖는 하나의 스트림에 중계기(200)의 모든 전력을 할당하는 방식이었는데, 이러한 기준을 조금 완화하면, 오직 하나만의 스트림을 선택하는 것이 아니라, 채널 이득에 따라 전력을 각 스트림에 적절히 나누어 할당하는 전력 할당치를 고려할 수 있는데, 대표적인 방식으로 워터필링(water-filling)을 들 수 있다( T. M. Cover and J. A. Thomas, Elements of Information Theory, Wiley, New York, 1991. ). 워터필링 방식은 각 스트림 별로 일정한 상수에서 해당 스트림의 싱귤라 벨류의 역수를 뺀 만큼의 전력을 할당하는 방식으로써, 다중 안테나를 사용하는 일대일 통신 환경에서는 최적의 전력 할당 방 식인 것으로 알려져 있다. 워터필링방식은 수학식 6과 같이 표현될 수 있다(S135).
Figure 112007047875901-pat00009
수학식 6에서 diag(xk)는 xk를 k번째 성분으로 갖는 대각 행렬을 나타내며
Figure 112007047875901-pat00010
는
Figure 112007047875901-pat00011
의 k번째 대각 성분을 말한다. λ는 전력의 수위를 조절하는 상수이며, 중계기(200)에서 사용 가능한 최대한의 전력을 할당하도록 조절 가능한 상수이다. (x)+는 x가 0보다 작을 경우 0이며, 그 이외의 경우는 x를 결과값으로 갖는 연산을 의미한다.
(전력할당방법 4)
하향링크 시 본 발명에 따른 중계기(200)에서는 기존의 워터필링을 그대로 사용하기보다는, 이 방식에서 변형된 형태의 전력 할당치를 사용하여 더 높은 평균 전송률을 기대할 수 있다. 또한, 변형된 워터필링과 전술한 방법 1에서 제시되었던 방법을 적절히 조합한 형태의 전력 할당치도 사용할 수 있다. 전술한 전력할당방법 1은 결국 높은 채널 이득을 갖는 스트림에 적은 전력을 할당하고, 낮은 채널 이득을 갖는 스트림에 큰 전력을 할당하는 방식인 것에 반하여, 워터필링은 이와는 반대로 높은 채널 이득을 갖는 스트림에 더 많은 전력을 할당한다. 각 방법이 적용한 적합한 채널 환경이 다르기 때문에 상황에 맞는 적절한 조합이 필요하다. 예를 들 어, 채널 용량식의 볼록성을 고려하여 모르는 채널의 분산함수를 그 평균값인 단위행렬 값으로 대체할 경우, 수학식 7과 같은 전력 할당치를 얻을 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00012
수학식 7에서 μ는 전력 할당치의 총 합이 중계기의 전력값을 넘지 않도록 조절될 상수이고, [ ]+는 [ ] 안의 값이 0보다 작으면 0이 되게 하는 연산자이다. 수학식 7은 워터필링이 변형되어 방법 1과 조합된 형태의 예로써, 상술한 실시예에서 언급되지 않았더라도 이러한 개념을 사용하는 모든 유사 방식을 포괄한다(S136).
(전력할당방법 5)
중계기(200)-단말(300) 간의 채널 정보를 중계기가 알 수 없는 상황에서는, 중계기(200)에서의 최적의 전력 할당치를 하나의 수학식으로 표현하는 방법이 알려져 있지 않으며, 구할 수 없을 가능성이 크다. 제안한 전력할당방법(1~4)은 수학적 근사를 사용하여 문제를 해결하였고, 각각에 맞는 특수한 채널 환경이어야 최적의 전력 할당치가 된다는 제약을 갖는다. 따라서, 제안한 전력할당방법(1~4)을 사용하였을 때의 시스템의 평균 전송률을 구하여 이 중 최적의 성능을 갖는 방법을 선택함으로써, 제안하는 전력할당방법(1~4)을 일반적인 채널 환경에서 활용하면서도 추 가적인 성능 향상을 기대할 수 있다.
가중치 행렬 G(수학식 2참조)가 정해지면, 수학식 8과 같이 H2에 대한 평균 전송률을 계산할 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00013
수학식 8에서 E{x}는 x의 평균을 뜻하며, det(X)는 X의 행렬식을 가리킨다. 기타 다른 변수들은 전술한 수학식들에서 사용했던 정의를 그대로 사용한다. H2의 값을 모르지만, 그 확률 분포는 알고 있을 때 수학식 8과 같이 표현되는 H2에 대한 평균전송률은 상기 수식을 몇 차례 변형한 후 기존의 일반적인 MIMO 시스템의 평균전송률을 구하는 공식을 사용하여 얻을 수 있다. ([4] H. Shin, M. Z. Win, J. H. Lee, and M. Chiani, "On the capacity of doubly correlated MIMO channel," IEEE Transactions on Wireless Communications, Aug. 2006.) 따라서, 수학식 8을 사용하여 제안한 전력할당치를 사용하였을 경우의 평균 전송률을 각각 구한 후 이들을 비교하여 가장 큰 평균 전송률을 갖게 하는 방법을 선택한다(S137). 평균 전송률 계산시 단말(300)에서의 수신 전력 대 잡음 비의 평균값에 대한 정보가 필요한데, 이것은 중계기(200)가 단말(300)로부터 전송받는 것으로 가정한다. 이때, 전술한 전력 할당치의 선택은 계산부(230)내의 전력 할당치 결정 논리부(도시생략)에서 처리하며, 최종 결정된 전력 할당치는 신호 처리부(240)로 넘겨져, 이후 기지국(100) 으로부터 수신되는 무선 신호를 처리하는 가중치 행렬에 반영된다(S138).
전력 할당치 결정 논리부에서 사용할 수 있는 방법으로, Shin의 논문에서 구한 바와 같이 평균 전송률을 직접 계산할 수도 있지만, 이는 계산의 복잡도가 높기 때문에, 복잡도를 줄일 수 있는 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다. H2의 값이 될 수 있는 몇 가지 대푯값들을 임의로 생성하여 이에 대한 시스템 전송률을 수학식 8의 평균값을 취하기 이전 형태의 수식을 이용하여 계산한 후, 가장 많은 대푯값에 대하여 최적의 전송률을 갖게 하는 전력 할당치를 선택하는 방법이다. 이때 선택하는 대푯값의 숫자와 전력 할당치 선택을 위한 선택 빈도에 대한 임계치는 채널 환경에 따라 유동적이다.
도 3은 단일 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 기지국으로부터 송신되는 무선 신호를 수신하여 다중 안테나를 갖는 단말로 송신하는 본 발명의 제 2실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
먼저, 도 3에서는 중계기(780)가 송신단 및 수신단에 2개의 안테나를 갖는 것으로 도시하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이고, 송신단 및 수신단의 안테나 수가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 중계기(780)는 기지국(700)으로부터 수신된 무선 신호를, 하향변환하여 기저대역에서 처리하지 않고, 전파대역에서 바로 처리하게 된다.
단일 대역 환경에서 하향링크 시 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기(780)는 채널 추정부(782), 계산부(784), 및 신호처리부(786)를 포함한다.
채널 추정부(733)는 다중 안테나를 갖는 기지국(700)으로부터의 파일럿 신호를 기초로 기지국(700)과 중계기(730) 사이의 채널 정보를 추정한다. 도면에는 도시하지 않았지만, 기지국(700)으로부터의 파일럿 신호는 기저대역으로 변환되어 채널 추정부(733)에 입력된다.
채널 추정부(782) 및 계산부(784)는 전술한 도 1의 설명에서 채널 추정부(220) 및 계산부(230)와 동일한 구성 및 기능을 갖는 것으로 보아도 된다. 따라서, 채널 추정부(782) 및 계산부(784)에 대한 설명은 도 1의 설명으로 대체할 수 있고, 이러한 대체는 당업자에게는 자명한 사실이다.
신호처리부(786)는 복수 개의 가중치 할당부(786a~786d)로 구성된다. 각각의 가중치 할당부(786a~786d)는 증폭기와 위상변환기를 포함한다. 각각의 증폭기와 위상변환기에서의 변환값은 사전에 채널 추정부(733)를 통해 추정된 각 경로의 채널 정보를 통해 계산부(735)의해 계산된 가중치 값에 의해 결정된다. 예를 들어, F11은 중계기(780)의 첫번째 수신안테나에서 중계기(780)의 첫번째 송신안테나로 가는 신호에 곱해지는 가중치 값으로, G11의 절대값 및 위상값에 따라 조정된다. 각 대역에 사용하는 가중치 행렬은, 전술한 바와 같이, 도 1의 설명에서 제안한 방법들을 사용하여 도출할 수 있다.
이상에서는, 다중 안테나 중계기 시스템이 단일 대역 환경에 있을 경우를 가정한 것이다. 그러나, 제안하는 발명은 단일 대역 환경에만 제한되지 않고 다중 대역 환경에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 주파수 대역을 사용하는 중계기 시스템에서도 각 주파수 대역에 해당하는 복수 개의 필터들을 사용하여 각 대역별로 복수 개의 안테나로 수신된 무선 신호를 조합 및 처리할 수 있다.
도 4는 다중 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 기지국으로부터 송신되는 무선 신호를 수신하여 다중 안테나를 갖는 단말로 송신하는 본 발명의 제 3실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
먼저, 도 4에서는 중계기(730)가 송신단 및 수신단에 2개의 안테나를 갖는 것으로 도시하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이고, 송신단 및 수신단의 안테나 수가 이에 한정되는 것은 아니다.
다중 대역 환경(즉 다중 반송파로 각각 다른 신호가 다른 채널을 거쳐 전송된 환경)에서 하향링크 시 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기(730)는 통과대역 필터부(731), 채널 추정부(733), 계산부(735), 및 신호처리부(737)를 포함한다.
다중 대역 환경(즉 다중 반송파로 각각 다른 신호가 다른 채널을 거쳐 전송된 환경)에서 하향링크 시 본 발명의 제 3실시예에 따른 중계기(730)는 통과대역 필터부(731), 채널 추정부(733), 계산부(735), 및 신호처리부(737)를 포함한다.
통과대역 필터부(731)는 복수 개의 통과대역 필터(f1~fG)로 구성되며, 다중 안테나를 갖는 기지국(700)으로부터 송신되는 무선 신호(데이터 스트림)를 f1부터 fG 까지의 통과대역필터를 통해 총 G개의 대역으로 변환하여 신호처리부(737)로 출력한다. 또한, 통과대역 필터부(731)는 다중 안테나를 갖는 기지국(700)으로부터 송신되는 파일럿 신호를 f1부터 fG 까지의 통과대역필터를 통해 총 G개의 대역으로 변환하여 채널 추정부(733)로 출력한다.
채널 추정부(733)는 통과대역 필터부(731)으로부터의 파일럿 신호를 기초로 기지국(700)과 중계기(730) 사이의 채널 정보를 추정한다.
채널 추정부(733) 및 계산부(735)는 전술한 도 1의 설명에서 채널 추정부(220) 및 계산부(230)와 동일한 구성 및 기능을 갖는 것으로 보아도 된다. 따라서, 채널 추정부(733) 및 계산부(735)에 대한 설명은 도 1의 설명으로 대체할 수 있고, 이러한 대체는 당업자에게는 자명한 사실이다. 또한, 전술한 바와 같이, 기지국(700)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터는 중계기(200)와 기지국(100)의 채널 정보의 변화 정도에 따라 갱신될 수 있다.
신호처리부(737)는 복수 개의 가중치 필터(G(f1)~G(f2))로 구성된다. 신호처리부(737)는 기지국(700)으로부터 수신되는 무선 신호가 있는지를 판단하여, 신호처리부(737)에 기지국(700)으로부터의 무선 신호가 인가되면, 계산부(735)로부터 입력받은 데이터에 기초하여 수신된 무선 신호를 조합 및 처리한다. 즉, 신호처리 부(737)는 가중치 필터 G(f1)부터 G(fG)은 통과대역 필터부(731)에서 f1부터 fG 까지 총 G개의 대역으로 변환된 무선 신호를 입력받아 각각의 무선 신호에 해당하는 가중치 행렬을 곱하여 단말(760)으로 출력한다. 이때, 각 대역에 해당하는 필터 G(f1)부터 G(fG)가 사용하는 가중치 행렬은, 전술한 바와 같이, 도 1의 설명에서 제안한 방법들을 사용하여 도출할 수 있다.
(중계기가 기지국과 중계기 사이의 채널 정보만을 알고 있는 경우의 중계방법 - 상향링크시의 설명)
도 5는 단일 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 단말로부터 송신되는 데이터 스트림을 수신하여 다중 안테나를 갖는 기지국으로 송신하는 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이고, 도 6은 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기의 중계방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 단일 대역 환경에서 상향링크 시 본 발명의 제 4실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기(500)는 하향변환부(510), 채널추정부(520), 계산부(530), 신호처리부(540), 및 상향변환부(550)를 포함한다.
하향변환부(510)는 복수 개의 하향변환필터로 구성되며, 다중 안테나를 갖는 단말(600)으로부터 송신되는 무선 신호(데이터 스트림)를 수신하여 기저대역으로 변환하고, 이를 신호 처리부(540)로 출력한다. 또한, 하향변환부(510)는 단말(600) 로부터 파일럿 신호를 수신하여 기저대역으로 변환하고, 이를 채널 추정부(520)로 출력한다.
채널추정부(520)는 상하향 링크간의 호혜성을 이용하여, 하향링크 시(도 1참조) 하향변환부(210)로부터의 파일럿 신호를 기초로 추정되었던 채널 정보를 이용하여 기지국(400)과 중계기(500) 사이의 채널 정보를 추정한다(S200, S210). 하지만, 채널추정부(520)에서 기지국(400)과 중계기(500) 사이의 채널 정보를 추정하는 방법이 상술한 파일럿 신호를 이용한 방법에만 국한되는 것은 아니며, 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 방법이라면, 모두 본 발명의 범주에 속한다고 봐야할 것이다.
계산부(530)는 채널추정부(520)에서 추정된 채널 정보를 기초로 단말(600)로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터(예를 들면, 단말로부터 수신된 무선 신호의 신호 벡터(Vector)에 곱해질 가중치 행렬)를 생성한다. 이때, 계산부(530)는 매번 기지국(400)으로부터의 파일럿 신호를 기초로, 기지국(400)으로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 생성하는 것은 아니다. 중계기(500)가 고정 설치되어 있는 전파환경에서는 기지국(500)과 중계기 사이의 채널이 오랜 시간 동안 변하지 않는다. 따라서, 계산부(530)는 기지국(500)으로부터의 파일럿 신호를 기초로 채널 정보를 추정한 후, 이를 기설정된 임계치와 비교판단하여(S220), 기설정된 임계치 이상으로 기지국(400)과 중계기(500) 사이의 채널 정보가 변한 경우에만 단말(600)로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 새로 생성하여 신호처리부(540)로 출력한다(S230). 계산부(530)에서 신호처리부(540)에 출력하는 데이터로는 하향링크에서 제시했던 방법처럼 수신된 무선 신호에 곱해질 가중치 행렬을 고려할 수 있다.
신호처리부(540)는 단말(600)로부터 수신되는 무선 신호가 있는지를 판단한다(S240). 단말(600)로부터 무선 신호가 인가되면, 계산부(530)로부터 입력받은 데이터에 따라 수신된 무선 신호를 조합 및 처리한다(S250). 한편, 상술한 바와 같이, 단말(600)로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터는 중계기(500)와 기지국(400)의 채널 정보의 변화 정도에 따라 갱신될 수 있다.
상향변환부(550)는 복수 개의 상향변환필터로 구성되며, 신호처리부(540)에서 조합 및 처리된 무선 신호를 기저대역에서 전파대역으로 상향조정하여 기지국(400)로 송신한다(S260).
이하에서는, 계산부(530)가 기지국(400)-중계기(500) 채널정보를 이용하여, 단말(600)로부터 수신된 무선 신호에 곱해질 가중치 행렬을 계산하는 방법에 대하여 실시예를 따라 설명하기로 한다(도 6의 S230참조).
상기 기지국(400)의 각 수신 안테나로 수신된 신호 벡터 y는 다음의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00014
H1은 중계기(500)의 NR개의 송신안테나와 기지국(400)의 NB개의 수신안테나 사이에 형성되는 채널 응답을 나타내는 행렬이고, H2는 단말(600)의 NM개의 송신안테나와 중계기(500)의 NR개의 수신안테나 사이에 형성되는 채널 응답을 나타내는 행렬이다. n1과 n2는 각각 중계기(500)의 수신단 안테나와 기지국(400)의 수신단 안테나 사이에서의 잡음성분을 나타내는 벡터이다. 전술한 바와 같이, 중계기(500)는 H1의 값은 채널 추정을 통해 알고 있지만, 빠르게 변하는 H2의 값은 모르고 있다고 가정한다. G는 중계기(500)에서 곱해지는 가중치 행렬을 나타낸 것으로서, 다음의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00015
V1은 H1의 우 싱귤라 행렬이며, Σ는 중계기에서의 전력 할당치를 나타내는 행렬이다. V1은 H1을 SVD 연산으로 분해하여 구할 수 있는데 이 과정은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다(S231, S232). 이와 같이, 중계기(500) 가중치 벡터에 V1을 포함시킴으로써 중계기(500)는 H1채널을 복수 개의 부채널로 분리된 것으로 간주할 수 있으며, 이후 각 부채널의 si 값에 맞는 송신 전력 할당치를 결정할 수 있다. 전력 할당치 Σ는 다음과 같이 구한다. 하향링크에서처럼, 중계기(500)는 중계기(500)-단말(600) 간의 순시적인 채널을 모르기 때문에, 순시 전송률 대신 시스템의 평균 전송률을 최적화하도록 각 송신 안테나에 할당될 전력을 결정해야 한다. 이와 같은 최적의 전력 할당치는 수학적으로 단일 해를 구하기가 어렵다. 따라서, 본 실시예에서는 중계기(500) 양단의 각 채널의 상황에 따른 몇 가지 수학적 근사 방법을 통해 최적화 가능성이 있는 몇 가지 전력할당치를 결정하고, 이 중 평균 전송률을 극대화하는 값을 선택하는 방식을 제안한다.
(전력할당방법 1)
하향링크에서의 방법 3에서 제안되었던 바와 같은 워터필링을 이용한 전력 할당치 결정 방법을 상향링크 중계기 시스템에서도 사용할 수 있다. 워터필링 방식은 각 스트림별로 일정한 상수에서 해당 스트림의 싱귤라 벨류의 역수를 뺀 만큼의 전력을 할당하는 방식으로써, 전술한 Teletar의 논문에서 피드백이 있는 다중 안테나 환경에 대하여 제시된 바 있고, 이러한 환경에서는 최적의 전력 할당 방식인 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 제안하는 것과 같은 상향링크 중계기 시스템에서도 기존의 워터필링 방식을 이용함으로써 평균 전송률의 향상을 기대할 수 있다. 워터필링 방식을 사용할 경우의 전력 할당은 수학식 6과 같이 표현할 수 있다(S233). 수학식 6과 같이 제안된 전력 할당치 행렬은 중계기(500)-기지국(400) 채널의 용량을 극대화시킴으로써, 중계기 시스템 전체의 평균 용량을 향상시킨다.
(전력할당방법 2)
그러나, 워터필링 방식은 중계기(500)-기지국(400) 채널의 이득만 고려하고, 단말(600)-중계기(500) 간의 채널 이득은 고려하지 않았기 때문에 일반적인 모든 채널 환경에 대해 최적의 평균 전송률을 갖지는 못한다. 그러나, 수학적 전개에 의 해 이와 같은 워터필링 방식의 개념을 다소 변형시켜 여러 가지 채널 상황에 각각 알맞은 평균 전송률 할당 방식을 결정할 수 있는데, 수학식 11과 같이 전력 할당치를 하나의 대각 행렬로 놓을 때, 대각 성분 xi는 채널 환경에 따라 수학식 12 또는 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다. 이들은 각각 중계기(500)-기지국(600) 간의 채널 이득이 높을 경우와 낮을 경우에 적합한 변형된 워터필링 형태를 갖는 전력 할당치를 나타낸 것이다(S234).
Figure 112007047875901-pat00016
Figure 112007047875901-pat00017
Figure 112007047875901-pat00018
수학식 12 및 수학식 13에서
Figure 112007047875901-pat00019
는 중계기에서 수신된 잡음의 전력이며,
Figure 112007047875901-pat00020
는 H1의 싱귤라 행렬 S의 k번째 대각 성분이다. p1은 단말의 송신 전력을 나타내고
Figure 112007047875901-pat00021
은 중계기 안테나 수이다.
Figure 112007047875901-pat00022
는 전력의 수위를 조절하는 상수이며, 중계기에서 사용 가능한 최대한의 전력을 할당하도록 조절 가능하다. [ ]+는 [ ] 안의 값이 0보다 작으면 0이 되게 하는 연산자이다. 이와 같이, 수학식 12 및 수학식 13은 워터필링이 변형된 형태의 예로써, 상술한 실시예에서 언급되지 않았더라도 이러한 개념을 사용하는 모든 유사 방식을 포괄한다.
(전력할당방법 3)
중계기(500)-단말(600) 간 채널 정보를 중계기(500)가 모두 알 수 없는 상황에서는, 중계기(500)에서의 최적의 전력 할당치를 하나의 수학식으로 표현하는 방법이 알려져 있지 않으며, 구할 수 없을 가능성이 크다. 전술한 방법들은 수학적 근사를 사용하여 문제를 해결하였고, 각각에 맞는 특수한 채널 환경이어야 최적의 전력 할당치가 된다는 제약을 갖는다. 따라서, 전술한 방법들을 사용하였을 때의 시스템의 평균 전송률을 구하여 이 중 최적의 성능을 갖는 방법을 선택함으로써, 제안하는 방법들을 일반적인 채널 환경에서 활용하면서도 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있다.
중계기(500)에서의 가중치 행렬 G가 정해지면, 수학식 14과 같이 H2에 대한 이상적인 평균 전송률을 계산할 수 있다.
Figure 112007047875901-pat00023
수학식 14에서 E{x}는 x의 평균을 뜻하며, det(X)는 X의 행렬식을 가리킨다. 기타 다른 변수들은 이전 수학식들에서 사용했던 정의를 그대로 사용한다. H2의 값을 모르지만, 그 확률 분포는 알고 있을 때 수학식 14와 같이 표현되는 H2에 대한 평균전송률은 수학식 14를 몇 차례 변형한 후 기존의 일반적인 MIMO 시스템의 평균전송률을 구하는 공식을 사용하여 얻을 수 있다. ([4] H. Shin, M. Z. Win, J. H. Lee, and M. Chiani, "On the capacity of doubly correlated MIMO channel," IEEE Transactions on Wireless Communications, Aug. 2006.) 따라서, 수학식 14를 사용하여 상기 제안한 전력 할당치를 사용하였을 경우의 평균 전송률을 각각 구한 후 이들을 비교하여 가장 큰 평균 전송률을 갖게 하는 방법을 선택한다. 이때, 전력 할당치의 선택은 계산부(530) 내의 전력 할당치 결정 논리부(도시생략)에서 처리하며, 최종 결정된 전력 할당치는 신호 처리부(540)로 넘겨져 이후 단말(600)로부터 수신되는 무선 신호를 처리하는 가중치 행렬에 반영된다.
하향링크에서와 마찬가지로 전력 할당치 결정 논리부에서 사용할 수 있는 방법으로, Shin의 논문에서 구한 바와 같이 평균 전송률을 직접 계산하는 것은 계산의 복잡도가 높기 때문에 복잡도를 줄일 수 있는 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다. H2의 값이 될 수 있는 몇 가지 대푯값들을 임의로 생성하여 이에 대한 시스템 전송률을 수학식 14의 평균값을 취하기 이전 형태의 수식을 이용하여 계산한 후, 가장 많은 대푯값에 대하여 최적의 전송률을 갖게 하는 전력 할당치를 선택하는 방법이다. 이때 선택하는 대푯값의 숫자와 전력 할당치 선택을 위한 선택 빈도에 대한 임계치는 채널 환경에 따라 유동적이다.
도 7은 단일 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 단말로부터 송신되는 무선 신호를 수신하여 다중 안테나를 갖는 기지국으로 송신하는 본 발명의 제 5실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
먼저, 도 7에서는 중계기(880)가 송신단 및 수신단에 2개의 안테나를 갖는 것으로 도시하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이고, 송신단 및 수신단의 안테나 수가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제 5실시예에 따른 중계기(880)는 단말(800)로부터 수신된 무선 신호를, 하향변환하여 기저대역에서 처리하지 않고, 전파대역에서 바로 처리하게 된다.
본 발명의 제 5실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기(880)는 채널추정부(882), 계산부(884), 및 신호처리부(886)를 포함한다.
채널추정부(882) 및 계산부(884)는 전술한 도 5에서 채널추정부(520) 및 계산부(530)와 동일한 구성 및 기능을 갖는 것으로 보아도 된다. 따라서, 채널 추정부(520) 및 계산부(530)에 대한 설명은 도 5의 설명으로 대체할 수 있고, 이러한 대체는 당업자에게는 자명한 사실이다.
신호처리부(886)는 복수 개의 가중치 할당부(886a~886d)로 구성된다. 각각의 가중치 할당부(886a~886d)는 증폭기와 위상변환기를 포함한다. 각각의 증폭기와 위상변환기에서의 변환값은 사전에 채널 추정부(733)를 통해 추정된 각 경로의 채널 정보를 통해 계산부(735)의해 계산된 가중치 값에 의해 결정된다. 예를 들어, F11은 중계기(880)의 첫번째 수신안테나에서 중계기(880)의 첫번째 송신안테나로 가는 신호에 곱해지는 가중치 값으로, G11의 절대값 및 위상값에 맞게 조정된다. 각 대역에 사용하는 가중치 행렬은, 전술한 바와 같이, 도 5의 설명에서 제안한 방법들을 사용하여 도출할 수 있다.
이상에서는, 다중 안테나 중계기 시스템이 단일 대역 환경에 있을 경우를 가정한 것이다. 그러나, 제안하는 발명은 단일 대역 환경에만 제한되지 않고 다중 대역 환경에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 주파수 대역을 사용하는 중계기 시스템에서도 각 주파수 대역에 해당하는 복수 개의 필터들을 사용하여 각 대역별로 복수 개의 안테나로 수신된 무선 신호를 조합 및 처리할 수 있다.
도 8은 다중 대역 환경에서 다중 안테나를 갖는 단말로부터 송신되는 무선 신호를 수신하여 다중 안테나를 갖는 기지국으로 송신하는 본 발명의 제 6실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계기를 설명하기 위한 블럭도이다.
먼저, 도 8에서는 중계기(830)가 송신단 및 수신단에 2개의 안테나를 갖는 것으로 도시하였으나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이고, 송신단 및 수신단에 더 많은 수의 안테나를 구비할 수 있다.
다중 대역 환경(즉 다중 반송파로 각각 다른 신호가 다른 채널을 거쳐 전송된 환경)에서 하향링크 시 본 발명의 제 6실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 중계 기(830)는 통과대역 필터부(831), 채널 추정부(833), 계산부(835), 및 신호처리부(837)를 포함한다.
통과대역 필터부(831)는 복수 개의 통과대역 필터(f1~fG)로 구성되며, 다중 안테나를 갖는 단말(800)으로부터 송신되는 무선 신호(데이터 스트림)를 f1부터 fG 까지의 통과대역필터를 통해 총 G개의 대역으로 변환하여 신호처리부(837)로 출력한다.
채널 추정부(833) 및 계산부(835)는 전술한 도 5의 설명에서 채널 추정부(520) 및 계산부(530)와 동일한 구성 및 기능을 갖는 것으로 보아도 된다. 따라서, 채널 추정부(833) 및 계산부(835)에 대한 설명은 도 5의 설명으로 대체할 수 있고, 이러한 대체는 당업자에게는 자명한 사실이다. 또한, 전술한 바와 같이, 단말(800)로부터 수신된 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터는 중계기(830)와 기지국(860)의 채널 정보의 변화 정도에 따라 갱신될 수 있다.
신호처리부(837)는 복수 개의 가중치 필터(G(f1)~G(f2))로 구성된다. 신호처리부(837)는 단말(800)로부터 수신되는 무선 신호가 있는지를 판단하여, 신호처리부(837)에 단말(800)로부터의 무선 신호가 인가되면, 계산부(835)로부터 입력받은 데이터에 기초하여 수신된 무선 신호를 조합 및 처리한다. 즉, 신호처리부(737)는 가중치 필터 G(f1)부터 G(fG)은 통과대역 필터부(731)에서 f1부터 fG 까지 총 G개의 대역으로 변환된 무선 신호를 입력받아 각각의 무선 신호에 해당하는 가중치 행렬 을 곱하여 기지국(860)으로 출력한다. 이때, 각 대역에 해당하는 필터 G(f1)부터 G(fG)가 사용하는 가중치 행렬은, 전술한 바와 같이, 도 5의 설명에서 제안한 방법들을 사용하여 도출할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형 실시예가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져는 안될 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
다중 안테나를 사용하는 중계기 시스템에서 현실적으로 중계기가 중계기-단말 사이의 채널 정보를 알지 못할 경우에도, 중계기의 가중치 행렬을 효과적으로 할당하여 무선통신 시스템의 평균 전송률을 향상시킬 수 있다.
또한, 음영 지역이나 셀 영역 밖에 있는 사용자도 다중 안테나를 사용한 데이터 전송이 가능하게 함으로써, 무선통신이 가능한 지역의 범위를 넓히고 사용자 당 최저 전송률을 향상시킴으로써 사용자간 형평성 또한 증대시킬 수 있다.

Claims (50)

  1. 기지국으로부터의 무선 신호를 단말로 중계하는 복수의 안테나를 갖는 중계 장치로서,
    상기 기지국과의 채널 정보를 추정하는 채널 추정부;
    상기 기지국과의 채널 정보를 기초로 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 계산부; 및
    상기 계산부로부터 데이터를 입력받아 이를 기초로 상기 무선 신호를 조합하고 처리하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 무선 신호를 분리하는데 필요한 가중치 행렬과 분리된 각각의 신호에 할당될 전력 할당치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 무선 신호에 상기 가중치 행렬과 상기 전력 할당치를 곱하여 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 행렬(Singular matrix)에 기초하여 상기 가중치 행렬을 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 벨류(Singular value)를 이용하여 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 상기 분리된 무선 신호 각각에 동일한 전력이 할당되도록 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호 중 싱귤라 벨류가 가장 큰 신호에 전력이 할당되도록 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling)방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 상기 분리된 무선 신호 각각에 동일한 전력을 갖도록 상기 전력 할당치를 계산하고, 상기 분리된 무선 신호 중 싱귤라 벨류가 가장 큰 신호에 전력이 할당되도록 상기 전력 할당치를 계산하며, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하고, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하여, 이 중 하나의 전력 할당치를 선택하여 상기 분리된 무선 신호에 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 계산부는 평균 전송률을 기초로 상기 하나의 전력 할당치를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 계산부는 상기 평균 전송률을 계산하기 위해 상기 단말로부터의 무선 신호의 신호대 잡음 비 평균값을 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 계산부는 상기 단말과의 채널 정보의 대푯값을 임의로 복수 개 생성하여, 상기 계산된 전력 할당치들 중에서 상기 대푯값에 대하여 가장 높은 전송률을 갖게 하는 전력 할당치를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  13. 단말로부터의 무선 신호를 기지국으로 중계하는 복수의 안테나를 갖는 중계 장치로서,
    상기 기지국과의 채널 정보를 추정하는 채널 추정부;
    상기 기지국과의 채널 정보를 기초로 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 계산부; 및
    상기 데이터를 입력받아 이를 기초로 상기 무선 신호를 조합하고 처리하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 무선 신호를 분리하는데 필요한 가중치 행렬과 분리된 각각의 신호에 할당될 전력 할당치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 신호처리부는 상기 무선 신호에 상기 가중치 행렬과 상기 전력 할당치를 곱하여 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 행렬(Singular matrix)에 기초하여 상기 무선 신호를 분리하는 상기 가중치 행렬을 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 벨류(Singular value)를 이용하여 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는,
    상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하고, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 상기 전력 할당치를 계산하여, 이 중 하나의 전력 할당치를 선택하여 상기 분리된 무선 신호에 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 계산부는 상기 전력 할당치들의 평균 전송률을 기초로 상기 하나의 전력 할당치를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 계산부는 상기 평균 전송률을 계산하기 위해 상기 단말로부터의 무선 신호의 신호대 잡음 비 평균값을 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 계산부는 상기 단말과의 채널 정보의 대푯값을 임의로 복수 개 생성하여, 상기 계산된 전력 할당치들 중에서 상기 대푯값에 대하여 가장 높은 전송률을 갖게 하는 전력 할당치를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  23. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 상기 채널 정보가 기준치 이상으로 변했을 경우 상기 데이터를 새로 계산하여 상기 신호 처리부로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  24. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 계산부는 각 주파수 대역별로 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하며, 상기 신호 처리부는 상기 데이터를 기초로 복수 개의 주파수 대역에 해당하는 복수 개의 필터를 이용하여 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  25. 청구항 24에 있어서
    상기 필터는 상기 데이터를 기초로 한 증폭기 및 위상 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 장치.
  26. 기지국으로부터의 무선 신호를 단말로 중계하는 방법에 있어서,
    상기 기지국과의 채널 정보를 추정하는 제 1단계;
    상기 기지국과의 채널 정보를 기초로, 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 제 2단계;
    상기 기지국으로부터의 무선 신호를 수신하는 제 3단계;
    상기 데이터를 기초로 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 제 4단계; 및
    조합 및 처리된 상기 무선 신호를 상기 단말로 송신하는 제 5단계를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 무선 신호를 분리하는데 필요한 가중치 행렬과 분리된 각각의 신호에 할당될 전력 할당치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 단계는,
    상기 무선 신호에 상기 가중치 행렬과 상기 전력 할당치를 곱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 가중치 행렬은 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 행렬(Singular matrix)에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  29. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 벨류(Singular value)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  30. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 상기 분리된 무선 신호 각각에 동일한 전력이 할당되도록 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  31. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력할당치는 상기 분리된 무선 신호 중 싱귤라 벨류가 가장 큰 신호에 전력이 할당되도록 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  32. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  33. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  34. 청구항 26에 있어서,
    상기 전력 할당치는,
    상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 상기 분리된 무선 신호 각각에 동일한 전력이 할당되도록 계산되고, 상기 분리된 무선 신호 중 싱귤라 벨류가 가장 큰 신호에 전력이 할당되도록 계산되며, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 계산되고, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 계산되어, 이 중 하나의 전력 할당치가 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  35. 청구항 34에 있어서,
    상기 하나의 전력 할당치는 평균 전송률을 기초로 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  36. 청구항 35에 있어서,
    상기 평균 전송률을 계산하기 위해 상기 단말로부터 무선 신호의 신호대 잡음 비 평균값을 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  37. 청구항 34에 있어서,
    상기 단말과의 채널 정보의 대푯값을 임의로 복수 개 생성하여, 상기 대푯값에 대하여 가장 높은 전송률을 갖게 하는 전력 할당치가 상기 하나의 전력 할당치로 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  38. 단말로부터 수신되는 무선 신호를 기지국으로 중계하는 방법에 있어서,
    상기 기지국과의 채널 정보를 추정하는 제 1단계;
    상기 기지국과의 채널 정보를 기초로, 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하는 제 2단계;
    상기 단말로부터의 무선 신호를 수신하는 제 3단계;
    상기 데이터를 기초로 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 제 4단계; 및
    조합 및 처리된 상기 무선 신호를 상기 기지국으로 송신하는 제 5단계를 포함하고,
    상기 데이터는 상기 무선 신호를 분리하는데 필요한 가중치 행렬과 분리된 각각의 신호에 할당될 전력 할당치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  39. 청구항 38에 있어서,
    상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 단계는,
    상기 무선 신호에 상기 가중치 행렬과 상기 전력 할당치를 곱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  40. 청구항 38에 있어서,
    상기 가중치 행렬은 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 행렬(Singular matrix)에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  41. 청구항 38에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 기지국과의 채널 정보의 싱귤라 벨류(Singular value)를 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  42. 청구항 38에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  43. 청구항 38에 있어서,
    상기 전력 할당치는 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  44. 청구항 38에 있어서,
    상기 전력 할당치는,
    상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 워터필링(Water-filling) 방식에 따라 계산되고, 상기 분리된 무선 신호의 싱귤라 벨류 및 잡음 신호의 세기를 고려하여 변형된 워터필링 방식에 따라 계산되어, 이 중 하나의 전력 할당치가 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  45. 청구항 44에 있어서,
    상기 하나의 전력 할당치는 평균 전송률을 기초로 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  46. 청구항 45에 있어서,
    상기 평균 전송률 계산하기 위해 상기 단말로부터의 무선 신호의 신호대 잡음 비 평균값을 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  47. 청구항 44에 있어서,
    상기 계산부는 상기 단말과의 채널 정보의 대푯값을 임의로 복수 개 생성하 여, 상기 대푯값에 대하여 가장 높은 전송률을 갖게 하는 전력 할당치를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  48. 청구항 26 또는 청구항 38에 있어서,
    상기 계산부는 기지국과의 채널 정보가 기준치 이상으로 변했을 경우 상기 데이터를 새로 계산하여 상기 신호 처리부로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  49. 청구항 26 또는 청구항 38에 있어서,
    상기 계산부는 각 주파수 대역별로 상기 무선 신호의 조합 및 처리에 필요한 데이터를 계산하며, 상기 신호 처리부는 상기 데이터를 기초로 복수 개의 주파수 대역에 해당하는 복수 개의 필터를 이용하여 상기 무선 신호를 조합 및 처리하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
  50. 청구항 49에 있어서,
    상기 필터는 상기 데이터를 기초로 한 증폭기 및 위상 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 중계 방법.
KR1020070065450A 2007-06-29 2007-06-29 다중 안테나 중계장치 및 그 방법 KR100901800B1 (ko)

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