KR100930998B1 - Ｍｉｍｏ－ｏｆｄｍ 시스템과 상기 ｍｉｍｏ－ｏｆｄｍ시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및자원 할당 방법 - Google Patents

Ｍｉｍｏ－ｏｆｄｍ 시스템과 상기 ｍｉｍｏ－ｏｆｄｍ시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및자원 할당 방법 Download PDF

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Abstract

MIMO-OFDM 시스템과 상기 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및 자원 할당 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법은, 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단말과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 셀에 속하는 제1 기지국 및 상기 제2 셀에 속하는 제2 기지국 각각에 대한 공간 상관(spatial correlation)에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하는 단계 및 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면, 인접한 셀 간에 부반송파를 공유함으로써 주파수 자원을 효율적으로 활용하면서, 인접한 셀에 존재하는 사용자 단말 간의 동일 채널 간섭을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
MIMO, OFDM, 부반송파 할당, 동일 채널 간섭

Description

ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ 시스템과 상기 ＭＩＭＯ－ＯＦＤＭ 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및 자원 할당 방법{MIMO-OFDM system and method for allocating subcarriers, and allocating resources to mobile users in the MIMO-OFDM system}
본 발명은 MIMO-OFDM 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및 자원 할당 방법에 관한 것이다.
차세대 무선 통신 기술의 가장 중요한 요구사항은 높은 품질의 QoS(Quality of Service)를 제공하는 것이다. 주파수 자원은 한정 되어 있고, 채널은 페이딩에 의하여 급변하며, 다수의 사용자 단말이 공존하는 경우 사용자 단말 간의 간섭이 각각의 성능에 크게 영향을 미칠 수 있기 때문에 위와 같은 제약을 극복하기 위하여 근본적으로 주파수 효율이 높아져야 하고, 링크의 안정성이 개선되어야 한다.
근래에 4세대 무선 통신으로서 고성능의 물리 계층과 효율적인 자원 이용을 가능하게 하기 위해 다중 입출력 안테나(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 기술과 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 기술이 핵심 기술로서 각광받고 있다. 위와 같은 차세대 무선 통신의 요구사항을 만족시키기 위해서는 MIMO-OFDM 시스템에 알맞은 지능적인 자원 관리가 요구된다.
한편, 일반적으로 이동통신 시스템은 효율적인 시스템 구성을 위해 셀(cell) 구조를 갖는다. 여기서, 셀이란 이동통신에서 주파수를 효율적으로 이용하기 위하여 넓은 지역을 작은 구역으로 세분한 구역을 의미한다. 보통 이동통신에서는 이러한 셀, 즉 각 구역 내에 소출력의 기지국을 설치하여 통신을 중계하게 된다.
그런데, OFDM 기술은 이동통신 환경인 다중 셀(multi cell) 환경이 아닌 단일 셀(single cell) 환경에서 주로 적용되어 왔다. 따라서 OFDM 기술을 이동통신 환경, 즉 다중 셀 구조에서 사용하기 위해서는 셀 간 간섭과 같은 문제들이 효과적으로 해결되어야 한다.
종래에 이러한 셀 간 간섭을 해결하기 위하여 주파수 재사용 계수(frequency reuse factor)에 따른 방법을 사용하였다. 예를 들어, 주파수 재사용 계수를 3 또는 7과 같이 1보다 큰 값을 사용하는 것이다.
도 1은 OFDM 방식을 사용하는 셀룰러 이동통신 시스템에서 주파수 재사용 계수를 사용하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
기지국들(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160) 각각은 하나의 셀을 이루며, 각기 다른 주파수를 사용한다. 즉, 하나의 기지국은 전체 사용할 수 있는 주파수들 중 1/3 만을 사용하도록 한다. 이와 같이 각 기지국들에서 서로 다른 주파수를 사용하도록 함으로써 서로 다른 셀에 속하는 사용자 단말 간의 간섭을 효과적으로 줄 일 수 있게 된다. 이처럼 전체 사용 가능한 주파수를 1/3로 나누어 사용하는 경우 주파수 재사용 계수가 3이 된다. 이러한 방법을 기초로 셀룰러 이동통신 시스템을 구성하는 경우 일반적으로 주파수 재사용 계수는 3보다 큰 값을 가지게 된다. 왜냐하면 도 1에 도시된 바와 같이 모든 기지국들이 이론적인 셀 구조를 가지기 어렵기 때문이다. 따라서 일반적으로 주파수 재사용 계수는 3~7의 값을 가지게 된다.
그러나 이와 같이 주파수 재사용 계수가 3~7의 값을 가지는 경우 모든 주파수를 사용할 수 없다는 문제가 있다. 따라서 주파수 재사용 계수를 1로 사용하는 방법이 있는데, 이 경우 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 이점이 있으나, 셀 가장자리에 위치한 단말들 간에는 동일 채널 간섭(co channel interference)으로 인하여 신호대 잡음비가 현저히 저하되는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인접한 셀 간에 부반송파를 공유함으로써 주파수 자원을 효율적으로 활용하면서 인접한 셀에 존재하는 사용자 단말 간의 동일 채널 간섭을 최소화할 수 있는, MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법 및 자원 할당 방법, 그리고 MIMO-OFDM 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법은, (a) 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단 말과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 셀에 속하는 제1 기지국 및 상기 제2 셀에 속하는 제2 기지국 각각에 대한 공간 상관(spatial correlation)에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하는 단계; 및 (b) 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 상기 제2 기지국에 대한 공간 상관을 계산하고, 상기 계산된 공간 상관에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파의 후보를 결정하는 단계; 및 (a2) 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 기지국에 대한 공간 상관을 계산하고, 상기 계산된 공간 상관에 따라 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (a1) 단계 및 상기 (a2) 단계는 각각 상기 제2 기지국 및 상기 제1 기지국에서 수행될 수 있고, 부반송파 할당 방법은 상기 (a1) 단계 이전에, 상기 제1 기지국에서 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제2 기지국으로 전송하는 단계; 및 상기 (a1) 단계 이후에, 상기 제2 기지국에서 상기 결정된 부반송파의 후보에 관한 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제 1 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제1 기지국으로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보 및 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보는 각각 상기 제2 기지국에 대한 공간 시그너쳐(spatial signature) 및 상기 제1 기지국에 대한 공간 시그너쳐일 수 있다.
또한, 상기 (a1) 단계에서 상기 부반송파의 후보의 결정은, 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제2 기지국에 대한 공간 상관이 소정의 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 결정할 수 있다.
또한, 상기 (a2) 단계에서 상기 부반송파의 결정은, 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 기지국에 대한 공간 상관이 소정의 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 결정할 수 있다.
또한, 상기 제2 기지국에 대한 공간 상관
Figure 112008006991399-pat00001
및 상기 제1 기지국에 대한 공간 상관
Figure 112008006991399-pat00002
은 다음 수학식에 따라 결정될 수 있다.
Figure 112008006991399-pat00003
여기서,
Figure 112009027137115-pat00004
및
Figure 112009027137115-pat00005
는 각각 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 공간 시그너쳐이고,
Figure 112009027137115-pat00006
및
Figure 112009027137115-pat00007
는 각각 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 공간 시그너쳐이며, 위첨자 H는 허미시안(Hermitian) 행렬을 나타내고, 집합 I는 상기 제1 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 IBS2 는 상기 집합 I에 속한 사용자 단말들 중 상기 제2 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 K는 상기 제2 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 KBS1 은 상기 집합 K에 속한 사용자 단말들 중 상기 제1 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합을 의미한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 자원 할당 방법은, 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단말과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 셀에 속하는 제1 기지국 및 상기 제2 셀에 속하는 제2 기지국 각각에 대한 공간 상관(spatial correlation)에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하는 단계; 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 단계; 및 상기 제1 사용자 단말에 할당된 각 부반송파에 비트 할당 및 전력 할당을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 MIMO-OFDM 시스템은, 제1 셀에 속하는 제1 기지국과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 속하는 제2 기지국을 포함하고, 상기 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단말과 상기 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국 각각에 대한 공간 상관(spatial correlation)에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하고, 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2 기지국은 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 상기 제2 기지국에 대한 공간 상관을 계산하고, 상기 계산된 공간 상관에 따라 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파의 후보를 결정하고, 상기 제1 기지국은 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 상기 제1 기지국에 대한 공간 상관을 계산하고, 상기 계산된 공간 상관에 따라 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하고, 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하여 그 결과를 상기 제1 사용자 단말에 전송할 수 있다.
이때, 상기 제1 기지국은 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제2 기지국으로 전송하고, 상기 제2 기지국은 상기 결정된 부반송파의 후보에 관한 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제1 기지국으로 전송할 수 있다.
또한, 상기 제2 기지국에서 상기 부반송파의 후보의 결정은, 상기 제2 셀에 서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제2 기지국에 대한 공간 상관이 소정의 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 결정할 수 있다.
또한, 상기 제1 기지국에서 상기 부반송파의 결정은, 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 기지국에 대한 공간 상관이 소정의 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 결정할 수 있다.
상술한 본 발명에 의하면, 인접한 셀 간에 부반송파를 공유함으로써 주파수 자원을 효율적으로 활용하면서, 인접한 셀에 존재하는 사용자 단말 간의 동일 채널 간섭을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO-OFDM 시스템을 위한 셀 구조를 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따르면, 인접한 각 셀은 기본적으로 서로 다른 주파수 대역을 사용한다. 다만, 제1 셀과 인접한 제2 셀에서 사용되는 주파수 중 일부를 빌려와서 제1 셀에 존재하는 사용자 단말에 할당함으로써 주파수 재사용 계수를 1에 근접하도록 한다.
우선, 본 발명이 적용되는 MIMO-OFDM 시스템에 관하여 임의의 하나의 셀을 기준으로 설명하기로 한다. 한 셀 안에는 K개의 사용자 단말이 존재하고, 각 사용자 단말은 MT개의 송신 안테나를 구비하고 있고, 기지국은 MR개의 수신 안테나를 구비하고 있으며, 한 셀 내에서 사용되는 주파수 밴드는 M개의 부반송파들로 구성되어 있다고 가정한다. 이러한 경우에 사용자 단말 k가 부반송파 m을 사용할 경우에 채널 행렬 Hk,m은 다음 수학식과 같이 정의된다.
Figure 112008006991399-pat00008
상기된 채널 행렬은 특이값 분해(singular value decomposition, SVD)를 통해 다음 수학식과 같이 채널 행렬의 랭크의 수만큼의 복수 개의 평행한 채널의 합으로 나타내어질 수 있다.
Figure 112008006991399-pat00009
상기 수학식에서,
Figure 112009027137115-pat00010
,
Figure 112009027137115-pat00011
는 각각 좌측 특이 벡터(left singular vector) 및 우측 특이 벡터(right singular vector)이며, si는 내림차순으로 정렬된 특이값(singular value)을 의미하고, 위첨자 H는 허미시안(Hermitian) 행렬을 나타낸다. 또한, 일반적인 야외 환경에서 최대의 특이값 s1이 다른 특이값들보다 매우 큰 것으로 논문 [J. Kim and J. M. Cioffi, "Transmission optimization with a space-time filter at low SNR wireless environment," in Proc. IEEE GLOBECOM, vol. 3, Dec. 1999, pp. 889-893]에서 증명되어 있다. 따라서 최대의 특이값, 즉 dominant singular value를 이용하여 전송할 수 있도록 하기 위해 송신하는 각 사용자 단말은 안테나 가중치(antenna weights)를 dominant singular value를 가지는 채널에 해당하는 좌측 특이 벡터, 즉 dominant left singular vector로 형성하고, 수신하는 기지국은 안테나 가중치를 상기 채널의 우측 특이 벡터, 즉 dominant right singular vector로 형성한다.
이때, K개의 사용자 단말이 부반송파 m을 이용하여 심볼을 전송하는 경우 기지국이 수신하는 신호 r m은 다음 수학식과 같다.
Figure 112008006991399-pat00012
여기서,
Figure 112009027137115-pat00046
,
Figure 112009027137115-pat00047
및
Figure 112009027137115-pat00048
는 각각 사용자 단말 k에 해당하는 dominant singular value, dominant left singular vector 및 dominant right singular vector를 의미하고,
Figure 112009027137115-pat00049
은 independent and identically distributed(i,i,d) complex Gaussian noise vector를 의미한다. 또한,
Figure 112009027137115-pat00017
은 사용자 단말 k에서 부반송파 m에 의해 전송되는 심볼을,
Figure 112009027137115-pat00018
은 부반송파 m에 할당되는 전력을 의미한다. 이 때 각 사용자 단말의 dominant left singular vector인
Figure 112009027137115-pat00050
을 각 사용자 단말의 공간 시그너쳐(spatial signature)라 한다.
상기된 신호를 수신한 기지국은 특정 사용자 단말의 심볼을 복원하기 위하여 다음 수학식에서와 같이 특정 사용자 단말의 공간 시그너쳐인
Figure 112009027137115-pat00051
의 허미시안 행렬을 수신한 신호에 곱한다.
Figure 112008006991399-pat00021
상기 수학식에서 우변의 첫 번째 항은 상기 특정 사용자 단말의 복원된 신호가 되며, 두 번째 항은 상기 특정 사용자 단말의 신호를 복원하는 데 있어서 동일 채널 간섭(co channel interference, CCI)으로 작용하게 되는 다른 사용자 단말들의 신호가 된다. 여기서 사용자 단말 k1과 사용자 단말 k2 간의 공간 상관(spatial correlation)은 다음 수학식에서와 같이 각 사용자 단말의 공간 시그너쳐의 곱으로 구해진다.
Figure 112008006991399-pat00022
상기된 수학식 4 및 5를 참조하면, 특정 사용자 단말을 제외한 다른 사용자 단말들에 의한 동일 채널 간섭은 상기 특정 사용자 단말과 다른 사용자 단말 간의 공간 상관에 의하여 그 크기가 좌우되는 것을 알 수 있다. 다중 사용자 검출(multi user detection, MUD)이란 이처럼 동일한 부반송파를 사용하여 다수의 사용자들인 신호를 전송할 때 각 사용자의 신호를 검출하는 기술로서, 정합 필터(matched filter) 방식, MMSE(minimum mean squared error) 방식, ML(maximum likelihood) 방식, 제로포싱(zero-forcing) 방식, 평행 간섭 제거(parallel interference cancellation, PIC) 방식 등이 있다. 이러한 다중 사용자 검출 기술을 사용하면, 사용자 단말 간의 공간 상관이 어떤 값 이하로 낮은 경우에 단일 사용자 단말이 전송하는 경우에 가까운 수준으로 복수의 사용자 단말들 각각의 신호를 복원해 낼 수 있다.
이제 다시 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO-OFDM 시스템의 동작을 설명하기로 한다. 이하에서는, 제1 셀에 속한 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 경우를 예로 들어 설명하며, 편의상 인접한 제2 셀만 언급되고 있으나 제2 셀 외에 인접한 다른 셀들에 관하여도 동일하게 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 MIMO-OFDM 시스템은 제1 셀에 속하는 제1 기지국과 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 속하는 제2 기지국을 포함하여 이루어진다. 또한 제1 셀에서 사용되는 부반송파들과 제2 셀에서 사용되는 부반송파는 그 주파수 대역이 나누어져 정의된다. 도 2에서 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단말(215)이 도시되어 있으며, 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말(225)이 도시되어 있다. 편의상 도시되어 있지 않지만, 제1 사용자 단말 및 제2 사용자 단말은 각각 제1 셀 및 제2 셀에 복수 개 존재한다. 본 실시예에서, 제1 사용자 단말(215)에 부반송파를 할당함에 있어서, 제1 셀에 존재하는 제1 사용자 단말(215)과 제2 셀에 존재하는 제2 사용자 단말(225) 간의 제1 기지국(210) 및 제2 기지국(220) 각각에 대한 공간 상관에 따라 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 일부를 제1 사용자 단말(215)에 할당한다. 물론, 이러한 부반송파의 할당은 역으로 제2 사용자 단말(225)에 관하여도 마찬가지이다.
본 실시예에 의하면, 각 사용자 단말과 각 기지국 간의 통신 모델은 TDD(time-division duplex) 모델을 따른다. 즉, 기지국은 매 다운링크 시에 다음 업링크 시의 채널 추정을 위한 파일럿 신호를 각 사용자 단말에 전송하고, 각 사용자 단말은 수신한 파일럿 신호에 기초하여 업링크 시의 채널을 추정하고 그 결과를 기지국에 피드백한다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이 각 셀이 서로 인접한 부위에 있는 사용자 단말들은 핸드오버 등을 위하여 자신이 속한 셀 뿐만 아니라 자신이 속한 셀에 인접한 셀의 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신하게 된다. 예를 들어, 제1 사용자 단말(215)이 셀 간의의 경계에 가까이 있는 경우 제2 기지국(220)으로부터도 파일럿 신호를 수신하게 되며, 제2 사용자 단말(225)이 셀 간의 경계에 가까이 있는 경우 제1 기지국(210)으로부터도 파일럿 신호를 수신하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 2에 도시된 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파를 할당하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
제1 사용자 단말(215)이 제2 기지국(220)으로부터 파일럿 신호를 수신하면, 채널을 추정하여 제2 기지국(220)에 대한 채널 정보로서 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐를 제1 기지국(210)으로 전송하게 된다. 따라서 310단계에서 제1 기지국(210)은 제1 사용자 단말(215)의 제2 기지국(220)에 대한 채널 정보를 획득한다. 마찬가지로, 제2 사용자 단말(225)이 제1 기지국(210)으로부터 파일럿 신호를 수신하면, 채널을 추정하여 제1 기지국(210)에 대한 채널 정보로서 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐를 제2 기지국(220)으로 전송하게 된다. 따라서 320단계에서 제2 기지국(220)은 제2 사용자 단말(225)의 제1 기지국(210)에 대한 채널 정보를 획득한다. 여기서 물론, 제1 기지국(210)으로부터의 파일럿 신호는 제1 사용자 단말(215)에 전달되고, 제2 기지국(220)으로부터의 파일럿 신호 역시 제2 사용자 단말(225)에 전달되므로, 제1 기지국(210)은 제1 사용자 단말(215)의 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐를 알고 있으며, 제2 기지국(220) 역시 제2 사용자 단말(225)의 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐를 알고 있다.
다음으로, 320단계에서 제1 기지국(210)은 상기 310단계에서 획득된 제1 사용자 단말(215)의 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐를 제2 기지국(220)으로 전송한다. 이때 전송되는 신호를 제2 기지국(220)에서는 제1 기지국(210)이 제2 셀에서 사용되는 부반송파의 공유를 요청하는 신호로서 받아들일 수 있다. 제1 기지국(210)과 제2 기지국(220)과의 통신은 미리 설치되어 있는 유선망을 통하여 이루어질 수 있다.
325단계에서 제2 기지국(220)은 제1 사용자 단말(215) 및 제2 사용자 단말(225)의 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐를 이용하여 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225) 간의 제2 기지국(220)에 대한 공간 상관을 계산한다. 이때, 상기 공간 상관은 다음 수학식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112008006991399-pat00023
여기서,
Figure 112009027137115-pat00024
및
Figure 112009027137115-pat00025
는 각각 상기 제1 사용자 단말(215) 및 상기 제2 사용자 단말(225)의 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐이고, 위첨자 H는 허미시안(Hermitian) 행렬을 나타내고, 집합 I는 제1 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 IBS2 는 상기 집합 I에 속한 사용자 단말들 중 제2 기지국(220)으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 K는 제2 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 KBS1 은 상기 집합 K에 속한 사용자 단말들 중 제1 기지국(210)으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합을 의미한다. 한편, 이미 설명한 바와 같이 제2 기지국(220)은 제2 사용자 단말(225)의 제2 기지국(220)에 대한 공간 시그너쳐
Figure 112009027137115-pat00026
는 이미 알고 있다.
도 2를 참조하면, 상기 수학식에 따른 공간 상관은 제2 기지국(220)에 대한 상향링크들, 즉 상향링크 a 및 b에서 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 동일한 부반송파를 사용하는 경우에 발생하게 되는 동일 채널 간섭의 정도를 반영하는 값이 된다. 따라서, 상기 공간 상관이 어떤 값 이하로 낮은 경우에는 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 동일한 부반송파를 사용하더라도 제2 기지국(220)에서 동일 채널 간섭이 무시될 수 있다.
330단계에서 제2 기지국(220)은 상기 325단계에서 계산된 공간 상관에 따라 제1 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 제1 사용자 단말(215)에 할당할 부반송파의 후보를 결정한다. 여기서, 제2 기지국(220)은 예를 들어 제2 셀에 존재하는 각각의 제2 사용자 단말(225)에 대하여 계산된 제2 기지국(220)에 대한 공간 상관을 소정의 임계값
Figure 112008006991399-pat00027
와 비교하여, 그 값이 상기 소정의 임계값
Figure 112008006991399-pat00028
보다 크게 되는 제2 사용자 단말(225)을 추출한다. 그리고 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 추출된 제2 사용자 단말(225)에 할당된 부반송파를 제외한 결과를 제1 사용자 단말(215)에 할당할 부반송파의 후보로서, 다시 말하면 제1 셀에 빌려줄 부반송파의 후보로서 결정한다. 이렇게 결정된 부반송파의 후보는 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 함께 사용하여도 제2 기지국(220)에서는 동일 채널 간섭이 거의 발생하지 않게 된다.
335단계에서 제2 기지국(220)은 상기 330단계에서 결정된 부반송파의 후보에 관한 정보, 상기 315단계에서 획득된 제2 사용자 단말(225)의 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐, 그리고 제2 셀에 존재하는 각 제2 사용자 단말(225)에 현재 할당된 부반송파의 정보를 제1 기지국(210)으로 전송한다.
340단계에서 제1 기지국(210)은 제1 사용자 단말(215) 및 제2 사용자 단말(225)의 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐를 이용하여 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225) 간의 제1 기지국(210)에 대한 공간 상관을 계산한다. 이때, 상기 공간 상관은 다음 수학식에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112008006991399-pat00029
여기서,
Figure 112009027137115-pat00030
및
Figure 112009027137115-pat00031
는 각각 제1 사용자 단말(215) 및 제2 사용자 단말(225)의 상기 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐이다. 나머지 기호는 상기된 수학식 6과 마찬가지이다. 한편, 이미 설명한 바와 같이 제1 기지국(210)은 제1 사용자 단말(215)의 제1 기지국(210)에 대한 공간 시그너쳐
Figure 112009027137115-pat00032
은 이미 알고 있다.
도 2를 참조하면, 상기 수학식에 따른 공간 상관은 제1 기지국(210)에 대한 상향링크들, 즉 상향링크 c 및 d에서 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 동일한 부반송파를 사용하는 경우에 발생하게 되는 동일 채널 간섭의 정도를 반영하는 값이다. 따라서 상기 공간 상관이 어떤 값 이하로 낮은 경우에는 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 동일한 부반송파를 사용하더라도 제1 기지국(210)에서 동일 채널 간섭이 무시될 수 있다.
345단계에서 제1 기지국(210)은 상기 340단계에서 계산된 공간 상관에 따라 제2 기지국(220)에서 결정된 부반송파의 후보 중에서 제1 사용자 단말(215)에 할당할 부반송파를 결정한다. 이때 상기 330단계와 마찬가지로, 제2 셀에 존재하는 각각의 제2 사용자 단말(225)에 대하여 계산된 제1 기지국(210)에 대한 공간 상관을 소정의 임계값 값
Figure 112008006991399-pat00033
와 비교하여, 그 값이 상기 소정의 임계값
Figure 112008006991399-pat00034
보다 크게 되는 제2 사용자 단말(225)을 추출한다. 그리고 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 추출된 제2 사용자 단말(225)에 할당된 부반송파를 제외한 결과를 제1 사용자 단말(215)에 할당할 부반송파의 후보로서, 즉 제2 셀로부터 빌려와 제1 사용자 단말(215)에 할당할 부반송파로서 결정한다. 이렇게 결정된 부반송파는 제1 사용자 단말(215)과 제2 사용자 단말(225)이 함께 사용하여도 제2 기지국(220)에서는 물론 제1 기지국(210)에서도 동일 채널 간섭이 거의 발생하지 않게 된다.
350단계에서는 제1 기지국(210)은 본래 정의된 바에 따라 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 345단계에서 결정된 부반송파를 가지고 제1 사용자 단말(215)에 부반송파를 할당한다. 여기서, 제1 셀에서 사용되는 부반송파를 제1 사용자 단말(215)에 할당하는 방법은 종래에 단일 셀 환경에서 각 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 서로 간에 공간 상관이 크게 나타나는 사용자 단말들끼리 그룹핑을 하고, 동일한 그룹 내의 사용자 단말들 간에는 부반송파를 공유하지 않도록 하고 서로 다른 그룹의 사용자 단말들 간에는 부반송파를 공유하도록 하는 형태로 각 사용자 단말에 부반송파를 할당한다. 또한, 인접한 셀로부터 빌려온 부반송파를 사용자 단말에 할당하는 경우에 있어서 서로 다른 사용자 단말에 동일한 부반송파를 인접한 셀로부터 빌려와 할당하게 되는 경우라면, 사용자 단말 간의 공간 상관이 소정 임계값보다 작은 경우에 한하여 인접 셀로부터 빌려온 동일한 부반송파를 할당할 수 있다.
355단계에서 제1 기지국(210)은 상기 350단계에서 제1 사용자 단말(215)에 할당된 각 부반송파에 비트 할당 및 전력 할당을 수행한다. 여기서는 종래에 단일 셀 환경에서 사용자 단말의 각 부반송파에 비트 할당 및 전력 할당을 수행하기 위한 알고리즘이 사용될 수 있다.
360단계에서 제1 기지국(210)은 상기 350단계 및 상기 355단계에서 할당된 자원에 관한 정보를 제1 사용자 단말(215)로 전송한다. 제1 사용자 단말(215)은 이때 전송받은 자원 할당 정보에 따라 심볼을 OFDM 변조하여 제1 기지국(210)으로 송신하게 된다.
상술한 본 발명에 의하면 인접 셀로에서 사용되는 부반송파를 빌려와서 셀 내에 존재하는 사용자 단말에 할당함으로써 주파수 재사용 계수가 3 이상인 경우에도 인접 셀 간에 주파수를 공유하게 되어 주파수 재사용 계수를 1에 가깝게 실현할 수 있다. 따라서 셀 내부의 스루풋(throughput)이 증가되어 사용자 단말 전체의 전송 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 공간 상관을 이용, 인접한 각 셀에 속한 기지국에서 발생할 수 있는 동일 채널 간섭을 고려하여 인접 셀로부터 빌려온 부반송파를 할당하기 때문에 동일 채널 간섭에 의한 신호대 잡음비의 저하가 발생하지 않고 트래픽 로드가 큰 상황에서도 성능의 저하 없이 적용될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으 로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 OFDM 방식을 사용하는 셀룰러 이동통신 시스템에서 주파수 재사용 계수를 사용하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO-OFDM 시스템을 위한 셀 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 2에 도시된 MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파를 할당하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (14)

  1. MIMO-OFDM 시스템에서 사용자 단말을 위한 부반송파 할당 방법에 있어서,
    상기 MIMO-OFDM 시스템은 제1 셀에 속하는 제1 기지국과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 속하는 제2 기지국을 포함하고, 제1 사용자 단말은 상기 제1 셀에 존재하고, 제2 사용자 단말은 상기 제2 셀에 존재할 때,
    상기 부반송파 할당 방법은,
    (a1) 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 공간 상관(이하, 제2 공간 상관)을 계산하고, 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제2 공간 상관이 일정 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파의 후보를 결정하는 단계;
    (a2) 상기 제1 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 공간 상관(이하, 제1 공간 상관)을 계산하고, 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 공간 상관이 상기 일정 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하는 단계; 및
    (b) 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부반송파 할당 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a1) 단계 및 상기 (a2) 단계는 각각 상기 제2 기지국 및 상기 제1 기지국에서 수행되며,
    상기 (a1) 단계 이전에, 상기 제1 기지국에서 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제2 기지국으로 전송하는 단계; 및
    상기 (a1) 단계 이후에, 상기 제2 기지국에서 상기 결정된 부반송파의 후보에 관한 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제1 기지국으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부반송파 할당 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기지국에 대한 채널 정보 및 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보는 각각 상기 제2 기지국에 대한 공간 시그너쳐(spatial signature) 및 상기 제1 기지국에 대한 공간 시그너쳐인 것을 특징으로 하는 부반송파 할당 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 공간 상관
    Figure 112009027137115-pat00035
    은 다음 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 부반송파 할당 방법.
    Figure 112009027137115-pat00036
    여기서,
    Figure 112009027137115-pat00037
    및
    Figure 112009027137115-pat00038
    는 각각 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 공간 시그너쳐이고, 위첨자 H는 허미시안(Hermitian) 행렬을 나타내고, 집합 I는 상기 제1 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 IBS2 는 상기 집합 I에 속한 사용자 단말들 중 상기 제2 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 K는 상기 제2 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 KBS1 은 상기 집합 K에 속한 사용자 단말들 중 상기 제1 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합을 의미한다.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 공간 상관
    Figure 112009027137115-pat00039
    은 다음 수학식에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 부반송파 할당 방법.
    Figure 112009027137115-pat00040
    여기서,
    Figure 112009027137115-pat00041
    및
    Figure 112009027137115-pat00042
    는 각각 상기 제1 사용자 단말 및 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 공간 시그너쳐이고, 위첨자 H는 허미시안(Hermitian) 행렬을 나타내고, 집합 I는 상기 제1 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 IBS2 는 상기 집합 I에 속한 사용자 단말들 중 상기 제2 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 K는 상기 제2 셀에 존재하는 사용자 단말들의 집합이고, 집합 KBS1 은 상기 집합 K에 속한 사용자 단말들 중 상기 제1 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신할 수 있는 사용자 단말들의 집합을 의미한다.
  9. 삭제
  10. MIMO-OFDM 시스템에 있어서,
    상기 MIMO-OFDM 시스템은 제1 셀에 속하는 제1 기지국과 상기 제1 셀에 인접하는 제2 셀에 속하는 제2 기지국을 포함하고, 제1 사용자 단말은 상기 제1 셀에 존재하고, 제2 사용자 단말은 상기 제2 셀에 존재할 때,
    상기 제2 기지국은 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 공간 상관(이하, 제2 공간 상관)을 계산하고, 상기 제2 셀에서 사용되는 부반송파들 중에서 상기 제2 공간 상관이 일정 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파의 후보를 결정하고,
    상기 제1 기지국은 상기 제1 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 이용하여 상기 제1 사용자 단말과 상기 제2 사용자 단말 간의 공간 상관(이하, 제1 공간 상관)을 계산하고, 상기 결정된 부반송파의 후보 중에서 상기 제1 공간 상관이 상기 일정 임계값보다 크게 되는 제2 사용자 단말에 할당된 부반송파를 제외함으로써 상기 제1 사용자 단말에 할당할 부반송파를 결정하고, 상기 제1 셀에서 사용되는 부반송파와 상기 결정된 부반송파를 가지고 상기 제1 사용자 단말에 부반송파를 할당하여 그 결과를 상기 제1 사용자 단말에 전송하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 시스템.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 기지국은 상기 제1 사용자 단말의 상기 제2 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제2 기지국으로 전송하고,
    상기 제2 기지국은 상기 결정된 부반송파의 후보에 관한 정보와 상기 제2 사용자 단말의 상기 제1 기지국에 대한 채널 정보를 상기 제1 기지국으로 전송하는 것을 특징으로 하는 MIMO-OFDM 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
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