KR100961889B1 - 다중 입력 다중 출력 시스템의 순차적 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 입력 다중 출력 시스템의 순차적 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 통신 시스템의 송신기에서 스케줄링 방법은, 초기화 단계에서 전체 사용자의 부분 피드백 정보 중 가장 큰 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송하는 과정과, 상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트하는 과정과, 상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

MIMO, SDMA, 스케줄링, 피드백, 채널 피드백 정보

Description

다중 입력 다중 출력 시스템의 순차적 스케줄링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PERFORMING SEQUENTIAL SCHEDULING IN MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 송수신기의 구성을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 SDMA 시스템에서 송/수신 프로세스의 구성을 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템의 기지국에서 동작 사용자 및 사용자 별 데이터 스트림 수 선택을 위한 순차적인 스케줄링 방법의 절차를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템의 단말에서 순차적인 스케줄링을 위한 피드백 정보 전송 방법의 절차를 도시한 도면, 및

도 5와 도 6은 종래 기술과 본 발명의 계산 복잡도와 계산량 감소율을 비교한 도면.

본 발명은 다중 입력 다중 출력 시스템의 순차적 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 사용자의 채널 피드백 양을 최소화하는 스케줄링 기법과 이에 따른 송신기 또는 수신기에서의 계산 복잡도 개선 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 채널의 용량을 증대하기 위한 방안으로 다중 입력 다중 출력(Multiple-Input Multiple-Output : 이하 'MIMO'라 칭함) 방식이 최근 많이 고려되고 있다. 여기서, 다중 사용자 MIMO(MultiUser-MIMO : 이하 'MU-MIMO'라 칭함) 시스템의 성능을 극대화시키기 위해서는 시스템의 동작 사용자 선택 및 사용자 별 데이터 스트림 수의 선택에 관한 효율적인 스케줄링 기법이 요구된다.

상기 MU-MIMO 시스템에서의 스케줄링 기법에 대한 종래의 연구들은 대부분 다수의 사용자 중에서 동작 사용자를 선택하는 방법과 고정된 동작 사용자 그룹에서의 사용자 별 데이터 스트림 개수 선택에 관한 방법 및 동작 사용자 그룹과 사용자 별 데이터 스트림 개수가 모두 고정된 경우의 스케줄링 방법에 대한 것이다. 이때, 상기 시스템의 송신기에서는 모든 사용자 별 채널 피드백 정보를 기반으로 용량 극대화 등의 목표를 달성하기 위한 스케줄링을 수행하게 된다. 하지만, 상기 종래의 연구들은 동작 사용자 및 사용자 별 데이터 스트림 수의 선택에 관한 스케줄링을 위해 매번 모든 사용자들의 채널 피드백을 요구하기 때문에 상향 링크 자원의 낭비를 초래하게 되고, 상기 스케줄링에 따른 계산 복잡도가 높아지게 된다.

상기 연구 분야 가운데 실질적으로 구현이 용이한 선형 프로세스 기반의 방식이 공간 분할 다중 접속(Space Division Multiple Access : 이하 'SDMA'라 칭함) 기술이다. 그러나, 상기 SDMA 역시 모든 사용자 별 채널 피드백을 기반으로 스케줄링을 수행하므로, 다수의 송신 안테나를 가진 시스템 동작 시, 피드백 양이 급격하게 늘어나 이에 따른 송신기 또는 수신기의 계산 복잡도가 높아지게 된다. 따라서, 다수의 송신 안테나를 가진 시스템에 상기 SDMA 등의 기술 적용이 거의 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 상기 MU-MIMO 시스템에서 사용자의 채널 피드백 양을 최소화하는 스케줄링 기법과 이에 따른 송신기 또는 수신기에서의 복잡도 개선 방법의 제안이 필요하다.

본 발명의 목적은 다중 입력 다중 출력 시스템의 순차적 스케줄링 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 입력 다중 출력 시스템에서 사용자의 채널 피드백 양을 최소화하는 스케줄링 기법과 이에 따른 송신기 또는 수신기에서의 계산 복잡도 개선 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입력 다중 출력 시스템에서 종래 송신기의 최적의 동작 사용자 및 사용자 별 데이터 스트림 수 선택 문제를 수신기에 이양하여 고려함으로써 순차적으로 스케줄링하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입력 다중 출력 시스템에서 송신기가 모든 사용자의 전체 채널 상태 정보를 피드백 수신할 필요 없이, 순차적으로 선택한 사용자의 채널 피드백 정보만을 피드백 수신함으로써 채널 피드백 양을 줄이고, 사용자 및 사용자 별 데이터 스트림 수 조합에 따르는 계산상의 복잡도를 줄이기 위한 순차적 스케줄링 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입력 다중 출력 시스템에서 송신 또는 수신 프로세스의 영공간 계산에 따른 복잡도를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 송신기에서 스케줄링 방법은, 초기화 단계에서 전체 사용자의 부분 피드백 정보 중 가장 큰 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송하는 과정과, 상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트하는 과정과, 상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 수신기에서 채널 정보 피드백 방법은, 기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신될 시, 상기 기지국으로 채널 피드백 정보를 전송하는 과정과, 상기 기지국으로부터 상기 채널 피드백 정보 요구가 아닌, 기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 부분 피드백 정보를 계산하는 과정과, 상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 송신기의 스케줄링 장치는, 초기화 단계에서 전체 사용자의 부분 피드백 정보 중 가장 큰 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송하며, 상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트하고, 상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보를 수신하는 스케줄러와, 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보와 상기 선택된 사용자로부터 수신되는 채널 피드백 정보를 상기 스케줄러로 출력하는 피드백 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 통신 시스템의 수신기에서 채널 정보 피드백 장치는, 기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신될 시, 상기 기지국으로 채널 피드백 정보를 전송하고, 상기 기지국으로부터 상기 채널 피드백 정보 요구가 아닌, 기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 부분 피드백 정보를 계산하며, 상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 채널 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 다수의 송/수신 안테나를 가지는 MIMO 시스템에서 사용자의 채널 피드백 양을 최소화하는 스케줄링 기법과 이에 따른 송신기 또는 수신기에서의 계산 복잡도 개선 방안에 대해 살펴보기로 한다. 여기서, 본 발명에서 제안하는 상기 스케줄링 기법은 다수의 사용자 중 동시에 서비스받을 수 있는 동작 사용자의 선택 및 동작 사용자별 데이터 스트림 수의 선택에 관한 순차적 스케줄링 방법이다.

도 1은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 송수신기의 구성을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 상기 MU-MIMO 시스템의 전체 사용자 수는 N이고, 상기 시스템으로부터 실제 서비스를 받을 수 있는 동작 사용자 수는 K이며, 상기 시스템은 N 명의 전체 사용자 중에서 선택된 K명의 동작 사용자가 동시에 같은 주파수를 통해 통신할 수 있는 시스템을 가정한다. 송신 안테나 수는 N_T이고, k번째 사용자의 수신 안테나 수는 N_R,k이며, 각 사용자의 MIMO 채널은 Hk이고, 각 사용자의 데이터 스트림은 Lk로 정의한다. 먼저, 송신기, 즉 기지국은 스케줄러(100), 송신단(110), 피드백 수신부(120)를 포함하여 구성되며, 각 사용자, 즉 수신기는 수신단(130-1 ~ 130-N), 채널 추정기(140-1 ~ 140-N)를 포함하여 구성된다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 스케줄러(100)는 상기 피드백 수신부(120)로부터 입력되는 부분 피드백 정보 중 가장 큰 부분 피드백 정보를 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 전체 피드백 정보(Channel State Information : CSI)를 포함하는 채널 피드백 정보를 요구한다. 여기서, 상기 부분 피드백 정보는 스케줄링 기준이 될 수 있는 각 사용자의 수신 신호대 잡음 비(Signal-to-Interference-and Noise Ratio : 이하 'SINR'이라 칭함) 또는 용량 Ck 등이 될 수 있다. 이후, 상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보로서 전체 피드백 정보, 즉 채널 상태 정보(CSI) 및 데이터 스트림 수에 대한 피드백이 수신되면, 상기 스케줄러(100)는 선택되지 않은 나머지 사용자에게 상기 피드백을 브로드캐스트하고, 상기 나머지 사용자로부터 새로이 계산된 부분 피드백 정보를 수신하여 스케줄링이 완료될 때까지 상기 과정을 반복 수행한다. 여기서, 상기 스케줄링은 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보가 없거나 혹은 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 크거나 같은 시점에 완료된다.

상기 송신단(110)은 선-처리(Pre-processing)를 위한 K 개의 송신 프로세스(110-1~ 110-K)를 포함하며, 상기 K 개의 송신 프로세스(110-1~ 110-K)를 통해 상기 스케줄링된 사용자의 데이터 스트림을 각각 선-처리한 후, 해당 안테나를 통해 각 사용자에게 전송한다. 상기 피드백 수신부(120)는 각 수신기로부터 입력되는 피드백 정보를 상기 스케줄러(100)로 출력한다.

상기 수신단(130-1 ~ 130-N)은 후-처리(Post-processing)를 위한 수신 프로세스를 포함하여 구성되며, 상기 수신 프로세스를 통해 송신 데이터 스트림을 복원한다.

상기 채널 추정기(140-1 ~ 140-N)는 하나 이상의 수신 안테나 각각을 통해 수신된 신호를 이용하여 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널 상태 정보를 이용하여 스케줄링 기준이 될 수 있는 SINR 또는 용량 C_k 등의 부분 피드백 정보를 계산한 후 이를 기지국으로 전송한다. 이후, 상기 기지국으로부터 스케줄링된 사용자에 대한 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수가 수신되면, 상기 채널 추정기(140-1 ~ 140-N)는 상기 추정된 채널 상태 정보와 상기 수신된 스케줄링된 사용자에 대한 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수를 이용하여 자신이 선택되었을 때의 송/수신 프로세스를 계산하고, 상기 계산한 송/수신 프로세스를 바탕으로 자신의 데이터 스트림 수에 따라 스케줄링 기준이 될 수 있는 SINR 또는 용량 C_k등의 부분 피드백 정보를 새로이 계산한 후, 상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송한다. 만약, 상기 기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신되면, 상기 채널 추정기(140-1 ~ 140-N)는 상기 단말 자신이 스케줄링되었음을 판단하고 상기 기지국으로 자신의 채널 상태 정보(CSI) 및 데이터 스트림 수를 피드백 전송한다.

도 2는 본 발명에 따른 SDMA 시스템에서 송/수신 프로세스의 구성을 도시한 도면이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 SDMA 시스템의 송신 프로세스 T_k(200)는 워터-필링 전력 제어(Water-filling power control) 가중치 E_k(201), 선-유일 값 분해(Pre-Singular Value Decomposition : 이하 'Pre-SVD'라 칭함) 가중치 V_k(203), SDMA 가중치 W_k(205)를 포함하여 구성된다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 SDMA 시스템의 수신 프로세스 R_k의 복소 공액 전치(Complex conjugate and Transpose)(210)는 컴바이닝(Combining) 행렬 S_k(211), 후-유일 값 분해(Post-Singular Value Decomposition : 이하 'Post-SVD'라 칭함) 가중치 U_k의 복소 공액 전치(213)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 도 2a를 참조하면, 상기 SDMA 시스템의 송신 프로세스(200)의 워터-필링 전력 제어(Water-filling power control) 가중치 E_k(201)는 해당 사용자의 송신 데이터에 대한 전력 제어를 위한 가중치이다.

상기 Pre-SVD 가중치 V_k(203)는 하기 <수학식 3>과 같이, 해당 사용자의 MIMO 채널을 SVD에 기반하여 독립적인 SISO(Single-Input Single-Output) 채널로 분리하며, 동시에 각 SISO 채널의 이득을 사용자의 유효 MIMO 채널 D_k의 유일(singular) 값으로 하여, 각 사용자별 최대 채널 용량을 얻기 위한 가중치이다. 여기서, 상기 Pre-SVD 가중치 V_k(203)는 유효 MIMO 채널 D_k의 오른쪽 부분 유일 행렬(right singular matrix)로써 구성된다.

상기 SDMA 가중치 W_k(205)는 해당 사용자의 채널을 제외한 다른 사용자의 채널 행렬과의 곱을 0으로 만들기 위한 가중치이다. 즉, 상기 SDMA 가중치 W_k(205)는 다른 사용자들의 채널 행렬의 영공간(null-space)으로 만들어진다.

다음으로, 상기 도 2b를 참조하면, 상기 SDMA 시스템의 수신 프로세스(210)의 컴바이닝(Combining) 행렬 S_k(211)는 N_R,k > L_k일 때, 여러 안테나로 받은 수신 신호를 L_k개의 데이터 스트림으로 컴바이닝(combining)하기 위한 행렬로서, 상기 컴바이닝(Combining) 행렬 S_k(211)는 해당 사용자의 채널 행렬 H_k의 왼쪽 부분 유일 행렬(left singular matrix)로써 구성된다.

상기 Post-SVD 가중치 U_k(213)는 상기 송신 프로세스(200)의 V_k(205)에 대한 쌍(pair)으로써 유효 MIMO 채널의 왼쪽 부분 유일 행렬(left singular matrix)로써 구성된다.

여기서, ZF(Zero-Forcing) 기반의 SDMA 시스템을 예로 들면, 각 사용자들이 해당 수신단(130-1 ~130-N)을 통해 복원한 송신 데이터 스트림은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 X_zf는 송신 심볼을 의미하고,

와 같이 나타낼 수 있다. 이때, 아래 첨자 'zf'는 ZF 방식에 기반함을 의미하고, 1, …, K는 사용자를 의미하며, 윗 첨자 'H'는 행렬 또는 벡터의 복소 공액 전치(Complex conjugate and Transpose)를 의미한다. 또한, 상기 N은 각 사용자별 수신기의 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 의미하고,

와 같이 나타낼 수 있다. 상기

는 해당 수신단(130-1 ~130-N)으로부터 복원한 데이터 심볼을 의미하고,

와 같이 나타낼 수 있다. 상기 H는 여러 사용자 MIMO 채널을 의미하고,

와 같이 나타낼 수 있으며, 상기 T는 송신단 가중치, 즉 송신 프로세스를 의미하고,

와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 W_zf는

, 상기 V_zfE_zf는

와 같이 나타낼 수 있다.

또한, 마지막으로, 상기

는 각 사용자의 수신단 가중치, 즉 수신 프로세스의 복소 공액 전치를 의미하고, 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 송/수신단의 SVD 가중치는 하기 <수학식 3>과 같은 관계를 갖는다.

결과적으로, 여러 사용자의 MIMO 채널은 하기 <수학식 4>와 같은 SISO 채널의 형태로 분리된다.

위와 같은 일련의 과정으로부터 구한 유효 채널 D_zf,kE_zf,k로부터 스케줄링에 필요한 SINR 또는 용량 등을 계산할 수 있다.

상기 도 1 및 도 2를 기반한 MU-MIMO 시스템에서 동작 사용자와 각 사용자의 데이터 스트림 수를 선택하기 위한 스케줄링 기법에서의 일련의 과정은 최대 용량 획득 등을 목표로 한다. 이때, 송신기는 하기 <수학식 5>와 같은 사용자 조합(combinatorics)에 따른 SINR 또는 용량 등을 계산해야 한다.

여기서, 상기 K는 스케줄링을 통해 선택된 사용자 수, 즉 서비스 받을 각 동작 사용자 수를 의미하고, 상기 N은 전체 사용자 수를 의미하며, 상기 N_T는 송신 안 테나 수를 의미한다.

종래의 시스템에서는 모든 사용자의 채널 상태 정보를 가지고 스케줄링을 수행하게 되므로, 모든 사용자들은 자신의 채널 상태 정보를 송신기로 피드백해야 하고, 이러한 방대한 양의 채널 피드백 정보와 이에 따른 상기 <수학식 6>의 조합으로 인해 송신 또는 수신 프로세스의 복잡도가 증가하게 된다. 따라서, 이와 같은 사용자의 채널 피드백 정보의 양을 줄이기 위한 방안으로, 본 발명에서는 기지국이 순차적으로 동작 사용자를 하나씩 선택하여 모든 사용자가 채널 상태 정보를 피드백할 필요 없이 선택적 채널 피드백 정보, 즉 스케줄링한 사용자에 대한 채널 피드백 정보만을 받아 스케줄링하는 방법을 제안한다. 여기서, 상기 스케줄링 다음 순서는 기지국이 수신한 선택적 채널 피드백 정보를 스케줄링되지 않은 모든 사용자들에게 브로드캐스트(broadcast)하고, 사용자들이 상기 기지국으로부터 받은 채널 상태 정보와 자신들의 채널 상태 정보를 스스로 계산하여 얻은 최대 용량 등의 부분 피드백 정보를 다시 기지국으로 보내 상기 기지국으로 하여금 다음 차례의 동작 사용자를 선택할 수 있도록 하는 순차적인 탐색 구조를 가진다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템의 기지국에서 동작 사용자 및 사용자 별 데이터 스트림 수 선택을 위한 순차적인 스케줄링 방법의 절차를 도시한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 기지국은 301단계에서 전체 사용자로부터 초기화 단계에서의 부분 피드백 정보를 수신한다. 여기서, 상기 부분 피드백 정보는 스케줄링 기준이 될 수 있는 각 사용자의 수신 SINR 또는 용량 C_k 등이 될 수 있다.

이후, 상기 기지국은 303단계에서, 하기 <수학식 6>과 같이, 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 작은지 여부를 검사한다. 여기서, 상기 최대 지원 가능 데이터 스트림 수는 송신 안테나 수가 될 수 있다.

여기서, 상기 K는 스케줄링을 통해 선택된 사용자 수, 즉 서비스 받을 동작 사용자 수를 의미하고, 상기 L_k는 선택된 사용자 k의 데이터 스트림 수를 의미하며, 상기 N_T는 송신 안테나 수를 의미한다.

상기 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 크거나 같을 시, 상기 기지국은 스케줄링의 완료를 판단하고 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다. 반면, 상기 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 작을 시, 상기 기지국은 305단계에서 상기 전체 사용자로부터 수신한 부분 피드백 정보 중 가장 큰 피드백 정보 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송한다.

이후, 상기 기지국은 307단계에서 상기 선택된 사용자로부터 상기 채널 피드백 정보로서 전체 피드백 정보인 채널 상태 정보(CSI) 및 데이터 스트림 수에 대한 피드백이 수신되는지 여부를 검사하고, 상기 선택된 사용자로부터 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수에 대한 피드백이 수신될 시, 309단계로 진행하여 상기 선택된 사용자로부터 수신된 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수에 대한 피드백을 전체 사용자 중 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트(broadcast)한다.

이후, 상기 기지국은 311단계에서 상기 나머지 사용자로부터 새로이 계산된 부분 피드백 정보를 수신한다. 여기서, 상기 새로이 계산된 부분 피드백 정보는 기 스케줄링된 사용자들의 채널 피드백 정보를 이용하여 새로이 계산한 부분 피드백 정보이다.

이후, 상기 기지국은 313단계에서 상기 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보가 없는지 여부를 검사하고, 상기 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보가 있을 시, 상기 기지국은 상기 303단계로 돌아가 상기 311단계에서 새로이 계산된 부분 피드백 정보를 전송한 사용자들에 대하여 이하 단계를 반복 수행한다. 반면, 상기 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보가 없을 시, 상기 기지국은 스케줄링의 완료를 판단하고 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템의 단말에서 순차적인 스케줄링을 위한 피드백 정보 전송 방법의 절차를 도시한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 단말은 401단계에서 기지국으로 초기화 단계에서 계산된 부분 피드백 정보를 전송한다. 여기서, 상기 부분 피드백 정보는 기지국의 스케줄링 기준이 될 수 있는 상기 단말 자신의 수신 SINR 또는 용량 C_k 등이 될 수 있다.

이후, 상기 단말은 403단계에서 상기 기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신되는지 여부를 검사한다. 상기 채널 피드백 정보 요구가 수신될 시, 상기 단말은 상기 단말 자신이 상기 기지국에 의해 스케줄링 되었음을 판단하고, 405단계에서 상기 단말 자신의 상기 채널 피드백 정보로서 전체 피드백 정보인 채널 상태 정보(CSI) 및 데이터 스트림 수를 상기 기지국으로 피드백 전송한 후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

반면, 상기 채널 피드백 정보 요구가 수신되지 않을 시, 상기 단말은 407단계에서 상기 기지국으로부터 특정 사용자에 대한 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수가 수신되는지 여부를 검사한다. 상기 특정 사용자에 대한 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수가 수신될 시, 상기 단말은 409단계에서 상기 특정 사용자를 포함하여 상기 기지국으로부터 수신한 기 스케줄링된 사용자에 대한 채널 상태 정보 및 데이터 스트림 수를 이용해 자신이 선택되었을 때의 송/수신 프로세스를 계산하고, 상기 계산한 송/수신 프로세스를 바탕으로 자신의 데이터 스트림 수에 따라 스케줄링 기준이 될 수 있는 SINR 또는 용량 C_k등의 부분 피드백 정보를 계산한다.

이후, 상기 단말은 411단계에서 상기 계산된 SINR 또는 용량 C_k등의 부분 피드백 정보 값이 이전에 계산된 부분 피드백 정보 값에 비해 향상되는지 여부를 검사하고, 상기 계산된 부분 피드백 정보 값이 향상되었을 시, 413단계로 진행하여 상기 기지국으로 상기 계산된 부분 피드백 정보를 전송한 후, 상기 403단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다. 반면, 상기 계산된 부분 피드백 정보 값이 향상되지 않았을 시, 상기 단말은 바로 상기 403단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한 다.

한편, 송수신 프로세스를 구하기 위한 과정에서 i번째 사용자의 j번째 송신 프로세스를 T_{i ,j}라고 정의하면, 사용자별 송신 프로세스 T_{i ,j}를 구하기 위해서 영공간 W_i,j를 계산할 시 본 발명에서 제안하는 순차적(recursive) 방법을 통해 계산 복잡도를 현저하게 줄일 수 있다. 종래의 영공간 계산에 대한 복잡도에 비해 본 발명에서 제안하는 순차적 영공간(recursive null-space) 계산 기법에서의 복잡도가 낮아지는 감소 효과를 보이기 위해 다음과 같은 가정 아래에서 종래의 기법과 본 발명에서 제안한 기법을 보기를 통해 설명하고자 한다.

본 발명에서 제안하는 채널 피드백 정보 양 감소 기법에서 용량 기반의 스케줄링을 가정하면, 모든 사용자들은 기지국에게 보고하기 위한 부분 피드백 정보로서 최대 용량 C_k의 계산이 필요하다. 이때, 수신기(송신기에 적용 시, 송신기)는 송/수신 프로세스 T_i,j, R_i,j를 계산해야 한다. 이에, 보기에서는 아래의 환경에서 5번째 사용자의 송신 프로세스를 구하기 위한 계산을 비교한다.

여기서, 비교 환경을 살펴보면, 기지국의 송신 안테나 개수 N_T는 8이고, 각 사용자의 수신 안테나 개수 N_{R ,k}는 2이며, 전체 사용자 수 N은 16이고, 사용자별 데이터 스트림 수 L_k는 2인 환경을 가정한다. 또한, 시스템의 최대 지원 가능 사용자는 상기 N_T과 같으며, 기 선택된 사용자 K의 집합이 {1,2,3,4}일 때, 선택되지 않은 사용자의 단계별 용량 계산을 위한 W_{i ,j} 계산 과정을 비교하면 다음과 같다. 여기서, 상기 선택되지 않은 사용자로서, 5번째 사용자의 용량 계산을 위한 W_{i ,j} 계산 과정을 비교해보도록 한다.

먼저, 종래의 계산 방식을 살펴보면, 첫 동작 사용자로서 1번째 사용자가 선택되었을 시, 기지국은 상기 1번째 사용자의 채널 피드백 정보를 나머지 사용자들에게 브로드캐스트(broadcast)하고, 상기 채널 피드백 정보를 수신한 사용자들 중 5번째 사용자는 송신 프로세스 구하기 위해 하기 <수학식 7>과 같이 영공간을 계산한다.

여기서, 상기 5번째 사용자는 2회의 2-by-8 계산을 통해 송신 프로세스를 구하고, 이를 바탕으로 수신 프로세스 및 용량 C₅를 구하여 기지국에 용량 값을 피드백하며, 이때, 기지국은 각 사용자들이 피드백 한 용량 값들 중에서 가장 높은 용량을 가지는 2번째 사용자에게 채널 피드백 정보를 요구한다.

다음으로, 상기 기지국은 나머지 사용자들에게 2번째 사용자의 채널 피드백 정보를 브로드캐스트하고, 상기 채널 피드백 정보를 수신한 사용자들 중 5번째 사용자는 이전에 받은 1번째 사용자의 채널 피드백 정보와 2번째 사용자의 채널 피드백 정보 및 자신의 채널 상태 정보와 데이터 스트림 수를 이용하여, 자신이 선택되었을 때의 송신 프로세스를 계산하기 위해 하기 <수학식 8>과 같이 새로운 영공간을 계산한다.

여기서, 상기 5번째 사용자는 3회의 4-by-8 계산을 통해 송신 프로세스를 구하고, 이를 바탕으로 수신 프로세스 및 용량 C₅를 구하여 기지국에 용량 값을 피드백하며, 이때, 기지국은 각 사용자들이 피드백 한 용량 값들 중에서 가장 높은 용량을 가지는 3번째 사용자에게 채널 피드백 정보를 요구한다.

다음으로, 나머지 사용자들에게 3번째 사용자의 채널 피드백 정보를 브로드캐스트하고, 상기 채널 피드백 정보를 수신한 사용자들 중 5번째 사용자는 이전에 받은 1번째 사용자의 채널 피드백 정보와 2번째 사용자의 채널 피드백 정보와 3번째 사용자의 채널 피드백 정보 및 자신의 채널 상태 정보와 데이터 스트림 수를 이용하여, 자신이 선택되었을 때의 송신 프로세스를 계산하기 위해 하기 <수학식 9>와 같이 새로운 영공간을 계산한다.

여기서, 상기 5번째 사용자는 4회의 6-by-8 계산을 통해 송신 프로세스를 구하게 되며, 이와 같은 종래의 계산 방식에서 사용자별 계산량을 살펴보면 하기 <수학식 10>과 같다.

여기서, 상기 L_j는 j번째 단계에서의 총 데이터 스트림 수 즉,

를 의미하며, L_{i ,j}는 j번째 단계에서의 i번째 사용자의 데이터 스트림 수를 나타낸다. 즉, 종래의 계산 방식은 영공간 계산 시 참조 채널 개수가 늘어남에 따라 복잡도가 크게 증가하는 문제가 있다.

다음으로, 본 발명에서 제안하는 순차적인 영공간(recursive null-space) 계산 방식은 하기 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.

영공간 계산시, 상기 <수학식 11>을 이용하면, 처음 단계에서의 5번째 사용자의 용량 계산을 위한 영공간 계산량은 하기 <수학식 12>와 같이 2회의 2-by-8이 된다.

다음 단계에서의 5번째 사용자의 용량 계산을 위한 영공간 계산량은 하기 <수학식 13>과 같이 3회의 2-by-6으로 계산량이 감소된다.

마찬가지로, 다음 단계에서 5번째 사용자의 용량 계산을 위한 영공간 계산량은 하기 <수학식 14>와 같이 4회의 2-by-4로 계산량이 감소된다.

여기서, 본 발명의 계산 방식에 따른 사용자별 계산량을 살펴보면 하기 <수학식 15>와 같다.

이와 같이, 종래의 계산 방식에서의 계산량과 본 발명에서 제안한 순차적 영공간(recursive null-space) 계산 기법을 통한 계산량을 비교해보면, 복잡도 면에서 효과적인 감소 효과를 획득할 수 있음을 확인할 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 계산 방식은 각 단계별 W_{i ,j}를 구하기 위해 이 전 단계인 W_{i ,j-1}을 이용하므로, 사용자들은 단계별 W_{i ,j} 값들을 저장하기 위한 메모리가 필요하다.

여기서, 상기 순차적 영공간(recursive null-space) 계산 기법은 송신기 또는 수신기에서 프로세스 연산 시 모두 이용할 수 있는 계산법으로서, 이를 이용하여 송신기 또는 수신기의 계산 복잡도를 모두 감소시킬 수 있으며, 많은 송신 안테나를 쓰는 SDMA 시스템에 적용 가능하다.

도 5와 도 6은 종래 기술과 본 발명의 계산 복잡도와 계산량 감소율을 비교한 도면이다. 여기서, 상기 도 5와 도 6은 상기 <수학식 15>의 계산량을 가지는 본 발명에서 제안한 계산 방식과 상기 <수학식 10>의 계산량을 가지는 종래의 계산 방식을 비교한 도면으로, 간단한 비교를 위해 사용자별 데이터 스트림 수는 2로 고정되었다고 가정한다.

먼저, 상기 도 5를 참조하면, 송신 안테나 개수를 4개에서 16개까지 증가시키면서 사용자별 계산량(number of flops per user) 추이를 비교하였을 시, 송신 안테나의 개수가 늘어남에 따라 본 발명에서 제안한 계산 방식의 계산량의 이득이 종래의 계산 방식에 비해 훨씬 증가함을 확인할 수 있다.

다음으로, 상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 계산 방식은 송신 안테나의 개수가 16개까지 증가할 경우, 100%에 가까운 계산량 감소 효과를 볼 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 계산 복잡도 문제로 인해 지금까지 많은 송신 안테나를 가진 MU-MIMO 시스템에서의 적용이 취약했던 SDMA 기술이 본 발명에서의 기법을 채용할 경우 훨씬 용이해지게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다중 입력 다중 출력 시스템에서 사용자의 채널 피드백 양을 최소화하는 스케줄링 기법과 이에 따른 송신기 또는 수신기에서의 계산 복잡도 개선 장치 및 방법을 제공함으로서, 모든 사용자의 채널 상태 정보를 피드백할 필요없이 선택적 채널 피드백 정보만으로도 최대 용량 획득할 수 있고, 송/수신 프로세스 과정에서의 계산 복잡도를 현저하게 줄일 수 있는 이점이 있다.

Claims (25)

1. 통신 시스템의 송신기에서 스케줄링 방법에 있어서,

   초기화 단계에서 전체 사용자의 부분 피드백 정보 중 가장 큰 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송하는 과정과,

   상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트하는 과정과,

   상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부분 피드백 정보는 수신 신호대 잡음 비(Signal-to-Interference-and Noise Ratio : SINR), 용량 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 사용자 선택 과정 이전에, 전체 사용자로부터 부분 피드백 정보를 수신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 채널 피드백 정보는 채널 상태 정보(Channel State Information : CSI), 데이터 스트림 수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보가 수신되지 않을 시 혹은 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 크거나 같을 시, 상기 스케줄링의 완료를 판단하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 통신 시스템의 수신기에서 채널 정보 피드백 방법에 있어서,

   기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신될 시, 상기 기지국으로 채널 피드백 정보를 전송하는 과정과,

   상기 기지국으로부터 상기 채널 피드백 정보 요구가 아닌, 기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 부분 피드백 정보를 계산하는 과정과,

   상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 부분 피드백 정보를 계산하는 과정은,

   상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 상기 수신기가 스케줄링되었을 때의 송/수신 프로세스를 계산하는 과정과,

   상기 계산한 송/수신 프로세스를 바탕으로 자신의 데이터 스트림 수에 따라 상기 부분 피드백 정보를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 송/수신 프로세스는,

   워터-필링 전력 제어(Water-filling power control) 가중치, 선-유일 값 분해(Pre-Singular Value Decomposition) 가중치, 공간 분할 다중 접속(Space Division Multiple Access : 이하 ‘SDMA’라 칭함) 가중치, 컴바이닝(Combining) 행렬, 후-유일 값 분해(Post-Singular Value Decomposition) 가중치 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 송수신 프로세스를 계산하기 위한 SDMA 가중치 계산 시, 하기 <수학식 16>을 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.

    
11. 제 7 항에 있어서,

    상기 채널 피드백 정보는 채널 상태 정보(Channel State Information : CSI), 데이터 스트림 수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    상기 부분 피드백 정보는 수신 신호대 잡음 비(Signal-to-Interference-and Noise Ratio : SINR), 용량 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 삭제
14. 제 7 항에 있어서,

    상기 계산된 부분 피드백 정보는, 상기 계산된 부분 피드백 정보 값이 이전에 계산된 부분 피드백 정보 값에 비해 향상되었을 시, 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 통신 시스템의 송신기의 스케줄링 장치에 있어서,

    초기화 단계에서 전체 사용자의 부분 피드백 정보 중 가장 큰 값을 보고한 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 채널 피드백 정보 요구를 전송하며, 상기 선택된 사용자로부터 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 기 선택되지 않은 나머지 사용자에게 브로드캐스트하고, 상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보를 수신하는 스케줄러와,

    기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 수신되는 부분 피드백 정보와 상기 선택된 사용자로부터 수신되는 채널 피드백 정보를 상기 스케줄러로 출력하는 피드백 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 기 선택되지 않은 나머지 사용자로부터 상기 선택된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 계산한 부분 피드백 정보가 수신되지 않거나 혹은 총 스케줄링된 데이터 스트림 수가 최대 지원 가능 데이터 스트림 수보다 크거나 같을 시, 상기 스케줄러는 스케쥴링의 완료를 판단하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 부분 피드백 정보는 수신 신호대 잡음 비(Signal-to-Interference-and Noise Ratio : SINR), 용량 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 채널 피드백 정보는 채널 상태 정보(Channel State Information : CSI), 데이터 스트림 수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 통신 시스템의 수신기에서 채널 정보 피드백 장치에 있어서,

    기지국으로부터 채널 피드백 정보 요구가 수신될 시, 상기 기지국으로 채널 피드백 정보를 전송하고, 상기 기지국으로부터 상기 채널 피드백 정보 요구가 아닌, 기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보가 수신될 시, 상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 부분 피드백 정보를 계산하며, 상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 채널 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 채널 추정부는,

    상기 수신기의 채널 상태 정보와 상기 스케줄링된 사용자의 채널 피드백 정보를 이용하여 상기 수신기가 스케줄링되었을 때의 송/수신 프로세스를 계산하고, 상기 계산한 송/수신 프로세스를 바탕으로 자신의 데이터 스트림 수에 따라 상기 부분 피드백 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 송/수신 프로세스는,

    워터-필링 전력 제어(Water-filling power control) 가중치, 선-유일 값 분해(Pre-Singular Value Decomposition) 가중치, 공간 분할 다중 접속(Space Division Multiple Access : 이하 ‘SDMA’라 칭함) 가중치, 컴바이닝(Combining) 행렬 후-유일 값 분해(Post-Singular Value Decomposition) 가중치 중 적어도 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 송수신 프로세스를 계산하기 위한 SDMA 가중치 계산 시, 하기 <수학식 17>을 이용하는 것을 특징으로 하는 장치.

    
23. 제 19 항에 있어서,

    상기 채널 피드백 정보는 채널 상태 정보(Channel State Information : CSI), 데이터 스트림 수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제 19 항에 있어서,

    상기 부분 피드백 정보는 수신 신호대 잡음 비(Signal-to-Interference-and Noise Ratio : SINR), 용량 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제 19 항에 있어서, 상기 채널 추정부는,

    상기 계산된 부분 피드백 정보 값이 이전에 계산된 부분 피드백 정보 값에 비해 향상되었을 시, 상기 계산된 부분 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.

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