KR100962120B1

KR100962120B1 - 다중입출력 무선통신 시스템에서의 랜덤 빔 형성 방법 및장치

Info

Publication number: KR100962120B1
Application number: KR1020080018891A
Authority: KR
Inventors: 성단근; 정방철; 진후; 홍영준
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2010-06-10
Also published as: KR20090093388A

Abstract

본 발명은 MIMO 무선통신 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 기법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 랜덤 빔 형성 방법은 복수의 송신 안테나를 구비한 송신국과 각각 복수의 수신 안테나를 구비한 복수의 수신국을 포함하는 MIMO 무선통신 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 방법으로서, 상기 송신국에서 빔 형성 행렬을 랜덤하게 결정하고, 이에 기초하여 복수의 데이터 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계와, 상기 전송 단위의 각 스트림에 상기 빔 형성 행렬을 곱하여 생성된 전송 신호를 상기 복수의 수신국으로 전송하는 단계와, 각 수신국에서 상기 전송 단위의 각 스트림의 신호대 간섭 잡음비를 측정하고, 상기 측정 결과에 기초하여 각 스트림의 채널 용량을 계산하는 단계와, 상기 각 스트림의 채널 용량에 관한 정보를 상기 복수의 수신국으로부터 피드백 수신하고, 상기 송신국에서 이에 기초하여 데이터 전송의 대상이 되는 수신국을 선택하는 단계와, 상기 선택된 수신국을 향해 상기 랜덤하게 결정된 송신 전력으로 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.

무선통신, 다중 입출력, MIMO, 랜덤 빔 형성, 전력 랜덤화.

Description

다중입출력 무선통신 시스템에서의 랜덤 빔 형성 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RANDOM BEAMFORMING IN MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 다중입출력(MIMO: multiple-input multiple-output) 무선통신 시스템에서의 랜덤 빔 형성 방법에 관한 것이다.

복수의 송신 안테나와 복수의 수신 안테나를 이용하여 송신국과 수신국간에 데이터를 송수신하는, 이른바 MIMO 방식의 무선통신 시스템은 복수의 사용자 데이터의 동시 전송을 통해 다중 사용자 환경에서의 데이터 전송 스루풋을 증가시킬 수 있다.

송신국으로부터 전송되는 심벌 벡터 x는 MIMO 시스템에서의 송신국과 수신국간의 무선통신 채널(이하, 'MIMO 채널'이라 함)에 의해 다음과 같은 형태로 수신국에 전달된다.

위의 수학식 1에서 y는 수신국에서 수신되는 신호 벡터이고, H는 MIMO 채널을 나타내는 행렬로서, 송신 안테나의 수가 M, 수신 안테나의 수가 N인 경우 (N×M)의 크기를 갖는다. w는 MIMO 채널의 잡음 신호를 나타낸다.

이때, 채널 행렬 H는 특이값 분해(SVD: singular value decomposition)에 의해 H = UΛ V 의 세 개의 행렬의 조합으로 나타내어질 수 있다. U와 V는 각각 (N×N), (M×M) 크기의 유니터리 행렬이고, Λ는 (N×M) 크기의 대각행렬이다.

송신국에서 채널 행렬 H에 관한 정보를 갖고 있는 경우, 송신국은 심벌 벡터 x에 V의 에르미트 공액(Hermitian conjugate)인 V ^H 를 곱하여 전송하고, 수신국에서는 수신된 벡터 y에 U의 에르미트 공액인 U ^H 를 곱함으로써, 심벌 벡터 x가 다음과 같이 패러렐 가우시안 채널을 통해 전송된 것과 같은 효과를 거둘 수 있다. ㎿ _k =U ^H w는 패러렐 가우시안 채널의 잡음 신호를 나타낸다.

대각 행렬 Λ는 고유채널(eigenchannel)이라고 불리는 λ₁, λ₂, ..., λ_n의 n=min{M, N} 개의 대각 성분을 채널 행렬 H의 특이값으로서 갖는다. 송신국은 고유채널 λ₁, λ₂, ..., λ_n을 이용하여 워터필링(water-filling) 기법에 의해 심벌 벡터 x의 송신 전력을 결정할 수 있으며, 이것은 MIMO 채널에서 송신 전력을 결정하는 최적 기법으로 알려져 있다.

그러나 위의 최적 기법을 구현하기 위해서는 송신국에서 채널 행렬 H에 관한 완전한 정보(full information)를 보유할 필요가 있다. 따라서 이 경우, 수신국에서 상당량의 채널 상태 정보(CSI: channel state information)를 송신국으로 피드백 전송하는 오버헤드가 발생하게 된다. 이러한 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 랜덤 빔 형성 기법이 적용될 수 있다.

참고문헌[1]에는 MIMO 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 기법이 제안되어 있다. 도 1은 참고문헌[1]에 제안된 랜덤 빔 형성 기법을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 1에는 각각 기지국(10)과 k-번 단말국(20)으로 대표되는 송신국과 수신국의 구성이 도시되어 있다. 기지국(10)은 M 개의 송신 안테나(14)를 구비하고 있다. 기지국(10)의 랜덤 빔 형성 생성기(13)는 앞서 설명한 V ^H 에 해당하는 유니터리 행렬인 V _b 를 랜덤하게 생성한다. V _b 블록은 랜덤 빔 형성 생성기(13)에서 랜덤하게 생성된 V _b 를 심벌 벡터 x에 곱하여 송신 안테나(14)를 통해 k-번 단말국(20)으로 전송한다. 이때, 심벌 x의 각 스트림은 동일한 송신 전력으로 전송된다.

k-번 단말국(20)은 N 개의 수신 안테나(24)를 통해 벡터 y _k 를 수신한다. 단말국(20)의 채널 추정 및 SVD 블록(22)은 채널 행렬 H _k 를 추정하여, 이로부터 특이값 분해에 의해 유니터리 행렬 U _k 를 추출하고, 이를 U _k ^H 블록(21)으로 전달한다. U _k ^H 블록(21)은 수신된 벡터 y _k 에 U _k 의 에르미트 공액인 U _k ^H 를 곱하여 벡터

를 얻는다. 벡터

는 다음과 같이 표현된다.

모든 스트림에 동일한 송신 전력이 할당되었으므로 대각 행렬 Λ _k 는 단위 행렬과 같다. 벡터

의 잡음 성분인

는 채널 H _k 의 잡음 성분인 w _k 와 동일한 통계적 특성을 갖는다.

V _k V _b 를 Ψ _k 라고 나타낼 때, ESNR 측정 블록(23)에 의해 측정되는 유효 신호대 간섭 잡음비(ESNR: effective signal-to-noise ratio)는 다음 수학식에 의해 계산된다.

위의 수학식 4에서 Γ_k ⁱ는i-번 스트림의 k-번 단말국(20)에서의 ESNR을 의미한다. λ_k,i와 E_s, N₀는 각각 H _k 행렬의 i-번째 고유값과 심벌 벡터 x에 할당된 에너지, 잡음 전력을 나타낸다.

ESNR 측정 블록(23)은 측정된 ESNR 값을 기지국(10)으로 피드백 전송한다. 기지국(10)은 단말국(20)으로부터 수신된 ESNR 값에 기초하여 유효 채널 용량을 계산하고, 유효 채널 용량이 최대인 사용자를 선택하여 송신 트래픽을 스케쥴링한다. 이때, 워터필링 블록(11)은 ESNR을 이용하여 워터필링 기법에 의해 각 스트림의 송신 전력을 결정한다.

수학식 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, SNR이 낮은 경우에는 분모의 첫 번째 항에 비해 두 번째 항이 주요한 성분이 되므로, 계산된 ESNR이 패러렐 가우시안 채널의 각 고유채널의 값을 거의 정확하게 반영한다. 따라서, 워터필링 기법에 의해 계산되어 할당된 송신 전력도 최적값에 근접하게 된다. 그러나, SNR이 높은 경우에는 스트림간의 간섭이 무시할 수 없는 수준이 되어 분모의 첫 번째 성분이 오히려 주요한 성분이 되기 때문에 ESNR이 고유채널을 반영하지 않게 되고, 따라서 워터필링 블록(11)에 의해 계산된 송신 전력 또한 최적값으로부터 멀어지게 된다. 즉, 참고문헌[1]의 랜덤 빔 형성 기법은 SNR이 높은 환경에서는 송신 전력을 적절히 결정하지 못하기 때문에 MIMO 채널을 효과적으로 이용하지 못한다는 문제가 있다.

또한, 상술한 랜덤 빔 형성 기법에서는 k-번 단말국(20)이 타 단말국의 채 널 행렬 H _l≠k 를 추정할 수 없기 때문에, 다중 사용자 환경에 적용될 경우 실질적으로 ESNR을 계산할 수 없다는 문제가 있다. 즉, 위의 기법은 다중 사용자 환경으로 그 적용 범위를 확장하기가 어렵다는 한계를 갖는다.

* 참고문헌 일람

[1] J. Chung, C. S. Hwang, K. Kim, and Y. K. Kim, "A Random Beamforming Technique in MIMO Systems Exploiting Multiuser Diversity", IEEE JSAC, Vol. 21, No. 5, June 2003.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 빔 형성 과정을 랜덤화하는 것에 더해 각 스트림의 송신 전력 자체를 랜덤화하는 새로운 형태의 MIMO 시스템을 제공하고자 한다.

구체적으로, 본 발명은 단일 사용자 환경 및 다중 사용자 환경에 자유롭게 적용 가능한 빔 형성 방법을 제안함과 동시에, 각 스트림의 송신 전력을 랜덤화하는 다양한 기법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 몇 가지 송신 전력 랜덤화 기법을 채널 상황 또는 사용자 접속 상황 등에 따라 적응적으로 적용함으로써 MIMO 채널을 통한 데이터 전송 효율을 극대화하는 송신 전력 랜덤화 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 특정 스트림의 송신 전력을 0으로 결정함으로써 채널 간섭 요인을 적극적으로 배제할 수 있는 송신 트래픽 스케쥴링 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 랜덤 빔 형성 방법은 복수의 송신 안테나를 구비한 송신국과 각각 복수의 수신 안테나를 구비한 복수의 수신국을 포함하는 MIMO 무선통신 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 방법으로서, 상기 송신국에서 빔 형성 행렬을 랜덤하게 결정하고, 이에 기초하여 복수의 데이터 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계와, 상기 전송 단위의 각 스트림에 상기 빔 형성 행렬을 곱하여 생성된 전송 신호를 상기 복수의 수신국으로 전송하는 단계와, 각 수신국에서 상기 전송 단위의 각 스트림의 신호대 간섭 잡음비를 측정하고, 상기 측정 결과에 기초하여 각 스트림의 채널 용량을 계산하는 단계와, 상기 각 스트림의 채널 용량에 관한 정보를 상기 복수의 수신국으로부터 피드백 수신하고, 상기 송신국에서 이에 기초하여 데이터 전송의 대상이 되는 수신국을 선택하는 단계와, 상기 선택된 수신국을 향해 상기 랜덤하게 결정된 송신 전력으로 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 랜덤 빔 형성 방법은 송신국으로부터의 무선 채널을 각 수신국에서 측정하는 단계와, 상기 송신국과 각 수신국간에 약속된 복수의 빔 형성 행렬 가운데 어느 하나를 상기 측정된 무선 채널에 기초하여 상기 각 수신국에서 선택하는 단계와, 상기 선택된 빔 형성 행렬에 관한 정보를 상기 송신국으로 피드백 전송하는 단계와, 상기 송신국에서, 상기 선택된 빔 형성 행렬을 송신 데이터의 각 스트림에 곱하여 전송 신호를 생성하고, 랜덤하게 결정된 전력으로 상기 전송 신호를 각 수신국을 향해 전송하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명의 다른 일 측면은 MIMO 무선통신 시스템의 송신 트래픽 스케쥴링 방법에 관계되는데, 이 스케쥴링 방법은 빔 형성 행렬을 랜덤하게 결정하고, 이에 기초하여 복수의 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계와, 상기 전송 단위의 각 스트림에 상기 빔 형성 행렬을 곱하여 생성된 전송 신호를 상기 복수의 사용자를 향해 전송하는 단계와, 각 사용자 로부터 상기 전송 단위의 각 스트림의 신호대 간섭 잡음비에 관한 정보를 피드백 수신하고, 이에 기초하여 데이터 전송의 대상이 되는 사용자를 선택하는 단계와, 상기 선택된 사용자를 향해 상기 랜덤하게 결정된 송신 전력으로 데이터를 전송하는 단계를 포함하여 구성된다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 일 측면은 MIMO 무선통신 시스템에서 송신 전력을 랜덤화하는 방법에 관계되며, 이 송신 전력 랜덤화 방법은 송신 채널의 신호대 잡음비를 측정하는 단계와, 유사 랜덤 방법에 의해 랜덤하게 생성된 채널 행렬을 특이값 분해하여 상기 채널 행렬의 특이값을 포함하는 대각 행렬을 생성하고, 이 대각 행렬의 성분을 이용하여 워터필링 방법에 의해 각 전송 단위를 구성하는 복수의 데이터 스트림의 각 스트림에 할당되는 전력을 각각 산정하는 제1 기법과, 유사 랜덤 방법에 의해 상기 복수의 데이터 스트림의 각 스트림에 할당되는 전력을 직접 랜덤하게 결정하는 제2 기법 중 어느 하나를 상기 송신 채널의 신호대 잡음비에 기초하여 선택하는 단계와, 상기 선택된 기법에 따라 상기 송신 전력을 랜덤화하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 랜덤 빔 형성 방법은 단일 사용자 환경에 더해 다중 사용자 환경에까지 널리 적용될 수 있으며, 무선채널의 신호대 잡음비의 크기에 관계없이 언제나 최적값에 가까운 송신 전력을 각 스트림에 할당할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 랜덤 빔 형성 방법, 스케쥴링 방법 및 송신 전력 랜덤화 방법에 대해 설명한다. 이하의 설명에서 동일하거나 대응하는 구성에 대해서는 도면에 같은 부재번호를 이용하여 표시하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 무선통신 시스템의 구성을 간략히 나타낸 것이다. 이하에서는 본 시스템의 구성을 도 1의 종래의 시스템과의 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.

본 MIMO 무선통신 시스템은 기지국(100)으로 대표되는 송신국과, k-번 단말국(200)으로 예시된 수신국을 포함하여 구성된다. 설명의 편의를 위해 기지국(100)의 수는 하나로 나타내었으며, 단말국(200) 역시 MIMO 무선통신 시스템을 구성하는 복수의 단말국 중 k-번 단말국(200)만을 도면상에 도시하였다. 도 1에 예시된 기지국(100)과 단말국(200)을 포함하는 구성은 본 발명이 적용되는 MIMO 무선통신 시스템의 송신국과 수신국의 일례라는 점을 미리 밝혀둔다. 본 발명에 따른 송신국과 수신국의 관계는 기지국과 복수의 중계국간, 중계국과 복수의 단말국간, 또는 애드혹 시스템의 각 스테이션간에도 적용되며, MIMO 채널을 통한 데이터 송수신이 일어나는 어떠한 무선 통신국간에도 적용될 수 있다.

도 2를 참조하면, 데이터를 송신하는 측인 기지국(100)은 랜덤 빔 형성 생성기(140)를 포함한다. 랜덤 빔 형성 생성기(140)는 일례로서 유사 랜덤 생성 기(pseudo-random generator)로 구성될 수 있으며, 유니터리 행렬 V _b 를 랜덤하게 생성한다. 참고로, 행렬 V _b 는 기지국(100)에서 k-번 단말국(200)으로의 무선채널 H _k 를 U _k Λ _k V _k 로 특이값 분해(SVD)한 경우의 행렬 V _k 의 에르미트 공액에 해당하는 V _k ^H 를 랜덤하게 생성한 것이다. 행렬 V _b 는 빔 형성 행렬(beamforming matrix)이라고 불리며, V _b 에 관한 정보는 V _b 블록(130)으로 전달된다.

한편, 랜덤 빔 형성 생성기(140)는 단말국(200)으로 전송되는 데이터의 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 기능도 함께 수행한다. 랜덤 빔 형성 생성기(140)에 의해 결정된 각 스트림의 전력에 관한 정보는 전력 랜덤화 블록(120)으로 전달된다.

랜덤 빔 형성 생성기(140)에 의해 행렬 V _b 와 각 스트림의 송신 전력이 결정되는 방법에는 다음과 같이 몇 가지 예가 있다. 그 첫 번째 예로, 랜덤 빔 형성 생성기(140)는 먼저 기지국(100)에서 k-번 단말국(200)으로의 무선채널에 해당하는 가상의 채널 행렬 H _k '를 랜덤하게 생성한다. 다음으로, 랜덤 빔 형성 생성기(140)는 생성된 채널 행렬 H _k '를 U _k 'Λ _k 'V _k '로 특이값 분해하여 V _k '의 에르미트 공액으로부터 앞서 설명한 빔 형성 행렬 V _b 를 결정한다. 또한, 랜덤 빔 형성 생성기(140)는 특이값 분해 결과 얻어진 대각 행렬 Λ _k '의 대각 성분, 즉 채널 H _k '의 특이값에 워 터필링 방법을 적용하여 가상의 채널 H _k '에 대한 최적 전력 분배를 행한다. 이 기법을 이하에서는 '워터-파워' 기법이라고 부르기로 한다.

다음으로, 기지국(100)은 파일럿 신호와 같이 알려진 데이터 스트림으로 구성된 신호를 단말국(200)으로 전송한다. 이 때, 전력 랜덤화 블록(120)은 위의 각 스트림에 앞서 랜덤하게 결정된 각 스트림별 송신 전력을 적용하며, V _b 블록(130)은 이처럼 랜덤하게 송신 전력이 결정된 각 스트림에 앞서 결정된 행렬 V _b 를 곱하여 전송 신호를 생성한다. 생성된 전송 신호는 M 개의 송신 안테나(150)를 통해 각 단말국(200)으로 전송된다.

k-번 단말국(200)은 N개의 수신 안테나(240)를 통해 이 전송 신호를 수신한다. 채널 추정 및 SVD 블록(220)은 수신된 전송 신호에 기초하여 기지국(100)으로부터 k-번 단말국(200)으로의 실제의 무선 채널 H _k 를 추정하고, 추정된 H _k 를 U _k Λ _k V _k 로 특이값 분해(SVD)하여 행렬 U _k 의 에르미트 공액인 행렬 U _k ^H 를 추출한다. 행렬 U _k ^H 에 관한 정보는 U _k ^H 블록(210)으로 전달된다.

한편, 채널 용량 계산 블록(230)은 채널 추정 및 SVD 블록(220)에 의해 추정된 채널 정보에 기초하여 각 스트림의 신호대 잡음 간섭비를 계산한다. 채널 용량 계산 블록(230)은 각 스트림에 대해 계산된 신호대 잡음 간섭비에 기초하여 기지국(100)으로부터 전송된 각 스트림의 채널 용량을 계산한다. 계산된 채널 용량 에 관한 정보는 기지국(100)으로 피드백 전송된다.

기지국(100)의 사용자 선택 블록(110)은 각 단말국(200)으로부터 피드백 전송된 채널 용량 정보를 수신하고, 이에 기초하여 앞서 랜덤하게 생성된 빔 형성 행렬 V _b 및 이 때의 각 스트림의 송신 전력을 적용하여 데이터를 전송할 단말국(200)을 선택한다. 일례로서, 사용자 선택 블록(110)은 각 단말국(200)으로부터 수신된 채널 용량 정보로부터, 시스템 용량이 최대가 되는 단말국(200)을 선택할 수 있다. 또 다른 예로서, 사용자 선택 블록(110)은 PF(proportional fairness) 등의 스케쥴링 알고리즘에 따라 복수의 단말국(200) 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

워터-파워 기법이라 명명한 지금까지의 랜덤 빔 형성 과정을 수식으로 정리하면 다음과 같다. k-번 단말국(200)이 선택되어, 기지국(100)으로부터 복수의 스트림으로 구성되는 데이터 심벌 x이 전송되는 경우에, k-번 단말국(200)의 U _k ^H 블록(210)에서 수신 안테나(240)를 통해 수신된 신호에 행렬 U _k ^H 를 곱하여 얻게 되는 벡터

는 다음과 같이 표현된다.

위 수식에서 벡터

의 잡음 성분인

는 채널 H _k 의 잡음 성분인 w _k 와 동 일한 통계적 특성을 갖는다. 스트림별로 동일한 송신 전력으로 전송된 신호에 의해 계산된 부정확한 ESNR에 기초하여 스케쥴링을 수행하는 종래의 방법과 달리, 상술한 워터-파워 기법에 의하면, 랜덤하게 생성된 행렬 V _b 가 복수의 단말국(200) 중 어느 하나에 대한 무선채널의 H _k 의 V _k ^H 에 근사할 경우, 종래의 방법에 비해 최적값에 더욱 근접한 송신 전력을 각 스트림에 할당할 수 있다. 심지어 V _b 가 V _k ^H 와 동일하게 랜덤 생성된 경우에는 이론적인 최적값을 얻을 수도 있다.

상술한 워터-파워 기법은 앞서 소개한 종래의 방법과 달리 다중 사용자 환경에까지 그 적용 범위를 확장할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 데이터 전송 단위를 구성하는 복수의 스트림 전체 단위로 수신 대상이 되는 사용자를 선택하여 스케쥴링하는 단일 사용자 환경(single-user environment)에 적용되는 경우에도 랜덤 빔 형성에 의한 스루풋 향상 효과를 얻을 수 있지만, 각 스트림 단위로 수신 대상이 되는 사용자를 개별적으로 선택하여 스케쥴링하는 다중 사용자 환경(multi-user environment)에 적용될 경우에 스루풋 향상 효과를 더욱 극대화할 수 있다.

랜덤 빔 형성 생성기(140)에 의해 행렬 V _b 와 각 스트림의 송신 전력을 결정하는 다른 방법으로는 다음에 설명할 '랜덤-파워' 기법이 있다. 이 기법은 앞서 설명한 워터-파워 기법과 달리, V _b 및 각 스트림의 송신 전력을 각각 별개의 과정에 의해 랜덤하게 생성한다. 이 기법이 적용된 MIMO 시스템에서의 랜덤 빔 형성 생성 기(140)는 예컨대 유사 랜덤 방법에 의해 V _b 와 각 스트림의 송신 전력을 각각 독립적으로 랜덤하게 결정한다.

랜덤-파워 기법은 워터-파워 기법에 비해 행렬 V _b 와 각 스트림의 송신 전력을 결정하는 과정이 단순하므로, 기지국(100)의 하드웨어 구성이 단순해지는 이점이 있다. 또한, 랜덤-파워 기법은 워터-파워 기법과 마찬가지로 단일 사용자 환경뿐만 아니라 다중 사용자 환경에 적용 가능한 기법이다.

다음, 도 3은 이상 설명한 워터-파워 및 랜덤-파워 기법이 적용된 경우의 스루풋 향상 효과를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도시된 그래프의 x 축은 채널 환경의 SNR 값을 나타내며, y 축은 bps/Hz 단위로 나타내어지는 시스템 용량을 의미한다. 그래프상에 '+' 기호로 표지된 실선은 단일 사용자 환경에서 각 스트림에 동일한 송신 전력을 할당한 경우의 시스템 용량 곡선이며, 표지 없이 실선으로만 나타내어진 곡선은 앞서 기술한 참고문헌[1]의 종래 방법이 적용된 경우의 시스템 용량을 가리킨다. 실선으로 표시된 종래의 방법은 모든 스트림에 동일한 전력을 할당하는 경우에 비해서는 전송 성능이 향상되지만, 여전히 다중 사용자 환경에 적용할 수 없기 때문에 스루풋 향상에 한계가 있다.

반면, 본 발명에 따른 워터-파워 기법('▽' 기호로 표지된 점선)과 랜덤-파워 기법('○' 기호로 표지된 점선)은 다중 사용자 환경에 적용이 가능하기 때문에 종래의 방법에 비해 월등히 성능이 향상된다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 SNR이 낮은 채널 환경에서는 참고문헌[1]의 종래의 방법이 최적 송신 전력 할당치에 근사 되기 때문에 랜덤-파워 기법에 비해 SNR이 약 8dB 이하인 지점까지는 시스템 용량이 더 크게 나타난다. 그러나, SNR이 높아지면 랜덤-파워 기법이 적용된 경우의 시스템 용량이 훨씬 커지게 된다. 더욱이, 워터-파워 기법이 적용된 경우에는 SNR 값의 전 구간에 걸쳐 종래의 방법에 비해 큰 시스템 용량을 얻을 수 있다.

한편, 도 3의 그래프에 나타나 있듯이 랜덤-파워 기법은 대체로 다중 사용자 환경에서 각 스트림에 동일한 송신 전력이 할당된 경우('□' 기호로 표지된 점선)와 성능이 비슷하지만, SNR이 약 25dB 이상이 되면 이 경우에 비해 더 큰 시스템 용량을 갖게 된다. 이 구간에서 랜덤-파워 기법은 심지어 워터-파워 기법이 적용된 경우보다도 더 큰 시스템 용량을 갖게 됨을 확인할 수 있다.

이러한 특징은 단일 사용자 환경에서의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도 4에 더욱 명확하게 나타난다. 도 4는 각 스트림을 어느 수신국에 할당할 것인지를 개별적으로 결정하는 대신, 복수의 스트림 전체를 한 단위로 하여 대상 수신국을 결정하도록 하였다는 점을 제외하면, 도 3과 동일한 환경에서 시뮬레이션을 진행한 결과를 나타낸다.

도 4의 워터-파워 기법이 적용된 경우('○' 기호로 표지된 점선)는 랜덤-파워 기법이 적용된 경우('□' 기호로 표지된 점선)의 성능을 비교하면, 전자는 낮은 SNR 조건에서 더 큰 시스템 용량을 가지는 반면, 후자는 높은 SNR 조건에서 상대적으로 더 큰 시스템 용량을 갖는다. 즉, SNR이 높아지면 수학식 4에서 분모의 첫 번째 항이 두 번째 항에 비하여 월등히 커지게 되는데 제안된 방식 중 워터-파워 방식의 경우 첫 번째 항이 무시할 수 있을 정도로 작을 때 성능이 최적화 되도록 의도된 전력 랜덤화 방식이므로, 이 경우에는 제안된 방식 중 랜덤-파워 방식처럼 무작위적으로 전력을 할당하는 것이 더 좋을 수 있는 것이다.

한편, 단일 사용자 환경에서 워터-파워 방식과 랜덤-파워 방식은 전력 랜덤화가 적용되어 있지 않은 경우('+' 기호로 표지된 점선)에 비해서는 성능 향상 효과가 있지만, 참고문헌[1]에 개시된 종래의 전력 랜덤화 기법이 적용된 경우(표지 없는 실선)에 비해서는 작은 시스템 용량을 갖는다. 그러나, 제안된 워터-파워 기법과 랜덤-파워 기법은 피드백 부하가 적으며 더 간단한 형태로 구현될 수 있다는 점에서 단일 사용자 환경에서도 종래의 전력 랜덤화 기법에 비해 비용과 구현 적합성 측면에서 더 큰 경쟁력을 갖는다고 할 수 있다. 특히, 랜덤-파워 기법은 극히 단순한 구조를 채택하고 있어 쉽게 구현될 수 있으므로 제품화될 경우의 시장 진입 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다는 점에서 더욱 의미가 있다.

도 4에 나타나 있는 결과를 응용하면, 다음과 같은 변형된 실시예를 구성할 수 있다. 즉, 채널 환경의 SNR 값에 따라 워터-파워 기법과 랜덤-파워 기법을 선택적으로 적용하는 것이다. 좀 더 구체적으로, 기지국(100)은 복수의 단말국(200)으로부터 각각 송신 채널의 SNR 측정값에 관한 정보를 수신하고, 소정의 임계값을 기준으로 그보다 낮은 SNR 값을 갖는 단말국(200)에 대해서는 워터-파워 기법을 적용하여 랜덤 빔 형성 과정을 수행하고, 임계값보다 높은 SNR 값을 갖는 단말국(200)에 대해서는 랜덤-파워 기법을 적용하여 랜덤 빔 형성 과정을 수행할 수 있다. 이로써, 각 단말국(200)에 대해 SNR 값의 전 구간에서 최적값에 최대로 근접하도록 각 스트림의 송신 전력을 할당할 수 있다.

이하에서는 지금까지 설명한 여러 실시예에 대해 그 구성의 일부를 변형 또는 대체한 다양한 실시 형태에 대해 설명하도록 한다.

앞에서 이미 도 2의 전력 랜덤화 블록(120)이 복수의 데이터 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 해당하는 송신 전력을 랜덤하게 결정한다는 점을 설명한 바 있다. 이 때 전력 랜덤화 블록(120)은 전체 스트림 중 일부의 전력을 0으로 결정할 수 있다. 이것은 스트림간 간섭이 심한 경우에 적용될 수 있는 방법으로, 이러한 경우에 일부 스트림의 송신 전력을 0으로 결정함으로써 스트림간 간섭을 줄여 오히려 스루풋을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이 때, 0의 송신 전력이 할당되는 스트림은 기지국(100)에서 랜덤하게 결정될 수 있다.

한편, 앞서 설명한 워터-파워 또는 랜덤-파워 기법은 행렬 V _b 와 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하기 때문에, 랜덤하게 결정된 값들이 실제의 V _b 와 이 때의 최적 전력 분배치에 근접할 확률은 사용자의 수가 많을수록 크게 된다. 따라서, 사용자 그룹의 크기가 작은 경우에는 V _b 및 스트림별 송신 전력을 랜덤하게 생성 및 적용한 전송 신호를 복수 회에 걸쳐 멀티-슬롯으로 전송함으로써 인위적으로 후보 채널의 수를 증가시켜 실제의 채널 특성에 근접하는 랜덤 생성값이 얻어질 확률을 높일 수 있다. 그러나, 이 방법을 적용하게 되면 멀티-슬롯의 수만큼 하향링크에 오버헤드가 따르게 되고, 각 단말국(200)으로부터의 피드백 채널에도 그만큼의 오버헤드가 생긴다. 따라서, 이 방법을 적용시에는 성능과 오버헤드 사이의 트레이드-오프 관계에 따라 멀티-슬롯의 수를 적절히 결정할 필요가 있다.

지금까지 설명한 구조는 공통적으로 기지국(100)으로 대표되는 송신국에서 사용자 선택이 일어나는 것을 가정하고 있다. 그러나, 변형된 실시 형태에 의하면, 각 단말국(200)에 기지국(100)과 미리 약속된 복수의 행렬 V _b 을 포함하는 후보 리스트가 저장되어 있고, 단말국(200)은 기지국(100)으로부터 수신된 신호에 이 리스트에 포함된 후보 V _b 를 각각 적용하여 가장 큰 채널 용량을 갖게 되는 V _b 를 선택하여 그 선택 정보를 기지국(100)으로 피드백 전송할 수 있다.

이 과정을 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 각 단말국(200)은 기지국(100)으로부터 전송된 파일럿 신호 등의 알려진 신호를 수신하고, 이를 통해 기지국(100)과 단말국(200)간의 송신 채널의 측정한다. 다음으로 단말국(200)은 측정된 채널을 특이값 분해하여 얻어진 유니터리 행렬 V _k ^H 에 가장 근접한 V _b 를 후보 리스트로부터 선택하여 선택된 V _b 의 인덱스 정보를 기지국(100)으로 전송한다.

이에 더해, 단말국(200)은 각 스트림에 대한 전력 할당 여부를 나타내는 일련의 전력 매트릭스 후보군 중에서 시스템 용량을 극대화하는 전력 매트릭스를 선택하여 이 선택 정보를 함께 기지국(100)으로 피드백 전송할 수 있다. 예를 들어, 스트림의 수가 4라면, 전력 매트릭스 {1, 1, 1, 1}은 모든 스트림에 전력을 할당한다는 의미이고, {1, 1, 0, 0}은 처음 두 개의 스트림에만 전력을 할당하고, 마지막 두 개의 스트림에는 0의 전력을 할당한다는 것을 나타낸다. 더 나아가 상기 전력 매트릭스는 각 스트림에 대한 전력 할당 비율을 나타낼 수도 있는데, 이 경우 {1/8, 1/8, 1/4, 1/2}과 같은 형태를 갖는다.

기지국(100)은 각 단말국(200)으로부터 수신된 V _b 인덱스 정보에 기초하여 후보 리스트에서 V _b 를 선택 및 적용하여 데이터를 해당 단말국(200)으로 전송한다. 또한, 단말국(200)으로부터 각 스트림에 대한 전력 할당 여부 또는 비율에 관한 선택 정보가 추가로 전송된 경우에는 수신된 정보에 따라 각 스트림에 전력을 할당하여 해당 단말국(200)으로 전송할 수 있다.

상기 실시 형태에 의하면, 각 단말국(200)으로부터 기지국(100)으로 피드백 전송되는 정보의 양을 줄여 피드백 오버헤드를 감소시켜 제한된 채널 자원을 효율적으로 활용하는 것이 가능하게 된다.

이상의 설명은 본 발명에 대한 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 본 발명이 상기 설명된 실시형태와 동일한 구조로 제한적으로 해석되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 형태의 수정 및 변형을 가할 수 있다. 따라서 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 대상은 본 발명이 포괄하는 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 종래의 랜덤 빔 형성 방법이 적용된 MIMO 무선통신 시스템의 송수신단의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔 형성 방법이 적용된 MIMO 무선통신 시스템의 송수신단의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 랜덤 빔 형성 방법이 적용된 경우의 스루풋 향상 효과를 나타내는 시뮬레이션 결과를 그래프로 도시한 것이다. 이 중 도 3은 다중 사용자 환경에서의 시뮬레이션 결과이며, 도 4는 단일 사용자 환경에서의 시뮬레이션 결과를 보여준다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기지국 110: 사용자 선택 블록

120: 전력 랜덤화 블록 130: V _b 블록

140: 랜덤 빔 형성 생성기 150: 송신 안테나

200: 단말국 210: U _k ^H 블록

220: 채널 추정 및 SVD 블록 230: 채널 용량 계산 블록

240: 수신 안테나

Claims

복수의 송신 안테나를 구비한 송신국과 각각 복수의 수신 안테나를 구비한 복수의 수신국을 포함하는 MIMO(multiple-input multiple output) 무선통신 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 방법에 있어서,

상기 송신국에서 빔 형성 행렬을 랜덤하게 결정하는 동시에, 복수의 데이터 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계;

상기 전송 단위의 각 스트림에 상기 빔 형성 행렬을 곱하여 생성된 전송 신호를 상기 복수의 수신국으로 전송하는 단계;

각 수신국에서 상기 전송 단위의 각 스트림의 신호대 간섭 잡음비를 측정하고, 상기 측정 결과에 기초하여 각 스트림의 채널 용량을 계산하는 단계;

상기 각 스트림의 채널 용량에 관한 정보를 상기 복수의 수신국으로부터 피드백 수신하고, 상기 송신국에서 이에 기초하여 데이터 전송의 대상이 되는 수신국을 선택하는 단계; 및

상기 선택된 수신국을 향해 상기 랜덤하게 결정된 송신 전력으로 데이터를 전송하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 상기 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는,

상기 송신국과 가상의 수신국간의 채널 특성을 나타내는 채널 행렬을 랜덤하게 생성하는 단계;

상기 생성된 채널 행렬을 특이값 분해(singular value decomposition)하여 상기 채널 행렬의 특이값을 포함하는 대각 행렬을 상기 빔 형성 행렬로서 생성하는 단계; 및

상기 대각 행렬의 성분을 이용하여 워터필링 방법에 의해 상기 전송 단위의 각 스트림의 송신 전력을 산정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제2항에 있어서,

상기 전송 신호를 복수의 수신국으로 전송하는 단계는, 상기 복수의 스트림에 상기 특이값 분해의 결과 생성되는 유니터리 행렬의 각 성분을 곱하여 상기 복수의 송신 안테나를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 상기 전송 단위의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는 유사 랜덤 방법에 의해 상기 전송 단위의 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제4항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 상기 전송 단위의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는 상기 전송 단위의 각 스트림의 전력과 상기 빔 형성 행렬을 유사 랜덤 방법에 의해 서로 독립적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 상기 전송 단위의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는 상기 전송 단위에 포함되는 복수의 스트림 중 일부에 해당하는 전력을 0으로 결정하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신국을 선택하는 단계는 상기 전송 단위에 포함되는 복수의 스트림 전체에 대해 그 전송 대상이 되는 수신국을 선택하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신국을 선택하는 단계는 상기 전송 단위에 포함되는 각각의 스트림마다 그 전송 대상이 되는 수신국을 개별적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
복수의 송신 안테나를 구비한 송신국과 각각 복수의 수신 안테나를 구비한 복수의 수신국을 포함하는 MIMO(multiple-input multiple output) 무선통신 시스템에 적용되는 랜덤 빔 형성 방법에 있어서,

상기 송신국으로부터의 무선 채널을 각 수신국에서 측정하는 단계;

상기 송신국과 각 수신국간에 약속된 복수의 빔 형성 행렬 가운데 어느 하나를 상기 측정된 무선 채널에 기초하여 상기 각 수신국에서 선택하는 단계;

상기 선택된 빔 형성 행렬에 관한 정보를 상기 송신국으로 피드백 전송하는 단계; 및

상기 송신국에서, 상기 선택된 빔 형성 행렬을 송신 데이터의 각 스트림에 곱하여 전송 신호를 생성하고, 랜덤하게 결정된 전력으로 상기 전송 신호를 각 수신국을 향해 전송하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제9항에 있어서,

상기 무선 채널을 측정하는 단계는 상기 송신국으로부터 전송된 파일럿 신호를 이용하여 상기 무선 채널을 측정하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제9항에 있어서,

상기 복수의 빔 형성 행렬 가운데 어느 하나를 선택하는 단계는 상기 측정된 무선 채널을 특이값 분해하여 얻어지는 유니터리 행렬에 근접한 행렬을 상기 복수의 빔 형성 행렬 가운데서 선택하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제9항에 있어서,

상기 선택된 빔 형성 행렬에 관한 정보를 피드백 전송하는 단계는 상기 선택된 빔 형성 행렬에 대해 상기 송신국과 각 수신국간에 약속된 인덱스 정보를 피드백 전송하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
제9항에 있어서,

상기 송신국으로부터 전송되는 데이터를 구성하는 복수의 스트림 각각의 전력의 할당 비율을 나타내는 전력 매트릭스를 복수의 매트릭스 중에서 선택하는 단계;

상기 선택된 전력 매트릭스에 관한 정보를 상기 송신국으로 피드백 전송하는 단계; 및

상기 송신국에서 상기 선택된 전력 매트릭스에 따라 상기 데이터의 각 스트림에 전력을 할당하여 해당 수신국으로 전송하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 랜덤 빔 형성 방법.
복수의 사용자를 포함하는 MIMO(multiple-input multiple output) 무선통신 시스템의 송신 트래픽 스케쥴링 방법에 있어서,

빔 형성 행렬을 랜덤하게 결정하는 동시에, 복수의 스트림으로 구성되는 전송 단위의 각 스트림에 할당되는 전력을 랜덤하게 결정하는 단계;

상기 전송 단위의 각 스트림에 상기 빔 형성 행렬을 곱하여 생성된 전송 신호를 상기 복수의 사용자를 향해 전송하는 단계;

각 사용자로부터 상기 전송 단위의 각 스트림의 신호대 간섭 잡음비에 관한 정보를 피드백 수신하고, 이에 기초하여 데이터 전송의 대상이 되는 사용자를 선택하는 단계; 및

상기 선택된 사용자를 향해 상기 랜덤하게 결정된 송신 전력으로 데이터를 전송하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는,

송신국과 가상의 사용자간의 채널 특성을 나타내는 채널 행렬을 랜덤하게 생성하는 단계;

상기 생성된 채널 행렬을 특이값 분해(singular value decomposition)하여 상기 채널 행렬의 특이값을 포함하는 대각 행렬을 생성하는 단계; 및

상기 대각 행렬의 성분을 이용하여 워터필링 방법에 의해 상기 전송 단위의 각 스트림의 송신 전력을 산정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계는 유사 랜덤 방법에 의해 상기 전송 단위의 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 사용자를 선택하는 단계는 상기 각 스트림에 대해 측정된 신호대 간섭 잡음비에 기초하여 계산된 채널 용량에 관한 정보를 상기 복수의 사용자로부터 피드백 수신하고, 이에 기초하여 상기 데이터 전송의 대상이 되는 사용자를 선택하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 사용자를 선택하는 단계는 상기 전송 단위에 포함되는 복수의 스트림 전체에 대해 그 전송 대상이 되는 사용자를 선택하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 사용자를 선택하는 단계는 상기 전송 단위에 포함되는 각각의 스트림마다 그 전송 대상이 되는 사용자를 개별적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
제14항에 있어서,

상기 빔 형성 행렬 및 각 스트림의 송신 전력을 랜덤하게 결정하는 단계와 이로부터 생성된 상기 전송 신호를 전송하는 단계를 복수 회에 걸쳐 반복하여 수행하며,

상기 사용자를 선택하는 단계는 상기 복수 회에 걸쳐 전송된 전송 신호에 대응하여 상기 복수의 사용자로부터 복수 회에 걸쳐 수신된 정보에 기초하여 상기 데이터 전송의 대상이 되는 사용자를 선택하는 것을 특징으로 하는 송신 트래픽 스케쥴링 방법.
복수의 사용자를 포함하는 MIMO(multiple-input multiple output) 무선통신 시스템에서 송신 전력을 랜덤화하는 방법에 있어서,

송신 채널의 신호대 잡음비를 측정하는 단계;

유사 랜덤 방법에 의해 랜덤하게 생성된 채널 행렬을 특이값 분해(singular value decomposition)하여 상기 채널 행렬의 특이값을 포함하는 대각 행렬을 생성하고, 이 대각 행렬의 성분을 이용하여 워터필링 방법에 의해 각 전송 단위를 구성하는 복수의 데이터 스트림의 각 스트림에 할당되는 전력을 각각 산정하는 제1 기법과, 유사 랜덤 방법에 의해 상기 복수의 데이터 스트림의 각 스트림에 할당되는 전력을 직접 랜덤하게 결정하는 제2 기법 중 어느 하나를 상기 송신 채널의 신호대 잡음비에 기초하여 선택하는 단계; 및

상기 선택된 기법에 따라 상기 송신 전력을 랜덤화하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 전력 랜덤화 방법.
제21항에 있어서,

상기 송신 채널의 신호대 잡음비를 측정하는 단계는 상기 복수의 사용자로부터 상기 송신 채널의 신호대 잡음비 측정값 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 송신 전력 랜덤화 방법.
제21항에 있어서,

상기 송신 전력 랜덤화 기법을 선택하는 단계는, 상기 송신 채널의 신호대 잡음비가 임계값보다 작은 경우 제1 기법을 선택하고, 상기 송신 채널의 신호대 잡음비가 임계값보다 큰 경우 제2 기법을 선택하는 것을 특징으로 하는 송신 전력 랜덤화 방법.