KR100967754B1

KR100967754B1 - 무선 통신 방법과 송신기 및 수신기

Info

Publication number: KR100967754B1
Application number: KR1020070091495A
Authority: KR
Inventors: 다께시 다까노; 리앙 저우
Original assignee: 후지쯔 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2010-07-05
Also published as: EP1909406A3; JP2008092433A; JP4734210B2; EP2763328A3; EP1909406A2; EP2763328A2; US7873113B2; US20070281746A1; EP1909406B1; CN101159464B; CN101159464A; KR20080031615A

Abstract

종래보다도 적은 연산량으로 고속으로, 무선 환경에 부응한 최적의 송신 안테나 및 수신 안테나의 선택을 행할 수 있게 한다. 각 송신 안테나(15-1∼15-N_t)의 일부인 어느 것인가의 복수와, 각 수신 안테나(21-1∼21-N_r)의 어느 것인가의 복수로 이루어지는 복수의 안테나 그룹 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고, 선택된 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하고, 선택된 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행한다.

기지국 장치, 프리코딩 처리부, 송신 안테나, 수신 안테나, 이동국 장치, 채널 추정부

Description

무선 통신 방법과 송신기 및 수신기{RADIO COMMUNICATION METHOD, TRANSMITTER, AND RECEIVER}

본 발명은, 무선 통신 방법과 송신기 및 수신기에 관한 것으로, 예를 들면 MIMO(Multiple Input Multiple Output : 다입력 다출력)를 이용하는 무선 시스템에서의 송수신 안테나 선택에 바람직한 기술에 관한 것이다.

최근, 주파수 대역을 유효 이용하여 대용량(고속)의 데이터 통신을 가능하게 하는 기술로서, MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)가 주목받고 있다. MIMO는, 송수신 쌍방에 복수 안테나를 이용하여, 즉 복수 안테나를 갖는 송신기 및 복수 안테나를 갖는 수신기를 이용하여, 송신기의 복수 안테나로부터 독립한 데이터 스트림을 송신하고, 수신기의 각 수신 안테나에서 수신되는 신호로부터, 전파로 상에서 서로 섞인 복수의 송신 신호(데이터 스트림)를, 통신로(채널)의 상태(환경)를 나타내는 채널 상태 정보(CSI : Channel State Information)(채널 추정값이라고도 불림)를 이용하여 개개로 분리함으로써, 주파수 대역의 확대를 필요로 하는 일 없이 전송 레이트를 향상시키는 기술이다.

MIMO 통신 시스템에서는, 통상적으로 기지국 장치(BS : Base Station) 측에 이동국 장치(MS : Mobile Station) 측보다도 다수의 안테나를 채용한다. 또한, 상황에 따라서는, 전송 품질 등을 확보하기 위해, BS 및 MS는 서로 중계(릴레이)국 장치(RS : Relay Station)를 경유하여 통신을 행하는 경우도 있다.

종래의 MIMO 시스템(하기 특허 문헌 1 참조)에서는, 전송 용량을 확보하기 위해, BS의 수신 안테나를 그룹화하고, BS는 그 중에서 어떤 기준에 기초하여 선택된 안테나 그룹을 이용하여, 수신을 행한다.

또한, 하기 특허 문헌 2의 기술에서는, BS의 송신 안테나 수는 4개로 적기 때문에, 송신 안테나를 선택하는 경우, 어느 정도의 계산량으로 가능하다.

[특허 문헌 1] 일본특허공개 제2004-312381호 공보

[특허 문헌 2] 일본특허공개 제2006-67237호 공보

그러나, 종래의 방법(특허 문헌 1의 기술)에서는, BS가 수신 안테나를 선택하는 구성에 대해서만 개시하고 있고, BS의 송신 안테나를 선택하는 구성에 대해서는 개시도 시사도 하지 않는다.

또한, 특허 문헌 2의 기술에서는, BS의 안테나 수가 많아지면, 최적의 안테나를 찾는 데에는 상당히 시간이 걸리게 된다.

또한, 종래 기술에서는, BS(송신기) 측과 MS(수신기) 측에서 사용(선택)하는 송수신 안테나 수는 통상 동수(예를 들면, BS측 2개, MS측 2개의 2×2 MIMO 등)이기 때문에, 통신 환경에 따라서는 안테나의 조건이 좋지 않은 경우가 있어, 로버스 트(Robust)한 전송 용량의 확보에 곤란하다.

또한, RS의 안테나 수가 많아지는 경우, BS측과 RS측의 안테나 전부를 동시에 사용하면, 코스트, 복잡도 등이 증대하게 된다. 또한, BS와 RS 사이에서 안테나 선택을 행하는 경우, 안테나 수가 매우 많기 때문에, 최적의 안테나를 찾는 데에는 매우 시간이 걸리게 된다.

본 발명은, 이상과 같은 과제를 감안하여 창안된 것으로, 종래보다도 적은 연산량으로 고속으로, 무선 환경에 부응한 최적의 송신 안테나 및 수신 안테나의 선택을 행할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 부차적으로, 무선 환경에 따라서, MIMO 통신과 프리코딩 송신(빔 포밍)을 선택적으로 행하여, 통신의 신뢰도를 유지할 수 있는 전송 용량, 전파 도달 범위 등의 통신 품질을 확보할 수 있게 하는 것도 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 이하의 무선 통신 방법과 송신기 및 수신기를 이용하는 것을 특징으로 한다.

즉, (1) 본 발명의 무선 통신 방법은, 복수의 송신 안테나를 갖는 송신기와, 복수의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서, 상기 각 송신 안테나의 일부인 어느 것인가의 복수와, 상기 각 수신 안테나의 어느 것인가의 복수로 이루어지는 복수의 안테나 그룹 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고, 상기 선택된 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하고, 상기 선택된 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 한다.

(2) 여기서, 상기 안테나 그룹을 구성하는 각 송신 안테나는, 인접하는 복수의 송신 안테나 또는 기준 송신 안테나로부터 등거리에 있는 복수의 송신 안테나인 것이 바람직하다.

(3) 또한, 임의의 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나의 일부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있어도 된다.

(4) 또한, 상기 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 수는, 해당 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나 수보다도 커도 된다.

(5) 또한, 상기 조합 중에서, 수신 안테나 수와 동수의 송신 안테나에 의한 MIMO 통신에 관한 기준을 만족하는 조합이 존재하는지의 여부를 판정하고, 존재한다고 판정된 경우에는, 해당 조합의 송신 안테나를 이용하여 MIMO 통신을 행하고, 존재하지 않다고 판정된 경우에는, 상기 조합의 송신 안테나의 전부를 이용하여, 프리코딩 송신을 행하도록 하여도 된다.

(6) 또한, 임의의 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나의 일부 또는 전부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있어도 된다.

(7) 또한, 상기 수신기는, 상기 선택한 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합에 관한 정보를 상기 송신기에 통지하도록 하여도 된다.

(8) 또한, 본 발명의 무선 통신 방법은, N_t개(N_t는 2 이상의 정수)의 송신 안테나를 갖는 송신기와, N_r개(N_r은 2 이상의 정수)의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서, 상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하고, 상기 복수 블록 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하고, 선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하고, 상기 선택된 요소 추정값의 조합에 대응하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 한다.

(9) 또한, 본 발명의 수신기는, N_t개(N_t는 2 이상의 정수)의 송신 안테나를 갖는 송신기와, N_r개(N_r은 2 이상의 정수)의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서의 상기 수신기로서, 상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r≤N_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하는 그룹화 수단과, 그 그룹화 수단에 의해 얻어진 상기 복수 블록 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하는 블록 선택 수단과, 그 제1 선택 수단에 의해 선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하는 요소 추정값 선택 수단과, 상기 블록 선택 수단 또는 상기 요소 추정값 선택 수단에 의한 선택 결과에 기초하여 상기 송신기를 위한 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기에 통지하는 통지 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

(10) 또한, 본 발명의 송신기는, N_t(N_t는 2 이상의 정수)개의 송신 안테나를 갖고, 상기 (9)에 기재된 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 장치로서, 상기 통지 수단으로부터의 상기 안테나 선택 정보를 수신하는 수신 수단과, 그 수신 수단에서 수신된 상기 안테나 선택 정보에 따라서 사용 송신 안테나를 선택하는 안테나 선택 수단을 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기의 본 발명에 따르면, 적어도 이하에 기재하는 어느 하나의 효과 또는 이점이 얻어진다.

(1) 송신 안테나 수가 많기 때문에 송수신 안테나 수가 매우 많아져도(즉, 채널 매트릭스의 요소 추정값 수가 매우 많아져도), 종래보다도 적은 연산량으로 고속으로, 무선 환경에 부응한 최적의 송신 안테나 및 수신 안테나의 선택을 행하여, 무선 환경에 부응한 최적의 통신을 실현할 수 있다. 또한, 코스트, 복잡도 등도 삭감할 수 있다.

(2) 소정(상기 제1 및 제2)의 안테나 선택 기준을 만족하는 송수신 안테나의 조합이 존재하면, 그 조합의 송수신 안테나에서 MIMO 통신을 행하고, MIMO 통신에 적절한(상기 제2 안테나 선택 기준을 만족한) 송수신 안테나의 조합이 존재하지 않 으면, 프리코딩 송신(빔 포밍)을 행할 수 있으므로, 어떤 무선 환경에서도, 항상 통신의 신뢰도를 유지할 수 있는 전송 용량, 전파 도달 범위 등의 통신 품질을 확보할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은, 이하의 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있는 것은 물론이다.

〔A〕제1 실시 형태의 설명

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 멀티 안테나 무선 통신 시스템의 구성을 도시하는 블록도로, 이 도 1에 도시한 무선 통신 시스템은, 적어도 1대의 송신기로서의 기지국 장치(BS(10))와, 적어도 1대의 수신기로서의 이동국 장치(MS(20))를 구비하여 구성되고, BS(10)는, 그 주요부에 주목하면, 예를 들면 공간 다중 변조부(11), 프리코딩 처리부(12), L_t(L_t는 2 이상의 정수)개의 송신 RF부(13-1∼13-L_t)(이하, 구별하지 않는 경우에는 송신 RF부(13)라고 표기함)와, 안테나 스위치(14)와, N_t(N_t는 2 이상의 정수에서 N_t≥L_t)개의 송신 안테나(15-1∼15-N_t)(이하, 구별하지 않는 경우에는 송신 안테나(15)라고 표기함)와, 코드북 메모리(16)와, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)와, 송신 안테나 선택 제어부(18)를 구비하여 구성되어 있다.

한편, MS(20)는, 그 주요부에 주목하면, 예를 들면 N_r(N_r은 2 이상의 정수)개의 수신 안테나(21-1∼21-N_r)(이하, 구별하지 않는 경우에는 수신 안테나(21)라고 표기함)와, N_r(L_r은 2 이상의 정수에서 L_r≤N_r)개의 수신 RF부(23-1∼23-L_r)(이하, 구별하지 않는 경우에는 수신 RF부(23)라고 표기함)와, MIMO 수신 신호 처리부(24)와, 채널 추정부(25)와, 안테나 선택부(사용 안테나 결정부)(26)와, 코드북 메모리(28)와, 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 수신 RF부(23)가 N_r개라고 하는 것은, MS(20)(수신 RF부(23))에서 한번에 처리 가능한 수신 데이터 스트림 수가 N_r인 것을 의미하고, 따라서 그 최대값은 상기한 바와 같이 N_r로 된다.

(BS(10)의 구성 설명)

여기서, BS(10)에서, 공간 다중 변조부(11)는, 터보 부호화 등의 주어진 오류 정정 부호화에 의해 얻어진 부호화 계열을, 소정의 변조 방식, 예를 들면 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)나 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 등의 신호점을 갖는 심볼(데이터 채널의 신호)에 맵핑하여 변조하는 것으로, 예를 들면 N_s (단, 1≤N_s≤min(L_t, N_r))개의 송신 데이터 스트림이 얻어지도록 되어 있다. 또한, 이 공간 다중 변조(11)에서는, 데이터 채널의 신호 이외에, 채널 추정에 사용하는, BS(10)-MS(20) 사이에서 기지의 신호(파일럿 신호 혹은 프리앰블 신호)나, 제어 정보를 전송하는 제어 채널의 신호(제어 심볼) 등의 다중 처리도 행할 수 있 다.

프리코딩 처리부(프리코딩 수단)(12)는, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)로부터 공급된 프리코딩 매트릭스(행렬) 또는 코드워드를 이용하여, N_s(1≤N_s≤N_r)개의 송신 데이터 스트림을 프리코딩하여, 후술하는 바와 같이 송신 안테나 선택 제어부(18)에 의해 선택되는 L_t개의 송신 안테나(15)에 맵핑함으로써, L_t개의 송신 안테나(15)에 의한 빔 포밍을 행하는 것이다. 단, 해당 프리코딩(빔 포밍)은, 후술하는 바와 같이 송신 데이터 스트림 수 N_s<선택 송신 안테나 수 L_t의 경우에(즉, 선택 송신 안테나 수에 따라서 선택적으로) 실시되고, 송신 데이터 스트림 수 N_s=선택 송신 안테나 수 L_t의 경우에는 MIMO 다중 송신을 행하기 위해 실시되지 않도록 제어된다.

송신 RF부(13)는, 각각 L_t개의 송신 데이터 스트림에 관해서 DA(Digital to Analog) 변환이나 무선 주파수(RF)로의 주파수 변환(업 컨버트) 등을 포함하는 주어진 무선 송신 처리를 행하는 것이며, 안테나 스위치(14)는, 송신 안테나 선택 제어부(18)의 제어 하에, 송신에 사용하는 L_t개의 송신 안테나(15)를 선택하여 송신 RF부(13)와의 접속을 행하는 것이며, 송신 안테나(15)는, 각각 안테나 스위치(14)를 통해서 접속된 송신 RF부(13)로부터의 송신 RF 신호를 MS(20)를 향해 공간에 방사 하는 것이다.

코드북 메모리(16)는, 상기 프리코딩 시에 이용하는 프리코딩 매트릭스(혹은 벡터. 이하, 동일함)를 결정할 때에 이용하는 코드북(코드워드)을 미리 기억해 두는 것이다. 해당 코드북은, 예를 들면 미리 결정한 유니터리 행렬(Unitary Matrix)의 집합으로서 정의되고(그 요소를 코드워드라 정의함), 사전에 데이터 스트림 수 N_s와 송신 안테나 수 L_t와 피드백 비트수(L)에 기초하여 결정된다. 또한, 코드북 중의 요소를 코드워드라고 정의한다. MS(20) 사이에서 동일한 코드북을 이용할 필요가 있기 때문에, MS(20) 측(코드북 메모리(28))에도 동일한 것이 미리 기억된다.

따라서, BS(10)는, 상기 CSI에 기초하여 구해지는 프리코딩 매트릭스의 요소 정보 전부를 MS(20)로부터 통지(피드백)하게 하지 않아도, 한정된 정보(예를 들면, 코드북에서의 코드워드의 인덱스)를 통지하게 하면, 그 정보에 기초하여 사용할 프리코딩 매트릭스를 결정하는 것이 가능해진다. 이와 같은 한정된 정보에 의한 통지 방법을 리미티드 피드백 전송이라 부르고, MS(20)로부터 BS(10)에의 업링크의 대역 유효 이용을 도모하는 것이 가능하다.

또한, 상기 인덱스 등의 한정된 정보의 전송은, 본예에서는, 도 1 중에 부호 40으로 나타내는 피드백 채널을 이용하여 행한다. 그 피드백 채널(40)은, MS(20)의 송신계로부터 BS(10)의 수신계에의 업링크의 채널 중 하나로서, 도 1에서는, 이들 MS(20)의 송신계 및 BS(10)의 수신계의 도시에 대해서는 생략하고 있다.

다음으로, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)는, MS(20)로부터 피드백 채널(40)에 의해 통지되어 오는 안테나 인덱스(안테나 선택 정보)를 수신하여 안테 나 선택 제어부(18)에 통지함과 함께, 상기 프리코딩에 필요한 프리코딩 매트릭스를 프리코딩 처리부(12)에 공급하므로, 그 때 피드백 채널(40)에 의해 MS(20)로부터 통지된 프리코딩 매트릭스를 그대로 공급하여도 되고, 상기 리미티드 피드백 전송에 의해 통지된 상기 인덱스로부터 특정되는 코드워드를 상기 코드북으로부터 선택하고 그에 대응하는 프리코딩 매트릭스를 선택하여 공급하여도 된다.

송신 안테나 선택 제어부(18)는, 상기 안테나 선택 정보에 따라서 안테나 스위치(14)를 제어하여 송신 RF부(13)와 송신 안테나(15)의 접속을 제어하는 것이다.

(MS(20)의 구성 설명)

한편, MS(20)에서, 수신 안테나(21)는, 각각 BS(10)의 송신 안테나(15)로부터 송신된 RF 신호를 수신하는 것이며, 수신 RF부(23)는, 각각 수신 안테나(21)에서의 수신 RF 신호에 대해서, 베이스밴드 주파수로의 주파수 변환(다운 컨버트)이나 AD(Analog to Digital) 변환 등을 포함하는 주어진 무선 수신 처리를 실시하는 것이다.

MIMO 수신 신호 처리부(24)는, 수신 RF부(23)에서 처리된 수신 신호(디지털 베이스밴드 신호), 즉 공간 다중된 수신 신호를 송신 데이터 스트림마다 분리하여, 복조 및 복호하는 것이다. 또한, 해당 분리 처리는, 예를 들면 상기 파일럿 신호(혹은, 프리앰블 신호. 이하, 동일함)와 파일럿 리플리카의 상관 연산에 의해 구해지는 CSI에 기초하여, 채널 상관 행렬의 역행렬을 이용하는 방법이나, MLD(Maximum Likelihood Detection) 알고리즘을 이용하는 방법 등을 이용하여 실시할 수 있다.

채널 추정부(25)는, 수신 RF부(23)에서 처리된 파일럿 신호와 MS(20)가 미리 보유하는 파일럿 리플리카와의 상관 연산에 의해 상기 CSI를 구하는(즉, 채널 응답을 추정하는) 것이다.

사용 안테나 선택부(26)는, 소정의 안테나 선택 기준에 기초하여 BS(10)와의 사이의 통신에 사용하는 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)의 조합을 선택(결정)하는 것으로, 본예에서는 계층적인 선택, 즉 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)를 복수의 송신 안테나(15) 및 복수의 수신 안테나(21)로 이루어지는 복수의 안테나 그룹으로 그룹 분류하고, 각 안테나 그룹 중에서 제1 안테나 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고, 선택한 안테나 그룹 중에서 또한 제2 안테나 선택 기준을 만족하는 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)의 조합의 선택을 행하도록 되어 있다.

또한, 송신 안테나 수 N_t가 어떤 기준 수보다도 적은 경우에는, 모든 안테나 조합을 선택 대상으로 하여도 된다. 또한, 수신 안테나(21)에 대해서는 일부 또는 전부를 각 안테나 그룹에 공통된 요소로 하여도 된다. 전부를 공통된 요소로 한 경우에는, 송신 안테나(15)만을 복수 그룹으로 그룹 분류하는 것에 상당한다.

이와 같은 그룹 분류는, 채널 추정부(25)에 의해 얻어진 CSI(채널 행렬)의 요소 추정값을 그룹 분류하는 것을 의미하고, 안테나 그룹 중으로부터 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)의 조합을 선택하는 것은, 해당 채널 행렬의 요소 추정값의 조합을 선택하는 것을 의미한다. 그룹 분류의 구체예, 안테나 선택 기준 등 의 상세에 대해서는 후술한다.

즉, 본예의 사용 안테나 선택부(26)는, 각 송신 안테나(15)와 각 수신 안테나(21) 사이에 대해 얻어지는 N_r×N_t개의 채널 추정값을, L_r×L_t개의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하는 그룹화 수단으로서의 기능을 구비하고 있다.

코드북 메모리(28)는, 이미 설명한 바와 같이, BS(10) 측과 동일한 코드북을 미리 기억해 두는 것이며, 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)는, 채널 추정부(25)에 의해 얻어진 CSI에 기초하여, BS(10) 측에서의 상기 프리코딩에 필요한 정보(피드백 정보)를 생성하여 피드백 채널(40)에 의해 BS(10)에 통지하는 것으로, 상기 CSI에 기초하여 계산한 프리코딩 매트릭스, 혹은 상기 리미티드 피드백 전송의 경우에, 코드북 메모리(28)에서의 코드북을 검색하여 얻어진 코드워드의 인덱스를 상기 피드백 정보로서 생성할 수 있도록 되어 있다.

(시스템 동작 설명)

이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시 형태의 MIMO 통신 시스템의 동작, 특히 안테나 선택 방법에 주목한 동작에 대해, 도 2 ∼ 도 5를 병용하여 상세하게 설명한다.

우선, 도 5에 도시한 바와 같이, BS(10) 및 MS(20)는, 사전에 자기의 송신/수신 안테나 수나 데이터 스트림의 처리 능력 등에 관한 정보를 서로 송수함으로써, 통신 상대의 안테나 수나 처리 능력을 파악한다(스텝 S11, S21).

그리고, BS(10)는, 파일럿 신호를 MS(20)를 향해 송신하고(스텝 S12), MS(20)는, 채널 추정부(25)에서, 수신 파일럿 신호와 파일럿 리플리카와의 상관 연산에 의해 채널 응답을 추정한다(CSI를 구한다)(스텝 S22).

그리고, MS(20)는, 얻어진 CSI에 기초하여, 소정의 안테나 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 1개 선택한다. 즉, BS(10)의 각 송신 안테나(15)를, 1 그룹당의 송신 안테나 수(L_t)가 MS(20) 측에서 사용 가능한 수신 안테나 수(L_r)보다도 많아지도록 복수의 안테나 그룹으로 그룹 분류하고, 해당 안테나 그룹 중에서, 상기 안테나 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 1개 선택한다.

여기서, 상기 그룹 분류는, 예를 들면 도 2에 모식적으로 도시한 바와 같이, 인접하는 L_t개의 송신 안테나(15)를 1 그룹으로 하여도 되고, 도 4에 모식적으로 도시한 바와 같이, 어떤 송신 안테나(15)를 기준 안테나로서 등간격(등거리)에 있는 L_t개의 송신 안테나(15)를 1 그룹으로 하여도 된다.

만약, BS(10)의 송신 안테나 수 N_t=9, MS(20)의 수신 안테나 수 N_r=L_r=2, 1 안테나 그룹당의 송신 안테나 수 L_t=3으로 한 경우, 도 2에 도시한 바와 같은 그룹 분류는, 도 3에 도시한 바와 같이 L_r×N_t=2×9의 매트릭스로서 얻어진 채널 행렬의 18개의 요소 추정값(h_ij:i=1∼2, j=1∼9)을 L_r×L_t=2×3(=6)의 인접하는 요소 추정값으로 이루어지는 3개의 블록(2×3의 행렬 H_s)으로 그룹 분류하는 것과 등가이며, 따라서 안테나 그룹을 선택한다고 하는 것은, 해당 블록 단위에서 상기 안테나 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하는 것과 등가이다.

마찬가지의 이론에 의해, 도 4에 도시한 바와 같은 그룹 분류는, L_r×N_t=2×9의 매트릭스로서 얻어지는 채널 행렬에서 등거리에 있는 2×3=6개의 요소 추정값으로 이루어지는 블록(채널 행렬 H_s)으로 그룹 분류하는 것을 의미한다. 이 경우, 1 안테나 그룹에서 복수의 MS(20)에 대한 통신(멀티 유저 MIMO 전송)이 가능하다.

이와 같이, 1 블록(행렬 H_s)을 구성하는 요소 추정값의 선정 방법, 즉 안테나 그룹의 그룹 분류의 방법은, 상기 이외에도 여러 가지 생각되게 되고, 예를 들면 어떤 블록에 속하는 요소 추정값이, 다른 블록에 중복하여 속하도록 그룹 분류하는 것도 가능하다. 그러나, 연산량을 가능한 한 적게 하기 위해서는, 도 2(도 3)나 도 4에 도시한 바와 같은 단순한 그룹 분류를 행하는 쪽이 바람직하다.

우선, MS(20)(사용 안테나 결정부(26))는, 상기한 바와 같은 그룹 분류를 전제로 하여, 구체적으로는 하기 (a)∼(c)에 도시한 어느 하나의 안테나 선택 기준, 다시 말하면 BS(10) 사이의 통신 품질에 관한 제1 안테나 선택 기준을 이용하여, 우선 안테나 그룹(요소 추정값의 블록)의 선택을 행한다. 즉, 사용 안테나 결정부(26)는, 상기 요소 추정값의 복수 블록 중에서, 하기 (a)∼(c)의 어느 하나의 안테나 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하는 블록 선택 수단으로서의 기능을 구비하고 있다.

(a) 용량(Capacity) 선택 기준

MS(20)(사용 안테나 결정부(26))는, 하기의 식(1)에 의해, BS(10) 사이의 통 신 용량(Capacity)을 최대화하는 안테나 그룹을 선택한다.

단, 상기 식(1)에서, H_s는 안테나 그룹의 채널 행렬, ρ는 해당 안테나 그룹에서의 각 수신 안테나(21)의 평균 SNR(Signal to Noise Ratio), det는 행렬식(determinant), H_s′는 H_s의 복수 공액 전치를 나타낸다.

(b) 특이값(Singular value) 선택 기준

MS(20)(사용 안테나 결정부(26))는, 하기의 식(2)에 의해, 채널 행렬 H_s의 최소 특이값(Minimum singular value) λmin{H_s}을 최대화하는(이는 최소 SNR을 최대화하는 것을 의미한다) 안테나 그룹을 선택한다.

(c) 조건 수(Condition Number) 선택 기준

MS(20)(사용 안테나 결정부(26))는, 하기의 식(3)에 의해, 채널의 조건 수, 즉 채널 행렬 H_s의 최대 특이값 λmax{H_s}를 최소 특이값 λmin{H_s}으로 나눈 값을 최소화하는(이는 오류율을 최적화하는 것을 의미한다) 안테나 그룹을 선택한다.

우선, 상술한 바와 같이 안테나 그룹이 선택되면, 다음으로 MS(20)(사용 안테나 결정부(26))는, 도 5에 도시한 바와 같이, 선택한 안테나 그룹에서의 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 비교하여, 송신 안테나 수 L_t와 수신 안테나 수 L_r이 동일한지의 여부를 판정한다(스텝 S24).

그 결과, 동일하다면, MS(20)는 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)에 의해, 선택한 송신 안테나(15)의 인덱스를 피드백 채널(40)에 의해 BS(10)에 송신(통지)한다(스텝 S24의 "예" 루트로부터 스텝 S25).

한편, 송신 안테나 수 L_t와 수신 안테나 수 L_r이 동일하지 않으면, 즉 송신 안테나 수 L_t>수신 안테나 수L_r(데이터 스트림 수 N_s)이면, 사용 안테나 결정부(26)는, 선택 안테나 그룹 중의 송신 안테나 수 L_t와 수신 안테나 수 L_r을 동수로 조정한 다음에, 해당 선택 안테나 그룹 중의 모든 송수신 안테나 조합을 검색하고, 소정의 안테나 선택 기준(통신 품질에 기초하는 제2 안테나 선택 기준)을 만족하는지(예를 들면, 상기 채널의 조건 수가 어떤 임계 값 이하인지)의 여부를 재판정한다(스텝 S26, S27).

또한, 해당 재판정 대상으로 하는 송수신 안테나 수의 조정(선택)은, 예를 들면 각 안테나(15, 21)의 SINR(Signal-to-Interference and Noise power Ratio)을 계산하고, 최소의 SINR을 갖는 안테나(15, 21)를 제외함으로써 행하여도 되고, SINR 혹은 평균 전력이 큰 안테나(15, 21)를 선택함으로써 행하여도 된다.

그 결과, 해당 안테나 선택 기준을 만족하는 경우, MS(20)는 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)에 의해, 상기 스텝 S25와 마찬가지로, 선택된 송신 안테나(15)의 인덱스를 피드백 채널(40)에 의해 BS(10)에 송신(통지)한다(스텝 S27의 "예" 루트로부터 스텝 S28).

즉, 사용 안테나 결정부(26)는, 상기한 블록 선택 수단에 의해 선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하는 요소 추정값 선택 수단으로서의 기능을 구비하고, 해당 선택 수단이, 또한 상기 요소 추정값의 조합 중에서, 수신 안테나 수와 동수의 송신 안테나(15)에 의한 MIMO 통신에 관한 기준을 만족하는 조합이 존재하는지의 여부를 판정하는 판정부로서의 기능을 구비하고 있다.

또한, 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)는, 사용 안테나 결정부(26)(블록 선택 수단 또는 요소 추정값 선택 수단)에 의한 선택 결과에 기초하여 BS(10)를 위한 안테나 선택 정보를 생성하여 BS(10)에 통지하는 통지 수단으로서의 기능을 구비하고 있다.

한편, 안테나 선택 기준을 만족하지 않는 경우, 사용 안테나 결정부(26)는, 또한 고유 모드 전송을 실시하는지의 여부를 판정한다(스텝 S27의 "아니오" 루트로부터 스텝 S29). 그 결과, 사용 안테나 결정부(26)에서 고유 모드 전송을 실시한다고 판정된 경우, MS(20)는 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)에 의해, CSI(채널 매트릭스)의 특이값 분해(Singular Value Decomposition : SVD)를 계산하여 프리코딩 매트릭스를 구하고(상세한 것은 후술), 이를 피드백 채널(40)에 의해 BS(10)에 송신한다(스텝 S29의 "예" 루트로부터 스텝 S30).

이에 대해, 사용 안테나 결정부(26)에서 고유 모드 전송을 실시하지 않는다(즉, 리미티드 피드백 전송을 실시한다)고 판정된 경우, MS(20)는 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)에 의해, 코드북 메모리(28)에서 코드북에서의 코드워드의 인덱스를 검색하고, 해당 코드워드의 인덱스를 피드백 채널(40)에 의해 BS(10)에 송신한다(스텝 S29의 "아니오" 루트로부터 스텝 S31).

즉, 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)(통지 수단)는, 상기 판정부에서 상기 요소 추정값의 조합이 존재한다고 판정된 경우에는, 해당 조합에 따른 상기 안테나 선택 정보(안테나 인덱스)를 생성하고, 해당 판정부에서 존재하지 않다고 판정된 경우에는, 상기 조합의 요소 추정값에 기초하여, BS(10)에 의한 프리코딩 송신에 필요한 프리코딩 정보(프리코딩 매트릭스 또는 코드워드의 인덱스)를 상기 안테나 선택 정보로서 생성하여 BS(10)에 통지하는 안테나 선택 정보 생성부로서의 기능도 구비하고 있다.

한편, BS(10)에서는 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)에 의해, 상기의 스텝 S25 또는 S28에서 MS(20)로부터 피드백 채널(40)에 의해 통지된 안테나 인덱스에 기초하여, MIMO 다중 송신을 행하는지의 여부를 판정한다(스텝 S13). 즉, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)는, 송신 데이터 스트림 수 N_s=선택 송신 안테 나 수 L_t의 경우에 MIMO 다중 송신을 행한다고 판단한다.

그 결과, MIMO 다중 송신을 행한다고 판단되면, BS(10)는 송신 안테나 선택 제어부(18)에 의해 안테나 스위치(14)를 제어하여, 상기 통지된 안테나 인덱스에 의해 특정되는 송신 안테나(15)와 송신 데이터 스트림의 존재하는 송신 RF부(13)를 접속하고, MIMO 다중 송신을 행한다(스텝 S13의 "예" 루트로부터 스텝 S14).

한편, MIMO 다중 송신을 행하지 않는다라고 판단되면, BS(10)(프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17))는 고유 모드 전송을 행하는지의 여부를 판정한다(스텝 S13의 "아니오" 루트로부터 스텝 S15). 그 결과, 상기 스텝 S15에서 MS(20)로부터 피드백 채널(40)에 의해 프리코딩 매트릭스가 통지되어 있어서 고유 모드 전송을 행한다고 판정하였을 경우, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)는, 해당 프리코딩 매트릭스를 프리코딩 처리부(12)에 공급한다. 또한, 송신 안테나 선택 제어부(18)에 의해 안테나 스위치(14)를 제어하여, 송신 데이터 스트림이 존재하는 송신 RF부(13)와, 선택된 송신 안테나(15)(이 경우의 송신 안테나 수는 MS(20) 측으로 선택된 수신 안테나 수보다도 많음)를 접속한다.

이에 의해, BS(10)는 MS(20) 측의 수신 안테나 수(송신 데이터 스트림 수)보다도 많은 송신 안테나(15)를 이용하여 상기 프리코딩에 의한 빔 포밍을 행하여 MS(20)에 대한 송신을 행한다(스텝 S15의 "예" 루트로부터 스텝 S16).

이에 대해, 상기 스텝 S29에서 MS(20)로부터 피드백 채널(40)에 의해 코드워드의 인덱스가 통지되어 있어 고유 모드 전송이 아니라 리미티드 피드백 전송을 행 한다고 판정한 경우, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)는, 해당 코드워드의 인덱스를 기초로 대응하는 코드북을 코드북 메모리(16)에서 검색하고, 해당 코드북에 기초하여 프리코딩 매트릭스를 결정하여 프리코딩 처리부(12)에 공급한다. 또한, 고유 모드 전송의 경우와 마찬가지로, 송신 안테나 선택 제어부(18)에 의해 안테나 스위치(14)를 제어하여, 송신 데이터 스트림이 존재하는 송신 RF부(13)와, 선택된 송신 안테나(15)(이 경우도, 송신 안테나 수는 MS(20) 측으로 선택된 수신 안테나 수보다도 많음)를 접속한다.

이에 의해, BS(10)는 MS(20) 측의 수신 안테나 수(송신 데이터 스트림 수)보다도 많은 송신 안테나(15)를 이용하여 상기 프리코딩에 의한 빔 포밍을 행하여 MS(20)에 대한 송신을 행한다(스텝 S15의 "아니오" 루트로부터 스텝 S17).

즉, 프리코딩 처리부(12)는, 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부(17)에서 안테나 선택 정보로서 프리코딩 정보(프리코딩 매트릭스 또는 코드워드)가 수신되면, 해당 프리코딩 정보에 기초하여, 상기 요소 추정값의 조합에 대응하는 송신 안테나(15)에 의한 프리코딩 송신을 행하는 것이다.

또한, BS(10)의 1 안테나 그룹 내의 각 송신 안테나(15)가 복수의 MS(20)에 대하여 중복되어 있지 않은 경우(예를 들면 상기 도 2와 같은 경우)는, 각 MS(20)에 대하여 동시 송신하는 것이 가능하고, BS(10)의 1 안테나 그룹 내의 일부 또는 전부의 송신 안테나(15)가 복수의 MS(20)에 대하여 중복되어 있는 경우에는, 중복되어 있는 송신 안테나(15)에 대해서는 시분할 송신을 행하면 된다.

TDD(Time Division Duplex)의 경우, 채널의 상호 관계(reciprocity)로부터, BS(10)와 MS(20)가 사운딩(sounding)에 의해, 채널 정보를 측정할 수 있다. FDD(Frequency Division Duplex)의 경우에는, MS(20)로부터 BS(10)에의 피드백에 의해, BS(10)는 다운링크의 채널 정보를 파악할 수 있다.

또한, 정기적으로, 혹은 부정기로, BS(10)가 파악하고 있는 MS(20)의 수신 품질 정보 등을 MS(20)에 전송하여, 필요에 따라서 상술한 계층적인 안테나 선택, 프리코딩 처리를 재실시하도록 하면, 최신의 전파 환경에 적응하는 것이 가능하다.

(프리코딩 처리의 설명)

다음으로, 상기 프리코딩 처리(빔 포밍)를 실시할 뿐만 아니라 상기 고유 모드 전송 및 리미티드 피드백 전송의 상세에 대해 각각 설명한다.

(고유 모드 전송)

BS(10)와 MS(20) 사이에서 완전한 CSI를 기지의 것으로 하는 경우, MS(20)의 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)는, CSI를 특이값 분해(SVD)하고, 분해된 매트릭스를 프리코딩 매트릭스로서 구한다.

예를 들면, N_s개의 송신 데이터 스트림, L_t개의 송신 안테나(15), L_r개의 수신 안테나(21), N_s≤min(L_t, L_r)으로 하였을 경우, CSI(채널 매트릭스 H)는 L_r×L_t의 매트릭스이며, H를 특이값 분해하면, 이하의 식(4), 식(5)로 표현된다.

또한, U는 좌측 특이 매트릭스, V는 우측 특이 매트릭스, D는 대각 매트릭스를 나타내고, 그 요소 λ₁, …, λ_m은 고유 모드의 이득에 비례한다. 고유 모드의 이득은, 순서 매김을 행하고, 제1 고유 모드 λ₁이 최대, 제m 고유 모드 λ_m이 최소인 이득을 갖는다. m은 채널 매트릭스 H의 랭크(rank)를 나타낸다.

그리고, 프리코딩을 행하는 경우, 최적의 프리코딩 매트릭스는 우측 특이 매트릭스 V의 좌의 N_s열이다(V₁:N_s로 표시된다). 따라서, BS(10)의 프리코딩 처리부(12)는, 프리코딩 매트릭스 F=V₁:N_s를 사용하여, 이하의 식(6)으로, N_s개의 송신 데이터 스트림을 L_t개의 송신 안테나(15)에 맵핑한다.

여기서, s는 N_s×1 송신 데이터 벡터를 나타내고, x는 L_t×1 송신 안테나 데이터 벡터를 나타낸다.

따라서, 수신측(MS(20))에서는 수신 신호 y를 이하의 식(7)에 의해 표현할 수 있다.

여기서, n은 L_r×1의 잡음 벡터를 나타낸다. 또한, y는 L_r×1의 수신 신호 를 나타내고, 각 수신 안테나(21)의 신호는 송신 신호의 겹침으로 되어 있다. y, H, F를 MS(20)에서 기지의 것으로서, 송신 신호

를 얻기 위해, 하기 식(8)에서, Maximum likelihood(ML)법을 적용할 수 있지만, 복잡도가 방대하기 때문에, 하기 식(9)나 식(10)으로 나타낸 바와 같은 복잡도가 작은 선형 디코더를 채용하는 것이 바람직하다.

단, Q[]는 디맵퍼(Demapper)를 나타내고, G는 N_s×L_r의 매트릭스를 나타낸다.

즉, ZF(Zero Forcing) 선형 디코더를 적용하는 경우는, 상기 식(8)에서의 G는 하기 식(9)로 나타낼 수 있다.

단, ( )⁺는 매트릭스 pseudo-inverse를 나타낸다.

또한, MMSE(Minimum Mean Square Error) 선형 디코더를 적용하는 경우는, 상기 식(8)에서의 G는 하기 식(10)으로 나타낼 수 있다.

단, ( )^-1은 매트릭스 반전을 나타낸다.

(리미티드 피드백 전송)

이하에, 리미티드 피드백 전송 원리를 설명한다.

사전에, 송신 데이터 스트림 수 N_s, 송신 안테나 수 L_t, 피드백 비트수(L)에 기초하여, 송신측(BS(10))과 수신측(MS(20)) 사이에서 동일한 코드북이 결정된다. 그리고, 이미 설명한 바와 같이, BS(10)와 MS(20)가 각각 동일한 코드북을 코드북 메모리(16, 28)에 기억하고 있어 기지의 것으로 가정한다.

MS(20)에서는, 채널 추정부(25)에서 채널 추정을 행하고, CSI를 구하고, 그 CSI에 기초하여, 예를 들면 하기 (1)∼(3)에 나타낸 어느 하나의 기준에 의해, 최적 코드워드를 선택한다.

(1) MMSE(Minimum Mean Square Error) 선택 기준

MS(20)(프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29))에서 이용하는 MSE(Mean Square Error)는, H와 F를 각각 기지의 것으로서, 이하의 식(11)로 표현할 수 있다.

프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)는, 이 식(11)의 MSE의 Trace(tr), 혹은 Determinant(det)를 최소화하는 코드워드를 코드북 중으로부터 선택한다. 즉, 이하의 식(12) 또는 식(13)에 의해 선택된다.

(2) 용량(Capacity) 선택 기준

MS(20)(프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29))는, 하기 식(14)에 의해, 용량(Capacity)을 최대화하도록, 코드북 중으로부터 코드워드를 선택할 수 있다.

(3) 특이값(Singular value) 선택 기준

MS(20)(프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29))는, 최소 특이값(Minimum singular value)을 최대화하도록, 코드북 중으로부터 코드워드를 선택할 수 있다.

그리고, MS(20)(프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29))는, 이상과 같은 기준에 의해 선택된 코드워드의 인덱스(L 비트)를 피드백 채널(40)에서 BS(10)에 전송한다.

이에 의해, BS(10)에서는, 이미 설명한 바와 같이, 수신한 인덱스에 기초하여, 대응하고 있는 코드북을 사용하여 매트릭스(또는 벡터)를 프리코딩 매트릭스로서 이용한다. 또한, 해당 리미티드 피드백 전송의 경우도, 고유 모드의 경우와 마찬가지로, 선형 디코더(ZF 선형 디코더, 혹은 MMSE 선형 디코더)를 적용할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 따르면, BS(10) 측의 송신 안테나(15) 및 MS(20) 측의 수신 안테나(21)를 복수의 송신 안테나(15) 및 복수의 수신 안테나(21)로 이루어지는 복수의 안테나 그룹으로 그룹 분류하고, 각 안테나 그룹 중에서 제1 안테나 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고, 선택한 안테나 그룹 중에서 또한 제2 안테나 선택 기준을 만족하는 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)의 조합의 선택을 행하므로, 특히 BS(10) 측의 송신 안테나(15)의 수가 많기 때문에 송수신 안테나 수가 매우 많아져도(즉, 채널 매트릭스의 요소 추정값 수가 매우 많아져도), 종래보다도 적은 연산량으로 고속으로, 무선 환경에 부응한 최적의 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(21)의 선택을 행하여, 무선 환경에 부응한 최적의 통신을 실현할 수 있다. 또한, 코스트, 복잡도 등도 삭감할 수 있다.

또한, 1 안테나 그룹 내의 수신 안테나 수보다도 송신 안테나 수 쪽이 많아지도록 그룹 분류하여 두고, 소정(상기 제1 및 제2)의 안테나 선택 기준을 만족하 는 송수신 안테나의 조합이 존재하면, 그 조합의 송수신 안테나에서 MIMO 통신을 행하고, MIMO 통신에 적절한(상기 제2 안테나 선택 기준을 만족한) 송수신 안테나의 조합이 존재하지 않으면, 수신 안테나 수보다도 많은 송신 안테나(15)를 이용하여 프리코딩(빔 포밍)을 행하므로, 어떤 무선 환경에서도, 항상 통신의 신뢰도를 유지할 수 있는 전송 용량, 전파 도달 범위 등의 통신 품질을 확보할 수 있다.

또한, BS(10)가 MS(20)로부터의 신호를 수신하는 경우, 모든 수신 안테나를 이용하는 것은 아니라, 안테나 그룹을 선택하도록 하면, 최대비 합성(MRC : Maximum Ratio Combining)에 의한 성능 개선을 도모할 수 있다.

〔B〕제2 실시 형태의 설명

도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 멀티 안테나 무선 통신 시스템의 구성을 도시하는 블록도로, 이 도 6에 도시한 무선 통신 시스템은, 적어도 1대의 기지국 장치((BS)10)와, 적어도 1대의 중계(릴레이)국 장치((RS)30)를 구비하여 구성되고, BS(10)는 제1 실시 형태와 마찬가지로 구성되고, RS(30)는, 그 주요부에 주목하면, 예를 들면 N_r(N_r은 2 이상의 정수)개의 수신 안테나(31-1∼31-N_r)(이하, 구별하지 않는 경우는 수신 안테나(31)라고 표기함)와, 안테나 스위치(32)와, L_r(L_r은 2 이상의 정수로 L_r≤N_r)개의 수신 RF부(33-1∼33-L_r)(이하, 구별하지 않는 경우에는 수신 RF부(33)라고 표기함)와, MIMO 수신 신호 처리부(34)와, 채널 추정부(35)와, 안테나 선택부(사용 안테나 결정부)(36)와, 안테나 선택 제어부(37)와, 코드북 메모리(38)와, 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(39)를 구비하여 구성되어 있다.

즉, 본예의 RS(30)는, 도 1에 도시한 MS(20)와 거의 마찬가지의 구성을 갖지만, 안테나 스위치(32)와, 수신 안테나 선택 제어부(37)를 구비함으로써, 사용하는 수신 안테나(31)의 선택을 행하는 것이 가능하게 되어 있는 것이다.

즉, 안테나 스위치(32)는, 수신 안테나 선택 제어부(37)로부터의 제어에 따라서 임의의 수신 안테나(31)와 임의의 수신 RF부(33)를 접속하는 것이며, 수신 안테나 선택 제어부(27)는, 제1 실시 형태와 마찬가지의 수순에 의해 사용 안테나 선택부(36)에서 결정(선택)된 수신 안테나(31)와 수신 RF부(33)를 접속 제어하는 것이다.

또한, 수신 안테나(31), 수신 RF부(33), MIMO 수신 신호 처리부(34), 채널 추정부(35), 사용 안테나 결정부(36), 수신 안테나 선택 제어부(37), 코드북(38), 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(39)는, 각각 제1 실시 형태에서 이미 설명한 수신 안테나(21), 수신 RF부(23), MIMO 수신 신호 처리부(24), 채널 추정부(25), 사용 안테나 선택부(26), 수신 안테나 선택 제어부(27), 코드북(28), 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부(29)와 동일 혹은 마찬가지의 것이다.

단, 본 예에서는 BS(10)가 RS(30)와 통신하는 경우, RS(30) 측의 모든 수신 안테나(31)를 1 안테나 그룹의 구성 요소로 하는 것이 아니라, 예를 들면 도 7에 모식적으로 도시한 바와 같이, 수신 안테나(31)에 대해서도 그룹 분류를 행한다. 이 경우도, 도 2 또는 도 4에 도시한 바와 같이, BS(10)와 RS(30)에서 각각 근린 또는 등간격 안테나를 1 안테나 그룹의 구성 요소로서 그룹화할 수 있다. 또한, 본 예에 있어서도, 1 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나(15) 또는 수신 안테나(31)의 일부가, 다른 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있어도 된다. 또한, 1 안테나 그룹을 구성하는 BS(10) 측의 송신 안테나 수는 RS(30) 측의 수신 안테나 수보다도 많은 쪽이 바람직하다.

이러한 그룹 분류를 전제로 하여, 본 예에 있어서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 계층적인 안테나 선택을 행함으로써, 무선 환경에 부응한 최적의 송수신 안테나의 조합을 선택하여, MIMO 통신 또는 프리코딩에 의한 빔 포밍을 행한다.

즉, RS(30)는, 채널 추정부(35)에서 구해진 CSI에 기초하여, 사용 안테나 결정부(36)에 의해, 안테나 그룹 중에서 상기 제1 안테나 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고, 선택한 안테나 그룹 중에서, 상기 제2 안테나 선택 기준을 만족하는 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(31)의 조합을 선택한다. 그리고, 동일한 수의 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(31)의 조합이 존재하면, MIMO 송신을 행하고, 그 이외의 경우에는 선택한 안테나 그룹 중의 모든 송신 안테나(15)를 사용하여, 프리코딩(빔 포밍)을 행한다.

보다 상세한 동작에 대해서는, 도 5에서 MS(20)를 RS(30)로 대체한 스텝 S11∼S17, S21∼S31과 마찬가지이다. 단, RS(30)에서는, 스텝 S25 또는 S28에서 안테나 인덱스를 BS(10)에 송신할 때, 수신 안테나 선택 제어부(37)에 선택한 수신 안테나(31)의 인덱스를 통지함으로써, 수신 안테나 선택 제어부(37)에, 선택 수신 안테나(31)와 수신 RF부(33) 사이의 접속 제어를 행하게 된다.

이상과 같이, BS(10)와 RS(30) 사이의 통신에 대해서도, 제1 실시 형태와 마 찬가지의 안테나 선택 수순을 적용함으로써, 종래보다도 적은 연산량으로 고속으로, 무선 환경에 부응한 최적의 송신 안테나(15) 및 수신 안테나(31)의 선택을 행하여, 무선 환경에 부응한 최적의 통신을 실현할 수 있다. 또한, 코스트, 복잡도 등도 삭감할 수 있다. 또한, 무선 환경에 따라서, MIMO 통신과, 수신 안테나 수보다도 많은 송신 안테나(15)에서의 프리코딩(빔 포밍)을 선택적으로 실시하므로, 어떤 무선 환경에서도, 항상 통신의 신뢰도를 유지할 수 있는 전송 용량, 전파 도달 범위 등의 통신 품질을 확보할 수 있다.

또한, RS(30)와 MS(20) 사이의 통신에 대해서도, 제1 실시 형태에서 BS(10)를 RS(30)로 대체하여 적용한 안테나 선택 방법을 적용하면, 제1 실시 형태와 마찬가지의 작용 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서도, BS(10)가 RS(30)로부터의 신호를 수신하는 경우, 혹은 RS(30)가 MS(20)로부터의 신호를 수신하는 경우, 모든 수신 안테나를 이용하는 것은 아니라, 안테나 그룹을 선택하도록 하면, 최대비합성(MRC)에 의한 성능 개선을 도모할 수 있다.

〔C〕부기

(부기 1)

복수의 송신 안테나를 갖는 송신기와, 복수의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템으로서,

상기 각 송신 안테나의 일부인 어느 것인가의 복수와, 상기 각 수신 안테나의 어느 것인가의 복수로 이루어지는 복수의 안테나 그룹 중에서, 통신 품질에 관 한 제1 선택 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고,

상기 선택된 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하고,

상기 선택된 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.

(부기 2)

상기 안테나 그룹을 구성하는 각 송신 안테나는, 인접하는 복수의 송신 안테나 또는 기준 송신 안테나로부터 등거리에 있는 복수의 송신 안테나인 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 3)

임의의 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나의 일부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 1 또는 2에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 4)

상기 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 수는, 해당 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나 수보다도 큰 것을 특징으로 하는 부기 1∼3 중 어느 한 항에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 5)

상기 조합 중에서, 수신 안테나 수와 동수의 송신 안테나에 의한 MIMO 통신에 관한 기준을 만족하는 조합이 존재하는지의 여부를 판정하고,

존재한다고 판정된 경우에는, 해당 조합의 송신 안테나를 이용하여 MIMO 통신을 행하고,

존재하지 않다고 판정된 경우에는, 상기 조합의 송신 안테나의 전부를 이용하여, 프리코딩 송신을 행하는 것을 특징으로 하는 부기 4에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 6)

임의의 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나의 일부 또는 전부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 7)

상기 수신기가, 상기 선택한 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합에 관한 정보를 상기 송신기에 통지하는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 8)

상기 안테나 그룹의 그룹 분류는, 수신 안테나 수 또는 상기 수신기에서 처리 가능한 데이터 스트림 수에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 부기 1에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 9)

적어도 상기 수신기가, 상기 수신 안테나 수 또는 상기 데이터 스트림 수에 관한 정보를 상기 송신기에 통지하는 것을 특징으로 하는 부기 7에 기재된 무선 통 신 방법.

(부기 10)

N_t개(N_t는 2 이상의 정수)의 송신 안테나를 갖는 송신기와 N_r개(N_r은 2 이상의 정수)의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템으로서,

상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하고,

상기 복수 블록 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하고,

선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하고,

상기 선택된 요소 추정값의 조합에 대응하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.

(부기 11)

상기 송신기가, 기지국 장치이며, 상기 수신기가, 이동국 장치인 것을 특징으로 하는 부기 1∼10 중 어느 한 항에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 12)

상기 송신기가, 기지국 장치이며, 상기 수신기가, 중계국 장치인 것을 특징으로 하는 부기 1∼10 중 어느 한 항에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 13)

상기 송신기가, 중계국 장치이며, 상기 수신기가, 이동국 장치인 것을 특징으로 하는 부기 1∼10 중 어느 한 항에 기재된 무선 통신 방법.

(부기 14)

N_t(N_t는 2 이상의 정수)개의 송신 안테나를 갖는 송신기와, N_r(N_r은 2 이상의 정수)개의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서의 상기 수신기로서,

상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r≤N_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하는 그룹화 수단과,

상기 그룹화 수단에 의해 얻어진 상기 복수 블록 중에서, 통신 품질에 관한 제1 선택 기준을 만족하는 블록을 선택하는 블록 선택 수단과,

상기 블록 선택 수단에 의해 선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 통신 품질에 관한 제2 선택 기준을 만족하는 조합을 선택하는 요소 추정값 선택 수단과,

상기 블록 선택 수단 또는 상기 요수 추정값 선택 수단에 의한 선택 결과에 기초하여 상기 송신기를 위한 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기에 통지하 는 통지 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 수신기.

(부기 15)

상기 블록은, N_t×N_r의 채널 행렬에서 인접하는 복수의 요소 추정값 또는 기준 요소 추정값으로부터 등거리에 있는 복수의 요소 추정값으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 수신기.

(부기 16)

어떤 블록 내의 일부의 요소 추정값이, 상이한 블록의 요소 추정값으로서 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 부기 14 또는 15에 기재된 수신기.

(부기 17)

L_t>L_r인 것을 특징으로 하는 부기 14∼16 중 어느 한 항에 기재된 수신기.

(부기 18)

상기 요소 추정값 선택 수단이,

상기 요소 추정값의 조합 중에서, 수신 안테나 수와 동수의 송신 안테나에 의한 MIMO 통신에 관한 기준을 만족하는 조합이 존재하는지의 여부를 판정하는 판정부를 구비함과 함께,

상기 통지 수단이,

상기 판정부에서 존재한다고 판정된 경우에는, 해당 조합에 따른 상기 안테나 선택 정보를 생성하고, 상기 판정부에서 존재하지 않다고 판정된 경우에는, 상기 조합의 요소 추정값에 기초하여, 상기 송신기에 의한 프리코딩 송신에 필요한 프리코딩 정보를 상기 안테나 선택 정보로서 생성하여 상기 송신기에 통지하는 안테나 선택 정보 생성부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 부기 14에 기재된 수신기.

(부기 19)

N_t(N_t는 2 이상의 정수)개의 송신 안테나를 갖는 송신기와, 부기 14에 기재된 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서의 상기 송신기로서,

상기 통지 수단으로부터의 상기 안테나 선택 정보를 수신하는 수신 수단과,

상기 수신 수단에서 수신된 상기 안테나 선택 정보에 따라서 사용 송신 안테나를 선택하는 안테나 선택 수단을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 송신기.

(부기 20)

상기 수신 수단에서 상기 안테나 선택 정보로서 프리코딩 정보가 수신되면, 해당 프리코딩 정보에 기초하여, 상기 요소 추정값의 조합에 대응하는 송신 안테나에 의한 프리코딩 송신을 행하는 프리코딩 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 부기 19에 기재된 송신기.

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 멀티 안테나 무선 통신 시스템의 구성을 도시하는 블록도.

도 2는, 도 1에 도시한 시스템에서의 안테나 그룹화를 설명하기 위한 모식도.

도 3은, 제1 실시 형태에 따른 안테나 그룹화에 대응하는 채널 매트릭스의 그룹화를 설명하기 위한 도면.

도 4는, 도 1에 도시한 시스템에서의 안테나 그룹화의 다른 예를 설명하기 위한 모식도.

도 5는, 제1 실시 형태에 따른 시스템 동작(안테나 선택 방법)을 설명하기 위한 플로우차트.

도 6은, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 멀티 안테나 무선 통신 시스템의 구성을 도시하는 블록도.

도 7은, 도 6에 도시한 시스템에서의 안테나 그룹화를 설명하기 위한 모식도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기지국 장치(BS : Base Station)

11 : 공간 다중 변조부

12 : 프리코딩 처리부

13-1∼13-L_t : 송신 RF부

14 : 안테나 스위치

15-1∼15-N_t : 송신 안테나

16 : 코드북 메모리

17 : 프리코딩 매트릭스/코드워드 선택부

18 : 송신 안테나 선택 제어부

20 : 이동국 장치(MS : Mobile Station)

21-1∼21-N_r : 수신 안테나

23-1∼23-N_r : 수신 RF부

24 : MIMO 수신 신호 처리부

25 : 채널 추정부

26 : 안테나 선택부(사용 안테나 결정부)

28 : 코드북 메모리

29 : 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부

30 : 중계(릴레이)국 장치(RS : Relay Station)

31-1∼31-N_r : 수신 안테나

32 : 안테나 스위치

33-1∼33-N_r : 수신 RF부

34 : MIMO 수신 신호 처리부

35 : 채널 추정부

36 : 안테나 선택부(사용 안테나 결정부)

37 : 수신 안테나 선택 제어부

38 : 코드북 메모리

39 : 프리코딩 매트릭스 계산/코드워드 검색부

40 : 피드백 채널

Claims

복수의 송신 안테나를 갖는 송신기와, 복수의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서,

상기 각 송신 안테나의 일부인 어느 것인가의 복수와, 상기 각 수신 안테나의 어느 것인가의 복수로 이루어지는 복수의 안테나 그룹 중에서, 용량 선택 기준, 특이값 선택 기준, 조건 수 선택 기준 중 어느 하나의 기준을 만족하는 안테나 그룹을 선택하고,

상기 선택된 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합 중에서, 채널의 조건 수가 임계 값 이하인 조합을 선택하고,

상기 선택된 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 안테나 그룹을 구성하는 각 송신 안테나는, 인접하는 복수의 송신 안테나 또는 기준 송신 안테나로부터 등거리에 있는 복수의 송신 안테나인 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

임의의 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나의 일부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 안테나 그룹을 구성하는 송신 안테나 수는, 그 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나 수보다도 큰 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제4항에 있어서,

상기 조합 중에서, 수신 안테나 수와 동수의 송신 안테나에 의한 MIMO 통신에 관한 기준을 만족하는 조합이 존재하는지의 여부를 판정하고,

존재한다고 판정된 경우에는, 해당 조합의 송신 안테나를 이용하여 MIMO 통신을 행하고,

존재하지 않다고 판정된 경우에는, 상기 조합의 송신 안테나의 전부를 이용하여, 프리코딩 송신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

임의의 안테나 그룹을 구성하는 수신 안테나의 일부 또는 전부가, 상이한 안테나 그룹의 구성 요소로서 중복되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신기가, 상기 선택한 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합에 관한 정보를 상기 송신기에 통지하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
N_t개(N_t는 2 이상의 정수)의 송신 안테나를 갖는 송신기와, N_r개(N_r은 2 이상의 정수)의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서,

상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하고,

상기 복수 블록 중에서, 용량 선택 기준, 특이값 선택 기준, 조건 수 선택 기준 중 어느 하나의 기준을 만족하는 블록을 선택하고,

선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 채널의 조건 수가 임계 값 이하인 조합을 선택하고,

상기 선택된 요소 추정값의 조합에 대응하는 송신 안테나 및 수신 안테나의 조합의 일부 또는 전부를 이용하여 상기 통신을 행하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
N_t개(N_t는 2 이상의 정수)의 송신 안테나를 갖는 송신기와, N_r개(N_r은 2 이상의 정수)의 수신 안테나를 갖는 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서의 상기 수신기로서,

상기 각 송신 안테나와 상기 각 수신 안테나 사이에 대해 얻어지는 N_t×N_r개의 채널 추정값을, L_t×L_r개(단, L_t<N_t, L_r≤N_r)의 요소 추정값으로 이루어지는 복수 블록으로 그룹 분류하는 그룹화 수단과,

상기 그룹화 수단에 의해 얻어진 상기 복수 블록 중에서, 용량 선택 기준, 특이값 선택 기준, 조건 수 선택 기준 중 어느 하나의 기준을 만족하는 블록을 선택하는 블록 선택 수단과,

상기 블록 선택 수단에 의해 선택된 블록의 요소 추정값의 조합 중에서, 채널의 조건 수가 임계 값 이하인 조합을 선택하는 요소 추정값 선택 수단과,

상기 블록 선택 수단 또는 상기 요소 추정값 선택 수단에 의한 선택 결과에 기초하여 상기 송신기를 위한 안테나 선택 정보를 생성하여 상기 송신기에 통지하는 통지 수단

을 구비한 것을 특징으로 하는 수신기.
N_t(N_t는 2 이상의 정수)개의 송신 안테나를 갖는 송신기와, 제9항의 수신기 사이에서 무선 통신을 행하는 무선 통신 시스템에서의 상기 송신기로서,

상기 통지 수단으로부터의 상기 안테나 선택 정보를 수신하는 수신 수단과,

상기 수신 수단에서 수신된 상기 안테나 선택 정보에 따라서 사용 송신 안테나를 선택하는 안테나 선택 수단

을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 송신기.