KR101002877B1 - 통신시스템에서 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 방법에 있어서, 상기 사용자 단말들의 평균 SNR이 동일한 경우, 다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 과정과, 상기 사용자 단말들 중에서 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 중 최대 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 갖는 사용자 단말들을 선택하는 과정과, 상기 선택된 사용자 단말들을 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 각각으로 구성된 단말 그룹들로 생성하는 과정과, 상기 단말 그룹들의 처리량을 계산하여 처리량이 최대값을 갖는 특정 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하는 과정과, 상기 특정 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 송신하는 과정을 포함한다. 또한, 상기 사용자 단말들의 평균 SNR이 다른 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들별로 그룹핑한 단말 그룹들을 생성하는 과정과, 상기 생성된 단말 그룹들 중 처리량의 평균이 최대인 특정 사용자 단말 그룹을 선택하는 과정을 포함한다.
Figure R1020070022102
MIMO, multiuser scheduling, random beam, beam subset selection

Description

통신시스템에서 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치{A method and Apparatus for scheduling Multiple Users In communication}
도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 통신시스템의 구성의 일예를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 사용자 단말과 기지국 구성도.
도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 상세 구성도.
도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 동작 흐름도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 표 2에서 나타낸 SNR과 사용자 수가 변화할 때 처리량 비교결과를 보여주는 그래프.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 표 3에 따라 사용자 수와 SNR의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 평균 SNR 대 처리량을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프.
본 발명은 통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 송수신 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기반의 통신시스템에서 부분적인 채널 정보를 이용하여 다수의 사용자 단말을 스케쥴링하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
기지국의 송신안테나 수가 M개이고, 수신 안테나 수가 N개이고, 사용자 수 K개인 MIMO 통신시스템에서, 상기 K가 1인, 즉 단일 사용자가 존재할 경우 송신 안테나와 수신 안테나와의 멀티플렉싱(multiplexing) 이득은 상기 M과 N 중 최소값(min(M,N))에 비례한다.
반면, 상기 K가 2이상인 즉, 다중 사용자가 존재하면, 송신 안테나들과 멀티플렉싱되는 사용자들(이하, '다중 사용자(multi user)'라 칭한다.)간의 간섭(multiuser interference)이 발생한다. 따라서, 멀티플렉싱 이득은 상기 M과 상기 K의 최소값(min(M,K))에 비례한다. 그러므로, 상기 다중 사용자 간의 간섭을 제거하면서 멀티플렉싱을 하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다.
도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 통신시스템의 구성의 일예를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 기지국(100)은 4개의 송신 안테나들(102 ~108)을 구비하고, 사용자 단말1(110)내지 사용자 단말4(116)는 각각 1개의 수신안테나를 구비한 경우를 예로 들어 설명하지만 다양한 송수신 안테나의 수들을 구비한 통신시스템에서 다양하게 적용 가능하다.
일예로, 상기 송신 안테나(102)는 상기 사용자 단말1(110)과 1개의 멀티플렉싱 채널(channel)이 설정되지만, 나머지 사용자 단말2(112) 내지 단말4(116)과의 간섭 채널이 발생한다. 마찬가지로 상기 송신 안테나들(102~108) 각각은 하나의 사용자 단말과 1개의 멀티플렉싱 채널이 설정되지만, 실제 멀티플렉싱 채널이 설정된 사용자 단말을 제외한 나머지 3개의 사용자 단말들과의 간섭 채널이 발생한다.
상기 도 1과 같은 MIMO 통신 시스템에서 기지국과 사용자 단말간의 간섭을 제거하기 위해서 제안된 DPC(Dirty paper coding) 방법은, 모든 사용자들의 안테나 채널 정보(antenna channel information)들을 통해서 상기 다중 사용자 간의 간섭을 제거하면서 최적으로 멀티플렉싱한다. 그러나, 상기 DPC 방법은 모든 사용자의 안테나 채널 정보를 알고 있어야 하기 때문에, 실제 시스템에서는 적용되기 힘든 문제점이 있었다.
상기 DPC 방법의 문제점을 보완하기 위해서 제안된 PCSI(Partial Channel State Information, 이하, 'PCSI' 라 칭한다)를 이용한 랜덤 빔형성(random beamforming) 방식은 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio 과 같은 PCSI만을 이용하여 다수의 사용자들 가운데 SINR이 큰 사용자들을 선택하여 전송함으로써 사용자 수가 많을 경우 멀티플렉싱 시 상기 DPC 방법에 가까운 성능을 낸다. 이때, 상기 PCSI로는 최대 SINR을 가지는 채널 정보와 최적의 프리코딩 벡터 인덱스(best precoding vector index) 등이 포함된다.
상기 PCSI 방식은 송신 안테나 수와 같은 수의 다수의 랜덤 프리코딩 벡터를 사용한다. 기지국의 송신신호는 프리코딩신호에 곱해진 후 채널을 통해서 단말에 전송 되고 각 단말은 수신 채널을 측정하고 SINR을 계산해서 SINR이 가장 큰 프리코딩 벡터(vector)의 인덱스(index)와 상기 프리코딩 벡터에 따른 SINR 값을 기지국으로 피드백(feedback)한다. 이후, 상기 피드백을 통해서 기지국은 각 프리코딩 벡터 별로 가장 높은 SINR을 가지는 사용자 단말을 선택해서 멀티플렉싱한다. 이 경우, 사용자 수가 충분히 많으면, 동시 전송 사용자 수가 송신 안테나 수와 같기 때문에 멀티플렉싱 이득(throughput)이 상기 단말의 송신 안테나 수에 비례하는 장점이 있다. 그러나 송신안테나 수에 비례하는 멀티플렉싱 이득을 얻기 위해 필요한 사용자 단말의 수는 송신 안테나 수에 기하급수적으로 증가하기 때문에, 실제 환경에서 사용자 단말의 수가 제한되어 있을 때는 동시 전송 사용자 수가 송신 안테나 수와 같기 때문에 사용자간 간섭을 피할 수 있는 사용자 단말을 찾기 어려워지므로 동시전송 사용자 수가 증가할수록 간섭량 증가에 의한 효과가 커져서 처리량이 거의 증가하지 않거나 오히려 감소할 수도 있는 문제점이 있었다.
따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 통신 시스템에서 송신 안테나들과 다중 사용자 단말 간 멀티플렉싱할 때, 사용자 수와 평균 SNR값에 따라 동시 사용자 수를 적응적으로 결정하여, 선택 다이버시티와 멀티플렉싱이 최대화될 수 있는 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 각 사용자 단말의 평균 SNR이 다른 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들을 그룹핑한 후, 최적의 다중 사용자들의 수를 결정하는 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 사용자 단말들의 수가 송신 안테나 수보다 적을 경우(생성 가능한 랜덤 프리코딩 벡터의 수가 송신 안테나 수와 같다고 할 때), 생성 가능한 랜덤 프리코딩 벡터 중 처리량을 최대로 할 수 있는 프리코딩 벡터의 서브셋(subset)을 선택적으로 사용함으로써 사용자간 간섭을 감소시켜 처리량을 최대화하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시 예에 따른 방법은, 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 방법에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 과정과, 상기 다수의 사용자 단말들 중에서 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들 중 최대 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 갖는 사용자 단말들을 선택하는 과정과, 상기 선택된 사용자 단말들을 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들 각각으로 구성된 사용자 단말 그룹들로 생성하는 과정과, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량을 계산하여 처리량이 최대값을 갖는 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하는 과정과, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 송신하는 과정을 포함하며, 상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 다른 방법은, 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 방법에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 과정과, 상기 다수의 사용자 단말들의 평균 SNR들이 동일하지 않은 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들별로 그룹핑한 사용자 단말 그룹들을 생성하는 과정과, 상기 생성된 사용자 단말 그룹들 중 처리량의 평균이 최대인 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하는 과정과, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 동시에 송신하는 과정을 포함하며, 상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치는, 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 장치에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 수신부와, 상기 다수의 사용자 단말들 중에서 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 중 최대 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 갖는 사용자 단말들을 선택하고, 상기 선택된 사용자 단말들을 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 각각으로 구성된 사용자 단말 그룹들로 생성하는 사용자 그룹핑부와, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량을 계산하여 처리량이 최대값을 갖는 특정 사용자 단말 그룹을 선택하는 그룹 스케쥴링부와, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하고, 상기 특정 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 송신하는 랜덤 프리 코딩부를 포함하며, 상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 장치는, 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 장치에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 수신부와, 상기 다수의 사용자 단말들의 평균 SNR들이 동일하지 않은 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들 별로 그룹핑한 사용자 단말 그룹들을 생성하는 사용자 그룹핑부와, 상기 생성된 사용자 단말 그룹들 중 처리량의 평균이 최대인 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 동시에 송신하는 랜덤 프리코딩부를 포함하며, 상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원 리를 상세히 설명한다. 도면상에 표시된 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내었으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명은 기지국에서 송신 안테나와 멀티플렉싱되는 사용자 단말들의 수(이하, '동시 전송 사용자 수'라 칭한다.)를 최대 멀티플렉싱 효과를 낼 수 있도록 최적의 동시 전송 사용자 수를 선택한다. 상기 최적의 동시 전송 사용자 수가 상기 송신 안테나 수보다 작을 경우, 사용자 단말은 프리코딩 벡터(이하 '빔'이라 칭한다)의 인덱스의 서브셋에 따라 SINR을 계산하고, 사용자 단말들의 SINR과 상기 서브 셋 인덱스들로 구성되는 부분 채널 정보들을 상기 기지국으로 피드백한다. 이후, 상기 기지국은 상기 부분채널 정보들로부터 최적의 멀티플렉싱 효과를 가지는 송신 빔의 서브 셋을 선택하고, 상기 서브 셋을 구성하는 송신 빔들을 통해서 해당 단말들로 데이터를 전송한다.
구체적으로, 본 발명에서 적용되는 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, 기지국과 사용자 단말 간의 멀티플렉싱 시, SINR이 큰 사용자 단말들을 선택하여 신호 전력(signal power)이 증가함으로써, 채널이득이 증가하고 사용자 단말들 간의 간섭(interference)이 줄어든다.
상기 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, SISO(Single Input Single Output) 시스템에서 채널이득이 좋은 사용자만을 선택하여, 다중 사용자 다이버시티를 획득한다. 반면, 상기 MU(multiuser)-MIMO 시스템에서 상기 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, 채널이득이 좋고 사용자 간 간섭이 적은 사용자들을 선택하므로, 상기 SISO의 선택 다이버시티보다 사용자 수에 따른 다중 사용자 다이버시티가 훨씬 증가한다. 즉, 사용자간 간섭을 최대로 피하는 이상적인 경우, 최대의 멀티플렉싱 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 셀 내의 사용자 수는 제한되어 있기 때문에 멀티플렉싱 효과는 제한될 수 밖에 없다.
이하, 본 발명의 제 1 실시 예에서는 사용자들의 평균 SNR이 같을 경우, 다중 사용자들의 수(Q)가 송신 안테나들의 수(M)보다 적은 경우(Q<M)를 예로 들어 설명한다.
기지국은 상기 Q개의 다중 사용자 단말들을 멀티플렉싱하기 위해서, M개의 송신 안테나 채널들 중 상기 Q에 대응하는 송신 빔들로 구성되는 빔 서브 셋(antenna subset)들을 그룹핑하여 빔 서브 셋(beam subset)들로 생성한다. 이후, 기지국은 사용자 단말들로부터 각각의 부분 채널 정보를 피드백 받아 상기 그룹핑 된 빔 서브셋들 중에서 SINR이 가장 크고 사용자 단말들 간 간섭을 최소화시킬 수 있는 빔 인덱스로 구성되는 특정 빔 서브 셋을 선택한다. 이후, SINR이 충분히 큰 사용자 단말들을 상기 다중 사용자들로 선택함으로써, 사용자 단말 수가 충분히 많지 않을 때 사용자 단말 간 간섭을 감소시켜 멀티플렉싱 이득을 얻게 된다. 이때, 사용자 단말들의 수에 따라 멀티플랙싱 효과와 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대로 얻을 수 있는 최적의 다중 사용자들의 수가 정해지게 된다. 즉, 사용자 단말의 수가 많아지면 상기 다중 사용자들의 수(Q)를 증가시켜도 충분히 멀티플렉싱 이득을 얻을 수 있는 경우가 생긴다.
삭제
따라서 평균 SNR과 전체 사용자 단말들의 수에 따라 적응적으로 다중 사용자 단말들의 수를 결정하고, 최적의 송신 빔 서브 셋을 선택함으로써 최대의 전송율을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 사용자 단말과 기지국 구성도이다.
도 2를 참조하면, K개의 사용자 단말별 수신 안테나(210-1~210-k)가 각각 1개이고, 기지국(200)의 송신 안테나 수가 M인 경우를 일 예로 설명하지만, 단말의 수신 안테나 수가 2 이상인 경우에도 확대 적용 가능함은 물론이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국(200)의 상세 구성도이다.
도 3을 참조하면, 기지국(200)은 수신부(302)와 부분 채널 상태 정보 생성부(304)와, 사용자 그룹핑(grouping)부(306)와 그룹 스케쥴링(scheduling)부(308)와, 사용자 그룹의 빔 서브셋 생성부(310)와, AMC(Addaptive Modulation and Coding)기들(312-1~312-Q)과, 랜덤 빔을 생성하여 프리코딩하는 랜덤 프리코딩부(314) 및 송신안테나 1~M들이 포함된다.
상기 수신부(302)는 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하여 상기 부분 채널 상태 정보 추출부(304)로 전달한다. 상기 피드백 정보에는 사용자 단말 각각의 SINR을 최대값으로 갖는 빔 인덱스와, 상기 빔 인덱스가 포함된 서브 셋 인덱스와 상기 SINR 등이 포함된다. 상기 SINR값은 하기 <수학식 3>과 같이 계산된다.
이때, 상기 피드백 정보를 생성하는 과정은 다음과 같다. M개의 송신 안테나가 존재할 때 M개의 직교정규(orthonormal)랜덤 백터를 만들 수 있고, Q명의 사용자에게 각각 랜덤벡터를 프리코딩해 준다고 할 때,
Figure 112008059020941-pat00001
개의 조합의 빔 인덱스의 서브셋을 만들 수 있다. 이때 빔 인덱스의 서브셋을
Figure 112008059020941-pat00002
라고 정의한다. 일 예로, M=4,Q=2일 때 J=6인 경우,
Figure 112008059020941-pat00003
,
Figure 112008059020941-pat00004
의 서브셋이 정의된다. 이때, 송신신호는 하기 <수학식1>과 같이 나타내어지고 그에 따른 수신신호는 하기 <수학식2>와 같다. 서브셋 j와 서브셋에 속한 빔 m에 따라 QJ개의 SINR값을 계산할 수 있다. 상기 QJ개의 SINR 중 최대 SINR은 하기 <수학식4>를 사용하여 계산되고,
Figure 112008059020941-pat00005
는 상기 서브셋의 인덱스이다.
상기 부분 채널 상태 정보 추출부(304)는 각각의 사용자 단말별 피드백 정보로부터 해당 사용자 단말의 SINR을 최대값으로 갖는 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함된 서브셋 인덱스를 추출하여 상기 사용자 그룹핑부(306)와 상기 그룹 스케쥴링부(308)로 전달한다.
상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 K개의 사용자 단말들 중 동일한 서브셋 인덱스와 동일한 빔 인덱스를 가지는 단말들 중 피드백 된 SINR값이 가장 큰 사용자 단말을 선택한다. 상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 선택된 단말들을 서브셋 인덱스가 동일한 단말끼리 그룹핑하여 J개의 사용자 단말 그룹으로 생성한 후 상기 그룹 스케쥴링부(308)로 전달한다.
삭제
상기 그룹 스케쥴링부(308)는 상기 부분 채널 정보 추출부(304)로부터 수신한 피드백 정보를 통해서, 상기 J개의 사용자 단말 그룹들 중, 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들의 SNR 값을 가지고 전송율의 합 또는 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)의 합이 최대가 되는 특정 사용자 단말 그룹을 선택한다. 이후, 상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 특정 사용자 단말 그룹 관련 정보를 상기 사용자 그룹 빔 서브 셋 생성부(310)와 상기 AMC기(312-1~312-Q)로 전달한다. 상기 사용자 그룹 빔 서브 셋 생성부(310)는 상기 특정 사용자 단말그룹에 속한 사용자 단말들의 빔 인덱스로 구성되는 최적의 빔 서브 셋을 결정하고, 상기 최적의 빔 서브셋 인덱스를 생성하여 상기 랜덤 프리코딩부(314)로 전달한다.
하기 <표 1>은 상기 M이 4인 송신 안테나를 이용하여 상기 Q가 2인 사용자 단말과 랜덤 빔 포밍 방식의 멀티플랙싱할 경우, 각 사용자의 피드백 정보의 일 예를 보여주는 표이다.
사용자 단말 사용자 단말 1 사용자 단말 2 사용자 단말 3 사용자 단말 4
빔 인덱스 1 2 3 4
서브셋인덱스 2 5 2 5
서브셋 {1,3} {2,4} {1,3} {2,4}
SINR(dB) 5 7 6 8
상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 <표 1>과 같이사용자 단말들의 피드백 정보를 이용하여 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말 그룹을 구성한다. 상기 표1에 도시하지는 않았지만, 사용자 단말 그룹을 생성함에 있어 빔 인덱스와 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들이 있을 경우, SINR이 큰 사용자 단말을 먼저 선택한다. 즉, 상기 사용자 그룹 빔 서브셋 생성부(310)는 빔 인덱스가 다르고 서브셋 인덱스가 같은 사용자 단말 1과 사용자 단말 3을 제 1빔 서브 셋으로 묶는다. 마찬가지로 빔 인덱스가 다르고 서브셋 인덱스가 같은 사용자 2와 사용자 4를 제 2빔 서브 셋으로 묶는다.
삭제
상기 사용자 그룹 빔 서브셋 생성부(310)는 상기 부분채널상태정보 추출부(304)로부터 수신한 상기 사용자 단말1~4들의 SINR값을 가지고, 상기 생성된 제 1빔 서브 셋과 제 2 빔 서브 셋의 SINR 합을 비교한다. 즉, 상기 제 1빔 서브셋의 SINR 합은 11이고, 상기 제 2 빔 서브 셋의 SINR 합은 15이므로, SINR이 큰 값을 가지는 제 2 빔 서브 셋을 선택하여 상기 랜덤 프리코딩부(314)로 전달한다.
상기 AMC기(312-1~312-Q)에서 나온 데이터 심볼(
Figure 112007018498922-pat00006
)은 랜덤 프리코딩부(314)에서 <수학식1>과 같이 프리코딩(precoding)한 후 송신안테나를 통해 수신 단말로 전송된다.
Figure 112007018498922-pat00007
여기서, 상기
Figure 112008059020941-pat00008
는 상기 데이터(data) 심볼이고, 상기
Figure 112008059020941-pat00009
은 m번째 프리코딩 벡터로, 등방성의(isotropic) 분포를 가지는 직교적 유니터리 랜덤 매트릭스의 하나의 열벡터이다.
이후, 상기 프리 코딩된 송신 신호(
Figure 112007018498922-pat00010
)는 하기 <수학식 2>의 형태로 상기 동시 전송 사용자 단말들 중 하나인 k번째 사용자 단말로 수신된다.
Figure 112007018498922-pat00011
여기서, 상기
Figure 112007018498922-pat00012
는 상기 k번째 사용자 단말의 송신파워를 나타내고,
Figure 112007018498922-pat00013
는 N(0,1)의 분포를 가지는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타내고,
Figure 112007018498922-pat00014
는 상기 사용자 단말의 채널 벡터이고, 편의상 모든 사용자의 송신 파워를 같다 고 가정한다(
Figure 112007018498922-pat00015
).
하기 <수학식 3>은 j번째 빔 서브 셋에 포함되는 m번째 빔의 SINR이다.
Figure 112007018498922-pat00016
이때, 선택되는 m과 i(
Figure 112008059020941-pat00017
)에 따라 SINR이 달라지고, 사용자 단말은 모든 송신 안테나들의 채널 이득
Figure 112008059020941-pat00059
을 알 수 있다 가정한다.
상기 랜덤 프리코딩부(314)는 상기 최적의 빔 서브셋에 포함되는 랜덤 빔들을 생성하고, 상기 생성된 랜덤 빔들을 통해 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터 스트림을 송신 안테나를 통해 전송한다.
하기 <수학식 4>는 k번째 단말의 최대 SINR(
Figure 112008059020941-pat00060
)값을 계산하는 공식이다.
Figure 112007018498922-pat00018
여기서, 최대 SINR값
Figure 112008059020941-pat00061
과, 선택된 빔 서브셋 인덱스
Figure 112008059020941-pat00062
, 빔 인덱스
Figure 112008059020941-pat00063
를 피드백한다. 이때, Q<<M일 때, <수학식3>에서 SINR을 최대로 하기 위해서는 수신 신호의 채널이득이 최대가 되어야 하고 간섭량이 최소가 되어야 하므로
Figure 112008059020941-pat00019
이 최대인 빔 인덱스와
Figure 112008059020941-pat00020
이 최소인 (Q-1)개의 빔 인덱스를 결정해서 피드백하면 서브셋 인덱스를 피드백하는 경우보다 피드백 오버헤드가 적어질 수 있다.
삭제
도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 상기 기지국은 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신한 상태이다. 상기 피드백 정보에는 사용자 단말들 각각의 최대 SINR을 최대값으로 갖는 빔 인덱스(
Figure 112008059020941-pat00064
) 및 상기 빔 인덱스를 포함하는 서브 셋 인덱스 (
Figure 112008059020941-pat00065
) 및 상기 SINR(
Figure 112008059020941-pat00066
)이 포함된다.
400단계에서 기지국은 상기 피드백 정보를 이용해서 상기 K개의 사용자 단말들 중 동일한 서브셋 인덱스와 동일한 빔 인덱스를 가지는 단말들 중 SINR이 최대인사용자 단말을 선택하고, 405단계로 진행한다. 405 단계에서 상기 기지국은 상기 선택된 단말들 중 서브셋 인덱스가 같은 사용자 단말들끼리 그룹핑한 단말 그룹들을 생성하고, 410단계로 진행한다.　 410 단계에서 상기 기지국은 상기 생성된 단말 그룹들 각각의 처리량을 계산하고, 상기 계산된 전송량의 합이 최대인 특정 단말그룹을 선택하고, 상기 특정 단말 그룹에 상응하는 최적의 빔 서브셋를 정하고, 상기 최적의 빔 서브셋의 랜덤 빔들을 생성한 후, 415단계로 진행한다. 415 단계에서 상기 기지국은 상기 특정 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터 스트림을 상기 최적의 빔 서브셋에 포함된 랜덤 빔들을 통해 송신한다.
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이하, 본 발명의 제 2실시 예에서는 사용자 단말들이 각기 다른 SNR을 가지는 경우, 사용자 단말들의 SNR에 따라 상기 동시 사용자 단말 수(Q)를 결정한다. 먼저, 사용자 단말을 최대 M개의 단말 그룹으로 나누고, 각 단말 그룹 내의 사용자 단말들을 그룹 단위로 스케쥴링한다. 이 경우, 단말 그룹 내 사용자 단말들 중 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)이 가장 큰 단말을 기준으로 하거나 그룹 내 단말들의 스케쥴링 메트릭의 평균값을 이용하여 순차적으로 해당 단말 그룹을 선택할 수 있다. 이 경우, SNR이 낮은 사용자 단말들이 포함된 단말 그룹은 사용자 단말들 수가 증가할 경우 멀티플렉싱 처리 효과가 증가하고, SNR이 높은 사용자 단말들이 포함된 단말 그룹은 사용자 단말들의 수가 적어질 경우 사용자 간섭이 줄어들어 멀티플렉싱 효과가 증가한다.
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도 5a 내지 도 5d는 하기 표 2에서 나타낸 SNR과 사용자 수가 변화할 때 처리량 비교결과를 보여주는 그래프이다.
다중 사용자 단말들의 수/SNR(dB) 1 2 3 4
0dB k<2 2<k<4 x k>4
5dB k<4 4<k<16 16<k<128 k>128
10dB k<4 4<k<64 k>64 x
20dB k<8 k>8 x x
상기 <표 2>는 최대 처리량을 나타내는 사용자 단말의 수(k)의 구간을 보여준다. 여기서, 기지국 송신 안테나의 수는 4이고, 단말의 수신 안테나 수는 1인 경우를 가정한다.
상기 <표 2>와, 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, SNR을 0dB, 5dB, 10dB, 20dB로 나누고, 상기 k를 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128로 증가시키면서 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다.
SNR이 낮을 때, 다중 사용자 단말 수가 4인 경우, 처리량이 큰 구간이 가장 크지만 SNR이 높아질수록 처리량이 최대인 구간이 줄어들거나 없어지는 것을 볼 수 있다. 반면, 동시 전송 사용자 단말 수가 1이거나 2일 경우, 처리량이 최대인 구간이 점점 커지는 것을 볼 수 있다. 즉, 각 구간에서 최적의 동시 전송 사용자 단말 수에 따라 기존의 방법(combined)보다 처리량이 같거나(다중 사용자 단말들의 수가 4인 경우의 처리량 최대 구간) 더 큰 것(다중 사용자 단말들의 수가 1~3인 경우의 처리량 최대 구간)을 볼 수 있다
도6a 내지 도6b는 하기 표 3에 따라 사용자 수와 SNR의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프이다.
다중 사용자 단말들의 수/k 1 2 3 4
k=10 SNR>20dB 3dB<SNR<20dB x SNR<3dB
k=100 x SNR>12dB 5dB<SNR<12dB SNR<5dB
도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 사용자 수(k)가 10명일 때, 다중 사용자 단말들의 수가 4인 경우, 5dB 이후에 처리량이 포화된다. 반면, 다중 사용자 단말들의 수가 2인 경우, 0dB에서는 다중 사용자 단말들의 수가 4인 경우보다 처리량이 낮지만, 5dB이후에서 가장 처리량이 높다가 20dB 이후에 처리량이 포화되는 것을 볼 수 있다. 즉, SNR이 높을 때는 동시 전송 사용자 수가 가장 적은 1인 경우가 처리량이 가장 높다는 것을 알 수 있다.
상기 <표 2>와 <표 3>에서 처리량을 가장 크게 하는 다중 사용자 수(Q*)는 전체 사용자 수(K)와 평균 SNR에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 최적의 다중 사용자 수(Q*)를 결정하기 위해서는 Q=1,..,M각각에 대하여 평균
Figure 112008059020941-pat00067
처리량을 계산하고 평균 처리량을 최대로 하는 Q를 결정한다. 이때, 각 빔에 대한 채널이득의 크기(
Figure 112008059020941-pat00068
, m=1,..,M) 를 피드백하고, 기지국에서 모든　K 에 대하여 상기 <수학식 3>을 이용하여 SINR을 계산하여 각 Q=1,...,M 각각에 대한 처리량을 계산한다. 모든 단말의 빔에 대한 SINR정보를 계산할 수 있으므로, 도 4의 400 단계는 생략하고,　 405 단계 내지 415 단계를 통하여 처리량을 계산한다. 일정 시간 구간 동안 각 Q=1,...,M에 대한 처리량의 구간평 균을 구하고 구간 평균이 최대인 Q를 최적의 다수 사용자 단말들의 수(Q*)로서 결정한다. 상기 제시한 바와 같이 최적의 다중 사용자 단말들의 수(Q*)는 평균 SNR과 사용자 수에 따라 달라지므로 평균 SNR 또는 사용자 단말들의 수가 크게 변할 경우, 상기 절차를 반복하여 최적의 다중 사용자 단말들의 수(Q*)를 다시 계산한다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 평균 SNR 대 처리량을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, Q=2로 고정시키고 사용자 수가 100일 때 M=2,4,8,12로 변화시킴에 따른 평균 SNR 대 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다. M=2인 경우는 M=Q인 기존의 방법과 동일하다. M을 증가시킴에 따라 빔 선택의 자유도가 증가해서 선택 다이버시티 이득이 증가하고 그에 따라 처리량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 사용자 수가 100일 때, M의 변화에 따른 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다. 평균 SNR=0dB인 경우에는 다중사용자 단말들의 간섭량보다 잡음/송신신호파워의 값이 훨씬 크기 때문에 SINR은 간섭량보다 잡음/송신신호의값에 의존하게 되어 다중 사용자 단말들의 수가 증가할수록 처리량이 증가하게 된다. 반면에 SNR=10dB 또는 SNR=20dB일 경우에는 기존 방법에서는 다중 사용자 단말들의 수가 M이기 때문에 M이 증가하면 잡음/송신신호파워의 값보다 간섭량이 커지게 되어 SINR이 감소하게 되고, 상기 M이 증가함에 따라 처리량이 증가하다가 감소하는 볼록 함수의 형태를 가지게 된다. 이때, 볼록함수의 꼭지점은 SNR=10dB일 때 M=3이고, SNR=20dB일 때 M=2이다.
일 예로 처리량을 최대로 하기 위해서 SNR=10dB일 때 Q=3(M이 3이상일 때)이고, SNR=20dB일 때 Q=2(M이 2이상일 때)로 두고 M개의 랜덤 프리코딩 벡터를 생성시킨 후 최적의 Q개의 랜덤 프리코딩 벡터를 선택해서 Q명을 스케쥴링했다. 이 경우, 도 8과 마찬가지로 M이 증가할수록 선택다이버시티 이득이 증가해서 처리량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
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 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, SNR값과 사용자 단말들의 수에 따라 최적의 동시 전송 단말 수를 선택하여 사용자 간 간섭을 최소화하여 성능 이득이 커지는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 사용자 단말의 수가 송신 안테나 수보다 작을 경우, 송신 빔들을 선택적으로 사용하여 서브 셋(subset)을 생성함으로써, 선택 다이버시티(selection diversity) 이득을 통해서 송신 안테나 수가 증가되어도 처리량이 증가되는 효과가 있다.

Claims (26)

  1. 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 방법에 있어서,
    다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 과정과,
    상기 다수의 사용자 단말들 중에서 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들 중 최대 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 갖는 사용자 단말들을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 사용자 단말들을 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들 각각으로 구성된 사용자 단말 그룹들로 생성하는 과정과,
    상기 사용자 단말 그룹들의 처리량을 계산하여 처리량이 최대값을 갖는 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하는 과정과,
    상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 송신하는 과정을 포함하며,
    상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 사용자 단말들은 평균 SNR(Signal to Noise Ratio)이 동일함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 사용자 단말들의 SINR값은 하기 수학식을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 방법.
    <수학식>
    Figure 112008059020941-pat00069
    여기서, j는 빔 서브 셋 인덱스이고, k는 사용자 단말의 수신 안테나 인덱스이고, m과, i는 송신 빔 인덱스임.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들의 최대 SINR값은, 하기 수학식을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 방법.
    <수학식>
    Figure 112008059020941-pat00070
  6. 삭제
  7. 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 방법에 있어서,
    다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 과정과,
    상기 다수의 사용자 단말들의 평균 SNR들이 동일하지 않은 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들별로 그룹핑한 사용자 단말 그룹들을 생성하는 과정과,
    상기 생성된 사용자 단말 그룹들 중 처리량의 평균이 최대인 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하는 과정과,
    상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 동시에 송신하는 과정을 포함하며,
    상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 방법.
  8. 삭제
  9. 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 장치에 있어서,
    다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 수신부와,
    상기 다수의 사용자 단말들 중에서 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 중 최대 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 갖는 사용자 단말들을 선택하고, 상기 선택된 사용자 단말들을 빔 서브셋 인덱스가 동일한 단말들 각각으로 구성된 사용자 단말 그룹들로 생성하는 사용자 그룹핑부와,
    상기 사용자 단말 그룹들의 처리량을 계산하여 처리량이 최대값을 갖는 특정 사용자 단말 그룹을 선택하는 그룹 스케쥴링부와,
    상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 송신하는 랜덤 프리 코딩부를 포함하며,
    상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 사용자 단말 그룹들의 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 장치.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 다수의 사용자 단말들은 평균 SNR(Signal to Noise Ratio)이 동일함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 다수의 사용자 단말들의 SINR값은 하기 수학식을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 장치.
    <수학식>
    Figure 112008059020941-pat00071
    여기서, j는 상기 빔 서브 셋 인덱스이고, k는 사용자 단말의 수신 안테나 인덱스이고, m과, i는 송신 빔 인덱스임.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들의 최대 SINR값은, 하기 수학식을 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 장치.
    <수학식>
    Figure 112008059020941-pat00032
  14. 삭제
  15. 통신시스템에서 다중 사용자 단말들을 스케쥴링 하는 장치에 있어서,
    다수의 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하는 수신부와,
    상기 다수의 사용자 단말들의 평균 SNR들이 동일하지 않은 경우, 평균 SNR이 유사한 사용자 단말들 별로 그룹핑한 사용자 단말 그룹들을 생성하는 사용자 그룹핑부와,
    상기 생성된 사용자 단말 그룹들 중 처리량의 평균이 최대인 특정 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들에 상응하는 랜덤 빔 벡터들을 생성하고, 상기 특정 사용자 단말 그룹에 포함된 사용자 단말들의 데이터를 상기 생성된 랜덤 빔 벡터들을 통해서 동시에 송신하는 랜덤 프리코딩부를 포함하며,
    상기 피드백 정보는 상기 다수의 사용자 단말들 각각의 빔 인덱스 및 상기 빔 인덱스가 포함되는 빔 서브셋 인덱스를 포함하고, 상기 처리량은 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들 각각의 SNR 값을 이용하여 계산되는 전송율의 합과 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)들의 합 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 다중 사용자 단말 스케쥴링 장치.
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