이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 동작 원리를 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우에는 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명을 생략하기로 한다. 또한, 이하의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니라는 점을 알아야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 이동통신 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 무선 이동통신 시스템(100)은 m개의 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)와 기지국(140)을 포함할 수 있다. 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)는 각각 하나씩의 안테나(130-1, 130-2, 130-3, …, 130-m)를 포함할 수 있으며, 기지국(140)은 n개의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)로부터 기지국(140)으로 전송되는 상향 링크 신호는, 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)의 안테나(130-1, 130-2, 130-3, …, 130-m)에서 채널(미도시)을 통해 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)로 전송될 수 있다. m개의 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m) 중 임의의 두 단말기(120-a 및 120-b)와 기지국(140)의 n개의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에 대하여, 두 단말기(120-a 및 120-b)의 송신 신호를 각각 x
a 및 x
b라고 하고, 채널의 응답 행렬을
라고 하면, 기지국(140)의 수신 안테나(150-1 ~ 150-n)의 수신 신호 Y=[y
1 y
2 … y
n]
T는 다음의 수학식 1과 같이 얻어질 수 있다.
기지국(140)의 안테나(150-1 ~ 150-n)에서 수신하는 신호에는 두 단말기(120-a 및 120-b)의 안테나(130-a 및 130-b)에서 송신한 신호가 포함되어 있기 때문에, 두 신호 간의 간섭이 존재할 수 있다. 종래에는 두 단말기(120-a 및 120-b)에서 송신된 신호 간의 간섭의 정도가 적은 단말기의 조합을 선택하기 위하여 OF(Orthogonal Factor) 값(
)을 이용하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 두 단말기(120-a 및 120-b)에서 송신된 신호 간의 간섭의 정도가 적은 단말기의 조합을 선택하기 위하여, 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신하는 신호의 신호품질값을 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신하는 신호의 신호품질값은 신호의 CINR(Carrier to Interference Noise Ratio) 값일 수 있다. 다른 실시예에서, 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신하는 신호의 신호품질값은 신호의 수신 전력 값일 수 있다. 안테나에서 수신하는 신호의 CINR 또는 수신 전력 수준은 시스템에서 일반적으로 계산하는 값이므로, 부가적인 계산 없이 단말기의 조합을 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 두 개의 수신 안테나로 구성된 기지국(140)의 안테나(150-1 및 150-2)에서 수신하는 신호의 전력 수준이 레일레이 페이딩(Rayleigh fading) 모델에 따르고, 서로 I.I.D.(Independent and Identically-Distributed)의 관계를 가진다고 가정하면, 채널의 응답 행렬(
)의 요소 중 h
11과 h
22는 상대적으로 크고 h
21과 h
12는 상대적으로 작거나 0에 가까워지는 상황이 만들어질 수 있다. h
21과 h
12에 비해 h
11과 h
22가 상대적으로 매우 크다면 단말기(120-a) 및 단말기(120-b)은 각각 h
11과 h
22를 독립적으로 사용하는 것과 같고, 이와 같은 경우를 기지국이 적절하게 판단할 수 있으면 하나의 단말기를 사용하는 것보다 두 배의 셀 처리량(cell throughput)을 기대할 수 있다. 그러나, h
21과 h
12에 비해 h
11과 h
22가 상대적으로 매우 큰 경우를 찾을 수 없는 경우에는, MU-MIMO 스케줄링 방식을 사용하여도 사용자 단말기 간의 간섭이 커지게 되므로, 단일 사용자 단말기만을 스케줄링하는 SIMO 스케줄링을 사용한다.
일 실시예에 따르면, 기지국(140)이 소정의 단말기의 조합에 대하여 MU-MIMO 스케줄링을 수행할지 SIMO 스케줄링을 수행할지 여부는, 기지국(140)이 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)에 대하여 각 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR 값에 따라 결정될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 기지국(140)이 소정의 단말기의 조합에 대하여 MU-MIMO 스케줄링을 수행할지 SIMO 스케줄링을 수행할지 여부는, 기지국(140)이 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)에 대하여 각 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 전력 수준에 따라 결정될 수 있다.
이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여 무선 이동통신 시스템에서 수신 전력 기반 페어링 알고리즘, 즉 PPS(received Power-based Pairing Scheduling) 알고리즘을 이용하여 사용자 간의 간섭이 최소인 두 사용자 단말기의 조합을 구하여 MU-MIMO로 스케줄링하는 방법의 실시예들을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 이동통신 시스템에서 수신 전력 기반 페어링 알고리즘을 이용하여 사용자 단말기 간의 간섭이 최소인 두 사용자 단말기의 조합을 구하여 MU-MIMO로 스케줄링하는 방법의 흐름도이다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 단계(210)에서 기지국(140)은 복수의 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)에 대하여 각 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR을 측정할 수 있다. 예컨대, 기지국(140)의 임의의 안테나(150-z)가 임의의 단말기(120-a)로부터 송신한 신호에 대하여 측정한 CINR 값을 CINRza라고 하면, 기지국(140)은 1≤a≤m, 1≤z≤n인 a, z에 대하여 CINRza을 측정할 수 있다.
그런 다음, 기지국(140)은 복수의 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m) 각각에 대하여 각 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR 값의 비율 중 최대값을 저장하고, 어느 단말기에 대하여 어느 안테나에서 측정한 CINR이 최대값을 가지는지를 저장할 수 있다(단계 220). 예컨대, 기지국(140)은 임의의 단말기(120-a)에 대하여 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n) 에서 측정된 CINR의 비율, 즉
을 계산하고, 그 중 최대값을 파라미터 R
a로서 저장할 수 있다(R
a=max(P
a) (단, 1≤a≤m)). 또한, 기지국(140)은 임의의 단말기(120-a)에 대하여 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n) 중 어느 안테나에서 측정한 CINR이 가장 큰지를 파라미터 I
a로서 저장할 수 있다.
이후, 단계(230)에서, 기지국(140)은 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)에 대하여 측정한 R 값을 소정의 임계값(Rthreshold)과 비교하여, R 값이 임계값(Rthreshold)보다 큰 단말기들의 집합을 구성하고, 그 중의 임의의 두 단말기에 대하여 CINR 값이 가장 크게 측정되는 안테나가 서로 다른 단말기의 조합, 즉 I 값이 다른 두 단말기의 조합을 검색할 수 있다. 예를 들어, 기지국(140)은 R>Rthreshold의 조건을 만족하는 단말기들의 집합 중에서 임의의 두 단말기인 단말기 a와 단말기 b에 대하여 Ia≠Ib의 조건을 만족하는 단말기 a 및 단말기 b의 조합을 검색할 수 있다.
단계(230)에서 R>Rthreshold의 조건을 만족하면서 I 값이 서로 다른 단말기 a와 단말기 b의 조합, 즉 Ra>Rthreshold 및 Rb>Rthreshold 이면서 Ia≠Ib인 단말기 a와 단말기 b의 조합이 존재하는 경우, 기지국(140)은 존재하는 단말기 a와 단말기 b의 조합들 중에서 Ra와 Rb의 곱이 최대가 되는 단말기의 조합을 선택할 수 있다(단계 240). 일 실시예에서, 단계(240)에서 Ra와 Rb의 곱이 최대가 되는 것으로 선택된 단말기의 조합 중 적어도 하나의 단말기가 데이터 전송에 부적합한 경우에는, 그 다음의 최대값을 갖는 단말기의 조합을 선택할 수 있다. 만약 기지국 안테나가 2개를 초과하는 경우에는 두 번째, 세 번째 등의 최대값에 대하여 단계(230)과 단계(240)을 검사하여 더 정밀한 스케줄링을 할 수 있다.
그런 다음, 기지국(140)은 단계(240)에서 선택된 단말기의 조합에 대하여 MU-MIMO 스케줄링을 수행할 수 있다(단계 250). 일 실시예에 따르면, MU-MIMO로 스케줄링된 경우 하나의 MU-MIMO 송수신기를 사용하지 않고 둘 이상의 SISO 송수신기를 사용할 수 있다.
한편, 단계(230)에서 R>Rthreshold의 조건을 만족하면서 I 값이 서로 다른 단말기 a와 단말기 b의 조합, 즉 Ra>Rthreshold 및 Rb>Rthreshold 이면서 Ia≠Ib인 단말기 a와 단말기 b의 조합이 존재하지 않는 경우, 기지국(140)은 SIMO 스케줄링을 수행할 수 있다(단계 260).
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 이동통신 시스템에서 수신 전력 기반 페어링 알고리즘을 이용하여 사용자 간의 간섭이 최소인 두 사용자 단말기의 조합을 구하여 MU-MIMO로 스케줄링하는 방법의 흐름도이다. 도 3에 도시된 바에 따르면, 단계(310)에서 기지국(140)은 단말기(120-1, 120-2, 120-3, …, 120-m)에 대하여 각 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR을 측정할 수 있다. 예컨대, 기지국(140)의 임의의 안테나(150-z)가 임의의 단말기(120-a)로부터 송신한 신호에 대하여 측정한 CINR 값을 CINRza라고 하면, 기지국(140)은 1≤a≤m, 1≤z≤n인 a, z에 대하여 CINRza을 측정할 수 있다.
그런 다음, 기지국(140)은 단계(310)에서 측정한 CINR의 값을 이용하여, 임의의 단말기 a와 단말기 b에 대해 소정의 스케줄링 지표를 계산할 수 있다(단계 320). 일 실시예에서, 기지국(140)은 스케줄링 지표 Dab를 아래의 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.
이후, 기지국(140)은 단계(320)에서 계산된 단말기들의 조합의 D 값을 소정의 임계값(Dthreshold)과 비교하여, 스케줄링 지표 D 값이 임계값(Dthreshold)보다 큰 단말기들의 조합을 검색할 수 있다(단계 330). 스케줄링 지표 D 값이 임계값(Dthreshold)보다 큰 단말기들의 조합이 존재하는 경우, 기지국(140)은 존재하는 단말기 a와 단말기 b의 조합들 중에서 D 값이 최대가 되는 단말기의 조합을 선택할 수 있다(단계 340). 일 실시예에 따르면, 임계값(Dthreshold)은 기지국(140)의 안테나(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)가 하나의 단말기로부터 수신하는 신호의 전력비의 최소값 이상일 수 있다. 즉, 스케줄링 지표 D를 이용하여 MU-MIMO를 하더라도 수신하는 신호의 전력비를 더 계산하여 수신 신호의 전력비를 최소값 이상이 되도록 할 수 있다. 한편, 일 실시예에 따르면, 단계(340)에서 선택한 단말기의 조합 중 적어도 하나의 단말기가 데이터 전송에 부적합한 경우에는, 그 다음의 최대값을 갖는 사용자 단말기의 조합을 선택할 수 있다. 그런 다음, 기지국(140)은 단계(340)에서 선택된 단말기의 조합에 대하여 MU-MIMO 스케줄링을 수행할 수 있다(단계 350). 일 실시예에 따르면, MU-MIMO로 스케줄링된 경우 하나의 MU-MIMO 송수신기를 사용하지 않고 둘 이상의 SISO 송수신기를 사용할 수 있다.
한편, 단계(330)에서 만족하는 D 값이 임계값(Dthreshold)보다 큰 단말기들의 조합이 존재하지 않는 경우, 기지국(140)은 SIMO 스케줄링을 수행할 수 있다(단계 360).
도 2와 도 3을 참조하여 설명한 이상의 실시예들에서는, 기지국(140)의 안테나들(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR 값의 비에 따라 단말기의 조합을 선택하게 되므로, 기지국(140)의 안테나들(150-1, 150-2, 150-3, …, 150-n)에서 수신한 신호의 CINR 대신 수신 전력을 측정하여 수신 전력의 비에 따라 단말기의 조합을 선택할 수 있음을 알아야 한다.
PPS 알고리즘에 의하면 기지국(140)은 SIMO 송수신기와 MU-MIMO 송수신기를 모두 포함한다. 예를 들어, 사용자가 둘이고 기지국의 송수신 안테나가 두 개(1x2)라고 가정하면, 기지국(140)이 SIMO로 스케줄링한 경우에는 1x2 SIMO 송수신기를 이용하고 MU-MIMO로 스케줄링한 경우에는 2x2 MU-MIMO 송수신기를 이용할 수 있다. 그러나, 기지국(140)의 스케줄러가 높은 임계값을 이용하여 단말기 조합을 선택하면, 두 단말기 간의 간섭이 작아지므로 2x2 MU-MIMO 송수신기 대신 2개의 1x1 SISO 송수신기를 이용할 수도 있다.
본 발명의 효과를 알아보기 위하여 3GPP에서 권고하는 시스템 레벨 시뮬레이션 조건에서 모의 실험하여 이하의 표 1 내지 3의 결과를 얻었다. 이하의 표 1 내지 3은 각각 EPA(Extended Pedestrian A), EVA(Extended Vehicular A) 및 ETU(Extended Typical Urban) 환경에서의 모의 실험 결과이다. EPA, EVA 및 ETU는 3GPP LTE에서 권고하는 다중 경로 지연 프로파일(multi path delay profile)이다.
|
셀 처리량 |
SIMO 대비 이득 |
SIMO |
1.69Mbps |
N/A |
RPS |
1.76Mbps |
4.00% |
DPS |
3.06Mbps |
81.13% |
PPS |
2.54Mbps |
50.39% |
|
셀 처리량 |
SIMO 대비 이득 |
SIMO |
1.64Mbps |
N/A |
RPS |
1.69Mbps |
2.75% |
DPS |
2.87Mbps |
74.76% |
PPS |
2.41Mbps |
46.67% |
|
셀 처리량 |
SIMO 대비 이득 |
SIMO |
1.64Mbps |
N/A |
RPS |
1.64Mbps |
0.01% |
DPS |
2.74Mbps |
66.87% |
PPS |
2.33Mbps |
42.30 |
위와 같은 모의 실험 결과에 의하면, 무작위로 두 명의 사용자를 선택하는 RPS 알고리즘을 따를 경우의 성능 이득은 SIMO 스케줄링에 대비하여 거의 없으며, 사용자간의 직교값(OF)을 이용하여 스케줄링하는 DPS 알고리즘을 따를 경우의 성능 이득은 SIMO 스케줄링에 비하여 60~80% 향상되었다. 한편, 본 발명의 PPS 알고리즘을 따를 경우의 성능 이득은 SIMO 스케줄링에 비하여 40~50% 향상되었다. PPS는 사용자간의 직교값(OF)을 모두 반영하지 못하므로 DPS보다는 다소 낮은 성능 이득을 보이나, LTE의 최소 시스템 대역폭인 1.4MHz에서 두 알고리즘의 복잡도를 계산해 보면 PPS는 DPS에 비해 약 1000배의 복잡도 개선이 있다(도 4 참조). 72개의 부반송파를 사용하는 1.4MHz의 대역폭을 가지는 시스템에서가 아니라 더 넓은 대역폭을 가지는 시스템에서는 더 큰 복잡도 개선이 예상된다.
본 명세서의 실시예에서 다양한 기능적 컴포넌트들이 기술되었으나, 실시예들이 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있고, 시스템, 서브시스템, 컴포넌트, 또는 이들의 서브컴포넌트에서 이용될 수 있음을 알아야 한다. 소프트웨어로 구현될 때, 실시예들의 구성요소는 필요한 태스크를 수행하기 위한 명령어/코드 세그먼트이다. 프로그램 또는 코드 세그먼트는 프로세서 판독 가능 매체 또는 컴퓨터 프로그램 제품과 같은 머신 판독 가능 매체에 저장되거나, 캐리어 웨이브로 구체화되는 컴퓨터 데이터 신호 또는 캐리어에 의해 변조된 신호에 의해 전송 매체 또는 통신 링크를 통해 전송될 수 있다. 머신 판독 가능 매체 또는 프로세서 판독 가능 매체는 머신(예컨대, 프로세서, 컴퓨터 등)에 의해 판독되고 실행 가능한 형태로 정보를 저장 또는 전송할 수 있는 임의의 매체를 포함할 수 있다.
이러한 본원발명의 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 본원발명은 FDD와 TDD 모두에 대하여 가능하고, 상향 링크뿐만 아니라 하향 링크의 스케줄링에도 적용 가능하다. 또한, 단말기가 다수의 안테나를 포함하고 기지국이 2개 이상인 네트워크-MIMO(Network-MIMO)의 경우에도 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 이하의 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.