KR101082815B1 - 무선 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR101082815B1
KR101082815B1 KR1020100087612A KR20100087612A KR101082815B1 KR 101082815 B1 KR101082815 B1 KR 101082815B1 KR 1020100087612 A KR1020100087612 A KR 1020100087612A KR 20100087612 A KR20100087612 A KR 20100087612A KR 101082815 B1 KR101082815 B1 KR 101082815B1
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이상훈
박종록
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

무선 통신 시스템 및 방법이 개시된다. 개시된 무선 통신 시스템은 기지국; 상기 기지국에서 전송된 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 상기 제2 무선신호를 상기 기지국의 셀 영역에 위치하는 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말로 전송하기 위한 M(1 이상의 정수임)개의 중계국을 포함하되, 상기 N개의 이동 단말 중 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제1 이동 단말은 상기 기지국으로부터 상기 제1 무선신호를 수신하고, 상기 기지국은 상기 N1개의 제1 이동 단말 각각과 상기 기지국 사이의 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 중계국 각각과 상기 기지국과 사이의 M개의 제2 채널 벡터를 산출하고, 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성하며, 상기 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 N개의 이동 단말로 전송할 데이터를 프로세싱하여 상기 제1 무선신호를 생성한다.

Description

무선 통신 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR WIRELESS COMMUNICATION}
본 발명의 실시예들은 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기지국이 관할하는 셀의 외곽 영역에 존재하는 이동 단말에 대한 통신 서비스 품질(QoS: Quality of Service)를 향상시킬 수 있는 무선 통신 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기지국(BS: Base Station)이 관할(cover)하는 셀의 외곽 영역(음영 지역)에 존재하는 이동 단말(MS: Mobile Station)(외곽 유저)은 기지국까지 거리가 멀어서 기지국에서 전송된 무선신호를 용이하게 수신할 수 없다. 따라서, 외곽 유저에 대한 통신 서비스 품질(QoS: Quality of Service)을 보장하기 위하여 아래의 도 1에 도시된 바와 같이 셀 내에 복수의 중계국(RS: Relay Stations)이 설치된다.
도 1은 일반적인 멀티 셀 환경에서의 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각 셀들(110) 내에는 기지국(120), 중계국(130), 및 이동 단말(140)이 존재한다.
이러한 셀 환경에서 음영 지역에 위치한 이동 단말인 외곽 유저(140b)의 통신 서비스 품질을 향상시키기 위해, 기지국(120)으로부터 수신된 무선신호를 외곽 유저(140b)에게 전달하기 위한 중계국(130)이 이용된다(즉, 중계국(130)이 기지국(120)과 외곽 유저(140b) 사이를 중계한다).
여기서, 무선 통신 시스템의 동작 방식은 중계국(130)의 중계 방식에 따라 디지털 중계(Digital Relaying) 방식, 아날로그 중계(Analog Relaying) 방식, 및 하이브리드 중계(Hybrid Relaying) 방식으로 크게 분류된다.
디지털 중계 방식은 중계국(130)이 기지국(120)으로부터 수신한 무선신호를 복원한 후 외곽 유저(140b)에게 전달하는 방식으로서, 기지국(120)에서 전송된 무선신호와 거의 동일한 무선신호를 외곽 유저(140b)에게 전달할 수 있다는 장점이 있지만, 무선신호를 복원하는데 있어 복잡도가 크고, 복원에 따른 시간 지연(delay)의 문제가 발생하는 단점이 있다.
아날로그 중계 방식은 중계국(130)이 기지국(120)으로부터 수신한 무선신호를 복원하지 않고, 단순히 무선신호의 파워만을 증폭하여 외곽 유저(140b)에게 전달하는 방식으로서, 디지털 중계 방식보다 복잡도가 작고, 복원에 따른 시간 지연이 발생하지 않는다는 장점이 있지만, 중계국(130)의 사용으로 인한 무선신호 전달의 성능이 낮다는 단점이 있다.
하이브리드 중계 방식은 디지털 중계 방식과 아날로그 중계 방식을 혼합한 형태의 방식으로서, 중계국(130)은 가중치 매트릭스(Weighting Matrix)를 이용하여 기지국(120)으로부터 수신한 무선신호를 프로세싱(processing)한 후 이를 외곽 유저(140b)에게 전송한다. 따라서, 하이브리드 중계 방식은 디지털 중계 방식에 비해 신호 전달 성능이 낮지만 신호의 프로세싱의 복잡도 및 시간 지연이 작은 장점이 있고, 아날로그 방식에 비해 신호 전달 성능이 높다는 장점이 있다.
본 발명에서는 하이브리드 중계 방식에 따라 무선신호를 기지국으로부터 이동 단말로 중계함으로써 외곽 유저의 통신 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 무선 통신 시스템 및 이의 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 기지국; 상기 기지국에서 전송된 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 상기 제2 무선신호를 상기 기지국의 셀 영역에 위치하는 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말로 전송하기 위한 M(1 이상의 정수임)개의 중계국을 포함하되, 상기 N개의 이동 단말 중 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제1 이동 단말은 상기 기지국으로부터 상기 제1 무선신호를 수신하고, 상기 기지국은 상기 N1개의 제1 이동 단말 각각과 상기 기지국 사이의 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 중계국 각각과 상기 기지국과 사이의 M개의 제2 채널 벡터를 산출하고, 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성하며, 상기 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 N개의 이동 단말로 전송할 데이터를 프로세싱하여 상기 제1 무선신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템이 제공된다.
상기 M개의 중계국 각각은 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 상기 제2 무선신호를 생성하되, 상기 제2 무선신호를 수신한 제2 이동 단말에서의 상기 제2 무선신호에 대한 신호 대 간섭 및 잡음비(SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio)가 최대가 되도록 상기 제2 가중치 매트릭스를 생성할 수 있다.
상기 기지국은 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 N개의 채널 벡터를 포함하는 제1 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제1 채널 매트릭스를 이용하여 상기 제1 가중치 매트릭스를 생성하되, 상기 제1 채널 매트릭스에 포함되는 N개의 채널 벡터 중 k(1 이상 N 이하의 정수임)번째 채널 벡터는 상기 k번째 이동 단말이 상기 제1 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말과 상기 기지국 사이의 제1 채널 벡터이고, 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말이 상기 제2 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송할 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 벡터일 수 있다.
상기 기지국은 아래의 수학식에 기초하여 상기 제1 가중치 매트릭스를 생성할 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00001
여기서,
Figure 112010058199737-pat00002
는 상기 제1 가중치 매트릭스,
Figure 112010058199737-pat00003
는 상기 제1 채널 매트릭스를 각각 의미함.
상기 기지국은 상기 M개의 중계국 중 j(1이상 M 이하의 정수임)번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값(Singular Value)과 대응되는 우측 특이 벡터(Right Singular Vector)를 상기 M개의 제2 채널 벡터 중 j번째 제2 채널 벡터로 산출할 수 있다.
상기 j번째 중계국은 아래의 수학식과 같이 표현되는 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 상기 제2 무선신호를 생성할 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00004
여기서,
Figure 112010058199737-pat00005
는 상기 제2 가중치 매트릭스, j번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스,
Figure 112010058199737-pat00006
는 상기 j번째 중계국과 상기 j번째 중계국으로부터 상기 제2 무선신호를 수신하는 제2 이동 단말 사이의 채널 벡터,
Figure 112010058199737-pat00007
는 상기 j번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값과 대응되는 좌측 특이 벡터(Left Singular Value)를 각각 의미함.
상기 기지국 및 상기 M개의 중계국은 복수의 안테나를 포함하고, 상기 M개의 중계국은 고정 중계국일 수 있다.
상기 기지국에 포함되는 안테나의 개수가 상기 M개의 중계국의 개수보다 크거나 같은 경우, 상기 M개의 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 서로 오소고날(orthogonal)하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에 설치될 수 있다.
상기 기지국에 포함되는 안테나의 개수가 상기 M개의 중계국의 개수보다 작은 경우, 상기 M개의 중계국 중 상기 기지국에 포함된 안테나의 개수만큼의 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 서로 오소고날하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에 설치되고, 나머지 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 상기 안테나의 개수만큼의 중계국 중 어느 하나의 중계국의 제2 채널 벡터와 동일하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에서 설치될 수 있다.
상기 기지국은 상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 큰 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 선택할 수 있다.
상기 기지국은 상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 작고, 상기 M개의 중계국 중 상기 k번째 이동 단말과 가장 근접한 중계국과 상기 k번째 이동 단말 사이의 채널 벡터의 놈(norm)값이 기 설정된 제2 기준값 보다 작은 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 선택할 수 있다.
상기 기지국은 상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 작고, 상기 M개의 중계국 중 상기 k번째 이동 단말과 가장 근접한 중계국과 상기 k번째 이동 단말 사이의 채널 벡터의 놈 값이 기 설정된 제2 기준값 보다 큰 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 가장 근접한 중계국으로부터 상기 제2 무선신호를 수신할 상기 제2 이동 단말로 선택할 수 있다.
상기 기지국은 상기 가장 근접한 중계국이 상기 k번째 이동 단말 이외의 다른 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송하는 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 변경할 수 있다.
상기 M개의 중계국과 상기 기지국 사이의 채널은 LOS(Line Of Sight) 채널일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 기지국, M(1 이상의 정수임)개의 중계국, 및 N(1 이상의 정수임)개의 이동 단말을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 무선 통신 방법에 있어서, 상기 기지국이 상기 N개의 이동 단말 중 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제1 이동 단말 및 상기 M개의 중계국으로 제1 무선신호를 전송하는 단계; 및 상기 M개의 중계국이 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 상기 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 제1 무선신호를 전송하는 단계는 상기 기지국이 상기 N1개의 제1 이동 단말 각각과 상기 기지국 사이의 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 중계국 각각과 상기 기지국과 사이의 M개의 제2 채널 벡터를 산출하는 단계; 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성하는 단계; 및 상기 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 N개의 이동 단말로 전송할 데이터를 프로세싱하여 상기 제1 무선신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 무선 통신 시스템 및 방법은 하이브리드 중계 방식에 따라 무선신호를 기지국으로부터 이동 단말로 중계함으로써 외곽 유저의 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 멀티 셀 환경에서의 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 고정 중계국 사이 및 고정 중계국과 이동 단말 사이의 시스템 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에 있어서, 기지국과 고정 중계국 사이의 LOS 채널 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 제1 기준값 및 제2 기준값의 설정에 이용되는 그래프를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 이동 단말을 제2 이동 단말과 제1 이동 단말로 분류하는 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 성능을 설명하기 위한 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 무선 통신 시스템(200)은 기지국(BS: Base Station)(210), M(1 이상의 정수임)개의 중계국(RS: Relay Station)(220) 및 N(1 이상의 정수임)개의 이동 단말(MS: Mobile Station)(230)을 포함한다.
기지국(210)은 셀(cell) 내에 위치하며, M개의 중계국 및 N개의 이동 단말로 무선신호(이하, "제1 무선신호"라고 함)를 전송한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 복수의 안테나(즉, 다중 안테나)를 구비할 수 있다.
중계국(220)은 도 2에 도시된 바와 같이 셀의 외곽 영역(음영 지역)에 위치하며, 하이브리드 중계 방식에 따라 기지국(210)으로부터 제1 무선신호를 수신하여 이를 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말(230)로 전달한다. 즉, 중계국(220)은 소정의 가중치 매트릭스(Weight Matrix)를 이용하여 기지국(210)으로부터 수신한 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 생성된 제2 무선신호를 N2개의 이동 단말(230b)로 전송한다. 여기서, 중계국(220)을 통해 제2 무선신호를 수신하는 N2개의 이동 단말(230b)은 셀의 외곽 영역에 존재하고 중계국(220)과 인접하여 위치하는 이동 단말이다. 이하, 설명의 편의를 위해, 중계국(220)을 통해 제2 무선신호를 수신하는 N2개의 이동 단말(230b)을 "제2 이동 단말"이라 하고, 기지국(210)으로부터 직접 무선신호(즉, 제1 무선신호)를 수신하는 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 이동 단말(230a)을 "제1 이동 단말"이라 칭하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 중계국(220)은 복수의 안테나(다중 안테나)를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)과 중계국(220) 사이의 채널은 채널 상태가 변하지 않는 LOS(Line of sight) 채널일 수 있다. 이를 위해, M개의 중계국(220)은 소정의 장소에 고정되어 설치되는 고정 중계국일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, M개의 중계국(220)이 고정 중계국(FRS: Fixed Relay Station)인 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
이동 단말(230)은 기지국(210)으로부터 무선 통신 서비스를 제공받는다. 여기서, N개의 이동 단말(230)은 앞서 언급한 바와 같이 기지국(210)으로부터 직접 무선신호(제1 무선신호)를 수신하는 제1 이동 단말(230a) 및 중계국(220)을 통해 무선신호(제2 무선신호)를 수신하는 제2 이동 단말(230b)로 분류될 수 있다.
이와 같은 무선 통신 시스템(200)의 동작 방법(즉, 무선 통신 방법)을 살펴보면, 먼저 고정 중계국(220)은 간섭이 최소화되도록 셀의 외곽 영역에 적절하게 설치하고(도 2에서는 6개의 고정 중계국(220)이 설치됨), 기지국(210)의 셀 영역 내에 위치하는 이동 단말(230)을 직접 통신 서비스를 제공할 제1 이동 단말(230a) 및 고정 중계국(220)을 통해 서비스를 제공할 제2 이동 단말(230b)로 분류한 후, 기지국(210), 고정 중계국(220), 및 이동 단말(230) 사이에 무선 통신이 수행된다.
이 때, 기지국(210)은 제1 가중치 매트릭스(Weight Matrix)를 이용하여 전송하고자 하는 데이터를 프로세싱하여 제1 무선신호를 생성하여 M개의 고정 중계국(220) 및 N1개의 제1 이동 단말(240b)로 전송한다. 또한, 제1 무선신호를 수신한 M개의 고정 중계국(220) 각각은 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 수신된 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 이를 N2개의 제2 이동 단말(240a)로 전송한다.
이하, 기지국(210), 고정 중계국(220), 및 이동 단말(230) 사이의 무선 통신 방법 및 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a)과 제2 이동 단말(230b)로 분류하는 방법을 차례대로 설명하기로 한다. 다만, 기지국(210)과 고정 중계국(220) 사이의 채널은 LOS 채널이고, ZFBF(Zero Forcing Beam Forming) 기술을 통하여 무선 통신이 수행되는 것으로 가정한다(즉, 즉, 기지국들(210) 및 고정 중계국(220)은 서비스할 이동 단말(230) 사이의 채널 상태에 대한 정보를 용이하게 산출할 수 있는 것으로 가정한다). 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 기지국(210)과 고정 중계국(220) 사이는 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템이고, 고정 중계국(220)과 이동 단말(230) 사이는 MISO(Multi Input Single Output) 시스템인 것으로 가정한다(즉, 기지국(210)과 고정 중계국(220)은 다중 안테나를 구비하고, 이동 단말(230)은 하나의 안테나를 구비한 것으로 가정한다).
1. 기지국(210), 고정 중계국(220), 및 이동 단말(230) 사이의 무선 통신 방법
우선, 기지국(210)의 셀 영역 내에 위치하는 N개의 이동 단말(230) 모두가 기지국(210)으로부터 직접 제1 무선신호를 수신하는 경우(즉, 고정 중계국(220)을 사용하지 않는 경우), k(1 이상 N 이하의 정수임)번째 이동 단말(230)에서 수신된 제1 무선신호는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00008
여기서,
Figure 112010058199737-pat00009
는 k번째 이동 단말(230)에서 수신된 제1 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00010
는 k번째 이동 단말(230)과 기지국(210) 사이의 채널 벡터,
Figure 112010058199737-pat00011
는 기지국(210)에서 전송된 제1 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00012
는 잡음(Noise),
Figure 112010058199737-pat00013
는 주변의 기지국 및 고정 중계국(220)로부터의 간섭을 의미한다.
다음으로, j(1 이상 M 이하의 정수임)번째 고정 중계국(220)이 기지국(210)으로부터 수신한 제1 무선신호는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00014
여기서,
Figure 112010058199737-pat00015
는 j번째 고정 중계국(220)에서 수신된 제1 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00016
는 j번째 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 채널 매트릭스,
Figure 112010058199737-pat00017
는 잡음 벡터,
Figure 112010058199737-pat00018
는 인접한 다른 고정 중계국(220) 및 기지국(210)으로부터의 간섭 벡터를 각각 의미한다.
계속하여, k번째 이동 단말(230)이 고정 중계국(220)에서 전송된 제2 무선신호를 수신하는 경우(즉, k번째 이동 단말(230)이 제2 이동 단말(230b)인 경우), k번째 이동 단말(230)에서 수신된 제2 무선신호는 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00019
여기서,
Figure 112010058199737-pat00020
는 j번째 고정 중계국(220)에서 전송되어 k번째 이동 단말(230)로 수신된 제2 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00021
는 k번째 이동 단말(230)과 j번째 고정 중계국(220) 사이의 채널 벡터,
Figure 112010058199737-pat00022
는 j번째 고정 중계국(220)에서 전송된 제2 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00023
는 잡음,
Figure 112010058199737-pat00024
는 간섭을 각각 의미한다.
한편, 기지국(210)과 고정 중계국(220) 사이의 채널을 도 4에 도시된 바와 같은 LOS 채널로 가정하였으므로, 상기의 채널 매트릭스는 아래의 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00025
여기서,
Figure 112010058199737-pat00026
는 패스 감쇄(Path Attenuation),
Figure 112010058199737-pat00027
는 기지국(210)의 안테나 개수,
Figure 112010058199737-pat00028
는 j번째 고정 중계국(220)의 안테나 개수,
Figure 112010058199737-pat00029
는 기지국(210)과 j번째 고정 중계국(220) 사이의 거리,
Figure 112010058199737-pat00030
는 반송파의 파장,
Figure 112010058199737-pat00031
및
Figure 112010058199737-pat00032
는 기지국(210)과 j번째 고정 릴레이(220) 사이의 방향 코사인(Directional Cosine)을 각각 의미한다. 여기서, 채널 매트릭스는 아래의 수학식 5와 같이 특이값 분해(SVD: Single Value Decomposition)된다.
Figure 112010058199737-pat00033
수학식 5에서 알 수 있는 바와 같이, 기지국(210)과 고정 중계국(220) 사이의 채널이 LOS 채널인 경우, 채널 매트릭스는 하나의 특이값을 갖는다(즉, 채널 매트릭스의 랭크(rank)는 1이 된다).
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 기지국(210)은 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 제1 무선신호를 전송하는데, ZFBF에서 기지국(210)이 M개의 고정 중계국(220)을 이용하지 않고 N개의 이동 단말(230) 모두로 제1 무선신호를 직접 전송하는 경우, 일반적으로 제1 가중치 매트릭스는 아래의 수학식 6에 따라 생성될 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00034
여기서,
Figure 112010058199737-pat00035
는 제1 가중치 매트릭스,
Figure 112010058199737-pat00036
는 N개의 이동 단말(230) 각각과 기지국(210) 사이의 N개의 채널 벡터로 구성된 채널 매트릭스를 의미한다(
Figure 112010058199737-pat00037
,
Figure 112010058199737-pat00038
).
따라서, k번째 이동 단말(230)이 위와 같은 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 생성된 제1 무선신호를 수신하는 경우, 수신된 제1 무선 신호는 아래의 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00039
여기서,
Figure 112010058199737-pat00040
는 기지국(210)에서 전송되는 제1 무선신호,
Figure 112010058199737-pat00041
는 k번째 이동 단말(230)로 전송하고자 하는 데이터(데이터 심볼)을 각각 의미한다.
그런데, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(200)은 ZFBF에 따라 무선신호를 전송하되, M개의 고정 중계국(220)을 통해 외곽 영역에 위치한 제2 이동 단말(230b)로 무선신호를 전달하므로, 제1 무선신호의 생성에 사용되는 제1 가중치 매트릭스를 생성하기 위한 채널 매트릭스에는 기지국(210)과 M개의 고정 중계국(220) 사이의 채널 상태가 반영되어야 한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 기지국(210)은 N1개의 제1 이동 단말(230a) 각각과 기지국 사이의 채널 벡터(이하, "제1 채널 벡터"라고 함) 및 N2개의 제2 이동 단말(230b)로 무선신호를 중계하는 M개의 고정 중계국(220) 각각과 기지국(210) 사이의 채널 벡터(이하, "제2 채널 벡터"라고 함)를 산출하고, 산출된 N1개의 제1 채널 벡터 및 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성한다.
다시 말해, 기지국(210)은 N1개의 제1 채널 벡터 및 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 N개의 채널 벡터를 포함하는 채널 매트릭스(이하, "제1 채널 매트릭스"라고 함)를 산출하고, 산출된 제1 채널 매트릭스를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성할 수 있다. 일례로서, 기지국(210)은 위의 수학식 6과 유사하게, 아래의 수학식 8에 기초하여 제1 가중치 매트릭스를 생성할 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00042
여기서,
Figure 112010058199737-pat00043
는 제1 채널 매트릭스를 의미한다(
Figure 112010058199737-pat00044
).
이 때, 제1 채널 매트릭스를 구성하는 N개의 채널 벡터 중 k번째 채널 벡터는 k번째 이동 단말(230)이 제1 이동 단말(230a)인 경우 k번째 이동 단말(230)과 기지국(210) 사이의 제1 채널 벡터와 대응되고, k번째 이동 단말(230)이 제2 이동 단말(230b)인 경우 k번째 이동 단말(230)로 제2 무선신호를 전송할 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 제2 채널 벡터와 대응될 수 있다.
다시 말해, 제1 채널 매트릭스는 N개의 이동 단말(230) 각각과 기지국(210) 사이의 N개의 채널 벡터로 구성되되, 이동 단말(230)이 기지국(210)으로부터 직접 제1 무선신호를 수신하는 경우(즉, 이동 단말이 제1 이동 단말(230a)인 경우), 해당 이동 단말(230)에 대한 채널 벡터는 해당 이동 단말(230)과 기지국(210) 사이의 채널 벡터(제1 채널 벡터)가 되고, 이동 단말(230)이 고정 중계국(220)을 통해 무선신호를 수신하는 경우(즉, 이동 단말이 제2 이동 단말(230b)인 경우), 해당 이동 단말(230)에 대한 채널 벡터는 해당 이동 단말(230)로 제2 무선신호를 전송하는 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 채널 벡터(제2 채널 벡터)가 된다.
여기서, 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 제2 채널 벡터는 앞서 수학식 5에서 설명한 채널 매트릭스(이하, "제2 채널 매트릭스"라고 함)를 통해 도출될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 j번째 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 제2 채널 매트릭스를 산출하고, 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값과 대응되는 우측 특이 벡터(Right Singular Vector)를 j번째 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 제2 채널 벡터(j번째 제2 채널 벡터)로 산출할 수 있다.
다시 말해, 제2 채널 매트릭스가 상기의 수학식 5와 같이 특이값 분해되는 경우, 최대 특이값(
Figure 112010058199737-pat00045
)과 대응되는 우측 특이 벡터인
Figure 112010058199737-pat00046
가 j번째 제2 채널 벡터로 설정된다.
한편, 위와 같은 과정에 따라 기지국(210)에서 생성/전송된 제1 무선신호는 고정 중계국(220)에서 수신되고, 고정 중계국(220)은 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 수신된 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성한다. 이 때, k번째 이동 단말(230)(제2 이동 단말(230b)임)로 제2 무선신호를 전송할 j번째 고정 중계국(220)에서 수신된 제1 무선신호는 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00047
따라서, j번째 고정 중계국(220)이 수학식 9와 같이 표현되는 수신 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 이를 k번째 이동 단말(230)(제2 이동 단말(230b)임)로 전송한다면, k번째 이동 단말(230)에서 수신된 제2 무선신호는 아래의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00048
여기서,
Figure 112010058199737-pat00049
는 j번째 고정 중계국(220)에서의 제2 무선신호의 전송 파워,
Figure 112010058199737-pat00050
는 j번째 고정 중계국(220)이 k번째 이동 단말(230)로 무선신호를 중계하는 경우에 이용되는 제2 가중치 매트릭스,
Figure 112010058199737-pat00051
는
Figure 112010058199737-pat00052
,
Figure 112010058199737-pat00053
는
Figure 112010058199737-pat00054
를 각각 의미한다.
본 발명에 따른 고정 중계국(220)은 위의 수학식 10과 같이 표현되는 이동 단말(230)에서의 통신 서비스 품질(QoS)(즉 신호의 수신 품질)이 향상되도록 제2 무선신호를 생성하여 전송하여야 하므로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 고정 중계국(220)은 제2 무선신호를 수신한 이동 단말(230)에서의 제2 무선신호에 대한 신호 대 간섭 및 잡음비(SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio)가 최대가 되도록 제2 가중치 매트릭스를 생성할 수 있다.
고정 중계국(220)이 이동 단말(230)에서의 제2 무선신호에 대한 SINR이 최대가 되도록 제2 가중치 매트릭스를 생성하는 동작에 대해 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.
먼저, 위의 수학식 10과 같이 표현되는 수신 제2 무선신호의 SINR(
Figure 112010058199737-pat00055
)은 아래의 수학식 11과 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00056
여기서,
Figure 112010058199737-pat00057
는
Figure 112010058199737-pat00058
,
Figure 112010058199737-pat00059
는
Figure 112010058199737-pat00060
를 각각 의미한다.
다음으로, 제2 가중치 매트릭스(
Figure 112010058199737-pat00061
)를
Figure 112010058199737-pat00062
로 정의한 후(
Figure 112010058199737-pat00063
,
Figure 112010058199737-pat00064
),
Figure 112010058199737-pat00065
를
Figure 112010058199737-pat00066
로 치환하고(
Figure 112010058199737-pat00067
),
Figure 112010058199737-pat00068
를
Figure 112010058199737-pat00069
로 치환하면(
Figure 112010058199737-pat00070
), 위의 수학식 11은 아래의 수학식 12와 같이 정리된다.
Figure 112010058199737-pat00071
이 때, SINR을 최대화하는 제2 가중치 매트릭스를 산출하기 위해, 수학식 12를
Figure 112010058199737-pat00072
및
Figure 112010058199737-pat00073
에 대해 편미분하면 아래의 수학식 13과 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00074
여기서,
Figure 112010058199737-pat00075
이고,
Figure 112010058199737-pat00076
이므로, SINR을 최대로 하는 제2 가중치 매트릭스는 아래의 수학식 14와 같이 표현된다.
Figure 112010058199737-pat00077
여기서,
Figure 112010058199737-pat00078
는 위의 수학식 5에서 설명한 j번째 고정 중계국(220)과 기지국(210) 사이의 제1 채널 매트릭스의 최대 특이값(
Figure 112010058199737-pat00079
)과 대응되는 좌측 특이 벡터(Left Singular Value)를 의미한다.
따라서, j번째 고정 중계국(220)는 위의 수학식 14와 같이 표현되는 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 제2 무선신호를 생성하고, 이를 k번째 이동 단말(230)로 전송한다.
2. 이동 단말(230)을 제2 이동 단말(230b)과 제1 이동 단말(230a)로 분류하 는 방법
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(200)은 고정 중계국(220)이 셀의 외곽 영역에 위치하는 제2 이동 단말(230b)임로 무선신호를 중계하므로, 고정 중계국(220)이 자신과 인접한 이동 단말(230) 중에서 어떠한 이동 단말(230)로 무선신호를 중계할 지를 결정(즉, 이동 단말(230)을 제2 이동 단말(230b)과 제1 이동 단말(230a)로 분류)하는 것은 매우 중요한 문제이다. 왜냐하면, 고정 중계국(220) 보다 기지국(210)에 상대적으로 가깝게 위치하는 이동 단말(230)은 고정 중계국(220)을 통해 무선신호를 수신하는 것 보다 기지국(210)으로부터 직접 무선신호를 수신하는 것이 통신 서비스 품질의 측면에서 더 좋을 수 있기 때문이다.
이를 위해, 본 발명에서는 N개의 이동 단말(230)에서의 sum-rate가 최대가 되도록 M개의 고정 중계국(220)이 셀 내에 설치하고, 이를 이용하여 무선신호를 중계한다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)에 포함되는 안테나의 개수(
Figure 112010058199737-pat00080
)가 M개의 고정 중계국(220)의 개수보다 크거나 같은 경우, M개의 고정 중계국(220)은 제2 채널 벡터가 서로 오소고날(orthogonal)하도록 기지국(210)의 셀 영역 내에 설치될 수 있다.
그런데, 기지국(210)에 포함되는 안테나의 개수가 M개의 고정 중계국(220)의 개수보다 작다면, M개 만큼의 오소고날한 제2 채널 벡터를 구성할 수 없게 되므로, (즉, 오소고날한 제2 채널 벡터의 개수는 기지국(210)의 안테나 개수와 대응된다), 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)에 포함되는 안테나의 개수가 M개의 고정 중계국(220)의 개수보다 작은 경우, M개의 고정 중계국(220) 중 기지국(210)의 안테나의 개수만큼의 고정 중계국(220)은 제2 채널 벡터가 서로 오소고날하도록 기지국(210)의 셀 영역 내에 설치되고, 나머지 고정 중계국(220)은 자신의 제2 채널 벡터가 안테나의 개수만큼의 고정 중계국(220) 중 어느 하나의 고정 중계국(220)의 제2 채널 벡터와 동일하도록 기지국(210)의 셀 영역 내에서 설치될 수 있다.
일례로서, 기지국(210)의 안테나 개수가 6개이고, 고정 중계국(220)의 개수가 7개(M=7)인 경우, 6개의 고정 중계국(220)은 제2 채널 벡터가 서로 오소고날하게 설치되고, 나머지 하나의 고정 중계국(220)은 자신의 제2 채널 벡터가 상기 6개의 고정 중계국(220) 중 첫번째 고정 중계국(220)의 제2 채널 벡터와 동일하게 되도록 설치될 수 있다.
이에 기반하여, 기지국(210)은 N개의 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a) 및 제2 이동 단말(230b)로 분류한다.
이에 대해 보다 상세히 살펴보면, 기지국(210)은 M개의 제2 채널 벡터 각각과 N개의 이동 단말 및 기지국 사이의 N개의 채널 벡터 사이의 내적값을 연산하고, 연산된 내적값의 최대값과 기 설정된 기준값(제1 기준값)을 비교하여 N개의 이동 단말(230)을 분류할 수 있다. 일례로, 제2 채널 벡터가 제2 채널 매트릭스의 우측 특이 벡터와 대응되는 경우, k번째 이동 단말(230)에 대한 연산된 내적값의 최대값(
Figure 112010058199737-pat00081
)은 아래의 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010058199737-pat00082
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 M개의 제2 채널 벡터(보다 정확하게는 M개의 제2 채널 벡터 중에서 서로 오소고날한
Figure 112010058199737-pat00083
개의 제2 채널 벡터) 각각과 k번째 이동 단말(230) 및 기지국(210) 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 제1 기준값 보다 큰 경우, k번째 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a)로 선택할 수 있다. 이는 k번째 이동 단말(230)과 기지국(210) 사이의 채널 벡터가 M(내지
Figure 112010058199737-pat00084
)개의 제2 채널 벡터 중 어느 하나와 상관 관계(correlation)가 크고, 채널 이득이 클수록 최대 내적값은 큰 값을 가지고, 최대 내적값이 클수록 해당 이동 단말(230)이 기지국(210)에 근접하여 위치하므로, 이러한 이동 단말(230)은 기지국(210)에서 직접 무선신호(제1 무선신호)를 수신하는 것이 유리하기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 M개의 제2 채널 벡터(보다 정확하게는 M개의 제2 채널 벡터 중에서 서로 오소고날한
Figure 112010058199737-pat00085
개의 제2 채널 벡터) 각각과 k번째 이동 단말(230) 및 기지국(210) 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 제1 기준값 보다 작고, M개의 고정 중계국(220) 중 k번째 이동 단말(230)과 가장 근접한 고정 중계국(220)과 k번째 이동 단말(230) 사이의 채널 벡터의 놈(norm)값이 기 설정된 제2 기준값 보다 작은 경우, k번째 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a)로 선택할 수 있다. 이는 내적값 중 최대값이 제1 기준값 보다 크더라도, 위의 수학식 11에 표시된 바와 같이 고정 중계국(220)과 k번째 이동 단말(230) 사이의 채널 벡터의 놈(norm)값이 작아지면 SINR 값이 작아지므로, 이러한 이동 단말(230)은 기지국(210)으로부터 직접 제1 무선신호를 수신하는 것이 유리하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 M개의 제2 채널 벡터(보다 정확하게는 M개의 제2 채널 벡터 중에서 서로 오소고날한
Figure 112010058199737-pat00086
개의 제2 채널 벡터) 각각과 k번째 이동 단말(230) 및 기지국(210) 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 제1 기준값 보다 작고, M개의 고정 중계국(220) 중 k번째 이동 단말(230)과 가장 근접한 고정 중계국(220)과 k번째 이동 단말(230) 사이의 채널 벡터의 놈 값이 기 설정된 제2 기준값 보다 큰 경우, k번째 이동 단말(230)을 상기 가장 근접한 고정 중계국(220)으로부터 제2 무선신호를 수신할 제2 이동 단말(230b)로 선택할 수 있다.
여기서, 제1 기준값 및 제2 기준값은 도 5에 도시된 그래프를 통해 도출될 수 있다. 즉, 도 5의 세로축을 형성하는 Average sum-rate가 최대가 되도록 하는 제1 기준값(
Figure 112010058199737-pat00087
) 및 제2 기준값(
Figure 112010058199737-pat00088
)이 N개의 이동 단말(230)의 분류를 위해 사용될 수 있다.
한편, 제2 이동 단말(230b)로 선택된 이동 단말(230)이라 하더라도, 해당 제2 이동 단말(230b)로 제2 무선신호를 중계할 고정 중계국(220)이 다른 제2 이동 단말(230b)로 제2 무선신호를 전송하고 있다면, 해당 제2 이동 단말(230b)은 고정 중계국(220)으로부터 제2 무선신호를 수신할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지국(210)은 제2 이동 단말(230b)로 선택된 이동 단말(230)과 가장 근접한 고정 중계국(220)이 다른 제2 이동 단말(230b)로 제2 무선신호를 전송하는 경우, 해당 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a)로 변경할 수 있다.
이하에서는 도 6 및 도 7을 참조하여, 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a) 및 제2 이동 단말(230b)로 분류하는 방법의 일례를 보다 상세하게 설명하기로 한다. 이에 앞서, 도 6 및 도 7의 방법에서 이용되는 파라미터들은 정리하면 아래의 표 1과 같다.
Notation Description
K 기지국의 셀 내에 위치하는 이동 단말의 개수
U 선택 가능한 이동 단말 그룹
M 이동 단말 그룹의 번호(index)
n 이동 단말 그룹 내의 이동 단말 번호
Sm m번째 타임 슬롯에서 서비스를 받는 이동 단말 그룹
(m번째 이동 단말 그룹)
(m,n) m번째 이동 단말 그룹 내의 n번째 이동 단말
T1 기지국으로부터 무선신호를 수신할 수 있는 고정 중계국
T2 현재 이동 단말로 무선신호를 전송하는 고정 중계국
<k> k번째 이동 단말과 가장 근접한 고정 중계국
ψ1 제1 기준값
ψ2 제2 기준값
먼저, Step 1에서는 상기의 파라미터들을 초기화하며, N개의 이동 단말(230)의
Figure 112010058199737-pat00089
값에 기초하여 N개의 이동 단말(230)을 제1 이동 단말(230a) 및 제2 이동 단말(230b)로 우선적으로 분류한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면,
Figure 112010058199737-pat00090
가
Figure 112010058199737-pat00091
보다 큰 이동 단말(230)은 제1 이동 단말(230a)로 분류되고,
Figure 112010058199737-pat00092
가
Figure 112010058199737-pat00093
보다 작은 이동 단말(230)은 고정 중계국(220)으로부터 서비스를 받을 수 있는 후보 제2 이동 단말(230b)이 된다. 후보 제2 이동 단말(230b)은
Figure 112010058199737-pat00094
의 관계가 성립하는 경우, 제1 이동 단말(230a)로 분류되고,
Figure 112010058199737-pat00095
의 관계가 성립하는 경우, 제2 이동 단말(230a)로 우선적으로 분류된다.
Step 1에서 제1 이동 단말(230a)로 분류된 이동 단말(230)은 기지국(210)으로부터 직접 제1 무선신호) 수신하며, 제2 이동 단말(230b)로 분류된 이동 단말(230)은 이 후의 Step들의 수행에 따라 제1 이동 단말(230a)로 변경될 수 있다.
다음으로, Step 2에서는
Figure 112010058199737-pat00096
이고,
Figure 112010058199737-pat00097
인 이동 단말(230)에 대해
Figure 112010058199737-pat00098
(오소고날 정도(orthogonality))를 산출한다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 바로 앞 타임 슬롯에서 이동 단말 그룹에 포함된 제2 이동 단말(230b)로 제2 무선신호를 전송하는 고정 중계국(220)은 기지국(210)으로부터 제1 무선신호를 수신할 수 없으므로, 앞서 Step 1에서 제2 이동 단말(230b)로 분류된 이동 단말(230)이라 하더라도,
Figure 112010058199737-pat00099
인 이동 단말(230)은 통신 서비스를 받아야 할 고정 중계국(220)(즉, 가장 근접한 고정 중계국
Figure 112010058199737-pat00100
)을 사용할 수 없다. 따라서, 이 경우
Figure 112010058199737-pat00101
는 0이 된다. 하지만,
Figure 112010058199737-pat00102
인 경우, 제2 이동 단말(230b)로 분류된 이동 단말(230)은 가장 근접한 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00103
)을 사용할 수 있으므로, 앞서 선택된 이동 단말(230)과의 오소고날 정도를 산출한다.
계속하여, Step 3에서는
Figure 112010058199737-pat00104
에 속한 이동 단말(230) 중 가장 큰
Figure 112010058199737-pat00105
값을 가지는 이동 단말(230)(
Figure 112010058199737-pat00106
)를 찾는다. 이는 앞서 선택된 이동 단말(230)과 가장 오소고날한 채널 벡터를 가지는 이동 단말(230)을 선택하기 위함이다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면,
Figure 112010058199737-pat00107
가 0인 경우는 선택된 이동 단말(230)(
Figure 112010058199737-pat00108
)을 서비스하여야 하는 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00109
)은 바로 앞 이동 단말 그룹에서 사용되었거나, 또는 앞서 선택된 같은 이동 단말 그룹 내에 같은 고정 중계국(220)을 사용하는 이동 단말(230)이 존재하는 경우이다. 직전 타임 슬롯에서 같은 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00110
)이 사용되었다면, 다음 타임 슬롯에서는 해당 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00111
)을 사용할 수 없으므로, 같은 이동 단말 그룹에서 같은 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00112
)을 사용하는 다른 이동 단말(230)이 선택되었다면, 해당 이동 단말(230)(
Figure 112010058199737-pat00113
)은 기지국(210)으로부터 서비스를 받게 되고,
Figure 112010058199737-pat00114
는
Figure 112010058199737-pat00115
에서
Figure 112010058199737-pat00116
로 변경된다. 이와 더불어, 이동 단말(230)(
Figure 112010058199737-pat00117
)은 기지국(210)으로부터 서비스를 받으므로,
Figure 112010058199737-pat00118
이 된다. 한편,
Figure 112010058199737-pat00119
인 경우, 해당 고정 중계국(220)(
Figure 112010058199737-pat00120
)은 다음 타임 슬롯에 사용될 수 없는 고정 중계국(
Figure 112010058199737-pat00121
)으로 등록된다.
마지막으로, Step 4에서는 파라미터들이 갱신된다.
보다 상세하게,
Figure 112010058199737-pat00122
인 경우, Step 2 내지 Step 4가 반복 수행되어 이동 단말 그룹을 구성할 새로운 이동 단말(230)을 선택한다. 반대로,
Figure 112010058199737-pat00123
인 경우, Step 2 내지 Step 4를 반복하여 새로운 이동 단말 그룹을 선택한다. 이러한 반복 과정은
Figure 112010058199737-pat00124
일 때까지 수행된다.
이하에서는 도 8 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(200)의 성능을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 8은 소정의 제2 기준값에서의 제1 기준값의 변화에 따른 Average sum-rate를 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 제1 기준값이 작을수록 기지국(210)이 직접 서비스를 제공하는 이동 단말(230)의 개수가 증가하게 되어 Average sum-rate가 낮은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 또한, 제1 기준값이 클수록 기지국(210)으로부터 서비스를 제공받는 것이 유리한 단말들도 고정 중계국(220)을 통해 서비스를 제공받게 되어 Average sum-rate이 낮아지게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 방법을 이용하는 경우, Average sum-rate는 증가하다가 감소하는 형태를 보인다.
다음으로, 도 9는 최적의 제1 기준값 및 제2 기준값에서의 기지국(210)으로부터의 거리에 따른 capacity를 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 기지국(210)으로부터 먼 거리에 있는 외곽 유저에 대한 capacity는 본 발명에 따른 무선 통신 방법(HR)이 종래의 디지털 중계 방식(DR)보다는 낮지만, 종래의 아날로그 중계 방식(AR) 및 중계국을 이용하지 않는 방식(RR-ZFBF)보다는 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 무선 통신 방법은 종래의 디지털 중계 방식보다 크게 낮지 않은 성능을 보이면서도 낮은 프로세싱 복잡도 및 시간 지연을 가지는 장점이 있다.
마지막으로, 도 10은 이동 단말(230)의 개수에 따른 Average sum-rate를 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 무선 통신 방식(HR)은 종래의 아날로그 중계 방식(AR)과 중계국을 이용하지 않는 방식(RR-ZFBF)보다 높은 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 Average sum-rate의 증가는 본 발명에 따른 무선 통신 방법이 외곽 영역에 위치한 이동 단말(230)의 capacity를 증가시킴과 동시에 내부 영역에 위치한 이동 단말(230)의 capacity를 감소시키지 않으며, 이동 단말(230)의 개수가 증가할수록 user diversity가 증가하여 채널 벡터간의 오소고날 정도를 증가시킬 수 있음에 기인한 것이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 기지국;
    상기 기지국에서 전송된 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 상기 제2 무선신호를 상기 기지국의 셀 영역에 위치하는 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말로 전송하기 위한 M(1 이상의 정수임)개의 중계국
    을 포함하되,
    상기 N개의 이동 단말 중 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제1 이동 단말은 상기 기지국으로부터 상기 제1 무선신호를 수신하고,
    상기 기지국은
    상기 N1개의 제1 이동 단말 각각과 상기 기지국 사이의 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 중계국 각각과 상기 기지국과 사이의 M개의 제2 채널 벡터를 산출하고, 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성하며, 상기 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 N개의 이동 단말로 전송할 데이터를 프로세싱하여 상기 제1 무선신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 M개의 중계국 각각은
    제2 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 상기 제2 무선신호를 생성하되,
    상기 제2 무선신호를 수신한 제2 이동 단말에서의 상기 제2 무선신호에 대한 신호 대 간섭 및 잡음비(SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio)가 최대가 되도록 상기 제2 가중치 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 N개의 채널 벡터를 포함하는 제1 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제1 채널 매트릭스를 이용하여 상기 제1 가중치 매트릭스를 생성하되,
    상기 제1 채널 매트릭스에 포함되는 N개의 채널 벡터 중 k(1 이상 N 이하의 정수임)번째 채널 벡터는
    상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말이 상기 제1 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말과 상기 기지국 사이의 제1 채널 벡터이고,
    상기 k번째 이동 단말이 상기 제2 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송할 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 벡터인 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기지국은 아래의 수학식에 기초하여 상기 제1 가중치 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.

    Figure 112011065252309-pat00125


    여기서,
    Figure 112011065252309-pat00126
    는 상기 제1 가중치 매트릭스,
    Figure 112011065252309-pat00127
    는 상기 제1 채널 매트릭스를 각각 의미함.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은
    상기 M개의 중계국 중 j(1이상 M 이하의 정수임)번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값(Singular Value)과 대응되는 우측 특이 벡터(Right Singular Vector)를 상기 M개의 제2 채널 벡터 중 j번째 제2 채널 벡터로 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 j번째 중계국은
    아래의 수학식과 같이 표현되는 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 상기 제2 무선신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.

    Figure 112010058199737-pat00128


    여기서,
    Figure 112010058199737-pat00129
    는 상기 제2 가중치 매트릭스, j번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스,
    Figure 112010058199737-pat00130
    는 상기 j번째 중계국과 상기 j번째 중계국으로부터 상기 제2 무선신호를 수신하는 제2 이동 단말 사이의 채널 벡터,
    Figure 112010058199737-pat00131
    는 상기 j번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값과 대응되는 좌측 특이 벡터(Left Singular Value)를 각각 의미함.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기지국 및 상기 M개의 중계국은 복수의 안테나를 포함하고,
    상기 M개의 중계국은 고정 중계국인 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기지국에 포함되는 안테나의 개수가 상기 M개의 중계국의 개수보다 크거나 같은 경우, 상기 M개의 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 서로 오소고날(orthogonal)하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기지국에 포함되는 안테나의 개수가 상기 M개의 중계국의 개수보다 작은 경우, 상기 M개의 중계국 중 상기 기지국에 포함된 안테나의 개수만큼의 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 서로 오소고날하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에 설치되고, 나머지 중계국은 상기 제2 채널 벡터가 상기 안테나의 개수만큼의 중계국 중 어느 하나의 중계국의 제2 채널 벡터와 동일하도록 상기 기지국의 셀 영역 내에서 설치되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은
    상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 큰 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은
    상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 작고, 상기 M개의 중계국 중 상기 k번째 이동 단말과 가장 근접한 중계국과 상기 k번째 이동 단말 사이의 채널 벡터의 놈(norm)값이 기 설정된 제2 기준값 보다 작은 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은
    상기 M개의 제2 채널 벡터 각각과 상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말 및 상기 기지국 사이의 채널 벡터 사이의 내적값 중 최대값이 기 설정된 제1 기준값 보다 작고, 상기 M개의 중계국 중 상기 k번째 이동 단말과 가장 근접한 중계국과 상기 k번째 이동 단말 사이의 채널 벡터의 놈 값이 기 설정된 제2 기준값 보다 큰 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 가장 근접한 중계국으로부터 상기 제2 무선신호를 수신할 상기 제2 이동 단말로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 기지국은
    상기 가장 근접한 중계국이 상기 k번째 이동 단말 이외의 다른 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송하는 경우, 상기 k번째 이동 단말을 상기 제1 이동 단말로 변경하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 M개의 중계국과 상기 기지국 사이의 채널은 LOS(Line Of Sight) 채널인 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
  15. 기지국, M(1 이상의 정수임)개의 중계국, 및 N(1 이상의 정수임)개의 이동 단말을 포함하는 무선 통신 시스템에서의 무선 통신 방법에 있어서,
    상기 기지국이 상기 N개의 이동 단말 중 N1(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제1 이동 단말 및 상기 M개의 중계국으로 제1 무선신호를 전송하는 단계; 및
    상기 M개의 중계국이 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 제2 무선신호를 생성하고, 상기 N개의 이동 단말 중 N2(1 이상 N 이하의 정수임)개의 제2 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제1 무선신호를 전송하는 단계는
    상기 기지국이 상기 N1개의 제1 이동 단말 각각과 상기 기지국 사이의 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 중계국 각각과 상기 기지국과 사이의 M개의 제2 채널 벡터를 산출하는 단계;
    상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 제1 가중치 매트릭스를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 N개의 이동 단말로 전송할 데이터를 프로세싱하여 상기 제1 무선신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 무선신호를 전송하는 단계는
    제2 가중치 매트릭스를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 가중치 매트릭스를 이용하여 상기 제1 무선신호를 프로세싱하여 상기 제2 무선신호를 생성하는 단계
    를 포함하되,
    상기 제2 가중치 매트릭스를 생성하는 단계는
    상기 제2 무선신호를 수신한 제1 이동 단말에서의 상기 제2 무선신호에 대한 신호 대 간섭 및 잡음비가 최대가 되도록 상기 제2 가중치 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 기지국이 N1개의 제1 채널 벡터 및 M개의 제2 채널 벡터를 산출하는 단계는
    상기 M개의 중계국 중 j(1이상 M 이하의 정수임)번째 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제2 채널 매트릭스의 최대 특이값과 대응되는 우측 특이 벡터를 상기 M개의 제2 채널 벡터 중 j번째 제2 채널 벡터로 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1 가중치 매트릭스를 생성하는 단계는 상기 N1개의 제1 채널 벡터 및 상기 M개의 제2 채널 벡터를 이용하여 N개의 채널 벡터를 포함하는 제1 채널 매트릭스를 산출하고, 상기 제1 채널 매트릭스를 이용하여 상기 제1 가중치 매트릭스를 생성하되,
    상기 제1 채널 매트릭스에 포함되는 N개의 채널 벡터 중 k(1 이상 N 이하의 정수임)번째 채널 벡터는
    상기 N개의 이동 단말 중 k번째 이동 단말이 상기 제1 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말과 상기 기지국 사이의 제1 채널 벡터이고,
    상기 k번째 이동 단말이 상기 제2 이동 단말인 경우, 상기 k번째 이동 단말로 상기 제2 무선신호를 전송할 중계국과 상기 기지국 사이의 제2 채널 벡터인 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법.
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