KR101092686B1

KR101092686B1 - 직교 주파수 분할 다중 접속 기반 다중안테나 무선 시스템에서 송신 빔포밍 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101092686B1
Application number: KR1020100001826A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 권오진; 이건욱
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-12-09
Also published as: KR20110081592A; WO2011084007A3; US8873664B2; WO2011084007A2; US20120321017A1

Abstract

본 발명은, 직교 주파수 분할 다중 접속(orthogonal frequency division multiplexing: 이하 OFDM) 기반 다중안테나 시스템에서 송신 빔포밍(transmit beamforming) 을 위한 채널 정보를 궤환(feedback)함에 있어, 이전의 채널 정보와 주파수 축의 부반송파(sub-carrier) 및 시간축의 심볼(symbol)들 간의 채널 상관(channel correlation)정보를 이용하여 현재 채널 정보와의 차등 정보를 송신기(transmitter)에 궤환하여 최적의 빔 가중치(beamforming weight)를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 수신기가 이전 채널 정보와의 주파수 및 시간 상관 정보와 각각에 대한 이전 채널 정보를 기반으로 현재 채널과의 차등 정보를 추정하는 과정과, 추정된 정보와 실제 채널 사이의 차등 정보를 송신단에 궤환하는 과정과, 송신기가 이전에 궤환 받은 채널 정보와 새롭게 궤환된 차등 정보로부터 최적의 빔 가중치를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 종래의 코드북(codebook) 기반으로 채널 정보를 궤환하는데 따른 양자화 오차 및 궤환 신호량 부담(feedback signaling overhead)를 줄일 수 있으며, 특히 채널의 주파수 및 시간 상관이 큰 환경에서 큰 이득을 얻을 수 있게 된다.

Description

직교 주파수 분할 다중 접속 기반 다중안테나 무선 시스템에서 송신 빔포밍 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMIT BEAMFORMING IN MULTI-ANTENNA OFDM BASED WIRELESS SYSTEMS}

본 발명은 다중안테나 OFDM 시스템에서 채널 상관 정보 기반의 채널 정보를 양자화하여 송신부에 전달하고, 이를 기반으로 송신 빔을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

OFDM 변조 방식은 주파수 선택적인 채널 환경을 여러 개의 주파수 비선택적인 환경으로 변환시킬 수 있어 복잡한 등화기(equalizer) 없이 다중안테나 기법을 사용할 수 있다. 다중 안테나 기법을 사용하여 신호를 전송함으로써 페이딩(fading) 환경에서 빔포밍 이득과 다이버시티(diversity) 이득을 통한 데이터 전송의 신뢰성 향상을 달성할 수 있다. 상기 OFDM 기반의 빔포밍 시스템의 성능을 극대화 하기 위해서는 송신기에서 채널 정보를 기반으로 빔 가중치를 생성하는 것이 중요하지만, 주파수 분할 이중화(frequency division duplexing) 환경 하에서는 송신기에서 수신기의 채널 정보를 추정할 수 없기 때문에 수신기에서 추정한 채널 정보를 이용하는 것이 보편적이다. 종래의 연구는 수신기에서 추정된 채널 정보를 코드북을 기반으로 양자화하여 송신기로 궤환한다. 이러한 코드북 기반의 채널 정보 궤환 기법은 송수신기에서 미리 약속된 양자화 된 채널 정보가 담긴 코드북에서 최적의 채널 정보를 찾아 그에 대한 지수(index) 정보를 송신기로 궤환시키는 방식을 취하며, 특히 Grassmannian 코드북 기법은 빔 가중치가 위상(phase)에 독립적인 특성을 고려하여 적은 정보량으로 효율적인 코드북을 생성할 수 있다. 그러나 코드북에 사용된 양자화 비트수가 적을 경우에는 양자화 오차가 커지게 되어 빔포밍 이득을 얻기 힘들게 되며, OFDM 시스템의 경우 요구하는 채널 정보는 부반송파(subcarrier) 및 심볼(symbol) 수에 비례하여 증가하게 되므로 궤환 정보량 부담이 매우 커지게 되는 문제가 생기게 된다.

최근에는 이러한 단점을 보완하기 위하여 OFDM의 인접 심볼 또는 부반송파가 가지는 상관 관계를 이용하여 궤환 정보량을 줄이는 기법이 제안되었다. 채널간에 상관이 있을 경우, 현재 채널은 이전 채널과 밀접한 관계를 가지게 되므로 인접 심볼 또는 부반송파의 채널 정보를 중심으로 주변을 원래의 코드북 보다 크기가 작은 부분 코드북 (sub-codebook)으로 재정의하고, 부분 코드북에 해당하는 지수를 궤환함으로써 궤환 정보량 부담을 줄일 수 있다. 그러나 이러한 경우에도 원래의 코드북이 가지는 양자화 오차를 줄일 수 없고, 시간 혹은 주파수 축의 단일 채널 상관 정보만을 이용하기 때문에 실제 채널을 정확하게 추정하는데 한계가 있게 된다.

OFDM기반의 송신 빔포밍 시스템은 페이딩 환경에서 빔포밍 이득과 다이버시티 이득을 통한 데이터 전송의 신뢰성 향상을 달성 수 있다. 그러나 OFDM기반의 송신 빔포밍 시스템의 성능을 극대화 하기 위해서는 송신기에서 채널 정보를 기반으로 빔가중치를 생성하는 것이 중요하지만, 주파수 분할 이중화 환경에서는 송신기에서 수신기의 채널 정보를 추정할 수 없기 때문에 수신기에서 채널 정보를 추정하여 송신기로 채널 정보를 궤환하는 것이 필요하다. 채널 정보를 궤환하기 위해서는 코드북을 이용하여 채널 정보를 양자화하게 되는데, 이때 발생하는 채널의 양자화 오차와 수신기에서 송신기로 채널 정보를 궤환함으로써 발생하는 궤환 정보량 부담이 전체 시스템의 성능을 감소시킨다.

본 발명에서는 상기 채널 양자화 오차 및 궤환 정보량 부담을 줄이기 위해서, 수신기가 이전 채널 정보를 기반으로 시간 및 주파수의 2차원 채널 상관 정보를 이용하여 현재 채널 정보를 추정하고, 이를 실제 채널과 비교하여 그 차이인 차등 채널 정보만을 송신기에 궤환함으로써, 궤환 정보량 또는 코드북의 양자화 오차를 줄이는 방법 및 장치를 제안한다. 또한, 수신기가 차등 정보를 궤환함에 있어 차등 벡터(difference vector)의 순시적인 크기를 궤환하여 송신기가 더 정확한 채널 정보를 획득하여, 양자화 오차가 작은 빔 가중치를 생성하는 방법 및 장치를 제안한다. 이로써 채널의 양자화 오차를 줄임과 동시에 궤환 정보량 부담을 줄임으로써, OFDM기반 다중 안테나 환경에서의 빔포밍 성능을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 안테나를 사용하여 송신 신호를 빔포밍하여 전송하는 OFDM 시스템에서 수신기가 이전 채널 정보를 기반으로 시간 및 주파수의 2차원 채널 상관 정보를 이용하여 현재 채널 정보를 추정하고, 이를 실제 채널과 비교하여 그 차이인 차등 채널 정보만을 송신기에 궤환함으로써, 궤환 정보량 또는 코드북의 양자화 오차를 줄이는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수신기가 차등 정보를 궤환함에 있어 차등 벡터(difference vector)의 순시적인 크기를 궤환하여 송신기가 더 정확한 채널 정보를 획득하여, 양자화 오차가 작은 빔 가중치를 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

이하에서는

의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나로 구성된 MISO OFDM 기반 무선통신 시스템을 가정하여 기술한다. 상기의 기법을 확장하면, 다수의 수신 안테나를 사용하는 MIMO OFDM 구조에도 쉽게 적용할 수 있다. 상기 무선통신 시스템에서

-번째 OFDM 심볼 및

-번째 부반송파에 할당된 신호를

라고 하자. 상기 무선통신 시스템에서

개의 송신 안테나를 사용하여

-차원 빔 가중치 벡터

로 신호를 빔포밍하여 송신한다고 가정하면, 수신된 신호는〈수학식 1〉과 같다.

여기서

는 각 원소가 평균이 0이고 분산이 1인 독립 동일 분포(independent and identically distributed) 복소 가우시안 랜덤변수(complex Gaussian random variable)로 이루어진

차원 채널벡터를 의미하며,

는 분산이

인 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise: 이하 AWGN)이다. 이 경우, 시간 상관 계수

는 〈수학식 2〉와 같은 관계식을 갖는다.

또한, 주파수 상관 계수

는 〈수학식 3〉와 같은 관계식을 갖는다.

여기서

와

는 각각 OFDM 시스템의 시간 축의 심볼 간격과 주파수 축의 부반송파 간격을 나타낸다.

는 평균(expectation) 연산자(operator)를 의미하고, 윗첨자

는 복소 켤레(complex conjugate) 연산자를 의미한다. 또한

는 벡터 놈(norm) 연산자를 의미한다. 또한 채널 상관 정보

와

는 시간에 따라 빠르게 변하지 않는 정보이므로, 상기

와

로 인한 궤환 정보량 부담은 매우 작다.

도 1는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 수신기에서 이차원 차등 채널 모델을 이용하여, 현재 채널과 최적의 빔 가중치를 선택하고, 선택된 빔 가중치가 가지는 차등 벡터를 양자화한 코드북 지수(index)를 추출하여 송신기로 궤환하는 방법을 나타내는 도면이다. 수신기에서는 101단계에서 수신된 파일럿 신호를 사용해 채널을 추정하고, 추정한 채널 정보로부터 상기〈수학식 2〉와 〈수학식 3〉과 같이 시간 및 주파수 축에서의 채널 상관 정보를 계산한다. 103단계에서는 상기 101단계에서 계산된 채널 상관 정보를 기반으로 이전 빔 가중치로부터, 하기 〈수학식 4〉의 과정을 통해서 현재 채널 조건 에 해당하는 빔 가중치

를 추정한다.

여기서,

과

는 각각 시간과 주파수 축 이전 빔 가중치를 나타내며, 각각

,

의 관계를 가지는 놈(norm)이 1인

-차원 벡터이다. 그리고 차등 궤환 기법을 적용하는 상관이 있는 채널 환경에서는

의 식이 성립한다. 105단계에서는 현재 채널과 상기 〈수학식 4〉를 통해서 추정한 빔 가중치

와의 차이를 나타내는 차등 벡터

를 하기 〈수학식 5〉과 같은 과정으로 생성한다.

여기서

와

는 놈(norm)을 1로 갖는

-차원 벡터이다. 즉,

는 이전 심볼의 빔포밍 벡터

와 이전 부반송파의 빔포밍 벡터

와 채널 상관 정보

와

및 차등 벡터

로 표현 가능하다. 107단계에서는 상기 〈수학식 5〉에서 도출한 차등 벡터

를 송신기와 수신기 간에 사전에 정의한

비트 크기의 코드북을 사용하여, 하기 <수학식 6>과 같이 양자화된 현재 빔 가중치 정보를 생성한다.

여기서,

는

비트 코드북을 통해서 양자화된 차등 벡터

이며, 상기 차등 벡터의 코드북 지수

는 하기 〈수학식 7〉에 따라 결정된다.

이후, 수신기는 차등 벡터에 대한 최적의 지수

를 송신기로 궤환한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 수신기에서 이차원 차등 채널 정보를 사용하여 빔 가중치를 생성하는 장치를 나타낸 도면이다. 상기 이차원 차등 채널 정보를 사용하여 빔 가중치를 생성하는 장치는 채널 정보 추정부 및 채널 상관 정보 생성부(201), 빔 가중치 저장부(203), 빔 가중치 추정부(205), 차등 벡터 생성 및 양자화부(207)로 구성되어 있다. 송신기로부터 전송된 파일럿 신호를 수신기에서 받아서 채널 정보 추정부 및 채널 상관 정보 생성부(201)에서 파일럿 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 추정된 채널 정보로부터 상기 〈수학식 2〉와 〈수학식 3〉의 과정을 거쳐 시간 및 주파수 채널 상관 정보를 도출한다. 그리고 빔 가중치 추정부(205)에서는 빔 가중치 저장부(203)으로부터 이전 채널의 빔 가중치에 대한 정보를 얻어서 상기 계산된 채널 상관 정보를 기반으로 상기 〈수학식 4〉의 과정으로 현재 채널에 대한 빔 가중치를 추정한다. 차등 벡터 생성 및 양자화부(207)에서는 차등 벡터를 상기 〈수학식 6〉과 〈수학식 7〉의 과정과 같이 사전에 정의된 코드북을 사용하여 양자화한 최적의 지수

를 찾는다. 상기 〈수학식 6〉과 〈수학식 7〉을 통해서 얻은 현재 채널에 대한 빔 가중치

를 빔 가중치 저장부(203)에 저장하고, 차등 벡터의 양자화된 코드북 지수

를 송신기로 궤환한다.

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 송신기에서 수신기로부터 궤환받은 이차원 차등 채널 정보를 기반으로 빔 가중치를 생성하는 방법을 나타낸 도면이다. 송신기에서는 301단계에서 수신기로부터 긴 주기로 궤환되는 채널 상관 정보와 순시적으로 궤환되는 차등 벡터의 양자화된 코드북 지수

를 추출한다. 303단계에서는 상기 301단계에서 추출된 정보를 기반으로 송신기에서 가지고 있던 이전 빔 가중치 정보를 이용하여 현재 채널에 대한 빔 가중치를 복원한다. 305단계에서는 복원된 빔 가중치를 적용하여 신호를 전송한다.

상기 303단계에서 궤환된 정보를 기반으로 현재 채널의 빔 가중치를 복원하는 과정을 좀 더 상세하게 살펴보면, 긴 주기로 궤환받은 채널 상관 정보

,

와 송신기에서 가지고 있던 이전 빔 가중치 정보

,

및 수신기로부터 궤환받은 차등 벡터의 코드북 지수

를 사전에 정의된 코드북을 이용하여 하기의〈수학식 8〉의 과정을 거쳐 빔 가중치 벡터를 생성하게 된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 송신기에서 수신기로부터 궤환 받은 이차원 차등 채널 정보를 기반으로 빔 가중치를 생성하는 장치를 나타낸 도면이다. 상기 이차원 차등 채널 정보를 기반으로 빔 가중치를 생성하는 장치는 궤환 정보 추출부(401), 빔 가중치 저장부(403), 빔 가중치 생성부(405)로 구성되어 있다. 궤환 정보 추출부(401)에서는 수신기로부터 긴 주기로 궤환되는 채널상관 정보와 순시적으로 궤환되는 차등 벡터의 양자화된 코드북 지수

를 추출한다. 빔 가중치 저장부(403)은 이전 빔 가중치 정보를 저장하여 빔 가중치 생성부로 이전 채널에 대한 빔 가중치 정보를 제공하는 장치이다. 빔 가중치 생성부(405)는 빔 가중치 저장부(403)에서 얻은 정보

와

를 기반으로 상기 〈수학식 8〉의 과정을 통해 현재 채널에 대한 빔 가중치를 생성한다. 생성된 빔 가중치는 빔 가중치 저장부(403)에 저장된다.

도 5은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 수신기에서 순시 차등 벡터의 크기 추적을 통한 양자화된 채널을 생성하는 방법을 나타낸 도면이다. 수신기에서는 501단계에서 파일럿 신호를 통해 채널 정보를 추정하고, 추정한 채널 정보를 이용하여 상기 〈수학식 2〉와 〈수학식 3〉과 같은 채널 상관 정보를 도출한다. 503단계에서는 상기 501단계에서 도출된 채널 상관정보를 기반으로 수신기에서 가지고 있던 이전 채널 정보로부터 하기의 〈수학식 9〉과 같은 현재 채널과 관련된 추정 채널 성분을 도출한다.

여기서,

과

는 각각 시간과 주파수 축 이전 채널을 나타낸다. 505단계에서는 현재 채널과 상기 〈수학식 9〉를 통해서 추정한 채널

과의 차등 벡터를 생성한다. 상기 차등 벡터를 생성하는 과정을 상세히 살펴보면 하기 〈수학식 10〉과 같다.

여기서, 상기

와

는 서로 독립 동일 분포이고, 상기

는 각 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 가우시안 랜덤 분포를 갖는 랜덤변수들로 이루어진

-차원 벡터이다. 또한,

는

를 정규화(normalization)한 값이다. 도출된 관계로부터 507단계에서는 차등 벡터의 양자화 지수

와 순시 차등 벡터 크기

를 추출하여 궤환한다. 상기 〈수학식 6〉에서는 빔 가중치 벡터를 생성함에 있어서 차등 벡터의 크기가 순시적인 채널 변화량을 따라가는 것이 아니라 채널 상관 정보에 따른 평균적인 채널 변화를 추정한다. 순시 차등 벡터를 추적하기 위해서는 순시 차등 벡터의 크기

값을 궤환하여 송신기에서 채널의 순시적인 변화량을 추적할 수 있는 빔 가중치 벡터를 생성하여야 한다. 그러므로 송신기에서는 빔 가중치를 생성하는 것이 아닌, 차등 벡터의 양자화된 코드북 지수와

를 사용해서 양자화된 채널을 생성한다. 하기의 〈수학식 11〉에서 상기의 과정에 대해서 상세히 기술한다. 상기의 〈수학식 9〉와 〈수학식 10〉으로부터

비트 크기의 코드북을 이용하여

를 양자화하고

를 이용하여 생성한 양자화된 채널 모델은 다음과 같다.

여기에서 지수

는 하기의 〈수학식 12〉을 통해서 도출할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템에서 순시 차등 벡터의 크기 추적을 통한 빔 가중치를 생성하는 장치의 수신기를 나타낸 도면이다. 상기 순시 차등 벡터의 크기 추적을 통한 양자화된 채널을 생성하는 장치는 채널 정보 추정부 및 채널 상관 정보 생성부(601), 양자화된 이전 채널 저장부(603), 현재 채널 추정부 (605), 순시 차등벡터 생성 및 양자화부(607) 로 구성되어 있다. 송신기로부터 전송된 파일럿 신호를 수신기에서 받아서 채널 정보 추정부 및 채널 상관 정보 생성부(601)에서 파일럿 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 추정된 채널 정보로부터 상기 〈수학식 2〉와 〈수학식 3〉의 과정을 거쳐 시간 및 주파수 채널 상관 정보를 도출한다. 그리고 상기 단계에서 얻은 채널 상관 정보를 기반으로 양자화된 이전 채널 저장부(603)로부터 얻은 이전 채널 정보

와

를 이용하여, 순시 차등벡터 생성 및 양자화부(607)에서는 차등 벡터를 상기 〈수학식 11〉과 〈수학식 12〉의 과정을 거쳐 사전에 정의된 코드북으로 양자화된 최적의 지수

를 구하고, 순시 차등 벡터의 크기

를 결정한다. 상기 〈수학식 11〉을 통해서 얻은 양자화된 현재 채널

을 양자화된 이전 채널 저장부(603)에 저장하고, 차등 벡터의 양자화된 코드북 지수

및 순시 차등 벡터의 크기

를 송신기로 궤환한다.

도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 송신기에서 순시 차등 벡터의 크기 추적을 통한 양자화된 채널로부터 빔 가중치를 생성하는 방법을 나타낸 도면이다. 송신기에서는 701단계에서 수신기로부터 궤환된 채널 상관 정보 및 차등 벡터의 양자화된 지수

및 양자화된 순시 차등 벡터의 크기

를 추출한다. 703단계에서는 상기 701단계에서 추출된 정보를 기반으로 송신기에서 가지고 있던 이전 채널 정보를 이용하여 양자화된 현재 채널을 복원한다. 705단계에서는 상기 703단계에서 복원한 채널 정보로부터 현재 채널에 대한 빔 가중치를 생성한다. 상기 703단계에서 궤환 정보를 기반으로 현재 채널의 빔 가중치를 복원하는 과정을 좀 더 상세하게 살펴보면, 긴 주기로 궤환되는 채널 상관 정보

,

와 송신기에서 가지고 있던 이전 채널 정보

,

및 순시적으로 궤환되는 차등 벡터에 대한 코드북의 지수

와 양자화된 순시 차등 벡터의 크기

로부터 하기의〈수학식 13〉의 과정을 거쳐 양자화된 채널

을 생성하게 된다.

도 8는 본 발명의 실시 예에 따른 송신 빔포밍 기법이 적용된 무선통신 시스템의 송신기에서 순시 차등 벡터의 크기 추적을 통한 양자화된 채널로부터 빔 가중치를 생성하는 방법을 나타낸 장치이다. 상기 이차원 차등 궤환을 통한 빔 가중치를 생성하는 장치는 궤환 정보 추출부(801), 채널 정보 저장부(803), 채널 정보 생성부(805), 빔 가중치 생성부(807)로 구성되어 있다. 궤환 정보 추출부(801)에서는 수신기로부터 긴 주기로 궤환되는 채널상관 정보 및 순시적으로 궤환되는 차등 벡터의 양자화된 지수와 양자화된 순시 차등 벡터의 크기를 추출한다. 채널 정보 저장부(803)은 이전 채널 정보를 저장하여 채널 정보 생성부에 정보를 제공하는 장치이다. 채널 정보 생성부(805)는 상기 과정에서 얻은 정보를 기반으로 상기 〈수학식 13〉의 과정을 통해 현재 채널에 대한 채널 정보를 복원한다. 복원된 채널 정보는 채널 정보 저장부(803)에 저장된다. 빔 가중치 생성부(807)에서는 복원된 채널 정보로부터 하기 〈수학식 14〉를 통해서 현재 채널과 최적인 빔 가중치를 생성한다.

본 발명에서는 OFDM기반의 다중 안테나를 사용하여 송신 빔포밍 기법을 사용하는 무선통신 시스템에서 채널 양자화 오차 및 궤환 정보량 부담을 줄이기 위해서, 수신기가 이전 채널 정보를 기반으로 시간 및 주파수의 2차원 채널 상관 정보를 이용하여 현재 채널 정보를 추정하고, 이를 실제 채널과 비교하여 그 차이인 차등 채널 정보만을 송신기에 궤환함으로써, 궤환 정보량 또는 코드북의 양자화 오차를 줄이는 방안을 제안한다. 또한, 수신기가 차등 정보를 궤환함에 있어 차등 벡터의 순시적인 크기를 궤환하여 송신기가 더 정확한 채널 정보를 획득하여, 양자화 오차가 작은 빔 가중치를 생성하는 방안을 제안한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이차원 차등 채널 정보 기반의 차등 벡터를 사용하여 빔 가중치를 생성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이차원 차등 채널 정보 기반의 차등 벡터를 사용하여 빔 가중치를 생성하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 궤환된 채널 정보를 이용하여 빔가중치를 생성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 궤환된 채널 정보를 이용하여 빔가중치를 생성하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이차원 차등 채널 정보 기반의 순시 차등 정보를 사용하여 양자화된 채널을 생성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 이차원 차등 채널 정보 기반의 순시 차등 정보를 사용하여 양자화된 채널을 생성하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 궤환된 채널 정보를 이용하여 양자화된 채널로부터 빔가중치를 생성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명의 실시 예에 따른 궤환된 채널 정보를 이용하여 양자화된 채널로부터 빔가중치를 생성하는 장치을 나타내는 도면이다.

본 발명에 의한, 직교 주파수 분할 다중 접속 기반 다중안테나 무선 시스템에서 송신 빔포밍을 위한 채널 정보 궤환 방법 및 장치는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

Claims

다중 안테나를 사용하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법에 있어서,
(A) 채널 상관 정보 및 이전 채널 정보로부터 현재 채널 정보를 추정하는 단계;
(B) 현재 채널 정보와 추정된 현재 채널 정보 사이의 차등 정보를 생성하고 양자화하는 단계; 및
(C) 양자화된 상기 차등 정보를 이용하여 송신빔 가중치를 생성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제1항에 있어서,
(A) 단계에서, 시간 및 주파수 대역의 2차원 상기 채널 상관 정보를 기반으로 시간 및 주파수 대역의 상기 이전 채널 정보로부터 상기 현재 채널 정보를 추정하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제2항에 있어서,
(A) 단계에서, 상기 이전 채널 정보로부터 현재 채널에 대한 빔 가중치
를 추정하는 과정에서, 빔 가중치를 이용한 평균 차등 벡터 궤환 기법의 경우에, 수학식들,

을 이용하며,
여기서,
는 송신 안테나의 수,

는 각 원소가 평균이 0이고 분산이 1인 독립 동일 분포(independent and identically distributed) 복소 가우시안 랜덤변수(complex Gaussian random variable)로 이루어진
차원 채널벡터,

과
는 각각 시간과 주파수 축 이전 채널 정보,

과
는 각각 시간과 주파수 축 이전 빔 가중치로서 놈(norm)이 1인
-차원 벡터,

와
는 각각 OFDM 시스템의 시간 축의 심볼 간격과 주파수 축의 부반송파 간격,

는 평균(expectation) 연산자(operator)
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제2항에 있어서,
(A) 단계에서, 상기 이전 채널 정보로부터 현재 채널과 관련된 추정 채널 성분
을 추정하는 과정에서,
양자화된 채널을 이용한 순시 차등 벡터 궤환 기법의 경우, 수학식

을 이용하며,
여기서,

과
는 각각 시간과 주파수 축 이전 채널 정보,

와
는 각각 OFDM 시스템의 시간 축의 심볼 간격과 주파수 축의 부반송파 간격,

과
는 각각 시간과 주파수 대역에서의 상관 계수,

와
는 각각 시간 및 주파수 대역의 상관 계수와 연관된 계수,
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제1항에 있어서,
(B) 단계에서, 시간 및 주파수 대역에서의 채널 상관을 이용하여 상기 차등 정보를 생성하며, 상기 차등 정보를 코드북을 통해서 양자화하고, 양자화된 코드북의 지수를 궤환하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제5항에 있어서,
(B) 단계에서,
빔 가중치를 이용한 평균 차등 벡터 궤환 기법의 경우에, 상기 차등 정보는 빔 가중치의 차등 정보로 정의되며, 상기 빔 가중치의 차등 정보의 크기는 순시적인 채널 변화에 관계없이 시간 및 주파수 대역에서의 2차원 상기 채널 상관 정보에 따라 수학식들,

을 이용하여 결정되며,
여기서,
는 차등 벡터의 크기,

는 현재 채널에 대한 빔 가중치로서 놈(norm)이 1인
-차원 벡터,

는 이전 채널로부터 추정된 현재 채널에 대한 추정 성분,

는 놈(norm)이 1인
-차원 벡터,

과
는 각각 시간과 주파수 대역에서의 상관 계수
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제5항에 있어서, 양자화된 채널을 이용한 순시 차등 벡터 궤환 기법의 경우에, 상기 차등 정보는 채널의 차등 정보로 정의 되며, 상기 채널의 차등 정보의 크기는 순시 채널 변화에 따라 수학식

에 기초해 현재 채널과 추정 채널의 순시적인 크기인
과 관련되며,
여기서,

는 각 원소가 평균이 0이고 분산이 1인 독립 동일 분포(independent and identically distributed) 복소 가우시안 랜덤변수(complex Gaussian random variable)로 이루어진
차원 채널벡터,

는 송신 안테나의 수,

는 이전 채널로부터 추정된 현재 채널에 대한 추정 성분,

와
는 서로 독립 동일 분포이고,
는 각 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 가우시안 랜덤 분포를 갖는 랜덤변수들로 이루어진
-차원 벡터,

는
를 정규화(normalization)한 값,

는 차등 벡터의 크기,

과
는 각각 시간과 주파수 대역에서의 상관 계수
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제5항에 있어서,
(B) 단계에서, 빔 가중치를 이용한 평균 차등 벡터 궤환 기법의 경우에, 수학식

을 이용하여
비트 크기의 상기 코드북에 정의된 벡터 중 최적의 상기 지수
를 선택하며,
여기서,
와
는
의 각각 시간과 주파수 대역에서의 이전 빔 가중치 정보,

는 차등 벡터
를 송신기와 수신기 간에 사전에 정의해둔
비트 크기의 코드북을 사용하여 양자화시켜 얻은 양자화된 빔 가중치,

와
는 각각 시간 및 주파수 대역의 상관 계수와 연관된 계수,

는 차등 벡터의 크기,

는 양자화된 차등 벡터
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제5항에 있어서,
(B) 단계에서, 양자화된 채널을 이용한 순시 차등 벡터 궤환 기법의 경우에, 수학식

을 이용하여
비트 크기의 상기 코드북에 정의된 벡터 중 최적의 상기 지수
를 선택하며,
여기서,

와
는
의 각각 시간과 주파수축 이전 채널 정보,

는
비트 크기의 코드북을 이용하여
를 양자화하고
를 이용하여 생성한 양자화된 채널 벡터,

와
는 각각 시간 및 주파수 대역의 상관 계수와 연관된 계수,

는 차등 벡터의 크기,

는 양자화된 차등 벡터,

는 각 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 가우시안 랜덤 분포를 갖는 랜덤변수들로 이루어진
-차원 벡터,

는 송신 안테나의 수
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제1항에 있어서,
(C) 단계에서, 궤환된 채널 상관 정보와 저장된 이전 채널 정보를 이용하여 현재 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 현재 채널 정보와 궤환받은 양자화된 차등 정보를 사용하여 상기 송신빔 가중치를 생성하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제10항에 있어서,
(C) 단계에서, 상기 송신빔 가중치
를 생성하는 과정에서, 빔 가중치를 이용한 평균 차등 궤환 기법의 경우, 수학식,

을 이용하며,
여기서,

와
는
의 각각 시간과 주파수 대역에서의 이전 빔 가중치 정보,

는 양자화된 차등 벡터,

는 차등 벡터의 크기,

와
는 각각 시간 및 주파수 대역의 상관 계수와 연관된 계수,
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
제 10항에 있어서,
(C) 단계에서, 상기 송신빔 가중치를 생성하는 과정에서, 양자화된 채널을 이용한 순시 차등 벡터 궤환 기법의 경우, 수학식들,

을 이용하여, 최적 송신빔 가중치
를 생성하며,
여기서,

와
는
의 각각 시간과 주파수축 이전 채널 정보,

와
는 각각 시간 및 주파수 대역의 상관 계수와 연관된 계수,

는 차등 벡터의 크기,

는 양자화된 차등 벡터,

는 각 원소가 평균이 0이고, 분산이 1인 복소 가우시안 랜덤 분포를 갖는 랜덤변수들로 이루어진
-차원 벡터,

는 송신 안테나의 수,
인 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템에서 송신빔을 발생하는 방법.
다중 안테나를 사용하여 송신빔을 발생하는 OFDM 기반 무선 시스템에 있어서,
채널 상관 정보 및 이전 채널 정보로부터 현재 채널 정보를 추정하는 제1수단;
현재 채널 정보와 추정된 현재 채널 정보 사이의 차등 정보를 생성하고 양자화하는 제2수단; 및
양자화된 상기 차등 정보를 이용하여 송신빔 가중치를 생성하는 제3수단
을 포함하는 것을 특징으로 하는 OFDM 기반 무선 시스템.