KR101160424B1 - 다중안테나 무선 시스템에서 협력 전송 방법 및 장치 - Google Patents

다중안테나 무선 시스템에서 협력 전송 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중안테나(multiple antennas)를 사용하는 무선 통신 시스템에서 다중사용자의 양자화(quantization)된 채널 정보를 이용하여 기지국(base station) 간에 협력적으로 사용자를 선택(coordinated scheduling)하고 송신 신호를 생성하여 인접 셀로부터의 동일 채널 간섭(co-channel interference) 영향을 감소시킬 수 있는 협력 전송 기법 및 장치에 관한 것이다. 사용자마다 송신 채널상관 정보가 서로 독립적인 특성을 갖는 경우 고유공간(eigen-space)에서 직교성(orthogonality)을 형성할 수 있어 인접 셀 간섭 영향 없이 신호를 전송할 수 있으나, 채널 정보 양자화 과정에서 필연적으로 발생하는 양자화 오류(quantization error)로 인한 고유공간 상의 직교성 손상으로 간섭 현상이 발생하게 되어 전송 성능이 크게 저하된다. 또한, 기지국의 송신 빔형성 기법(일례로, 고유 빔형성(eigen-beamforming; 이하 EBF), 정합 빔형성(coherent beamforming; 이하 CBF) 등)에 따라 간섭의 평균 특성(statistical characteristics)이 다르기 때문에, 사용자의 채널 환경(일례로, 채널상관도, 신호대간섭잡음비(signal-to-interference plus noise ratio; 이하 SINR), 속도 등)에 따라 다른 송신 신호 생성 기법을 선별적으로 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 양자화된 채널 정보 특성을 고려하여 직교성이 큰 채널 상관 특성을 갖는 사용자 그룹을 결정하고, 상기 선택된 사용자 그룹 내에서 채널 품질이 제일 좋은 사용자를 선택한 후, 상기 선택된 사용자의 채널 환경에 따라 최적의 송신 신호 생성 기법을 사용하여 신호를 전송함으로써, 동일 채널 간섭 완화 효과, 다중사용자 다이버시티(multi-user diversity) 이득과 빔형성 이득을 동시에 얻어 전송 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

다중안테나 무선 시스템에서 협력 전송 방법 및 장치 {APPARATUS AND METHOD OF COOPERATIVE TRANSMISSION IN MULTI-ANTENNA WIRELESS SYSTEMS}
본 발명은 다중안테나 무선 시스템에서 양자화된 채널상관 정보와 채널 품질 정보를 이용하여 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 기지국 간 (또는 이종셀 간) 협력 전송 기법 및 장치에 관한 것이다.
다중안테나 기술은 무선통신 시스템의 채널 용량을 획기적으로 향상시키기 위한 전송 방식으로 주목을 받고 있다. 그러나, 다중셀(multi-cell) 구조의 무선 통신 환경에서 시스템 용량(system throughput)은 인접 기지국으로부터 발생하는 동일 채널 간섭에 의해 크게 제한된다. 만약, 기지국 간 모든 사용자의 순시(instantaneous) 채널정보를 알 수 있다면 동일 채널 간섭을 기지국에서 미리 제거하는 협력 기반의 더티페이퍼코딩(coordinated dirty paper coding; 이하 C-DPC) 기법이 시스템 용량 관점에서 최적임이 알려져 있다. 그러나 이를 지원하기 위해서는 모든 사용자들이 순시적으로 채널정보를 추정해서 상향링크(uplink)를 통해 기지국에 전달하고, 협력하는 기지국들은 이들 간의 망(backhaul network)을 통하여 순시 채널정보를 공유해야 하므로, 정보 전달에 따른 통신 부담과 시간 지연으로 인한 채널 불일치(channel mismatch) 문제가 발생하고, 또한, C-DPC 기법의 실장 복잡도가 매우 높아 실제 환경에서 적용이 어렵다. 기존의 순시 채널정보를 이용한 간섭 인지(interference-awareness) 기반의 협력적인 사용자 선택 및 최소 평균 자승 오류(minimum mean squared error; 이하 MMSE) 방식의 빔형성 기법을 통해 상기 실장 복잡도를 줄이면서 C-DPC에 근접한 시스템 용량을 제공하였다. 그러나, 이 기법도 여전히 큰 정보 궤환 부담과 채널 불일치 문제가 발생하여 실제 시스템에 적용하기 힘들다.
이러한 문제점을 완화시키기 위해 사용자의 평균 채널정보인 채널상관 정보를 이용한 고유공간 기반의 협력적인 사용자 선택 및 고유 빔형성 기법이 제안되었다. 이 기법의 경우, 채널상관 정보가 순시 채널정보보다 상대적으로 시간에 따른 변동이 적으므로 비교적 긴 주기로 채널상관 정보를 궤환함으로써 상향링크를 통한 채널 정보 궤환량이 크게 감소한다는 장점이 있다. 일반적으로, 채널상관 정보는 데이터 신호와 함께 수신되는 알고 있는 신호(일례로, 파일럿(pilot) 등)를 사용하여 추정되고, 일정 크기의 비트(bit)로 양자화되어 상향링크 채널을 통해 궤환된다. 그러나, 양자화 과정에서 발생하는 오류 때문에 궤환된 채널 정보에 따라 선택된 사용자의 직교성(orthogonality)이 실제와는 다르게 되어, 이로 인하여 서로 독립적인 고유공간 간에 상호 간섭 현상이 발생한다. 그리고, 채널상관 정보는 채널 크기의 순시적인 변화를 반영할 수 없기 때문에 순시 채널 이득을 최대화하는 기회적 전송(opportunistic transmission) 기법 사용이 불가능하다. 또한, 사용자의 채널 환경 고려 없이 고유 빔형성 기법만을 사용하기 때문에 빔형성 이득을 최대화할 수 없다. 따라서, 인접 기지국으로부터의 인한 동일 채널 간섭을 제어하는 데 있어 정보 궤환량의 큰 증가 없이 기회적으로 신호를 전송함으로써 성능을 향상시킬 수 있는 기지국 간 협력 전송 기법이 요구된다. 본 발명은 다중안테나 무선 시스템에서 양자화된 채널상관 정보와 채널 품질 정보를 이용하여 동일 채널 간섭을 제어하면서 사용자 채널 환경에 최적화된 송신 빔을 발생하여 기회적 전송을 함으로써 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 기지국 간 협력 전송 기법 및 장치에 관한 것이다.
다중셀 구조의 무선 통신 시스템의 성능에 큰 영향을 주는 동일 채널 간섭을 제어하기 위해, 큰 궤환 정보량 부담이 없이 동일 채널 간섭을 제어하면서 기존 방식보다 시스템 성능이 우수한 다중셀 간 새로운 협력 전송 기법을 제안하고자 한다.
본 발명은 다중안테나 무선 시스템에서 양자화된 채널상관 정보와 채널 품질 정보를 이용하여 동일 채널 간섭을 제어하면서 사용자 채널 환경에 최적화된 송신 빔을 발생하여 기회적 전송을 함으로써 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 기지국 간 협력 전송 기법 및 장치에 관한 것이다.
송신 채널상관도가 존재하는 다중안테나 다중사용자 무선 시스템에서 순시 채널정보를 이용한 간섭 인지 기반의 협력 스케줄링 및 MMSE 빔형성 기법은 상향링크로의 궤환 부담 문제가 있었다. 평균 채널정보 기반의 협력 스케줄링 및 고유 빔형성 기법은 상향링크로의 궤환 부담이 적으면서 순시 채널정보 기반의 기법에 필적할만한 성능을 제공하였으나 양자화 오류에 의해 시스템 용량이 제한되는 한계가 있었다. 본 발명에서 제안하는 혼합된 채널정보를 사용하는 협력 스케줄링 및 송신 빔형성 기법의 경우 양자화된 채널상관 정보와 채널 품질 정보를 이용하여 간섭 제어 이득과 추가적인 다중사용자 다이버시티 이득을 얻도록 사용자를 스케줄링하고 선택된 사용자의 채널 환경을 고려하여 최적의 송신 빔을 적응적으로 선택함으로써 높은 시스템 용량을 제공할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 제안 기법 및 그 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 또 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1. 다중사용자 다중안테나 무선 시스템
도 2. 제안된 협력 스케줄링 및 송신 빔형성 기법의 전체 동작 절차
도 3. 고유공간 기반의 준-직교 사용자 그룹 결정기의 동작 원리
도 4. 혼합형 채널정보 기반의 협력 스케줄링 기법의 동작 절차
도 5. 송신 빔형성 기법 결정기의 동작 절차
도 6. 제안된 협력 스케줄링 및 송신 빔형성 기법의 구현 실시 예
도 1과 같이
Figure 112010073169966-pat00001
개의 송신 안테나(104, 108)를 사용하는 기지국(101, 105)이 셀 경계에 랜덤하게 분포되어 있는 총
Figure 112010073169966-pat00002
명의 사용자(110)를 서비스하는 다중안테나를 이용하는 다중 셀(또는 기지국) 협력방식의 무선 전송 시스템을 고려한다. 본 발명의 내용을 쉽게 기술하기 위하여, 두 기지국
Figure 112010073169966-pat00003
와
Figure 112010073169966-pat00004
가 협력하여 전송하는 경우를 가정하여 기술한다. 기지국
Figure 112010073169966-pat00005
와
Figure 112010073169966-pat00006
는 각각의 사용자
Figure 112010073169966-pat00007
와
Figure 112010073169966-pat00008
에게 신호생성기(102, 106)에서 생성되는 신호
Figure 112010073169966-pat00009
와
Figure 112010073169966-pat00010
에 정규화된 빔형성 계수 벡터
Figure 112010073169966-pat00011
와
Figure 112010073169966-pat00012
(103, 107)을 사용하여 송신 신호를 생성한다. 기지국
Figure 112010073169966-pat00013
와 사용자
Figure 112010073169966-pat00014
간의
Figure 112010073169966-pat00015
채널 벡터를
Figure 112010073169966-pat00016
라 나타내면, 사용자
Figure 112010073169966-pat00017
가 수신안테나를 통해 수신하는 신호는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112010073169966-pat00018
여기서
Figure 112010073169966-pat00019
는 기지국
Figure 112010073169966-pat00020
의 송신 전력을,
Figure 112010073169966-pat00021
는 기지국
Figure 112010073169966-pat00022
와 사용자
Figure 112010073169966-pat00023
사이의 경로 손실(path loss)을,
Figure 112010073169966-pat00024
는 기지국
Figure 112010073169966-pat00025
의 정규화된 빔포밍 벡터(
Figure 112010073169966-pat00026
)를,
Figure 112010073169966-pat00027
는 기지국
Figure 112010073169966-pat00028
의 송신 데이터를,
Figure 112010073169966-pat00029
는 평균이 0이고 분산이
Figure 112010073169966-pat00030
인 복소 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise; AWGN)을,
Figure 112010073169966-pat00031
는 행렬
Figure 112010073169966-pat00032
의 복소 전치 행렬(Hermitian matrix)을 나타낸다.
기지국
Figure 112010073169966-pat00033
과 사용자
Figure 112010073169966-pat00034
사이의 채널상관 행렬을
Figure 112010073169966-pat00035
라 할 경우, 채널 벡터
Figure 112010073169966-pat00036
는 <수 2>와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112010073169966-pat00037
여기서
Figure 112010073169966-pat00038
는 공간적으로 상관도가 없는(즉, 평균이 0이고 분산이 1인 서로 독립적이고 동일한 분포를 갖는(independent and identically distributed; 이하 i.i.d.) 복소 가우시안 채널 벡터이며, 채널상관 행렬
Figure 112010073169966-pat00039
은 <수 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010073169966-pat00040
여기서
Figure 112010073169966-pat00041
은 채널상관 크기가
Figure 112010073169966-pat00042
이고, 위상이
Figure 112010073169966-pat00043
인 복소 채널상관 계수(complex-valued correlation coefficient)를 나타낸다.
상기 채널상관 계수의 위상을
Figure 112010073169966-pat00044
비트로 양자화하는 경우, 각 사용자는 전체 위상이
Figure 112010073169966-pat00045
인 영역을 크기가
Figure 112010073169966-pat00046
이고 균등하게 분포된 위상 집합
Figure 112010073169966-pat00047
에서 <수 4>와 같이 정해지는 위상 지수
Figure 112010073169966-pat00048
를 기지국에게 궤환한다.
Figure 112010073169966-pat00049
기지국
Figure 112010073169966-pat00050
와 사용자
Figure 112010073169966-pat00051
사이의 양자화된 채널상관 행렬
Figure 112010073169966-pat00052
은 양의 준정부호(positive semi-definite) 특성을 갖는 복소 전치 행렬이므로, <수 5>와 같이 고유치 분해(eigen-value decomposition; EVD)가 가능하다.
Figure 112010073169966-pat00053
여기서
Figure 112010073169966-pat00054
와
Figure 112010073169966-pat00055
는 각각 유니터리(unitary) 행렬과 대각(diagonal) 행렬을 나타내고,
Figure 112010073169966-pat00056
의 열(column)은
Figure 112010073169966-pat00057
의 정규화된 고유벡터(eigenvectors)들이고,
Figure 112010073169966-pat00058
의 대각 원소들은 내림 차순된 음이 아닌 실수값을 갖는 고유치(descending ordered non-negative real eigenvalues)이다(즉,
Figure 112010073169966-pat00059
). 이 때, 가장 큰 고유치에 해당하는 고유벡터를
Figure 112010073169966-pat00060
라 정의한다(즉,
Figure 112010073169966-pat00061
).
상기 채널상관 계수의 위상을
Figure 112010073169966-pat00062
비트로 양자화하는 경우, 사용자
Figure 112010073169966-pat00063
가 기지국
Figure 112010073169966-pat00064
로부터 받는 간섭의 크기는 <수 6>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010073169966-pat00065
여기서
Figure 112010073169966-pat00066
는 평균 신호대잡음비(signal-to-noise power ratio; 이하 SNR)를,
Figure 112010073169966-pat00067
는
Figure 112010073169966-pat00068
와
Figure 112010073169966-pat00069
간의 위상 차를 나타낸다. 즉, 동일 채널 간섭은 채널상관 크기
Figure 112010073169966-pat00070
와 위상 차이
Figure 112010073169966-pat00071
뿐 만 아니라 양자화 비트 수
Figure 112010073169966-pat00072
에 의해 결정됨을 알 수 있다. 이는 서로 독립적인 특성을 갖는 다중사용자의 고유공간 영역에서, 고유공간의 직교성이 채널의 통계적 특성뿐 만 아니라 양자화 오류에 의해 영향을 받는다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 협력 전송 기법의 전체적인 동작 절차를 도식화한 것이다. 사용자는 기지국으로부터 수신되는 공통 파일럿 신호를 이용하여 채널상관 정보를 측정하고 이를 양자화하여 기지국으로 궤환한다. 기지국은 백홀망을 통해 채널상관 정보를 인접 기지국과 공유하고, 이를 바탕으로 사용자 채널과 간섭 채널 간의 고유공간이 직교성에 가까운 특성을 갖는 사용자 그룹을 결정한 후, 상기 결정된 사용자 그룹 내에 속한 사용자들 중에서 채널 품질 정보가 가장 우수한 사용자를 최종적으로 선택한다. 상기 선택된 사용자의 채널 환경(일례로, SNR, 채널상관도, 속도 등)을 고려하여 최적의 송신 빔 생성 기법을 사용하여 상기 선택된 사용자에게 데이터를 전송한다.
도 3은 양자화된 채널상관 정보를 이용하여 상기 사용자 그룹을 결정하는 동작 원리를 나타낸 것이다. 설명의 편의를 위해, 일례로 송신 안테나가 2개이고, 양자화 비트가 3비트인 경우를 고려하면, 양자화된 채널상관 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다 [21].
Figure 112010073169966-pat00073
여기서
Figure 112010073169966-pat00074
. 이때, 사용자
Figure 112010073169966-pat00075
의 간섭 채널의 양자화된 위상
Figure 112010073169966-pat00076
를
Figure 112010073169966-pat00077
라 하면(즉,
Figure 112010073169966-pat00078
), 기지국
Figure 112010073169966-pat00079
는 사용자
Figure 112010073169966-pat00080
에게 미치는 간섭을 최소화하기 위해
Figure 112010073169966-pat00081
조건을 만족하는 사용자를 선택해야 한다. 그러나, 양자화 오류로 인해 위상
Figure 112010073169966-pat00082
가
Figure 112010073169966-pat00083
범위 내에 속한 사용자들은 모두 같은 위상 값인
Figure 112010073169966-pat00084
로 양자화되어, 실제와는 다르게 다수의 사용자
Figure 112010073169966-pat00085
가 사용자
Figure 112010073169966-pat00086
의 간섭 채널의 고유공간과 직교하는 것으로 판단되어 선택된다. 따라서, 이렇게 선택된 사용자들 사이의 고유공간은 실제로는 직교하지 않고, 직교에 가까운(near-orthogonal) 특성을 갖기 때문에 본 발명에서는 준-직교 사용자 그룹이라고 칭한다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 혼합된 채널정보를 사용하는 협력 스케줄링 기법의 동작 절차를 도식화한 것이다. 제안하는 협력 스케줄링 기법의 경우, 양자화된 채널상관 정보를 이용하여 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00087
를 기지국
Figure 112010073169966-pat00088
와
Figure 112010073169966-pat00089
가 협력하여 결정하고, 기지국
Figure 112010073169966-pat00090
는 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00091
에 속해있는 자신의 사용자들 중에서 채널 품질 정보가 가장 큰 사용자를 선택한다. 마찬가지로, 기지국
Figure 112010073169966-pat00092
는 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00093
에 속해있는 자신의 사용자들 중에서 채널 품질 정보가 가장 큰 사용자를 선택한다. 이를 위해, 사용자는 기지국으로부터 수신되는 알려진 신호(일례로, 파일럿 또는 프리앰블(preamble) 신호)를 이용하여 순시 채널을 추정하고 채널상관 정보 추정기(403, 407)에서 채널상관 정보를 측정한다. 측정된 채널상관 정보는 양자화기(404, 408)에서 양자화되어 자신의 기지국으로 전달되고, 인접 기지국들은 백홀망(409)을 통하여 이를 공유한다. 일례로 협력하는 두 기지국
Figure 112010073169966-pat00094
와
Figure 112010073169966-pat00095
는 서로가 유발하는 인접 셀 간섭을 감소시키기 위해 공유된 채널상관 정보를 이용하여 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00096
를 <수 8>과 같은 방식으로 결정할 수 있다.
Figure 112010073169966-pat00097
여기서
Figure 112010073169966-pat00098
Figure 112010073169966-pat00099
와
Figure 112010073169966-pat00100
는 각각 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00101
에 속해 있는 기지국
Figure 112010073169966-pat00102
의 사용자와 기지국
Figure 112010073169966-pat00103
의 사용자를,
Figure 112010073169966-pat00104
는 행렬
Figure 112010073169966-pat00105
의 대각합 연산자(trace operator)를 나타낸다. <수 8>에서 보는 바와 같이 사용자
Figure 112010073169966-pat00106
와
Figure 112010073169966-pat00107
의 인접 셀 간섭을 최소화함으로써 사용자
Figure 112010073169966-pat00108
와
Figure 112010073169966-pat00109
의 채널 용량을 최대화할 수 있다. 즉, 기지국
Figure 112010073169966-pat00110
와
Figure 112010073169966-pat00111
는 사용자
Figure 112010073169966-pat00112
와
Figure 112010073169966-pat00113
가 각각
Figure 112010073169966-pat00114
와
Figure 112010073169966-pat00115
만큼의 평균적 간섭이 존재할 것으로 판단하고 상기 간섭이 최소가 되는 사용자 집합
Figure 112010073169966-pat00116
를 결정한다. 그러나, 도 3에서 설명한 것과 같이 양자화 오류 때문에 간섭이 최소가 되는 사용자 집합
Figure 112010073169966-pat00117
는 다수 개가 발생할 수 있다. 준-직교 사용자 집합
Figure 112010073169966-pat00118
는 인접 셀 간섭이 통계적인 채널정보 관점에서 간섭이 최소가 되는 사용자 집합
Figure 112010073169966-pat00119
로 이루어져 있고, 이들 사이의 간섭 감소로 인한 평균적 이득은 동일하다. 따라서 시스템 용량을 최대화하기 위해서는 상기 준-직교 사용자 집합
Figure 112010073169966-pat00120
에서 자신의 기지국과 채널 품질이 좋은 사용자를 선택함으로써 채널 이득을 극대화하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 각 기지국은 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00121
에 속해 있는 자신의 사용자들의 채널 품질 정보를 궤환받아 채널 품질이 가장 좋은 사용자를 서로 독립적으로 결정한다. 일례로, 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00122
에 속해있는 사용자
Figure 112010073169966-pat00123
는 <수 9>와 같이 채널 품질 정보를 계산하여 기지국
Figure 112010073169966-pat00124
에게 전달한다.
Figure 112010073169966-pat00125
기지국
Figure 112010073169966-pat00126
는 이를 이용하여 <수 10>과 같이 사용자를 결정한다.
Figure 112010073169966-pat00127
여기서
Figure 112010073169966-pat00128
는 준-직교 사용자 그룹
Figure 112010073169966-pat00129
에 속해 있는 기지국
Figure 112010073169966-pat00130
의 사용자 중 가장 큰 채널 품질 정보를 갖는 사용자를 의미한다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 송신 빔형성 기법 결정기의 동작 절차를 도식화한 것이다. 본 발명 기술의 편의를 위해, 일례로 기지국이 정합 빔형성(CBF) 기법 또는 고유 빔형성(EBF) 기법을 사용하여 송신 빔을 형성하여 전송하는 경우를 가정한다. 먼저 상기 협력 스케줄러에서 결정된 각 사용자
Figure 112012009348629-pat00131
와
Figure 112012009348629-pat00132
에 대하여 기지국
Figure 112012009348629-pat00133
와
Figure 112012009348629-pat00134
는 채널 용량 계산기(501)에서 CBF 기법을 사용했을 경우와(502) EBF 기법을 사용했을 경우의(503) 채널 용량을 계산한다. 그리고 빔형성 기법에 따른 채널 용량을 비교하여(505) 채널 용량이 더 큰 빔형성 기법을 선택한다. CBF 기법이 선택된 경우에 기지국
Figure 112012009348629-pat00135
와
Figure 112012009348629-pat00136
는 <수 11>과 같이 결정된 빔형성 계수를 이용하여 빔을 생성하고(506)
Figure 112010073169966-pat00137
EBF 기법이 선택된 경우에는 <수 12>와 같이 결정된 빔형성 계수를 이용하여(507) 신호를 전송한다.
Figure 112010073169966-pat00138
여기서
Figure 112010073169966-pat00139
는 기지국
Figure 112010073169966-pat00140
와 사용자
Figure 112010073169966-pat00141
사이의 양자화된 순시 채널 벡터를,
Figure 112010073169966-pat00142
는 벡터
Figure 112010073169966-pat00143
의 크기(norm)를,
Figure 112010073169966-pat00144
는 양자화된 채널상관 행렬
Figure 112010073169966-pat00145
의 주 고유벡터를 나타낸다. 이 때 상기 채널 용량 계산(501)은 준-직교 사용자 그룹에 속한 사용자들에 대하여 모두 동일한 결과가 도출되므로, 준-직교 사용자 그룹의 변경이 없으면 상기 단계를 생략하고, 이전에 계산한 결과를 그대로 사용한다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 혼합된 채널정보를 사용하는 협력 스케줄링 및 송신 빔형성 기법이 구현된 전송 장치 일례를 나타낸다. 먼저 사용자(610, 619)는 수신안테나에서 기지국(601, 618)의 송신안테나로부터 전송된 수신 신호로부터 파일럿 신호를 추출하고, 이를 이용해 채널상관 정보 추정기(613)에서 각자의 채널상관 정보를 획득한다. 이후 채널상관 정보 양자화기(614)에서 이를 양자화하고 양자화된 채널상관 정보를 상향링크 채널을 통해 기지국으로 궤환한다. 기지국은 준-직교 사용자 집합 결정기(604)에서 <수 8>과 같은 방식으로 준-직교 사용자 집합을 결정하고 상기 준-직교 사용자 집합에 속한 사용자는 <수 9>와 같이 채널 품질 정보를 계산하여 기지국으로 전달한다. 기지국은 기회적 사용자 선택기(opportunistic scheduler)(605)에서 <수 10>과 같은 방식으로 최종 사용자를 선택한다. 기지국은 빔 선택기(608)에서 다중사용자 스케줄러(603)에서 최종 선택된 사용자의 채널 환경을 고려한 최적의 송신 빔 기법을 사용하여 신호생성기(607)의 사용자 신호를 전송한다. 이러한 신호는 채널을 거쳐 각 사용자에게 전송되며, 사용자는 이를 수신하고 채널 추정기(612)에서 추정된 채널정보를 바탕으로 데이터 복조기(617)에서 신호를 복조한다.

Claims (7)

  1. 다중안테나를 이용하는 무선 통신 시스템의 기지국 간에 협력하여 신호를 전송하는 장치에 있어서,
    양자화된 채널상관 정보를 이용하여 직교성에 가까운 채널상관 특성을 갖는 사용자 그룹을 협력적으로 결정하고, 상기 결정된 사용자 그룹에 속한 사용자들의 채널 품질에 따라 사용자를 선택하는 선택부와,
    상기 결정된 사용자의 전송 용량이 최대가 되게 하는 송신 빔형성 기법을 사용하여 신호를 전송하는 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 양자화된 채널상관 정보를 이용하여 직교성에 가까운 채널상관 특성을 갖는 사용자 그룹을 협력적으로 결정하고, 상기 결정된 사용자 그룹에 속한 사용자들의 채널 품질에 따라 사용자를 선택하는 선택부는,
    양자화된 채널상관 정보를 고유치 분해(eigen-value decomposition)하여 얻은 주 고유벡터(eigen-vector)가 서로 직교에 가까워 시스템 용량이 최대가 되게 하는 사용자들의 집합
    Figure 112012009348629-pat00212
    를 주변 기지국들이 협력하여 결정하고,
    상기 집합
    Figure 112012009348629-pat00213
    에 속한 사용자들은 자신의 채널 품질을 각자의 서빙 기지국으로 전달하고,
    각 기지국은 상기 전달 받은 채널 품질이 가장 좋은 사용자를 기회적으로 선택하는(opportunistic scheduling) 것을 특징으로 하는 장치.
    일례로 두 개의 기지국
    Figure 112012009348629-pat00214
    와
    Figure 112012009348629-pat00215
    가 협력하는 경우, 기지국
    Figure 112012009348629-pat00216
    와
    Figure 112012009348629-pat00217
    는 서로 공유하고 있는 사용자의 평균 채널 정보로부터 하기 수식과 같이 시스템 용량을 최대화하는 사용자들의 집합
    Figure 112012009348629-pat00218
    를 정할 수 있다.
    Figure 112012009348629-pat00219

    여기서,
    Figure 112012009348629-pat00220
    와
    Figure 112012009348629-pat00221
    는 각각 사용자 그룹
    Figure 112012009348629-pat00222
    에 속해 있는 기지국
    Figure 112012009348629-pat00223
    와
    Figure 112012009348629-pat00224
    의 사용자 지수를 나타내며,
    Figure 112012009348629-pat00225

    Figure 112012009348629-pat00226
    는 사용자
    Figure 112012009348629-pat00227
    가 수신한 기지국
    Figure 112012009348629-pat00228
    에서 보낸 신호의 평균 SNR이고,
    Figure 112012009348629-pat00229
    는 기지국
    Figure 112012009348629-pat00230
    와 사용자
    Figure 112012009348629-pat00231
    사이의 양자화된 채널상관 행렬이고,
    Figure 112012009348629-pat00232
    는 양자화된 채널상관 행렬
    Figure 112012009348629-pat00233
    의 가장 큰 고유치에 해당하는 고유 벡터이고,
    Figure 112012009348629-pat00234
    는 행렬
    Figure 112012009348629-pat00235
    의 대각합 연산자(trace operator)를 나타낸다.
    상기 결정된 사용자 그룹
    Figure 112012009348629-pat00236
    에 속해 있는 사용자
    Figure 112012009348629-pat00237
    는 채널 품질을 하기 수식과 같이 측정하여 기지국
    Figure 112012009348629-pat00238
    에 전달하고,
    Figure 112012009348629-pat00239

    기지국
    Figure 112012009348629-pat00240
    는 이를 이용하여 하기 수식과 같이 사용자를 기회적으로 선택할 수 있다.
    Figure 112012009348629-pat00241

    여기서
    Figure 112012009348629-pat00242
    는 기지국
    Figure 112012009348629-pat00243
    에 의해 선택된 상기 사용자 그룹
    Figure 112012009348629-pat00244
    에 속해 있는 사용자 지수를 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 결정된 사용자의 전송 용량이 최대가 되게 하는 송신 빔형성 기법을 사용하여 신호를 전송하는 전송부는,
    각 기지국이 빔형성 기법 사용에 따른 상기 선택된 사용자의 전송 용량을 추정하는 추정기와,
    상기 추정 전송 용량을 최대로 하는 빔형성 기법을 사용하여 신호를 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 각 기지국이 빔형성 기법 사용에 따른 상기 선택된 사용자의 전송 용량을 추정하는 추정기는,
    상기 선택된 사용자들의 양자화된 채널 품질 정보를 이용하여 각 기지국이 적용 가능한 다중안테나 전송 기법들에 대한 채널 전송 용량을 이론적으로 추정하는 장치.
    일례로, 두 개의 기지국
    Figure 112012009348629-pat00245
    와
    Figure 112012009348629-pat00246
    가 협력하고 각 기지국이 정합 빔형성(coherent beamforming; 이하 CBF) 또는 고유 빔형성(eigen-beamforming; 이하 EBF) 안테나 기법을 사용하여 신호를 전송하는 경우, 기지국이 결정한 사용자
    Figure 112012009348629-pat00247
    와
    Figure 112012009348629-pat00248
    에 대하여 순시 채널 및 채널상관 정보의 양자화 오류를 감안하여 CBF와 EBF 기법 사용에 따른 전송 용량
    Figure 112012009348629-pat00249
    와
    Figure 112012009348629-pat00250
    를 하기 수식과 같이 계산한다.
    Figure 112012009348629-pat00251

    Figure 112012009348629-pat00252

    여기서
    Figure 112012009348629-pat00253
    을 송신 안테나 수를,
    Figure 112012009348629-pat00254
    을 순시 채널 정보의 양자화 비트 수라 하면,
    Figure 112012009348629-pat00255

    Figure 112012009348629-pat00256

    와 같이 계산할 수 있다.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 추정 전송 용량을 최대로 하는 빔형성 기법을 사용하여 신호를 전송하는 송신기는,
    상기 추정된 빔형성 기법에 따른 각 사용자의 채널 용량을 비교하여 이들 중 최대가 되게 하는 빔형성 기법을 각 사용자에게 적용하여 송신 신호를 발생하여 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
    일례로, 두 개의 기지국
    Figure 112012009348629-pat00257
    와
    Figure 112012009348629-pat00258
    가 협력하고 각 기지국이 CBF 또는 EBF 안테나 기법을 사용하여 신호를 전송하는 경우, 기지국
    Figure 112012009348629-pat00259
    의 선택된 사용자
    Figure 112012009348629-pat00260
    의 제 5항에서 추정된 두 송신 빔형성 기법의 채널 용량이
    Figure 112012009348629-pat00261
    인 경우에는 하기 수식과 같이 결정되는 CBF 기법의 빔형성 계수를 사용하여 신호를 전송하고,
    Figure 112012009348629-pat00262

    반대로
    Figure 112012009348629-pat00263
    인 경우에는 하기 수식과 같이 결정되는 EBF 기법의 빔형성 계수를 사용하여 신호를 전송한다.
    Figure 112012009348629-pat00264

    여기서
    Figure 112012009348629-pat00265
    는 기지국
    Figure 112012009348629-pat00266
    와 사용자
    Figure 112012009348629-pat00267
    사이의 양자화된 순시 채널 벡터를,
    Figure 112012009348629-pat00268
    는 벡터
    Figure 112012009348629-pat00269
    의 크기(norm)를,
    Figure 112012009348629-pat00270
    는 양자화된 채널상관 행렬
    Figure 112012009348629-pat00271
    의 가장 큰 고유치에 해당하는 고유벡터를 나타낸다.
  7. 삭제
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