KR101179709B1 - 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법 및 장치 - Google Patents

다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법 및 장치 Download PDF

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KR101179709B1 KR1020110021055A KR20110021055A KR101179709B1 KR 101179709 B1 KR101179709 B1 KR 101179709B1 KR 1020110021055 A KR1020110021055 A KR 1020110021055A KR 20110021055 A KR20110021055 A KR 20110021055A KR 101179709 B1 KR101179709 B1 KR 101179709B1
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김진성
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Abstract

본 발명은, 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법에 있어서, 송신측의 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 제1사용자를 선택하는 과정과, 상기 적어도 하나의 제1사용자에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제1상위 바운드를 계산하는 과정과, 상기 복수개의 사용자들 중 제2사용자를 더 선택하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자와, 상기 제2사용자 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 계산하는 과정과, 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 지 비교하는 과정과, 상기 비교 결과 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 경우, 상기 제2사용자를 스케줄링 목록에 포함시키는 과정을 포함하며; 상기 스케줄링 목록은 상기 송신측이 데이터 스트림을 동시에 송신할 사용자들의 목록임을 특징으로 한다.

Description

다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SCHEDULING IN A MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적인 다중 입출력(MIMO: Multiple Input Multiple output) 통신 시스템에서 송신측의 서비스 영역 내에 다수의 사용자들이 존재할 경우, 상기 송신측은 동시 송신을 위한 사용자들의 수를 결정해야 한다. 종래 기술에 따르면, 상기한 동시 송신을 위한 사용자들의 수를 결정하기 위해서는 낮은 복잡도를 고려한 블록 대각 (BD: Block Diagonalization) 방식과, 합 레이트 성능(sum rate performance) 향상을 고려한 직교 공간-분할 멀티플렉싱(OSDM: Orthogonal Space Division Multiplexing) 방식 등이 사용되어 왔다. 그러나, 종래 기술에 따른 BD 방식 또는 OSDM 방식은 복잡도를 낮추도록 설계할 경우 합 레이트 성능이 나빠지고, 합 레이트 성능이 높아지도록 설계하면, 복잡도가 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 복잡도를 감소시키면서 합 레이트 성능을 보다 향상시키기 위한 스케줄링 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 복잡도를 감소시키면서 합 레이트 성능을 보다 향상시키기 위해서 동시 송신을 위한 사용자들의 수를 결정하고, 상기 결정된 사용자들에게 송신할 데이터 스트림의 수를 결정하는 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법은; 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법에 있어서, 송신측의 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 제1사용자를 선택하는 과정과, 상기 송신측이 구비한 송신 안테나들과 상기 적어도 제1사용자 간에 형성된 채널 매트릭스와, 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스 간의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자에 대한 아이겐 밸류의 최대값과, 이에 대응하는 아이겐 벡터들을 사용하여 제1상위 바운드를 계산하는 과정과, 상기 복수개의 사용자들 중 제2사용자를 더 선택하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자와, 상기 제2사용자 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 계산하는 과정과, 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 지 비교하는 과정과, 상기 비교 결과 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 경우, 상기 제2사용자를 스케줄링 목록에 포함시키는 과정을 포함하며; 상기 스케줄링 목록은 상기 송신측이 데이터 스트림을 동시에 송신할 사용자들의 목록임을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치는; 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 장치에 있어서, 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 제1사용자를 선택하고, 송신측이 구비한 송신 안테나들과 상기 적어도 제1사용자 간에 형성된 채널 매트릭스와, 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스 간의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자에 대한 아이겐 밸류의 최대값과, 이에 대응하는 아이겐 벡터들을 사용하여 제1상위 바운드를 계산하고, 상기 복수개의 사용자들 중 제2사용자를 더 선택하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자와, 상기 제2사용자 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 계산하는 상위 바운드 계산부와, 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 지 비교하고 비교 결과를 스케줄링 목록 결정부로 전달하는 비교부와, 상기 비교 결과가 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과함을 나타내는 경우, 상기 제2사용자를 스케줄링 목록에 포함시키는 스케줄링 목록 결정부를 포함하며; 상기 스케줄링 목록은 상기 송신측이 데이터 스트림을 동시에 송신할 사용자들의 목록임을 특징으로 한다.
본 발명은 송신측의 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 사용자를 선택하고, 선택된 적어도 하나의 사용자에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제1상위 바운드를 결정하고, 상기 복수개의 사용자들 중 하나의 사용자를 더 선택하고, 더 선택한 사용자를 포함한 선택된 사용자들 각각에게 송신할 데이터 스트림의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 결정하고, 상기 비교 결과에 따라 동시에 데이터 스트림을 전송할 사용자들의 셋에 포함시킬 사용자를 결정하고, 해당 사용자 별로 상기 스케줄링 목록에 포함된 횟수를 통해서 해당 사용자에게 전송할 데이터 스트림들의 수를 결정함으로써, 다중 입출력 통신 시스템에서 낮은 복잡도를 가지면서 최적에 가까운 사용자들의 수와 해당 사용자 별로 송신할 데이터 스트림들의 수를 결정하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신측의 동작 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신측의 구성도.
도 4a~c는 본 발명의 실시 예에 따른 성능 효과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 MIMO 통신 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, K명의 사용자가 각각 Nr개의 수신 안테나들을 구비하여, Nt개의 송신 안테나들을 구비한 송신측(100)과 통신하는 것으로 가정하여 설명한다. 여기서는, 설명의 편의상 K명의 사용자 모두가 동일한 개수의 수신 안테나를 갖는 경우만을 설명하였으나, 본 발명이 사용자들 모두가 반드시 동일한 개수의 수신 아테나를 갖는 경우에만 한정되는 것이 아님은 물론이다.
상기 송신측(100)은 전체 사용자 KT명 중 동시에 송신할 사용자들인 K명(
Figure 112012050010441-pat00001
)의 사용자들로 구성되는 셋(set) A를 선택하고, 상기 셋 A에 포함된 사용자들 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 수 Sk를 결정한다. 여기서,
Figure 112012050010441-pat00002
는 상기 셋 A에 포함된 사용자의 지시자를 나타낸다. 이때, 상기 Sk(
Figure 112012050010441-pat00003
)는 순시 채널 상태를 기반으로 각 사용자 별로 수신 안테나의 수보다 작거나 같게 결정된다. 이때, Sk 는 각 사용자 별로 동일하거나 다르게 결정될 수 있다. 그리고, 상기 송신측(100)이 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에게 동시에 송신할 데이터 스트림들의 총 수는 상기 송신 안테나들의 수 Nt보다 작거나 같게 결정된다.
본 발명의 실시 예에 따른 채널은 주파수 플랫 페이딩 채널(frequency flat-fading channel)로, 독립적이면서 동일하게 분해된 복소 가우시안 랜덤 변수(distributed complex Gaussian random variables) CN(0,1)를 갖는다고 가정한다.
상기 채널은 MIMO 기반 불연속성-시간 복소수(discrete-time complex)를 사용하여 하기 <수학식 1>과 같이 크기
Figure 112011017163318-pat00004
를 갖는 매트릭스 Hk로 나타내어 진다.
Figure 112011017163318-pat00005
그리고, 사용자 k가 상기 채널을 통해서 상기 송신측(100)으로부터 수신한 신호 벡터는 하기 <수학식 2>와 같이 나타내어 진다.
Figure 112011017163318-pat00006
여기서, Ti 는 프리 코딩(precoding) 매트릭스를 나타내고, i는 상기 셋 A를 구성하는 K명의 사용자들을 나타내는 지시자를 나타내고, nk는 잡음 벡터를 나타낸다.
상기 사용자 k는 수신한 신호 벡터에 대해 컴바이닝(combining)을 수행하여 하기 <수학식 3>과 같이 나타내어지는 컴바이닝된 신호 벡터 wk를 생성한다.
Figure 112011017163318-pat00007
여기서, Rk는 컴바이닝 벡터를 나타낸다.
일반적인 OSDM 방식에서는, 송신측 즉, 상기 송신측(100)의 프리 코딩 매트릭스 Tk와, 수신측 즉, 상기 사용자 k의 컴바이닝 벡터 Rk가 다른 사용자들의 간섭(
Figure 112011017163318-pat00008
)을 제외하고, 상기 사용자 k에 대한 대각선화된 효율적 채널(diagonalized effective channel) 즉,
Figure 112011017163318-pat00009
만을 획득하기 위해서 계산된다. 이 경우, 동일 시간에서 상기 Tk 및 Rk는 상기 선택된 K명의 사용자들로 인한 최대 처리량에 도달하도록 하기 <수학식 4>와 같이 정의된다.
Figure 112011017163318-pat00010
이때, 상기 K명의 사용자들 중 사용자 k를 제외한 나머지 사용자(i≠k)들의 컴바이닝 매트릭스 Ri (i≠k)는 고정된다.
이하, 본 발명의 실시 예에서는 상기한 OSDM 방식을 사용하여 다중 입출력 통신 시스템에서 다수의 사용자들이 존재하는 경우, 낮은 복잡도와 시스템 처리량이 향상될 수 있도록, 송신측에서 동시에 송신할 사용자들의 수를 결정하고, 상기 결정된 사용자들 각각에게 전송할 데이터 스트림의 수를 결정하는 방법 및 장치를 제안한다.
일반적인 OSDM 방식에서는, 송신측에서 동시에 송신할 사용자들 각각에게 전송할 데이터 스트림의 수가 고정되어 있다. 예를 들어, 상기 동시에 송신할 사용자들 각각의 데이터 스트림의 수가 모두 동일한 경우가 포함된다. 반면, 본 발명의 실시 예에서는 다수의 송신 안테나를 구비한 송신측에서 자신의 서비스 영역에 존재하는 다수의 사용자들 중 동시에 송신할 사용자들로 구성되는 셋 A와, 상기 동시에 송신할 사용자들 각각에게 전송할 데이터 스트림의 수 Sk를 결정한다. 이때, 각 사용자 별 Sk(
Figure 112011017163318-pat00011
)는 순시 채널 상태를 기반으로, 해당 사용자가 구비한 수신 안테나의 수보다 작거나 같게 결정된다. 또한, 상기 송신측에서 상기 동시에 송신할 사용자들에게 전송할 데이터 스트림들의 총 수는, 상기 송신측(100)의 송신 안테나들의 수 Nt보다 작거나 같도록 결정된다.
먼저, 셋 A와, 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 수 Sk를 가정하고, 이를 통해서 하기 <수학식 5>와 같이 나타내어지는 합 레이트의 최대값이 획득될 수 있음을 가정한다.
Figure 112011017163318-pat00012
여기서, Cmax는 상기 셋 A를 구성하는, 동시에 송신할 사용자들 각각에 대한 레이트를 합산한 합 레이트의 최대값을 나타내고, Q(
Figure 112012050010441-pat00013
)는 전력 로딩 팩터(power loading factor)를 나타내고, xk는 상기 사용자 k에 대한 길이 Sk의 송신심볼 벡터를 나타내고, I는 아이덴티티(identity) 매트릭스를 나타내고, N0는 잡음 신호의 분산(variance)를 나타낸다.
이때, Cmax를 구성하는 사용자 k에 대한 프리 코딩 매트릭스 Tk와, 컴바이닝 벡터 Rk는 일단, 상기 셋 A와 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에 대한 Sk가 결정되어야만, OSDM을 적용하여 획득될 수 있다. 이를 위해서 상기 셋 A와, 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에 대한 Sk에 대해 가능한 모든 조합을 계산하고자 할 경우, 사용자들의 수와 송신 안테나들의 수가 증가함에 따라 매우 많은 계산이 필요하게 된다.
그러므로, 본 발명의 실시 예에서는 송신측의 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 사용자를 선택하고, 선택된 사용자에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트의 최대값 즉, 상위 바운드(upper bound)를 결정한다. 그리고, 스텝 별로 선택된 사용자의 수를 하나씩 늘려가면서, 해당 스텝에서 선택된 사용자들 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트의 최대값인 상위 바운드(이하, '해당 스텝의 상위 바운드'라 칭함)를 결정한다. 이후, 현재 스텝의 상위 바운드와 이전 스텝의 상위 바운드를 비교하고, 그 비교 결과에 따라 현재 스텝에서 선택된 사용자를 동시에 송신할 사용자들로 선택할 지 여부를 결정한다. 그리고, 해당 사용자가 선택된 횟수를 고려하여 해당 사용자에게 전송할 데이터 스트림의 수를 결정한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에서 OSDM 방식을 사용하여 해당 스텝에서의 상위 바운드를 근사화하는 절차를 상세히 설명하기로 한다. OSDM 방식에서 사용되는 프리 코딩 매트릭스 Tk와, 컴바이닝 벡터 Rk를 사용하여 결정되는 효율적 채널 매트릭스
Figure 112011017163318-pat00014
는 항상 대각선 매트릭스를 나타낸다. 이 경우, 상기 Cmax는 A의 m번째 행을 (A)m이라 정의할 때, 하기 <수학식 6>으로부터 유추된 관계 rk,m =
Figure 112011017163318-pat00015
를 사용하여 하기 <수학식 7>과 같이 재정리된다. 이때, Rk와 Tk는
Figure 112011017163318-pat00016
에 싱귤러 밸류 분해(SVD: Singular value decomposition)를 적용하여 각각 하기 <수학식 6>과 같이 정의된다.
Figure 112011017163318-pat00017
이때, Gk는 상기 사용자 k를 제외한 다른 사용자들의 효율적 채널 매트릭스
Figure 112011017163318-pat00018
에 대한 널 공간(null space)의 orthonormal basis를 포함하는 매트릭스를 나타낸다.
Figure 112011017163318-pat00019
여기서, Pk,m는 사용자 k가 수신한 m번째 데이터 스트림에 대한 신호 전력을 나타낸다.
이때, 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에 대한 데이터 스트림들의 레이트 합은, 해당 사용자에 대해 송신할 데이터 스트림들 각각에 대한 개별 레이트를 나타내는 로그 텀(log term)을 최대화함에 의해서 개선된다. 그러나, 상기 벡터 tk,m은 상기 셋 A와 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각의 Sk가 결정된 후에 OSDM을 통해서 획득되기 때문에, 상기 <수학식 7>의 결과식으로부터 개별 레이트를 계산하기가 어렵다. 그러므로, 본 발명의 실시 예에서는, 상기 <수학식 7>로부터
Figure 112012050010441-pat00020
크기를 갖는 임의의 벡터 z를 사용하여 획득된, 하기 <수학식 8>의 관계를 이용한다.
Figure 112011017163318-pat00021
상기 벡터 z에 대한 솔루션(solution)은
Figure 112011017163318-pat00022
의 아이겐 밸류(eigenvalue)의 최대값과 연관된 아이겐 벡터이다. 그러므로, 상기 의 아이겐 밸류(eigenvalue)의 j 번째 최대값을 나타내는
Figure 112011017163318-pat00024
을 사용하여 상기 <수학식 8>을 하기 <수학식 9>와 같이 정리할 수 있다.
Figure 112011017163318-pat00025
이때, 상기 <수학식 9>에서 등호가 성립하지 않을 경우,
Figure 112011017163318-pat00026
가 적용된다. 이하, 본 발명의 실시 예에서는 상기 <수학식 9>을 사용하여 해당 사용자에 대한 상위 바운드(upper bound)를 사용한다. 이에 대해서는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에서는 송신측이 셋 A를 구성하기 위해서 선택할 수 있는 사용자들의 수를 하나씩 늘려가면서, 선택된 사용자들의 수에 대응하는 스텝(step)들을 순차적으로 나열한다. 이때, 상기 송신측은 최대 자신이 구비한 송신 안테나들의 수 즉, Nt개에 대응하는 수의 사용자들을 선택할 수 있다.
그리고, 상기 송신측은, 나열된 스텝들 각각에 대해 순차적으로 해당 스텝에서 선택된 사용자들 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 상위 바운드를 계산한다. 그리고, 현재 스텝의 상위 바운드가 이전 스텝의 상위 바운드를 초과하는 지 비교하고, 비교 결과에 따라 현재 스텝에서 선택된 사용자를 동시에 송신할 사용자들로 선택할 지 여부를 결정한다. 여기서, i는 스텝을 나타내는 지시자로, 상기 i는 상기 송신측이 구비한 송신 안테나들의 총 수 Nt만큼 존재할 수 있다. 그리고,
Figure 112011017163318-pat00027
는 i번째 스텝에서 선택된 하나의 사용자를 나타내고, 사용자 어레이
Figure 112011017163318-pat00028
는 i번째 스텝을 통해 상기 송신측이 선택한 데이터 스트림을 동시에 전송할 사용자들의 집합을 나타낸다. 상기 사용자 어레이는 동일한 사용자의 인덱스를 포함한다.
먼저, 제1스텝(i=1)에서, 상기 <수학식 9>로부터 획득한 상위 바운드 즉,
Figure 112011017163318-pat00029
를 최대화하는 첫 번째 사용자
Figure 112011017163318-pat00030
를 선택한다. 이때,
Figure 112011017163318-pat00031
크기를 갖는 채널 매트릭스
Figure 112011017163318-pat00032
를 매트릭스
Figure 112011017163318-pat00033
로 조정하여
Figure 112011017163318-pat00034
로 설정한다.
이후, 상기 첫 번째 사용자
Figure 112011017163318-pat00035
에 대한
Figure 112011017163318-pat00036
에 대한 아이겐 밸류 분해(EVD: EigenValue Decomposition)를 수행하여 상기 사용자
Figure 112011017163318-pat00037
에 대한 아이겐 밸류의 최대값
Figure 112011017163318-pat00038
과 이에 대응하는 아이겐 벡터 e1을 획득한다. 이후, 상기 <수학식 8>에 상기 사용자
Figure 112011017163318-pat00039
에 대한 아이겐 밸류의 최대값
Figure 112011017163318-pat00040
과 이에 대응하는 아이겐 벡터 e1 를 적용하면, 하기 <수학식 10>과 같이 나타내어진다.
Figure 112011017163318-pat00041
Figure 112011017163318-pat00042
여기서, z=e1이다.
상기 <수학식 10>의 결과
Figure 112011017163318-pat00043
은 상기 셋 A가 사용자
Figure 112011017163318-pat00044
만으로 구성될 때(
Figure 112011017163318-pat00045
), 상기 사용자
Figure 112011017163318-pat00046
에게 전송할 데이터 스트림이 하나인 경우 획득할 수 있는 합 레이트의 상위 바운드를 나타낸다.
다음으로, 나머지 스텝들 즉, i = 2, … ,Nt 각각에서, 이전 스텝들의 결과들을 고려하여 전송할 데이터 스트림을 할당할 사용자
Figure 112011017163318-pat00047
를 선택한다. 우선, 해당 스텝 별로 이전 스텝들에서 상기 <수학식 8>을 이용하여 획득한 개별 레이트에 대한 상위 바운드를 획득하기 위해서, z의 후보 셋으로부터 이미 고려된 아이겐 벡터들
Figure 112011017163318-pat00048
을 제외한 z를 선택한다. 즉, 스텝
Figure 112011017163318-pat00049
에서, z는 이전 단계까지의 아이겐 벡터들
Figure 112011017163318-pat00050
과 직교성을 갖는다. 그리고, 아이겐 벡터들 즉,
Figure 112011017163318-pat00051
의 널 스페이스(null space)에 Hk의 열들을 설계함에 의해서 계산되는
Figure 112011017163318-pat00052
매트릭스를 정의한다. 즉, 상기 Bk,i는
Figure 112011017163318-pat00053
에 직교인 Hk에서의 구성 소자들만을 포함한다. 상기 Bk,i를 사용하여 상기 <수학식 8>은 하기 <수학식 11>과 같이 정리된다.
Figure 112011017163318-pat00054
여기서,
Figure 112011017163318-pat00055
는
Figure 112011017163318-pat00056
의 아이겐 백터의 최대값을 나타낸다.
z에 대한 솔루션은
Figure 112011017163318-pat00057
의 아이겐 밸류의 최대값과 연관되고, z와
Figure 112011017163318-pat00058
간의 직교성이 만족된다. 그러므로, 전송할 데이터 스트림을 할당할 사용자
Figure 112011017163318-pat00059
을 선택하기 위해서 상기 <수학식 11>의 상위 바운드를 최대화하기 위한
Figure 112011017163318-pat00060
을 결정한다.
상기한 절차를 보다 간단히 하기 위해서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 <수학식 11>의
Figure 112011017163318-pat00061
을
Figure 112011017163318-pat00062
에게 i번째 할당된 데이터 스트림의 개별 레이트를 근사화한 값으로 사용한다. 이때,
Figure 112011017163318-pat00063
에 EVD를 적용하고, 아이겐 밸류
Figure 112011017163318-pat00064
의 최대값 및 상기 아이겐 밸류에 대응하는 아이겐 벡터 ei를 획득한다. 만약,
Figure 112011017163318-pat00065
에게 할당된 데이터 스트림들 각각으로부터 동일한 전력 할당이 추정되면, 상기
Figure 112011017163318-pat00066
즉, i번째 스텝에서 선택된 사용자들(즉,
Figure 112011017163318-pat00067
) 각각에 할당된 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 상위 바운드는 최종적으로 하기 <수학식 12>와 같이 나타내어진다.
Figure 112011017163318-pat00068
그러면, 본 발명의 실시 예에서는 상기 <수학식 12>를 통해서 해당 스텝 별로 선택된 사용자들 각각에게 할당된 데이터 스트림들에 대한 합 레이트의 상위 바운드(이하, '해당 스텝의 상위 바운드'라 칭함)를 이전 스텝의 상위 바운드와 비교한다. 예를 들어, i번째 스텝의 상위 바운드
Figure 112011017163318-pat00069
와 i-1번째 스텝의 상위 바운드
Figure 112011017163318-pat00070
를 비교한다. 상기 비교 결과, i번째 스텝의 상위 바운드가 i-1번째 스텝의 상위 바운드를 초과할 경우(
Figure 112011017163318-pat00071
),
Figure 112011017163318-pat00072
을 사용자 어레이
Figure 112011017163318-pat00073
에 포함시킨 후, 다음 스텝으로 이동한다.
상기 비교 결과, i번째 스텝의 상위 바운드가 i-1번째 스텝의 상위 바운드 이하일 경우(
Figure 112012050010441-pat00074
),
Figure 112012050010441-pat00075
을 데이터 스트림을 할당할 사용자에 포함시키면, 전체 처리량이 감소되므로,
Figure 112012050010441-pat00076
를 i번째 스텝의 사용자 어레이에 포함시키지 않는다. 이 경우, 사용자 어레이는 합 레이트를 최대화하기 위해서
Figure 112012050010441-pat00077
으로 결정된다.
상기한 바와 같이 각 스텝 별 비교 절차를 통해서 최종적인 사용자 어레이가 획득되면, 동시 송신을 위한 사용자들의 셋 A가 하기 <수학식 13>과 같이 정의된다. 즉, 셋 A는 최종적으로 획득된 사용자 어레이를 구성하는 엘리먼트들로 구성되며, 상기 사용자 어레이에 포함된 동일한 사용자의 인덱스는 하나만 포함된다.
Figure 112011017163318-pat00078
이때, 상기 사용자 어레이 d는 동일한 사용자가 한번 이상 선택될 수도 있다. 이 경우, 상기 셋 A를 구성하는 사용자들 각각에게 전송할 데이터 스트림의 수는 상기 사용자 어레이 d에 포함된 횟수로 결정된다. 예를 들어, 전체 사용자 KT명 수가 3인 경우, 사용자 어레이 d가 d=[1 1 2 1]로 결정된 경우를 가정하자. 이 경우, 사용자 어레이 d에 포함된 사용자의 인덱스는 1과 2이므로, 셋 A를 구성하는 사용자의 인덱스는 {1,2}로 구성된다. 그리고, 상기 사용자 어레이 d에서 사용자 인덱스 1은 3번 선택되었고, 사용자 인덱스 2는 1번 선택되었으므로, S1가 '3'으로 결정되고, S2는 '1'로 결정되며, S3은 '0'으로 결정됨을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송신측의 동작 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 200단계에서 송신측은 현재 스텝의 지시자 i가 Nt 이하인지 검사한다. 상기 검사 결과, 지시자 i가 Nt 를 초과할 경우, 상기 송신측은 사용자 어레이 결정 절차를 종료한다. 상기 검사 결과, 상기 지시자 i가 Nt 이하인 경우, 205단계에서 상기 송신측은 i번째 상위 바운드를 계산하고, 210단계로 진행한다. 이때, 상기 i번째 상위 바운드는, 상기 송신측이 구비한 송신 안테나들과 상기 i번째 스텝에서 선택된 사용자들 간에 형성된 채널 매트릭스와 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하여, 상기 선택된 사용자들 각각에 대한 아이겐 밸류의 최대값과 이에 대응하는 아이겐 벡터를 획득하고, 상기 선택된 사용자들 각각에 대한 아이겐 밸류의 최대값과 이에 대응하는 아이겐 벡터를 상기 <수학식 12>에 적용하여 계산된다.
210단계에서 i번째 상위 바운드가 i-1번째 상위 바운드를 초과하는 지 확인한다. 상기 확인 결과, i번째 상위 바운드가 i-1번째 상위 바운드를 초과할 경우, 215단계에서 상기 송신측은 상기 i번째 상위 바운드 계산 시 결정한 사용자의 수
Figure 112011017163318-pat00079
를 사용자 어레이에 포함시키고, 225단계로 진행한다. 225단계에서 상기 송신측은, 상기 i번째 지시자를 1만큼 증가시켜 200단계로 복귀한다.
상기 확인 결과, i번째 상위 바운드가 i-1번째 상위 바운드 이하일 경우, 220단계에서 상기 송신측은 상기 사용자 어레이에서
Figure 112011017163318-pat00080
를 삭제하고, 235단계로 진행한다. 235단계에서 상기 송신측은,
Figure 112011017163318-pat00081
를 사용자 어레이로 결정하고, 240단계로 진행한다.
240단계에서 상기 송신측은 상기 결정된 사용자 어레이에 포함된 사용자 인덱스로 셋 A를 결정하고, 245단계로 진행한다. 245단계에서 상기 셋 A에 포함된 사용자 인덱스 별로 상기 사용자 어레이에 포함된 횟수를 해당 사용자에게 송신할 데이터 스트림의 수로 결정한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송신측의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 송신측(300)은 상위 바운드 계산부(305)와, 비교부(310)와, 사용자 어레이 결정부(315) 및 데이터 스트림 결정부(320)를 포함한다.
상기 상위 바운드 계산부(305)는 해당 스텝에서 상기 송신측(300)이 구비한 송신 안테나들과 상기 스텝에서 선택된 사용자들 간에 형성된 채널 매트릭스와 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하여, 상기 선택된 사용자들 각각에 대한 아이겐 밸류의 최대값과 이에 대응하는 아이겐 벡터를 획득하고, 상기 선택된 사용자들 각각에 대한 아이겐 밸류의 최대값과 이에 대응하는 아이겐 벡터를 상기 <수학식 12>에 적용하여 해당 송신 안테나의 상위 바운드를 계산하고, 상기 비교부(310)로 전달한다.
상기 비교부(310)는 현재 스텝의 상위 바운드가 이전 스텝의 상위 바운드를 초과하는 지 확인한다. 상기 확인 결과, 현재 스텝의 상위 바운드가 이전 스텝의 상위 바운드 이하일 경우, 이를 나타내는 비교 결과를 상기 사용자 어레이 결정부(315)로 전달한다. 이 경우, 상기 사용자 어레이 결정부(315)는 상기 현재 스텝에서 선택된 사용자를 사용자 어레이에서 삭제하고, 상기 사용자 어레이에 포함된 사용자들의 인덱스로 구성된 셋 A를 설정한다. 그리고 최종적으로 설정된 사용자 어레이를 상기 데이터 스트림 결정부(320)로 전달한다.
상기 데이터 스트림 결정부(320)는 상기 셋 A를 구성하는 사용자 인덱스 별로 사용자 어레이에 포함된 횟수를 확인하고, 확인된 횟수를 해당 사용자에게 할당할 데이터 스트림의 수로 결정한다.
상기 확인 결과, 상기 현재 스텝의 상위 바운드가 이전 스텝의 상위 바운드를 초과할 경우, 상기 비교부(310)는 이를 나타내는 비교 결과를 상기 사용자 어레이 결정부(315)로 전달한다. 그러면, 상기 사용자 어레이 결정부(315)는 상기 현재 스텝에서 선택한 사용자를 사용자 어레이에 포함시키고, 상기 현재 스텝을 1만큼 증가시킨다. 이후, 상기 상위 바운드 계산부(305)는 상기 1만큼 증가된 현재 스텝에서 상위 바운드를 계산하고, 그 이후의 과정이 반복된다.
도 4a~c는 본 발명의 실시 예에 따른 성능 효과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 종래 기술 [8]은 각 사용자 별 채널 매트릭스의 모든 SVD 구성들을 요구하는 방식이 적용된 경우이고, 종래 기술 [9]는 선택된 수신 안테나 및 사용자 서브 셋이 고정되었을 때 각 사용자에 대해 송신 프리 코딩 매트릭스를 계산하는 방식이 적용된 경우를 나타낸다. 그리고, 종래 개술 [8] W/BD와, 종래 개술 [9] W/BD 각각은, 상기 종래 기술 [8] 및 [9] 각각에 BD 방식이 적용된 경우를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 송신측의 송신 안테나 수 Nt가 4이고, 사용자들 각각의 수신 안테나 수 Nr가 2인 경우, 플랫 페이딩 채널(flat fading channel) 상의 몬테 카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation) 결과 즉, 사용자들의 수 KT와 각 방식에서의 실제 곱셈의 수를 나타낸다. 그래프를 통해서 본 발명의 실시 예에 따른 방식이 종래 기술 [8] 및 [9]에 비해 훨씬 낮은 복잡도를 갖는 결과를 볼 수 있다. 구체적으로, KT가 5, 15 및 25인 경우, 종래 기술 [8] 및 [9]에 비해 각각 61%, 87% 및 92%의 복잡도 감소에 도달할 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 본 발명의 실시 예에 따른 방식과 종래 기술 [9]의 복잡도 갭이 KT에 관계없이 커지고 있음을 볼 수 있다.
도 4b를 참조하면, 송신측의 송신 안테나 수 Nt가 8이고, 사용자들의 수신 안테나 수 Nr이 4이고, SNR=0임을 가정한다. 그래프 상에서 KT가 20 이상인 경우, Exhausive 서치(search)의 결과는, 시뮬레이션이 긴 관계로 제외되었다. 본 발명의 실시 예에 다른 방식은 KT가 5인 경우 종래 기술들과 비교하여 17%의 합 레이트 이득을 보여준다. 그래프에 따르면, 종래 기술 [8]에서는 KT가 증가할 때, 합 레이트가 본 발명의 실시 예에 따른 합 레이트에 도달하고 있음을 보여준다, 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 방법은 높은 KT에 대해 상당히 낮은 복잡도가 요구되는 장점이 있다.
도 4c를 참조하면, 도 4b의 환경에서 SNR이 20dB로 증가한 경우 다양한 방식들의 처리량을 도시한 그래프이다. 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 Exhausive 서치의 합 레이트보다 97% 이상의 합 레이트에 도달함을 보여준다. 또한 본 발명의 실시 예에 따른 방식은 훨씬 높은 복잡도를 갖는 종래 기술들보다 높은 합 레이트를 가진다. 그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 방식과, 종래 기술들간의 처리량 갭은 KT에 관계없이 유지됨을 볼 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 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 방법에 있어서,
    송신측의 서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 제1사용자를 선택하는 과정과,
    상기 송신측이 구비한 송신 안테나들과 상기 적어도 제1사용자 간에 형성된 채널 매트릭스와, 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스 간의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자에 대한 아이겐 밸류의 최대값과, 이에 대응하는 아이겐 벡터들을 사용하여 제1상위 바운드를 계산하는 과정과,
    상기 복수개의 사용자들 중 제2사용자를 더 선택하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자와, 상기 제2사용자 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 계산하는 과정과,
    상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 지 비교하는 과정과,
    상기 비교 결과 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 경우, 상기 제2사용자를 스케줄링 목록에 포함시키는 과정을 포함하며;
    상기 스케줄링 목록은 상기 송신측이 데이터 스트림을 동시에 송신할 사용자들의 목록임을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교 결과, 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드 이하일 경우, 상기 제2사용자를 상기 스케줄링 목록에서 제외시키는 과정을 더 포함하는 스케줄링 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1사용자와 상기 제2사용자 각각은 동일한 사용자이거나 동일하지 않은 사용자임을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄링 목록에 포함된 사용자들 각각에게 동시에 송신할 데이터 스트림의 수를 해당 사용자가 상기 스케줄링 목록에 포함된 수로 결정하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
  6. 다중 입출력 통신 시스템에서 스케줄링 장치에 있어서,
    서비스 영역 내에 존재하는 복수개의 사용자들 중 적어도 하나의 제1사용자를 선택하고, 송신측이 구비한 송신 안테나들과 상기 적어도 제1사용자 간에 형성된 채널 매트릭스와, 상기 채널 매트릭스의 복소 공액 매트릭스 간의 곱에 아이겐 밸류 분해를 수행하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자에 대한 아이겐 밸류의 최대값과, 이에 대응하는 아이겐 벡터들을 사용하여 제1상위 바운드를 계산하고, 상기 복수개의 사용자들 중 제2사용자를 더 선택하고, 상기 적어도 하나의 제1사용자와, 상기 제2사용자 각각에게 송신할 데이터 스트림들의 합 레이트에 대한 제2상위 바운드를 계산하는 상위 바운드 계산부와,
    상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과하는 지 비교하고 비교 결과를 스케줄링 목록 결정부로 전달하는 비교부와,
    상기 비교 결과가 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드를 초과함을 나타내는 경우, 상기 제2사용자를 스케줄링 목록에 포함시키는 스케줄링 목록 결정부를 포함하며;
    상기 스케줄링 목록은 상기 송신측이 데이터 스트림을 동시에 송신할 사용자들의 목록임을 특징으로 하는 스케줄링 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 스케줄링 목록 결정부는,
    상기 비교 결과가 상기 제2상위 바운드가 상기 제1상위 바운드 이하임을 나타낼 경우, 상기 제2사용자를 상기 스케줄링 목록에서 제외시킴을 특징으로 하는 스케줄링 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제1사용자와 상기 제2사용자 각각은 동일한 사용자이거나 동일하지 않은 사용자임을 특징으로 하는 스케줄링 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 스케줄링 목록에 포함된 사용자들 각각에게 동시에 송신할 데이터 스트림의 수를, 해당 사용자가 상기 스케줄링 목록에 포함된 수로 결정하는 데이터 스트림 결정부를 더 포함함을 특징으로 하는 스케줄링 장치.
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CN112486048A (zh) * 2019-09-11 2021-03-12 西安雷迪信息技术有限公司 一种应用于轨道交通的多路语音方法

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