KR101221024B1

KR101221024B1 - 다중 송수신 안테나에서 동일 이득 차분 코드북 생성 방법 및 이를 기록한 기록매체

Info

Publication number: KR101221024B1
Application number: KR1020110087975A
Authority: KR
Inventors: 김영주; 이신
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-01-21

Abstract

본 발명은 다중 송신 안테나를 이용한 이동통신 시스템에서 선 부호화 방식의 기술을 적용할 때 사용할 수 있는 새로운 차분(差分, differential) 코드북에 관한 것으로, 본 발명은 선 부호화 방식을 지원하며, 복수의 송신 안테나를 갖는 송신장치와 복수의 수신 안테나를 갖는 수신장치가 소정의 차분 코드북을 기반으로 통신하는 다중 송수신 안테나 시스템에서의 차분 코드북 생성 방법에 있어서, 상기 다중 송수신 안테나 시스템에서 상기 각각의 안테나의 위상을 세분화하여 부분 채널 공간을 생성하는 단계, 상기 부분 채널 공간에서 부분 코드북을 생성하는 단계, 상기 부분 코드북을 이용하여 가능한 모든 차분 코드북을 생성하는 단계, 코들 거리(chordal distance)를 이용하여 상기 모든 차분 코드북 중에서 최적 차분 코드북을 선택하는 단계 및 선택된 최적 차분 코드북을 송신단으로 피드백하여 송신단에서 최종 코드북을 생성한 후, 다중 계층에 송신하기 위하여 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

다중 송수신 안테나에서 동일 이득 차분 코드북 생성 방법 및 이를 기록한 기록매체 {Method for generating differential codebook of same gain in multiple-input and multiple-output antenna system, and thereof recording medium}

본 발명은 다중 송신 안테나를 이용한 이동통신 시스템에서 선 부호화 방식의 기술을 적용할 때 사용할 수 있는 새로운 차분(差分, differential) 코드북에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시간 상관을 고려한 무선 채널에서 선 부호화 수행을 위한 피드백 비트 수를 줄이지 않고 그대로 유지하면서 채널 계수의 차분 특성을 이용해 채널의 시간 상관성을 최대로 활용하여 기존 시스템의 채널 용량 및 링크 레벨 성능을 향상시킬 수 있고, 동일 이득 특성을 유지하는 차분 코드북 생성 방법 및 이를 기록한 기록매체에 관한 것이다.

최근 코드북 사용한 다중 안테나 기술은 블록 페이딩 채널을 가정하고, 채널 상태 정보 (channel state information, CSI)의 양자화에 따른 양자화 오류를 분석하고 최소화하는데 초점이 맞추어져 있는 경우가 대부분이다. 이 때, 블록 페이딩 채널은 송신 데이터의 한 블록 구간에서 페이딩 채널 계수는 일정하고 다른 블록 구간의 페이딩 채널 계수들과는 서로 독립임을 가정한다.

그러나, 실제 무선 채널 환경에서는 블록 페이딩 채널 모델을 가정하되 채널 상태 정보의 시간 상관(時間相關, temporal correlation)을 반드시 고려해야 한다.

시간 상관을 활용한 기존의 연구는 피드백 비트를 감소시키거나 피드백 정확도를 증가시키는 방법이 제안되었는데, 대표적 방법 중의 한 가지는 차분 코드북을 이용하는 것이다.

차분 코드북과 관련하여 기존에 제안된 준(準) 대각행렬을 이용하거나 차분 회전 피드백을 이용하는 기법은 시간 상관성을 이용하여 성능을 향상시키지만, 다양한 도플러 주파수에 적용하기 위해서는 각각의 주파수에 적합한 코드북을 도플러 주파수의 특정 영역 별로 생성해 놓아야 하는 번거로움이 있다. 즉, 특정 도플러 주파수에 맞는 차분 코드북을 생성하기 위해서는 상당히 오랫동안 'exhausted search' 라고 불리는 컴퓨터를 이용한 최적화 과정이 필요하다. 또한 첨두 전력 대 평균 전력비(peak-average power ratio, PAPR)를 감소시키기 위해 요구되는 동일 이득 특성이 사라지는 문제점이 있는데, 이는 송신단의 파워효율을 감소시킬 뿐만 아니라 비선형(非線型, nonlinear) 증폭기에 의한 왜곡을 발생시킨다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고정된 피드백 비트 수를 가정하고, 실제 무선 채널에서 반드시 발생하는 시간 상관성을 고려하여 다중 송신 안테나를 이용한 이동통신 시스템에서 기존에 차분 코드북 관련 분야에서 제안된 방법보다 설계방법이 보다 간단하면서 동일 이득 특성을 유지하는 새로운 차분 코드북 설계 알고리즘을 제안하고, 이를 이용한 새로운 선부호화 전송 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 이를 통해 제한된 피드백 통신 시스템의 시스템 용량, 링크 레벨 및 시스템 레벨 성능을 송수신기 복잡도, 송신 PAPR 등의 요소를 동시에 고려했을 때 최적의 성능 트레이드-오프(trade-off)를 보이는 코드북을 설계하는 것을 최종 목표로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선 부호화 방식을 지원하며, 복수의 송신 안테나를 갖는 송신장치와 복수의 수신 안테나를 갖는 수신장치가 소정의 차분 코드북을 기반으로 통신하는 다중 송수신 안테나 시스템에서의 차분 코드북 생성 방법에 있어서, 상기 다중 송수신 안테나 시스템에서 상기 각각의 안테나의 위상을 세분화하여 부분 채널 공간을 생성하는 단계, 상기 부분 채널 공간에서 부분 코드북을 생성하는 단계, 상기 부분 코드북을 이용하여 가능한 모든 차분 코드북을 생성하는 단계, 코들 거리(chordal distance)를 이용하여 상기 모든 차분 코드북 중에서 최적 차분 코드북을 선택하는 단계 및 선택된 최적 차분 코드북을 송신단으로 피드백하여 송신단에서 최종 코드북을 생성한 후, 다중 계층에 송신하기 위하여 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계를 포함한다.

상기 부분 코드북을 생성하는 단계에서, 부분 코드북을 CB_part={P₁,P₂,...,P_N}라 하고, P₁이 e^j0로 가정할 때, 나머지 (N-1)개의 코드워드들의 위성을 생성하는 방법은,

의 수식을 이용하여 수행될 수 있다.

상기 최적 차분 코드북을 선택하는 단계는, Grassmanian line packing 기법을 이용하여 최적의 차분 코드북을 선택하며, Grassmannian minifold에서 정의되는 코들 거리(chordal distance)를 이용하는 경우, 부분 코드북은

이고, 부분 코드북의 집합은 {

}라고 할 때,

의 수식을 이용할 수 있다.

상기 최적 차분 코드북을 선택하는 단계는, 상기 코들 거리를 이용하여 임의의 다른 코드워드의 최단거리 중 최대값을 갖는 코드북을 최적의 차분 코드북으로 선택하는 것이고, 이때 상기 차분 코드북

은 F¹ _diff을 중심으로 설계가 되며, 이때 F¹ _diff은 모든 인자가 1인 코드워드일 때,

의 수식을 이용할 수 있다.

상기 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계는, 생성된 최종 코드북에 대해 선 부호화 행렬 직교화를 수행하여 시간 상관성 채널에 적용하기 위한 차분 코드북(CB_t={F¹ _t, F² _t,..., F^N _t})을 생성하며, 이때, ⊥{ }는 직교화 함수를 의미한다고 할 때,

의 수식을 이용할 수 있다. 이때, 상기 직교화 함수는 Procrustes 직교화 또는 Gram-Schmidt 직교화를 이용할 수 있다.

상기 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계는, 수신단에서 피드백하는 선 부호화 행렬 지시자인 PMI_t 가 시간 t에서 최종 선 부호화 코드북 CB_t의 지시자이고, 상기 차분 코드북 CB_diff의 지시자와 동일할 때, F_t=CB_t(PMI_t)=<CB_diff(PMI₀)·F_t _-1>의 수식을 이용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 기존 QEGT 특징을 갖는 임의의 코드북을 이용한 선부호화 방식에서 현재 피드백 수행을 위해 시간 상관성 페이딩 채널 내 전체 영역이 아닌 이전에 피드백된 최적의 선부호화 값에 근접한 특정 영역 내 채널만을 세분화하여 양자화한 차분 코드북을 이용하기 때문에, 어느 정해진 도플러 주파수에 맞는 코드북을 생성시키기 위해 상당히 오랜 시간의 최적화 과정이 필요한 기존의 차분 코드북 생성 기법과는 달리 주어진 피드백 비트 수에서 시스템 성능을 극대화할 뿐만 아니라 다양한 도플러 주파수 변화에 따라 매우 빠르고 용이하게 생성이 가능하다.

또한, 기존 QEGT 특징을 갖는 임의의 코드북을 그대로 사용함으로써 기술적 효율성을 얻는 것과 동시에 시간 상관성 채널에 대해 상당히 적응적으로(adaptive)다이버시티 이득을 제공할 수 있는 효과가 있다.

특히 차세대 이동통신 시스템으로 주목받고 있는 LTE, LTE-Advanced, IEEE 802.16, 그리고 IEEE 802.16m 등의 시스템에 대해 각 표준화 문서에 기술되어 있는 코드북의 크기와 본 발명에서 제안하는 차분 코드북의 크기를 일치시킨다면 적응적으로(adaptive) 적용하는 것이 가능하여 상당한 이득을 얻을 수 있다.

또한 LTE, LTE-Advanced 시스템에 대해 기술된 기존 표준화 문서 내의 코드북은 QEGT 특성을 갖기 때문에 제안하는 차분 코드북을 사용하는 데 있어 기존 LTE, LTE-Advanced 관련 표준화 문서에서 이미 결정된 코드북과 상충되는 면이 없이 매우 효율적인 사용이 가능하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 사용자 또는 다중 계층을 지원하는 차분 코드북을 이용한 폐루프 방식의 다중 안테나 시스템을 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 상관성 채널에서 피드백 타이밍을 고려하고, 일반적인 차분 코드북을 이용한 선부호화 행렬 지시자를 나타낸 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북 생성 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제안하는 차분 코드북을 적용시 채널 공간 세분화 계수 f에 따른 채널 용량성능을 비교한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제안하는 코드북을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선 부호화 방식의 다중 안테나 시스템에서 시간의 변화에 따라 차분 코드북을 이용한 선부호화 전송 방법을 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북을 선 부호화 과정에 이용할 경우 심벌 에러율(symbl error rate, SER)을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북을 선 부호화 과정에 이용할 경우 시간에 따른 각 채널 용량(channel capacity)을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

하기의 설명에서 본 발명의 코드북을 이용한 다중 안테나 시스템에서 개선된 차분 코드북 생성 기법의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

후술 될 본 발명의 실시 예를 위한 구체적인 내용에서는 선 부호화 방식을 지원하는 다중 안테나 시스템에서 피드백 정보에 따른 송신장치에서 시간 상관성 채널에서 피드백 타이밍을 고려하여, 차분 코드북 인덱스를 매핑하는 일반적인 과정에 관해 살펴볼 것이다. 그리고 매핑을 위해 기존에 제안되었던 일반적인 차분 코드북 생성 방법에 대해 살펴보도록 한다. 그리고 코드북 내 인덱스를 구성하는 코드워드의 위상을 채널 상관성 계수를 이용해 페이딩 채널 내 전체 영역 중 특정 영역만으로 세분화시키는 것인 본 발명에서 제안하는 새로운 차분 코드북의 생성과정과 이를 선부호화 시스템에 적용시키는 방법에 대해서 살펴보도록 한다.

먼저 선부호화 방식을 지원하는 다중 안테나 시스템에서 피드백 정보에 따른 송신장치에서의 차분 코드북 인덱스를 매핑하는 일반적인 과정에 관해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 사용자 또는 다중 계층을 지원하는 차분 코드북을 이용한 폐루프 방식의 다중 안테나 시스템을 보인 예시도이다.

도 1의 실시예에서는 하나의 송신장치(110)와 복수의 수신장치(120-1, 120-M)로 구성된 다중 안테나 시스템을 예시하고 있다. 다중 송신 안테나를 이용한 이동통신 시스템의 하향 링크에서 송신장치(110)는 기지국이라 가정할 수 있으며, 복수의 수신장치(120-1, 120-M)는 이동 단말이라 가정할 수 있다. 다중 송신 안테나를 이용한 이동통신 시스템의 상향 링크에서 송신장치(110)는 이동 단말이라 가정할 수 있으며, 복수의 수신장치(120-1, 120-M)는 기지국이라 가정할 수 있다. 하기의 설명에서는 하나의 수신장치(120-1)를 기준으로 한다. 하기의 설명은 나머지 수신장치에 대해서도 동일하게 적용되는 것으로 간주한다.

수신장치(120-1)는 각 데이터 스트림에 대응한 채널 상태 정보를 기초로 하여 피드백 정보를 생성한다. 피드백 정보의 생성 방법은 신호 검출 기법, 송신측에서의 코드북(116) 사용 여부 등을 고려하여 결정할 수 있다.

수신장치(120-1)는 생성한 피드백 정보를 전송한다. 이 때, 피드백 정보는 채널의 상태 정보를 알려주는 채널 상태 지시자 (channel quality indicator, CQI), 채널 행렬을 이용하여 공간 다중화 기법이 적용 가능한지 가능하다면 몇 개의 rank를 통해 신호 스트림을 보낼 수 있는지 알려주는 랭크 지시자(rank indicator, RI), 그리고 MIMO 송신단의 피드백 정보 처리부(114)에서 선부호화 행렬 F를 잘 설정할 수 있도록 도와주는 선부호화 행렬 지시자 (precoding matrix indicator, PMI)를 포함한다.

송신장치(110)는 모든 수신장치(120-1, 120-M)로부터 피드백 정보를 수신한다. 송신장치(110)는 피드백 정보에 의해 적어도 하나의 사용자 (즉, 수신장치)를 선택한다. 여기서 선택되는 사용자의 수는 동작 모드에 의해 결정될 수 있다. 동작 모드는 단일 사용자 모드(single-user mode)와 다중 사용자 모드(multi-user mode)로 구성된다. 단일 사용자 모드에서는 하나의 사용자가 선택되며, 다중 사용자 모드에서는 복수의 사용자들이 선택된다. 동작 모드는 피드백 정보를 기반으로 하여 결정한다.

송신장치(110)는 피드백 정보에 의해 변조 및 부호화 선택 레벨 (Modulation & Coding Selection Level; MCS 레벨)을 결정한다. MCS 레벨을 결정할 시, 수신측의 신호 검출 기법, 동작 모드 및 선택된 사용자를 지원하는 데이터 스트림의 수 등을 추가로 고려할 수 있다.

송신장치(110)는 결정된 MCS 레벨에 의해 부호화 및 변조 방식을 지정하고, 지정된 부호화 및 변조 방식을 사용하여 선택된 적어도 하나의 사용자에 대응한 데이터 스트림을 전송한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 송신장치(110)는 각 수신장치(120-1, 120-M)로부터 제공되는 피드백 정보에 의해 동작 모드를 결정한다. 즉 송신장치(110)는 단일 사용자 모드와 다중 사용자 모드를 선택적으로 사용할 수 있다.

이를 위해 수신장치(120-1)는 적어도 하나의 수신 안테나 (Ant_rx #1, Ant_rx #2, …, Ant_rx #MR), 채널 추정부(122-1) 및 피드백 정보 생성부(124-1)로 구성된다.

그리고 송신장치(110)는 복수의 송신 안테나 (Ant_tx #1, Ant_tx #2, …, Ant_tx #MT), 피드백 정보 처리부(114) 및 신호 송신부(112)로 구성된다.

수신장치(120-1)를 살펴보면, 적어도 하나의 수신 안테나 (Ant_rx #1, Ant_rx #2, …, Ant_rx #MR)로부터 수신된 신호는 채널 추정부(122-1)로 입력된다.

채널 추정부(122-1)는 미리 설정된 신호 검출 기법에 의해 수신신호로부터 데이터 스트림 각각에 대응한 채널 특성을 추정한다. 이 때, 채널 특성은 CN(0,1) 분포로써 준정적 플랫 페이딩을 가지며, 심벌 전송에 있어 채널 특성이 일정하다고 가정한다. 즉, 무선 채널 모델에서의 페이딩 현상은 각 심벌마다 독립적으로 발생한다고 가정한다. 신호 검출 기법으로는 선형 검출 기법과 비선형 검출 기법이 존재한다. 선형 검출 기법의 대표적인 예로 ZF (zero forcing), MMSE(minimum mean square error), ML (maximum likelihood) 기법이 있으며, 비선형 검출 기법의 대표적인 예로 SIC (serial interference cancellation) 기법이 있다.

채널 추정부(122-1)에서의 신호 검출 기법은 사전이 지정된다. 하지만 듀얼 모드를 지원하는 경우라면, 채널 추정부(122-1)에서 채널 상황 등을 고려하여 최적의 신호 검출 기법을 선택적으로 사용할 수 있다.

채널 추정부(122-1)에 의해 추정된 수신신호의 채널 특성 행렬은 피드백 정보 생성부(124-1)로 제공된다.

피드백 정보 생성부(124-1)는 채널 추정부(122-1)로부터 제공된 채널 특성 행렬에 의해 피드백 정보를 생성한다. 피드백 정보 생성부(124-1)는 피드백 정보를 생성할 시, 상기 채널 추정부(122-1)에서 사용된 신호 검출 기법을 고려한다.

한편 피드백 정보 생성부(124-1)는 송신장치(110)에서 사용자로 제공되는 데이터 스트림의 수와 코드북(116, 126-1)의 사용 여부 등을 추가로 고려하여 피드백 정보를 생성할 수 있다. 만약 송신장치(110)에서 코드북(116)을 사용한다면, 피드백 정보에 선 부호화 행렬 지시자가 포함된다.

초기 동작을 살펴보면 시간 t=0 인 경우는 이전에 추정된 MIMO 채널 상태 정보가 없으므로, 기존의 성능이 우수한 코드북을 사용하여 선 부호화 행렬을 구한다. 시간 t=1인 경우에는 이전에 추정된 MIMO 채널 정보를 이용하여 얻어진 선 부호화 행렬을 중심으로 본 특허에서 제안하는 차분 코드북을 적용하여 새로운 선 부호화 행렬을 구하고, 차분 코드북을 업데이트한다.

성능 열화가 발생하지 않는 범위 내에서 피드백 정보를 최소로 압축하여 전송하기 위해 양자화된 선 부호화 행렬들의 집합인 log₂N 비트를 갖는 임의의 코드북 CB={F₁ F₂ ... F_N}이 생성 효율성 및 저장 메모리에 최적화되어 있으며, 송·수신기에 모두 가지고 있을 때, 일반적인 블록 페이딩 채널을 기반으로 한 시스템의 수신단에서는 시간 t 일 때 추정된 MIMO 채널 상태 정보인

를 토대로 선 부호화를 수행한다.

피드백 정보 처리부(114)는 최적의 선부호화 행렬 지시자를 피드백하기 위해 <수학식 1>을 이용하여 코드북 내 opt번째 선 부호화 행렬 지시자인 F_opt를 최적의 선 부호화 행렬 F로 결정한다. 이때, <수학식 2>를 이용해 코드북 내 최적의 선 부호화 행렬을 선택한다.

σ²은 수신단 내 AWGN(additive white gaussian noise) 평균 파워이며,

은 M_R×M_R 크기의 단위 행렬 (identity matrix), P 는 전체 송신 전력이다. 그리고 N_s 는 송신신호의 스트림(계층) 수이다. F_i는 기준 코드북중 i번째 선부호화 행렬이다. [ ]^H는 공액전치행렬이다.

전술한 일반적인 블록 페이딩 채널은 송신 데이터의 한 블록 구간에서 페이딩 채널 계수는 일정하고 다른 블록 구간의 페이딩 채널 계수들과는 서로 독립임을 가정한다. 그러나 실제 무선 채널 환경에서는 블록 페이딩 채널 모델을 가정하되 채널 상태 정보의 시간 상관을 반드시 고려해야 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 상관성 채널에서 피드백 타이밍을 고려하고, 일반적인 차분 코드북을 이용한 선부호화 행렬 지시자를 나타낸 설명도이다.

도 2를 참조하면, 블록 페이딩이 아닌 채널의 시간 상관성을 고려할 경우 시간 t 일 때의 선부호화 행렬 F(t)는 이전 선부호화 행렬인 F(t-1) 과 새로운 차분 코드북 내 행렬인 F_opt(t)를 이용해 아래 <수학식 3>과 같은 최적의 선 부호화 행렬을 결정한다. 이때, 차분 코드북 CB_diff = {F¹ _diff, F² _diff, ..., F^N _diff}가 성립한다. 처음 송신할 때, 즉 t=1일 때 선부호화 행렬인 F₀가 위에 설명한 기준에 있는 일반적인 코드북을 사용한다. 아래 <수학식 4>를 이용해 차분 코드북 내 최적의 선부호화 행렬을 선택한다.

상기 과정을 통해 통상적으로 송/수신단에서는 생성 효율성 및 저장 메모리에 최적화 되어 있는 적절한 크기의 코드북(116, 126-1)을 선택함으로써 피드백이 이루어진다.

수신장치(120-1)는 피드백 정보 생성부(124-1)에 의해 생성된 피드백 정보를 송신장치(110)로 전송한다. 수신장치(120-1)에 의한 피드백 정보의 전송은 주기적으로 전송되는 것이 바람직하다. 하지만 전송 시점을 결정하는 요소들이 송신장치(110)와 수신장치(120-1) 간에 사전에 약속된다면, 피드백 정보를 비주기적으로 전송할 수도 있다.

송신장치(110)를 살펴보면, 모든 수신장치들(120-1, 120-M)로부터 수신되는 피드백 정보가 피드백 정보 처리부(114)로 제공된다. 피드백 정보 처리부(114)는 각 수신장치로부터 수신된 피드백 정보를 기반으로 하여 적어도 하나의 사용자를 선택하다. 그리고 선택된 적어도 하나의 사용자의 데이터 스트림을 전송하기 위한 부호화 기법과 MCS 레벨을 결정한다.

피드백 정보 처리부(114)는 적어도 하나의 사용자를 선택하기 위해서는 송신장치의 동작 모드를 고려한다. 따라서 피드백 정보 처리부(110)는 사용자를 선택하기에 앞서 동작 모드를 결정한다. 전술한 바와 같이, 동작 모드는 단일 사용자 모드와 다중 사용자 모드로 구분된다.

차분 코드북 매핑을 위해 기존에 제안되었던 일반적인 차분 코드북 생성 방법은 <수학식 5>를 기반으로 준(準) 대각행렬 기반의 코드북 생성 방법이 제안된 바 있다.

는 random unitary 행렬로써 U ^H U=I 를 만족하며,

역시 random unitary 행렬이며, Δt 가 작다면 준(準) 대각행렬 특성을 만족하게 된다.

또 다른 차분 특성을 갖는 코드북을 생성하기 위해 1차 Gauss-Markov 과정을 이용한 차분 코드북 생성 방법이 제안되었는데, 1차 Gauss-Markov 과정을 통해 전체 페이딩 채널 내 영역이 아닌 시간 상관성에 따른 임의의 채널 영역에 근접한 일부 영역에 제한된 차분 코드북을 아래 <수학식 6> 내지 <수학식 8>의 과정을 통해 생성한다.

는 페이딩 채널 내에 시간 상관성이 없을 경우 적용 가능한 차분 코드북이며, CB_temp={F¹ _temp, F² _temp,..., F^N _temp}는 랜덤으로 생성한 임의의 후보자 코드북이다. 수 많은 후보자 코드북{CB_temp}을 발생시킨 후 <수학식 6>을 통해 최적의 코드북을 선택한다.

선택된 코드북을 이용해서 시간 상관성 계수 ε를 이용한 <수학식 7>을 수행한다.

은 M_T×M_T 크기의 단위행렬이다. <수학식 7>의 결과를 이용, <수학식 8>을 통해 최종적으로 시간 상관성 채널에 적합한 차분 코드북을 생성한다.

시간 상관성을 갖는 페이딩 채널의 특성상 채널 상태 정보 H_t와 H_t _+Δt는 그 특성이 크게 변화하지 않고 인접영역에서 그 특성을 나타내게 된다. 따라서 임의의 양자화된 채널 벡터들의 집합인 코드북이 전체 영역이 대상이 아닌 특정 채널 계수 에 인접한 일부 영역에 대해 양자화가 이루어진다면 좀 더 정확한 선 부호화 과정을 수행할 수 있어 전체 시스템 성능은 향상된다. 그러나 전술한 기존의 차분 코드북은 수 많은 random unitary 행렬을 발생시키거나 시간 상관 계수 ε에 따라 이를 생성하였기 때문에, 최적의 코드북 생성을 위한 복잡도 증가 및 기존 표준화 문서에서 이미 결정된 코드북과는 상충되는 면이 상당하다.

이하에서는 본 발명에서 제안하는 차분 코드북의 생성과정에 대해 설명한다. 본 발명에서 제안하는 차분 코드북은 기존 차분 코드북과 마찬가지로 시간 상관성 페이딩 채널에서 선 부호화 행렬이 천천히 변하는 성질을 이용한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북 생성 방법을 보여주는 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저 각각 안테나의 부분 코드북을 생성하기 위해 본 발명에서 새롭게 명명한 도플러 주파수에 따라 결정되는 채널 공간 세분화 계수 f(0 < f < 1)를 결정한다 (S301). f를 결정하는 방법은 일정 채널 시간상관성에 따라 채널 용량을 극대화하는 것이다.

먼저 세분화 되어 있는 부분 채널 공간에서 부분 코드북(CB_part={P₁,P₂,...,P_N}) 을 생성한다(S302).

이 부분 코드북은 P₁이 e^j0로 정하고, 하기 <수학식 9>를 이용하여 나머지 (N-1)개의 코드워드들의 위상을 생성을하고, 최적 부분 코드북을 선택하는 전략은 Grassmannian line pack기법을 사용하는 것이다. 즉, Grassmannian minifold에서 정의되는 코들 거리(chordal distance)를 이용한 수식이 하기 <수학식 10>이다.

본 발명에서 제안하는 차분 코드북

은 F¹ _diff을 중심으로 설계가 되며, 이때 F¹ _diff은 모든 인자가 1인 코드워드이다. 설계 방법을 쉽게 설명하기 위하여 M_T가 4이고 N_s가 1인 경우를 가정한다. 우선 F¹ _diff=[1 1 1 1]^T으로 고정한다. 그리고 나머지 (N-1)개의 코드워드들을 이용하여 부분 코드북 CB_part중 있는 모든 코드워드들의 조합을 통해 후보자 코드북을 설계한다(S303).

모든 후보자 코드북중 최적코드복을 선택하는 표준으로서 다시 코들 거리(chordal distance)를 이용하며, 임의의 다른 코드워드의 최대의 최단거리를 갖고 있는 코드북이 최적 코드북이다. 이는 하기 <수학식 11>로 표현할 수 있다(S304).

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제안하는 차분 코드북을 적용시 채널 공간 세분화 계수 f에 따른 채널 용량성능을 비교한 예시도이다.

도 4를 참조하면, 다양한 시간 상관성 계수 ε에 따라 채널 시간 상관성이 변화할 때 최적의 f 값에 따라 극대화할 수 있는 채널 용량이 결정된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제안하는 코드북을 나타낸 예시도이다.

도 5를 참조하면, 기존 QEGT 코드북의 성상도는 501과 같다. 본 발명에서 제안하는 랜덤으로 생성된 부분 코드북의 성상도는 502와 같다. Grassmanian line packing기법을 502 성상도에 적용하여 생성된 제안하는 최종 차분 코드북의 성상도는 503과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선 부호화 방식의 다중 안테나 시스템에서 시간의 변화에 따라 차분 코드북을 이용한 선부호화 전송 방법을 보인 예시도이다.

도 6를 참조하면, CB_initial은 초기 코드북(initial codebook), CB_diff는 본 발명에서 제안하는 차분 코드북(proposed differential codebook), CB_t는 시간 t 일 때의 피드백을 위한 최적의 선 부호화 행렬 지시자를 결정하기 위해 생성된 새로운 코드북(new generated codebook at time t), 그리고 PMI_t는 시간 t 일 때 생성된 CB_t 코드북에서 결정된 최적의 선부호화 행렬 지시자로 정의한다.

시간 t = 1 일 경우, 이전 선 부호화 행렬 값 F_t _-1 이 존재하지 않기 때문에, 일정 주기적으로 초기화할 때, 기존 QEGT 코드북 중에서 시스템 설계자가 선택한 임의의 코드북에 <수학식 2>를 이용해 최적의 선 부호화 행렬 지시자인 PMI₀ 가 선택되고, 이에 따라 F_t 가 결정된다. 이는 아래 <수학식 12>의 수식으로 표현될 수 있다.

시간 t > 1 또는 초기화가 아닐 경우, <수학식 12>에 의해 이전 선 부호화 행렬 값인 CB_t _-1(PMI_t _-1)과 본 발명에서 제안하는 CB_diff를 통해

가 생성된다. 시간 t > 1 의 과정을 수식적으로 정리하면 하기 <수학식 13> 및 <수학식 14>와 같다.

이때, <·>연산은 Hadamard product 연산을 의미한다.

생성된 코드북중 선 부호화 행렬은 각 벡터간의 직교성을 유지하지 못하기 때문에, 바로 시스템에 적용하면 데이터 스트림 수가 1보다 클 경우, 스트림간 간섭이 생겨서 시스템 성능의 열화가 발생할 수 있다. 그래서 <수학식 14>통해서 얻은 코드북을 Procrustes 직교화 혹은 일반적인 Gram-Schmidt 직교화를 통해 최종적으로 시간 상관성 채널에 적용하기 위한 차분 코드북(CB_t={F¹ _t, F² _t,..., F^N _t})을 생성한다. 이 과정은 다음 <수학식 15>으로 표현할 수 있다.

이때, ⊥{ }는 직교화 함수를 의미한다.

생성된 코드북으로부터 <수학식 4>를 통해 최적의 선부호화 행렬 지시자인 PMI_t 가 <수학식 4>를 통해 선택, F_t 가 결정된다. 이 과정은 <수학식 16>과 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이전 시간 구간에서의 선 부호화 행렬값에 제안된 차분 코드북을 적용하여 새로운 차분 코드북이 매 시간 구간마다 생성됨을 확인할 수 있다. 이때, 제안된 차분 코드북이 송/수신단에 미리 저장되어 있고, 서로 동기가 정확히 이루어진다면 매 시간 구간마다 생성되는 새로운 코드북 CB_t를 동시에 사용하는 것에 대해 어려움이 없을 것이다.

즉, 이전 채널 상태 정보와 매우 인접한 채널의 영역만을 기존 코드북과 동일한 크기를 갖도록 양자화함으로써 즉, 페이딩 채널 내 전체 영역이 아닌 이전 선부호화 행렬에 근접한 특정 영역만을 세분화하여 양자화함으로써 차분 코드북을 생성하는데 시간 상관성 페이딩 채널에서 보다 정확한 최적의 선부호화 행렬 F_t 를 결정할 수 있어 전체 시스템 성능 향상에 큰 이득을 가져올 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북을 선 부호화 과정에 이용할 경우 심벌 에러율(symbl error rate, SER)을 나타낸 그래프이다.

도 7에서는 송신 안테나 수가 4 일 때, 본 발명의 초기코드북(CB_initial)에 대해서 QEGT 특징을 갖는 LTE 코드북을 이용하여 다양한 선 부호화 전송 기법에 대한 성능을 비교한 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 차분 코드북을 선 부호화 과정에 이용할 경우 시간에 따른 각 채널 용량(channel capacity)을 나타낸 그래프이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 차분 코드북을 이용한 경우(proposed), LTE 코드북을 이용할 경우(LTE), differential rotation 코드북 (TJKIM)을 이용한 경우, 준 대각행렬 코드북(Abe)을 이용한 경우, 그리고 동일 이득 전송(EGT)을 이용한 경우에 대해 각각의 성능을 비교한 것이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 기존 표준화 문서에 명시된 코드북보다 본 발명에서 제안하는 차분 코드북을 이용할 경우 향상된 성능을 보임을 확인할 수 있다. 또한 본 발명에서 제안하는 코드북은 기존 차분 코드북과 비교하여 채널 추적 속도가 거의 동일하고, 송신단에서 채널 정보를 정확하게 알고 있는 동일 이득 전송 기법의 성능에 접근한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 코드북 생성 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.

예컨대, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 롬(ROM), 램(RAM), 시디-롬(CD-ROM), 자기 테이프, 하드디스크, 플로피디스크, 이동식 저장장치, 비휘발성 메모리(Flash Memory), 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다.

또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

110 송신장치 120-1, 120-M 수신장치
112 신호 송신부 114 피드백 정보 처리부
116, 126-1 코드북 122-1 채널 추정부
124-1 피드백 정보 생성부

Claims

선 부호화 방식을 지원하며, 복수의 송신 안테나를 갖는 송신장치와 복수의 수신 안테나를 갖는 수신장치가 소정의 차분 코드북을 기반으로 통신하는 다중 송수신 안테나 시스템에서의 차분 코드북 생성 방법에 있어서,
상기 다중 송수신 안테나 시스템의 송신장치에서 상기 각각의 안테나의 위상을 세분화하여 부분 채널 공간을 생성하는 단계;
상기 송신장치에서 상기 부분 채널 공간에서 부분 코드북을 생성하는 단계;
상기 송신장치에서 부분 코드북을 이용하여 가능한 모든 차분 코드북을 생성하는 단계;
상기 송신장치에서 코들 거리(chordal distance)를 이용하여 상기 모든 차분 코드북 중에서 최적 차분 코드북을 선택하는 단계; 및
상기 송신장치에서 선택된 최적 차분 코드북을 송신단으로 피드백하여 송신단에서 최종 코드북을 생성한 후, 다중 계층에 송신하기 위하여 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계를 포함하는 차분 코드북 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 부분 코드북을 생성하는 단계에서,
부분 코드북을 CB_part={P₁,P₂,...,P_N}라 하고, P₁이 e^j0로 가정할 때, 나머지 (N-1)개의 코드워드들의 위성을 생성하는 방법은,

의 수식을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 최적 차분 코드북을 선택하는 단계는,
Grassmanian line packing 기법을 이용하여 최적의 차분 코드북을 선택하며,
Grassmannian minifold에서 정의되는 코들 거리(chordal distance)를 이용하는 경우, 부분 코드북은
이고, 부분 코드북의 집합은 {
}라고 할 때,

의 수식을 이용하는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제3항에 있어서,
상기 최적 차분 코드북을 선택하는 단계는,
상기 코들 거리를 이용하여 임의의 다른 코드워드의 최단거리 중 최대값을 갖는 코드북을 최적의 차분 코드북으로 선택하는 것이고,
이때, 상기 차분 코드북
은 F¹ _diff을 중심으로 설계가 되며, 이때 F¹ _diff은 모든 인자가 1인 코드워드일 때,

의 수식을 이용하는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제4항에 있어서,
상기 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계는,
생성된 최종 코드북에 대해 선 부호화 행렬 직교화를 수행하여 시간 상관성 채널에 적용하기 위한 차분 코드북(CB_t={F¹ _t, F² _t,..., F^N _t})을 생성하며,
이때, ⊥{ }는 직교화 함수를 의미한다고 할 때,

의 수식을 이용하는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제5항에 있어서,
상기 직교화 함수는 Procrustes 직교화 또는 Gram-Schmidt 직교화를 이용하는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제6항에 있어서,
상기 선 부호화 행렬 직교화를 수행하는 단계는,
수신단에서 피드백하는 선 부호화 행렬 지시자인 PMI_t 가 시간 t에서 최종 선 부호화 코드북 CB_t의 지시자이고, 상기 차분 코드북 CB_diff의 지시자와 동일할 때,
F_t=CB_t(PMI_t)=<CB_diff(PMI₀)·F_t _-1>
의 수식을 이용하는 것을 특징으로 하는 차분 코드북 생성 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터로 실행시킬 수 있는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.