KR101268480B1

KR101268480B1 - 다중사용자 ｍｉｍｏ 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 ｓｖｄ 전송방법

Info

Publication number: KR101268480B1
Application number: KR1020110047921A
Authority: KR
Inventors: 손정우; 김덕경
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-06-04
Also published as: KR20120129575A

Abstract

본 발명은 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송기법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, MU(Multi-User)-MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 릴레이 시스템에서 송신단-릴레이, 릴레이-사용자 두 개의 채널을 곱한 채널을 특이값 분해하고, 그 값을 기반으로 한 프리코딩 행렬을 이용하여 송신단-사용자 간 MU-MIMO 릴레이 채널을 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하며, 분해된 단대단 SU-MIMO 채널을 SVD(singular value decomposition)-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송하는 방법이 제공됨으로써, MU-MIMO 릴레이 채널에 있어서 릴레이-사용자 채널에서 발생하는 간섭을 프리코딩을 이용하여 제거하며, 낮은 비용과 복잡도를 가지는 AF(amplify and forwarding) 릴레이를 이용하여 전송용량을 높일 수 있다.

Description

다중사용자 ＭＩＭＯ 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 ＳＶＤ 전송방법{End-to-End level SVD transmission scheme in a multi-user MIMO Relay System}

본 발명은 다중사용자(Multi-User) MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 송신단-릴레이, 릴레이-사용자 두 개의 채널을 곱한 채널을 특이값 분해하고, 그 값을 기반으로 한 프리코딩 행렬을 이용하여 송신단-사용자간 다중사용자(MU)-MIMO 릴레이 채널을 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하며, 분해된 단대단 SU-MIMO 채널을 SVD(singular value decomposition)-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송하는 방법에 관한 것이다.

최근, 고용량의 데이터 전송을 요구하는 기술에 대한 요구가 높아짐에 따라, 종래의 단일입력 단일출력(Single Input Single Output, SISO) 통신방식에서 단일입력 다중출력(Single Input Multiple Output, SIMO) 통신방식을 거쳐, 최근에는, 다중입력 다중출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 방식이 고용량의 데이터 전송을 위하여 널리 이용되고 있다.

이러한 MIMO 시스템은, M개의 안테나로 정보를 송신하여 N개의 안테나로 수신하는 방식으로, 특히, 높은 주파수 효율을 요구하는 제 4 세대 통신 시스템에서 필수적인 요소로 고려되고 있다.

이러한 종래의 MIMO 시스템의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0459133호(2004.11.19. 등록)에 기재된 바와 같은 "다중 입력 다중 출력 시스템에서의 신호 전송 장치 및 방법"이 있다.

즉, 상기한 등록특허 제10-0459133호의 "다중 입력 다중 출력 시스템에서의 신호 전송 장치 및 방법"은, 기존의 D-BLAST의 장점을 살리고 V-BLAST의 약점을 보완하는 MIMO 시스템을 제공하고자 하는 것으로, 즉, 주파수 이용효율이 높고, 각 안테나의 배열이 한정된 공간에서 효율적으로 배치되도록 하는 동시에, 구현이 간단한 다중입력 다중출력 시스템에서의 신호전송장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0459133호는, 동일한 간격으로 배치되어 상호 직교 신호를 전송하는 M개의 안테나와 입력되는 서브 데이터 스트림을 부호화하는 M개의 신호 처리기와 상기 각 신호 처리기에 의해 부호화된 서브 데이터 스트림에 서로 다른 전송 지연 시간을 발생시켜 상기 각 안테나로 인가하는 지연 발생 수단을 포함하는 다수의 송신 블록과, 입력되는 데이터 스트림을 상기 서브 데이터 스트림으로 분할하여 서브 데이터 스트림별로 상기 다수의 송신 블록을 식별하기 위한 지시자를 부가하는 전처리 부호기 및 상기 전처리 부호기로부터 출력되는 상기 서브 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 블록의 각 신호 처리기로 입력시키는 디먹싱(demuxing) 수단을 포함하는 다중 입력 다중 출력 시스템에서의 신호전송장치를 개시하고 있다.

또한, 상기한 바와 같은 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-0831987호(2008.05.19. 등록)에 개시된 바와 같은 "다중 사용자를 위한 다중 안테나를 이용한 송수신 장치"가 있다.

더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0831987호의 "다중 사용자를 위한 다중 안테나를 이용한 송수신 장치"는, 종래의 다중 사용자를 이용한 전송방식은 사용자 수신기가 다중 안테나를 사용하는 경우에 최적화하기 어렵고, 또한, 주파수 분할 방식(FDD)을 채용한 통신 시스템에 있어서는 채널의 정보를 수신단에서 송신단으로 전송하여 주어야 하기 때문에 채널사용이 비효율적이 되는 문제점을 해결하기 위해, 통신채널에 관한 정보 없이 고효율의 다중 안테나를 이용한 송수신방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 것이다.

이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0831987호는, 소정의 신호를 제공받아 이를 수신장치로 전송하며, 수신장치로부터 전송되는 신호를 수신하는 복수개의 안테나를 구비한 다중 안테나부와, 소정의 신호인 입력신호, 소정의 통신채널의 빔 형성 행렬인 V 및 상기 행렬 V와 상기 V와 수신장치에서 구한 V값간의 오차정보인 ESNR 값을 입력받고, 상기 V 및 상기 ESNR 값을 기초로 상기 입력신호를 워터필링하여 출력하는 워터필링부와, 소정의 통신채널에 대한 빔 형성 행렬인 V의 값을 설정하여 상기 워터필링부 및 V 연산부에 제공하는 V 생성부와, 상기 워터필링부의 출력신호 및 상기 V 생성부에서 설정된 행렬 V의 값을 제공받고, 상기 V값을 상기 워터필링부의 출력신호에 반영시켜 상기 다중 안테나부에 제공하는 V 연산부 및 상기 다중 안테나부에서 수신한 신호로부터 상기 V 값과 수신장치에서 구한 V값간의 오차정보인 ESNR 정보를 검출하여 상기 워터필링부에 제공하는 ESNR 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자를 위한 다중안테나를 이용한 송신장치를 개시하고 있다.

아울러, 상기한 바와 같은 종래기술의 또 다른 예로서, 예를 들면 일본특허공보 특개2003-134094호에 개시된 바와 같은 "기준 호핑을 이용하는 다입력 다출력 하이브리드 자동 재송요구 방법 및 장치"가 있다.

즉, 상기한 일본특허공보 특개2003-134094호의 "기준 호핑을 이용하는 다입력 다출력 하이브리드 자동 재송요구 방법 및 장치"는, 베이시스 호핑을 이용하는 다중입력 다중출력(MIMO) 하이브리드 자동 재송신 요청(Hybrid-ARQ)에 관한 것으로, 최근, 시스템 처리능력 및 데이터 속도를 증가시키기 위해 복수의 안테나를 사용하는 것이 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 및 3GPP2 표준본체와 같은 제3 세대 무선시스템과 같은 통신시스템에서 주목을 받기 시작하였고, 그러한 표준에 대하여, 송신 다이버시티 및 다중입력 다중출력(MIMO) 안테나 처리기술의 사용과 같은, 상이한 다중안테나 기술들이 제안되었으나, 향상된 데이터 처리능력 및 시스템 용량을 제공하여 MIMO 채널의 특성을 완전히 이용하는 HARQ 기술은 제공되지 못했던 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

이를 위해, 상기한 일본특허공보 특개2003-134094호는, 복수의 송신안테나를 가지는 송신장치에 하이브리드 ARQ(H-ARQ)를 제공하고 데이터가 수신장치로 송신되기 전에 데이터에 대하여 일차변환(linear transformation)을 제공하는 방법에 있어서, (a)상기 수신장치로부터 재송신요청(NACK)을 수신하는 단계, (b)상기 NACK에 응하여 일차변환을 수행하는데 사용되는 베이시스(basis)를 변경하는 단계 및 (c)상기 베이시스를 사용하여 변환된 파일럿 신호를 파일럿 채널을 통해 상기 수신장치로 전송함으로써 상기 수신장치가 상기 파일럿 신호를 추출한 후에 상기 베이시스를 판정할 수 있도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 개시하고 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 방법에 있어서, 일반적으로, MIMO 기법을 이용한 통신은 높은 채널용량(channel capacity)을 가지지만, 이동통신에서 셀의 경계에 있는 사용자에게 신호를 전달할 때, 전송파워의 제약으로 인한 신호 도달거리의 한계는 해결하지 못하였다.

이에, 이를 극복하고자, 예를 들면, "On Achievable Sum Rates of A Multiuser MIMO Relay Channel", T.Tang C.B.Chae　Heath, R.W. 및 S.C.Cho, IEEE ISIT 2006, pp. 1026 - 1030, July 2006(이하, '종래문헌 1'이라 함)에 나타난 바와 같이, 송신단과 사용자 사이에 릴레이를 사용하는 연구가 주목을 받고 있다.

또한, 상기한 바와 같은 종래기술의 다른 예로서, 예를 들면, "On the achievable throughput of a multi antenna Gaussian broadcast channel", G. Caire and S. Shamai, IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, pp. 1691 - 706, July 2003(이하, '종래문헌 2'라 함)과 같은 것이 있다.

즉, 상기한 종래기술의 문헌내용에 기재된 바와 같이, 이동통신에서 고속 통신을 위해 연구되고 있는 MIMO와 릴레이 두 가지 방법을 동시에 사용하게 되면, MIMO의 장점과 릴레이를 사용하면서 추가 이득을 얻어 더욱 효율적인 통신을 수행할 수 있다.

아울러, MIMO 릴레이를 사용한 중계 전송 방식은, 낮은 비용과 복잡도를 통하여 신호 감쇄로 인해 제한되는 신호의 도달거리를 늘리고, 전체 채널용량을 향상시킨다.

그러나 상기한 종래문헌 1의 경우, 셀 내에 있어서, 릴레이는 사용자 수보다 적은 수가 존재하고, 결과적으로, 한 개의 릴레이가 둘 이상의 사용자를 지원해야 할 경우가 필연적으로 발생하게 된다.

또한, 상기한 바와 같은 이유로, 현재 연구되고 있는 MU(Multi-User)-MIMO 릴레이 시스템은 송신단-릴레이 채널에서 MIMO 기법을 이용하여 높은 용량을 가지지만, 릴레이-다중사용자 채널은 BC(broadcast channel)이기 때문에, 상기한 종래문헌 2의 경우에도, 사용자간의 간섭이 발생하여 낮은 채널 용량을 가지는 문제가 있다.

이와 같이 BC에서 발생하는 간섭문제를 해결하기 위해 다양한 기법이 연구되고 있지만, 상기한 종래문헌 1, 2의 경우와 같이, 종래기술의 대부분의 연구는 간섭문제를 릴레이에서 채널정보를 이용하는 특별한 전송과정을 사용하여 해결하고 있다.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 종래의 방법들과 같이 송신단-사용자간 채널에서 발생하는 사용자간 간섭문제를 해결하기 위해 송신단에서 전송신호를 DPC 부호화하지 않아, 릴레이-사용자 채널에서 발생하는 간섭을 제거하기 위한 전송과정이 없고, 낮은 비용과 복잡도를 가지는 새로운 MU-MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 기존의 기법과 같이 송신단-사용자간 채널에서 발생하는 사용자간 간섭문제를 해결하기 위해 송신단에서 전송신호를 DPC 부호화하지 않음으로써, 릴레이에 있어서, 릴레이-사용자 채널에서 발생하는 간섭을 제거하기 위한 전송과정이 없고, 단순히 신호를 AF(amplify and forwarding) 릴레이 중계 전송함으로써 릴레이가 낮은 비용과 복잡도를 가지며, 송신단과 사용자가 일대일 MIMO 채널이 되어 간단하게 채널용량을 구할 수 있도록 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송기법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 다중사용자(Multi-User)-MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 릴레이 시스템에서의 단대단 레벨 SVD 전송방법에 있어서, 상기 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 송신단-릴레이, 릴레이-사용자의 두 개의 채널을 곱한 채널을 프리코딩 행렬을 이용하여 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하는 단계와, 분해된 단대단 SU-MIMO 채널에 SVD(singular value decomposition)-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단대단 레벨 SVD 전송방법이 제공된다.

여기서, 상기 프리코딩 행렬은, 송신단에서 프리코딩 행렬을 F라 할 때, 이하의 [수학식 1]을 이용하여 상기 프리코딩 행렬 F를 구하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

또한, 상기 방법은, 송신단-릴레이 사이의 채널을 H₁, 릴레이-i번째 사용자의 채널을 h_i _,2라 할 때, 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널

에서 다른 사용자의 신호 Sp(p=1,...,i-1, 1+1,...,Nu)로부터 발생하는 간섭을 제거하고,

을 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하기 위한 행렬 Ti는, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같은 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 2]

아울러, 상기 방법은, 상기 [수학식 2]로부터 구해진 Ti를 이용하여 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널

의 곱을 다수의 독립된 SU-MIMO 채널로 분해하고, 그 후, 분해된 채널

에 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 수행하며, 이때, 상기 [수학식 1]의 상기 Vi는 상기 SVD 값의 우특이(Right singular) 행렬인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 방법은, 릴레이와 i번째 사용자 사이의 채널을 Mr×Mu의 크기를 가지는 행렬 h_i _,2로 나타낼 때, 릴레이에서 전송하는 신호는 h_i _,2를 경유하여 i번째 사용자에게 수신되고, 이러한 과정을 거친 i번째 사용자의 수신신호 Xi는 이하의 [수학식 3]과 같은 것을 특징으로 한다.

[수학식 3]

(여기서, 벡터 n₂ _,i는 크기 Mb×1을 가지는 i번째 사용자의 잡음이며, 또한, 잡음행렬 n₁과 잡음 n₂ _,i는 평균0과 각각 분산 σ₁ ², σ₂ ²을 가지는 독립 동일분포 가우시안을 가진다.)

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 종래의 방법과 같이 송신단-사용자간 채널에서 발생하는 사용자간 간섭문제를 해결하기 위해 송신단에서 전송신호를 DPC 부호화하지 않고, 송신단-릴레이 채널정보와 릴레이-사용자 채널정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 만들고 이것을 신호에 곱한 후 전송하며, 여기서, 프리코딩 행렬은 채널을 경유하고 송신단과 각 사용자를 독립적인 단대단 SU-MIMO 채널로 만들어지고, 이렇게 만들어진 SU-MIMO 채널을 SVD 전송기법을 이용하여 통신을 행함으로써, 릴레이-사용자 채널에서 발생하는 간섭을 제거하기 위한 전송과정을 없앨 수 있고, 단순히 신호를 AF(amplify and forwarding) 릴레이 중계 전송하므로, 릴레이가 낮은 비용과 복잡도를 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 송신단과 사용자가 일대일 MIMO 채널이 되어 간단하게 채널용량을 구할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송기법을 수행하는 MU-MIMO 릴레이 시스템 모델의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 MU-MIMO 릴레이 채널에서 사용자 간섭이 존재하는 경우 전송파워에 따른 채널용량을 각각 나타내는 도면이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO(본 명세서에서, 간단히 'MU-MIMO'라 표기하는 경우도 있음) 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법의 상세한 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 송신단-사용자간 채널에서 발생하는 사용자간 간섭문제를 해결하기 위해 송신단에서 전송신호를 DPC 부호화하지 않고, 송신단-릴레이 채널정보와 릴레이-사용자 채널정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 만들고 이것을 신호에 곱한 후 전송하는 점에서 기존의 기법과는 다르다.

또한, 이러한 프리코딩 행렬은 채널을 경유하며 송신단과 각 사용자를 독립적인 단대단 SU-MIMO 채널로 만들고, 이렇게 만들어진 SU-MIMO 채널을 SVD 전송기법을 이용하여 통신을 행한다.

그것에 의해, 본 발명은, 릴레이에 있어서, 릴레이-사용자 채널에서 발생하는 간섭을 제거하기 위한 전송과정이 없게 되고, 단순히 신호를 AF(amplify and forwarding) 릴레이 중계 전송함으로써, 릴레이가 낮은 비용과 복잡도를 가지는 장점이 있다.

더 상세하게는, 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법은, 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 송신단-릴레이, 릴레이-사용자의 두 개의 채널을 곱한 채널을 프리코딩 행렬을 사용하여 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하는 단계와, 상기 채널을 분해하는 단계에서 얻어진 분해된 단대단 SU-MIMO 채널에 SVD(singular value decomposition)-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기한 프리코딩 행렬은 이하의 [수학식 1]과 같이 정의된다.

이때, 송신단-릴레이 사이의 채널을 H₁, 릴레이-i번째 사용자의 채널을 h_i _,2라 할 때, 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널

[수학식 2]로부터 구해진 Ti는 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널

의 곱을 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하게 된다.

그 후, 상기한 바와 같이 하여 분해된 채널

에 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 수행하고, 이때, 상기한 [수학식 1]의 Vi는 상기 SVD 값의 우특이(Right singular) 행렬이다.

따라서 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 결과적으로 송신단과 i번째 사용자는 단대단 SVD-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송할 수 있게 된다.

즉, 다시 말하면, 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법의 첫 번째 단계는, i번째 사용자의 수신신호 X_i가 이하의 [수학식3]과 같다고 하면,

결과적으로 i번째 사용자의 신호가 경유한 채널은

이 되고, 상기의 채널에 [수학식 2]를 만족하는 Ti를 구하여 송신단과의 독립된 SU-MIMO 채널로 만드는 단계이다.

계속해서, 상기 단계에서 구한 Ti로 인해 전체 채널은

와 같게 되며, 상기한 식은 단대단 독립된 SU-MIMO 채널과 같게 되고, SU-MIMO 채널은 SVD-MIMO 전송이 가능하게 된다.

상기한 [수학식 2]의 Vi를 구할 수 있으며, 이것이 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법의 두 번째 단계에 해당하는 것이다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 얻어진 Ti와 Vi를 포함하는 행렬을 바탕으로 상기한 프리코딩 행렬 F를 구할 수 있다.

계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법의 더욱 상세한 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 MU-MIMO 릴레이 채널에서 단대단 SVD 전송방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

즉, 여기에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 송신단과 사용자 사이에 신호를 중계하는 두 개의 홉 릴레이 시스템을 고려한다.

먼저, 송신단과 릴레이는 CQI(Channel Quality Index)를 통해 전체 채널정보를 알고 있다고 가정한다.

그리고 송신단과 사용자 사이의 직접(direct) 채널은 신호감쇄로 인해 무시할 수 있고, 송신단은 각 시간(time slot)마다 채널 정보를 이용하여 가장 높은 채널용량을 가지는 사용자 그룹을 선택한다고 가정한다.

또한, 송신단은 Mb개의 안테나를 가지고, 릴레이는 Mr개의 안테나를 가지며, 사용자는 Mu개의 안테나를 가지는 것으로 한다.

아울러, 전체 사용자의 수는 Nu명이고, 사용자들은 동시에 송신단과 통신을 행하는 것으로 가정한다.

계속해서, i번째 사용자의 신호를 Nu×1 크기 벡터 Si라 할 때, 전송신호

는 Mb×1을 가진다.

이는 송신단의 안테나 수(Mb)가 Mu개의 안테나를 가지는 사용자가 Nu명이 있기 때문에 Mb=Nu×Mu가 된다.

송신단에서 프리코딩 행렬을 F, 송신단의 전송파워를 Pt라 할 때, 전송파워 제약은 다음의 [수학식 4]와 같다.

여기서, E(●)는 평균, η는 송신단에서 각 전송안테나의 파워를 나타낸다.

이때, 프리코딩 F는 상기한 [수학식 1]과 같다.

상기한 [수학식 1]에서, 행렬 Ti는 릴레이와 i번째 사용자 사이의 채널 h_i _,2에서 발생하는 다른 사용자의 신호 Sp(p=1, ..., i-1, 1+1, ..., Nu)로부터 발생하는 간섭을 제거하기 위한 것으로, 상기한 [수학식 2]에 나타낸 바와 같은 조건을 만족해야 한다.

릴레이는 신호를 Mr개의 안테나로 수신, 전송을 행하고, 릴레이에서는 수신한 신호

에 잡음행렬 n1을 더한 후, 계수

의 크기로 증폭한 후 다중사용자에게 전송한다.

증폭계수

는 이하의 [수학식 5]와 같다.

여기서, ∥●∥_F는 Frobenius-norm 이다.

릴레이와 i번째 사용자 사이의 채널을 Mr×Mu의 크기를 가지는 행렬 h_i _,2로 나타낼 때, 릴레이에서 전송하는 신호는 h_i _,2를 경유하여 i번째 사용자에게 수신된다.

상기한 과정을 거친 i번째 사용자의 수신신호 Xi는 상기한 [수학식 3]과 같다.

여기서, 벡터 n₂ _,i는 크기 Mb×1을 가지는 i번째 사용자의 잡음이다.

또한, 잡음행렬 n₁과 잡음 n₂ _,i는 평균0과 각각 분산 σ₁ ², σ₂ ²을 가지는 독립 동일분포 가우시안을 가진다.

따라서 상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법을 구현할 수 있다.

다음으로, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법의 시뮬레이션을 실행한 결과에 대하여 설명한다.

시뮬레이션에 있어서, 송신단과 사용자 간의 거리를 1로 정규화하고 릴레이는 가운데 위치한다고 가정하였다.

또한, 경로손실 지수는 4, 음영은 평균 0과 표준편차 8dB를 가진다.

계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 사용자가 2명, 안테나 수 Mu가 2일 때, 전송파워의 변화에 따른 채널용량을 관측한 결과를 나타내는 도면이다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같은 본 발명의 방법에 따르면, MU-MIMO 릴레이 채널에서 사용자 간섭이 존재하는 경우의 채널용량보다 높은 용량을 가진다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특이값 분해를 기반으로 한 프리코딩을 적용하여 MU-MIMO 릴레이 채널을 사용자간 간섭이 배제된 다수의 독립된 SU-MIMO 채널들로 분해하고, 각 SU-MIMO 채널을 특이값 분해하여 만들어진 등가채널을 이용하여 공간다중화 신호를 전송하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법이 제공된다.

따라서 본 발명에 따르면, 릴레이에서 특별한 전송과정을 사용하지 않으므로 전송과정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.

더욱이, 상기한 방법에 따르면, 릴레이가 AF 릴레이 전송하므로 낮은 비용과 복잡도를 가지는 장점도 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송기법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

Claims

다중사용자(Multi-User)-MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 릴레이 시스템에서의 단대단 레벨 SVD 전송방법에 있어서,
상기 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 송신단-릴레이, 릴레이-사용자의 두 개의 채널을 곱한 채널을 프리코딩 행렬을 이용하여 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하는 단계; 및
분해된 단대단 SU-MIMO 채널에 SVD(singular value decomposition)-MIMO 기법을 이용하여 간섭이 없는 공간다중화 신호를 전송하는 단계를 포함하여 구성되고,
상기 프리코딩 행렬은,
송신단에서 프리코딩 행렬을 F라 할 때, 이하의 [수학식 1]을 이용하여 상기 프리코딩 행렬 F를 구하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법:

[수학식 1]

(여기서, Ti는, 송신단-릴레이 사이의 채널을 H₁, 릴레이-i번째 사용자의 채널을 h_i,2라 할 때, 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널
에서 다른 사용자의 신호 Sp(p=1,...,i-1, 1+1,...,Nu)로부터 발생하는 간섭을 제거하고,
을 다수의 독립된 SU(Single-User)-MIMO 채널로 분해하기 위한 행렬이고, V는 통신채널의 빔 형성 행렬이다.).
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제 1항에 있어서,
상기 Ti는, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법:

[수학식 2]

.
제 3항에 있어서,
상기 [수학식 2]로부터 구해진 Ti를 이용하여 송신단으로부터 릴레이를 경유하여 i번째 사용자에게 전달되는 신호가 경유하는 채널
의 곱을 다수의 독립된 SU-MIMO 채널로 분해하고, 그 후, 분해된 채널
에 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 수행하며,
상기 [수학식 1]의 상기 Vi는 상기 특이값 분해(SVD) 값의 우특이(Right singular) 행렬인 것을 특징으로 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법.
제 4항에 있어서,
릴레이와 i번째 사용자 사이의 채널을 Mr×Mu의 크기를 가지는 행렬 h_i,2로 나타낼 때, 릴레이에서 전송하는 신호는 h_i,2를 경유하여 i번째 사용자에게 수신되고, 상기 수신되는 과정을 거친 i번째 사용자의 수신신호 Xi는 이하의 [수학식 3]으로 나타내지는 것을 특징으로 하는 다중사용자 MIMO 릴레이 시스템에서 단대단 레벨 SVD 전송방법:

[수학식 3]

(여기서, 벡터 n_2,i는 크기 Mb×1을 가지는 i번째 사용자의 잡음이고, 잡음행렬 n₁과 잡음 n_2,i는 평균 0과 각각 분산 σ₁ ², σ₂ ²을 가지는 독립 동일분포 가우시안을 가지며, F는 프리코딩 행렬이고, s는 i번째 사용자의 전송신호를 나타내는 벡터이며, η는 송신단에서 각 전송안테나의 파워이고,
는 증폭계수이다.).