KR101300842B1

KR101300842B1 - 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템 및 이를 이용한 모드결정 방법

Info

Publication number: KR101300842B1
Application number: KR1020070011279A
Authority: KR
Inventors: 박창순; 브르노 클럭스; 춘건 아웅; 데이비드 제이. 러브; 김일한; 박승영
Original assignee: 퍼듀 리서치 파운데이션; 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US20080187060A1; KR20080072465A; US7916620B2

Abstract

멀티 유저 데이터 송/수신 시스템 및 모드 결정 방법이 개시된다. 본 발명의 멀티 유저 데이터 송/수신 시스템은 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 하나 이상의 이동국(mobile station)과, 상기 이동국으로부터 상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 기지국(base station)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

멀티 유저, 프리코딩 매트릭스, 빔 형성 벡터, 용량 레벨 양자화

Description

멀티-유저 데이터 송/수신 시스템 및 이를 이용한 모드 결정 방법 {MULTI-USER DATA TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템을 나타낸 블록도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템에서, 이동국의 모드 선택 과정을 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템에서, 이동국이 선택한 모드의 정보를 송신하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템에서, 기지국이 최적 모드를 선택하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템에서, 기지국이 최적 모드에 의해서 이동국으로 데이터를 전송하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 결정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

본 발명은 무선 데이터 통신에 관한 것으로, 특히 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템에 관한 것이다.

최근 무선 통신 환경에서 음성 서비스를 비롯한 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하고, 고품질 및 고속의 데이터 전송을 지원하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구의 일환으로 공간영역의 채널을 이용하는 MIMO 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. MIMO 기술은 송수신 양단에 다중안테나를 사용함으로써 한정된 주파수 자원 내에서 채널 용량을 증대하여 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있다.

MIMO 기술은 산란체가 풍부한 채널 환경에서 다중 송수신 안테나를 사용함으로써 이론적으로는 송신 및 수신 안테나 중 적은 수의 안테나 수에 비례하는 채널 용량을 얻을 수 있다.

하나의 기지국이 여러 개의 단말기를 지원하는 다중사용자 환경에서, 다중사용자를 고려한 MIMO 시스템의 전체 채널용량을 증대시키기 위하여 다중사용자를 고려한 다중 송수신 안테나 전송 기술 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

다중사용자를 고려한 MIMO 시스템에서 상향링크는 다중사용자가 동일한 기지국을 향해 데이터를 전송하고, 하향링크는 기지국이 다중사용자에 신호를 전송하며, 다중사용자들간에는 어떠한 협조도 할 수 없다는 것이 일반적인 단일사용자 MIMO와의 차이점이다.

하향링크 채널에서 기지국은 동시에 여러 사용자들에게 신호를 전송하므로 각 사용자들은 원하는 신호 이외에 다른 사용자의 신호를 간섭으로 수신하게 된다. 이러한 간섭을 억제하기 위한 기술은 이동국에 적용되기에는 복잡도와 비용면에서 어려움이 있으므로 기지국 송신기에서 송신 신호를 효율적으로 설계함으로써 간섭을 완화할 수 있다.

따라서, 다중 사용자를 고려한 데이터 송/수신 시스템에 있어서 보다 효율적인 전송 모드의 선택은 매우 중요한 문제이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, MIMO 시스템의 장점을 살리면서 다중 사용자에 대한 채널의 용량을 증대시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 다중 사용자 간 간섭을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 그 전송 모드 선택의 자유도를 증대시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 그 오버헤드(overhead)와 시스템 복잡성(system complexity)을 줄이는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 멀티 유저 데이터 송/수신 시스템은 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 하나 이상의 이동국(mobile station)과, 이동국으로부터 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 기지국(base station)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 모드는 1부터 최대 데이터 스트림의 수 사이의 자연수에 상응하는 것일 수 있다. 또한, 데이터 스트림의 수는 데이터를 수신하는 사용자 수에 상응하는 것일 수 있으며, 최대 데이터 스트림의 수는 기지국의 송신 안테나 수에 상응하는 것일 수 있다. 예를 들어, 선택된 유저가 4명인 경우 데이터 스트림도 4개이고, 모드는 1부터 4까지의 값을 가질 수 있다.

이 때, 이동국은 싱글 유저 모드에 대한 용량 및 멀티 유저 모드에 대한 용량을 계산하고, 싱글 유저 모드 용량 및 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것을 양자화하여 양자화된 용량 레벨을 생성할 수 있다.

이 때, 이동국은 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어, 이동국 이외의 다른 이동국들 각각이 이동국과 동일한 양만큼 멀티 유저 모드 용량에 기여하는 것으로 추정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 결정 방법은 하나 이상의 이동국이, 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 단계와, 기지국이, 하나 이상의 이동국으로부터 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기 대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템은 이동국들(121, 122, 123) 및 기지국(110)을 포함한다.

이동국들(121, 122, 123)은 각각 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신한다.

기지국(110)은 이동국으로부터 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔 형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔 형성 벡터 및 최적 모드를 결정한다.

이 때, 기지국은 M_T개의 안테나를 가질 수 있다.

이 때, 기지국은 특정 순간의 채널에 대하여 2^B 개의 프리코딩 매트릭스로 이루어진 코드북에 의하여 파일럿 신호를 이동국으로 송신할 수 있다.

이 때, u번째 프리코딩 매트릭스는 Φ_u ( u = 1, 2, 3, ..., 2^B)로 나타내어진다.

이 때, 프리코딩 매트릭스는 M_T by M_T 매트릭스일 수 있다.

이 때, 프리코딩 매트릭스는 유너터리(Unitary)한 매트릭스인 것을 특징으로 한다.

이 때, 프리코딩 매트릭스는 M_T 개의 빔 형성 벡터로 이루어진 것일 수 있다.

이 때, i번째의 빔 형성 벡터는 Φ_ui ( i = 1, 2, 3, ...., M_T)로 나타내어진다.

이 때, 양자화된 용량 레벨은 각 모드마다 L개의 레벨까지로 할 수 있다.

이 때, k 번째 유저에 대한 양자화된 용량 레벨은 l_k로 나타내어진다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템에서, 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔 형성 벡터를 선택하는 이동국을 도시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 이동국(221, 222, 223)은 특정 순간의 채널에 대하여 모든 모드에 대하여 가능한 모든 빔 형성 벡터에 대한 전송률을 계산하여 최적의 선호 모드를 선택한다.

이 때, k 번째 유저의 모드

는 1부터 최대 스트림의 수 사이의 자연수에 상응하는 것일 수 있다. 또한, 데이터 스트림은 데이터를 수신하는 사용자 즉, 유저의 수에 상응하는 것일 수 있다.

예를 들어, 선택된 유저가 4명인 경우 데이터 스트림도 4개이고, 모드는 1부터 4까지의 값을 가질 수 있다.

이 때, 이동국은 모드를 선택함에 있어, 싱글 유저 모드에 대한 용량과 멀티 유저 모드에 대한 용량을 계산하여, 싱글 유저 모드 용량과 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 모드를 선호 모드로 결정하고, 싱글 유저 모드 용량과 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 프리코딩 매트릭스 인덱스 및 빔 형성 벡터 인덱스를 기지국으로 송신할 수 있다.

이 때, 이동국은 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어, 다른 이동국들 각각이 상기 이동국과 동일한 양만큼 멀티 유저 모드 용량에 기여하는 것으로 추정할 수 있다.

이 때, 상기 싱글 유저 모드 용량은 채널을 통해 전송되는 신호의 파워가 최대가 되도록 프리코딩 매트릭스 및 빔형성 벡터가 선택되었을 경우의 신호의 파워를 이용하여 생성되고, 상기 멀티 유저 모드 용량은 선택된 채널을 통해 전송되는 신호의 파워에 비례하고, 선택된 채널 이외의 다른 채널을 통해 전송되는 신호의 파워들의 합에 반비례하는 값을 이용하여 생성될 수 있다.

이 때, 빔 형성 벡터

를 이용하여 채널을 통해 전송되는 신호의 파워를

라 하고, 전체 송신 파워를 가우시안 노이즈 전력으로 나눈 값을 ρ라 하면, k 번째 유저에 대한 싱글 유저 모드 용량은 다음 수학식 1과 같이 나타내어진다.

[수학식 1]

이 때, k번째 유저에 대한 멀티 유저 모드 용량은 다음 수학식 2와 같이 나타내어진다.

[수학식 2]

이 때, 이동국은 싱글 유저 모드 용량 및 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것을 양자화하여 양자화된 용량 레벨을 생성하고, 이를 기지국으로 전송할 수 있다.

이 때, 양자화는 각 모드

에 대하여

에 상응하는 L레벨 양자화인 것으로 할 수 있다.

이 때, 양자화는 각각의 레벨에 상응하는 어고딕 용량(ergodic capacity)의 합이 최대가 되도록 디자인될 수 있다.

이 때, 각 모드

에 대하여, L 레벨 양자화된 용량의 최대값은 다음 수학식 3과 같이 나타내어진다.

[수학식 3]

이 때, 실수 구간

을 정의하면, 각 모드에 대한 양자화된 레벨 의 어고딕(ergodic) 용량은 다음 수학식 4와 같이 나타내어진다.

[수학식 4]

이 때, f_r(r)은 r의 확률 밀도 함수(probability density function)이고, P()는 괄호 안의 사건이 일어날 확률이다.

이 때, 상기 양자화를 상기 수학식 3과 상기 수학식 4에 의하여 디자인되는 것으로 할 수 있다.

이 때, 이동국이 선택하는 모드는 이동국이 지원하는 동시적(simultaneous) 스트림의 수로 결정할 수 있다. 예를 들어, 이동국이 선택한 모드의 수가 1이라면, 기지국은 한 명의 유저에게만 데이터를 동시에 전송할 수 있도록 제한할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템의 이동국이 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔 형성 벡터를 선택하여 기지국으로 그 정보를 궤환 전송하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 특정 순간의 채널에 대하여 이동국(321, 322, 323)은 선택한 모드 및 인덱스 정보를 기지국(310)으로 전송한다(331, 332, 333).

이 때, 이동국은 k번째 유저에 대한 선호 모드

, 프리코딩 매트릭스 인덱스

, 빔 형성 벡터의 인덱스

, 양자화된 용량 레벨

을 기지국으로 전송할 수 있다.

이 때, 이동국은 양자화된 SNR 및 SNIR(Signal to-Interference-plus-Noise Ratio) 값 중 어느 하나 이상을 기지국으로 전송할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 송/수신 시스템의 기지국이 이동국으로부터 수신한 정보를 기초로 선호 모드, 프리코딩 매트릭스, 빔 형성 벡터를 선택하는 과정을 도시하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 기지국(410)은 이동국(421, 422, 423)으로부터 수신한 정보를 기초로 특정 순간의 채널에 대하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스, 빔 형성 벡터를 선택한다.

이 때, 기지국은 이동국으로부터 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔 형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간 별로 기대 용량이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 모드, 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔 형성 벡터를 결정할 수 있다.

이 때, 룩업 테이블에는 싱글 유저 모드 및 멀티 유저 모드 각각, 확률 밀도 함수를 이용하여 양자화 영역 각각에 대하여 계산된 기대 용량이 저장될 수 있다.

이 때, 상기 양자화는

에 상응하는 L레벨 양자화이고, 상기 양자화된 용량의 최대값은 상기 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.

이 때, 상기 양자화된 어고딕 용량은 상기 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.

이 때, 상기 양자화 과정은 상기 수학식 3과 상기 수학식 4를 이용하여 디 자인되는 것으로 할 수 있다.

이 때, 룩업 테이블에 저장되는 싱글 유저 모드에 대한 기대 용량은 다음 수학식 5와 같이 나타내어진다.

[수학식 5]

이 때, 룩업 테이블에 저장되는 멀티 유저 모드에 대한 기대 용량은 다음 수학식 6과 같이 나타내어진다.

[수학식 6]

이 때, fr() 및 fr_m()은 각각 r 및 r_m의 확률밀도함수이다. 그리고, r_m은 m-1 개의 간섭 신호를 가진 유저의 SINR이다.

각각의 유너터리 매트릭스 u 에 대하여 그 u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스를 선택한 유저들의 집합을 Su 라고 하고, u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i 에 상응하는 빔 형성 벡터를 선택한 유저들의 집합을 Sui 라고 하고, u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i 에 상응하는 빔 형성 벡터의 모드를

라고 하면, 본 발명의 일 실시예에 따를 때, u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔 벡터들의 집합 Bu 에 대하여 빔 형성 벡터 i*를 다음 수학식 7과 같이 선택할 수 있다.

[수학식 7]

이 때, u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔 벡터들의 집합 Bu는 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 8]

이 때, 상기 선택된 빔 형성 벡터 i*에 대한 유저들의 집합에 대하여 다음 수학식 9와 같은 조건을 만족하는 싱글 유저 모드 및 멀티 유저 모드를 탐색할 수 있다.

[수학식 9]

이 때, 상기 수학식 9와 같은 조건을 만족하는 모드를 탐색하기 위하여, 선택된 i*에 대하여, 상기 수학식 9와 같은 조건을 만족할 때까지

의 과정을 반복하여 조건을 만족하는 모드를 탐색할 수 있다.

이 때, 기지국은 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어서, 미리 만들어진 상기 룩업 테이블을 참조할 수 있다.

이 때, 기지국에서 계산하는 싱글 유저 모드 용량은 다음 수학식 10과 같이 나타내어질 수 있다.

[수학식 10]

이 때, 기지국에서 계산하는 멀티 유저 모드 용량은 다음 수학식 11과 같이 나타내어질 수 있다.

[수학식 11]

이 때, 기지국은 상기 계산한 싱글 유저 모드 용량 및 상기 계산한 멀티 유저 모드 용량 가운데 더 큰 값에 해당하는 모드를 상기 최적 모드로 결정할 수 있다.

이 때, 기지국은 가장 큰 상기 기대 용량에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 빔 형성 벡터를 각각 상기 최적 프리코딩 매트릭스 및 상기 최적 빔 형성 벡터로 결정할 수 있다.

이 때, 기지국이 선택하는 모드는 그 데이터가 전송될 대상이 되는 유저의 수일 수 있다.

이 때, 기지국은 전송 모드를 최적화하도록 하는 유저들의 집합을 결정할 수 있다.

기지국이 전송 모드를 최적화하여 선택하는 과정을 다음의 실시예를 통하여 설명한다.

예를 들어, 기지국이 참조하는 프리코딩 매트릭스 코드북은 하나의 유너터리 매트릭스만을 가질 수 있고, 이 때, 상기 유너터리 매트릭스는

=4, 즉 4 by 4 매트릭스일 수 있다. 이 때, 상기 유너터리 매트릭스에 포함되는 각각의 빔 형 성 벡터에 대하여, 양자화된

의 크기를 참조하여 이동국에서 선택한 모드 인덱스가 1(

)인 유저가 있을 수 있고, 나머지 유저들은 양자화된 SINR 의 레벨을 참조하여 이동국에서 선택한 모드 인덱스가 4 (

= 4)가 되는 경우가 있을 수 있다.

이 때, 4 개의 빔 벡터 가운데 앞의 3개의 벡터는 모드 인덱스 4를 선택한 유저에 의해 선택되고, 4번째 빔 벡터는 모드 인덱스 1을 선택한 유저에 의해 선택된 경우가 있을 수 있다. 이 때, 가능한 기지국의 전송 모드는 1) 4 유저 모두에게 4개의 빔 벡터를 전송하는 모드, 2) 모드 인덱스 4를 선택한 3 유저에게 상기 앞의 3개의 빔 벡터를 전송하는 모드, 3) 상기 3 유저 가운데 2 유저를 선택하여 전송하는 모드(이 때, 이 2 유저는 상기 앞의 3개의 빔 가운데 적어도 하나 이상에 해당할 수 있다.), 4) 1 유저에게만 전송하는 모드(이 경우 전송되는 빔은 4번째 빔에만 국한하지 않고, 4 빔 벡터 중 어느 하나면 된다.) 가운데 하나일 수 있다.

이 때, 전송 모드를 결정하는 기준으로, 각각의 모드 및 양자화된 영역에 대한 기대 용량을 계산하여 저장하는 룩업 테이블을 만들어 이에 의할 수 있으며, 이 때, 기대 용량을 계산하는 방법은 앞에서 설명한 바와 같다.

이 때, 기지국은 선택 가능한 모드에 상응하는 룩업 테이블의 엔트리를 단순히 합산할 수 있으며, 상기 합산된 기대 용량에 기초하여 최선의 모드를 선택할 수 있다. 예를 들어, 룩업 테이블에 저장된 계산된 양자화 SINR을 최대로 하는 모드가 2 라면, 기지국은 기대 용량을 최대화하기 위하여 2 개의 빔 벡터를 선택할 수 있다. 기지국은 이러한 선택 과정을 상기 4 개의 모든 선택 가능한 모드에 대하여 반복하여 최적 모드를 결정할 수 있다.

이 때, 기지국의 모드 선택 과정에서 과정의 처리 코스트(processing cost)를 하나의 기준으로 포함할 수 있다.

이 때, 기지국의 모드 선택 과정에서 과정 수행의 단순화를 하나의 기준으로 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 기지국은 기지국이 결정한 최적 모드, 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔 형성 벡터에 의해 각 이동국으로 데이터를 전송한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 결정 방법의 각 단계를 나타낸 동작 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 결정 방법은 하나 이상의 이동국이, 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔 형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신한다(S610).

이 때, 이동국은 싱글 유저 모드 용량 및 멀티 유저 모드 용량을 계산하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것을 양자화하여 상기 양자화된 용량 레벨을 생성할 수 있다.

이 때, 상기 이동국은 상기 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어, 상기 이 동국 이외의 다른 이동국들 각각 상기 이동국과 동일한 양만큼 상기 멀티 유저 모드 용량에 기여하는 것으로 추정할 수 있다.

이 때, 상기 싱글 유저 모드 용량은 상기 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.

이 때, 상기 멀티 유저 모드 용량은 상기 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.

이 때, 상기 이동국은 상기 계산된 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 모드를 상기 선호 모드로 설정하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 프리코딩 매트릭스 인덱스 및 빔 형성 벡터 인덱스를 송신할 수 있다.

이 때, 상기 양자화는

이 때, 상기 양자화 과정은 상기 수학식 3과 상기 수학식 4를 이용하여 디자인되는 것으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 결정 방법은 기지국이, 상기 하나 이상의 이동국으로부터 상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정한다(S620).

이 때, 상기 양자화는

이 때, 룩업 테이블에 저장되는 싱글 유저 모드에 대한 기대 용량은 상기 수학식 5와 같이 계산할 수 있다.

이 때, 룩업 테이블에 저장되는 멀티 유저 모드에 대한 기대 용량은 상기 수학식 6과 같이 계산할 수 있다.

이 때, 유너터리 매트릭스 u 에 상응하는 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔 벡터들의 집합 Bu 에 대하여 빔 형성 벡터 i*를 상기 수학식 7과 같이 선택할 수 있다.

이 때, 상기 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔 벡터들의 집합 Bu는 상기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

이 때, 상기 선택된 빔 형성 벡터 i*에 대한 유저들의 집합에 대하여 상기 수학식 9와 같은 조건을 만족하는 싱글 유저 모드 및 멀티 유저 모드를 탐색할 수 있다.

이 때, 기지국에서 계산하는 싱글 유저 모드 용량은 상기 수학식 10과 같이 계산할 수 있다.

이 때, 기지국에서 계산하는 멀티 유저 모드 용량은 다음 수학식 11과 같이 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 그룹 모드 결정 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령 은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명의 멀티 유저 데이터 송/수신 시스템은 MIMO 시스템의 장점을 살리면서 다중 사용자에 대한 채널의 용량을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 다중 사용자 간 간섭을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 그 전송 모드 선택의 자유도를 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 다중 사용자 간 통신 시스템에 있어, 그 오버헤드(overhead)와 시스템 복잡성(system complexity)을 획기적으로 줄일 수 있다.

Claims

수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 하나 이상의 이동국(mobile station); 및

상기 이동국으로부터 상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 기지국(base station)

을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 이동국은

싱글 유저 모드 용량 및 멀티 유저 모드 용량을 계산하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것을 양자화하여 상기 양자화된 용량 레벨을 생성하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제2항에 있어서,

상기 이동국은

상기 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어, 상기 이동국 이외의 다른 이동 국들 각각이 상기 이동국과 동일한 양만큼 상기 멀티 유저 모드 용량에 기여하는 것으로 추정하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제2항에 있어서,

상기 싱글 유저 모드 용량은 채널을 통해 전송되는 신호의 파워가 최대가 되도록 프리코딩 매트릭스 및 빔형성 벡터가 선택되었을 경우의 신호의 파워를 이용하여 생성되고,

상기 멀티 유저 모드 용량은 선택된 채널을 통해 전송되는 신호의 파워에 비례하고, 선택된 채널 이외의 다른 채널을 통해 전송되는 신호의 파워들의 합에 반비례하는 값을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제2항에 있어서,

상기 이동국은

상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 모드를 상기 선호 모드로 설정하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 프리코딩 매트릭스 인덱스 및 빔형성 벡터 인덱스를 송신하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 기지국은

하기 수학식 1을 이용하여 싱글 유저 모드 용량을 계산하고, 하기 수학식 2를 이용하여 멀티 유저 모드 용량을 계산하여 더 큰 값에 해당하는 모드를 상기 최적 모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.

[수학식 1]

[수학식 2]

(Su는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스를 선택한 유저들의 집합, Sui는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i에 상응하는 빔형성 벡터를 선택한 유저들의 집합,
는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i에 상응하는 빔형성 벡터의 모드로
에 해당, Bu는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔들)
제6항에 있어서,

상기 기지국은 가장 큰 상기 기대 용량에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 빔형성 벡터를 각각 상기 최적 프리코딩 매트릭스 및 상기 최적 빔형성 벡터로 결정하는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제1항에 있어서,

상기 양자화는

에 상응하는 L레벨 양자화이고, 각각의 레벨에 상응하는 어고딕 용량(ergodic capacity)의 합이 최대가 되도록 디자인 되는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
제8항에 있어서,

상기 룩업 테이블은

싱글 유저 모드 및 멀티 유저 모드 각각, 확률 밀도 함수를 이용하여 양자화 영역 각각에 대하여 계산된 기대 용량이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티-유저 데이터 송/수신 시스템.
하나 이상의 이동국이, 수신된 파일럿 신호를 이용하여 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 단계;

기지국이, 상기 하나 이상의 이동국으로부터 상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 수신하고, 양자화 구간별로 기대 용량(expected capacity)이 저장된 룩업 테이블을 이용하여 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제10항에 있어서,

상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 단계는

싱글 유저 모드 용량 및 멀티 유저 모드 용량을 계산하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것을 양자화하여 상기 양자화된 용량 레벨을 생성하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제11항에 있어서,

상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 단계는

상기 멀티 유저 모드 용량을 계산함에 있어, 상기 이동국 이외의 다른 이동국들 각각 상기 이동국과 동일한 양만큼 상기 멀티 유저 모드 용량에 기여하는 것으로 추정하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제11항에 있어서,

상기 싱글 유저 모드 용량은 채널을 통해 전송되는 신호의 파워가 최대가 되도록 프리코딩 매트릭스 및 빔형성 벡터가 선택되었을 경우의 신호의 파워를 이용하여 생성되고,

상기 멀티 유저 모드 용량은 선택된 채널을 통해 전송되는 신호의 파워에 비례하고, 선택된 채널 이외의 다른 채널을 통해 전송되는 신호의 파워들의 합에 반비례하는 값을 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제11항에 있어서,

상기 선호 모드, 프리코딩 매트릭스(precoding matrix) 인덱스, 빔형성 벡터 인덱스 및 양자화된 용량 레벨을 생성하여 송신하는 단계는

상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 모드를 상기 선호 모드로 설정하고, 상기 싱글 유저 모드 용량 및 상기 멀티 유저 모드 용량 중 더 큰 것에 상응하는 프리코딩 매트릭스 인덱스 및 빔형성 벡터 인덱스를 송신하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제10항에 있어서,

상기 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 단계는

하기 수학식 3을 이용하여 싱글 유저 모드 용량을 계산하고, 하기 수학식 4를 이용하여 멀티 유저 모드 용량을 계산하여 더 큰 값에 해당하는 모드를 상기 최적 모드로 결정하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.

[수학식 3]

[수학식 4]

(Su는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스를 선택한 유저들의 집합, Sui는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i에 상응하는 빔형성 벡터를 선택한 유저들의 집합,
는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 i에 상응하는 빔형성 벡터의 모드로
에 해당, Bu는 u에 상응하는 프리코딩 매트릭스의 활성화된 빔들)
제15항에 있어서,

상기 최적 프리코딩 매트릭스, 최적 빔형성 벡터 및 최적 모드를 결정하는 단계는

가장 큰 상기 기대 용량에 상응하는 프리코딩 매트릭스 및 빔형성 벡터를 각각 상기 최적 프리코딩 매트릭스 및 상기 최적 빔형성 벡터로 결정하는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제10항에 있어서,

상기 양자화는

에 상응하는 L레벨 양자화이고, 각각의 레벨에 상응하는 어고딕 용량(ergodic capacity)의 합이 최대가 되도록 디자인 되는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제17항에 있어서,

상기 룩업 테이블은

싱글 유저 모드 및 멀티 유저 모드 각각, 확률 밀도 함수를 이용하여 양자화 영역 각각에 대하여 계산된 기대 용량이 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 모드 결정 방법.
제10항 내지 제18항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록되어 있는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.