KR101307309B1

KR101307309B1 - 다중 안테나 송신기, 다중 안테나 송신기 및 무선 접속 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR101307309B1
Application number: KR1020110142644A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 김태겸; 이용훈; 최준성; 장원범
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2013-09-10
Also published as: KR20130074540A

Abstract

본 발명은, 다중 안테나 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 접속 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 송신기가 제 1 빔포머 형성에 필요한 제 1 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계, 상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 1 빔포머를 획득하는 단계, 상기 획득한 제 1 빔포머에 기초하여, 상기 송신기가 제 2 빔포머 형성에 필요한 제 2 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계, 상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 2 빔포머를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 안테나 송신기, 다중 안테나 송신기 및 무선 접속 시스템의 제어 방법 {Multi-antenna transmitter, Controlling Method of Multi-antenna transmitter and Wireless Access System}

본 발명은 다중 안테나 송신기, 다중 안테나 송신기 및 무선 접속 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 송신단의 다중 안테나는 단일 안테나 시스템에 비해 통신 전송률 (capacity,캐패시티)을 향상시킨다. 또한, 다수의 안테나를 활용하는 통신 시스템은 전송률 뿐 아니라 통신 시스템의 에너지 효율을 증가시키는 방안으로 써도 고려되고 있다. 이러한 다중 안테나 시스템은 공간적 다중화를 통해 다수의 단말을 지원하는 브로드캐스트 채널에 이미 널리 적용되어져 있다.

브로드캐스트 채널에서 더티-페이퍼-코딩(dirty paper coding, DPC) 기법이 이론적인 최대 통신 용량을 얻을 수 있는 최적 기법이지만, 기술의 비 선형성 및 전송 전력의 제한으로 인하여 실제적인 통신 시스템에 적용하기 힘들다. 따라서 현실적 적용이 용이한 선형 빔포밍(linear beamforming) 기술이 연구되고 있다. 더욱이 선형 빔포밍 기법의 성능은 안테나가 많아질수록 더티-페이퍼-코딩의 성능에 가까워지는 장점이 있다. 그러나 일반적으로 브로드캐스트 채널의 최적의 빔포밍 전송 필터 계수는 찾기가 어렵다. 최적 빔포밍을 대신해서 구조가 단순한 간섭 제거 빔포밍(zero-forcing beamforming, ZFBF)이 대안으로써 연구되어 왔다. 비록 간섭 제거 빔포밍이 차선책이지만, 다중 사용자 다이버시티를 통하여 다수의 사용자가 있는 하향 링크 시스템에서 최적 성능에 근접한 성능을 얻을 수 있다. 다른 빔포밍과 같이, 채널 역(inverse)을 기반으로 한 간섭 제거 빔포밍은 정확한 채널 상태 정보(channel stage information, CSI)를 필요로 한다. 더욱이, 송신단에서 많은 안테나를 사용할수록 채널 상태 정보의 정확성이 더욱 중요해진다.

현실적인 통신 시스템에서, 채널 상태의 피드백 정보는 제한적이다. 따라서, 다수 안테나를 사용하는 송신 시스템에서 최대 다중화 이득(multiplexing gain) 을 얻기 위한 채널 상태 정보의 필요량은 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)에 비례하여 증가한다. 따라서 불완전한 채널 상태 정보는 높은 신호 대 잡음비 영역에서 시스템의 성능을 감소시켜 다중화 이득을 얻지 못하게 만든다. 이 한계를 극복하기 위한 방법으로써 짧은 시간 간격 사이에 변화하지 않는 통계적 채널 정보를 활용하여 빔포밍을 설계하거나, 적응형 코드북 설계를 통해 적은 피드백 정보량으로도 채널의 추정 정확도를 향상시키는 방안이 고려되었다. 그러나 통계적 채널 상태 정보의 피드백을 주기적으로 전송하여야 하며, 채널의 통계를 수신단에서 측정하여야 하는 부담이 있다.

한편 채널 계수들은 공간적으로 관련이 있기 때문에, 수신단의 위치 정보(spatial signature)는 채널의 특성을 추정하기 위한 유용한 정보이다. 공간적 관련이 있는 채널에서, 위치 정보는 통계적 채널 상태 정보의 부분 집합이다. 예를 들어, 다중 입력 단일 출력(MISO) 라이시안 채널에서 통계적 채널 상태 정보는 수신단의 공간적 서명과 관련이 있다.

이러한 공간적 위치정보는 최근의 무선 통신 시스템에서 널리 활용되는 GPS 등의 기술이 적용되면서 보다 용이하게 얻을 수 있다. 또한 AGSP 시스템에서와 같이 송신단은 수신기가 자신의 위치를 추정하도록 도우면서 동시에 수신기의 위치를 추정할 수 있다.

따라서, 본 명세서는 기존의 방식보다 낮은 채널 상태 정보를 요구하는 무선 통신 시스템을 설계하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 명세서는 송신단의 안테나 수가 많은 상황에서 적은 양의 피드백 정보량을 기반으로 높은 신호 대 잡음비 환경에서 다중 전송 이득을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 명세서는 낮은 채널 상태 정보 요구량과 다중 어레이로부터의 다이버시티 이득을 동시에 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 다중 안테나 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 접속 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 송신기가 제 1 빔포머 형성에 필요한 제 1 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계, 상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 1 빔포머를 획득하는 단계, 상기 획득한 제 1 빔포머에 기초하여, 상기 송신기가 제 2 빔포머 형성에 필요한 제 2 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계, 상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 2 빔포머를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 상기 제 1 피드백 수신 단계는, 상기 송신기가 상기 수신기의 위치 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 상기 제 1 피드백 수신 단계는, 상기 송신기가 공간적 서명, 전송 상관 행렬 및 도미넌트 아이겐벡터(Dominant Eigenvector) 중 적어도 하나를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 상기 제 2 피드백 수신 단계는, 상기 송신기가 상기 수신기로부터 유효 채널 상태 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 상기 제 1 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

여기서, M은 송신단의 안테나 개수,

는 송신단으로부터 k 번째 수신단까지의 출발각(angle of departure, AOD), d는 안테나 간격을 의미한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 무선 접속 시스템의 제어 방법은, 상기 제 2 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

여기서,

는 유효 채널

의 피드백 정보를 의미한다.

본 발명의 일 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 수신기로부터 제 1 빔포머 형성에 필요한 제 1 피드백을 수신하는 단계, 상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여, 제 1 빔포머를 형성하는 단계, 상기 형성된 제 1 빔포머에 기초하여, 상기 수신기로부터 제 2 빔포머 형성에 필요한 제 2 피드백을 수신하는 단계, 상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여, 제 2 빔포머를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 상기 제 1 피드백 수신 단계는, 상기 수신기의 위치 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 상기 제 1 피드백 수신 단계는, 상기 송신기가 공간적 서명, 전송 상관 행렬 및 도미넌트 아이겐벡터(Dominant Eigenvector) 중 적어도 하나를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 상기 제 2 피드백 수신 단계는, 상기 송신기가 상기 수신기로부터 유효 채널 상태 정보를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 상기 제 1 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

여기서, M은 송신단의 안테나 개수,

본 발명의 또 다른 양상에 따른 다중 안테나 송신기의 제어 방법은, 상기 제 2 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

여기서,

는 유효 채널

의 피드백 정보를 의미한다.

본 발명의 일 양상에 따른 다중 안테나 송신기는, 다중 안테나, 상기 다중 안테나와 기능적으로 연결되는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 수신기로부터 제 1 빔포머 형성에 필요한 제 1 피드백을 수신하고, 상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여 제 1 빔포머를 형성하고, 상기 형성된 제 1 빔포머에 기초하여 상기 수신기로부터 제 2 빔포머 형성에 필요한 제 2 피드백을 수신하고, 상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여 제 2 빔포머를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서의 개시에 의하여, 기존의 방식보다 낮은 채널 상태 정보를 요구하는 무선 통신 시스템을 설계하는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또, 본 명세서의 개시에 의하여, 송신단의 안테나 수가 많은 상황에서 적은 양의 피드백 정보량을 기반으로 높은 신호 대 잡음비 환경에서 다중 전송 이득을 얻을 수 있는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

또, 본 명세서의 개시에 의하여, 낮은 채널 상태 정보 요구량과 다중 어레이로부터의 다이버시티 이득을 동시에 얻을 수 있는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 접속 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 두 단계의 빔포머를 적용한 하향 링크 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 라이시안 K 요소가 0.1일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8, 완전한 채널 상태 정보)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.
도 4는 라이시안 K 요소가 1일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8, 완전한 채널 상태 정보)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.
도 5는 신호 대 잡음비가 14dB일 때, 안테나 수의 변화에 따른 전송률의 합 변화를 라이시안 K 요소에 따라서 나타낸 컴퓨터 모의실험 결과이다.
도 6은 퍼짐 각이 5도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.
도 7은 퍼짐 각이 10도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.
도 8은 퍼짐 각이 20도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈", "유닛" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

본 발명은 다중 안테나 브로드캐스트 채널에서의 기본적 시스템에 대한 발명이다.

M개의 안테나를 가진 송신단은 단일 안테나를 가진 K개의 수신단과 통신한다. 그리고, K < M 이라고 가정할 수 있다.

이 때, 하향 링크 시스템은 이하의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기에서

는 각 단말에서 수신된 수신신호 y _k 를 모은 벡터이다. 그리고,

는 다중 입력 단일 출력 채널의 k 번째 수신단으로의 채널

으로 구성된

페이딩 채널 매트릭스이다. 그리고,

는 송신 신호의 벡터이고,

은 각각의 수신단에서의 부가적인 잡음을 목록으로 갖는 잡음 벡터이다. 이때 잡음의 크기는 CQI (channel quality information) 정보를 통해 시스템이 알고 있다고 가정한다.

송신단 신호 벡터 x는 선형 프리코더 매트릭스인

에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 정보 심볼 벡터가

로 표현될 때,

이다.

본 발명에서는 단계적 빔포밍을 통해 보다 적은 정보량을 가지고 효율적인 선형 프리코더

를 설계할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.

도 1

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 무선 접속 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

본 발명의 일실시예에 의할 때, 다중 안테나를 가진 송신기는 제 1 빔포머 형성에 필요한 제 1 피드백을 수신할 수 있다(S110).

또, 본 발명의 일실시예에 의할 때, 다중 안테나를 가진 송신기는 상기 획득한 제 1 피드백에 근거하여 제 1 빔포머를 획득할 수 있다(S120).

상기 제 1 피드백을 수신하는 단계는 수신기로부터 공간적 서명, 전송 상관 행렬, 도미넌트 아이겐벡터(Dominant eigenvector) 등을 피득백받는 단계를 포함할 수 있다.

도 2

도 2는 두 단계의 빔포머를 적용한 하향 링크 시스템을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은, 송신단에서의 다수의 안테나(410)를 활용하여 다수의 수신 단말(420)을 지원하는 하향 링크 시스템에서, 수신단의 위치 정보를 사용하는 하향 링크 빔포밍 기법을 사용한다.

제안된 기술은 두 단계의 선형 빔포머를 활용하여 필요한 채널 피드백 양을 감소시키면서 다수의 안테나를 통한 빔포밍 이득을 얻는 기법이다. 제 1 빔포머(100)는 위치 정보를 사용하고, 제 2 빔포머(200)는 첫 번째 빔포머로부터 만들어진 유효 채널 상태 정보를 사용한다.

제안된 방식은, 제 1 빔포머(100)에서 위치정보를 사용하여 전송하기에, 채널 정보를 필요로 하지 않는다.

각 수신 단말(420)은 제 1 빔포머(100)를 거친 유효 채널을 기반으로 채널 정보를 송신단에 피드백하고, 송신단은 이 정보를 활용하여 제 2 빔포머(200)를 설계한다.

이때, 제 2 빔포머(200)에서 필요한 채널 정보량은 송신단에서 정보를 전송하는 수신 단말(420)의 수와 비례한다. 따라서 제안 빔포밍 기법은 기존 빔포밍 기법에 대비하여 더 작은 채널 정보량으로도 높은 송수신 신호 대 잡음비 환경에서 다중화 이득에 따른 성능을 얻을 수 있다.

기존의 빔포머 설계는 송신단에서의 전체 채널 상태 정보를 요구하는 채널 반전과 파워 할당을 기반으로 하고 있다. 본 발명은 다중 입력 단일 출력(MISO) 라이시안 채널에서 하향 링크 시스템에서 송신단의 채널 상태 정보 요구량을 줄이기 위해서 두 단계의 빔포머를 적용하였다. [도 2]에서 볼 수 있듯이, 제안 방안은

를

로 두 단계로 구성한다. 첫 번째 빔포머(100)는 수신단의 위치 정보를 기반으로 설계된

이고 두 번째 빔포머(200)는 H보다 적은 피드백 정보를 필요로 하는 유효 채널

로 설계된

이다. 따라서 송신 신호 벡터는 x=WVs로 두 빔포머로 구성되어 있다.

이하, 다중 안테나를 가진 송신기가, 수신기로부터 공간적 서명, 전송 상관 행렬, 도미넌트 아이겐벡터(Dominant eigenvector) 등을 피득백받아 제 1 빔포머를 설계하는 단계를 설명하기로 한다.

본 발명의 위치정보를 활용하는 시스템에서 가시성분(line of sight, LOS)과 비 가시성분(non-line of sight, NLOS) 요소를 갖는 라이시안(Ricean) 페이딩 채널을 가정할 수 있다.

이 때, k 번째 수신단의 다중 입력 단일 출력 라이시안 채널은 [수학식 2]로 나타내어질 수 있다.

[수학식 2]

여기서, a는 가시거리와 비 가시거리 요소 사이의 라이시안 성분이며,

는 결정된 공간적 서명이며 송신단에서의 반사 어레이 응답이다. 또한 h _iid 는 각 성분이 i.i.d 복소 가우시안 랜덤 변수

을 따르는 레일레이 페이딩 채널로 NLOS 채널 성분을 나타낸다.

가 k 번째 수신단으로의 출발각(angle of departure, AOD)이며 d는 안테나 간격일 때, M개의 안테나를 가진 송신단에서의 응답은

로 주어진다. 본 발명에서 수신단에서의 위치 정보는 오차가 없다고 가정한다.

한편, 본 발명에서 고려한 두 단계 빔포밍 기법은 NLOS 페이딩 (Rayleigh 페이딩) 환경에서도 적용 가능하다. MISO (multiple-input single-output) NLOS 채널의 특성은 일반적으로 Kronecker 모델로 표현될 수 있다.

이때 채널

은 가우시안 분포를 따르며, 이때 채널의 전송 상관 행렬(Transmit correlation matrix)

는 M by M 행렬이다.

이러한 Rayleigh 페이딩 환경의 특성은 전송 상관 행렬의 eigenvalue의 분포와 해당 eigenvector의 특성으로 나타날 수 있다. k번째 단말의 채널의 전송 상관 행렬은 다음과 같이 eigenvalue decomposition이 가능하다.

여기서,

는 M개의 eigenvalue

로 구성된 대각(diagonal) 행렬이며,

는 각 eigenvalue 값에 해당되는 M개의 eigenvector u로 구성된 유니타리(unitary) 행렬이다. 모든 경우에 대해서 (without loss of generality),

으로 가정할 수 있다.

한편, 라이시안 페이딩의 경우 첫 번째 빔포머 설계는 송신단의 공간적 서명

를 기반으로 되어있다. 그리고, 본 발명이 제안하는 제 1 빔포머는 이하의 [수학식 3]과 같이 나타날 수 있다.

[수학식 3]

상기 빔포머 설계는 다중 입력 단일 출력 라이시안 채널에서의 방향적 빔포밍이다.

한편, Rayleigh 페이딩 환경의 경우 각 단말 채널

의 전송 상관 행렬의 가장 큰 eigenvalue (dominant eigenvalue)에 해당하는 eigenvector (dominant eigenvector)들을 사용하여 첫 번째 전송 행렬을 구성할 수 있다.

여기서, 첫 번째 빔포머를 위해 필요한 정보인 공간적 서명이나 dominant eigenvector의 정보는 다양한 방법으로 얻을 수 있다. 공간적 서명은 GPS와 같은 시스템을 통해 추정 후 송신단으로 전송할 수 있다. 그리고, 일반적으로, 통신 시스템에서 pilot 신호를 통해 단말이 채널을 추정하도록 하여 단말에서 채널의 특성인 전송 상관 행렬을 추정할 수 있다. 이러한 정보는 상대적으로 긴 시간동안 변하지 않는 특성이다. 따라서, 이러한 방법에서는, 시스템에 거의 부담을 주지 않는 정보량으로 송신단에 전송할 수 있다.

또한, dominant eigenvector의 경우 일반적으로 필요한 전송 상관 행렬을 전부 전송하지 않고 단말에서 각 백터

을 각각 전송할 수 있다.

제 1 빔포머(100)의 설계가 완료되면, 실제적인 통신은 제 2 빔포머(200)를 통해 이루어질 수 있다. 이때 각 단말은 유효 채널

을 통해 통신할 수 있다.

이때, 제안 시스템은 유효 채널 정보를 전송하는 feedback 채널에 한계가 있는데, 이는 각 단말에서 전송된 제한된 피드백 정보

를 통해 전송한다고 가정한다.

따라서, 제 2 빔포머(200) 설계를 위한 채널은 유효 채널

로써 다중 입력 단일 출력 채널의 k 번째 수신단으로의 유효 채널

으로 구성된

페이딩 채널 매트릭스이다.

제 2 빔포머(200)는 유효 채널 HW의 피드백 정보인

를 기반으로 하고 있다. 그리고 제 2 빔포머(200)를 설계하기 위해서 본 발명에서는 간섭 제거와 파워 할당 알고리즘을 사용한다.

한편, 제 2 빔포머(200)는 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

그리고 파워 할당은 워터 필링 해법 빔포머와 각 단말의 열잡음에 대한 문제인 [수학식 5], [수학식 6]을 따른다.

[수학식 5]

[수학식 6]

여기에서

는 매트릭스 A의 i 번째 열벡터이고 P_tx는 송신단의 전체 파워이다.

상기 [수학식 5], [수학식 6]에 대한 해답은 각 단말에 전송하는 심볼의 전송 파워[수학식 7]로 나타내어진다.

[수학식 7]

여기에서

이고

는 [수학식 6]을 만족하는 라그랑제(Lagrange) 승수이다. 따라서 전체 시스템의 기대 전송 용량은 다음과 같이 표현된다.

이는 각 단말의 전송 용량

의 합이다.

본 발명에서 제안된 기법의 채널 피드백 정보의 필요량을 확인하기 위해서 제한된 피드백을 기반한 임의 벡터 양자화(RVQ)를 사용하는 시스템을 가정하였다. 임의 벡터 양자화는 송신단과 수신단이 모두 알고 있는 임의로 생성된 코드북

으로부터 선택된다. 채널 피드백의 정보량 B는 양수이며, f의 크기는

이다. 각각의 벡터 f는 복소수 단위원으로부터 균일하게 선택되어진다. f의 크기는 기존은 송신단의 안테나 수 M이고 본 발명에서 수신단의 수 K인 유효 채널의 크기에 의존한다. k 번째 수신단은 피드백 벡터

를 [수학식 8]와 같은 방법으로 선택한다.

[수학식 8]

k 번째 수신단은

의 색인을 송신단으로 피드백하며, 송신단은 채널 품질 정보와

로부터 k 번째 수신단의 채널을 추정한다. 추정된 채널과 채널 품질 정보를 통해 송신단은 빔포머를 설계한다.

본 발명의 효과를 검증하기 위한 컴퓨터 모의실험을 수행하였다. 컴퓨터 모의실험은 다수의 송신단 안테나 및 단일 안테나를 갖는 두 명의 사용자를 포함하는 다중 사용자 다중 입력 단일 출력 브로드캐스트 시스템을 고려하였다.

수신단이 공간적으로 분리되어 있으므로, 라이시안 페이딩 환경에 대하여 각 수신단은 다른 공간적 서명을 갖는다고 가정하였으며, 간단한 비교를 위하여 각각의 수신 단말은 같은 라이시안 K 요소를 갖는다고 가정하였다.

또한 Rayleigh 페이딩 환경에서는 eigenvalue값의 분포에 따른 성능 변화를 확인하기 위해서 angular spread 값을 조정하여 각각 다른 angular spead에 대해 실험하였다. 본 컴퓨터 모의실험에서는 제안된 빔포밍 기법과 기존의 간섭 제거 빔포밍을 신호 대 잡음비에 따른 채널 사용 당 전송률의 합(sum rate, bps/Hz)을 지표로 하여 비교하였다.

도 3은 라이시안 K 요소가 0.1일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8, 완전한 채널 상태 정보)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

도 4는 라이시안 K 요소가 1일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8, 완전한 채널 상태 정보)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

우선 라이시안 페이딩 환경에 대해서 송신단 안테나가 4개인 경우에 대하여 기존 방식과 제안 방식의 성능을 비교하였다. [도 3], [도 4]에서는 채널 피드백 정보량 B의 효과를 볼 수 있다. 기존의 방식과 제안된 방식에 대하여, 서로 다른 B(4, 6, 8)와 a(0.1[도 3], 1[도 4])값을 갖도록 하고, 양 방식을 비교하였다.

[도 3]에서는 a가 0.1일 때, 높은 신호 대 잡음비 영역에서 제안된 방식이 더 나은 성능을 가짐을 보인다. B가 4, 6, 8일 때, 각각 14, 15, 16dB에서 기존의 방식과 접점이 있은 후 더 그보다 높은 신호 대 잡음비 영역에서는 더 나은 성능을 보인다. 그리고 [도 4]에서는 a가 1일 때, 제안된 방식이 약 6dB 이상에서는 기존보다 더 나은 성능을 가짐을 보인다. 그러므로 높은 신호 대 잡음비 영역에서 제안된 방안의 성능을 확인할 수 있다.

도 5는 신호 대 잡음비가 14dB일 때, 안테나 수의 변화에 따른 전송률의 합 변화를 라이시안 K 요소에 따라서 나타낸 컴퓨터 모의실험 결과이다.

다중 안테나의 수가 변화할 때 제안 방안의 전송률의 합의 이득을 보기 위해서 [도 5]에서는 같은 피드백 정보량을 필요로 하는 기존의 2개의 안테나를 갖는 송신단과 제안된 방식에서의 4, 8개의 안테나를 갖는 송신단을 비교하였다. [도 5]에서 볼 수 있듯이 a가 0.03보다 커지면서 위치 정보에 따른 채널의 상관관계가 높아질수록 2개 안테나를 활용하는 채널 정보량만을 가지고도 다수의 안테나를 사용함에 따른 빔포밍 성능 이득을 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 따라서 8개의 안테나일 때 4개의 안테나일 때보다 송신단의 다이버시티 이득으로 인해서 더 나은 성능을 가짐을 알 수 있다.

도 6은 퍼짐 각이 5도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

도 7은 퍼짐 각이 10도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

도 8은 퍼짐 각이 20도일 때, 제한된 피드백 양(4, 6, 8)에 따른 전송률의 합을 비교한 컴퓨터 모의실험 결과이다.

송신단이 8개 안테나를 사용하며 [도6, 7, 8]에서 퍼짐 각(angular spread)이 5도 10도 20도인 환경에 대해 기존 방식과 제안 방식의 성능을 비교하였다.

앞선 Ricean 페이딩 환경과 같이 [도 6], [도 7], [도 8]에서는 채널 피드백 정보량 B의 효과를 볼 수 있다. 기존의 방식과 제안된 방식을 다른 B(4, 6, 8)와 퍼짐 각(5도[도 6], 10도[도 7], 20도[도 8])에 따라서 비교하였다. [도 6]에서는 퍼짐 각이 5도일 때, 모든 신호 대 잡음비 영역에서 제안된 방식이 더 나은 성능을 가짐을 보인다. 제안된 방안의 B가 4, 6, 8 모두, 기존 방안의 B가 8일 때보다 모든 신호 대 잡음비 영역에서 나은 성능을 보였다. 그리고 [도 7]에서는 퍼짐 각이 10도일 때, 제안된 방식이 약 3dB 이상에서는 기존보다 더 나은 성능을 가짐을 보인다. [도 8]에서는 B가 4일 경우에는 20dB이상에서 제안된 방안의 성능이 더 좋아졌으며, B가 6, 8일 경우에는 각각 12, 13dB 이상에서 제안된 방안의 성능이 더 좋음을 확인할 수 있다. 그러므로 높은 신호 대 잡음비 영역에서는 제안 방안의 성능이 기존 방안보다 나음을 알 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 방법은, 서로 개별적으로 또는 조합되어 이용할 수 있다. 또, 각 실시예를 구성하는 단계들은 다른 실시예를 구성하는 단계들과 개별적으로 또는 조합되어 이용될 수 있다.

또, 이상에서 설명한 방법은 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 지금까지 설명한 방법들은 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 코드로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 저장부에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.

또한, 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

100 : 제 1 빔포머 200 : 제 2 빔포머

Claims

다중 안테나 송신기 및 수신기를 포함하는 무선 접속 시스템의 제어 방법에 있어서
상기 송신기가 상기 수신기의 위치 정보에 대응하는 제 1 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계;
상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 1 빔포머를 형성하는 단계;
상기 형성한 제 1 빔포머에 기초하여, 상기 송신기가 상기 수신기의 유효 채널 상태 정보에 대응하는 제 2 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계; 및
상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여, 상기 송신기가 제 2 빔포머를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되고,
[수학식]

여기서,
는 상기 제2피드백 정보에 대응하는 유효 채널
의 피드백 상태 정보를 의미하는 것을 특징으로 하는 무선 접속 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계는,
상기 송신기가 상기 수신기의 위치 정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 접속 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계는,
상기 송신기가 공간적 서명, 전송 상관 행렬 및 도미넌트 아이겐벡터(Dominant Eigenvector) 중 적어도 하나를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 접속 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 피드백을 상기 수신기로부터 수신하는 단계는,
상기 송신기가 상기 수신기로부터 유효 채널 상태 정보를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 접속 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되고,
[수학식]

여기서, M은 송신단의 안테나 개수,
는 송신단으로부터 k 번째 수신단까지의 출발각(angle of departure, AOD), d는 안테나 간격을 의미하는 것을 특징으로 하는 무선 접속 시스템의 제어 방법.
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다중 안테나; 및
상기 다중 안테나와 기능적으로 연결되는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
수신기로부터 상기 수신기의 위치 정보에 대응하는 제 1 피드백을 수신하고, 상기 수신된 제 1 피드백에 기초하여 제 1 빔포머를 형성하고, 상기 형성된 제 1 빔포머에 기초하여 상기 수신기로부터 상기 수신기의 유효 채널 상태 정보에 대응하는 제 2 피드백을 수신하고, 상기 수신된 제 2 피드백에 기초하여 제 2 빔포머를 형성하도록 제어하고,
상기 제 2 빔포머는 이하의 수학식으로 표현되고,
[수학식]

여기서,
는 상기 제2피드백 정보에 대응하는 유효 채널
의 피드백 상태 정보를 의미하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 송신기.
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