KR101362608B1

KR101362608B1 - 무선 네트워크에서 빔포밍을 위해 적응 코드북을 이용하는 기법

Info

Publication number: KR101362608B1
Application number: KR1020117005021A
Authority: KR
Inventors: 칭후아 리; 홍밍 젱; 센지에 장; 신티안 에디 린; 샨샨 젱; 구앙지에 리
Original assignee: 인텔 코오퍼레이션
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2014-02-12
Also published as: TW201021455A; CN102369673A; US8149791B2; US9094072B2; CN103763009B; US20140078996A1; US9893787B2; TWI452860B; JP2012501585A; US9258047B2; CN101677251A; WO2010027647A1; US20160365910A1; KR20110081806A; EP2321910A4; US20100056216A1; EP2321911A4; WO2010027647A8; EP2321911A1; BR122014005147A2

Abstract

본 발명의 실시예는 무선 네트워크에서의 통신을 위한 빔포밍을 위해 적응 코드북을 이용하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.

Description

무선 네트워크에서 빔포밍을 위해 적응 코드북을 이용하는 기법{TECHNIQUES UTILIZING ADAPTIVE CODEBOOKS FOR BEAMFORMING IN WIRELESS NETWORKS}

폐루프 MIMO(multiple input multiple output) 빔포밍에서, 가입자국(subscriber station; SS)은 이상적인 빔포밍 행렬(beamforming matrix)을 양자화하고 양자화 인덱스(quantization index)를 다시 기지국(base station; BS)에 송신한다. BS는 피드백된 인덱스에 따라서 빔포밍 행렬을 재구성하고 빔포밍을 수행한다. 빔포밍이 링크 성능 및 시스템 처리량을 증가시킨다는 것은 잘 알려져 있다.

비록 본 발명은 이 점에 있어서 제한되지 않지만, 802.16e(WiMAX)에서, 이상적인 빔포밍 행렬은 일정한 양자화 코드북(constant quantization codebook)에 의해 양자화된다. 코드북은, BS에서의 송신 안테나 상관(transmit antenna correlation)이 제로인, 단일 채널 시나리오에 대하여 최적화된다. 그러나, 송신 안테나 상관은 실제로는 항상 제로가 아니고 BS에서의 안테나 간격, BS 안테나 높이, LOS/NLOS 조건, BS 및 SS 분리와 같은 몇몇 요인들에 따라 변한다. 더욱이, 최적의 양자화 코드북은 안테나 상관에 따라 변하며, 따라서 코드북을 상관에 적응시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform; DFT) 코드북 및 802.16e 코드북은 높은 안테나 상관과 낮은 안테나 상관 양쪽 모두에 대해서가 아니라 둘 중 어느 한쪽에 대하여 최적화된다. 다행히도, 안테나 상관은 단기 채널 페이딩(short-term channel fading)과 비교하여 매우 느리게 변하고, 802.16e에서 장기 정보(long term information)에 대한 피드백 메커니즘이 있다.

따라서, 무선 네트워크에서 빔포밍을 위해 적용 코드북을 이용하는 기법에 대한 강한 필요가 존재한다.

본 발명으로서 간주되는 내용이 자세히 지적되고 본 명세서의 결론 부분에서 뚜렷하게 청구된다. 그러나, 본 발명은, 그것의 목적들, 특징들, 및 이점들과 함께, 구성 및 동작 방법에 관하여, 첨부 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 읽고 참조할 때 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 IEEE 802.16e의 코드북 분포들, DFT, 및 변환된 코드북들을 도시한다.
도 2는 낮은 안테나 상관을 갖는 3개의 코드북들: 802.16e, DFT 및 본 발명의 실시예들에 따른 적응 코드북의 패킷 오류율들(packet error rates)을 도시한다.
도 3은 높은 안테나 상관을 갖는 3개의 코드북들: 802.16e, DFT 및 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제안된 적응 코드북의 패킷 오류율들을 도시한다.
도 4는 단일 사용자 MIMO 및 다양한 다중 사용자 MIMO 방식들에서 3개의 코드북들의 처리량 비교를 도시한다.
설명의 간결성과 명확성을 위하여, 도면들에 도시된 구성 요소들은 반드시 일정한 비례로 그려진 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 구성 요소들 중 일부의 치수들은 명확성을 위해 다른 구성 요소들에 대해 상대적으로 과장되어 있다. 또한, 적절하다고 생각되는 경우에, 대응하는 또는 유사한 구성 요소들을 지시하기 위해 도면들 사이에서 참조 번호들이 반복되었다.

다음의 상세한 설명에서는, 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위하여 다수의 특정한 상세들이 제시된다. 그러나, 이 기술의 숙련자들은 본 발명은 이러한 특정한 상세들 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 사례들에서, 본 발명을 모호하게 하지 않기 위하여 잘 알려진 방법들, 절차들, 컴포넌트들 및 회로들은 상세히 설명되지 않았다.

비록 본 발명의 실시예들은 이 점에 있어서 제한되지 않지만, 예를 들면, "처리"(processing), "계산"(computing), "산출"(calculating), "결정"(determining), "설정"(establishing), "분석"(analyzing), "조사"(checking) 등과 같은 용어들을 이용한 설명들은 컴퓨터의 레지스터들 및/또는 메모리들 내의 물리적인(예를 들면, 전자적인) 양들로서 표현된 데이터를 조작하고 및/또는 컴퓨터의 레지스터들 및/또는 메모리들 또는 동작들 및/또는 프로세스들을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있는 다른 정보 저장 매체 내의 물리적인 양들로서 유사하게 표현된 다른 데이터로 변환하는, 컴퓨터, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 시스템, 또는 다른 전자 컴퓨팅 디바이스의 동작(들) 및/또는 프로세서(들)를 나타낼 수 있다.

비록 본 발명의 실시예들은 이 점에 있어서 제한되지 않지만, 여기에 사용되는 용어들 "복수"(plurality) 및 "복수의"(a plurality)는, 예를 들면, "다수"(multiple) 또는 "둘 이상"(two or more)을 포함할 수 있다. 용어들 "복수" 또는 "복수의"는 본 명세서의 전체에 걸쳐서 둘 이상의 컴포넌트들, 디바이스들, 엘리먼트들, 유닛들, 파라미터들 등을 기술하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, "복수의 스테이션들"(a plurality of stations)은 둘 이상의 스테이션들을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 안테나 상관에 따라 변하는 적응 코드북을 제공한다. BS와 SS 양쪽 모두는 BS 안테나 상관에 대하여 최적화된 새로운 양자화 코드북을 생성하기 위해 동시에 802.16e 코드북들을 변환한다. 시뮬레이션 결과들은 본 발명의 실시예들의 코드북은 모든 안테나 상관에 대하여 경쟁 상대 코드북들보다 한결같이 성능이 우수한 것을 증명한다. 더욱이, 본 발명의 코드북은 각각의 주어진 안테나 상관에 대하여 최적화되는 최적의 코드북들과 거의 동일한 성능을 갖는다. 마지막으로, 본 발명의 실시예들의 변환은 802.16e에 대한 백워드 호환되는 해법(backward compatible solution) 및 추가로 802.16e 코드북을 제공한다.

폐루프 MIMO 빔포밍에서, 가입자국(SS)은 이상적인 빔포밍 행렬을 양자화하고 양자화 인덱스를 다시 기지국(BS)에 송신한다. BS는 피드백된 인덱스에 따라서 빔포밍 행렬을 재구성하고 빔포밍을 수행한다. 위에서 언급된 바와 같이, 빔포밍이 링크 성능 및 시스템 처리량을 증가시킨다는 것은 잘 알려져 있다.

IEEE 802.16e(WiMAX)에서, 이상적인 빔포밍 행렬은 일정한 양자화 코드북에 의해 양자화된다. 코드북은, BS에서의 송신 안테나 상관이 제로인, 단일 채널 시나리오에 대하여 최적화된다. 그러나, 송신 안테나 상관은 실제로는 항상 제로가 아니고 BS에서의 안테나 간격, BS 안테나 높이, LOS/NLOS 조건, BS 및 SS 분리와 같은 몇몇 요인들에 따라 변한다. 더욱이, 최적의 양자화 코드북은 안테나 상관에 따라 변하며, 따라서 코드북을 상관에 적응시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 현재의 DFT 코드북들 및 802.16e 코드북들은 높은 안테나 상관과 낮은 안테나 상관 양쪽 모두에 대해서가 아니라 둘 중 어느 한쪽에 대하여 최적화된다. 다행히도, 안테나 상관은 단기 채널 페이딩(short-term channel fading)과 비교하여 매우 느리게 변한다. 상관의 피드백은 시스템 오버헤드(system overhead)가 거의 생기지 않는데, 그 이유는 (각 부대역(subband)에 대하여 변하는 빔포밍 행렬 피드백과 다르게) 그것은 전체 주파수 대역에 대하여 여전히 동일하고 드물게, 말하자면, 100 ms마다 피드백되기 때문이다.

본 발명의 실시예들은 안테나 상관에 따라 변하는 적응 코드북을 제공한다. BS와 SS 양쪽 모두는 BS 안테나 상관에 대하여 최적화된 새로운 양자화 코드북을 생성하기 위해 동시에 802.16e 코드북들을 변환한다.

802.16e 코드북은, 이상적인 빔포밍 행렬이 균일하게 분포되는, 제로 안테나 상관을 위하여 설계된다. 따라서, 양자화 코드워드 행렬(또는 벡터)은 양자화 공간들에 걸쳐서 균일하게 분포된다. 802.16e 시스템에서의 빔포밍은 단지 장거리(및 NLOS) 경우에 단일 사용자 MIMO에 대한 것이기 때문에, 안테나 상관은 전형적으로 제로에 가깝다. 그러나, WiMAX 2에 대해서는, 더 많은 송신 안테나(8개까지) 및 보다 가까운 안테나 설치(closer antenna mounting)(반파장)가 고려되지만, 본 발명은 이 점에 있어서 제한되지 않는다. 그러므로, 안테나 상관은 어떤 경우들에 대해서는 제로가 아닌 반면 다른 경우들에 대해서는 제로에 가깝다. 예를 들면, 다중 사용자 MIMO(또는 다운링크 SDMA)는 작은 안테나 간격에서 잘 작동하는 반면 단일 사용자 MIMO는 큰 안테나 간격을 선호한다.

상이한 안테나 상관들에 대한 다수의 코드북들을 정의하는 것은 바람직하지 않다. 본 발명의 실시예들은 보편적인 해법을 제공하고 모든 안테나 상관들에 대하여 적응적으로 코드북들을 변환할 수 있다. 변환은 안테나 상관의 단순한 함수이다.

본 발명의 적응 코드북은 차동 관점(differential perspective)으로부터 바라볼 수 있다. 안테나 상관 행렬은 매우 느리게 변하고 그것은 가장 강한 수신 신호들의 평균 빔포밍 방향들을 나른다(carries). 더욱이, 순간 빔포밍 방향들의 분포는 상관이 증가할 때 평균 빔포밍 방향들에 집중한다. 양자화 코드워드들을 균일하게 전개(spreading)하는 대신에, 본 발명의 실시예들은 양자화 오류를 감소시키기 위해 코드워드들이 평균 방향들에 집중하도록 균일한 코드북을 변환한다.

적응 코드북의 개념은 다른 2개의 코드북들과 비교하여 예로서 도 1의 100으로서 일반적으로 도시되어 있다. 이 예에서, 채널은 2개의 송신 및 1개의 수신 안테나들을 갖는 2x1 실제 채널이다. 16e 코드북(110)의 코드워드들은 반원(semicircle)에 걸쳐서 균일하게 분포한다. 이와 대비하여, DFT 코드북(120)은 일정 계수 제약(constant modulus constraint) 때문에 2개의 유효 코드워드들

및

만을 갖고 양자화 공간에 큰 구멍들(holes)을 남긴다. 비상관된 채널에 대하여, 양자화기에의 입력, 즉 이상적인 빔포밍 행렬은 반원에 걸쳐서 균일하게 분포하고 따라서 802.16e 코드북의 코드워드 분포와 매칭한다. 고도로 상관된 채널에 대하여, 각 송신 안테나의 채널 응답 크기는 거의 동일한 값을 가지며 따라서 이상적인 빔포밍 행렬의 엔트리 크기도 거의 동일한 값을 가진다. 이것은 DFT 코드북의 코드워드 분포와 매칭한다. 이것은 2개의 코드북들(110 및 120)이 2개의 극단적인 시나리오들(양쪽 모두는 아님)에 대하여 어떻게 작동하는지를 설명한다. DFT 코드북에서 사용되는 크기 정보 외에도, 적응 코드북(130)은 안테나 상관으로부터 획득된 위상 정보를 추가로 이용한다. 적응 코드북(130)은 입력 빔포밍 행렬이 아마 존재할 것 같은 보다 바람직한 방향으로 양자화 코드워드들을 변환한다. 재배치된(relocated) 코드워드들은 빔포밍 행렬의 입력 분포와 매칭하고 따라서 양자화 오류를 감소시킨다.

신호 모델

베이스밴드 신호는 하기의 수학식에 의해 주어진다.

여기서

은 분산

를 갖는 복소수 AWGN이고;

는 1제곱(unit power)을 갖는

×1 송신 벡터(

by 1 transmitted vector)이고; 는 공간 스트림의 수이고;

는 수신 벡터(received vector)이고;

는

×

사이즈의 채널 행렬이고;

는

×

의 빔포밍 행렬(또는 벡터)이다. 레일리 페이딩(Rayleigh fading) 채널에서, 상관된 채널 행렬

는 하기의 수학식으로서 독립적이며, 동일하게 분포된(independent, identically distributed; i.i.d.) 엔트리들을 갖는 채널 행렬

로부터 생성된다.

여기서

은

×

수신 공분산 행렬(receive covariance matrix)이고

는

×

송신 공분산 행렬(transmit covariance matrix)이다. 송신 공분산 행렬은 이론적으로

로서 정의되거나 또는 실제로 채널 행렬 샘플들

들에 대한

의 경험적 평균(empirical mean)으로서 단순히 계산될 수 있다. SS 안테나 높이는 주위의 물체들에 관하여 낮기 때문에,

은 단위 행렬(identity matrix)에 의해 근사화될 수 있다(approximated). 따라서, 수학식 2는 다음의 수학식으로서 단순화될 수 있다.

의 특이값 분해(singular value decomposition)가 다음의 수학식이라고 하자.

여기서

는

×

단위 행렬(unitary matrix), 즉

이고;

는 감소하는 순서

로 특이값들

(

)의 제곱근들을 갖는 대각 행렬(diagonal matrix)이다. 수학식 3에서

의 거듭제곱(power)은

로서 기술될 수 있다는 것에 주목한다. 수학식 2는 상관된 채널들의 단순화된 채널 모델이고, 여기서 송신기 및 수신기에서의 상관들은 분리되고(decoupled) 2개의 개별 행렬들

및

에 의해 모델링된다. 그 분리가 실효성이 없는(invalid) 경우에 대하여, 채널 행렬 엔트리들의 상관 행렬(correlation matrix)은

로서 정의되고, 여기서

는 행렬

의 열들을 쌓아서(stack) 긴 열 벡터(column vector)를 만든다.

라이시안 페이딩(Ricean fading) 채널에서는, 다음의 수학식으로서 수학식 2에 LOS(line-of-sight) 성분

가 더해진다.

송신 공분산 행렬은 다음의 수학식으로서 정의된다.

코드북 변환

균일하게 분포된 코드워드들을 갖는 양자화 코드북을

로 표시하고 그것의 코드워드들을

(

)로 표시한다. 우리는 상관된 채널들에 대한 새로운 코드북을 생성하기 위해 균일한 코드북을 변환하고 싶다.

본 발명은 알려진

을 갖는 상관된 채널들에 대한 이상적인 빔포밍 행렬의 분포를 도출하였다. 도출된 입력 분포를 이용하여, 많은 코드워드들을 갖는 매우 고해상도의 코드북들에 대하여, 우리는 채널 용량 손실을 최소화하는 점근적으로 최적의 변환(asymptotically optimal transformation)을 도출할 수 있다. 그러나, 그 변환은 초기하 함수(hypergeometric function)와 같은 고도의 복잡성 함수들을 요구하기 때문에, 이동 디바이스에서 구현하기에는 실용적이지 않다. 우리는 그 변환을 단순화하고 최적에 매우 가까운 성능을 유지한다. 그 변환은 다음의 수학식의 형태를 갖는다.

여기서

는 새로운 코드북의 i번째 코드워드이고;

는 입력 행렬(또는 벡터)

를

의 열들과 동일한 부분 공간(subspace)에 걸치는(span) 정규직교 열(orthonormal column)(들)을 갖는 직교 행렬(orthogonal matrix)로 변환하고;

는

×

변환 행렬이다.

는 본질적으로

의 직교화(orthogonalization)이고 그랜트-슈미트(Grant-Schmidt) 및 QR 분해와 같은 다양한 방법들에 의해 간단히 구현될 수 있다. 변환 행렬

는

, 및 신호 대 잡음비(또는

)의 함수일 수 있다. 하기에서 우리는 설명을 위한 예로서 단위 프리코딩(unitary precoding)을 이용하지만 그것은 또한 비단위 프리코딩(non-unitary precoding)에 대하여 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 변환 행렬

의 3개의 표현들을 제공한다.

실용성을 위해,

는 다음의 다항식 형태를 갖는다.

여기서

는 LOS 성분들의 빔포밍 방향을 포함하고;

는 레일리 페이딩 채널들에 대하여 제로일 수 있고;

는

로 표시된 신호 대 잡음비(SNR)의 함수일 수 있고;

는 정수, 예를 들면, 2 또는 4일 수 있고;

는 정수 변수이다. 낮은 SNR에 대해서는, 수학식 6에서

의 고차 항으로부터 약간 더 큰 기여를 갖는 것이 바람직하기 때문에, 가중 계수

는

가 감소할 때 증가할 수 있다(예를 들면,

). 단순성을 위하여,

,

의 조합마다 모든

들에 대하여 일정한 표현이 사용될 수 있다. 예를 들면, 모든 경우들에 대하여 다음의 수학식이 사용될 수 있다.

의

제곱(

-th power)은 다음의 일반적인 형태를 갖는다.

[수학식 9.1]

여기서

는 임의의

×

단위 행렬일 수 있다. 이 때문에, 수학식 8 및 9는

들의 상이한 선택들에 대하여 다양한 형태들을 갖는다.

인 경우, 수학식 4에서

의 분해는 수학식 8을 다음의 수학식으로서 기술하는 다른 방법을 제공한다.

여기서

는 레일리 페이딩 채널들에 대한 이상적인 빔포밍 방향들의 글로벌 및 로컬 최대치들(global and local maximums)을 포함한다. 만약 변환을 위한 최초의 코드북이 균일하게 분포된다면, 수학식 10 및 11에서

의 회전은 드롭(drop)될 수 있고(즉,

) 단순화된 변환

는 다음의 수학식들로 된다.

는 일반적인 형태

를 갖는다는 것에 주목해야 하고, 여기서

는 임의의

×

단위 행렬일 수 있다. 삼각 행렬(triangular matrix)인,

의 콜레스키 분해(Cholesky decomposition) 형태는 일반적인 형태의 특수한 경우이다.

요컨대, 단순화된 코드북 변환은 다음의 수학식으로서 기술될 수 있다.

또는 동등하게

여기서

및

는 장기(long term) CSI로부터 계산되고;

는 변환된 코드워드이고;

는 최초의 코드북의 코드워드이다.

는 유리한, 장기 빔포밍 방향들(favorable, long term beamforming directions)로 이루어지고

는 그 방향들로의 집중을 특정한다. 구현의 단순성을 위하여,

은 모든 경우에 대하여 양호한 성능을 제공하고 그것은

의 유리수 거듭제곱(rational power)을 계산하는 것을 요구하지 않기 때문에, 변환의 가장 단순한 형태는 다음의 수학식으로 된다.

피드백 감소를 위하여, 수신기는 상관 행렬

를 피드백하지 않을 수 있다. 대신에, 그것은

및

의 부분만을 피드백할 수 있다. 예를 들면, 그것은

의 첫 번째

열들 및

의 첫 번째

고유값들(eigenvalues)을 피드백할 수 있다. 송신기는 피드백된 열들에 상보적인 및 직교 열들을 더하여

를 근사화하고 작은 값들, 예를 들면, 피드백된 고유값들의 최소치를 이용하여

의 피드백되지 않은 고유값들을 대체할 수 있다. 더욱이,

또는 그것의 등가물들의 피드백에 차동 기법(differential technique)이 적용될 수 있다.

실제의 시스템에서 적당한 표현은 성능, 피드백 오버헤드(feedback overhead) 및 복잡성 사이의 균형에 기초하여 선택될 수 있다.

적응 코드북은 원샷(one-shot) 및 차동 피드백들 양쪽 모두에 적용될 수 있다. 상기 설명은 원샷 피드백에 대한 것이다. 차동 피드백은 형태 [3][4]를 갖는다.

여기서

및

는 시간 t 및 t+1에서의 빔포밍 행렬들이고;

는

를 이용하여

를

로 회전시키는 정방 회전 행렬(square rotation matrix)이다.

는 소위 "차동 코드북"(differential codebook)으로부터 선택되고

의 인덱스는 수신기로부터 송신기로 피드백된다. 차동 코드북의 코드워드들은 통상적으로 균일하게 분포하지 않는다. 대신에, 그것들은 어딘가에 집중한다(예를 들면, 단위 행렬). 코드워드들의 집중은 상관으로서 증가한다. 그러므로, 차동 코드북은 원샷 코드북이 수학식 7을 이용하여 행한 바와 같이 상관에 적응할 수 있다. 변환의 간단한 예는 다음의 수학식과 같다.

여기서

는 장기 CSI로부터 계산되고;

은

, 및 이동 속도에 의존하는 어떤 수이고;

는 변환된 코드워드이고;

는 최초의 코드북의 코드워드이다.

낮은 복잡성을 갖는 변형들

연산은 가입자국에서 복잡성을 증가시키기 때문에, 우리는 상기 최초 방식의 어떤 변형들을 고안한다. 첫 번째 변형은 가장 간단하다. SS는

연산을 제거하고 비직교화된 행렬(unorthogonalized matrix)

를 직접 이용하여 코드워드를 선택하고 코드워드 인덱스를 피드백한다.

두 번째 변형은 다음과 같다. SS는 코드북을 변환하지 않는다. 대신에, 그것은 채널 행렬

를 변환하고 균일한 코드북(예를 들면, 16e 코드북)을 이용하여, 다음의 수학식으로서 변환된 채널 행렬

의 이상적인 빔포밍 행렬을 양자화한다.

여기서

인 경우, 수학식 3에서 표현된

에서의 상관은 제거되고

는 비상관되게 되고, 그것의 분포는 균일한 코드북과 매칭한다. 일반적으로, 우리는 어떤 양의 수

에 대하여

이 되게 할 수 있다. 송신기는 피드백된 인덱스를 수신하고 균일한 코드북으로부터 코드워드

를 조회한다. 최초의 코드북의 코드워드는 그 후 다음의 수학식으로서 실제의 코드워드로 변환된다.

이제, 대부분의 계산 부담은 BS로 전가된다.

변환 행렬의 양자화

수신기는 다양한 형태로 변환 행렬을 피드백할 수 있다. 예를 들면, 그것은 어떤 수

, 예를 들면,

에 대한

의 상 삼각(upper triangle)을 반송(send back)할 수 있다. 스칼라 양자화가 적용될 수 있다. 예를 들면,

이 사용되는 경우,

는 에르미트(Hermitian)이기 때문에,

의 상(또는 하) 삼각만이 한 엔트리씩(entry by entry) 양자화된다. 양자화 전에,

는

로서 대각선 상의 최대 수에 의해 스케일링되고(scaled) 대각선 상의 최대 수는 1(unity)로 정규화된다.

의 대각선은 실수(real)이고 양(positive)이기 때문에, 1개의 양자화 비트로 충분할 수 있고 대각선의 엔트리는 1 또는 0.8로 양자화될 수 있다.

의 대각외의 엔트리(off-diagonal entry)는 통상적으로 복소수(complex)이고 엔트리마다 4개의 양자화 비트를 필요로 한다. 양자화 성상도의 16개의 점들은 단위원(unit circle) 내에 배치(allocate)될 수 있다. 성상도 점들(constellation points)은 각각 반경 0.4 및 0.9를 갖는 2개의 원들 상에 위치한다. 단일 점이 (0,0)에 위치하고 이 점은 비상관된 및 약간 상관된 채널들에 대한 정확한 양자화에 전용된다. 이 경우, 변환 동작은 실제의 채널 상관 시나리오들(즉, 상관된 또는 비상관된)에 관계없이 항상 온(on)일 수 있다. 성상도는 단지 상관된 채널들에 대한 것인데, 그 이유는 시스템은 변환이 도움이 되지 않을 수 있는 비상관된 채널들에 대해서는 단지 최초의(균일한) 코드북을 이용하고 변환 동작을 오프 시킬 수 있기 때문이다. (0,0)에는 어떤 점도 위치하지 않는다. 점들은 모두 0.3보다 큰 놈(norm)을 갖는다. 성상도의 안쪽 부분보다 바깥 부분에 더 많은 점들이 있을 수 있다. 세 번째 예로서,

이 사용되고

이 콜레스키 분해에 의해 계산되는 경우, 상 삼각 행렬인 의 상 삼각에 유사한 스칼라 양자화 방식이 적용될 수 있다.

시뮬레이션 결과

링크 레벨 결과들의 일부가 낮은 상관의 경우에 대하여 도 2의 200으로서 일반적으로 및 높은 상관의 경우에 대하여 도 3의 300으로서 일반적으로 도시되어 있다. 채널 모델은 ITU 보행자 B(ITU Pedestrian B)이다. BS는 4개의 송신 안테나를 갖고 SS는 2개의 수신 안테나를 갖는다. BS 송신 안테나들의 안테나 간격들은 낮은 상관 및 높은 상관을 갖는 실제의 설치에 대하여 4 파장 및 0.5 파장이다. 하나의 데이터 스트림이 송신된다. 변조 및 코드 레이트는 64QAM 및 0.5이다. 3개의 코드북들이 테스트된다. 첫 번째 것은 종래의 802.16e 코드북 220(낮은 상관) 320(높은 상관)이고; 두 번째 것은 DFT 코드북 210(낮은 상관) 310(높은 상관)이고; 세 번째 것은 본 발명의 실시예들로부터의 적응 코드북 230(낮은 상관) 330(높은 상관)이다. 이상적인 SVD는 240(낮은 상관) 340(높은 상관)에 도시되어 있다. 낮은 상관 및 높은 상관 양쪽 모두의 경우에 대하여, 제안된 적응 코드북은 최선의 성능들을 갖는다. 이러한 성능들은 최적의 코드북들의 성능들에 매우 가깝다. 제로 상관에 대한 최적의 코드북은 낮은 상관의 경우에 대하여 거의 최적인 16e 코드북이다. 적응 코드북은 16e 코드북보다 한층 조금 더 낫기 때문에, 적응 코드북은 최적의 코드북의 성능에 매우 가까운 성능을 갖는다. 더욱이, 적응 코드북은 무한한 수의 피드백 비트들을 갖는 이상적인 성능에 매우 가까운 성능을 갖고, 이것은 높은 상관의 경우에 대하여, 최적의 코드북의 성능보다 한층 더 낫다. 낮은 상관의 경우에 대하여, DFT 코드북은 가장 열악한 성능을 갖는다. 그러나, 높은 상관의 경우에 대하여, DFT 코드북은 802.16e 코드북보다 약 1 dB만큼 성능이 낫다.

시스템 레벨 결과들의 일부가 높은 상관의 경우에 대하여 도 4의 400으로서 도시되어 있다. 802.16e는 410으로 묘사되고, DFT는 420으로 묘사되고 변환된 것은 430으로 묘사된다. 기호(legend) "MUZF"는 다중 사용자 제로 포싱(multi-user zero-forcing) 방식을 나타내고 "SUCL"은 단일 사용자 폐루프(single-user closed-loop) MIMO 방식을 나타낸다. 링크 레벨 결과들과 동일하게, 제안된 적응 코드북은 양쪽 MIMO 방식들에 대하여 경쟁 상대인 DFT 코드북을 넘는 처리량 이득(throughputs gain)과 함께 최선의 성능을 갖는다.

본 발명의 특정한 특징들이 여기에 도시되고 설명되었지만, 이 기술의 숙련자들은 많은 수정들, 대체들, 변경들, 및 등가물들을 생각해낼 수 있다. 그러므로, 첨부된 청구항들은 본 발명의 참된 정신 안에 있는 모든 그러한 수정들 및 변경들을 포함하도록 되어 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

무선 네트워크에서의 통신을 위한 빔포밍(beamforming)을 위해 적응 코드북(adaptive codebook)을 이용하는 단계를 포함하고, 상기 적응 코드북의 양자화 코드워드들을 입력 빔포밍 행렬의 예측된 방향으로 변환함으로써 상기 적응 코드북을 변환하기 위해 안테나 상관으로부터 획득된 위상 정보가 이용되고, 이에 의해 안테나 상관에 따라 상기 적응 코드북이 변하게 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 적응 코드북은 상기 안테나 상관이 증가함에 따라 안테나 상관 행렬의 평균 빔포밍 방향들(average beamforming directions)에 코드워드들(codewords)을 집중시키도록 변환되는 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 무선 네트워크에서의 상기 통신을 위해 기지국(BS) 및 가입자국(SS)을 이용하는 단계를 더 포함하고, 상기 BS 및 SS는 BS 안테나 상관에 대하여 최적화된 새로운 양자화 코드북을 생성하기 위해 코드북들을 동기식으로 변환하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 적응 코드북 변환은
의 형태를 갖고,
여기서,
는
×
크기의 빔포밍 행렬(또는 벡터)
의 i번째 코드워드
에 대한 새로운 코드북의 i번째 코드워드이고, 여기서 i는 정수이고,
는 입력 빔포밍 행렬(또는 벡터)
를
의 열들과 동일한 부분 공간(subspace)에 걸치는(span) 정규직교 열(orthonormal column)(들)을 갖는 직교 행렬(orthogonal matrix)로 변환하고,
는
×
변환 행렬인 방법.
제5항에 있어서,
상기 코드북 변환의
에 대한 표현은
의 다항식 형태를 갖고, 상기 코드북 변환은
또는
로서 근사화되고(approximated),
여기서,
는 LOS 성분들의 빔포밍 방향을 포함하고,
는 레일리 페이딩 채널들에 대하여 제로이고,
는
로 표시된 신호 대 잡음비(SNR)의 함수이고,
는 2 또는 4의 정수 값일 수 있고,
는 정수 변수이고,
는
×
송신 공분산 행렬(transmit covariance matrix)인 방법.
제5항에 있어서,
상기 코드북 변환의
에 대한 표현은
의 다항식 형태를 갖고, 상기 코드북 변환은
또는
로서 근사화되고,
여기서,
는 LOS 성분들의 빔포밍 방향을 포함하고,
는 레일리 페이딩 채널들에 대하여 제로이고,
는
로 표시된 신호 대 잡음비(SNR)의 함수이고,
는 2 또는 4의 정수 값일 수 있고,
는 정수 변수이고,
는 유리한, 장기 빔포밍 방향들(favorable, long term beamforming directions)을 포함하고,
는 유리한, 장기 빔포밍 방향들로의 집중(concentration)을 특정하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 송신 공분산 행렬
는 엔트리 단위로(entry by entry) 양자화되고, 대각선 엔트리들(diagonal entries)은 양수들로서 양자화되고 상 또는 하 삼각(upper or lower triangle) 내의 대각외의 엔트리들(off-diagonal entries)은 복소수들로서 양자화되는 방법.
제5항에 있어서,
가입자국(SS)은 채널 행렬을 변환하고 균일한 코드북(uniform codebook)을 이용하여 변환된 채널 행렬
의 이상적인 빔포밍 행렬(ideal beamforming matrix)을
로서 양자화하고,
인 경우,
에서의 상관은 제거되고
는 비상관되게(uncorrelated) 되고,
의 분포는 상기 균일한 코드북과 매칭하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 무선 네트워크는 IEEE(Institute for Electrical and Electronic Engineers) 802.16e 표준에 따르는 WMAN(wireless metropolitan area network)인 방법.
제6항에 있어서,

의
제곱(
-th power)은
의 일반적인 형태를 갖고,
는 임의의
×
단위 행렬(unitary matrix)이고,
는
×
송신 공분산 행렬이고,
는 레일리 페이딩 채널들에 대한 이상적인 빔포밍 방향들의 글로벌 및 로컬 최대치들(global and local maximums)을 포함하고,
는 이상적인 빔포밍 방향들로의 집중을 특정하는 방법.
제11항에 있어서,

인 경우,
라이시안 페이딩(Ricean fading)에 대하여
이고,
레일리 페이딩(Reyleigh fading)에 대하여
이고,

는 LOS 성분들의 빔포밍 방향을 포함하고,
는 레일리 페이딩 채널들에 대하여 제로이고;
는
로 표시된 신호 대 잡음비(SNR)의 함수이고,
는 2 또는 4의 정수 값일 수 있고,
는 정수 변수인 방법.
제12항에 있어서,
상기 변환을 위한 최초의 코드북이 균일하게 분포된다면,
의 회전은 드롭(drop)되고 단순화된 변환
는,
라이시안 페이딩에 대하여
이고,
레일리 페이딩에 대하여
이고

는
의 일반적인 형태를 갖고,
는 임의의
×
단위 행렬인 방법.
제13항에 있어서,

의 콜레스키 분해(Cholesky decomposition) 형태는 삼각 행렬(triangular matrix)이고 일반적인 형태의 특수한 경우인 방법.
제11항에 있어서,
단순화된 코드북 변환은,

또는 동등하게
로서 표현되고,
및
는 장기(long term) CSI로부터 계산되고,
는 변환된 코드워드이고,
는 최초의 코드북의 코드워드인 방법.
제15항에 있어서,

는 유리한, 장기 빔포밍 방향들로 이루어지고,
는 유리한, 장기 빔포밍 방향들로의 집중을 특정하고, 변환의 가장 단순한 형태는
인 방법.
무선 네트워크에서의 통신을 위한 빔포밍을 위해 적응 코드북을 이용하는 트랜스시버를 포함하고, 상기 적응 코드북의 양자화 코드워드들을 입력 빔포밍 행렬의 예측된 방향으로 변환함으로써 상기 적응 코드북을 변환하기 위해 안테나 상관으로부터 획득된 위상 정보가 이용되고, 이에 의해 안테나 상관에 따라 상기 적응 코드북이 변하게 하는 장치.
제17항에 있어서,
상기 트랜스시버는 IEEE 802.16e 표준에 따르는 WMAN에서의 통신을 위해 동작 가능한 기지국에서 사용되는 장치.
제17항에 있어서,
상기 트랜스시버는 IEEE 802.16e 표준에 따르는 WMAN에서의 통신을 위해 동작 가능한 가입자국에서 사용되는 장치.
제17항에 있어서,
상기 적응 코드북은 상기 안테나 상관이 증가함에 따라 안테나 상관 행렬의 평균 빔포밍 방향들에 코드워드들을 집중시키도록 변환되는 장치.
삭제
제17항에 있어서,
상기 무선 네트워크에서의 상기 통신을 위해 기지국(BS) 및 가입자국(SS)을 이용하는 것을 더 포함하고, 상기 BS 및 SS는 BS 안테나 상관에 대하여 최적화된 새로운 양자화 코드북을 생성하기 위해 코드북들을 동기식으로 변환하는 장치.
제22항에 있어서,
상기 적응 코드북 변환은
의 형태를 갖고,
여기서,
는
×
크기의 빔포밍 행렬(또는 벡터)
의 i번째 코드워드
에 대한 새로운 코드북의 i번째 코드워드이고, 여기서 i는 정수이고,
는 입력 빔포밍 행렬(또는 벡터)
를
의 열들과 동일한 부분 공간에 걸치는 정규직교 열(orthonormal column)(들)을 갖는 직교 행렬(orthogonal matrix)로 변환하고,
는
×
변환 행렬인 장치.
제23항에 있어서,
상기 코드북 변환의
에 대한 표현은
의 다항식 형태를 갖고, 상기 코드북 변환은
또는
로서 근사화되고,
여기서,
는 LOS 성분들의 빔포밍 방향을 포함하고,
는 레일리 페이딩 채널들에 대하여 제로이고,
는
로 표시된 신호 대 잡음비(SNR)의 함수이고,
는 2 또는 4의 정수 값일 수 있고,
는 정수 변수이고,
는
×
송신 공분산 행렬인 장치.
제23항에 있어서,
가입자국(SS)은 채널 행렬을 변환하고 균일한 코드북을 이용하여 변환된 채널 행렬
의 이상적인 빔포밍 행렬을
로서 양자화하고,
인 경우,
에서의 상관은 제거되고
는 비상관되게 되고,
의 분포는 균일한 코드북과 매칭하는 장치.
명령어들을 제공하는 컴퓨터-판독가능한 기록 매체로서,
상기 명령어들은, 액세스될 때, 컴퓨터로 하여금, 무선 네트워크에서의 통신을 위한 빔포밍을 위해 적응 코드북을 생성하는 것을 포함하는 동작들을 수행하게 하고, 상기 적응 코드북의 양자화 코드워드들을 입력 빔포밍 행렬의 예측된 방향으로 변환함으로써 상기 적응 코드북을 변환하기 위해 안테나 상관으로부터 획득된 위상 정보가 이용되고, 이에 의해 안테나 상관에 따라 상기 적응 코드북이 변하게 하는 컴퓨터-판독가능한 기록 매체.
제26항에 있어서,
상기 적응 코드북은 상기 안테나 상관이 증가함에 따라 안테나 상관 행렬의 평균 빔포밍 방향들에 코드워드들을 집중시키도록 변환되는 컴퓨터-판독가능한 기록 매체.
삭제