KR101366749B1

KR101366749B1 - Ｍｉｍｏ 시스템에서 다중사용자 스케줄링 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101366749B1
Application number: KR1020090034369A
Authority: KR
Inventors: 이승환; 김진업
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2014-02-24
Also published as: US20100266056A1; KR20100115666A

Abstract

본 발명은 MIMO 시스템에서 다중사용자 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 다중사용자 스케줄링 방법은, 모든 사용자 단말에 대하여 채널의 통계적 특성에 기초하여 유효 채널 norm을 산출하고, 산출된 유효 채널 norm의 합을 최대로 하며, 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 선택하여, 선택한 사용자 집합에 포함된 사용자 단말에 대응하는 송신 신호에 대하여 MIMO 프리코딩을 수행한다. 본 발명에 따르면, 실제 실시간 구현이 가능하도록 다중사용자 선택의 계산량을 크게 감소시킬 수 있다.

MIMO, 유효 채널, 다중사용자

Description

ＭＩＭＯ 시스템에서 다중사용자 스케줄링 방법 및 장치{Method and apparatus for scheduling multi-user in MIMO system}

본 발명은 다중사용자 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서 구현 복잡도 및 성능을 고려한 다중사용자 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-X-XXX-XX, 과제명: 이동통신 무선접속방식의 환경 적응형 자율제어 기술 연구].

MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템은 멀티플렉싱(multiplexing) 이득을 통하여 매우 높은 전송 효율을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 다이버시티(diversity) 이득을 통하여 전송의 신뢰성을 높일 수 있다. 특히, 다중사용자 환경을 위한 다중사용자(multi-user) MIMO 시스템의 경우, 다중사용자 다이버시티 이득을 통하여 더욱 높은 전송 효율을 제공할 수 있다.

그러나, 다중사용자 MIMO 시스템의 경우 동시에 전송할 수 있는 최대 사용자 수가 기지국의 안테나 개수를 넘을 수 없으므로, 기지국에서 사용하는 안테나 개수보다 사용자 수가 많을 경우 일정한 조건에 따라 사용자를 선택하여야 하는데, 사 용자 수와 기지국 안테나 수가 많을수록 복잡도가 증가한다.

예를 들어 K명의 사용자와 M_T개의 기지국 안테나가 존재하는 상황에서 합계용량(sum-rate capacity)을 최대화시키는 사용자 조합을 선택할 경우, sum-rate maximization rule을 사용하게 되는데, 이는 모든 사용자 조합의 예상 합계 용량을 계산하여 그 중에서 가장 큰 합계 용량을 가지는 사용자 조합을 선택하는 알고리즘으로써,

번의 합계용량 의 계산이 필요하다. 이러한 계산량은 비록 다중사용자 스케줄링 알고리즘이 이론적으로 최대 합계 용량을 제공한다고 하더라도 실제 구현을 불가능하게 만든다.

이에 따라, 이러한 복잡도를 줄이기 위해서, 각 사용자의 채널 norm을 구하고, 사용자 조합을 선택할 때 각 사용자간 간섭 성분이 최소가 되도록 함으로써 합계용량을 증대시키고 계산 복잡도를 줄일 수 있는 방법이 제시되고 있다.

그러나, 이와 같은 방법은 다음과 같은 문제점을 갖는다. 즉, MIMO 환경에서 프리코딩(precoding)은 채널 정보가 필수적이다. 그러나, 실제 시변 MIMO 채널에서는 채널 정보 획득 단계와 실제 사용 단계의 시간 차이 때문에 스케쥴링 지연(scheduling delay)이 존재하게 된다. 이러한 스케쥴링 지연은 MIMO 프리코딩의 성능을 저하시키는 요인이 될 뿐만 아니라, 다중사용자 스케줄링에 있어서도 성능 저하를 유발시킨다. 다시 말해, 채널의 변화가 심한 사용자에 대하여 상대적으로 늦게 서비스가 제공된다면, 채널 정보값의 오차가 더욱 증가할 것이고, 이는 곧 합계용량의 실질적 감소로 이어진다.

다중사용자 스케줄링이 채널 변화가 빠른 사용자에게 빠른 서비스를 제공받도록 하고, 채널 변화가 느린 사용자를 늦게 서비스를 받도록 한다면 성능 저하를 최소화할 수 있을 것이다. 그러나, 전술한 방법은 채널의 통계적 특성을 고려하여 사용자 스케줄링에 사용하지 않았기 때문에 실제 이동통신 환경에 적용할 때 Doppler spread에 의한 성능의 저하가 예상된다. 또한 전술한 방법은 선택된 사용자들 사이의 간섭신호가 최소가 되도록 사용자를 선택하기 때문에 비록 사용자 사이의 간섭 신호 성분은 작을지라도 전체 합계용량을 좌우하는 각각의 채널 norm의 합계는 작을 수 있으므로 최적의 선택이 아닐 수도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, MIMO 시스템에서 채널의 통계적 특성을 고려한 사용자 선택과, 선택된 사용자들 사이의 간섭 신호를 능동적으로 제거하기 위한 프리코딩 방식을 조합하여 성능 저하를 최소화하면서 구현을 위한 복잡도를 감소시킬 수 있는 다중사용자 스케줄링 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MIMO 시스템에서 다중사용자 스케줄링 방법은, 모든 사용자 단말에 대하여 채널의 통계적 특성에 기초하여 유효 채널 norm을 산출하는 단계, 산출된 유효 채널 norm의 합을 최대로 하며, 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 선택하는 단계, 및 상기 사용자 집합에 포함된 사용자 단말에 대응하는 송신 신호에 대하여 기설정된 방 식의 MIMO 프리코딩을 수행하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 MIMO 시스템에서 다중사용자 스케쥴링 장치는, 모든 사용자 단말에 대하여 채널의 통계적 특성에 기초하여 유효 채널 norm을 산출하고, 산출된 유효 채널 norm의 합을 최대로 하며, 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 선택하는 제어부, 및 상기 사용자 집합에 포함된 사용자 단말에 대응하는 송신 신호에 대하여 기설정된 방식에 따라 프리코딩을 수행하는 전처리부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 다중사용자 환경의 MIMO 시스템에서 다중사용자 선택의 계산량을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서, 비록 합계용량 측면에서 이론적인 합계용량보다 다소 성능 저하가 예상될 수 있으나, 실제 실시간 구현이 가능하도록 계산량을 획기적으로 감소시킬 수 있으므로. 다중사용자 환경의 MIMO 시스템을 위한 다중사용자 스케줄링에 쉽게 적용시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 “사용자” 및 “사용자 단말”이란 용어는 서로 혼용되어 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법이 적용되는 다중사용자 환경의 MIMO 시스템을 나타낸 것이다. 도 1에 도시한 MIMO 시스템은, 기지국 등과 같은 송신부(10), 및 수신부(20)을 포함한다. 송신부(10)는 사용자 선택부(11), 전처리부(13), 및 제어부(15)를 포함할 수 있다. 제어부(15)는 후술하는 방식에 따라 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 결정한다. 사용자 선택부(11)는 제어부(15)에서 결정된 사용자 집합에 속하는 사용자 단말에 대응하는 송신 신호를 전처리부(13)에 전달하고, 전처리부(13)는 전달된 송신 신호에 대하여 기설정된 방식에 따라 MIMO 프리코딩을 수행한다.

송신부(10)는 M_T 개의 송신 안테나를 구비할 수 있다. 수신부(20)는 수신기가 각각 하나의 안테나를 포함하는 경우 M_R개의 수신 안테나를 구비할 수 있다. 따라서, 송신부(10)와 수신부(20)에서 선택되는 안테나 개수에 대응하는 사용자 단말의 데이터가 동시에 전송될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케줄링 방법에서 사용되는프레임 및 슬롯 구조를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 하나의 프레임은 T_f의 시간 주기를 가지며, 각 프레임은 T_s시간을 가지는 N_S개의 슬롯으로 구성된다.

본 발명에서는 MIMO 프리코딩을 위하여 매 프레임마다 즉석 채널 정보(ICSI)가 업데이트되고, 각 슬롯의 시작마다 통계 채널 정보(SCSI)가 산출된다고 가정한다. 이러한 조건에서 시변(time-varying) MIMO 채널에서의 다중사용자 스케줄링 방법은 통계 채널 정보(SCSI)를 이용하여 신호를 전송하는 사용자 단말을 시간과 공간적으로 적절히 분배하여 스케줄링 지연에 따른 성능 저하를 최소화 시킬 수 있다. 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법은 구현의 복잡도를 줄이기 위해 매 슬롯 시간마다 다음에 설명하는 과정을 수행할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법의 설명에 제공되는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 먼저, 제어부(15)는 즉석 채널 정보(ICSI)를 업데이트하고, 슬롯 인덱스 n을 0으로 초기화 한다(S100). 다음으로, 제어부(13)는 채널의 통계적 특성을 고려해서 다음과 같은 식에 따라 유효 채널 norm을 모든 사용자 단말을 대상으로 산출한다(S105).

[수학식 1]에서

는 k번째 사용자 단말의 매 프레임 시작에서 받는 ICSI의 채널 norm 값이고,

는 k번째 사용자 단말에서 n번째 슬롯의 스케줄링 지연을 고려한 유효 채널 norm 값이고,

는 Doppler spread

와 시간 지연

의해 결정되는 k번째 사용자 단말에 대한 채널의 시간 상관값이다. 그리고. J0는 0th order Bessel 함수 이다.

다음으로 제어부(13)는 산출된 유효 채널 norm을 최대값부터 최소값 순서대로 정렬시키고, 정렬된 순서에 따라 각 유효 채널 norm에 정렬 인덱스를 부여한다(S110). 그리고 송신부의 안테나 개수 보다 같거나 작은 개수의 정렬 인덱스를 순서대로 추출하여, 추출한 정렬 인덱스에 대응하는 사용자 단말을 포함하는 사용자 집합을 선택한다(S115). 이와 같은 과정에 의해 추출된 사용자 단말의 유효 채널 norm값들의 합은 다른 어떤 사용자 단말의 조합보다도 항상 큰 값을 가지게 된다. 다시 말해서 유효 채널 norm 값들의 합이 최대가 되는 사용자 조합을 단순히 정렬식 만으로 찾을 수 있게 되는 것이다.

제어부(13)는 슬롯 인덱스 n에 1을 더한 수로 n값을 갱신한다(S120). 그리고, 앞서 선택한 사용자 조합에 포함된 사용자 단말들에 대한 송신신호가 제어부(15)의 제어에 따라, 사용자 선택부(11)에서 전처리기(13)로 전달되고, 전처리기(13)는 THP(Tomlinson-Harashima precoding) 등과 같은 비선형 MIMO 프리코딩(precoding)을 적용해서 프리코딩을 수행한다(S125). 프로코딩이 수행된 송신신호는 송신부(10)에 구비된 소정 개수의 안테나를 통해 수신부(20)로 전달된다.

이와 같이 비선형 프리코딩을 사용하여 사용자간 간섭 신호에 의한 성능 저하를 최소화시키도록 한다. 그러나, 구현의 복잡도를 더 줄이기 위해서 비선형 방식보다 더욱 간단한 선형 MIMO 프리 코딩 방식을 사용할 수도 있다. 즉, MIMO 프리 코딩은 복잡도와 성능을 종합적으로 고려해서 선택할 수 있다.

이와 같은 과정은 갱신한 n 값이 Ns 과 같아지는 경우까지 반복적으로 수행한다(S130). 또한, 이와 같은 과정에 의해 성능 저하를 최소화하면서 복잡도를 감소시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 기지국 안테나 수 M_T=4,사용자 수 K = 20, 각 사용자의 relative Doppler spread

는 (0.1, 0.5] 구간에서 유니폼 분포를 가 진다고 가정한다.

도 4에서, ‘THP, MAX, no SCSI’ 로 표시되는 곡선은 통계 채널 정보(SCSI)를 고려하지 않은 기존 sum-rate maximization rule 방식으로 스케쥴링한 경우이고, ‘THP, MAX, SCSI’ 로 표시되는 곡선은 통계 채널 정보를 고려한 기존의 sum-rate maximization rule 방식으로 스케쥴링한 경우를 나타낸다. ‘THP, NORM, no SCSI’, ‘THP, NORM, SCSI’으로 표시되는 곡선은 각각 채널 통계 정보를 고려하지 않은 경우 및 채널 통계 정보를 고려한 THP 프리코딩을 사용한 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법에 따른 성능을 나타낸다. 또한, ‘ZFBF, NORM, no SCSI’, ‘ZFBF, NORM, SCSI’으로 표시되는 곡선은 각각 채널 통계 정보를 고려하지 않은 경우 및 채널 통계 정보를 고려한 ZFBF 프리코딩을 사용한 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법에 따른 성능을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 채널의 통계 특성을 활용한다면 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법에 의해 성능의 향상을 보일 수 있음을 알 수 있다. 한편 비선형 THP는 선형 ZFBF(zero forcing beamforming)에 비해 다중사용자 선택 알고리즘과 상관없이 합계용량의 성능이 더 우수함을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법에서 다중사용자 선택에 사용되는 유효 채널 norm 방식은 기존의 sum-rate maximization rule에 비해 약간의 성능 저하가 있지만 전 SNR 영역에서 거의 비슷한 합계 용량 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법과 기존의 방법의 계산 복 잡도를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 ‘MAX’로 표시되는 곡선이 기존 sum-rate maximization rule 방식으로 스케쥴링한 경우 계산량을 나타내고, ‘NORM’으로 표시되는 곡선이 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법에 따른 계산량을 나타낸다. 그리고, 수 M_T는 기지국 안테나 수를 나타낸다.

도 5에 도시한 바와 같이, 기존의 방식은 합계용량 측면에서는 더욱 우수한 성능을 가질지라도 계산량이 사용자수와 안테나 수에 비례하여 급속하게 증가하기 때문에 실제 구현에 적용시키기 어렵다. 그러나, 본 발명에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법은 사용자 수의 증가나 안테나 수의 증가와 무관하게 계산량이 매우 작으므로 실제 구현에 쉽게 적용시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 인터넷을 통한 전송 등과 같은 캐리어 웨이브의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 프로세서가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법이 적용되는 다중사용자 환경의 MIMO 시스템을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케줄링 방법에서 사용되는프레임 및 슬롯 구조를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중사용자 스케쥴링 방법의 설명에 참조되는 흐름도,

도 4는 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법의 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프, 그리고

도 5는 본 발명에 따른 다중사용자 스케줄링 방법의 계산 복잡도를 나타낸 그래프이다.

Claims

MIMO 시스템에서 다중사용자 스케쥴링 방법에 있어서,

모든 사용자 단말에 대하여 채널의 통계적 특성에 기초하여 유효 채널 norm을 산출하는 단계;

산출된 유효 채널 norm의 합을 최대로 하며, 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 선택하는 단계; 및

상기 사용자 집합에 포함된 사용자 단말에 대응하는 송신 신호에 대하여 기설정된 방식의 프리코딩을 수행하는 단계를 포함하고,

상기 유효 채널 norm은 다음의 식에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 방법:

여기서,
는 k번째 사용자 단말의 매 프레임 시작에서 받는 ICSI의 채널 norm 값,
는 k번째 사용자 단말이 n번째 슬롯의 스케줄링 지연을 고려한 유효 채널 norm 값,
는 Doppler spread
와 시간 지연
의해 결정되는 k번째 사용자 단말의 채널의 시간 상관값, 그리고 J0는 0th order Bessel 함수임.
삭제
제1항에 있어서,

상기 사용자 집합은, 산출된 유효 채널 norm을 최대값부터 크기 순서대로 정렬하고, 최대값부터 동시 전송 가능한 수만큼의 유효 채널 norm에 대응하는 사용자 단말이 포함되도록 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 기설정된 방식은, MIMO 프리코딩인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 프리코딩된 송신 신호를 소정 개수의 송신 안테나를 통해 수신단으로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
MINO 시스템에서 다중사용자 스케쥴링 장치에 있어서,

모든 사용자 단말에 대하여 채널의 통계적 특성에 기초하여 유효 채널 norm을 산출하고, 산출된 유효 채널 norm의 합을 최대로 하며, 동시 전송 가능한 수만큼의 사용자 단말이 포함되는 사용자 집합을 결정하는 제어부; 및

상기 사용자 집합에 포함된 사용자 단말에 대응하는 송신 신호에 대하여 기설정된 방식에 따라 프리코딩을 수행하는 전처리부를 포함하고,

상기 제어부는, 다음의 식에 의해 상기 유효 채널 norm을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치:

여기서,
는 k번째 사용자 단말의 매 프레임 시작에서 받는 ICSI의 채널 norm 값,
는 k번째 사용자 단말이 n번째 슬롯의 스케줄링 지연을 고려한 유효 채널 norm 값,
는 Doppler spread
와 시간 지연
의해 결정되는 k번째 사용자 단말의 채널의 시간 상관값, 그리고 J0는 0th order Bessel 함수임.
제6항에 있어서,

상기 제어부의 제어에 따라, 상기 사용자 집합에 속하는 사용자 단말에 대응하는 송신신호를 상기 전처리부에 전달하는 사용자 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
삭제
제6항에 있어서,

상기 기설정된 방식은, MIMO 프리코딩인 것을 특징으로 하는 장치.
제6항에 있어서,

상기 전처리부는 상기 프리코딩된 송신 신호를 소정 개수의 안테나를 통해 수신단으로 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.