KR101382401B1 - 다중 입출력 무선통신 시스템에서 프리코딩 장치 및 방법 - Google Patents

다중 입출력 무선통신 시스템에서 프리코딩 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 수신단은, 송신단과의 각 서브밴드(Subband)별 채널을 추정하는 추정부와, 상기 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출하는 산출부와, 상기 공간 상관 행렬 및 상기 채널 정보를 이용하여 송신단의 프리코딩(Precoding)에 사용될 단위(Unitary) 프리코딩 행렬을 선택하는 선택부를 포함하여, 프리코딩 시 각 서브밴드에 대해 동일한 단위 프리코딩 행렬의 열 벡터를 조합하여 사용함으로써, 시스템은 적은 양의 피드백으로 높은 채널 용량을 유지할 수 있다.
다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output), 코드북(Codebook), 프리코딩 행렬(Precoding Matrix), 열 벡터(Column Vector)

Description

다중 입출력 무선통신 시스템에서 프리코딩 장치 및 방법{APPARATUS AND MATHOD FOR PRECODING IN MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 통신 절차를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 통신 절차를 도시하는 도면, 및
도 5는 본 발명에 따른 프리코딩 방식의 성능을 도시하는 도면.
본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 상기 다중 입출력 무선통신 시스템에서
다중 입출력 기술은 최근 크게 주목받는 분야로, 현재 상기 다중 입출력 기술에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 상기 다중 입출력 기술은 다수의 안테나를 통한 다수의 스트림을 이용하여 통신을 수행함으로써, 단일 안테나를 사용하는 경우보다 채널 용량을 크게 개선 시킬 수 있는 기술이다. 예를 들어, 송수신단이 모두 M개의 송신 안테나 및 수신 안테나를 사용하고, 각 안테나 간의 채널이 독립적이며, 대역폭과 전체 송신 파워가 고정되었을 경우, 평균 채널 용량은 단일 안테나에 비해 M배 증가하게 된다.
상기 다중 입출력 기술을 사용하는 시스템은 신호의 채널 용량을 높이기 위해 프리코딩(Precoding) 기법을 사용하게 된다. 상기 프리코딩 기법은 각 안테나별로 송신되는 신호에 적절한 프리코딩 행렬를 곱함으로써 채널 용량을 높이는 기법이다. 다중 입출력 무선통신 시스템은 상기 프리코딩 기법의 성능 개선시키기 위해 채널 정보를 이용한다. 이때, 상기 채널 정보는 다양한 형태를 가지며, 크게 긴 주기(Long Term)의 채널 통계 정보와 짧은 주기(Short Term)의 채널 정보로 나누어진다.
상기 긴 주기의 채널 통계 정보는 수 초 단위로 매우 느리게 변화하므로, 공간 상관 행렬과 같은 긴 주기의 채널 통계 정보를 이용하는 프리코딩 기법은 채널 정보 피드백이 거의 필요하지 않다. 더욱이, 상기 긴 주기의 채널 통계 정보는 주파수 대역에 독립적이다. 따라서. OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)와 같은 다중 반송파 방식의 무선통신 시스템은 각 서브밴드(Subband)별로 채널 정보를 피드백하지 않아도 된다.
상기 짧은 주기의 채널 정보를 이용하는 프리코딩 기법은 순시적인 채널에 적합한 가중치 집합, 즉, 프리코딩 행렬을 사용함으로써 높은 성능 향상을 가져온다. 하지만, 상기 짧은 주기의 채널 정보를 이용하는 프리코딩 기법은 많은 양의 피드백 정보를 요구한다. 특히, 다중 반송파 방식의 무선통신 시스템의 경우, 서브밴드 수가 증가함에 따라 상기 피드백 정보량이 증가한다. 또한, 상기 짧은 주기의 채널 정보 중에 전송 스트림 별로 전송률을 조절하는 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 방식을 사용하기 위해서, 각 전송 스트림들의 채널 상태 정보가 상기 피드백 정보에 포함되어야 한다. 그리고, 전송 랭크(Rank) 조절을 통한 다중 입출력 기술의 성능을 높이기 위해서, 순시적인 채널의 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)나 안테나 간의 공간 상관도 정보가 상기 피드백 정보에 포함되어야 한다.
상술한 바와 같이, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 프리코딩을 수행하기 위해서는 채널 정보를 이용하며, 상기 채널 정보의 형태에 따라 피드백 정보량과 채널 용량이 변화한다. 이때, 상기 피드백 정보량과 채널 용량은 트레이드 오프(Trade Off) 관계에 있다. 따라서, 높은 성능을 유지함과 동시에 적은 피드백 정보량을 요구하는 프리코딩 기법의 제안이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 적은 양의 피드백 정보를 이용하되 큰 채널 용량을 유지하기 위한 프리코딩(Precoding) 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 모든 서브밴드(Subband)에 대해 동일한 단위 프리코딩 행렬 내의 열 벡터 집합으로 프리코딩을 수행하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단 장치는, 송신단과의 각 서브밴드별 채널을 추정하는 추정부와, 상기 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출하는 산출부와, 상기 공간 상관 행렬 및 상기 채널 정보를 이용하여 송신단의 프리코딩(Precoding)에 사용될 단위(Unitary) 프리코딩 행렬을 선택하는 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단 장치는, 수신단으로부터 단위 프리코딩(Precoding) 행렬 선택 정보를 수신하는 수신부와, 상기 단위 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 프리코딩하는 프리코더와, 상기 프리코딩된 송신 신호를 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 통신 방법은, 송신단과의 각 서브밴드별 채널을 추정하는 과정과, 상기 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출하는 과정과, 상기 공간 상관 행렬 및 상기 채널 정보를 이용하여 송신단의 프리코딩에 사용될 단위 프리코딩 행렬을 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 통신 방법은, 수신단으로부터 단위 프리코딩 행렬 선택 정보를 수신하는 과정과, 상기 단위 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 프리코딩하는 과정과, 상기 프리코딩된 송신 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiplu Output) 무선통신 시스템에서 적은양의 피드백 정보를 이용하되 큰 채널 용량을 유지하기 위한 프리코딩 기술에 대해 설명한다. 본 발명은 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명하며, 다른 방식의 무선통신 시스템에서도 동일하게 적용될 수 있다.
먼저 본 발명에서 제안하고자 하는 프리코딩 방식을 위해 고안된 코드북(Codebook)에 대해 설명한다.
상기 코드북 설명의 편의를 위해, N개의 서브밴드(Subband) 중 n번째 서브밴드를 통해 전송되는 부스트림(Sub-Stream)의 수 Sn은 2라고 가정한다. 이때, 상기 코드북에 포함되는 단위 행렬(Unitary Matrix)의 일반적인 형태는 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112007020223167-pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기 D는 단위 행렬, 상기 α는 0과 1 사이의 임의의 실수를 의미한다.
그리고, 송신 안테나가 2개인 경우의 일반적인 송신 상관 행렬은 하기 <수학식 2>와 같다.
Figure 112007020223167-pat00002
상기 <수학식 2>에서, 상기 RT는 송신 상관 행렬, 상기 ρ는 임의의 복소수 를 의미한다.
만일, 수신단이 ZF(Zero Forcing) 기법을 사용하는 경우, m번째 스트림에 대한 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio)의 확률 밀도 함수(PDF : Probability Density Function)는 하기 <수학식 3>과 같다,
Figure 112007020223167-pat00003
상기 <수학식 3>에서, 상기 fm(x) m번째 스트림에 대한 신호대 간섭 및 잡음비의 확률 밀도 함수, 상기 σm 2는 (DHRTD)-1의 대각 성분, 상기
Figure 112007020223167-pat00004
는 수신 안테나의 평균 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)를 의미한다. 여기서, 상기 σm 2는 하기 <수학식 4>와 같이 산출된다.
Figure 112007020223167-pat00005
상기 <수학식 4>에서, 상기 m은 스트림 인덱스, 상기 ρ는 송신 상관 행렬 계수, 단위 행렬 계수를 의미한다.
이때, 2개의 스트림에 대한 평균 전송률 합은 하기 <수학식 5>와 같이 나타 낼 수 있다.
Figure 112007020223167-pat00006
Figure 112007020223167-pat00007
상기 <수학식 5>에서, 상기 E[·]는 기대값 연산자, 상기 m은 스트림 인덱스, 상기 fm(x) m번째 스트림에 대한 신호대 간섭 및 잡음비의 확률 밀도 함수, 상기 σm 2는 (DHRTD)-1의 대각 성분, 상기
Figure 112007020223167-pat00008
는 수신 안테나의 평균 신호대 잡음비, 상기 Em(·)는 지수 적분(Exponential Integral) 연산자를 의미한다. 여기서, 상기 Em(·)는 하기 <수학식 6>과 같은 연산자이다.
Figure 112007020223167-pat00009
이때, 임의의 송신 상관 행렬에 대하여 평균 전송률 합을 최대화하는 최적 프리코딩 행렬은 하기 <수학식 7>과 같다.
Figure 112007020223167-pat00010
상기 <수학식 7>에서, 상기 Dopt는 최적 프리코딩 행렬, 상기 l은 임의의 정수를 의미한다.
한편, 신호대 잡음비가 낮거나 송신 상관도가 매우 높은 경우, 모든 스트림들을 사용하는 것보다 스트림 수를 감소시키고 스트림 당 가용한 송신 전력을 높이는 것이 시스템 용량을 증가시킬 수 있다. 즉, 스트림 수를 감소시키고 가중치 백터를 이용한 송신 빔포밍(Beamforming)을 수행하는 것이 최적의 전송 방식이라 할 수 있다. 이때, 송신 빔포밍에 의한 평균 전송률을 최대화하는 가중치 벡터는 상기 최적 프리코딩 행렬의 열 벡터 중 하나이다.
상술한 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북을 일반화하면 하기 <수학식 8>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007020223167-pat00011
상기 <수학식 8>에서, 상기 Ug는 코드북에 포함된 g번째 단위 프리코딩 행 렬, 상기 G는 코드북에 포함된 행렬 수, 상기
Figure 112007020223167-pat00012
는 0과 π사이에서 G개로 균일하게 분포된 위상 값들 중 g번째 값을 의미한다. 상기 <수학식 8>에서 상기
Figure 112007020223167-pat00013
는 로테이션(Rotation) 행렬이며, 상기
Figure 112007020223167-pat00014
는 2차 퓨리에(Fourier) 행렬이다. 즉, 상기 2차 퓨리에 행렬을 상기
Figure 112007020223167-pat00015
만큼 로테이션함으로써, 코드북의 단위 프리코딩 행렬이 결정된다. 예를 들어, 상기 코드북의 행렬 수 G가 2인 경우, 상기
Figure 112007020223167-pat00016
는 {0, π/2} 또는 {π/4, 3π/4}가 된다.
상기 <수학식 8>의 코드북은 2개의 송신 안테나를 가정한 경우이며, 이를 MT개의 송신 안테나인 경우로 일반화하면 하기 <수학식 9>와 같다.
Figure 112007020223167-pat00017
Figure 112007020223167-pat00018
상기 <수학식 9>에서, 상기 Ug는 코드북에 포함된 g번째 단위 프리코딩 행 렬, 상기 G는 코드북에 포함된 행렬 수, 상기 MT는 송신 안테나 수, 상기
Figure 112007020223167-pat00019
는 0과 π사이에서 G개로 균일하게 분포된 위상 값들 중 g번째 값을 의미한다.
예를 들어, 상기 송신 안테나 수 MT가 4이고 프리코딩 행렬 수 G가 2인 경우, 상기 코드북에 포함된 단위 프리코딩 행렬들은 하기 <수학식 10>과 같다.
Figure 112007020223167-pat00020
Figure 112007020223167-pat00021
이하 본 발명은 상술한 바와 같이 고안된 코드북을 이용하여 통신을 수행하는 송신단과 수신단의 구성 및 동작 절차를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수신단은 다수의 RF(Radio Frequency) 수신기들(102-1 내지 102-N), 다수의 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, 이하 'ADC'라 칭함)들(104-1 내지 104-N), 다수의 OFDM 복조기들(106-1 내지 106-N), 다수의 복조 및 복호기들(108-1 내지 108-N), 다중화기(110), 채널 추정부(112), 상관 행렬 산출부(114), 코드북 선택부(116) 및 피드백 송신부(118)를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 RF 수신기들(102-1 내지 102-N)은 각 수신 안테나를 통해 수신되는 RF대역 신호를 기저대역 신호로 변환한다. 상기 다수의 ADC들(104-1 내지 104-N)은 대응되는 RF 수신기로부터 제공되는 아날로그 신호를 샘플링 및 양자화하여 디지털 신호로 변환한다. 상기 다수의 OFDM 복조기들(106-1 내지 106-N)은 대응되는 ADC로부터 제공되는 신호를 OFDM 심벌단위로 구분하고, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 부반송파별 복소 심벌로 변환한다. 상기 다수의 복조 및 복호기들(108-1 내지 108-2)은 대응되는 OFDM 변조기로부터 제공되는 복소 심벌을 해당 방식으로 복조 및 복호하여 정보 비트열로 변환한다. 상기 다중화기(110)는 상기 다수의 복조 및 복호기들(108-1 내지 108-N)로부터 각 안테나 경로별로 제공되는 정보 비트열을 해당 프로세스에 따라 정렬하여 출력한다.
상기 채널 추정부(112)는 수신 신호를 이용하여 수신단에서 송신단으로의 채널을 추정한다. 여기서, 상기 채널은 각 안테나별, 각 서브밴드 별로 추정된다.
상기 상관 행렬 산출부(114)는 상기 채널 추정부(112)에 의해 추정된 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출한다. 예를 들어, 상기 상관 행렬 산출부(114)는 하기 <수학식 11>과 같이 상기 공간 상관 행렬을 산출한다.
Figure 112007020223167-pat00022
상기 <수학식 11>에서, 상기 Rn은 n번째 서브밴드의 공간 상관 행렬, 상기 Hn은 n번째 서브밴드의 채널 행렬을 의미한다. 여기서, 상기 공간 상관 행렬 Rn은 정해진 시간 동안의 평균값이며, 모든 서브밴드에 대해 동일하다.
그리고, 상기 상관 행렬 산출부(114)는 상기 채널 추정부(112)로부터 변화하는 채널 정보를 제공받아, 지속적으로상기 공간 상관 행렬을 갱신한다.
상기 코드북 선택부(116)는 미리 정해진 코드북 내에서 채널 상태에 적합한 단위 프리코딩 행렬 및 열 벡터를 선택한다. 먼저, 단위 프리코딩 행렬의 선택을 살펴보면, 상기 코드북 선택부(116)는 하기 <수학식 12>에 따라 평균 전송률을 최대화하는 단위 프리코딩 행렬을 선택한다.
Figure 112007020223167-pat00023
상기 <수학식 12>에서, 상기 Ug *는 단위 프리코딩 행렬, 상기 Ug는 g번째 프 리코딩 행렬, 상기 G는 코드북에 포함된 프리코딩 행렬 개수, 상기 σ2 g, max는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최대값, 상기 σ2 g, min는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최소값을 의미한다.
상기 <수학식 12>와 같이, (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최대값 제곱과 최소값 제곱의 차이가 가장 큰 프리코딩 행렬을 선택하는 것은 상기 공간 상관 행렬 R의 아이겐(Eigen) 행렬에 가장 근사한 프리코딩 행렬을 선택하고자 하는 의도이다.
그리고, 상기 열 벡터의 선택을 살펴보면, 상기 코드북 선택부(116)는 상기 단위 프리코딩 행렬 내의 열 벡터 중 전송률을 최대화하는 조합을 선택한다. 단, 상기 열 벡터는 각 서브밴드별 채널 정보에 따라, 각 서브밴드별로 선택된다. 상기 코드북 선택부(116)는 최적의 열 벡터 조합을 결정하기 위해 가능한 열 벡터 조합에 대해 전송률을 모두 계산하여 비교한다. 예를 들어, 선택된 단위 프리코딩 행렬 Ug *가 [ug,1 ug ,2 ug ,3 gu ,4]의 4개의 열을 갖는 경우, 상기 코드북 선택부(116)는 하기 <수학식 13>과 같은 모든 조합에 대해 전송률을 계산한다.
Figure 112007020223167-pat00024
Figure 112007020223167-pat00025
Figure 112007020223167-pat00026
Figure 112007020223167-pat00027
Figure 112007020223167-pat00028
Figure 112007020223167-pat00029
상기 <수학식 13>에서, 상기 Sn은 사용되는 스트림 수, 상기 ug ,k는 선택된 최적 프리코딩 행렬의 k번째 열 벡터를 의미한다.
여기서, 상기 코드북 선택부(116)는 상기 가능한 열 벡터 조합 각각의 전송률 계산 시 각 스트림에 대한 전력 분배는 동일하게 한다고 가정한다. 다시 말해, 상기 코드북 선택부(116)는 가능한 열 벡터 조합 각각에 대한 전송률을 계산한 후, 가장 높은 전송률을 보이는 열 벡터 조합을 해당 서브밴드에서의 최적(Optimal) 프리코딩 행렬로 결정한다.
상기 피드백 송신부(118)는 송신단의 프리코딩을 위해 필요한 피드백 정보를 송신한다. 다시 말해, 상기 피드백 송신부(118)는 상기 코드북 선택부(116)에 의해 선택된 단위 프리코딩 행렬 선택 정보 및 열 벡터 선택 정보를 송신단으로 송신한다. 여기서, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 긴 주기 피드백을 통해 송신단으로 송신되며, 송신 시기는 상기 코드북 선택부(116)에 의해 선택된 단위 프리코딩 행렬이 변화한 시점이다. 또한, 상기 열 벡터 선택 정보는 주기적으로 송신되 며, 선택된 열 벡터에 의한 신호대 간섭 및 잡음비 정보도 함께 송신된다. 여기서, 이때, 상기 송신되는 정보들은 CQI(Channel Quality Information) 피드백 채널을 통해 송신될 수 있으며, 송신 주기는 수 프레임 정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 송신단은 피드백 수신부(202), 제어부(204), 데이터 버퍼(206), 역다중화기(208), 다수의 부호화 및 변조기들(210-1 내지 210-N), 프리코더(212), 다수의 OFDM 변조기들(214-1 내지 214-N), 다수의 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, 이하 'DAC'라 칭함)들(216-1 내지 216-N), 다수의 RF 송신기들(218-1 내지 218-N)을 포함하여 구성된다.
상기 피드백 수신부(202)는 프리코딩을 위해 필요한 피드백 정보를 수신단으로부터 수신한다. 다시 말해, 상기 피드백 수신부(202)는 수신단에 의해 선택된 단위 프리코딩 행렬 선택 정보 및 열 벡터 선택 정보를 수신한다. 여기서, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 긴 주기 피드백을 통해 수신되며, 수신 시기는 상기 단위 프리코딩 행렬이 변경되었을 시점이다. 따라서, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보의 수신은 주기적이지 않을 수 있다. 또한, 상기 열 벡터 선택 정보는 주기적으로 수신되며, 선택된 열 벡터에 의한 신호대 간섭 및 잡음비 정보도 함께 수신된다. 여기서, 상기 열 벡터 선택 정보의 수신 주기는 수 프레임 정도이다.
상기 제어부(204)는 상기 피드백 수신부(202)를 통해 수신된 피드백 정보에 따라 수신단으로 송신되는 신호를 프리코딩하도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(204)는 미리 정해진 코드북 내에서 선택된 단위 프리코딩 행렬을 확인하고, 상기 단위 프리코딩 행렬 내에서 선택된 열 벡터를 확인한다. 그리고, 상기 제어부(204)는 상기 선택된 열 벡터로 구성된 최적 프리코딩 행렬을 이용하여 프리코딩을 수행하도록 상기 프리코더(212)를 제어한다. 이때, 상기 최적 프리코딩 행렬은 각 서브밴드별로 구성된다.
상기 데이터 버퍼(206)는 수신단으로 송신할 트래픽 데이터를 저장하고, 상기 제어부(204)의 제어에 따라 출력한다. 상기 역다중화기(208)는 상기 데이터 버퍼(206)로부터 제공되는 정보 비트열을 사용되는 스트림 수에 따라 분배하여 출력한다. 상기 다수의 부호화 및 변조기들(210-1 내지 210-N)은 대응되는 안테나 경로에 대한 정보 비트열을 해당 방식으로 부호화 및 변조하여 복소 심벌로 변환한다. 상기 프리코더(212)는 상기 제어부(204)의 제어에 따라 송신 신호를 프리코딩한다. 이때, 상기 프리코더(212)는 각 스트림 별로 동일한 크기의 전력을 할당한다.
상기 다수의 OFDM 변조기들(214-1 내지 214-N)은 상기 프리코더(212)로부터 제공되는 각 스트림별 신호들을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 통해 OFDM 심벌로 변환한다. 상기 다수의 DAC들(216-1 내지 216-N)은 대응되는 OFDM 변조기로부터 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 상기 다수의 RF 송신기들(218-1 내지 218-N)은 대응되는 DAC로부터 제공되는 기저대역 신호를 RF대역 신호로 변환하여 해당 안테나를 통해 송신한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 통신 절차를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 수신단은 301단계에서 송신단으로부터 수신되는 신호를 이용하여 상기 송신단과의 서브 밴드별 채널을 추정한다.
상기 채널을 추정한 후, 상기 수신단은 303단계로 진행하여 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출한다. 예를 들어, 상기 공간 상관 행렬은 상기 <수학식 11>과 같이 산출된다.
상기 공간 상관 행렬을 산출한 후, 상기 수신단은 305단계로 진행하여 미리 정해진 코드북 내에서 평균 전송률이 최대가 되는 단위 프리코딩 행렬을 선택한다. 여기서, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택은 상기 <수학식 12>에 따라 수행된다.
이어, 상기 수신단은 307단계로 진행하여 상기 선택된 단위 프리코딩 행렬이 이전과 변화하였는지 확인한다. 만일, 상기 선택된 단위 프리코딩 행렬이 이전과 동일하면, 상기 수신단은 311단계로 진행한다.
반면, 상기 선택된 단위 프리코딩 행렬이 이전과 다르면, 상기 수신단은 309단계로 진행하여 각 서브밴드별로 전송률이 최대가 되는 열 벡터 조합을 선택한다. 상기 수신단은 상기 열 벡터를 선택하기 위해 가능한 모든 열 벡터 조합에 대한 전송률을 계산한 후, 비교한다.
상기 열 벡터 조합을 선택한 후, 상기 수신단은 311단계로 진행하여 상기 열 벡터 조합 선택 정보 및 선택된 열 벡터 조합으로 인한 신호대 간섭 및 잡음비 정보를 송신한다. 이때, 상기 송신되는 정보들은 CQI 피드백 채널을 통해 송신될 수 있으며, 송신 주기는 수 프레임 정도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 통신 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 송신단은 401단계에서 수신단으로부터 단위 프리코딩 행렬 선택 정보 및 열 벡터 조합 선택 정보가 수신되는지 확인한다. 여기서, 상기 열 벡터 조합 선택 정보는 일정 주기로 수신되지만, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 주기적으로 수신되지 않을 수 있다. 그리고, 상기 열 벡터 조합 선택 정보는 짧은 주기 피드백을 통해 수신되고, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 긴 주기 피드백을 통해 수신된다. 여기서, 상기 열 벡터 조합 선택 정보의 수신 주기는 수 프레임 정도이다.
상기 정보들이 피드백되면, 상기 송신단은 403단계로 진행하여 상기 피드백 정보에 따라 상기 수신단으로 송신되는 신호들을 프리코딩한다. 이때, 상기 신호 송신에 사용되는 스트림 수는 상기 열 벡터 조합 선택 정보에 따라 달라진다.
이어, 상기 송신단은 405단계로 진행하여 각 스트림에 균일하게 전력할당하여 프리코딩된 신호를 송신한다.
도 5는 본 발명에 따른 프리코딩 방식의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 5는 본 발명에 따른 프리코딩을 적용하여 모의 실험한 결과 그래프이다. 상기 모의 실험은 송신 안테나 및 수신 안테나 수를 4개, 대역폭을 10MHz, 서브밴드 수를 12개, 기지국간 간격을 1km, 하나의 셀의 섹터 수는 3개, 피드백 에러율을 4%, 피드백 시간 지연을 15ms로 가정하였다.
상기 도 5의 (a)는 송신 안테나 간격이 0.64λ인 경우의 결과 그래프이고, 상기 도 5의 (b)는 송신 안테나 간격이 4λ인 경우의 결과 그래프이다. 상기 도 5의 (a) 및 (b)에서, 가로축은 섹터 당 단말 수를 나타내고, 세로축은 섹터 당 시스템 전송률을 나타낸다. 또한, 상기 도 5의 (a) 및 (b)에서 비교하고 있는 기술들은 하기 <표 1>과 같다.

No unitary precoding matrix selection (G=1)
Unitary precoding matrix selection pre user and subband (G=2)
Unitary precoding matrix selction pre user(G=2)

코드북이 1개의 단위 프리코딩 행렬만을 포함하는 경우.
daerCQI 피드백을 통해 전송 랭크 조절.
코드북이 2개의 단위 프리코딩 행렬을 포함하는 경우.
CQI 피드백을 통해 전송 랭크 조절.
각 단말은 서브밴드별 단위 프리코딩 행렬을 선택하여 피드백(N×1×user×slot비트의 피드백 발생).
코드북이 2개의 단위 프리코딩 행렬을 포함하는 경우.
CQI 피드백을 통해 전송 랭크 조절.
본 발명에 해당하는 기술로 각 단말은 모든 서브밴드에 공통으로 사용할 단위 프리코딩 행렬을 피드백(1×users비트의 피드백 발생).
상기 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 기술인 'Unitary precoding matrix selction pre user'의 경우는 'No unitary precoding matrix selection'의 경우와 거의 유사한 양의 피드백이 발생하지만, 많은 용량 증가를 보이고 있다. 또한 본 발명에 따른 기술인 'Unitary precoding matrix selction pre user'의 경우는 'Unitary precoding matrix selection pre user and subband'의 경우에 비해 적은 양의 피드백이 발생하지만, 거의 유사한 성능을 보이고 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 프리코딩(Precoding) 시 각 서브밴드(Subband)에 대해 동일한 단위(Unitary) 프리코딩 행렬의 열 벡터를 조합하여 사용함으로써, 시스템은 적은 양의 피드백으로 높은 채널 용량을 유지할 수 있다.

Claims (32)

  1. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 수신단 장치에 있어서,
    송신단과의 각 서브밴드(Subband)별 채널을 추정하는 추정부와,
    채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출하는 산출부와,
    상기 공간 상관 행렬 및 상기 채널 정보를 이용하여 모든 서브밴드에서 송신단의 프리코딩(Precoding)에 사용될 단위(Unitary) 프리코딩 행렬을 선택하고, 상기 단위 프리코딩 행렬의 적어도 하나의 열 벡터를 조합함으로써 각 서브밴드별 프리코딩 시 사용될 최적 프리코딩 행렬을 선택하는 선택부와,
    상기 프리코딩에 사용될 단위 프리코딩 행렬이 변경되는 경우, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보를 상기 송신단으로 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산출부는, 하기 수식과 같이 상기 공간 상관 행렬을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007020223167-pat00030
    여기서, 상기 Rn은 n번째 서브밴드의 공간 상관 행렬, 상기 Hn은 n번째 서브밴드의 채널 행렬을 의미함.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산출부는, 소정 시간 동안 산출된 결과값들을 평균화하여 상기 공간 상관 행렬을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 선택부는, 미리 정해진 코드북 내에 포함된 하기 수식과 같은 형태의 단위 프리코딩 행렬들 중 하나의 단위 프리코딩 행렬을 선택하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007020223167-pat00031
    Figure 112007020223167-pat00032
    여기서, 상기 Ug는 코드북에 포함된 g번째 단위 프리코딩 행렬, 상기 G는 코드북에 포함된 행렬 수, 상기 MT는 송신 안테나 수, 상기
    Figure 112007020223167-pat00033
    는 0과 π사이에서 G개 로 균일하게 분포된 위상 값들 중 g번째 값을 의미함.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 선택부는, 하기 수식에 따라 상기 단위 프리코딩 행렬을 선택하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007020223167-pat00034
    여기서, 상기 Ug *는 선택된 단위 프리코딩 행렬, 상기 Ug는 g번째 프리코딩 행렬, 상기 G는 코드북에 포함된 프리코딩 행렬 개수, 상기 σ2 g, max는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최대값, 상기 σ2 g, min는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최소값, 상기 R은 상기 공간 상관 행렬을 의미함.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 선택부는,
    상기 단위 프리코딩 행렬 내에서 가능한 모든 열 벡터 조합에 대한 전송률을 계산한 후, 상기 전송률이 최대가 되는 열 벡터 조합을 최적 프리코딩 행렬로 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 송신부는, 열 벡터 조합 선택 정보, 선택된 열 벡터 조합으로 인한 수신 신호 세기 정보를 상기 송신단으로 송신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 송신부는, 상기 열 벡터 조합 선택 정보를 CQI(Channel Quality Information) 피드백 채널을 통해 송신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 송신단 장치에 있어서,
    수신단으로부터 단위(Unitary) 프리코딩(Precoding) 행렬 선택 정보 및 각 서브밴드(Subband)에 대한 프리코딩 시 사용할 상기 단위 프리코딩 행렬 내의 열 벡터 조합 선택 정보를 수신하는 수신부와, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 상기 수신단에서의 단위 프리코딩 행렬 선택이 변경되는 경우 수신되며,
    상기 단위 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 프리코딩하는 프리코더와,
    프리코딩된 상기 송신 신호를 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 수신부는, 상기 단위 프리코딩 행렬 수신 주기에 비해 짧은 주기로 상기 열 벡터 조합 선택 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 수신부는, CQI(Channel Quality Information) 피드백 채널을 통해 상기 열 벡터 조합 선택 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 프리코더는, 각 송신 스트림에 균일하게 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 수신단의 통신 방법에 있어서,
    송신단과의 각 서브밴드(Subband)별 채널을 추정하는 과정과,
    상기 채널 정보를 이용하여 공간 상관 행렬을 산출하는 과정과,
    상기 공간 상관 행렬 및 상기 채널 정보를 이용하여 송신단의 프리코딩(Precoding)에 사용될 단위(Unitary) 프리코딩 행렬을 선택하는 과정과,
    상기 단위 프리코딩 행렬의 적어도 하나의 열 벡터를 조합함으로써 각 서브밴드별 프리코딩 시 사용될 최적 프리코딩 행렬을 선택하는 과정과,
    상기 프리코딩에 사용될 단위 프리코딩 행렬이 변경되는 경우, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보를 상기 송신단으로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 공간 상관 행렬은, 하기 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007020223167-pat00035
    여기서, 상기 Rn은 n번째 서브밴드의 공간 상관 행렬, 상기 Hn은 n번째 서브밴드의 채널 행렬을 의미함.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 공간 상관 행렬은, 소정 시간 동안 산출된 결과값들을 평균화한 후 단위 프리코딩 행렬 선택에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 단위 프리코딩 행렬은, 미리 정해진 코드북 내에 포함된 하기 수식과 같은 형태의 단위 프리코딩 행렬들 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007020223167-pat00036
    Figure 112007020223167-pat00037
    여기서, 상기 Ug는 코드북에 포함된 g번째 단위 프리코딩 행렬, 상기 G는 코드북에 포함된 행렬 수, 상기 MT는 송신 안테나 수, 상기
    Figure 112007020223167-pat00038
    는 0과 π사이에서 G개로 균일하게 분포된 위상 값들 중 g번째 값을 의미함.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 단위 프리코딩 행렬 선택은, 하기 수식에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007020223167-pat00039
    여기서, 상기 Ug *는 선택된 단위 프리코딩 행렬, 상기 Ug는 g번째 프리코딩 행렬, 상기 G는 코드북에 포함된 프리코딩 행렬 개수, 상기 σ2 g, max는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최대값, 상기 σ2 g, min는 (UH gRUg)-1의 대각 성분 중 최소값, 상기 R은 상기 공간 상관 행렬을 의미함.
  22. 삭제
  23. 제 17항에 있어서,
    상기 최적 프리코딩 행렬을 선택하는 과정은,
    상기 단위 프리코딩 행렬 내에서 가능한 모든 열 벡터 조합에 대한 전송률을 계산하는 과정과,
    상기 전송률이 최대가 되는 열 벡터 조합을 최적 프리코딩 행렬로 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 17항에 있어서,
    열 벡터 조합 선택 정보, 선택된 열 벡터 조합으로 인한 수신 신호 세기 정보를 상기 송신단으로 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 제 24항에 있어서,
    상기 열 벡터 조합 선택 정보는, CQI(Channel Quality Information) 피드백 채널을 통해 송신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 송신단의 통신 방법에 있어서,
    수신단으로부터 단위(Unitary) 프리코딩(Precoding) 행렬 선택 정보 및 각 서브밴드(Subband)에 대한 프리코딩 시 사용할 상기 단위 프리코딩 행렬 내의 열 벡터 조합 선택 정보를 수신하는 과정과, 상기 단위 프리코딩 행렬 선택 정보는 상기 수신단에서의 단위 프리코딩 행렬 선택이 변경되는 경우 수신되며,
    상기 단위 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 프리코딩하는 과정과,
    프리코딩된 상기 송신 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 삭제
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 열 벡터 조합 선택 정보는, 상기 단위 프리코딩 행렬 수신 주기에 비해 짧은 주기로 수신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 열 벡터 조합 선택 정보는, CQI(Channel Quality Information) 피드백 채널을 통해 수신되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 28항에 있어서,
    각 송신 스트림에 균일하게 전력을 할당하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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