KR101402242B1 - 복합 분할 복신 기반의 다중 입출력 무선통신 시스템에서빔포밍 장치 및 방법 - Google Patents

복합 분할 복신 기반의 다중 입출력 무선통신 시스템에서빔포밍 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 빔포밍(beamforming)에 관한 것으로, TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬을 추정하는 추정기와, FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말로부터 피드백되는 채널 행렬을 대표하는 정보를 확인하는 처리기와, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬 및 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들의 전처리 벡터(precoding vector)들 을 산출하는 제어기를 포함하여, TDD 방식에 따르는 단말의 완전한 채널 정보 및 FDD 방식에 따르는 단말의 제한적 채널 정보를 이용하여 전처리 벡터들 및 결합 벡터들을 생성함으로써, HDD(Hybrid Division Duplex) 방식 적용 시 공간 다중 접속을 통해 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
Figure R1020080035006
빔포밍(beamforming), HDD(Hybrid Division Duplex), 제한된 채널 정보, 특이 값 분해(SVD : Singular Value Docomposition).

Description

복합 분할 복신 기반의 다중 입출력 무선통신 시스템에서 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAMFORMING IN A MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM BASED ON HYBRID DIVISION DUPLEX}
본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, HDD(Hybrid Division Duplex) 기반의 다중 입출력 무선통신 시스템에서 빔포밍(beamforming)을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 고속 및 고품질의 데이터 전송에 대한 요구가 증대됨에 따라, 이를 만족시키기 위한 기술 중의 하나로 다수의 송수신 안테나들을 사용하는 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 기술이 크게 주목되고 있다. 상기 다중 입출력 기술은 다수의 안테나들로 인한 다수의 채널들을 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 사용 하고, 각 안테나 간의 채널이 독립적이며, 대역폭과 전체 송신 전력이 고정되었을 경우, 평균 채널 용량은 단일 안테나에 비해 M배 증가하게 된다.
상기 다중 입출력 기술은 단일 사용자 다중 입출력(SU MIMO : Single User MIMO) 기술과 다중 사용자 다중 입출력(MU MIMO : Multiple User MIMO) 기술로 나누어질 수 있다. 상기 단일 사용자 다중 입출력 기술은 한 쌍의 송수신단이 다수의 안테나들로 의한 다수의 채널들을 모두 점유하여 일 대 일 통신을 수행하기 위한 것이며, 상기 다중 사용자 다중 입출력 기술은 다수의 안테나들로 의한 다수의 채널들을 분할하여 사용함으로써, 일대 다수 관계인 송수신단 간에 통신을 수행하기 위한 것이다.
다중 사용자 다중 입출력 기술에 따라 하나의 기지국과 다수의 단말들이 동시에 통신을 수행하는 경우, 다수의 채널들에서 각 단말들의 송신신호 또는 수신신호가 서로 섞이게 된다. 이때, 기지국 및 다수의 단말들은 송신신호에 대한 전처리(precoding) 및 수신신호에 대한 결합(combining)을 수행함으로써 통해 각 단말의 신호를 구분해 낼 수 있다. 여기서, 전처리는 송신신호에 송신 빔포밍 벡터, 즉, 전처리 벡터를 곱하는 것을 의미하며, 결합은 수신신호에 수신 빔포밍 벡터, 즉, 결합 벡터를 곱하는 것을 의미한다. 이를 위해, 기지국은 각 단말의 전처리 벡터 및 결합 벡터를 결정해야 한다. 이때, 전처리 벡터와 결합 벡터는 단말에서의 결합 후 단말들 간의 간섭을 발생시키지 않는 조건을 만족해야한다. 즉, 다중 사용자 다중 입출력 무선통신 시스템에서 효과적인 공간 다중 접속 통신을 수행하기 위하여, 최적의 전처리 벡터 및 최적의 결합 벡터를 결정하기 위한 대안이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 전처리 벡터 및 결합 벡터를 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 HDD(Hybrid Division Duplex) 방식에 적용 가능한 전처리 벡터 및 결합 벡터를 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 단말의 완전한 채널 정보 및 FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 단말의 제한적 채널 정보를 이용하여 전처리 벡터 및 결합 벡터를 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 기지국 장치는, TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬을 추정하는 추정기와, FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말로부터 피드백되는 채널 행렬을 대표하는 정보를 확인하는 처리기와, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬 및 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들의 전처리 벡터(precoding vector)들을 산출하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말 장치는, 기지국으로부터 수신되는 제어 신호에서 전처리 벡터 정보를 확인하는 처리기와, 상기 전처리 벡터를 이용하여 결합 벡터를 산출하는 산출기와, 다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션(Hermitian) 행렬을 곱함으로써, 할당된 적어도 하나의 스트림을 통해 송신된 신호를 추출하는 결합기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬을 추정하는 과정과, FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말로부터 피드백되는 채널 행렬을 대표하는 정보를 확인하는 과정과, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬 및 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들의 전처리 벡터들을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말의 동작 방법은, 기지국으로부터 수신되는 제어 신호에서 결합 벡터 정보를 확인하는 과정과, 상기 전처리 벡터를 이용하여 결합 벡터를 산출하는 과정과, 다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션 행렬을 곱함으로써, 할당된 적어도 하나의 스트림을 통해 송신된 신호를 추출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 단말의 완전한 채널 정보 및 FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 단말의 제한적 채널 정보를 이용하여 전처리 벡터들 및 결합 벡터들을 생성함으로써, HDD(Hybrid Division Duplex) 방식 적용 시 공간 다중 접속을 통해 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
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 Multiple Output) 무선통신 시스템에서 공간 다중 접속을 위한 전처리 벡터(precoding vector)들 및 결합 벡터(combining vector)들을 생성하기 위한 기술에 대해 설명한다.
먼저, 본 발명에서 고려하는 시스템에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 고려하는 시스템은 HDD(Hybrid Division Duplex) 방식에 따르는 시스템이다. 상기 HDD 시스템의 프레임 구조는 도 1과 같다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템의 사용 주파수 대역은 크게 TDD(Time Division Duplex) 대역(110) 및 FDD(Frequency Division Duplex) 대역(120)으로 구분된다. 그리고, 상기 TDD 대역(110)은 TDD 하향링크 영역(111) 및 TDD 상향링크 영역(113)으로 구분되고, 상기 FDD 대역(120)은 FDD 상향링크 영역(121)으로 구성된다. 즉, 기지국은 상기 TDD 하향링크 영역(111)을 통해 단말들로 신호를 송신하고, 단말들은 상기 TDD 상향링크 영역(113) 및 상기 FDD 상향링크 영역(121)을 통해 기지국으로 신호를 송신한다.
이때, 단말들은 상기 TDD 상향링크 영역(113) 및 상기 FDD 상향링크 영역(121) 중 하나의 영역을 통해 상향링크 통신을 수행한다. 단말이 어느 영역을 사용하는지는 단말의 위치에 따라 결정된다. 즉, 셀은 도 2에 도시된 바와 같이 셀을 구역A(210) 및 구역B(220)으로 구분되며, 상기 구역A(210) 내에 위치한 단말은 상기 TDD 상향링크 영역(113)을, 상기 구역B(220) 내에 위치한 단말은 FDD 상향링크 영역(121)을 사용한다. 이로 인해, 인접 셀로의 간섭이 감소된다.
상술한 바와 같은 HDD 방식에 따라 통신을 수행하는 경우, 상기 TDD 대역(110)은 상향링크 통신 및 하향링크 통신 모두에 사용되고, TDD에 따른 채널의 상호 작용(channel reciprocity)에 의해서, 기지국은 상기 구역A(210)에 위치한 단말의 상향링크 채널을 추정함으로써, 상기 구역A(210)에 위치한 단말의 하향링크 채널을 알 수 있다. 하지만, 상기 FDD 대역(120)은 상향링크 통신만을 위해 사용되기 때문에, 기지국은 상기 구역B(220)에 위치한 단말의 하향링크 채널을 독자적으로 알 수 없고, 단말의 피드백을 통해 알 수 있다. 즉, 기지국은 상기 구역A(210)에 위치한 단말의 완벽한 하향링크 채널 정보를 가지며, 상기 구역B(220)에 위치한 단말의 제한된 하향링크 채널 정보를 가진다.
기지국(310) 및 K개의 단말들(320-1 내지 320-K)이 공간 다중 접속 방식으로 통신을 수행하는 시스템 모델은 도 3과 같다. 상기 기지국(310)은 단말들(320-1 내지 320-K) 각각으로의 송신 신호를 전처리 벡터들 각각과 곱하고, 전처리 벡터와 곱해진 송신 신호들을 합산한 후, 합산된 신호를 안테나별로 송신한다. 상기 합산된 신호는 상기 단말들(320-1 내지 320-K) 각각의 채널을 거쳐 상기 단말들(320-1 내지 320-K) 각각으로 수신된다. 그리고, 상기 단말들(320-1 내지 320-K) 각각은 자신의 결합 벡터를 수신 신호에 곱함으로써, 송신 신호를 획득한다. 이때, 단말k(320-k)에 수신되는 하향링크 신호 모델은 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112008026951038-pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00002
는 단말k의 수신 신호 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00003
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00004
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00005
는 단말k의 송신 신호, 상기
Figure 112008026951038-pat00006
는 공간 다중 접속되는 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00007
는 단말k의 잡음을 의미한 다.
이를 위해, 상기 기지국(310)은 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')의 완벽한 하향링크 채널 정보 및 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)의 제한된 하향링크 채널 정보를 이용하여 단말별 전처리 벡터들 및 결합 벡터들을 다음과 같이 산출한다. 제한된 하향링크 채널 정보로서 상기 기지국(310)에게 제공되는 것은 하향링크 채널 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Value Decomposition)를 통해 얻어지는 주(主) 벡터(principal vector), 또는, 코드북(codebook) 내의 빔포밍 벡터들 중 상기 주 벡터와 유사한 벡터 인덱스이다. 여기서, 상기 주 벡터는 가장 큰 특이 값(singular value)와 대응되는 우 특이 벡터(right singular vector)를 의미한다. 즉, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)은 하향링크 채널 행렬에 대한 특이 값 분해를 수행하고, 주 벡터 또는 코드북 인덱스를 기지국으로 피드백한다. 코드북 인덱스를 피드백하는 경우, 단말들(320-K'+1 내지 320-K)은 주 벡터와의 거리(distance)가 최소인 벡터를 선택한다. 예를 들어, 사용되는 코드북이 그래스매니안(Grassmannian) 코드북인 경우, 단말들(320-K'+1 내지 320-K)은 하기 <수학식 1>과 같이 벡터들 간 거리를 산출하고, 상기 <수학식 2>와 같이 벡터를 선택한다.
Figure 112008026951038-pat00008
상기 <수학식 2>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00009
는 벡터
Figure 112008026951038-pat00010
와 벡터
Figure 112008026951038-pat00011
간 거리를 의 미한다.
Figure 112008026951038-pat00012
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00013
는 단말k의 양자화된 주 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00014
는 단말k의 주 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00015
는 코드북 내의
Figure 112008026951038-pat00016
번째 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00017
는 코드북 내 벡터 개수를 의미한다.
이에 따라, 상기 기지국(310)은 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')의 하향링크 채널 정보 및 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)로부터 피드백된 정보를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들(320-1 내지 320-K)에 대한 하향링크 전처리 벡터들을 산출한다. 이때, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)로의 신호 전력은 균일하게 할당되며, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')로의 신호 전력은 채널 상태에 따라 할당된다. 예를 들어, 기지국의 전체 송신 전력을 PT, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들 개수를 K', 전체 단말들 개수를 K라 할때, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들에게 할당되는 총 전력은
Figure 112009023205735-pat00018
이고, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들 각각에게 할당되는 전력은
Figure 112009023205735-pat00019
이다.
상기 기지국(310)은 수집된 채널 정보 및 주 벡터 정보 또는 채널 정보 및 코드북 인덱스 정보를 이용하여 각 단말에 대한 스택(stack) 행렬을 구성한다. 여기서, 상기 스택 행렬은 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K') 각각의 하향링크 유효 채널 행렬들 및 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K) 각각으로부터 피드백된 주 벡터의 허미션(hermitian) 행렬들 또는 코드북 인덱스에 대응되는 빔포밍 벡터들의 허미션 행렬들을 순차적으로 결합한 행렬을 의미한다. 각 단말에 대응되는 스택 행렬들은 서로 다르게 구성된다. 예를 들어, 주 벡터가 피드백되는 경우, 단말k(320-k)의 스택 행렬은 단말k(320-k)을 제외한 나머지 단말들의 유효 채널 행렬 또는 주 벡터의 허미션 행렬들을 이용하여 구성되며, 하기 <수학식 4>와 같이 구성된다.
Figure 112009023205735-pat00091
상기 <수학식 4>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00021
는 단말k의 스택 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00022
는 단말k의 유효 채널 행렬로서, 결합 벡터의 허미션 행렬 및 단말k(320-k)의 하향링크 채널 행렬의 곱으로 정의되고, 상기
Figure 112008026951038-pat00023
는 단말k의 주 벡터를 의미한다.
상기 <수학식 4>와 같이 구성되는 스택 행렬로부터 단말k(320-k)의 전처리 벡터가 산출된다. 상기 단말k(320-k)의 전처리 벡터는 상기 단말k(320-k)의 스택 행렬을 특이 값 분해하여 얻어지는 우 특이 행렬(right singular matrix) 내의 열 벡터들 중 0 특이 값(zero singular value)에 대응되는 우 특이 벡터(right singular vector)이다. 이를 수식으로 표현하면 하기 <수학식 5>와 같다.
Figure 112008026951038-pat00024
상기 <수학식 5>에서, 상기
Figure 112009023205735-pat00025
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112009023205735-pat00026
는 단말k의 스택 행렬, 상기
Figure 112009023205735-pat00027
은 우 특이 행렬 내의 열 벡터들 중 0 특이 값에 대응되는 우 특이 벡터를 선택하는 함수를 의미한다.
이때, 하나의 스트림을 할당받은 단말의 전처리 벡터는 0 특이 값과 대응되는 하나의 우 특이 벡터로 결정된다. 하지만, 다수의 스트림들을 할당받은 단말의 전처리 벡터는 스트림 수 만큼의 0 특이 값과 대응되는 우 특이 벡터들을 결합한 형태의 행렬로 결정된다.
상기 <수학식 4> 및 상기 <수학식 5>와 같이 산출된 전처리 벡터를 사용한 경우, 단말들(320-1 내지 320-K) 각각에게 수신되는 하향링크 신호 모델은 하기 <수학식 6>과 같다.
Figure 112008026951038-pat00028
상기 <수학식 6>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00029
는 단말k의 수신 신호 모델, 상기
Figure 112008026951038-pat00030
는 단말 k의 결합 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00031
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00032
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00033
는 단말k의 송신 신호, 상기
Figure 112008026951038-pat00034
는 단말k의 잡음, 상기
Figure 112008026951038-pat00035
는 구역A에 위치한 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00036
는 공간 다중 접속되는 단말 개수를 의미한다.
즉, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')의 경우, 정확한 채널 정보를 이용함으로 인해 다른 단말들로의 신호가 제거된다. 하지만, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)의 경우, 채널 행렬의 주 벡터만을 이용함으로 인해 다른 단말들로의 신호 성분이 존재한다. 이에 따라, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')에 대한 결합 벡터 및 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)에 대한 결합 벡터는 서로 다른 방식에 따라 산출된다. 상기 단말들(320-1 내지 320-K) 각각의 결합 벡터는 하기 <수학식 7>과 같이 산출된다.
Figure 112008026951038-pat00037
상기 <수학식 7>에서, 상기
Figure 112009023205735-pat00038
는 단말k의 결합 벡터, 상기
Figure 112009023205735-pat00039
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112009023205735-pat00040
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112009023205735-pat00041
는 단말k의 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬, 상기
Figure 112009023205735-pat00042
는 구역A에 위치한 단말 개수, 상기
Figure 112009023205735-pat00043
는 공간 다중 접속되는 단말 개수를 의미한다.
즉, 상기 <수학식 7>과 같이, 상기 구역A에 위치한 단말의 결합 벡터는 상기 채널 행렬 및 전처리 벡터의 곱에 대한 특이 값 분해를 수행한 후, 특이 값 분해 결과 얻어지는 좌 특이 행렬 중 주 특이 값에 대응되는 열 벡터를 골라냄으로써 산출된다. 또한, 상기 구역B에 위치한 단말의 결합 벡터는 상기 채널 행렬 및 상기 전처리 벡터의 곱에서 간섭 신호를 화이트닝(whitening)하고, 화이트닝된 벡터의 크기를 평준화함으로써 산출된다. 여기서, 상기 화이트닝은 간섭을 잡음화하는 기능을 의미하며, 상기 공간 상관 행렬
Figure 112009023205735-pat00092
의 역수를 곱하는 것이 화이트닝을 나타낸다.
상기 구역B(220)에 위치한 단말에 대한 결합 벡터 산출 시 사용되는 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬
Figure 112008026951038-pat00044
는 하기 <수학식 8> 및 하기 <수학식 9>와 같이 산출되는 값이다. 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬
Figure 112008026951038-pat00045
는 단말에 의해 산출되며, 단말로부터 피드백되는 값이다.
Figure 112008026951038-pat00046
상기 <수학식 8>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00047
는 단말k의 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00048
는 평균 연산자, 상기
Figure 112008026951038-pat00049
는 간섭 및 잡음 행렬을 의미한다.
Figure 112008026951038-pat00050
상기 <수학식 9>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00051
는 간섭 및 잡음 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00052
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00053
는 공간 다중 접속되는 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00054
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00055
는 단말k의 송신 신호, 상기
Figure 112008026951038-pat00056
는 단말k의 잡음을 의미한다.
단말 별 전처리 벡터들 및 결합 벡터들의 산출 과정을 정리하면, 기지국(310)은 상기 구역A(210)에 위치한 단말들(320-1 내지 320-K')의 결합 벡터들을 초기화하고, 단말 별 전처리 벡터들을 반복적인(iterative) 연산을 통해 산출한다. 이때, 상기 결합 벡터들의 초기값은 본 발명의 구체적인 실시 예에 따라 달라진다. 예를 들어, 상기 결합 벡터들의 초기값은 하나의 원소는 '1'이고 나머지 원소들은 '0'인 벡터이거나, 또는, 채널 행렬의 특이 값 분해를 통해 얻어지는 좌 주 특이 벡터(left principal singular vector)일 수 있다. 그리고, 상기 기지국(310)은 산출된 전처리 벡터들을 단말들(320-1 내지 320-K) 각각으로 피드포워드하고, 단말들(320-1 내지 320-K) 각각은 상기 <수학식 7>과 같이 자신의 결합 벡터를 산출한다.
그리고, 상술한 바와 같이, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들(320-K'+1 내지 320-K)은 코드북 인덱스를 피드백할 수 있다. 이 경우, 상기 <수학식 4>에 나타난 스택 행렬 구성은 하기 <수학식 10>으로 대체된다.
Figure 112008026951038-pat00057
상기 <수학식 10>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00058
는 단말k의 스택 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00059
는 단말k의 유효 채널 행렬로서, 결합 벡터의 허미션 행렬 및 단말k의 하향링크 채널 행렬의 곱으로 정의되고, 상기
Figure 112008026951038-pat00060
는 단말k의 양자화된 주 벡터를 의미한다.
상술한 바와 같이 단말 별 전처리 벡터들 및 결합 벡터들이 산출되는 경우, 시스템의 합 채널 용량은 상기 구역A(210)에 위치한 단말들의 채널 용량 및 상기 구역B(220)에 위치한 단말들의 채널 용량의 합이다. 여기서, 상기 구역A(210)에 위치한 단말들의 채널 용량은 하기 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있고, 상기 구역B(220)에 위치한 단말들의 채널 용량은 하기 <수학식 12>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008026951038-pat00061
상기 <수학식 11>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00062
는 구역A에 위치한 단말들의 채널 용량, 상기
Figure 112008026951038-pat00063
는 단말k에 할당된 송신 전력, 상기
Figure 112008026951038-pat00064
는 기지국의 총 송신 전력, 상기
Figure 112008026951038-pat00065
는 구역A에 위치한 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00066
는 공간 다중 접속되는 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00067
는 디터미넌트(determinant) 연산자, 상기
Figure 112008026951038-pat00068
는 단말k의 결합 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00069
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00070
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00071
는 잡음 전력을 의미한다.
Figure 112008026951038-pat00072
상기 <수학식 12>에서, 상기
Figure 112008026951038-pat00073
는 구역B에 위치한 단말들의 채널 용량, 상기
Figure 112008026951038-pat00074
는 기지국의 총 송신 전력, 상기
Figure 112008026951038-pat00075
는 구역A에 위치한 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00076
는 공간 다중 접속되는 단말 개수, 상기
Figure 112008026951038-pat00077
는 디터미넌트 연산자, 상기
Figure 112008026951038-pat00078
는 단말k의 결합 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00079
는 단말k의 채널 행렬, 상기
Figure 112008026951038-pat00080
는 단말k의 전처리 벡터, 상기
Figure 112008026951038-pat00081
는 단말k의 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 의미한다.
이하 본 발명은 상술한 방식에 따라 빔포밍을 수행하는 기지국 및 단말의 구성을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 시그널링처리기(410), 채널추정기(420), 빔포밍제어기(430), 다수의 부호화기들(440-1 내지 440-N), 다수의 변조기들(450-1 내지 450-N), 전처리기(460), 다수의 RF(Radio Frequency)송신기들(470-1 내지 470-N)을 포함하여 구성된다.
상기 시그널링처리기(410)는 단말로부터 수신되는 제어 신호를 해석함으로써, 제어 신호에 포함된 정보를 확인하고, 단말들에게 제공될 제어 정보를 포함하는 제어 신호를 생성한다. 특히, 본 발명에 따라, 상기 피드백수신기(410)는 구역B에 위치한 단말로부터 피드백되는 채널 행렬의 주 벡터 정보를 확인한다. 이때, 상기 주 벡터 정보는 상기 주 벡터의 값 자체이거나, 또는, 코드북 내에서 주 벡터와 가장 유사한 벡터를 지시하는 코드북 인덱스이다. 만일, 주벡터의 값 자체가 피드백된 경우, 상기 피드백수신기(410)는 주 벡터의 값을 상기 빔포밍제어기(430)로 제공한다. 반면, 코드북 인덱스가 피드백된 경우, 상기 피드백수신기(410)는 코드북 내에서 인덱스에 대응되는 벡터를 검색한 후, 검색된 벡터의 값을 상기 빔포밍제어기(430)로 제공한다. 여기서, 상기 코드북은 그래스매니안(Grassmannian) 양자화 코드북, 랜덤 코드북 또는 로이드 양자화 코드북일 수 있다. 또한, 상기 시그널링처리기(410)는 상기 전처리벡터산출기(436)에 의해 산출된 단말들의 전처리 벡터들의 정보를 포함하는 제어 신호를 생성한다.
상기 채널추정기(420)는 상향링크 채널을 통해 수신되는 신호를 이용하여 구역A에 위치한 단말들의 채널 행렬을 추정한다. 예를 들어, 상기 채널추정기(420)는 단말들로부터 수신되는 파일럿 신호 또는 사운딩 신호를 이용하여 상기 단말들의 채널 행렬을 추정한다. 그리고, 상기 채널추정기(420)는 채널 행렬 정보를 상기 빔포밍제어기(430)로 제공한다.
상기 빔포밍제어기(430)는 공간 다중 접속될 단말들에 대한 전처리 벡터들 및 결합 벡터들을 산출한다. 이때, 상기 빔포밍제어기(403)는 전처리 벡터들 및 결합 벡터들의 산출 및 산출된 결합 벡터들을 위한 스택 행렬 구성을 반복함으로써, 최적의 전처리 벡터들 및 결합 벡터들을 산출한다. 상기 빔포밍제어기(430)는 결합벡터초기화기(432), 스택행렬구성기(434), 전처리벡터산출기(436)를 포함한다.
상기 결합벡터초기화기(432)는 반복과정에 앞서 스택 행렬 구성에 필요한 구역A에 위치한 단말들의 결합 벡터들을 초기화한다. 이때, 결합 벡터들의 초기값은 구체적인 실시 예에 따라 달라진다. 예를 들어, 상기 결합 벡터들의 초기값은 하나의 원소는 '1'이고 나머지 원소들은 '0'인 벡터이거나, 또는, 채널 행렬의 특이 값 분해를 통해 얻어지는 좌 주 특이 벡터일 수 있다. 상기 좌 주 특이 벡터가 사용되 는 경우, 상기 결합벡터초기화기(432)는 상기 채널추정기(420)에 의해 추정된 구역 A에 위치한 단말들의 채널 행렬에 대해 특이 값 분해를 수행하고, 좌 주 특이 벡터들을 상기 결합 벡터들의 초기값으로 설정한다.
상기 스택행렬구성기(434)는 상기 결합벡터초기화기(432)로부터 제공되는 구역A에 위치한 단말들의 결합벡터 초기값들, 상기 채널추정기(420)에 의해 추정된 구역A에 위치한 단말들의 채널 행렬들, 상기 피드백수신기(410)로부터 제공되는 구역B에 위치한 단말들의 채널 행렬의 주 벡터들을 이용하여 공간 다중 접속될 단말들 각각의 스택 행렬을 구성한다. 만일, 구역B에 위치한 단말들로부터 피드백된 주 벡터 정보가 주 벡터의 값 자체인 경우, 상기 스택행렬구성기(434)는 해당 단말을 제외한 나머지 단말들의 결합 벡터의 허미션 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 주 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stacking)으로써, 상기 <수학식 4>와 같은 해당 단말의 스택 행렬을 구성한다. 반면, 구역B에 위치한 단말들로부터 피드백된 주 벡터 정보가 코드북 인덱스인 경우, 상기 스택행렬구성기(434)는 해당 단말을 제외한 나머지 단말들의 결합 벡터의 허미션 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 코드북 인덱스와 대응되는 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stcking)으로써, 상기 <수학식 10>과 같은 해당 단말의 스택 행렬을 구성한다.
상기 전처리벡터산출기(436)는 상기 스택행렬구성기(434)에 의해 구성된 각 단말의 스택 행렬을 이용하여 각 단말의 전처리 벡터들을 산출한다. 이를 위해, 상기 전처리벡터산출기(436)는 해당 단말의 스택 행렬에 대한 특이 값 분해를 수행하고, 특이 값 분해 결과 얻어지는 우 특이 행렬 내의 열 벡터들 중 0 특이 값과 대응되는 우 특이 벡터를 검색함으로써, 상기 해당 단말의 전처리 벡터를 산출한다.
상기 다수의 부호화기들(440-1 내지 440-N) 각각은 자신과 대응되는 스트림을 통해 송신될 데이터를 부호화한다. 상기 다수의 변조기들(450-1 내지 450-N) 각각은 자신과 대응되는 스트림을 통해 송신될 부호화된 데이터를 변조함으로써, 복소심벌(complex symbol)들로 변환한다. 상기 전처리기(460)는 각 스트림을 통해 송신되는 신호를 상기 빔포밍제어기(430)로부터 제공되는 전처리 벡터들에 따라 처리한다. 즉, 상기 전처리기(460)는 단말들 각각의 송신 신호를 단말들 각각의 전처리 벡터와 곱하고, 전처리 벡터와 곱해진 신호들을 합산한다. 상기 다수의 RF송신기들(470-1 내지 470-N)은 상기 전처리기(460)로부터 제공되는 안테나별 신호들을 RF대역 신호들로 변환한 후, 다수의 송신 안테나들을 통해 송신한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단말은 다수의 RF수신기들(502-1 내지 502-N), 채널추정기(504), SVD연산기(506), 시그널링처리기(508), 결합벡터산출기(510), 신호결합기(512), 복조기(514), 복호화기(516)를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 RF수신기들(502-1 내지 502-N)은 다수의 수신 안테나들을 통해 수신되는 RF대역 신호들을 기저대역 신호들로 변환한 후, 상기 신호결합기(512)로 제공한다. 상기 채널추정기(504)는 기지국으로부터 수신되는 파일럿 신호 또는 프리앰블(preamble) 신호를 이용하여 하향링크 채널 행렬을 추정한다. 상기 SVD연산 기(506)는 상기 채널추정기(504)에 의해 추정된 채널 행렬에 대한 특이 값 분해를 수행한다. 그리고, 상기 SVD연산기(506)는 특이 값 분해 결과 얻어지는 주 벡터의 값을 상기 시그널링처리기(508)로 제공한다.
상기 시그널링처리기(508)는 기지국으로 제공될 제어 정보를 포함하는 제어 신호를 생성하고, 기지국으로부터 수신된 제어 신호를 해석한다. 특히, 단말이 구역B에 위치한 경우, 상기 시그널링처리기(508)는 상기 주 벡터 정보를 포함하는 제어 신호를 생성한다. 이때, 상기 주 벡터 정보는 주 벡터의 값 자체이거나, 또는, 코드북 내에서 주 벡터와 가장 유사한 벡터의 인덱스일 수 있다. 여기서, 상기 코드북은 그래스매니안 양자화 코드북, 랜덤 코드북 또는 로이드 양자화 코드북일 수 있다. 만일, 상기 주 벡터 정보가 코드북 인덱스인 경우, 상기 시그널링처리기(508)는 코드북 내의 벡터들 중 주 벡터와 가장 유사한 벡터를 검색하고, 검색된 벡터의 인덱스를 포함하는 제어 신호를 생성한다. 그리고, 상기 시그널링처리기(508)는 기지국으로부터 수신된 제어 신호로부터 단말의 전처리 벡터 정보를 확인하고, 상기 전처리 벡터 정보를 상기 결합벡터산출기(510)로 제공한다. 단, 단말이 구역A에 위치하는 경우, 상기 시그널링처리기(508)의 주 벡터 정보를 포함하는 제어 신호 생성 동작은 수행되지 않는다.
상기 결합벡터산출기(510)는 전처리 벡터, 채널 행렬을 이용하여 결합 벡터를 산출한다. 이때, 상기 결합벡터산출기(510)의 결합 벡터 산출 동작은 상기 단말의 위치에 따라 달라진다. 단말이 구역A에 위치한 경우, 상기 결합벡터산출기(510)는 채널 행렬과 전처리 벡터의 곱에 대한 특이 값 분해를 수행한 후, 특이 값 분해 결과 얻어지는 좌 특이 행렬 중 주 특이 값에 대응되는 열 벡터를 검색함으로써, 결합 벡터를 산출한다. 그리고, 단말이 구역B에 위치한 경우, 상기 결합벡터산출기(510)는 먼저 채널 행렬 및 간섭 신호들을 이용하여 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한다. 즉, 상기 결합벡터산출기(510)는 채널을 통해 수신되는 간섭 신호들 및 잡음을 모두 합산한다. 그리고, 상기 결합벡터산출기(510)는 합산된 결과와 합산된 결과의 허미션 행렬의 곱한 행렬의 원소들을 평균화함으로써, 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한다. 이를 수식으로 표현하면 상기 <수학식 8> 및 상기 <수학식 9>와 같다. 이후, 상기 결합벡터산출기(510)는 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 전처리 벡터의 곱을 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 전처리 벡터의 곱의 2놈(2 norm)으로 나눔으로서, 해당 단말의 결합 벡터를 산출한다. 이를 수식으로 표현하면 상기 <수학식 7>과 같다.
상기 신호결합기(512)는 상기 결합벡터산출기(510)에 의해 산출된 결합 벡터를 이용하여 수신 신호들을 처리한다. 즉, 상기 신호결합기(512)는 다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션 행렬을 곱함으로써, 자신에게 할당된 스트림을 통해 송신된 신호를 추출한다. 상기 복조기(514)는 상기 신호결합기(512)로부터 제공되는 복소 심벌들을 복조함으로써, 비트열로 변환한다. 상기 복호화기(516)는 상기 복조기(514)로부터 제공되는 비트열을 복호화한다.
이하 본 발명은 상술한 방식에 따라 빔포밍을 수행하는 기지국 및 단말의 동 작을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 6을 참고하면, 상기 기지국은 601단계에서 구역A에 위치한 단말들의 채널 행렬을 추정한다. 즉, 상기 기지국은 상향링크 통신 및 하향링크 통신 시 동일한 대역을 사용하는 단말들의 채널 행렬을 추정한다. 예를 들어, 상기 기지국은 단말들로부터 수신되는 사운딩 신호를 이용하여 상기 단말들의 채널 행렬을 추정한다.
이어, 상기 기지국은 603단계로 진행하여 구역B에 위치한 단말들로부터 채널 행렬의 주 벡터 정보가 피드백되는지 확인한다. 즉, 상기 기지국은 상향링크 통신 및 하향링크 통신 시 서로 다른 대역을 사용하는 단말로부터 하향링크 채널 행렬의 주 벡터 정보가 피드백되는지 확인한다. 여기서, 상기 주 벡터 정보는 주 벡터의 값 자체이거나, 또는, 코드북에서 주 벡터와 가장 유사한 벡터의 인덱스일 수 있다. 여기서, 상기 코드북은 그래스매니안 양자화 코드북, 랜덤 코드북 또는 로이드 양자화 코드북일 수 있다.
상기 구역B에 위치한 단말들로부터 채널 행렬의 주 벡터 정보가 피드백되면, 상기 기지국은 605단계로 진행하여 구역A에 위치한 단말들의 결합 벡터들을 초기화한다. 이때, 결합 벡터들의 초기값은 구체적인 실시 예에 따라 달라진다. 예를 들어, 상기 결합 벡터들의 초기값은 하나의 원소는 '1'이고 나머지 원소들은 '0'인 벡터이거나, 또는, 채널 행렬의 특이 값 분해를 통해 얻어지는 좌 주 특이 벡터일 수 있다.
상기 결합 벡터들을 초기화한 후, 상기 기지국은 607단계로 진행하여 각 단말의 스택 행렬을 구성한다. 즉, 상기 기지국은 구역A에 위치한 단말들의 결합벡터 초기값들, 구역A에 위치한 단말들의 채널 행렬들, 구역B에 위치한 단말들의 채널 행렬의 주 벡터들을 이용하여 공간 다중 접속될 단말들 각각의 스택 행렬을 구성한다. 만일, 구역B에 위치한 단말들로부터 피드백된 주 벡터 정보가 주 벡터의 값 자체인 경우, 상기 기지국은 해당 단말을 제외한 나머지 단말들의 결합 벡터의 허미션 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 주 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stacking), 상기 <수학식 4>와 같은 해당 단말의 스택 행렬을 구성한다. 반면, 구역B에 위치한 단말들로부터 피드백된 주 벡터 정보가 코드북 인덱스인 경우, 상기 기지국은 해당 단말을 제외한 나머지 단말들의 결합 벡터의 허미션 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 코드북 인덱스와 대응되는 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stacking)으로써, 상기 <수학식 10>과 같은 해당 단말의 스택 행렬을 구성한다.
상기 각 단말의 스택 행렬을 구성한 후, 상기 기지국은 609단계로 진행하여 각 단말의 스택 행렬을 이용하여 각 단말의 전처리 벡터를 산출한다. 이를 위해, 상기 기지국은 해당 단말의 스택 행렬에 대한 특이 값 분해를 수행하고, 특이 값 분해 결과 얻어지는 우 특이 행렬 내의 열 벡터들 중 0 특이 값과 대응되는 우 특이 벡터를 검색함으로써, 상기 해당 단말의 전처리 벡터를 산출한다.
상기 각 단말의 전처리 벡터들을 산출한 후, 상기 기지국은 611단계로 진행하여 각 단말로 전처리 벡터 정보를 피드포워드한다.
이후, 상기 기지국은 613단계로 진행하여 산출된 전처리 벡터들을 이용하여 각 단말로의 송신 신호를 처리한다. 즉, 상기 기지국은 단말들 각각의 송신 신호를 단말들 각각의 전처리 벡터와 곱하고, 전처리 벡터와 곱해진 신호들을 합산한다. 그리고, 상기 기지국은 전처리된 신호들을 RF대역 신호들로 변환한 후, 다수의 송신 안테나들을 통해 송신한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 구역A에 위치한 단말의 동작 절차를 도시하고 있다. 상기 도 7은 상향링크 통신 및 하향링크 통신 시 동일한 대역을 사용하는 단말, 즉, TDD 방식에 따르는 단말의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 7을 참고하면, 상기 단말은 701단계에서 기지국으로부터 전처리 벡터 정보가 피드포워드되는지 확인한다.
만일 상기 결합 벡터 정보가 피드포워드되면, 상기 단말은 703단계로 진행하여 상기 전처리 벡터, 채널 행렬을 이용하여 결합 벡터를 산출한다. 상세히 설명하면, 상기 단말은 채널 행렬과 전처리 벡터의 곱에 대한 특이 값 분해를 수행한 후, 특이 값 분해 결과 얻어지는 좌 특이 행렬 중 주 특이 값에 대응되는 열 벡터를 검색함으로써, 결합 벡터를 산출한다. 이를 수식으로 표현하면 상기 <수학식 7>과 같다.
상기 결합 벡터를 산출한 후, 상기 단말은 705단계로 진행하여 상기 703단계에서 산출된 결합 벡터를 이용하여 수신 신호들을 처리한다. 즉, 상기 단말은 다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션 행렬를 곱함으 로써, 자신에게 할당된 스트림을 통해 송신된 신호를 추출한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 구역B에 위치한 단말의 동작 절차를 도시하고 있다. 상기 도 8은 상향링크 통신 및 하향링크 통신 시 서로 다른 대역을 사용하는 단말, 즉, FDD 방식에 따르는 단말의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 8을 참고하면, 상기 단말은 801단계에서 하향링크 채널 행렬을 추정한다. 즉, 상기 단말은 기지국으로부터 수신되는 파일럿 신호 또는 프리앰블 신호를 이용하여 하향링크 채널 행렬을 추정한다.
상기 채널 행렬을 추정한 후, 상기 단말은 803단계로 진행하여 상기 채널 행렬에 대한 특이 값 분해를 수행하고, 최대 특이 값에 대응되는 우 특히 벡터, 즉, 주 벡터를 검색한다.
이후, 상기 단말은 805단계로 진행하여 상기 803단계에서 산출된 주 벡터 정보를 기지국으로 피드백한다. 이때, 상기 주 벡터 정보는 상기 주 벡터의 값 자체이거나, 또는, 코드북 내에서 주 벡터와 가장 유사한 벡터를 지시하는 코드북 인덱스이다. 여기서, 상기 코드북은 그래스매니안 양자화 코드북, 랜덤 코드북 또는 로이드 양자화 코드북일 수 있다.
이후, 상기 단말은 807단계로 진행하여 기지국으로부터 전처리 벡터 정보가 피드포워드되는지 확인한다.
상기 전처리 벡터 정보가 피드포워드 되면, 상기 단말은 809단계로 진행하여 채널 행렬 및 간섭 신호들을 이용하여 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한다. 즉, 상기 단말은 채널을 통해 수신되는 간섭 신호들 및 잡음을 모두 합산한다. 그리고, 상기 단말은 합산된 결과와 합산된 결과의 허미션 행렬의 곱한 행렬의 원소들을 평균화함으로써, 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한다. 이를 수식으로 표현하면 상기 <수학식 8> 및 상기 <수학식 9>와 같다.
상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한 후, 상기 단말은 811단계로 진행하여 상기 전처리 벡터, 채널 행렬, 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 이용하여 결합 벡터를 산출한다. 상세히 설명하면, 상기 단말은 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 전처리 벡터의 곱을 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 전처리 벡터의 곱의 2놈으로 나눔으로서, 해당 단말의 결합 벡터를 산출한다. 이를 수식으로 표현하면 상기 <수학식 7>과 같다.
상기 결합 벡터를 산출한 후, 상기 단말은 813단계로 진행하여 상기 811단계에서 산출된 결합 벡터를 이용하여 수신 신호들을 처리한다. 즉, 상기 단말은 다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션 행렬를 곱함으로써, 자신에게 할당된 스트림을 통해 송신된 신호를 추출한다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 9는 본 발명에 따른 시스템과 종래 기술에 따른 시스템들의 SNR(Signal to Noise Ratio)에 따른 전송률을 측정하기 위한 모의실험의 결과 그래 프이다. 모의실험에서, 기지국의 송신 안테나의 개수와 각 단말의 수신 안테나 개수는 4로 가정하였다.
상기 도 9에서, Cprop는 본 발명에 따른 시스템의 채널 용량을 나타내고, 여기서 CDPC는 최적의 채널 용량을 달성할 수 있는 DPC(Dirty Paper Coding)를 사용하는 시스템의 채널 용량을 나타내고, Cref는 사용자 간 공간 다이버시티를 이용하지 않고 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multplexing) 또는 TDMA(Time Division Multiple Access) 등의 시스템을 통해 사용자 간의 간섭이 제거하는 시스템의 채널 용량을 나타낸다. 그리고, PV는 구역B에 위치한 단말들이 주 벡터를 피드백한 경우, LF는 구역B에 위치한 단말들이 코드북 인덱스를 피드백한 경우를 나타내고, WF는 워터 필링 전력 할당(water-filling power allocation) 기법을 적용한 경우, EQ는 균일 전력 할당(equal power allocation) 기법을 적용한 경우를 나타낸다.
상기 도 9를 참고하면, 구역B의 사용자가 피드백 정보로 주 벡터를 피드백하는 경우, Cprop가 SNR 증가에 따라 CDPC에 근접한다. CDPC와 Cprop 간 차이는 다음과 같은 이유에서 발생한다. DPC의 경우 채널 상황에 따라서 모드 선택에 의해서 사용자 별로 송신 스트림 개수를 조절하는 반면, 본 발명에 따른 시스템은 모든 단말들이 동일한 하나의 스트림만을 전송하기 때문이다. 코드북 인덱스를 피드백하는 경우에도 성능은 구역B의 사용자가 증가하면서 채널 용량은 열화되나, OFDM 또는 TDMA를 이용하여 사용자 간섭을 제거하는 경우보다는 낮은 SNR 영역에서 안테나 다이버시티에 의해서 채널 용량이 증가했음이 확인된다.
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.
도 1은 본 발명에 따른 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템의 프레임 구조를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 셀의 구역 구분을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템의 통신 모델을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 구역A에 위치한 단말의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 구역B에 위치한 단말의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템의 성능을 도시하는 도면.

Claims (24)

  1. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬을 추정하는 추정기와,
    FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말로부터 피드백되는 채널 행렬을 대표하는 정보를 확인하는 처리기와,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬 및 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들의 전처리 벡터(precoding vector)들을 산출하는 제어기를 포함하며,
    상기 공간 다중 접속될 단말들 중 하나인 제1단말의 전처리 벡터는, 상기 단말들 중 상기 제1단말을 제외한 나머지 상기 TDD 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬들 및 상기 FDD 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬을 대표하는 정보들을 포함하여 구성되는 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 행렬을 대표하는 정보는,
    상기 채널 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 얻어지는 특이 값(signular value)들 중 최대 값에 대응되는 주(主,principal) 벡터(vector)를 나타내는 정보인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주 벡터를 나타내는 정보는, 코드북 인덱스이며,
    상기 처리기는, 코드북에서 상기 코드북 인덱스에 대응되는 벡터를 확인하고,
    상기 제어기는, 상기 코드북 인덱스에 대응되는 벡터를 상기 주 벡터로서 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 결합 벡터를 초기화하는 초기화기와,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 결합 벡터, 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들 각각의 스택(stack) 행렬을 구성하는 구성기와,
    상기 단말들 각각의 스택 행렬의 0 특이 값(zero singular value)과 대응되는 우 특이 벡터(right singular vector)를 산출함으로써, 상기 단말들 각각의 전처리 벡터(precoding vector)를 산출하는 산출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초기화기는, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬에 대한 특이 값 분해를 통해 얻어지는 좌 주 특이 벡터, 또는, 하나의 1 및 적어도 하나의 0으로 구성된 벡터로 상기 결합 벡터를 초기화하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구성기는, 해당 단말을 제외한 나머지 적어도 하나의 단말의 결합 벡터의 허미션(Hermitian) 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 주 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stacking)으로써, 상기 해당 단말의 스택 행렬을 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 산출된 상기 전처리 벡터들의 정보를 피드포워드하기 위한 제어 신호를 생성하는 처리기와,
    상기 제어 신호를 각 단말로 송신하는 송신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 단말 장치에 있어서,
    기지국으로부터 수신되는 제어 신호에서 전처리 벡터(precoding vector) 정보를 확인하는 처리기와,
    상기 전처리 벡터를 이용하여 결합 벡터를 산출하는 산출기와,
    다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션(Hermitian) 행렬을 곱함으로써, 할당된 적어도 하나의 스트림을 통해 송신된 신호를 추출하는 결합기를 포함하며,
    상기 전처리 벡터는, 공간 다중 접속되는 다수의 단말들 중 상기 단말을 제외한 나머지 TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬들 및 FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬을 대표하는 정보들을 포함하여 구성되는 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산출기는, 채널 행렬과 상기 전처리 벡터의 곱에 대한 특이 값 분해를 수행한 후, 특이 값 분해 결과 얻어지는 좌 특이 행렬 중 주 특이 값에 대응되는 열 벡터를 검색함으로써, 상기 결합 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 산출기는, 채널 행렬 및 상기 전처리 벡터의 곱에서 간섭 신호를 화이트닝(whitening)하고, 화이트닝된 벡터의 크기를 평준화함으로써 상기 결합 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 산출기는, 수신되는 간섭 신호들 및 잡음을 모두 합산하고, 합산된 결과와 합산된 결과의 허미션 행렬을 곱한 원소들을 평균화함으로써 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한 후, 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 상기 전처리 벡터의 곱을 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 상기 채널 행렬, 상기 전처리 벡터의 곱의 2놈(2 norm)으로 나눔으로써 상기 결합 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    하향링크 채널 행렬을 추정하는 추정기와,
    상기 채널 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Value Decomposition)을 수행하고, 주(主,principal) 벡터(vector) 값을 출력하는 연산기를 더 포함하며,
    상기 처리기는, 상기 주 벡터를 나타내는 정보를 포함하는 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬을 추정하는 과정과,
    FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 적어도 하나의 단말로부터 피드백되는 채널 행렬을 대표하는 정보를 확인하는 과정과,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬 및 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들의 전처리 벡터(precoding vector)들을 산출하는 과정을 포함하며,
    상기 공간 다중 접속될 단말들 중 하나인 제1단말의 전처리 벡터는, 상기 단말들 중 상기 제1단말을 제외한 나머지 상기 TDD 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬들 및 상기 FDD 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬을 대표하는 정보들을 포함하여 구성되는 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 채널 행렬을 대표하는 정보는, 상기 채널 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 얻어지는 특이 값(signular value)들 중 최대 값에 대응되는 주(主,principal) 벡터(vector)를 나타내는 정보인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주 벡터를 나타내는 정보는, 코드북 인덱스이며,
    상기 전처리 벡터들을 산출하는 과정은, 상기 코드북 인덱스에 대응되는 벡터를 주 벡터로서 사용하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전처리 벡터들을 산출하는 과정은,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 결합 벡터를 초기화하는 과정과,
    상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 결합 벡터, 상기 FDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 상기 주 벡터를 이용하여 공간 다중 접속될 단말들 각각의 스택(stack) 행렬을 구성하는 과정과,
    상기 단말들 각각의 스택 행렬의 0 특이 값(zero singular value)과 대응되는 우 특이 벡터(right singular vector)를 산출함으로써, 상기 단말들 각각의 전처리 벡터(precoding vector)를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 결합 벡터의 초기화 값은, 상기 TDD 방식에 따르는 적어도 하나의 단말의 채널 행렬에 대한 특이 값 분해를 통해 얻어지는 좌 주 특이 벡터, 또는, 하나의 1 및 적어도 하나의 0으로 구성된 벡터인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스택 행렬은, 해당 단말을 제외한 나머지 적어도 하나의 단말의 결합 벡터의 허미션(Hermitian) 행렬과 채널 행렬의 곱 또는 주 벡터의 허미션 행렬을 순차적으로 쌓아 올림(stacking)으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 전처리 벡터들의 정보를 피드포워드하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 단말의 동작 방법에 있어서,
    기지국으로부터 수신되는 제어 신호에서 전처리 벡터(precoding vector) 정보를 확인하는 과정과,
    상기 전처리 벡터를 이용하여 결합 벡터를 산출하는 과정과,
    다수의 수신 안테나들을 통해 수신된 신호들에 상기 결합 벡터의 허미션(Hermitian) 행렬을 곱함으로써, 할당된 적어도 하나의 스트림을 통해 송신된 신호를 추출하는 과정을 포함하며,
    상기 전처리 벡터는, 공간 다중 접속되는 다수의 단말들 중 상기 단말을 제외한 나머지 TDD(Time Division Duplex) 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬들 및 FDD(Frequency Division Duplex) 방식에 따르는 단말들의 채널 행렬을 대표하는 정보들을 포함하여 구성되는 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Vector Decomposition)를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 결합 벡터는, 채널 행렬과 전처리 벡터의 곱에 대한 특이 값 분해를 수행한 후, 특이 값 분해 결과 얻어지는 좌 특이 행렬 중 주 특이 값에 대응되는 열 벡터를 검색함으로써, 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 결합 벡터는, 채널 행렬 및 상기 전처리 벡터의 곱에서 간섭 신호를 화이트닝(whitening)하고, 화이트닝된 벡터의 크기를 평준화함으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 결합 벡터는, 수신되는 간섭 신호들 및 잡음을 모두 합산하고, 합산된 결과와 합산된 결과의 허미션 행렬을 곱한 원소들을 평균화함으로써 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬을 산출한 후, 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 채널 행렬, 전처리 벡터의 곱을 상기 간섭 및 잡음의 공간 상관 행렬의 제곱근의 역수, 상기 채널 행렬, 상기 전처리 벡터의 곱의 2놈(2 norm)으로 나눔으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제20항에 있어서,
    하향링크 채널 행렬을 추정하는 과정과,
    상기 채널 행렬에 대한 특이 값 분해(SVD : Singular Value Decomposition)을 수행하고, 주(主) 벡터(principal vector) 값을 피드백하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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