KR101452493B1 - 채널 정보 전송 방법 및 데이터 전송 방법 - Google Patents

Abstract

복수의 기지국으로부터의 협조적 전송을 위한 채널 정보 전송 방법을 제공한다. 상기 채널 정보 전송 방법은 서빙 기지국 및 적어도 하나의 인접 기지국과의 채널 행렬을 구하는 단계 및 상기 채널 행렬로부터 얻은 채널 정보를 상기 서빙 기지국 및 상기 인접 기지국에게 전송하는 단계를 포함한다. 인접 기지국에게 채널 정보를 제공함으로써, 복수의 기지국으로부터 협조적으로 전송된 데이터를 수신할 수 있다. 셀 경계에 위치한 단말에게 큰 영향을 미치는 인접 기지국으로부터 협조적으로 데이터를 전송받음으로써, 셀간 간섭을 최소화하고, 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

MIMO, 협조적 전송, SVD, 고유값, 빔포밍

Description

채널 정보 전송 방법 및 데이터 전송 방법{METHOD OF TRANSMITTING CHANNEL INFORMATION}

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 채널 정보 전송 방법 및 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

최근 활발하게 연구되고 있는 차세대 멀티미디어 무선 통신 시스템은 초기의 음성 위주의 서비스를 벗어나 영상, 무선 데이터 등의 다양한 정보를 처리하여 전송할 수 있는 시스템이 요구되고 있다. 무선 통신 시스템의 목적은 다수의 사용자가 위치와 이동성에 관계없이 신뢰할 수 있는(reliable)한 통신을 할 수 있도록 하는 것이다. 그런데, 무선 채널(wireless channel)은 경로 손실(path loss), 잡음(noise), 다중 경로(multipath)에 의한 페이딩(fading) 현상, 심벌간 간섭(ISI, intersymbol interference) 또는 단말의 이동성으로 인한 도플러 효과(Doppler effect) 등의 비이상적인 특성이 있다. 무선 채널의 비이상적 특성을 극복하고, 무선 통신의 신뢰도(reliability)을 높이기 위해 다양한 기술이 개발되고 있다.

MIMO(Multiple Input Multiple Output Antennas) 기술은 다중 송신 안테나와 다중 안테나를 사용하여 데이터의 송수신 효율을 향상시킨다. MIMO 기술이 적용되 는 MIMO 시스템은 송신 안테나의 수와 안테나의 수에 따라 다수의 독립 채널로 분해될 수 있다. 각각의 독립 채널은 공간 계층(spatial layer) 또는 스트림(stream)이라 할 수 있다. 랭크(rank)는 MIMO 시스템에서 독립 채널의 수로, 다중화될 수 있는 공간 스트림의 수로 정의될 수 있다.

MIMO 기술에는 공간 다이버시티(Spatial diversity), 공간 다중화(Spatial multiplexing) 및 빔포밍(Beamforming) 등이 있다. 공간 다이버시티는 다중 송신 안테나에서 동일한 데이터를 전송하여 전송 신뢰도를 높이는 기술이다. 공간 다중화는 다중 송신 안테나에서 서로 다른 데이터를 동시에 전송하여 시스템의 대역폭을 증가시키지 않고 고속의 데이터를 전송할 수 있는 기술이다.

빔포밍은 다중 안테나에서 변화하는 채널 정보에 따른 가중치를 가하여 신호의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 증가시키는 기술이다. 무선 통신 시스템에서 기지국이 단말에게 빔포밍을 통해 신호를 보내는 경우를 특히 하향링크(downlink) 빔포밍이라고 한다. 빔포밍 성능은 단말에서 피드백되는 채널 정보의 정확도에 비례하기 때문에 채널 정보의 정확도를 높이기 위해서는 피드백 정보량을 늘려주어야 한다. 피드백 정보량은 상향링크(uplink)의 무선 채널 상태와 피드백에 할당된 무선 자원의 양과 관계가 있다.

한편, 무선 통신 시스템은 서비스 지역의 제한과 사용자의 수용 용량의 한계를 극복하기 위하여 서비스 지역을 다수의 셀(Cell)로 나누어 통신 서비스를 제공한다. 이를 다중 셀 환경이라 한다. 인접한 셀 간에는 서로 다른 주파수 대역을 사용하고, 충분히 멀리 떨어진 셀 간에 동일한 주파수 대역을 사용함으로써 공간적으 로 주파수 대역을 재사용할 수 있다. 공간적으로 주파수 대역을 재사용할 수 있으므로 다수의 셀 분포에서 채널의 수를 증가시켜 충분한 사용자를 수용할 수 있다.

그런데, 인접한 셀 간에 서로 다른 주파수 대역을 사용하더라도, 셀 간의 경계에 위치하는 사용자들은 인접하는 셀로부터의 간섭 신호에 의해 셀간 간섭(inter-cell interference)을 받게 된다. 셀간 간섭으로 인하여 사용자의 송신 신호 및 수신 신호는 열화(depletion)될 수 있다.

따라서, 사용자가 셀 경계에 위치한 경우, 셀간 간섭을 줄이고, 수신 성능을 향상시킬 수 있는 채널 정보 전송 방법 및 데이터 전송 방법이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 기지국으로부터의 협조적 전송을 위해 인접 기지국에게 채널 정보를 전송하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 복수의 기지국으로부터의 협조적 전송을 위해 인접 기지국이 데이터를 전송하는 방법을 제공함에 있다.

일 양태에서, 복수의 기지국으로부터의 협조적 전송을 위한 채널 정보 전송 방법을 제공한다. 상기 채널 정보 전송 방법은 서빙 기지국 및 적어도 하나의 인접 기지국과의 채널 행렬을 구하는 단계 및 상기 채널 행렬로부터 얻은 채널 정보를 상기 서빙 기지국 및 상기 인접 기지국에게 전송하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 데이터 전송 방법을 제공한다. 상기 데이터 전송 방법은 인접 셀에 속하는 단말로부터 채널 정보를 수신하는 단계 및 상기 채널 정보에 해당하는 가중치 벡터를 이용하여 상기 인접 셀과 협조적으로 상기 단말에게 데이터를 전송하는 단계를 포함한다.

인접 기지국에게 채널 정보를 제공함으로써, 복수의 기지국으로부터 협조적으로 전송된 데이터를 수신할 수 있다. 셀 경계에 위치한 단말에게 큰 영향을 미치는 인접 기지국으로부터 협조적으로 데이터를 전송받음으로써, 셀간 간섭을 최소화하고, 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

이하의 기술은 다양한 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다. 무선 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템은 기지국(10; Base Station, BS) 및 단말(20; Mobile Station, MS)을 포함한다. 하나의 기지국(10)은 적어도 하나의 셀(Cell)에 대해 서비스를 제공할 수 있다. 셀은 기지국(10)이 통신 서비스를 제공하는 영역이다. 기지국(10)은 일반적으로 단말(20)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드-B(Node-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 단말(20)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, UE(User Equipment), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(wireless device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 일반적으로 하향링크(downlink)는 기지국(10)에서 단말(20)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말(20)에서 기지국(10)으로의 통신을 의미한다.

무선 통신 시스템에 사용되는 다중 접속 기법에는 제한이 없다. 무선 통신 시스템은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access) 및 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)와 같은 다양한 다중 접속 기법을 사용할 수 있다.

무선 통신 시스템은 다중 셀 환경이므로, 단말이 속한 셀에 인접하는 다른 셀이 존재한다. 단말이 속한 셀을 서빙 셀(Serving Cell)이라 하고, 인접하는 다른 셀을 인접 셀(Neighbor Cell)이라 한다. 인접 셀은 다른 기지국이 통신 서비스를 제공하는 영역이다. 서빙 셀에 속하는 기지국을 서빙 기지국(Serving BS)이라 하고, 인접 셀에 속하는 다른 기지국을 인접 기지국(Neighbor BS)이라 한다. 일반적인 다중 셀 환경에서, 단말이 서빙 기지국으로부터 수신한 신호는 데이터 신호이고, 인접 기지국으로부터 수신한 신호는 간섭 신호이다.

이제, 단말에게 데이터 신호를 전송하는 기지국이 서빙 기지국만으로 한정하는 경우에 대해 설명한다. 이하, 이러한 전송 방법을 비협조적 전송(Non-cooperative Transmission; NCT)이라 한다.

비협조적 전송을 설명하기 위해, 다중 셀 환경이 K개(K≥2, K는 자연수)의 기지국을 포함하는 경우를 고려한다. 서빙 기지국은 제1 기지국이고, 인접 기지국은 제1 기지국을 제외한 나머지 기지국이다. 각 기지국은 1개의 송신 안테나를 포함하고, 단말은 M_R개(M_R≥1, M_R은 자연수)의 안테나를 포함한다고 가정한다. 단말은 M_R개의 안테나를 통해 수신 신호를 수신한다. 이때, 수신 신호는 서빙 기지국이 전송하는 데이터 신호와 인접 기지국이 전송하는 간섭 신호를 포함한다.

단말이 수신하는 수신 신호를 r이라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, i는 기지국을 식별하는 인덱스(index)이고, S는 서빙 기지국의 인덱스 집합이고, I는 인접 기지국의 인덱스 집합이고, P_i는 i 번째 기지국이 전송하는 하향링크 신호의 수신 전력이고, h _i는 i 번째 기지국과 단말 사이의 M_R×1 채널 벡터이고, s_i는 i 번째 기지국이 전송하는 전송 심벌이다.

서빙 기지국의 인덱스 집합 S는 S = {1}, 간접 기지국의 인덱스 집합 I는 I = {2, 3, …, K}로 표현할 수 있다. i 번째 수신 전력 P_i는 P_i = Pd_i ^-γ로 표현할 수 있다. 이때, P는 i 번째 기지국의 하향링크 신호 송신 전력이고, d_i는 i 번째 기지국과 단말 사이의 정규화 거리이고, γ는 기지국과 단말 사이의 거리에 따른 경로 손실(path loss)을 반영하는 경로 손실 지수(path loss exponent)이다. 채널 벡터 h _i는 h _i = [h_{i ,1}, h_{i ,2}, …, h_{i , MR}]^T로 표현할 수 있다. 채널 벡터 h _i의 각각의 원소는 서로 독립적이고, 평균 전력이 1인 복소 가우시안 변수일 수 있다. 전송 심벌 s_i는 평균 전력이 1일 수 있다. 서빙 기지국이 전송하는 전송 심벌인 s₁은 데이터 신호이고, 그 외 전송 심벌은 간섭 신호이다.

단말은 M_R개의 안테나를 통해 수신된 수신 신호로부터 신호 결합 기법을 사 용하여 검출 신호를 구하고, 검출 신호로부터 데이터를 복원할 수 있다. 신호 결합 기법에는 최대비 결합(Maximal Ratio Combining; 이하 MRC), 선택 결합(Selective Combining), 동일 이득 결합(Equal Gain Combining) 등이 있다. MRC 기법은 각각의 데이터에 가중치를 주어 결합하는 방식이다. 선택 결합 기법은 데이터를 선택적 결합하는 방식이고, 동일 이득 결합 기법은 각각의 데이터에 동일한 가중치를 주고 평균값을 통해 결합하는 방식이다.

MRC 기법을 사용하여 구한 검출 신호를 y라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, w는 수신 가중치 벡터이다. 수신 가중치 벡터 w는 서빙 기지국과 단말 사이의 채널 벡터 h ₁을 정규화한 것으로 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 행렬이다.

이와 같이, 비협조적으로 전송된 데이터 신호를 MRC 기법을 사용하여 복원하는 데이터 수신 방법을 NCT-MRC(Non-cooperative Transmission with Maximal Ratio Combining) 기법이라 한다. MRC 기법은 다중 안테나를 이용한 시스템에서 다중 경 로로 수신되는 신호의 다이버시티(diversity)를 이용한 수신 기법의 하나로 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)이 높은 잡음 제한적(noise-limited) 환경에서 최적의 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 그런데, 실제 다중 셀 환경에서 셀 경계에 위치하는 단말은 인접 셀의 영향을 받게 되어 낮은 SINR을 가지게 된다. 따라서, 다중 셀 환경에서 셀 경계에 위치한 단말은 NCT-MRC 기법을 사용하여 최적의 성능을 얻을 수 없고, 성능 열화가 발생하게 된다.

단말이 셀 경계에 위치하는 경우, 서빙 기지국뿐 아니라, 인접 기지국들 또한 단말에게 큰 영향을 미치게 된다. 만일, 서빙 기지국뿐 아니라, 단말에게 큰 영향을 미치는 인접 기지국들이 상호 협조적으로 데이터를 전송한다면 셀 간 간섭을 줄이고, 수신 성능을 향상시킬 수 있을 것이다. 이하, 이러한 전송 방법을 협조적 전송(Cooperative Transmission; CT)이라 한다.

도 2는 협조적 전송 방법을 설명하기 위한 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템을 나타낸 것이다. 도 2는 K개(K≥3, K는 자연수)의 기지국을 포함하는 다중 셀 환경의 일부를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 무선 통신 시스템은 복수의 기지국(1, 2, …) 및 단말(200)을 포함한다. 각 기지국은 하나의 셀에 속한다. 각 기지국은 1개의 송신 안테나를 포함하고, 단말(200)은 M_R개(M_R≥1, M_R은 자연수)의 안테나를 포함한다고 가정한다. 기지국들과 단말 사이에는 분산 MIMO 채널이 형성된다.

단말(200)은 제1 셀(Cell₁)에 속해 있다. 따라서, 제1 셀(Cell₁)은 서빙 셀 이고, 제1 기지국(1)은 서빙 기지국이다. 단말(200)은 제1 셀(Cell₁), 제2 셀(Cell₂) 및 제3 셀(Cell₃)의 경계에 위치한다. 따라서, 단말(200)에게 서빙 기지국인 제1 기지국(1)뿐 아니라, 인접 기지국들인 제2 기지국(2) 및 제3 기지국(3)도 단말(200)에게 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제1 기지국(1), 제2 기지국(2) 및 제3 기지국(3)이 단말(200)에게 협조적으로 데이터 신호를 전송하면, 간섭 신호를 최소화하여 단말(200)의 수신 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.

서빙 기지국인 제1 기지국(1) 및 인접 기지국들인 제2 기지국(2), 제3 기지국(3)이 단말(200)에게 협조적으로 데이터 신호를 전송하는 경우, 제4, 제5, …, 제K 기지국이 전송하는 신호는 단말(200)에게 간섭 신호가 된다. 서빙 기지국 및 단말에게 데이터 신호를 협조적으로 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 S = {1, 2, 3}으로, 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 I = {4, 5, …, K}로 표현할 수 있다.

다만, 이는 셀 경계에 위치한 단말에게 서빙 기지국 및 인접 기지국이 협조적 전송을 하는 경우의 일 예일 뿐, 협조적 전송을 하는 인접 기지국의 위치, 인접 기지국 개수 등을 제한하는 것이 아니다. 협조적 전송을 하는 인접 기지국은 단말과 인접 기지국 사이의 거리, SINR, 전송 효율(Spectral Efficiency) 등을 고려하여 적절하게 정해질 수 있다.

이와 같이, 서빙 기지국 및 적어도 하나의 인접 기지국이 셀 경계의 단말에게 데이터 신호를 협조적으로 전송(CT)하는 경우, 데이터를 수신하는 방법이 문제 된다. 데이터가 협조적으로 전송된 경우, 데이터 수신 방법으로는 공간 역다중화(CT with Spatial Demultiplexing; CT-SD) 기법, 빔포밍(CT with Beamforming; CT-BF) 기법 등이 있다. 또한, 주파수 재사용(Fractional Frequency Reuse; FFR) 기법을 고려하여 데이터를 협조적으로 전송할 수 있다. 이하, 협조적 전송에 대한 데이터 수신 방법 및 주파수 재사용 기법을 각각 상술한다.

이제, 협조적 전송에 대한 공간 역다중화(CT-SD) 기법을 사용한 데이터 수신 방법을 상술한다.

도 3은 데이터 수신 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.

도 3을 참조하면, 단말은 복수의 안테나를 통해 수신 신호를 수신한다(S110). 단말은 서빙 기지국, 서빙 기지국과 협조적으로 데이터를 전송하는 인접 기지국 및 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국에 대한 채널 정보를 획득한다(S120). 단말은 획득한 채널 정보를 이용하여 수신 신호를 공간 역다중화하여 데이터를 복원한다(S130).

이하, 데이터 수신 방법을 도 2에서 설명한 무선 통신 시스템을 이용하여 상술한다. 즉, 서빙 기지국 및 단말에게 데이터 신호를 협조적으로 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 S = {1, 2, 3}으로, 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 I = {4, 5, …, K}이다.

M_R개의 안테나를 포함하는 단말은 서빙 기지국 및 적어도 하나의 인접 기지국이 협조적으로 전송하는 n(S)개의 데이터 신호와 인접 기지국들이 전송하는 (M_R - n(S))개의 간섭 신호를 검출할 수 있다. 여기서, n(U)는 임의의 집합 U에 속한 원소의 개수이다. 단말이 검출 가능한 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국들의 인덱스 집합을 I₀ = {i₁, i₂, …, i_{MR -n(S)}}로 정의할 수 있다. 이때, 집합 I₀의 각 원소는 간섭 신호에 대한 수신 전력이 가장 큰 인접 기지국들의 인덱스로 구성할 수 있다. 또한, 단말이 검출 불가능한 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국들의 인덱스 집합을 I₁ = I - I₀ (즉, I₀∪I₁ = I)로 정의한다.

단말이 수신하는 수신 신호를 r이라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, H는 채널 행렬이고, s는 전송 심벌 벡터이다. 채널 행렬 H는 서빙 기지국 및 데이터 신호를 협조적 전송하는 인접 기지국의 채널 벡터 h _i(i∈S)와 검출 가능한 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국들의 채널 벡터 h _i(i∈I₀)로 이루어진다. 전송 심벌 벡터 s는 협조적으로 전송되는 데이터 신호에 대한 심벌 및 검출 가능한 인접 기지국이 전송하는 간섭 신호에 대한 심벌로 이루어진다.

채널 행렬 H, 전송 심벌 벡터 s는 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

단말은 공간 역다중화 기법을 사용하여 전송 심벌 벡터 s를 복원할 수 있다. 공간 역다중화 기법으로 ZF(zero-forcing), 최소 평균 제곱 에러(Minimum Mean Squared Error; 이하 MMSE) 등이 사용될 수 있다. ZF는 수신 신호에 채널 행렬의 유사역행렬(pseudo-inverse matrix)을 곱하여 데이터 신호를 분리하는 방법이다. MMSE는 잡음의 영향까지 고려하여 검출 오류를 줄이는 것으로 MSE(Mean Square Error)를 최소화하는 방법이다.

공간 역다중화 기법으로 ZF 기법을 사용할 경우, 유사역행렬은 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, W는 유사역행렬이고, w _i(1≤i≤M_R, i는 자연수)는 유사역행렬 W의 i 번째 행벡터(row vector)이다. 이때, w _i는 프로베니우스 놈(Frobenius norm)을 1로 정규화할 수 있다.

공간 역다중화 기법으로 MMSE 기법을 사용할 경우, 유사역행렬은 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, W는 유사역행렬이고, σ²은 잡음(noise)의 분산(variance)이고, w _i(1≤i≤M_R, i는 자연수)는 유사역행렬 W의 i 번째 행벡터이다. 이때, w _i는 프로베니우스 놈을 1로 정규화할 수 있다.

이하, ZF 기법을 사용할 경우의 유사역행렬 또는 MMSE 기법을 사용할 경우의 유사역행렬을 모두 유사역행렬 W라 한다.

데이터 신호에 대한 전송 심벌 s_i(i∈S)는 유사역행렬 W의 i 번째 행벡터 w _i(i∈S)를 이용하여 복원할 수 있다. 데이터 복원을 위한 검출 신호를 y_i라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

이제, 협조적 전송 및 빔포밍(CT-BF) 기법을 사용한 데이터 수신 방법을 상 술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 정보 전송 방법을 나타내는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 서빙 기지국 및 적어도 하나의 인접 기지국과의 채널 행렬을 구한다(S210). 이때, 적어도 하나의 인접 기지국은 서빙 기지국과 협조적 전송을 하는 인접 기지국이다. 단말은 채널 행렬로부터 채널 정보를 획득한다. 단말은 서빙 기지국 및 인접 기지국에게 획득한 채널 정보를 전송한다(S220). 이때, 채널 정보는 채널 행렬을 고유값 분해(Singular Value decomposition)하여 구한 고유값(singular value)에 관한 정보일 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 정보 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 단말은 서빙 기지국(Serving BS)에게 추정된 채널 정보를 전송하고(S310), 인접 기지국(Neighbor BS)에게도 추정된 채널 정보를 전송한다(S315). 서빙 기지국 및 인접 기지국은 단말에게 송신 빔포밍 처리된 데이터를 협조적으로 전송한다(S320). 단말은 송신 빔포밍에 대응하는 수신 빔포밍을 통하여 데이터를 복원한다(S330).

이하, 채널 정보 전송 방법 및 협조적 데이터 전송 방법을 도 2에서 설명한 무선 통신 시스템을 이용하여 상술한다. 즉, 서빙 기지국 및 단말에게 데이터 신호를 협조적으로 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 S = {1, 2, 3}으로, 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 I = {4, 5, …, K}이다.

단말은 서빙 기지국 및 서빙 기지국과 협조적 전송을 하는 인접 기지국과의 채널 행렬을 구한다. 협조적으로 데이터 신호를 전송하는 복수의 기지국과 M_R개의 안테나를 포함하는 단말 사이에 형성되는 M_R×n(S) 채널 행렬을 H라 한다. 임의의 행렬은 고유값 분해(Singular Value decomposition; 이하 SVD)를 사용하여 분해될 수 있다. SVD는 임의의 행렬을 유니터리 행렬(Unitary matrix) U, 대각행렬(Diagonal matrix) ∑ 및 V로 분해(Decomposition)한다. 채널 행렬 H는 SVD를 사용하여 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, U는 M_R×M_R 유니터리 행렬이고, ∑는 고유값(Singular Value)들로 구성된 M_R×n(S) 대각 행렬이고, V ^H는 n(S)×n(S) 유니터리 행렬 V의 허미션 행렬이다. 행렬 U, ∑ 및 V는 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 대각 행렬 ∑의 대각 요소 λ_k(1≤k≤q, k는 자연수)는 고유 값(singular value)이다. 이때, 대각 요소는 λ₁이 최대값이고, λ_q가 최소값이 되도록 내림차순으로 배열되어 있다고 가정한다(λ₁≥…≥λ_q). q는 채널 행렬 H의 랭크(rank)이다.

협조적으로 데이터 신호를 전송하는 복수의 기지국은 SINR을 증가시키기 위해 데이터 신호를 송신 빔포밍 처리하여 전송할 수 있다. 송신 빔포밍 처리를 위해 단말은 서빙 기지국 및 인접 기지국에게 채널 행렬로부터 획득한 채널 정보를 전송한다. 채널 정보는 고유값에 관한 정보일 수 있다.

협조적 전송을 하는 복수의 기지국이 전송하고자 하는 데이터 심벌을 s라 한다. 데이터 심벌 s는 평균 전력이 1인 심벌일 수 있다. 각 서빙 기지국은 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터 심벌 s를 송신 빔포밍 처리한다. 각 서빙 기지국이 전송하는 송신 빔포밍 처리된 전송 심벌을 s_i(i∈S)라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 복수의 기지국이 협조적 전송하는 전송 신호의 전력을 정규화하기 위한 계수이고, v_{1 ,i}는 송신 빔포밍 벡터의 요소이다. 이때, 송신 빔포밍 벡터는 최대 고유값 λ₁에 관계된 것으로, 행렬 V의 1 열벡터(column vector) v ₁ 일 수 있다. 송신 빔포밍 벡터 v ₁은 v ₁ = [v_{1 ,1} …v_{1 ,n(S)}]^T로 표현할 수 있다.

단말은 복수의 안테나를 통해 복수의 기지국이 협조적으로 전송하는 송신 빔포밍 처리된 전송 심벌을 수신한다. 단말이 수신하는 수신 신호를 r이라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, i는 기지국을 식별하는 인덱스(index)이고, S는 서빙 기지국 및 단말에게 데이터 신호를 협조적으로 전송하는 인접 기지국의의 인덱스 집합이고, I는 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합이고, P_i는 i 번째 기지국이 전송하는 하향링크 신호의 수신 전력이고, h _i는 i 번째 기지국과 단말 사이의 M_R×1 채널 벡터이고, s_i는 i 번째 기지국이 전송하는 전송 심벌이다.

단말은 수신 빔포밍 벡터를 이용해 수신 신호로부터 검출 신호를 구하고, 데이터 심벌 s를 복원할 수 있다. 수신 빔포밍 벡터는 송신 빔포밍 벡터에 대응한다.

검출 신호를 y라 하고, 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, u ₁ ^H는 수신 빔포밍 벡터이다. 이때, 수신 빔포밍 벡터는 최대 고유값 λ₁에 해당하는 것으로, 행렬 U의 1 열벡터로부터 구한 u ₁ ^H일 수 있고, u ₁ ^H = [u_1,1 …u_{1 , MR}]로 표현할 수 있다.

이제, 협조적 전송에 대한 주파수 재사용(FFR) 기법을 상술한다. 주파수 재사용 기법은 무선 통신 시스템의 전체 주파수 대역을 복수의 주파수 영역으로 분할하고, 정해진 주파수 배치 패턴에 따라 각각의 셀에게 주파수 영역을 할당하는 기법이다. 주파수 재사용 기법은 다중 셀 환경에서 인접 셀 간섭을 회피하기 위하여 사용된다. 주파수 재사용률 변화에 따라 셀 당 전송 효율도 변하게 된다.

도 6은 무선 통신 시스템의 전체 주파수 대역을 도시한 예시도이다.

도 6을 참조하면, 전체 주파수 대역은 3 주파수 영역(f₁, f₂, f₃)으로 분할하여 채널화(channelization)할 수 있다.

도 7은 무선 통신 시스템의 일 예를 도시한 것이다. 도 6은 다중 셀 환경에서 3 개의 셀만을 도시한 것이다.

도 7을 참조하면, 각 셀의 중심에는 각 기지국((BS₁, BS₂, BS₃)이 위치한다. 각 기지국은 3 주파수 영역(f₁, f₂, f₃)을 모두 사용한다. 따라서, 주파수 재사용률(r)은 r = 1이다.

도 8은 무선 통신 시스템의 다른 예를 도시한 것이다. 도 7은 다중 셀 환경 에서 3 개의 셀만을 도시한 것이다.

도 8을 참조하면, 제1 기지국(BS₁)은 제1 주파수 영역과 제2 주파수 영역(f₁, f₂)을 사용한다. 제2 기지국(BS₂)은 제2 주파수 영역과 제3 주파수 영역(f₂, f₃)을 사용한다. 제3 기지국(BS₃)은 제1 주파수 영역과 제3 주파수 영역(f₁, f₃)을 사용한다. 따라서, 주파수 재사용률 r = 2/3이다. 도 8과 같이 주파수 재사용률 r이 r = 2/3인 무선 통신 시스템은 주파수 배치 패턴에 따라 전체 주파수 대역폭을 나누어 사용한다.

인접 셀 간섭은 주파수 재사용률을 낮춤으로써 극복할 수 있는 반면 셀 당 사용되는 주파수 자원은 감소하게 된다. 따라서, 실제 무선 통신 시스템에서 주파수 재사용 기법을 활용하여 시스템의 전송 용량을 향상시키기 위해서는 환경에 따라 적응적으로 주파수 재사용 기법을 적용해야 한다. 또한, 단말의 위치에 따라 가장 효율적인 주파수 재사용률은 변할 수 있다.

이하, 상술한 데이터 수신 방법 및 주파수 재사용 기법을 사용한 데이터 전송의 수신 성능에 대한 시뮬레이션(simulation)결과에 대하여 설명한다. 시뮬레이션 환경은 19개의 다중 셀 환경이고, 각 셀의 중심에는 기지국이 하나씩 있다. 셀의 중심에서 셀의 가장 먼 거리까지의 거리는 1로 정규화한다. 서빙 기지국과 단말의 정규화 거리는 d₁이다. 단말은 서빙 기지국으로부터 신호를 전송받는 하향링크 상황이다.

도 9는 단말의 안테나 개수 변화에 따른 평균 전송 효율(Average Spectral Efficiency)을 도시한 그래프이다. 그래프 x축은 안테나 개수(M_R)이고, y축은 평균 전송 효율이다. 전송 효율의 단위는 bps/Hz/cell(bits per second/Hertz/cell)이다. 도 9는 주파수 재사용률(r)이 1인 다중 셀 환경에서, 단말이 셀 경계(d₁ = 1)에 위치할 때, 비협조적 MRC(NCT-MRC) 기법, 협조적 공간 역다중화 기법(CT-SD) 기법, 협조적 빔포밍(CT-BF) 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대한 시뮬레이션 결과이다.

도 9를 참조하면, M_R = 2인 경우 협조적 빔포밍 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대한 전송 효율이 가장 높다. M_R = 2인 경우 협조적 빔포밍 기법은 비협조적 MRC 기법에 비해 약 0.53 [bps/Hz/cell] 평균 전송 효율이 향상된다. M_R = 2인 경우를 제외하면 협조적 공간 역다중화 기법에 대한 전송 효율이 가장 높다. 이는 M_R = 2 경우에는 두 개의 신호만을 검출할 수 있으므로 협조적 공간 역다중화 기법을 통해 제거되지 않은 신호가 인접 셀의 간섭 신호로 작용하여 성능을 열화시키기 때문이다.

도 10은 단말의 안테나 개수 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다. 그래프 x축은 안테나 개수(M_R)이고, y축은 평균 전송 효율이다. 전송 효율의 단위는 bps/Hz/cell이다. 도 10은 주파수 재사용률(r)이 2/3인 다중 셀 환경에서, 단말이 셀 경계(d₁ = 1)에 위치할 때, 비협조적 MRC(NCT-MRC) 기법, 협조적 공간 역다중화(CT-SD) 기법, 협조적 빔포밍(CT-BF) 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대 한 시뮬레이션 결과이다.

도 10을 참조하면, M_R = 2인 경우 협조적 공간 역다중화 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대한 전송 효율이 도 8의 경우보다 향상된다. 그 외에는 도 8의 그래프 패턴과 유사하다. 이는 각 셀이 전체 시스템 대역폭의 2/3에 해당되는 주파수 영역만을 사용하므로 M_R = 2인 단말이 협조적 공간 역다중화 기법을 통해 두 기지국의 전송 신호를 검출하고, 나머지 한 기지국의 전송 신호는 주파수 재사용 기법을 이용하여 회피할 수 있기 때문이다. 협조적 빔포밍 기법과 비협조적 MRC 기법은 주파수 주파수 재사용률(r)을 낮춰 사용할수록 인접 셀의 간섭 신호의 양은 줄어들지만 셀 당 사용되는 주파수 자원의 감소로 평균 전송 효율이 낮아진다. 도 9 및 도 10을 참조하면, M_R = 2 경우, 주파수 재사용률(r)이 2/3인 협조적 공간 역다중화 기법은 주파수 재사용률(r)이 1인 비협조적 MRC 기법에 비해 약 0.28 [bps/Hz/cell] 평균 전송 효율이 향상된다.

도 11은 단말과 서빙 기지국 사이 거리 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다. 그래프의 x축은 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)이고, y축은 평균 전송 효율이다. 전송 효율의 평균값의 단위는 bps/Hz/cell이다. 도 11은 주파수 재사용률(r)이 1인 비협조적 MRC(NCT-MRC) 기법, 주파수 재사용률(r)이 2/3인 협조적 공간 역다중화(CT-SD) 기법, 주파수 재사용률(r)이 1인 협조적 빔포밍(CT-BF) 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대한 시뮬레이션 결과이다. 단말의 안테나의 개수(M_R)는 2이다.

도 11을 참조하면, 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)가 0.88 보다 크면, 협조적 빔포밍 기법은 비협조적 MRC 기법에 비해 평균 전송 효율이 향상된다. 향상된 평균 전송 효율은 약 0.29 [bps/Hz/cell]이다.

또한, 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)가 0.92 보다 크면, 협조적 공간 역다중화 기법은 비협조적 MRC 기법에 비해 평균 전송 효율이 향상된다. 향상된 평균 전송 효율은 약 0.19[bps/Hz/cell]이다.

도 12는 단말과 서빙 기지국 사이 거리 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다. 그래프의 x축은 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)이고, y축은 평균 전송 효율이다. 전송 효율의 평균값의 단위는 bps/Hz/cell이다. 도 12는 주파수 재사용률(r)이 1인 다중 셀 환경에서, 비협조적 MRC(NCT-MRC) 기법, 협조적 공간 역다중화(CT-SD) 기법, 협조적 빔포밍(CT-BF) 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 대한 시뮬레이션 결과이다. 단말의 안테나의 개수(M_R)는 4이다.

도 12를 참조하면, 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)가 0.95 보다 크면, 협조적 공간 역다중화 기법은 비협조적 MRC 기법에 비해 평균 전송 효율이 향상된다. 향상된 평균 전송 효율은 약 0.17 [bps/Hz/cell]이다.

또한, 단말과 서빙 기지국 사이의 정규화 거리(d₁)가 0.97 보다 크면, 협조적 빔포밍 기법은 비협조적 MRC 기법에 비해 평균 전송 효율이 향상된다. 향상된 평균 전송 효율은 약 0.12 [bps/Hz/cell]이다.

따라서, 셀 경계와 같이 인접 셀의 간섭 신호의 영향이 큰 영역에서는 비협조적 MRC 기법을 사용하는 데이터 수신 방법에 비해, 협조적 공간 역다중화 기법 또는 협조적 빔포밍 기법을 사용하는 데이터 수신 방법의 수신 성능이 더 우수하다. 또한, 안테나 개수, 데이터 수신 방법에 따라 적절한 주파수 재사용률을 사용하면 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

상술한 시뮬레이션 결과들의 수치는 예시에 불과하며 한정 사항이 아니다. 시뮬레이션 결과들은 주어지는 조건에 따라 그 결과값이 달라질 수 있다. 시뮬레이션의 결과값이 달라지더라도 본 발명의 취지에 부합한다면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 것이다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 것이다.

도 2는 협조적 전송 방법을 설명하기 위한 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템을 나타낸 것이다.

도 3은 데이터 수신 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 정보 전송 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 정보 전송 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 6은 무선 통신 시스템의 전체 주파수 대역을 도시한 예시도이다.

도 7은 무선 통신 시스템의 일 예를 도시한 것이다.

도 8은 무선 통신 시스템의 다른 예를 도시한 것이다.

도 9는 단말의 안테나 개수 변화에 따른 평균 전송 효율(Average Spectral Efficiency)을 도시한 그래프이다.

도 10은 단말의 안테나 개수 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다.

도 11은 단말과 서빙 기지국 사이 거리 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다.

도 12는 단말과 서빙 기지국 사이 거리 변화에 따른 평균 전송 효율을 도시한 그래프이다.

Claims (7)

1. 복수의 기지국으로부터 데이터를 수신하는 방법에 있어서,

   단말이 상기 복수의 기지국 각각과의 상기 단말 사이의 채널 행렬을 결정하는 단계;

   상기 단말이 상기 채널 행렬을 기반으로 생성한 채널 정보를 상기 복수의 기지국 각각으로 전송하는 단계;

   상기 단말이 상기 복수의 기지국 각각으로부터 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼을 포함하는 신호를 수신하는 단계; 및

   상기 단말이 상기 신호를 검출하여 검출 신호를 생성하는 단계를 포함하되,

   상기 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼을 포함하는 신호는

   

   이고,

   상기 복수의 기지국은 서빙 기지국 및 인접 기지국을 포함하고,

   상기 S는 상기 서빙 기지국의 인덱스 및 상기 인접 기지국의 인덱스를 포함하는 대한 제1 집합이고,

   상기 I는 간섭 신호를 전송하는 간섭 기지국의 인덱스를 포함하는 제2 집합이고,

   상기

   

   는 상기 제1 집합 또는 상기 제2 집합 중 인덱스 i로 지시되는 기지국이 전송하는 하향링크 신호의 수신 전력이고,

   상기

   

   는 상기 제1 집합 또는 상기 제2 집합 중 상기 인덱스 i로 지시되는 기지국과 상기 단말 사이의 상기 채널 행렬이고,

   상기

   

   는 상기 제1 집합 또는 상기 제2 집합 중 상기 인덱스 i로 지시되는 기지국의 전송 심벌이고,

   상기 검출 신호는

   

   이고,

   상기

   

   는 수신 빔포밍 벡터로써 상기 채널 행렬에 기반하여 결정되는 복수의 기지국으로부터 데이터를 수신하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 집합 중 상기 인덱스 i로 지시되는 전송 심벌은

   

   에 기반하여 결정되고,

   상기

   

   는 상기 복수의 기지국이 협조적 전송하는 전송 신호의 전력을 정규화하기 위한 계수이고,

   상기

   

   는 송신 빔포밍 벡터의 요소로서 상기 채널 정보를 기반으로 결정되고,

   상기

   

   는 데이터 심볼인 것을 특징으로 하는 복수의 기지국으로부터 데이터를 수신하는 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 서빙 기지국은 제1 주파수 영역 및 제2 주파수 영역을 통해 제1 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼을 전송하고,

   상기 인접 기지국은 상기 제2 주파수 영역 및 제3 주파수 영역을 통해 제2 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼을 전송하고,

   상기 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼은 상기 제1 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼 및 상기 제2 송신 빔포밍 처리된 전송 심볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 기지국으로부터 데이터를 수신하는 방법.
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