KR101458185B1

KR101458185B1 - Ｐｕ2ｒｃ 시스템에서 코드북 구성 방법과 빔포밍 벡터선택 방법

Info

Publication number: KR101458185B1
Application number: KR1020070036170A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 브르노 클럭스; 박승영; 데이비드 제이. 러브; 김일한
Original assignee: 삼성전자주식회사; 퍼듀 리서치 파운데이션
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-12
Publication date: 2014-11-13
Also published as: KR20080090237A

Abstract

본 발명은 다중 사용자 다이버시티 이득을 이용하는, 다중 안테나가 설치된 기지국에서 최적의 코드북을 구성하여, 상기 기지국의 다운링크 데이터 전송 효율을 향상 시킬 수 있도록 한다.

다중 사용자 다이버시티, 다중 안테나, MIMO, PU2RC, 그라스매니안, 코드북

Description

ＰＵ2ＲＣ 시스템에서 코드북 구성 방법과 빔포밍 벡터 선택 방법{METHOD FOR CODEBOOK DESIGN AND BEAMFORMING VECTOR SELECTION IN PU2RC SYSTEM}

도 1은 본 발명에 따른 이동 단말이 기지국에 설치된 다중 안테나로부터 수신된 파일럿 신호를.이용해 다운링크 채널 상태를 측정하는 동작을 설멍하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따라 코드북을 이용하여 빔포밍을 수행하는 기지국이, 이동 단말로 전송되는 데이터에 대해 다운링크 빔포밍을 수행하는 동작을 설명하기 위한 도면 이다.

본 발명은, 기지국에 설치된 다중 안테나를 이용하여 단말로 빔포밍을 수행하는 이동 통신 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 빔포밍을 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북을 구성하는 방법과, 상기 코드북에서 빔포밍 벡터를 선택하는 방법에 관한 것이다.

다중 사용자 다이버시티(Multiuser Diversity) 기술은 기지국에 속한 복수의 이동 단말 중에서 기지국과 이동 단말 사이의 무선 채널 상태가 우수한 일부의 이동 단말에 대해서만 데이터 전송을 집중하여 데이터 전송의 효율을 높이는 통신 방법이다.

기지국과 이동 단말간 무선 채널의 상태가 우수하면 높은 전송 속도로 데이터를 전송할 수 있으나, 무선 채널의 상태가 우수하지 않다면 데이터 전송속도는 무선 채널에 의하여 제한 받아 낮은 전송속도로 데이터를 전송할 수 밖에 없다. 무선 채널은 이동 단말의 이동이나, 페이딩(Fading) 등으로 인하여 시간에 따라 그 상태가 가변적이므로, 특정 시점에서는 좋지 않은 무선 채널을 가지는 이동 단말이라고 해도 다른 시점에서는 우수한 무선 채널을 가질 수 있다.

따라서 기지국에서 기지국과 이동 단말간의 무선 채널의 상태를 알 수 있다면 기지국은 무선 채널의 상태가 우수한 일부의 이동 단말에만 데이터 전송을 집중할 수 있어 결과적으로 기지국에서 전송되는 전체 데이터 전송속도를 높일 수 있다.

한편 기지국과 이동 단말간에 좀더 높은 데이터 전송 속도를 얻기 위하여 기지국과 이동 단말에 복수의 안테나를 설치하고 이를 이용하여 데이터를 송수신 하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output)시스템에 관한 연구가 이루어 지고 있다.

기지국과 이동 단말 상호간에 설치된 복수의 안테나 사이에 형성된, 서로 독립적인 무선 채널을 이용하면 다이버시티(Diversity)효과를 얻을 수 있어, 페이딩(Fading)의 영향을 극복할 수 있고, 복수의 안테나를 이용하여 송신하기 전에, 적절한 빔포밍 벡터(beamforming vector)를 이용하여 다운 링크 빔포 밍(beamforming)을 수행 한다면 특정 이동 단말의 방향으로 데이터 전송을 집중하고, 다른 이동 단말의 방향으로는 신호의 송출을 억제 할 수 있다. 다운링크 빔포밍을 통해 이동 단말로 전송되는 신호 상호간에 간섭의 영향을 최소화 하여 고속 데이터 전송이 가능 하다.

그러나, 다운링크 빔포밍 기술에서는 송신 안테나의 개수에 의해서 정해지는 자유도(degree of freedom)에 의하여, 간섭신호를 제거할 수 있는 널(NULL)의 개수가 정해지므로, 기지국의 송신 안테나의 개수보다 기지국에 속한 이동 단말의 숫자가 훨씬 많은 일반적인 이동 통신 환경에는 적용하기가 곤란하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선 하기 위해 안출된 것으로서, 빔포밍을 하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북을 이용하는 다중 안테나를 사용하는 기지국에 있어서, 최적의 코드북을.사용 하는 기지국을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 빔포밍을 하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북에서 특정 빔포밍 벡터를 선택하여 이를 기지국에 보고하는 이동 단말에 있어서, 최적의 코드북을 사용하는 이동 단말을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 빔포밍을 하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북을 사용하는 다중 안테나 통신 방법에 있어서, 최적의 코드북을 구성하는 방법을 제공 하는 것이다.

상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 기지국에 있어서, 복수 개의 행렬을 포함하는 코드북을 저장한 저장부; 상기 코드북을 이용한 빔포밍을 수행(perform beam-forming by using the code book)하여 신호를 생성하는 제어부(control unit); 및 상기 신호를 송출(transmit)하는 다중 안테나(multi-antenna)를 포함하고, 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 그라스매니안 라인 팩킹(Grassmannian Line Packing) 요구를 만족하는 것을 특징으로 하는 기지국을 제공한다

본 발명의 일측에 따르면 이동 단말에 있어서, 복수 개의 행렬을 포함하는 코드북을 저장한 저장부, 상기 코드북에 포함된 열 벡터 중 하나를 선택하여 기지국에 통지하는 제어부를 포함하고, 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 것을 특징으로 하는 이동 단말이 제공 된다.

본 발명의 또 다른 일측에 따르면, 다중 안테나 통신 방법에 있어서, 복수 개의 행렬을 포함하는 코드북을 유지하는 단계, 상기 코드북을 이용한 빔포밍을 수행(perform beam-forming by using the code book)하여 신호를 생성하는 단계, 및 상기 신호를 다중 안테나를 통하여 송출(transmit)하는 단계를 포함하고, 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 그라스매니안 라 인 팩킹 요구를 만족하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 통신 방법이 제공 된다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

최근 논의 되고 있는 통신 방법에서는 기지국과 이동 단말에 복수의 안테나로 구성된 다중 안테나를 사용하고, 기지국은 다운링크 채널 상태가 우수한 이동 단말에게만 데이터 전송을 집중하여 빔포밍 이득과, 다중 사용자 다이버시티 이득을 모두 얻으려는 시도를 하고 있다. 이동 단말은 기지국이 송신한 파일럿 신호에 기반하여 다운링크 채널 상태를 측정하고, 이를 기지국으로 피드백하여 기지국이 다운링크 채널 상태가 우수한 단말을 선택 할 수 있도록 하고, 기지국에서는 이동 단말이 피드백한 정보에 기초하여 다운 링크 빔포밍을 수행 함으로써 데이터 전송 효율을 높이는 구성이다.

도 1은 본 발명에 따라 기지국에서 전송되는 파일럿 신호(pilot signal)을 이용하여 기지국에 속한 이동단말이 다운 링크 채널 상태를 측정하는 동작을 설명하기 위한 도면 이다.

기지국(210)에서 이동 단말(180)로 전송될 M개의 데이터 신호 S₁, S₂, ..., S_M (120)는 빔포밍 벡터(beamforming vector)를 이용하여 빔포밍이 행해지는 프리코더(130)으로 입력 된다. 그러나 사용자에게 전송되는 데이터 신호(120)이 아닌, M 개의 안테나(150-1, ..., 150-M)로 구성된 다중 안테나(150)에 공급되는 파일럿 신호 P₁, P₂, ..., P_M (140)은 프리코더(130)를 통하지 않고, M개의 안테나(150-1, ..., 150-M)으로 구성된 다중 안테나(150)에 직접 공급 된다.

상기 기지국(110)에 속한 이동 단말(180)은 N개의 안테나(170-1, ..., 170-N)로 구성된 다중 안테나(170)를 이용하여 기지국(110)에서 송신된 파일럿 신호 P₁, P₂, ..., P_M (140)을 수신한다.

기지국(110)에 M개의 안테나로 이루어진 다중 안테나(150)가 존재하고, 이동 단말(180)에는 N개의 안테나(170-1, ..., 170-M)로 이루어진 다중 안테나(170)가 존재한다면, 기지국(110)에서 이동 단말(180)까지의 다운링크 채널(160)은 모두 M * N 개가 존재 한다.

상기 파일럿 신호 P₁, P₂, ..., P_M (140)는 서로 직교 하므로, 상기 파일럿 신호 P₁, P₂, ..., P_M (140)의 패턴을 알고 있는 이동 단말(180)은 손쉽게 M*N개의 다운 링크 채널(160)의 상태를 측정 할 수 있고, 측정 결과와 이동단말(180)이 가지고 있는 코드북을 이용하여 최적의 빔 패턴을 형성하는 빔포밍 벡터를 쉽게 찾을 수 있다.

기지국(110)에 설치된 M개의 송신 안테나(150-1, ..., 150-M)를 이용해 특정 이동 단말(180)에게 빔포밍을 하려면 M차원의 열 벡터인 빔포밍 벡터가 필요하고, 다운링크 채널 상태가 우수한 M개의 이동 단말에게 동시에 빔포밍을 하기 위해서는 M*M크기의 정방 행렬이 필요하다.

따라서 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻기 위한 다중 안테나 송신 시스템에서는 최대 M개의 이동 단말(180)에게 빔을 형성해 줄 수 있는 M*M크기의 정방행렬을 여러 개 준비하고, 채널 상태에 따라 그 중 한 행렬을 선택하여 최대 M개의 이동 단말에게 빔포밍을 수행한다. 상기 M*M크기의 정방행렬이 복수개 모인 일종의 행렬집합을 코드북이라 부르기로 하자. 코드북은 기지국(110)의 프리코더(130)에서 이동 단말(180)에 빔포밍을 수행하기 위한 빔포밍 행렬이 될 수 있는 복수의 행렬로 구성된 일종의 행렬집합 이다.

이동 단말(180)은 상기 이동 단말(180)로 최적의 빔 패턴을 형성하는 빔포밍 벡터를 상기 코드북에서 선택하여 상기 벡터의 코드북에서의 위치와 상기 벡터를 사용한 경우의 다운링크 채널의 품질을 나타내는 다운링크 채널 품질 지시자(Channel Quality Indicator : CQI)를 기지국(110)으로 피드백 한다.

도 2는 본 발명에 따른 기지국의 송신기 구조를 도시한 도면이다.

기지국(200)에 속한 K개의 이동 단말(290)로 전송될 K개의 데이터 신호 D₁, D₂, ..., D_K (210)는 각 이동 단말이 피드백한 정보(251)에 기반하여 G개의 그룹으로 구분 된다(220). 여기서 G는 코드북에 포함된 빔포밍 행렬의 개수 이다. 이동 단말(290)이 피드백한 빔포밍 벡터가 속해있는 빔포밍 행렬에 따라서 상가 G개의 그룹으로 구분되므로, 동일한 그룹에 포함된 이동 단말(290)의 신호는 동일한 빔포밍 행렬을 이용하여 빔포밍 된다.

기지국(200)에서는 코드북에 속한 복수의 행렬 중에서 한 개의 행렬만을 이용하여 빔포밍을 할 수 밖에 없으므로, 기지국의 제어기(controller)(250)은 각 사용자가 피드백한 빔포밍 벡터의 코드북에서의 위치와 그에 상응하는 다운링크 채널 품질 지시자 정보(251)을 고려하여 상기 구분된 G개의 그룹에 속한 이동단말(290)에 대해 코드북의 G번째 행렬을 이용하여 빔포밍 하였을 때, 기지국에서 각 그룹에 속한 이동 단말(290)로의 데이터 전송률의 총 합이 최대가 될 수 있도록 G개의 그룹 중 하나의 그룹을 선택한다

기지국(200)에 M개의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)로 구성된 다중 안테나(280)를 사용하는 통신 방법에서, 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 다운링크 상태가 우수한 최대 M개의 이동 단말(290)에게 빔포밍을 통한 데이터 전송을 수행해야 하는데, 이를 위해서는 이동 단말(290)에서 다운링크 채널 상태를 측정하고, 이동 단말이(290) 이 측정 결과를 기지국으로 피드백하면, 기지국(200)의 제어기(controller)는(250)은 기지국에서의 다운링크 데이터 전송 속도가 최대가 되도록 최대 M개의 이동 단말(290)을 선택 한다.

먼저 M개의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)가 설치된 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)은 기지국(200)에서 이동 단말(290)에게 보내는 파일럿 채널을 통하여 다운링크 채널 상태를 측정한다. 상기 측정된 결과에 기초하여 이동 단말(290)에 존재하는 코드북의 각 열 벡터를 빔포밍 벡터로 하여 기지국(200)에서 빔포밍한 경우에 다운링크 채널의 품질을 계산하여 다운링크 채널 품질 지시자(Channel Quality Indicator)를 생성한다. 이동 단말(290)은 여러 가지 피드백 모드에 따라 서 코드북에서 상기 열 벡터의 위치와 상기 다운링크 채널 품질 지시자를 기지국(200)에 피드백 한다. 코드북에 존재하는 열 벡터 모두에 대해 상기 열 벡터의 위치와 다운링크 채널 품질 지시자를 피드백 할 수도 있고, 피드백하는 정보의 양을 줄이기 위해서 최고의 다운링크 채널 품질 지시자에 상응하는 열 벡터의 위치와 그에 따른 다운링크 채널 품질 지시자만을 피드백 할 수도 있는 것이다.

기지국(200)은 이동 단말(290)에서 피드백 받은 다운링크 채널 품질 지시자와 이에 대응하는 빔포밍 벡터의 코드북에서의 위치를 고려하여 다운링크 데이터 전송률이 최대가 될 수 있도록 다운링크에서 빔포밍을 통해 데이터를 전송 받을 최대 M개의 이동 단말(290)을 선정한다.

예를 들어 5개의 이동 단말이 기지국에 속한 경우를 가정하자.

제1 이동 단말(290)의 경우 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬의 첫 번째 열 벡터를 이용하여 다운링크 빔포밍을 한 경우에 최고의 성능을 발휘하고, 제2 이동 단말(290)의 경우 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬의 세 번째 열 벡터를 이용하여 다운링크 빔포밍을 한 경우에 최고의 성능을 발휘하고, 제3 이동 단말(290)의 경우 코드북을 구성하는 두 번째 행렬의 첫 번째 열 벡터를 이용하여 다운링크 빔포밍을 한 경우에 최고의 성능을 발휘하고, 제4 이동 단말(290)의 경우 코드북을 구성하는 두 번째 행렬의 네 번째 열 벡터를 이용하여 다운링크 빔포밍을 한 경우에 최고의 성능을 발휘하고, 제5 이동 단말(290)의 경우 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬의 세 번째 열 벡터를 이용하여 다운링크 빔포밍을 한 경우에 최고의 성능을 발휘한다고 가정하자.

먼저 제2 이동 단말(290)과 제5 이동 단말(290)의 경우 동일한 열 벡터를 이용하여 빔포밍을 하는 경우에 최고의 다운링크 성능을 발휘하므로 먼저 비교 되어야 한다. 만약 제2, 제5 이동 단말(290)이 피드백한 다운링크 채널 품질 지시자를 비교하여 제2 이동 단말(290)로 빔포밍 하는 경우에 더 좋은 성능을 보인다면, 제5 이동 단말(290)로의 빔포밍은 포기 된다.

제1, 제2 이동 단말(290)은 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬을 이용하므로 제1 그룹으로 분류되고, 제3, 제4 이동 단말(290)은 코드북을 구성하는 두 번째 행렬을 이용하므로 제2 그룹으로 분류된다.

기지국(200)은 상기 제1, 제2 그룹중에서 어느 그룹에게 다운링크 빔포밍을 해야 데이터 전송률이 최대가 될 수 있는지, 각 이동 단말(290)에서 피드백한 다운링크 채널 품질 지시자에 기초하여 결정한다.

만약 제1 그룹에게 다운링크 빔포밍을 하기로 결정 하였다면, 기지국(200)은 제1 이동 단말(290)에게는 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬의 첫 번째 열 벡터를 이용하여, 제2 이동 단말(290)에게는 코드북을 구성하는 첫 번째 행렬의 두 번째 열 벡터를 이용하여 빔포밍 하여 데이터를 전송한다.

G개의 그룹으로 구분된 사용자 신호 E₁, E₂, ..., E_G(230)은 기지국의 다중화기(240)로 입력 되고, 기지국의 다중화기(240)는 제어기(controller)(250)에서 선택된 그룹 정보에 기초하여 데이터를 전송할 그룹의 데이터를 선별한다, 다중화기(240)에서 선별된 데이터는 기지국(200)의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 수 만큼 존재하는 변조기(160-1, ..., 160-M)로 입력되어, 다운링크의 채널 상황에 따라서 적응 변조(Adaptive modulation)된다.

변조된 데이터는 프리코더(270)으로 입력된다. 프리코더의 벡터 곱셈기(170-1, ..., 170-M)에서는 먼저 각 이동 단말로 전송될 데이터에 따른 빔포밍 벡터가 곱해져 빔포밍 되고, 빔포밍된 신호는 각 신호가 전송될 안테나(280-1, ...,280-M)에 따라서 구분, 합산 된다(172-1, ...,172-M).

이렇게 각 안테나 별로 구분된 신호는 M개의 안테나(280-1, ..., 280-M)로 구성된 다중 안테나(280)를 이용하여 각 이동 단말(290)로 전송 된다.

다운링크를 통해 기지국(200)에서 이동 단말(290)로 전송되는 사용자의 데이터는, 모두 프리코더(270)에서 빔포밍 되므로, 결국 다운링크의 전송 성능은 상기 빔포밍을 수행하기 위한 빔포밍 행렬의 선택이 결정하고, 결국 빔포밍 행렬의 집합인 코드북을 구성하는 방법이 상기 다중 안테나 통신 방법의 성능을 좌우한다.

빔포밍 행렬을 구성하는 각 열 벡터는 각 이동 단말(290)을 위한 빔포밍 벡터로 사용되고, 특정 이동 단말에 상응하는 빔포밍 벡터에 의한 다운링크 빔은 다른 이동 단말로의 간섭을 최소화 해야 하므로, 동일한 빔포밍 행렬을 구성하는 각 열 벡터는 서로 직교 해야 하고, M개의 안테나를 통하여 신호가 전송되는 과정에서 신호의 크기가 변하지 않아야 하므로 상기 빔포밍 벡터의 크기는 '1'이 되어야 한다.

M개의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)를 사용하는 기지국(200)에서 이용되는 코드북을 구성하는 빔포밍 행렬이 모두 M*M크기의 정방행렬이고, 동일한 빔포밍 행렬에 포함된 열 벡터가 서로 직교하고 크기가 1인 열 벡터라면, 빔포밍 행렬의 열 벡터로서 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier transform)의 기저벡터(basis vector)를 사용할 수 있다.

따라서 코드북을 구성하는 g번째 빔포밍 행렬의 m번째 열 벡터

는 다음과 같이 수학식 1에 의해 정해진다.

[수학식 1]

여기서 M은 기지국(200)에 설치된 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 개수 이고,

은 코드북에 포함된 (g+1)번째 빔포밍 행렬의 (m+1)번째 열 벡터의 (n+1)번째 원소이다.

예를 들어 기지국(200)에 설치된 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 개수가 2인 경우에, 코드북은 다음 수학식 2와 같이 구성 될 수 있다.

[수학식 2]

위와 같이 이산 푸리에 변환의 기저 벡터를 이용하여 구성된 코드북은, 코드 북으로서 기본 조건을 만족 하기는 하지만, 상기 코드북을 사용하여 빔포밍 하였을 때 다운링크의 성능이 최대가 된다고는 할 수 없다.

다운링크의 성능이 최대가 되려면 특정 이동 단말(290)에게 빔포밍을 하기 위한 빔포밍 벡터는 M차원의 벡터공간(Vector Space)전부에 대한 검색을 통해 결정 되어야 한다. 그러나 현실적으로 M차원의 벡터 공간 전부에 대한 검색은 불가능하며, 코드북에 수록된 제한된 수의 열 벡터에 대해서만 검색이 수행 되어야 한다.

차선책으로, 코드북에 수록된 제한된 수의 열 벡터가 상기 M차원의 벡터 공간 전체에 잘 분산 되어 있기만 하다면, 기지국(200)에서 송신된 파일롯 신호를 이용하여 다운링크 채널 상태를 측정한 이동 단말(290)은 최적의 빔포밍 벡터를 선택 하지는 못하더라도 성능이 상당히 우수한 빔포밍 벡터를 선정할 수 있다. 즉, 코드북에 수록된 제한된 수의 열 벡터가 M차원의 벡터 공간의 일부에 밀집하여 분포하는 경우에는, 이동 단말(290)이 상기 코드북을 검색하여도, 성능이 우수한 빔포밍 벡터를 찾을 수 없을 수 있다.

그라스매니안 라인 팩킹(Grassmannian Line Packing) 요구를 만족하는 복수의 벡터들은 벡터 상호간의 최소 거리가 소정의 거리 이상이 되는 벡터들의 집합으로서, 벡터 공간 상에서 어느 정도 이상 잘 분산되어 있다고 말할 수 있는 벡터들이다.

앞에서 설명한 코드북을 구성할 수 있는 빔포밍 행렬의 조건과, M차원의 벡터 공간에서 잘 분산된 벡터들로 코드북을 구성 해야 한다는 조건을 고려하면, 다운링크 데이터 전송효율을 최대로 할 수 있는 최적의 코드북은 코드북에 포함된 행 렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 코드북에 포함된 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터 들은 M차원의 벡터 공간 상에서 수학식 3의 그라스매니안 라인 팩킹(Grassmannian Line Packing) 요구를 만족하는 벡터로 이루어져야 한다.

[수학식 3]

여기서,

은 k번째 행렬의 n번째 열 벡터 이고,

은 l번째 행렬의 n번째 열 벡터이다. 또

은 n번째 열 벡터 상호간의 최소 각도 이다.

상기 방법으로 구성된 코드북은, 코드북을 구성하는 열 벡터 상호간에 상기 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 것은 아니지만, 서로 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터 상호간은 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하고, 또 같은 행렬에 포함된 열 벡터 상호간은 서로 직교하므로, 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻기 위한 통신 시스템에 있어서는 최선의 선택이 될 수 있다.

일반적으로 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 벡터의 집합을 간단하게 구하는 방법은 알려져 있지 않다. 따라서 상기 코드북을 생성 하기 위해서는, 코드북에 포함된 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 코드북에 포함된 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 M차원 의 벡터 공간 상에서 그라스 매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 G*M개의 벡터 집합을 구해야 한다.

상기 코드북을 순차적인 방법으로 구하기 위해서는, 먼저 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 제1 복수개의 열 벡터를 코드북을 구성하는 복수 개의 행렬의 각각의 제1 벡터로 지정하고, 동일한 행렬에 포함된 제1열 벡터와는 서로 직교하면서, 서로 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 제2 복수개의 열 벡터를 구하여 상기 복수개의 행렬의 각각의 제2 벡터로 지정하고, 상기 복수 개의 행렬의 모든 열 벡터가 생성될 때까지 상기 지정된 복수개의 열 벡터 각각에 기초하여 상기 복수 개의 행렬의 각각의 다른 열 벡터를 생성하는 단계를 거쳐 코드북을 구성할 수 있다.

만약 기지국(200)의 다중 안테나(280)가 2개의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M) 만으로 구성된 경우에는 상기 코드북을 간단한 방법으로 구할 수 있다.

먼저, 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 복수 개의 열 벡터를 코드북에 포함된 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터로 지정한다.

상기 복수개의 제1 열 벡터의 각각에 수학식 4의 로테이션 행렬을 곱하여 상기 복수개의 행렬의 각각의 다른 열 벡터를 구할 수 있다.

[수학식 4]

여기서

은 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 제1 열 벡터,

는

에 로테이션 행렬을 곱하여 얻어지는 다른 열 벡터)

이동 단말(290)과 기지국(200)은 서로 동일한 코드북을 보유하고 있으므로, 이동 단말(290)이 다운링크 채널 상태에 기초하여 결정한 빔포밍 벡터의 코드북에서의 위치만 기지국(200)으로 피드백 하면 상기 기지국(200)에서는 상기 빔포밍 벡터를 정확히 알 수 있다.

따라서 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)은 기지국(200)에서 송출한 파일럿 신호와 코드북에 포함된 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고, 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 코드북을 이용하여 상기 코드북에서 최적의 다운링크 성능을 보이는 빔포밍 벡터를 선택하고, 상기 빔포밍 벡터의 상기 코드북에서의 위치만을 상기 기지국(200)으로 피드백 하면 이동 단말(290)에서 기지국(200)으로의 피드백 정보의 양을 크게 줄일 수 있다.

또 기지국(200)은 이동 단말(290)에 존재하는 코드북과 동일한 코드북을 보 유하고, 이동 단말(290)에서 피드백된 코드북에서의 빔포밍 벡터의 위치에 따라 코드북에서 빔포밍 벡터를 선택하여 빔포밍을 수행하고, 상기 빔포밍된 신호를 기지국(200)에 설치된 다중 안테나(280)로 송출하여 기지국(200)에서 이동 단말(290)로의 다운링크 데이터 전송률을 향상시킬 수 있다.

기지국(200)에서 동일한 빔포밍 행렬을 사용하는지에 따라서 G개의 그룹으로 구분된 이동 단말(290)가운데, 한 개의 그룹을 선택하는 과정을 살펴보면, 동일한 행렬의 동일한 열 벡터를 선택한 이동단말(290)이 여러 개 있는 경우에, 다운링크 빔포밍을 통해서는 상기 이동 단말(290) 중에서 한 개의 이동 단말(290)만이 데이터를 전송 받을 수 있으므로, 다른 이동 단말(290)은 최우선 적으로 데이터 전송 대상에서 제외된다.

따라서 다운링크 데이터 전송을 위해서 기지국(200)에 속한 복수의 이동 단말(290) 사이에 서로 다른 열 벡터를 선택하는 것이 필요하다.

기지국(200)에 속한 복수의 이동 단말(290)이 코드북을 구성하는 행렬의 서로 다른 열 벡터를 선택하도록 하는 본 발명의 일 실시예로서, 기지국(200)은 상기 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)이 선택할 수 있는 열 벡터의 범위를 제한 할 수 있다. 기지국(200)은 상기 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)이 전체 코드북에서 빔포밍 벡터를 선택하도록 하는 것이 아니라, 전체 코드북의 영역 중 일부 영역에서만 빔포밍 벡터를 선택 하도록 제한 할 수 있다. 기지국(200)의 제어부(control unit) 각 이동 단말이 선택할 수 있는 코드북의 영역을 적절히 구분하여 코드북의 전체 영역에서 빔포밍 벡터가 선택되도록 하고, 이동 단말(290)은 기 지국(200)으로부터 수신한 명령에 기초하여 빔포밍 벡터로서 선택 가능한 열 벡터의 범위를 제한 함으로써, 코드북을 구성하는 복수 개의 행열에서 단말 각각이 빔포밍 벡터로서 사용하는 열 벡터의 범위가 고르게 분포 하도록 하여 다운링크의 데이터 전송 성능을 향상 시킬 수 있다.

기지국(200)이 상기 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)이 선택할 수 있는 코드북의 영역을 적절히 구분하는 방법의 일 예로서, 상기 기지국(200)의 제어부(control unit)는 상기 기지국(200)에 속한 이동 단말(290) 각각이 사용할 수 있는 열 벡터를 코드북을 구성하는 복수 개의 행렬 중 일부의 열 벡터로 제한할 수 있고, 이 제한에 따라 상기 각각의 이동 단말(200)은 코드북을 구성하는 복수개의 행렬 중에서 일부의 열 벡터에서만 빔포밍 벡터를 선택 할 수 있다.

기지국(200)이 상기 기지국(200)에 속한 복수의 이동 단말(290)이 코드북에서 빔포밍 벡터를 선택할 수 있는 영역을 제한하는 본 발명의 일 실시예로서, 기지국(200)은 기지국(200)에 속한 이동 단말(290)의 식별자에 기초하여 각 이동 단말(290)이 코드북에서 선택할 수 있는 빔포밍 벡터의 영역을 제한 할 수 있고, 이동 단말(290)은 전체 코드북에 속한 열 벡터 중에서 빔포밍 벡터로서 선택 가능한 열 벡터의 범위를 상기 식별자에 기초하여 제한할 수 있다.

이동 단말(290)의 식별자는 기지국(200)에 속한 개개의 이동 단말(290)을 기지국(200)이 구별할 수 있도록 하기 위하여 사용되는, 이동 단말(290)간 서로 중복 되지 않는 문자열로서, 간단하게는 이동 단말(290)에 할당된 전화번호가 이동 단말 식별자가 될 수도 있고, CDMA이동 통신 방법에서 사용되는 ESN(Electronic Serial Number)또는 GSM 이동 통신 방법에서의 IMEI(International Mobile Equipment Identity)등, 이동 단말에 고유한 값이 이동단말(290)의 식별자가 될 수도 있으나, 이동 단말(290)이 자체적으로 랜덤 하게 생성한 값일 수도 있고, 기지국(200)에서 상기 기지국(200)에 속한 각 이동 단말(290)에 할당 하는 값일 수 있다. 후자의 경우에는 상기 기지국(200)에서 송신부를 통하여 상기 이동 단말(290)로 식별자를 전송하여야 한다.

기지국(200)에서 상기 기지국(200)에 속한 각 이동 단말(290)에 할당하는 식별자의 일 예로서, 식별자는 각 이동 단말(290)이 상기 기지국(200)에 접속한 순서에 기초하여 결정되거나, 랜덤하게 발생되는 것으로 각 이동 단말(290)에 따라서 중복 되지 않도록 할당 될 수 있다.

이동 단말(290)이 선택할 수 있는 빔포밍 벡터의 범위는 이동 단말(290)에 할당된 상기 식별자에 의해 결정 되는데, 일 실시예로서, 기지국(200)은 이동 단말(290)에 할당된 식별자를 상기 기지국(200)의 다중 안테나(280)를 구성하는 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 수로 나눈 나머지에 의하여 코드북을 구성하는 빔포밍 행렬의 특정 열 벡터만을 빔포밍 벡터로 선택 하도록 결정 할 수 있다. 기지국(200)의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 수는 빔포밍 행렬의 크기와 같으므로, 이동 단말(290)의 코드북을 구성하는 복수의 행렬 중에서 빔포밍 벡터로서 선택할 수 있는 열 벡터의 범위가 이동 단말(290)에 할당된 식별자를 기지국(200)의 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 수로 나눈 나머지에 의해 결정 된다면, 복수의 이동 단말(290)이 선택한 각 빔포밍 행렬의 열 벡터는, 특정 열 벡터가 많이 선택 되지 않고, 모든 열 벡터가 고르게 선택된 결과가 된다. 예를 들어 상기 이동 단말(290)이 상기 기지국(200)에 접속한 순서를 기준으로 이동 단말 식별자가 할당 되고, 기지국(200)의 다중 안테나(280)를 구성하는 송신 안테나(280-1, ..., 280-M)의 수가 4라고 한다면, 1, 5, 9, 13.. 번째로 기지국에 접속한 이동 단말(290)은 코드북을 구성하는 각 행렬의 첫 번째 열 벡터 만을 빔포밍 벡터로서 선택 해야 하고, 2, 6, 10 번째로 접속한 이동 단말(290)은 코드북을 구성하는 각 행렬의 두 번째 열 벡터 만을 빔포밍 벡터로서 선택 해야 한다. 이렇게 코드북을 구성하는 각 행렬의 열 벡터가 고르게 선택 된다면, 서로 동일한 행렬의 동일한 열 벡터를 빔포밍 벡터로 선택하는 것을 최대한 방지 할 수 있어, 다운링크 데이터 전송 성능을 향상 시킬 수 있다.

또한 본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함 한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들 이거나 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의 해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 본 발명에서 설명된 이동 단말 또는 기지국의 동작의 전부 또는 일부가 컴퓨터 프로그램으로 구현된 경우, 상기 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체도 본 발명에 포함된다.

본 발명은 빔포밍을 수행 하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북을 이용하는 다중 안테나를 사용하는 기지국에 있어서, 최적의 코드북을 사용하도록 하여 상기 기지국의 다운링크 데이터 전송 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

본 발명은 빔포밍을 수행 하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북에서 특정 빔포밍 벡터를 선택하여 이를 기지국에 보고하는 이동 단말에 있어서, 최적을 코드북을 사용하도록 하여, 상기 이동 단말의 다운링크 데이터 전송 효율을 향상 시킬 수 있도록 한다.

본 발명은 빔포밍을 수행하기 위한 빔포밍 벡터의 집합인 코드북을 구성하는 방법에 있어서, 최적의 코드북을 구성하기 위한 방법을 제공하여, 상기 코드북을 이용한 통신 방법의 성능을 향상 시킬 수 있다.

Claims

기지국에 있어서,

복수 개의 행렬을 포함하는 코드북(codebook)을 저장하는 저장부;

상기 코드북을 이용한 빔포밍을 수행(perform beam-forming by using the code book)하여 신호를 생성하는 제어부(control unit); 및

상기 신호를 송출(transmit)하는 다중 안테나(multi-antenna)

를 포함하고,

상기 코드북은,

(1) 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고,

(2) 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 미리 정해진 거리 이상으로 각각 이격되며,

(3) 상기 기지국에 속한 복수 개의 이동 단말 각각은 동일한 행렬에 포함된서로 다른 열 벡터를 사용하도록 생성되고,

상기 코드북을 생성하기 위하여

그라스매니안 라인 팩킹 요구 (Grassmannian Line Packing)를 만족하는 복수 개의 열 벡터가 상기 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터로 지정되고,

상기 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터에 수학식 1에 따른 로테이션 행렬을 곱하여 상기 복수 개의 행렬의 각각의 제2 열 벡터가 생성되는 기지국.

[수학식 1]

(
은 상기 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 상기 복수 개의 행렬의 k번째 행렬의 제1 열 벡터,
는
에 로테이션 행렬을 곱하여 얻어지는 상기 k번째 행렬의 제2 열 벡터)
삭제
제1항에 있어서, 상기 제어부(control unit)는,

상기 복수 개의 이동 단말의 각각에 서로 다른 식별자를 할당하고, 상기 이동 단말의 각각이 사용할 수 있는 열 벡터의 범위는 상기 식별자에 의하여 제한되는 것을 특징으로 하는 기지국.
제3항에 있어서,

상기 복수 개의 이동 단말의 각각에 할당된 식별자를 상기 복수 개의 이동 단말의 각각으로 송신하는 송신부

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
제3항에 있어서, 상기 식별자는,

상기 이동 단말이 상기 기지국에 접속한 순서에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 기지국.
제3항에 있어서, 상기 식별자는,

랜덤하게 상기 복수 개의 이동 단말의 각각에 할당되는 것을 특징으로 하는 기지국.
제3항에 있어서, 상기 이동 단말의 각각이 사용할 수 있는 열 벡터는,

상기 이동 단말의 각각에 할당된 식별자를 상기 기지국의 상기 다중 안테나를 구성하는 송신 안테나의 수로 나눈 나머지에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 기지국.
이동 단말에 있어서,

복수 개의 행렬을 포함하는 코드북을 저장한 저장부;

상기 코드북에 포함된 열 벡터 중 하나를 선택하여 기지국에 통지하는 제어부(control unit)

를 포함하고,

상기 코드북은,

(1) 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고,

(2) 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 미리 정해진 거리 이상으로 각각 이격되며,

(3) 상기 기지국에 속한 복수 개의 이동 단말 각각은 동일한 행렬에 포함된서로 다른 열 벡터를 사용하도록 생성되고,

상기 코드북을 생성하기 위하여

그라스매니안 라인 팩킹 요구 (Grassmannian Line Packing)를 만족하는 복수 개의 열 벡터가 상기 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터로 지정되고,

상기 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터에 수학식 2에 따른 로테이션 행렬을 곱하여 상기 복수 개의 행렬의 각각의 제2 열 벡터가 생성되는 이동 단말.

[수학식 2]

(
은 상기 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 상기 복수 개의 행렬의 k번째 행렬의 제1 열 벡터,
는
에 로테이션 행렬을 곱하여 얻어지는 상기 k번째 행렬의 제2 열 벡터)
삭제
제8항에 있어서, 상기 선택 가능한 열 벡터의 범위는,

상기 이동 단말에 할당된 식별자에 기초하여 결정 되는 것을 특징으로 하는 이동 단말.
제8항에 있어서, 상기 선택 가능한 열 벡터의 범위는,

상기 이동 단말이 속한 기지국으로부터 수신한 명령에 기초하는 것을 특징으로 하는 이동 단말.
제10항에 있어서, 상기 이동 단말에 할당된 식별자는,

상기 이동 단말이 랜덤하게 생성하는 것을 특징으로 하는 이동 단말.
제10항에 있어서, 상기 이동 단말이 선택 가능한 열 벡터의 범위는,

상기 이동 단말에 할당된 식별자를 상기 이동 단말이 속한 기지국의 다중 안테나를 구성하는 송신 안테나의 수로 나눈 나머지에 의하여 결정 되는 것을 특징으로 하는 이동 단말.
다중 안테나 통신 방법에 있어서,

복수 개의 행렬을 포함하는 코드북을 유지하는 단계;

상기 코드북을 이용한 빔포밍을 수행하여 신호를 생성하는 단계; 및

상기 신호를 다중 안테나를 통하여 송출하는 단계

를 포함하고,

상기 코드북은,

(1) 상기 복수 개의 행렬 중 동일한 행렬에 포함된 임의의 두 열 벡터는 서로 직교하고,

(2) 상기 복수 개의 행렬 중 다른 행렬에 포함된 동일한 열의 열 벡터들은 미리 정해진 거리 이상으로 각각 이격되며,

(3) 기지국에 속한 복수 개의 이동 단말 각각은 동일한 행렬에 포함된서로 다른 열 벡터를 사용하도록 생성되고,

상기 다중 안테나가 2개의 안테나로 구성된 경우, 상기 (2)를 만족하는 복수 개의 열 벡터를 상기 복수 개의 행렬의 각각의 제1 열 벡터로 지정하는 단계; 및

상기 복수 개의 열 벡터의 각각에 수학식 3의 로테이션 행렬을 곱하여 상기 복수 개의 행렬의 각각의 다른 열 벡터를 생성하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 다중 안테나 통신 방법.

[수학식 3]

(
은 그라스매니안 라인 팩킹 요구를 만족하는 열 벡터,
는
에 로테이션 행렬을 곱하여 얻어지는 다른 열 벡터)
삭제
삭제
제14항의 방법을 실행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능 기록매체.