KR101480146B1

KR101480146B1 - 빔형성 방법

Info

Publication number: KR101480146B1
Application number: KR20070132624A
Authority: KR
Inventors: 최인경; 권동승; 강지원; 이충용
Original assignee: 한국전자통신연구원; 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2015-01-07
Also published as: US20110122782A1; KR20090065165A; US8687509B2; WO2009078541A1

Abstract

본 발명은 코드북에 기반한 랜덤 빔형성 방법에 관한 것으로, 가우스 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키고, 균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키고, 상기 제1 랜덤 변수, 상기 제2 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 빔 원소를 생성하고, 상기 복수의 빔 원소를 이용해 빔을 형성한다.

빔 디자인, 코드워드 생성, 일원행렬 생성, 빔형성

Description

빔형성 방법{METHOD FOR BEAMFORMING}

본 발명은 빔형성 방법에 관한 것으로 특히, 코드북에 기반한 랜덤 빔형성 방법에 관한 것이다.

다중사용자 다이버시티는 무선 통신 시스템에서 사용자간의 독립적인 시변채널환경에 기인하는 다이버시티의 한 형태이다. 이 다이버시티 이득은 각 사용자의 채널 변화를 살펴보며 스케줄링을 통해 각 사용자의 채널이 거의 최상의 상태에 다다랐을 때 자원을 할당함으로써 얻어진다. 이 다이버시티 이득은 채널 변화가 커짐에 따라 커지게 되고, 따라서 채널 변화가 작거나 느린 채널 환경에서 제약을 받는다. 그러한 환경에서, 다중송신안테나를 이용해 크고 빠른 채널변화를 유도함으로써 다이버시티 이득을 이끌어 낼 수 있고, 이 방식은 오퍼튜니스틱 빔형성(opportunistic beamforming, 이하 "OBF"라 함) 혹은 랜덤 빔형성(random beamforming)이라 불린다.

OBF 기술은 사용자가 적은 환경에서 그 다이버시티의 제약을 받는다. 따라서, 그 제약을 극복하기 위해 다중빔을 발생하여 각 사용자가 가장 선호하는 빔을 선택함으로서 선택적 다이버시티를 다중사용자 다이버시티에 추가하는 기술들이 제 안되었다. 이런 종래 기술에는 코드북 기반 오퍼튜니스틱 빔형성(codebook-based opportunistic beamforming, 이하 "COBF"라 함) 및 코드 순환을 수반한 코드북 기반 빔형성(Codebook-based Beamforming with Code Rotation, 이하 "CBF-CR"이라 함)이 있다.

COBF는 파일럿을 채널추정을 위한 파일럿으로 고정하여 사용하여 각 사용자가 채널을 추정하게 한다. 기지국은 각 사용자들로부터 받은 최대 빔 인덱스와 그 빔에 해당하는 채널 품질 정보(channel quality information, 이하 "CQI"라 함)를 피드백(feedback) 받아 스케줄링을 수행하여 최대 이득을 갖는 사용자와 그 빔을 선택하여 데이터를 전송한다. COBF 기법은 매시간 변화하는 일원행렬(unitary matrix)에 하나의 코드북내의 빔벡터들 중 선택된 하나를 곱함으로써 매시간 변화하는 빔을 얻는다. COBF는 파일럿을 채널추정을 위한 파일럿으로 고정하여 선택적 다이버시티 효과를 무한히 늘릴 수 있는 장점을 가졌다.

CBF-CR은 큰 사이즈의 코드북을 그룹핑하여 다중 코드북을 발생한 후, 코드북을 시간에 따라 바꿔가며 사용하여 시간에 따라 변화하는 다중 빔을 얻고, 따라서 COBF기법과 동일한 효과를 얻는다.

COBF는 다중 빔을 시간적으로 변화하는 일원 행렬에 하나의 코드북 내의 빔벡터들을 곱함으로써 얻었다면, CBF-CR은 다중 코드북을 발생한 후 코드북을 시간에 따라 바꿔가며 사용하여 다중빔을 얻는다.

그러나 종래 기술에 따른 빔 디자인 방법 및 빔 파라미터 디자인 방법은 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 코드북에 기반한 랜덤 빔형성 방법을 위한 채널 상관도에 따라 빔을 디자인하는 빔형성 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 기지국의 빔형성 방법은 가우스 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키고, 균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키고, 상기 제1 랜덤 변수, 상기 제2 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 빔 원소를 생성하고, 상기 복수의 빔 원소를 이용해 상기 빔을 형성한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 기지국의 빔형성 방법은 가우스 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 제1 랜덤 변수, 상기 제2 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 코드워드 원소를 생성하는 단계, 상기 복수의 코드워드 원소를 이용해 코드워드를 생성하는 단계, 상기 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 복수의 빔 원소를 생성하는 단계 및 상기 코드워드를 생성하는 단계를 반복하여 복수의 코드워드를 생성하는 단계를 포함한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징에 따른 기지국의 빔형성 방법은 균일 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키고, 상기 제1 랜덤 변수 및 전송 안테나의 인덱스를 이용해 복수의 코드워드를 생성하고, 균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키고, 가우스 분포를 따르는 제3 랜덤 변수를 발생시키고, 상기 제2 랜덤 변수, 상기 제3 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 상기 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 행렬을 생성한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 채널의 상관도에 따라 빔을 디자인함으로써 COBF 방법 및 CBF-CR 방법을 포함한 랜덤 빔형성 방법의 성능을 최적화할 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔디자인 방법 및 그 빔을 이용한 빔형 성 방법에 대해 도 1을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔형성 방법의 순서도이다. 본 발명의 제1 실시예에서는 랜덤 빔형성 방법을 위한 빔 디자인 방법 및 그 빔을 이용한 빔형성 방법에 대해 설명한다.

먼저, 기지국은 빔을 디자인한다(S110).

랜덤 빔형성 방법은 시간적으로 다른 빔을 사용하며, 또한 부족한 다중사용자 다이버시티를 보충하기 위해 같은 시간에도 여러 개의 빔 중 하나를 사용자들로부터 선택하게 하는 선택적 다이버시티를 추가한다.

순시적으로 단일 스트림을 전송하는 경우, 시간 t에서의 q번째 빔은 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, w _q(t)는 시간 t에서의 q번째 빔이고, M_t는 송신단의 안테나 수이다.

그리고 시간 t에서의 채널은 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서, h(t)는 시간 t에서의 채널이다.

채널의 공간적 상관도가 매우 높고 선형 배열(linear array)를 사용한 경우, 채널(h(t))의 각 원소는 수학식 3과 같이 모델링된다.

여기서, d는 안테나간의 간격이고, λ는 파장이고, m은 전송 안테나의 인덱스이고,

는 출발각(angle of departure, AoD)를 뜻한다.

채널의 공간적 상관도가 없는 경우, 채널은 무수히 많은 스캐터(scatterer)들에 의해 독립적이며 같은 분포를 따르는 (independent identically distributed, 이하 "i.i.d"라 함) 특성을 갖게 되고, 일반적으로 i.i.d. 복소 가우스 (complex Gaussian) 분포를 갖는다고 알려져 있다. 따라서 이 경우의 채널(h(t))의 각 원소는 수학식 4와 같이 모델링 된다.

여기서, CN(x,y)는 평균이 x이고, 분산이 y인 복소 가우스 분포를 의미한다.

모든 채널의 평균적 크기는 동일하므로, 정규화된 채널

을 고려하면 공간적 상관도가 매우 높은 경우는 정규화된 채널의 각 원소는 수학식 5와 같이 모델링된다.

공간적 상관도가 없을 경우는 정규화된 채널의 각 원소는 수학식 6과 같이 모델링된다.

채널의 공간적 상관도를 0에서 1까지의 값인

라고 하면, 수학식 5와 수학식 6을 이용하여 채널의 각 원소는 수학식 7과 같이 모델링된다.

본 발명의 제1 실시예에서는 공간적 상관도가 선형 배열인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 다른 배열 구조를 사용한 경우에도 유사하게 디자인할 수 있다.

랜덤 빔형성이 최대의 성능을 가지려면, 스케줄링된 사용자의 입장에서 빔과 채널이 최대의 이득을 갖도록, 즉 최대 비율 결합(maximum ratio combining)하도록 디자인해야 한다. 이 때, 빔은 채널의 켤레 행렬(conjugate)이 된다. 그러면 빔의 각 원소는 수학식 8과 같이 모델링된다.

여기서,

이고

의 분포를 갖는 임의의 랜덤변수(random variable)이다. 여기서, U(x,y]는 x초과 y이하의 범위에서 균일 분포를 따른다는 의미이다.

기지국은 수학식 8을 이용하여 순시적으로 다르게 Q개의 빔을 생성한다.

여기서 송신 빔의 전력

는 평균적으로 1이 된다. 시스템에 따라서 순시적으로 빔의 전력이 유지되어야 하는 경우도 많다. 이러한 경우에는 수학식 8을 이용해서 w _q(t)를 발생시킨 후 이를 정규화하거나, 빔의 M_t-1번째 원소까지 수학식 8을 이용해서 발생한 후 M_t번째 원소는 1에서 첫 번째 원소부터 M_t-1번째 원소까지의 전력을 빼서 구할 수 있다.

상기 수학식 8은 랜덤 빔형성을 이용하는 모든 빔 생성에 적용 가능하다.

기지국은 Q개의 빔 중 최적의 빔을 결정하고(S120), 전송할 데이터에 상기 최적의 빔을 곱해서 전송할 데이터를 프리코딩하고(S130), 프리코딩된 전송할 데이터에 파일럿을 삽입하여 다수개의 송신 안테나를 통해 전송한다(S140).

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 디자인 방법 및 그 빔을 이용한빔형성 방법 및 장치에 대해 도 2 및 도 3을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에서는 CBF-CR 방법을 위한 빔 디자인 방법 및 그 빔을 이용한 빔형성 방법 및 장치에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 CBF-CR 방법을 위한 빔형성 장치의 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 CBF-CR 방법을 위한빔형성 장치는 수신기(210), 코드워드 생성 및 그룹핑부(220), 스케줄러(230), AMC(Adaptive Modulation and Coding)(240), CBF-CR 프리코더(250) 및 파일럿 삽입부(260)를 포함한다.

수신기(210)는 각 사용자 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 스케줄러(230), AMC(240) 및 CBF-CR 프리코더(250)에 전달한다. 피드백 정보는 각 사용자들이 선택한 코드 워드의 인덱스와 CQI(신호대간섭잡음비 또는 전송률)를 포함한다.

코드워드 생성 및 그룹핑부(220)는 복수의 코드워드를 생성하고 복수의 코드워드를 그룹핑하여 사이즈가 작은 복수의 코드북을 생성한다. 스케줄러(230)는 사용자 단말기의 피드백 정보를 이용하여 최적의 코드워드와 최적의 사용자 단말기를 결정하고, AMC(240)는 전송할 데이터의 변조 및 코딩을 수행한다.

CBF-CR 프리코더(250)는 상기 최적의 사용자 단말기로 전송할 데이터에 상기 최적의 코드벡터를 곱해 프리코딩을 수행한다. 파일럿 삽입부(260)는 CBF-CR 프리코더(250)의 출력값들에 파일럿을 삽입하여 다수개의 송신 안테나를 통해 전송한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔형성 방법을 나타낸 순서도이다.

기지국은 코드 워드를 생성한다(S310).

CBF-CR은 복수의 코드워드를 Q개씩 그룹핑하여 N개의 코드북을 생성하여 시간에 따라 코드북을 바꿔가며 사용한다. 따라서, 전체 코드워드는 N*Q개이고 수학식 9와 같다.

기지국은 시간 t에서의 q번째 빔(w _q(t))으로

를 사용한다. Mod(x, y)는 x를 y로 나눈 나머지를 의미한다.

따라서,

이므로, 수학식 8을 이용하면 코드워드 벡터 c _n _,q의 m번째 원소는 수학식 10과 같이 모델링된다.

여기서,

이고,

이다.

기지국은 수학식 10을 이용하여 순시적으로 다르게 N*Q개의 코드워드를 생성한다.

기지국은 생성된 코드워드를 Q개씩 그룹핑하여(S320) N개의 코드북을 생성한다.

기지국은 사용자 단말기로부터 피드백을 수신한다(S330). 피드백은 사용자 단말기가 선택한 코드워드의 인텍스(q_k ^*(t))와 선택한 코드워드를 사용하여 프리코딩하는 경우의 CQI를 포함한다.

기지국 스케줄러(230)는 사용자 단말기들의 피드백 정보를 이용하여 최적의 코드워드 및 최적의 사용자 단말기를 결정한다(S340). 기지국의 CBF-CR 프리코더(250)는 상기 최적의 사용자 단말기의 데이터(

)에 최적의 코드워드(

) 를 곱해 상기 최적의 사용자 단말기의 데이터를 프리코딩한다(S350).

파일럿 삽입부(260)는 프리코딩된 데이터에 파일럿을 삽입하여 다수개의 송신 안테나를 통해 전송한다(S360).

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 빔 디자인 방법 및 그 빔을 이용한빔형성 방법 및 장치에 대해 도 4 및 도 5를 참고로 하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 제3 실시예에서는 COBF 방법을 위한 빔 디자인 방법 및 그 빔을 이용한 빔형성 방법 및 장치에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 COBF 방법을 위한 빔형성 장치의 구성도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 COBF 장치는 수신기(410), 코드워드 및 일원행렬 생성부(420), 스케줄러(430), AMC(Adaptive Modulation and Coding)(440), COBF 프리코더(450) 및 파일럿 삽입부(460)를 포함한다.

수신기(410)는 각 사용자 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 스케줄러(430), AMC(440) 및 COBF 프리코더(450)에 전달한다. 피드백 정보는 각 사용자들이 선택한 코드 워드의 인덱스(q_k ^*(t))와 CQI(SINR 또는 전송률)를 포함한다.

코드워드 및 일원행렬 생성부(420)는 복수의 코드워드를 생성하고 복수의 일원행렬을 생성하여 빔을 디자인한다. 스케줄러(430)는 사용자 단말기의 피드백 정보를 이용하여 최적의 코드워드와 최적의 사용자 단말기를 결정하고, AMC(440)는 전송할 데이터의 변조 및 코딩을 수행한다.

COBF 프리코더(450)는 상기 최적의 사용자 단말기로 전송할 데이터에 상기 최적의 코드벡터 및 일원행렬을 곱해 프리코딩을 수행한다. 파일럿 삽입부(460)는 프리코딩된 데이터에 파일럿을 삽입하여 다수개의 송신 안테나를 통해 전송한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 빔형성 방법을 나타낸 순서도이다.

기지국은 코드 워드 및 일원행렬을 생성한다(S510).

COBF 방법의 빔은 약속된 패턴의 무작위 일원행렬 U(t)와 양자화 코드북의 Q개의 코드워드 c _q=[c _q{1}, c _q{2},… c _q{M_t}], q=1, 2, …Q를 곱해서 시간 t에서의 q번 째 빔 U(t)c _q이 형성된다. U(t)는 송수신단에서 알고 있어야 하므로 실제로는 특정수 N개만큼을 발생시킨 후 반복하여 사용한다. n번째의 일원 행렬을 U _n이라 하면, U(t)c _q는 U _mod(t,N)+1 c _q과 같은 형태가 된다.

COBF의 빔은 w _q(t)=U _mod _(t,N)+1 c _q의 형태이므로 수학식 8을 COBF에 적용하면, U _n과 c _q는 여러 가지 방법으로 정해질 수 있다. 그러나, 여기서는 빔의 위상부가 최적의 분포를 갖도록 디자인하기가 어렵다. 그러나 송신안테나간의 간격이 멀어질수록 위상부의 최적의 분포는 균일(uniform) 분포를 가지므로 행렬 U _n과 코드워드 벡터 c _q를 수학식 11과 같이 디자인한다.

여기서, Q개의 위상 이고, 벡터 v _n의 각 원소는 수학식 12과 같다.

여기서, N개의 위상 이고, N개의 위상 이다.

상기와 같이 행렬 U _n과 코드워드 벡터 c _q를 디자인하면 빔 U _n c _q의 m번째 원소는 수학식 13과 같다.

이 때, z _n의 위상분포가 균일하므로,

의 분포는 z _n과 동일하게 CN(0,1) 이 된다. 따라서, 수학식 8과 비교하면, 상관된 부분의 위상 부분만 균일(uniform)하게 바뀐 형태가 되고,

의 확률밀도함수(probability density function, pdf)는 수학식 14와 같으므로 최적의 w_m,q(t)의 포락선(envelope)의 분포인 리이시안(Ricean) 분포가 된다.

주목할 것은 기존의 U _n은 unitary 행렬이었던데 반해, 제안한 U _n은 non-unitary 행렬이다. Unitary 행렬로 디자인했던 이유는 송신전력을 유지시키기 위해서이다. 그러나 위 디자인에서는 non-unitary 행렬을 이용하지만, 제안한 코드워드 디자인과 맞물려서 평균적으로는 송신전력을 증가시키지 않는다.

이 경우에도 시스템이 순시적인 전력을 일정하게 유지하기 원할 경우에는 행렬 U _n을 구성하는 벡터 v _n이 전력 M_t를 갖도록 강제적으로 정규화 한다던지, 빔의 마지막 원소는 M_t에서 이전까지 발생된 전력을 뺀 전력을 갖도록 발생시키면 된다.

또 한가지 특징은 제안한 U _n의 디자인은 diagonal 행렬이기 때문에, 저장해야 하는 파라미터의 개수가 적다. 따라서, 위 디자인을 이용할 경우 COBF는 (N+Q)M_t개의 복소수, CBF-CR의 경우 N*Q*M_t 개의 복소수를 저장해야 하므로, COBF가 메모리 요구량 측면에서 유리하다.

기지국은 사용자 단말기로부터 피드백을 수신한다(S520). 피드백은 사용자 단말기가 선택한 코드워드의 인덱스(q_k ^*(t))와 선택한 코드워드를 사용하여 프리코딩하는 경우의 CQI를 포함한다.

기지국 스케줄러(430)는 사용자 단말기들의 피드백 정보를 이용하여 최적의 코드워드 및 최적의 사용자 단말기를 결정한다(S540). 기지국의 COBF 프리코더(450)는 상기 최적의 사용자 단말기의 데이터(

)에 최적의 코드워드(

) 및 일원행렬(U _n)를 곱해 상기 최적의 사용자 단말기의 데이터를 프리코딩한다(S540).

파일럿 삽입부(460)는 프리코딩된 데이터에 파일럿을 삽입하여 다수개의 송신 안테나를 통해 전송한다(S550).

이하, 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 성능을 비교한다. 도 6은 파일럿을 고려하지 않은 경우 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 시스템 용량을 나타낸 도면이고, 도 7은 파일럿을 고려한 경우 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 시스템 용량을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 성능을 비교하기 위한모의 실험에서 채널은 카파 요소(Kapa factor) 모델로 생성하고, 단말기의 속도는 1km/h인 채널을 가정하였다. 사용자들의 평균적인 채널 이득은 같도록 하고, 일반적으로 사용되는 순시적 전력 제한(constraint)을 사용하였다. 그리고 하나의 타임슬롯 중에서 하나의 파일럿이 차지하는 비율을 3.7%로 가정하였고, COBF와 CBF-CR 방법에서 필요한 최대의 파일럿인 매 타임슬롯마다 송신안테나 수만큼의 파일럿 수를 가정하였다. 코드북은 3비트 코드북(Q=8)을 사용하였고, 사용자 수는 10명, 송신안테나의 수는 4개로 가정하였다.

도 6 및 도 7에서, Fixed Beamforming이라고 표시된 그래프는 고정된 코드북 을 사용한 시스템의 그래프이고, Quantized codebook이라고 표시된 그래프는 본 발명의 제2 실시예에 따른 CBF-CR 방법에서 코든 순환(code rotation)을 하지 않고, 하나의 코드북만을 고정하여 사용한 시스템의 그래프이다.

MOBF(i.i.d. Gaussian)이라고 표시된 그래프는 기존의 i.i.d.가우스 형태로 빔을 디자인한 MOBF의 그래프이고, MOBF(coherent beam)이라고 표시된 그래프는 코히어런트 빔(coherent beam) 형태로 빔을 디자인한 MOBF의 그래프이고, MOBF(adaptive)라고 표시된 그래프는 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔 디자인 방법으로 빔을 디자인한 MOBF의 그래프이다. MOBF(i.i.d. Gaussian), MOBF(coherent beam) 및 MOBF(adaptive)의 성능을 비교해 보면 항상 MOBF(adaptive)이 우수함을 알 수 있다. 즉, MOBF(adaptive)이 공간적 상관도에 상관없이 항상 최적의 성능을 보여준다.

그리고, MOBF(adaptive)의 빔은 공간적 상관도가 매우 약한 경우에는 i.i.d. 가우스 형태를 갖고, 공간적 상관도가 매우 높은 경우에는 코히어런트 빔(coherent beam) 형태를 가지므로, MOBF(adaptive)의 그래프는 카파 요소가 작은 경우에는 MOBF(coherent beam)의 그래프와 유사하고 카파 요소가 큰 경우에는 MOBF(i.i.d. Gaussian)의 그래프와 유사함을 알 수 있다.

CBF-CR(adaptive)이라고 표시된 그래프는 본 발명의 제2 실시예에 따른 빔 디자인 방법으로 빔을 디자인한 CBF-CR의 그래프이고, COBF(adaptive)이라고 표시된 그래프는 본 발명의 제3 실시예에 따른 빔 디자인 방법으로 빔을 디자인한 COBF의 그래프이다. 도 6 및 도 7을 보면, CBF-CR(adaptive) 및 COBF(adaptive)의 성능 이 가장 우수함을 알 수 있다.

MOBF(adaptive)는 파일럿을 고려하지 않은 경우에는 성능이 CBF-CR(adaptive) 및 COBF(adaptive)와 비슷하나 파일럿 오버헤드(overhead)가 크므로 파일럿을 고려한 경우에는 성능이 떨어짐을 알 수 있다.

Fixed Beamforming 방법과 CBF-CR(adaptive)/COBF(adaptive) 방법의 성능 차이는 랜덤 빔형성의 효과이고, OBF 방법과 CBF-CR(adaptive)/COBF(adaptive) 방법의 성능 차이는 다중빔의 선택적 다이버시티를 추가함으로써 얻어지는 이득이다.

모의실험 결과에서 이러한 랜덤 빔형성 효과와 선택적 다이버시티를 추가한 효과가 매우 크기 때문에, COBF 방법과 CBF-CR 방법의 성능이 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 빔형성 방법의 순서도이다.

도 6은 파일럿을 고려하지 않은 경우 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 시스템 용량을 나타낸 도면이다.

도 7은 파일럿을 고려한 경우 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 방법과 종래 기술의 시스템 용량을 나타낸 도면이다.

Claims

기지국의 빔형성 방법에 있어서,

가우스 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

채널의 공간적 상관도의 값을 결정하는 단계;

상기 제1 랜덤 변수, 상기 제2 랜덤 변수, 상기 채널의 공간적 상관도 및 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 빔 원소를 생성하는 단계; 및

상기 복수의 빔 원소를 이용해 상기 빔을 형성하는 단계

를 포함하며,

상기 복수의 빔 원소를 생성하는 단계는,

채널 사이에 공간적 상관도가 없는 경우에 해당하는 채널 요소에 대한 제1 식과, 채널들 사이에 공간적 상관도가 있는 경우에 해당하는 채널 요소에 대한 제2 식의 조합과, 상기 결정된 상관도의 값을 포함하는 빔 요소 관련 식을 토대로, 상기 복수의 빔 원소를 생성하는, 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 빔 원소의 개수는 전송 안테나의 개수인 빔형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 복수의 빔 원소를 정규화하는 단계를 더 포함하는 빔 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 복수의 빔 원소 중 하나는 상기 복수의 빔 원소 중 상기 하나를 제외한 나머지 빔 원소의 전력을 이용해 생성하는 빔형성 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 복수의 빔 원소를 생성하는 단계 및 상기 빔을 형성하는 단계를 반복하여 복수의 빔을 생성하는 단계를 더 포함하는 빔형성 방법.
제5항에 있어서,

상기 복수의 빔 중 하나의 빔을 선택하는 단계;

전송할 데이터에 상기 선택된 빔을 곱해서 상기 전송할 데이터를 프리코딩하는 단계; 및

상기 프리코딩된 전송할 데이터에 파일럿을 삽입하여 전송하는 단계를 더 포함하는 빔형성 방법.
기지국의 빔형성 방법에 있어서,

가우스 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

채널의 공간적 상관도의 값을 결정하는 단계;

상기 제1 랜덤 변수, 상기 제2 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 코드워드 원소를 생성하는 단계;

상기 복수의 코드워드 원소를 이용해 코드워드를 생성하는 단계;

상기 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계, 상기 복수의 빔 원소를 생성하는 단계 및 상기 코드워드를 생성하는 단계를 반복하여 복수의 코드워드를 생성하는 단계

를 포함하며,

상기 복수의 코드워드를 생성하는 단계는,

채널 사이에 공간적 상관도가 없는 경우에 해당하는 채널 요소에 대한 제1 식과, 채널들 사이에 공간적 상관도가 있는 경우에 해당하는 채널 요소에 대한 제2 식의 조합과, 상기 결정된 상관도의 값을 포함하는 빔 요소 관련 식을 토대로, 상기 복수의 코드워드를 생성하는, 빔 형성 방법.
제7항에 있어서,

상기 복수의 코드워드를 그룹핑하여 복수의 코드북을 생성하는 단계;

복수의 사용자 단말기로부터 피드백을 수신하는 단계;

상기 피드백 정보를 이용하여 상기 복수의 코드워드 중 하나의 코드워드를 결정하고 상기 복수의 사용자 단말기 중 하나의 사용자 단말기를 결정하는 단계;

상기 결정된 사용자 단말기로 전송할 데이터에 상기 결정된 코드워드를 곱하여 상기 전송할 데이터를 프리코딩하는 단계; 및

상기 프리코딩된 전송할 데이터에 파일럿을 삽입하여 전송하는 단계를 더 포함하는 빔형성 방법.
제8항에 있어서,

상기 피드백은 사용자 단말기가 선택한 코드워드의 인덱스와 상기 선택한 코드워드를 사용하여 프리코딩하는 경우의 채널 품질 정보를 포함하는 빔형성 방법.
기지국의 빔형성 방법에 있어서,

균일 분포를 따르는 제1 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

상기 제1 랜덤 변수 및 전송 안테나의 인덱스를 이용해 복수의 코드워드를 생성하는 단계;

균일 분포를 따르는 제2 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

가우스 분포를 따르는 제3 랜덤 변수를 발생시키는 단계;

상기 제2 랜덤 변수, 상기 제3 랜덤 변수, 채널의 공간적 상관도 및 상기 전송 안테나의 인덱스를 이용하여 복수의 행렬을 생성하는 단계

를 포함하며,

복수의 사용자 단말기로부터 피드백을 수신하는 단계;

상기 피드백 정보를 이용하여 상기 복수의 코드워드 중 하나의 코드워드를 결정하고 상기 복수의 사용자 단말기 중 하나의 사용자 단말기를 결정하는 단계;

상기 결정된 사용자 단말기로 전송할 데이터에 상기 결정된 코드워드 및 상기 복수의 행렬 중 하나의 행렬을 곱하여 상기 전송할 데이터를 프리코딩하는 단계; 및

상기 프리코딩된 전송할 데이터에 파일럿을 삽입하여 전송하는 단계

를 더 포함하는 빔형성 방법.
제10항에 있어서,

상기 행렬은 대각 행렬인 빔형성 방법.
제9항에 있어서,

복수의 사용자 단말기로부터 피드백을 수신하는 단계;

상기 피드백 정보를 이용하여 상기 복수의 코드워드 중 하나의 코드워드를 결정하고 상기 복수의 사용자 단말기 중 하나의 사용자 단말기를 결정하는 단계;

상기 결정된 사용자 단말기로 전송할 데이터에 상기 결정된 코드워드 및 상기 복수의 행렬 중 하나의 행렬을 곱하여 상기 전송할 데이터를 프리코딩하는 단계; 및

상기 프리코딩된 전송할 데이터에 파일럿을 삽입하여 전송하는 단계를 더 포함하는 빔형성 방법.