KR101505685B1 - 다중셀 무선 네트워크에서 협력적 ｍｉｍｏ 동작을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

다중셀 무선 네트워크에서 협력적 ｍｉｍｏ 동작을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

복수의 기지국이 협력하여 통신하는 다중셀 무선 네트워크(multi-cell wireless network)에서 다중입력 다중출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 동작을 위한 프리코딩 행렬의 구성방법과 이를 이용한 피드백 방법 및 사용자 스케쥴링 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프리코딩 행렬의 구성방법에 의하면, 구성하고자 하는 멀티셀 프리코딩 행렬은 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 구하고, 이 단일셀 프리코딩 행렬들 각각에 곱해지는 계수들은 멀티셀 프리코딩 행렬과 멀티셀 프리코딩 행렬의 허미션 행렬의 곱이 단위 행렬이 되는 조건을 만족하도록 한다. 이 경우에, 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향 또는 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬을 할당하여 멀티셀 프리코딩 행렬을 구성할 수도 있다.

Description

다중셀 무선 네트워크에서 협력적 ＭＩＭＯ 동작을 위한 방법 및 장치{Method and device for cooperative MIMO transmission operation in multi-cell wireless network}
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로, 보다 구체적으로 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 다중셀 무선 네트워크(multi-cell wireless network)에서 다중입력 다중출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 동작을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 정보통신 서비스의 보편화와 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 그리고 고품질 서비스의 출현 등으로 인해 무선통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 무선통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 제공하기 위해 송신기와 수신기에 다중의 안테나를 사용하는 다중 안테나 시스템이 다양하게 제안되고 있다. 다중 안테나 시스템을 다중입출력(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 시스템이라고도 한다.
MIMO 시스템 중의 하나는 여러 사용자가 공간 자원을 효율적으로 사용하기 위한 다중 사용자(Multi-User, MU) MIMO 시스템이다. 다중 사용자 MIMO 시스템에서 채널 용량을 증가시키기 위하여 많은 기술이 제안되었는데, 그 중의 하나는 더티 페이터 코딩(Dirty Paper Coding, DPC) 방식이다. DPC 방식에 의하면, 각 사용자에게 간섭으로 작용하는 성분인 다른 사용자의 데이터를 기지국에서 미리 제거하여 다른 사용자로부터의 간섭을 줄임으로써, MIMO 시스템에서 최대의 채널 용량을 제공할 수 있다. 그러나 DPC 방식은 송신단에서 많은 채널 정보가 요구될 뿐만 아니라 연산의 복잡도가 높아서, 실제 MIMO 시스템에서는 구현하기가 어려운 문제점이 있다.
다중 사용자 MIMO 시스템의 채널 용량을 증가시키기 위한 다른 한 가지 방법은 PU2RC(Per User Unitary and Rate Control) 방식으로서, 동시에 다른 사용자에게 공간상의 자원을 할당하는 기법이다. PU2RC 방식은 3GPP TSG RAN WG1 #44/R1-060335의 "Downlink MIMO for EUTRA"라는 기고 문서로 삼성전자에 의하여 제안되었다. 이 방식에 의하면, 각 사용자는 직교 기저를 가지는 다수의 프리코딩 행렬(Precoding Matrix)들 중에서 자신의 채널 전송률을 최대화할 수 있는 프리코딩 행렬을 선택하고, 그 프리코딩 행렬의 인덱스와 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 기지국으로 피드백한다. 기지국은 각 사용자들로부터 피드백받은 정보를 바탕으로 합전송률 등을 최대화하기 위한 프리코딩 행렬과 사용자를 결정하여 전송한다.
이러한 PU2RC 방식은 공간상의 다중 사용자 다이버시티를 이용하여 시스템 용량을 증대시키기 위한 기술로써, 연산의 복잡도가 높지 않기 때문에 실제 MIMO 시스템에서도 구현이 가능한 장점이 있다. 하지만, 이 PU2RC 방식은 단일 셀 환경만을 고려하여 사용자와 프리코딩 행렬을 결정하는 것으로서, 셀간 간섭이 나타나고 있는 다중 셀 환경을 전혀 고려하고 있지 못하다. 특히, 셀의 가장자리에 위치하는 사용자는 인접 셀의 신호로부터 간섭을 많이 받기 때문에, 이러한 셀간 간섭을 고려하지 않을 경우에는 일정 수준 이상의 전송률을 보장하기가 어렵다.
다중 셀 환경에서 나타나는 셀간 간섭 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 기법이 논의되고 있는데, 그 중의 한 가지 기법은 기지국 협력(Base Station Cooperation) 기법이다. 최근 많은 논문에서 기지국 사이의 협력을 통한 MIMO 동작 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, HongyuanZhang, HuaiyuDai, 및 QuanZhou의 "Base Station Cooperation for Multiuser MIMO : Joint Transmission and BS Selection"이라는 논문에서는, 기지국 협력을 통한 더티 페이터 코딩(DPC) 기법이나 조인트(joint) 제로 포싱 빔 포밍(Zero Forcing Beam Forming, ZF-BF) 기법에 대하여 기술하고 있다. 그런데, 상기 논문에 의하면, 기지국 협력을 통한 DPC 기법이나 조인트 ZF-BF 기법을 적용하기 위해서는 모든 기지국이 채널 정보를 완벽하게 알아야 한다. 따라서 이러한 기지국 협력 기술은 피드백 관점이나 복잡도로 인하여 실제 시스템에서 구현하기는 거의 불가능하다.
기지국 협력 기술을 논하고 있는 다른 논문으로, Hilde Skjevling, David Gesbert, 및 Are Hj
Figure 112008067839555-pat00001
rungnes의 "Receiver-Enhanced Cooperative Spatial Multiplexing with Hybrid Channel Knowledge"가 있다. 이 논문에서는 인접 셀의 채널 정보는 통계적 정보만 이용하고 서비스받는 셀의 채널 정보는 완벽히 안다고 가정하고 기지국 간에 협력하는 방식을 제안하고 있다. 하지만, 위 논문에서 제안된 기술 역시, 기지국의 서비스받는 셀의 채널 정보를 완벽히 안다고 가정하고 있기 때문에, 실제 시스템에서는 적용하기가 힘든 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 셀간 간섭 현상이 나타날 수 있는 다중 셀 환경을 고려하고 또한 실제 무선 통신 시스템에서 구현이 가능한 협력적 MIMO 동작을 위한 프리코딩 행렬의 구성 방법 및 이 프리코딩 행렬을 이용한 전송 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 셀간 간섭 현상이 나타날 수 있는 다중 셀 환경을 고려하고 또한 실제 무선 통신 시스템에서 구현이 가능한 협력적 MIMO 동작을 위한 기지국들 사이의 정보 교환 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 하나의 과제는 셀간 간섭 현상이 나타날 수 있는 다중 셀 환경을 고려하고 또한 실제 무선 통신 시스템에서 구현이 가능한 협력적 MIMO 동작을 위한 사용자 스케쥴링 기법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 멀티셀 프리코딩 행렬의 구성방법으로서, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 하나 또는 그 이상의 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 구성하고, 상기 단일셀 프리코딩 행렬들 각각에 곱해지는 계수들은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬과 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 허미션 행렬의 곱이 단위 행렬이 되는 조건을 만족하도록 멀티셀 프리코딩 행렬을 구성할 수 있다. 이 경우에, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 행방향 또는 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당될 수 있다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 하기 수학식 (E-1) 및 수학식 (E-2)를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112008067839555-pat00002
Figure 112008067839555-pat00003
(E-2)
여기서, Wp, Wq, …, Wr은 각각 단일셀 프리코딩 행렬이고, a mn은
Figure 112008067839555-pat00004
(여기서, Wco H는 Wco의 허미션 행렬(Hermitean Matrix)이며, m=1, 2, … ,C(C는 협력에 참여하는 기지국의 개수이다), n=1, 2, …, C이고, IC×L은 C× L 단위 행렬이다)를 만족하는 임의의 값이다.
상기 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당될 경우에, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 열방향으로 할당되는 단일셀 프리코딩 행렬은 모두 다르거나 또는 적어도 하나가 동일할 수 있다. 또는, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당될 경우에, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향으로 할당되는 단일셀 프리코딩 행렬은 모두 다르거나 또는 적어도 하나가 동일할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 피드백 방법으로서, 모든 전송 데이터에 대한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)를 측정하는 단계, 측정된 SINR들 중에서 최적의 SINR을 갖는 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택하는 단계, 및 선택된 상기 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보와 이 경우의 측정된 SINR을 전송하는 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 전술한 본 발명의 실시예에 따른 멀티셀 프리코딩 행렬의 구성방법에 따라서 구성된 것일 수 있다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 사용자 스케쥴링 방법으로서, 복수의 사용자들로부터 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보와 이 경우의 측정된 SINR을 피드백 받는 단계, 피드백 받은 정보를 이용 하여 합전송율을 최대로 하는 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택하는 단계, 및 상기 선택된 멀티셀 프리코딩 행렬의 프리코딩 벡터 각각에 상기 복수의 사용자들을 할당하는 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 전술한 본 발명의 실시예에 따른 멀티셀 프리코딩 행렬의 구성방법에 따라서 구성된 것일 수 있다. 그리고 상기 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보와 측정된 SINR은 전술한 본 발명의 실시예에 따른 피드백 방법에 따라서 피드백 받는 정보일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 기존의 PU2RC가 단일 셀만을 고려하는 것과는 달리 셀간 간섭 현상이 나타날 수 있는 다중 셀 환경을 고려함으로써, 실제 무선 통신 시스템에서 MIMO 동작을 보다 적합하게 구현할 수가 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 모든 기지국이 채널 정보를 완벽하게 알 필요가 없으며, 피드백의 부담이 높지 않으고 또한 복잡도도 낮기 때문에, 실제 무선 통신 시스템에 구현하기에 보다 적합하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 후술하는 실시예에서는 다중 셀 환경에서 두 셀(two cells)의 협력 방식에 대 하여 설명하는데, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것으로서 본 실시예가 여기에만 한정되는 것은 아니다. 협력에 참여하는 기지국의 수가 늘어나는 경우에도 두 셀의 협력 방식에 대하여 기술한 내용이 거의 그대로 적용될 수 있으며, 다만 기지국의 수가 늘어남에 따라서 고려할 사항은 추가로 언급하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 협력적 MIMO 동작을 위한 프리코딩 행렬의 구성 방법을 설명한다.
각 기지국은 NT개의 송신 안테나를 가지고 있고 수신단(예컨대, 단말)은 NR개의 수신 안테나를 가지고 있으며, 상기 송신 안테나를 통하여 L(≤NT)개의 데이터를 전송할 경우, 다중 셀 환경이 아닌 단일 셀 환경에서의 수신 신호는 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure 112008067839555-pat00005
여기서, Yk,i는 i번째 셀의 k번째 사용자의 NR×1 수신 신호 벡터, Hk,i는 k번째 사용자와 i번째 기지국간의 NR×NT MIMO 채널, Wi는 i번째 기지국의 NT×L 유니터리 행렬(Unitary Matrix), 즉 프리코딩 행렬(Precoding Matrix), Nk는 NR×1 잡음 벡터, 그리고 Si는 i번째 기지국의 L×1 송신 심볼 벡터를 의미한다.
두 셀이 협력하는 통신 시스템은, 2×NT개의 송신 안테나가 있고 2×L개의 데이터를 전송하는 단일 셀 시스템으로 바꿔 생각할 수 있다. 따라서 두 셀 협력 시스템을 위한 프리코딩 행렬은 2NT×2L의 유니터리 행렬(이하, 셀 협력 시스템에서 사용하는 프리코딩 행렬은 '멀티셀 프리코딩 행렬'이라 한다)이 되어야 하며, 기존의 단일 셀 시스템에서 사용하는
Figure 112008067839555-pat00006
프리코딩 행렬(이하, '단일셀 프리코딩 행렬'이라 한다)을 그대로 이용할 수는 없다.
본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 행렬, 즉 멀티셀 프리코딩 행렬의 구성 방법에 의하면, 종래의 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 멀티셀 프리코딩 행렬을 만든다. 예를 들어, 두 셀 협력 시스템을 위한 멀티셀 프리코딩 행렬은 수학식 2를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112008067839555-pat00007
여기서, Wco는 멀티셀 프리코딩 행렬, Wp와 Wq는 각각 단일셀 프리코딩 행렬의 집합(코드북)에서 p번째 단일셀 프리코딩 행렬과 q번째 단일셀 프리코딩 행렬을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 p와 q는 같은 값을 가질 수도 있다. 그리고
Figure 112008067839555-pat00008
는
Figure 112008067839555-pat00009
(여기서, I는 단위 행렬이다)이기 위한 어떠한 조합도 가능하다(여기서, Wco H는 Wco의 허미션 행렬(Hermitean Matrix)이다). 이러한 수학식 2에 의하면, p와 q의 적절한 조합으로 선택되는 단일셀 프리코딩 행렬을 사 용하고, 또한
Figure 112008067839555-pat00010
이 만족되는
Figure 112008067839555-pat00011
각각을 정하면, 원하는 수만큼의 2NT×2L 크기의 기지국 협력을 위한 유니터리 행렬(멀티셀 프리코딩 행렬)을 만들 수 있다.
예를 들어, 단일셀 프리코딩 행렬의 수(G)가 4라고 가정하자. 이 경우에, 상기 p와 q는 각각 1 내지 4 중에서 임의의 값을 가질 수 있는데, 본 발명의 실시예에 의하면 멀티셀 프리코딩 행렬은 상기 p와 q의 조합인 16가지 내에서 임의의 개수만큼 만들 수 있다. 4개의 멀티셀 프리코딩 행렬을 위해서는 예컨대,
Figure 112008067839555-pat00012
로 p와 q의 조합을 결정할 수도 있다. 그리고
Figure 112008067839555-pat00013
이기 위한
Figure 112008067839555-pat00014
는 각각
Figure 112008067839555-pat00015
(여기서, m과 n은 각각 1 또는 2)일 수 있다. 수학식 3은 수학식 2를 이용하여 만들 수 있는 멀티셀 프리코딩 행렬의 예들이다.
Figure 112008067839555-pat00016
수학식 2를 이용하여 구한 멀티셀 프리코딩 행렬Wco은 서로 협력하는 두 기지국 각각이 사용하는 프리코딩 행렬을 포함한다. 예를 들어, 제1 기지국이 사용하는 프리코딩 행렬은 어느 하나의 멀티셀 프리코딩 행렬 Wco에서 위쪽 NT×2L 행렬이고, 제2 기지국이 사용하는 프리코딩 행렬은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬 Wco에서 아 래쪽 NT×2L 행렬일 수 있다. 도 1에는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬 Wco,g가 표시되어 있으며, 또한 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬 Wco,g에서 서로 협력하는 두 기지국(제1 기지국과 제2 기지국) 각각이 사용하는 프리코딩 행렬 Wco,g,1, Wco,g,2이 도식적으로 도시되어 있다.
다음으로 도 2를 참조하여 MIMO 동작을 위한 피드백 방법에 관하여 설명한다. 후술하는 피드백 방법에서는 전술한 본 발명의 실시예에 따라서 구한 멀티셀 프리코딩 행렬을 이용한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중셀 무선 네트워크에서 협력적 MIMO 동작을 위한 피드백 방법을 보여 주는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 수신단에서는 우선 모든 전송 데이터(2L개) 또는 모든 전송 안테나(2NT)에 대한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)를 구한다(S11). 상기 수신단은 단말일 수 있다. SINR은 데이터를 전송하는 안테나(2L개) 또는 모든 전송 안테나(2NT)에 대하여 동일하게 전력이 할당되었다고 가정하고, 수신단에서의 수신 신호를 이용하여 구한다.
전술한 본 발명의 실시예에 따라서 구한 멀티셀 프리코딩 행렬을 이용하여 두 개의 기지국이 협력 통신을 할 경우의 수신 신호는 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008067839555-pat00017
여기서, Sco는 2L×1의 크기를 갖는 송신 신호 벡터, Wco,g,i는 i번째 기지국이 사용하는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬, 그리고 Heff,g는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬을 사용하였을 경우의 실효 채널이다.
SINR을 계산하는 구체적인 방법은 단말의 수신기의 종류에 따라 달라질 수 있다. 수신기는 예컨대, ZF(Zero-Forcing) 수신기이거나 또는 MMSE(Minimum Mean Squared Error) 수신기일 수 있다. ZF 수신기에 대한 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR은 수학식 5로 표현할 수 있고, MMSE 수신기에 대한 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR은 수학식 6으로 표현할 수 있다.
Figure 112008067839555-pat00018
Figure 112008067839555-pat00019
여기서, ρ는 수신기의 SNR(Signal to Noise Ratio), I2L은 2L×2L 단위 행 렬, Heff,g는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬을 사용하였을 경우의 실효 채널, 그리고 [·]i,i은 i번째 대각항(diagonal element)의 값을 의미한다.
만일, 수신 안테나가 1개라고 한다면, 1번 셀의 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. 반면, 수학식 8은 수신 안테나가 1개인 경우에 기존의 PU2RC에 의할 경우의 1번 셀의 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR을 나타낸다.
Figure 112008067839555-pat00020
Figure 112008067839555-pat00021
수학식 7과 8에서, W(i)는 프리코딩 행렬 W의 i번째 열을 나타낸다. 수학식 8의 분모에 있는 두 번째 항은 이웃 셀의 간섭을 의미하는 것으로 SINR을 감소시키는 요인으로 작용한다(수학식 8은 1번 셀에 있는 사용자의 SINR을 표현한 것이다). 반면, 수학식 7에서는 두 번째 항이 분모와 분자에 모두 나타나는데, 이것은 기지국 협력의 경우의 SINR이기 때문이다.
그리고 각 사용자(또는 단말)는 단계 S11에서 구한 SINR 중에서 최적의 SINR을 가진 프리코딩 벡터를 선택한다(S12). 최적의 SINR을 가진 프리코딩 백터는 공간상의 2L개의 프리코딩 벡터 중에서, 동일하게 전력이 할당되었다고 가정하고, 자신의 전송률을 최대화할 수 있는 하나의 프리코딩 백터일 수 있다.
그리고 단말은 단계 S12에서 구한 최적의 SINR을 가진 프리코딩 벡터에 대하여 SINR값과 프리코딩 벡터의 지시 정보 및 프리코딩 행렬의 지시 정보를 기지국으로 전송한다(S13). 본 발명의 실시예에서와 같은 기지국 협력의 경우에, 각 단말에서는 NR과 2L 중에서 작은 값(이하, 'mim(NR, 2L)'이라고 한다)에 해당하는 데이터 스트림을 수신할 수 있으며, 단계 S13에서 각 단말이 SINR값과 프리코딩 벡터에 대한 인덱스 정보를 기지국으로 전송하는 방법은 다음의 3가지 방법이 가능하다. 여기서, 프리코딩 벡터에 대한 인덱스 정보는 선택된 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보의 일례이다. 다만, 후술하는 3가지 방법은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 실시예가 여기에만 한정되는 것은 아니다. 여기서, 멀티셀 프리코딩 행렬은 G개가 있다고 가정 한다.
첫 번째 방법은 각 단말이 G개의 모든 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 상위 mim(NR, 2L)개의 SINR과 그에 해당하는 프리코딩 벡터 인덱스를 기지국으로 전송하는 것이다. 이 방법은 많은 정보가 단말로부터 피드백되기 때문에, 피드백 링크에 여유가 있을 경우에 적합한 방식으로서, 공간 다중화 이득(Spatial Multiplexing(SM) gain)과 공간상의 다중 사용자 다이버시티 이득(Multi-User diversity(MU) gain)을 얻을 수 있다.
두 번째 방법은 각 단말이 G개의 멀티셀 프리코딩 행렬 중에서 전송률을 최대화할 수 있는 하나의 멀티셀 프리코딩 행렬에 대하여, 상위 mim(NR, 2L)개의 SINR과 그에 해당하는 프리코딩 벡터 인덱스를 기지국으로 전송하는 것이다. 이 방법도 공간 다중화 이득(SM gain)과 공간상의 다중 사용자 다이버시티 이득(MU gain)을 얻을 수 있다.
세 번째 방법은 각 단말이 G개의 멀티셀 프리코딩 행렬 중에서 전송률을 최대화할 수 있는 하나의 멀티셀 프리코딩 행렬에 대하여, 전송률을 최대화하는 하나의 SINR과 그에 해당하는 프리코딩 벡터 인덱스를 기지국으로 전송하는 것이다. 이 방법에 의하면, 공간상의 다중 사용자 다이버시티 이득(MU gain)만을 얻을 수 있다.
전술한 세 가지 방법에 대하여 각 단말당 기지국으로 전송되는 데이터의 양(피드백양)과 각 방법으로 얻을 수 있는 이득을 정리하면 다음의 표 1과 같다.
Figure 112008067839555-pat00022
계속해서 도 2를 참조하면, 기지국은 단계 S13에서 피드백을 받은 정보를 종합하여 합 전송율을 최대화하는 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택한다(S14). 선택된 멀티셀 프리코딩 행렬은, 기지국이 해당 행렬의 2L개의 프리코딩 벡터에 사용자를 할당하는 사용자 스케쥴링에 이용된다.
그런데, 전술한 단계 S13에서 기지국이 사용자들로부터 피드백 받은 프리코딩 벡터의 집합이 단계 S14에서 기지국이 하나의 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택할 만큼 충분하지 않은 경우가 발생할 수가 있다. 예를 들어, 사용자의 수가 충분하지 못한 경우이거나 또는 일부 프리코딩 벡터에 대해서만 피드백이 되는 경우 등이 이에 해당될 수 있다. 예를 들어, 4개의 프리코딩 벡터가 있는데, 모든 사용자가 1번 벡터 또는 2번 벡터만을 선택하여 피드백을 하였다고 가정하자. 이러한 경우에는 3번 벡터와 4번 벡터에는 사용자가 할당될 수 없다. 본 발명의 실시예에 의하면, 이러한 경우에는 다음과 같은 방법을 이용하여 처리할 수 있다.
첫 번째 방법은 피드백이 없는 프리코딩 벡터에 대해서는 사용자를 할당하지 않고 비워두는 방법이다. 이러한 경우에는 다음과 같은 방식으로 절차가 진행된다. 우선, 기지국은 최초로 피드백 받은 SINR을 이용하여 AMC(Adaptive Modulation and Coding)를 결정한다. 그리고 스케쥴링된 프리코딩 벡터를 해당 사용자에게 통보하며, 이에 따른 SINR을 다시 피드백 받아서 AMC를 다시 결정한다.
두 번째 방법은 피드백이 없는 프리코딩 벡터에 대해서는 사용자를 랜덤하게 할당하는 방법이다. 이러한 경우에는 추가로 할당된 사용자에 대해서는 SINR를 별도로 피드백을 받거나 및/또는 추가로 할당된 사용자는 항상 낮은 레이트(rate)를 보이는 AMC를 적용할 수 있다.
세 번째 방법은 전송되는 데이터의 수(L)을 적응적으로 결정함으로써, 모든 프리코딩 벡터에 대하여 사용자가 피드백될 수 있도록 하는 방법이다. 이러한 경우에, 기지국은 평균 채널 정보와 사용자 수를 바탕으로 L을 적응적으로 선택하고 또한 사용자를 스케쥴링할 수 있다. 그리고 스케쥴링 결과에 따라서 L을 조절하여, 모든 프리코딩 벡터가 스케쥴링될 때까지 이러한 과정을 반복할 수 있다.
이러한 방법을 통하여 각 기지국은 피드백 받은 프리코딩 벡터의 집합이 충분하지 못한 경우라고 하더라도, 2L개의 프리코딩 벡터에 사용자를 할당할 수 있다. 다만, 전술한 첫 번째 방법의 경우에는 2L보다 적은 수의 프리코딩 벡터가 사용자에게 할당된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 피드백 방법에 의하면, 각 사용자는 협력 통신을 하는 기지국 모두에게 정보를 피드백할 수도 있고 또는 일부 기지국에 대해서만 피드백을 할 수도 있다. 사용자가 일부 기지국으로만 피드백을 할지 또는 모든 기지국에 대하여 피드백을 할지는 무선 통신 시스템의 설정에 따라서 정해질 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 채널 상황이 나빠져서 일부 기지국에만 피드백이 될 수도 있다.
그런데, 본 발명의 실시예에 따른 기지국 협력 통신을 위해서는 일부 기지국에게만 피드백을 하거나 또는 피드백이 될 경우에는, 기지국 사이의 정보 교환이 필요하다. 이하에서는, 두 개의 기지국이 협력 통신을 할 경우에, 사용자가 하나의 기지국으로만 피드백을 하는 경우를 예로 들어서 설명한다.
사용자가 무선 통신 시스템에서 정한 피드백 방식에 따라서 하나의 기지국으로만 피드백을 할 경우에, 각 기지국은 프리코딩 행렬마다 2L개의 프리코딩 벡터에 대하여 합 전송률을 최대화하는 SINR을 선택한다(다만, 사용자의 수가 적어서 하나의 프리코딩 행렬을 구성하지 못할 경우에는 전술한 세 가지 방법에 따라서 대응을 할 수가 있으며, 경우에 따라서는 2L보다 적은 수의 SINR만을 선택할 수도 있다). 이 경우에, 각 기지국은 선택된 2L개의 SINR을 서로 교환하고 합 전송률을 최대화하는 2L개의 SINR을 최종적으로 선택한 다음, 선택된 SINR에 대하여 사용자를 할당한다.
도 3은 2셀 기지국 협력 무선 통신 시스템에서의 정보 교환을 통한 사용자 스케쥴링 방식을 도식적으로 보여 주는 도면이다. 상기 2셀 기지국 협력 무선 통신 시스템은, 예컨대 각 사용자는 하나의 기지국으로만 피드백을 하는 시스템일 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 기지국(기지국 1)과 제2 기지국(기지국 2)은 모든 프리코딩 행렬에 대하여 정보를 교환하거나 또는 하나의 프리코딩 행렬에 대해서만 정보를 교환할 수도 있다. 그리고 각 기지국(제1 기지국과 제2 기지국)은 각 프리코딩 행렬에 대하여 전송률을 최대화하는 2L개의 SINR을 선택하여, 사용자 스케쥴링을 수행한다.
이와 같이, 도 3에 도시된 정보 교환을 통한 사용자 스케쥴링 방식에서는, 모든 프리코딩 행렬에 대하여 정보 교환을 할 수도 있고 또는 하나의 프리코딩 행렬에 대해서만 정보 교환을 할 수도 있다. 만일, 각 기지국에서 피드백을 통하여 획득하는 정보가 하나의 프리코딩 행렬을 구성하지 못하였을 경우에는, 전술한 방법들 중의 한 가지 방법을 이용하여 2L개의 정보 또는 2L보다 적은 수의 정보를 교환할 수도 있다. 이하, 2L개의 정보를 교환하는 경우에 대해서만 설명한다.
전자의 경우에, 기지국들은 모든 프리코딩 행렬에 대하여 2L개의 SINR 정보를 교환한다. 결국, 교환되는 SINR 정보의 개수는 G×2L개가 된다. 그리고 각 기지국은 교환된 정보도 함께 이용하여 합 전송률을 최대화하는 프리코딩 행렬을 결정한다.
후자의 경우에는 합 전송률의 값과 프리코딩 행렬의 인덱스만을 먼저 교환하고, 그 이후에 2L개의 SINR 정보를 교환할 수 있다. 예를 들어, 후자의 경우에는 도 4에 도시된 방법과 같이 동작할 수 있다. 우선, 각 기지국은 합 전송률이 최대가 되는 프리코딩 행렬에 대하여, 프리코딩 행렬의 인덱스와 합 전송률 정보를 교환한다(S21). 그리고 각 기지국에서는 교환된 프리코딩 행렬의 인덱스가 같은지를 판단한다(S22). 판단 결과, 교환된 프리코딩 행렬의 인덱스가 서로 다를 경우에는, 합 전송률이 큰 쪽의 기지국에서 선택한 프리코딩 행렬에 대하여 2L개의 SINR 정보를 교환한 다음, 합 전송률이 최대가 되도록 사용자를 스케쥴링 한다(S23). 반면, 교환된 프리코딩 행렬의 인덱스가 같은 경우에는, 그 프리코딩 행렬에 대한 2L개의 SINR 정보를 교환한 다음, 합 전송률이 최대가 되도록 사용자를 스케쥴링 한다(S24).
이상에서는 두 셀이 협력하는 무선 통신 시스템에서의 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 두 셀 이상이 협력하는 무선 통신 시스템에서도 적용이 가능한데, 이하에서는 이에 대하여 설명한다.
서로 협력 통신을 하는 기지국의 수가 두 셀보다 많을 경우에는 멀티셀 프리코딩 행렬도 다시 구성해야 한다. 수학식 9는 3개의 기지국이 협력할 경우에 구성될 수 있는 멀티셀 프리코딩 행렬을 나타내고 있다.
Figure 112008067839555-pat00023
여기서, Wp, Wq, Wr은 각각 단일셀 프리코딩 행렬, a mn은
Figure 112008067839555-pat00024
(여기서, Wco H는 Wco의 허미션 행렬(Hermitean Matrix)이며, m=1, 2, 3이고, n=1, 2, 3이다)가 되기 위한 어떠한 조합도 가능하다. 그리고 p, q, r은 모두 같은 값일 수도 있고 또는 일부 또는 전부가 다른 값이 될 수도 있다.
만일, 협력에 참여하는 기지국의 개수가 C개일 경우에, 멀티셀 프리코딩 행렬은 수학식 10이 될 수 있다. 그리고 수학식 10에서 amn은 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 행렬의 형태인 수학식 11이 이용될 수도 있다. 이러한 수학식 10과 11을 이용하면, 협력하는 기지국의 수가 3개 이상이 될 경우에도, 멀티셀 프리코딩 행렬을 구성할 수가 있다. 수학식 10에서 Wp, Wq, …, Wr은 각각 단일셀 프리코딩 행렬, a mn은
Figure 112008067839555-pat00025
(여기서, Wco H는 Wco의 허미션 행렬(Hermitean Matrix)이며, m=1, 2, … ,C 이고, n=1, 2, …, C이다)가 되기 위한 어떠한 조합도 가능하다. 그리고 p, q, …, r은 모두 같은 값일 수도 있고 또는 일부 또는 전부가 다른 값이 될 수도 있다.
Figure 112008067839555-pat00026
Figure 112008067839555-pat00027
그리고 협력하는 기지국의 수가 늘어나는 경우에는 기지국 사이의 정보 교환 역시 참여하는 모든 기지국 사이에서 수행되어야 한다. 이 경우에, 각 기지국이 일대일 방식으로 정보를 교환할 수도 있고, 또한 정보 교환을 위한 별도의 스토리지 또는 중앙 서버를 두고 이를 이용하여 필요한 정보를 서로 공유할 수도 있다. 후자의 경우에, 각 기지국은 피드백을 통해서 획득한 정보의 전부 또는 일부를 중앙 서버로 전송하여야 한다.
또한, 전술한 실시예들에서는 전송률이 최대가 되도록 하는 스케쥴러(scheduler)를 예를 들어서 설명하였지만, 본 발명의 실시예가 여기에만 한정되 는 것은 아니다. 예를 들어서, 비례 공정 스케쥴러(proportional fair scheduler) 등과 같은 다른 형태의 스케쥴러가 사용될 수도 있다. 이 경우에, 피드백 및/또는 정보 교환을 통해 획득한 SINR 정보 등은 해당 스케쥴러가 사용할 수 있는 형태의 행렬 정보로 바꾸어서 동일하게 사용자를 할당할 수 있다.
이상에서 상세하게 설명한 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 기술 사상을 보여주기 위한 예시적인 것으로서, 상기 실시예에의 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호 범위는 후술하는 본 발명의 특허청구범위에 의하여 특정된다.
도 1은 두 기지국이 협력하는 무선 통신 시스템에서의 MIMO 동작을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티셀 프리코딩 행렬의 일례를 보여 주는 도면이다.
도 2는 다중셀 기지국 협력 무선 통신 시스템에서의 MIMO 동작을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백 방법의 일례를 보여 주는 흐름도이다.
도 3은 2셀 기지국 협력 무선 통신 시스템에서의 MIMO 동작을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 교환을 통한 사용자 스케쥴링 방식을 도식적으로 보여 주는 도면이다.
도 4는 다중셀 기지국 협력 무선 통신 시스템에서의 MIMO 동작을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 간의 정보 교환 절차의 일례를 보여 주는 흐름도이다.

Claims (18)

  1. 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 멀티셀 프리코딩 행렬의 구성방법에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 멀티셀 프리코딩 행렬을 구성하되,
    상기 단일셀 프리코딩 행렬들 각각에 곱해지는 계수들은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬과 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 허미션 행렬의 곱이 단위 행렬이 되는 조건을 만족하고,
    상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향 또는 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬을 할당하여 상기 멀티셀 프리코딩 행렬을 구성하되,
    상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 하기 수학식 (E-1) 및 수학식 (E-2)를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112013087217621-pat00038
    Figure 112013087217621-pat00039
    (E-2)
    여기서, Wp, Wq, …, Wr은 각각 단일셀 프리코딩 행렬이고, a mn은
    Figure 112013087217621-pat00040
    (여기서, Wco H는 Wco의 허미션 행렬(Hermitean Matrix)이며, m=1, 2, … ,C(C는 협력에 참여하는 기지국의 개수이다), n=1, 2, …, C이고, IC×L은 C×L 단위 행렬이다)를 만족하는 임의의 값이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당될 경우에, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 열방향으로 할당되는 단일셀 프리코딩 행렬은 모두 다르거나 또는 적어도 하나가 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당될 경우에, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향으로 할당되는 단일셀 프리코딩 행렬은 모두 다르거나 또는 적어도 하나가 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 피드백 방법에 있어서,
    모든 전송 데이터에 대한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)를 측정하는 단계;
    측정된 SINR들 중에서 최적의 SINR을 갖는 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택하는 단계;
    선택된 상기 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보와 이 경우의 측정된 SINR을 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 지시 정보와 상기 SINR을 전송하는 단계에서는, 모든 멀티셀 프리코딩 행렬들 중에서 전송률을 최대로 할 수 있는 하나의 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 상위 min(NR, 2L)(여기서, NR은 수신기의 안테나 개수, L은 하나의 기지국에서 보내는 전송 데이터의 개수, 그리고 min(a, b)는 a와 b 중에서 더 작거나 같은 값)개의 SINR과 그에 해당하는 프리코딩 벡터 인덱스를 전송하고,
    상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 하나 또는 그 이상의 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 구성되고, 상기 단일셀 프리코딩 행렬들 각각에 곱해지는 계수들은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬과 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 허미션 행렬의 곱이 단위 행렬이 되는 조건을 만족하고, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향 또는 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당되는 것을 특징으로 하는 피드백 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 무선 통신 시스템은 2개의 기지국이 협력하여 통신하고, 제로-포싱(Zero-Forcing, ZF) 수신기로 상기 SINR은 하기 수학식 (E-3)을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 피드백 방법.
    Figure 112008067839555-pat00031
    여기서, SINRk,g,i는 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR을 나타내며,
    Figure 112008067839555-pat00032
    는 수신기의 SNR(Signal to Noise Ratio), L은 하나의 기지국에서 보내는 전송 데이터의 개수, Heff,g는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬을 사용하였을 경우의 실효 채널, 그리고 [·]i,i은 i번째 대각항(diagonal element)의 값을 의미한다.
  9. 제6항에 있어서, 상기 무선 통신 시스템은 2개의 기지국이 협력하여 통신하고, MMSE(Minimum Mean Square Error) 수신기로 상기 SINR은 하기 수학식 (E-4)를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 피드백 방법.
    Figure 112008067839555-pat00033
    여기서, SINRk,g,i는 k번째 사용자의 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 i번째 스트림의 SINR을 나타내며, L은 하나의 기지국에서 보내는 전송 데이터의 개수, I2L은 2L×2L 단위 행렬, ρ는 수신기의 SNR(Signal to Noise Ratio), Heff,g는 g번째 멀티셀 프리코딩 행렬을 사용하였을 경우의 실효 채널, 그리고 [·]i,i은 i번째 대각항(diagonal element)의 값을 의미한다.
  10. 복수의 기지국이 협력하여 통신하는 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력(MIMO) 동작을 위한 피드백 방법에 있어서,
    모든 전송 데이터에 대한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)를 측정하는 단계;
    측정된 SINR들 중에서 최적의 SINR을 갖는 멀티셀 프리코딩 행렬을 선택하는 단계;
    선택된 상기 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 지시 정보와 이 경우의 측정된 SINR을 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 지시 정보와 상기 SINR을 전송하는 단계에서는, 모든 멀티셀 프리코딩 행렬에 대한 상위 min(NR, 2L)(여기서, NR은 수신기의 안테나 개수, L은 하나의 기지국에서 보내는 전송 데이터의 개수, 그리고 min(a, b)는 a와 b 중에서 더 작거나 같은 값)개의 SINR과 그에 해당하는 프리코딩 벡터 인덱스를 전송하고,
    상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 하나 또는 그 이상의 단일셀 프리코딩 행렬을 이용하여 구성되고, 상기 단일셀 프리코딩 행렬들 각각에 곱해지는 계수들은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬과 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 허미션 행렬의 곱이 단위 행렬이 되는 조건을 만족하고, 상기 멀티셀 프리코딩 행렬은 상기 멀티셀 프리코딩 행렬의 행방향 또는 열방향으로 동일한 단일셀 프리코딩 행렬이 할당되는 것을 특징으로 하는 피드백 방법.
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