KR101507088B1 - 다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 빔 성형 및 공간분할 다중 접속 장치 및 방법 - Google Patents

다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 빔 성형 및 공간분할 다중 접속 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말기의 빔 성형(beamforming)에 관한 것으로, 단말기의 동작은, 다수의 빔 성형 가중치 벡터들 각각을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들을 순차적으로 송신하는 과정과, 상기 사운딩 신호들을 이용하여 기지국에 의해 결정된 상향링크 가중치 벡터 및 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 수신하는 과정과, 상기 상향링크 가중치 벡터에 따라 빔 성형된 송신 신호를 다수의 안테나들을 통해 송신하는 과정을 포함하여, 단말기의 빔 성형을 통해 채널 품질을 최대화할 수 있고, 특히, 상기 단말기의 빔 성형에 기반하여 상향링크 공간분할 다중 접속을 수행함으로써 상향링크의 전송용량을 극대화할 수 있다
MIMO, 빔 성형, 공간분할 다중 접속, 무선통신 시스템

Description

다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 빔 성형 및 공간분할 다중 접속 장치 및 방법{APARATUS AND METHOD FOR UPLINK BAEMFORMING AND SPACE-DIVISION MULTIPLE ACCESS IN MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}
본 발명은 다중 입출력 무선통신 시스템에 관한 것으로, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 빔 성형 및 빔 성형에 기반한 상향링크 공간분할 다중 접속을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 이동통신 시장의 급성장으로 인하여 무선 환경에서 다양한 멀티미디어 서비스가 요구된다. 따라서 최근에는 상기 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템의 연구가 진행되고 있다.
상기 다중 입출력 무선통신 시스템은 안테나별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 신호를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 입출력 안테 나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 다중 안테나 입출력 시스템은 다중 사용자를 지원하는 다중 사용자 환경의 다중 입출력 안테나 시스템으로 확장할 수 있다. 즉, 상기 다중 사용자 환경의 다중 입출력 안테나 시스템은 상기 다중 안테나를 통해 확보한 공간자원을 동시에 여러 명의 사용자가 공유하여 주파수 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기 다중 입출력 무선통신 시스템 기술중 공간 다중화 (spatial multiplexing, SM) 기술은 하나의 송신기와 하나의 수신기 간에 다수의 공간적인 부 채널(spatial subchannel)들을 동시에 형성하여 각 공간적인 부 채널 별로 독립적으로 데이터를 전송함으로써 각 링크에서의 데이터 전송용량을 증가시키는 방법이다. 또한, 공간분할 다중 접속(SDMA : Space Division Multiple Access) 기술은 다수의 수신기들에게 동시에 데이터 신호들을 전송함으로써 시스템의 전송 용량을 증가시킬 수 있다. 기지국(BTS : Base Tranceiver Station)에서
Figure 112009020061518-pat00001
개의 송/수신 안테나가 사용되고 단말기(AT : Access Terminal)에서
Figure 112009020061518-pat00002
개의 송/수신 안테나가 사용되는 시스템을 가정할 경우, 하향링크 공간 다중화 및 공간분할 다중 접속을 위해 기지국에서
Figure 112009020061518-pat00003
개의 송신 안테나와 단말기에서
Figure 112009020061518-pat00004
개의 수신 안테나를 사용하고, 상향링크 공간 다중화 및 공간분할 다중 접속을 위해 단말기에서
Figure 112009020061518-pat00005
개의 송신 안테나와 기지국에서
Figure 112009020061518-pat00006
개의 수신안테나를 사용할 수 있다.
하지만, 전력사용이 자유로운 기지국과는 달리, 단말기는 전력 사용의 제한을 받으므로, 상기 단말기는 전력 사용 효율의 극대화를 위하여 전력증폭기와 같이 많은 전력을 소모하는 RF(Radio Frequency) 송신 체인(chain)을 동시에 다수 개 사용할 수 없다. 따라서, 단말기의 전력 제한을 극복하고 공간 다중화 및 공간분할 다중 접속을 적용하기 위해, 단말기에서 하나의 수신 RF 체인을 이용하여 공간분할 다중 접속을 수행하기 위한 대안이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 신호 전송용량을 극대화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 상향링크 신호 전송을 위한 빔 성형을 하고, 빔 성형에 기반하여 상향링크 공간분할 다중 접속을 하기위한 데이터 송수신 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말의 동작 방법은, 다수의 빔 성형(beamforming) 가중치 벡터들 각각을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들을 순차적으로 송신하는 과정과, 상기 사운딩 신호들을 이용하여 기지국에 의해 결정된 상향링크 가중치 벡터 및 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 수신하는 과정과, 상기 상향링크 가중치 벡터에 따라 빔 성형된 송신 신호를 다수의 안테나들을 통해 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 다수의 단말기들 각각으로부터 다수의 빔 성형 가중치 벡터들 각각을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들을 수신하는 과정과, 상기 빔 성형된 사운딩 신호들 각각에 대응되는 유효 채널 벡터를 추정하는 과정과, 상기 유효 채널 벡터들 각각에 대응되는 채널 품질 값들을 산출하는 과정과, 상기 채널 품질 값들을 이용하여 상향링크 통신을 수행할 적어도 하나의 단말기를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말 장치는, 다수의 빔 성형 가중치 벡터들 각각을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들을 순차적으로 송신하는 빔 성형기, 상기 사운딩 신호들을 이용하여 기지국에 의해 결정된 상향링크 가중치 벡터 및 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 확인하는 정보 복원기, 상기 상향링크 가중치 벡터에 따라 송신 신호를 빔 성형하도록 제어하는 통신 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국 장치는, 다수의 단말기들 각각으로부터 다수의 빔 성형 가중치 벡터들 각각을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들을 수신하고, 상기 빔 성형된 사운딩 신호들 각각에 대응되는 유효 채널 벡터를 추정하는 채널 추정기, 상기 유효 채널 벡터들 각각에 대응되는 채널 품질 값들을 산출하고, 상기 채널 품질 값들을 이용하여 상향링크 통신을 수행할 적어도 하나의 단말기를 선택하는 통신 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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상술한 바와 같이 본 발명은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말기는 빔 성형을 함으로써, 채널 품질을 최대화할 수 있고, 특히, 상기 단말기의 빔 성형에 기반하여 상향링크 공간분할 다중 접속을 수행함으로써 상향링크의 전송용량을 극대화할 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 무선통신 시스템에서 빔 성형을 하고, 빔 성형에 기반하여 상향링크 공간분할 다중 접속 송수신 장치 및 방법에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말기의 구조를 도시한 도면이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단말기는 다수의 송수신 안테나들(101 내지 103), 다수의 수신 체인들(104 내지 106), 정보 복원기(111), 통신 제어기(112), MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨 결정기(113), 사운딩 신호 발생기(114), 신호 처리기(115), 송신 RF(Radio Frequency) 체인(116), RF 스위치(117), 고정 RF 빔 성형기(118)를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 송수신 안테나들(101 내지 103)은 기지국으로부터 하향링크 신호를 수신하여 다수의 수신 체인들(104 내지 106)로 제공하고, 상기 고정 RF 빔 성형기(118)에서 빔 성형 된 상향링크 신호를 기지국으로 전송한다.
상기 다수의 수신 체인들(104 내지 106)은 상기 다수의 송수신 안테나들(101 내지 103)로부터 제공받은 다수의 하향링크 신호들을 기저대역 신호들로 변환하고, 상기 기저대역 신호들을 상기 정보 복원기(111)로 제공한다.
상기 정보 복원기(111)는 상기 다수의 수신 체인들(104 내지 106)로부터 제공받은 상기 기저대역 신호들을 비트열로 변환한다. 그리고, 상기 정보 복원기(111)는 비트열 내의 정보들 중 최적 송신 가중치 벡터 인덱스
Figure 112009020061518-pat00189
를 확인하여 통신 제어기(112)로 제공한다. 그리고, 상기 정보 복원기(111)는 상기 단말기에 대한 최적 송신 가중치 벡터에 대한 신호 대 간섭 및 잡음 비(SINR : Signal to Interference Noise Ratio, 이하 'SINR'이라 칭함)
Figure 112009020061518-pat00190
를 확인하여 상기 MCS 레벨 결정기(113)로 제공한다.
상기 통신 제어기(112)는 상기 RF 스위치(112)를 제어함으로써 송신 경로를 선택한다. 특히, 본 발명에 따라, 상기 통신 제어기(112)는 상기 정보 복원기(111)로부터 제공된 상기 단말기에 대한 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00191
로 송신 경로를 설정하도록 상기 RF 스위치(117)를 제어한다.
상기 MCS 레벨 결정기(113)는 상기 정보 복원기(111)로부터 제공된 상기 단말기에 대한 최적 송신 가중치의 SINR
Figure 112009020061518-pat00192
에 대응되는 MCS 레벨을 결정한다. 그리고, 상기 MCS 레벨 결정기(113)는 상기 결정된 MCS 레벨을 상기 신호 처리기(115)로 알린다.
상기 사운딩 신호 발생기(114)는 사운딩 신호를 발생시킨다. 상기 사운딩 신호는 상향링크 채널을 추정하기 위하여 정의된 미리 약속된 신호이다. 상기 사운딩 신호 발생기(114)에서 발생된 상기 사운딩 신호는 상기 송신 RF 체인(116)으로 제공된다. 여기서, 상기 시스템이 사운딩 신호가 필요한 이유는 상기 시스템에서 하향링크 채널정보만을 이용하여 역방향 링크에서의 SINR을 최대화하는 상향링크 빔 성형 가중치를 결정하는 것은 시분할 시스템인 경우에도 불가능하기 때문이다. 더욱이, 동일 셀 내 간섭이 존재하는 공간분할 다중 접속의 경우, 각 단말기별로 수신하는 하향링크 채널 정보만을 이용하여 동일 셀 간섭을 최소화함과 동시에 전송될 가중치들을 결정하는 것이 불가능하다. 따라서, 시분할 다중화 시스템이라 하더라도, 하향링크 채널 추정을 통해 상향링크의 SINR을 최대화하는 최적의 가중치 및 그에 따른 상향링크 수신 SINR을 단말기에서 추정하는 것은 불가능하다. 결과적으로, 시분할 다중화 시스템의 상향링크 및 하향링크 채널간 상호성을 이용할 수 없기 때문에, 기지국이 상향링크 채널 추정을 수행하고, 이에 근거하여 상기 기지국이 최적의 가중치를 결정하기 위하여, 상기 사운딩 신호가 송신되어야 한다.
상기 신호 처리기(115)는 트래픽 데이터를 부호화 및 변조함으로써 송신될 데이터 신호를 생성하고, 상기 데이터 신호를 상기 송신 RF 체인(116)로 제공한다. 이때, 상기 신호 처리기(115)는 상기 MCS 레벨 결정기(113)에서 제공된 수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00193
에 대응되는 MCS 레벨에 따라 트래픽 데이터를 부호화 및 변조한다.
삭제
상기 송신 RF 체인(116)은 상기 신호 처리기(115)에서 제공된 트래픽 데이터 신호와 상기 사운딩 신호 발생기(114)에서 제공된 사운딩 신호등의 기저대역 신호를 RF 대역신호로 변환한다. 송신 가중치 벡터가 결정되기 전, 상기 송신 RF 체인(116)은 상기 사운딩 신호 발생기(114)에서 제공된 상기 사운딩 신호를 상기 RF 스위치(117)로 제공한다. 그리고, 상기 송신 가중치 벡터가 결정된 후, 상기 송신 RF 체인(116)은 상기 신호 처리기(115)에서 제공된 트래픽 데이터 신호를 상기 RF 스위치(117)로 제공한다.
상기 RF 스위치(117)는 빔 성형을 하기 위한 하나의 가중치 벡터를 선택한다. 다시 말해, 상기 RF 스위치(117)는 상기 송신 RF 체인(116)에서 제공된 사운딩 신호 또는 상기 트래픽 데이터 신호가 다수의 빔 성형 가중치들 중 하나를 통해 빔 성형이 되도록 신호의 송신 경로를 스위칭한다. 상기 송신 가중치 벡터가 결정되기 전, 상기 RF 스위치(117)는 상기 송신 RF 체인(116)으로부터 제공된 상기 사운딩 신호를 입력받아 RF 빔 성형기(118)로 제공하되, 모든 가중치 벡터들을 순차적으로 적용하여 빔 성형이 되도록 경로를 스위칭한다. 그리고, 상기 송신 가중치 벡터가 결정된 후, 상기 RF 스위치(117)는 상기 송신 RF 체인(116)으로부터 제공되는 데이터 신호를 입력받아 RF 빔 성형기(118)로 제공하되, 결정된 송신 가중치 벡터로 빔 성형되도록 경로를 유지한다.
상기 고정 RF 빔 성형기(118)는 미리 정의된 다수의 빔 성형 가중치들을 포함하며, 상기 다수의 빔 성형 가중치들 중 하나를 이용하여 빔 성형을 하고
Figure 112009020061518-pat00194
개의 안테나를 통하여 기지국으로 빔 성형 된 신호를 전송한다. 송신 가중치 벡터가 결정되기 전, 상기 고정 RF 빔 성형기(118)는 상기 RF 스위치(117)로부터 상기 사운딩 신호를 입력받아 순차적으로 빔 성형 가중치들 각각을 적용하여 빔 성형을 하고, 빔 성형 된 사운딩 신호들을 순차적으로 출력한다. 상기 송신 가중치 벡터가 결정된 후, 상기 고정 RF 빔 성형기(118)는 상기 통신 제어기(112)로부터 제공된 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스에 대응되는 빔 성형 가중치를 이용하여 상기 RF 스위치(117)로부터 제공되는 데이터 신호의 빔 성형을 수행한다. 다시 말해, 상기 고정 RF 빔 성형기(118)는
Figure 112009020061518-pat00195
개의 빔 성형 가중치 벡터들 중 상기 RF 스위치(117)에 의해 선택된 빔 성형 가중치 벡터를 이용하여 상기 신호 처리기(115)로부터 제공되는 데이터 신호의 빔 성형을 수행한다. 여기서,
Figure 112009020061518-pat00196
크기의
Figure 112009020061518-pat00197
개의 가중치들은 하기 <수학식 1>의 조건을 만족해야한다.
Figure 112008020665012-pat00020
Figure 112008020665012-pat00021
Figure 112008020665012-pat00022
Figure 112008020665012-pat00023
, ,
상기 <수학식 1>에서 상기
Figure 112009020061518-pat00198
는 j번째의 빔 성형 가중치 벡터, 상기
Figure 112009020061518-pat00199
은 송신 안테나의 개수를 의미한다.
즉, 상기 고정 RF 빔 성형기(118)에서 사용되는
Figure 112009020061518-pat00200
개의 고정 가중치들은 서로 직교해야한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 구조를 도시한 도면이다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 다수의 송수신 안테나들(201 내지 203), 다수의 수신 체인들(204 내지 206), 채널 추정기(211), 통신 제어기(212), 제어 정보 생성기(213), 신호 처리기(214), 다수의 송신 체인들(221 내지 223)을 포함하여 구성된다.
상기 다수의 송수신 안테나들(201 내지 203)은 단말기들로부터 수신된 상향링크 신호를 수신하여 다수의 수신 체인들(204 내지 206)로 제공하고, 상기 다수의 송신 체인들(221 내지 223)로부터 하향링크 신호들을 제공받아 상기 단말기들로 전송한다.
상기 다수의 수신 체인들(204 내지 206)은 상기 다수의 안테나들(201 내지 203)로부터 제공된 다수의 상향링크 신호들을 기저대역 신호로 변환하고, 변환한 상기 기저대역 신호들을 채널 추정기(211)로 제공한다. 만일, 상기 시스템이 기저대역 신호로 변환되기 이전의 신호를 채널추정에 이용하는 시스템이라면, 상기 다수의 수신 체인들은 채널추정을 위한 대역의 신호로 변환할 수 있다.
상기 채널 추정기(211)는 상기 다수의 수신 체인들(204 내지 206)로부터 제공되는 신호들 중 사운딩 신호를 이용하여 상기 단말들 각각의 송신 가중치별 상향링크 유효채널벡터
Figure 112009020061518-pat00201
들을 추정하여 상기 통신 제어기(212)로 제공한다. 상기 상향링크 유효채널벡터는 하기 <수학식 2>와 같이 구성된다.
Figure 112008020665012-pat00029
상기 <수학식 2>에서, 상기
Figure 112009020061518-pat00202
는 k번째 단말기의
Figure 112009020061518-pat00203
개의 송신 안테나로부터 기지국의
Figure 112009020061518-pat00204
개 수신 안테나로의 채널 응답을 나타내는
Figure 112009020061518-pat00205
크기의 행렬, 상기 상기
Figure 112009020061518-pat00206
은 송신 가중치 벡터, 상기
Figure 112009020061518-pat00207
는 k번째 단말기가 송신 가중치 벡터
Figure 112009020061518-pat00208
을 사용할 경우의 상향링크 유효채널벡터를 의미한다.
상기 통신 제어기(212)는 상향링크 채널벡터
Figure 112009020061518-pat00209
와 타 셀 간섭, 수신 잡음 등을 이용하여 각 단말기의 가중치 벡터별 SINR들
Figure 112009020061518-pat00038
을 추정한다. 그리고, 상기 통신 제어기(212)는 단말기의 가중치별 SINR들을 이용하여 각 단말기의 상기 SINR을 최대로 하는 최적의 송신 가중치 벡터들
Figure 112009020061518-pat00040
를 결정하고, 상기 최적의 송신 가중치 벡터에 대응되는 최대 수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00041
를 확인한다. 다시 말해, 상기 통신 제어기(211)는 단말기들 각각에 대한 상향링크 수신 SINR을 최대로 하는 송신 가중치 벡터들
Figure 112009020061518-pat00042
및 최대 수신 SINR들
Figure 112009020061518-pat00043
을 추정한다. 상기 단말기들 각각의 상향링크 수신 SINR을 최대로 하는 송신 가중치 벡터들은 하기 <수학식 3>과 같이 추정된다.
삭제
Figure 112008020665012-pat00044
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112009020061518-pat00045
은 k번째 단말기의 n번째 가중치 벡터의 SINR, 상기
Figure 112009020061518-pat00046
은 단말기들 각각에 대한
Figure 112009020061518-pat00047
개의 가중치 벡터들, 상기
Figure 112009020061518-pat00048
는 단말기들 각각의 상향링크 SINR을 최대로 하는 송신 가중치 벡터들을 나타낸다.
상기 통신 제어기(212)는 단말별 수신 SINR을 최대로 하는 송신 가중치들을 이용하여 스케줄링 알고리즘에 따라 최대 우선순위(priority)를 갖는 하나의 단말기를 선택한다. 예를 들어, PF(Proportional Fairness) 방식에 따르는 경우, 상기 통신 제어기(212)는 하기 <수학식 4>과 같이 신호를 전송할
Figure 112009020061518-pat00049
번째 단말기를 선택한다.
Figure 112008020665012-pat00050
상기 <수학식 4>에서, 상기
Figure 112009020061518-pat00051
은 k번째 단말기의 상향링크에서 최적 가중치
Figure 112009020061518-pat00052
을 통해 가능한 데이터 전송률, 상기
Figure 112009020061518-pat00053
는 k번째 단말기의 상향링크의 평균 데이터 전송률을 의미한다.
상기 통신 제어기(212)는 상기 스케줄링 알고리즘에 따라 선택된
Figure 112009020061518-pat00054
번째 단말기의 상향링크 SINR을 최대로 하는 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00055
및 최대 SINR
Figure 112009020061518-pat00056
를 제어 정보 생성기(214)로 알린다.
그리고, 빔 성형에 따른 공간 분할 다중 접속 시, 상향링크 통신을 수행하고자 하는 다수의 단말기들이 존재하기 때문에, 상기 기지국은 상향링크 통신을 수행할 단말기들을 선택해야한다. 이 경우, 상기 통신 제어기(212)는 다중 사용자 스케줄링을 수행한다. 상기 다중 사용자 스케줄링은 스케줄링 기준(criterion)에 만족하도록 상향링크 신호를 전송할 단말기들과 각 단말기들이 사용할 가중치를 모두 고려하여 수행된다. 예를 들어, 스케줄링의 기준이 시스템의 상향링크 전송 용량의 최대화인 경우, 총 K개의 단말기들 중에서 어떠한 단말기들이 어떠한 상향링크 빔 성형 가중치들을 사용하여 상향링크 신호를 전송하는 것이 시스템 전송 용량을 최대로 할 것 인지가 다중 사용자 스케줄링을 통해 결정된다. 각 단말기는 하나의 데이터 신호만을 전송하기 때문에 동시에 신호를 전송하는 단말기 개수는 동시에 전송되는 동일 셀 내 상향링크 신호 개수와 동일하다. 상기 기지국에서
Figure 112009020061518-pat00057
개의 수신 안테나를 사용하는 경우, 상향링크 공간분할 다중 접속을 통해 동일 셀 내에서 최대
Figure 112009020061518-pat00058
개의 데이터 신호들이 전송될 수 있다. 다시 말해, 최대
Figure 112009020061518-pat00059
개의 단말기들이 동시에 상향링크 데이터 신호를 전송할 수 있다.
스케줄링 기준(criterion)을 만족하는 최적의 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00060
와
Figure 112009020061518-pat00061
에 속한 단말기들이 사용할 최적의 빔 성형 가중치벡터 집합
Figure 112009020061518-pat00062
는 상기 기지국의 수신 안테나 수
Figure 112009020061518-pat00063
, 셀 내 사용자 수 K , 그리고 상향링크 채널의 공간 상관도 등에 따라 달라진다. 따라서, 최적의
Figure 112009020061518-pat00064
와
Figure 112009020061518-pat00065
를 결정하기 위해서, 상기 기지국은 동시에 전송하는 단말기 개수
Figure 112009020061518-pat00066
을 1에서
Figure 112009020061518-pat00067
까지 증가시키며 가능한 모든 단말기 집합들을 고려한다. 동시에 신호를 전송하는 단말기 개수가
Figure 112009020061518-pat00068
인 모든 가능한 데이터 전송 단말기 집합의 경우의 수는
Figure 112009020061518-pat00069
, (
Figure 112009020061518-pat00210
)이다. 따라서, 동시에 신호를 전송하는 단말기 개수가
Figure 112009020061518-pat00072
인 경우, 고려해야 할 데이터 전송 단말기 집합들은
Figure 112009020061518-pat00073
이다. 또한, 상기 기지국은 고려하는 전송 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00074
에 대하여,
Figure 112009020061518-pat00075
에 속하는 단말기들이
Figure 112009020061518-pat00076
개의 송신 가중치들 사용할 수 있는 모든 경우를 고려한다. 즉,
Figure 112009020061518-pat00077
개의 단말기가 신호를 전송하는 경우들 중에서 m번째 경우의 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00078
에 대해,
Figure 112009020061518-pat00079
에 속한 각 단말기가
Figure 112009020061518-pat00080
개의 송신 가중치 중에서 하나의 송신 가중치를 사용할 수 있기 때문에, 고려해야 할 총 가중치 집합의 수는
Figure 112009020061518-pat00081
이 된다. 즉, 상기 기지국은
Figure 112009020061518-pat00082
에 대해
Figure 112009020061518-pat00083
의 가중치 집합을 추정해야 한다. 따라서, 공간분할 다중 접속을 지원하는 경우, 상기 통신 제어기(212)는 공간분할 다중 접속시의 최적의 단말기와 최적의 가중치의 집합을 결정하여 제어 정보 생성기(213)로 제공한다. 여기서, 공간분할 다중 접속시에 최적의 단말기와 최적의 가중치의 집합을 결정하기 위한 상기 통신 제어기(212)의 상세한 동작은 이하 도 5를 참고하여 상세히 설명한다.
상기 제어 정보 생성기(213)는 상기 통신 제어기(212)에서 제공된 정보들을 포함하는 제어 정보를 생성하여 상기 신호 처리기(214)에 제공한다. 빔 성형에 의해 1개의 단말기가 신호를 전송하는 경우, 상기 제어 정보 생성기(213)는 하나의 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00084
정보와 하나의 최대수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00085
정보를 포함하는 제어 정보를 생성한다. 반면, 공간분할 다중 접속 기법에 의하여 다수의 단말기가 신호를 전송하는 경우, 상기 제어 정보 생성기(213)는 다수의 최적 송신 가중치 집합
Figure 112009020061518-pat00086
의 정보와 다수의 최적의 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00087
의 정보를 포함하는 제어 정보를 생성한다.
상기 신호 처리기(214)는 제어 정보 비트열을 부호화 및 변조함으로써 송신될 제어신호를 생성하여 상기 다수의 송신 체인들(221 내지 223)로 제공한다. 이때, 빔 성형에 의해 1개의 단말기가 신호를 전송하는 경우, 상기 신호 처리기(214)는 상기 제어 정보 생성기(213)로부터 제공된 하나의 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00088
와 하나의 최대수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00089
를 포함하는 제어신호를 생성한다. 반면, 공간분할 다중 접속 기법에 의하여 다수의 단말기들이 신호를 전송하는 경우, 상기 제어 정보 생성기(213)로부터 다수의 최적 송신 가중치 집합
Figure 112009020061518-pat00090
과 다수의 최적의 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00091
를 포함하는 제어신호를 생성한다.
상기 다수의 송신 체인들(221 내지 223)은 상기 제어 정보 신호를 하나의 단말기 혹은 다수의 단말기들로 전송한다. 빔 성형에 의해 1개의 단말기가 신호를 전송하는 경우, 상기 다수의 송신 체인들(221 내지 223)은 상기 신호 처리기(214)로부터 제공되는 하나의 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00092
와 하나의 최대수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00093
을 포함하는 제어신호를
Figure 112009020061518-pat00094
번째 단말기로 전송한다. 그리고, 공간분할 다중 접속 기법에 의하여 다수개의 단말기가 신호를 전송하는 경우, 상기 다수의 송신 체인들(221 내지 223)은 상기 신호 처리기(214)로부터 제공되는 다수의 최적 송신 가중치 집합
Figure 112009020061518-pat00095
및 다수의 최적의 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00096
의 정보를 포함하는 제어신호들을 상기 단말기 집합에 속해 있는 단말기들로 전송한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말기의 상향링크 통신 절차를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참고하면, 상기 단말기는 301단계에서 사운딩 신호를 생성 및 전송한다. 이때, 상기 단말기는 사운딩 신호를 생성하고, 다수의 빔 성형 가중치 벡터들 각각을 이용하여 상기 사운딩 신호를 빔 성형한다. 그리고, 상기 단말기는 빔 성형된 다수의 사운딩 신호들을 순차적으로 기지국으로 전송한다. 여기서, 상기 다수의 빔 성형 가중치 벡터들은 미리 정의되어 상기 단말기에 저장되어 있다.
이후, 상기 단말기는 302단계로 진행하여 기지국으로부터의 제어 정보가 수신되는지 확인한다. 만일, 상기 제어 정보가 수신되지 않으면 상기 단말기는 302단계로 돌아가 제어 정보의 수신 여부를 재확인한다.
한편, 상기 제어 정보가 수신되면 상기 단말기는 303단계로 진행하여 수신된 제어 정보를 통해 기지국에 의해 결정된 최적의 상향링크 송신 가중치 인덱스
Figure 112009020061518-pat00097
와 해당 최대 수신 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio ; 이하 SINR이라 칭함)
Figure 112009020061518-pat00098
를 확인한다.
이후, 상기 단말기는 304단계로 진행하여 상기 확인한 최대 수신 SINR
Figure 112008020665012-pat00099
을 이용하여 송신될 데이터에 적용될 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정한다. 여기서 MCS 레벨 결정은 SINR 대 변조 및 코딩 방식 정보를 포함하는 MCS 테이블을 검색함으로써 수행된다.
상기 MCS 레벨을 결정한 후, 상기 단말기는 305단계로 진행하여 결정된 MCS 레벨로 상기 데이터를 부호화 및 변조한다. 즉, 상기 단말기는 상기 데이터를 부호화 및 변조함으로써 기저대역 신호를 구성한다.
이후, 상기 단말기는 306단계로 진행하여 상기 303단계서 확인된 최적의 상향링크 송신 가중치 벡터에 대응되는 경로로 송신 경로를 설정한다. 이에 따라, 이후의 전송될 데이터 신호들은 상기 선택된 빔 성형 가중치를 통하여 빔 성형 된다.
이후, 상기 단말기는 307단계로 진행하여 데이터를 전송한다. 이때, 상기 단말기는 상기 최적의 송신 가중치 벡터를 이용하여 빔 성형을 수행한다. 그리고, 상기 단말기는 빔 성형 된 데이터 신호를 기지국으로 전송한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다중입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 과정을 도시하고 있다.
상기 도 4에 따르면, 상기 기지국은 401단계에서 K개의 단말기의
Figure 112008020665012-pat00100
개의 가중치 벡터들로부터 사운딩 신호들이 모두 수신되는지 확인한다. 여기서, 하나의 단말기당
Figure 112008020665012-pat00101
개의 가중치 벡터가 사용되므로, 수신되는 총 사운딩 신호들의 개수는
Figure 112008020665012-pat00102
개이다.
만일, 상기 K개의 단말기로부터 사운딩 신호들이 모두 수신되면, 상기 기지국은 402단계로 진행하여 K개의 단말기들로부터 수신된 사운딩 신호들을 이용하여 단말기들 각각의 상향링크 유효채널 벡터
Figure 112009020061518-pat00103
들을 추정한다.
이후, 상기 기지국은 403단계로 진행하여 상기 각 단말기로부터 추정된 상기 상향링크 유효채널 벡터
Figure 112009020061518-pat00104
와 타 셀 간섭, 수신잡음 등을 고려하여 각 단말기의 가중치 벡터별 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio ; 이하 SINR이라 칭함)들
Figure 112009020061518-pat00105
을 추정한다.
이후, 상기 기지국은 404단계로 진행하여 단말별 최적의 송신 가중치 벡터
Figure 112008020665012-pat00106
를 추정한다. 다시 말해, 상기 기지국은 각 단말의 SINR을 최대화하는 단말별 최적의 송신 가중치 벡터를 추정한다. 이를 위해, 상기 기지국은 단말별 최대 SINR을 검색하고, 최대 SINR에 대응되는 송신 가중치 벡터를 확인한다. 상기 최적의 송신 가중치 벡터 추정을 수식으로 표현하면 상기 <수학식3>과 같다.
이후, 상기 기지국은 405단계로 진행하여 상향링크 통신을 수행할
Figure 112009020061518-pat00107
번째 단말기를 선택한다. 이때, 상향링크 통신을 수행할
Figure 112009020061518-pat00108
번째 단말기는 기지국의 스케줄링 알고리즘에 따라 최대 우선순위(priority)를 갖는 단말기를 선택함으로써 수행된다. 예를 들어, PF(proportional fairness) 스케줄러의 경우, 상기 기지국은 상기 <수학식 4>와 같이 상향링크 통신을 수행할
Figure 112009020061518-pat00109
번째 단말기를 선택한다.
이후, 상기 기지국은 406단계로 진행하여 상기
Figure 112009020061518-pat00110
번째 단말기로 상향링크에서 상기 SINR을 최대로 하는 최적 송신 가중치 벡터의 인덱스
Figure 112009020061518-pat00111
의 정보와 해당 최대 수신 SINR
Figure 112009020061518-pat00112
의 정보를 포함하는 제어 정보를 전송한다. 이로 인해, 상기 제어 정보를 수신한 상기
Figure 112009020061518-pat00113
번째 단말기는 상기 최적의 송신 가중치 인덱스에 해당하는 가중치로 상향링크 통신을 수행한다. 이때, 상기 송신 가중치 벡터들은 상기 401단계에서 수신된 사운딩 신호들 각각에 대응되므로, 상기 기지국은 상기 송신 가중치 벡터의 인덱스를 대신하여 사운딩 신호의 인덱스를 상기 제어 정보에 포함시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참고하면, 상기 기지국은 501단계에서 K개의 단말기로부터
Figure 112009020061518-pat00114
개의 가중치 벡터들을 통해 빔 성형된 사운딩 신호들이 수신되는지 확인한다. 여기서, 하나의 단말기당
Figure 112009020061518-pat00115
개의 가중치 벡터가 사용되므로, 수신되는 총 사운딩 신호들의 개수는
Figure 112009020061518-pat00116
개이다.
만일, 상기 K개의 단말기로부터 사운딩 신호들이 모두 수신되면, 상기 기지국은 502단계로 진행하여 K개의 단말기들로부터 수신된 사운딩 신호들을 이용하여 단말기들 각각의 가중치 벡터 별 상향링크 유효채널 벡터들
Figure 112009020061518-pat00117
을 추정한다.
이후, 상기 기지국은 503단계로 진행하여 상향링크 통신을 수행할 단말기 개수를 나타내는 변수
Figure 112009020061518-pat00211
을 1로 초기화하고, 동시 신호를 송신하는 단말기 개수가
Figure 112009020061518-pat00212
인 경우의 가능한 단말기 집합의 인덱스 m을 1로 초기화한다. 또한, 상기 기지국은 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00120
에 대하여, 고려해야 할 가중치 집합에 대한 인덱스 x를 1로 초기화한다.
이후, 상기 기지국은 504단계로 진행하여 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00121
가 가중치 집합
Figure 112009020061518-pat00122
를 사용하였을 때, 스케줄링 알고리즘에 따른 스케줄링 우선순위(priority)
Figure 112009020061518-pat00123
를 계산한다. 예를 들어, 시스템 전송 용량을 최대화하는 스케줄링 알고리즘을 사용하는 경우, 상기 기지국은 단말기 집합
Figure 112009020061518-pat00124
에 가중치 집합
Figure 112009020061518-pat00125
을 적용하는 경우에 대응되는 전송률 합(sum throughput)을 계산한다. 만일
Figure 112009020061518-pat00213
, m, x의 값이 모두 1인 경우, 상기 기지국은 현재의 스케줄링 우선순위를 최대값으로 설정한다.
이후, 상기 기지국은 505단계로 진행하여 상기 504단계에서 계산된 스케줄링 우선순위
Figure 112009020061518-pat00126
가 최대값인지를 판단한다. 만일, 상기 504단계에서 계산된 스케줄링 우선순위가 최대값인 경우, 상기 기지국은 506단계로 진행하여
Figure 112009020061518-pat00128
및
Figure 112009020061518-pat00129
를 최적의 단말기 집합과 최적의 가중치 집합으로 결정한다. 즉, 상기 최적의 단말기 집합 및 상기 최적의 가중치 집합의 결정은 상기 505단계 내지 이하 512단계를 반복함으로써 상기 x, 상기 m, 상기
Figure 112009020061518-pat00214
을
Figure 112009020061518-pat00130
,
Figure 112009020061518-pat00131
및
Figure 112009020061518-pat00132
까지 증가시키면서 수행된다.
한편, 상기 504단계에서 계산된 스케줄링 우선순위가 최대값이 아닌 경우, 상기 기지국은 507단계로 진행하여 상기 x의 값에 1을 더한 값을 새로운 x의 값으로 갱신한다.
이후, 상기 기지국은 508단계로 진행하여 현재의 x의 값이 고려해야할 총 가중치 집합의 개수보다 큰지 판단한다. 여기서, 현재의 x의 값이 고려해야할 총 가중치 집합의 개수는
Figure 112009020061518-pat00134
이다, 즉, 상기 기지국은
Figure 112009020061518-pat00135
에 대해
Figure 112009020061518-pat00136
의 가중치 집합을 고려해야 한다. 만일, 상기 x의 값이
Figure 112009020061518-pat00137
의 값 이하인 경우, 상기 기지국은 504단계로 돌아가 현재의 x값에 대응되는 가중치 집합을 적용한 경우의 스케줄링 우선순위를 계산한다.
한편, 상기 x의 값이
Figure 112009020061518-pat00139
의 값보다 큰 경우, 상기 기지국은 509단계로 진행하여 상기 x의 값을 1로 초기화하고 m의 값에 1을 더한 값을 새로운 m의 값으로 갱신한다.
이후, 상기 기지국은 510단계로 진행하여 현재의 m의 값이 총 단말기 집합 개수
Figure 112009020061518-pat00140
보다 큰지 판단한다. 만일, 상기 m의 값이 상기
Figure 112009020061518-pat00143
의 값 이하인 경우, 상기 기지국은 504단계로 돌아가 현재의 m 값을 인덱스로 갖는 단말기 집합의 스케줄링 우선순위를 계산한다.
한편, 상기 x의 값이 상기
Figure 112009020061518-pat00145
의 값 이상인 경우, 상기 기지국은 511단계로 진행하여 상기 m의 값을 1로 초기화하고, 상기
Figure 112009020061518-pat00215
의 값에 1을 더한 값을 새로운
Figure 112009020061518-pat00216
의 값으로 갱신한다.
이후, 상기 기지국은 512단계로 진행하여 현재의
Figure 112009020061518-pat00217
의 값이 기지국의 안테나 수인
Figure 112009020061518-pat00146
보다 큰지 여부를 확인한다. 만일, 상기
Figure 112009020061518-pat00218
의 값이
Figure 112009020061518-pat00147
의 값 이하인 경우, 상기 기지국은 504단계로 돌아가 현재의 m 값을 인덱스로 갖는 단말기 집합의 스케줄링 우선순위를 계산한다.
한편, 상기
Figure 112009020061518-pat00219
의 값이 상기
Figure 112009020061518-pat00149
보다 큰 경우, 상기 기지국은 513단계로 진행하여 현재의 m 값을 인덱스로 갖는 단말기 집합에 포함되는 단말기들을 상향링크 통신을 수행할 단말기들로서 선택하고, 선택된 단말기들이 사용할 상기 최적의 송신 가중치 벡터들 및 상기 가중치 벡터들에 대응되는 수신 SINR들을 나타내는 제어 정보를 송신한다. 여기서, 상기 선택된 단말기들이 사용할 상기 최적의 송신 가중치 벡터들는 현재의 x값을 인덱스로 갖는 가중치 집합이다. 여기서, 상기 제어 정보 내에서, 상기 최적의 송신 가중치 벡터는 송신 가중치 벡터의 인덱스 또는 사운딩 신호의 인덱스로서 표현된다.
도 6은 하나의 단말기와 하나의 기지국만을 고려하는 빔 성형기술의 성능에 대한 모의 실험 결과를 도시한 도면이다.
상기 도 6에서, 본 발명의 빔 성형 기술의 성능을 분석하기 위해, 다양한 공간 상관도를 갖는 상향링크 다중 입출력 안테나 채널 환경에서 상향링크 전송 안테나 선택(TAS : Transmit Antenna Selection) 기술과의 성능을 비교 분석한다. 상기 상향링크 전송 안테나 선택기술은 상향링크 채널 추정을 통해 순시적으로 상향링크 채널 이득을 최대로 하는 단말기의 송신 안테나를 기지국에서 선택하고, 하향링크 시그널링 채널을 통해 선택된 송신 안테나와 해당 수신 신호 대 간섭 및 잡음 비를 상기 단말기에게 알려주고, 상기 단말기는 선택된 송신 안테나로 트래픽을 전송하는 방법이다. 상기 상향링크 전송 안테나 선택기술은 본 발명에서 제안하는 상향링크 빔 성형 방법과 동일한 채널 추정과 시그널링을 사용한다. 따라서, 제안하는 상향링크 빔 성형 방법은 상기 상향링크 전송 안테나 선택의 송신 안테나 도메인을 송신 가중치 도메인으로 바꾸어서 사용하는 것이다.
단말기의 송신 안테나 수
Figure 112009020061518-pat00150
은 2개이고 안테나 간격이
Figure 112009020061518-pat00151
이며, 기지국 수신 안테나 수
Figure 112009020061518-pat00152
는 4개이고 안테나 간격이
Figure 112009020061518-pat00153
인 하나의 송신기와 수신기간의 다중 송수신 안테나 링크를 고려한다. 사용된 상향링크 빔 성형 가중치 벡터는, 상기 <수학식 1>의 조건을 만족하는 하기 <수학식 5>와 같이 DFT (discrete Fourier transform) 행렬의 두 개의 칼럼 벡터를 이용하였다.
Figure 112008020665012-pat00154
상기 <수학식 5>에서
Figure 112008020665012-pat00155
와
Figure 112008020665012-pat00156
는 칼럼 벡터를 나타낸다.
MIMO 채널 계수를 10,000 번 발생시켜서 얻어진throughput 을 평균하여 성능 척도로 사용하였다. 채널 계수 발생시, 단말기의 송신단에서의 AOD(angle of depature)와 기지국의 수신단에서의 AOA(angle of arrival)은 (-60˚,60˚)내에서 균일하게 발생시켰다. 또한, 매 채널 발생시는 다음의 <수학식 6>을 이용하여 공간 상관도가 있는 다중 입출력 안테나 채널을 발생시켰으며, 단말기의 송신단에서의 공간상관행렬
Figure 112009020061518-pat00157
와 단말기의 수신단에서의 공간상관행렬
Figure 112009020061518-pat00158
은 선형 배열 안테나를 사용하며 각 스펙트럼(angular spectrum)이 AOD와 AOA를 중심으로 각각
Figure 112009020061518-pat00159
와
Figure 112009020061518-pat00160
만큼 균일하게 분포하는 모델을 사용하여 구하였다. k번째 단말기의 상향링크 채널 행렬은 다음과 같이 구해진다.
Figure 112008020665012-pat00161
상기 <수학식 6>에서
Figure 112008020665012-pat00162
은 단말기의 송신단에서의 공간상관행렬을 나타내고,
Figure 112008020665012-pat00163
는 단말기의 수신단에서의 공간상관행렬을 나타낸다.
Figure 112008020665012-pat00164
는 상관도가 없는
Figure 112008020665012-pat00165
크기의 복소 가우시안 행렬이다. 가시선(LOS : Line Of Sight)과 같이 공간 상관도가 높은 환경을 표현하기 위한
Figure 112008020665012-pat00166
의 경우와 비가시선(NLOS : Non Line Of Sight)와 같이 공간 상관도가 낮은 환경을 표현하기 위한
Figure 112008020665012-pat00167
의 경우를 고려하였다.
도 6에 따른 상향링크 빔 성형은
Figure 112009020061518-pat00168
가 작을수록 높은 이득을 제공하며, 가 상당히 큰
Figure 112009020061518-pat00169
의 경우에도 상향링크 안테나 선택보다 용량 면에서 약 2dB 이상의 이득을 제공함을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 빔 성형 기술과 상향링크 공간분할 다중 접속 기술의 평균 셀 용량을 비교한 도면이다. 상기 도 7는 단말기의 송신 안테나 수
Figure 112009020061518-pat00170
은 2개이고 안테나 간격이
Figure 112009020061518-pat00171
이며, 기지국 수신 안테나 수
Figure 112009020061518-pat00172
는 4개이고 안테나 간격이
Figure 112009020061518-pat00173
이며, K개의 상향링크 송신기를 포함하는 하나의 셀을 고려한다. 모든 K개의 상향링크 송신기들로부터 수신되는 평균 신호 대 간섭 및 잡음 비가
Figure 112009020061518-pat00174
로 동일하다고 가정하며, 모든 K개의 상향링크들에 대해
Figure 112009020061518-pat00175
로 가정한다. 기지국에서는 MMSE-SIC 수신기를 사용하여, 공간분할 다중 접속에서 동시에 전송되는 스트림들 간의 간섭이 없는 것으로 가정하였다. 제안하는 공간분할 다중 접속 기술은 K가 5인 경우에, 빔 성형이 K가 5나 15인 경우보다 상당히 높은 용량을 보임을 확인할 수 있다. 더구나, 평균 수신 신호대 간섭 및 잡음 비가 증가할수록 공간분할 다중 접속에 의한 용량 이득이 증가하는데, 이는 공간분할 다중 접속의 경우 평균 수신 신호 대 간섭 및 잡음 비가 증가할수록 동시에 데이터 스트림을 전송할 수 있는 단말기들의 수가 증가하지만, 빔 성형은 셀 내에서 동시에 전송하는 단말기 개수가 하나로 고정되어 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말기의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서의 기지국의 구조를 도시한 도면.
도 3은 단말기에서 빔 성형 및 공간분할 다중 접속의 과정을 도시한 흐름도.
도 4는 기지국에서 빔 성형과정을 도시한 흐름도.
도 5는 기지국에서 빔 성형에 따른 공간분할 다중 접속의 과정을 도시한 흐름도.
도 6는 하나의 단말기와 하나의 기지국만을 고려하는 빔 성형기술의 성능에 대한 모의 실험 결과를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 빔 성형 기술과 상향링크 공간분할 다중 접속 기술의 평균 셀 용량을 비교한 도면.

Claims (21)

  1. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말의 동작 방법에 있어서,
    하나의 RF(Radio Frequency) 체인(chain)을 통해 생성된 사운딩 신호를 RF 스위치를 통해 서로 다른 빔 성형(beamforming) 가중치 벡터에 대응하는 경로로 스위칭하여 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들을 생성하는 과정과,
    상기 빔 성형된 사운딩 신호들을 순차적으로 송신하는 과정과,
    상기 빔 성형된 사운딩 신호들을 이용하여 기지국에 의해 결정된 상향링크 가중치 벡터 및 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 수신하는 과정과,
    상기 하나의 RF 체인을 통해 생성된 데이터 신호에 상기 상향링크 가중치 벡터를 적용함으로써 빔 성형된 데이터 신호를 다수의 안테나들을 통해 송신하는 과정을 포함하고,
    상기 가중치 벡터의 개수는 단말의 송신 안테나의 개수와 동일하고, 각 가중치 벡터는 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 채널 품질 값에 대응되는 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨에 따라 송신 데이터를 부호화 및 변조함으로써 송신 신호를 생성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 빔 성형 가중치 벡터들은, 미리 정의되어 상기 단말에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기지국에 의해 결정된 상기 상향링크 가중치 벡터는, 상기 제어 정보 내에서 가중치 벡터의 인덱스 또는 사운딩 신호의 인덱스로서 지시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    다수의 단말기들 각각으로부터 다수의 빔 성형(beamforming) 가중치 벡터들 각각에 의해 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들을 수신하는 과정과,
    상기 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들 각각에 대응되는 유효 채널 벡터들을 추정하는 과정과,
    상기 유효 채널 벡터들 각각에 대응되는 채널 품질 값들을 산출하는 과정과,
    상기 채널 품질 값들을 이용하여 상향링크 통신을 수행할 적어도 하나의 단말기를 선택하는 과정을 포함하며,
    상기 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들은, 각 단말이 하나의 RF(Radio Frequency) 체인(chain)을 통해 생성된 사운딩 신호를 RF 스위치를 통해 서로 다른 빔 성형 가중치 벡터에 대응하는 경로로 스위칭하여 생성된 것이고,
    상기 가중치 벡터의 개수는 단말의 송신 안테나의 개수와 동일하고, 각 가중치 벡터는 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말기를 선택하는 과정은,
    각 단말기에 대하여, 최대 채널 품질 값에 대응되는 최적의 빔 성형 가중치 벡터 및 상기 최대 채널 품질 값을 추정하는 과정과,
    상기 각 단말기의 최적의 빔 성형 가중치 벡터를 통한 데이터 전송률 및 상기 각 단말기의 상향링크 평균 데이터 전송률을 산출하는 과정과,
    최대의 상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터를 통한 데이터 전송률 및 상기 평균 데이터 전송률의 비를 갖는 하나의 단말기를 상기 상향링크 통신을 수행할 단말기로서 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터 및 상기 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 선택된 단말기로 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터는, 상기 제어 정보 내에서 가중치 벡터의 인덱스 또는 사운딩 신호의 인덱스로서 지시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말기를 선택하는 과정은,
    사운딩 신호를 송신한 모든 단말기들로부터 가능한 모든 후보 단말기 집합들 및 가능한 모든 후보 가중치 조합들을 구성하는 과정과,
    상기 후보 단말기 집합들에 상기 후보 가중치 조합들을 적용한 경우들 각각에 대응되는 전송률 합들을 산출하는 과정과,
    최대 전송률 합에 대응되는 후보 단말기 집합을 상기 상향링크 통신을 수행할 단말기 집합으로서 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 최대 전송률 합에 대응되는 가중치 조합에 포함된 빔 성형 가중치 벡터들 및 상기 빔 성형 가중치 벡터들에 대응되는 채널 품질 값들을 나타내는 제어 정보를 송신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 단말 장치에 있어서,
    하나의 RF(Radio Frequency) 체인(chain)을 통해 생성된 사운딩 신호를 서로 다른 빔 성형(beamforming) 가중치 벡터에 대응하는 경로로 스위칭하는 RF 스위치,
    상기 RF 스위치를 통해 가중치 벡터들을 적용함으로써 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들을 생성하고, 상기 빔 성형된 사운딩 신호들을 순차적으로 송신하는 빔 성형기,
    상기 빔 성형된 사운딩 신호들을 이용하여 기지국에 의해 결정된 상향링크 가중치 벡터 및 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 확인하는 정보 복원기,
    상기 하나의 RF 체인을 통해 생성된 데이터 신호에 상기 상향링크 가중치 벡터를 적용함으로써 빔 성형된 데이터 신호를 다수의 안테나들을 통해 송신하도록 제어하는 제어기를 포함하고,
    상기 가중치 벡터의 개수는 송신 안테나의 개수와 동일하고, 각 가중치 벡터는 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 최대 채널 품질 값에 대응되는 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨에 따라 송신 데이터를 부호화 및 변조함으로써 송신 신호를 생성하는 신호 처리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 빔 성형기는, 미리 정의된 상기 서로 다른 빔 성형 가중치 벡터들을 저장하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 기지국에 의해 결정된 상기 상향링크 가중치 벡터는, 상기 제어 정보 내에서 가중치 벡터의 인덱스 또는 사운딩 신호의 인덱스로서 지시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    다수의 단말기들 각각으로부터 다수의 빔 성형(beamforming) 가중치 벡터들 각각에 의해 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들을 수신하고, 상기 빔 성형된 사운딩 신호들 각각에 대응되는 유효 채널 벡터들을 추정하는 채널 추정기,
    상기 유효 채널 벡터들 각각에 대응되는 채널 품질 값들을 산출하고, 상기 채널 품질 값들을 이용하여 상향링크 통신을 수행할 적어도 하나의 단말기를 선택하는 통신 제어기를 포함하며,
    상기 다수의 빔 성형된 사운딩 신호들은, 각 단말이 하나의 RF(Radio Frequency) 체인(chain)을 통해 생성된 사운딩 신호를 RF 스위치를 통해 서로 다른 빔 성형 가중치 벡터에 대응하는 경로로 스위칭하여 생성된 것이고,
    상기 가중치 벡터의 개수는 단말의 송신 안테나의 개수와 동일하고, 각 가중치 벡터는 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 통신 제어기는,
    각 단말기에 대하여 최대 채널 품질 값에 대응되는 최적의 빔 성형 가중치 벡터 및 상기 최대 채널 품질 값을 추정하고, 상기 각 단말기의 최적의 빔 성형 가중치 벡터를 통한 데이터 전송률 및 상기 각 단말기의 상향링크 평균 데이터 전송률을 산출한 후, 최대의 상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터를 통한 데이터 전송률 및 상기 평균 데이터 전송률의 비를 갖는 하나의 단말기를 상기 상향링크 통신을 수행할 단말기로서 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터 및 상기 최대 채널 품질 값을 나타내는 제어 정보를 생성하는 생성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 최적의 빔 성형 가중치 벡터는, 상기 제어 정보 내에서 가중치 벡터의 인덱스 또는 사운딩 신호의 인덱스로서 지시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 통신 제어기는,
    사운딩 신호를 송신한 모든 단말기들로부터 가능한 모든 후보 단말기 집합들 및 가능한 모든 후보 가중치 조합들을 구성하고, 상기 후보 단말기 집합들에 상기 후보 가중치 조합들을 적용한 경우들 각각에 대응되는 전송률 합들을 산출한 후, 최대 전송률 합에 대응되는 후보 단말기 집합을 상기 상향링크 통신을 수행할 단말기 집합으로서 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 최대 전송률 합에 대응되는 가중치 조합에 포함된 빔 성형 가중치 벡터들 및 상기 빔 성형 가중치 벡터들에 대응되는 채널 품질 값들을 나타내는 제어 정보를 생성하는 생성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 삭제
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