KR101518990B1

KR101518990B1 - 분산 다중 입출력 시스템에서 최적의 영점-강제 빔포밍을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101518990B1
Application number: KR1020080116078A
Authority: KR
Inventors: 박성우; 윤순영; 황근철; 황인석; 성원진; 박종현; 송의석
Original assignee: 삼성전자주식회사; 서강대학교산학협력단
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2015-06-05
Also published as: KR20100057177A

Abstract

본 발명은 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 최적의 영점-강제(Zero-Forcing : ZF) 빔포밍을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 MIMO 시스템에서 데이터 전송을 위한 방법은, 기지국 당 최대 전력 조건을 고려하여 송신 데이터에 전력을 할당하는 과정과, 상기 전력이 할당된 송신 데이터에 ZF 빔포밍을 수행하여 전송하는 과정을 포함하며, 일반적인 ZF 빔포밍 방식을 상기 분산 MIMO 시스템에 그대로 적용하였을 시 발생할 수 있는 문제점을 해결하고, 일반적인 ZF 빔포밍 방식 대비 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

분산 MIMO(Multiple Input Multiple Output), 영점-강제(Zero-Forcing : ZF), 전력 할당, 프리코딩

Description

분산 다중 입출력 시스템에서 최적의 영점-강제 빔포밍을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ZERO-FORCING BEAMFORMING IN DISTRIBUTED MIMO SYSTEM}

본 발명은 분산 MIMO 시스템에서 최적의 ZF 빔포밍을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 MIMO 시스템에서, 다중 사용자를 위한 ZF 빔포밍 방식의 하향링크 전송 시, 기지국 당 전송 가능한 최대 전력 제약 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 고속 및 고품질의 데이터 전송에 대한 요구가 증대됨에 따라, 이를 만족시키기 위한 기술 중의 하나로 다수의 송수신 안테나들을 사용하는 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : 이하 'MIMO'라 칭함) 기술이 크게 주목되고 있다. 상기 MIMO 기술은 다수의 안테나들로 인한 다수의 채널들을 이용하여 통신을 수행함으로써, 단일 안테나를 사용하는 경우보다 채널 용량을 크게 개선 시킬 수 있는 기술이다. 예를 들어, 송수신단이 모두 M개의 송신 안테나 및 수신 안테나를 사용하고, 각 안테나 간의 채널이 독립적이며, 대역폭과 전체 송신 전력이 고정되었을 경우, 평균 채널 용량은 단일 안테나에 비해 M배 증가하게 된다.

상기 MIMO 기술은 단일 사용자 MIMO(Single User MIMO : 이하 'SU-MIMO'라 칭함) 기술과 다중 사용자 MIMO(Multiple User MIMO : 이하 'MU-MIMO'라 칭함) 기술로 나누어질 수 있다. 상기 SU-MIMO 기술은 한 쌍의 송수신단이 다수의 안테나들에 의한 다수의 채널들을 모두 점유하여 일대 일 통신을 수행하기 위한 것이며, 상기 MU-MIMO 기술은 다수의 안테나들에 의한 다수의 채널들을 분할하여 사용함으로써, 일대 다수 관계인 송수신단 간에 통신을 수행하기 위한 것이다.

MU-MIMO 시스템에서는 다른 사용자 혹은 다른 안테나의 간섭을 줄이기 위해 송신단이 송신 신호에 채널의 역수를 곱하여 전송하는 영점-강제(Zero-Forcing : 이하 'ZF'라 칭함) 빔포밍 방식을 주로 사용한다. 상기 MU-MIMO 시스템에서 ZF 빔포밍 방식을 사용할 경우, 송신단은 총 전력 제한(total power constraint) 조건하에서 안테나별로 전력을 서로 다르게 설정할 수 있다. 예를 들어, 송신단이 4개의 안테나를 사용하고 총 20W의 전력을 사용 가능할 수 있을 경우, 각 안테나에 6W, 4W, 8W, 2W의 전력을 할당할 수 있다.

한편, 분산 MIMO 시스템은, 지리적으로 분산 배치된 다수의 유닛(Unit)들이 유선 또는 전용 회선으로 연결되어 단말의 정보를 공유하며 모두 같은 주파수 대역을 사용하여 데이터를 전송하는 시스템을 말한다. 여기서, 상기 유닛은 기지국(Base station), 중계국(Relay station), 분리되어 있는 증폭기(Amplifier) 중 하나가 될 수 있으며, 이하 설명에서는 기지국을 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 분산 MIMO 시스템의 하향링크 전송 시 가능한 전송 방식으로, 단일 사용자에 대한 단일 안테나 전송(Single-Antenna Transmission : SAT) 및 송신 안테나간 협조적 전송을 통한 수신 신호 대 간섭 및 잡음 비(Signal to Interference plus Noise Ratio : 이하 'SINR'이라 칭함)를 증대시키는 방안 등이 널리 연구되어 왔다. 특히 협조적 전송 기법에는 수신 SINR을 최대화하는 최대 비율 전송(Maximal Ratio Transmission : MRT), 송신 안테나간 송신 전력을 동일하게 송출하는 등이득 전송(Equal Gain Transmission : 이하 'EGT'라 칭함), 시공간 블록 부호화(Space-Time Block Coding : 이하 'STBC'라 칭함)에 의한 전송 등이 가능하며, 상기 분산 MIMO 시스템과 같이 송신 안테나가 지리적으로 분산되어 있는 경우 안테나당 독립적으로 최대 송출 가능한 전력 제약 조건이 있으므로 EGT 및 STBC와 같은 안테나간 균등 전력 송출 방식이 적합하다. 이와 같은 단일 사용자에 대한 다양한 전송 방식을 적용할 때, 순간 채널 상황에 따라 송신 안테나를 선택적으로 사용하면 특히 기지국간 경계 지역에 있는 사용자에 대한 SINR 증대 및 그에 따른 전송 용량의 증대가 가능하다. 상기 분산 MIMO 시스템에서는 이러한 단일 사용자 전송 방식을 적절히 사용함으로써, 스케줄링 및 안테나 선택 기법을 통해 지리적으로 불균등하게 배치된 다수 사용자들에 대한 서비스를 지원할 수 있다.

또한, 다수 사용자에 대한 순간 채널을 행렬로 표시하였을 때 직교성(orthogonality)이 우수한(well-conditioned) 채널인 경우, 상기 분산 MIMO 시스템은 상기 단일 사용자 전송 방식이 아닌 다수 사용자에 대한 ZF 빔포밍 방식을 적 용함으로써 더욱 증대된 전송 용량을 얻을 수 있다. 상기 ZF 빔포밍 방식의 경우 대상이 되는 사용자간의 간섭은 모두 제거되므로 외부의 간섭량에 따라 전송 용량이 좌우되며, 특히 네트워크 내의 모든 안테나간 ZF 빔포밍을 적용하면 안테나간 간섭이 모두 상쇄되어 매우 큰 전송 용량을 얻을 수 있게 된다.

하지만, 상기 분산 MIMO 시스템은 상기 MU-MIMO 시스템과 다르게 기지국당 사용할 수 있는 전력이 고정되어 있기 때문에 상기 MU-MIMO 시스템에서의 ZF 빔포밍 방식을 상기 분산 MIMO 시스템에 그대로 적용하면 아래와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들어 기지국당 최대 5W만을 사용할 수 있다고 가정하였을 시, 상기 MU-MIMO 시스템에서의 예의 경우 각 안테나에 6W, 4W, 8W, 2W의 전력을 할당해야 하지만, 상기 분산 MIMO 시스템에서는 이 중 6W, 8W를 지원할 수 없게 된다.

따라서, 상기 분산 MIMO 시스템에 적합한 최적의 ZF 빔포밍 방식의 제안이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 분산 MIMO 시스템에서 최적의 ZF 빔포밍을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 MIMO 시스템에서, 다중 사용자를 위한 ZF 빔포밍 방식의 하향링크 신호 전송 시, 기지국 당 전송 가능한 최대 전력 제약 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 분산 MIMO 시스템에서 순간 채널 환경에 따라 높은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 ZF 빔포밍 방식과 낮은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 LQ 분해(decomposition) 방식을 선택적으로 사용함으로써, 일반적인 ZF 빔포밍 방식 대비 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 데이터 전송을 위한 방법은, 기지국 당 최대 전력 조건을 고려하여 송신 데이터에 전력을 할당하는 과정과, 상기 전력이 할당된 송신 데이터에 영점-강제(Zero-Forcing : ZF) 빔포밍을 수행하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 데이터 전송을 위한 장치는, 기지국 당 최대 전력 조건을 고려하여 송신 데이터에 전력을 할당하는 전력 할당부와, 상기 전력이 할당된 송신 데이터에 영점-강제(Zero-Forcing : ZF) 빔포밍을 수행하여 전송하는 프리코더를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 MIMO 시스템에서, 기지국 당 전송 가능한 최대 전력 제약 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하는 최적의 ZF 빔포밍 방식을 제공함으로써, MU-MIMO 시스템에서의 ZF 빔포밍 방식을 상기 분산 MIMO 시스템에 그대로 적용하였을 시 발생할 수 있는 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 순간 채널 환경에 따라 높은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 ZF 빔포밍 방식과 낮은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 LQ 분해(decomposition) 방식을 선택적으로 사용함으로써, 일반적인 ZF 빔포밍 방식 대비 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작원리 를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 본 발명은 분산 MIMO 시스템에서, 다중 사용자를 위한 ZF 빔포밍 방식의 하향링크 신호 전송 시, 기지국 당 전송 가능한 최대 전력 제약 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하기 위한 방안에 대해 설명한다.

한편, 상기 분산 MIMO 시스템에서는 다수의 기지국들이 지리적으로 균일하게 분포하여, ZF 빔포밍을 위한 전송 기지국 그룹을 선택하는 경우 그 외부에 또 다른 기지국들이 연속적으로 배치되어 있으므로 현실적으로 외부의 간섭을 완전히 배제하는 전송이 사실상 불가능하다. 또한 외부의 기지국들도 다른 사용자에 대한 서비스를 위해 동일한 레벨의 전력을 송출하고 있으므로 외부의 간섭량이 상대적으로 큰 환경이라 할 수 있다.

상기 ZF 빔포밍 방식은 채널 행렬의 직교성에 따라 전송 용량의 성능 변화가 큰 전송 방식으로, 높은 전송 용량 영역에서는 우월한 성능을 가지나, 낮은 전송 용량 영역에서는 열화된 성능을 가진다. 따라서 순간 채널 행렬에 직교성이 결여되 어 있는 나쁜(ill-conditioned) 채널 환경일 경우, ZF 빔포밍 방식 대신 단일 사용자 전송 또는 사용자간 직교성을 포기하면서 사용자간 우선순위에 따라 간섭량을 조절해주는 LQ 분해(또는 QR 분해) 등의 전송 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 상기 LQ 분해 방식은 낮은 전송 용량 영역에서 ZF 빔포밍 방식보다 높은 성능을 보이며, LQ 분해 과정 시 외부 간섭량

값을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 또한 알고리듬 상의 반복 과정이 없이 계산되므로 구현 복잡도 측면에서 큰 장점이 있는 방식이다.

따라서, 이하 본 발명은 분산 MIMO 시스템에서, 순간 채널 환경에 따라, 높은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 상기 ZF 빔포밍 방식과 낮은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보이는 LQ 분해(decomposition) 방식을 선택적으로 사용하기 위한 방안에 대해 설명한다.

이하 설명에서, 분산 MIMO는 분리되어 있는 다수 유닛(Unit)의 안테나들을 통합적으로 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로, 네트워크 MIMO(Network MIMO), 다중 기지국 MIMO(Multi-BS MIMO)를 모두 포함하는 의미이다. 여기서, 상기 유닛은 기지국(Base Station), 중계기(Relay Station), 분리되어 있는 증폭기(Amplifier) 등이 될 수 있으며, 이하 본 발명에서는 기지국을 예로 들어 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 분산 MIMO 시스템의 구조를 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 분산 MIMO 시스템은, 지리적으로 분산 배치되어 적어도 하나 이상의 단말(110, 120, 130, 140, 150)과 교신 가능한 적어도 하나 이상의 분산 안테나(ditributed antenna)(101, 102, 103, 104)와, 상기 분산 안테나(101, 102, 103, 104)와 유선 또는 전용회선으로 연결되어 상기 단말(110, 120, 130, 140, 150)과 통신하는 기지국(100)과, 상기 분산 안테나(101, 102, 103, 104)를 통해 상기 기지국(100)과 통신하는 하나 이상의 단말(110, 120, 130, 140, 150)을 포함하여 구성된다. 본 발명에 따라 상기 기지국(100)은 분산 안테나(101, 102, 103, 104) 당 최대 전력 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하도록 안테나당 최적의 전력을 할당한다.

도 2는 본 발명에 따른 분산 MIMO 시스템의 다른 구조를 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 분산 MIMO 시스템은, 지리적으로 분산 배치되어 적어도 하나 이상의 단말(210, 220, 230, 240, 250)과 교신 가능한 적어도 하나 이상의 기지국(201, 202, 203, 204)과, 상기 기지국(201, 202, 203, 204)과 유선 또는 전용회선으로 연결되어 상기 단말(210, 220, 230, 240, 250)과 통신하는 중앙 제어 유닛(200)과, 상기 기지국(201, 202, 203, 204)을 통해 상기 중앙 제어 유닛(200)과 통신하는 하나 이상의 단말(210, 220, 230, 240, 250)을 포함하여 구성된다. 본 발명에 따라 상기 중앙 제어 유닛(200)은 기지국(201, 202, 203, 204) 당 최대 전력 조건을 고려하여 전송 용량을 최대화하도록 기지국당 최적의 전력을 할당한다. 상기 기지국(201, 202, 203, 204)들은 서로 유선 또는 전용회선으로 연 결되어 단말(210, 220, 230, 240, 250)들의 정보를 공유하며, 모두 같은 주파수 대역(즉, 주파수 재사용 계수가 1)을 사용한다. 상기 기지국(201, 202, 203, 204)과 단말(210, 220, 230, 240, 250)은 모두 다수개의 안테나를 가질 수 있고, 네트워크 내의 단말(210, 220, 230, 240, 250)은 주위의 여러 기지국(201, 202, 203, 204)으로부터 단일 전송, 협조적 전송, 또는 ZF 빔포밍에 의한 다중 사용자 동시 전송을 받는 것이 가능하다.

이하 본 발명에 따른 실시 예에서는 상기 도 2의 분산 MIMO 시스템을 예로 들어 설명하기로 한다.

여기서, 단일 송신 안테나를 가지는 M개의 기지국으로부터 단일 수신 안테나를 가지는 K개의 단말에 ZF 빔포밍을 수행하기 위한 수신 신호 모델은 하기 <수학식 1>과 같이 표현할 수 있다.

여기서, 상기

는 수신 신호 벡터이고, 상기

는 송수신 안 테나 사이에 형성되는 네트워크 채널 행렬로서, 원소

는 k번째 단말과 m번째 기지국 사이의 채널 이득을 의미한다. 상기

는 송신 선처리 행렬로서, 상기

의 의사역행렬로 구한다. 상기

는 전력 정규화 계수로서, 전력 할당을 통한 기지국 당 최대 전력 제약 조건을 만족시키고자 하는 전력 할당 최적화 변수이고, 상기

는 k번째 단말로 전송하고자 하는 복소 심볼이다. 상기

는 수신기에서의 열잡음을 포함하는 외부의 복소 간섭 신호이다.

여기서, 기지국 당 전송 가능한 최대 전력이

라 하고, M개의 기지국에서 송신하는 송신 신호 벡터를

라고 하면,

로부터 하기 <수학식 2>와 같은 기지국 당 최대 전송 가능한 전력 제약(per-BS power constraint) 조건 식이 성립하여야 한다.

여기서, 상기 <수학식 2>를 통해 알 수 있듯이, 상기 전력 할당 최적화 변수인

를 조절하는 것이 총 M개의 수식에 영향을 주므로, 하기 <수학식 3>과 같이 전송 용량 최대화를 목적으로 하는 최적화 문제가 형성된다.

여기서, 상기

은

의 분산으로서 단말 k에서의 간섭 신호 전력값이다.

여기서, 상기 <수학식 3>의 목적함수는

의 선형 수식에 대한 로그함수간의 합산 형태이므로 컨벡스(convex) 식이고, 상기 <수학식 2>의 제약 조건식 역시

에 대한 선형 수식이므로 컨벡스 식이다. 따라서 상기 최적화 문제는 컨벡스 문제로서 최적의 해가 항상 존재한다. 라그랑지안 완화(Lagrangian relaxation) 기법을 통해 상기 제약 조건식을 목적함수에 포함시키면서 상기 제약 조건식에 대한 라그랑지(Lagrange) 승수 벡터

를 적용한 라그랑지안 함수는 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 <수학식 4>를

에 대해 미분하면 하기 <수학식 5>를 얻을 수 있다.

즉,

는 라그랑지 승수

를 이용하여 계산한다.

여기서, 상기 라그랑지 승수는 하기 <수학식 6>과 같은 서브 그래디언트(sub-gradient) 방법을 통해 반복 갱신하며, 갱신된 라그랑지 승수값으로 상기

를 계산한다.

여기서, 상기

는 임의의 양의 상수이며,

을 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 중앙 제어 유닛의 전송 전력 최적화 장치를 도시한 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 상기 중앙 제어 유닛은 채널 정보 행렬 피드백 수신부(300), 전송 방식 결정부(302), 최적 할당 최적화 변수 계산부(304), 전력 할당부(306), 프리코더(308), LQ 분해부(310)를 포함하여 구성된다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 채널 정보 행렬 피드백 수신부(300)는 주기적으로 단말들로부터 채널 정보 행렬을 피드백 수신하여 상기 전송 방식 결정부(302)로 출력한다.

상기 전송 방식 결정부(302)는 상기 채널 정보 행렬 피드백 수신부(300)로부터의 채널 정보 행렬에 대한 의사역행렬을 계산하고, 상기 계산된 의사역행렬을 이용하여 전력 할당 계수 벡터를 계산한다. 즉, 상기 의사역행렬로부터 각 원소들의 전력값을 원소로 갖는 행렬을 계산하고, 상기 계산된 행렬의 역행렬을 최대 전력 벡터에 곱하여, 전력 할당 계수 벡터를 계산한다. 이후, 상기 전송 방식 결정부(302)는 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 양수인지 여부를 검사하여, 데이터 전송 방식으로 ZF 빔포밍 방식을 적용할 것인지 혹은 LQ 분해 방식을 적용할 것인지 여부를 결정하고, 결정 결과에 따라 상기 최적 할당 최적화 변수 계산부(304)와 전력 할당부(306)와 프리코더(308) 및 LQ 분해부(310)를 동작시킨다. 즉, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 양수일 시, ZF 빔포밍 방식의 적용을 결정하고, 상기 최적 할당 최적화 변수 계산부(304)와 전력 할당부(306) 및 프리코더(308)를 동작시키며, 상기 최적 할당 최적화 변수 계산부(304)와 프리코더(308)로 상기 계산된 의사역행렬을 출력한다. 반면, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 혹은 일부 원소가 양수가 아닐 시, LQ 분해 방식의 적용을 결정하고, 상기 전력 할당부(306)와 프리코더(308) 및 LQ 분해부(310)를 동작시키며, 상기 LQ 분해부(310)로 채널 정보 행렬을 출력한다.

상기 최적 할당 최적화 변수 계산부(304)는 상기 전송 방식 결정부(302)에 의해 데이터 전송 방식으로 ZF 빔포밍 방식의 적용이 결정되었을 시, 상기 의사역행렬을 이용하여 기지국 당 최대 전력 제약 조건식과 전송 용량 최대화를 목적으로 하는 목적함수를 만족하는 최적 할당 최적화 변수를 계산하고, 상기 계산된 최적 할당 최적화 변수를 상기 전력 할당부(306)로 출력한다.

상기 전력 할당부(306)는 상기 최적 할당 최적화 변수 계산부(304)로부터 최적 할당 최적화 변수가 입력될 시, 상기 최적 할당 최적화 변수를 이용하여 송신 데이터에 전력을 할당한 후, 상기 프리코더(308)로 출력한다. 또한, 상기 전력 할당부(306)는 상기 전송 방식 결정부(302)에 의해 데이터 전송 방식으로 LQ 분해 방 식의 적용이 결정되었을 시, 일반적인 전력 할당 알고리즘을 이용하여 송신 데이터에 전력을 할당한 후, 상기 프리코더(308)로 출력한다.

상기 프리코더(308)는 상기 전송 방식 결정부(302)에 의해 데이터 전송 방식으로 ZF 빔포밍 방식의 적용이 결정되었을 시, 상기 전송 방식 결정부(302)로부터의 의사역행렬을 이용하여 입력되는 데이터에 ZF 빔포밍을 수행한다. 또한, 상기 프리코더(308)는 상기 전송 방식 결정부(302)에 의해 데이터 전송 방식으로 LQ 분해 방식의 적용이 결정되었을 시, 상기 LQ 분해부(310)로부터의 프리코딩 행렬을 이용하여 입력되는 데이터에 프리코딩을 수행한다.

상기 LQ 분해부(310)는 상기 전송 방식 결정부(302)에 의해 데이터 전송 방식으로 LQ 분해 방식의 적용이 결정되었을 시, 상기 전송 방식 결정부(302)로부터의 채널 정보 행렬에 대해 LQ 분해를 적용하여 프리코딩 행렬을 계산하고, 상기 계산된 프리코딩 행렬을 상기 프리코더(308)로 출력한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 중앙 제어 유닛의 전송 전력 최적화 방법을 도시한 흐름도이다.

상기 도 4를 참조하면, 중앙 제어 유닛은 401단계에서 주기적으로 단말들로부터

채널 정보 행렬

를 피드백 수신한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 403단계에서 송신할 데이터가 존재하는지 여부를 검사하고, 상기 송신할 데이터가 존재할 시, 405단계에서 상기 수신된 채널 정 보 행렬

에 대한 의사역행렬

를 계산한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 407단계에서 상기 계산된 의사역행렬

를 이용하여 전력 할당 계수 벡터를 계산한다. 즉, 상기 의사역행렬

로부터 각 원소들의 전력값을 원소로 갖는 행렬

를 계산하고, 상기 계산된

의 역행렬을 최대 전력 벡터

에 곱하여, 전력 할당 계수 벡터

를 계산한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 409단계에서 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터

의 모든 원소가 양수인지 여부를 검사한다. 여기서, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 양수일 시, 상기 중앙 제어 유닛은 이하 411단계 내지 423단계를 통해 최적의 전력 할당 및 ZF 빔포밍(ZF with power boost) 방식을 적용하여 상기 송신 데이터를 전송한다. 즉, 상기 의사역행렬을 이용하여 기지국 당 최대 전력 제약 조건식과 전송 용량 최대화를 목적으로 하는 목적함수를 만족하는 최적 할당 최적화 변수를 계산하고, 상기 최적 할당 최적화 변수를 이용하여 데이터에 전력을 할당한 후, 상기 의사역행렬을 이용하여 프리코딩을 수행한다. 혹은 다른 방법으로, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터

를 그대로 전력 할당 최적화 변수로 사용할 수도 있다. 반면, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 혹은 일부 원소가 양수가 아닐 시, 상기 중앙 제어 유닛은 이하 427단계 내지 431단계를 통해 LQ 분해 방식을 적용하여 상기 송신 데이터를 전송한다. 혹은 다른 방법으로, QR 분해 방식을 적용할 수도 있다.

상기 409단계에서, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터

의 모든 원소가 양수일 시, 상기 중앙 제어 유닛은 411단계에서 모든 기지국 인덱스에 대한 라그랑지 승수

을 임의의 양수 값으로 초기화한다. 예를 들면

로 초기화한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 413단계에서 상기 모든 기지국 인덱스에 대한 라그랑지 승수

을 이용하여 전력 할당 최적화 변수

를 계산한다. 여기서, 상기 n은 라그랑지 승수의 갱신 반복 인덱스로서, 상기 라그랑지 승수 초기화 과정에서 상기 n은 1로 초기화된다.

여기서, 상기 전력 할당 최적화 변수

는 하기 <수학식 7>과 같이 계산한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 415단계에서 모든 기지국 인덱스에 대한 라그랑지 승수를 갱신한다.

여기서, 상기 라그랑지 승수는 하기 <수학식 8>을 이용하여 갱신한다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 417단계에서 총 M개의 모든 라그랑지 승수값이 수렴하는지 여부를 검사하고, 일부 혹은 모든 라그랑지 승수값이 수렴하지 않을 시, 상기 415단계로 돌아가 이하 단계를 반복 수행한다. 반면, 모든 라그랑지 승수값이 수렴할 시, 상기 중앙 제어 유닛은 419단계에서 상기 <수학식 7>을 이용하여 최적 할당 최적화 변수를 계산하고, 421단계에서 상기 계산된 최적 할당 최적화 변수를 이용하여 상기 송신 데이터에 전력을 할당한다.

이와 같은 전력 할당 알고리듬은 컨벡스 문제로부터 유도되어 항상 최적의 값으로 수렴하며, 이는 Karush-Kuhn-Tucker(KKT) 조건이 항상 충족됨을 통해 증명할 수 있다. 즉, 주어진 순간 채널 하에서 특정

값들이 0으로 되는 경우를 포함하여 제약 조건 하에서 항상 목적함수를 최대화하는 해를 제시한다. 또한, 상기 <수학식 8>에서의 반복 인덱스 n의 증가에 따라 라그랑지 승수의 변화 폭을 감소시키는 n에 대한 감소함수를 변경하여 알고리듬의 수렴 속도 및 특성을 변화시킬 수 있다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 423단계에서 상기 전력이 할당된 송신 데이터에, 상기 계산된 의사역행렬을 이용하여 프리코딩을 수행하고, 425단계에서 상기 프리코딩이 수행된 데이터를 전송한다.

반면, 상기 409단계에서, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터

의 모든 원소 혹은 일부 원소가 양수가 아닐 시, 상기 중앙 제어 유닛은 427단계에서 일반적인 전력 할당 알고리듬에 따라 상기 송신 데이터에 전력을 할당하고, 429단계에서 상기

채널 정보 행렬

에 대해, 우선순위가 높은 사용자일수록 k의 낮은 인덱스로 재정렬한 후, LQ 분해를 적용하여 프리코딩 행렬을 계산한다. 즉, 상기

에 대해 LQ 분해를 통해 하삼각행렬

과 유니터리(unitary) 행렬

을 획득하고, 상기 획득된

의 허미션(hermitian)인

를 송신 선처리 행렬로서 계산한다. 여기서, 사용자간 우선순위를 결정하는 방법은 목적 함수에 따라 변형이 가능하며, 전체 전송 용량의 증대가 목적인 경우 그램-슈미트(Gram-Schmidt) 정렬 방식을 사용하고 사용자간 공평성이 목적인 경우 비례적 공평성(Proportional Fairness : PF)을 통해 우선순위를 결정할 수 있다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 431단계에서 상기 계산된 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 데이터에 대한 프리코딩을 수행하고, 상기 425단계로 진행하여 상기 프리코딩이 수행된 데이터를 전송한다. 이로써, 각 단말에서의 수신 신호는 하삼각 행렬

만 포함된 형태인

로 나타나게 된다.

이후, 상기 중앙 제어 유닛은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 5 내지 도 도 7은 본 발명에서 제안한 방식의 성능 평가를 위한 모의 실험 수행 결과를 도시한 그래프이다. 여기서, 상기 모의 실험은, M = K = 3인 섹터화(sectorized) 셀 구조하에서 각 섹터 영역에 하나의 단말을 임의로 발생시키고, 기지국 간의 거리를 500m, 경로손실지수 3.76, 플랫(flat) 페이딩 채널 모델을 사용하였으며, 총 24개의 외부 기지국을 2-tier 형태로 배치하여 실험하였다.

먼저, 상기 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최적의 전력 할당 및 ZF 빔포밍(ZF with power boost) 방식에서 라그랑지 승수를 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, 약 10회의 반복 과정 후에 각 기지국에 대한 라그랑지 승수값이 임의의 양수로 수렴하고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해, 전력 제약 조건 부등식이 등식으로서 성립한다는 KKT 조건 중 상보 여유(complementary slackness) 이론이 성립하고 있음을 확인할 수 있다

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 최적의 전력 할당 및 ZF 빔포밍(ZF with power boost) 방식에서 각 기지국에서의 전송 전력을 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 도 5와 마찬가지로 약 10회의 반복 과정 후에 모든 기지국의 전송 전력이 정규화된 값 1로 수렴함을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에서 제안한 전송 방식과 종래 전송 방식간 성능을 기지국 당 전송 용량의 분포 함수로서 도시한 그래프이다.

상기 도 7을 참조하면, 종래 SAT 방식은 단일 안테나 전송 방식으로서 각각의 기지국은 지리적으로 가장 가까운 단말에게 단일 스트림을 전송하게 되므로, 각각의 단말은 다른 단말에게 전송되는 신호들로부터 동일한 크기의 간섭 신호를 받는다. 즉, SAT 방식은 각 기지국들이 언제나 평균 전력

로 전송을 하므로 최대의 간섭 신호를 받는다는 특징이 있는 반면, 전송하고자 하는 신호 성분 역시 항상 최대 전력

전송을 하므로 단말이 지리적으로 기지국에 가까이 위치할수록 큰 전송 용량을 얻게 된다.

종래 ZF with equal power 방식은 기존의 일반적인 ZF 빔포밍 방식으로서,

를 모두 동일한 값으로 할당하는 방식이다.

종래 ZF-DPC 방식은 비선형 선처리 방식으로서, 상기 SAT 방식 및 ZF with equal power 방식과 같은 선형 선처리 방식 대비 더티 페이퍼 인코딩 및 디코딩 과정에 의해 단말간 간섭 신호를 제거함으로써 높은 전송 용량 성능을 보이는 방식으로 알려져 있다. 구체적으로는, 상기 LQ 분해 방식은 전송 신호에 하삼각행렬 L에 의한 성분만 존재할 때, 상기 ZF-DPC 방식은 더티 페이퍼 인코딩을 통해 유저간 간 섭을 추가로 제거하여 L의 비대각(non-diagonal) 원소들이 추가로 상쇄되게 된다.

본 발명에 따른 ZF with power boost 방식과 LQ 분해 방식은 상기 SAT 방식 및 ZF with equal power 방식에 비해 높은 전송 용량 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있으며, 특히, 상기 ZF with power boost 방식은 높은 전송 용량 영역에 우월한 성능을 보이며, 상기 LQ 분해 방식은 낮은 전송 용량 영역에서 우월한 성능을 보임을 확인할 수 있다. 또한 상기 ZF with power boost 방식과 LQ 분해 방식을 각각 수행하는 것보다, 본 발명에 따른 실시 예와 같이 상기 ZF with power boost 방식과 LQ 분해 방식을 선택적으로 사용하는 멀티모드(Multimode)를 적용하는 경우, 성능은 ZF-DPC 성능 대비 누적 분포 함수의 낮은 전송 영역에서도 약 0.5bps/Hz/BS 이내의 전송 용량 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 이 경우 상기 실험에서 ZF 빔포밍 방식을 54%, LQ 분해 방식을 46% 사용하였다. 또한, 상기 멀티모드를 적용하는 경우, 각각의 개별적인 성능 곡선보다 우수함을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명은, 기지국 당 최대 전력 제약 조건 하에서, 전송 용량을 최대화하는 최적의 다중 사용자 ZF 빔포밍 방식과, LQ 분해 방식을 선택적으로 사용하는 알고리듬을 예로 들어 설명하였으나, 단일 사용자에 대한 협조적 또는 비협조적 전송을 포함하여 가장 높은 전송 용량을 가지는 방식을 선택적으로 사용하는 방법도 가능하다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 분산 MIMO 시스템의 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 분산 MIMO 시스템의 다른 구조를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 중앙 제어 유닛의 전송 전력 최적화 장치를 도시한 블럭도,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 시스템에서 중앙 제어 유닛의 전송 전력 최적화 방법을 도시한 흐름도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 최적의 전력 할당 및 ZF 빔포밍(ZF with power boost) 방식에서 라그랑지 승수를 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 최적의 전력 할당 및 ZF 빔포밍(ZF with power boost) 방식에서 각 기지국에서의 전송 전력을 반복 인덱스에 대해 나타낸 그래프, 및

도 7은 본 발명에서 제안한 전송 방식과 종래 전송 방식간 성능을 기지국 당 전송 용량의 분포 함수로서 도시한 그래프.

Claims

지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 데이터 전송을 위한 방법에 있어서,

단말들로부터 수신한 채널 정보 행렬에 대한 의사역행렬을 계산하여 전력 할당 계수 벡터를 결정하는 과정과,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 있는 경우, 전력이 할당된 송신 데이터에 영점-강제(Zero-Forcing : ZF) 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 과정과,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우, 채널 정보 행렬에 대해 LQ 분해를 적용하여 획득된 유니터리(unitary) 행렬의 프리코딩을 이용하여 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전력은 하기 <수학식 9>의 목적식 및 조건식을 만족하도록 할당하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기 K는 단말의 개수를 의미하며, 상기 M은 기지국의 개수를 의미한다. 상기
는 전력 정규화 계수로서, 전력 할당을 통한 기지국 당 최대 전력 제약 조건을 만족시키고자 하는 전력 할당 최적화 변수이고, 상기
은 단말 k에서의 간섭 신호 전력값이다. 상기
는 송신 선처리 행렬로서, 채널 행렬의 의사역행렬로 구하며, 상기
는 기지국 당 전송 가능한 최대 전력임.
제 2 항에 있어서,

상기 전력이 할당된 송신 데이터에 영점-강제 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 과정은,

상기 목적식 및 조건식에 대해 라그랑지 함수를 적용하여 전력 할당 최적화 변수에 대한 라그랑지 승수의 함수를 정의하는 과정과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값을 초기화하는 과정과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값이 임의의 값으로 수렴할때까지, 상기 라그랑지 승수값을 갱신하는 과정과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값이 임의의 값으로 수렴할 시, 상기 정의된 라그랑지 승수의 함수에 상기 수렴된 라그랑지 승수값을 적용하여 전력 할당 최적화 변수를 계산하는 과정과,

상기 전력 할당 최적화 변수를 적용하여 송신 데이터에 전력을 할당하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 전력 할당 최적화 변수에 대한 라그랑지 승수의 함수는 하기 <수학식 10>과 같이 정의하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기
는 라그랑지 승수 벡터임.
제 1 항에 있어서,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 있는 경우는, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 양수일 경우이고,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우는, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 음수일 경우임을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전력 할당 계수 벡터를 결정하는 과정은,

단말들로부터 채널 정보 행렬을 피드백 수신하는 과정과,

상기 채널 정보 행렬에 대한 의사역행렬을 계산하는 과정과,

상기 계산된 의사역행렬을 이용하여 전력 할당 계수 벡터를 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 전력 할당 계수 벡터를 결정하는 과정은,

상기 의사역행렬의 각 원소들의 전력값을 원소로 가지는 행렬을 계산하는 과정과,

상기 계산된 행렬의 역행렬을, 최대 전력 벡터에 곱하여 상기 전력 할당 계수 벡터를 계산하는 과정을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우, 프리코딩을 이용하여 데이터를 전송하는 과정은,

상기 채널 정보 행렬에 대해 LQ 분해를 적용하여 유니터리(unitary) 행렬을 획득하는 과정과,

상기 획득된 유니터리 행렬의 허미션으로 프리코딩 행렬을 계산하는 과정과,

상기 계산된 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 송신 데이터에 프리코딩을 수행하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 또는 전용회선으로 연결되어 있는 분산 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output : MIMO) 시스템에서 데이터 전송을 위한 장치에 있어서,

단말들로부터 수신한 채널 정보 행렬에 대한 의사역행렬을 계산하여 전력 할당 계수 벡터를 계산하는 전송 방식 결정부와,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 있는 경우, 전력이 할당된 송신 데이터에 영점-강제(Zero-Forcing : ZF) 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하고, 상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우, 채널 정보 행렬에 대해 LQ 분해를 적용하여 획득된 유니터리(unitary) 행렬의 프리코딩을 이용하여 데이터를 전송하는 프리코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 전력은 하기 <수학식 12>의 목적식 및 조건식을 만족하도록 할당하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기 K는 단말의 개수를 의미하며, 상기 M은 기지국의 개수를 의미한다. 상기
는 전력 정규화 계수로서, 전력 할당을 통한 기지국 당 최대 전력 제약 조건을 만족시키고자 하는 전력 할당 최적화 변수이고, 상기
은 단말 k 에서의 간섭 신호 전력값이다. 상기
는 송신 선처리 행렬로서, 채널 행렬의 의사역행렬로 구하며, 상기
는 기지국 당 전송 가능한 최대 전력임.
제 10 항에 있어서,

상기 목적식 및 조건식에 대해 라그랑지 함수를 적용하여 전력 할당 최적화 변수에 대한 라그랑지 승수의 함수를 정의하는 수단과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값을 초기화하는 수단과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값이 임의의 값으로 수렴할때까지, 상기 라그랑지 승수값을 갱신하는 수단과,

모든 기지국에 대한 라그랑지 승수값이 임의의 값으로 수렴할 시, 상기 정의된 라그랑지 승수의 함수에 상기 수렴된 라그랑지 승수값을 적용하여 전력 할당 최적화 변수를 계산하는 수단과,

상기 전력 할당 최적화 변수를 적용하여 송신 데이터에 전력을 할당하는 수단을 포함하는 전력 할당부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 전력 할당 최적화 변수에 대한 라그랑지 승수의 함수는 하기 <수학식 13>과 같이 정의하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기
는 라그랑지 승수 벡터임.
제 9 항에 있어서,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 있는 경우는, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 양수일 경우이고,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우는, 상기 계산된 전력 할당 계수 벡터의 모든 원소가 음수일 경우임을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

단말들로부터 채널 정보 행렬을 피드백 수신하는 채널 정보 행렬 피드백 수신부를 더 포함하고,

상기 전송 방식 결정부는,상기 채널 정보 행렬에 대한 의사역행렬을 계산하고, 상기 계산된 의사역행렬을 이용하여 전력 할당 계수 벡터를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 전송 방식 결정부는,

상기 의사역행렬의 각 원소들의 전력값을 원소로 가지는 행렬을 계산하고, 상기 계산된 행렬의 역행렬을, 최대 전력 벡터에 곱하여 상기 전력 할당 계수 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 14 항에 있어서, 상기 전송 방식 결정부는,

상기 전력 할당 계수 벡터를 이용 할 수 없는 경우, 상기 채널 정보 행렬에 대해 LQ 분해를 적용하여 유니터리(unitary) 행렬을 획득하고, 상기 획득된 유니터리 행렬의 허미션으로 프리코딩 행렬을 계산한 후, 상기 계산된 프리코딩 행렬을 이용하여 상기 송신 데이터에 프리코딩을 수행하여 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.