KR101518998B1 - 편파에 적응적인 코드북을 사용하는 단말기 및 기지국 - Google Patents

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Abstract

편파에 적응적인 코드북을 사용하는 단말기 및 기지국이 개시된다. 단말기는 전송 신호의 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성하는 회전 매트릭스 생성부 및 미리 저장된 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들 및 상기 회전 매트릭스들을 기초로 생성된 결과 매트릭스들을 포함하는 코드북을 생성하는 코드북 생성부를 포함한다.
다중 편파, 프리코딩, 코드북, 편파 식별도, XPD, 블록 대각 매트릭스, 회전 매트릭스

Description

편파에 적응적인 코드북을 사용하는 단말기 및 기지국{USER TERMINAL AND BASE STATION OF USING ADAPTED CODEBOOK ACCORDING TO POLARIZATION}
본 발명은 코드북을 사용하여 전송 신호를 생성하는 다중 입출력 통신 시스템에 관한 것으로 특히, 편파에 부합하는 코드북을 적응적으로 생성 및 사용하는 기술과 관련된 것이다.
최근 무선 통신 환경에서 음성 서비스를 비롯한 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하고, 고품질 및 고속의 데이터 전송을 지원하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 공간 영역에서 다수의 채널들을 이용하는 MIMO(multi input multi output) 통신 시스템과 관련된 기술이 급속도로 발전하고 있다.
MIMO 통신 시스템에서 기지국 및 단말기들은 채널 정보 등을 효율적으로 이용하기 위해 코드북을 사용한다. 특정 공간은 복수 개의 벡터들로 양자화될 수 있으며, 일정한 기준에 따라 공간을 양자화하여 생성된 복수의 벡터들은 코드북으로서 기지국 및 단말기들에 저장될 수 있다.
예를 들어, 단말기들 각각은 기지국과 각각의 단말기들 사이에 형성된 채널 에 따라 코드북에 포함된 매트릭스들 혹은 벡터들 중 채널 정보에 대응하는 어느 하나의 매트릭스 혹은 벡터를 선택할 수 있으며, 기지국 또한 코드북을 이용하여 단말에 의해 선택된 매트릭스 혹은 벡터를 수신함으로써, 채널 정보를 파악할 수 있다. 그리고, 그 선택된 매트릭스 혹은 벡터는 기지국이 전송 신호를 생성하는 데에 이용될 수 있다.
전송 신호가 단일 편파를 가지는 경우, 효과적인 코드북 설계 방법들에 대한 연구가 진행되고 있다. 다만, 전송 신호가 다중 편파를 가지는 경우, 지금까지는 어떠한 코드북이 통신 시스템의 성능을 높일 수 있는지에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서, 전송 신호가 다중 편파를 가지는 경우, 효과적인 코드북 설계 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 일실시예에 따른 단말기는 전송 신호의 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성하는 회전 매트릭스 생성부 및 미리 저장된 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들 및 상기 회전 매트릭스들을 기초로 생성된 결과 매트릭스들을 포함하는 코드북을 생성하는 코드북 생성부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 단말기는 단말기와 기지국 사이에 형성된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 전송 신호의 편파 식별도를 계산하는 XPD 계산부, 미리 저장된 매트릭스들 중 상기 계산된 편파 식별도에 상응하는 결과 매트릭스들을 선택하는 매트릭스 선택부 및 상기 기지국으로 상기 결과 매트릭스들 중 선택된 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백하는 피드백 수행부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 전송 신호의 편파 식별도를 인지하는 XPD 인지부, 상기 편파 식별도를 이용하여 단말기에 의해 사용된 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들을 검출하는 코드북 검출부 및 상기 결과 매트릭스들 중 선택된 프리코딩 매트릭스를 이용하여 적어도 하나의 데이터 스트림을 프리코딩하는 프리코더를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 단말기 및 기지국은 편파 식별도에 따라 적응적으로 코드북을 생성하고, 생성된 코드북을 사용함으로써 통신 시스템의 성 능(throughput)을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 단말기 및 기지국은 채널 환경에 잘 부합하는 코드북을 사용함으로써 더 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 다중 사용자(Multi Users) MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템의 일예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 다중 사용자 MIMO 통신 시스템은 기지국(110) 및 복수의 사용자들(120, 130, 140)을 포함한다. 기지국(110) 복수의 안테나들이 설치되며, 복수의 사용자들(120, 130, 140) 각각에는 하나 또는 복수의 안테나들이 설치될 수 있다. 그리고, 기지국(110)과 각각의 복수의 사용자들(120, 130, 140) 사이에는 채널이 형성되며, 기지국(110)과 각각의 복수의 사용자들(120, 130, 140)은 형성된 채널을 통하여 신호를 송/수신한다.
기지국(110)은 복수의 사용자들(120, 130, 140)에게 하나 또는 둘 이상의 데이터 스트림들을 전송할 수 있다. 이 때, 기지국(110)은 공간 분할 다중화(Spatial Division Multiplexing Access) 기법에 따라 데이터 스트림들을 프리코딩하여 전송 신호를 생성한다. 이 때, 기지국(110)이 코드북에 포함된 매트릭스들 중 프리코딩 매트릭스를 선택하고, 선택된 프리코딩 매트릭스를 이용하여 전송 신호를 생성한다.
즉, 기지국(110)은 파일럿 신호들을 하향링크 채널을 통해 복수의 사용자들(120, 130, 140)에게 전송한다. 여기서, 파일럿 신호는 기지국(110) 및 복수의 사용자들(120, 130, 140)에게 잘 알려진(well-known) 신호이다.
복수의 사용자들(120, 130, 140) 각각은 파일럿 신호를 수신하여 기지국(110) 및 복수의 사용자들(120, 130, 140) 사이에 형성된 채널을 추정한다. 그리고, 복수의 사용자들(120, 130, 140) 각각은 추정된 채널을 기초로 미리 저장된 코드북에 포함된 벡터들 중 어느 하나의 벡터를 선호(preferred) 벡터로 선택하거나, 코드북에 포함된 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 선호 매트릭스로 선택한다.
예를 들어, 복수의 사용자들(120, 130, 140) 각각은 달성될 수 있는 데이터 전송률 또는 신호 대 간섭 및 잡음 비(Signal to Interference and Noise Ratio, SINR)를 고려하여 2B개의 벡터 또는 매트릭스들 중 어느 하나의 벡터 또는 매트릭스를 선호 벡터 또는 매트릭스로 선택할 수 있다. 게다가, 복수의 사용자들(120, 130, 140)은 그들 각각이 선호하는 전송 랭크(transmission rank)를 결정할 수 있다. 여기서, 전송 랭크는 데이터 스트림들의 개수를 의미한다.
또한, 각각의 복수의 사용자들(120, 130, 140)은 선택된 선호 벡터 또는 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기지국(110)으로 피드백한다.
기지국(110)은 복수의 사용자들(120, 130, 140) 각각의 선호 벡터 또는 선호 매트릭스와 관련된 정보를 수신하여 프리코딩 매트릭스를 결정한다. 뿐만 아니라, 기지국(110)은 SUS(Semi-orthogonal User Selection), GUS(Greedy User Selection) 등과 같은 다양한 사용자 선택 알고리즘들을 이용하여 복수의 사용자들(120, 130, 140) 중 일부 또는 전부를 선택할 수도 있다.
이 때, 기지국(110)은 복수의 사용자들(120, 130, 140)에 저장된 코드북과 동일한 코드북을 미리 저장해 둘 수 있다. 그리고, 기지국(110)은 복수의 사용자들(120, 130, 140)로부터 수신된 선호 벡터 또는 선호 매트릭스와 관련된 정보를 이용하여 미리 저장된 코드북에 포함된 매트릭스들 중 프리코딩 매트릭스를 선택한다. 이 때, 기지국(110)은 총 데이터 전송률(sum rate)이 최대가 되도록 프리코딩 매트릭스를 선택할 수 있다.
또한, 기지국(110)은 선택된 프리코딩 매트릭스를 이용하여 데이터 스트림들(S1, SN)을 프리코딩함으로써 전송 신호를 생성한다. 여기서, 기지국(110)이 전송 신호를 생성하는 과정을 '빔 포밍'이라고 한다.
그러나, 기지국(110)과 복수의 사용자들(120, 130, 140) 사이의 채널 환경은 변할 수 있다. 기지국(110) 및 복수의 사용자들(120, 130, 140)이 동일한 코드북을 사용하는 경우, 변하는 채널 환경에 적응적으로 대처하기 어려운 점이 있다.
특히, 전송 신호가 가지는 편파 방향들의 개수가 둘 이상인 경우, 고정된 코드북을 사용하는 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 둘 이상의 편파 방향들을 가지는 전송 신호의 편파 식별도(cross polarization discrimination, XPD)는 단말기의 위치, 이동성, 기타 채널 환경 등 다양한 요인들에 의해 변할 수 있다. 이러한 경 우, 편파 식별도에 가장 잘 부합하는 코드북이 사용될 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송신 안테나들 및 복수의 수신 안테나들을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 일반적으로 네 개의 송신 안테나들(221, 222, 223, 224)은 기지국에 설치되며, 네 개의 수신 안테나들(225, 226, 227, 228)은 단말기에 설치된다. 네 개의 송신 안테나들(221, 222, 223, 224)과 네 개의 수신 안테나들(225, 226, 227, 228) 사이에는 무선 채널이 형성되며, 네 개의 송신 안테나들(221, 222, 223, 224)로부터 무선 채널을 통하여 전송된 전송 신호는 네 개의 수신 안테나들(225, 226, 227, 228)에 의해 수신된다.
이 때, 두 개의 송신 안테나들(221, 222)과 나머지 두 개의 송신 안테나들(223, 234)은 서로 직각 이루고 있으므로, 두 개의 송신 안테나들(221, 222)로부터 전송되는 신호의 편파 방향과 나머지 두 개의 송신 안테나들(223, 234)로부터 전송되는 신호의 편파 방향은 서로 직교(orthogonal)한다. 즉, 네 개의 송신 안테나들(221, 222, 223, 224)로부터 전송된 전송 신호는 이중 편파(dual polarization)를 갖는다.
일반적으로, 전송 신호가 이중 편파를 갖는 경우, 기지국과 단말기 사이에 형성된 채널
Figure 112008082349772-pat00001
은 하기 수학식 1과 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00002
Figure 112008082349772-pat00003
(
Figure 112008082349772-pat00004
는 평균이 0이고(zero-mean), 분산이 1(unit-variance)인 independently and identically distributed 가우시안 채널 매트릭스임,
Figure 112008082349772-pat00005
는 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)와 반비례하는 값으로서,
Figure 112008082349772-pat00006
임,
Figure 112008082349772-pat00007
는 Hadamard product이고,
Figure 112008082349772-pat00008
는 Kronecker product임, ones(a,b)는 a x b 매트릭스로서, 그 매트릭스들의 모든 원소들은 1임, Nr은 수신 안테나들의 개수임, Nt은 송신 안테나들의 개수임.)
상기 수학식 1을 참조하면, 채널
Figure 112008082349772-pat00009
은 편파 식별도 또는
Figure 112008082349772-pat00010
와
Figure 112008082349772-pat00011
를 이용하여 표현됨을 알 수 있다. 또한, 단말기는 파일럿 신호 등을 이용하여 채널
Figure 112008082349772-pat00012
을 추정함으로써
Figure 112008082349772-pat00013
또는 편파 식별도를 쉽게 파악할 수 있으며, 편파 식별도 또는
Figure 112008082349772-pat00014
를 양자화하여 기지국으로 피드백할 수 있다. 따라서, 기지국도
Figure 112008082349772-pat00015
또는 편파 식별도를 인지할 수 있다. 예를 들어,
Figure 112008082349772-pat00016
가 1/N 구간을 가지고 양자화되는 경우, 기지국은 [log2N] 비트의 인덱스 정보 또는
Figure 112008082349772-pat00017
전체를 단말기로부터 피드백 받음으로써 편파 식별도 또는
Figure 112008082349772-pat00018
를 인지할 수 있다.
또한, 일반적으로, 기지국으로부터 단말기까지의 거리가 가까워질수록
Figure 112008082349772-pat00019
는 0에 가까워지며, 그 거리가 멀수록
Figure 112008082349772-pat00020
는 1에 가까워진다. 특히, 전송 신호가 가지는 편파 방향들이 서로 직교하는 경우,
Figure 112008082349772-pat00021
는 0이다. 이러한 경우, 아래에서 설명하겠지만, 코드북에 포함되는 매트릭스들의 형태는 블록 대각 매트릭스의 형태일 수 있다.
블록 대각 매트릭스(block diagonal matrix)
전송 신호가 가지는 편파 방향들이 서로 직교하는 경우,
Figure 112008082349772-pat00022
는 0으로 모델링될 수 있으며, 채널 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00023
는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00024
상기 수학식 2를 참조하면,
Figure 112008082349772-pat00025
는 0인 경우, 채널 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00026
는 블록 대각 매트릭스의 형태를 갖는다.
이 때, 블록 대각 매트릭스들은 전송 신호의 편파 방향들의 개수에 상응하는 복수개의 블록들을 포함한다. 예를 들어, 어느 하나의 편파 방향이 수직(vertical)이고, 나머지 하나의 편파 방향이 수평(horizontal)인 경우, 블록 대각 매트릭스들 각각은 네 개의 블록들을 포함할 수 있다. 여기서, 네 개의 블록들은 두 개의 대각 블록들과 두 개의 나머지 블록들로 구성된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 블록 대각 매트릭스의 대각 블록들은 단일 편파 프리코딩 매트릭스를 포함하며, 나머지 블록들은 제로 매트릭스를 포함한다. 이 때, 단일 편파 프리코딩 매트릭스는 DFT 프리코딩 매트릭스 또는 회전 DFT 프리코딩 매트릭스를 포함할 수 있다.
그리고, 블록 대각 매트릭스는 반드시 정사각 행렬(square matrix)일 필요는 없다. 즉, 블록 대각 매트릭스의 사이즈는 전송하고자 하는 데이터 스트림들의 개수와 관련된 전송 랭크(transmission rank)에 따라 결정될 수 있다. 다만, 전송 랭크는 송신 안테나들의 개수를 초과할 수는 없다. 예를 들어, 송신 안테나들의 개수가 4일 때, 최대 전송 랭크는 4로 제한되며, 전송 랭크가 3인 경우, 블록 대각 매트릭스의 사이즈는 4 x 3일 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00027
는 0이고, 전송 신호가 이중 편파를 가지는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 코드북에 저장되는 블록 대각 매트릭스는 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00028
상기 수학식 3을 참조하면, 전송 신호가 이중 편파를 가지므로, 코드북에 저장되는 매트릭스 U(i)는 네 개의 블록들을 포함한다. 만약, 전송 신호가 세 개의 편파 방향들을 갖는다면, U(i)는 9개의 블록들을 포함할 것이다. 그리고, U(i)는 Nt X M 매트릭스로서, Nt는 송신 안테나들의 개수이고, M은 전송 랭크이다.
이 때, U(i)의 대각 블록들에는 A 및 B가 할당된다. 여기서, A 및 B는 단일 편파 프리코딩 매트릭스이다. 그리고, 나머지 블록들에는 제로 매트릭스가 할당된다.
전송 신호가 단일 편파를 갖는 경우 사용되는 단일 편파 코드북은 DFT 코드북 또는 회전 DFT 코드북을 포함한다. 이 때, DFT 코드북은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, DFT 코드북은 2B 개의 DFT 프리코딩 매트릭스들을 포함한다.
Figure 112008082349772-pat00029
: DFT 코드북
Figure 112008082349772-pat00030
: DFT 코드북에 저장되는 b 번째 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00031
:
Figure 112008082349772-pat00032
의 m 번째 열 벡터
Figure 112008082349772-pat00033
Figure 112008082349772-pat00034
(여기서, B는 단말기에 의해 피드백되는 피드백 데이터의 비트 수이고, M은 송신 안테나들의 개수이다.)
예를 들어, 송신 안테나들의 개수가 두 개인 경우, DFT 프리코딩 매트릭스는 하기 수학식 5와 나타낸 매트릭스들 중 어느 하나일 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00035
Figure 112008082349772-pat00036
,
네 개의 송신 안테나들 중, 두 개의 송신 안테나들의 편파 방향과 나머지 송신 안테나들의 편파 방향이 서로 직교하고, 전송 랭크가 4이며,
Figure 112008082349772-pat00037
는 0인 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 블록 대각 매트릭스는 하기 수학식 5에 기재된 두 개의 매트릭스들을 다양하게 조합함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 블록 대각 매트릭스는 하기 수학식 6에 나타낸 매트릭스들 중 어느 하나일 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00038
Figure 112008082349772-pat00039
, ,
게다가, 상기 수학식 6에 기재된 블록 대각 매트릭스들은 전송 랭크가 4인 경우에 대한 것이나, 전송 랭크는 변경될 수 있다. 예를 들어, 전송 랭크가 2인 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 블록 대각 매트릭스들은 하기 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00040
Figure 112008082349772-pat00041
Figure 112008082349772-pat00042
Figure 112008082349772-pat00043
Figure 112008082349772-pat00044
Figure 112008082349772-pat00045
, , , , ,
상기 수학식 7의 6개의 매트릭스들은 블록 대각 매트릭스의 형태를 갖고 있음을 알 수 있다.
그리고, 단일 편파 프리코딩 매트릭스는 DFT 프리코딩 매트릭스뿐만 아니라, 회전 DFT 프리코딩 매트릭스를 포함한다. 즉, 복수의 회전 DFT 프리코딩 매트릭스들을 포함하는 회전 DFT 코드북은 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00046
: 회전 DFT 프리코딩 매트릭스들의 집합인 회전 DFT 코드북
Figure 112008082349772-pat00047
(DFTM은 DFT 프리코딩 매트릭스임.)
본 발명의 일실시예에 따른 블록 대각 매트릭스의 대각 블록들은 DFT 프리코딩 매트릭스뿐만 아니라 회전 DFT 프리코딩 매트릭스들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 수학식 3의 A 또는 B는 DFT 프리코딩 매트릭스 또는 회전 DFT 프리코딩 매트릭스일 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00048
인 경우 사용되는 코드북
Figure 112008082349772-pat00049
가 0인 경우, 채널 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00050
는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00051
(SVD(Singular Value Decomposition)는 특이값 분해임).
다만,
Figure 112008082349772-pat00052
가 0이 아닌 경우, 즉, 단말기에서 소정의 편파를 갖는 신호가 존재하는 경우,
Figure 112008082349772-pat00053
는 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00054
이 때,
Figure 112008082349772-pat00055
및
Figure 112008082349772-pat00056
는 회전 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00057
를 이용하여 표현될 수 있다. 여기서, 회전 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00058
의 대각 원소를 제외한 나머지 원소들은 0이며, 대각 원소들의 크기(amplitude)는 1이다. 즉,
Figure 112008082349772-pat00059
및
Figure 112008082349772-pat00060
의 첫 번째 M 개의 컬럼 벡터들(the first M column vectors)을 포함하는
Figure 112008082349772-pat00061
및
Figure 112008082349772-pat00062
는 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00063
(여기서, M은 전송 랭크이고,
Figure 112008082349772-pat00064
및
Figure 112008082349772-pat00065
의 원소들은 큰 순서대로 정렬된 것임.)
상기 수학식 11을 참조하면, 우측 특이 매트릭스들인
Figure 112008082349772-pat00066
에 회전 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00067
를 내적함으로써
Figure 112008082349772-pat00068
를 도출할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 전송 신호가 다중 편파를 갖는 경우, 회전 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00069
및 블록 대각 매트릭스를 이용함으로써 실제의
Figure 112008082349772-pat00070
에 부합하는 코드북이 생성될 수 있다. 즉, 측정된
Figure 112008082349772-pat00071
에 따라 계산되는 회전 매트릭스
Figure 112008082349772-pat00072
와 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들을 내적함으로써, 측정된
Figure 112008082349772-pat00073
상응하는 새로운 코드북이 적응적으로 생성될 수 있다.
복수의 블록 대각 매트릭스들로 구성된 제1 코드북을
Figure 112008082349772-pat00074
, 복수의 회전 매트릭스들로 구성된 제2 코드북을
Figure 112008082349772-pat00075
라고 가정한다. 이 때, 측정된
Figure 112008082349772-pat00076
에 상응하는 새로운 코드북은 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00077
(B=B1+B2)
상기 수학식 12를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국 또는 단말기는
Figure 112008082349772-pat00078
에 따라
Figure 112008082349772-pat00079
를 생성할 수 있다. 다만, 단말기 또는 기지국은 측정되는
Figure 112008082349772-pat00080
에 따라
Figure 112008082349772-pat00081
을 동적으로 계산할 수 있을 뿐만 아니라, 메모리에 저장된 테이블로부터
Figure 112008082349772-pat00082
를 추출할 수도 있다.
그리고, 기지국 또는 단말기는 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들
Figure 112008082349772-pat00083
과
Figure 112008082349772-pat00084
에 따라 생성된
Figure 112008082349772-pat00085
를 이용하여 새로운 코드북 {F}를 만들 수 있다.
또한, 새로운 코드북 {F}는 2(B1+B2)= 2B개의 매트릭스들을 포함한다. 따라서, 단말기가 2B개의 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 선호 매트릭스로 선택한 경우, 단말기는 B 비트로 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다. 즉, B 비트의 선호 매트릭스와 관련된 정보는 선호 매트릭스와 관련된 회전 매트릭스의 인덱스 정보(B1 비트) 및 블록 대각 매트릭스의 인덱스 정보(B2 비트)를 포함할 수 있다.
코드북의 최적화
채널을 완벽히 파악할 수 있는 경우의 채널 용량(Cperfect_channel)과 제한된 피드백(limited feedback) 환경에서의 채널 용량(Cquantized)사이에는 차이가 존재할 수 있다. 이러한 차이를 왜곡 함수(distortion function)로서 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00086
또한, 왜곡 함수 D는 하기 수학식 14와 같이 상한선(upper bound)를 가질 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00087
(여기서,
Figure 112008082349772-pat00088
는 상수이며,
Figure 112008082349772-pat00089
는 m 번째 고유 값이며, SNR은 신호 대 잡음 비, M은 전송 랭크,
Figure 112008082349772-pat00090
Figure 112008082349772-pat00091
,
Figure 112008082349772-pat00092
, tr()은 트레이스 함수임.)
상기 수학식 14를 참조하면,
Figure 112008082349772-pat00093
가지고 최적화된 블록 대각 매트릭스들을 포함하는 제1 코드북이 설계될 수 있으며,
Figure 112008082349772-pat00094
를 가지고 최적화된 회전 매트릭스들을 포함하는 제2 코드북이 설계될 수 있다.
따라서, 최적화된 제1 코드북 및 제2 코드북의 설계 과정 및 새로운 코드북의 설계 과정은 아래와 같이 설명될 수 있다.
첫째로, 하기 수학식 15를 이용하여 최적화된 블록 대각 매트릭스들을 포함하는 제1 코드북이 설계될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00095
Figure 112008082349772-pat00096
상기 수학식 15를 참조하면,
Figure 112008082349772-pat00097
에 포함되는 복수의 블록 대각 매트릭스들 중 일부의 블록 대각 매트릭스들을 포함하는 제1 코드북이 결정됨을 알 수 있다. 즉, 복수의 블록 대각 매트릭스들 사이의 최소 코달 거리(minimal chordal distance)가 최대가 되도록 일부의 블록 대각 매트릭스들이 선택되고, 선택된 블록 대각 매트릭스들의 집합이 최적화된 제1 코드북으로 결정될 수 있다.
둘째로, 하기 수학식 16을 이용하여 최적화된 회전 매트릭스들을 포함하는 제2 코드북이 설계될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00098
Figure 112008082349772-pat00099
Figure 112008082349772-pat00100
상기 수학식 16을 참조하면,
Figure 112008082349772-pat00101
에 포함되는 복수의 회전 매트릭스들 중 일부의 회전 매트릭스들을 포함하는 제2 코드북이 결정될 수 있다. 즉, 복수의 회전 매트릭스들 사이의 Distortion Measurement 값(d2)이 최대가 되도록 일부의 회전 매트릭스들이 선택되고, 선택된 회전 매트릭스들의 집합이 최적화된 제2 코드북으로 결정될 수 있다.
셋째로, 최적화된 제1 코드북 및 제2 코드북을 이용하여 새로운 코드북이 설계될 수 있다. 즉,
Figure 112008082349772-pat00102
인 경우, 하기 수학식 17을 이용하여
Figure 112008082349772-pat00103
에 따라 새로운 코드북이 생성될 수 있다.
Figure 112008082349772-pat00104
(
Figure 112008082349772-pat00105
,
Figure 112008082349772-pat00106
, (B=B1+B2))
결국, 본 발명의 일실시예에 따른 단말기 또는 기지국은 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들
Figure 112008082349772-pat00107
과
Figure 112008082349772-pat00108
에 따라 생성된
Figure 112008082349772-pat00109
를 이용하여 새로운 코드북 {F}를 만들 수 있다.
또한, 새로운 코드북 {F}은 2(B1+B2)= 2B개의 매트릭스들을 포함하며, 단말기가 2B개의 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 선호 매트릭스로 선택한 경우, 단말기는 B 비트의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다. 즉, B 비트의 선호 매트릭스와 관련된 정보는 선호 매트릭스와 관련된 회전 매트릭스의 인덱스 정보 및 블록 대각 매트릭스의 인덱스 정보를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국 및 단말기를 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국(310)은 XPD 인지부(311), 코드북 검출부(312), 피드백 정보 수신부(313) 및 프리코더(314)를 포함한다. 또한, 단말기(320)는 XPD 계산부(321), 회전 매트릭스 생성부(322), 코드북 생성부(323) 및 피드백 수행부(324)를 포함한다.
단말기(320)는 단말기(320)와 기지국(310) 사이에 형성된 채널을 추정한다. 그리고, 단말기(320)의 XPD 계산부(321)는 추정된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 전송 신호의 편파 식별도를 계산한다.
그리고, 회전 매트릭스 생성부(322)는 전송 신호의 편파 식별도를 상응하는 회전 매트릭스를 생성한다. 또한, 회전 매트릭스 생성부(322)는 미리 저장된 복수의 후보 회전 매트릭스들 중 계산된 전송 신호의 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들을 선택할 수도 있다. 즉, 미리 저장된 후보 회전 매트릭스들의 집합들 중 계산된 전송 신호의 편파 식별도에 상응하는 어느 하나의 집합이 선택되는 경우, 선택된 집합에 포함되는 후보 회전 매트릭스들이 회전 매트릭스들로 선택될 수 있다.
이 때, 단말기(320)는 선택된 회전 매트릭스들의 인덱스 정보를 기지국(310)으로 피드백함으로써, 기지국(310)은 선택된 회전 매트릭스들을 파악할 수 있다.
게다가, 회전 매트릭스 생성부(322)는 상술한 바와 같이 후보 회전 매트릭스들 사이의 Distortion Measurement 값을 고려하여 회전 매트릭스들을 생성할 수 있 다.
또한, 코드북 생성부(323)는 미리 저장된 블록 대각 매트릭스과 생성된 회전 매트릭스들을 내적하여 결과 매트릭스들을 포함하는 새로운 코드북을 생성한다.
또한, 도 3에 도시되지 아니하였으나, 단말기(320)는 새로운 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 선호 매트릭스로 선택할 수 있다.
이 때, 피드백 수행부(440)는 생성된 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 이용하여 기지국으로 적어도 하나의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백한다.
예를 들어, 블록 대각 매트릭스들의 개수가 2B2 개이고, 생성된 회전 매트릭스들의 개수가 2B1 개인 경우, 2B1+B2 개의 결과 매트릭스들이 생성될 수 있다. 이 때, 피드백 수행부(440)는 B=B1+B2 비트의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다.
또한, 기지국(310)의 XPD 인지부(311)는 단말기(320)에 의해 계산된 전송 신호의 편파 식별도를 인지한다.
그리고, 코드북 검출부(312)는 편파 식별도를 이용하여 단말기(320)에 의해 새롭게 생성되고, 사용된 코드북을 재구성한다. 즉, 코드북 검출부(312)는 그 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들을 검출할 수 있다.
특히, 기지국(310)은 동적으로 편파 식별도에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 기지국(310)은 별도의 메모리에 다양한 편파 식별도에 상응하는 회전 매트릭스들을 저장할 수 있다. 이 때, 기지국(310)은 저장된 회전 매트릭스들 중 단말기(320)에 의해 계산된 편파 식별도에 상응하는 회전 매트릭스들을 추출할 수 있다. 그리고, 기지국(310)은 추출된 회전 매트릭스들을 이용하여 단말기(320)에 의해 새롭게 생성된 결과 매트릭스들을 파악할 수 있다.
또한, 피드백 정보 수신부(313)는 단말기(320)로부터 선호 매트릭스와 관련된 정보를 수신한다. 복수의 단말기들이 존재하는 경우, 피드백 정보 수신부(313)는 복수의 단말기들 각각의 선호 매트릭스들과 관련된 정보를 수신할 수 있다.
또한, 프리코더(314)는 검출된 결과 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 프리코딩 매트릭스로 선택한다. 예를 들어, 단일 사용자(Single User) MIMO 통신 시스템인 경우, 프리코더(314)는 단말기(320)의 선호 매트릭스를 프리코딩 매트릭스로 선택할 수 있다. 다만, 다중 사용자(Multi User) MIMO 통신 시스템인 경우, 프리코더(314)는 다양한 알고리즘들을 이용하여 결과 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 프리코딩 매트릭스로 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단말기를 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단말기는 XPD 계산부(410), 매트릭스 선택부(420), 메모리(430) 및 피드백 수행부(440)를 포함한다.
XPD 계산부(410) 및 피드백 수행부(440)의 동작은 도 3의 XPD 계산부(321), 피드백 수행부(324)와 동일하므로, 여기서는 생략한다.
메모리(430)는 편파 식별도에 상응하는 결과 매트릭스들의 집합들을 미리 저장해 둘 수 있다. 즉, 블록 대각 매트릭스들의 개수가 2B2 개이고, 특정한 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들의 개수가 2B1 개인 경우, 메모리(430)는 블록 대각 매트릭스들과 회전 매트릭스들을 내적하여 생성된 2(B1+B2)=2B 개의 매트릭스들을 포함하는 집합을 미리 저장해 둘 수 있다.
예를 들어, 메모리(430)에는 A, B, C와 같은 세 개의 집합들이 미리 저장될 수 있으며, 이 때, A, B, C 세 개의 집합들 각각은 2(B1+B2) =2B 개의 매트릭스들을 포함한다. 그리고, A, B, C 세 개의 집합들 각각은 서로 다른 편파 식별도에 대응된다.
또한, 매트릭스 선택부(430)는 계산된 편파 식별도에 따라 미리 저장된 매트릭스들의 집합들 중 어느 하나의 집합을 선택한다. 이 때, 선택된 집합에 포함되는 매트릭스들이 결과 매트릭스들로서, 새로운 코드북을 구성한다.
또한, 단말기는 새로운 코드북에 포함된 결과 매트릭스들 중 어느 하나의 매트릭스를 선호 매트릭스로 선택하고, 선호 매트릭스의 인덱스 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 기지국의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 단말기에 의해 측정 된 전송 신호의 편파 식별도를 인지한다(S510).
또한, 기지국은 상기 편파 식별도를 이용하여 단말기에 의해 사용된 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들을 검출한다(S520).
또한, 기지국은 상기 단말기로부터 상기 결과 매트릭스들 중 상기 단말기에 의해 선호 매트릭스와 관련된 정보를 수신한다(S530).
또한, 기지국은 상기 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기초로 상기 결과 매트릭스들 중 프리코딩 매트릭스를 선택한다(S540).
또한, 기지국은 상기 프리코딩 매트릭스를 이용하여 적어도 하나의 데이터 스트림을 프리코딩한다(S550).
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단말기의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단말기는 단말기와 기지국 사이에 형성된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 상기 전송 신호의 편파 식별도를 계산한다(S510).
또한, 단말기는 상기 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성한다(S520).
또한, 단말기는 미리 저장된 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들 및 상기 회전 매트릭스들을 기초로 생성된 결과 매트릭스들을 포함하는 코드북을 생성한다(S530).
또한, 단말기는 상기 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 상기 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 이용하여 상기 기지국으로 적어도 하나의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백한다(S540)
도 5 및 도 5에 도시된 각 단계들은 도 1 내지 도 4를 통해 설명된 사항이 그대로 적용될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 기지국 및 단말기의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 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 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 다중 사용자(Multi Users) MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템의 일예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송신 안테나들 및 복수의 수신 안테나들을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 기지국 및 단말기를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단말기를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 기지국의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 단말기의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

Claims (21)

  1. 단말기와 기지국 사이에 형성된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 전송 신호의 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)를 계산하는 XPD 계산부;
    상기 편파 식별도에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성하는 회전 매트릭스 생성부; 및
    미리 저장된 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들 및 상기 회전 매트릭스들을 기초로 생성된 결과 매트릭스들을 포함하는 코드북을 생성하는 코드북 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 매트릭스 생성부는
    미리 저장된 복수의 후보 회전 매트릭스들 중 상기 편파 식별도에 대응하는 상기 회전 매트릭스들을 선택하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전 매트릭스 생성부는
    상기 회전 매트릭스들 사이의 Distortion Measurement 값을 고려하여 상기 회전 매트릭스들을 생성하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들은 상기 블록 대각 매트릭스들 사이의 코달 거리를 고려하여 선택되고, 미리 저장되는 것을 특징으로 하는 단말기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코드북 생성부는
    상기 블록 대각 매트릭스들과 상기 회전 매트릭스들을 내적(inner product)하여 상기 결과 매트릭스들을 생성하고, 상기 코드북을 생성하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 블록 대각 매트릭스는 상기 전송 신호가 갖는 편파 방향의 개수를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 단말기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 상기 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 이용하여 기지국으로 적어도 하나의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백하는 피드백 수행부
    를 더 포함하고,
    상기 선호 매트릭스는 상기 결과 매트릭스들 중 선택되는 것을 특징으로 하는 단말기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 블록 대각 매트릭스들 각각은 대각 블록들에 단일 편파 프리코딩 매트릭스들을 포함하고, 나머지 블록들에 제로 매트릭스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  10. 단말기와 기지국 사이에 형성된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 전송 신호의 편파 식별도를 계산하는 XPD 계산부;
    미리 저장된 매트릭스들 중 상기 계산된 편파 식별도에 상응하는 결과 매트릭스들을 선택하는 매트릭스 선택부; 및
    상기 기지국으로 상기 결과 매트릭스들 중 선택된 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백하는 피드백 수행부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 결과 매트릭스들은 미리 결정된 블록 대각 매트릭스들과 상기 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들 사이의 내적으로 표현되고,
    상기 블록 대각 매트릭스들 각각은 대각 블록들에 단일 편파 프리코딩 매트릭스들을 포함하고, 나머지 블록들에 제로 매트릭스들을 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 피드백 수행부는
    상기 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 상기 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 이용하여 상기 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백하는 것을 특징으로 하는 단말기.
  13. 전송 신호의 편파 식별도를 인지하는 XPD 인지부;
    상기 편파 식별도를 이용하여 단말기에 의해 사용된 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들을 검출하는 코드북 검출부; 및
    상기 결과 매트릭스들 중 선택된 프리코딩 매트릭스를 이용하여 적어도 하나의 데이터 스트림을 프리코딩하는 프리코더
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 검출부는
    미리 저장된 매트릭스들 중 상기 편파 식별도에 상응하는 상기 결과 매트릭스들을 선택하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 검출부는
    상기 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들 및 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들을 기초로 상기 단말기에 의해 사용된 상기 코드북에 포함되는 상기 결과 매트릭스들을 검출하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 단말기로부터 상기 결과 매트릭스들 중 상기 단말기에 의해 선택된 선호 매트릭스와 관련된 정보를 수신하는 피드백 정보 수신부
    를 더 포함하고,
    상기 선호 매트릭스와 관련된 정보는 상기 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 프리코더는
    상기 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기초로 선택된 상기 프리코딩 매트릭스를 이용하여 상기 적어도 하나의 데이터 스트림을 프리코딩하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 인지부는
    상기 단말기로부터 전송된 상기 편파 식별도와 관련된 정보를 기초로 상기 편파 식별도를 인지하고, 상기 편파 식별도는 상기 단말기에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 기지국.
  19. 단말기와 기지국 사이에 형성된 채널의 채널 매트릭스를 이용하여 전송 신호의 편파 식별도를 계산하는 단계;
    상기 편파 식별도(cross polarization discrimination value, XPD)에 상응하는 회전 매트릭스들을 생성하는 단계;
    미리 저장된 블록 대각(block diagonal) 매트릭스들 및 상기 회전 매트릭스들을 기초로 생성된 결과 매트릭스들을 포함하는 코드북을 생성하는 단계; 및
    상기 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 상기 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 이용하여 상기 기지국으로 적어도 하나의 선호 매트릭스와 관련된 정보를 피드백하는 단계
    를 포함하고,
    상기 블록 대각 매트릭스들 각각은 대각 블록들에 단일 편파 프리코딩 매트릭스들을 포함하고, 나머지 블록들에 제로 매트릭스들을 포함하고, 상기 선호 매트릭스는 상기 결과 매트릭스들 중 선택되는 것을 특징으로 하는 단말기의 동작 방법.
  20. 전송 신호의 편파 식별도를 인지하는 단계;
    상기 편파 식별도를 이용하여 단말기에 의해 사용된 코드북에 포함되는 결과 매트릭스들을 검출하는 단계;
    상기 단말기로부터 상기 결과 매트릭스들 중 상기 단말기에 의해 선호 매트릭스와 관련된 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 선호 매트릭스와 관련된 정보를 기초로 상기 결과 매트릭스들 중 프리코딩 매트릭스를 선택하고, 상기 프리코딩 매트릭스를 이용하여 적어도 하나의 데이터 스트림을 프리코딩하는 단계
    를 포함하고,
    상기 선호 매트릭스와 관련된 정보는 상기 편파 식별도에 대응하는 회전 매트릭스들의 개수에 대응하는 제1 피드백 비트들 및 미리 저장된 블록 대각 매트릭스들의 개수에 대응하는 제2 피드백 비트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국의 동작 방법.
  21. 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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