KR101521883B1

KR101521883B1 - 코드북 기반 폐루프 다중 안테나 시스템에서 송수신 장치및 방법

Info

Publication number: KR101521883B1
Application number: KR1020080040425A
Authority: KR
Inventors: 김용석; 황근철; 황인석; 문준; 윤순영; 노원일; 설지윤
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2015-05-20
Also published as: US20090274227A1; KR20090114668A; US8537921B2

Abstract

본 발명은 코드북 기반 폐루프 다중 안테나 시스템에서 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코드북 생성 방법은, 코드북 V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들 vi(i=1,...,2^L)을 생성하는 과정과, 여기서, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L는 코드북 인덱스의 비트수이고, 상기 코드북 V(4,1,L)의 i번째 벡터(vi)를 이용해서 유니터리 행렬(Ti)을 생성하는 과정과, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 가중치 행렬의 1번째 열로 선택하고, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 제외한 나머지 열들중 특정 패턴에 의해 선택된 열을 상기 가중치 행렬의 2번째 열로 선택하여, 코드북 V(4,2,L)의 i번째 행렬을 생성하는 과정을 포함한다.

MIMO, 폐루프, 코드북, 연산량

Description

코드북 기반 폐루프 다중 안테나 시스템에서 송수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING IN CLOSE LOOP MIMO SYSTEM BY USING CODEBOOKS}

본 발명은 코드북 기반 폐루프 MIMO(Multiple input Multiple Output) 시스템에서 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 최적의 코드북을 구성하고, 최적의 코드북을 이용해서 통신하기 위한 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(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 기술이 크게 주목되고 있다. 상기 다중 입출력 기술은 다수의 안테나들에 의한 다수의 채널들을 이용하여 통신을 수행함으로써, 단일 안테나 시스템보다 채널 용량을 크게 개선시킬 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 증가된다.

상기 MIMO 기술은 채널정보의 피드백 여부에 따라 OL-MIMO(Open-Loop MIMO)와 CL-MIMO(Closed-Loop MIMO)로 분류될 수 있다. 상기 CL-MIMO는 송신기가 수신기로부터 채널정보를 피드백받는 방식으로, 피드백 방법에 따라 크게 두 가지로 분류될 수 있다. 하나는, 수신기가 채널계수 값을 양자화(quantization)하여 송신기로 피드백하는 방법이다. 이 방법은 송신기에서 채널에 대해 보다 정확한 값을 알 수 있는 이점이 있지만 피드백 오버헤드(overhead)가 큰 단점이 있다. 다른 하나는, 수신기가 추정된 채널을 가지고 코드북을 검색하고, 검색된 코드북 인덱스를 송신기로 피드백하는 방법이다. 이 방법은 피드백 오버헤드를 줄일 수 있는 이점이 있다.

상기 CL-MIMO 시스템에서 코드북을 사용하는 경우, 시스템 성능에 영향을 끼치는 요인으로 코드북 설계 방법이나 코드북의 종류 및 크기 등이 있다. 따라서, 코드북 기반의 MIMO 시스템의 경우, 이러한 요인들을 목적(예 : 채널용량 증가, 평균오차율 감소, 코드북 검색 복잡도 감소 등)에 따라 적합하게 설정하여 코드북을 최적으로 설계해야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 코드북 기반의 MIMO 시스템에서 최적의 코드북을 생성하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 코드북 기반의 MIMO 시스템에서 최적의 코드북을 이용해서 통신하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 코드북 기반의 MIMO 시스템에서 코드북 검색에 따른 연산량을 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 코드북 기반의 MIMO 시스템에서 코드북 V(4,2,6) 및 코드북 V(4,2,3)를 설계하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 코드북 기반의 MIMO 시스템에서 랭크1 코드북 벡터를 랭크2 코드북 행렬의 1번째 열로 구성하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 폐루프 MIMO 시스템에서 코드북 생성 방법에 있어서, 코드북 V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들 vi(i=1,...,2^L)을 생성하는 과정과, 여기서, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L는 코드북 인덱스의 비트수이고, 상기 코드북 V(4,1,L)의 i번째 벡터(vi)를 이용해서 유니터리 행렬(Ti)을 생성하는 과정과, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 가중치 행렬의 1번째 열로 선택하고, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 제외한 나머지 열들중 특정 패턴에 의해 선택된 열을 상기 가중치 행렬의 2번째 열로 선택하여, 코드북 V(4,2,L)의 i번째 행렬을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신 장치에 있어서, 수신기로부터 코드북 인덱스를 수신하는 피드백 수신부와, 상기 코드북 인덱스를 가지고 코드북을 검색하고, 상기 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치를 생성하는 가중치 생성기와, 상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L은 코드북 인덱스 비트수이고, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타내며, 송신 데이터와 상기 빔포밍 가중치를 곱해 빔형성된 데이터를 발생하는 빔형성기와, 상기 빔형성기로부터의 빔형성된 데이터를 복수의 안테나들을 통해 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신 장치에 있어서, 송신단과 수신단 사이의 채널을 추정하는 채널추정기와, 상기 채널추정기로부터의 채널추정값을 이용해서 코드북을 검색하고, 검색된 코드북 인덱스를 발생하는 검색기와, 상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타내며, 상기 검색기로부터의 코드북 인덱스를 가지고 피드백 메시지를 생성하고, 상기 피드백 메시지를 송신기로 송신하는 피드백 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 동작 방법에 있어서, 수신기로부터 코드북 인덱스를 수신하는 과정과, 상기 코드북 인덱스를 가지고 코드북을 검색하는 과정과, 상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 상기 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타내며, 상기 검색된 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치를 생성하는 과정과, 송신데이터와 상기 빔포밍 가중치를 곱해 빔형성된 데이터를 생성하는 과정과, 상기 빔형성된 데이터를 복수의 안테나들을 통해 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 동작 방법에 있어서, 송신단과 수신단 사이의 채널을 추정하는 과정과, 상기 채널 추정값을 이용해서 코드북을 검색하여 코드북 인덱스를 결정하는 과정과, 상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 상기 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타내며, 상기 결정된 코드북 인덱스를 가지고 피드백 메시지를 생성하는 과정과, 상기 피드백 메시지를 송신기로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 랭크2 코드북 행렬의 1번째 열이 랭크1의 코드북 벡터로 구성되기 때문에, 코드북 검색에 따른 연산량을 줄일 수 있다. 즉, 랭크2 행렬의 1번째 열에 대한 연산 시, 랭크1 검색 때 계산된 값을 그대로 사용할 수 있기 때문에, 단말의 코드북 검색 연산량을 현저히 줄일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있 다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 본 발명은 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 코드북을 최적으로 설계하기 위한 방안에 대해 살펴보기로 한다. 또한, 상기 최적으로 설계된 코드북을 이용해서 통신하는 시스템(송신기 및 수신기)에 대해 살펴보기로 한다.

이하, OFDM/OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기반의 광대역 무선통신시스템을 예를 들어 설명하지만, 본 발명은 코드북 기반의 다른 접속방식(예 : CDMA)의 시스템에 용이하게 적용될 수 있다.

또한, 이하 코드북 V(4,1,6)와 V(4,2,6)를 설계하는 방법을 예를 들어 설명하지만, 본 발명은 송신안테나 개수, 스트림 개수 및 코드북 인덱스 비트 수에 따라 용이하게 확장될 수 있다. 코드북은 송신 안테나 개수(Nt), 스트림 개수(S) 및 코드북 인덱스 비트 수(L)에 따라 V(Nt,S,L)로 표현될 수 있다.

먼저, 랭크1에 대한 코드북 V(4,1,6)는 하기 <수학식 1>과 같이 생성될 수 있다. 코드북 인덱스 비트 수(L)가 6이므로 코드북(CODEBOOKS)을 구성하는 전체 벡터 개수는 64개(v1 ∼ v64)가 되며, 각 코드북 벡터(또는 가중치 벡터)는 [4×1] 크기를 갖는다.

상기 수학식 1에서,

는 단위 행렬(identity matrix)을 나타내고, ()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)을 나타내며,

는 유니터리 행렬(unitary matrix)이다.

상기 <수학식 1>에 나타낸 바와 같이, 코드북 V(4,1,6)는 그래스매니안 부공간 패킹(grassmannian subspace packing) 방식을 이용해서 생성될 수 있다. 여기서, 상기 그래스매니안 부공간 패킹 방식은, 주어진 공간을 한정된 개수로 분할하 는데 있어 공간을 가장 균등하게 분할할 수 있는 방식으로 알려져 있다.

한편, 랭크2에 대한 코드북 V(4,2,6)는 하기 <수학식 2>와 같이 생성된다. 코드북 인덱스 비트 수가 6이므로 코드북을 구성하는 전체 행렬 개수는 64개(W1 ∼ W64)가 되며, 각 코드북 행렬(또는 가중치 행렬)은 [4×2] 크기를 갖는다.

상기 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 랭크1의 가중치 벡터(v_i)를 이용해서 유니터리 행렬(Ti)을 구성한다. 그리고, i번째 가중치 행렬(Wi)의 첫 번째 열(column)을 상기 유니터리 행렬 Ti의 1번째 열로 구성하고, 상기 가중치 행렬(Wi)의 2번째 열을 상기 유니터리 행렬 Ti의 1번째 열을 제외한 나머지 열들(2열, 3열, 4열)중 특정 패턴(pattern)에 의해 선택된 열로 구성한다. 여기서, 상기 유니터리 행렬 Ti의 1번째 열은 랭크1의 가중치 벡터(vi)로 구성되며, 따라서 랭크2의 가중치 행렬의 1번째 열은 랭크1의 가중치 벡터(vi)로 구성된다.

상기 특정 패턴은 다양한 방식으로 실시될 수 있으며, 일 예로 라운드 로 빈(round-robin) 방식이 될 수 있다. 즉, f(i)= 2 + i mod (Nt-1)로 표현할 수 있다. 상기 라운드 로빈 방식을 사용할 경우의 코드북 생성식은 하기 <수학식 3>과 같다.

도 1은 상기 수학식 3에 따른 코드북 생성 방법을 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 랭크1의 벡터 v1을 이용해서 유니터리 행렬 T1을 구성하며, 상기 행렬 T1의 1번째 열과 3번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W1을 구성한다. 이때, 유니터리 행렬 T1의 1번째 열은 벡터 v1로 구성되며, 따라서 랭크2의 행렬 W1의 1번째 열은 벡터 v1로 구성된다. 또한, 랭크1의 벡터 v2를 이용해서 행렬 T2를 구성하며, 상기 행렬 T2의 1번째 열과 4번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W2를 구성한다. 또한, 랭크1의 벡터 v3을 이용해서 행렬 T3을 구성하며, 상기 T3의 1번째 열과 2번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W3을 구성한다.

이와 같이, 본 발명은 랭크(또는 스트림) 1을 위한 벡터(vi)를 생성하고, 랭크1의 벡터 vi를 이용해서 유니터리 행렬 Ti를 생성한다. 이후, 랭크2를 위한 행렬 Wi를 구성할 때, Wi의 1번째 열은 상기 행렬 Ti의 1번째 열로 구성하고, 행렬 Wi의 두 번째 열은 Ti의 2,3,4번째 열을 라운드 로빈 방식으로 선택하여 구성할 수 있다.

다른 실시예로, 랭크2에 대한 코드북 V(4,2,6)를 구성할 때, 하기 <수학식 4>와 같이 행렬 Wi의 2번째 열을 행렬 Ti의 특정 순서(예: 2번째)의 열로 구성할 수도 있다. 즉, f(i)=2로 표현할 수 있다.

도 2는 상기 수학식 4에 따른 코드북 생성 방법을 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 랭크1의 벡터 v1을 이용해서 유니터리 행렬 T1을 구성하며, 상기 행렬 T1의 1번째 열과 2번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W1을 구성한다. 이때, 유니터리 행렬 T1의 1번째 열은 벡터 v1로 구성되며, 따라서 랭크2 행렬 W1의 1번째 열은 벡터 v1로 구성된다. 마찬가지로, 랭크1의 벡터 v2를 이용해서 행렬 T2를 구성하며, 상기 행렬 T2의 1번째 열과 2번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W2 를 구성한다. 또한, 랭크1의 벡터 v3을 이용해서 행렬 T3을 구성하며, 상기 T3의 1번째 열과 2번째 열을 선택하여 랭크2의 행렬 W3을 구성한다.

이와 같이, 본 발명은 랭크(또는 스트림) 1을 위한 벡터(vi)를 생성하고, 랭크1의 벡터 vi를 이용해서 유니터리 행렬 Ti를 생성한다. 이후, 랭크2를 위한 행렬 Wi를 구성할 때, Wi의 첫 번째 열은 상기 행렬 Ti의 1번째 열로 구성하고, 행렬 Wi의 두 번째 열은 Ti의 2번째 열로 구성한다.

상기와 같이 구성된 코드북을 사용할 경우, 수신단(단말)에서의 코드북 검색에 따른 연산량을 줄일 수 있다.

1) 랭크1을 위한 연산 : (2by4)×(4by1)

2) 랭크2를 위한 연산 : (2by4)×(4by2)→(2by4)×(4by1)

상술한 바와 같이, 랭크2의 첫 번째 열(column) 연산 시, 랭크1에서 구한 값을 그대로 사용해도 되기 때문에, 단말의 연산량을 현저히 줄일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 MIMO 시스템에서 코드북 생성 절차를 도시한 것이다.

설명의 편의를 위해, 송신 안테나 개수(Nt)는 4, 코드북 인덱스 비트수(L)는 6으로 가정하고, 랭크1과 랭크2에 대한 코드북을 생성하는 것으로 가정하기로 한다.

도 3을 참조하면, 먼저 프로세서(processor)는 301단계에서 랭크1(또는 스트림1)을 위한 코드북 V(4,1,6)를 생성한다. 이때, 상기 코드북 V(4,1,6)는 예를 들어 수학식 1과 같이 그래스매니안 부공간 패킹 방식에 따라 생성될 수 있으며, 총 64개의 벡터들 vi(i=1,...64)로 구성된다.

이후, 상기 프로세서는 303단계에서 코드북 인덱스 i를 '1'로 초기화한다. 그리고 상기 프로세서는 205단계에서 랭크1의 i번째 코드북 벡터 vi를 이용해서 유니터리 행렬 Ti를 구성한다. 이때, 상기 유니터리 행렬 Ti는 4×4 크기를 가지며, 상기 수학식 2와 같이 계산된다.

상기 행렬 Ti를 구성한 후, 상기 프로세서는 305단계에서 랭크2를 위한 코드북 중 i번째 코드북 행렬 Wi를 상기 행렬 Ti을 이용해서 구성한다. 이때, 상기 행렬 Wi의 1번째 열(또는 벡터)은 상기 Ti의 1번째 열로 구성되고, 상기 Wi의 2번째 열은 Ti의 1번째 열을 제외한 나머지 열들(2열, 3열, 4열)중 특정 패턴( pattern)에 의해 선택된 열로 구성된다. 함수 f(t2,t2,t3)는 행렬 Ti의 2번째, 3번째 및 4번째 벡터 중 임의의 하나의 벡터를 선택하는 함수를 나타낸다. 이때, 랜덤 혹은 특정 패턴에 의해 하나의 벡터가 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 수학식 3과 같이 라운드 로빈 방식에 의해 선택될 수도 있고, 상기 수학식 4와 같이 미리 결정된 순서의 벡터(혹은 열)가 선택될 수 있다.

이와 같이, i번째 코드북 행렬 Wi를 구성한 후, 상기 프로세서는 307단계에서 코드북 인덱스 i가 코드북 인덱스 최대값(maxCodebook index = 64)에 도달했는지 검사한다. 다시 말해, 코드북이 완성되었는지 검사한다. 상기 코드북이 완성되었을 경우 본 알고리즘을 종료한다. 반면, 코드북이 완성되지 않았으면, 상기 프로세서는 311단계로 진행하여 코드북 인덱스 i를 1만큼 증가시킨후 상기 305단계로 되돌아가 이하 단계를 재수행한다. 즉, 상기와 같이, 랭크1 코드북에 대한 64개의 가중치 벡터들과 랭크2 코드북에 대한 64개의 가중치 행렬들을 생성한다.

상기 도 3과 같이 생성된 코드북을 사용하는 시스템에 대해 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 구성을 도시하고 있다. 상기 송신기는 상대적인 개념이며, 여기서는 기지국으로 가정하기로 한다.

도시된 바와 같이, 송신기는, 부호기(400), 인터리버(402), 변조기(404), 빔형성기(406), 복수의 부반송파 매핑기들(408-1 내지 408-Nt), 복수의 OFDM변조기들(410-1 내지 410-Nt), 복수의 RF(Radio Frequency)송신기들(412-1 내지 412-Nt), 피드백 수신부(414) 및 빔포밍 가중치 생성기(416)를 포함한다.

도 4를 참조하면, 먼저 부호기(400)는 송신데이터를 채널 부호화하여 출력한다. 여기서, 상기 부호기(400)는 CC(Convolutional Code), TC(Turbo Code), CTC(Convolutional Turbo Code), LDPC(Low Density Parity Check)부호 등을 사용할 수 있다. 인터리버(402)는 상기 부호기(400)로부터의 부호화 데이터를 인터리빙하여 출력한다. 변조기(404)는 상기 인터리버(402)로부터의 데이터를 변조하여 변조 심볼들을 발생한다. 예를 들어, 상기 변조기(404)는 QPSK, 16QAM, 64QAM 등을 사용할 수 있다. 여기서, 복수의 스트림들이 서비스될 경우, 복수의 스트림들은 동일한 MCS레벨로 변조되거나 혹은 서로 다른 MCS레벨을 변조될 수 있다.

피드백 수신부(414)는 수신기(단말)로부터 피드백되는 메시지(혹은 채널신호)를 해석한다. 본 발명에 따라 상기 피드백 수신부(414)는 피드백 메시지로부터 코드북 인덱스(랭크 인덱스 포함)를 획득하고, 상기 코드북 인덱스를 빔포밍 가중치 생성기(416)로 제공한다. 상기 빔포밍 가중치 생성기(416)는 본 발명과 같이 구성된 코드북을 구비하며, 단말로부터 피드백된 코드북 인덱스를 가지고 상기 코드북을 검색하고, 상기 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치(가중치 벡터 혹은 가중치 행렬)를 빔형성기(406)로 발생한다. 여기서, 상기 코드북은 랭크1에 대한 가중치들과 랭크2에 대한 가중치들로 포함하는 것으로 가정한다. 상기 랭크1에 대한 가중치 벡터들은 그래스매니안 부공간 패킹 방식으로 생성된 것이고, 상기 랭크2에 대한 가중치 행렬들은 랭크1의 가중치 벡터를 이용해서 생성된 것이다. 여기서, 랭크2의 각 가중치 행렬의 1번째 열은 랭크1의 가중치 벡터를 이용해서 생성된 유니터리 행렬의 1번째 열로 구성되고, 상기 가중치 행렬의 2번째 열은 상기 유니터리 행렬의 나머지 열들중 특정 패턴에 의해 선택된 열로 구성될 수 있다.

상기 빔형성기(406)는 상기 변조기(404)로부터의 데이터와 상기 빔포밍 가중치 생성기(416)로부터의 빔포밍 가중치(가중치 벡터 혹은 가중치 행렬)를 곱해 다 수의 안테나 신호들을 생성한다. 이때, 첫 번째 안테나 신호는 부반송파 매핑기(408-1)로 제공되고, Nt번째 안테나 신호는 부반송파 매핑기(408-Nt)로 제공된다.

복수의 부반송파 매핑기들(408-1 내지 408-Nt) 각각은 상기 빔형성기(406)로부터의 해당 안테나 신호를 부반송파 매핑하여 출력한다. 복수의 OFDM변조기들(410-1 내지 410-Nt) 각각은 대응되는 부반송파 매핑기(408)로부터의 데이터를 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)연산하여 시간영역의 데이터를 생성하고, 상기 시간영역의 데이터에 보호구간(예 : Cyclic Prefix)을 삽입하여 OFDM심볼을 발생한다. 복수의 RF송신기들(412-1 내지 412-Nt) 각각은 대응되는 OFDM변조기(410)로부터의 데이터를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 아날로그 신호를 RF신호로 변환하여 해당 안테나를 통해 송신한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 구성을 도시하고 있다. 상기 수신기는 상대적인 개념이며, 여기서는 단말로 가정하기로 한다.

도시된 바와 같이, 수신기는 복수의 RF수신기들(500-1 내지 500-Nr), 복수의 OFDM복조기들(502-1 내지 502-Nr), 복수의 부반송파 디매핑기들(504-1 내지 504-Nr), MIMO검출기(506), 디인터리버(508), 복호기(510), 채널추정기(512), 코드북 검색기(514) 및 피드백 송신기(516)를 포함한다.

도 5를 참조하면, 먼저 복수의 RF수신기들(500-1 내지 500-Nr) 각각은 해당 안테나를 통해 수신되는 RF신호를 기저대역 신호로 변환하고, 상기 기저대역 아날로그 신호를 디지털 샘플데이터로 변환하여 출력한다. 복수의 OFDM복조기들(502-1 내지 502-Nr) 각각은 대응되는 RF수신기(500)로부터의 샘플데이터에서 보호구간을 제거하고, 상기 보호구간 제거된 샘플데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)연산하여 주파수영역의 데이터를 생성한다. 복수의 부반송파 디매핑기들(504-1 내지 504-Nr) 각각은 대응되는 OFDM복조기(502)로부터의 데이터에서 수신데이터를 추출하여 MIMO검출기(506)로 제공한다. 또한, 상기 복수의 부반송파 디매핑기들(504-1 내지 504-Nr) 각각은 채널 추정을 위한 특정 신호(예 : 파일럿 신호, 프리앰블 신호 등)를 추출하여 채널추정기(512)로 제공한다.

상기 MIMO검출기(506)는 상기 다수의 부반송파 디매핑기들(504-1 내지 504-Nr)로부터의 데이터들을 가지고 수신벡터를 구성하고, 상기 수신벡터와 채널추정기(512)로부터의 채널행렬을 이용해서 송신심볼을 추정한다. 이때, 상기 MIMO검출기(506)는 공지된 다양한 MIMO검출 알고리즘을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 MIMO검출기(506)의 출력은 LLR(Log Likelihood Ratio)데이터로 가정하기로 한다. 디인터리버(508)는 상기 MIMO검출기(506)로부터의 데이터를 디인터리빙하여 출력한다. 복호기(510)는 상기 디인터리버(508)로부터의 데이터를 복호하여 정보데이터로 복원한다.

상기 채널추정기(512)는 상기 부반송파 디매핑기들(504-1 내지 504-Nr)로부터의 파일럿 신호들을 이용해서 채널계수를 추정하고, 상기 채널계수들을 가지고 채널행렬을 구성하여 코드북 검색기(514)로 제공한다. 상기 코드북 검색기(514)는 본 발명에 따라 구성된 코드북을 구비하며, 상기 채널추정기(512)로부터의 채널행렬을 이용해서 상기 코드북을 검색하고, 상기 검색된 코드북 인덱스(랭크 인덱스 포함)를 피드백 송신기(516)로 제공한다. 여기서, 상기 코드북은 랭크1에 대한 가중치들과 랭크2에 대한 가중치들로 포함하는 것으로 가정한다. 예를 들어, 상기 랭크1에 대한 가중치 벡터들은 그래스매니안 부공간 패킹 방식으로 생성된 것이고, 상기 랭크2에 대한 가중치 행렬들은 랭크1의 가중치 벡터를 이용해서 생성된 것이다. 여기서, 랭크2의 각 가중치 행렬의 1번째 열은 랭크1의 가중치 벡터를 이용해서 생성된 유니터리 행렬의 1번째 열(랭크1의 가중치 벡터)로 구성되고, 상기 가중치 행렬의 2번째 열은 상기 유니터리 행렬의 나머지 열들중 특정 패턴에 의해 선택된 열로 구성될 수 있다.

상기 피드백 송신기(516)는 상기 코드북 검색기(514)로부터의 코드북 인덱스를 가지고 피드백 메시지(혹은 채널 신호)를 생성하고, 상기 피드백 메시지를 기지국으로 송신한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 동작 절차를 도시하고 있다.

도 6을 참조하면, 먼저 수신기는 601단계에서 특정 신호(예 : 파일럿 신호, 프리앰블 신호 등)를 이용해서 채널계수를 추정하고, 상기 추정된 채널계수를 가지고 송신단과 수신단 사이의 채널 행렬을 구성한다.

그리고 상기 수신기는 603단계에서 상기 채널 행렬을 이용해서 본 발명에 따른 코드북을 검색한다. 여기서, 송신안테나 개수(Nt)가 4이고 코드북 인덱스 비트 수(L)가 6인 것으로 가정하며, 상기 코드북은 랭크1 및 랭크2에 대한 가중치들을 포함하는 것으로 가정한다, 이때, 랭크1과 랭크2에 대한 코드북은 다음과 같이 정의된다.

랭크1 코드북 : V(4,1,6)

랭크2 코드북 : V(4,2,6)=H(V(4,1,6))_{[1:2+mod(k,3)]}
여기서, 상기 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수(function)를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수결과에 대한 열 선택 패턴을 나타낸다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 랭크2 코드북의 행렬은 랭크1의 벡터를 이용해 생성된 행렬의 1번째 열(벡터)과 특정 패턴에 의해 선택된 다른 하나의 열로 구성된다. 상기 특정 패턴은 위에 나타낸 바와 같이, 모듈로(modulo) 연산에 따른 라운드 로빈 방식이 될 수 있고, 다른 예로 특정 번호의 열(예 : 2번째 열)을 선택하는 방식이 될 수 있다.

즉, 상기 수신기는 상기 603단계에서 랭크1에 대한 코드북을 검색한 후 랭크2에 대한 코드북을 검색하며, 현재 채널에 대응하는 코드북 인덱스(랭크 인덱스 포함)를 결정한다. 이때, 랭크2의 1번째 열(column)에 대한 연산 시 랭크1 검색 때 구한 값을 그대로 사용할 수 있기 때문에, 연산량을 줄일 수 있다.

이후, 상기 수신기는 605단계에서 상기 결정된 코드북 인덱스를 가지고 피드백 메시지를 생성하고, 상기 피드백 메시지를 송신기로 피드백한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 동작 절차를 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 먼저 송신기는 701단계에서 수신기로부터 코드북 인덱스를 수신한다. 상기 코드북 인덱스가 수신되면, 상기 송신기는 703단계에서 상기 코드북 인덱스를 가지고 코드북을 검색하고, 상기 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치(가중치 벡터 혹은 가중치 행렬)를 결정한다.

여기서, 송신안테나 개수(Nt)가 4이고 코드북 인덱스 비트수(L)가 6인 것으로 가정하며, 상기 코드북은 랭크1 및 랭크2에 대한 가중치들을 포함하는 것으로 가정한다, 이때, 랭크1과 랭크2에 대한 코드북은 다음과 같이 정의된다.

랭크1 코드북 : V(4,1,6)

랭크2 코드북 : V(4,2,6)=H(V(4,16))_{[1:2+mod(k,3)]}
여기서, 상기 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수(function)를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타낸다.

이후, 상기 송신기는 705단계에서 송신데이터를 상기 결정된 빔포밍 가중치를 이용해서 빔포밍한다. 그리고 상기 송신기는 707단계에서 상기 빔포밍된 데이터를 복수의 안테나들을 통해 송신한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 코드북 V(4,2,6) 위주로 설명하고 있 지만, 본 발명은 송신안테나 개수, 스트림 개수 및 코드북 인덱스 비트 수에 따라 용이하게 확장될 수 있다. 예를 들어, 코드북 V(4,2,3)도 본 발명의 방식에 따라 구성될 수 있다. 이때, 랭크1과 랭크2에 대한 코드북을 정의하면 다음과 같다.

랭크1 코드북 : V(4,1,3)

랭크2 코드북 : V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_[1:2]
여기서, 상기 H(*)는 유니터리 행렬 생성 함수(function)를 나타내고, H(*)의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타낸다.

위에 나타낸 바와 같이, 랭크2 코드북의 행렬은 랭크1의 벡터를 이용해 생성된 유니터리 행렬의 1번째 열(벡터)과 특정 번호(2번째)의 열을 이용해서 구성된다. 이 경우도, 코드북 검색을 위해 랭크2의 1번째 열(column) 연산 시 랭크1 검색 때 구한 값을 그대로 사용할 수 있기 때문에, 단말의 연산량을 줄일 수 있다.

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 코드북 생성 방법의 일 예를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 코드북 생성 방법의 다른 예를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 MIMO 시스템에서 코드북 생성 절차를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 구성을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 구성을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 동작 절차를 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 동작 절차를 도시한 도면.

Claims

폐루프 MIMO 시스템에서 코드북 생성 방법에 있어서,

코드북 V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들 vi(i=1,...,2^L)을 결정하는 과정과, 여기서, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L는 코드북 인덱스의 비트수이고,

상기 코드북 V(4,1,L)의 i번째 벡터(vi)를 이용해서 유니터리 행렬(Ti)을 결정하는 과정과,

상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 가중치 행렬의 1번째 열로 선택하고, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 제외한 나머지 열들중 특정 패턴에 의해 선택된 열을 상기 가중치 행렬의 2번째 열로 선택하여, 코드북 V(4,2,L)의 i번째 가중치 행렬을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열과 코드북 V(4,1,L)의 i번째 벡터(vi)는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 유니터리 행렬(Ti)은 하기 수식과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, I는 Nt x Nt 단위 행렬(identity matrix)이고,

()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)이고,

이고,

이다.
제1항에 있어서,

상기 특정 패턴은 라운드 로빈 방식 혹은 특정 번호의 열을 선택하는 방식인 것을 특징으로 하는 방법
제1항에 있어서,

상기 코드북 V(4,1,L)와 코드북 V(4,2,L)는 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.

V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_{[1:f(i)=2+imod(Nt-1)],}for (i=1,..., 2^L)

혹은 V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2

혹은 V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:3

혹은 V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:4

여기서, H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타냄.
제1항에 있어서,

상기 코드북 인덱스 비트수 L이 3인 코드북 V(4,1,3)과 코드북 V(4,2,3)은 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.

V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_1:2

여기서, H(v)는 백터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타냄.
코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신 장치에 있어서,

수신기로부터 코드북 인덱스를 수신하는 피드백 수신부와,

상기 코드북 인덱스를 가지고 코드북을 검색하고, 상기 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치를 생성하는 가중치 생성기와,

송신 데이터와 상기 빔포밍 가중치를 곱해 빔형성된 데이터를 발생하는 빔형성기와,

상기 빔형성기로부터의 빔형성된 데이터를 복수의 안테나들을 통해 송신하는 송신부를 포함하고,

상기 코드북은, 가중치 행렬들을 포함하고,

상기 코드북의 상기 가중치 행렬들은 유니터리 행렬의 1번째 열을 가중치 행렬의 1번째 열로 선택하고, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 제외한 나머지 열 들중 특정 패턴에 의해 선택된 열을 상기 가중치 행렬의 2번째 열로 선택하여, 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제7항에 있어서,

상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L은 코드북 인덱스 비트수이고, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2 의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타내며,

상기 코드북 인덱스 비트수 L이 3인 코드북 V(4,1,3)과 코드북 V(4,2,3)은 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.

V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_1:2
제8항에 있어서,

상기 H(v)는 다음 수식과 같은 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, I는 Nt x Nt 단위 행렬(identity matrix)이고,

()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)이고,

이고,

이다.
코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신 장치에 있어서,

송신단과 수신단 사이의 채널을 추정하는 채널추정기와,

상기 채널추정기로부터의 채널추정값을 이용해서 코드북을 검색하고, 검색된 코드북 인덱스를 발생하는 검색기와,

상기 검색기로부터의 코드북 인덱스를 가지고 피드백 신호를 생성하고, 상기 피드백 신호를 송신기로 송신하는 피드백 송신기를 포함하고,

상기 코드북은 가중치 행렬들을 포함하고,

상기 코드북의 상기 가중치 행렬들은 유니터리 행렬의 1번째 열을 가중치 행렬의 1번째 열로 선택하고, 상기 유니터리 행렬(Ti)의 1번째 열을 제외한 나머지 열 들중 특정 패턴에 의해 선택된 열을 상기 가중치 행렬의 2번째 열로 선택하여, 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서,

상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L은 코드북 인덱스 비트수이고, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2 의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 함수 결과에 대한 열 선택 패턴을 나타내며,

상기 코드북 인덱스 비트수 L이 3인 코드북 V(4,1,3)과 코드북 V(4,2,3)은 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.

V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_1:2
제11항에 있어서,

상기 H(v)는 다음 수식과 같은 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, I는 Nt x Nt 단위 행렬(identity matrix)이고,

()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)이고,

이고,

이다.
제10항에 있어서,

상기 검색기는, 스트림 1을 위한 코드북 검색때 생성된 연산값을 이용해서 스트림 2을 위한 코드북 검색을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 송신기의 동작 방법에 있어서,

수신기로부터 코드북 인덱스를 수신하는 과정과,

상기 코드북 인덱스를 가지고 코드북을 검색하는 과정과,

상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 상기 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L은 코드북 인덱스 비트수이고, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타내며,

상기 검색된 코드북 인덱스에 해당하는 빔포밍 가중치를 결정하는 과정과,

송신데이터와 상기 빔포밍 가중치를 곱해 빔형성된 데이터를 생성하는 과정과,

상기 빔형성된 데이터를 복수의 안테나들을 통해 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,

상기 코드북 인덱스 비트수 L이 3인 코드북 V(4,1,3)과 코드북 V(4,2,3)은 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.

V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_1:2
제14항에 있어서,

상기 H(v)는 다음 수식과 같은 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, I는 Nt x Nt 단위 행렬(identity matrix)이고,

()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)이고,

이고,

이다.
코드북 기반의 폐루프 MIMO 시스템에서 수신기의 동작 방법에 있어서,

송신단과 수신단 사이의 채널을 추정하는 과정과,

상기 채널 추정값을 이용해서 코드북을 검색하여 코드북 인덱스를 결정하는 과정과,

상기 코드북은, V(4,1,L)에 대한 가중치 벡터들과 V(4,2,L)에 대한 가중치 행렬들을 포함하고, 상기 코드북 V(Nt,s,L)의 Nt는 안테나 개수이고, s는 스트림 개수이며, L은 코드북 인덱스 비트수이고, V(4,2,L)=H(V(4,1,L))_1:2의 관계를 가지며, 여기서 H(v)는 벡터 v를 입력으로 하여 유니터리 행렬을 생성하기 위한 함수를 나타내고, H( )의 아래첨자는 열 선택 패턴을 나타내며,

상기 결정된 코드북 인덱스를 가지고 피드백 신호를 생성하는 과정과,

상기 피드백 신호를 송신기로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,

상기 코드북 인덱스 비트수 L이 3인 코드북 V(4,1,3)과 코드북 V(4,2,3)은 다음과 같은 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.

V(4,2,3)=H(V(4,1,3))_1:2
제17항에 있어서,

상기 H(v)는 다음 수식과 같은 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, I는 Nt x Nt 단위 행렬(identity matrix)이고,

()^H는 공액 전치 연산(conjugate transpose operation)이고,

이고,

이다.
제17항에 있어서, 상기 코드북 인덱스 결정 과정은,

스트림 1을 위한 코드북 검색때 생성된 연산값을 이용해서 스트림 2을 위한 코드북을 검색하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.