KR101522423B1 - 무선통신 네트워크에서 하향 링크 데이터 송수신 방법 및장치 - Google Patents

무선통신 네트워크에서 하향 링크 데이터 송수신 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 수신하는 방법은, 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 하향링크 채널을 추정하는 과정과, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보를 피드백하는 과정과, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀로부터 상기 하향링크 데이터를 수신하는 과정을 포함하며, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 한다.
고속패킷통신, 다중 입출력 안테나시스템, collaborative communications

Description

무선통신 네트워크에서 하향 링크 데이터 송수신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DOWN LINK DATA TRANSMISSION/RECEPTION IN WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS}
본 발명은 다중 입출력 안테나를 사용하는 무선통신시스템에 관한 것으로, 특히 하향 링크 데이터 전송을 위한 기지국간 협동 데이터 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 제공하기 위해 송신단과 수신단에 다중의 안테나를 사용하는 다중 입/출력 안테나 시스템(Multiple-Input Multiple-Output, 이하 MIMO)이 제안되고 있다. MIMO 기술 중 공간 다중화(spatial multiplexing, 이하 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 전송 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 공간분할다중접속(space division multiple access, 이하 SDMA) 기술은 다수의 수신기들에게 동시에 데이터 스트림들을 보냄으로써 시스템의 전송 용량을 증가시킬 수 있다.
SM과 SDMA 기술이 적용되는 시스템에서는 송신기와 수신기에서 공간 신호 처리(spatial processing)가 요구되며, 이를 위해서는 송신기와 수신기 사이의 MIMO 채널 상태 정보(channel state information, 이하 CSI)를 송신기와 수신기가 가지고 있어야 한다. 특히, 하향 링크에서 동작하는 SM과 SDMA 기술을 운용하기 위해서는 BTS(base transceiver station)의 nT개의 송신 안테나로부터 AT(access terminal)의 nR개의 수신 안테나로의 하향 링크 MIMO 채널 정보를 BTS가 가지고 있어야 한다.
주파수 분할 다중화(frequency division multiplexing, FDD) 시스템은 하향 링크와 상향 링크가 서로 다른 주파수 대역을 사용하기 때문에, BTS에서 하향 링크 CSI를 가지기 위해서는, AT에서 하향 링크 채널을 추정하고 추정된 하향 링크 CSI를 BTS로 피드백 해야 한다. 그런데 완전한 채널 정보(full CSI)를 BTS로 피드백 하기 위해서는 많은 역방향 링크 정보의 전송이 요구되기 때문에, 최소한의 피드백 정보만을 이용하여 효과적으로 SM과 SDMA 기술을 운용하는 다중 안테나 기술들이 제안되었다.
도 1은 종래의 다중 안테나 기술을 도시한 것이다.
도 1과 같이 종래의 다중 안테나 기술들은 동일 셀 내에서 동시에 전송되는 데이터 스트림들 간의 간섭인 동일 셀 간섭을 공간적으로 제거하거나 억제하는데 초점을 맞춘 기술들이다. 특히, 종래의 SDMA 기술은 각 BTS 별로 nT개의 빔을 성형하고, 각 빔을 통해 데이터를 전송할 AT를 선택하기 위해 BTS 별로 독립적인 스케줄링을 수행하였다. 그런데 각 BTS의 독립적인 스케줄링에 의해 선택된 AT들이 인접 BTS들의 서비스 영역들이 서로 중복되는 지역에 위치할 경우, 타 셀간 간섭이 상당히 증가하여 서비스 수신 성능을 저하시킨다. 이러한 단점을 개선하기 위해, 최근에는 다중 안테나 기술을 이용하여, 동일 셀 내에서의 간섭뿐 아니라 인접한 타 셀간에 발생하는 간섭(inter cell interference, ICI)을 억제하기 위한 네트워크 MIMO 또는 협동(collaborative) MIMO 기술에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다.
도 2는 본 발명이 적용되는 협동(collaborative) SDMA 기술의 개념을 설명하기 위한 것이다.
Collaborative SDMA 기술에서는 타 셀간의 간섭을 서로 주고 받을 수 있는 인접 BTS들이 고속의 광대역 유선 통신망을 통해 클러스터(cluster) 스케줄러(210)에 연결되어 있다. 각 BTS들은 AT들로부터 피드백 된 채널 정보들을 유선 통신망을 통해 클러스터 스케줄러(210)에 전달하고, 클러스터 스케줄러(210)는 해당 클러스터에 속한 모든 AT들에 대해 동일 셀 간섭 및 타 셀 간섭을 고려하여 스케줄링을 수행한다. 클러스터 스케줄러(210)는 스케줄링에 의해 선택된 각BTS에서 데이터를 전송할 AT들, 해당 AT가 사용할 가중치 정보, 그리고 해당 AT들로 전송할 데이터의 MCS(modulation and coding scheme) 정보들을 해당 BTS의 스케줄러에게 알려주고, 각 BTS의 스케줄러는 클러스터 스케줄러(210)로부터 전달된 정보를 참고하여, 해당 BTS에서 데이터를 전송할 AT들, 해당 AT들이 사용할 가중치, 그리고 해당 AT들로 전송할 데이터의 MCS를 최종적으로 결정한 후, 상기 결정된 정보에 따라 AT들에게 데이터를 전송한다.
FDD 방식의 무선 통신 네트워크에서 collaborative SDMA 기술을 운용하기 위해서는, 역방향 링크의 제한된 피드백 채널을 통해 AT로부터 전달된 부분적인 채널 정보만을 이용하여, 효과적으로 타 셀간 간섭을 억제하는 스케줄링 기술 및 이를 위한 SDMA 기술이 요구된다. 또한, 무선 통신 네트워크에는 인접 BTS들의 서비스 영역들이 서로 중복되어 collaborative MIMO 기술을 적용할 수 있는 collaborative AT(이하, C-AT)들과 단일 BTS의 서비스 영역에 속하여 collaborative MIMO 기술을 적용할 수 없는 non-collaborative AT(이하, NC-AT)들이 혼재하기 때문에, C-AT와 NC-AT 모두에게 적용할 수 있는 collaborative 스케줄링 및 SDMA 기술이 요구된다. 즉, NC-AT들에게 적용하기 위한 기존의 SDMA 및 스케줄링 기술과 호환이 가능한 C-AT들을 위한 collaborative SDMA 및 스케줄링 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 FDD 방식을 사용하고 인접 BTS들이 고속의 유선 통신망으로 서로 연결되어 있는 협동 무선 통신 시스템에서, 역방향 링크의 제한된 피드백 채널을 통해 AT로부터 전달된 부분적인 채널 정보만을 이용하여, 인접 BTS에 의한 타 셀 간섭을 효과적으로 억제하는 협동 SDMA 기술과 협동 BF을 위한 새로운 데이터 송/수신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단일 BTS의 배타적인 서비스 영역에 있는 비협동 AT들과 다수의 BTS들의 서비스 영역에 있는 협동 AT 모두에게 동시에 적용될 수 있는, 기존의 비협동 SDMA 기술과 완전히 호환되는 협동 SDMA를 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시스템에서 허용되는 상향 링크 피드백 채널의 용량에 따라, 협동 SDMA를 위한 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식을 최적화하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제한된 피드백 정보를 이용하여, collaborative AT의 수와 간섭 BTS로부터의 채널 환경에 따라, 협동 SDMA와 협동 BF 기술 중에서 높은 시스템 용량을 제공하는 기술을 적응적으로 선택하도록 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 수신하는 방법은, 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 하향링크 채널을 추정하는 과정과, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보를 피드백하는 과정과, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀로부터 상기 하향링크 데이터를 수신하는 과정을 포함하며, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 전송하는 방법은, 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 제공되는 접속 단말로 참조 신호를 전송하는 과정과, 상기 접속 단말에 의해 추정된 하향 채널에 관련된 정보를 수신하는 과정과, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 접속 단말로 상기 하향링크 데이터를 전송하는 과정과, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 수신하는 접속 단말은, 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 하향링크 채널을 추정하는 하향링크 채널 추정기와, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보를 피드백하는 피드백 전송기와, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀로부터 상기 하향링크 데이터를 수신하는 수신기를 포함하며, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 전송하는 기지국은, 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 제공되는 접속 단말에 의해 추정된 하향 채널에 관련된 정보를 수신하는 피드백 수신기와, 상기 접속 단말로 참조 신호를 전송하고, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하향링크 데이터를 전송하는 전송기를 포함하고, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 한다.
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이하에서 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, FDD 방식을 사용하는 협동 무선 통신 시스템에서, 역방향 링크의 제한된 피드백 채널을 통해 AT로부터 전달된 부분적인 채널 정보만을 이용하여, 효과적으로 타 셀간 간섭을 억제함으로써, 셀 가장자리에 위치한 AT들에 대한 시스템 전송 용량을 상당히 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 제안하는 협동 SDMA 기술은, 프리코더 코드북 기반의 SDMA 기술에서 단일 BTS에서의 데이터 전송을 다수의 협동 BTS에 의한 데이터 전송으로 확장된 방식으로써, 단일 BTS의 배타적인 서비스 영역에 있는 비협동 AT들과 다수 BTS들의 서비스 영역에 있는 협동 AT 모두에게 동시에 적용될 수 있다. 따라서 기존의 프리코더 코드북 기반의 SDMA 기술과 완전히 호환된다.
또한 본 발명에서 제안하는, BTS와 AT 사이에 미리 약속된 클러스터 전송 모드들 중에서 각 링크 별로 신호대잡음비를 최대화 하는 클러스터 전송 모드를 선택하는 방식 그리고 클러스터 스케줄러에서 각 클러스터 전송 모드별로 동일한 전송 모드를 선택하는 AT들에 대해 스케줄링을 수행하고 최대 스케줄링 우선순위를 제공하는 전송 모드와 데이터를 전송할 AT들을 선택하는 방식은, 최소의 피드백 정보를 이용하여 다중 사용자 다이버시티 이득을 극대화함으로써 클러스터의 전송 용량을 개선시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 제안하는 "단일 클러스터 전송 모드선택 및 피드백 방식"과 "G개의 전송 모드 선택 및 피드백 방식"은 시스템에서 허용되는 상향 링크 피드백 채널의 용량에 따라, 협동 SDMA를 위한 최적의 피드백 방식을 선택할 수 있게 한다.
또한 본 발명에서는 제안하는 협동 BF 기술은, FDD 방식을 사용하는 협동 무선 통신 시스템에서, 역방향 링크의 제한된 피드백 채널을 통해 전달된, 신호 전송을 위해 사용하는 가중치 벡터와 주 간섭 가중치 벡터들에 대한 정보를 이용하여, 각 BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 성형되는 빔들간의 충돌을 억제함으로써, 셀 가장자리에 위한 AT들에 대한 시스템 전송 용량을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 제안하는 하이브리드 C-SDMA/C-BF 방식은, 제한된 피드백 정보를 이용하여, 협동 AT의 수와 간섭 BTS로부터의 채널 환경에 따라, 협동 SDMA와 협동 BF 기술 중에서 높은 시스템 용량을 제공하는 기술을 적응적으로 선택하여 사용함으로써, 다양한 환경에서 높은 시스템 전송 용량을 제공할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 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 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에서는 FDD 시스템에서 기존의 프리코더 코드북을 사용하는 SDMA 기술을 기반으로 하여, 인접 BTS에 의한 타 셀간의 간섭을 효과적으로 억제하는 협동 SDMA(이하, C-SDMA) 기술을 제안한다.
삭제
본 발명에서는 시스템에서 허용되는 상향 링크 피드백 채널의 용량을 고려하여, “AT별로 AT가 속한 BTS에 대해 하나의 클러스터 전송 모드 만을 선택하고 이를 피드백 하는 방식”과, “AT별로 AT가 속한 BTS에 대해 프리코더 코드북에 포함된 프리코딩(precoding) 행렬 수만큼의 클러스터 전송 모드를 선택하고 피드백 하는 방식”과, “AT별로 모든 M개의 협동 BTS들에 대해 클러스터 전송 모드를 선택하고 피드백 하는 방식” 중에서 최적의 피드백 방식을 선택할 수 있게 한다. “AT별로 AT가 속한 BTS에 대해 하나의 클러스터 전송 모드 만을 선택하고 이를 피드백 하는 방식”은 최소의 피드백 정보를 필요로 하지만 다중 사용자 다이버시티 이득이 감소하는 단점이 있으며, “AT별로 AT가 속한 BTS에 대해 프리코더 코드북에 포함된 프리코딩 행렬 수만큼의 클러스터 전송 모드를 선택하고 피드백 하는 방식”과 “AT별로 모든 M개의 collaborative BTS들에 대해 클러스터 전송 모드를 선택하고 피드백 하는 방식”은 단일 클러스터 전송 모드 선택 방식보다 각각 G배와 M배의 피드백 정보량이 필요하지만 다중 사용자 다이버시티 이득을 상당히 개선시킬 수 있다.
또한 본 발명에서 AT는 C-BF 전송시의 CQI(channel quality information)와 함께 C-SDMA에 의한 CQI 정보를 제한된 피드백 채널을 통해 BTS로 피드백하고, 클러스터 스케줄러는 C-BF과 C-SDMA 각각에 대한 협동 네트워크 용량을 비교하여 보다 높은 용량을 제공하는 기술을 선택하여 운용한다.
본 발명의 실시예에서는 각 BTS는 nT개의 송신 안테나를 사용하고, 모든 AT는 nR개의 수신 안테나를 사용하며, 각 BTS별로 K명의 사용자가 있는 인접한 세 개 의 BTS로 이루어진 순방향 링크 클러스터를 가정한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며 임의의 개수의 BTS를 포함하는 클러스터로 확장이 가능하다.
xm를 m번째 BTS에서의 (nT×1) 크기의 송신 신호 벡터, ym,k는 m번째 BTS에 속한 k번째 AT의 (nR×1) 크기의 수신신호 벡터라 하고, 주파수 비선택적 페이딩을 가정하면 k번째 AT에서의 수신신호는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008011287214-pat00001
여기서 γm,k는 k번째 AT가 속한 m번째 BTS로부터 수신한 평균 SNR(signal-to-noise ratio)를,
Figure 112013012944244-pat00002
는 i번째 간섭 BTS로부터 m번째 BTS의
Figure 112013012944244-pat00003
번째 AT로의 평균 SNR을 나타낸다. Hm,k는 k번째 AT가 속한 m번째 BTS로부터 수신한 (nT×nR) 크기의 복소 채널 행렬을,
Figure 112013012944244-pat00004
는 i번째 간섭 BTS로부터 m번째 BTS의 k번째 AT로의 (nT×nR) 크기의 복소 채널 행렬을 나타내며, nm,k는 (nR×1) 크기의 AWGN(Additive White Gaussian Noise) 벡터를 나타낸다. 또한, F와 Gi는 각각 m번째 BTS와 i번째 간섭 BTS에서 사용하는 (nT×nR) 크기의 프리코딩 행렬을 나타내며, ii는 i번째 간섭 BTS의 신호 벡터이다.
이러한 C-SDMA 시스템에서의 NC-AT의 동작에 대해 설명한다.
NC-AT는 BTS로부터 수신된 하향 링크 사운딩 기준 신호(sounding reference signal)가 기준치 이상이면, 이를 이용하여 해당 하향 링크 채널을 추정한다. 만약, NC-AT가 속한 BTS에서 전송된 하향 링크 사운딩 기준 신호를 수신하고, 클러스터 내의 간섭 BTS로부터 사운딩 기준 신호를 수신하지 못한다면, 해당 NC-AT는 클러스터 내의 간섭 BTS로부터의 하향 링크 채널 행렬
Figure 112013012944244-pat00005
을 추정할 수 없으며, 따라서 간섭 BTS로부터의 하향 링크 채널은 순수한 타 셀 간섭으로 간주된다. 그러므로 해당 NC-AT는 비협동 SDMA(이하, NC-SDMA) 기술로 동작을 하게 되며, 이러한 경우 해당 NC-AT는 기존의 프리코더 코드북 기반의 SDMA 기술과 동일하게 동작한다. NC-AT의 상세한 동작 과정은 다음과 같다.
k번째 NC-AT는 m번째 BTS에서 송신된 하향 링크 사운딩 기준 신호를 이용하여 하향 링크 채널 신호 Hm,k를 추정한다. NC-AT는 추정된 하향 링크 채널 신호를 이용하여, m번째 BTS와 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티(multiuser diversity) 이득을 최대화하는 프리코딩 행렬을 선택한다.
프리코더 코드북을 사용하는 SDMA 기술은 G개의 (nT×nR) 크기의 프리코딩 행렬로 이루어진 코드북
Figure 112013012944244-pat00006
에서, 해당 BTS의 시스템 용량을 최대화하는 하나의 프리코딩 행렬을 선택하여 사용한다. 이를 위해 AT는 코드북 F에 속한 G개의 프리코딩 행렬에 대해, nT개의 송신 데이터 스트림들에 대한 수신 SINR(signal-to-interference and noise ratio)을 계산한다. AT가 사용하는 수신 알고리즘에 따라 계산된 (nT×nR) 크기의 수신 가중치 행렬을
Figure 112013012944244-pat00007
라 하면, AT가 코드북 F의 g번째 프리코딩 행렬 Fg를 사용할 경우, AT는 송신 신호 벡터 xm의 n번째 데이터 심볼
Figure 112013012944244-pat00008
을 다음 수학식 2와 같이 복구한다.
Figure 112008011287214-pat00009
수학식 2에 따라 복구된 심볼
Figure 112008011287214-pat00010
의 SINR
Figure 112008011287214-pat00011
은 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112013012944244-pat00012
Figure 112013012944244-pat00013
Figure 112013012944244-pat00014
여기서, 수학식 3의 분모의 첫 번째 항은 m번째 BTS에서 동시에 전송되는 개의 데이터 스트림으로부터 받는 동일 셀의 간섭을 나타내며, 두 번째 항은 두 개의 간섭 BTS로부터 하향 링크 채널 행렬 에 의해서 받는 타 셀의 간섭을 나타낸다.
AT는 계산된
Figure 112013012944244-pat00015
을 이용하여, m번째 BTS와 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 프리코딩 행렬
Figure 112013012944244-pat00016
를 다음 수학식 4와 같이 결정한다.
Figure 112008011287214-pat00017
수학식 4에 따르면 AT는 각 링크에서, nT개의 스트림 중에서 SINR이 가장 큰 스트림의 SINR을 최대로 만드는 프리코딩 행렬을 선택한다. k번째 AT는, 선택된 프리코딩 행렬의 코드북 내의 인덱스
Figure 112008011287214-pat00018
과
Figure 112008011287214-pat00019
로 송신할 경우 수신 가능한 nT 데이터 스트림에 대한 SINR,
Figure 112008011287214-pat00020
을 m번째 BTS로 역방향 링크 피드백 채널을 통해 알려준다. 정리하면, AT는 BTS로 다음의 정보들을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 전송한다.
① AT가 NC-SDMA로 동작하고, AT가 선택한 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북 내의 인덱스
Figure 112013012944244-pat00021
를 나타내는 전송 모드 정보
② BTS가 AT에 의해 선택된 프리코딩 행렬
Figure 112013012944244-pat00022
로 데이터를 송신할 경우, AT에서 수신하는 nT개의 데이터 스트림들의 SINR 정보
다음, 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA를 위한 C-AT의 동작에 대하여 설명한다.
m번째 BTS의 k번째 C-AT가 클러스터 내의 인접한 간섭 BTS들로부터의 하향 링크 MIMO 채널 행렬
Figure 112013012944244-pat00023
을 추정할 수 있을 경우, 해당 C-AT는 C-SDMA로 동작할 수 있다. 이는 해당 C-AT가 클러스터 내의 간섭 BTS들에서 수신하는 사운딩 기준 신호가 기준치 이상으로 수신될 때 가능하다. 따라서 C-AT가 셀의 가장자리(cell edge)에 위치하는 경우에 해당 C-AT는 C-SDMA로 동작한다. 각 BTS는 해당 BTS에 속한 C-AT들로부터, 채널을 추정할 수 있는 인접 BTS들, 즉 collaborative BTS (이하, C-BTS)에 대한 정보를 피드백 받고, 클러스터 스케줄러에 이 정보를 전달한다. 클러스터 스케줄러는 각 BTS로부터 피드백 된 각 C-AT들의 C-BTS에 대한 정보를 종합하여, 최종적으로 C-SDMA나 C-BF 기술에 의해 데이터를 수신할 C-AT들을 결정하고 이를 각 BTS에 통보한다. 클러스터에 속한 C-AT들은 non collaborative 동작을 하는 AT(이하, NC-AT)와 두 개 C-BTS들간의 collaborative 전송을 원하는 AT(이하, C2-AT), 그리고 세 개 C-BTS들간의 collaborative 전송을 원하는 AT(이하, C3-AT) 등으로 구분할 수 있다.
이하에서는 C-BTS의 개수가 k번째 AT가 속한 m번째 BTS를 포함하여 세 개인 C3-AT를 위한 C-SDMA를 예로 들어 설명한다. 즉, AT가 m번째 BTS와 인접한 두 개의 BTS로부터 하향 링크 MIMO 채널을 추정할 수 있다고 가정한다. m번째 BTS의 k번째 AT가 인접한 두 개의 간섭 BTS들로부터의 하향 링크 MIMO 채널 행렬
Figure 112013012944244-pat00024
를 추정한다고 가정하면, m번째 BTS와 인접한 두 개의 BTS로 구성된 BTS 클러스터의 3nT개의 송신 안테나들로부터 동시에 전송된 (3nT×1) 크기의 신호 벡터 X가 m번째 BTS의 k번째 AT에서 수신되는 신호 벡터 Ym,k는 다음 수학식 5와 같다.
Figure 112008011287214-pat00025
여기서 Ym,k는 (nR×1) 크기의 수신 신호 벡터를, Nm,k은 (nR×1) 크기의 잡음 벡터를 나타낸다.
Figure 112013012944244-pat00026
는 (nR×3nT) 크기의 C-BTS 클러스터에 속한 3개의 C-BTS로부터 m번째 BTS의 k번째 AT로의 유효한(effective) 하향 링크 채널 행렬을 나타내며, C-BTS들로부터 수신된 사운딩 기준 신호를 이용하여 AT에서 Hm,k와
Figure 112013012944244-pat00027
를 각각 추정할 수 있기 때문에, m번째 BTS가 사용할 프리코딩 행렬 F와 클러스터 내의 두 개의 간섭 BTS가 사용하는 프리코딩 행렬
Figure 112013012944244-pat00028
를 알고 있으면,
Figure 112013012944244-pat00029
를 계산할 수 있다. 또한 수학식 5에서
Figure 112013012944244-pat00030
이고
Figure 112013012944244-pat00031
이다.
결국 수학식 5는 C-BTS 클러스터로부터 m번째 BTS의 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는, m번째 BTS가 사용할 프리코딩 행렬 F와 두 개의 간섭 BTS가 각각 사용할 프리코딩 행렬
Figure 112013012944244-pat00032
를 동시에 결정해야 함을 보여준다. 모든 BTS들은 G개의 프리코딩 행렬로 이루어진 프리코더 코드북
Figure 112013012944244-pat00033
에서 하나의 프리코딩 행렬을 선택하여 사용하기 때문에, AT는 G3개의 모든 가능한 프리코딩 행렬 조합들 중에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 프리코딩 행렬 조합을 선택한다. 본 발명에서는 이러한 각각의 프리코딩 행렬 조합을 클러스터 전송 모드라고 정의한다.
예를 들어, 두 개의 프리코딩 행렬로 이루어진 프리코더 코드북
Figure 112013012944244-pat00034
를 사용하고, C-BTS의 수가 세 개인 C3-AT를 위한, 가능한 8개의 클러스터 전송 모드는 다음 수학식 6과 같다.
Figure 112008011287214-pat00035
m번째 BTS의 k번째 AT는 모든 가능한 클러스터 전송 모드에 대해 m번째 BTS로부터 수신하는 nT개의 데이터 스트림들에 대한 수신 SINR을 계산한다. AT가 사용하는 수신기의 수신 알고리즘에 따라 계산된 (nR×3nT) 크기의 수신 가중치 행렬을
Figure 112013012944244-pat00036
라 하고 하면, Wm,k의 첫 번째부터 nT번째 컬럼 벡터들
Figure 112013012944244-pat00037
은 m번째 BTS로부터 수신하는 nT개의 데이터 스트림들에 대한 수신 가중치 벡터들이다. 가능한 클러스터 전송 모드들 중에서
Figure 112013012944244-pat00038
를 AT가 사용할 경우, AT는 m번째 BTS의 송신 신호 벡터 Xm의 n번째 데이터 스트림의 심볼
Figure 112013012944244-pat00039
을 다음 수학식 7과 같이 복구한다.
Figure 112008011287214-pat00040
복구된 심볼
Figure 112008011287214-pat00041
의 SINR
Figure 112008011287214-pat00042
은 다음 수학식 8과 같다.
Figure 112008011287214-pat00043
여기서, 수학식 8의 분모의 첫 번째 항은 C-BTS들에 의해 동시에 전송되는
Figure 112008011287214-pat00044
개의 데이터 스트림들간의 간섭을 나타낸다.
AT는 계산된
Figure 112013012944244-pat00045
을 이용하여, C-BTS 클러스터로부터 m번째 BTS의 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00046
를 다음 수학식 9와 같이 결정한다.
Figure 112008011287214-pat00047
수학식 9에 따르면 m번째 BTS가 송신하고 k번째 AT가 수신하는
Figure 112013012944244-pat00048
개의 스트림 중 SINR이 가장 큰 스트림의 SINR을 최대로 만드는 클러스터 전송 모드를 선택한다. 여기서,
Figure 112013012944244-pat00049
,
Figure 112013012944244-pat00050
, 그리고
Figure 112013012944244-pat00051
는 각각 C-BTS 클러스터로부터 m번째 BTS의 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하기 위해서 m번째 BTS와 두 개의 인접 간섭 BTS들이 동시에 사용해야 하는 프리코딩 행렬이다. 위와 같이 선택된 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00052
는 m번째 BTS의 k번째 AT로의 채널 이득을 크게 하면서, 동시에 두 개의 인접한 간섭 BTS들로부터의 간섭을 최소화하는 최적의 프리코딩 행렬 조합이다. 따라서, C-BTS 클러스터에 속한 C-BTS들이 사용할 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00053
를 나타내는 인덱스와 함께 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00054
를 사용하여 송신할 경우, m번째 BTS의 k번째 AT에서 수신하는
Figure 112013012944244-pat00055
데이터 스트림에 대한 SINR,
Figure 112013012944244-pat00056
을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 m번째 BTS로 알려준다.
C-BTS가 두 개인 C2-AT를 위한 C-SDMA의 경우, m번째 BTS의 k번째 AT가 인접한 하나의 간섭 BTS로부터의 하향 링크 MIMO 채널 행렬
Figure 112013012944244-pat00057
를 추정한다고 가정할 수 있다. m번째BTS와 인접한 하나의 간섭 BTS로 구성된 BTS 클러스터의
Figure 112013012944244-pat00058
개의 송신 안테나들로부터 동시에 전송된
Figure 112013012944244-pat00059
크기의 신호 벡터 X가 m번째 BTS의 k번째 AT에 수신되는
Figure 112013012944244-pat00060
크기의 신호 벡터 Ym,k는 다음 수학식 10과 같다.
Figure 112008011287214-pat00061
수학식 10을 C3-AT 가 수신하는 신호를 설명하는 수학식 5와 비교하면, 수학식 10은 클러스터에서 AT로의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00062
을 결정해야 함을 보여준다. 예를 들어,
Figure 112013012944244-pat00063
를 사용할 경우, C2-AT를 위한 클러스터 전송 모드의 개수는 클러스터에 속하는 N0개의 BTS에서 두 개의 C-BTS를 선택하는 경우의 수에, 각 경우 별로 사용할 수 있는 프리코딩 행렬의 조합 수를 곱한
Figure 112013012944244-pat00064
로 표현된다. 또한 N0=3인 경우, 총 12가지의 C2-AT용 클러스터 전송 모드가 존재하게 된다. 각 링크에서 최대의 다중 사용자 다이버시티 이득을 제공하는 클러스터 전송 모드의 결정 방식은 위에서 설명된 C3-AT용 클러스터 전송 모드 결정 방식과 동일하다.
따라서, AT는 동일한 클러스터에 속한 BTS들로부터 하향 링크 채널을 추정한 후, 채널 추정이 가능한 C-BTS의 수에 따라 최적의 클러스터 전송 모드를 결정하고, AT는 BTS로 다음의 정보들을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 전송한다.
① AT에서 선택된 클러스터 전송 모드 정보 - 이 클러스터 전송 모드 정보에는 해당 AT를 위해 몇 개의 C-BTS가 데이터를 전송하는가에 대한 정보와 함께, 데이터를 전송할 C-BTS들이 사용할 프리코딩 행렬의 조합을 나타내는 클러스터 전송 모드 정보가 포함된다. AT가 하향링크 채널을 추정한 정보를 기지국으로 피드백한 경우, 기지국에서 몇 개의 C-BTS가 데이터를 전송하는가를 결정하여 AT에 알려줄 수도 있는데, 이 경우에 AT는 C-BTS들이 사용할 프리코딩 행렬의 조합만을 전송한다.
② C-BTS에서 선택된 클러스터 전송 모드를 사용하여 송신할 경우, AT에서 수신하는
Figure 112013012944244-pat00065
개의 데이터 스트림들의 수신 SINR 정보
다음, 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA를 위한 클러스터 스케줄링에 대하여 설명한다.
동일한 클러스터 내의 AT들은, 각 AT에서 선택된 클러스터 전송 모드와 해당 클러스터 전송 모드에 의한 수신 SINR 정보들을 각 AT들이 속한 BTS로 피드백 한다. 동일한 클러스터 내의 BTS들은 AT들로부터 피드백 된 정보를 유선 통신망을 통해 클러스터 스케줄러에게 전달한다. 동일한 클러스터에 속한 AT들은, 각 AT들이 위치한 환경에 따라, non-collaborative 동작을 하는 AT인 NC-AT와 두 개 BTS들간의 collaborative 전송을 원하는 AT인 C2-AT, 그리고 세 개 BTS들간의 collaborative 전송을 원하는 C3-AT들로 나뉠 수 있다. 클러스터 스케줄러는 수집된 클러스터 내의 AT들이 선택한 클러스터 전송 모드와, 선택된 클러스터 전송 모드에 의한 수신 SINR 정보를 이용하여, 스케줄링 기준(criterion)을 최대화 하도록, 클러스터가 사용할 클러스터 전송 모드(C-BTS들이 사용할 프리코딩 행렬의 조합)와 선택된 클러스터 전송 모드를 통해 데이터를 전송할 AT들을 클러스터에 속한 모든 AT들 중에서 선택한다.
프리코더 코드북 내의 프리코딩 행렬의 개수를 G라고 하고, 클러스터에 포함되는 BTS의 수를 NT라고 하면, 클러스터가 사용할 수 있는 전송 모드의 개수는
Figure 112013012944244-pat00066
이다. 여기서, l은 하나의 AT를 위해 동시에 데이터를 전송하는 C-BTS의 수를 나타내며, l개의 C-BTS에 대한 전송 모드의 개수
Figure 112013012944244-pat00067
은 NT개의 클러스터에 속하는 BTS에서 l개의 C-BTS를 선택하는 경우의 수에, 각 경우 별로 사용할 수 있는 프리코딩 행렬의 조합 수를 곱한 것이다.
Figure 112013012944244-pat00068
에는 하나의 C-BTS를 사용하는 NC-AT부터 NT개의 C-BTS를 사용하는 C-AT들을 위한 클러스터 전송 모드들이 모두 포함된다. NT=3이고 G=2라고 가정하면, 가능한 클러스터 전송 모드는 총 26 개이며, 따라서, AT에서 선택된 하나의 클러스터 전송 모드를 표현하기 위해서는 5 비트가 필요하다.
클러스터 스케줄러는 클러스터에 속한 모든 AT들을 각 AT가 선택한 클러스터 전송 모드에 따른 그룹핑을 수행한다. 동일 그룹에 속한 AT들은 클러스터 전송 모드를 공유할 수 있다. 즉, 동일한 클러스터 전송 모드를 선택한 AT들에 대해서, C-BTS들은 해당 클러스터 전송 모드의 프리코딩 행렬을 이용하여 데이터를 전송할 수 있다. 또한, C-BTS가 사용하는 프리코딩 행렬에 따라, C3-AT용 클러스터 전송 모드는 NC-AT 전송을 위해서 각 BTS가 사용할 수 있는 클러스터 전송 모드 또는 C2-AT용 클러스터 전송 모드와 같이 사용될 수 있다.
하기 표 1은 NC-AT용 클러스터 전송 모드, C2-AT용 클러스터 전송 모드, 그리고 C3-AT용 클러스터 전송 모드간의 호환 관계를 예를 들어 설명한 것이다. 여기서, G=2라고 가정하고, X는 NC-BTS에서 사용하는 프리코딩 행렬을 나타내며, 프리코더 코드북에 속하는 임의의 프리코딩 행렬을 사용해도 무방하다는 것을 나타낸다. 표 1에서 세 번째 줄의 C3-AT용 클러스터 전송 모드는 바로 상위의 C2-AT용 클러스터 전송 모드와 호환이 가능하고, 두 번째 줄의 C3-AT용 클러스터 전송 모드는 바로 상위의 NC-AT용 클러스터 전송 모드와 호환이 가능하다. 따라서, C2-AT용 클러스터 전송 모드와 C3-AT용 클러스터 전송 모드는 첫 번째 줄의 NC-AT를 위한 전송 모드와 동시에 사용될 수 있다.
Figure 112008011287214-pat00069
클러스터 스케줄러는 클러스터에 속한 NC-AT, C2-AT, 그리고 C3-AT 모두를 대상으로 하여 스케줄링을 수행한다. 클러스터 스케줄러는 클러스터에 속한 모든 AT들을 C3-AT의 클러스터 전송 모드를 기준으로 각 AT가 선택한 클러스터 전송 모드에 따라 8개의 그룹으로 나눈다. NC-AT와 C2-AT들도 각 AT가 선택한 클러스터 전송 모드와 호환 가능한 C3-AT용 클러스터 전송 모드를 사용하는 AT 그룹에 속하게 된다. 따라서, 표 1의 클러스터 전송 모드(E1, X, X)는 하위에 위치하는 세 번째 줄의 C3-AT용 네 개의 전송 모드들과 모두 호환 가능하기 때문에, 해당되는 네 개의 AT 그룹에 중복되어 포함된다. 마찬가지로 C2-AT용 클러스터 전송 모드(E1, E1, X)도 하위에 있는 C3-AT용 클러스터 전송 모드(E1,E1, E1) 및 (E1,E1, E2)와 호환 가능하기 때문에, 해당되는 두 개의 AT 그룹에 중복되어 포함된다.
클러스터 전송 모드에 따른 8개의 AT 그룹을
Figure 112013012944244-pat00070
라고 하면, 각 AT 그룹 별로 스케줄링이 수행된다. 각 그룹에서 사용하는 클러스터 전송 모드의 (
Figure 112013012944244-pat00071
)개의 송신 가중치를 이용하여 데이터를 전송할, 최대 스케줄링 우선순위를 갖는 AT들을 선택한다. BTS는 다음 수학식 11과 같이 g번째 송신 모드의 n번째 송신 가중치를 이용하여 데이터를 전송할
Figure 112013012944244-pat00072
번째 AT를 선택한다.
Figure 112008011287214-pat00073
Figure 112013012944244-pat00074
는 g번째 AT 그룹 Sg에 속하는 z번째 AT가, g번째 클러스터 전송 모드의 n번째 송신 가중치를 통해 수신할 수 있는 SINR
Figure 112013012944244-pat00075
을 이용하여 구한 스케줄링 우선순위이다.
Figure 112013012944244-pat00076
는 z번째 AT가 속한 BTS를 통해 클러스터 스케줄러에 피드백 된 정보이다. 예를 들어, 데이터 전송량을 최대로 하는(max throughput) 스케줄러의 경우,
Figure 112013012944244-pat00077
가 된다. 결론적으로 동일한 클러스터 전송 모드를 사용하는 AT들에 대해, 해당 클러스터 전송 모드의 송신 가중치 별로 스케줄링 우선순위를 최대로 하는 AT를 선택한다. 따라서, 각 AT 그룹별로 (
Figure 112013012944244-pat00078
)개의 송신 가중치를 통해 데이터를 전송할 AT들이 선택되고, 이렇게 선택된 AT들에 의한 각 그룹별 대표 스케줄링 우선순위 prig가 다음 수학식 12와 같이 결정된다. 본 발명의 실시예에서는 선택된 AT들의 스케줄링 우선순위들을 합하여 해당 그룹의 스케줄링 우선순위로 설명하였으나, 그룹별 스케줄링 우선순위를 구하는 방식은 다른 방식을 사용할 수도 있다.
Figure 112008011287214-pat00079
클러스터 스케줄러는 각 그룹별 스케줄링 우선순위를 이용하여, 가장 큰 그룹 스케줄링 우선순위를 갖는 AT 그룹
Figure 112008011287214-pat00080
을 수학식 13과 같이 선택한다.
Figure 112008011287214-pat00081
따라서, 데이터를 전송할 AT 그룹
Figure 112013012944244-pat00082
과 해당 그룹이 사용할 클러스터 전송 모드, 즉 클러스터에 속하는 BTS들이 사용할 프리코딩 행렬이 결정된다. 또한, 클러스터 스케줄러는 데이터를 전송할 AT들의 수신 SINR을 이용하여, 전송할 데이터의 MCS를 결정할 수 있다.
클러스터 스케줄러에 의해 결정된, 데이터를 전송할 AT
Figure 112013012944244-pat00083
에 대한 정보, 해당 AT들이 사용할 클러스터 전송 모드에 대한 정보, 그리고 전송할 데이터의 MCS에 대한 정보는 유선 통신망을 통해 각 BTS로 전달된다. 각 BTS들은 선택된 AT들
Figure 112013012944244-pat00084
에 대해, 해당 MCS 레벨의 데이터 스트림을 만들고, 선택된 클러스터 전송 모드로 프리코딩하여 클러스터 내의 C-BTS들의 송신 안테나들을 통해 전송한다.
클러스터 스케줄러에 의해 결정된, 데이터를 전송할 AT
Figure 112013012944244-pat00085
에는, 선택된 클러스터 전송 모드와 호환되는 NC-AT와 C2-AT 용 클러스터 전송 모드를 사용하는 AT들이 포함될 수 있다. 데이터를 전송하기 위해 선택된 NC-AT와 C2-AT들도 해당 MCS 레벨의 데이터 스트림을 만들고, 사용할 NC-AT 또는 C2-AT용 클러스터 전송 모드로 프리코딩하여, 해당 BTS들의 송신 안테나를 통해 전송한다.
다음, 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시키기 위한 확장된 클러스터 전송 모드 선택과 피드백 정보에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA 기술에서는, 동일한 클러스터 전송 모드 또는 호환되는 클러스터 전송 모드를 선택하는 AT들을 대상으로 스케줄링을 수행한다. 따라서, 프리코더 코드북 내의 프리코딩 행렬의 개수 G와 클러스터에 속하는 C-BTS의 개수가 커질수록, C-BTS가 전송할 수 있는 프리코딩 행렬 조합의 수, 즉 클러스터 전송 모드의 개수가 증가한다. 클러스터 전송 모드의 개수의 증가는 동일 클러스터 전송 모드를 선택하는 AT들의 수를 감소시킨다. 구체적으로, C-BTS의 수는 3이고 G=2인 경우 클러스터 전송 모드의 수는 8이며, C-BTS의 수는 3이고 G=1인 경우 클러스터 전송 모드의 수는 1이 된다. 클러스터 전송 모드가 8인 경우에는 AT들이 선택한 전송 모드에 따라 8개의 그룹으로 나뉘어 스케줄링 되는 반면에, 클러스터 전송 모드가 1인 경우에는 모든 AT들이 하나의 그룹에 속하기 때문에 모든 AT들을 대상으로 스케줄링을 수행하게 된다. 즉, 전송 모드의 수가 증가되면 다중 사용자 스케줄링의 대상이 되는 AT들의 수가 감소되므로 시스템 레벨에서의 다중 사용자 다이버시티 이득이 감소한다. 그러나 프리코더 코드북의 크기, 즉 G가 증가하면 각 링크 별로 세밀한 프리코딩이 가능하게 되므로 각 링크의 수신 SINR이 증가된다. 따라서 프리코더 코드북의 크기를 증가시켜서 각 링크 별 이득을 증가시키면서, 코드북의 크기 증가에 따른 시스템의 다중 사용자 다이버시티 이득 감소 현상을 극복하기 위한 방법이 요구된다.
이를 위해 본 발명의 실시예에서는 AT가 클러스터 전송 모드를 G개 선택하고, 이에 대한 정보를 BTS로 피드백 하는 방식을 제안한다. 이는 위에서 제안된 단일 전송 모드 선택 방식보다 피드백 정보량이 G배가 증가하게 된다. AT는 AT가 속한 BTS가 코드북 내의 G개의 프리코딩 행렬을 각각 사용할 경우, C-BTS 클러스터로부터 m번째 BTS의 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 전송 모드를 선택한다. 구체적으로 코드북
Figure 112013012944244-pat00086
를 사용하고, C-BTS의 개수가 3이고 AT가 속한 BTS가 프리코딩 행렬 Em을 사용할 경우, 타 C-BTS 기지국이 사용해야 할 프리코딩 행렬 Gm,1과 Gm,2는 다음 수학식 14와 같이 결정된다.
Figure 112008011287214-pat00087
수학식 14에 따르면, 총 8개의 클러스터 전송 모드 중에서 AT가 속한 BTS의 프리코딩 행렬
Figure 112013012944244-pat00088
을 사용하는 4가지 클러스터 전송 모드에 대해, k번째 AT가 수신하는
Figure 112013012944244-pat00089
개의 스트림 중 SINR이 가장 큰 스트림의 SINR을 최대로 만드는 클러스터 전송 모드를 선택한다. 따라서 선택된 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00090
를 나타내는 인덱스와 함께, 해당 클러스터 전송 모드를 사용하여 데이터를 송신할 경우, AT에서 수신하는
Figure 112013012944244-pat00091
개의 데이터 스트림에 대한 SINR,
Figure 112013012944244-pat00092
을 각각 역방향 링크 피드백 채널을 통해 m번째 BTS로 알려준다. 정리하면, AT는 BTS로 다음의 정보들을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 전송한다.
① AT가 G개의 클러스터 전송 모드를 피드백 함을 알리는 정보
② AT에서 선택된 클러스터 전송 모드 정보 - 이 전송 모드 정보에는 해당 AT를 위해 몇 개의 C-BTS가 데이터를 전송하는가에 대한 정보와 함께, 데이터를 함께 전송할 C-BTS들이 사용할 프리코딩 행렬의 조합을 나타내는 클러스터 전송 모드 정보가 포함된다.
③ C-BTS에서 사용될 G개의 클러스터 전송 모드 각각에 대한 AT의
Figure 112013012944244-pat00093
개의 수신 데이터 스트림의 수신 SINR 정보
본 발명의 실시예에서 제안하는 확장된 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식은 각 AT별로 G개의 클러스터 전송 모드와 그에 따른 수신 SINR 정보를 클러스터 스케줄러에 전달함으로써, 각AT가 G개의 클러스터 전송 모드별 AT 그룹에 포함되도록 한다. 따라서 스케줄링 시에 각 클러스터 전송 모드별 AT 그룹에 포함되는 AT의 수가 증가하게 되어 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있다. 그러나 확장된 클러스터 전송 모드 선택에 따른 피드백 방식은 단일 클러스터 전송 모드 선택 방식에서 요구되는 피드백 정보량보다 G배만큼 많은 피드백 정보량이 요구된다.
다음, 모든 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드를 선택하는 방법과 피드백 방식에 대하여 설명한다.
본 발명에서는 코드북의 크기 증가에 따른 시스템의 다중 사용자 다이버시티 이득 감소 현상을 극복하기 위한 또 다른 방법으로서, 각 AT에서 각 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드를 하나씩 선택하고, 이에 대한 정보를 각각 해당 C-BTS로 피드백 하는 방식을 제안한다. 상기 기술한 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시키기 위한 확장된 클러스터 전송 모드 선택과 피드백 방식은 AT가 속한 하나의 BTS에 대해 AT가 G개의 클러스터 전송 모드를 선택하여 피드백 하지만, 이하에서 기술하는 방식은 AT가 모든 C-BTS에 대해 각각 하나의 최적 클러스터 전송 모드를 선택하고 각 C-BTS로 피드백 한다는 점에서 차이가 있다.
M개의 C-BTS들 중에서 m번째 C-BTS와 k번째 AT간의 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 클러스터 전송 모드는 [수학식 9]와 같이 결정한다. [수학식 9]는 m번째 BTS가 송신하고 k번째 AT가 수신하는 nT개의 스트림 중 SINR이 가장 큰 스트림의 SINR을 최대로 만드는 클러스터 전송 모드를 선택함을 설명하고 있다. 이와 같이 선택된 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00145
는 m번째 BTS로부터 k번째 AT로의 채널 이득을 크게 하면서, 동시에 두 개의 인접 C-BTS들로부터의 간섭을 최소화 하는 최적의 프리코딩 행렬 조합이다.
본 발명의 실시예에 따른 모든 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식은 모든 M개의 C-BTS들에 대해, [수학식 9]와 같이 하나의 AT에서 각 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드를 선택한다. 즉, 각 AT는 M개의 C-BTS들에 대해 m번째 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00095
를 선택한다. AT는 M개의 C-BTS들에 대해, m번째 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드
Figure 112013012944244-pat00146
를 나타내는 인덱스와 함께, m번째 C-BTS에서 해당 전송 모드를 사용하여 피드백 정보를 송신하고, k번째 AT에서 수신하는 nT개의 데이터 스트림에 대한 SINR과
Figure 112013012944244-pat00097
을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 m번째 C-BTS로 알려준다. 각 C-BTS는 유선 통신망을 통해 상기 피드백 정보를 클러스터 스케줄러로 전달한다. 즉, AT는 각 C-BTS로 다음의 정보를 역방향 링크 피드백 채널을 통해 전송한다.
① 모든 M개의 C-BTS들에 대해, AT가 각각의 C-BTS로 하나의 클러스터 전송 모드를 피드백 함을 알리는 정보
② AT에서 선택된 각 C-BTS로의 최적 전송 모드 정보 - 이 전송 모드 정보에는 각 C-BTS가 해당 AT로 데이터를 전송할 때 사용할 최적 클러스터 전송 모드 정보가 포함된다.
③ C-BTS들이 각각 최적 클러스터 전송 모드를 이용하여 해당 AT로 데이터를 전송할 때 AT가 수신하는 데이터 스트림의 SINR 정보
본 발명의 실시예에 따른 모든 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식은 AT가 속한 BTS 뿐만 아니라, 모든 C-BTS들에 대해 최적 클러스터 전송 모드를 선택하고 클러스터 스케줄러에 전달하므로, 클러스터 스케줄러는 하나의 AT로부터 M개의 C-BTS들을 통해 총 M개의 최적 클러스터 전송 모드 정보를 피드백 받는다.
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그런데 하나의 AT에 대한 M개의 C-BTS들로의 채널들은 서로 독립적이기 때문에, 하나의 AT가 마치 서로 다른 M개의 AT처럼 스케줄링 됨으로써, 다중 사용자 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 모든 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식은, AT가 속한 하나의 BTS로의 단일 클러스터 전송 모드 선택 방식에 비해, M배의 피드백 정보량이 요구된다.
도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA 기술에 따른 단말과 기지국의 동작 흐름을 설명한 것이다.
도 3을 참조하면, 301과정에서 각 AT는 클러스터에 속한 BTS들로부터 하향 링크 MIMO 채널을 추정한다. 각 AT는 클러스터에 속한 BTS들로부터 추정된 하향 링크 MIMO 채널을 바탕으로, 302과정에서 각 AT 링크에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화 하는 클러스터 전송 모드와 해당 클러스터 전송 모드를 사용할 경우 AT에서 수신 가능한 SINR을 결정한다. 본 발명의 실시예에 따른 단일 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백을 사용할 경우 AT는 하나의 클러스터 전송 모드만을 선택하고, 확장된 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식을 사용할 경우 AT는 G개의 클러스터 전송 모드를 선택한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 모든 C-BTS로의 최적 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식을 사용할 경우, AT는 모든 C-BTS들에 대해 각각의 최적 클러스터 전송 모드를 선택한다. 303과정에서 각 AT는 상향링크 피드백 채널을 통해, 각 AT에서 사용할 피드백 모드(단일 클러스터 전송 모드 선택 또는 확장된 클러스터 전송 모드 선택 또는 모든 C-BTS들로의 전송 모드 선택)에 대한 정보와, 선택한 클러스터 전송 모드에 대한 정보(이 전송 모드 정보에는 동시에 데이터를 전송할 C-BTS의 수 및 해당 클러스터 전송 모드가 포함), 그리고 선택된 클러스터 전송 모드에 따른 AT의 수신 SINR 정보를, AT가 속한 BTS로 피드백한다. 또한 모든 C-BTS들로의 클러스터 전송 모드를 선택한 경우에는 상기 정보들을 각각의 C-BTS들로 피드백한다.
다음, 도 4를 참조하면, BTS는 401과정에서 각 AT들로부터 피드백된 정보를, 유선 통신망을 통해 연결된 클러스터 스케줄러로 전송한다.
402과정에서, 클러스터 스케줄러는 동일 클러스터 전송 모드 또는 호환되는 클러스터 전송 모드를 선택하는 AT들을 동일 AT 그룹으로 나누고, 403과정에서 각 그룹 별로 스케줄링을 수행한다. 그룹별 스케줄링에 의해 각 그룹별로 해당 클러스터 전송 모드를 이용하여 데이터를 전송할 (
Figure 112013012944244-pat00102
)개의 AT들이 선택되고, 그룹별 대표 스케줄링 우선순위가 결정된다. 404과정에서 클러스터 스케줄러는 그룹 스케줄링 우선순위를 최대로 하는 AT 그룹을 선택함으로써, 클러스터에서 데이터를 전송할 (
Figure 112013012944244-pat00103
)개의 AT들, 해당 AT들이 사용할 클러스터 전송 모드, 그리고 해당 클러스터 전송 모드를 사용하여 전송할 데이터들의 MCS를 결정한다. 그리고 클러스터 스케줄러는 결정된 상기 정보들을 유선 통신망을 통해 클러스터 내의 각 BTS에게 전달한다.
마지막으로 405과정에서, 클러스터 내의 BTS들은 클러스터 스케줄러로부터 전달된, 데이터를 전송할
Figure 112008011287214-pat00104
개의 AT들, 해당 AT들이 사용할 클러스터 전송 모드, 그리고 해당 클러스터 전송 모드를 사용하여 전송할 데이터들의 MCS 정보를 이용하여, 해당 BTS에 속하는 AT들에 대해, 해당 MCS 레벨의 데이터 스트림을 만들고, 이를 선택된 클러스터 전송 모드로 프리코딩하여C-BTS들을 통하여 동시에 전송한다.
다음, 협동 빔 성형 기술에 대하여 설명한다.
상술된 C-SDMA 기술은 동일한 클러스터에 속한 다수의 BTS들로부터 동일한 클러스터에 속한 다수의 AT들에게 동시에 데이터를 전송한다. 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA 기술은 동일한 클러스터에 속한 다수의 BTS들의 협동 빔 성형(collaborative beamforming, 이하 C-BF)을 통해, 인접 BTS들의 BF에 의한 타 셀의 간섭을 최소화 하여, BTS당 각각 하나의 AT에게 데이터를 전송하는 C-BF 기술로 동작이 가능하다.
도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 C-BF의 단말과 기지국 동작의 흐름을 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에서는 C-BTS가 세 개인 C3-AT를 위한 C-BF을 설명한다. 먼저 501과정에서 m번째 BTS의 k번째 AT가 인접한 두 개의 간섭 BTS들로부터의 하향 링크 MIMO 채널 행렬
Figure 112013012944244-pat00106
를 추정한다. m번째 BTS와 인접한 두 개의 BTS로 구성된 BTS 클러스터의
Figure 112013012944244-pat00107
개의 송신 안테나들로부터 동시에 전송된 (3×1) 크기의 신호 벡터 XBF가 m번째 BTS의 k번째 AT에 수신되는 신호 벡터 Ym,k는 다음 수학식 15와 같다.
Figure 112008011287214-pat00108
여기서 Ym,k는 (nR×1) 크기의 수신 신호 벡터, Nm,k은 (nR×1) 크기의 잡음 벡터를 나타낸다.
Figure 112013012944244-pat00109
는 C-BTS 클러스터에 속한 3개의 C-BTS가 각각 f, g1, 그리고 g2 가중치에 의해 BF을 했을 때, m번째 BTS의 k번째 AT에서 수신되는 (nR×3) 크기의 하향 링크 채널 행렬을 나타낸다. 수학식 15에 따르면, C-BTS 클러스터로부터 m번째 BTS의 k번째AT간의 링크에서 수신 SINR을 최대화하는, m번째 BTS가 사용할 가중치 벡터 f와 두 개의 간섭 BTS가 각각 사용할 가중치 벡터
Figure 112013012944244-pat00110
를 동시에 결정해야 한다. 이와 같이 수신 SINR을 최대가 되도록 각 BTS에서 사용할 가중치를 결정하면, BF에 의한 이득을 증가시키는 동시에 인접 BTS들의 BF에 의한 타 셀의 간섭을 최소화하는 최적의 가중치 조합을 결정할 수 있다. 그러나 G개의 프리코딩 행렬로 이루어진 프리코더 코드북을 사용할 경우, C-BTS의 수가 l개 일 때, C-BF을 위한 전송 모드 수가
Figure 112013012944244-pat00111
로 상당히 크다. 따라서 선택된 클러스터 전송 모드를 피드백 하기 위해 많은 피드백 비트가 요구된다. 또한 클러스터 스케줄러에서 동일한 클러스터 전송 모드를 선택하는 AT들을 그룹화하고 이에 대해 스케줄링을 수행할 경우, 스케줄링에 의한 다중 사용자 다이버시티 이득의 감소에 따른 전송 용량이 감소된다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 클러스터 전송 모드 선택 시에 m번째 BTS에서 k번째 AT로의 이득을 최대로 하는, 즉 AT에서 전송을 원하는 신호 가중치 벡터 f와, C-BTS에 속하는 각 간섭 BTS에서 AT로의 간섭량이 최대인, 즉 각 간섭 C-BTS에서의 사용을 원하지 않는 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112013012944244-pat00112
들을 각 AT에서 선택하여 AT가 속한 BTS로 피드백 한다. 클러스터 스케줄러에서는 각 AT의 신호 가중치 벡터와 주 간섭 가중치 벡터 정보를 이용하여, 데이터를 전송할 AT는 해당 AT의 신호 가중치 벡터를 사용하도록 하면서 간섭 C-BTS에서는 해당 AT의 주 간섭 가중치 벡터를 사용하지 않도록 스케줄링을 수행한다. 기지국에서 사용하는 가중치 벡터의 수가 2 이상인 경우, 피트백 비트의 수를 줄이기 위하여 복수개의 가중치를 그룹화하여 주 간섭 가중치 그룹을 피드백할 수도 있다.
두 개의 프리코딩 행렬로 이루어진 프리코더 코드북
Figure 112013012944244-pat00113
를 사용한다고 가정하면, 도 5의 502과정에서 m번째 BTS의 k번째 C3-AT를 위한, 신호 가중치 벡터 f와 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112013012944244-pat00114
를 다음 수학식 16과 같이 구한다.
Figure 112008011287214-pat00115
여기서,
Figure 112008011287214-pat00116
은 프리코더 코드북 F의 프리코딩 행렬들의 컬럼 벡터들이다. 따라서 [수학식 16]은 F에 속한 GnT개의 컬럼 벡터들 중에서, AT가 속한 BTS와 두 개의 간섭 BTS로부터의 채널 이득을 가장 크게 하는 컬럼 벡터들을 각각 주 신호 가중치 벡터 f와 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00117
로 선택함을 보여준다.
프리코더 코드북과 같이 GnT개의 컬럼 벡터들이 균일하게 나누어진 방위각을 가리키도록 코드북 F를 디자인한다면, 송신 안테나 수가 많거나 코드북에 속하는 프리코딩 행렬들의 수가 많을수록, 인접한 방위각을 가리키는 가중치들에 의해 AT가 수신하는 채널 이득은 비슷하다. 따라서, 선택된 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00118
와 인접한 방위각을 가리키는 가중치들 또한 해당 AT에 많은 간섭을 줄 수 있다. 이와 같은 경우, 클러스터 스케줄러는 스케줄링 시에 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00119
와 인접한 방위각을 가리키는 가중치들까지 주 간섭 가중치 벡터로 고려하여, 각 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 성형되는 빔들간의 충돌을 계산한다. 예를 들어, G=2이고 nT=4인 경우, 주 신호 가중치 벡터 f와 인접한 방위각을 가리키는 두 개의 가중치 벡터들을 주 신호 가중치 벡터 집합 D로 추가하고, 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00120
와 인접한 두 개의 가중치 벡터들을 주 간섭 가중치 벡터 집합
Figure 112008011287214-pat00121
로 추가하여, 각 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 성형 되는 빔들간의 충돌을 계산한다.
AT는 신호 가중치 벡터 f를 m번째 BTS에서 사용하고, 각 간섭 C-BTS에서 주 간섭 가중치 벡터 집합 Li에 속한 가중치 벡터들을 사용하지 않았을 때의 AT의 수신 SINR을 계산한다. AT의 수신 SINR 계산을 위해, F에 속한 GnT개의 가중치들 중에서 각각의 주 간섭 가중치 벡터 집합 Li에 속하지 않은 가중치 벡터들로부터 AT가 수신하는 간섭량을 평균하여, 각 간섭 C-BTS로부터의 수신하는 AT의 평균 간섭량을 구한다. 이와 같이 구해진 AT의 수신 SINR은 클러스터 스케줄링에 의해 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 형성되는 빔들간의 충돌이 회피되었을 때의 수신 SINR로, 이를 CA(collision avoidance)-BF CQI라고 한다.
한편, C-AT의 수가 적으면, 클러스터 스케줄링에 의해 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 형성되는 빔들간의 충돌이 회피되지 않는 경우가 발생한다. 이러한 경우를 위해, AT는 신호 가중치 벡터 f를 m번째 BTS에서 사용하고, 각각의 간섭 C-BTS들에서 주 간섭 가중치 벡터 집합 Li에 속한 가중치 벡터들을 사용할 때의 AT의 수신 SINR을 계산한다. AT의 수신 SINR 계산을 위해, 각각의 주 간섭 가중치 벡터 집합 Li에 속하는 가중치 벡터들로부터 AT가 수신하는 간섭량을 평균하여, 각 간섭 C-BTS로부터의 수신하는 AT의 평균 간섭량을 구한다. 이와 같이 구해진 AT의 수신 SINR은 클러스터 스케줄링에 의해 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 형성되는 빔들간의 충돌이 회피되지 않았을 때의 수신 SINR이 된다. AT는 CA-BF CQI에서 빔들간의 충돌이 회피되지 않았을 때의 수신 SINR을 뺀 값을 계산하고, 이를 ‘CA-BF delta CQI’라는 이름으로 BTS로 피드백 한다(503). 즉, 클러스터 스케줄러는, 피드백 된 CA-BF CQI와 CA-BF delta CQI 정보를 이용하여, 빔들간의 충돌이 회피되었을 때와 빔들간의 충돌이 회피되지 않았을 때의 AT의 수신 SINR 값을 각각 알 수 있다.
① AT에서 선택된 신호 가중치 벡터 f와 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112013012944244-pat00122
정보 - 이 정보로서 주 간섭 가중치 벡터 대신에 제일 간섭을 적게 주는 가중치 벡터를 전송하거나 가중치 벡터들을 그룹화하여 주 간섭 가중치 벡터 그룹을 피드백 할 수도 있다. 가중치 벡터들을 그룹화하여 피드백하는 것은 피드백 오버헤드를 줄이기 위함이다.
② 선택된 신호 가중치 벡터 f를 속한 BTS에서 사용하고, 두 개의 간섭 C-BTS에서 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00123
를 사용하지 않았을 때의, AT가 수신하는 단일 데이터 스트림의 수신 SINR 정보 - 이 정보로서 빔들간에 충돌이 일어나지 않았을 때의 CQI, 즉 CA-BF CQI를 전송하고, 충돌된 경우의 CQI와 CA-BF CQI의 차를 CA-BF delta CQI로 전송할 수도 있고, 빔들간에 충돌이 일어났을 때의 CQI를 CA-BF CQI로 하고, 충돌하지 않은 경우의 CQI로 그 차를 구해 CA-BF delta CQI로 전송할 수도 있다.
또한 도 6을 참조하면, BTS는 601과정에서 AT로부터 수신된 피드백 정보들을 클러스터 스케줄러로 전달하며, 602 과정에서 클러스터 스케줄러에서는 모든 C-AT 조합에 대해 전송 가능 데이터 용량을 계산하고, 스케줄링 우선순위가 가장 높은 C-AT 조합과 해당 조합이 사용할 BF 가중치들을 결정한다. 예를 들면, 각 C-BTS별로 2개의 C-AT들이 존재하는 2개의 C-BTS를 가정하면, 총 2개의 C-AT 조합이 존재하게 된다. 클러스터 스케줄러는, 각 C-AT 조합별로, 각 AT들이 피드백 한 주 신호 가중치 벡터 정보와 주 간섭 가중치 벡터 정보를 이용하여, 한 AT의 신호 가중치 벡터 집합에 속한 가중치들이 다른 AT의 주 간섭 가중치 벡터에 속하는 가중치들과 일치하는가를 판단한다. 만약, 일치하지 않는다면 빔들간의 충돌을 회피하도록 하는 'collision avoidance BF'이 가능하기 때문에, CA-BF CQI 정보를 이용하여 시스템 전송 용량을 계산한다. 반면에, 한 AT의 신호 가중치 벡터 집합에 속한 가중치들이 다른 AT의 주 간섭 가중치 벡터에 속하는 가중치들과 일치하게 되면, collision avoidance BF이 불가능하기 때문에, 클러스터 스케줄러는, CA-BF CQI에서 CA-BF delta CQI를 빼서, 빔간의 충돌이 회피되지 않았을 때의 수신 SINR 값을 구하고, 이를 이용하여 시스템 전송 용량을 계산한다. 클러스터 스케줄러는 이와 같이 계산된 시스템 전송 용량을 이용하여, 총 2개의 C-AT 조합 중에서 높은 스케줄링 우선순위를 갖는 C-AT 조합을 선택한다. 실제로 collision avoidance BF이 가능한 C-AT 조합이 높은 시스템 전송 용량을 제공하므로, collision avoidance BF 스케줄링을 통해 각 BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 성형 되는 빔들간의 충돌을 억제함으로써, 타 셀로부터의 간섭을 억제하여 전송 데이터 용량을 개선할 수 있다.
603과정에서 클러스터 스케줄러는 각 BTS에서 데이터를 전송할 하나의 AT, 해당 AT가 사용할 빔 성형 가중치, 그리고 해당 빔 성형 가중치를 사용하여 전송할 데이터의 MCS 정보를 전송하고, 604과정에서 해당 BTS는 클러스터 스케줄러로부터 전달된 정보에 따라 AT로 데이터를 전송한다.
도 7과 도 8은 각각 본 발명의 실시예에 따른 C-SDAM 또는 빔 성형을 수행하는 AT와 BTS의 장치도이다.
도 7을 참조하면, AT는 하향링크 채널 추정기(701)와 판단부(702)와 피드백 전송부(703)를 포함한다. 하향링크 채널 추정기(701)는 BTS로부터 수신된 하향링크 사운딩 기준신호를 이용하여 하향링크 채널을 추정한다. 판단부(702)는 하향링크 채널 추정기(701)의 추정 결과에 따라 전송 모드와 SINR, 프리코딩 행렬 또는 신호 가중치를 선택한다. 그리고 피드백 전송부(703)는 판단부(702)에서 결정한 정보들을 역방향 링크 피드백 채널을 통해 BTS로 전송한다.
또한 도 8을 참조하면, 기지국 시스템은 BTS(810)와 클러스터 스케줄러(820)를 포함하며, BTS(811)는 피드백 수신부(811)와 데이터 전송부(812)를 포함하며, 클러스터 스케줄러(820)는 스케줄링부(821)를 포함한다.
피드백 수신부(811)는 역방향 링크 피드백 채널을 통해 AT로부터 피드백 정보들을 수신하며, 스케줄링부(821)는 피드백 수신부(811)에서 수신한 피드백 정보를 이용하여 데이터를 전송할 AT와 MCS, 프리코딩 행렬 또는 가중치를 결정한다. 그리고 데이터 전송부(812)는 스케줄링부(821)의 결정에 따라 해당 AT에게 해당 MCS와 프리코딩 행렬 또는 가중치를 적용하여 데이터를 전송한다.
이상 본 발명의 실시예에서는 FDD 시스템에서 기존의 프리코더 코드북을 사용하는 SDMA 기술을 기반으로 하여, 인접 BTS에 의한 타 셀 간섭을 효과적으로 억제하는 C-SDMA 기술을 제안하였다. 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA 기술의 성능을 분석하기 위해, 세 개의 C-BTS로 구성된 하나의 클러스터에서, NC-SDMA 기술, 즉 BTS별로 스케줄링이 수행되는 기존의 프리코더 코드북을 사용하는 SDMA 기술과 제안하는 C-SDMA 기술의 성능을 시스템 레벨 용량을 기준으로 비교 분석한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라, 세 개의 C-BTS로부터의 하향 링크 채널을 추정 할 수 있는
Figure 112013012944244-pat00124
개의 C3-AT들이 존재하는 하나의 클러스터에서, NC-SDMA 기술과 C-SDMA 기술을 클러스터에서의 용량을 기준으로, 프리코더 코드북 내의 프리코딩 행렬 수 G와 AT에서 피드백하는 클러스터 전송 모드의 수에 따른 성능을 비교 분석한 도면이다. 각 BTS의 송신 안테나 수 nT은 4이고 안테나 간격이 0.5λ이며, AT의 수신 안테나 수 nR은 4이고 안테나 간격이 0.5λ이며, 모든
Figure 112013012944244-pat00125
개의 C-AT들은 세 개의 C-BTS들로부터 평균 SNR 10dB의 신호를 수신한다고 가정한다.
클러스터로부터
Figure 112013012944244-pat00126
개의 C-AT들까지의 각 링크에서 MIMO 채널 계수를 10000번 발생시켜서 얻어진 클러스터의 용량을 평균하여 성능 척도로 사용하였다. 채널 계수 발생 시, BTS의 송신단에서의 AOD(angle of departure)와 AT의 수신단에서의 AOA(angle of arrival)은 (-30°,30°) 내에서 균일하게 발생시켰다. 각 링크에서 채널 발생시, 다음의 수학식 17을 이용하여 공간 상관도가 있는 MIMO 채널을 발생시켰으며, BTS의 송신단에서의 공간상관행렬 RT와 AT의 수신단에서의 공간상관행렬 RR는 선형 배열 안테나를 사용하며 각 스펙트럼(angular spectrum)이 AOD와 AOA를 중심으로 각각 ΔT와 ΔR 만큼 균일하게 분포하는 모델을 사용하여 구하였다. k번째 C-AT의 하향 링크 채널 행렬은 다음 수학식 17과 같이 구해진다.
Figure 112008011287214-pat00127
여기서 Hw는 상관도가 없는 (nT×nR) 복소 가우시안 행렬이다. 모든
Figure 112008011287214-pat00128
개의 링크들에 대해 ΔT=5°, ΔR=60°로 가정한다.
도 9에서 사용된 프리코딩 행렬은 다음 수학식 18과 같다. G=1일 경우, F={E1}이고 G=2 인 경우, F={E1,E2}이다.
Figure 112008011287214-pat00129
도 9에서 C-SDMA 기술들이 NC-SDMA 기술보다 높은 클러스터 용량을 보임을 확인할 수 있다. 따라서 C-SDMA 기술이 타 셀의 간섭을 효과적으로 억제하여, 시스템 용량을 개선시킴을 확인할 수 있다. 또한, G=1인 경우보다 G=2 인 경우에 C-SDMA 기술이 높은 클러스터 용량을 제공함을 확인할 수 있다. 이는 사용하는 프리코더 코드북의 크기가 증가할수록 각 링크 별로 세밀한 프리코딩을 가능하게 함으로써 각 링크의 수신 SINR을 증가시키기 때문이다.
도 9를 보면, C-SDMA에서 단일 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식에 비해, G개의 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식과 모든 C-BTS로의 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식이 상당히 높은 용량을 제공함을 알 수 있다. 특히, 모든 C-BTS로의 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식이 G개의 클러스터 전송 모드 선택 및 피드백 방식과 동일한 피드백 정보량을 사용하면서 보다 높은 용량을 제공함을 알 수 있다. 또한, C-BF에서도 AT가 속한 하나의 BTS로의 collision avoidance BF을 수행하는 것보다 모든 C-BTS들로의 collision avoidance BF을 수행하는 것이 훨씬 높은 용량을 제공함을 알 수 있다.
한편, C-SDMA와 C-BF 기술의 성능을 비교하면, C-AT의 수가 적고 간섭 BTS로부터의 간섭량이 적을수록 C-BF 기술이 높은 용량을 제공하고, C-AT의 수가 많고 간섭 BTS로부터의 간섭량이 많을수록 C-SDMA 기술이 높은 용량을 제공한다. 따라서, C-AT의 수와 간섭 BTS로부터의 채널 환경에 따라, C-SDMA와 C-BF 기술 중에서 높은 시스템 용량을 제공하는 기술을 적응적으로 선택하여 사용함으로써, 높은 용량을 이룰 수 있다.
그러므로 본 발명의 또 다른 실시예로서, 제한된 피드백 정보를 사용하여, C-AT 수와 간섭 환경에 따라, C-SDMA와 C-BF 기술 중에서 높은 시스템 용량을 제공하는 기술을 적응적으로 선택하여 사용하도록 하는 하이브리드(Hybrid) C-SDMA/C-BF 방식과 그에 따른 피드백 방식을 제안한다.
도 10과 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 C-SDMA / C-BF 기술에 따른 단말과 기지국의 동작의 흐름을 설명한 것이다.
도 10을 참조하면, 1001과정에서 각 AT는 클러스터에 속한 BTS들로부터 하향 링크 MIMO 채널을 추정한다. 각 AT는 클러스터에 속한 BTS들로부터 추정된 하향 링크 MIMO 채널을 바탕으로, 1002과정에서 C-BF 동작을 위해 [수학식 16]에 따라 주 신호 가중치 벡터 f와 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00130
를 [수학식 16]와 같이 구한다. 또한, AT는 클러스터 스케줄링에 의해 C-BTS에서 사용하는 가중치들에 의해 형성되는 빔들간의 충돌이 회피(collision avoidance)되었을 때의 수신 SINR과 충돌이 회피되지 않았을 때의 수신 SINR을 각각 구한다. 충돌 회피 BF에 의한 수신 SINR을 CA-BF CQI로서 피드백하고, 충돌 회피 BF에 의한 수신 SINR과 충돌을 회피하지 못했을 때의 수신 SINR 차이를 CA-BF delta CQI로서 BTS로 피드백 한다. 또한, C-BF를 위해 사용하는 피드백 정보에 최소한의 피드백 정보를 추가하여 C-SDMA로 동작을 시키기 위해서, 각 AT는 속한 BTS가 주 신호 가중치 벡터 f를 포함하는 프리코딩 행렬을 사용하고, 간섭 C-BTS가 각 C-BTS의 주 간섭 가중치 벡터 di를 포함하는 프리코딩 행렬을 사용하지 않을 경우, 주 신호 가중치 벡터 f에 의해 AT가 수신하는 하나의 데이터 스트림의 수신 SINR을 계산한다. 즉, 프리코더 코드북에서 주 신 호 가중치 벡터를 포함하는 프리코딩 행렬과 주 간섭 가중치 벡터를 포함하지 않은 프리코딩 행렬 조합이 C-SDMA를 위한 클러스터 전송 모드로 사용될 경우, 해당 AT가 수신하는 한 스트림의 수신 SINR을 계산한다. AT의 수신 SINR 계산을 위해, F에 속한 G개의 프리코딩 행렬들 중에서 각 주 간섭 가중치 벡터를 포함하지 않은
Figure 112008011287214-pat00131
개의 프리코딩 행렬들로부터 AT가 수신하는 간섭량을 평균하여, 각 간섭 C-BTS로부터의 수신하는 AT의 평균 간섭량을 구한다. 이와 같이 구해진 C-SDMA에 의한 수신 SINR을 C-BF에 의한 수신 SINR에서 뺀 값을 C-SDMA delta CQI로서 BTS로 피드백 한다. 또한 AT는 1003 과정에서 BTS로 AT에서 선택된 주 신호 가중치 벡터 f와 주 간섭 가중치 벡터
Figure 112008011287214-pat00132
정보와, C-BF 동작을 위한 CA-BF CQI와 CA-BF delta CQI 정보와, C-SDMA 동작을 위한 C-SDMA delta CQI 정보를 역방향 링크 피드백 채널을 통해 전송한다.
다음, 도 11을 참조하면, BST는 1101과정에서, BTS를 AT로부터의 피드백 정보를 클러스터 스케줄러로 전달한다. 클러스터 스케줄러는 1102과정에서 모든 C-AT 조합에 대해 C-BF을 통해 전송 가능한 데이터 용량을 계산하고, 최대 전송 용량을 갖는 C-AT 조합과 해당 조합이 사용할 BF 가중치를 collision avoidance BF 스케줄링을 통해 결정한다. Collision avoidance BF 스케줄링은 C-BF 기술에 대한 설명에서 상술한 바와 같다. 또한 클러스터 스케줄러는 1103과정에서 모든 C-AT 조합에 대해 C-SDMA을 통해 전송 가능한 데이터 용량을 계산한다. 그리고 최대 전송 용량을 갖는 C-AT 조합과 해당 조합이 사용할 C-SDMA용 클러스터 전송 모드를 결정한 다. 예를 들어, 각 C-BTS별로 2개의 C-AT들이 존재하는 2개의 C-BTS를 가정하면, 총 2개의 C-AT 조합이 존재한다. 각 C-AT 조합별로, 각 AT들로부터 피드백 된 주 신호 가중치 벡터 정보와 주 간섭 가중치 벡터 정보를 이용하여, 한 AT의 신호 가중치를 포함하는 프리코딩 행렬과 다른 C-BTS에 속한 AT의 주 간섭 가중치 벡터를 포함하는 프리코딩 행렬이 일치하는가를 판단한다. 상기 프리코딩 행렬들이 일치한다면, C-SDMA 동작이 불가능하여 C-SDMA에 의한 전송 용량을 계산할 수 없으므로, 클러스터 스케줄러는 높은 전송 용량을 제공하는 C-BF로 동작할 것으로 결정한다. 이와 같은 결정은 C-AT의 수가 적은 경우에 발생하며, C-SDMA에 의한 용량이 C-BF에 의한 용량보다 낮기 때문에 C-BF으로 동작하는 것이 바람직하다.
한편, 하나의 AT의 신호 가중치를 포함하는 프리코딩 행렬과 다른 C-BTS에 속한 AT의 주 간섭 가중치 벡터를 포함하는 프리코딩 행렬이 일치하지 않는다면, C-SDMA로 동작이 가능하기 때문에, 클러스터 스케줄러는 CA-BF CQI에서 C-SDMA delta CQI를 빼서 C-SDMA에 의한 수신 SINR 값을 구하고, 이를 이용하여 C-SDMA에 의한 시스템 전송 용량을 계산한다.
다음, 1104과정에서 클러스터 스케줄러는 상기 1102과정에서 결정된 C-BF에 의한 최대 시스템 전송 용량과 1103과정에서 결정된 C-SDMA에 의한 최대 시스템 전송 용량을 비교하여, 높은 시스템 전송 용량을 제공하는 기술은 C-BF과 C-SDMA 중에서 선택한다.
1105과정에서 클러스터 스케줄러는 각 BTS에서 데이터를 전송할 AT들과, 해당 AT가 사용할 빔 성형 가중치 또는 프리코딩 행렬, 그리고 해당 빔 성형 가중치 또는 전송 모드를 사용하여 전송할 데이터의 MCS 정보를 전송하고, 1106과정에서 해당 BTS는 전달된 정보에 따라 데이터를 전송한다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 C-SDMA/C-BF 방식은, C-BF 기술에 적은 양의 피드백 정보만을 추가하여, C-AT의 수가 많고 간섭 BTS로부터의 간섭이 강한 환경에서, C-SDMA 기술로 적응적으로 동작하고, C-AT의 수가 적은 경우에는 C-BF 기술로 동작하도록 함으로써, 다양한 환경에서 높은 시스템 전송 용량을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래의 다중안테나 기술을 도시한 도면.
도 2는 본 발명이 적용되는 C-SDMA 기술을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA에서의 단말의 동작을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 C-SDMA에서의 기지국의 동작을 나타낸 순서도.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 C-BF에서의 단말의 동작을 나타낸 순서도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 C-BF에서의 기지국의 동작을 나타낸 순서도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단말의 구성도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 구성도.
도 9는 세 개의 C-BTS로부터의 하향 링크 채널을 추정할 수 있는
Figure 112008011287214-pat00133
개의 AT들이 존재하는 하나의 클러스터에서, NC-SDMA 기술과 C-SDMA 기술의 성능을 비교 분석한 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 C-SDMA/C-BF에서의 단말의 동작을 나타낸 순서도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 C-SDMA/C-BF에서의 기지국의 동작을 나타낸 순서도.

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  14. 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 수신하는 방법에 있어서,
    하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 하향링크 채널을 추정하는 과정과,
    상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보를 피드백하는 과정과,
    상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀로부터 상기 하향링크 데이터를 수신하는 과정을 포함하며,
    상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 하향링크 채널을 추정하는 과정은 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 참조 신호를 근거로 수행됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대한 프리코딩 행렬 및 CQI(Channel Quality Information)에 대한 정보 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대해 생성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 클러스터 스케줄러에 의해 구성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각 셀에 의해 클러스터 스케줄러로 전달됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  20. 제 14 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 데이터 스트림의 수에 관한 정보 및 프리코딩 행렬의 정보 중 하나를 포함함을 특징으로 하는 하향링크 데이터 수신 방법.
  21. 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 제공되는 접속 단말로 참조 신호를 전송하는 과정과,
    상기 접속 단말에 의해 추정된 하향 채널에 관련된 정보를 수신하는 과정과,
    상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 접속 단말로 상기 하향링크 데이터를 전송하는 과정과,
    상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 하향링크 채널을 추정하는 과정은 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 상기 참조 신호를 근거로 수행됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대한 프리코딩 행렬 및 CQI(Channel Quality Information)에 대한 정보 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대해 생성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 클러스터 스케줄러에 의해 구성됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각 셀에 의해 클러스터 스케줄러로 전달됨을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 데이터 스트림의 수에 관한 정보 및 프리코딩 행렬의 정보 중 하나를 포함함을 특징으로 하는 하향링크 데이터 전송 방법.
  28. 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 수신하는 접속 단말에 있어서,
    하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 하향링크 채널을 추정하는 하향링크 채널 추정기와,
    상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보를 피드백하는 피드백 전송기와,
    상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀로부터 상기 하향링크 데이터를 수신하는 수신기를 포함하며,
    상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 하는 접속 단말.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 하향링크 채널을 추정하는 과정은 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 참조 신호를 근거로 수행됨을 특징으로 하는 접속 단말.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대한 프리코딩 행렬 및 CQI(Channel Quality Information)에 대한 정보 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 접속 단말.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대해 생성됨을 특징으로 하는 접속 단말.
  32. 제 28 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 클러스터 스케줄러에 의해 구성됨을 특징으로 하는 접속 단말.
  33. 제 28 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각 셀에 의해 클러스터 스케줄러로 전달됨을 특징으로 하는 접속 단말.
  34. 제 28 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 데이터 스트림의 수에 관한 정보 및 프리코딩 행렬의 정보 중 하나를 포함함을 특징으로 하는 접속 단말.
  35. 통신 시스템에서 적어도 하나의 셀로부터 하향링크 데이터를 전송하는 기지국에 있어서,
    하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에서 제공되는 접속 단말에 의해 추정된 하향 채널에 관련된 정보를 수신하는 피드백 수신기와,
    상기 접속 단말로 참조 신호를 전송하고, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 전송 모드를 나타내는 정보를 근거로 상기 하향링크 데이터를 전송하는 전송기를 포함하고,
    상기 전송 모드를 나타내는 정보는 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 구성됨을 특징으로 하는 기지국.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 하향링크 채널을 추정하는 과정은 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀에 대한 셀 별로 상기 참조 신호를 근거로 수행됨을 특징으로 하는 기지국.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대한 프리코딩 행렬 및 CQI(Channel Quality Information)에 대한 정보 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 기지국.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각각에 대해 생성됨을 특징으로 하는 기지국.
  39. 제 35 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 클러스터 스케줄러에 의해 구성됨을 특징으로 하는 기지국.
  40. 제 35 항에 있어서, 상기 추정된 하향링크 채널에 관련된 정보는, 상기 하나의 클러스터에 속한 적어도 하나의 셀의 각 셀에 의해 클러스터 스케줄러로 전달됨을 특징으로 하는 기지국.
  41. 제 35 항에 있어서, 상기 전송 모드를 나타내는 정보는, 데이터 스트림의 수에 관한 정보 및 프리코딩 행렬의 정보 중 하나를 포함함을 특징으로 하는 기지국.
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