KR101527122B1 - 다중 입출력 무선통신 시스템에서 적응적 코드북 컬러링 장치 및 방법 - Google Patents

다중 입출력 무선통신 시스템에서 적응적 코드북 컬러링 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 수신단의 동작은, 송신단과의 채널의 상관 행렬을 산출하는 과정과, 롱텀(long-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 상기 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 나타내는 상기 롱텀 정보를 피드백하는 과정과, 상기 채널 및 상기 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하는 과정과, 숏텀(short-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 가중치 벡터의 선택 결과를 나타내는 상기 숏텀 정보를 피드백하는 과정을 포함하며, 안테나 간 상관도에 따른 영향을 고려하여 코드북을 컬러링하기 위해 필요한 정보로서 채널의 상관 행렬 정보를 상관 계수 및 위상으로 분해하여 구성함으로써, 적은 오버헤드만으로 안테나 간 상관도를 고려한 빔 성형을 수행할 수 있다.
다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output), 코드북(codebook), 롱텀 피드백(long-term feedback), 숏텀 피드백(short-term feedback), 상관 행렬(correlation matrix)

Description

다중 입출력 무선통신 시스템에서 적응적 코드북 컬러링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ADAPTIVE COLORING CODEBOOK IN A MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 적응적으로 코드북을 컬러링하기 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) 무선통신 시스템이 크게 주목되고 있다. 상기 다중 입출력 기술은 다수의 안테나를 통한 다수의 스트림을 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 파워가 고정되었을 경우, 평균 채널 용량은 단일 안테나에 비해 M배 증가하게 된다.
상기 다중 입출력 기술 중 공간 다중화(SM : Spatial Multiplexing) 방식은 하나의 송신단와 하나의 수신단 간에 다수의 공간적 부채널(spatial subchannel)들을 형성하고, 각 공간적 부채널을 통해 독립적으로 데이터를 전송함으로써 각 링크에서의 데이터 전송 용량을 증가시키는 방식이다. 상기 공간 다중화 방식에서, 송신단와 수신단 간 채널 행렬의 특이(singular) 벡터들에 의해 형성되는 공간적인 부 채널들에 워터 필링(water-filling) 기법에 의한 전력 할당을 수행함으로써 최대 전송 용량이 얻어진다. 또한, 공간분할 다중접속(SDMA : Space Division Multiple Access) 방식은 다수의 수신단들 각각에 동시에 공간적 부채널들을 형성하고, 각 공간적 부채널을 통해 데이터 스트림들을 전송함으로써 시스템의 전송 용량을 증가시키는 방식이다. 상기 공간분할 다중접속 방식에서, 송신단에서 각 수신단으로의 하향링크 채널의 최대 특이 벡터로 각 링크로의 공간적인 부 채널을 형성하고, 동시에 전송되는 수신단들의 공간적인 부채널들간의 간섭을 억제하도록 ZF(Zero-Forcing) 이나 MMSE(Minimum-Mean Square Error) 기법을 이용함으로써, 시스템 전송 용량이 증가 된다.
따라서, 상기 공간 다중화 방식 및 상기 공간분할 다중접속 방식의 성능은 송신단이 각 수신단의 하향링크 채널의 특이 벡터를 얼마나 정확히 알고 있느냐에 따라 좌우된다. 하지만, 순시적으로 변하는 하향링크 채널 행렬 정보를 송신단으로 피드백하기 위해서는 많은 상향 링크 피드백 정보량이 필요하기 때문에, 벡터 코드북(codebook)을 사용하는 방안들이 제안된 바 있다. 벡터 코드북은 각 하향링크 채널의 특이 벡터들을 나타내는 G개의 벡터들로 구성되어 있으며, 송신단와 수신단은 상기 벡터 코드북을 미리 알고 있어야 한다. 각 수신단은 추정된 하향링크 채널의 특이 벡터와 가장 유사한 벡터를 코드북에서 선택하고, 선택된 벡터의 인덱스를 송신단으로 전달한다. 따라서, log2G 만큼의 비트 수의 정보만이 피드백된다. 이에 따라, 송신단은 피드백된 인덱스가 지시하는 벡터를 해당 하향링크 채널의 특이 벡터로 여기고, 빔 성형(beamforming) 또는 공간분할 다중접속을 위한 신호처리를 수행한다.
상술한 바와 같이, 미리 약속된 코드북을 이용하여 피드백 정보량을 감소시킴으로써, 적은 양의 오버헤드(overhead)만으로 다중 입출력 기술의 성능 향상을 위한 신호 처리가 이루어진다. 하지만, 다수의 송신 안테나들 또는 다수의 수신 안테나들을 사용하는 경우, 안테나들 간 상관(correlation)이 존재한다. 그리고, 상기 안테나들 간 상관은 안테나들의 배열 형태 및 채널 환경 등에 따라 변화한다. 이 경우, 미리 약속된 정형화된 코드북은 수신단의 하향링크 채널의 특이 벡터를 정확히 나타낼 수 없다. 따라서, 안테나들의 배열 형태 및 채널 환경 등에 따라 적응적으로 코드북을 최적화하기 위한 대안이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 안테나들의 배열 형태 및 채널 환경에 따라 적응적으로 코드북을 최적화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 코드북을 컬러링(coloring)하기 위한 채널의 상관 행렬 정보를 피드백하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 채널의 상관 행렬 정보의 양을 최소화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 채널의 상관 행렬의 원소를 구성하는 상관 계수들 및 위상을 이용하여 상기 상관 행렬을 표현하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 입출력 무선통신 시스템에서 채널의 상관 행렬의 원소를 구성하는 상관 계수들의 분포를 나타내는 이차 함수를 이용하여 상기 상관 행렬 정보를 피드백하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 수신단의 동작 방 법은, 송신단과의 채널의 상관 행렬을 산출하는 과정과, 롱텀(long-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 상기 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 나타내는 상기 롱텀 정보를 피드백하는 과정과, 상기 채널 및 상기 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하는 과정과, 숏텀(short-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 가중치 벡터의 선택 결과를 나타내는 상기 숏텀 정보를 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 동작 방법은, 수신단으로부터 피드백된 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 나타내는 롱텀 정보를 확인하는 과정과, 상기 적어도 하나의 상관 계수 및 상기 위상을 이용하여 상기 상관 행렬을 복원하는 과정과, 상기 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북을 컬러링하는 과정과, 컬러링된 벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 수신단으로부터 피드백된 숏텀 정보에 따라 상기 수신단으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위한 가중치 벡터를 확인하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단 장치는 송신단과의 채널의 상관 행렬을 산출하는 산출기와, 롱텀 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 상기 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 나타내는 상기 롱텀 정보를 출력하는 제1생성기와, 상기 채널 및 상기 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하는 선택기와, 숏텀 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 가중치 벡터의 선택 결과를 나타내는 상기 숏텀 정보를 출력하는 제2생성기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4견지에 따르면, 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단 장치는, 수신단으로부터 피드백된 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 나타내는 롱텀 정보를 확인하는 해석기와, 상기 적어도 하나의 상관 계수 및 상기 위상을 이용하여 상기 상관 행렬을 복원하는 복원기와, 상기 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북을 컬러링하는 변형기와, 컬러링된 벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 수신단으로부터 피드백된 숏텀 정보에 따라 상기 수신단으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위한 가중치 벡터를 확인하는 선택기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 안테나 간 상관도에 따른 영향을 고려하여 코드북을 컬러링하기 위해 필요한 정보인 채널의 상관 행렬 정보를 상관 계수 및 위상으로 분해하고, 상기 상관 계수 및 위상 코드북 인덱스를 롱텀으로 피드백함으로써, 적은 오버헤드만으로 안테나 간 상관도를 고려한 빔 성형을 수행할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구 체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 환경 변화에 따라 코드북(codebook)을 최적화하기 위한 기술에 대해 설명한다. 이하 본 발명은 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함)/직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭함) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명하며, 다른 방식의 무선통신 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
일반적인 코드북은 채널의 특이(singular) 벡터가 공간 상에서 균일하게(uniform) 분포하는 것으로 가정한다. 예를 들면, 그래스매니안(Grassmannian) 코드북과 같은 RVQ(Random Vector Quantization) 코드북이 이에 해당한다. 균일 분포를 갖는 벡터들로 구성된 코드북은 공간 상관도가 존재하지 않는 환경에서 최적의 성능을 보인다. 하지만. 공간 상관도가 존재하는 경우, 실제 채널의 특이 벡터는 특정 범위의 공간에서만 나타나게 될 수 있다. 이 경우, 상기 균일한 분포를 갖는 벡터들로 구성된 코드북을 이용하면, 성능이 저하된다. 따라서, 상기 공간 상관도를 반영하여 코드북을 구성하는 벡터들이 상기 특정 범위 내로 집중되도록 변형함으로써, 해당 채널에 적합한 코드북이 구성될 수 있으며, 이를 컬러링(coloring) 이라 한다. 상기 컬러링은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다
Figure 112008063331862-pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00002
은 수신단k의 채널 특성에 따라 컬러링된 코드북의 m번째 가중치 벡터, 상기
Figure 112008063331862-pat00003
는 수신단k의 상관 행렬, 상기
Figure 112008063331862-pat00004
은 코드북의 m번째 가중치 벡터, 상기
Figure 112008063331862-pat00005
는 코드북에 포함된 가중치 벡터의 개수를 의미한다.
상기 <수학식 1>에서 상관 행렬
Figure 112008063331862-pat00006
은 하기 <수학식 2>와 같이 산출된다.
Figure 112008063331862-pat00007
상기 <수학시 2>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00008
는 수신단k의 상관 행렬, 상기
Figure 112008063331862-pat00009
는 수신단k의 채널 행렬을 의미한다.
상기 <수학식 1>과 같은 컬러링을 통해, 채널의 상관 특성에 적합한 컬러링된 코드북이 생성된다. 즉, 다수의 수신단들이 존재하는 경우, 각 수신단에 최적화된 다수의 코드북들이 생성된다.
상기 컬러링된 코드북을 사용하기 위한 송신단 및 수신단의 동작을 간략히 설명하면 다음과 같다.
상기 수신단은 하향링크 채널을 추정하고, 상기 <수학식 2>와 같이 상관 행렬을 산출한다. 그리고, 상기 수신단은 상기 상관 행렬 정보를 상기 송신단으로 피드백한다. 상기 상관 행렬 정보를 수신한 상기 송신단은 하향링크 채널의 상관 행렬을 확인하고, 상기 상관 행렬을 이용하여 코드북을 컬러링한다. 그리고, 상기 송신단은 컬러링된 벡터를 이용하여 빔 성형된 신호들을 송신한다.
여기서, 상기 상관 행렬은 평균화된 채널을 이용하여 산출되므로, 상기 상관 행렬 정보는 벡터 코드북 인덱스에 비하여 긴 간격(long term)으로 피드백되는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 상관 행렬 정보는 상기 인덱스에 비하여 매우 큰 양의 정보이므로, 긴 간격으로 피드백되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 벡터 코드북 인덱스는 매 프레임 피드백되고, 상기 상관 행렬 정보는 수백 프레임 간격으로 피드백될 수 있다. 또는, 상기 상관 행렬 정보는 상기 상관 행렬의 큰 변화가 존재하는 경우에만 피드백될 수 있다.
상기 상관 행렬 정보를 피드백하는데 있어서, 상기 상관 행렬의 모든 원소들의 값들을 직접적으로 피드백하는 것은 매우 큰 오버헤드(overhead)로 작용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상관 행렬 정보의 피드백 량이 최소가 되도록 상기 상관 행렬 정보를 구성하는 방안을 제안한다.
이하 본 발명은 4개의 송신 안테나들을 사용하는 시스템을 가정하고, 두 가지 구체적인 안테나 구조들을 예로 들어 상기 상관 행렬 정보를 구성하는 방안을 설명한다. 다시 말해, 이하 본 발명은 도 1a와 같은 SLA(Split Linear Arrary) 안 테나 구조 및 도 1b와 같은 ULA(Uniform Linear Arrary) 안테나 구조를 예로 들어 설명한다.
먼저, 상기 SLA 안테나 구조의 경우를 설명하면 다음과 같다.
상기 SLA 안테나 구조는 다수의 안테나들이 이(異) 간격으로 배치된 구조로서, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 도 1a에 도시된 바와 같이, 4개의 송신 안테나들 중 2개의 쌍(pair)을 이루고, 각 안테나 쌍들이 각 쌍 내의 2개의 안테나들 간의 거리에 비해 멀리 위치하여 각 안테나들이 서로 다른 간격으로 배치된 경우를 고려한다.
송신 안테나들 간 간격이 좁을수록 하향링크 공간분할 다중접속 시스템의 용량이 증가하지만, 수신 안테나들 간 간격은 넓을수록 상향링크 다이버시티(diversity) 이득이 증가한다. 일반적으로, 기지국의 안테나 설치 공간 제약으로 인해, 송수신 겸용 안테나들이 사용되며, 상술한 두 가지 대치되는 조건들을 동시에 만족시키기 위해서는 상기 도 1a와 같은 SLA 안테나 구조가 사용될 수 있다. 상기 도 1a에서, dT는 0.5λ, 즉, 반파장의 길이로 설정되는 것이 바람직하다. 이 경우, 수신단의 하향링크 채널의 상관 행렬은 하기 <수학식 3>과 같이 근사화될 수 있다.
Figure 112008063331862-pat00010
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00011
는 수신단k의 상관 행렬, 상기
Figure 112008063331862-pat00012
는 수신단k의 상관 행렬의 상관 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00013
는 수신단k의 상관 행렬의 위상을 의미한다.
상기 <수학식 3>의 상관 행렬을 살펴보면, (1,3), (1,4), (2,3), (2,4), (3,1), (3,2), (4,1), (4,2) 위치의 원소들은 0이고, (1,2), (2,1) (3,4), (4,3) 위치의 원소는 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00014
및 위상
Figure 112008063331862-pat00015
로 표현된다. 이는 인접한 안테나인 안테나 1과 안테나 2간, 그리고 안테나 3과 안테나 4간에만 상관도가 존재하고, 인접하지 않은 안테나인 안테나1과 안테나3, 안테나 1과 안테나 4, 안테나 2와 안테나 3, 안테나 2와 안테나 4 간의 상관도가 존재하지 않음을 의미한다. 따라서, 수신단은 상기 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00016
및 상기 위상
Figure 112008063331862-pat00017
만을 피드백함으로써, 송신단으로 상관 행렬을 알릴 수 있다.
인접하는 2개의 안테나들의 간격이 좁은 경우, 상기 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00018
는 각 확산(angular spread)가 크더라도 약 0.97 정도의 큰 값을 갖기 때문에, 수신단은 각 링크에서 상기 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00019
를 피드백하지 않아도 된다. 그리고, 상기 위상
Figure 112008063331862-pat00020
는 0 내지 2π의 범위에서 균일한 분포를 가진다. 따라서, 수신단 및 송신단은 0 내지 2π의 범위의 값들을 균일하게 양자화한 2N개의 값들로 구성된 위상 코드북을 정의하고, 수신단은 상기 위상 코드북 내의 위상 값들을 나타내는 N비트의 인덱스를 이용하여 상기 위상
Figure 112008063331862-pat00021
를 알린다.
정리하면, 상기 SLA 안테나 구조의 경우, 수신단은 상관 행렬을 구성하는 위상
Figure 112008063331862-pat00022
를 N 비트의 롱텀(long-term) 정보로서 피드백하고, 송신단은 피드백된 위상
Figure 112008063331862-pat00023
를 이용하여 상관 행렬을 구성한 후, 코드북을 컬러링할 수 있다.
다음으로, 상기 ULA 안테나 구조의 경우를 설명하면 다음과 같다.
상기 ULA 안테나 구조는 복수의 안테나들이 등 간격으로 배치된 구조로서, 본 발명의 일 실시예에서는 도 1b에 도시된 바와 같이 4개의 송신 안테나들은 균일한 간격으로 배치된 경우를 고려한다.
상향링크 CSM(Cooperative Spatial Multiplexing)과 같은 상향링크 빔 성형에 기반한 공간분할 다중접속 기술을 사용하는 경우, 송수신 배열 안테나의 안테나 간격이 좁을수록 성능이 우수하다. 따라서, 상기 도 1b와 같은 ULA 안테나 구조가 사용된다. 예를 들어, 0.5λ의 균일한 간격을 가지는 ULA 안테나 구조를 사용하는 경우, 수신단의 하향링크 채널의 상관 행렬은 하기 <수학식 4>과 같이 표현된다.
Figure 112008063331862-pat00024
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00025
는 수신단k의 상관 행렬, 상기
Figure 112008063331862-pat00026
는 m의 안테나 인덱스 차이를 갖는 두 송신 안테나들에 대한 수신단k의 상관 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00027
는 수신단k의 상관 행렬의 위상을 의미한다.
상기 <수학식 4>의 상관 행렬을 살펴보면, 각 안테나들은 다른 모든 안테나들과 상관관계를 갖는다. 따라서, 수신단은 상관 행렬 정보로서 상기 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00028
,
Figure 112008063331862-pat00029
,
Figure 112008063331862-pat00030
및 위상
Figure 112008063331862-pat00031
를 송신단으로 피드백해야 한다.
상기 위상
Figure 112008063331862-pat00032
는 0 내지 2π의 범위에서 균일한 분포를 가진다. 따라서, 수신단 및 송신단은 0 내지 2π의 범위의 값들을 균일하게 양자화한 2N개의 값들로 구성된 위상 코드북을 정의하고, 수신단은 상기 위상 코드북 내의 위상 값들을 나타내는 N비트의 인덱스를 이용하여 상기 위상
Figure 112008063331862-pat00033
를 알린다.
한편, 상기 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00034
,
Figure 112008063331862-pat00035
및
Figure 112008063331862-pat00036
는 각 행 또는 각 열에서 순환적으로 반복되므로, 일부의 행 또는 열의 상관 계수들의 크기만이 근사되어 피드백된 다. 상관 행렬의 첫 번째 행 또는 첫 번째 열의 근사화된 상관 계수들은 1,
Figure 112008063331862-pat00037
,
Figure 112008063331862-pat00038
및
Figure 112008063331862-pat00039
이다. 상기 상관 계수들 간 위치 차이는 안테나들 간 간격에 비례하므로, 상기 상관 계수들은 1에서 시작하여 점차 감소되는 경향을 보인다. 따라서, 상기 상관 계수들은 하기 <수학식 5>와 같은 2차 함수로 모델링될 수 있다.
Figure 112008063331862-pat00040
상기 <수학식 5>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00041
은 수신단k의 상관 행렬의 근사화된 m번째 상관 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00042
는 근사화된 이차항 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00043
은 안테나 인덱스를 의미한다.
상기 <수학식 5>의 2차 함수를 살펴보면, 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00044
만이 결정되면, 송신단은 모든 상관 계수들을 결정할 수 있다. 따라서, 수신단 및 송신단은 2S개의
Figure 112008063331862-pat00045
후보들을 정의하고, 수신단은 상관 행렬로부터 얻어진 상관 계수들 및 상기 2차 함수로부터 계산되는 상관 계수들 간 오차가 가장 적도록 상기 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00046
후보들 중 하나를 선택하여 송신단으로 피드백한다. 이때, 상기 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00047
는 S비트의 피드백 정보로 전송될 수 있다.
예를 들어, 상기 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00048
의 후보들을 0.0111 내지 0.0426 내의 균일 한 8개의 값들로 설정한 경우. 상기 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00049
의 변화에 따라 상기 <수학식 5>로부터 산출되는 상관 계수들의 변화는 도 2에 도시된 바와 같다. 상기 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00050
의 선택은 하기 <수학식 6>과 같이 수행된다.
Figure 112008063331862-pat00051
상기 <수학식 6>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00052
는 근사화된 이차항 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00053
는 이차항 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00054
는 송신 안테나 개수, 상기
Figure 112008063331862-pat00055
은 오차 함수, 상기
Figure 112008063331862-pat00056
는 수신단k의 상관 행렬의 m번째 상관 계수, 상기
Figure 112008063331862-pat00057
은 수신단k의 상관 행렬의 근사화된 m번째 상관 계수를 의미한다.
상기 <수학식 6>에서, 상기 오차 함수의 구체적인 형태는 다양한 방식으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 오차 함수는 하기 <수학식 7>과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112008063331862-pat00058
상기 <수학식 7>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00059
은 오차 함수를 의미한다.
정리하면, 상기 ULA 안테나 구조의 경우, 수신단은 상관 행렬을 구성하는 위 상
Figure 112008063331862-pat00060
및 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00061
각각을 N 비트와 S 비트의 롱텀 정보로서 피드백하고, 송신단은 피드백된 위상
Figure 112008063331862-pat00062
를 이용하여 상관 행렬을 구성한 후, 코드북을 컬러링한다.
송신단은 빔 성형 및 공간분할 다중접속 시스템을 운용하는 채널 환경 및 무선 네트웍의 운용 목표에 따라 송신 배열 안테나 구조를 상기 SLA 또는 상기 ULA 중에 하나로 선택한다. 송신단이 상기 SLA 안테나 구조를 사용하는 경우, 수신단은 N 비트의 롱텀 정보만을 송신단으로 피드백하고, 송신단이 ULA 안테나 구조를 사용하는 경우, 수신단은 N 비트 및 S 비트의 롱텀 정보를 송신단으로 피드백한다. 즉, 송신단이 사용하는 송신 안테나의 배열 형태에 따라 피드백해야 하는 정보의 종류와 양이 달라질 수 있다.
이를 위해, 송신단 및 수신단 간 송신단의 송신 배열 안테나 배열 형태에 따라 피드백해야 할 정보의 형태 및 양을 협의하는 절차가 필요하다. 상기 절차는 수신단이 다른 송신단의 셀로 이동하는 핸드오프 시에서도 요구된다. 따라서, 빈번한 핸드오프가 발생하는 도심지 환경에서 상기 절차로 인한 성능 및 용량 저하가 유발될 수 있으므로, 본 발명에 따른 송신단 및 수신단은 상술한 바와 같은 절차의 수행 없이 사용 가능한 피드백 방식에 따른다.
상관행렬의 위상
Figure 112008063331862-pat00063
에 대한 롱텀 피드백은 SLA 및 ULA에 공통적으로 요구되므로, 수신단은 상술한 바와 같이 N 비트의 롱텀 정보를 이용하여 피드백한다. 즉, 수신단은 0 내지 2π의 범위에서 균일하게 양자화된 2N개의 값들로 구성된 위상 코드북 내에서 위상
Figure 112008063331862-pat00064
와 가장 비슷한 값
Figure 112008063331862-pat00065
를 선택하고, 선택된
Figure 112008063331862-pat00066
을 나타내는 N 비트의 인덱스를 롱텀 정보로서 피드백한다.
반면, 송신 배열 안테나의 구조에 따라 상관 행렬의 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00067
를 나타내는 정보의 형태 및 양은 달라진다. 따라서, 본 발명은 송신단의 모든 안테나 구조들에 대한 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00068
를 나타내는 정보들을 하나의 통합 계수 코드북으로 구성한다. 예를 들어, 상기 SLA 안테나 구조 및 ULA 안테나 구조에 대한 통합 계수 코드북은 하기 <표 1>과 같이 나타낼 수 있다.
인덱스 이차항 계수(
Figure 112008063331862-pat00069
)		 ρk,1 ρk,2 ρk,3
1 0 0.97 0 0
2 0.0111 0.97 0.9 0.85
·
·
·		 ·
·
·		 ·
·
·		 ·
·
·		 ·
·
·
2S-1 0.0336 0.95 0.85 0.65
2S 0.0381 0.94 0.83 0.55
상기 <표 1>과 같은 통합 계수 코드북에서, 인덱스 1의 행은 SLA 안테나 구조를 위한 코드워드(codeword)이며, 인덱스 2 내지 인덱스 2S의 행들은 ULA 안테나 구조를 위한 코드워드들이다.
상기 <표 1>의 상기 통합 계수 코드북은 일 예로서, 피드백에 사용되는 인덱스, 이차항 계수 값, 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00070
의 값을 포함하지만, 피드백에 사용되는 인덱스 및 이차항 계수 값만을 포함하는 통합 계수 코드북도 가능하다.
또한, 피드백에 사용되는 인덱스 및 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00071
의 값만을 포함하는 통합 계수 코드북도 사용될 수 있다. 이 경우, 수신단은 2S개의 코드워드들이 나타내는 근사화된 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00072
및 추정된 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00073
간 오차가 최소화되도록 하나의 코드워드를 선택한 후, 선택된 코드워드의 인덱스를 롱텀 정보로서 피드백한다. 또는, 인덱스 및 이차항 계수 값만으로 구성된 통합 계수 코드북이 사용되는 경우, 수신단은 상관 행렬로부터 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00074
를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00075
를 산출하고, 이차항 계수
Figure 112008063331862-pat00076
와 가장 유사한
Figure 112008063331862-pat00077
를 선택한 후, 선택된
Figure 112008063331862-pat00078
의 인덱스를 롱텀 정보로서 피드백한다. 인덱스, 이차항 계수 값 및 상관 계수를 모두 포함하는 통합 계수 코드북이 사용되는 경우, 수신단은 상술한 방식들 중 하나에 따라 인덱스 선택한 후, 선택된 인덱스를 롱텀 정보로서 피드백한다.
이하 본 발명은 상술한 바와 같이 통신을 수행하는 수신단 및 송신단의 동작 절차 및 구성을 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 동작 절차를 도시하고 있다. 상기 도 3a 및 상기 도 3b 각각은 하나의 프레임 구간 동안의 수신단의 동작 절차를 도시하고 있다. 상기 도 3a는 산출된 상관 행렬을 직접 사용하여 벡터 코드북 인덱스를 선택하는 경우의 실시예를, 상기 도 3b는 양자화된 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북 인덱스를 선택하는 경우의 실시예를 도시하고 있다.
먼저, 상기 도 3a를 참고하면, 상기 수신단은 301단계에서 하향링크 채널을 추정한다. 즉, 상기 수신단은 송신단으로부터 수신되는 파일럿 신호들을 이용하여 하향링크 채널을 추정한다. 이때, 상기 하향링크 채널은 {송신단의 송신 안테나 개수}×{수신단의 수신 안테나 개수} 크기의 행렬이다.
상기 하향링크 채널을 추정한 후, 상기 수신단은 303단계로 진행하여 상기 채널의 상관 행렬을 산출한다. 상기 상관 행렬은 송신단의 송신 안테나들 간 상관도를 나타내는 행렬로서, 평균화된 채널을 이용하여 산출된다. 여기서, 상기 평균화된 채널이란 시간축에서 평균화된 채널, 주파수축에서 평균화된 채널, 및, 시간축 및 주파수축에서 모두 평균화된 채널 중 하나이다. 예를 들어, 상기 수신단은 상기 <수학식 2>와 같이 상기 상관 행렬을 산출한다.
상기 상관 행렬을 산출한 후, 상기 수신단은 305단계로 진행하여 롱텀 정보를 피드백할 시점인지 판단한다. 상기 롱텀 정보는 상기 상관 행렬을 의미하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신되거나 또는 상관 행렬의 변화량이 클 때 송신된다. 만일, 상기 롱텀 정보가 주기적으로 송신되는 경우, 상기 롱텀 정보의 송신 간격은 상기 숏텀 정보의 송신 간격보다 길며, 예를 들어, 수백 프레임을 주기로 송신된다.
상기 롱텀 정보를 피드백할 시점이면, 상기 수신단은 307단계로 진행하여 상기 상관 행렬의 상관 계수 및 위상을 추출한다. 여기서, 상기 상관 계수는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 다시 말해, 상기 수신단은 상기 상관 행렬의 원소들을 구성하는 최소의 요소들을 추출한다. 예를 들어, 송신단이 상기 도 1a와 같은 SLA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 수신단은 하나의 상관 계수 및 하나의 위상을 추출한다. 반면, 송신단이 상기 도 1b와 같은 ULA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 수신단은 3개의 상관 계수들 및 하나의 위상을 추출한다.
상기 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 추출한 후, 상기 수신단은 309단계로 진행하여 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 수신단은 상기 통합 계수 코드북 내의 상관 계수 코드워드들 중 추출된 상관 계수와 대응되는 이차항 계수 인덱스를 선택하고, 상기 위상 코드북 내의 위상 값들 중 추출된 위상과 가장 유사한 위상 값의 위상 인덱스를 선택한다. 이때, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 경우, 상기 수신단은 코드워드들이 나타내는 근사화된 상관 계수 및 추정된 상관 계수 간 오차가 최소화되도록 하나의 코드워드를 검색한 후, 선택된 코드워드의 인덱스를 선택한다. 또는, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 경우, 상기 수신단은 상관 행렬에서 추출된 상관 계수를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 산출하고, 상기 통합 계수 코드북에서 상기 이차항 계수와 가장 유사한 값의 인덱스를 선택한다.
이어, 상기 수신단은 311단계로 진행하여 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 피드백한다. 즉, 상기 수신단은 롱텀 정보를 피드백한다. 이때, 상기 롱텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지(Media Access Control management message)의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 수신단은 롱텀 정보의 내용에 대응되는 물리 신호를 생성하고, 상기 물리 신호를 상기 피드백 채널을 통해 송신한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 롱텀 정보의 내용을 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한 후, 상기 MAC 관리 메시지를 송신한다.
이어, 상기 수신단은 313단계로 진행하여 숏텀 정보를 피드백할 시점인지 판단한다. 상기 숏텀 정보는 상기 벡터 코드북 인덱스를 의미하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신된다. 예를 들어, 상기 숏텀 정보는 하나의 프레임을 주기로 송신될 수 있다.
상기 숏텀 정보를 피드백할 시점이면, 상기 수신단은 315단계로 진행하여 벡터 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 수신단은 벡터 코드북에 포함된 가중치 벡터들 중 자신으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위해 사용될 가중치 벡터의 인덱스를 선택한다. 상세히 설명하면, 상기 수신단은 상기 301단계에서 추정된 채널을 하기 <수학식 8>과 같이 상기 상관 행렬의 제곱근의 역수 및 상기 채널의 곱을 산출한 후, 상기 곱의 결과와 가장 유사한 가중치 벡터를 선택한다.
Figure 112008063331862-pat00079
상기 <수학식 8>에서, 상기
Figure 112008063331862-pat00080
는 하향링크 채널, 상기
Figure 112008063331862-pat00081
는 상관 행렬을 의미한다.
상기 벡터 코드북 인덱스를 선택한 후, 상기 수신단은 317단계로 진행하여 상기 벡터 코드북 인덱스를 피드백한다. 이때, 상기 벡터 코드북 인덱스는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 벡터 코드북 인덱스에 대응되는 물리 신호를 생성하고, 상기 물리 신호를 상기 피드백 채널을 통해 송신한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 벡터 코드북 인덱스를 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한 후, 상기 MAC 관리 메시지를 송신한다.
다음으로, 상기 도 3b를 참고하면, 상기 수신단은 351단계에서 하향링크 채널을 추정한다. 즉, 상기 수신단은 송신단으로부터 수신되는 파일럿 신호들을 이용하여 하향링크 채널을 추정한다. 이때, 상기 하향링크 채널은 {송신단의 송신 안테나 개수}×{수신단의 수신 안테나 개수} 크기의 행렬이다.
상기 하향링크 채널을 추정한 후, 상기 수신단은 353단계로 진행하여 상기 채널의 상관 행렬을 산출하고, 이전에 산출되었던 상관 행렬을 업데이트한다. 즉, 상기 상관 행렬은 롱텀 정보의 피드백 간격 동안 지속적으로 평균화되므로, 상기 수신단은 매번 채널 추정시마다 상관 행렬을 산출하고, 새로이 산출된 상관 행렬을 이용하여 이전 산출된 상관 행렬을 업데이트한다.
상기 상관 행렬을 산출한 후, 상기 수신단은 355단계로 진행하여 롱텀 정보를 피드백할 시점인지 판단한다. 상기 롱텀 정보는 상기 상관 행렬을 의미하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신되거나 또는 상관 행렬의 변화량이 클 때 송신된다. 만일, 상기 롱텀 정보가 주기적으로 송신되는 경우, 상기 롱텀 정보의 송신 간격은 상기 숏텀 정보의 송신 간격보다 길며, 예를 들어, 수백 프레임을 주기로 송신된다.
상기 롱텀 정보를 피드백할 시점이면, 상기 수신단은 357단계로 진행하여 상기 상관 행렬의 상관 계수 및 위상을 추출한다. 여기서, 상기 상관 계수는 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 다시 말해, 상기 수신단은 상기 상관 행렬의 원소들을 구성하는 최소의 요소들을 추출한다. 예를 들어, 송신단이 상기 도 1a와 같은 SLA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 수신단은 하나의 상관 계수 및 하나의 위상을 추출한다. 반면, 송신단이 상기 도 1b와 같은 ULA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 수신단은 3개의 상관 계수들 및 하나의 위상을 추출한다.
상기 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 추출한 후, 상기 수신단은 359단계로 진행하여 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 수신단은 상기 통합 계수 코드북 내의 상관 계수 코드워드들 중 추출된 상관 계수와 대응되는 이차항 계수 인덱스를 선택하고, 상기 위상 코드북 내의 위상 값 들 중 추출된 위상과 가장 유사한 위상 값의 위상 인덱스를 선택한다. 이때, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 경우, 상기 수신단은 코드워드들이 나타내는 근사화된 상관 계수 및 추정된 상관 계수 간 오차가 최소화되도록 하나의 코드워드를 검색한 후, 선택된 코드워드의 인덱스를 선택한다. 또는, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 경우, 상기 수신단은 상관 행렬에서 추출된 상관 계수를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 산출하고, 상기 통합 계수 코드북에서 상기 이차항 계수와 가장 유사한 값의 인덱스를 선택한다.
이어, 상기 수신단은 361단계로 진행하여 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 피드백한다. 즉, 상기 수신단은 롱텀 정보를 피드백한다. 이때, 상기 롱텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 수신단은 롱텀 정보의 내용에 대응되는 물리 신호를 생성하고, 상기 물리 신호를 상기 피드백 채널을 통해 송신한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 롱텀 정보의 내용을 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한 후, 상기 MAC 관리 메시지를 송신한다.
상기 롱텀 정보를 피드백한 후, 상기 수신단은 363단계로 진행하여 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 양자화된 상관 행렬을 생성한 후, 상기 양자화된 상관 행렬을 업데이트한다. 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스가 정확한 상관 계수 및 정확인 위상을 나타낼 수 없기 때 문에, 송신단에서 상기 롱텀 정보를 이용하여 복원되는 상관 행렬은 상기 353단계에서 산출 및 업데이트된 상관 행렬과 동일하지 않다. 따라서, 상기 수신단의 가중치 벡터 선택 시 상기 송신단에서 복원되는 상관 행렬과 동일한 상관 행렬을 이용하기 위해, 상기 수신단은 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 양자화된 상관 행렬을 생성한다. 그리고, 상기 수신단은 새로이 생성된 양자화된 상관 행렬을 이용하여 이전에 생성된 양자화된 상관 행렬을 업데이트한다. 이로 인해, 다음 롱텀 정보 피드백 시점까지, 상기 수신단은 상기 양자화된 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하게 된다.ㅇ
이어, 상기 수신단은 365단계로 진행하여 숏텀 정보를 피드백할 시점인지 판단한다. 상기 숏텀 정보는 상기 벡터 코드북 인덱스를 의미하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신된다. 예를 들어, 상기 숏텀 정보는 하나의 프레임을 주기로 송신될 수 있다.
상기 숏텀 정보를 피드백할 시점이면, 상기 수신단은 367단계로 진행하여 벡터 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 수신단은 벡터 코드북에 포함된 가중치 벡터들 중 자신으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위해 사용될 가중치 벡터의 인덱스를 선택한다. 이때, 상기 수신단은 상기 351단계에서 추정된 채널 및 상기 363단계에서 생성된 양자화된 상관 행렬을 이용한다. 상세히 설명하면, 상기 수신단은 상기 351단계에서 추정된 채널을 상기 양자화된 상관 행렬의 제곱근의 역수 및 상기 채널의 곱을 산출한 후, 상기 곱의 결과와 가장 유사한 가중치 벡터를 선택한다.
상기 벡터 코드북 인덱스를 선택한 후, 상기 수신단은 369단계로 진행하여 상기 벡터 코드북 인덱스를 피드백한다. 이때, 상기 벡터 코드북 인덱스는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 벡터 코드북 인덱스에 대응되는 물리 신호를 생성하고, 상기 물리 신호를 상기 피드백 채널을 통해 송신한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 수신단은 상기 벡터 코드북 인덱스를 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한 후, 상기 MAC 관리 메시지를 송신한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 동작 절차를 도시하고 있다. 상기 도 4는 하나의 프레임 구간 동안의 송신단의 동작 절차를 도시하고 있다. 또한, 상기 도 4는 하나의 수신단에 대한 동작 절차만을 도시하고 있으며, 다수의 수신단들과 동시에 통신을 수행하는 경우, 상기 도 4에 도시된 절차가 상기 다수의 수신단들의 개수만큼 독립적으로 수행된다.
상기 도 4를 참고하면, 상기 송신단은 401단계에서 수신단으로부터 롱텀 정보가 수신되는지 확인한다. 상기 롱텀 정보는 상기 수신단의 상관 행렬을 나타내는 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 포함하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신되거나 또는 상기 수신단의 판단에 의해 송신된다. 예를 들어, 상기 롱텀 정보는 수백 프레임을 주기로 송신된다. 이때, 상기 롱텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 수신되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태 로 수신된다.
상기 롱텀 정보가 수신되면, 상기 송신단은 403단계로 진행하여 상기 롱텀 정보, 즉, 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 상기 수신단의 상관 행렬을 복원한다. 상세히 설명하면, 상기 송신단은 상기 계수 코드북 인덱스를 통해 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하고, 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 위상 값을 결정한다. 그리고, 상기 송신단은 상기 적어도 하나의 상관 계수 값 및 상기 위상 값을 조합함으로써 상기 상관 행렬의 원소들을 복원하고, 상기 원소들을 상기 상관 행렬의 형태에 따라 배치함으로써 상기 상관 행렬을 복원한다. 이때, 상기 상관 행렬의 형태는 송신단의 송신 배열 안테나 구조에 따라 달라진다. 예를 들어, SLA 안테나 구조의 경우, 상기 상관 행렬은 상기 <수학식 3>과 같은 형태를 가지고, ULA 안테나 구조의 경우, 상기 상관 행렬은 상기 <수학식 4>와 같은 형태를 가진다. 여기서, 상기 적어도 하나의 상관 계수 값의 확인 과정은 상기 송신단이 가진 통합 계수 코드북의 형태에 따라 달라진다. 예를 들어, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 경우, 상기 송신단은 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 코드워드에 포함된 상관 계수 값들을 확인한다. 반면, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 경우, 상기 송신단은 상기 계수 코드북 인덱스가 지시하는 값을 확인하고, 상기 값을 이차 함수에 대입한 후, 상기 이차 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 산출한다.
상기 상관 행렬을 복원한 후, 상기 송신단은 405단계로 진행하여 벡터 코드 북을 컬러링한다. 다시 말해, 상기 송신단은 균일 분포를 갖는 벡터들로 구성된 벡터 코드북을 상기 수신단에 적합하도록 변형한다. 즉, 상기 송신단은 상기 상관 행렬의 제곱근과 상기 벡터 코드북의 각 벡터를 곱함으로써, 컬러링된 벡터 코드북을 생성한다. 예를 들어, 상기 컬러링은 상기 <수학식 1>과 같이 수행된다.
이후, 상기 송신단은 407단계로 진행하여 숏텀 정보가 수신되는지 확인한다. 상기 숏텀 정보는 상기 수신단의 벡터 코드북 인덱스를 포함하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 수신된다. 예를 들어, 상기 숏텀 정보는 하나의 프레임을 주기로 송신된다. 이때, 상기 숏텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 수신되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 수신된다.
상기 숏텀 정보가 수신되면, 상기 송신단은 409단계로 진행하여 상기 컬러링된 벡터 코드북에 포함된 벡터들 중 상기 숏텀 정보, 즉, 상기 벡터 코드북 인덱스에 대응되는 벡터를 확인한다. 다시 말해, 상기 송신단은 상기 수신단으로 송신되는 신호의 빔 성형을 위한 가중치 벡터를 확인한다.
상기 빔 서형 벡터를 확인한 후, 상기 송신단은 411단계로 진행하여 확인된 가중치 벡터를 이용하여 상기 수신단으로 송신되는 신호를 처리한 후, 다수의 송신 안테나들을 통해 송신한다. 다시 말해, 상기 송신단은 상기 수신단으로 송신되는 신호에 상기 가중치 벡터를 곱함으로써 빔 성형한 후, 빔 성형된 신호열의 각 원소를 대응되는 송신 안테나를 통해 송신한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에 서 수신단의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 수신단은 RF(Radio Frequency)수신기(502), OFDM복조기(504), 부반송파디매핑기(506), 신호검출기(508), 채널추정기(510), 상관행렬산출기(512), 벡터선택기(514), 롱텀정보생성기(516), 숏텀정보생성기(518), 피드백제어기(520), 부반송파매핑기(522), OFDM변조기(524), RF송신기(526)를 포함하여 구성된다.
상기 RF수신기(502)는 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 변환한다. 상기 OFDM복조기(504)는 상기 기저대역 신호를 OFDM 심벌 단위로 구분하고, CP(Cyclic Prefix)를 제거한 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 주파수 영역의 신호들을 복원한다. 상기 부반송파디매핑기(506)는 상기 주파수 영역의 신호들을 데이터 신호들 및 파일럿 신호들로 구분하고, 상기 데이터 신호들을 상기 신호신호검출기(508)로 제공하고, 상기 파일럿 신호들을 상기 채널추정기(510)로 제공한다. 상기 신호검출기(510)는 상기 데이터 신호들로부터 송신 신호를 검출한다. 상기 채널추정기(510)는 상기 파일럿 신호들을 이용하여 송신단과의 채널을 추정한다. 즉, 상기 채널추정기(510)는 상기 파일럿 신호들을 이용하여 하향링크 채널을 추정한다. 이때, 상기 하향링크 채널은 {송신단의 송신 안테나 개수}×{수신단의 수신 안테나 개수} 크기의 행렬이다.
상기 상관행렬산출기(512)는 상기 채널추정기(510)에 의해 추정된 채널을 이용하여 상관 행렬을 산출한다. 상기 상관 행렬은 송신단의 송신 안테나들 간 상관도를 나타내는 행렬로서, 평균화된 채널을 이용하여 산출된다. 여기서, 상기 평균 화된 채널이란 시간축에서 평균화된 채널, 주파수축에서 평균화된 채널, 및, 시간축 및 주파수축에서 모두 평균화된 채널 중 하나이다. 예를 들어, 상기 상관행렬산출기(512)는 상기 <수학식 2>와 같이 상기 상관 행렬을 산출한다.
상기 벡터선택기(514)는 벡터 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 벡터선택기(514)는 벡터 코드북에 포함된 가중치 벡터들 중 자신으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위해 사용될 가중치 벡터의 인덱스를 선택한다. 상세히 설명하면, 상기 벡터선택기(514)는 상기 채널추정기(510)에 의해 추정된 채널을 상기 <수학식 8>과 같이 상기 상관 행렬의 제곱근의 역수 및 상기 채널의 곱한 후, 상기 곱의 결과와 가장 유사한 가중치 벡터를 선택한다. 이때, 송신단에서 복원되는 상관 행렬 및 상기 상관행렬산출기(512)에 의해 산출되는 상관 행렬 간의 오차로 인한 성능 열화를 방지하기 위해, 상기 벡터선택기(514)는 상기 롱텀정보생성기(516)에 의해 생성된 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 이용하여 양자화된 상관 행렬을 생성하고, 상관행렬산출기(512)에 의해 산출된 상관 행렬을 대신하여 상기 양자화된 상관 행렬을 이용할 수 있다.
상기 롱텀정보생성기(516)는 상기 상관행렬산출기(512)에 의해 산출된 상관 행렬을 알리기 위한 롱텀 정보를 생성한다. 이를 위해 상기 롱텀정보생성기(516)는 상기 상관 행렬의 원소들을 구성하는 최소의 요소들을 추출하고, 상기 최소의 요소들을 이용하여 롱텀 정보를 생성한다. 상기 롱텀정보생성기(516)의 상세한 구성은 다음과 같다.
상기 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 롱텀정보생성기(516)는 계수추출 기(552), 계수인덱스선택기(554), 위상추출기(556), 위상인덱스선택기(558), 신호생성기(560)를 포함하여 구성된다.
상기 계수추출기(552)는 상기 상관행렬산출기(512)에 의해 산출된 상기 상관 행렬에서 적어도 하나의 상관 계수를 추출한다. 예를 들어, 송신단이 상기 도 1a와 같은 SLA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 계수추출기(552)는 하나의 상관 계수를 추출하고, 송신단이 상기 도 1b와 같은 ULA 안테나 구조를 가지는 경우, 상기 계수 추출기는 3개의 상관 계수들을 추출한다.
상기 계수인덱스선택기(554)는 상기 적어도 하나의 상관 계수를 나타내는 계수 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 계수인덱스선택기(554)는 상기 통합 계수 코드북 내의 상관 계수 코드워드들 중 추출된 상관 계수와 대응되는 이차항 계수 인덱스를 선택한다. 이때, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 경우, 상기 계수인덱스선택기(554)는 코드워드들이 나타내는 근사화된 상관 계수 및 추정된 상관 계수 간 오차가 최소화되도록 하나의 코드워드를 검색한 후, 선택된 코드워드의 인덱스를 선택한다. 또는, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 경우, 상기 계수인덱스선택기(554)는 상관 행렬에서 추출된 상관 계수를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 산출하고, 상기 통합 계수 코드북에서 상기 이차항 계수와 가장 유사한 값의 인덱스를 선택한다.
상기 위상추출기(556)는 상기 상관행렬산출기(512)에 의해 산출된 상기 상관 행렬에서 위상을 추출한다. 상기 위상인덱스선택기(558)는 위상 코드북 인덱스를 선택한다. 다시 말해, 상기 위상인덱스선택기(558)는 상기 위상 코드북 내의 위상 값들 중 추출된 위상과 가장 유사한 위상 값의 위상 인덱스를 선택한다. 상기 신호생성기(560)는 상기 계수인덱스선택기(554)에 의해 선택된 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상인덱스선택기(558)에 의해 선택된 위상 코드북 인덱스를 포함하는 롱텀 정보의 신호를 생성한다. 이때, 상기 롱텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 신호생성기(560)는 롱텀 정보의 내용에 대응되는 물리 신호를 생성한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 신호생성기(560)는 상기 롱텀 정보의 내용을 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한다.
상기 숏텀정보생성기(518)는 상기 벡터선택기(514)에 의해 선택된 벡터 코드북 인덱스를 알리기 위한 숏텀 정보를 생성한다. 여기서, 상기 숏텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 피드백되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 피드백된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 숏텀정보생성기(518)는 상기 벡터 코드북 인덱스에 대응되는 물리 신호를 생성한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 숏텀정보생성기(518)는 상기 벡터 코드북 인덱스를 포함하는 MAC 관리 메시지를 구성하고, 부호화 및 변조를 수행한다.
상기 피드백제어기(520)는 상기 롱텀 정보 및 상기 숏텀 정보의 피드백 시w점을 제어한다. 즉, 상기 피드백제어기(520)는 상기 롱텀 정보의 송신 시점 및 상기 숏텀 정보의 송신 시점의 도래 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 롱텀정보생성기(516) 및 상기 숏텀정보생성기(518)의 동작을 트리거링한다. 여기서, 상기 롱텀 정보는 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신되거나 또는 상관 행렬의 변화량이 클 때 송신된다. 만일, 상기 롱텀 정보가 주기적으로 송신되는 경우, 상기 롱텀 정보의 송신 간격은 상기 숏텀 정보의 송신 간격보다 길며, 예를 들어, 수백 프레임을 주기로 송신된다. 이 경우, 상기 피드백제어기(520)는 수백 프레임에 한번 씩 상기 롱텀정보생성기(516)의 동작을 트리거링한다. 반면, 상기 롱텀 정보가 상기 상관 행렬의 변화량이 클 때 송신되는 경우, 상기 피드백제어기(520)는 상기 상관 행렬의 변화를 모니터링하고, 상기 상관 행렬의 변화량이 임계치를 초과하면, 상기 롱텀정보생성기(516)의 동작을 트리거링한다. 그리고, 상기 숏텀 정보는 상기 벡터 코드북 인덱스를 의미하며, 약속된 간격에 따라 주기적으로 송신된다. 예를 들어, 상기 숏텀 정보는 하나의 프레임을 주기로 송신된다. 이 경우, 상기 피드백제어기(520)는 매 프레임 한번 씩 상기 숏텀정보생성기(518)의 동작을 트리거링한다.
상기 부반송파매핑기(522)는 상기 롱텀 정보 및 상기 숏텀 정보를 물리적인 피드백 채널 또는 할당받은 상향링크 자원에 매핑한다. 상기 OFDM변조기(524)는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 통해 상기 부반송파매핑기(522)로부터 제공되는 주파수 영역의 신호들을 시간 영역 신호로 변환하고, CP를 삽입함으로써 OFDM 심벌들을 구성한다. 상기 RF송신기(526)는 상기 OFDM 심벌들을 RF 대역 신호로 상향변환한 후, 안테나를 통해 송신한다.
상기 도 5a에 도시된 수신단의 구성에서, 상기 수신단은 하나의 송수신 안테나를 구비한다. 하지만, 상기 수신단은 다수의 송수신 안테나들을 구비할 수 있으며, 이 경우, 다수의 RF수신기들, 다수의 OFDM복조기들, 다수의 부반송파디매핑기 들, 다수의 부반송파매핑기들, 다수의 OFDM변조기들, 다수의 RF송신기들이 포함된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 송신단은 신호발생기(602), 빔성형기(604), 다수의 부반송파매핑기들(606-1 내지 606-N), 다수의 OFDM변조기들(608-1 내지 608-N), 다수의 RF송신기들(610-1 내지 610-N), 다수의 RF수신기들(612-1 내지 612-N), 다수의 OFDM복조기들(614-1 내지 614-N), 다수의 부반송파디매핑기들(616-1 내지 616-N), 피드백정보해석기(618), 상관행렬복원기(620), 코드북변형기(622), 벡터선택기(624)를 포함하여 구성된다.
상기 신호발생기(602)는 수신단으로 송신될 신호를 생성한다. 즉, 상기 신호발생기(620)는 송신 데이터를 부호화 및 변조함으로써 송신 신호를 생성한다. 상기 빔성형기(604)는 상기 벡터선택기(624)에 의해 선택된 가중치 벡터를 이용하여 상기 송신 신호를 빔 성형한다. 다시 말해, 상기 빔성형기(640)는 상기 송신 신호와 상기 가중치 벡터를 곱함으로써 빔 성형한 후, 빔 성형된 신호열의 각 원소를 대응되는 부반송파매핑기(606)로 제공한다. 상기 다수의 부반송파매핑기들(606-1 내지 606-N) 각각은 담당하는 송신 안테나를 통해 송신될 신호들 및 파일럿 신호들을 주파수 영역에 매핑한다. 상기 다수의 OFDM변조기들(608-1 내지 608-N) 각각은 담당하는 송신 안테나를 통해 송신될 OFDM 심벌들을 생성한다. 즉, 상기 다수의 OFDM변 조기들(608-1 내지 608-N) 각각은 IFFT 연산을 통해 상기 주파수 영역의 신호들을 시간 영역 신호로 변환한 후, CP를 삽입함으로써 OFDM 심벌들을 구성한다. 상기 다수의 RF송신기들(610-1 내지 610-N) 각각은 상기 OFDM 심벌들을 RF 대역 신호로 상향변환한 후, 담당하는 안테나를 통해 송신한다.
상기 다수의 RF수신기들(612-1 내지 612-N) 각각은 담당하는 안테나를 통해 수신된 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 상기 다수의 OFDM복조기들(614-1 내지 614-N) 각각은 상기 기저대역 신호를 OFDM 단위로 구분하고, CP를 제거한 후, FFT 연산을 통해 주파수 영역의 신호들을 복원한다. 상기 다수의 부반송파디매핑기들(616-1 내지 616-N) 각각은 상기 주파수 영역의 신호들 중 피드백 정보의 신호를 추출하고, 상기 피드백 정보의 신호를 상기 피드백정보해석기(618)로 제공한다.
상기 피드백정보해석기(618)는 상기 피드백 정보의 신호로부터 피드백 정보를 확인한다. 즉, 상기 피드백정보해석기(618)는 상기 피드백 정보의 신호를 정보 비트열로 변환하고, 숏텀 정보 및 롱텀 정보를 구분한다. 그리고, 상기 피드백정보해석기(618)는 상기 숏텀 정보를 상기 벡터선택기(624)로 제공하고, 상기 롱텀 정보를 상기 상관행렬복원기(620)로 제공한다. 여기서, 상기 숏텀 정보는 미리 정해진 물리적 피드백 채널을 통해 수신되거나, 또는, MAC 관리 메시지의 형태로 수신된다. 상기 물리적 피드백 채널이 사용되는 경우, 상기 피드백정보해석기(618)는 상기 피드백 채널을 통해 수신된 물리 신호와 대응되는 비트열을 출력한다. 반면, 상기 MAC 관리 메시지가 사용되는 경우, 상기 피드백정보해석기(618)는 복조 및 복 호화를 통해 상기 벡터 코드북 인덱스를 포함하는 MAC 관리 메시지를 복원하고, 상기 MAC 관리 메시지에서 피드백 정보를 추출한다.
상기 상관행렬복원기(620)는 상기 롱텀 정보, 즉, 상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 상기 수신단의 상관 행렬을 복원한다. 상세히 설명하면, 상기 상관행렬복원기(620)는 상기 계수 코드북 인덱스를 통해 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하고, 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 위상 값을 결정한다. 이후, 상기 상관행렬복원기(620)는 상기 적어도 하나의 상관 계수 값 및 상기 위상 값을 조합함으로써 상기 상관 행렬의 원소들을 복원하고, 상기 원소들을 상기 상관 행렬의 형태에 따라 배치함으로써 상기 상관 행렬을 복원한다. 이때, 상기 상관 행렬의 형태는 송신단의 송신 배열 안테나 구조에 따라 달라진다. 예를 들어, SLA 안테나 구조의 경우, 상기 상관 행렬은 상기 <수학식 3>과 같은 형태를 가지고, ULA 안테나 구조의 경우, 상기 상관 행렬은 상기 <수학식 4>와 같은 형태를 가진다. 여기서, 상기 적어도 하나의 상관 계수 값의 확인 과정은 상기 송신단이 가진 통합 계수 코드북의 형태에 따라 달라진다. 예를 들어, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 경우, 상기 상관행렬복원기(620)는 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 코드워드에 포함된 상관 계수 값들을 확인한다. 반면, 상기 통합 계수 코드북이 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 경우, 상기 상관행렬복원기(620)는 상기 계수 코드북 인덱스가 지시하는 값을 확인하고, 상기 값을 이차 함수에 대입한 후, 상기 이차 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 산출한다.
상기 코드북변형기(622)는 상기 상관행렬복원기(620)에 의해 복원된 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북을 컬러링한다. 다시 말해, 상기 코드북변형기(622)는 균일 분포를 갖는 벡터들로 구성된 벡터 코드북을 수신단에 적합하도록 변형한다. 즉, 상기 코드북변형기(622)는 상기 상관 행렬의 제곱근과 상기 벡터 코드북의 각 벡터를 곱함으로써, 컬러링된 벡터 코드북을 생성한다. 예를 들어, 상기 컬러링은 상기 <수학식 1>과 같이 수행된다.
상기 벡터선택기(624)은 상기 코드북변형기(622)에 의해 컬러링된 백터 코드북 내의 가중치 벡터들 중 상기 피드백정보해석기(618)로부터 제공되는 숏텀 정보, 즉, 즉, 상기 벡터 코드북 인덱스와 대응되는 가중치 벡터를 확인한다. 그리고, 상기 벡터선택기(624)는 확인된 가중치 벡터를 상기 빔형성기(604)로 제공한다.
상기 도 3 내지 상기 도 6을 참고하여 설명한 본 발명의 실시예에서, 빔 성형을 위하여 가중치 벡터들을 포함하는 벡터 코드북이 사용되었다. 여기서, 가중치가 벡터의 형태를 가지는 것은, 수신단으로의 송신 스트림이 1개인 경우를 가정하였기 때문이다. 따라서, 하나의 수신단에게 다수의 송신 스트림들이 할당되는 경우, 스트림의 개수에 비례하여 가중치 벡터의 개수가 증가하게 되며, 이 경우, 가중치는 벡터가 아닌 행렬의 형태를 갖는다. 즉, 가중치 벡터는 가중치 행렬로 대체된다. 따라서, 행렬 코드북 및 가중치 행렬을 사용하는 경우에도, 상술한 본 발명은 동일하게 적용될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템의 성능을 도시하고 있다. 상기 도 7a 및 상기 도 7b는 송신 안테나 개수가 4, 수신 안테나 개수가 2, 채널의 평균 SNR(Signal to Noise Ratio)가 5dB인 환경에서 본 발명을 적용한 시스템의 사용자 수 증가에 따른 스펙트럼 효율(spectral efficiency)를 나타낸 그래프들이다. 단, 수신 안테나들 간 상관도는 없다고 가정하였다. 여기서, 상기 도 7a는 송신 배열 안테나 구조가 SLA인 경우의 실험 결과 그래프이고, 상기 도 7b는 송신 배열 안테나 구조가 ULA인 경우의 실험 결과 그래프이다.
상기 도 7a 및 상기 도 7b의 모의 실험에서, ZF-MET(Zero-Forcing Maximum Eigenmode Transmission) 기법을 사용하는 송신단을 가정하였다. 상기 ZF-MET 기법은 송신단에서 각 수신단으로의 하향 링크 채널의 최대 특이 벡터로 각 하향링크의 송신 채널을 인식하고, 각 수신단의 채널들 간의 간섭을 억제하도록 ZF 가중치를 이용는 기법이다. 그리고, 사용된 코드북은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16e의 6비트 코드북이며, 송신 각 확산은 20도로 설정되었다.
상기 도 7a을 참고하면, 위상
Figure 112008063331862-pat00082
를 양자화하기 위한 비트 수 N이 2에서 4로 증가할수록, 양자화되지 않은 완전한 상관 행렬을 사용하는 경우의 용량에 근접함이 확인된다. 특히, 상기 N이 3비트 이상일 경우, 위상
Figure 112008063331862-pat00083
의 양자화에 의한 성능 열화가 미미함이 확인된다. 또한, 본 발명에 따른 적은 양의 롱텀 피드백을 사용하 는 컬러링된 코드북을 사용하는 기법은 기존의 RVQ 코드북 또는 DFT(Discrete Fourier Transform) 코드북과 같은 MAD(Maximum Angular Distance) 코드북을 사용하는 기법에 비하여 상당한 용량 이득을 제공함이 확인된다.
싱기 도 7b를 참고하면, 본 발명에 따라 위상
Figure 112008063331862-pat00084
를 양자화하기 위해 3비트를 사용하고, 상관 계수
Figure 112008063331862-pat00085
를 근사화하기 위해 3비트를 사용하는 기법이 양자화 되지 않은 완전한 상관 행렬을 사용하는 경우의 용량에 근접함이 확인된다. 또한, 기존의 MAD 코드북을 사용하는 기법에 비해 용량 이득을 제공함이 확인된다.
결론적으로, 본 발명에 따른 시스템은 기존의 RVQ 코드북 또는 MAD 코드북보다 6 비트 정도의 적은 양의 롱텀 피드백 정보만을 추가적으로 사용함으로써, SLA 및 ULA와 같은 다양한 송신 배열 안테나 구조 및 공간 상관도를 갖는 채널 환경에서 성능의 향상을 제공한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신 배열 안테나 구조의 예를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 이차항 계수 변화에 따른 상관 계수들의 예를 도시하는 도면,
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 다중 입출력 무선통신 시스템의 성능을 도시하는 도면.

Claims (26)

  1. 다중 입출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 무선통신 시스템에서 수신단의 동작 방법에 있어서,
    송신단과의 채널의 상관 행렬을 산출하는 과정과,
    롱텀(long-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 상기 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 각각 나타내는 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 포함하는 상기 롱텀 정보를 피드백하는 과정과,
    상기 채널 및 상기 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하는 과정과,
    숏텀(short-term) 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 가중치 벡터의 선택 결과를 나타내는 상기 숏텀 정보를 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 롱텀 정보를 피드백하는 과정은,
    상기 상관 행렬에서 상기 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 추출하는 과정과,
    상기 위상을 지시하는 상기 위상 코드북 인덱스를 선택하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 상관 계수의 분포를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 지시하는 상기 계수 코드북 인덱스를 선택하는 과정과,
    상기 위상 코드북 인덱스 및 상기 계수 코드북 인덱스를 포함하는 상기 롱텀 정보를 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계수 코드북 인덱스를 선택하는 과정은,
    인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 코드워드들 중, 상기 적어도 하나의 상관 계수와의 오차를 최소화하는 코드워드를 검색하는 과정과,
    상기 오차를 최소화하는 코드워드의 인덱스를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 계수 코드북 인덱스를 선택하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 계수를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 산출하는 과정과,
    인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 값들 중, 상기 이차항 계수와의 오차를 최소화하는 값의 인덱스를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 이차 함수는, 안테나 간의 거리에 따라 감소되는 상관도의 크기를 안테나 간의 거리의 비율의 제곱에 비례하도록 표현한 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가중치 벡터를 선택하는 과정은,
    벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 상관 행렬의 제곱근의 역수 및 상기 채널의 곱과 가장 유사한 가중치 벡터를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 숏텀 정보는, 미리 설정된 간격에 따라 주기적으로 피드백되며,
    상기 롱텀 정보는, 상기 숏텀 정보의 피드백 간격에 비하여 긴 간격에 따라 주기적으로 피드백되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 숏텀 정보는, 미리 설정된 간격에 따라 주기적으로 피드백되며,
    상기 롱텀 정보는, 상기 상관 행렬의 변화량이 임계치를 초과하는 경우 피드백되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단의 동작 방법에 있어서,
    수신단으로부터 피드백된 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 각각 나타내는 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 포함하는 롱텀 정보를 확인하는 과정과,
    상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 상기 상관 행렬을 복원하는 과정과,
    상기 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북을 컬러링하는 과정과,
    컬러링된 벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 수신단으로부터 피드백된 숏텀 정보에 따라 상기 수신단으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위한 가중치 벡터를 확인하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상관 행렬을 복원하는 과정은,
    상기 롱텀 정보에 포함된 상기 위상 코드북 인덱스를 통해 위상 값을 결정하는 과정과,
    상기 롱텀 정보에 포함된 상기 계수 코드북 인덱스를 통해 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 상관 계수 값 및 상기 위상 값을 조합함으로써, 상기 상관 행렬의 원소들을 복원하는 과정과,
    상기 원소들을 상기 상관 행렬의 형태에 따라 배치하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하는 과정은,
    인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 코드워드들 중, 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 코드워드에 포함된 적어도 하나의 값을 상기 적어도 하나의 상관 계수 값으로 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 코드워드들 각각은, 안테나 간의 거리에 따라 감소되는 상관도의 크기를 안테나 간의 거리의 비율의 제곱에 비례하도록 표현한 이차 함수를 이용하여 산출된 근사화된 상관 계수 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하는 과정은,
    인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 값들 중, 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 값을 확인하는 과정과,
    확인된 값을 이차항 계수로 갖는 이차 함수를 구성하는 과정과,
    상기 이차 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 수신단 장치에 있어서,
    송신단과의 채널의 상관 행렬을 산출하는 산출기와,
    롱텀 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 상기 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 각각 나타내는 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 포함하는 상기 롱텀 정보를 출력하는 제1생성기와,
    상기 채널 및 상기 상관 행렬을 이용하여 가중치 벡터를 선택하는 선택기와,
    숏텀 정보를 피드백할 시점이 도래하면, 가중치 벡터의 선택 결과를 나타내는 상기 숏텀 정보를 출력하는 제2생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1생성기는,
    상기 상관 행렬에서 상기 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 추출하는 추출기와,
    상기 위상을 지시하는 상기 위상 코드북 인덱스를 선택하는 위상 인덱스 선택기와,
    상기 적어도 하나의 상관 계수의 분포를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 지시하는 상기 계수 코드북 인덱스를 선택하는 계수 인덱스 선택기와,
    상기 위상 코드북 인덱스 및 상기 계수 코드북 인덱스를 포함하는 상기 롱텀 정보의 신호를 생성하는 신호 생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 계수 인덱스 선택기는,
    인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 코드워드들 중, 상기 적어도 하나의 상관 계수와의 오차를 최소화하는 코드워드를 검색하고, 상기 오차를 최소화하는 코드워드의 인덱스를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 계수 인덱스 선택기는,
    상기 적어도 하나의 계수를 나타내는 이차 함수의 이차항 계수를 산출하고, 인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 값들 중, 상기 이차항 계수와의 오차를 최소화하는 값의 인덱스를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 이차 함수는, 안테나 간의 거리에 따라 감소되는 상관도의 크기를 안테나 간의 거리의 비율의 제곱에 비례하도록 표현한 함수인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 선택기는, 벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 상관 행렬의 제곱근의 역수 및 상기 채널의 곱과 가장 유사한 가중치 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 숏텀 정보가 미리 설정된 간격에 따라 주기적으로 피드백되도록 제어하고, 상기 롱텀 정보가 상기 숏텀 정보의 피드백 간격에 비하여 긴 간격에 따라 주기적으로 피드백되도록 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 숏텀 정보가 미리 설정된 간격에 따라 주기적으로 피드백되도록 제어하고, 상기 롱텀 정보가 상기 상관 행렬의 변화량이 임계치를 초과하는 경우 피드백되도록 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 다중 입출력 무선통신 시스템에서 송신단 장치에 있어서,
    수신단으로부터 피드백된 상관 행렬의 각 원소를 구성하는 적어도 하나의 상관 계수 및 위상을 각각 나타내는 계수 코드북 인덱스 및 위상 코드북 인덱스를 포함하는 롱텀 정보를 확인하는 해석기와,
    상기 계수 코드북 인덱스 및 상기 위상 코드북 인덱스를 이용하여 상기 상관 행렬을 복원하는 복원기와,
    상기 상관 행렬을 이용하여 벡터 코드북을 컬러링하는 변형기와,
    컬러링된 벡터 코드북 내의 가중치 벡터들 중, 상기 수신단으로부터 피드백된 숏텀 정보에 따라 상기 수신단으로의 송신 신호를 빔 성형하기 위한 가중치 벡터를 확인하는 선택기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복원기는,
    상기 롱텀 정보에 포함된 상기 위상 코드북 인덱스를 통해 위상 값을 결정하고, 상기 롱텀 정보에 포함된 상기 계수 코드북 인덱스를 통해 적어도 하나의 상관 계수 값을 결정하고, 상기 적어도 하나의 상관 계수 값 및 상기 위상 값을 조합함으로써, 상기 상관 행렬의 원소들을 복원하고, 상기 원소들을 상기 상관 행렬의 형태에 따라 배치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복원기는,
    인덱스 및 상관 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 코드워드들 중, 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 코드워드에 포함된 적어도 하나의 값을 상기 적어도 하나의 상관 계수 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 코드워드들 각각은, 안테나 간의 거리에 따라 감소되는 상관도의 크기를 안테나 간의 거리의 비율의 제곱에 비례하도록 표현한 이차 함수를 이용하여 산출된 근사화된 상관 계수 값으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 복원기는,
    인덱스 및 이차항 계수 값을 포함하는 통합 계수 코드북 내의 값들 중, 상기 계수 코드북 인덱스에 대응되는 값을 확인하고, 확인된 값을 이차항 계수로 갖는 이차 함수를 구성하고, 상기 이차 함수를 이용하여 상기 적어도 하나의 상관 계수 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
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