KR101562557B1

KR101562557B1 - Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체

Info

Publication number: KR101562557B1
Application number: KR1020140014598A
Authority: KR
Inventors: 성영철; 이길원
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-10-23
Also published as: KR20150093947A; US9680549B2; US20150230266A1; WO2015119316A1

Abstract

Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체를 개시된다. 변수

를 기설정된 숫자로 설정하고, 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 사용자들의 집합을 분할하는 단계, 사용자들의 집합을 분할하는 단계가 반복될 때마다 변수

는

로 업데이트하고, 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

보다 커지면, 변수

는 상기 기설정된 숫자로 초기화하는 단계, 초기화된 변수

가 상기 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 스케줄링하는 단계 및 스케줄링하는 단계가 반복될 때마다 변수

는

로 업데이트하는 단계를 포함한다.

Description

Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체{An user scheduling method, device and recording medium based on two-stage beamformer for massive MIMO broadcast channels}

본 발명은 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체에 관한 것이다.

무선 통신에서 높은 데이터율에 대한 수요가 늘고, 그에 따라 주파수 효율 증대에 대한 필요성이 빠르게 증가하고 있다. 이와 같은 필요를 만족시키기 위해, 기지국에 무수히 많은 안테나를 집적시켜 주파수 효율을 높이는 massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템이 차세대 통신 시스템을 위한 중요한 기술로 간주되어 전 세계적으로 활발하게 연구가 진행되고 있다.

특히, 한 기지국이 동시에 여러 사용자에게 데이터를 송신하는 다중 사용자 MIMO(Multi-user MIMO) 하향링크(downlink) 상황에서, 서비스를 받고자 하는 모든 사용자들 가운데 실제 서비스를 받을 사용자들을 효율적으로 스케줄링하는 방법은 LTE 및 LTE-A 시스템에서 표준화 관련 중요한 이슈 중 하나로 간주되어 현재까지 심도 있게 연구되고 있다. 상기 연구에 대한 종래 기술들을 살펴보면 다음과 같다.

모든 사용자의 채널들이 상광성 없이 등방성(isotropically)으로 생성되는 경우, M. Sharif and B. Hassibi, "On the capacity of MIMO broadcast channels with partial side information," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 51, no. 2, pp. 506-522, 2005.에 개시된 랜덤(random) 빔포밍 및 T. Yoo and A. Goldsmith, "On the optimality of multiantenna broadcast scheduling using zero-forcing beamforming," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 24, no. 3, pp. 528-541, 2006.에 개시된 제로포싱(Zero-forcing) 빔포밍을 기반으로 하는 사용자 스케줄링 방법이 알려져 있다. 이 중 랜덤 빔포밍 기반의 스케줄링 방법은 채널들이 하나의 공분산 행렬에 따라 생성되는 환경에서도 확장되어 소개되었다.

하지만, 실제 통신 시스템 상황에서는 사용자마다 채널 공분산 행렬이 다르기 때문에 앞서 언급된 기존 방식의 사용자 스케줄링 방법은 현실적으로도 이론적으로도 적합하지 않다. 따라서 모든 사용자의 채널이 공통된 채널 공분산 행렬에 따라 생성되는 환경이 아니라 보다 일반화하여 사용자 각각이 다른 채널 공분산 행렬을 따르는 상황에서 사용자를 효율적으로 스케줄링하는 방법을 제안되어야 한다.

이에 A. Adhikary and G. Caire, "Joint spatial division and multiplexing: Opportunistic beamforming and user grouping," arXiv: 1305.7252, May 2013.에 개시된 것과 같이 최근 사용자가 여러 그룹으로 나뉘어 각 그룹 안에서는 공통된 채널 공분산 행렬을 갖고 그룹 간에는 서로 다른 채널 공분산 행렬을 갖는 환경에서 기존의 랜덤 빔포밍 방식을 확장하고 변형하여 매우 간단한 사용자 스케줄링 방법이 제안된다. 이 방법은 이론적으로 사용자의 수가 무수히 많을 때, 합 데이터율 관점에서 최적의 사용자 스케줄링 방법이 제안되었다. 하지만 상기 스케줄링 방법은 이론적으로 사용자의 수가 무수히 많을 때 최적의 방법이지만, 현실적인 사용자 수 범위에서는 성능 열화가 매우 심한 단점이 있다.

이러한 시스템 성능의 기본 척도인 데이터율은 간단한 빔포밍 방법만으로 안테나 수의 선형적으로 증가한다는 것이 알려져 있고, 이는 모든 안테나의 채널 정보를 정확히 알고 있을 때 도달 가능하다. 하지만 채널 정보를 알기 위해서는 안테나 수의 동일한 수에 대한 파일럿의 수가 필요하기 때문에 안테나 수가 매우 많은 massive MIMO 시스템에서는 모든 안테나의 채널 정보를 정확히 알기는 매우 어렵다.

이를 해결하기 위해 채널 공분산 행렬(channel covariance matrix)의 함수로 설계되는 사전 빔포밍(Pre-beamforming)과 채널이 사전 빔포밍을 거친 뒤 생기는 실질적 채널(effective channel)의 함수로 설계되는 다중 사용자 MIMO 빔포밍 방식을 결합한 두 단계 빔포머(two-stage beamformer) 기술이 최근에 제안되었다.

채널 공분산 행렬은 기지국과 사용자 간의 기하학적 구조로부터 미리 알고 있을 가능성이 크기 때문에 사전 빔포밍은 채널 정보와 무관하게 설계할 수 있다. 대부분의 경우, 채널 공분산 행렬의 실질적 고유벡터(eigenvectors)의 수(즉, 채널 공분산의 0이 아닌 고유값(eigenvalues)에 해당하는 고유 벡터의 수)는 안테나의 수보다 훨씬 적다고 둘 수 있다.

따라서, 사전 빔포밍을 거친 뒤 생기는 실질적 채널의 차원(dimension)은 전체 안테나의 수에 해당하는 차원보다 훨씬 작기 때문에 이 실질적 채널 정보를 아는 것이 기존 MIMO 시스템처럼 쉬워진다. 이에 따라 실질적 채널 정보를 추정하는 것이 가능하다고 둘 수 있고, 결과적으로 두 단계 빔포머 방식은 massive MIMO에서 매우 효율적인 빔포머 구조라고 할 수 있다.

다만 이와 같은 두 단계 빔포머 구조에서 사용자 수가 많을 경우, 효과적인 사용자 스케줄링 방법이 아직까지 많이 연구되지 있지 않은 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 그룹별로 다른 채널 공분산 행렬을 가지는 환경에서 랜덤 빔포밍 기반의 사용자 스케줄링 방법보다 더 간단한 사용자 스케줄링 방법을 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체를 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 그룹별로 다른 채널 공분산 행렬을 가지는 환경에서 합 데이터율이 최적화되는 동시에 현실적인 사용자 수 범위에서도 성능 열화가 적어 기존보다 성능 이득이 높은 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체를 제공하는데 있다.

Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법 은 변수

를 기설정된 숫자로 설정하고, 상기 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 사용자들의 집합을 분할하는 단계, 상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계가 반복될 때마다 변수

는

로 업데이트하고, 상기 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

보다 커지면, 변수

는 상기 기설정된 숫자로 초기화하는 단계, 상기 초기화된 변수

가 상기 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 스케줄링하는 단계 및 상기 스케줄링하는 단계가 반복될 때마다 변수

는

로 업데이트하는 단계를 포함한다.

상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는, 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저 벡터들(

)이 하기 [수학식 1]과 같이 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된

와 비교하여 해당 집합에 대해 포함을 결정하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

여기서,

는 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터를 의미하고,

는 기준 기저 벡터를 의미하며,

는

인 임의의 양수를 의미한다. 또한

는 [수학식 1]에 만족되는 사용자 인덱스를 의미하고,

는 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합을 의미한다.

상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는, 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 단위 기저 벡터(

)들이 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된

과 비교하여 해당 집합의 포함을 결정하는 것을 특징으로 한다.

여기서,

는 길이가 1인

인 벡터이고,

,

이다.

상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는, 상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에서 상기 산출된 사용자의 집합을 [수학식 2]와 같이 차집합한 후, 차집합된 값을 상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에 대입하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 2]

여기서,

는 집합의 차집합을 의미한다.

상기 스케줄링하는 단계, 상기 SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 [수학식 3]을 이용하여 산출하는 것을 특징을 한다.

[수학식 3]

여기서,

는 최종 선택된 사용자 인덱스를 의미하고,

는 g번째 그룹의 k번째 사용자의 실질적 벡터의 norm에 대한 제곱된 값, 즉 벡터 크기의 제곱값을 의미하고 물리적으로는 원하는 신호의 크기를 의미하며,

는 물리적으로 실질적인 잡음의 크기를 의미하고,

는 물리적으로

그룹에서 미치는 실질적인 간섭 신호 크기를 의미한다.

상기 스케줄링하는 단계, 상기 산출된 사용자 인덱스를 [수학식 4]와 같이 스케줄링된 집합과 합집합하는 것을 특징을 한다.

[수학식 4]

여기서,

는 스케줄링된 집합을 의미한다.

Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치는, 변수

를 기설정된 숫자로 설정하고, 상기 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 사용자들의 집합을 분할하고, 상기 사용자들의 집합을 분할할 때마다 변수

는

로 업데이트하고, 상기 변수

가 독립적인 데이터 스트림 수

보다 커지면, 변수

는 상기 기설정된 숫자로 초기화하며, 상기 초기화된 변수

가 상기 독립적인 데이터 스트림 수

와 같아질 때까지 스케줄링하고, 상기 스케줄링을 할 때마다 변수

는

로 업데이트하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는, 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저 벡터(

)들과 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된

상기 제어부는, 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 단위 기저 벡터(

)들을 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된

상기 제어부는, 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에서 상기 산출된 사용자의 집합을 차집합한 후, 차집합된 값을 상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에 대입하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 상기 SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 산출하는 것을 특징을 한다.

상기 제어부는, 상기 산출된 사용자 인덱스를 스케줄링된 집합과 합집합하는 것을 특징을 한다.

본 발명을 따른 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법, 장치 및 기록매체는 그룹별로 다른 채널 공분산 행렬을 가지는 환경에서 랜덤 빔포밍 기반의 사용자 스케줄링 방법보다 더 간단한 사용자 스케줄링 방법을 한다.

또한 그룹별로 다른 채널 공분산 행렬을 가지는 환경에서 합 데이터율이 최적화되는 동시에 현실적인 사용자 수 범위에서도 성능 열화가 적어 기존보다 성능 이득이 높다.

또한 상기 환경에서 매우 작은 복잡도에서도 성능 이득이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도2의 사용자들의 집합 분할을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도2의 스케줄링을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 방법과 종래의 스케줄링 방법의 성능 비교를 설명하기 위한 그래프이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명할 수 있다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 할 수 있다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 사용자 스케줄링 장치(1)는 사전 빔포밍 방식과 다중 사용자 MIMO 빔포밍 방식으로 결합된 두 단계의 빔포머를 포함하는 장치이다. 사용자 스케줄링 장치(1)는 상기 두 단계의 빔포머를 이용하여 사용자 스케줄링하는 기능을 더 포함하고 있다. 사용자 스케줄링 장치(1)는 입력부(110), 제어부(120), 출력부(130) 및 저장부(140)를 포함한다.

사용자 스케줄링 장치(1)는

개의 송신 안테나를 갖는 기지국과 단일 수신 안테나를 갖는

명의 사용자 간의 다중 사용자 MIMO 하향링크 상황에서 이용될 수 있다.

따라서, 기지국은

명의 사용자 중

명을 골라 독립적인 데이터 스트림을 입력부(110)에 전송할 수 있다.

모든 사용자들은

개의 그룹 중 하나의 그룹에 속해 있고,

번째 그룹 안의 사용자 수와

번째 그룹 안에서 전송되는 독립적인 데이터 스트림의 수를 각각

와

라고 한다. 그러면

이고,

이다. 또한 각 그룹은 서로 다른 채널 공분산 행렬을 가진다고 가정할 수 있다.

상세하게는

번째 그룹의 채널 공분산 행렬

은 [수학식 1]과 같다.

여기서,

는

의

개의 고유값들 중 0이 아닌

개의 고유값에 해당하는 고유벡터들을 포함하는

인 행렬이고,

는 0이 아닌

개의 고유값에 가지는

대각행렬이며 내림차순으로 정렬된다고 가정한다. 또한

연산자는 켤레 전치(conjugate transpose) 연산자이다.

따라서,

번째 그룹의

번째 사용자의 채널

를 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.

여기서,

는 크기가

인 벡터이고,

는

를 만족하는 행렬이다. 그리고

는 각 성분이 순환 대칭(circular symmetric) 복수 정규 분포

에 독립적으로 생성되는 크기가

인 랜덤 벡터이다.

또한

번째 그룹 안에

사용자의 채널 벡터를 모아 둔 채널 행렬을

(크기가

인 행렬)로 두면, 전체 시스템의 채널 행렬은

(크기가

인 행렬)로 표현할 수 있다.

제어부(120)는

번째 그룹을 위한 빔포밍 행렬

가 크기가

인 사전 빔포밍 행렬

및 크기가

인 다중 사용자 MIMO 빔포밍 행렬

의 곱으로 이루어진다. 즉,

이다. 제어부(120)는 사전 빔포밍 행렬

를 설계하는 사전 빔포머(미도시) 및 다중 사용자 MIMO 빔포밍 행렬

를 설계하는 다중 사용자 MIMO 빔포머(미도시)를 포함한다.

상기 사전 빔포머는 사전 빔포밍 행렬

을

번째 채널 공분산 행렬의 함수로 설계(즉,

에 의존함)한다. 또한 상기 사용자 MIMO 빔포머는 다중 사용자 MIMO 빔포밍 행렬

을 사전 빔포밍

가

번째 그룹의 채널에 적용된

의 함수로 설계한다. 여기서,

를 실질적 채널 행렬이다.

이 때, 그룹

안의 사용자가 받은 수신 신호는 [수학식 3]로 표현할 수 있다.

여기서,

는

번째 그룹에서 수신한 신호를 의미하며 크기가

인 벡터이다.

는

번째 그룹을 위한 데이터 스트림을 의미하며 크기가

인 벡터이다. 또한

는

번째 그룹에서 수신된 신호에 포함된 열잡음이고 크기가

인 벡터이다. 특히,

와

의 각 성분은 순환 대칭 복수 정규 분포

을 독립적으로 따른다고 할 수 있다. 또한 송신 신호

는 파워 제약 조건

를 만족한다.

이 때, [수학식 3]의 세 번째 식을 참고하면

번째 그룹에서 받은 수신신호가 그룹

를 위한 신호(

) 와 열잡음(

)외에 다른 그룹

을 위한 간섭신호(

)가 포함된다. [수학식 3]을 더 세분화하여

번째 그룹의

번째 사용자의 수신신호는 [수학식 4]와 같다.

이 때, 실질적 벡터

는 [수학식 5]와 같다.

여기서,

를 의미하고,

는

는 각각

번째 그룹의

번째 사용자에 해당하는 데이터와 열잡음 값이다.

만약,

이면, 즉

일 때,

의

번째 성분은 큰 고유벡터로 빔포밍을 하였을 때 얻어지는 채널 이득이다. 따라서,

의 각 성분은 채널 공분산 행렬의

개의 고유벡터 방향별로 순서대로 빔포밍을 하였을 때 얻어지는 채널 이득이라 할 수 있다.

만약, 그룹 안의 사용자 수

가 커진다면, 제어부(120)는 확률적으로 사용자 채널이 공분산 행렬의 가장 큰 고유벡터에 정렬(aligned)된 사용자 수가 제일 많을 수 있고, 가장 큰 고유벡터의 직교여공간(orthogonal complement)에서는 두 번째로 큰 고유벡터에 정렬된 사용자 수가 많을 수 있다. 또한 가장 큰 두 개의 고유벡터가 차지하는 부분 공간(subspace)의 직교여공간에서는 세 번째로 큰 고유벡터에 정렬된 사용자 수가 많을 수 있다.

출력부(130)는 제어부(120)에서 산출된 빔포밍을 출력한다. 상기 빔포밍은 실질적 채널 정보를 포함된 것일 수 있다.

저장부(140)는 사전 빔포밍 및 다중 사용자 MIMO 빔포밍을 하는 알고리즘이 저장된다. 또한 저장부(140)는 사용자 스케줄링 방법에 대한 알고리즘도 저장된다. 저장부(140)는 제어부(120)에서 중간과정에서 산출되는 결과값 및 최종적으로 산출된 결과가 저장된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 사용자 스케줄링 방법은 사전 빔포밍 및 다중 사용자 MIMO 빔포밍의 성질들을 이용하여 수행될 수 있다. 사용자 스케줄링 방법은 제어부(120)의 사용자 스케줄링부(미도시)를 통하여 수행될 수 있다.

특히, 도2의 사용자 스케줄링 방법은 모든 그룹별로 동일한 알고리즘을 적용함으로 특정 그룹

로 고정하여 설명하는 일 실시예이다.

사용자 스케줄링 방법은 그룹

에

의 독립적인 스트림을 할당할 수 있으므로,

명의 사용자를 최종적으로 스케줄링한다. 따라서, 사용자 스케줄링 방법은 모든 사용자들의 집합을

개의 집합(

)으로 적절히 분할한 뒤, 각 집합에서 한 명씩 사용자를 선택하여 최종

명을 스케줄링한다. 보다 상세하게는 사용자 스케줄링 방법은 하기와 같은 단계로 구성될 수 있다.

제1 단계는 초기값을 수신한다(S100). 제1 단계는 집합

를

그룹에 있는 모든 사용자 인덱스(index) 값의 집합으로 초기화(

)하고,

을 공집합으로 초기화(

)된 값을 수신한다. 또한 변수

의 초기화(

)된 값을 수신한다.

제1 단계는 그룹

와 사용자

에 대한 채널 벡터

가 설정된 초기값을 수신하고, 사전 빔포밍 행렬

이 설정된 초기값을 수신한다. 따라서, 실질적 채널 벡터

도 [수학식 5]에 의해 산출된다. 제1 단계는 임의의 양수

값도 수신하고, 기준 기저 벡터

는 크기가

인 단위 행렬의

번째 열벡터이고,

이다. 즉,

는 전송하는 신호의 스트림 하나의 평균 크기이다.

제2 단계는 변수

와 독립적인 데이터 스트림 수

을 비교한다(S110). 제2 단계는

이면 제3 단계를 수행하고, 그렇지 않으면

가 초기화(

)된 후(S140), 제4 단계를 수행한다. 더 상세하게는

가

와 같을 때까지 제3 단계를 수행하고,

가

보다 커지면

가 초기화(

)된 다음 제4 단계를 수행한다.

제3 단계는 사용자들의 집합을 분할한다(S120). 제3 단계는 모든 사용자들의 집합을

개의 집합으로 분할한다. 제3 단계는 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저 벡터(standard basis vector)들과 각각 내적을 하여 기설정된

보다 큰지 안 큰지 판단해 해당 집합에 포함할지 안 할지 결정한다.

또한 제3 단계의 수행이 종료되면,

는 업데이트(

)(S130)되고, 다시 제2 단계를 수행한다.

즉, 제3 단계는

의 개수만큼 수행하며, 이러한 반복 수행은 모든 사용자들의 집합이

개로 분할하는 것을 의미한다.

제4 단계는 변수

와 독립적인 데이터 스트림 수

을 비교한다(S150). 제4 단계는

이면 제5 단계를 수행하고, 그렇지 않으면 사용자 스케줄링 방법을 종료한다. 더 상세하게는

가

와 같을 때까지 제5 단계를 수행하고,

가

보다 커지면 사용자 스케줄링 방법을 종료한다.

상기 종료시에는, 최종적으로 스케줄링된 집합

에 해당하는 사용자에게 다중 사용자 MIMO 빔포머로 제로 포싱 빔포밍을 사용하여 데이터를 송신한다.

제5 단계는 스케줄링을 한다(S160). 제5 단계는 SINR(Signal-to-interference-plus-noise ratio)을 최대화 시키는 사용자 인덱스를 집합

에서 각각 하나씩 산출한다. 상기 산출된 사용자 인덱스는 저장부(140)에 저장될 수 있다.

또한 제5 단계의 수행이 종료되면,

는 업데이트(

)(S170)되고, 다시 제4 단계를 수행한다.

즉, 제5 단계는

의 개수만큼 수행하며, 이러한 반복 수행은 제3 단계에서 분할된 사용자들의 집합에 대해 스케줄링을 하는 것을 의미한다. 상기 사용자들의 집합은

개이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 도2의 사용자들의 집합 분할을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.

도 3를 참조하면, 제3 단계는 모든 사용자들의 집합을

개의 집합으로 적절하게 분할한다. 제3 단계는 하기와 같은 단계를 수행할 수 있다.

제3 단계는 사용자의 집합인

를 산출한다(S121).

는 [수학식 6]을 이용하여 산출되고, 이러한 과정은 서비스를 제공받을 사용자들에 대한 후보군 집합을 찾는 과정을 의미한다.

여기서,

는 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터를 의미하고,

는 기준 기저 벡터를 의미하며,

는

인 임의의 양수를 의미한다. 또한

는 [수학식 6]에 만족되는 사용자 인덱스를 의미하고,

는 그룹 g에 속해있는 사용자들의 집합을 의미한다.

제3 단계는 [수학식 6]를 이용하여 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저벡터들과 각각 내적을 하여 기설정된 임의의 양수

보다 큰지 안 큰지 판단해 해당 집합에 포함할지 안 할지 결정한다. 특히,

가 1에 가까우면 가까울수록 사용자의 실질적 채널 벡터가 기준 기저 벡터와 잘 정렬된 사용자만을 각 집합에 포함을 시키는 것을 의미한다. 즉, 두 벡터간의 각도가 거의 0˚에 가깝다는 것을 의미한다.

따라서, 서로 다른 집합

,

에 들어있는 원소끼리는 서로 거의 직교하는 성질을 가지게 되어 각 채널에 정합하는 빔포머를 사용하여도 사용자간의 간섭이 거의 미치지 않게 된다.

제3 단계는 기준 기저 벡터(

) 대신 임의의 단위 기저 벡터(

)로

를 산출할 수 있다.

는 길이가 1인

인 벡터이고,

,

이다.

제3 단계는 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에서 산출된 사용자의 집합을 차집합한다(S122). 제3 단계는 사용자의 집합(

)를 산출한 후, 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합(

)에서 산출된 사용자의 집합을 제거한다. 또한 단계 S122는 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 집합의 차집합을 의미한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도2의 스케줄링을 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다.

도 4를 참조하면, 제5 단계는 각 그룹의 사용자 인덱스를 산출하여 스케줄링한다. 제5 단계는 하기와 같은 단계를 수행할 수 있다.

제5 단계는 최종 선택된 사용자 인덱스(

)을 산출한다(S161). 제5 단계는 자신의 채널에 정합하는 빔포머를 사용하여도 그룹 내 사용자에게 간섭은 미치지 않는다고 가정하며, 그룹 간 간섭만을 고려할 경우, 산출되는 SINR을 최대화 하는 사용자 인덱스를 집합

에서 각각 하나씩 산출한다. 따라서 단계 S161는 [수학식 8]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 최종 선택된 사용자 인덱스를 의미하고,

는 g번째 그룹의 k번째 사용자의 실질적 벡터의 norm에 대한 제곱된 값, 즉 벡터 크기의 제곱값을 의미하고, 물리적으로는 원하는 신호의 크기를 의미하며,

는 물리적으로 실질적인 잡음의 크기를 의미하고,

는 물리적으로

그룹에서 미치는 실질적인 간섭 신호 크기를 의미한다.

제5 단계는 스케줄링된 집합(

)를 산출한다(S162). 제5 단계는 [수학식 9]과 같이 산출된 사용자 인덱스를 스케줄링된 집합과 합집합을 한다. 이를 통해, 스케줄링 된 집합은 SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 업데이트가 된다.

이를 통해 사용자 스케줄링 방법은 최적화된 사용자 인덱스를 포함한 스케줄링을 산출할 수 있다. 상기 최적화는 SINR가 최대화를 시키는 사용자 인덱스일 수 있다.

즉, 사용자 스케줄링 방법은 모든 사용자가 채널 정보를 기지국에서 피드백을 할 필요없이, 기 설정된

값만 기지국과 사용자간에 공유만 하면, 사용자의 채널 정보

를 이용하여 제3 단계에서 사용자가 어떤 사용자 집합(

)에 포함하는지 산출하여 알 수 있다. 따라서, 사용자가 어떤 사용자 집합(

)에도 속하지 않으면, 사용자의 채널 정보를 피드백 하지 않고, 어떤 사용자 집합(

)에 속하면 그 인덱스값

와 제5 단계에서 개시된 사용자의 신호대간섭 더하기 잡음비 값만 기지국에게 피드백하게 된다. 기지국은 제5 단계에서의

값(

)을 산출할 수 있다(기지국은

집합과 그 집합에 속한 사용자의 신호대간섭 더하기 잡음비 값을 모두 기설정되어 있다).

다시 말하면, 사용자 스케줄링 방법은 각 사용자가 자신의 채널 정보를 기지국에서 피드백을 할 필요없이, 먼저 자신이 어떤 사용자 집합

에 포함하는지 판단한다. 만약 포함하는 집합이 있으면, 포함하는 당시의 인덱스값

와 신호대간섭 더하기 잡음비 값만 기지국에서 피드백해주면, 기지국이 최종적으로 스케줄링할 사용자 인덱스값의 집합

를 산출할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 스케줄링 방법과 종래의 스케줄링 방법의 성능 비교를 설명하기 위한 그래프이다.

도 5를 참조하면,

,

이고,

인 상황에서, 사용자 스케줄링 방법과 종래의 스케줄링 방법의 성능 비교 그래프이다. 선행문헌 1은 T. Yoo and A. Goldsmith, "On the optimality of multiantenna broadcast scheduling using zero-forcing beamforming," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 24, no. 3, pp. 528-541, 2006.에 개시된 스케줄링 방법이고, 선행문헌 2는 A. Adhikary and G. Caire, "Joint spatial division and multiplexing: Opportunistic beamforming and user grouping," arXiv: 1305.7252, May 2013.에 개시된 스케줄링 방법이다.

도 5에 도시된 것 같이, 현실적인 사용자 수인 1000명 이내의 구간뿐만 아니라, 사용자 수가 매우 많은 구간에서도 사용자 스케줄링 방법의 성능이 종래의 기술보다 압도적으로 성능이 뛰어나다는 것을 보여준다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 장치에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 하드디스크, ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1: 사용자 스케줄링 장치 110: 입력부
120: 제어부 122: 사전 빔포머
124: 다중 사용자 MIMO 빔포머 130: 출력부
140: 저장부

Claims

변수
를 기설정된 숫자로 설정하고, 상기 변수
가 독립적인 데이터 스트림 수
와 같아질 때까지 사용자들의 집합을 분할하는 단계;
상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계가 반복될 때마다 변수
는
로 업데이트하고, 상기 변수
가 독립적인 데이터 스트림 수
보다 커지면, 변수
는 상기 기설정된 숫자로 초기화하는 단계;
상기 초기화된 변수
가 상기 독립적인 데이터 스트림 수
와 같아질 때까지 스케줄링하는 단계; 및
상기 스케줄링하는 단계가 반복될 때마다 변수
는
로 업데이트하는 단계;를 포함하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법.
제 1항에 있어서,
상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는,
각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저 벡터들(
)이 하기 [수학식 1]과 같이 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된
와 비교하여 해당 집합에 대해 포함을 결정하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법:

[수학식 1]

여기서,
는 사용자의 집합을 의미하고,
는 각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터를 의미하며,
는 기준 기저 벡터를 의미하고,
는
인 임의의 양수를 의미하며,
는 [수학식 1]에 만족되는 사용자 인덱스를 의미하고,
는 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합을 의미한다.
제 1항에 있어서,
상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는,
각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 단위 기저 벡터(
)들이 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된
과 비교하여 해당 집합의 포함을 결정하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법:
여기서,
는 길이가 1인
인 벡터를 의미하고,
는 1개의 송신 안테나를 갖는 기지국의 빔포밍 행렬을 의미하며,
,
이다.
제 2항에 있어서,
상기 사용자들의 집합을 분할하는 단계는,
상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에서 상기 산출된 사용자의 집합을 [수학식 2]와 같이 차집합한 후, 차집합된 값을 상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에 대입하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법:
[수학식 2]

여기서,
는 집합의 차집합을 의미한다.
제 2항에 있어서,
상기 스케줄링하는 단계는,
[수학식 3]을 기초로 상기 사용자의 집합에서 각각 하나씩을 산출하여 SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 산출하는 것을 특징을 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법:

[수학식 3]

여기서,
는 최종 선택된 사용자 인덱스, 상기 SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 의미하고,
는 g번째 그룹의 k번째 사용자의 실질적 벡터의 norm에 대한 제곱된 값, 벡터 크기의 제곱값을 의미하고, 물리적으로는 원하는 신호의 크기를 의미하며,
는 물리적으로 실질적인 잡음의 크기를 의미하고,
는 물리적으로
그룹에서 미치는 실질적인 간섭 신호 크기를 의미하며,
는 크기가
인 벡터가 모인 행렬을 의미하고,
은 기지국이 갖는 송신 안테나의 개수를 의미하며,
는
그룹에서 사전 빔포밍 행렬을 의미한다.
제 5항에 있어서,
상기 스케줄링하는 단계는,
상기 산출된 사용자 인덱스를 [수학식 4]와 같이 스케줄링된 집합과 합집합하는 것을 특징을 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 방법:

[수학식 4]

여기서,
는 그룹 g에 속해 있는 스케줄링된 집합을 의미한다.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
변수
를 기설정된 숫자로 설정하고, 상기 변수
가 독립적인 데이터 스트림 수
와 같아질 때까지 사용자들의 집합을 분할하고,
상기 사용자들의 집합을 분할할 때마다 변수
는
로 업데이트하고, 상기 변수
가 독립적인 데이터 스트림 수
보다 커지면, 변수
는 상기 기설정된 숫자로 초기화하며,
상기 초기화된 변수
가 상기 독립적인 데이터 스트림 수
와 같아질 때까지 스케줄링하고,
상기 스케줄링을 할 때마다 변수
는
로 업데이트하는 제어부를 포함하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.
제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 기준 기저 벡터(
)들과 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된
과 비교하여 해당 집합의 포함을 결정하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.
제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
각 사용자의 정규화된 실질적 채널 벡터와 단위 기저 벡터(
)들을 내적하여 사용자의 집합을 산출하고, 산출된 사용자의 집합을 기설정된
과 비교하여 해당 집합의 포함을 결정하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.
제 9항 또는 제10항에 있어서,
상기 제어부는,
그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에서 상기 산출된 사용자의 집합을 차집합한 후, 차집합된 값을 상기 그룹 g에 속해 있는 사용자들의 집합에 대입하는 것을 특징으로 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.
제 8항에 있어서,
상기 제어부는,
SINR을 최대화하는 사용자 인덱스를 산출하는 것을 특징을 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.
제 12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 산출된 사용자 인덱스를 스케줄링된 집합과 합집합하는 것을 특징을 하는 Massive MIMO 하향링크를 위한 두 단계 빔포머 기반의 사용자 스케줄링 장치.