KR101636029B1 - 다중 셀 다중 안테나 시스템에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 방법 및 장치 - Google Patents

다중 셀 다중 안테나 시스템에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

다중 셀 다중 안테나 시스템에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 방법 및 장치가 개시된다. 다중 셀 다중 안테나(MIMO) 시스템에서 송/수신 빔포밍 벡터들을 적절히 결정함으로써 복수개의 단일 입력 단일 출력(SISO) 간섭 채널의 페어(pair)로 분할이 가능하다. 그리고 분할된 복수개의 페어(pair) 각각에 레이트 스플리팅 기법을 사용할 수 있다.

Description

다중 셀 다중 안테나 시스템에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF BEAMFORMING FOR USING RATE SPLITTING SCHEME IN MIMO INTERFERENCE CHANNEL}
아래의 실시예들은 다중 셀 다중 안테나 시스템에서의 통신 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 셀간 간섭을 제어하기 위한 통신 방법에 관한 것이다.
여러 이동 통신 시스템들은 충분한 주파수 자원 확보를 위하여 높은 캐리어 주파수를 사용하며, 이에 따라 셀 커버리지는 줄어든다. 이러한 셀 커버리지가 줄어듦에 따라 셀간 거리를 줄이거나, 전송 파워를 높이는 등의 여러 시도들이 있다. 다만, 이러한 시도들에 따르면, 셀 가장자리에 있는 사용자들은 여러 인접 셀로부터 많은 간섭을 겪을(experience) 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대상 수신기에 대응하는 대상 송신기는, 레이트 스플리팅 기법에 따라 상기 대상 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩하는 레이트 스플리팅 인코더; 및 상기 제1 스트림 및 제3 스트림이 상기 대상 수신기의 제1 수신 공간 차원에 정렬되고, 상기 제2 스트림 및 제4 스트림이 상기 대상 수신기의 제2 수신 공간 차원에 정렬되도록-상기 제3 스트림 및 상기 제4 스트림은 대상 송신기의 이웃 송신기가 송신할 스트림임- 상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림을 위한 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 송신 빔포밍부를 포함한다.
상기 송신 빔포밍부는 상기 대상 송신기부터 상기 대상 수신기 및 상기 이웃 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용할 수 있다.
상기 송신 빔포밍부는 상기 대상 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용할 수 있다. 상기 대상 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 수신기의 수신 빔포밍 벡터들은 서로 선형 독립일 수 있다.
상기 대상 송신기는 상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림을 위한 송신 빔포밍 벡터들을 생성하는 송신 빔포밍 벡터 생성부를 더 포함할 수 있다.
상기 레이트 스플리팅 인코더는 상기 이웃 수신기가 상기 이웃 수신기의 제1 공간 차원에서 수신된 제1 스트림의 공통 메시지 및 상기 이웃 수신기의 제2 공간 차원에서 수신된 제2 스트림의 공통 메시지를 디코딩할 수 있도록 상기 대상 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대상 수신기에 대응하는 대상 송신기는 레이트 스플리팅 기법에 따라 상기 대상 수신기를 위한 복수(S)개의 스트림들을 인코딩하는 레이트 스플리팅 인코더; 및 상기 대상 송신기의 안테나 수(N)가 상기 대상 수신기의 안테나 수(M)보다 많고, 상기 대상 수신기의 안테나 수와 총 수신기의 수의 곱(N_req)보다 작은 경우, 상기 대상 송신기의 (N-M)개의 스트림들 각각은 상기 대상 수신기의 (N-M)개의 공간 차원 각각에서 디코딩 가능하도록 하는 협력적 빔포밍 벡터들을 상기 (N-M)개의 스트림들을 위한 송신 빔포밍 벡터로 사용하고, 상기 대상 송신기의 나머지 S-(N-M)개의 스트림들 각각 및 상기 대상 송신기의 나머지 S-(N-M)개의 스트림들 각각에 대응하는 이웃 송신기의 스트림들 각각이 상기 대상 수신기의 S-(N-M)개의 공간 차원에 각각 정렬되도록 상기 S-(N-M)개의 스트림들을 위한 송신 빔포밍 벡터를 사용하는 송신 빔포밍부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 송신기에 대응하는 대상 수신기는, 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 제1 수신 공간 차원에서 수신된 신호로부터 제2 스트림 및 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 제2 수신 공간 차원에서 수신된 신호로부터 제1 스트림 및 제3 스트림과 관련된 성분을 제거하기 위하여 수신 빔포밍 벡터를 사용하는 수신 빔포밍부-상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림은 상기 대상 송신기에 의해 전송되고, 상기 제3 스트림 및 상기 제4 스트림은 상기 대상 송신기의 이웃 송신기에 의해 전송됨-; 및 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분이 제거된 신호로부터 디코딩 가능한 상기 제3 스트림의 공통 메시지를 제거하여 상기 제1 스트림을 디코딩하고, 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분이 제거된 신호로부터 디코딩 가능한 상기 제4 스트림의 공통 메시지를 제거하여 상기 제2 스트림을 디코딩하는 레이트 스플리팅 디코더를 포함한다.
상기 수신 빔포밍부는 상기 대상 송신기 및 상기 이웃 송신기로부터 상기 대상 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 생성된 수신 빔포밍 벡터들을 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거할 수 있다.
상기 수신 빔포밍부는 상기 대상 송신기의 송신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 송신기의 송신 빔포밍 벡터들을 고려하여 생성된 상기 수신 빔포밍 벡터를 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거할 수 있다.
상기 수신 빔포밍부는 서로 선형 독립인 상기 수신 빔포밍 벡터들을 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거할 수 있다.
상기 레이트 스플리팅 디코더는 상기 디코딩 된 상기 제3 스트림의 공통메시지를 제거하고, 상기 디코딩 된 상기 제4 스트림의 공통메시지를 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 수신기에 대응하는 대상 송신기의 송신 방법은 레이트 스플리팅 기법에 따라 상기 대상 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩하는 단계; 및 상기 제1 스트림이 상기 대상 수신기의 제2 수신 공간 차원 및 이웃 수신기의 제2 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되고, 상기 제2 스트림이 상기 대상 수신기의 제1 수신 공간 차원 및 상기 이웃 수신기의 제1 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되도록 상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림을 위한 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 단계를 포함한다.
상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 단계는 상기 대상 송신기부터 상기 대상 수신기 및 상기 이웃 수신기까지의 채널 정보 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 단계일 수 있다.
상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 단계는 상기 대상 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 단계일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 셀, 제2 셀 및 제3 셀을 포함하는 다중 셀 통신 시스템을 위한 주파수 자원을 할당하는 방법은 상기 제1 셀, 상기 제2 셀 및 상기 제3 셀 각각의 내부 셀(inner-cell)에 동일한 내부 주파수 자원을 할당하는 단계; 및 상기 제1 셀의 외부 셀(outer-cell)에 제1 주파수 자원, 상기 제2 셀의 외부 셀에 제2 주파수 자원 및 상기 제3 셀의 외부 셀에 제3 주파수 자원을 할당하는 단계를 포함하고, 상기 제1 주파수 자원, 상기 제2 주파수 자원 및 상기 제3 주파수 자원은 서로 부분적으로 겹치는 주파수 자원을 할당하는 방법이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는 상기 방법들 중 어느 하나를 수행하기 위한 프로그램이 기록될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이트 스프리팅 기법이 잘 적용될 수 있도록 다중 셀 다중 안테나 통신 시스템은 적절히 결정된 송/수신 빔포밍 벡터들을 사용함으로써 셀간 간섭을 줄일 수 있고, 다중 셀 다중 안테나 통신 시스템의 전체 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 다중 셀 다중 안테나 통신 시스템은 서로 부분적으로 겹치는 주파수 자원을 할당하는 방법을 사용함으로써 2-사용자 간섭 채널뿐만 아니라 3-사용자 이상의 간섭 채널에서도 레이트 스플리팅 기법을 적용할 수 있다.
도 1은 단일 송/수신 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅을 적용하는 통신 시스템의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 MIMO 통신 시스템이 협력적 빔포밍을 수행한 결과를 등가적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 제1 송신기를 구체적으로 나타낸 블럭도이다.
도 5는 도 2에 도시된 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 제1 수신기를 구체적으로 나타낸 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍을 수행하는 제1 송신기의 송신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 7은 다중 셀 통신 시스템을 위한 주파수 자원을 할당하는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 단일 송/수신 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅을 적용하는 통신 시스템의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이트 스플리팅을 적용하는 통신 시스템은 송신기1(110), 수신기1(120), 송신기2(130), 수신기2(140)를 포함한다.
레이트 스플리팅 기법에 따르면, 송신기1(110) 및 송신기2(130) 각각은 전송하고자 하는 메시지를 공통 메시지(common message)와 고유 메시지(private message)로 분할하여 전송한다. 이 때, 공통 메시지 및 고유 메시지의 크기, 레이트 등은 송신기1(110) 및 송신기2(130)와 수신기1(120) 및 수신기2(140) 사이의 채널들(특히, 신호 채널들의 세기 및 간섭 채널들의 세기)에 따라 적응적으로 조절될 수 있다.
공통 메시지는 해당(corresponding) 수신기 및 이웃 수신기 모두 디코딩이 가능한 메시지이다.
예를 들어, 송신기1(110)의 공통 메시지가 갖는 레이트(혹은 전송 파워)는 수신기1(120) 및 수신기2(140) 모두가 그 공통 메시지를 디코딩할 수 있도록 조절된다. 이 때, 수신기2(140)는 송신기1(110)의 공통 메시지를 디코딩할 수 있으므로, 수신된 신호로부터 송신기1(110)의 공통 메시지에 대응하는 성분을 제거할 수 있다. 수신기2(140)에서 송신기1(110)의 공통 메시지는 간섭이지만, 수신기2(140)는 그 간섭을 제거할 수 있으므로, 수신기2(140)의 수신 품질은 향상될 수 있다.
반면에, 고유 메시지는 해당 수신기에 의해 디코딩될 수 있지만, 이웃 수신기에 의해서는 디코딩될 수 없다.
예를 들어, 송신기1(110)의 고유 메시지가 갖는 레이트(혹은 전송 파워)는 수신기1(120)이 그 고유 메시지를 디코딩할 수 있고, 수신기2(140)가 그 고유 메시지를 디코딩할 수 없도록 조절된다. 이 때, 수신기2(140)에서 송신기1(110)의 고유 메시지는 간섭이며, 수신기2(140)는 그 간섭을 포함한 채로 디코딩을 수행한다.
결국, 레이트 스플리팅 기법에 의하면, 수신기들은 간섭을 부분적(partially)으로 제거할 수 있으므로, 신호 대 간섭 플러스 잡음 비(signal-to-interference plus noise ratio; SINR) 또는 전송률을 향상시킬 수 있다.
송신기1(110)은 전송하고자 하는 메시지(111)를 공통 메시지(common message) C1과 고유 메시지(private message) P1로 분할하고, C1 및 P1을 송신한다. 마찬가지로, 송신기2(130)는 전송하고자 하는 메시지(131)를 공통 메시지(common message) C2와 고유 메시지(private message) P2로 분할하고, C2 및 P2를 수신기1(120) 및 수신기2(140)로 송신한다.
이때, 수신기1(120)은 채널 h11을 통해서 메시지(111)를 수신하고, 채널 h21을 통해서 메시지(131)를 수신한다. 즉, 수신기1(120)는 C1, P1, C2, P2를 수신한다. C1, P1, C2, P2 중 C2, P2는 수신기1(120)에서 간섭이다. 그런데, 수신기1(120)은 C1, C2 및 P1을 디코딩할 수 있으므로, C2에 대응하는 성분을 제거할 수 있다. 따라서, 수신기1(120)에서는 결국 P2만 간섭으로 남는다.
마찬가지로, 수신기2(140)는 채널 h12을 통해서 메시지(111)를 수신하고, 채널 h22을 통해서 메시지(131)을 수신한다. 즉, 수신기2(140)는 C1, P1, C2, P2를 수신할 수 있으며, C1, P1, C2, P2 중 C1, P1은 수신기2(140)에서 간섭이다. 그런데 수신기2(140)는 C1, C2 및 P2를 디코딩할 수 있다. 따라서, 수신기2(140)는 C1에 의한 간섭은 제거할 수 있고, 수신기2(140)에서는 P2만 간섭으로 남는다.
이러한 레이트 스플리팅 기법은 일반적으로 두 개의 페어들만을 포함하는 네트워크에서 적용될 수 있으며, 두 개의 페어들 각각에 속하는 송신기들 및 수신기들 각각은 하나의 안테나만을 포함할 수 있다. 즉, 송신기들 및 수신기들 각각이 둘 이상의 안테나들을 포함하는 경우(즉, 다중 안테나 간섭 채널 케이스에서), 레이트 스플리팅 기법을 적용하는 것은 어려울 수 있다.
도 2는 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 2개의 송신기와 2개의 수신기가 존재하는 MIMO 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템은 제1 송신기(210), 제1 송신기(210)에 대응하는 제1 수신기(220), 제2 송신기(230) 및 제2 송신기(230)에 대응하는 제2 수신기(240)를 포함한다.
제1 송신기(210) 및 제2 송신기(230)는 각각 제1 수신기(220) 및 제2 수신기(240)를 위한 복수의 스트림(S1 및 S2, S3 및 S4)들을 동시에 송신한다. 설명의 편의를 위하여 제1 송신기(210), 제2 송신기(230), 제1 수신기(220) 및 제2 수신기(240) 각각의 안테나들의 개수는 2개로 가정한다. 하지만, 제1 송신기(210), 제2 송신기(230), 제1 수신기(220) 및 제2 수신기(240)는 3개 이상의 안테나들을 포함할 수 있으며, 이러한 경우에도 본 발명의 실시예들이 확장될 수 있다.
제1 송신기(210)는 레이트 스플리팅 인코더(211), 송신 빔포밍부(212), 안테나1 및 안테나2 를 포함한다. 제2 송신기(230)는 레이트 스플리팅 인코더(231), 송신 빔포밍부(232), 안테나3 및 안테나4를 포함한다. 제1 수신기(220)는 안테나 a, 안테나 b, 수신 빔포밍부(221) 및 레이트 스플리팅 디코더(222)를 포함한다. 제2 수신기(240)는 안테나 c, 안테나d, 수신 빔포밍부(241) 및 레이트 스플리팅 디코더(242)를 포함한다.
제1 송신기(210)의 레이트 스플리팅 인코더(231)는 레이트 스플리팅 기법에 따라 제1 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩한다.
제1 기지국(210) 및 제2 기지국(220) 각각은 2개의 신호를 송신할 수 있으며, 제1 기지국(210) 및 제2 기지국(220) 각각이 전송하는 신호(Xi)는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112010018347637-pat00001

여기서, 는 제1 기지국(210) 또는 제2 기지국(220)이 전송하려는 심볼이며, i는 스트림의 인덱스를 나타낸다. 는 송신 빔포밍 벡터이고 송신 빔포밍 벡터는 단위 벡터로서,
Figure 112010018347637-pat00002
이다. 또한, 는 의 송신 파워를 나타낸다.
수신기1(220)의 수신 신호 y1 및 수신기2(240)의 수신 신호 y2는 다음 [수학식 2]로 표현된다.
[수학식 2]
Figure 112010018347637-pat00003

여기서, 는 i번째 송신기부터 j 번째 수신기까지 채널 매트릭스(matrix)를 나타내고, 는 j 번째 수신기에서의 가산성 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise: AWGN)을 나타낸다. j번째 수신기는 yj에 수신 빔포밍 벡터(receiving beamforming vector) 를 곱하여 유효(effective) 신호를 얻는다.
3개 이상의 스트림(stream)들이 제1 수신기(220) 또는 제2 수신기(240) 각각의 하나의 신호 차원(signal dimension) 혹은 공간 차원(spatial dimension)에서 유입되는 경우, 레이트 스플리팅(rate splitting) 기법을 사용하지 못할 수 있다. 다시 말하면, 제1 수신기(220) 또는 제2 수신기(240) 각각의 하나의 신호 차원(signal dimension) 혹은 공간 차원(spatial dimension)에서 유입되는 스트림들의 개수가 2 개 이하로 제한되는 경우, 레이트 스플리팅 기법이 잘 적용될 수 있다.
레이트 스플리팅 기법이 잘 적용되기 위해서는 S1및 S3가 제1 수신기(220)의 2개의 공간 차원(spatial dimension) 중 하나의 공간 차원에 정렬(alignment)되어야 하며, 다른 채널(H12, H14)을 통해서 전송되는 S2 및 S4는 제1 수신기(220)의 또 다른 공간 차원(spatial dimension)에 정렬(alignment)되어야 한다. 또한 S1 및 S3는 제2 수신기(240)의 두 개의 공간 차원 중 하나의 공간 차원에 정렬되어야 하고, S2 및 S4는 제2 수신기(240)의 또 다른 공간 차원에 정렬되어야 한다.
이를 다르게 표현하면, S1이 제1 수신기(220)의 제2 수신 공간 차원 및 제2 수신기(240)의 제2 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되고, S2가 제1 수신기(220)의 제1 수신 공간 차원 및 제2 수신기(240)의 제1 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되어야 한다. 그리고 S3은 제1 수신기(220)의 제2 수신 공간 차원 및 제2 수신기(240)의 제2 공간 차원에서 간섭으로 정렬되어야 하고, S4는 제1 수신기(220)의 제1 수신 공간 차원 및 제2 수신기(240)의 제1 공간 차원에서 간섭으로 정렬되어야 한다. 이를 위해서는 [수학식 3]과 같은 조건이 필요하다.
[수학식 3]
Figure 112010018347637-pat00004

또한, 송신 빔포밍 벡터(V1,V2) 및 수신 빔포밍 벡터(W1,W2) 모두 단위 벡터이므로 아래 [수학식 4]의 조건이 추가로 필요하다.
[수학식 4]
Figure 112010018347637-pat00005

마지막으로, 위에서 구한 W1, W2는 서로 다른 공간 차원에 있어야 하므로 선형 독립(linearly independent)일 조건이 [수학식 5]와 같이 요구된다. W3, W4도 같은 조건이 필요하다.
[수학식 5]
Figure 112010018347637-pat00006

[수학식 5]에 나타난 제1 수신기(220) 및 제2 수신기(240)의 디코딩 조건은 하기 [수학식 6]에 나타난 조건으로 다시 쓸 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112010018347637-pat00007

여기서 은 2 x 1 랜덤 열(random column) 벡터이고,
Figure 112010018347637-pat00008
는 복소(complex) 변수를 나타낸다.
[수학식 5] 와 [수학식 6]이 동일한 이유를 예를 들어 설명하면 다음과 같다. W1과 W2가 서로 선형 독립(linearly independent)이기 위해서는 두 벡터의 선형 합(linear sum)이 임의의 랜덤 벡터 을 항상 1의 확률로 나타낼 수 있어야 한다. 다시 말하면,
Figure 112010018347637-pat00009
조건이 만족되는 상수 c1과 c2를 항상 찾을 수 있어야 한다.
간섭 정렬 조건과 제1 수신기(220) 및 제2 수신기(240)가 원하는 신호를 디코딩할 수 있기 위한 조건을 동시에 만족하는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 만들기 위해서, 상기 조건들을 하나의 통합 시스템 식(unified system equation)은 다음 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112010018347637-pat00010

여기서
Figure 112010018347637-pat00011
(i=1,2,...,8)는 임의의 상수를 나타내다. M은 송신기 각각의 안테나 수를, N은 수신기 각각의 안테나 수를 나타내고, K는 송신기의 수를 나타낸다. [수학식 7]은 일반적이 다중 연립 비선형(nonlinear) 방정식이다. [수학식 7]의 방정식의 해의 존재 유무를 먼저 살펴 보면, M(송신기 안테나 수)이 2, N(수신기 안테나 수)이 2, K(기지국 수) 가 2라는 가정을 한다면 총 (N*(N*K)+K)*N+K*N*N=28개의 방정식이 존재하며, 총 4*N+4*M+8+4=20+4M=28 개의 미지수가 존재한다.
따라서, Bezout's 이론에 의해 적어도 하나의 해가 존재함을 확인 할 수 있다. 따라서, [수학식 7]의 해(송신 빔포밍 벡터(V1,V2,V3,V4) 및 수신 빔포밍 벡터(W1,W2,W3,W4))를 일반적인 뉴튼의 방법(Newton's method)을 통해 얻어 낼 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 MIMO 통신 시스템이 협력적 빔포밍을 수행한 결과를 등가적으로 나타낸 도면이다.
[수학식7]과 같은 방법으로 송신 빔포밍 벡터(V1,V2,V3,V4) 및 수신 빔포밍 벡터(W1,W2,W3,W4)를 생성하고서 송신 빔포밍, 수신 빔포밍을 수행하면 결과적으로 도 3과 같은 2개의 단일 입력 단일 출력 간섭 채널(SISO interference channel)이 만들어 진다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
(311,312)는 제1 송신기의 레이트 스플리팅 인코더이고 (331,332)는 제2 송신기의 레이트 스플리팅 인코더이다. 또한 (321,322)는 제1 수신기의 레이트 스플리팅 디코더이고, (341,342)는 제2 수신기의 레이트 스플리팅 디코더이다.
그런데, 송신/수신 빔포밍이 수행된 이후, 제1 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(311)와 제2 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(331)가 페어(pair)를 구성한다. 즉, 제1 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(311)는 제1 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(321)와 대응되며, 제2 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(331)는 제2 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(341)와 대응된다.
또한 제1 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(312)는 제2 송신기의 레이트 스플리팅 인코더(322)와 페어(pair)를 이루어 제1 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(322) 및 제2 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(342)와 대응하게 된다. 이와 같이 서로 다른 송신기 또는 수신기의 스트림들이 2개씩 페어(pair)를 이루게 됨으로써 레이트 스플리팅 기법이 잘 적용될 수 있다.
즉, 제1 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(321)는 S1, S3를 수신하여 S3의 공통 메시지 및 S1을 디코딩할 수 있다. 따라서 S3의 공통메시지에 의한 간섭을 제거할 수 있다. 결국 S3의 고유메시지 성분이 간섭으로 남게 된다. 또한 제2 수신기의 레이트 스플리팅 디코더(341)는 S1, S3를 수신하여 S1의 공통메시지 및 S3를 디코딩할 수 있다. 따라서 S1의 공통메시지에 의한 간섭이 제거될 수 있다. 결국 S1의 고유메시지에 대응하는 성분이 간섭으로 남는다. S2, S4의 페어(pair)에서도 상술한 바와 동일하게 간섭을 줄일 수 있다.
따라서, 송신 빔포밍 및 수신 빔포밍이 수행된 이후에는 레이트 스플리팅(rate splitting) 기법이 사용될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 제1 송신기를 구체적으로 나타낸 블럭도이다.
도 4를 참조하면, 제1 송신기는 채널정보 수신부(410), 레이트 스플리팅 인코더(420), 송신 빔포밍 벡터 생성부(430) 및 송신 빔포밍부(440)를 포함한다.
레이트 스플리팅 인코더(420)는 레이트 스플리팅 기법에 따라 제1 송신기에 제1 수신기를 위해 입력 받은 스트림들인 S1, S2를 인코딩한다.
여기서 레이트 스플리팅 인코더(420)는 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 신호 및 간섭의 크기를 포함하는 채널 정보를 채널 정보 수신부(410)으로부터 수신할 수 있다.
송신 빔포밍부(440)는 S1이 제1 수신기의 제2 수신 공간 차원 및 제2 수신기의 제2 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되고, 상기 제2 스트림이 제1 수신기의 제1 수신 공간 차원 및 제2 수신기의 제1 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되도록 S1 및 S2을 위한 송신 빔포밍 벡터들을 사용하여 빔포밍을 수행한다.
송신 빔포밍부(440)는 제1 송신기부터 제1 수신기 및 제2 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 또한 제2 송신기부터 제1수신기 및 제2 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 채널 정보는 빔포밍 벡터 생성부(430)가 송신 빔포밍 벡터 생성시 반영될 수 있다. 송신 빔포밍 벡터 생성부(430)는 채널정보 수신부(410)로부터 채널 정보를 수신할 수 있다. 또한 송신 빔포밍 벡터 생성부(430)는 서로 선형 독립인 제1 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 제2 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려한 송신 빔포밍 벡터들을 생성할 수 있다. 물론 제1 송신기는 직접 송신 빔포밍 벡터들을 생성하지 않고 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 수신함으로써 빔포밍을 수행할 수도 있다.
도 5는 도 2에 도시된 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍 통신 시스템의 제1 수신기를 구체적으로 나타낸 블럭도이다.
도 5를 참조하면, 제1 수신기는 안테나a, 안테나b, 채널 정보 추정부(510), 수신 빔포밍 벡터 생성부(520), 수신 빔포밍부(530) 및 레이트 스플리팅 디코더(540)를 포함한다.
수신 빔포밍부(530)는 제1 수신기가 수신한 신호에 대해 제1 수신 공간 차원에서 S2 및 S4와 관련된 성분을 제거하고, 제2 수신 공간 차원에서 S1 및 S3과 관련된 성분을 제거하기 위하여 수신 빔포밍 벡터들을 사용하여 빔포밍을 수행한다. 여기서 S1 및 S2는 제1 수신기에 대응하는 제1 송신기에 의해 전송되고, S3 및 S4는 제1 송신기의 이웃 송신기인 제2 송신기에 의해 전송된다.
수신 빔포밍부(530)는 제1 송신기 및 제2 송신기부터 제1 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 또한 제1 송신기 및 제2 송신기부터 제2 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 빔포밍을 수행할 수 있다. 채널 정보는 빔포밍 벡터 생성부(520)가 수신 빔포밍 벡터들을 생성시 반영될 수 있다.
수신 빔포밍 벡터 생성부(520)는 채널정보 추정부(510)로부터 채널 정보를 수신할 수 있다. 또한 수신 빔포밍 벡터 생성부(520)는 서로 선형 독립인 제1 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 제2 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려한 수신 빔포밍 벡터들을 생성할 수 있다. 물론 제1 수신기는 직접 수신 빔포밍 벡터들을 생성하지 않고 수신 빔포밍 벡터들에 대한 정보를 수신함으로써 빔포밍을 수행할 수도 있다.
레이트 스플리팅 디코더(540)는 S2 및 상기 S4와 관련된 성분이 제거된 신호로부터 S3의 공통 메시지를 디코딩하여
Figure 112010018347637-pat00012
을 얻고, S1 및 상기 S3와 관련된 성분이 제거된 신호로부터 S4 공통 메시지를 디코딩하여
Figure 112010018347637-pat00013
를 얻는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍을 수행하는 제1 송신기의 송신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6을 참조하면 다중 셀 다중 안테나 간섭 채널에서 제1 수신기에 대응하는 제1 송신기는 레이트 스플리팅 기법에 따라 제1 수신기를 위한 스트림 S1 및 스트림 S2를 인코딩한다(610). 스트림 S1 및 스트림 S2를 인코딩할 때 제1 송신기 및 제2 송신기부터 제1수신기 및 제2 수신기까지의 채널 정보를 반영하여 인코딩할 수 있다.
제1 송신기는 S1이 제1 수신기의 제2 수신 공간 차원 및 제1 수신기의 이웃 수신기인 제2 수신기의 제2 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되고, S2가 제1 수신기의 제1 수신 공간 차원 및 제2 수신기의 제1 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되도록 S1 및 S2를 위한 송신 빔포밍 벡터들을 생성할 수 있다(620). 이때 송신 빔포밍 벡터들은 제1 수신기 및 제2 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려하여 송신 빔포밍 벡터들을 생성할 수 있다. 또한 제1 송신기의 이웃 송신기인 제2 송신기의 빔포밍 벡터들을 고려할 수도 있다.
제1 송신기는 S1이 제1 수신기의 제2 수신 공간 차원 및 제1 수신기의 이웃 수신기인 제2 수신기의 제2 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되고, S2가 제1 수신기의 제1 수신 공간 차원 및 제2 수신기의 제1 수신 공간 차원에서 간섭으로 정렬되도록 S1 및 S2를 위한 송신 빔포밍 벡터들을 사용하여 빔포밍을 수행한다(630).
이렇게 인코딩된 S1, S2는 상기 빔포밍 이 수행(630)된 제1 송신기를 통해 제1 수신기 및 제2 수신기로 송신된다.
지금까지 송신기의 안테나 수(N)가 2개, 수신기의 안테나 수(M)가 2개, 그리고 각 송신기가 송신하는 스트림(stream) 수(S)가 2개인 경우를 예로 설명하였다. 만약 송신기의 안테나 수(N)가 수신기의 안테나 수(M)보다 많고, N_req보다 작은 경우 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. 여기서 N_req는 협력적 빔포밍(Coordinated beamforming)기법만으로도 간섭을 제거할 수 있게 하는 최소의 송신기의 안테나 수를 의미하고, 수신기의 안테나 수(M)와 수신기의 수의 곱으로 정의된다.
대상 송신기의 (N-M)개의 스트림들 각각은 상기 대상 수신기의 (N-M)개의 공간 차원 각각에서 디코딩 가능하도록 하는 협력적 빔포밍 벡터들을 상기 (N-M)개의 스트림들을 위한 송신 빔포밍 벡터로 사용하고, 상기 대상 송신기의 나머지 S-(N-M)개의 스트림들 각각 및 상기 대상 송신기의 나머지 S-(N-M)개의 스트림들 각각에 대응하는 이웃 송신기의 스트림들 각각이 상기 대상 수신기의 S-(N-M)개의 공간 차원에 각각 정렬되도록 상기 S-(N-M)개의 스트림들을 위한 송신 빔포밍 벡터를 사용할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 S-(N-M)의 페어에 대해 레이트 스플리팅 기법을 적용할 수 있다. 즉 협력적 빔포밍과 레이트 스플리팅을 위한 정렬기법을 동시에 사용하는 것이다.
구체적으로, (N-M)개의 스트림은 간섭 채널의 널링 벡터(nulling vector)를 송신 빔포밍 벡터로 사용하여 널링(nulling)시킬 수 있다. 그리고 나머지 (S-(N-M))개의 스트림은 수신기의 M개의 서로 독립인 공간 차원(independent spatial dimension)중에서 (S-(N-M))개의 공간 차원에 대하여 (S-(N-M))개의 스트림 각각이 하나의 공간 차원에 정렬(align)되도록 송신 빔포밍 벡터 생성할 수 있고, 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행할 수 있다.
물론, 송신기 안테나 수(N)가 N_req보다 크거나 같은 경우라면 협력적 빔포밍을 위한 송신/수신 빔포밍 벡터를 생성하고 사용함으로써 간섭 문제를 해결할 수 있다.
도 7은 다중 셀 통신 시스템을 위한 주파수 자원을 할당하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면 제1 셀(711,712), 제2 셀(721,722) 및 제3 셀(731,732)을 포함하는 다중 셀 통신 시스템을 위한 주파수 자원을 할당하는 방법은 다음과 같다.
제1 셀(711,712), 제2 셀(721,722) 및 제3 셀(731,732) 각각의 내부 셀(inner-cell)(711,721,731)에 동일한 내부 주파수 자원 F1이 할당 된다.
제1 셀의 외부 셀(outer-cell)(712)에 제1 주파수 자원(F2+F4), 제2 셀의 외부 셀(722)에 제2 주파수 자원(F2+F3) 및 상기 제3 셀의 외부 셀(732)에 제3 주파수 자원(F3+F4)이 할당된다. 이때 제1 주파수 자원(F2+F4), 제2 주파수 자원(F2+F3) 및 상기 제3 주파수 자원(F3+F4)은 서로 부분적으로 겹친다.
따라서 이러한 주파수 자원을 할당하는 방법을 이용하면 3개 이상의 셀에서도 적절한 빔포밍의 수행을 통하여 레이트 스플리팅 기법을 적용할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 다중 셀 다중 안테나 시스템에서 레이트 스플리팅 기법을 사용하기 위한 빔포밍을 수행하는 송/수신 방법에 대해 설명하였다. 본 송/수신 방법에는 앞서 도 1 내지 도 5와 관련하여 다양한 실시예를 통하여 상술한 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210: 제1 송신기

Claims (17)

  1. 대상 수신기에 대응하는 대상 송신기에 있어서,
    레이트 스플리팅 기법에 따라 상기 대상 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩하는 레이트 스플리팅 인코더; 및
    상기 제1 스트림 및 제3 스트림이 상기 제2 스트림 및 제4 스트림의 정렬 없이 상기 대상 수신기의 제1 수신 공간 차원에 정렬되고, 상기 제2 스트림 및 제4 스트림이 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림의 정렬 없이 상기 대상 수신기의 제2 수신 공간 차원에 정렬되도록 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 송신 빔포밍부
    를 포함하고,
    상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림은 제1 수신 빔포밍 벡터의 스팬(span)을 적용하여 정렬되고,
    상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림은 제2 수신 빔포밍 벡터의 스팬을 적용하여 정렬되며,
    상기 제3 스트림 및 상기 제4 스트림은 대상 송신기의 이웃 송신기에 의해 송신되는 대상 송신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송신 빔포밍부는
    상기 대상 송신기부터 상기 대상 수신기까지의 채널 정보 및 상기 대상 송신기부터 상기 대상 송신기의 이웃 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 대상 송신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 빔포밍부는
    상기 대상 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 상기 대상 송신기의 이웃 수신기의 수신 빔포밍 벡터들을 고려하여 생성된 상기 송신 빔포밍 벡터들을 사용하는 대상 송신기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대상 수신기의 수신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 수신기의 수신 빔포밍 벡터들은 서로 선형 독립인 대상 송신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림을 위한 송신 빔포밍 벡터들을 생성하는 송신 빔포밍 벡터 생성부를 더 포함하는 대상 송신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이트 스플리팅 인코더는
    상기 대상 송신기의 이웃 수신기가, 상기 대상 송신기의 이웃 수신기의 제1 수신 공간 차원에서 수신된 제1 스트림의 공통 메시지 및 상기 대상 송신기의 이웃 수신기의 제2 수신 공간 차원에서 수신된 제2 스트림의 공통 메시지를 디코딩할 수 있도록 상기 대상 수신기를 위한 제1 스트림 및 제2 스트림을 인코딩하는 대상 송신기.
  7. 삭제
  8. 대상 송신기에 대응하는 대상 수신기에 있어서,
    상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 제1 수신 공간 차원에서 제2 스트림 및 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 제2 수신 공간 차원에서 제1 스트림 및 제3 스트림과 관련된 성분을 제거하기 위하여 수신 빔포밍 벡터를 사용하는 수신 빔포밍부-상기 제1 스트림 및 상기 제2 스트림은 상기 대상 송신기에 의해 전송되고, 상기 제3 스트림 및 상기 제4 스트림은 상기 대상 송신기의 이웃 송신기에 의해 전송됨-; 및
    상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분이 제거된 신호로부터 디코딩 가능한 상기 제3 스트림의 공통 메시지를 제거하여 상기 제1 스트림을 디코딩하고, 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분이 제거된 신호로부터 디코딩 가능한 상기 제4 스트림의 공통 메시지를 제거하여 상기 제2 스트림을 디코딩하는 레이트 스플리팅 디코더
    를 포함하고,
    상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림은 제1 수신 빔포밍 벡터의 스팬(span)을 적용함으로써 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림의 정렬 없이 정렬되고,
    상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림은 제2 수신 빔포밍 벡터의 스팬을 적용함으로써 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림의 정렬 없이 정렬되는 대상 수신기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신 빔포밍부는
    상기 대상 송신기로부터 상기 대상 수신기까지의 채널 정보 및 상기 이웃 송신기로부터 상기 대상 수신기까지의 채널 정보를 고려하여 생성된 수신 빔포밍 벡터들을 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거하는 대상 수신기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수신 빔포밍부는
    상기 대상 송신기의 송신 빔포밍 벡터들 및 상기 이웃 송신기의 송신 빔포밍 벡터들을 고려하여 생성된 상기 수신 빔포밍 벡터를 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거하는 대상 수신기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 수신 빔포밍부는
    서로 선형 독립인 상기 수신 빔포밍 벡터들을 사용하여 상기 대상 수신기가 수신한 신호에 대해 상기 제1 수신 공간 차원에서 상기 제2 스트림 및 상기 제4 스트림과 관련된 성분을 제거하고, 상기 제2 수신 공간 차원에서 상기 제1 스트림 및 상기 제3 스트림과 관련된 성분을 제거하는 대상 수신기.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 레이트 스플리팅 디코더는
    상기 디코딩 된 상기 제3 스트림의 공통메시지를 제거하고, 상기 디코딩 된 상기 제4 스트림의 공통메시지를 제거하는 대상 수신기.
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