KR101662316B1 - 다중 입출력 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치 - Google Patents

다중 입출력 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 송신하는 방법에 있어서, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상향링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하는 과정과, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 과정과, 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 상기 기지국의 안테나들을 통해서 상기 단말들에게 하향링크 신호들을 송신하는 과정을 포함한다.
송신 안테나당 최대 전력 제약 조건, 분산 기지국, 하향링크 송신 용량, 최적 빔 포밍, 전력 제어

Description

다중 입출력 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR TANSMITTING AND RECEIVING DATA IN A MULTIPLE INPUT MUTIPLE OUTPUT COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, 이하, 'MIMO'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, MIMO 통신 시스템은 단일 안테나를 사용하는 셀룰라(cellular) 시스템에 비해 시스템의 성능이 향상되고 대역폭 등의 효율이 증가하는 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 MIMO 통신 시스템은 실제 셀룰라 환경에 적용 시, 셀(cell)의 내부 또는 외부로부터의 간섭 신호들로 인해 실제 송신 수율이 열화되는 현상이 발생한다. 특히, 단말이 셀들 간의 커버리지(coverage) 경계 지역에 위치한 경우, 상기 단말에게 인접 셀들에 위치한 인접 기지국들로부터 수신되는 간섭 신호의 크기가, 현재 통신 중인 서빙 BS로부터 수신되는 신호의 크기와 비슷하거나 더 큰 현상이 빈번히 발생한다. 따라서 상기 현상을 해소하기 위해 셀 간의 협력적 신호 송신을 고려하는 분산 MIMO 통신 시스템이 최근 제시되고 있다.
이러한 분산 MIMO 통신 시스템은, 지리적으로 분산 배치된 기지국들이 유선 혹은 전용 회선으로 제어국과 연결되어 구성되며, 상기 기지국들은 각각 서로의 정보들을 공유하여 이를 활용한다. 따라서 상기 분산 MIMO 통신 시스템에서는 인접 기지국들로부터 수신되는 신호가 단순히 간섭 신호가 아니라, 상기 서빙 기지국으로부터 수신되는 신호와 함께 신호 품질을 크게 향상시킬 수 있는 기지국간 협력적 신호로써 사용된다.
임의의 MS에 대해서 다수의 기지국으로부터의 협력적 신호를 송신하는 방안으로는 다음과 같은 기법들이 있다.구 체적으로, 두 개의 인접 기지국으로부터의 시공간 블록 부호화(Space-Time Block Coding, 이하, 'STBC'라 칭하기로 한다) 기법과, 동일 이득 송신(Equal Gain Transmission, 이하, 'EGT'라 칭하기로 한다) 기법 및 최대 비율 송신(Maximum Ratio Transmission, 이하, 'MRT'라 칭하기로 한다) 기법 등이 포함된다.
한편, 다수의 MS들에 대한 MIMO(Multi-User MIMO, 이하, 'MU-MIMO'라 칭하기로 한다) 방안으로는 대표적으로 영점 강제화(Zero-Forcing, 이하, 'ZF'라 칭하기로 한다) 빔포밍(beam forming) 송신 방안 및 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding, 이하, ' DPC'라 칭하기로 한다)을 활용하는 ZF-DPC 방안 등이 알려져 있다. 한편, ZF 기반 송신 방안의 성능을 보다 향상시키기 위해, 단말 별 송신 신호에 전력 제어 (Power Control, 이하, 'PC'라 칭하기로 한다) 알고리즘을 적용함으로써, 송신 선처리 행렬을 최적화하는 것이 가능하다.
상기의 다양한 기법 및 방안들을 통해서 분산 기지국을 셀룰라 시스템에 적용할 수 있다. 그러나, 송신 안테나 당 최대 송출 가능한 전력 제약 조건 (Per-Antenna Power Constraint, 이하, 'PAPC'라 칭하기로 한다)하의 분산 MIMO 통신 시스템에서 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 최적의 빔포밍 방안은 현재까지 제안되지 않고 있다.
본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치를 제안한다.
또한, 본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 기지국 당 송신 가능한 최대 전력 제약 조건 하에서 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 데이터 송수신 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명에서 제안하는 방법은; 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 송신하는 방법에 있어서, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상향링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하는 과정과, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 과정과, 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 상기 기지국의 안테나들을 통해서 상기 단말들에게 하향링크 신호들을 송신하는 과정을 포함한다.
본 발명에서 제안하는 다른 방법은; 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 수신하는 방법에 있어서, 기지국의 안테나들을 통해서 송신된 하향링크 신호들을 수신하는 과정을 포함하며; 상기 하향링크 신호들은, 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 기지국이 획득한 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신되며, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들은, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상기 상향링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향링크 신호들을 기반으로 획득됨을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 장치는; 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 송신하는 기지국에 있어서, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상향링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하고, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 제어부와, 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 상기 기지국의 안테나들을 통해서 상기 단말들에게 하향링크 신호들을 송신하는 송수신부를 포함한다.
본 발명에서 제안하는 다른 장치는; 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 수신하는 단말에 있어서, 기지국의 안테나들을 통해서 송신된 하향링크 신호들을 수신하는 송수신부를 포함하며; 상기 하향링크 신호들은, 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 기지국이 획득한 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신되며, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들은, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상기 상향링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향링크 신호들을 기반으로 획득됨을 특징으로 한다.
본 발명은 MIMO 통신 시스템에서 데이터 송 수신 시, 기지국 당 송신 가능한 최대 전력 제약 조건 하에서의 이론적인 송신 데이터 율을 달성하는 최적의 빔포밍 방식 및 그에 따른 단말 별 송신 신호의 전력 제어 방안을 제공함으로써, 송신 데이터율의 최대화를 목적으로 하는 시스템 운용 시 최적의 방안으로 활용될 수 있는 효과가 있다. 본 제안 방식은 분산 기지국을 활용하는 셀룰라 시스템 뿐만 아니라, 집중식 MIMO 시스템에서 송신 안테나당 PAPC가 고려되는 경우에도 모두 최적의 성능을 나타내므로, 높은 송신 데이터율이 요구되고 있는 차세대 통신 시스템 운용에 널리 활용될 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 다중 입출력(Multiple Input Multiple Output, 이하, 'MIMO'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법 및 장치를 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명에서는 분산 기지국들 간에 협력적 신호의 송신 시, 단말 별 송신 데이터 율을 합산한 합산값이 송신 안테나 당 최대 송출 가능한 전력 제약 조건 (Per-Antenna Power Constraint, 이하, 'PAPC'라 칭하기로 한다)를 만족하면서 최대화되는 빔포밍 방식 및 이에 따른 단말 별 송신 신호의 최적 PC 방식을 제 안한다. 본 발명은, PAPC가 고려된 집중형 MIMO 시스템에도 적용 가능하며, 임의의 송수신 안테나 수를 확장한 MIMO 시스템에서도 적용 가능함은 물론이다.
본 발명에서는 상기 빔포밍 방식의 성능을 평가하기 위해, 송신 안테나 별 송신 전력의 총 합산 값이 특정 임계값 이하를 만족해야 하는 최대 전력 제약 조건 (Total Power Constraint, 이하, 'TPC'라 칭하기로 한다)을 적용한다. 즉, 상기 TPC 를 만족하는 최적 빔포머를 PAPC를 만족하는 MIMO 통신 시스템에 적용시킬 경우, 각 송신안테나 별로 할당된 TPC를 만족하는 송신 안테나들의 전력 중 상기 PAPC에 따라 상기 각 송신 안테나 별로 할당되어 있는 최대 가능 송신 전력을 초과하는 전력을 갖는 안테나들이 발생하는 문제점이 발생한다. 이로 인하여 분산 MIMO 통신 시스템 등과 같이 송신 안테나 별 최대 가능 송신 전력이 필수적인 제약 조건이 되는 통신 시스템에서 상기 TPC 기반의 송신 방안을 그대로 사용할 경우 성능 열화가 발생한다.
따라서 본 발명에서는 섹터화된 셀룰라 시스템의 구조를 사용하여 해당 섹터 내에서 사용자가 균등 분포할 때의 셀 평균 전송 데이터율의 성능 비교와, PAPC를 만족하는 MIMO 통신 시스템에서의 다양한 빔 포밍 방식 등의 비교 및 새로운 송신 선처리 행렬 구조 등을 사용하여, 최적의 빔 포밍 방식과 그에 따른 최적 PC 방안을 제안한다.
이하, 도 1을 참조하여, 분산 MIMO 통신 시스템을 구성하는 분산 기지국들을 통해서 협력적 신호를 송신하는 동작을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 통신 시스템의 구성도의 일 예이다.
도 1을 참조하면, 기지국 1 내지 5는 제어국과 유선 또는 전용회선으로 연결되어, 상기 기지국 1 내지 5 간에 정보 교류를 수행하고, 협력적 신호를 해당 단말에게 송신한다. 일 예로, 상기 기지국 1 내지 5는 동일한 주파수 대역을 사용하여 신호를 송신하며, 주파수 재사용 계수가 1이라 가정한다.
단말 1 내지 4 각각은 하나의 인접 기지국 즉, 상기 기지국 3 혹은 기지국 2로부터 비협력적 송신 (Non-Collaborative Transmission, 이하, 'NCT'라 칭하기로 한다) 신호를 수신할 수도 있고, 동일 이득 송신(Equal Gain Transmission, 이하, 'EGT'라 칭하기로 한다) 기법과 같은 협력적 신호를 수신함으로써 향상된 신호 품질을 제공받을 수도 있다. 또한, 상기 단말 1 내지 4 각각은 MU-MIMO 송신 방식에 따라 자신의 서빙 기지국이 아닌 인접 기지국들로부터 송신된 다른 단말들을 위한 신호들 역시 함께 수신할 수도 있다.
본 발명에서는 협력적 신호의 송신에 참여하는 기지국의 수를 M으로, 상기 협력적 신호를 수신하는 단일 송신 안테나를 장착한 단말의 수를 K로 정의한다.
하기 <수학식 1>은 하향링크에서의 수신 신호 모델을 나타낸다.
Figure 112009074801531-pat00001
여기서,
Figure 112009074801531-pat00002
은 네트워크 채널 행렬을 의미하고, 상기 H의 원소인
Figure 112009074801531-pat00003
는 k번째 단말과 m번째 기지국 사이의 채널이득을 나타내고, 상기 H의 원소들은 각각 평균이 '0'인 복소 가우시안 랜덤 변수이다. G는 송신 선처리 행렬로서 본 발명에서 최적화하려는 대상이다.
Figure 112009074801531-pat00004
는
Figure 112009074801531-pat00005
을 만족하는, k번째 단말이 송신하고자 하는 심볼을 나타내고,
Figure 112009074801531-pat00006
는 평균 전력
Figure 112009074801531-pat00007
= E[|z k |2]를 갖는 단말에서의 열잡음을 포함하는, 외부 기지국으로부터의 간섭 신호를 나타낸다.
이때, 기지국 m 에서 송신 가능한 최대 전력을
Figure 112009074801531-pat00008
이라 정의하면, 상기
Figure 112009074801531-pat00009
은 하기 <수학식 2>와 같이 나타내어지는 PAPC를 만족해야 한다.
Figure 112009074801531-pat00010
여기서, 하기 <수학식 3>과 같이 나타내어지는 TPC를 적용할 경우, 상기 송신 선처리 행렬인 G의 프로비니우스 놈(Frobenius norm) 즉,
Figure 112009074801531-pat00011
의 제곱이 모 든
Figure 112009074801531-pat00012
의 합 이하를 만족해야 한다.
Figure 112009074801531-pat00013
한편, 상기 송신 선처리 행렬 G는 복소 행렬로서, 단위 놈(norm)을 갖는 빔포밍 복소 열벡터 v k 들로 구성된 행렬 V= [v 1 … v K ] 및 단말 별 송신 신호에 대한 전력제어 변수로서, 음수가 아닌 않는 q k 를 대각 원소로 갖는 대각 행렬 Q을 사용하여 하기 <수학식 4>와 같이 분해된다.
G = VQ 1/2
이하, 본 발명에서 제안하는 최적 빔포밍 및 그에 따른 PC 방식은, 상기 <수학식 4>와 같이 행렬 V와 Q로 분해되는 상기 송신 선처리 행렬 G를 사용한다.
먼저, k 번째 단말에서 신호를 수신할 때, 상기 k 번째 단말은 상기 신호의 해당 수신 심볼
Figure 112009074801531-pat00014
에
Figure 112009074801531-pat00015
을 곱하여 간섭 및 잡음 신호의 분산 E[|z k |2]을 항 상 1로 만드는 자동 이득 조절(Automatic Gain Control, 이하, 'AGC'이라 칭하기로 한다.)을 선행한다고 가정한다. 또한, 본 발명에서 제안하는 최적 빔포밍 및 그에 따른 PC 방식은, 상기한 단말의 AGC 동작을 통해서 재구성된 채널 행렬 H 및 상기 k 번째 단말에 대한 채널 행 벡터 h k = [h k 1 … h kM ] 를 정의하여 사용한다.
이하, 본 발명의 제1실시 예에서는 PAPC 하의 분산 MIMO 통신 시스템에서 이론적인 데이터 율을 획득할 수 있는 최적 빔포밍 방식을 설명하기로 한다.
일반적으로, 하향링크에서의 송신 선처리 행렬 G의 최적화는 논-컨벡스(non-convex) 현상으로 인해 전체 탐색과 같은 탐색 기법이 불가피하다. 반면, 하향링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)에 해당하는 H H 를 듀얼(dual) 상향링크의 채널 행렬로 사용할 경우, 하기 <수학식 5>와 같이 컨벡스 현상이 최적화되는 상향링크에서의 수신 신호 모델이 나타내어진다.
Figure 112009074801531-pat00016
여기서, P는 상향링크에서의 전력 제어 변수 p k 를 대각 원소로 갖는 대각 행렬을 나타내며, 상기 전력 제어 변수들의 합은 하기 <수학식 6>과 같이 나타내어지 는 TPC를 만족해야 한다.
Figure 112009074801531-pat00017
u는 평균이 '0'이고, 단위 분산을 갖는 해당 단말이 송신한 송신 심볼 벡터를 나타내고, w는 미정의 공분산 행렬을 갖는 잡음 벡터를 나타낸다. 이때, 상기 듀얼 상향링크의 채널 행렬
Figure 112009074801531-pat00018
를 사용하므로, 상향링크에서의 M개의 수신안테나는 하향링크에서의 송신안테나에 대응한다. 상기 M개의 수신안테나는 적어도 하나 이상의 수신 안테나를 갖는 분산 MIMO 통신 시스템을 구성하는 기지국들의 수신 안테나들의 전체 수를 나타내며, 상기 기지국들 각각의 수신 안테나 수는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
따라서 상기 M개의 수신안테나와 그에 대응하는 송신 안테나들을 통해서 협력적 신호의 송수신이 가능하며, 해당 수신 안테나의 수신 신호 대 잡음 및 간섭 비(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio, 이하, 'SINR'이라 칭하기로 한다.)를 최대화하는 최적의 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 단말로부터 수신된 신호 별로 분리되어 유도될 수 있다. 즉, 이러한 최적의 상향링크 수신 빔포밍 벡터를
Figure 112009074801531-pat00019
로 표시할 때, 수신 빔포밍이 적용되면 하기 <수학식 7>과 같이 나타내어진다.
Figure 112009074801531-pat00020
상기 <수학식 7>과 같이 나타내어지는 최적의 상향 링크 수신 빔 포머(former)가 상기 각 단말 별로 독립적으로 결정되면, 상기 단말 별로 수신되는 데이터 율의 합이 최대화되고, 이로 인해서 상향 링크의 용량 합이 최대화된다. 이때, 상기 상향 링크의 용량 합은, P와
Figure 112009074801531-pat00021
를 최적화 변수 행렬로 갖는 수학식 즉, 하기 <수학식 23>과 같이 나타내어 진다. 따라서 본 발명에서는 상기 상향 링크의 용량 합이 최대화가 되는 최적점 즉, P와
Figure 112009074801531-pat00022
의 고정 값을 획득하고 이를 통해서, 최적 빔 포밍 방식 및 PC 방안을 제안한다. 상기 P와
Figure 112009074801531-pat00023
의 고정 값을 획득하는 구체적인 내용은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
이하, 상기 P와
Figure 112009074801531-pat00024
의 고정 값이 획득되었다고 가정하고 설명하기로 한다. 상항링크에서의 수신 신호들 간의 신호 결합을 수행할 수 있는 임의의 기지국에서 SINR을 최대화하는 최적 수신 빔포머는, 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancelation, 이하, 'SIC'이라 칭하기로 한다.)를 활용하는 최소 평균 제곱 오차 (Minimum Mean Square Error, 이하, 'MMSE'라 칭하기로 한다.) 빔포밍 방식을 사용한다. 따라서 본 발명의 제1실시 예에서는 PAPC 하에서 상기 획득한
Figure 112009074801531-pat00025
를 사용하여, 상향링크의 잡음 신호를 백색화한다. 즉, 상기 <수학식 4>와 같이 나타내어지는 상향링크에서의 수신 신호 벡터에
Figure 112009074801531-pat00026
를 곱한 후, 벡터
Figure 112009074801531-pat00027
방향으로 정사영하여 하기 <수학식 8>과 같은 나타내어지는 최적의 수신 빔포머의 빔포밍 벡터를 계산한다.
이때, 상기
Figure 112009074801531-pat00029
에 해당하는 k번째 사용자의 수신 SINR은 하기 <수학식 9>와 같이 계산된다.
Figure 112009074801531-pat00030
상기 <수학식 9>를 통해서 획득한 상기
Figure 112009074801531-pat00031
에 대한 단위 놈으로의 정규화를 적용하면, 하기 <수학식 10>과 같이 계산되는 정규화된 최적의 수신 MMSE 빔포밍 벡터가 계산된다.
Figure 112009074801531-pat00032
상기 <수학식 10>과 같이 계산된 상향 링크에서 결정된 최적의 수신 MMSE 빔포밍 벡터 v k 는 하향링크에서 DPC를 포함하는 빔포밍 행렬 V에 사용된다. 상기 상향링크에서 결정된 v k 가 하기 <수학식 11>과 같이 하향링크에서도 사용될 수 있는 이유는, 상기 <수학식 1> 및 상기 <수학식 5>에서 나타낸 바와 같은 듀얼 관계를 갖는 신호 모델에서는, 임의의 빔포머에 따른 특정 상향링크의 SINR 집합에 대해 하향링크에서도 상기 임의의 빔포머를 사용할 경우, 상기 특정 상향 링크의 SINR 집합과 동일한 하향 링크의 SINR 집합을 만족하는 전력 제어 방안이 항상 존재한다는 쌍대성 원리 때문이다.
Figure 112009074801531-pat00033
따라서 상기한 쌍대성 원리에 기반하여 본 발명에서 제안하는 최적의 하향링크 선처리 행렬 G를 계산한다. 먼저, 상기 <수학식 10>을 최적의 하향링크 전력 제어 행렬 Q의 원소인 최적화된 전력 제어 변수
Figure 112009074801531-pat00034
에 대해 정리하면, 하기 <수학식 11>과 같이 나타내어진다. 상기 최적의 하향링크 전력 제어 행렬 Q는 임의의 빔 포머에 대해 상향링크의 SINR 집합과 동일한 하향링크의 SINR 집합이 존재한다.
Figure 112009074801531-pat00035
상기 <수학식 12>에서 나타낸 바와 같이, 상기
Figure 112009074801531-pat00036
는
Figure 112009074801531-pat00037
으로부터 재귀적으로 결정되므로, 각 단말의 최적 전력 할당 값은 k = 1번째 사용자부터 순차적으로 계산된다. 또한, 상기 <수학식 12>에서 DPC의 인코딩 순서는 듀얼 상향링크의 SIC 순서와 반대이다.
추가적으로 본 발명에서는, 상기 <수학식 12>를 통해서 계산된 최적화된 전력 제어 변수 q k 를 하기 <수학식 13>과 같이 간단하게 정리한다.
Figure 112009074801531-pat00038
여기서, v k (m)은 벡터 v k 의 m번째 원소를 나타낸다.
상기 <수학식 13>은 G = VQ 1/2 로 분해된 최적의 하향링크 선처리 행렬 G에 대하여, 단말 별 송신 데이터 율의 합이 최대가 되는 지점을 나타내는 상기 <수학식 2>의 부등호가 등호인 수학식을 대입한 경우이다. 보다 구체적으로, 하향링크에서 DPC를 사용하는 경우, 단말 별 데이터 율의 합의 최대값은 하기 <수학식 14>이와 같이 계산된다.
Figure 112009074801531-pat00039
이때, 임의의 변수 집합 {q 1, v 1}에서부터 {q K- 1, v K- 1}에 대해서, 마지막 인덱스 K 에 대한 {q K , v K }는 상기 <수학식 10>과 같이 나타내어지는
Figure 112009074801531-pat00040
의 분자항에만 존재하고, 또한 k =K인
Figure 112009074801531-pat00041
에만 존재하기 때문에, 상기 {q K , v K }의 전력 성분은 하기 <수학식 15>와 같이 유일하게 결정된다.
Figure 112009074801531-pat00042
또한, 복소 벡터인 v K 의 위상(phase)은 h K 에 대한 정합 필터 형태로서, 하기 <수학식 16>과 같이 항상 해당 단말의 데이터 율을 최대화하는 위상 성분으로 결정 한다.
Figure 112009074801531-pat00043
이하, 본 발명의 제2실시 예에서는 단말과 기지국 각각의 수인 M과 K가 모두 '2'인 2
Figure 112009074801531-pat00044
2 채널에 대한 닫힌 형태의 최적 빔포머를 제안한다. 본 발명의 제2실시 예에서는 2
Figure 112009074801531-pat00045
2 채널 환경을 가정하여 설명하지만, 본 발명이 상기 단말과 기지국의 수가 '2'가 아닌 경우에도 적용 가능함은 물론이다.
본 발명의 제2실시 예에서는 최적 빔포머의 빔포밍 벡터를 하기에서 언급되는 닫힌 형태의 수식 표현들로 유도한다. 구체적으로, 하기 <수학식 17>은 PAPC 하에서 이론적인 송신 용량을 획득하는 2
Figure 112009074801531-pat00046
2 최적의 하향링크 선처리 행렬을 나타낸다.
Figure 112009074801531-pat00047
여기서,
Figure 112009074801531-pat00048
와 q k 는 각각 앞서 언급한 제1실시 예에서의 상기 <수학식 8>과, <수학식 13>을 통해서 계산되고, 이때 사용되는 최적화된 변수들은 하기 <수학식 18>과 같이 나타내어 진다. 여기서,
Figure 112009074801531-pat00049
과,
Figure 112009074801531-pat00050
는 두 개의 송신 안테나 각각에 대한 최대 송출 가능한 전력을 나타내고, A는 상기 두 개의 송신 안테나 각각에 대한 최대 송출 가능한 전력의 합 즉,
Figure 112009074801531-pat00051
를 나타낸다.
Figure 112009074801531-pat00052
상기 <수학식 18>과 같이 나타내어 지는
Figure 112009074801531-pat00053
과
Figure 112009074801531-pat00054
에 따라 나머지 변수들 즉,
Figure 112009074801531-pat00055
와
Figure 112009074801531-pat00056
는 각각 항상 "
Figure 112009074801531-pat00057
" 및 "
Figure 112009074801531-pat00058
"으로 결정되고, 상기한 바와 같이 결정된 변수들에 따라서 하기 <수학식 19> 내지 <수학식 22>과 같이 파라미터들을 정의한다.
Figure 112009074801531-pat00059
여기서,
Figure 112009074801531-pat00060
과,
Figure 112009074801531-pat00061
은 상기 두 개의 송신 안테나들을 나타내는 지시자를 나타낸다.
Figure 112009074801531-pat00062
Figure 112009074801531-pat00063
이때,
Figure 112009074801531-pat00064
임을 가정한다.
Figure 112009074801531-pat00065
상기 <수학식 18>의
Figure 112009074801531-pat00066
은 하기 <수학식 23>과 같이 나타내어지는 용량 합을 계산함으로써, 획득된다.
Figure 112009074801531-pat00067
여기서, 0 ≤
Figure 112009074801531-pat00068
≤ A 및 0 ≤
Figure 112009074801531-pat00069
≤ A 인 경우에 대하여
Figure 112009074801531-pat00070
는, 하기 <수학식 24>와 같이 계산된다.
Figure 112009074801531-pat00071
이때, 상기 P와,
Figure 112009074801531-pat00072
는 각각 하기 <수학식 25>와 같이 정의된다.
Figure 112009074801531-pat00073
그리고, 상기 고정된
Figure 112009074801531-pat00074
에 대해 하기 <수학식 26>을 계산하여, 하기 <수학식 27>과 같이 나타내어지는
Figure 112009074801531-pat00075
을 계산한다.
Figure 112009074801531-pat00076
Figure 112009074801531-pat00077
이후, 상기 <수학식 27>과 같이 나타내어지는
Figure 112009074801531-pat00078
을 상기 <수학식 23>에 대입하여 하나의 변수에 대한 식 R(
Figure 112009074801531-pat00079
)을 계산하고, 상기 하나의 변수에 대한 식 R(
Figure 112009074801531-pat00080
)에 대해 하기 <수학식 28>과 같이 미분에 의한 극값을 계산한다.
Figure 112009074801531-pat00081
최종적으로, 상기 <수학식 28>과 같이 계산된 극값에 대해
Figure 112009074801531-pat00082
= 0 및
Figure 112009074801531-pat00083
= A 일 때에 해당하는 경계값 조건을 비교함으로써, 최종적으로 상기 <수학식 18>과 같이 나타내어지는 최적화된 변수
Figure 112009074801531-pat00084
과
Figure 112009074801531-pat00085
가 결정된다.
도 2a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 방식 및 PC 방식을 평가하기 위한 통신 시스템의 구성도이다. 여기서, 통신 시스템은 섹터화된 셀룰라 시스템을 일 예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기 섹터화된 셀룰라 시스템 뿐만 아니라 다른 통신 시스템들에도 적용 가능함은 물론이다.
도 2a를 참조하면, 상기 셀룰라 시스템을 구성하는 하나의 셀은 총 6개의 섹터로 분할된다. 서로 다른 셀1과 셀2 각각의 섹터1과 섹터 2에는 각각 단말1과 단말2가 위치한다. 상기 셀1과 상기 셀2 각각에는 기지국1과 기지국2가 위치하므로, 상기 기지국1,2의 수에 대응하는 2개의 송신 안테나와, 상기 단말1,2의 수에 대응하는 2개의 수신 안테나간 협력적 송신을 나타낸다.
일 예로, 도 2a의 셀룰라 시스템은 2-타이어(tier) 구조에 해당하는 총 19개의 송신 안테나들을 고려하였으며, 각각의 송신안테나는 등 간격으로 배치되어 인접한 두 개의 송신안테나 간 거리가 모두 500[m]라고 가정하자. 채널 계수
Figure 112009074801531-pat00086
은 경로 손실 지수 3.76 및 플랫 레일리(flat Rayleigh) 분포에 따라 매 실험 당 랜덤하게 발생되며, 해당 송신안테나 당 최대 송출 가능 전력은
Figure 112009074801531-pat00087
= 30 [dBm]으로서 모든 송신 안테나가 동일하다고 가정하자. 상기 단말1,2(215, 235) 각각에서의 열 잡음 전력은 10[MHz]의 송신대역폭에 해당하는 -104[dBm]를 적용한다. 성능 평가 지표는 섹터 당 송신 안테나의 송신 대역폭 효율로서 [bps/Hz/sector]의 단위를 갖는다.
도 2b를 참조하면, 상기 셀룰라 시스템을 구성하는 하나의 셀은 총 3개의 섹 터로 분할된다. 서로 다른 셀1과, 셀2 및 셀3 각각의 섹터들 중 하나의 섹터1과 섹터2 및 섹터3에는 각각 단말1과 단말2 및 단말3이 위치한다. 상기 셀1 내지 상기 셀3 각각에 기지국1과 기지국2 및 기지국3이 위치하므로, 상기 기지국1 내지 3의 수에 대응하는 3개의 송신 안테나와, 상기 단말1 내지 3에 대응하는 3개의 수신 안테나간 협력적 송신을 나타낸다.
도 3은 도 2a에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템을 기반으로 송신안테나의 거리에 따른 데이터 전송율을 송신 방식 별로 평가한 결과 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 빔포밍 방식(이하, 'Proposed BF'로 나타내기로 한다)과 TPC 하에서의 알려진 최적 (이하, 'TPC optimal'로 나타내기로 한다) 빔포밍 방식의 성능을 나타낸다. 구체적으로, 상기 Proposed BF와 TPC optimal 각각에 대해서 노말라이즈된 각 송신안테나의 거리 '0'으로부터 노말라이즈 된 두 개의 송신 안테나의 중심 위치 ' 1'까지 일차원으로 이동시키면서 거리에 따른 데이터 율을 나타낸다.
상기 Proposed BF의 데이터 율은 실제로 PAPC 하에서의 이론적인 송신 용량에 도달하는 최대의 성능을 나타내고 있다. 이에 반해 상기 TPC optimal의 데이터 율은 상기 노멀라이즈된 송신 안테나 거리가 1에 가까울수록 상기 Proposed BF의 데이터 율보다 낮은 데이터 율을 나타냄을 알 수 있다. 이때, TPC optimal을 본 실험에 적용하기 위해서 모든 송신 안테나들의 실제 송출 전력 중 가장 큰 전력값이 PAPC 조건을 최대로 만족하도록 선처리 행렬의 모든 원소들을 동일한 비율로 스 케일한다. 상기 두 안테나의 커버리지 경계 지역(정규화 거리 1)에서 상기 Proposed BF의 성능이 상기 TPC optimal 대비 0.2 bps/Hz의 성능 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 도2a,b에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템과 3-섹터 셀룰라 시스템에서의 셀 평균 전송 데이터율 분포의 성능을 비교한 결과 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도 2a에 도시된 M= K= 2인 6-섹터 셀룰라 시스템과, 도 2b에 도시된 M= K= 3인 3-섹터 셀룰라 시스템에서, 상기 Proposed BF와 TPC optimal 별로 각각의 섹터 커버리지 영역 내에 단말을 균등하게 분포시킴에 따라 해당 섹터의 평균 송신 데이터율의 성능을 누적 분포함수 형태로 도시하였다. 결과적으로 상기 3-섹터 셀룰라 시스템의 데이터 율이 상기 6-섹터 셀룰라 시스템의 데이터 율보다 전체적으로 높게 나타난다. 그 이유는 지리적인 특성상 3-섹터 셀룰라 시스템의 경우, 하나의 주요한 외부 간섭 신호를 협력적 송신에 추가 고려함으로써 데이터 율을 더욱 높일 수 있는 장점이 있기 때문이다. 상기 6-섹터 셀룰라 시스템에서 제안하는 빔포머의 TPC optimal 대비 성능 이득은 상기 누적 분포 함수 값이 중간값인 지점에서 4%, 상기 누적 분포 함수 값이 0.1인 지점에서 20%으로 나타난다. 그리고, 상기 3-섹터 셀룰라 시스템에서는 Proposed BF 의 성능 이득이 상기 TPC optimal 대비 누적 분포 함수 값의 중간값에서 3%, 상기 누적 분포 함수 값이 0.1인 지점에서 11% 만큼 이득이 있음을 확인할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분산 MIMO 통신 시스템의 구성도의 일 예.
도 2a,b는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 방식 및 PC 방식을 평가하기 위한 통신 시스템의 구성도.
도 3은 도 2a에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템을 기반으로 송신안테나의 거리에 따른 데이터 전송율을 송신 방식 별로 평가한 결과 그래프.
도 4는 도2a,b에 도시된 6-섹터 셀룰라 시스템과 3-섹터 셀룰라 시스템에서의 셀 평균 전송 데이터율 분포의 성능을 비교한 결과 그래프.

Claims (31)

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  17. 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상향 링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하는 과정과,
    상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 과정과,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 상기 기지국의 안테나들을 통해서 상기 단말들에게 하향 링크 신호들을 송신하는 과정을 포함하며,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터는, 잡음 신호 공분산 행렬과, 상기 상향 링크 신호들 각각의 벡터와, 하향 링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)을 취한 행렬의 원소를 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 단말들에게 협력 통신을 제공하는 두 개 이상의 기지국들이 존재할 경우, 상기 두 개 이상의 기지국들 각각은 상기 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하는 과정과,
    상기 두 개 이상의 기지국들 각각이 상기 획득한 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 과정과,
    상기 두 개 이상의 기지국들 각각이 상기 획득한 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로, 상기 단말들에게 하향 링크 신호들을 송신하는 과정을 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 전력 제어 변수들은,
    상기 기지국의 안테나들과 상기 단말들 각각에 대해 일대일로 형성되는 채널 각각의 전력 이득을 제어하는 변수들의 제곱 합이 상기 최대 송신 전력과 동일한 경우 획득되는 값임을 특징으로 하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 빔포밍 벡터들은, 순차적 간섭 제거를 이용하는 최소 평균 오차 빔포밍 방식에 따라 잡음 신호 공분산 행렬을 사용하여 획득됨을 특징으로 하는 방법.
  21. 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    기지국의 안테나들을 통해서 송신된 하향 링크 신호들을 수신하는 과정을 포함하며;
    상기 하향 링크 신호들은, 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 기지국이 획득한 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신되며, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들은, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상기 상향 링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 획득되며,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터는, 잡음 신호 공분산 행렬과, 상기 상향 링크 신호들 각각의 벡터와, 하향 링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)을 취한 행렬의 원소를 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 단말들에게 협력 통신을 제공하는 두 개 이상의 기지국들이 존재할 경우, 상기 두 개 이상의 기지국들 각각으로부터 하향 링크 신호를 수신하는 과정을 더 포함하며,
    상기 하향 링크 신호들은, 상기 두 개 이상의 기지국들 각각이 상기 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 획득한 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신됨을 특징으로 하는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 전력 제어 변수들은,
    상기 기지국의 안테나들과 상기 단말들 각각에 대해 일대일로 형성되는 채널 각각의 전력 이득을 제어하는 변수들의 제곱 합이 상기 최대 송신 전력과 동일한 경우 획득되는 값임을 특징으로 하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 빔포밍 벡터들은, 순차적 간섭 제거를 이용하는 최소 평균 오차 빔포밍 방식에 따라 잡음 신호 공분산 행렬을 사용하여 획득됨을 특징으로 하는 방법.
  25. 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 송신하는 기지국에 있어서,
    하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상향 링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 획득하고, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 획득하는 제어부와,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 상기 기지국의 안테나들을 통해서 상기 단말들에게 하향 링크 신호들을 송신하는 송수신부를 포함하며,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터는, 잡음 신호 공분산 행렬과, 상기 상향 링크 신호들 각각의 벡터와, 하향 링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)을 취한 행렬의 원소를 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 기지국.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전력 제어 변수들은,
    상기 기지국의 안테나들과 상기 단말들 각각에 대해 일대일로 형성되는 채널 각각의 전력 이득을 제어하는 변수들의 제곱 합이 상기 최대 송신 전력과 동일한 경우 획득되는 값임을 특징으로 하는 기지국.
  27. 제25항에 있어서, 상기 빔포밍 벡터들은, 순차적 간섭 제거를 이용하는 최소 평균 오차 빔포밍 방식에 따라 잡음 신호 공분산 행렬을 사용하여 획득됨을 특징으로 하는 기지국.
  28. 다중 입출력 통신 시스템에서 하향링크 신호를 수신하는 단말에 있어서,
    기지국의 안테나들을 통해서 송신된 하향 링크 신호들을 수신하는 송수신부를 포함하며;
    상기 하향 링크 신호들은, 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 기지국이 획득한 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신되며, 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들은, 하향 링크에서 송신 안테나로 동작하는 기지국의 안테나들 각각에 대한 최대 송신 전력이 설정된 경우, 상기 상향 링크에서 수신 안테나로 동작하는 상기 기지국의 안테나들이 수신한 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 획득되며,
    상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터는, 잡음 신호 공분산 행렬과, 상기 상향 링크 신호들 각각의 벡터와, 하향 링크 채널 행렬의 허미션(Hermitian)을 취한 행렬의 원소를 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 단말.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 단말들에게 협력 통신을 제공하는 두 개 이상의 기지국들이 존재할 경우, 상기 송수신부는, 상기 두 개 이상의 기지국들 각각으로부터 하향 링크 신호를 수신하며,
    상기 하향 링크 신호들은, 상기 두 개 이상의 기지국들 각각이 상기 단말들의 상향 링크 신호들을 기반으로 획득한 상기 상향 링크에 대한 빔포밍 벡터들을 이용하여 상기 하향 링크에 대한 빔포밍 벡터들 및 전력 제어 변수들을 기반으로 송신됨을 특징으로 하는 단말.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 전력 제어 변수들은,
    상기 기지국의 안테나들과 상기 단말들 각각에 대해 일대일로 형성되는 채널 각각의 전력 이득을 제어하는 변수들의 제곱 합이 상기 최대 송신 전력과 동일한 경우 획득되는 값임을 특징으로 하는 단말.
  31. 제28항에 있어서, 상기 빔포밍 벡터들은, 순차적 간섭 제거를 이용하는 최소 평균 오차 빔포밍 방식에 따라 잡음 신호 공분산 행렬을 사용하여 획득됨을 특징으로 하는 단말.
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