KR101708297B1 - 송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법이 제공된다.
송신장치는 수신장치들 중 적어도 하나로부터 전체 채널 정보 또는 누적된 채널 변화량을 수신할 수 있다. 각 수신장치는 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면 추정된 전체 채널 정보를 송신장치에게 피드백하며, 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치에게 피드백할 수 있다.
송신장치는 수신된 전체 채널 정보 또는 누적된 채널 변화량 중 하나와 전송빔을 이용하여 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
MIMO, 시변 간섭 채널, 간섭 정렬, 빔포밍 행렬
Description
송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법 에 관한 것으로서, 보다 자세히는, 송신측의 전송빔을 사용하여 간섭 정렬을 수행하는 송신장치 및 그의 간섭 정렬 방법, 그리고, 수신장치 및 그의 동작 방법 에 관련된 것이다.
최근, 데이터 전송률 및 통신의 신뢰도를 향상시키기 위해 복수의 셀들을 포함하는 통신 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 복수의 셀들은 셀룰러 기지국, 펨토 기지국, 고정된(fixed) 기지국 또는 이동(mobile) 기지국, 중계기 및 단말기들을 포함한다.
복수의 셀들에 위치하는 기지국들 각각은 무선 자원의 사용 효율을 높이기 위하여 동일한 무선 자원(예를 들어, 주파수, 시간, 코드 자원 등)을 사용하여 대응하는 단말들과 통신할 수 있다. 다만, 복수의 기지국들이 동일한 무선 자원을 사용하는 경우, 단말들 각각에서 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭으로 인해 성능(throughput)이 감소할 수 있다. 따라서, 무선 자원의 사용 효율을 극대화하면서도 이러한 간섭으로 인한 성능의 감소를 최소화하는 기술이 필요하다.
복수의 셀들에 위치하는 기지국들 각각은 무선 자원의 사용 효율을 높이기 위하여 동일한 무선 자원(예를 들어, 주파수, 시간, 코드 자원 등)을 사용하여 대응하는 단말들과 통신할 수 있다. 다만, 복수의 기지국들이 동일한 무선 자원을 사용하는 경우, 단말들 각각에서 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭으로 인해 성능(throughput)이 감소할 수 있다. 따라서, 무선 자원의 사용 효율을 극대화하면서도 이러한 간섭으로 인한 성능의 감소를 최소화하는 기술이 필요하다.
제안하는 실시예에 따른 송신장치는, 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 간섭 채널 환경에 대응하는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 빔포밍 행렬 생성부; 및 상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 상기 빔포밍된 신호를 전송하는 전송부를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 수신부를 더 포함 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치는, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 채널 추정부; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 피드백부를 포함 할 수 있다.
상기 피드백부는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법은, 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 피드백되는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 빔포밍된 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 빔포밍 생성하는 단계는, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치의 동작방법은, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 피드백하는 단계는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 수신부를 더 포함 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 빔포밍 행렬 생성부는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성 할 수 있다.
상기 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치는, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 채널 추정부; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 피드백부를 포함 할 수 있다.
상기 피드백부는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법은, 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 피드백되는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 빔포밍된 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
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상기 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 빔포밍 생성하는 단계는, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 상기 복수의 송신장치 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
한편, 제안하는 실시예에 따른 수신장치의 동작방법은, 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 피드백하는 단계는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백할 수 있다.
제안되는 실시예에 따르면, 여러 사용자가 공존하는 MIMO 시변 간섭 채널에서 반복적인 최소 자승법을 이용하여 적응적으로 간섭을 정렬하는 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이로써, 원하는 빔포밍 행렬을 수렴하기 위한 반복횟수를 최소화하여도 높은 성능 향상을 제공할 수 있다. 따라서, MIMO 무선 채널이 여러 사용자들의 간섭에 의해 제한되는 경우, 원하는 수신신호와 다른 사용자의 신호를 서로 다른 공간으로 분리해 줌으로써 시스템의 신호 공간의 자유도 (degree of freedom)를 최대로 할 수 있고 이를 통하여 높은 성능 향상을 이룰 수 있다.
또한, 제안되는 실시예는, 시변 채널 환경에서도 수신장치에서의 채널 변화량을 피드백 받아서 최소한의 복잡도만으로도 채널의 변화를 따라가는 적응적 간섭 정렬 기술을 제안함으로써 실제 차세대 이동 통신 시스템의 송신장치를 구성하는 데에 핵심 기술로 사용될 수 있다.
또한, 제안되는 실시예는, 시변 채널 환경에서도 수신장치에서의 채널 변화량을 피드백 받아서 최소한의 복잡도만으로도 채널의 변화를 따라가는 적응적 간섭 정렬 기술을 제안함으로써 실제 차세대 이동 통신 시스템의 송신장치를 구성하는 데에 핵심 기술로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공기 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1은 간섭 정렬 기술을 사용하는 통신 시스템에서,
명의 사용자가 각각 M과 N개의 송, 수신 안테나를 가지고 있는 MIMO 간섭채널 (interference channel) 모델을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, Tx1, …, TxK는 송신장치, Rx1, …, RxK는 수신장치,
는 
번 째 송신장치에서의 자유도, 
(=HKK)는 
행렬로 
번 째 송신장치로부터 
번 째 수신장치까지의 MIMO 채널 행렬, 
는 간섭 정렬을 위한 
번 째 송신기에서의 빔포밍(beamforming) 행렬로 
의 크기를 갖는 행렬을 나타낸다. 송신장치의 예로는 매크로 기지국, 셀 기지국과 같은 통신 기지국, 수신장치의 예로는 셀룰러 폰과 같은 단말기를 들 수 있다.
이러한 간섭채널모델에서, 각각의 송신장치에서는 자신이 전송하고자 하는 dk×1 행렬 신호에 빔포밍 행렬(
)을 곱하여 전송하게 되며, 이는 MIMO 간섭 채널을 거쳐 각 수신장치에 전달된다. 여기서 각 수신장치의 수신 공간을 신호공간과 간섭 공간으로 분리시켜 주면 수신장치에서는 전체 신호 공간 가운데 자신의 원하는 신호만이 있는 공간만큼을 오류 없는 정보로 사용할 수 있게 되어 전체 시스템 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 이를 위하여 각 송신장치에서는 효과적으로 
을 설계하여야 한다. 이하에서는, 편의를 위해 빔포밍 행렬이라는 표현을 사용하지만, 형태는 행렬뿐만 아니라 벡터의 형태일 수 있다.
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 송신장치는 도 1에 도시된 송신장치들 중 어느 하나일 수 있다. 도 2를 참조하면, 송신장치(200)는 수신부(212), 빔포밍 행렬 생성부(214), 채널 인코더(216) 및 전송부(218)를 포함할 수 있다.
수신부(212)는 수신장치들(Rx1, …, RxK) 중 적어도 하나로부터 전체 채널 정보 또는 누적된 채널 변화량(△H)을 수신할 수 있다. 전체 채널 정보는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전송되는 채널 방향 정보와 채널 품질 정보를 포함할 수 있으며, 간섭 채널 환경에 대응하는 정보일 수 있다. 누적된 채널 변화량은 각 수신장치(Rx1, …, RxK)가 순차적으로 추정하는 채널 정보를 비교하여 이전에 추정된 채널 정보와 현재 추정된 채널 정보의 변화량을 누적한 값일 수 있다.
각 수신장치(Rx1, …, RxK)는 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백하며, 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.
또한, 수신부(212)는 통신 시스템을 제어하는 중앙 제어부(미도시)를 통해 누적된 채널 변화량 또는 전체 채널 정보를 수신할 수 있다. 즉, 송신단의 중앙에 위치하는 하나의 노드가 복수의 수신장치들(Rx1, …, RxK)로부터 채널에 대한 정보를 수신하여 해당 송신장치에게 제공할 수 있다. 이때, 중앙 제어부의 일 예로는 RNC(Radio Network Controller)를 들 수 있으며, RNC는 송신장치 외부 또는 내부에 구비될 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는, 복수의 송신장치들(Tx1, …, TxK)이 간섭 정렬을 수행하기 위해 빔포밍 행렬을 순차적으로 생성하는 순서를 나타내는 것으로서, 기설정될 수 있다.
빔포밍 행렬 생성부(215)는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전체 채널 정보 또는 채널 변화량을 수신받아, 순차적으로 각 수신장치(Rx1, …, RxK)에 대해 간섭정렬을 수행할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 수신장치(300)로부터의 수신빔은 사용하지 않고, 송신장치(200)에서 전송하기 위한 전송빔을 사용하여 간섭정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하고, 또한, 시변 채널 환경에 적응할 수 있는 빔포밍 행렬을 업데이트할 수 있다. 이는, SINR(Signal to Interference Plus Noise Ratio) 또는 SNR(Signal to Noise Ratio)을 최대화할 수 있다.
먼저, 수신부(212)가 전체 채널 정보를 수신한 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(
), 수신부(212)를 통해 수신되는 전체 채널 정보, 및 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 생성되는 최적 빔포밍 행렬을 복수의 간섭 공간이 서로 선형하도록 할 수 있다.
빔포밍 정렬을 위하여 정의된 상관계수(
)는 초기값이 주어질 수 있다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 상관계수(
)의 초기값을 이용하여 초기 빔포밍 행렬을 산출하고, 산출된 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 상관계수(
)를 재산출하는 연산을 반복적으로 수행하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상술한 빔포밍 행렬 생성부(214)의 상세한 동작은 [수학식 1] 내지 [수학식 8]과 관련된다.
구체적으로, 빔포밍 행렬 생성부(215)는 아래의 [수학식 1]을 만족하는 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. [수학식 1]은 사용자가
명이고 각 사용자가 
개의 안테나를 가진 경우 간섭 정렬이 이루어지는 조건을 식으로 나타낸 것이다.
[수학식 1]에서,
는 어떤 행렬 
의 열 공간(column space)을 뜻한다. [수학식 1]은 자신의 수신장치로 들어오는 다른 송신장치의 간섭 신호들을 같은 공간에 몰아주게 하므로 간섭 정렬은 [수학식 1]을 만족하는 
을 찾는 것이다. 다른 송신장치는 임의 수신장치에 매칭되지 않는 송신장치를 의미한다.
한편, 통신 시스템이 이러한 간섭 정렬 기술을 사용하는 경우, 적지 않은 오버헤드가 발생할 수 있다. 여기서, 오버헤드의 개념은 단말들이 간섭 채널들에 대한 정보를 피드백하는 과정에서 발생하는 오버헤드, 간섭 채널들에 대한 정보를 공유하는 과정에서 발생하는 오버헤드 및 빔포밍 행렬 또는 수신장치의 디코딩 행렬들을 반복적으로 생성하는 과정에서 발생하는 오버헤드를 포함한다.
예를 들어, 시간 분할 다중화(Time Division Duplex, TDD) 환경에서는, 각각의 송신장치(Tx1, …, TxK)와 각각의 수신장치(Rx1, …, RxK)는 반복적인(iterative) 방법을 사용하여 빔형성 벡터 및 디코딩 행렬들(w1, w2, w3)을 생성한다. 이러한 반복적인 방법을 사용하는 것 또한 통신 시스템에서 발생하는 오버헤드를 증가시킬 수 있다.
송신장치 및 수신장치의 개수가 각각 K개이고, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수가 많아 통신 시스템에서 발생하는 딜레이 및 오버헤드가 증가될 수 있다. K=3인 경우를 예로 들면, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수는 50회 정도가 요구된다. 이러한, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우와 같이, 송신장치들과 수신장치들 간에 반복회수를 감소시키면서도 통신 시스템의 오버헤드를 줄이고 high SNR을 위한 기술이 필요하다.
따라서, 제안되는 실시예에서는 수신장치의 디코딩 행렬을 고려하지 않고, [수학식 1]을 사용하여 간섭 정렬을 수행할 수 있다. [수학식 1]의 각 행은
개의 방정식으로 쓸 수 있고, 이를 각 행에 대하여 모두 만족하게 하는 
을 구하는 것이 제안하는 간섭 정렬 기술의 목적이 될 수 있다.
다시 말해서, 제안되는 실시예에서는 두 개의 서로 다른 행렬 A와 B로 구성되는 공간 C(A)와 C(B)가 같아지는 조건은 A의 모든 열벡터들이 B의 열벡터들의 선형 조합으로 표현되어야 한다는 조건을 이용할 수 있다.
예를 들어, [수학식 1]의 여러 개의 선형 방정식 중
을 만족하는 
을 구하는 경우, 
만족하는 조건을 수식으로 다시 쓰면 다음과 같다.
여기서,
는 
행렬의 
번째 열을 나타낸 벡터이며, 실시예에서 제안하는 간섭 정렬 조건은 H ij V j =H iK V K A ik T 이다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이러한 간섭 정렬 조건을 만족하는 빔포밍 행렬 
를 구함으로써, 복잡한 연산을 제거하고, 반복 회수를 감소시킴으로써 수렴 속도를 개선할 수 있다. 또한, 송신장치(200)는 독립적으로 간섭 정렬을 수행함으로써 빠르게 간섭정렬을 수행할 수 있다.
[수학식 2]는 [수학식 3]의 선형 방정식으로 표현될 수 있다. 따라서, [수학식 2]를 만족하는
를 구하는 것은 [수학식 3]을 푸는 것과 같다.
,
여기서,
는 Kronecker product 연산자, 
은 선형 대수학에서 'vec' 연산자에 해당하며, 
는 coefficient matrix로서 
을 나타낸다.
초기값으로서
가 기설정되어 있으며, 이러한 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 4]를 이용하여 
을 구할 수 있다. [수학식 4]에 의해 
가 정해지면 빔포밍 행렬 생성부(214)는 다시 [수학식 4]를 이용하여 최적의 
을 결정할 수 있다.
[수학식 4]에서
는 
의 pseudo-inverse이다. [수학식 4]로부터 기산출된 
를 이용하여 
가 산출되면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 다시 [수학식 4]에 산출된 
를 대입하여 
를 산출할 수 있다.
즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 3]과 [수학식 4]와 같은 과정을 반복함으로써,
을 만족하는 최적의 
을 산출할 수 있다. 이러한 예를 바탕으로 [수학식 1]을 만족하는 일반적인 간섭 정렬 조건을 표현하면 다음과 같다.
[수학식 5]에서
는 K(K-2)Nd × KMd 매트릭스, 
는 Nd × Md 매트릭스, vec(V j )는 Md × 1 vector, K는 user number, M은 Tx antennas, N은 Rx antennas, d는 사용자 별 데이터 스트림 수이다.
[수학식 5]를 참조하면,
행렬의 크기는 
이므로 사용자의 수가 많은 경우, overdetermined 방정식이 된다. 따라서, [수학식 5]를 만족하는 빔포밍 행렬을 모든 채널에 대해 구하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 K에 관계없이 모든 경우에 최적의 해를 찾기 위해서 최소 자승법 형태의 접근 방법을 사용할 수 있다. 즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 6]과 같은 최소 자승법을 이용하여 빔포밍 행렬의 근사 해인 
를 구할 수 있다.
빔포밍 정렬을 위한 계수인
가 초기값으로 주어진 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 4] 내지 [수학식 6]을 통하여 이를 만족하는 
을 쉽고 신속하게 구할 수 있는데, 이는 power method를 이용하여 
의 가장 큰 고유값(eigen value)에 해당하는 고유 벡터(eigen vector)를 구하는 것이다.
일반적인 [수학식 6]의 해는
의 최소 고유값에 해당하는 고유벡터이며, Power method는 가장 큰 고유값과 그에 해당하는 고유벡터를 구하는 방식이다. 따라서 
의 역행렬인 
에 power method를 적용할 경우, 
의 최소 고유값에 해당하는 고유벡터를 구할 수 있다.
주어진 시간
에서 [수학식 6]의 해를 구하는 과정은 다음과 같다.
우선,
, 
으로 초기화 한다. 그리고 [수학식 7]의 과정을 미리 정해진 횟수(m)만큼 반복한다. 예를 들어, 처음에는 초기값으로 q(1 0 … 0]을 사용하고, 그 다음부터는 이전에 구한 값인 q(n,0)=q(n-1, i)를 사용하여 반복연산할 수 있다.
[수학식 7]을 참조하면, q(0,0)은 고유 벡터의 초기값, q(n,m)은 n시간 동안 m회 반복연산된 고유값,
(n)은 Power method에 의해 구해진 근사해를 의미한다. 예를 들어, K (사용자 수) = 4, M(송신 안테나 수)=4, N(수신 안테나 수)=2, d(사용자 별 전송 데이터 스트림 수)=1인 경우, 5회 정도의 반복 연산으로 충분하다. 이는 일반적인 동작 구간에서 -34dB의 MSE는 양자화 오류 이하의 레벨에 해당하기 때문이다. 이와 같은 기준으로 해당 환경에서 적합한 반복 연산 수(m)을 결정할 수 있다.
이러한 과정을 통하여 구해진
을 이용하여 'vec' 연산을 통하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 
을 만들 수 있다. 'devec' 연산은 [수학식 5]에 기재된 'vec' 연산의 반대로서, 'vec'연산이 행렬의 열(column)을 일렬로 세워서 벡터로 만드는 과정인 경우, 'devec' 연산은 일렬로 정렬된 벡터를 행렬로 변환하는 과정일 수 있다.
또한 여기서 구한
을 이용하여 최적의 
을 구할 수 있는데 이를 수식으로 표현하면 다음 [수학식 8]과 같다.
따라서, 제안하는 방식은
가 주어진 경우, 주어진 
, [수학식 3], [수학식 5] 및 [수학식 6]을 이용하여 빔포밍 행렬 
을 산출하고, 
가 산출되면 
, [수학식 4] 및 [수학식 8]을 이용하여 
를 재산출하는 과정을 반복할 수 있다.
보다 간략히 말하면, 제안되는 실시예는 [수학식 6]과 [수학식 8]을 반복적으로 풀어 최적 빔포밍 행렬을 구함으로써 간섭 정렬을 할 수 있다. 이렇게 새롭게 제안한 간섭 정렬 과정을 좀 더 자세히 설명한 것이 도 5에 도시한 흐름도로서, 후술한다.
채널 인코더(216)는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 적용하여 송신장치(200)에서 전송하고자 하는 데이터를 채널코딩 및 변조할 수 있다. 여기서, 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘은 매우 다양할 뿐만 아니라, 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
전송부(218)는 빔포밍 행렬 생성부(214)에서 [수학식 6]을 통해 최종적으로 산출되는 최적 빔포밍 행렬
를 이용하여 채널 인코더(216)에서 인코딩된 데이터를 빔포밍하고, 빔포밍된 데이터를 포함하는 신호를 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로 전송할 수 있다. 신호는 실제로 전송할 데이터뿐만 아니라, 각 수신장치(Rx1, …, RxK) 채널 추정할 수 있도록 하는 신호를 포함하며, 파일럿 신호를 예로 들 수 있다. 전송부(218)는 하나 이상의 안테나를 구비할 수 있다.
한편, 기존의 간섭 정렬 방식은 송신장치와 수신장치 간의 지속적인 정보교환과 반복 과정을 통하여 원하는 간섭 정렬 빔포밍 행렬을 생성하므로, 이러한 반복이 발생하는 동안 단 한 명의 사용자라도 무선 채널 환경이 변하게 되면 더 이상 원하는 간섭 정렬 기법을 사용할 수 없게 된다. 또한 기존 방식이 빔포밍 행렬을 생성하는 반복 과정 동안 채널이 변하지 않는다고 하더라도 채널이 변할 때 마다 그 값을 피드백 (feedback)받아서 다시 반복 과정을 수행해야 하기 때문에 그 복잡도와 수렴 시간은 커지게 된다.
따라서, 제안되는 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 채널이 변한 수신장치(300)가 누적된 채널 변화량만을 송신장치(200)에게 피드백하고, 송신장치(200)는 피드백된 부분적인 정보, 즉, 누적된 채널 변화량을 이용하여 빔포밍 행렬을 적응적으로 변화시켜 설계할 수 있다.
수신부(212)는 복수의 수신장치들(Rx1, …, RxK)로부터 누적된 채널 변화량을 수신할 수 있다. 이하에서는, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우에 대해 설명한다. 채널 변화량은 적어도 하나의 수신장치(Rx1, …, RxK)와 복수의 송신장치들(Tx1, …, TxK) 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
수신부(212)가 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 산출된 또는 이전에 사용된 빔포밍 행렬과 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
이에 대한 자세한 설명은 [수학식 9] 내지 [수학식 12]를 참조하여 설명한다.
예를 들어,
인 경우, 첫 번째 수신장치(300)에 해당하는 채널이 변하여, 첫 번째 수신장치(300)는 채널 변화량에 해당하는 행렬을 송신장치(200)로 피드백할 수 있다.
채널 변화량이 업데이트되기 전의 채널 행렬
는 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다. 수신장치(300)는 새로운 간섭 정렬을 위한 빔형성 행렬을 구하기 위하여 채널 변화량에 따라 업데이트된 채널 행렬 
을 구성하여 송신장치(200)에게 피드백할 수 있으며, 업데이트된 채널 행렬 
는 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다.
여기서,
, 
는 각각 두 번째 및 세 번째 송신장치(Tx2, Tx3)와 첫 번째 수신장치(300)와의 채널 변화량을 나타내는 행렬이다. 이러한 경우, 기존의 방식에서는 
을 이용하여 새로운 빔형성 행렬을 처음부터 다시 구해야 하기 때문에 복잡도가 증가하고 이로 인하여 수렴 속도가 느려질 수 있다는 단점이 있다.
제안되는 실시예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 송신장치(200)의 빔포밍 행렬 생성부(214)는 업데이트된 채널 행렬
을 가지고 [수학식 6]을 만족하는 빔형성 행렬을 만들기 위해, 
의 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터를 구할 수 있다.
따라서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이러한 과정을 통하여 구해진
에 'devec' 연산을 적용하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 
을 생성할 수 있다. 
을 구하기 위해서는 
사이즈의 역 행렬 계산 과정이 필요하다. 이는 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,
이다.
빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 11]을 사용하는 경우 발생하는 복잡도를 줄이기 위하여, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 구한
정보를 이용하여 훨씬 적은 복잡도로 
을 근사하여 최적 빔포밍 행렬의 근사해를 구할 수 있으며 이를 수식으로 나타내면 [수학식 12]와 같다.
따라서, 제안한 방식을 이용하면
을 구하기 위하여 
역 행렬 계산과 행렬의 곱셈에 대한 계산량만을 필요로 하므로 이전의 방식에 비해 복잡도를 감소시킬 수 있으며 이로 인하여 실제 구현에 있어 보다 효율적임을 알 수 있다.
따라서, 제안되는 실시예에 따르면, 사용자의 채널이 변화는 시변 채널에서, 간섭 정렬은
을 업데이트 한 후 power method를 이용하여 
의 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터를 산출하고, 산출된 고유 벡터를 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상술한 실시예에 의하면, Power method에서 구하고자 하는 고유 벡터의 초기값으로 처음에는 도 3에 도시된 바와 같이 임의의 초기값
을 이용하지만 그 다음부터는 초기값으로서 이전에 구한 고유벡터를 이용할 수 있다.
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 시간의 변화는 빔 행렬의 갱신 인덱스이며, 반복 수행 과정은 반복 최소 자승법의 반복 인덱스를 의미한다.
또한, 상술한 실시예에서는 첫 번째 수신장치의 이동 속도가 빠르고, 나머지 수신장치는 상대적으로 이동 속도가 느리다는 가정하에, [수학식 10]과 같이 첫 블록행만 변하는 경우를 고려하였다. 그러나, 다른 수신장치의 채널 역시 변하는 경우에는 상술한 [수학식 9] 내지 [수학식 12]의 과정을 반복적으로 적용하여 채널 변화에 따른 송신 빔 행렬을 구할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에 따르면, 수신장치(300)는 채널 변화 정보만 피드백하므로, 모든 채널 정보를 피드백 하는 경우에 비하여 피드백 정보량을 감소시킬 수 있다.
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 수신장치(300)는 도 1에 도시된 수신장치들 중 어느 하나일 수 있다. 도 4를 참조하면, 수신장치(300)는 수신부(312), 채널 디코더(314), 채널 추정부(316) 및 피드백부(318)를 포함할 수 있다.
수신부(312)는 기설정된 간섭 정렬 설계 순서에 따라서 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 전송된 신호들을 수신할 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는 송신장치들(Tx1, …, TxK)가 간섭 정렬을 수행하기 위해 전송하기 위한 신호를 순차적으로 전송하는 순서를 포함할 수 있다. 수신부(312)가 수신한 신호는 하나의 안테나를 통해 전송되는 신호, 혹은 복수의 안테나를 통해 전송되는 빔포밍된 신호일 수 있으며, 신호의 일 예로는 파일럿 신호(Pilot Signal)를 들 수 있다.
채널 디코더(314)는 수신된 신호를 빔포밍 디코딩하고, 수신장치(300)에 대응되는 송신장치(200)로부터 전송된 데이터를 채널 디코딩한다. 여기서, 채널 디코딩을 위해 이용되는 알고리즘은 송신장치(200)에서 사용된 채널 코딩 알고리즘에 대응되고, 디코딩 알고리즘의 일 예로는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 들 수 있다.
채널 추정부(316)는 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 수신된 신호들을 이용하여 송신장치들(Tx1, …, TxK)과 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정하고, 추정된 채널 행렬로부터 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다. 예를 들어, 채널 추정부(316)는 송신장치(200)로부터 신호가 수신될 때마다 채널의 변화가 있는지 확인하고, 채널의 변화량을 누적할 수 있다. 또한, 채널 추정부(316)는 채널 추정에 의해, [수학식 9] 및 [수학식 10]과 같은 채널 행렬을 구성할 수 있다. 채널 추정에 이용되는 알고리즘의 일 예로는 Maximum Likelyhood Channel Estimation을 들 수 있으며, 채널 추정 알고리즘은 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다. 또한, 피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 추정된 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다. 후자의 경우, 누적된 채널 변화량이 △H이고, 추정된 채널 정보가 H이면, 피드백부(318)는 H'=H+△H를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 송신장치의 간섭 정렬 방법과 수신장치의 동작 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
51단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 전체 채널 정보를 수신하면, 52단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(
), 수신부(212)를 통해 수신되는 전체 채널 정보 및 초기 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 초기값이 주어진 상관계수(
)를 이용하여 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 빔포밍 행렬을 이용하여 상관계수(
)를 재산출하는 연산을 반복적으로 수행하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 Power method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 최적 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
53단계에서, 전송부(218)는 52단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다.
한편, 54단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하면, 55단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전의 빔포밍 행렬과 수신된 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma) 및 Power method를 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
그리고, 53단계에서, 전송부(218)는 55단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
간섭 정렬 과정을 설명하기 위한 도 6을 참조하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 각각의 송신장치에서 수신장치까지의 MIMO 채널 행렬
을 각 수신장치(Rx1, …, RxK)으로부터 수신하여 알고 있으며, 
의 초기값을 
라 가정한다. 또한, 시스템의 성능에 적합한 총 반복 횟수 
와 빔포밍 행렬들로 이루어진 벡터 
의 수렴성을 알아보는 Tol이라는 변수가 사용자에 의해 정의되어 있을 수 있다.
61단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 초기값이 주어진 상관계수
, 
및 [수학식 1] ~ [수학식 5]를 이용하여 
행렬을 구성할 수 있다.
62단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 6]을 만족하는 벡터
을 산출한 후, 산출된 
를 
로 저장하고, 63단계에서 'devec' 연산을 통하여 다시 송신장치들(Tx1, …, TxK)에서의 빔포밍 행렬 
을 생성할 수 있다.
64단계에서, 빔포밍 행렬을 구하기 위하여
와 
를 산출하는 과정의 반복 횟수가 기설정된 
보다 작으면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 75단계에서 이전 반복 과정에서 산출된 
와 현재의 
와 차이(즉, 변화량)에 대한 평균을 이용하여 error를 산출할 수 있다. 65단계에서, 초기 반복인 경우, error는 ∞로 가정한다.
66단계에서, 산출된 error가 기설정된 에러 한정 값인 Tol보다 크면, 67단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 현재 구한
와 [수학식 7]을 이용하여 
을 산출할 수 있다.
68단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 반복횟수를 '1'만큼 증가시키고, 상술한 과정을 반복할 수 있다. 반복과정동안, 64단계에서 반복횟수가
를 초과하거나 66단계에서 산출된 error가 Tol보다 작게 되면, 69단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 반복과정을 정지하고, 가장 최근에 구한 빔포밍 행렬(
)을 최적 빔포밍 행렬로 정한 후, 간섭 정렬 기술을 수행할 수 있다.
제안되는 실시예에 의하면, 적은 반복 횟수에 의해 빔포밍 행렬을 생성하여도 기존의 간섭 정렬 기술에 비해 빠른 성능 향상과 high SNR을 보여주고 있다. 즉, 제안된 방식을 이용할 경우에는 수렴 속도가 빠르기 때문에, 복잡도 및 연산에 따른 시간 지연을 감소함에도 불구하고 성능이 우수한 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 제안되는 실시예는 high SNR 또는 high SINR에 대해 효율적이며, low SNR 또는 low SINR을 위한 알고리즘과 병합하여 송신장치 및 수신장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
71단계에서, 수신부(312)가 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 빔포밍된 신호를 수신하면, 72단계에서 채널 추정부(316)는 수신된 신호들을 이용하여 송신장치(200)와 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정할 수 있다.
73단계에서, 추정 결과 이전에 수신된 채널에 비해 변화가 있으면, 74단계에서, 채널 추정부(316)는 추정된 채널 행렬로부터 [수학식 10]과 같이 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다.
75단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 76단계에서, 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다.
한편, 75단계에서, 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 77단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다.
상술한 제안되는 실시예에 따르면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 일반적인 동작 구간에서는 5회 정도의 반복만으로도 안정적인 성능을 보장할 수 있으므로, 수렴시간은 크게 고려하지 않을 수 있다. 따라서 시변 채널환경에서 채널이 변한 각 수신장치가 이전 시간과 현재 시간에서의 채널 변화량을 확인하고, 이를 피드백하면, 송신장치(200)는 피드백된 채널 변화량을 이용하여 간단하게 간섭 정렬 기술을 사용할 수 있다. 또한 간섭 정렬 기술을 사용하는 사용자들 중 여러 명의 채널이 변할 때에도 제안되는 실시예를 사용자들에게 순차적으로 적용할 수 있다.
제안되는 실시예에 의하면, 제안된 시변 채널에서의 적응형 간섭 정렬 기술과 비적응형 간섭 정렬 기술을 사용하였을 경우, 간단한 연산만으로도 큰 성능이득(sum-throughput(bps/Hz))을 얻을 수 있다. 또한
을 [수학식 12]와 같은 과정으로 근사하여 구하는 과정에서 생긴 성능 열화는 SNR이 25dB이하에서는 크지 않음을 알 수 있다.
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 5]를 만족하는 빔포밍 행렬을 생성하기 어려운 경우, [수학식 13]을 이용하여 [수학식 5]의 빔포밍 행렬의 근사해인
를 구할 수 있다. [수학식 13]은 각 송신장치에 대해 개별적으로 전력을 제한(individual power constraint)하는 간섭 정렬 알고리즘이다.
단,
[수학식 6]은 [수학식 5]를 만족하는 근사해를 Power Method를 이용하여 구하는 식인 반면, [수학식 13]은
을 만족하는 조건에서 
를 산출한다. 조건 
은 각 송신장치, 예를 들어, 각 기지국에서 사용하는 전력이 모두 1이 되도록 하는 것을 의미한다. 
은 
번째 사용자의 m번째 전송 심볼 스트림을 위한 빔포밍을 추출하는 대각 행렬(Diagonal Matrix)이다. 
은 1(one)과 0(zero) 성분을 포함할 수 있다.
이하에서는 [수학식 13]을 만족하거나 근사하는 빔포밍 행렬을 구하는 방법에 대해 설명한다. 먼저,
MIMO 채널 행렬인 
은 주어진다. 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 5]와 같은 
를 구하고, 
의 세트 
(예를 들어, 
)를 구한다.
그리고, 빔포밍 행렬 생성부(214)는
를 최소화하는 
에서 
를 산출하고, 산출된 
를 이용하여 
를 생성하며, 생성된 
를 vectorize하여 
를 획득할 수 있다. 이로써, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 개별 전력 제어가 가능한 간섭 정렬 알고리즘을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 14]를 만족하는 근사해를 산출하여 최적 빔포밍 행렬로 정할 수 있다. [수학식 14]는 각 송신장치에 대해 개별적으로 전력을 제한(individual power constraint)하면서 원하는 신호 전력을 사용(incorporating desired signal power)하도록 하는 간섭 정렬 알고리즘이다.
[수학식 14]에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는
을 만족하는 조건에서 
를 산출한다. 여기서, 
이며, 
이다. [수학식 14]에서 제안하는 알고리즘을 사용하는 경우, low SNR 또는 low SINR에 대해 효과적일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 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.
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.
도 1은 간섭 정렬 기술을 사용하는 통신 시스템에서,
도 1을 참조하면, Tx1, …, TxK는 송신장치, Rx1, …, RxK는 수신장치,
이러한 간섭채널모델에서, 각각의 송신장치에서는 자신이 전송하고자 하는 dk×1 행렬 신호에 빔포밍 행렬(
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 송신장치는 도 1에 도시된 송신장치들 중 어느 하나일 수 있다. 도 2를 참조하면, 송신장치(200)는 수신부(212), 빔포밍 행렬 생성부(214), 채널 인코더(216) 및 전송부(218)를 포함할 수 있다.
수신부(212)는 수신장치들(Rx1, …, RxK) 중 적어도 하나로부터 전체 채널 정보 또는 누적된 채널 변화량(△H)을 수신할 수 있다. 전체 채널 정보는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전송되는 채널 방향 정보와 채널 품질 정보를 포함할 수 있으며, 간섭 채널 환경에 대응하는 정보일 수 있다. 누적된 채널 변화량은 각 수신장치(Rx1, …, RxK)가 순차적으로 추정하는 채널 정보를 비교하여 이전에 추정된 채널 정보와 현재 추정된 채널 정보의 변화량을 누적한 값일 수 있다.
각 수신장치(Rx1, …, RxK)는 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백하며, 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.
또한, 수신부(212)는 통신 시스템을 제어하는 중앙 제어부(미도시)를 통해 누적된 채널 변화량 또는 전체 채널 정보를 수신할 수 있다. 즉, 송신단의 중앙에 위치하는 하나의 노드가 복수의 수신장치들(Rx1, …, RxK)로부터 채널에 대한 정보를 수신하여 해당 송신장치에게 제공할 수 있다. 이때, 중앙 제어부의 일 예로는 RNC(Radio Network Controller)를 들 수 있으며, RNC는 송신장치 외부 또는 내부에 구비될 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는, 복수의 송신장치들(Tx1, …, TxK)이 간섭 정렬을 수행하기 위해 빔포밍 행렬을 순차적으로 생성하는 순서를 나타내는 것으로서, 기설정될 수 있다.
빔포밍 행렬 생성부(215)는 각 수신장치(Rx1, …, RxK)로부터 전체 채널 정보 또는 채널 변화량을 수신받아, 순차적으로 각 수신장치(Rx1, …, RxK)에 대해 간섭정렬을 수행할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 수신장치(300)로부터의 수신빔은 사용하지 않고, 송신장치(200)에서 전송하기 위한 전송빔을 사용하여 간섭정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하고, 또한, 시변 채널 환경에 적응할 수 있는 빔포밍 행렬을 업데이트할 수 있다. 이는, SINR(Signal to Interference Plus Noise Ratio) 또는 SNR(Signal to Noise Ratio)을 최대화할 수 있다.
먼저, 수신부(212)가 전체 채널 정보를 수신한 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(
빔포밍 정렬을 위하여 정의된 상관계수(
상술한 빔포밍 행렬 생성부(214)의 상세한 동작은 [수학식 1] 내지 [수학식 8]과 관련된다.
구체적으로, 빔포밍 행렬 생성부(215)는 아래의 [수학식 1]을 만족하는 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. [수학식 1]은 사용자가
[수학식 1]에서,
한편, 통신 시스템이 이러한 간섭 정렬 기술을 사용하는 경우, 적지 않은 오버헤드가 발생할 수 있다. 여기서, 오버헤드의 개념은 단말들이 간섭 채널들에 대한 정보를 피드백하는 과정에서 발생하는 오버헤드, 간섭 채널들에 대한 정보를 공유하는 과정에서 발생하는 오버헤드 및 빔포밍 행렬 또는 수신장치의 디코딩 행렬들을 반복적으로 생성하는 과정에서 발생하는 오버헤드를 포함한다.
예를 들어, 시간 분할 다중화(Time Division Duplex, TDD) 환경에서는, 각각의 송신장치(Tx1, …, TxK)와 각각의 수신장치(Rx1, …, RxK)는 반복적인(iterative) 방법을 사용하여 빔형성 벡터 및 디코딩 행렬들(w1, w2, w3)을 생성한다. 이러한 반복적인 방법을 사용하는 것 또한 통신 시스템에서 발생하는 오버헤드를 증가시킬 수 있다.
송신장치 및 수신장치의 개수가 각각 K개이고, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수가 많아 통신 시스템에서 발생하는 딜레이 및 오버헤드가 증가될 수 있다. K=3인 경우를 예로 들면, 송신장치들과 수신장치들 간에 참조신호를 송수신하는 반복회수는 50회 정도가 요구된다. 이러한, 간섭 정렬 기법을 이상적으로 사용하는 경우와 같이, 송신장치들과 수신장치들 간에 반복회수를 감소시키면서도 통신 시스템의 오버헤드를 줄이고 high SNR을 위한 기술이 필요하다.
따라서, 제안되는 실시예에서는 수신장치의 디코딩 행렬을 고려하지 않고, [수학식 1]을 사용하여 간섭 정렬을 수행할 수 있다. [수학식 1]의 각 행은
다시 말해서, 제안되는 실시예에서는 두 개의 서로 다른 행렬 A와 B로 구성되는 공간 C(A)와 C(B)가 같아지는 조건은 A의 모든 열벡터들이 B의 열벡터들의 선형 조합으로 표현되어야 한다는 조건을 이용할 수 있다.
예를 들어, [수학식 1]의 여러 개의 선형 방정식 중
여기서,
[수학식 2]는 [수학식 3]의 선형 방정식으로 표현될 수 있다. 따라서, [수학식 2]를 만족하는
여기서,
초기값으로서
[수학식 4]에서
즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 3]과 [수학식 4]와 같은 과정을 반복함으로써,
[수학식 5]에서
[수학식 5]를 참조하면,
빔포밍 정렬을 위한 계수인
일반적인 [수학식 6]의 해는
주어진 시간
우선,
[수학식 7]을 참조하면, q(0,0)은 고유 벡터의 초기값, q(n,m)은 n시간 동안 m회 반복연산된 고유값,
이러한 과정을 통하여 구해진
또한 여기서 구한
따라서, 제안하는 방식은
보다 간략히 말하면, 제안되는 실시예는 [수학식 6]과 [수학식 8]을 반복적으로 풀어 최적 빔포밍 행렬을 구함으로써 간섭 정렬을 할 수 있다. 이렇게 새롭게 제안한 간섭 정렬 과정을 좀 더 자세히 설명한 것이 도 5에 도시한 흐름도로서, 후술한다.
채널 인코더(216)는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 적용하여 송신장치(200)에서 전송하고자 하는 데이터를 채널코딩 및 변조할 수 있다. 여기서, 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘은 매우 다양할 뿐만 아니라, 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
전송부(218)는 빔포밍 행렬 생성부(214)에서 [수학식 6]을 통해 최종적으로 산출되는 최적 빔포밍 행렬
한편, 기존의 간섭 정렬 방식은 송신장치와 수신장치 간의 지속적인 정보교환과 반복 과정을 통하여 원하는 간섭 정렬 빔포밍 행렬을 생성하므로, 이러한 반복이 발생하는 동안 단 한 명의 사용자라도 무선 채널 환경이 변하게 되면 더 이상 원하는 간섭 정렬 기법을 사용할 수 없게 된다. 또한 기존 방식이 빔포밍 행렬을 생성하는 반복 과정 동안 채널이 변하지 않는다고 하더라도 채널이 변할 때 마다 그 값을 피드백 (feedback)받아서 다시 반복 과정을 수행해야 하기 때문에 그 복잡도와 수렴 시간은 커지게 된다.
따라서, 제안되는 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 채널이 변한 수신장치(300)가 누적된 채널 변화량만을 송신장치(200)에게 피드백하고, 송신장치(200)는 피드백된 부분적인 정보, 즉, 누적된 채널 변화량을 이용하여 빔포밍 행렬을 적응적으로 변화시켜 설계할 수 있다.
수신부(212)는 복수의 수신장치들(Rx1, …, RxK)로부터 누적된 채널 변화량을 수신할 수 있다. 이하에서는, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우에 대해 설명한다. 채널 변화량은 적어도 하나의 수신장치(Rx1, …, RxK)와 복수의 송신장치들(Tx1, …, TxK) 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터일 수 있다.
수신부(212)가 누적된 채널 변화량을 수신하는 경우, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 산출된 또는 이전에 사용된 빔포밍 행렬과 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
이에 대한 자세한 설명은 [수학식 9] 내지 [수학식 12]를 참조하여 설명한다.
예를 들어,
채널 변화량이 업데이트되기 전의 채널 행렬
여기서,
제안되는 실시예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 송신장치(200)의 빔포밍 행렬 생성부(214)는 업데이트된 채널 행렬
따라서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이러한 과정을 통하여 구해진
여기서,
빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 11]을 사용하는 경우 발생하는 복잡도를 줄이기 위하여, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 누적된 채널 변화량을 적용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 즉, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전에 구한
따라서, 제안한 방식을 이용하면
따라서, 제안되는 실시예에 따르면, 사용자의 채널이 변화는 시변 채널에서, 간섭 정렬은
상술한 실시예에 의하면, Power method에서 구하고자 하는 고유 벡터의 초기값으로 처음에는 도 3에 도시된 바와 같이 임의의 초기값
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 시간의 변화는 빔 행렬의 갱신 인덱스이며, 반복 수행 과정은 반복 최소 자승법의 반복 인덱스를 의미한다.
또한, 상술한 실시예에서는 첫 번째 수신장치의 이동 속도가 빠르고, 나머지 수신장치는 상대적으로 이동 속도가 느리다는 가정하에, [수학식 10]과 같이 첫 블록행만 변하는 경우를 고려하였다. 그러나, 다른 수신장치의 채널 역시 변하는 경우에는 상술한 [수학식 9] 내지 [수학식 12]의 과정을 반복적으로 적용하여 채널 변화에 따른 송신 빔 행렬을 구할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에 따르면, 수신장치(300)는 채널 변화 정보만 피드백하므로, 모든 채널 정보를 피드백 하는 경우에 비하여 피드백 정보량을 감소시킬 수 있다.
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도이다.
도 4에 도시된 수신장치(300)는 도 1에 도시된 수신장치들 중 어느 하나일 수 있다. 도 4를 참조하면, 수신장치(300)는 수신부(312), 채널 디코더(314), 채널 추정부(316) 및 피드백부(318)를 포함할 수 있다.
수신부(312)는 기설정된 간섭 정렬 설계 순서에 따라서 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 전송된 신호들을 수신할 수 있다. 간섭 정렬 설계 순서는 송신장치들(Tx1, …, TxK)가 간섭 정렬을 수행하기 위해 전송하기 위한 신호를 순차적으로 전송하는 순서를 포함할 수 있다. 수신부(312)가 수신한 신호는 하나의 안테나를 통해 전송되는 신호, 혹은 복수의 안테나를 통해 전송되는 빔포밍된 신호일 수 있으며, 신호의 일 예로는 파일럿 신호(Pilot Signal)를 들 수 있다.
채널 디코더(314)는 수신된 신호를 빔포밍 디코딩하고, 수신장치(300)에 대응되는 송신장치(200)로부터 전송된 데이터를 채널 디코딩한다. 여기서, 채널 디코딩을 위해 이용되는 알고리즘은 송신장치(200)에서 사용된 채널 코딩 알고리즘에 대응되고, 디코딩 알고리즘의 일 예로는 컨벌루션 코드, 블럭코드, 혹은 컨벌루션 및 블럭코드를 혼합한 채널코딩 알고리즘을 들 수 있다.
채널 추정부(316)는 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 수신된 신호들을 이용하여 송신장치들(Tx1, …, TxK)과 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정하고, 추정된 채널 행렬로부터 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다. 예를 들어, 채널 추정부(316)는 송신장치(200)로부터 신호가 수신될 때마다 채널의 변화가 있는지 확인하고, 채널의 변화량을 누적할 수 있다. 또한, 채널 추정부(316)는 채널 추정에 의해, [수학식 9] 및 [수학식 10]과 같은 채널 행렬을 구성할 수 있다. 채널 추정에 이용되는 알고리즘의 일 예로는 Maximum Likelyhood Channel Estimation을 들 수 있으며, 채널 추정 알고리즘은 이미 잘 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다. 또한, 피드백부(318)는 채널 추정부(316)에서 산출된 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 추정된 채널 정보를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다. 후자의 경우, 누적된 채널 변화량이 △H이고, 추정된 채널 정보가 H이면, 피드백부(318)는 H'=H+△H를 송신장치(200)에게 피드백할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 송신장치의 간섭 정렬 방법과 수신장치의 동작 방법을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
51단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 전체 채널 정보를 수신하면, 52단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 빔포밍 정렬을 위한 상관계수(
53단계에서, 전송부(218)는 52단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다.
한편, 54단계에서, 수신부(212)가 수신장치(300)로부터 누적된 채널 변화량을 수신하면, 55단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 이전의 빔포밍 행렬과 수신된 누적된 채널 변화량을 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 이 때, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma) 및 Power method를 이용하여 최적 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다.
그리고, 53단계에서, 전송부(218)는 55단계에서 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 수신장치(300)에게 전송할 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도이다.
간섭 정렬 과정을 설명하기 위한 도 6을 참조하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 각각의 송신장치에서 수신장치까지의 MIMO 채널 행렬
61단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 초기값이 주어진 상관계수
62단계에서, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 6]을 만족하는 벡터
64단계에서, 빔포밍 행렬을 구하기 위하여
66단계에서, 산출된 error가 기설정된 에러 한정 값인 Tol보다 크면, 67단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 현재 구한
68단계에서 빔포밍 행렬 생성부(214)는 반복횟수를 '1'만큼 증가시키고, 상술한 과정을 반복할 수 있다. 반복과정동안, 64단계에서 반복횟수가
제안되는 실시예에 의하면, 적은 반복 횟수에 의해 빔포밍 행렬을 생성하여도 기존의 간섭 정렬 기술에 비해 빠른 성능 향상과 high SNR을 보여주고 있다. 즉, 제안된 방식을 이용할 경우에는 수렴 속도가 빠르기 때문에, 복잡도 및 연산에 따른 시간 지연을 감소함에도 불구하고 성능이 우수한 빔포밍 행렬을 생성할 수 있다. 또한, 제안되는 실시예는 high SNR 또는 high SINR에 대해 효율적이며, low SNR 또는 low SINR을 위한 알고리즘과 병합하여 송신장치 및 수신장치에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
71단계에서, 수신부(312)가 송신장치들(Tx1, …, TxK)로부터 빔포밍된 신호를 수신하면, 72단계에서 채널 추정부(316)는 수신된 신호들을 이용하여 송신장치(200)와 수신장치들(Rx1, …, RxK) 간의 채널 행렬을 추정할 수 있다.
73단계에서, 추정 결과 이전에 수신된 채널에 비해 변화가 있으면, 74단계에서, 채널 추정부(316)는 추정된 채널 행렬로부터 [수학식 10]과 같이 누적된 채널 변화량을 산출할 수 있다.
75단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값 이상이면 76단계에서, 추정된 전체 채널 정보를 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다.
한편, 75단계에서, 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 작으면 77단계에서, 피드백부(318)는 누적된 채널 변화량을 송신장치(200) 또는 중앙 제어부(미도시)에게 피드백할 수 있다.
상술한 제안되는 실시예에 따르면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 일반적인 동작 구간에서는 5회 정도의 반복만으로도 안정적인 성능을 보장할 수 있으므로, 수렴시간은 크게 고려하지 않을 수 있다. 따라서 시변 채널환경에서 채널이 변한 각 수신장치가 이전 시간과 현재 시간에서의 채널 변화량을 확인하고, 이를 피드백하면, 송신장치(200)는 피드백된 채널 변화량을 이용하여 간단하게 간섭 정렬 기술을 사용할 수 있다. 또한 간섭 정렬 기술을 사용하는 사용자들 중 여러 명의 채널이 변할 때에도 제안되는 실시예를 사용자들에게 순차적으로 적용할 수 있다.
제안되는 실시예에 의하면, 제안된 시변 채널에서의 적응형 간섭 정렬 기술과 비적응형 간섭 정렬 기술을 사용하였을 경우, 간단한 연산만으로도 큰 성능이득(sum-throughput(bps/Hz))을 얻을 수 있다. 또한
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 5]를 만족하는 빔포밍 행렬을 생성하기 어려운 경우, [수학식 13]을 이용하여 [수학식 5]의 빔포밍 행렬의 근사해인
단,
[수학식 6]은 [수학식 5]를 만족하는 근사해를 Power Method를 이용하여 구하는 식인 반면, [수학식 13]은
이하에서는 [수학식 13]을 만족하거나 근사하는 빔포밍 행렬을 구하는 방법에 대해 설명한다. 먼저,
그리고, 빔포밍 행렬 생성부(214)는
한편, 제안되는 다른 실시예에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는 [수학식 14]를 만족하는 근사해를 산출하여 최적 빔포밍 행렬로 정할 수 있다. [수학식 14]는 각 송신장치에 대해 개별적으로 전력을 제한(individual power constraint)하면서 원하는 신호 전력을 사용(incorporating desired signal power)하도록 하는 간섭 정렬 알고리즘이다.
[수학식 14]에 의하면, 빔포밍 행렬 생성부(214)는
본 발명의 실시 예에 따른 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.
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.
도 1은 간섭 정렬 기술을 사용하는 통신 시스템을 도시한 도면,
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도,
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면,
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도,
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도, 그리고,
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 송신장치 212 : 수신부
214 : 빔포밍 행렬 생성부 216 : 채널 인코더
218 : 전송부 300 : 수신장치
312 : 수신부 314 : 채널 디코더
316 : 채널 추정부 318 : 피드백부
도 2는 제안되는 실시예에 따른 송신장치 및 수신장치를 도시한 블록도,
도 3은 시변 채널에 따라 적응적으로 구해지는 간섭 정렬을 위한 빔포밍 행렬을 구하는 과정을 시간의 변화와 각 시간에서의 반복 수행과정으로 구분하여 보여주는 도면,
도 4는 제안되는 실시예에 따른 수신장치를 도시한 블록도,
도 5는 제안되는 실시예에 따른 송신장치의 간섭 정렬 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 6은 도 5에 도시된 52단계를 구체적으로 설명하기 위한 흐름도, 그리고,
도 7은 제안되는 실시예에 따른 수신장치의 동작 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200 : 송신장치 212 : 수신부
214 : 빔포밍 행렬 생성부 216 : 채널 인코더
218 : 전송부 300 : 수신장치
312 : 수신부 314 : 채널 디코더
316 : 채널 추정부 318 : 피드백부
Claims (20)
- 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 간섭 채널 환경에 대응하는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 빔포밍 행렬 생성부; 및상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 상기 빔포밍된 신호를 전송하는 전송부를 포함하고,상기 빔포밍 행렬 생성부는 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는송신장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 빔포밍 행렬 생성부는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용하는 송신장치.
- 제 1항에 있어서,상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수 신하는 수신부를 더 포함하는 송신장치.
- 제 1항에 있어서,상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 송신장치.
- 제 1항에 있어서,상기 빔포밍 행렬 생성부는, 시변 채널에서 상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 송신장치.
- 제 6항에 있어서,상기 빔포밍 행렬 생성부는 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 송신장치.
- 제 6항에 있어서,상기 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 복수의 송신장치들 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터인 송신장치.
- 적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 수신부;상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 채널 추정부; 및상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 피드백부를 포함하고,상기 빔포밍된 신호는, 상관계수의 초기값을 이용하여 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여, 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 생성된 최적 빔포밍 행렬에 기초하여 생성되는수신장치.
- 제 9항에 있어서,상기 피드백부는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 수신장치.
- 빔포밍 정렬을 위한 상관계수, 피드백되는 전체 채널 정보 및 빔포밍 행렬을 이용하여 간섭 정렬을 위한 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계; 및상기 생성된 최적 빔포밍 행렬을 이용하여 신호를 빔포밍한 후 적어도 하나의 수신장치에게 상기 빔포밍된 신호를 전송하는 단계를 포함하고,상기 생성하는 단계는, 상기 상관계수의 초기값을 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 상기 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는간섭 정렬 방법.
- 삭제
- 제 11항에 있어서,상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계는, Power Method를 이용하여 산출되는 고유 벡터를 상기 최적 빔포밍 행렬로 사용하는 간섭 정렬 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 적어도 하나의 수신장치로부터 피드백되는 상기 전체 채널 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 간섭 정렬 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 크면, 상기 상관계수, 상기 전체 채널 정보 및 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 간섭 정렬 방법.
- 제 11항에 있어서,상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계는, 시변 채널에서 상기 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량이 기준값보다 작으면, 기산출된 전송 빔포밍 행렬과 상기 채널 변화량을 이용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 간섭 정렬 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 단계는, 역행렬 정리(Matrix Inversion Lemma)에 상기 누적된 채널 변화량을 적용하여 상기 최적 빔포밍 행렬을 생성하는 간섭 정렬 방법.
- 제 16항에 있어서,상기 적어도 하나의 수신장치에서 누적된 채널 변화량은 상기 적어도 하나의 수신장치와 복수의 송신장치들 간의 채널 변화량을 보여주는 행렬 또는 벡터인 간섭 정렬 방법.
- 복수의 수신장치 중 하나의 수신장치의 동작방법에 있어서,적어도 하나의 송신장치로부터 빔포밍된 신호를 수신하는 단계;상기 수신된 신호로부터 채널 정보를 추정하고, 상기 추정된 채널 정보로부터 누적된 채널 변화량을 산출하는 단계; 및상기 누적된 채널 변화량이 기설정된 기준값보다 크면, 상기 추정된 채널 정보를 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 단계를 포함하고,상기 빔포밍된 신호는, 상관계수의 초기값을 이용하여 산출된 빔포밍 행렬을 이용하여, 상기 상관계수를 재산출하는 반복연산을 통해 생성된 최적 빔포밍 행렬에 기초하여 생성되는 동작방법
- 제 19항에 있어서,상기 피드백하는 단계는, 상기 누적된 채널 변화량이 상기 기준값보다 작으면 상기 누적된 채널 변화량을 상기 적어도 하나의 송신장치에게 피드백하는 동작방법.
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