KR101726593B1

KR101726593B1 - 분산 안테나를 사용하는 무선통신 시스템에서 제한된 정보량을 이용하여 채널 상태 정보를 피드백 하기 위한 송신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101726593B1
Application number: KR1020100124022A
Authority: KR
Inventors: 문철; 김성태; 육종관; 김윤선; 한진규
Original assignee: 삼성전자주식회사; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2017-04-13
Also published as: KR20120063027A; US20120140663A1; US8908548B2

Abstract

본 발명은 분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 수신기의 채널 상태 정보 피드백 방법에 관한 것으로서, 복수 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP) 중에서 느린 페이딩을 이용하여 후보 AP 집합을 결정하는 후보 AP 집합 결정 단계, 상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 이용하여 활성 AP 집합을 선택하는 활성 AP 집합 전송 단계 및 상기 후보 AP 집합과, 상기 활성 AP 집합과, 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 송신기로 피드백하는 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산 안테나를 사용하는 무선통신 시스템에서 제한된 정보량을 이용하여 채널 상태 정보를 피드백 하기 위한 송신 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS FOR LIMITED FEEDBACK OF CHANNEL STATE INFORMATION IN DISTRIBUTED ANTENNA SYSTEMS BASED WIRELESS COMMUNICATION}

본 발명은 하향 링크 분산 안테나 시스템 (distributed antenna system, DAS) 에서, DAS 채널 특성을 이용하여, 많은 송신 안테나를 사용하는 DAS 송신기 구조에서도 제한된 양의 정보만을 사용하여 하향링크 채널상태 정보를 효과적으로 피드백 하는 기술의 데이터 송수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

DAS는 신호 처리가 수행되는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit, CPU)와 송신 안테나를 유무선 통신망으로 연결하고, 송신 안테나를 셀 전체 영역에 골고루 분산시켜, 단말(Access Terminal, AT)가 인접한 몇 개의 분산된 안테나들과 가상의 셀 (virtual cell)을 형성하도록 한다. 이러한 DAS는 넓은 지역에 분산된 송신 안테나 때문에 거시적인(macroscopic) 다이버시티 이득을 얻을 수 있으며, 셀 경계에 위치하는 AT에게도 높은 용량과 양질의 통신 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 각 송신 안테나의 송신 전력을 감소시켜 셀간 간섭을 줄임으로써, 시스템 용량을 증가 시킬 것으로 기대된다. 따라서, DAS는 4세대 무선통신 시스템에서 중요한 핵심 기술로서 역할을 할 것으로 기대된다.

CPU는 공간적으로 분산된 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP)들과 연결되고, 각 AP가

개의 송신 안테나를 사용한다고 가정할 때, CPU에서 생성된 하향 링크 데이터들은 총

개의 송신 안테나를 통해 동시에 전송되고, 수신기에서 다수의 수신 안테나를 이용하여 신호를 수신할 경우, DAS는 멀티입력 멀티 출력(multiple-input multiple-output, MIMO) 기술을 통해 하향 링크 데이터를 효과적으로 전송할 수 있다.

MIMO 기술들은 송신기와 수신기에서 공간 신호 처리(spatial processing)가 요구되며, 이를 위해서는 송신기와 수신기 사이의 MIMO 채널상태 정보(channel state information, CSI)를 송신기와 수신기가 가지고 있어야 한다. 특히, 하향 링크에서는 BTS(Base Transceiver Station, 또는 송신기, 이하 동일하다) 의

개의 송신 안테나로부터 AT (access terminal, 또는 수신기, 이하 동일하다)의

개의 수신 안테나로의 하향 링크 MIMO 채널 정보를 송신기가 가지고 있어야 한다. 주파수 분할 다중화 (frequency division multiplexing, FDD) 시스템은 하향 링크와 상향 링크가 서로 다른 주파수 대역을 사용하기 때문에, BTS에서 하향 링크 CSI를 가지기 위해서는, 수신기에서 하향 링크 채널을 추정하고 추정된 하향 링크 CSI를 송신기로 피드백 해야 한다. 채널상태 정보 (CSI)를 송신기로 피드백 하기 위해서는 많은 역방향 링크 정보 전송이 요구 되기 때문에, 최소한의 피드백 정보만을 이용하여 채널상태 정보를 송신기로 전달하는 효과적인 피드백 기술이 필요하다. 그러나, DAS의 송신 안테나 수는 필연적으로 증가할 것이며, 이로 인해 피드백 해야 할 채널상태 정보 또한 가파르게 증가할 것이다. 따라서, DAS의 송신 안테나 수가 증가하더라도, 제한된 양의 피드백 정보만을 이용하여 채널상태 정보를 송신기로 전달하는 피드백 기술이 필요하다.

DAS의 채널 환경은 기존의 co-located MIMO의 채널 환경과는 매우 상이하다. 특히, 한 AT와 셀 내에 존재하는 AP들간의 전파경로가 매우 다르기 때문에, 서로 다른 AP들로부터 수신되는 평균 신호 대 잡음비(Signal-To-Noise Ratio, SNR)의 차이가 매우 크다. 또한, 동일 AP의 송신 안테나들로부터 한 AT로의 채널은 상호 연관(correlated) 되어있지만, 다른 AP들의 송신 안테나들간의 채널은 비상관(uncorrelated)된 채널 특성, 즉 상호연관된(correlated) 채널 환경과 비상관된(uncorrelated) 채널 환경이 혼재된 채널 특성을 가진다. 따라서, 기존 MIMO 기술에서 사용하는 피드백 기술을 그대로 DAS에 적용할 경우, 좋은 성능을 기대할 수 없기 때문에, DAS 채널 환경에 적합한 새로운 피드백 기술이 요구된다.

결론적으로, DAS의 효과적인 하향링크 데이터 전송을 위해서는, DAS 채널 환경에 적합하면서, 많은 송신 안테나를 사용하는 송신기 구조에서도 제한된 양의 피드백 정보만을 사용하여 하향링크 채널상태 정보를 효과적으로 피드백 할 수 있는, 새로운 피드백 기술에 대한 연구가 필요하다.

상기한 바와 같은 요구에 만족하기 위한 본 발명의 목적은 하향링크 DAS에서, DAS 채널 특성을 이용하여, 많은 송신 안테나를 사용하는 DAS 송신기 구조에서도 제한된 양의 정보만을 사용하여 하향링크 채널상태 정보를 효과적으로 피드백 하기 위한 데이터 송/수신 장치 및 방법들을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제안하는 활성 AP(active AP) 선택 및 피드백 기술은, 채널이득이 서로 상이한 전체 AP들 중에서 DAS 전송 성능에 영향을 줄 수 있는 채널이득이 양호한 AP들을 활성 AP(active AP) 집합에 포함시키고, 선택된 활성 AP(active AP)들의 하향링크 채널상태 정보만을 송신기로 피드백한다. 송신기는 피드백 된 활성 AP(active AP)들의 하향링크 채널상태 정보와 활성 AP(active AP) 집합 정보를 이용하여, 전체 DAS 하향링크 채널상태 정보를 복구한다.

본 발명의 다른 목적은, 많은 수의 AP를 사용하는 DAS 구조에서도, 제한된 양의 피드백 정보만을 이용하여 각 AT에서 선택된 활성 AP(active AP) 집합 정보를 피드백 하기 위한 새로운 방법들과 장치들을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제안하는 활성 AP(active AP) 집합에 대한 정보를 전송하기 위한 혼합(hybrid) 피드백 기술은, 전체 AP 중에서 경로 손실만을 고려하여 후보 AP(candidate AP) 집합을 장기적 (long-term)으로 결정하고, 후보 AP(candidate AP) 집합에서 빠른 페이딩을 고려하여 순시적으로 활성 AP(active AP) 집합을 선택한다. 후보 AP(candidate AP) 집합에 대한 정보는 long-term 피드백 채널을 통해 전송되고, 활성 AP(active AP) 집합에 대한 정보는 short-term 피드백 채널을 통해 전송된다.

본 발명의 다른 목적은, 각 활성 AP(active AP)별로 피드백 되는 각 AP 하향링크 채널상태 정보를 최적 결합하여, 다수 AP들로 구성된 DAS 시스템의 하향링크 채널상태 정보를 제한된 피드백 정보만을 이용하여 송신기로 전달하기 위한 새로운 방법들과 장치들을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제안하는 계층적 피드백 기술은, 다수 AP들로 구성된 DAS 시스템의 하향링크 채널상태 정보를 개별 AP의 평균 채널이득 정보, AP들간의 상대적인 채널차이 정보, 그리고 개별 AP의 하향링크 채널상태 정보로 나누어 피드백한다. DAS 송신기는 피드백 된 개별 AP의 평균 채널이득 정보, AP들간의 상대적인 채널차이 정보, 그리고 개별 AP의 하향링크 채널상태 정보들을 결합하여, 전체 DAS 하향링크 채널상태 정보를 복구한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 수신기의 채널 상태 정보 피드백 방법은 복수 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP) 중에서 느린 페이딩을 이용하여 후보 AP 집합을 결정하는 후보 AP 집합 결정 단계, 상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 이용하여 활성 AP 집합을 선택하는 활성 AP 집합 선택 단계 및 상기 후보 AP 집합과, 상기 활성 AP 집합과, 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 송신기로 피드백하는 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 피드백하는 수신 장치는 복수 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP) 중에서 느린 페이딩을 이용하여 후보 AP 집합을 결정하는 후보 AP 집합 결정기, 상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 이용하여 활성 AP 집합을 선택하는 활성 AP 집합 결정기 및 상기 후보 AP 집합과, 상기 활성 AP 집합과, 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 송신기로 피드백하는 송수신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신기의 채널 상태 정보 수신 처리 방법은 복수 개의 AP 중에서 느린 페이딩을 고려하여 결정된 후보 AP 집합에 대한 정보를 수신하는 단계, 상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 고려하여 선택된 활성 AP 집합에 대한 정보를 수신하는 단계, 상기 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 수신하는 단계 및 상기 각 활성 AP들에 대한 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 전체 AP들에 대한 하향링크 채널행렬의 최대 고유 벡터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 수신하여 처리하는 송신 장치는 복수 개의 AP 중에서 느린 페이딩을 고려하여 결정된 후보 AP 집합에 대한 정보와, 상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 고려하여 선택된 활성 AP 집합에 대한 정보와, 상기 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 수신하는 피드백 수신기 및 상기 각 활성 AP들에 대한 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 전체 AP들에 대한 하향링크 채널행렬의 최대 고유 벡터를 결정하는 AP 채널 행렬 복구기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

후술하는 바와 같이, 본 발명에서는 하향링크 DAS에서, 제한된 양의 정보만을 사용하여 하향링크 채널상태 정보를 효과적으로 피드백하는 기술을 제안한다.

후술될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 한 개의 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명은, 하향링크 DAS에서, 많은 송신 안테나를 사용하는 DAS 송신기 구조에서도 제한된 양의 정보만을 사용하여 하향링크 채널상태 정보를 효과적으로 피드백하는 기술을 제안한다.

본 발명에서는 제안하는 활성 AP(active AP) 선택 및 피드백 기술은, DAS의 하향링크 데이터 전송성능에 영향을 주는 양호한 채널 상태를 갖는 AP만을 선택하여 채널상태 정보를 피드백함으로써, 많은 수의 AP가 사용되더라도 DAS 데이터 전송성능의 열화 없이 필요 피드백 정보량을 일정하도록 유지 시킬 수 있다.

본 발명에서 제안하는 활성 AP(active AP) 집합에 대한 정보를 전송하기 위한 hybrid 피드백 기술은, 전체

개의 AP 중에서 경로 손실만을 고려하여

개의 AP로 구성된 후보 AP(candidate AP) 집합을 long-term으로 결정하고, 후보 AP(candidate AP) 집합에서 빠른 페이딩을 고려하여 순시적으로 활성 AP(active AP) 집합을 선택한다. 경로손실은 긴 시간 동안 변하지 않는 채널 정보이기 때문에, 후보 AP(candidate AP) 집합에 대한 정보는 많은 역방향 링크 프레임들에 거쳐 전송되는 long-term 피드백 채널을 통해 전송이 가능하고, 충분히 긴 시간 주기 업데이트만이 필요하기 때문에, 역방향 링크 전송 프레임 별로 요구되는 피드백 정보량은 미미하다. 따라서, 제안하는 활성 AP(active AP) 집합에 대한 hybrid 피드백 방식은, 전체 AP 수가 상당히 크더라도 선택된 활성 AP(active AP) 집합을 피드백 하기 위해 필요한 순시적인 피드백 정보량을

bits로 효과적으로 제한할 수 있게 한다.

본 발명에서 제안하는 계층적 피드백 기술은, 다수의 AP들로 구성된 DAS 하향링크 채널정보를, 체계적으로 개별 AP의 채널상태 정보와 AP들간의 상대적인 채널차이 정보로 나누어 전송함으로써, 기존 LTE MIMO 피드백 기술과 호환되고 제한된 양의 단기 피드백 정보량만을 사용하도록 한다.

도 1은 DAS 구조의 일례를 도시하는 도면.
도 2는 제안하는 DAS를 위한 피드백 기술을 사용하는 AT의 수신기의 구조의 일례를 도시하는 도면.
도 3은 제안하는 DAS 하향링크 채널정보 피드백 기술을 위해 수행되는 수신기 동작 흐름을 도시하는 도면.
도 4는 제안하는 피드백 기술을 사용하는 DAS 시스템의 송신단 구조의 일례를 도시하는 도면
도 5는 제안하는 피드백 기술을 사용하는 송신기의 송신 동작의 흐름을 도시하는 도면

A. 분산 안테나 시스템 모델

분산 안테나 시스템 (DAS)은 송신기의 송신 안테나들을 서비스 영역 내에서 공간적으로 분산시켜 사용한다. [도 1]은 본 발명에서 고려하는 DAS 구조의 일례를 보여준다. 기지국 CPU는 고속의 유선 백 홀(backhaul) 통신망을 통해

개의 AP들과 연결되고,

개의 AP들은 단일 셀 내에 공간적으로 균일하게 분포되며, 각 AP는

개의 송신 안테나를 사용한다고 가정한다. 셀 내에 분포하는

개의 AT는

개의 수신 안테나를 사용하는 것을 가정한다. 본 발명에서는 설명을 위해 , 즉 4 개의 AP로 이루어진 하나의 섹터를 고려하지만, 제안하는 발명은 임의의 개수의 AP를 포함하는 DAS 시스템으로 확장이 가능하다.

를

개의 AP들의 총

개의 송신 안테나를 통해 전송되는 데이터 심볼 벡터,

는

번째 AT의

수신 신호 벡터라고 하고, 주파수 비선택적 페이딩을 가정하면 수신 신호는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는

번째 AP로부터

번째 AT로의

복소 채널행렬을 나타내며 zero mean과 unit variance를 갖는 i.i.d (Independently and Identically distributed) 복소수들로 구성된다.

는

개의 AP들로부터

번째 AT로의

DAS 하향링크 채널행렬을 나타내며,

는

AWGN 벡터(vector)를 나타낸다.

는

번째 AP로부터

번째 AT로의 평균 수신 SNR 이다. 한 AT와 서로 다른 AP와의 전파경로가 다르기 때문에 경로 손실(pathloss)과 쇄도우 페이딩 (shadow fading)을 포함하는 느린 페이딩(slow fading)에서 상당한 차이가 발생한다. 이로 인해, 한 AT에서 수신되는 서로 다른 AP의 평균 SNR에서 10의 몇 승 정도의 상당한 차이가 발생한다. [도 1]의 경우, 1^st AP와 2^nd AP로부터 수신되는 SNR이 3^rd AP와 4^th AP에서 수신되는 SNR보다 상당히 크기 때문에, 3^rd AP와 4^th AP에서 수신되는 채널 행렬을

의 영행렬으로 근사화하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

따라서, 3^rd AP와 4^th AP로부터 수신되는 신호가 1^st AP와 2^nd AP 로부터 수신되는 신호에 비해 크기가 매우 작기 때문에 3^rd AP와 4^th AP로부터 수신되는 신호를 영행렬로 무시하더라도, DAS 하향링크 데이터 전송 용량에 거의 영향을 주지 않음을 의미한다.

CPU에서 생성된 하향 링크 데이터들은 총

개의 송신 안테나를 통해 전송되고 수신기에서

개의 수신 안테나에서 수신되기 때문에, MIMO 기술을 통해 하향 링크 데이터를 효과적으로 전송할 수 있다. 이를 위해서는 AT에서 하향 링크 채널을 추정하고, 제한된 용량의 상향 링크 피드백 채널을 통해 추정된 하향 링크 CSI를 송신기로 피드백 해야 한다.

B. 제안하는 활성 안테나 포트 선택 및 혼합(Hybrid) 피드백

DAS 시스템에서 하향 링크 데이터를 효과적으로 전송하기 위해서는, AT에서 DAS 하향링크 채널행렬

을 추정하고, 이를 제한된 용량의 피드백 정보를 이용하여 송신기로 피드백 해야 한다. DAS 시스템의 하향 링크 채널행렬

는 [수학식 2]와 같이, 일반적으로 영행렬의 부 행렬들이 포함된 희소 행렬 (sparse matrix)의 형태를 갖는다. 따라서, AT에서 추정된 (

개의 모든 AP의 하향링크 채널행렬을 포함하는)

을 그대로 피드백 하는 것 보다, 실제로 하향링크 데이터 전송성능에 영향을 주는 (

보다 작은 개수의) AP의 하향링크 채널행렬만을 선택하여 피드백하는 것이 훨씬 효율적이다. 이를 위해, 각 AT는

개의 모든 AP에서의 하향링크 채널을 추정하고, 충분히 양호한 채널상태를 가지는

개의 활성 AP(active AP) 집합

을 선택하고, 이의 정보를 송신기로 피드백 해야 한다. 여기서,

이다.

한편, 각 AT의 최적 활성 AP(active AP) 집합 선택에 영향을 주는 요소는, AT와 각 AP 사이의 느린 페이딩(slow fading)과 빠른 페이딩 (fast fading)이다. 경로 손실과 쇄도우 페이딩을 포함하는 느린 페이딩은 AT가 수신하는 평균 수신 신호레벨을 결정한다, 빠른 페이딩은 AT의 수신 신호레벨을 순시적으로 경로손실에 의한 평균 수신 신호레벨에서 추가적으로 최대 30~40dB 정도 변화시킨다. 따라서, 각 AT의 최적 활성 AP(active AP) 집합 선택은 느린 페이딩뿐 아니라 빠른 페이딩을 고려해야 하며, 이를 위해서, 본 발명에서 각 AT는 매 프레임마다 활성 AP(active AP) 집합을 선택하고 이를 송신기로 피드백 하는 방식을 제안한다. 이를 위해, 동일 셀 내에 총

개의 AP가 분포할 경우, 매 전송 프레임 마다 선택된 활성 AP(active AP) 집합을 피드백 하기 위해 요구되는 피드백 정보량은

bits 이다.

동일 셀 내에 분포하는 AP 수가 증가할수록, 즉

이 증가할수록, 선택된 활성 AP(active AP) 집합을 피드백하기 위해 필요한 순시적인 피드백 정보량이 상당히 증가하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 전체 AP 중에서 느린 페이딩만을 고려하여

개의 AP로 구성된 후보 AP(candidate AP) 집합을 장기적 (long-term)으로 결정하고, 후보 AP(candidate AP) 집합에서 빠른 페이딩을 고려하여 순시적으로 활성 AP(active AP) 집합을 선택하는, 혼합(hybrid) 활성 AP(active AP) 선택 방식을 제안한다. 느린 페이딩은 긴 시간 동안 변하지 않는 채널 정보이기 때문에, 후보 AP(candidate AP) 집합에 대한 정보는 많은 역방향 링크 프레임들에 거쳐 전송되는 long-term 피드백 채널을 통해 전송이 가능하고, 충분히 긴 시간 주기 업데이트만이 필요하기 때문에, 역방향 링크 전송 프레임 별로 요구되는 피드백 정보량은 미미하다. 따라서, 제안하는 hybrid 피드백 방식은, 전체 AP 수가 상당히 크더라도 선택된 활성 AP(active AP) 집합을 피드백 하기 위해 필요한 순시적인 피드백 정보량을

bits로 효과적으로 제한할 수 있게 한다.

[도 2]는 본 발명에서 제안하는 DAS를 위한 피드백 기술을 사용하는 AT의 수신기의 구조의 일례를 보여준다. [도 3]의 (31) 과정에서 (33) 과정까지는 제안하는 hybrid 활성 AP(active AP) 선택 기술을 위해 AT에서 수행하는 동작의 흐름을 설명한다.

[도 2]의 하향 링크 채널 추정기(22)에서는 [도 3]의 (31) 과정이 수행된다. [도 3]의 (31) 과정에서는,

개의 AP들로부터 전송된 파일롯 채널을 통해 DAS 시스템의 하향링크 채널행렬

을 추정한다.

[도 3]의 (32) 과정에서는, [도 2]의 long-term 채널 이득 추정기(23)에서 각 AP로부터 수신된 채널 행렬,

을 충분한 시간 동안 평균하여 느린 페이딩만을 고려한 평균 채널이득

을 계산하고 이를 양자화 한다. 또한, [도 2]의 후보 AP(candidate AP) 집합 결정기(24)에서 후보 AP(candidate AP) 집합

를 결정하고, 송신기로 후보 AP(candidate AP) 집합

정보와 양자화된 후보 AP(candidate AP)들의 평균 채널이득 값,

을 피드백 한다. 계산된

개의 평균 채널이득을 이용하여, 해당 AP가 후보 AP(candidate AP) 집합

에 속하는 가를 다음 [수학식 3]과 같이 결정한다.

여기서,

은

개의 AP들의 평균 채널이득

중에서 최대 값을 나타내며

이다. 따라서,

번째 AP로부터의 평균 채널이득

이

의

배 미만일 경우 해당

번째 AP는 후보 AP(candidate AP) 집합

에 속하지 않게 되며 해당 AP의 채널 정보는 송신기로 피드백 되지 않는다. 후보 AP(candidate AP) 집합

는 정해진 주기마다 업데이트 되거나, (32) 과정에서 추정되는 평균 채널이득

이 상당히 변할 경우 부정기적으로 업데이트 될 수 있다.

값은 송신기와 AT가 공유하는 고정된 값을 사용할 수 있다. 이와 같은 경우, 각 AT별로 채널 환경에 따라 후보 AP(candidate AP) 집합

에 속하는 AP의 수가 서로 다르며, 따라서 활성 AP(active AP) 집합을 피드백하기 위한 순시적인 피드백 정보량 또한 AT별로 다르다. 이에 반해, 후보 AP(candidate AP) 집합

에 속하는 AP의 수를 송신기와 AT가 공유하는 고정된 값을 사용하고, 이를 위해 각 AT가

를 서로 다른 값으로 사용할 수 있다. 이러한 경우, 활성 AP(active AP) 집합을 피드백 하기 위한 순시적인 피드백 정보량은 모든 AT가 동일하다.

한편, [도 3]의 (32)에서 수행되는 후보 AP(candidate AP) 집합 결정 과정은, AT로 부터 피드백 된 모든 AP에 대한 양자화된 평균 채널이득 값,

을 이용하고 [수학식 3]의 결정 과정을 통해, 송신기에서도 동일하게 수행될 수 있다. 이 때, 송신기와 AT들은

값을 고정된 값으로 공유하거나, 후보 AP(candidate AP) 집합

에 속하는 AP의 수를 고정된 값으로 공유한다.

[도 3]의 (33) 과정에서는, [도 2]의 short-term 채널 추정기(25)에서, 후보 AP(candidate AP) 집합 에 속하는 AP들에 대하여 (32) 과정에서 계산된 평균 채널이득 값

과 순시 채널이득 값

의 곱,

을 계산한다.

에 속하는 AP들로부터 수신되는 순시 채널이득

은 각 AP로부터 AT로의 하향 링크 채널 행렬

의 최대 고유 값(singular value)으로 구해진다. 또한, [도 2]의 활성 AP(active AP) 집합 결정기(26)에서, 계산된

을 이용하여 활성 AP(active AP) 집합

를 결정하고, 송신기로 활성 AP(active AP) 집합

를 피드백 한다. 계산된

을 이용하여,

에 속하는 AP들에 대해 활성 AP(active AP) 집합

에 속하는 가를 다음 [수학식 4]와 같이 결정한다.

여기서,

이다. 따라서,

에 속하는 AP 중에 순시 채널이득을 고려하여

가 미리 정해진 값

이상일 경우에만 최종 활성 AP(active AP) 집합에 속하게 된다. 활성 AP(active AP) 집합

는 매 전송 프레임마다 업데이트 되고, 활성 AP(active AP) 집합

에 대한 정보는 순시적인 피드백 정보량

bits을 이용하여 송신기로 피드백 된다.

C. 제안하는 DAS 를 위한 하향링크 채널 상태 정보 피드백 기술

DAS 시스템에서 고속의 하향링크 데이터를 전송하기 위해서는, AT에서 DAS 하향링크 채널행렬

을 추정하고, 이를 제한된 용량의 피드백 정보를 이용하여 송신기로 피드백해야 한다. B 장에서 제안된 활성 AP(active AP) 선택 기술에 의해 DAS 시스템의 하향링크 채널행렬

는, 다음 [수학식 5]와 같이 활성 AP(active AP) 집합

에 속하는 AP로부터의 채널 행렬로만 표현이 가능하다.

본 장에서는 예로서

를 가정한다.

한편, DAS 시스템에서 MIMO 기술을 사용할 경우, 하향링크 채널행렬

의 최대 고유 벡터(singular vector)를 정확히 송신기로 피드백 해주는 것이 중요하다. DAS 기술이 운용되는 채널 환경은, 동일 AP의 송신 안테나들로부터의 한 AT로의 채널은 상호 연관(correlated) 되어있지만, 다른 AP들의 송신 안테나들로부터의 한 AT로의 채널들간은 비상관(uncorrelated)된 채널 특성, 즉 상호 연관(correlated)된 채널 환경과 비상관(uncorrelated)된 채널 환경이 혼재된 채널 특성을 가진다. 특히, 각 AP로부터

번째 AT로의 하향 링크 채널,

의 랭크 (rank)가 1인 경우, 즉 높은 공간 상관도를 갖는 경우,

의 최대 고유 벡터(singular vector),

는 다음 [수학식 6]과 같이 근사화할 수 있다.

여기서,

크기의

은

번째 AP로부터

번째 AT로의 하향 링크 채널,

의 최대 고유 벡터(singular vector)를 나타내고,

은 i.i.d. (independent and identically distributed) 복소 가우시안 랜덤 변수 (complex Gaussian random variable)로서

이다.

[수학식 6]을 분석하면, DAS 하향링크 채널의 최대 고유 벡터(singular vector)

는 가우시안 복소 랜덤변수들과 평균 채널이득이 곱해진

개의

와

개의

영벡터들이 세로로 쌓아 올려진 형태를 가짐을 알 수 있다. 즉,

의 크기의

는

개의

크기의

와 그에 각각 곱해지는 복소 가우시안 랜덤 변수

들, 그리고 평균 채널이득

으로 나누어 나타낼 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, o 벡터 연산은 동일 위치에 있는 원소들끼리 곱하는 연산을 나타내며, ⊙ 벡터 연산은 다음과 같이 정의된다.

[수학식 7]에 따르면, 하향링크 채널행렬

의 최대 고유 벡터(singular vector)에 대한 정보는, 활성 AP(active AP) 집합에 속하는 개별 AP들의 평균 채널이득 정보

, 활성 AP(active AP)들간의 상대적인 채널차이 정보

, 그리고 개별 활성 AP(active AP) 하향링크 채널행렬의 최대 고유 벡터(singular vector)

로 나누어 표현할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, AT는 위의 세가지 정보를 나누어 전송하고, DAS 송신기는 이를 조합함으로써 하향링크 채널정보를 획득할 수 있다. 우선, 활성 AP(active AP) 집합에 속하는 AP들의 평균 채널이득 정보

는, 앞에서 제안된 활성 AP(active AP) 선택 및 피드백 기술에 의해 송신기로 전달된다. 따라서, 추가적으로 개별 활성 AP(active AP)의 하향링크 채널행렬,

의 최대 고유 벡터(singular vector)를 가장 정확히 모사하는 가중치 벡터를 벡터 코드북(codebook)

에서 선택하여 해당 벡터의 인덱스(index)를 피드백하고, 선택된 벡터들에 각각 곱해질 복소 변수

들을 양자화 하여 피드백 함으로써, DAS 하향링크 채널행렬 최대 고유 벡터(singular vecto터r)

를 제한된 양의 피드백 정보를 이용하여 송신기로 피드백 할 수 있다.

벡터 codebook

는 상호연관(correlated)된 개별 AP 하향 링크 채널의 고유 벡터들을 정확히 모사하도록 디자인되어야 하며, 다수의

크기의 벡터들로 구성된다. 이를 위해 현재 3GPP LTE에 채택되어 있는 MIMO 프리코딩 코드북(MIMO precoding codebook)을 사용할 수 있다. 3GPP LTE의 MIMO 프리코딩 코드북(MIMO precoding codebook)과 피드백 채널을 이용할 경우, 각 AT는 각 활성 AP(active AP)의 파일롯 채널 추정을 통해 각 AP의 최대 고유 벡터

를 계산하고,

를 가장 정확히 모사하는 벡터를

에서 선택하여, 이를

번째 AP에 대한 precoding matrix indicator (PMI_m)와 rank indicator (RI_m)를 이용하여 해당 AP로 피드백한다. 각

번째 AP에 대한 PMI_m와 RI_m이

에서 가리키는 벡터를

라고 표현한다.

한편, 선택된

개 가중치 벡터들,

에 각각 곱해질

개의 복소 가우시안 랜덤 변수

로 이루어진 벡터

들은, 비상관(uncorrelated)된 활성 AP(active AP)들간의 하향 링크 채널의 고유 벡터(singular vector)들을 정확히 모사하도록 디자인 되어야 하며,

이다.

을 양자화 하여 송신기로 피드백 하는 방식으로,

를 잘 모사하는 벡터 codebook을 이용하는 방식과

의 크기와 위상을 직접 양자화하는 방식을 사용할 수 있다.

먼저, 벡터 codebook을 사용하는 경우, 벡터 codebook

를 송수신기가 약속하고,

를 가장 잘 모사하는 벡터를

에서 선택하고 이의 인덱스를 송신기로 피드백한다. 이 때,

를 구성하는

크기의 벡터들은 M_A -차원 복소 벡터 공간(

-dimensional complex vector space)에서 등방성(isotropic) 분포를 갖도록 디자인 되어야 하며, 이를 위해 기존의 랜덤 벡터 양자화(Random Vector Quantization, RVQ) 방식에 디자인된 코드북(codebook)이나 IEEE802.16e에 채택된 Grassmannian codebook을 사용할 수 있다.

크기와 위상을 직접 양자화하는 방식은

개의 복소 변수

들의 크기 값과 위상 값에 가장 가까운 값을, 양자화된 크기 값과 양자화된 위상 값들로 각각 구성된 크기 코드북(codebook)

와 위상 코드북(codebook)

에서 각각 선택하고, 이를

번째 AP에 대한 양자화된 크기 지시자(quantized amplitude indicator, QAI_m)와 양자화된 위상 지시자(quantized phase indicator, QPI_m)를 이용하여 해당 AP로 피드백한다. 이를 위해

와

를 구성하는 양자화된 크기 값들과 위상 값들은, 평균이 0이고 분산이 1인 독립적이며 동일한 분포를 따르는(independent and identically-distributed , i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수의 크기 분포와 위상 분포에 적합하도록 구한다.

C.1 제안하는 피드백 기술을 사용하는 시스템의 수신기 구조 및 동작

본 절에서는 제안하는 피드백 기술을 사용하는 AT의 구조 및 동작을 제안한다. [도 2]는 본 발명에서 제안하는 DAS를 위한 피드백 기술을 사용하는 AT의 수신기의 구조의 일례를 보여준다. [도 3]은 제안하는 DAS 하향링크 채널정보 피드백 기술을 위해 AT에서 수행하는 전체적인 동작의 흐름을 설명한다.

[도 3]의 (31) 과정에서 (33) 과정까지는 앞에서 제안된 hybrid 활성 AP(active AP) 선택 기술을 위해 AT에서 수행하는 동작의 과정을 설명하고 있다. 이 과정들을 통해 AT는 최적의 활성 AP(active AP)들을 선택하고, 활성 AP(active AP) 집합에 속하는 AP들의 하향링크 채널정보를 피드백한다.

[도 2]의 short-term 채널 추정 및 양자화기(25)에서 [도 3]의 (34) 과정이 수행된다. [도 3]의 (34) 과정에서는, (31) 과정에서 추정된 DAS 하향링크 채널행렬

의 최대 고유(singular) 벡터

를 구한다. 또한, (31) 과정에서 (33) 과정까지 결정된 활성 AP(active AP) 집합

에 속하는

개의 AP들로부터

번째 AT로의 하향링크 채널

를 추정하고, 각 행렬의 최대 고유(singular) 벡터

들을 각각 구한다. 계산된

를 가장 정확히 모사하는 벡터를, 미리 약속된 벡터 코드북(codebook)

에서 선택하고, 이들을 각각

번째 AP에 대한 프리코딩 매트릭스 지시자(precoding matrix indicator, PMI_m)와 랭크 지시자(rank indicator, RI_m)를 이용하여 m번째 AP로 피드백 한다. 이 과정을 활성 AP(active AP) 집합

에 속하는

개의 AP들에 대해서 수행한다.

[도 2]의 inter-AP 채널 계수 추정 및 양자화기(27)에서 [도 3]의 (35) 과정이 수행된다. [도 3]의 (35) 과정에서는, (32) 과정에서 구해진 양자화된 평균 채널이득 값 그리고 (34) 과정에서 선택된

가

에서 가리키는

개의 벡터들과, [수학식 7]와 같이 최적 결합되어

를 가장 정확히 모사할 수 있는,

개의 복소 변수

를 양자화한다. 미리 약속된 크기 코드북(codebook)

와 위상 코드북(codebook)

의 각 원소들의 조합으로 표현 가능한 모든 복소 값들 중에서 가장 적합한 복소 값의 크기 값과 위상 값을 선택하고, 이들을

의 인덱스인 양자화된 크기 인덱스(quantized amplitude index, QAI_m)과

의 인덱스인 양자화된 위상 인덱스(quantized phase index, QPI_m)로 표현하여 피드백한다.

C.2 제안하는 피드백 기술을 사용하는 시스템의 송신기 구조 및 동작

본 절에서는 제안하는 피드백 기술을 사용하는 DAS 시스템의 송신단 구조 및 동작을 제안한다. [도 4]는 제안하는 피드백 기술을 사용하는 DAS 시스템의 송신단 구조의 일례를 보여준다. [도 5]은 제안하는 피드백 기술을 사용하는 송신기의 송신 동작의 흐름을 설명한다.

[도 4]의 각 활성 AP(active AP)의 피드백 수신기 (43, 44)에서는 [도 5]의 (51) 과정, (52) 과정, 그리고 (53) 과정이 수행된다. [도 5]의 (51) 과정에서는, 각 AP별로 수신된

를 디코딩하고, 인덱스가 벡터 코드북(codebook)

에서 가리키는 벡터를 참고하여, 해당 AP의 최대 고유(singular) 벡터

를 복구한다.

[도 5]의 (52) 과정에서는, 각 AP별로 수신된

를 디코딩하고, 인덱스가 코드북(codebook)

와

에서 각각 가리키는 크기와 위상 값을 참고하여, AP 간 채널 차이를 반영하는 결합 복소 계수

을 복구한다.

[도 5]의 (53) 과정에서는, 각 AP별로 수신된 long-term 피드백 정보를 디코딩하고, AP별 평균 채널이득

을 복구한다.

[도 4]의 각 AP의 채널 행렬 복구기 (45, 46)에서는 [도 5]의 (54) 과정이 수행된다. [도 5]의 (54) 과정에서는, (51) 과정에서 복구한

, (52) 과정에서 복구한

, 그리고 (53) 과정에서 복구한

를 결합하여, 각 AP 하향링크 채널행렬의 최대 고유(singular) 벡터를 다음 [수학식 9]와 같이 복구 할 수 있다.

[도 4]의 DAS 송신기에 위치하는 DAS 채널행렬 복구기(47)에서는 [도 5]의 (55) 과정이 수행된다. [도 5]의 (55) 과정에서는, 각 AP별로 (54) 과정에서 복구되고 고속의 유선 통신망을 통해 DAS 송신기로 전달된, 각 AP 하향링크 채널행렬의 최대 고유(singular) 벡터

들과 AT로부터 피드백 된 활성 AP(active AP) 집합

에 대한 정보를 이용하여, 다음 [수학식 10]과 같이 구성하여 DAS 하향링크 채널행렬의 최대 고유(singular) 벡터를 복구 한다.

여기서, DAS 송신기는 활성 AP(active AP) 집합

에 속하지 않은 AP의 최대 고유(singular) 벡터는 영벡터로 대체한다. [도 4]는 총 4개의 AP가 존재하고, 활성 AP(active AP) 집합

인 경우를 예로써 설명한다.

<수신기>
22 : 하향링크 채널 추정기
23 : Long-Term 채널 이득 추정 및 양자화기
24 : 후보 AP 집합 결정기
25 : Short-Term 채널 추정 및 양자화기
26 : 활성 AP 집합 결정기
27 : Inter-AP 채널 계수 추정 및 양자화기
<송신기>
41, 42 : 안테나
43, 44 : 피드백 수신기
45. 46 : AP 채널 행렬 복구기
47 : DAS 채널 행렬 복구기

Claims

분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 수신기의 채널 상태 정보 피드백 방법에 있어서,
복수 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP) 중에서 후보 AP 집합을 결정하는 후보 AP 집합 결정 단계;
상기 후보 AP 집합에서 활성 AP 집합을 선택하는 활성 AP 집합 선택 단계; 및
상기 후보 AP 집합과, 상기 활성 AP 집합과, 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 송신기로 피드백하는 피드백 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제1항에 있어서, 상기 후보 AP 집합 결정 단계는,
복수 개의 AP로부터 전송된 파일럿 채널을 통해 하향링크 채널 행렬을 추정하는 단계;
각 AP로부터 수신된 채널 행렬을 설정된 시간 동안 평균하여 느린 페이딩만을 이용한 평균 채널 이득을 계산하는 단계; 및
평균 채널 이득이 미리 설정된 제1 기준값 이상인 AP를 상기 후보 AP 집합에 속하는 AP로 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제2항에 있어서, 상기 활성 AP 집합 선택 단계는,
상기 각 AP에 대한 평균 채널 이득과 순시 채널 이득의 곱이 미리 설정된 제2 기준값 이상인 AP를 상기 활성 AP 집합에 속하는 AP로 선택하는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제1항에 있어서, 상기 하향링크 채널상태 정보는,
각 활성 AP의 평균 채널이득 정보, 활성 AP들 간의 상대적인 채널 차이 정보, 각 활성 AP의 하향링크 채널 상태 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제4항에 있어서,
상기 각 활성 AP의 하향링크 채널 상태 정보는 상기 각 활성 AP의 하향링크 채널 행렬의 최대 고유 벡터에 대한 정보로 표현되며,
상기 최대 고유 벡터에 대한 정보는,
상기 최대 고유 벡터에 가장 근접한 가중치 벡터가 벡터 코드북에서 선택되어 상기 송신기로 피드백 되는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제4항에 있어서, 상기 활성 AP들 간의 상대적인 채널 차이 정보는,
크기가 1인 양자화된 복소 변수인 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 피드백하는 수신 장치에 있어서,
복수 개의 안테나 포트(Antenna Port, AP) 중에서 후보 AP 집합을 결정하는 후보 AP 집합 결정기;
상기 후보 AP 집합에서 활성 AP 집합을 선택하는 활성 AP 집합 결정기; 및
상기 후보 AP 집합과, 상기 활성 AP 집합과, 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 송신기로 피드백하는 송수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제7항에 있어서, 상기 수신 장치는,
복수 개의 AP로부터 전송된 파일럿 채널을 통해 하향링크 채널 행렬을 추정하는 하향링크채널 추정기; 및
각 AP로부터 수신된 채널 행렬을 설정된 시간 동안 평균하여 느린 페이딩만을 이용한 평균 채널 이득을 계산하는 롱-텀 채널 이득 추정기를 더 포함하고,
상기 후보 AP 집합 결정기는 상기 계산된 평균 채널 이득이 미리 설정된 제1 기준값 이상인 AP를 상기 후보 AP 집합에 속하는 AP로 선택하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제8항에 있어서, 상기 AP 집합 결정기는,
상기 각 AP에 대한 평균 채널 이득과 순시 채널 이득의 곱이 미리 설정된 제2 기준값 이상인 AP를 상기 활성 AP 집합에 속하는 AP로 선택하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제7항에 있어서, 상기 하향링크 채널상태 정보는,
각 활성 AP의 평균 채널이득 정보, 활성 AP들 간의 상대적인 채널 차이 정보, 각 활성 AP의 하향링크 채널 상태 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제10항에 있어서,
상기 각 활성 AP의 하향링크 채널 상태 정보는 상기 각 활성 AP의 하향링크 채널 행렬의 최대 고유 벡터에 대한 정보로 표현되며,
상기 최대 고유 벡터에 대한 정보는,
상기 최대 고유 벡터에 가장 근접한 가중치 벡터가 벡터 코드북에서 선택되어 상기 송신기로 피드백 되는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제10항에 있어서, 상기 활성 AP들 간의 상대적인 채널 차이 정보는,
크기가 1인 양자화된 복소 변수인 것을 특징으로 하는 수신 장치.
분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 송신기의 채널 상태 정보 수신 처리 방법에 있어서,
복수 개의 AP 중에서 선택된 후보 AP 집합에 대한 정보를 수신하는 단계;
상기 후보 AP 집합에서 선택된 활성 AP 집합에 대한 정보를 수신하는 단계;
상기 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 수신하는 단계; 및
상기 각 활성 AP들에 대한 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 전체 AP들에 대한 하향링크 채널행렬의 최대 고유 벡터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 수신 처리 방법.
분산 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 채널 상태 정보를 수신하여 처리하는 송신 장치에 있어서,
복수 개의 AP 중에서 선택된 후보 AP 집합에 대한 정보와, 상기 후보 AP 집합에서 선택된 활성 AP 집합에 대한 정보와, 상기 활성 AP 집합에 속하는 활성 AP들의 하향링크 채널상태 정보를 수신하는 피드백 수신기; 및
상기 각 활성 AP들에 대한 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 전체 AP들에 대한 하향링크 채널행렬의 최대 고유 벡터를 결정하는 AP 채널 행렬 복구기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
제1항에 있어서,
상기 후보 AP 집합은 느린 페이딩을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제1항에 있어서,
상기 활성 AP 집합은 빠른 페이딩을 이용하여 선택되는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 피드백 방법.
제7항에 있어서, 상기 후보 AP 집합 결정기는,
상기 복수의 AP 중에서 느린 페이딩을 이용하여 상기 후보 AP 집합을 결정하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제7항에 있어서, 상기 활성 AP 집합 결정기는,
상기 후보 AP 집합에서 빠른 페이딩을 이용하여 상기 활성 AP 집합을 선택하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
제13항에 있어서,
상기 후보 AP 집합은 느린 페이딩을 고려하여 선택되고,
상기 활성 AP 집합은 빠른 페이딩을 고려하여 선택되는 것을 특징으로 하는 채널 상태 정보 수신 처리 방법.
제14항에 있어서,
상기 후보 AP 집합은 느린 페이딩을 고려하여 선택되고,
상기 활성 AP 집합은 빠른 페이딩을 고려하여 선택되는 것을 특징으로 하는 송신 장치.