KR101819318B1 - 제한된 채널 피드백 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 효율적 간섭 제거 방법 및 그 시스템 - Google Patents

제한된 채널 피드백 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 효율적 간섭 제거 방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

제한된 채널 피드백 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 효율적 간섭 제거 방법 및 그 시스템이 개시된다. 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법은 송신기의 빔포머(beamformer)에서 수신기 각각에 대해 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 형성하는 단계는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 빔을 형성하기 위한 빔포밍 벡터를 갱신하는 것을 특징으로 한다.

Description

제한된 채널 피드백 환경에서 다중 사용자 다중 안테나 시스템의 효율적 간섭 제거 방법 및 그 시스템{EFFECTIVE INTERFERENCE CANCELLATION METHOD WITH LIMITED CHANNEL FEEDBACK FOR TIME VARYING MULTI-USER MIMO SYSTEM}
아래의 설명은 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 빔 간 간섭을 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 계속적으로 증가하는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 방향으로 발전하여 왔다. 기존의 무선 통신 시스템은 데이터 전송률 증가를 위해 주로 주파수 효율성(spectral efficiency)을 개선하는 방향으로 기술 개발을 추구하였다. 그러나, 스마트폰 및 태블릿 PC에 대한 수요 증가와 이를 바탕으로 다량의 트래픽을 요구하는 응용 프로그램의 폭발적 증가로 인해 데이터 트래픽 에 대한 요구가 더욱 가속화되면서, 이러한 주파수 효율성 개선 기술 만으로는 폭증하는 무선 데이터 트래픽 수요를 만족시키기 어렵게 되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방법은 매우 넓은 주파수 대역을 사용하는 것인데, 기존의 이동 통신 셀룰러 시스템에서 사용하고 있는 10GHz 미만의 주파수 대역에서는 넓은 주파수 대역의 확보가 매우 어렵기 때문에 더 높은 주파수 대역에서 이러한 광대역 주파수를 확보해야 할 필요성이 있다. 하지만, 무선 통신을 위한 전송 주파수가 높아질수록 전파 경로 손실은 증가한다. 이로 인하여 전파 도달거리는 상대적으로 짧아져 서비스 영역(coverage)의 감소를 초래하게 된다. 이를 해결하기 위한, 즉 전파 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위한 중요 기술 중 하나가 빔포밍(beamforming) 기술이다.
빔포밍은 송신단에서 수행되는 송신 빔포밍 및 수신단에서 수행되는 수신 빔포밍으로 구분될 수 있다. 송신 빔포밍은 일반적으로 다수의 안테나를 이용하여 각 안테나로부터 송신되는 신호를 특정한 방향(즉 공간)으로 집중시켜 지향성(directivity)을 증대시킨다. 다수의 안테나가 집합된 형태를 배열 안테나(array antenna), 배열 안 테나에 포함되어 있는 안테나를 요소 안테나(antenna element) 혹은 어레이 요소(array element)라 하기로 한다. 안테나 어레이는 선형 어레이(linear array), 평면 어레이(planar array) 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 송신 빔포밍을 사용하면 신호의 지향성 증대를 통해 전파 도달 거리를 증가시킬 수가 있고, 또한 특정 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않기 때문에 다른 사용자에게 미치는 간섭이 매우 줄어들게 되는 장점이 있다.
수신 측에서도 수신 배열 안테나를 이용하여 수신 빔포밍을 수행할 수 있다. 수신 빔포밍은 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 상기 특정 방향으로 들어오는 수신 신호의 감도를 증가시키고 다른 방향으로 들어오는 신호를 배제함으로써 간섭 신호를 차단한다.
넓은 주파수 대역을 확보하기 위해 초고주파, 다시 말해 밀리미터(mm) 웨이브(wave) 시스템이 도입되고 전송 주 파수가 높아질수록 전파의 파장은 짧아진다. 따라서, 반 파장 간격으로 안테나를 구성하는 경우, 동일한 면적 내에 더 많은 안테나들로 배열 안테나를 구성할 수 있다. 즉, 초고주파 대역에서 동작하는 통신 시스템은 낮은 주 파수 대역에서 빔포밍 기술을 사용하는 것에 비해 상대적으로 더 높은 안테나 이득을 얻을 수 있으므로 빔포밍 기술을 적용하기에 유리하다.
빔포밍 기술을 사용하면, 빔포밍 이득을 최대화하여 수신 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio: SNR)와 같은 성능 지수(performance index)를 최적화할 수 있지만, 사용자의 위치 및 채널 환경에 따라 다중 사용자 간 간섭을 피할 수 없다. 이에 따라, 다중 사용자 간 간섭을 제거하기 위한 효율적인 적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 제안한다.
중첩(superposition) 빔포밍 구조에서 제한된 채널 피드백 및 시변 채널 환경에서 효율적인 적응형 빔포밍 알고리즘을 제공할 수 있다.
송신기의 빔포머(beamformer)에서 수신기 각각에 대해 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 형성하는 단계는, LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 빔을 형성하기 위한 빔포밍 벡터를 갱신하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법을 제공한다.
일 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 중첩(superposition) 빔포밍을 통해 상기 다중 빔이 중첩(superposition)된 중첩 빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 상기 LMS 알고리즘에 포함된 MSE 비용 함수(mean squared error cost function)를 간섭으로 적용하고 채널 변화에 따라 이전 빔포밍 벡터를 갱신하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하되, 채널 변화에 따라 이전 빔포밍 벡터를 갱신하여 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 많은 조건의 시간에서는 상기 이전 빔포밍 벡터를 갱신하여 빔포밍을 수행하고, 상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 적은 조건의 시간에서는 상기 수신기로부터의 채널 피드백마다 ZF(zero-forcing) 연산을 통해 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 상기 수신기로 송신하고자 하는 신호에 대해 이전 빔포밍 벡터를 적용하여 출력 신호를 필터링 하는 단계; 및 상기 출력 신호를 목표 신호(desired signal)와 비교한 결과인 출력 오류(output error)를 이용하여 상기 이전 빔포밍 벡터를 갱신하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 형성하는 단계는, 적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하되, 제한된 채널 피드백을 적용하여 빔포밍을 수행하는 것으로, 부호부와 정수부 및 두 개의 소수로 이루어진 양자화(quantization)를 통해 빔포밍을 수행하는 것을 특징으로 한다.
송신기에서 수신기 각각에 대해 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 형성하기 위한 빔포머(beamformer)를 포함하고, LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 상기 다중 빔을 형성하기 위한 빔포밍 벡터를 갱신하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제한된 채널 피드백을 이용하는 시변 채널 환경에서 LMS(Least Mean Square) 업데이트 알고리즘을 이용한 빔포밍 벡터 업데이트를 통해 효율적인 적응형 빔포밍을 수행할 수 있다.
따라서, 매 채널 피드백마다 ZF(zero-forcing) 빔포밍을 수행함에 따른 매우 높은 복잡도를 LMS 업데이트 알고리즘을 통해 크게 줄일 수 있다. 또한, LMS 업데이트 알고리즘의 평균 효과로 인해 채널 피드백에서 발생한 에러를 애버리지 아웃(average out) 시킴으로써 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 구조를 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 시스템 모델을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 방식의 베이스밴드 등가 시스템 모델을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 3GPP 공간 채널 모델의 예시를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 있어서 제한된 채널 피드백을 위한 양자화의 예시를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서 LMS 빔포밍 업데이트 과정을 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서 LMS 빔포밍 업데이트를 통한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 빔 간 간섭을 제어하기 위한 기술에 관한 것이다.
다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 고정 빔을 통한 중첩(superposition) 빔포밍 기술을 사용하는 경우 사용자의 위치 및 채널 환경에 따라 다중 사용자 간 간섭을 피할 수 없다. 다중 사용자 간 간섭을 제거하기 위해 적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 적용하나, 시변 채널 환경에서는 ZF(zero-forcing) 기법을 통한 적응형 빔포빙 방식의 경우 매 채널 피드백(feedback) 마다 ZF 연산을 수행해야 하므로 복잡도가 상당하다.
따라서, 본 발명에서는 중첩 빔포밍 구조에서 제한된 채널 피드백과 시변 채널 환경에서 효율적인 적응형 빔포밍 방식을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 구조를 설명하기 위한 예시 도면이다. 도 1은 무선 통신 시스템에 포함된 송신기(10)의 빔포밍 구조의 일례를 도시한 것이다. 일례로, 송신기(10)는 신호를 송신하는 기지국 등을 의미할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 송신기(10)는 N개의 송신 안테나(11)를 가지고 있으며, 각각의 송신 안테나(11)를 사용하여 N개의 송신 스트림을 송신함으로써 수신기(미도시)와 통신을 수행할 수 있다. 이때, 수신기 각각은 송신기(10)로부터 신호를 수신하는 이동 단말(UE)이 될 수 있다.
송신기(10)는 각각 무선 통신을 수행함에 의해 발생하는 다양한 데이터 및 정보를 저장하는 메모리와, 무선 통신을 위한 전반적인 동작을 제어하는 제어부 등을 포함할 수 있다.
송신기(10)는 각 수신기로부터 각 신호 별 피드백 정보를 수신하여 신호를 송신할 방향을 결정하고 해당 방향에서 가장 큰 송신 전력을 사용하여 신호를 송신할 수 있다.
송신기(10)는 다른 수신기들에 대해 간섭을 미치는 방향에서 적응형 빔포밍 방식을 사용함으로써 다중 사용자 간 간섭을 제어할 수 있다.
상기한 송신기(10)의 빔포머(beamformer)에서는 중첩 빔포밍 방식을 사용할 수 있으며, 이때 중첩 빔포밍 구조는 각기 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔(13)을 중첩하여 안테나(11)를 공유함으로써 동시에 전송하는 방식을 의미한다.
중첩 빔포밍 구조에서는 일반적으로 각 빔 영역이 미리 정의된 고정 빔을 사용한다.
때문에, 송신기(10)에서 고정 빔을 통한 중첩 빔포밍 방식을 사용하는 경우 빔 간 간섭을 완벽하게 제어하지 못하며 사용자의 위치와 채널 환경에 따라 간섭 영향이 증가할 수 있다.
이에, 빔 간 간섭을 제어하기 위해 적응형 빔포밍 방식을 고려할 수 있다. 이때, 적응형 빔포밍 방식의 경우 사용자로부터 채널 정보를 포함한 피드백이 필요하고, 빔 간 간섭을 제거하기 위해 ZF 빔포밍 방식을 사용한다.
본 발명에서는 피드백 오버헤드(feedback overhead)를 고려하여 제한된 채널 피드백 환경을 적용할 수 있으며, 사용자 이동에 따른 시변 채널 모델을 적용함으로써 보다 유용한 채널 환경을 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 시스템 모델을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 있어서 중첩 빔포밍 방식의 베이스밴드 등가 시스템 모델을 도시한 것이다.
송신기와 수신기 간에 송신 또는 수신하는 신호들은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00001
여기서, n은 이산 심볼 인덱스(discrete symbol index), t는 연속된 시간 인덱스(continuous time index), Sk(n)는 k번째 스트림에 대한 베이스밴드 심볼(baseband symbol), Sk(t)는 Sk(n)의 아날로그 변환 값(디지털 처리를 통해 생성된 이산 심볼이 D/A 컨버터를 통과해 생성된 베이스밴드 단 신호), xm(t)은 빔포머를 통해 빔포밍 벡터가 적용된 송신단 m번째 안테나의 출력 신호, xm(n)은 xm(t)의 베이스밴드 등가 표현, yk(t)는 채널을 통과하여 k번째 수신기가 수신한 신호, yk(n)는 yk(t)의 베이스밴드 등가 표현을 의미한다.
송신 신호와 수신 신호를 행렬로 나타내면 수학식 2 내지 수학식 4과 같다.
수학식 2 내지 수학식 4는 수학식 1의 베이스밴드 등가 표현들을 모아 행렬-벡터(matrix-vector) 형태로 정리한 것이다.
Figure 112016001208350-pat00002
Figure 112016001208350-pat00003
Figure 112016001208350-pat00004
수학식 2 내지 수학식 4에서는
Figure 112016001208350-pat00005
,
Figure 112016001208350-pat00006
,
Figure 112016001208350-pat00007
,
Figure 112016001208350-pat00008
,
Figure 112016001208350-pat00009
이다. 그리고, 벡터 s는
Figure 112016001208350-pat00010
을 k번째 element 로 가지는 column vector, 벡터 x는
Figure 112016001208350-pat00011
을 m번째 element 로 가지는 column vector, 벡터 y는
Figure 112016001208350-pat00012
을 k번째 element 로 가지는 column vector, 행렬 H는
Figure 112016001208350-pat00013
을 k번째 row의 element와 m번째 column 의 element 로 가지는 행렬, 행렬 W는
Figure 112016001208350-pat00014
을 m번째 row의 element와 k번째 column 의 element 로 가지는 행렬을 의미한다.
수신기에서 송신기로부터 수신한 신호는 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00015
Figure 112016001208350-pat00016
는 목표 신호(desired signal)를,
Figure 112016001208350-pat00017
는 목표 신호가 아닌 간섭 신호(undesired interference)를,
Figure 112016001208350-pat00018
은 추가 잡음(additive noise)을 의미한다.
이때,
Figure 112016001208350-pat00019
는 수신기(UE) k의 1×M MISO 채널 행렬을 의미하고,
Figure 112016001208350-pat00020
은 송신 스트림 l에 대한 M×1 송신 빔포밍 벡터를 의미한다.
송신기에서 ZF 빔포밍 방식을 사용하는 경우 빔포머에서는 원하지 않는 간섭 제거(interference cancellation)를 위해 수학식 6을 만족하는 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00021
을 연산한다.
Figure 112016001208350-pat00022
여기서,
Figure 112016001208350-pat00023
는 송신 스트림 k의 복합 간섭 채널 행렬(composite interference channel matrix)을 의미하고,
Figure 112016001208350-pat00024
와 같이 정의될 수 있다.
즉, 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00025
의 열 공간(column space)이 복합 간섭 채널 행렬
Figure 112016001208350-pat00026
의 널 공간(null space)에 위치해야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 있어서 3GPP 공간 채널 모델의 예시를 도시한 것이다.
도 4는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준에 기재된 문서를 기준으로 한 공간 채널 모델(spatial channel model)을 표기한 것이며, 시뮬레이션을 위해 도 4의 채널 모델에 다음의 파라미터를 적용하였다.
본 시스템이 다중 유저 MISO(MU-MISO)(multi user multi-input multi-output) 시스템이라는 점에서, 하나의 BS(기지국) 과 여러 개의 MS(단말) 이 하나의 시스템에 포함되며, 기지국은 8개의 안테나, 단말은 각각 1개의 안테나로 구성하고, Urban-micro 시나리오와 K-factor=5를 적용하였다. 3GPP 표준 문서(TR 25.996)의 urban-micro 시나리오를 사용하였으며, BS는 8개의 안테나를, MS는 각각 1개의 안테나를 가지고, K-factor=5 가 되도록 설정하여 모의 실험하였다.
본 발명에서는 채널 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 제한된 채널 피드백을 적용할 수 있으며, 일례로 4비트 양자화(4-bit quantization)를 적용할 수 있다.
피드백 오버헤드를 고려한 제한된 채널 피드백 환경을 위하여 도 5에 도시한 바와 같이 송신기의 적응형 빔포밍 구조에 부호부, 정수부, 소수1, 소수2로 이루어진 4비트 양자화를 적용할 수 있다.
일반적인 ZF 빔포밍을 통해 적응형 빔포밍을 수행하기 위해서는 매 채널 피드백마다 ZF 빔포밍을 수행하기 때문에 매우 높은 복잡도가 요구된다. 더불어, 시변 채널 환경에서는 채널이 변화할 때마다 전체 채널 정보를 피드백 해야 하며, 아울러 새로 ZF 빔포밍 연산을 해야 하므로 현실적으로 시변 채널에 대한 적응형 빔포밍을 구현하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한, 제한된 채널 피드백의 경우 피드백 된 정보의 오류로 인하여 빔 간 간섭을 완벽히 제거하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 한계와 문제를 개선하기 위해, 본 발명에서는 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용함으로써 빔포밍 벡터를 완전히 새로 연산하지 않고 이전 시간으로부터의 채널의 변화량만큼을 빔포밍 벡터에 반영하여 빔포밍 연산량을 약 30% 가량 줄일 수 있고, LMS 알고리즘의 평균 효과를 통해 제한된 채널 피드백으로 인한 에러를 감소시킬 수 있는 방식을 제안한다.
다시 말해, 송신기에서의 빔포밍 연산 시 LMS 알고리즘을 이용하여 채널 변화에 따라 빔포밍 벡터를 업데이트 할 수 있다. 업데이트 된 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00027
는 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00028
여기서,
Figure 112016001208350-pat00029
는 이전 시간의 채널 피드백에 따른 빔포밍 벡터를,
Figure 112016001208350-pat00030
는 스텝 크기(step-size) 파라미터를,
Figure 112016001208350-pat00031
은 MSE 비용 함수(mean squared error cost function)를 의미한다.
이때, MSE 비용 함수
Figure 112016001208350-pat00032
은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00033
여기서,
Figure 112016001208350-pat00034
는 목표 신호(desired signal)를 나타내고,
Figure 112016001208350-pat00035
는 출력 신호(output signal)를 나타낸다.
일반적으로, 목표 신호는 기준 신호(reference signal)를 의미하고, 출력 신호는 적응형 어레이(adaptive array)의 출력을 의미할 수 있다.
송신기에서는 빔포밍 연산 시 MSE 비용 함수를 전체 간섭으로 반영하여 적용하고 채널 변화에 따라 빔포밍 벡터를 갱신할 수 있도록 설정한다(수학식 9).
Figure 112016001208350-pat00036
여기서,
Figure 112016001208350-pat00037
는 시점 n과 m 사이의 복합 간섭 채널 행렬
Figure 112016001208350-pat00038
의 차이를 의미한다. 그리고, e(n, m)은 시점 n과 m 사이의 채널 변화가 시점 m의 빔포밍 벡터에 의해 널링(제거)되지 않은 간섭의 양을 의미한다(즉, 에러로 간주한다).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 있어서 LMS 빔포밍 업데이트 과정을 도시한 것이다.
단계 1(step 1)에서 송신기는 빔포밍을 위한 새로운 데이터를 읽어온다(read a new data). 새로운 데이터
Figure 112016001208350-pat00039
은 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00040
이때,
Figure 112016001208350-pat00041
는 복합 간섭 채널 행렬을 의미한다.
LMS 알고리즘에서 읽어오는 새로운 데이터는 본 발명의 경우 변화한 복합 간섭 채널 행렬의 값, 즉
Figure 112016001208350-pat00042
를 의미한다. 다시 말해, 새로운 데이터는 이전 시점(m 시점)으로부터 현재 시점(n 시점) 동안 변화한 복합 간섭 채널 행렬의 값을 나타낸다.
단계 2(step 2)에서 송신기는 단계 1(step 1)에서 읽어온 새로운 데이터를 필터링 한다(filter out). 빔포밍 벡터가
Figure 112016001208350-pat00043
가 결정되면 새로운 데이터에 적용함으로써 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00044
를 적용한 신호
Figure 112016001208350-pat00045
를 출력할 수 있다. 이때, 출력 신호
Figure 112016001208350-pat00046
는 수학식 11과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00047
단계 3(step 3)에서 송신기는 출력 신호
Figure 112016001208350-pat00048
에 대한 출력 오류
Figure 112016001208350-pat00049
를 계산한다(output error). 이때, 출력 오류
Figure 112016001208350-pat00050
는 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00051
단계 4(step 4)에서 송신기는 출력 신호
Figure 112016001208350-pat00052
를 목표 신호
Figure 112016001208350-pat00053
와 비교한 결과인 출력 오류
Figure 112016001208350-pat00054
를 이용하여 채널 변화에 따른 빔포밍 벡터를 업데이트 할 수 있다(parameter adaptation). 업데이트 된 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00055
는 수학식 13과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016001208350-pat00056
따라서, 송신기에서 적응형 빔포밍 방식을 사용하는 경우 목표 신호
Figure 112016001208350-pat00057
와 출력 신호
Figure 112016001208350-pat00058
의 차이에 따른 출력 오류
Figure 112016001208350-pat00059
를 이전 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00060
에 반영함으로써 채널 변화를 고려한 업데이트 된 빔포밍 벡터
Figure 112016001208350-pat00061
를 구할 수 있다.
무선 통신 시스템에 포함된 송신기의 개수(n)가 LMS 업데이트 채널 레지스터 개수(M) 보다 적은 조건의 시간에서는 ZF 연산을 통해 빔포밍을 수행하고, 송신기의 개수(n)가 LMS 업데이트 채널 레지스터 개수(M) 보다 많은 조건의 시간에서는 도 6을 통해 설명한 LMS 업데이트 알고리즘을 통해 빔포밍 벡터를 갱신할 수 있다.
도 7과 도 8은 본 발명의 일 실시예에 있어서 LMS 빔포밍 업데이트를 통한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
시뮬레이션을 위해 적용된 파라미터는 다음과 같다.
- SNR=10dB
- 1 BS: 8개 ULA / BS
- 4 UE: 1개 안테나 / UE
- 4-bit quantization channel feedback
- 3GPP pedestrian channel model (urban-micro, 1km/h)
도 7을 참조하면, LMS 업데이트 알고리즘을 통해 빔포밍 벡터를 갱신하더라도 ZF 기법을 통한 빔포밍 벡터 연산의 결과와 거의 비슷한 SINR을 유지함을 확인할 수 있다. 다시 말해, LMS 업데이트 알고리즘을 적용하더라도 간섭이 충분히 제거된 상태로 유지될 수 있다.
도 7과 도 8을 참조하면, LMS 업데이트 채널 레지스터 개수인 M 의 크기가 적절할 경우 LMS 업데이트 알고리즘의 평균 효과로 인해 제한된 채널 피드백에서 발생한 성능 저하가 일정 시간 동안 완화되어 SINR이 증가하는 현상을 확인할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예들에 따르면, 제한된 채널 피드백을 이용하는 시변 채널 환경에서 LMS 업데이트 알고리즘을 이용한 빔포밍 벡터 업데이트를 통해 효율적인 적응형 빔포밍을 수행할 수 있다. 따라서, 매 채널 피드백마다 ZF 빔포밍을 수행함에 따른 매우 높은 복잡도를 LMS 업데이트 알고리즘을 통해 크게 줄일 수 있다. 또한, LMS 업데이트 알고리즘의 평균 효과로 인해 채널 피드백에서 발생한 에러를 애버리지 아웃 시킴으로써 SINR을 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 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 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법에 있어서,
    송신기의 빔포머(beamformer)에서 수신기 각각에 대해 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 송신기는 복수 개의 송신 안테나를 이용하여 복수 개의 송신 스트림을 수신기로 전송하되, 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 중첩하여 상기 송신 안테나를 공유함으로써 상기 송신 스트림을 동시에 전송하고,
    상기 형성하는 단계는,
    제한된 채널 피드백을 이용하는 시변 채널 환경에서 중첩(superposition) 빔포밍을 통해 상기 다중 빔이 중첩(superposition)된 중첩 빔을 형성하되, 채널 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 부호부와 정수부 및 두 개의 소수로 이루어진 양자화(quantization)를 통해 제한된 채널 피드백을 적용하여 빔포밍을 수행하고,
    상기 형성하는 단계는,
    LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 포함된 MSE 비용 함수(mean squared error cost function)를 간섭으로 적용하고 채널 변화에 따라 상기 다중 빔을 형성하기 위한 빔포밍 벡터를 갱신하는 것으로,
    상기 수신기로 송신하고자 하는 신호로서 이전 시점으로부터 현재 시점 동안 변화한 복합 간섭 채널 채널 행렬 값을 나타내는 데이터를 읽어오는 단계;
    상기 읽어온 데이터에 이전 빔포밍 벡터를 적용하여 출력 신호를 필터링 하는 단계; 및
    상기 출력 신호를 목표 신호(desired signal)와 비교한 결과인 출력 오류(output error)를 이용하여 상기 이전 빔포밍 벡터를 갱신하는 단계
    를 포함하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형성하는 단계는,
    적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하는 단계
    를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형성하는 단계는,
    적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하되, 채널 변화에 따라 이전 빔포밍 벡터를 갱신하여 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 형성하는 단계는,
    상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 많은 조건의 시간에서는 상기 이전 빔포밍 벡터를 갱신하여 빔포밍을 수행하고,
    상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 적은 조건의 시간에서는 상기 수신기로부터의 채널 피드백마다 ZF(zero-forcing) 연산을 통해 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 시스템에 있어서,
    송신기에서 수신기 각각에 대해 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 형성하기 위한 빔포머(beamformer)
    를 포함하고,
    상기 송신기는 복수 개의 송신 안테나를 이용하여 복수 개의 송신 스트림을 수신기로 전송하되, 서로 다른 빔 영역을 가진 다중 빔을 중첩하여 상기 송신 안테나를 공유함으로써 상기 송신 스트림을 동시에 전송하고,
    상기 빔포머는,
    제한된 채널 피드백을 이용하는 시변 채널 환경에서 중첩(superposition) 빔포밍을 통해 상기 다중 빔이 중첩(superposition)된 중첩 빔을 형성하되, 채널 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 부호부와 정수부 및 두 개의 소수로 이루어진 양자화(quantization)를 통해 제한된 채널 피드백을 적용하여 빔포밍을 수행하고,
    상기 빔포머는,
    LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 포함된 MSE 비용 함수(mean squared error cost function)를 간섭으로 적용하고 채널 변화에 따라 상기 다중 빔을 형성하기 위한 빔포밍 벡터를 갱신하는 것으로,
    상기 수신기로 송신하고자 하는 신호로서 이전 시점으로부터 현재 시점 동안 변화한 복합 간섭 채널 채널 행렬 값을 나타내는 데이터를 읽어오고, 상기 읽어온 데이터에 이전 빔포밍 벡터를 적용하여 출력 신호를 필터링 한 후, 상기 출력 신호를 목표 신호(desired signal)와 비교한 결과인 출력 오류(output error)를 이용하여 상기 이전 빔포밍 벡터를 갱신하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔포머는,
    적응형 빔포밍(adaptive beamforming) 방식을 이용하여 상기 수신기로부터 수신된 채널 정보를 포함한 피드백 정보에 따라 빔 간 간섭을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 시스템.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 빔포머는,
    상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 적은 조건의 시간에서는 상기 수신기로부터의 채널 피드백마다 ZF(zero-forcing) 연산을 통해 빔포밍을 수행하고,
    상기 송신기의 개수가 채널 레지스터의 개수 보다 많은 조건의 시간에서는 이전 빔포밍 벡터를 갱신하여 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서의 간섭 제거 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
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