KR20040012582A - 다중-사용자 검출 가능 셀룰러 네트워크를 위한 간단한스마트-안테나 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

무선 전송 수신 유닛 및/또는 기지국이 다중-사용자 검출(MUD)을 이용하는 셀룰러 네트워크에서 사용하기 위한 "스마트 안테나" 방법 및 장치이다. 다른 사용자와의 간섭을 고려하여 간섭 신호를 감소 또는 제거하면서 반면에 원하는 신호는 최대화하도록 하여서, 전체 시스템 용량이 증가될 수 있다.

Description

다중-사용자 검출 가능 셀룰러 네트워크를 위한 간단한 스마트-안테나 방법 및 장치{SIMPLE SMART-ANTENNA METHOD AND APPARATUS FOR MUD-ENABLED CELLULAR NETWORKS}

본 발명은 "스마트 안테나"에 관련된 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은무선 전송/수신 유닛 및/또는 기지국이 다중-사용자 검출(MUD)을 이용하는 셀룰러 네트워크에서 사용을 위한 "스마트 안테나"와 관련된다.

본원 명세서에서, 무선 전송/수신 유닛(WTRU)은 사용자 장비, 고정 무선 기지국 또는 무선 가입자 유닛, 호출기, 또는 무선 환경에서 동작이 가능한 다른 형태의 장치를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 본원 명세서에서, 기지국은 기지국, 노드 B, 사이트 제어기, 접속점 또는 다른 무선 환경에서의 인터페이스 장치를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.

스마트 안테나 시스템은 일반적으로 여러 개의 전송 및/또는 수신 안테나 요소의 복합체와, 신호 수신의 품질과 셀룰러 네트워크의 용량을 증가시키기 위해 이들 안테나를 사용하는 신호 처리 프로토콜을 같이 지칭한다.

스마트 안테나는 광범위하게 연구되어 왔고 또한 성능 개선을 위한 높은 가능성을 보여왔다. 그러나, 현재 대부분의 스마트 안테나 기술의 중요한 문제점은 성능 면에서의 임계 개선보다 더 크게 제공하도록 현저한 복잡도를 필요로 하는 것이다. 이 문제는 또한 다중-사용자 검출(MUD)기술을 이용하는 시스템에서 더 심하게 된다. 더욱이, 현재의 스마트 안테나 기술은 단지 각 WTRU에서 수신되는 전력을 최대화한 것이고 다른 사용자와의 간섭을 다루지는 않는 것이다.

본 발명은 무선 전송 수신 유닛 및/또는 기지국이 다중-사용자 검출(MUD)을 이용하는 셀룰러 네트워크에서 사용하기 위한 "스마트 안테나" 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명은 다른 사용자와의 간섭을 고려하여 간섭 신호를 감소 또는 제거하면서 반면에 원하는 신호는 최대화하도록 한다. 따라서 전체 시스템 용량이 증가될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단일 WTRU와 연관된 커버리지 영역의 격리된 영역과 셀 영역을 도시.

도 2는 본 발명에 따른 전송기를 위한 단순한 스마트 안테나 처리의 논리적 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 전송기를 위한 단순한 스마트 안테나 처리의 물리적 블록도.

도 4는 본 발명에 따른 수신기를 위한 단순한 스마트 안테나 처리의 논리적 블록도.

도 5는 본 발명에 따른 수신기를 위한 단순한 스마트 안테나 처리의 물리적 블록도.

본 발명은 이후 도면의 기호를 참조로 하여 설명되며, 유사한 기호는 유사한 구성요소를 나타낸다. 본원 명세서에서 설명되는 일반적인 방식은 약간의 변형을 통해서 전송기 및 수신기 처리에 모두 적용될 수 있다. 이러한 경우들에서, 원하는 사용자의 방향에 대해서 수신되거나 전송된 신호의 전력이 다른 사용자의 방향에 대해서 수신되거나 전송된 신호의 전력보다 더 강하도록, 빔 패턴이 각각의 사용자에 대해서 생성된다.

도 1은 단일 무선 전송 수신 유닛(WTRU)인 WTRU-1(12)에 지정된 빔 패턴(10)이다. WTRU-1(12)에서 전송되거나 수신되는 신호는 그 영역 내에서 엠퍼시스(emphasis)되고 다른 영역에서는 디엠퍼시스(de-emphasis)된다. 따라서 WTRU-1(12)에서의 전체 신호-대-잡음 비는 개선된다. 또한 도 1에서 볼 때 커버리지 영역이 상당히 복잡해 질수 있다는 것이 명백하다. 그러나, 비록 부분적인 격리도 신호-대-잡음 비에서의 현저한 개선을 제공할 수 있지만, 다수의 WTRU들이 있는 상황에서 각각의 WTRU의 신호가 완전히 격리된다는 것은 개연성이 없다.

도 1에서 도시한 기술은 전송된 신호에 적용될 때는 "빔 형성"으로 알려진 기술이며, 수신된 신호에 적용될 때는 "스마트 안테나 수신"이라고 알려진 기술이다. 이 기술의 성능 상에서의 장점은 1) 예컨대 전방향(omni-direction) 커버리지 영역을 위해서 3개 또는 커버리지 영역이 셀의 섹터와 같이 이미 방향성이 있는 경우 그보다 적은 수 같이 적은 수의 안테나가 요구되며, 2) 저-복잡도 처리인 것 및 3) 수신기에서 MUD 기술과 양립 가능한 처리라는 것을 포함한다.

전송될 신호의 처리를 위한 전송기에서의 시스템의 논리적 블록도가 도 2에 도시된다. 비록 이 블록도가 WTRU-1(12)과 같은 단일 WTRU를 위한 신호처리에 중점을 두고 있지만, 각각의 WTRU에 대해서 유사한 구조가 구현될 수 있다. 도 2와 도 3에 도시되었듯이, 하나 이상의 널(null)을 도입하여서 다른 WTRU들 또는 WTRU들의 다른 그룹의 방향에 대한 그 영향을 디엠퍼시스하는 방식으로, WTRU-1(12)을 위한 신호는 선형적으로 처리된다. WTRU-1(12)의 경우에, 선형 프로세서(24)내의 WTRU-2에서 WTRU-5까지를 위한 널과 함께 WTRU-1 데이터(20)가 처리될 수 있다. 일단 처리가 완료되면, WTRU-1을 위한 신호는, 다른 WTRU들을 위한 신호와 함께 가산기(26)내에서 유사하게 처리된 신호에 부가될 수 있다. 신호는 이후 안테나 어레이(30)를 통해서 전송된다.

도 3은 도 2의 아키텍처를 구현하기 위한 물리적 블록도이다. 단순화를 위해서 단지 3개의 WTRU들이 고려된다. i는 설계된 사용자의 인덱스이고 j는 안테나의 인덱스인 안테나 복합 가중치, {w_i,j}가 계산되어서, 간섭을 줄이거나 제거하고 원하는 사용자(WTRU)를 위한 콤포지트 채널 전력 이득이 최대화되게 하는 널을 생성하게 된다.

목표는 원하는 사용자 WTRU-1(12)을 위한 수신 전력을 최대화하고 다른 사용자 WTRU-2(14) 및 WTRU-3(16)의 간섭 전력을 최소화하는 것이다. 수학적으로, 원하는 사용자의 인덱스가 1이라고 가정하는 경우, 안테나 가중치는 수학식 1을 사용하여 계산될 수 있다.

, i= 1, 2, 3에 대해서 에 종속됨.

여기서이고, h_ij는 사용자 j에 대한 안테나 i로부터의 채널 임펄스 응답이고,이다. 수학식 1은 수학식 2에 나타내진 것과 같이 최적화될 수 있다.

여기서는 행렬 쌍의 일반화된 고유치(eigenvalue)이다. 이 방법이 현재의 3GPP 표준에서 사용되는 TxAA(전송 적응 어레이) 방법과 상당히 다르다는 것을 주의해야 한다. TxAA 스킴은 단지 WTRU에서 수신 전력을 최대화하는 것이고 다른 사용자에 대한 간섭에 대해서는 고려를 하지 않는다. 본 발명의 접근법이 다른 사용자에 대한 간섭을 고려하기 때문에, 전체 시스템 용량이 증가된다.

도 4 및 도 5의 논리적 및 물리적 블록도에서 도시된 바와 같이, 유사한 구조가 처리의 수신기 측을 위해서 구현될 수 있다. 전송기 및 수신기 처리 사이의 주요 차이점은 1) 안테나 가중치가 원하는 신호 전력을 최대화하고 다른 사용자로부터의 간섭을 최소화하도록 선택되는 것과, 2) 스마트 안테나 처리 이후, 각 사용자 내부적으로 서로 다른 안테나로부터의 입력을 결합하는 다중-사용자 검출(MUD) 처리가 이어진다는 것이다.

그러나, 채널 임펄스 응답이 다운링크 및 업링크 모두에 대해서 동일하고 따라서 다운링크 또는 업링크의 어느 한 방향에서의 복합 안테나 가중치가 다른 방향인 업링크 또는 다운링크에 대해서 적용될 수 있다는 것을 가정한다.

셀룰러 환경에서의 임의의 스마트 안테나 응용과 같이, 본 발명을 기지국 송신기 및 기지국 수신기 모두에 구현하여서 최대 성능 장점을 제공하는 것이 바람직하다. 수학식 1 및 수학식 2를 참조로 설명되었듯이, 본 발명의 방법은 각 안테나에서의 채널 임펄스 응답이 알려져 있는 것을 필요로 한다. 채널 임펄스 응답을 완전히 아는 것이 통상적으로 가능하지 않지만, 각 안테나에서 각 WTRU를 위한 채널 임펄스 응답의 매우 정확한 응답 예측은 통상적으로 정규 수신기 처리의 과정에서 얻어진다. 선행 기술의 방법에서의 다양한 표준 비-스마트-안테나가 그러한 예측을 얻기 위한 목적으로 사용될 수 있다.

다운링크와 업링크 전송을 위해서 서로 다른 주파수 대역이 사용되기 때문에, 주파수-분할 듀플렉스(FDD) 시스템에서 전송기를 위한 채널 임펄스 응답을 유도하는 것(즉 기지국 전송 안테나에서 WTRU들로의 채널의 임펄스 응답)은 문제가 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 전송기 부분을 그러한 시스템에 구현하는 것은 어려울수 도 있다.

그러나, 시분할 듀플렉스(TDD) 시스템에서, 업링크와 다운링크 사이에 동일한 주파수 대역이 시간상 공유된다. 이러한 점은 업링크에서 수신된 전송에서 얻어지는 채널 임펄스 응답 예측을 다운링크에 사용할 수 있게 한다. 얻어진 후 일정 수의 타임 슬롯을 예측하는 채널 임펄스 응답을 통합하는 TDD에서는 문제점이 발생할 수 있다. 그러나, UMTS W-CDMA 표준으로 제안된 TDD 모드와 같은 많은 TDD 시스템에서, 타임-슬롯 지속기간은 매우 짧아서, 실내 또는 보행 형태의 응용과 같이 페이딩이 느린 채널에 대해서, 채널 예측이 하나 이상의 타임 슬롯에 대해서 유효하게 된다. 그러한 느린 페이딩 채널은 통상적으로 마이크로-셀 및 피코-셀 환경이다. 본 발명은 따라서 특히 이러한 환경에 적합한 것이다.

MUD-형태 수신기를 이용하는 다중-셀 환경을 가지는 셀룰러 네트워크에서 좀 더 효율적인 응용이 가능하다. 그러한 네트워크에서 수신기의 성능은 종종 기지국 사이 및 또한 인접 셀에 위치하는 WTRU 사이의 셀-간(inter-cell) 간섭에 의해서 주로 제한이 된다. 예컨대, 선형 MUD가 이용되는 경우, 디콜레이팅(decorrelating) /영-강제(zero-forcing) 형태의 수신기를 위한 MUD의 출력에서의 유효 신호-대-간섭 비(SIR)는 수학식 3으로 주어진다.

여기서는의 [k, k]요소이고, H는 사용자 서명 순서, 데이터 속도 및 채널 상태와 같은 셀-간 구성 및 환경에 의해서 결정되는 행렬이고, σ²은 열 잡음 및 셀-간 간섭에 기인하는 전체 전력이다. 매우 큰 셀의 경우를 제외하면, 셀-간 간섭은 실질적으로 모든 σ²값의 원인이 된다. 수신기에서 최소-평균 제곱 에러(MMSE)를 위한 MUD 출력에서의 유효 SIR은 수학식 4에 표시된다.

여기서 I는 H와 동일한 차원을 가지는 매트릭스를 나타낸다.

수학식 3 및 수학식 4에서 σ²이 0으로 접근할 때, SIR은 무한대로 접근한다. 따라서, 셀-간 간섭의 감소는 MUD-가능 네트워크에서 주요한 관심사가 된다. 만약 σ²조건이 무한대로 되면 MUD에 의해서 셀-내부(intra-cell) 조건(term) 사이의 상호-간섭은 완전히 보정될 수 있다. 이것이 셀-내부 간섭이 또한 중요시되는 레이크(RAKE) 및 정합-필터에 기초한 수신기를 가지는 네트워크와의 차이점이다. σ²에 대한 값은 셀-간 간섭, 온도 채널 잡음 및 수신기 처리로부터 도입되는 잡음으로 구성된다. 이러한 성분 중에서, 셀-간 간섭이 통상적으로 가장 크게 기여한다. 따라서, σ²으로 측정되는 전체 간섭 전력을 현저하게 줄이는 것에 있어서 셀-간 간섭을 줄이는 것은 큰 영향을 미친다.

셀 에지에 위치하는 WTRU에 의해서 노드-B가 수신과 현저하게 간섭하는 TDD 시스템에서 셀-간 간섭은 특히 크다. 셀 크기가 작은 마이크로-셀 및 피코-셀 시스템에서, 유사한 간섭은 공통적인 것이다. 본 발명은 이상적으로 그러한 환경에서의셀-간 간섭을 줄이도록 적합화되었다. 선택적으로 WTRU들 또는 그 셀 내에서의 WTRU들의 그룹에서 전송을 선택적으로 조준하여서, 기지국에서는 특정 방향으로 방출되는 에너지의 총량을 현저하게 감소시키고 따라서 전체 셀-간 간섭을 줄이게 된다. 에너지가 수신기에서 수집되는 각도 범위를 제한함으로써, 임의의 단일 WTRU 수신기의 입력 신호에 기여하는 다른 셀로부터의 간섭을 기지국에서 제한할 수 있다. 결과적인 성능 향상은 현저한 것이다. 예컨대, 디콜레이팅 수신기에 셀-간 간섭을 반으로 줄이면 성능에서 3 dB만큼 개선된다. 유사한 이득이 MMSE 수신기에서도 얻어진다.

특히 각 WTRU들의 전송을 선택적으로 조준하여, 기지국에서 셀의 에지 또는 부근에 위치하는 WTRU들에 의한 수신과 현저하게 간섭되는 경우에, 본 발명이 이상적으로 셀-간 간섭을 줄이도록 적합화된 것이라는 것은 당업자에게 이해될 것이다. 안테나 가중치의 숫자, 생성된 복합 가중치의 숫자와 전송 및 수신 안테나의 숫자는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 원하는 대로 구현될 수 있다.

비록 특정 처리 기능이 특정 성분에 의해서 수행되는 것으로 설명되었지만, 처리 기능의 수행은 원하는 경우 네트워크 성분으로 분산될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

비록 본 발명이 상세히 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 첨부된 청구항에서 한정되는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능하다는 것을 이해해야 한다.

다중-사용자 검출(MUD)을 이용하는 셀룰러 네트워크에서 다른 사용자와의 간섭을 고려하여 간섭 신호를 감소 또는 제거하면서 반면에 원하는 신호는 최대화하도록 하여서 전체 시스템 용량이 증가될 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 통신을 위한 다중 사용자 검출을 이용하는 기지국의 기지국 전송기로서,

   전송을 위한 복수의 i개의 병렬 데이터 신호 입력과,

   복수의 j개의 안테나와,

   각 데이터 신호 i 및 안테나 번호 j에 따라서 인덱스된 복합 가중치 값을 생성하기 위한 복수의 가중치 생성기와,

   원하는 지점에 대한 전력 이득을 최대화하는 반면 원하지 않는 지점에 대한 신호 기여는 디엠퍼시스(de-emphasis)하는 방식으로 복합 가중치 값을 처리하기 위한 하나 이상의 선형 프로세서와,

   상기 선형 프로세서의 출력을 부가하여 복수의 j 안테나에서 전송에 대한 채널 임펄스 응답 데이터를 형성하는 벡터 가산기

   를 포함하는 전송기.
2. 제1항에 있어서, j개의 안테나는, 채널 임펄스 응답 데이터에 응답하여 빔형성을 만드는 스마트 안테나를 형성하는 것인 전송기.
3. 제1항에 있어서, j=3인 전송기.
4. 다중 사용자 검출을 이용하는 기지국 수신기로서,

   전송을 위한 복수의 i개의 병렬 데이터 신호 입력과,

   i 채널 임펄스 응답 데이터의 입력을 수신하기 위한 복수의 j개의 안테나와,

   각 데이터 신호 i 및 안테나 번호 j에 따라서 인덱스된 복합 가중치 값을 생성하기 위한 복수의 가중치 생성기와,

   원하는 소스(source)에 대한 전력 이득을 최대화하는 반면 원하지 않는 소스 대한 신호 기여는 디엠퍼시스하는 방식으로 복합 가중치 값을 처리하기 위한 하나 이상의 선형 프로세서와,

   상기 가중치 신호들을 결합하여 j개의 안테나에서 i 데이터 신호를 다시 만들기 위한 다중-사용자 검출 프로세서

   를 포함하는 수신기.
5. 제4항에 있어서, j개의 안테나는, 채널 임펄스 응답 데이터의 스마트 안테나 수신을 만드는 스마트 안테나를 형성하는 것인 수신기.
6. 제4항에 있어서, j=3인 수신기.
7. 각 기지국에서 복수의 각각의 소스에 대한 안테나 임펄스 응답 데이터의 세트를 저장하는 단계와,

   셀 내에서 적어도 2개의 평면 지점을 상기 복수의 소스에 대한 간섭 위치(location)로 선택하는 단계와,

   상기 안테나 임펄스 응답 데이터 및 각 소스-상기 다른 모든 소스를 널(null)하는 반면 상기 복수의 소스의 각각에서의 신호를 최대화하는-에 대해서의 상기 평면 지점으로부터 안테나 가중치의 세트를 결정하는 단계와,

   상기 셀의 분할(partitioning)을 생성하여 각 소스의 신호가 그 영역 내에서는 엠퍼시스(emphasis)되고 다른 영역에서는 디엠퍼시스되도록 상기 안테나 가중치를 적용하는 단계

   를 포함하는 기지국 사이에서 셀-간 간섭을 줄이기 위한 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 안테나 임펄스 응답 데이터의 세트는 상기 기지국에 의해서 결정되는 것인 방법.
9. 제7항에 있어서, 다운링크는, 원하는 신호의 전력을 최대화하고 다른 사용자 및 셀에 대한 간섭을 최소화하도록 선택된 상기 안테나 가중치의 세트를 포함하는 것인 방법.
10. 제7항에 있어서, 업링크는, 원하는 신호의 전력을 최대화하고 다른 사용자 및 셀에 대한 간섭을 줄이도록 선택된 상기 안테나 가중치의 세트를 포함하는 것인 방법.
11. 제7항에 있어서, 다운링크 채널과 업링크 채널은 동일한 것이고, 안테나 가중치의 세트는 안테나 임펄스 응답의 다운링크 또는 업링크 세트로부터 선택되는 것인 방법.
12. 제7항에 있어서, 스마트 안테나는 신호 전송 및 수신 모두를 위한 적어도 3개의 안테나 요소를 가지는 것인 방법.