KR20060104240A

KR20060104240A - 다중 안테나 시스템에서의 자원 스케줄링 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060104240A
Application number: KR1020050026196A
Authority: KR
Inventors: 정재학; 강지원; 이예훈; 남승훈; 이충용; 이학주
Original assignee: 삼성전자주식회사; 학교법인연세대학교
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-09
Also published as: CN1878021A; DE602006011666D1; US7630380B2; KR100922959B1; CN1878021B; EP1708531B1; EP1708531A1; US20060268814A1

Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템에서 사용자 별로 자원을 할당하는 스케줄링 장치 및 방법을 제안한다. 이를 위해 상위 계층에서 각 사용자들에게 장기적으로 얼마만큼의 자원을 할당할 것인지 결정하여 그 비율을 스케줄러에게 제공한다. 상기 스케줄러는 제공받은 비율에 적합한 계수들을 구한다. 그리고 일정한 시간 동안 사용자의 통계적인 채널 특성이 변화하지 않는다는 가정 하에서는 그 사용자의 채널용량 평균과 표준편차를 찾는다. 이러한 통계적인 특성 치인 채널 용량 평균 및 표준편차 값과 사용자 별로 피드 백되는 순시적인 채널용량을 앞서 구한 계수 값들에 의해 사용자 별 자원 할당을 스케줄링 한다.

MIMO wireless system, resource scheduling, multi-user diversity, controllability

Description

다중 안테나 시스템에서의 자원 스케줄링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SCHEDULING RESOURCE IN A MULTI ANTENA SYSTEM}

도 1은 종래 BUS 스케줄러를 이용하여 사용자 별로의 자원을 할당하는 안테나 어레이 시스템의 구조를 보이고 있는 도면.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따라 사용자 별로 타임 슬롯이 할당된 예를 보이고 있는 도면.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자원 스케줄링 장치의 구성을 보이고 있는 도면.

도 4a는 사용자 별로 측정된 채널 상황을 보이고 있는 도면.

도 4b는 상기 도 4a에서 보이고 있는 사용자 별 용량이 공통적으로 0 레벨을 기준으로 변화될 수 있도록 정상화 코스트 기능(Normalized Cost function)을 수행한 예를 보이고 있는 도면.

도 4c는 사용자 별로 위상 가중치를 부여함으로써, 사용자 별 용량을 변화시킨 예를 보이고 있는 도면.

도 5는 본 발명을 적용함으로써 다중 사용자 다이버시티 이득을 실험치를 통해 보이고 있는 도면.

도 6은 도 5와 동일한 환경에서 원하는 비율을 불규칙하게 바꿔가면서 실험한 결과를 보이고 있는 도면.

도 7은 본 발명의 실시 예에서 제안하는 스케줄러의 제어 성능을 보이고 있는 도면.

본 발명은 다중 안테나 시스템에서의 자원 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중 안테나 시스템에서 사용자 별로 자원을 할당하는 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 무선 채널 환경은 유선 채널과 달리 다중경로 간섭, 쉐도윙(Shadowing), 전파 감쇄, 시변 잡음, 간섭 등으로 인한 낮은 신뢰도를 나타낸다. 이것은 이동 통신에서 데이터 전송 속도를 높이는데 방해가 된다. 이를 극복하기 위한 많은 기술들이 개발되어 왔다. 대표적으로 신호의 왜곡과 잡음에 의한 영향을 억제하는 에러 컨트롤 코딩 기법과 페이딩을 극복하는 안테나 다이버시티가 있다.

상기 안테나 다이버시티는 독립적인 페이딩 현상을 겪은 여러 개의 신호들을 수신하여, 페이딩 현상에 대처한다. 통상적으로 다이버시티를 얻는 방법으로는 시간, 주파수, 다중 경로, 그리고 공간 다이버시티 등이 있다.

상기 시간 다이버시티는 채널 부호화와 인터리빙을 결합하여 시간적으로 다 이버시티를 얻도록 한다. 상기 주파수 다이버시티는 서로 다른 주파수로 송신된 신호들이 각기 다른 다중 경로 신호를 겪게 되어 다이버시티를 얻도록 하는 것이다. 그리고 상기 다중 경로 다이버시티는 다중 경로 신호들에 대해 서로 다른 페이딩 정보를 이용하여 신호를 분리함으로써 다이버시티를 획득한다. 상기 공간 다이버시티는 송신기나 수신기 또는 양쪽 모두에 여러 개의 안테나들을 사용하여 서로 독립적인 페이딩 신호에 의해 다이버시티를 얻도록 한다. 상기 공간 다이버시티 방식은 안테나 어레이를 이용한다.

안테나 어레이 시스템은 송/수신기에 다중의 안테나들이 구비된 시스템으로, 공간 영역을 이용하여 주파수 효율을 높이기 위한 시스템이다. 이와 같이 공간 영역을 이용하는 것은 이미 제한된 시간 영역과 주파수 영역을 이용하는 것에 비해 상대적으로 높은 전송 속도를 얻을 수 있기 때문이다. 상기 안테나 어레이 시스템은 다중 안테나 시스템이라 불리기도 한다. 상기 안테나 어레이 시스템을 구성하는 각 안테나들은 각기 독립적인 정보를 전송한다. 따라서 상기 안테나 어레이 시스템은 본질적으로 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multi Input Multi Output) 시스템에 해당된다.

상기 안테나 어레이 시스템이 높은 주파수 효율을 가져 용량을 확대하기 위해서는 송신 안테나들과 수신 안테나들 사이에 형성되는 채널들간 상관 계수(Correlation Coefficient)가 작아야 한다. 상기 채널들간 상관 계수가 작을 경우, 각각의 송신 안테나들에서 전송된 정보들은 서로 다른 채널을 겪게 되어 이동국은 송신된 정보들을 구별할 수 있다. 즉, 각 송신 안테나들에서 보내진 신호는 각기 다른 공간 특성을 가져야만 구별되고, 채널 용량의 확대를 가져온다. 또한, 상기 안테나 어레이 시스템은 서로 다른 공간 특성을 가지는 다중 경로 신호들이 많은 곳에 적합하다. 하지만 LOS(Line of Sight) 환경에서는 단일 송/수신 안테나 시스템에 비해 용량 증가가 크지 않다. 따라서, 상기 안테나 어레이 시스템은 송신기와 수신기 사이에 산란 물체가 많아 다중 경로가 많이 발생하는 환경에 적합한 시스템으로서, 각 송/수신 안테나 채널들의 상관 계수가 작은, 즉 다이버시티 효과가 있는 환경에 적합한 시스템이다.

이러한 안테나 어레이 시스템에서는 수신측에서 송신측으로 채널 상태 정보를 제공하도록 하고 있다. 상기 안테나 어레이 시스템에서 필요한 채널 상태 정보는 각 송신 안테나들에서 각 수신 안테나들 사이의 채널 반응이다. 따라서 상기 채널 상태 정보는 송/수신 안테나 수에 비례한다.

한편 안테나 어레이 시스템의 송신측에서는 한정된 자원을 최대한 효율적으로 사용하기 위해 사용자 별로 할당할 자원에 대한 스케줄링이 필요하다. 상기 자원 할당을 위한 스케줄링은 수신측으로부터 제공되는 채널 상태 정보를 참조하여 이루어진다.

종래 다중 사용자를 지원하는 안테나 어레이 시스템 환경에서 다중 사용자 다이버시티 (multiuser diversity) 이득을 얻기 위한 대표적인 스케줄링 기법으로써, 베스트 사용자 선택 (BUS ; Best User Selection) 스케줄러가 존재한다. 상기 BUS 스케줄러는 각 스케줄링 간격마다 최대의 채널 용량을 가지고 있는 사용자에게 데이터를 전송하도록 한다. 전체 사용자 수를 K라고 할 때, BUS 스케줄러는 하기 < 수학식 1>에 의해 각 사용자 별로의 자원(

)을 할당한다.

여기서,

는 스케줄링 시간

에서의 사용자

의 채널 용량이다.

도 1은 종래 BUS 스케줄러를 이용하여 사용자 별로의 자원을 할당하는 안테나 어레이 시스템의 구조를 보이고 있는 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 각 사용자들(User 1, User 2, …, User K)(120, 122, 123)은 채널 특성을 고려한 채널 상태 정보(

)를 피드 백 정보로써 기지국에 전달한다. 상기 사용자 별 채널 상태 정보(

)는 상기 기지국의 패킷 스케줄러(110)로 제공된다. 상기 패킷 스케줄러(110)는 상기 사용자 별 채널 상태 정보(

)를 고려하여 상기 <수학식 1>에 의해 각 사용자 별로 할당할 자원(

)을 결정한다.

상기 사용자 별로 할당된 자원(

)은 버퍼(112)로 제공된다. 상기 버퍼(112)는 사용자 별로 전송할 패킷들을 임시로 저장하는 큐(Queue)에 해당한다. 상기 버퍼(112)는 상기 사용자 별로 할당된 자원(

)에 의해 저장된 사용자 별 전송 패킷들을 출력한다. 상기 버퍼(112)부터 출력되는 전송 패킷들은 부호화 및 적응적 변조부(114)로 제공된다. 상기 사용자 별로 전송될 패킷들은 상기 부호화 및 적응적 변조부(114)에 의해 부호화 및 소정 변조방식에 의한 변조가 이루어진다. 상기 변조방식은 사용자 별로 제공되는 채널 상태 정보에 의해 적응적으로 변경된다.

상기 사용자 별로 전송될 변조 심볼들은 공간 다중화부(116)에 의해 송신 안테나의 개수에 대응하는 변조 심볼 열들로 다중화된다. 상기 공간 다중화부(116)에 의해 다중화된 변조 심볼 열들은 대응하는 송신 안테나를 통해 사용자 별로 전송된다.

상기 도 1에서 보이고 있는 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템의 경우, 기지국과 사용자들간에는 고유한 채널 특성(

,

, …,

)을 가진다. 상기 사용자들(120, 122, 124)은 자신의 채널 특성을 고려하여 채널 상태 정보()를 결정하고, 이를 상기 기지국으로 피드 백 시킨다.

앞에서 살펴본 종래 BUS 스케줄러는 사용자들 간의 평균적인 채널 용량이 다를 경우 평균적인 채널 용량이 큰 사용자에게 더 많은 자원을 할당하므로, 각 사용자들에 대해 공평한 자원 할당이 이루어지지 않는다. 즉 평균적인 채널 상태가 나쁜 사용자는 자원 할당을 거의 받을 수 없게 된다.

이러한 점을 해소하기 위해 다중 사용자 다이버시티 이득과 함께 공평성을 부여하는 기법들이 연구되었다. 그 대표적인 예가 PF (Proportional Fair) 기법과 WPF (Weighted Proportional Fair) 기법 등이다. 하지만 전술한 기존 기법들의 경우, 시스템 관리자가 원하는 비율로 자원(타임 슬롯; time slot) 할당을 제어할 수 있는 정량적인 기준과 그 방법 및 알고리즘에 대해서는 연구되지 않았다.

따라서 본 발명은 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템에서 사용자 별로 최적의 비율에 의해 자원이 할당되도록 하는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템에서 사용자 별로 원하는 자원 할당을 제어하기 위한 정량적인 기준을 제시한다.

또한 본 발명은 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 다이버시티 이익을 얻으면서 원하는 비율에 의해 사용자 별로 자원을 할당하는 스케줄링 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템에서 원하는 비율에 의해 사용자 별로 타임 슬롯을 할당하는 스케줄링 장치 및 방법을 제공한다.

상기한 바를 위한, 본 발명은 다중 사용자들을 지원하는 다중 안테나 시스템의 기지국에서, 소정 타임 슬롯 구간 별로 각 단말들에 대해 할당할 타임 슬롯의 비율을 결정하는 과정과, 상기 단말들 각각으로부터 일정 시간 동안 보고된 채널 용량에 의해 각 단말 별 채널 용량 평균 값과 표준 편차를 계산하는 과정과, 상기 결정된 타임 슬롯의 비율을 참조하고, 상기 단말 별로 계산된 채널 용량 평균 값과 표준 편차 및 최종 보고된 채널 용량에 의해 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말을 결정하는 과정에 의해 단말 별로의 자원을 할당하는 방법을 제안한다.

상기한 바를 위한, 본 발명은 다중 사용자들을 지원하는 다중 안테나 시스템 의 기지국에서, 소정 타임 슬롯 구간 별로 각 단말들에 대해 할당할 타임 슬롯의 비율을 결정하는 비율 결정부와, 상기 결정된 타임 슬롯의 비율에 의해 상기 단말 별로 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 계수들을 결정하는 계수 계산부와, 상기 단말들 각각으로부터 일정 시간 동안 보고된 채널 용량에 의해 각 단말 별 채널 용량 평균 값과 표준 편차를 계산하고, 상기 계수들, 상기 단말 별로 계산된 채널 용량 평균 값과 표준 편차 및 최종 보고된 채널 용량에 의해 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말을 결정하는 패킷 스케줄러를 포함하는 단말 별로의 자원을 할당하는 장치를 제안한다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명에서는 상위 계층에서 각 사용자들에게 장기적으로 얼마만큼의 자원을 할당할 것인지 결정하여 그 비율을 스케줄러에게 제공한다. 상기 스케줄러는 제공받은 비율에 적합한 계수들을 본 발명에서 제안하는 수식을 이용하여 구한다. 그리고 일정한 시간 동안 사용자의 통계적인 채널 특성이 변화하지 않는다는 가정 하에서는 그 사용자의 채널용량 평균과 표준편차를 수식적으로 혹은 일정한 시간 구간 동안 계속 갱신해 나아가며 찾아낼 수 있다. 이러한 통계적인 특성 치인 채널 용량 평균 및 표준편차 값과 사용자 별로 피드 백되는 순시적인 채널용량을 앞서 구한 계수 값들과 함께 본 발명에서 제안하는 수식에 대입함으로써 사용자 별 자원 할당을 스케줄링 한다. 이때 자원 할당은 본 발명에서 제안하는 수식에 의해 구하여진 값들 중 가장 큰 값을 가지는 사용자에게 타임 슬롯을 할당하는 방식이다.

본 발명에서 제안한 스케줄링 기법은 다중 사용자 다이버시티 이득과 함께, 각 사용자 별로 원하는 비율만큼의 타임 슬롯을 할당을 위해 채널 용량의 가우시안 근사화를 사용하여 하기 <수학식 2>와 같은 알고리즘으로 스케줄링을 한다.

여기서,

는 현재 타임 슬롯의 채널 용량,

는 사용자 k의 채널 용량의 평균값이고,

는 사용자 k의 채널 용량에 대한 표준 편차이다. 이 때,

와

는 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수들이다. 원하는 비율이 정해졌을 때, 가능한 계수들은 무한히 많이 존재한다. 그 중에서 적분 계산 없이 계수를 구할 수 있고, 계수의 테이블화가 가능한 장점을 갖고 있는 부-최적화(sub-optimal) 스케줄러로서 위의 스케줄러에서 모든 사용자들에 해당하는 코스트 기능 (cost function)의 평균을 0으로 놓은 제어 변동 (CV : Control Variance) 스케줄러를 또한 제안한다. 상기 CV 스케줄러는 하기 <수학식 3>과 같은 알고리즘으로 스케줄링을 한다.

앞에서도 밝힌 바와 같이 상기 <수학식 3>에서는 모든 사용자들의 코스트 기능의 평균을 동일(

= 0)하게 한 후 분산

을 구하도록 하고 있다.

도 2는 다중 사용자 다이버시티 이득을 얻으면서 동시에 원하는 비율에 의해 사용자 별로 타임 슬롯이 할당되도록 하는 본 발명의 개요를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 2에서는 12개의 타일 슬롯을 기준으로 할 때, 사용자 A, B, C 별로 3:4:5의 비율로 자원이 할당되는 예를 개시하고 있다. 상기 도 2에서 보이고 있는 바와 같이 사용자 별로 타임 슬롯은 규칙적으로 할당되는 것이 아니라 소정 타임 슬롯 구간에서 원하는 비율에 의해 자원 할당이 이루어지도록 한다.

본 발명은 안테나 수가 많아질 때 다중 안테나 시스템의 채널 용량이 가우시안 분포로 근사화 되는 것을 이용한다. 상기 <수학식 2>를 참조할 때, 임의의 타임 슬롯

에서의 값을 하기 <수학식 4>와 같이 설정한다.

이 때,

는

인 가우시안 분포를 갖는 랜덤 변수로 근사화 할 수 있다.

따라서, 사용자 k가 선택될 확률은 하기 <수학식 5>에 의해 구할 수 있다.

각 사용자에게 할당하기 원하는 타임 슬롯 비율을

라고 하면, 상기 <수학식 5>에서

를 만족시키는 계수들을 찾으면 원하는 비율로의 할당이 가능하다. 즉, K 개의 연립 방정식을 푸는 것이다. 이 때, 식의 수보다 계수들의 수가 두 배만큼 많기 때문에, 원하는 비율로 할당 가능한 계수들의 집합은 무수히 많다.

본 발명에서 제안한 방식으로 스케줄링을 하는 경우, 사용자 k의 평균적인 채널용량 이득은 하기 <수학식 6>에 의해 구할 수 있다.

여기서,

는 하기 <수학식 7>과 같이 구한다.

상기 <수학식 7>에 의한

는 항상

보다 크므로 상기 <수학식 6>에 의해 모든 사용자들이 본 발명에서 제안된 스케줄링 방식으로 인해 평균적인 채널용량에서의 이득, 즉 스케줄링 이득을 본다는 것을 증명할 수 있다. 전술한 수학식들을 응용하면, 스케줄링을 통한 전체 시스템 용량도 하기 <수학식 8>과 같이 구할 수 있다.

이 때, 벡터

과

는 각각

과

을 의미하고,

가 벡터

,

와 원하는 비율

의 함수임을 표시하였다. 상기 <수학식 8>에서 뒤 항은 결국 weighted round-robin 방식으로 얻을 수 있는 시스템 용량과 일치하므로 앞 항만큼의 다중 사용자 다이버시티를 얻는다.

앞서 언급한 것처럼 본 발명에서 제안한 스케줄러는 무한히 많은 형태로 정의될 수 있다. 그 중에서 전체 시스템 용량을 최대로 하는 스케줄러는 하기 <수학 식 9>와 같다고 알려져 있다.

일반적으로

는 직접 구하기 어려우나, 이 최적의 스케줄러도 본 발명에서 제안한 스케줄러의 범주 안에 포함된다. 따라서 상기 <수학식 5>에 의해 계수를 구하는 것이 가능하다. 그러나 상기의 스케줄러의 경우, 계수가 채널의 통계적 특성에 종속적이므로 계수들을 채널상황에 맞추어 새로 구해야만 하는 단점이 있다 (

). 또한 상기 <수학식 5>를 실제 시스템에서 사용하려면 적분의 근사화 기법을 사용하여야만 하는데 이 또한 실시간으로 계산하기에는 큰 부담이 따른다.

따라서, sub-optimal 스케줄러로서 상기 <수학식 3>으로 표현되는 CV 스케줄러를 제안한다. 상기 CV 스케줄러의 경우 모든 사용자의 코스트 기능(cost function)의 평균이 0이 되므로, 채널의 통계적 특성과 계수는 독립적이라는 좋은 특성을 갖게 된다. 이와 같이 평균을 0으로 놓았을 때, 상기 <수학식 5>는 하기 <수학식 10>과 같이 표현 가능하다.

여기서

은 그 수보다 작거나 같은 최대 정수를 의미하는 가우스 연산을 의미하며,

는 n개의 원소 중에서 k 개를 고르는 경우의 수를 의미한다. 그리고,

은 1부터 K까지 k를 제외한 모든 정수를 원소로 하는 전체 집합에서 원소의 개수가

개인 부분 집합을 의미한다.

상기 <수학식 10>에서의 모든 적분은 상보 오류 기능(complementary error function)의 근사화식을 사용하여 없애는 것이 가능해진다. 예를 들어 상보 오류 기능(complementary error function)을 하기 <수학식 11>과 같이 근사화할 수 있다.

여기서,

,

는

의 함수로 상보 오류 기능(complementary error function)의 근사화를 사용하는 경우,

,

이고, 상한 값(upper bound)으로 사용하는 경우에는

,

가 된다. 이 때, 함수

는 하기 <수학식 12>로 근사화 된다.

여기서

인

에 해당하는

을 원소로 갖는 크기

인 벡터를

이라고 할 때, 는

으로 정의한다. 여기서,

는

개의 원소는

나머지

개의 원소는

인 모든 가능한

개의 벡터

들을 원소로 갖는 집합이다. 식(5)와 식(13)을 결합하면 적분계산 없이 확률

을 구할 수 있다.

이렇게 구한 확률 식과 표준편차

와 확률

가 비례하는 성질을 이용하면 반복적으로 원하는 모든 확률

에 해당되는 계수들

을 구할 수 있다. 하기 <표 1>에서는 계수들을 구하는 방식의 한가지 예로서 steepest decent 알고리즘을 응용한 것이다.

이 때 양수

와 N을 잘 조절하여야 최적화된 값

에 빠르고 정확하게 근접한다.

본 발명에서 제안한 CV 스케줄러에서 각 사용자에게 할당되는 채널용량을 빠르게 구하기 위해, 앞서 사용하였던 상보 오류 기능(complementary error function) 근사화를 사용할 수도 있다. 이 때, 상기 <수학식 7>의 적분식이 하기 <수학식 13>과 같이 근사화 된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스케줄링 기법을 적용한 다중 안테나 시스템을 보이고 있는 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 각 사용자들(User 1, User 2, …, User K)(330, 332, 334)은 채널 특성을 고려한 채널 상태 정보(

)를 기지국으로 전달한다. 상기 사용자 별 채널 상태 정보(

)는 상기 기지국의 패킷 스케줄러(310)로 제공된다.

비율 결정부(314)는 사용자 별로 할당할 타임 슬롯 비율(

)을 앞에서 개시한 <수학식 10>에 의해 구한다. 그리고 상기 사용자 별로 구하여진 타임 슬롯 비율(

)을 계수 계산부(312)로 제공한다.

상기 계수 계산부(312)는 사용자 별로 결정된 비율에 감안하여 패킷 스케줄링을 위한 계수인 벡터

과

를 계산한다. 상기 벡터

과

를 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 앞에서 자세히 개시하였다. 상기 계수 계산부(312)에 의해 계산된 벡터

과

는 상기 패킷 스케줄러(310)로 제공된다.

상기 패킷 스케줄러(310)는 상기 사용자 별 채널 상태 정보(

)와 상기 벡터

과

을 고려하여 각 사용자 별로 할당할 자원(

또는

)을 결정한다. 상기 패킷 스케줄러(310)는 앞에서 개시한 <수학식 2> 또는 <수학식 3>에 의해 사용자 별로 할당할 자원을 계산할 수 있다.

상기 사용자 별로 할당된 자원(

또는

)은 버퍼(316)로 제공된다. 상기 버퍼(316)는 사용자 별로 전송할 패킷들을 임시로 저장하는 큐(Queue)에 해당한다. 상기 버퍼(316)는 상기 사용자 별로 할당된 자원(

또는

)에 의해 저장된 사용자 별 전송 패킷들을 출력한다. 상기 버퍼(316)부터 출력되는 전송 패킷들은 부호화 및 적응적 변조부(318)로 제공된다. 상기 사용자 별로 전송될 패킷들은 상기 부호화 및 적응적 변조부(318)에 의해 부호화 및 소정 변조방식에 의한 변조가 이루어진다. 상기 변조방식은 사용자 별로 제공되는 채널 상태 정보에 의해 적응적으로 변경된다.

상기 사용자 별로 전송될 변조 심볼들은 공간 다중화부(320)에 의해 송신 안테나의 개수에 대응하는 변조 심볼 열들로 다중화된다. 상기 공간 다중화부(320)에 의해 다중화된 변조 심볼 열들은 대응하는 송신 안테나를 통해 사용자 별로 전송된 다.

상기 도 3에서 보이고 있는 다중 사용자를 지원하는 다중 안테나 시스템의 경우, 기지국과 사용자들간에는 고유한 채널 특성(

,

, …,

)을 가진다. 상기 사용자들(330, 332, 334)은 자신의 채널 특성을 고려하여 채널 상태 정보(

)를 결정하고, 이를 상기 기지국으로 피드 백 시킨다.

도 4a는 사용자 별로 측정된 채널 상황을 보이고 있는 도면이다. 상기 도 4a에서는 시간에 대응하여 각 사용자 별로 변화되는 채널 용량(capacity)의 보이고 있다. 상기 도 4a를 참조할 때, 실선으로 표시된 제1사용자(User 1)의 용량이 가장 높으며, 일점 쇄선으로 표시된 제3사용자(User 3)의 용량이 상대적으로 가장 낮음을 알 수 있다.

도 4b는 상기 도 4a에서 보이고 있는 사용자 별 용량이 공통적으로 0 레벨을 기준으로 변화될 수 있도록 정상화 코스트 기능(Normalized Cost function)을 수행한 예를 보이고 있는 도면이다. 이는 용량이 다른 사용자들에 비해 상대적으로 높은 제1사용자에 의해 채널이 독점되는 것을 방지하기 위함이다. 상기 도 4b와 같이 사용자 별 용량을 소정 기준 레벨에 대해 정상화하는 것을 사용자 별로 서로 다른 가중치를 부여함으로써 가능하다. 상기 가중치로써 도 3에서는

을 사용하고 있다.

도 4c는 사용자 별로 위상 가중치를 부여함으로써, 사용자 별 용량을 변화시킨 예를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 4c에서는 사용자 별로 서로 다른 가중치를 부여함으로써, 사용자 별로 할당되는 확률을 변화시킨다. 상기 가중치로써 도 3에서는

을 사용하고 있다. 상기 사용자 별로 부여되는 가중치

를 조절함으로써, 사용자 별로 할당되는 타임 슬롯을 조절할 수 있다. 상기 도 4c에서는 8:8:3의 할당 비율을 가지도록 사용자 별로의 가중치

를 부여한다. 상기 도 4c를 참조할 때, 특정 시점에서 가장 높은 용량을 가지는 사용자에 대해 타임 슬롯이 할당됨을 보이고 있다.

실험 예

도 5는 본 발명을 적용함으로써 다중 사용자 다이버시티 이득을 실험치를 통해 보이고 있는 도면이다. 상기 도 5에서는 각각 4개의 송/수신 안테나를 사용하고, 사용자들의 평균 SNR이 9~11dB사이에 균일하게 분포한 경우, 사용자 수의 증가에 따른 시스템 용량의 변화를 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 결과와 수식적인 예측치로 비교하였다. 이 경우, 최적의 스케줄러와 CV 스케줄러는 거의 동일한 성능을 보였다. 즉 사용자 수가 증가함에 따라 큰 시스템 용량의 증가를 보였다.

도 6은 상기 도 5와 동일한 환경에서 원하는 비율을 불규칙하게 바꿔가면서 실험한 결과를 보이고 있는 도면이다. 이 경우에도 최적의 스케줄러와 CV 스케줄러 모두 사용자 수의 증가에 따라 큰 시스템 용량의 증가를 보였다. 그리고 상기 두 스케줄러의 성능 차이는 평균적으로 1% 이내에서 이루어졌다.

도 7에서는 각 사용자들에게 할당된 타임 슬롯의 비율이 원하는 비율로 할당되었는지를 확인하기 위해, CV 스케줄러의 AAE(Average Absolute Error)를 비교하 였다. 이를 통해 안테나 수가 많아질수록 가우시안 근사화가 더욱 정확해져서 AAE가 작아지고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 적분식을 근사화하여 사용하는 경우에는 안테나 수가 많아져도 어느 정도의 에러를 유지하고 있음을 볼 수 있다. 상기 에러 성분은 상보 오류 기능 (complementary error function)의 근사화 오차이다.

송수신 안테나가 2개 이상인 경우 AAE는 0.01 이하에서 이루어지는데, 상기 오차는 주기적으로 통계적인 채널 상태가 바뀌는 실제 시스템 상황을 고려한다면 매우 작은 오차라고 할 수 있다. 따라서 본 발명은 안테나의 수가 많지 않은 경우에도 정확한 제어 성능을 보임을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명은 시스템 관리자가 원하는 비율로 각각의 사용자에게 데이터 서비스를 할 수 있음과 동시에 다중 사용자 다이버시티에 의해 전체적인 시스템의 채널용량을 증가시킨다. 뿐만 아니라, 각각의 사용자에게 할당되는 평균 채널용량 역시 스케줄링을 하지 않았을 때의 평균 채널용량보다 좋다. 즉, 어떠한 사용자도 평균 채널용량의 감소를 겪지 않는다.

따라서 다중 안테나 기술과 다중 사용자 다이버시티 기반 스케줄링 및 서비스 품질 보장을 모두 만족시킴으로써, 다중 사용자 환경에서 스펙트럼 효율을 극대화 시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

다중 사용자들을 지원하는 다중 안테나 시스템에서, 기지국이 단말 별로의 자원을 할당하는 방법에 있어서,

소정 타임 슬롯 구간 별로 각 단말들에 대해 할당할 타임 슬롯의 비율을 결정하는 과정과,

상기 단말들 각각으로부터 일정 시간 동안 보고된 채널 용량에 의해 각 단말 별 채널 용량 평균 값과 표준 편차를 계산하는 과정과,

상기 결정된 타임 슬롯의 비율을 참조하고, 상기 단말 별로 계산된 채널 용량 평균 값과 표준 편차 및 최종 보고된 채널 용량에 의해 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말을 결정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말은, 하기 <수학식 14>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 상기 방법.

여기서,
는 현재 타임 슬롯의 채널 용량,
는 사용자 k의 채널 용량의 평균값이고,
는 사용자 k의 채널 용량에 대한 표준 편차이며,
와
는 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수들임.
제2항에 있어서, 상기 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수들
와
는, 상기 결정된 타임 슬롯의 비율에 의해 결정됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제2항에 있어서, 상기 사용자 k에게 할당하기 원하는 타임 슬롯 비율이
라 할 때, 상기 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수들
와
는, 하기 <수학식 15>에서
를 만족시키는 계수들에 의해 결정됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제1항에 있어서, 상기 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말은, 하기 <수학식 16>에 의해 결정됨을 특징으로 하는 상기 방법.

여기서,
는 현재 타임 슬롯의 채널 용량,
는 사용자 k의 채널 용량의 평균값이고,
는 사용자 k의 채널 용량에 대한 표준 편차이며,
는 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수임.
제5항에 있어서, 상기 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수
는, 상기 결정된 타임 슬롯의 비율에 의해 결정됨을 특징으로 하는 상기 방법.
다중 사용자들을 지원하는 다중 안테나 시스템에서, 기지국이 단말 별로의 자원을 할당하는 장치에 있어서,

소정 타임 슬롯 구간 별로 각 단말들에 대해 할당할 타임 슬롯의 비율을 결정하는 비율 결정부와,

상기 결정된 타임 슬롯의 비율에 의해 상기 단말 별로 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 계수들을 결정하는 계수 계산부와,

상기 단말들 각각으로부터 일정 시간 동안 보고된 채널 용량에 의해 각 단말 별 채널 용량 평균 값과 표준 편차를 계산하고, 상기 계수들, 상기 단말 별로 계산된 채널 용량 평균 값과 표준 편차 및 최종 보고된 채널 용량에 의해 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말을 결정하는 패킷 스케줄러를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
제7항에 있어서, 상기 패킷 스케줄러는, 하기 <수학식 17>에 의해 상기 임의의 타임슬롯을 할당할 단말을 결정함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서,
는 현재 타임 슬롯의 채널 용량,
는 사용자 k의 채널 용량의 평균값이고,
는 사용자 k의 채널 용량에 대한 표준 편차이며,
와
는 원하 는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수들임.
제7항에 있어서, 상기 계수 계산부는, 상기 사용자 k에게 할당하기 원하는 타임 슬롯 비율이
라 할 때, 상기 계수들
와
를 하기 <수학식 18>에서
를 만족시키는 계수들에 의해 결정함을 특징으로 하는 상기 장치.
제7항에 있어서, 상기 패킷 스케줄러는, 하기 <수학식 19>에 의해 상기 임의의 타임 슬롯을 할당할 단말을 결정함을 특징으로 하는 상기 장치.

여기서,
는 현재 타임 슬롯의 채널 용량,
는 사용자 k의 채널 용량의 평균값이고,
는 사용자 k의 채널 용량에 대한 표준 편차이며,
는 원하는 비율로 사용자 k에게 타임 슬롯이 할당되도록 조절하는 역할을 하는 계수임.