KR20060124088A

KR20060124088A - 어레이 안테나를 이용하는 이동 통신 시스템에서의 데이터송/수신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20060124088A
Application number: KR1020050045834A
Authority: KR
Inventors: 한진규; 김대균; 권환준; 김동희; 김윤선; 김유철; 문철
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-05
Also published as: JP5241814B2; CA2603184A1; USRE46951E1; CN102098087B; TWI316339B; US20060270360A1; AU2006253192A1; US7933560B2; BRPI0610924A2; US7899405B2; KR101124932B1; US20100111211A1; TW200703968A; EP1886419A4; DE202006021071U1; WO2006129958A1; JP2011254524A; RU2007144507A; JP2011101402A; USRE45203E1

Abstract

본 발명은 송/수신 어레이 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 공간적인 다중 전송을 구현하는 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것으로 본 발명의 시스템은 송신기로부터 데이터를 수신하여 채널을 추정한 후 데이터 전송률을 최대로 하는 피드백 정보를 생성하여 상기 송신기로 다수의 피드백 채널을 통해 전송하는 수신기와, 상기 피드백 정보를 근거로 전송할 데이터를 역다중화하고, 각 역다중화된 데이터열에 해당 가중치를 곱하여 빔성형후 전송하는 송신기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 본 발명의 방법은 수신기가 송신기로부터 전송된 데이터의 파일롯 채널로부터 페이딩 채널을 추정하는 제 1과정과, 상기 수신기가 상기 추정된 페이딩 채널 정보를 이용하여 데이터 전송률을 최대로 하는 피드백 정보를 생성하는 제 2과정과, 상기 수신기가 상기 피드백 정보를 다수의 피드백 채널을 통해 상기 송신기에 전송하는 제 3과정과, 상기 송신기가 상기 피드백 정보를 근거로 전송할 데이터를 처리하여 전송하는 제 4과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

어레이 안테나, Precoder Codebook, Knockdown Precoding 시스템

Description

어레이 안테나를 이용하는 이동 통신 시스템에서의 데이터 송/수신 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING/RECEIVING A DATA IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM WITH ARRAY ANTENNAS}

도 1은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 시스템을 나타낸 도면

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 시스템의 수신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 시스템 송신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 4는 본 발명의 바람직한 제 1실시 예에 따라 가중치 집합을 결정하는 과정을 도시한 순서도

도 5는 본 발명의 바람직한 제 2실시 예에 따라 가중치 집합을 결정하는 과정을 도시한 순서도

도 6은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 시스템을 나타낸 도면

도 7은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 시스템의 수신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 8은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 시스템의 송신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 9는 본 발명의 제 3실시 예에 따른 시스템을 나타낸 도면

도 10은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 시스템의 수신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 11은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 시스템의 송신기에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도

도 12는 공간 상관도가 있는 환경에서 종래 기술과 본 발명의 시스템의 성능을 비교한 실험 결과를 나타낸 그래프

도 13은 공간 상관도가 없는 환경에서 종래 기술과 본 발명의 시스템의 성능을 비교한 실험 결과를 나타낸 그래프

본 발명은 이동통신시스템의 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 송/수신 어레이 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 공간적인 다중 전송을 구현하는 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

이동통신시스템은 초기의 음성 위주의 서비스를 제공하던 것에서 벗어나 데이터 서비스 및 멀티미디어 서비스 제공을 위해 고속, 고품질의 무선 데이터 패킷 통신시스템으로 발전하고 있다. 현재 3GPP를 중심으로 진행되고 있는 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)와 3GPP2를 중심으로 진행되고 있는 1xEV-DV에 대한 표준화는 3세대 이동통신시스템에서 2Mbps 이상의 고속, 고품질의 무선 데이터 패킷 전송 서비스에 대한 해법을 찾기 위한 노력의 대표적인 반증이라 볼 수 있다. 한편, 4세대 이동통신시스템은 그 이상의 고속, 고품질의 멀티미디어 서비스 제공을 근간으로 하고 있다.

무선통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 제공하기 위해 송신단과 수신단에 다중의 안테나를 사용하는 다중 입/출력 (Multiple Input Multiple Output :MIMO) 안테나 시스템을 이용한 공간 다중 전송 기법이 제안되고 있다. 공간 다중 전송 기법은 송신 안테나 별로 서로 다른 데이터 스트림을 동시에 전송하여, 이론적으로 추가적인 주파수 대역폭 증가 없이 송/수신 안테나 수가 증가함에 따라 서비스 가능한 데이터 용량이 송/수신 안테나 수에 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 알려져 있다.

공간 다중 전송 기법은 송/수신 안테나들 간 페이딩이 독립적일 경우에 송/수신 안테나 수에 비례해 높은 용량을 제공하지만, 페이딩의 공간 상관도가 높은 환경에서는 페이딩이 독립적인 환경에서 보다 용량이 상당히 감소한다. 이는 송/수신 안테나들 간 페이딩의 상관도가 높아지면 각 송신안테나로부터 전송된 신호들이 겪는 페이딩이 비슷해져 수신단에서 공간적으로 구별해 내기가 힘들어지기 때문이다. 또한, 전송 가능한 용량은 수신기의 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio : SNR)에 의해 영향을 받는데, 상기 수신 SNR이 낮을수록 전송 용량이 감소한다. 따라서, 송수신기간 무선 채널 상태, 즉 페이딩의 공간 상관도와 수신 SNR에 따라 동시에 전송되는 데이터 스트림 수와 각 데이터 스트림의 전송률을 조절해야만 전송 데이터 율을 극대화 할 수 있다. 만약 전송하고자 하는 데이터 전송률이 무선 채널이 제공 가능한 전송 용량을 초과하게 되면, 동시에 전송되는 데이터 스트림간 간섭에 의해 많은 오류가 발생하게 되어, 오히려 실제 데이터 전송률은 감소하게 된다.

이에 따라 공간 다중 전송 기법의 전송 데이터 율을 증가시키기 위해 프리코딩(Precoding) 기법에 대한 심도 있는 연구들이 진행되어왔다. 상기 프리코딩 기법은 송신기로부터 수신기까지의 하향 링크 채널 정보를 이용하여, 송신기가 전송하고자 하는 각 데이터 열에 송신 가중치들을 곱하여 전송하는 기법이다. 따라서 송신기에서는 송신기의 각 송신안테나에서 수신기의 각 수신안테나로의 하향 링크 채널 상태를 알고 있어야 한다. 이를 위해서는 수신기가 하향 링크 채널 상태를 추정한 후, feedback 채널을 통하여 추정된 하향 링크 채널 상태 정보를 송신기로 피드백(Feedback) 해주어야 한다. 그러나 하향 링크 채널 상태 정보를 송신기로 피드백하기 위해서는, 상향 링크 피드백채널을 이용한 많은 양의 피드백 데이터 전송이 요구된다. 많은 양의 피드백 데이터 전송이 요구될 경우, 대역폭이 제한된 상향 링크 피드백 채널을 이용하여 수신기가 하향 링크 채널 상태 정보를 송신기로 피드백하는데 많은 시간이 소요되기 때문에, 순시적으로 변하는 무선 채널 환경에 적용하기가 불가능해진다. 따라서 수신기에서 송신기로 전송되는 피드백 정보량을 최소화하면서, 프리코딩에 의한 데이터 전송률을 극대화하는 기술이 절실히 요구된다.

피드백 정보량을 줄이는 종래 기술로는 프리코더 코드북(Precoder Codebook) 기법이 제안되었다. 상기 프리코더 코드북기법은, 송신기와 수신기가 알고 있는 한 정된 수의 프리코더들로 이루어진 프리코더 집합(Precoder Codebook)에서, 수신기가 후보 프리코더들 중에서 최대 전송률을 가지는 프리코더를 결정하고, 상기 프리코더의 인덱스(Index)를 송신기에 피드백한다. 송신기는 프리코더 코드북중에서 피드백된 인덱스에 해당하는 프리코더를 사용하여 데이터를 전송한다. 예를 들어 4 bit 피드백 정보를 이용할 경우, 최대

개의 프리코더들로 이루어진 프리코더 코드북이 송신기와 수신기간에 미리 설정된다. 페이딩이 시간에 따라 변하기 때문에 상기 프리코더 결정 과정은 매 시간 슬롯마다 반복되어야 하고 이에 따라 결정된 프리코더 인덱스를 매 시간 슬롯마다 송신기로 피드백해준다.

프리코더 코드북기법은 피드백된 채널 상태 정보를 이용하는 프리코딩 기법에 비해 적은 피드백 정보량이 요구된다. 송신 안테나가

개, 수신 안테나가

개인 다중 입출력 안테나 시스템을 가정할 때, 채널 상태 정보를 피드백할 경우, 총

개의 복소수 채널 계수를 피드백해야 한다. 따라서, 한 복소 채널 계수를 나타내는데 Q bit가 필요하다고 하면, 총

bit가 필요하다. 이에 반해 프리코더 코드북기법은 충분한 데이터 율을 제공하는 프리코더들의 수를 K 라고 하면,

bit가 필요하다, 여기서

는 x 보다 크거나 같은 정수이다. 따라서, 송수신 안테나 수의 곱에 비례하여 피드백 정보량이 증가하는 채널 상태 정보를 이용하는 프리코딩 기법과는 달리, 프리코더 코드북 기법은 송수신 안테나 수에 상관없이 프리코더 코드북에 포함되는 프리코더 수, 즉 프리코더 코드북의 크기에 의해 결정된다.

프리코더 코드북기법은 공간 다중 전송 시 발생할 수 있는 모든 가능한 경우에 대한 프리코더들을 양자화 한, 미리 만들어진(ready-made) 프리코더들을 코드북에 포함시켜야 한다. 상기 프리코더 코드북기법은 상기 미리 정해진 프리코더들을 사용함으로써 피드백 정보량을 줄일 수 있지만, 프리코딩(Precoding) 행렬의 자유도(degree of freedom)도 동시에 감소하게 된다. 프리코딩 행렬의 자유도 감소는 고려해야 할 요소들이 많은 경우에, 고려해야 할 미리 정해진 프리코더들의 수를 상당히 증가시킴으로써 프리코더 코드북의 크기를 증가시킨다. 다음의 두 가지 경우에서 프리코더 코드북기법의 코드북 크기가 상당히 증가하게 된다.

첫째, 다양한 공간 상관도를 갖는 채널 환경에 적용하기 위해서는, 채널의 공간 상관도에 따른 모든 프리코더들이 고려되어야 하기 때문에, 고려해야 할 프리코더의 수가 기하급수적으로 증가한다. 채널의 공간 상관도에 따라 최적의 프리코더 코드북이 달라진다. 현재까지 제안된 기술 프리코더 코드북기술은 공간적으로 상관도가 없는 페이딩 채널을 가정하여 프리코더 코드북을 디자인 한다. 그러나 페이딩 채널의 공간 상관도에 따라 유효 아이겐벡터(Eigenvector) 즉 아이겐값(Eigenvalue) 값이 큰 아이겐벡터들의 분포가 달라지게 되고, 따라서 최적의 프리코더들로 달라지게 된다. 결국, 높은 데이터 전송률을 이루기 위해서는 페이딩 채널의 공간 상관도에 따라 최적화된 많은 수의 프리코더 코드북을 사용해야 한다.

둘째, 채널 환경에 따라 동시에 전송되는 데이터 스트림 수를 조절할 경우, 동시에 전송되는 데이터 스트림 수에 따른 모든 프리코더들이 고려되어야 하기 때문에, 고려해야 할 프리코더의 수가 기하급수적으로 증가한다. 동시에 전송되는 데이터 스트림 수는, 채널 환경에 따라 1 에서부터 최대

(송신 안테나 수와 수신 안테나 수 중에서 작은 수)까지 변하게 된다. 동시에 전송되는 데이터 스트림 수에 따라 프리코더 행렬의 열(column)의 수를 변화시켜야 하는데, 이는 프리코더 행렬을 이루는 열 벡터들이 가중치 벡터로서 각 데이터 스트림에 곱해지기 때문에, 프리코더 행렬의 열 벡터 수와 동시에 전송되는 데이터 스트림 수가 일치해야 하기 때문이다. 예를 들어, 송수신 안테나 수가 모두 4일 경우, 동시에 전송 가능한 데이터 스트림 수는 1에서 4까지 변하게 되므로, 고려되어야 할 프리코더들은 열 벡터의 수가 1 인 미리 정해진 프리코더들, 열 벡터의 수가 2인 프리코더들, 열 벡터 수가 3인 프리코더들, 그리고 열 벡터 수가 4인 프리코더들이 고려되어야 한다. 더구나, 송수신 안테나 수가 증가하여 동시에 전송할 수 있는 최대 데이터 스트림 수가 증가할 경우, 고려해야 할 프리코더의 수 증가에 따른 상당히 많은 피드백 정보량이 요구된다, 따라서, 채널 환경에 따라 동시에 전송되는 데이터 스트림 수와 전송 데이터 율을 가변시켜 해당 채널 환경에서 최대 전송률을 이루려는 공간 다중화 전송 방식에는 적용이 어렵다. 상술한 바와 같이 미리 정해진 프리코드들의 집합을 사용하는 프리코더 코드북기법은 송신 안테나 수와 동시에 전송되는 데이터 스트림 수에 따라 프리코더 코드북의 크기가 커져 실제 적용이 어려운 경우가 발생한다.

또한, 한 송신기와 통신을 하는 수신기들이 각기 서로 다른 수의 안테나들을 사용할 수 있다, 예를 들면, 기지국 안테나 수는 4이고 이동국들은 단말기 형태에 따라 안테나가 1, 2, 3, 또는 4인 경우에, 최대 전송 가능한 부 데이터 스트림 수가 각각 1, 2, 3, 그리고 4가 된다. 따라서, 프리코더 코드북 기술을 적용할 경우, 모든 사용 가능한 수신기 안테나 수에 따른 프리코더 코드북들을 각각 정의하고, 이에 따른 각각의 피드백 채널을 정의해야 한다. 각 수신기들은 해당 수신기의 안테나 수에 따른 프리코더 코드북과 그에 따른 피드백 채널을 선택하여 사용해야 한다. 이는 송신기와 수신기 사이에, 사용할 프리코더 코드북과 그에 따른 피드백 채널을 약속하기 위한 과정 및 피드백 정보가 요구된다. 따라서, 다양한 송수신 안테나 구조에 적용될 수 있는 유연한 프리코딩기법이 요구된다.

결론적으로 다양한 공간 상관도를 갖는 채널 환경에서, 동시에 전송되는 데이터 스트림 수를 채널 환경에 따라 조절하는 공간 다중화 전송 방식에 적용할 수 있으며, 상당히 적은 피드백 정보량만으로 높은 데이터 전송률을 제공하는, 효율적인 프리코딩 방식과 피드백 방식에 대한 연구가 요구된다.

따라서 본 발명의 목적은 송/수신 어레이 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 채널 환경에 따라 효율적으로 데이터 전송률을 제공하는 데이터 송/수신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 송/수신 어레이 안테나를 사용하는 이동통신시스템에 서 적은 피드백 정보량으로 높은 데이터 전송률을 제공하는 데이터 송/수신 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 송/수신 어레이 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서 효율적인 피드백 정보를 생성하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 송/수신 어레이 안테나를 사용하여 다중 전송을 구현하는 데이터 송/수신을 하는 이동 통신 시스템에 있어서, 송신기로부터 데이터를 수신하여 채널을 추정한 후 데이터 전송률을 최대로 하는 피드백 정보를 생성하여 상기 송신기로 다수의 피드백 채널을 통해 전송하는 수신기와, 상기 피드백 정보를 근거로 전송할 데이터를 역다중화하고, 각 역다중화된 데이터열에 해당 가중치를 곱하여 빔성형후 전송하는 송신기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 피드백 정보는 송신 안테나의 개수에 따라 구성되는 가중치 집합 중 사용될 가중치 집합의 정보를 포함하는 가중치 집합 인덱스 정보와, 상기 선택된 가중치 집합내의 사용될 가중치에 관한 정보를 포함하는 가중치 벡터 정보와, 상기 가중치 집합 인덱스 정보와 상기 가중치 벡터 정보에 의해 결정된 채널에 대한 채널 상태를 포함하고 있는 부 데이터 스트림 별 상태 정보로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 수신기는 상기 송신기로부터 전송된 데이터의 파일롯 채널을 이용하여 채널 상태를 추정하는 하향 링크 채널 추정기와, 상기 채널 상태를 근거로 상기 가중치 집합 인덱스 정보와 상기 가중치 벡터 정보를 선택하여 상기 송신기에 전송하 는 가중치 선택기와, 상기 선택된 가중치 정보의 채널 상태를 추정하여 상기 송신기에 전송하는 부 채널 별 상태 추정기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 송신기는 상기 수신기로부터 전송된 피드백 정보를 근거로 전송할 주 데이터열을 역다중화할 데이터열의 수와, 각 역다중화된 데이터열의 부호화율, 변조방식과 각 데이터열의 곱할 가중치를 결정하는 제어기와, 상기 제어기로부터 결정된 정보에 의해 상기 주데이터 열을 처리하여 수신기에 전송하는 데이터 처리부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들 을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 다중 송/수신 안테나를 이용하는 시스템에서 수신기로부터 송신되는 피드백정보를 효율적으로 이용하는 장치 및 그에 따른 방법을 제안한다. 우선 본 발명에서 사용되는 용어를 정의한 후 본 발명에 따른 시스템 및 피드백(Feedback)정보의 생성 방법에 대해 실시 예별로 설명하기로 한다.

개략적으로 본 발명에서 수신기는 다수의 가중치 집합들 중에서 데이터 전송률을 최대로 하는 한 가중치 집합과 집합 내의 가중치들을 선택하고, 역방향 링크 피드백 채널을 통해 상기 선택된 정보를 송신기에 전달하고, 송신기는 상기 수신기로부터 전송된 피드백 정보를 이용하여 프리코딩(Precoding) 행렬을 구성한다. 여기서 상기 피드백 정보는 가중치 집합의 인덱스(Index), 집합 내의 선택된 가중치들에 대한 정보인 가중치 벡터 정보, 부 데이터 스트림 별 채널 상태정보들로 구성될 수 있다. 그리고 본 발명에서 제안하는 상기 기술을 Knockdown Precoding 기술이라 명명하기로 한다.

1. 제 1실시 예

1) Knockdown Precoding 시스템

본 발명에서는 송신기에

개의 안테나가 배열된 송신 배열안테나가 있고 수신기에

개의 안테나가 배열된 수신 배열안테나가 있는 다중 송/수신 안테나 시스템을 가정한다. 상기 송신기와 수신기는 다수의 가중치 집합을 미리 결정하고 약속한다. 상기 가중치 집합은 송신 안테나 수만큼의 가중치 벡터들을 원소로 하는 집합으로, N개의 가중치 집합을 결정하면, 총

개의 가중치 벡터들을 결정하게 된다.

Knockdown Precoding 기술은 수신기가 미리 정의된 N 가중치 집합들 중에서 데이터 전송률을 최대로 하는 하나의 가중치 집합과 상기 집합 내의 가중치들을 선택하고, 역방향 링크인 피드백 채널을 통해 선택된 가중치 집합의 인덱스와 집합 내의 선택된 가중치들에 대한 가중치 벡터 정보를 송신기에 전달하고, 송신기에서는 상기 피드백 정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 구성한다.

도 1은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 시스템을 나타낸 도면이다. 본 실시 예에서는 설명의 편의상 송신기와 수신기의 수가 2일 때의 경우를 나타내었다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템(100)에서 수신기(130)는 기능상 크게 하향 링크 채널 추정기(133), 복조기(131), 가중치 선택기(135), 부 채널 별 상태 추정기(137), 다중화기(139)로 구성된다. 그리고 송신기(110)는 제어기(111), 역다중화기(113), 채널 부호화기 및 변조기(115, 1133), 그리고 빔 성형기(119, 121)로 구성된다.

상기 하향링크 채널 추정기(133)는 상기 송신기(110)로부터 전송된 수신 신호의 파일롯 채널을 이용하여 파일 채널을 추정하여 가중치 선택기에 추정 정보를 전송한다. 상기 가중치 선택기(135)는 상기 추정 정보를 근거로 안테나 수에 따라 구성되는 가중치 집합과 각 집합내의 가중치 벡터를 생성하여, 각각의 정보인 가중치 집합 인덱스(151)와 가중치 벡터 정보(153)를 송신기(110)에 전송한다. 또한 동시에 부 채널별 상태 추정기(137)에 상기 정보를 전송한다. 상기 부 채널별 상태 추정기(137)는 상기 수신 정보에 따라 선택된 가중치 집합에 대한 채널별 상태를 추정하여 송신기(110)에 상기 채널별 상태정보를 전송한다.

상기 송신기(110)의 제어기(111)는 수신기(130)로부터 전송된 피드백 정보 (150)를 수신한다. 상기 제어기(111)는 상기 피드백 정보(150)를 이용하여 상기 역다중화기(113), 각 채널부호화기(115, 117) 및 각 빔성형기(119, 121)를 제어한다. 상세히 설명하면, 상기 제어기(111)는 상기 피드백 정보(150)를 이용하여 최종 부 데이터 스트림 수를 결정하고, 이를 역다중화기(113)에 알려준다. 그리고 상기 피드백 정보(150)중 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(155)를 근거로 각 부 데이터 스트림의 부호화율과 변조방식을 결정하여 이를 채널 부호화기 및 변조기(115, 117)에 알려준다. 또한 빔 성형시 각 부 데이터 스트림에 적용될 가중치를 상기 피드백 정보(150)중 가중치 집합 인덱스(151) 또는 해당 가중치 집합에서 선택된 가중치 벡터 정보(153)를 이용하여 계산하고 이를 상기 빔성형기(119, 121)에 알려준다.

상기 역다중화기(113)는 상기 제어기(111)로부터 전송된 부 데이터 스트림수에 따라 주 데이터 열을 역다중화한다. 각 채널 부호화기 및 변조기(119, 117)는 상기 제어기(111)로부터 수신된 부호화율과 변조방식을 이용하여 역 다중화된 부 데이터 열을 독립적으로 부호화 및 변조하게 된다. 상기 빔성형기(119, 121)는 상기 채널 부호화기 및 변조기(115, 117)로부터 수신된 각 부 데이터 열에 미리 결정된 가중치를 곱한다. 그러면 상기 송신기(110)는 상기 각 부 데이터 열을 합산하여 송신 안테나(123)를 통해 상기 데이터를 전송하게 된다.

그러면 다음의 도 2 및 도 3을 이용하여 본 발명의 시스템에서의 송수신기별로 데이터 전송 방법에 대해 상세히 알아보기로한다.

도 2는 상기 도 1의 시스템의 수신기(130)에서 수행하는 데이터 송/수신 방 법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 2를 참조하면, 우선 상기 수신기(130)의 하향 링크 채널 추정기(133)는 201단계에서 다수의 수신안테나로부터 수신된 파일롯 채널이나 파일롯 심볼을 이용하여 각 송신 안테나로부터 각 수신안테나로의 페이딩 채널을 추정한다. 그런 후 상기 가중치 선택기(19)는 203단계에서 상기 추정된 페이딩 채널 정보를 이용하여 데이터 전송률을 최대로 하는 가중치 정보들을 선택한다. 여기서 가중치 정보는 가중치 집합 인덱스(151)와 가중치 벡터 정보(153)를 의미한다. 상기 203단계를 상세히 설명하면, N개의 가중치 집합들에 대하여 각 가중치 집합에서 데이터 전송률을 최대로 하는 가중치 벡터들을 선택하고, 상기 선택된 가중치 벡터들에 의해 전송 가능한 데이터 율을 계산한다. 즉 N개의 선택된 가중치 집합(각 가중치 집합에서 선택된 가중치 벡터들을 원소로 하는 가중치 집합)들에 의한 전송 가능 데이터율을 비교하여, 최대 데이터 전송률을 갖는 가중치 집합을 결정한다. 최대 전송률을 갖는 가중치 집합이 속한 가중치 집합의 index를 결정하고, 최대 전송률을 갖는 가중치 집합에 속한 가중치 벡터들을 실제 전송에 사용할 가중치들로 결정한다.

그리고 상기 부 채널 별 상태 추정기(137)는 205단계에서 상기 가중치 정보에 따른 부 데이터 스트림 별 채널을 추정한다. 즉 상기 가중치 선택기(135)에 의해 선택된 가중치들에 의해 형성되는 부 데이터 스트림들의 신호 대 간섭비(Signal To Interference Noise Ratio : SINR)를 계산하여 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보 또는 MCS(Modulation and Coding Selection)를 결정한다. 그런 후 상기 수신 기(130)는 207단계에서 상기 가중치 정보 및 채널 상태 정보가 포함된 피드백 정보(150)를 송신기에 피드백 한다. 여기서 상기 송신기는 상기 피드백 정보를 동시에 전송할 수 도 있고, 따로 전송할 수 도 있다.

도 3은 상기 도 1의 시스템의 송신기(110)에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 송신기(110)의 제어기(111)는 301단계에서 상기 수신기(130)로부터 피드백 정보(150)를 수신한다. 그런 후 상기 제어기(111)는 303단계에서 상기 피드백 정보(150)중 가중치 정보를 이용하여 최종 전송 가능한 부 데이터 스트림 수를 결정한다. 여기서 상기 전송 가능한 부 데이터 스트림 수는 선택된 가중치들의 수와 동일하다.

상기 역다중화기(113)는 305단계에서 전송하고자 하는 주 데이터 스트림을 상기 전송 가능한 부 데이터 스트림 수만큼의 부 데이터 스트림들로 역다중화한다. 그리고 각 채널 부호화기 및 변조기(115, 117)는 307단계에서 피드백된 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보로부터 결정된 부호화율과 변조 방식에 따라 각각 독립적으로 각 부 데이터 스트림을 부호화하고, 변조 방식에 따라 심볼에 맵핑한다. 그런 후 상기 빔 성형기(113, 121)는 309단계에서 각 부 데이터 스트림에 제어기(111)로부터 전달된 가중치를 곱해서 송신 안테나를 통해 송신한다.

본 발명의 실시 예에서 가중치 집합 및 집합내의 가중치 벡터를 구하는 과정에서 데이터 전송률을 최대로 하는 가중치들로 이루어진 프리코더(Precoder)를 송신기(110)로 피드백하기 위해서는, 선택된 가중치 집합 인덱스(151)와 상기 선택된 가중치 집합내에서 선택된 가중치들에 대한 가중치 벡터 정보(153)를 전달하는 피드백 채널이 요구된다. 그리고 N개의 가중치 집합들은 하기 후술될 <수학식 1>에 의해 설계하고 이들을 셀 내 송신기와 수신기들이 약속하였다면, 선택된 가중치 집합의 인덱스(153)를 피드백하기 위한 피드백 채널에 할당된 비트 수는

bit 이다. 여기서,

는 x보다 크거나 같은 최소 정수를 의미한다. 한 가중치 집합 내에서 선택된 가중치들을 나타내기 위해서, 선택된 가중치 집합에 속한 가중치들에 대해, 가중치 별로 선택 또는 선택되지 않음의 여부를 나타내는 방식을 사용할 경우, 각 가중치 별 1 bit 피드백 정보가 필요하므로, 총 송신 안테나 수만큼의 피드백 비트가 필요하다. 따라서, 프리코더를 피드백하기 위해 필요한 피드백 정보량은 총

bit/use 가 된다. 또한 상기 부 채널 별 상태 추정기(137)에서 추정하여 선택된 가중치들에 의해 형성되는 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 피드백하기 위한 패드백 채널이 추가적으로 필요하다.

다음으로 본 발명에 따른 가중치 집합을 설계하는 방법에 대해 설명하겠다.

2) Knockdown Precoding 기술을 위한 가중치 집합 설계

상기 송신기(110)와 수신기(130)는 다수의 가중치 집합을 미리 결정하고 약속한다. 가중치 집합은 송신 안테나 수

만큼의 가중치 벡터들을 원소로 하는 집합이다. 상기 가중치 벡터는 간단히 가중치라고도 명명한다. 여기서 하나의 가중 치 벡터는

개의 복소수 원소들로 구성된다. 따라서 N개의 가중치 집합을 정의하면, 총

개의 가중치 벡터들을 구성하게 된다. N개의 가중치 집합을 설계하는 두 가지 원칙은 다음과 같다.

첫째, 한 가중치 집합에 속하는

개의 가중치들은 서로 직교하고, 각 가중치의 크기는 1 이다.

둘째, 결정되는 총

개의 가중치 벡터들에 의해 형성되는 빔들의 주 빔 방향이 서로 겹치지 않고, 서비스 영역 내에서 균일하게 나누어 져야 한다.

상기 첫 번째와 두 번째 원칙을 만족하는 총 N개의 가중치 집합을 결정하기 위해서, 각 가중치 벡터의 이웃 원소들간 위상차가

의 정수배인 총

개의 가중치 벡터들을 만들고, 이 가중치 벡터들 중에 가중치 벡터의 동일 위치 원소들간 위상차가

의 정수 배 만큼 차이가 나는

개의 가중치들을 하나의 가중치 집합으로 그룹핑(Grouping)하면, 동일 가중치 집합에 속하는

개의 가중치들이 서로 직교하는 총 N개의 가중치 집합이 결정된다.

도 4는 총 N개의 가중치 집합을 결정하는 과정을 도시한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 400 과정은

개의 가중치 벡터를 만드는 과정이다. 우선 가중치 집합의 개수 N과 송신 안테나의 개수

를 입력 받는다.

개의 가중치 벡터를 구하기 위해 k=0부터 k =

까지 과정 401~405의 순환 과정을 거친다. 402 과정에서 k번째 가중치 벡터를 구하기 위한 가중치 벡터 내의 이웃 원소간 위상차

를 계산한다. 여기서 계산된 위상차를 가지고 403 과정에서 k번째 가중치 벡터를 결정한다. K번째 가중치 벡터의 첫번째 원소는 항상

이고 두번째 원소는

를 위상으로 갖는

즉

이다, 세번째 원소는 두번째 원소에서

만큼 위상을 증가시킨

즉

이다. 이와 같은 방법으로

개의 원소를 모두 채우면 k번째 가중치 벡터가 완성된다. k번째 가중치 벡터를 결정한 후에는 404 과정에서 k 를 하나 증가시키고 402와 403 과정을 반복하여 (k+1)번째 가중치 벡터를 결정한다.

개의 가중치 벡터를 모두 결정(과정 406)하고 난 뒤에는 과정 407에서 이들 중 직교(Orthonormal)한 가중치 벡터만 모아서 가중치 집합으로 분류한다. 분류하는 기준은 가중치 벡터들 중에 가중치 벡터의 동일 위치 원소들간 위상차가

의 정수 배 만큼 차이가 나는

개의 가중치들을 하나의 가중치 집합으로 모으는 것이다. 이 기준을 만족하도록 가중치 집합을 분류하면 가중치 집합 1은

번째 가중치 벡터들로 구성되고 가중치 집합 2는

번째 가중치 벡터들로 구성된다. 일반적으로 표현하면 가중치 집합 n+1은

번째 가중치 벡터들로 구성된다.

위의 가중치 집합 설계 원칙에 의한 구체적인 설계 예를 수학식으로 표현하면 다음과 같다. N개의 가중치 집합

을 설계하면, 각 가중치 집합

은 직교(Orthonormal)한

개의 가중치 벡터

들을 원소로 하는 집합이다. 즉,

이다. 여기서,

는 N번째 가중치 집합,

에 속하는 i번째 가중치 벡터를 나타내며 다음 <수학식 1>과 같이 설계된다.

여기서

는 다음의 <수학식 2>과 같다.

여기서

는 N번째 가중치 집합, 에 속하는 i번째 가중치 벡터의 기준 위상을 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 가중치 집합을 결정하는 또다른 실시 예를 나타낸 순서도로서, 상기 <수학식 1>에 입각해서 총 N개의 가중치 집합을 결정하는 과정을 도시한 것이다. 우선 500 과정에서 가중치 집합 번호 n을 1로 초기화한다. 501 과정에서는 n번째 가중치 집합을 계산하게 되므로 500과정 직후에는 첫번째 가중치 집합을 계산한다. 502과정에서 n을 하나씩 증가시켜서 총 N개의 가중치 집합이 완성될 때까지 501의 과정을 반복하게 된다. 모든 가중치 집합이 완성되면 504 과정에서 완료된다.

501 과정은 n번째 가중치 집합 내

개의 가중치 벡터를 계산하는 과정으로 구성되어 있다. 510 과정에서는 n번째 가중치 집합에 대해서 가중치 벡터 번호 i를 1로 초기화 한다. 511 과정에서는 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터를 결정한다. 즉 510 과정 직후에는 n번째 가중치 집합 내의 첫번째 가중치 벡터를 계산하게 된다. 512 과정에서 i를 하나씩 증가시켜서 n번째 가중치 집합 내 총

개의 가중치 벡터가 완성될 때까지 511의 과정을 반복하게 된다. n번째 가중치 집합 내 모든 가중치 벡터가 결정되면 514 과정에서 n번째 가중치 집합 결정을 완료하고 다음 가중치 집합 결정 과정을 거치게 된다.

511 과정은 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터를 계산하는 과정으로 구성되어 있다. 520 과정에서는 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터를 계산하기 위한 기준 위상

를 결정한다. 기준 위상이 결정되면 이 값을 가지고 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터의 각 원소를 계산한다. 521 과정에서는 우선 원소 번호 m을 1로 초기화한다. 522 과정에서는 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터의 m번째 원소를 520 과정에서 구한 기준 위상

를

에 적용하여 결정한다. 즉 521 과정 직후에는 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터의 첫번째 원소를 계산하게 된다. 이와 같은 과정을 m=1부터

까지 반복하면 525 과정에서 n번째 가중치 집합 내의 i번째 가중치 벡터를 완성하게 되고 다음 가중치 벡터를 결정하는 과정을 거치게 된다.

4개의 송신 안테나를 사용하는 다중 송/수신 안테나 시스템에서 2개의 가중치 집합을 위와 같이 설계하면 다음 <수학식 3>와 같다.

상기 <수학식 2>의

에 속한 4개의 가중치들은 서로 직교하며, 크기가 1이다. 또한

에 속한 4개의 가중치들도 서로 직교하며, 크기가 1이다. 그러나, 다른 가중치 집합에 속하는

와

가중치들은 서로 직교하지 않는다. 서로 직교하는 가중치들에 의해 데이터 스트림들이 전송될 때, 동시에 전송되는 데이터 스트림 들간의 간섭이 최소화되어, 동시에 전송되는 데이터 스트림들에 의한 전송률 합이 최대화 될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 knockdown precoding 기술은, 한 가중치 집합에 속하는 가중치들이 서로 직교하도록 설계하고, 동시에 전송되는 데이터 스트림들이 한 가중치 집합에서 선택된 가 중치들에 의해 전송되게 함으로써, 동시에 전송되는 데이터 스트림들 간 간섭을 줄여, 동시에 전송되는 데이터 스트림들에 의한 전송률 합이 최대화 되도록 한다. 또한,

과

에 속하는 8개의 가중치들에 의해 형성되는 주 빔(main lobe)들의 방향이 서로 겹치지 않고, 서비스 영역 내에서 균일하게 나누어진다. 이는 송신기의 서비스 영역 내에서 랜덤하게 분포하는 수신기들이 어떠한 방향에 위치하더라도, 8개의 송신 가중치들 중에 하나 혹은 다수개의 가중치들에 의한 빔 성형 이득을 갖도록 한다.

총

개의 가중치들 중에서, 동시 전송되는 부 데이터 스트림들에 의한 전송률 합이 최대가 되도록 가중치들을 선택하게 되면, 선택된 가중치들이 동일한 가중치 집합에 속할 확률이 높기 때문에, 한 가중치 집합을 선택하고 해당 가중치 집합에서 선택된 가중치들을 나타내는 계층적인 표현 방식을 사용하면, 데이터 전송률을 최대로 하는 선택된 가중치들을 표현하기 위한 피드백 정보량을 최소화 할 수 있다.

그럼 본 발명의 시스템에서 송신 안테나 개수(

), 가중치 집합 개수(N)에 대해 상기 <수학식 1>을 만족하는 경우에 대한 일례를 다음의 <표 1> 내지 <표 12>에 나타내었다. 하기 표에서 (x,y)는 실수 성분이 x, 허수 성분이 y인 복소수를 표기한 것이다. 즉 (x,y)= x + yi를 의미한다.

2. 제 2실시 예

부 데이터 스트림 별 상태 정보 피드백 채널을 이용한 가중치 선택 정보 피드백 방식

한 가중치 집합 내에서 선택된 가중치들을 나타내기 위한 정보는 다음과 같은 두 가지 방식으로 피드백 될 수 있다.

첫 번째 방식은, 본 발명의 제 1실시 예와 같이 한 가중치 집합에서 어떤 가중치들이 선택되었는가에 대한 정보만을 전달하는 전용 피드백(Dedicated feedback)채널을 사용하는 방식이다. 이는 선택된 가중치 집합에 속하는 각 가중치 별로 선택 또는 선택되지 않음의 여부를 나타내는, 각 가중치 별 1 비트 피드백 정보를 사용하는 방식이다. 따라서, 프리코더 피드백(Precoder Feedback)을 위해서 피드백되는 정보량은 선택된 가중치 집합 인덱스(Index) 전송을 위한 피드백 정보를 포함하여 총

bits/use 가 된다. 또한 전송하는 데이터 스트림 별로 전송 데이터 율을 조절하기 위해서는, 선택된 가중치들에 의해 형성되는 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 추가적으로 피드백 해야 한다. 가중치 선택 정보를 전달하기 위한 전용 피드백 채널을 사용하는 경우에는 선택되지 않은 가중치들에 대한 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보 피드백은 필요치 않다.

두 번째 방식은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 방식으로 가중치 선택 정보를 전달하기 위한 피드백 방식이다. 상기 방식은 전송하는 데이터 스트림 별로 전송 데이터 율을 조절하기 위해 수신기에서 송신기로 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 피드백하는 시스템의 데이터 스트림 별 채널 상태 정보 피드백 채널을 이용하는 방식이다.

도 6은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 Knockdown Precoding 시스템(600)을 나타낸 도면이다. 본 실시 예에서 상기 제 1실시 예와 동일한 장치는 같은 참조부호로 나타내었다. 또한 이하 설명에서는 상기 제 1실시 예와 차이점을 위주로 설명하고 동일한 기능을 하는 부분은 생략 또는 간략히 설명하겠다.

우선 본 실시 예에 대한 개략적으로 설명하면, 상기 도 6을 참조하면, 본 발명의 시스템(600)의 가중치 선택기(631)는 하향 링크 채널 추정기(133)에서 추정된 페이딩 채널 정보를 이용하여 데이터 전송률을 최대로 하는 가중치들을 선택하고 해당 가중치 집합에서 선택된 가중치 벡터를 부 채널 별 상태 추정기(633)로 전달한다. 상기 부채널 별 상태 추정기(633)는 상기 가중치 선택기(631)에 의해 형성되는 부 데이터 스트림들의 SINR을 계산하고 양자화 하여, 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653) 즉 CQI(Channel Quality Indicator)나 MCS를 결정한다. 여기서 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)는 다양한 변조 방식과 부호화 율의 조합이 가능하다. 이에 대한 일례로 다음의 <표 13>로 나타낼 수 있다.

본 실시 예에서는 한 가중치 집합에서 어떤 가중치들이 선택되었는가에 대한 정보를 피드백하기 위해, 기존의 MCS나 CQI(Channel Quality Indicator) 레벨들에 해당 가중치가 사용되지 않음을 나타내는 no transmission 레벨을 추가한다. 즉 해당 가중치가 전송에 사용되도록 선택되지 않았을 경우, no transmission level을 부 데이터 스트림 별 상태 정보(653)를 통해 피드백한다.

다음으로 송신기(610)의 제어기(611)는 가중치 집합 인덱스 정보(651)와 부 데이터 스트림 별 상태 정보(653)가 포함된 피드백 정보(650)를 수신한다. 상기 제어기(611)는 부 데이터 스트림 별 상태 정보(653)를 이용하여 동시 전송 가능한 부 데이터 스트림 수를 결정하여 역다중화기(113)에 전송한다. 그리고 상기 피드백 정보(650)를 이용하여 부호화율 및 변조 방식과 각 부 데이터 스트림별 해당 가중치를 결정하여 각각 채널 부호화기 및 변조기(115, 117), 빔성형기(119, 121)에 알려준다.

그러면 다음의 도 7 및 도 8을 이용하여 본 발명의 시스템(600)에서의 송수신기별로 동작하는 데이터 송수신 방법에 대해 상세히 설명하기로한다.

도 7은 본 실시 예의 시스템(600)에서 수신기(630)에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 7을 참조하면, 우선 상기 수신기(630)의 하향 링크 채널 추정기(133)는 701단계에서 다수의 수신안테나로부터 수신된 파일롯 채널이나 파일롯 심볼을 이용하여 각 송신 안테나로부터 각 수신안테나로의 페이딩 채널을 추정한다. 그런 후 상기 가중치 선택기(631)는 703단계에서 전송률을 최대로 하는 가중치 집합과 해당 가중치 집합에서 선택된 가중치 벡터를 결정한다. 상기 결정된 정보는 부 채널 별 상태 추정기(633)에 알려주게 된다. 그러면 상기 부 채널 별 상태 추정기(633)는 705단계에서 상기 결정된 가중치 벡터에 따른 부 데이터 스트림 별 채널을 추정한다. 즉 상기 부채널 별 상태 추정기(633)는 선택된 가중치들에 의해 형성되는 부 데이터 스트림들의 SINR을 계산하여, 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)를 결정한다. 그러면 상기 수신기(630)는 707단계에서 송신기(610)에 상기 가중치 집합 인덱스(651) 및 전송여부와 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)가 포함된 피드백 정보(650)를 전송한다. 상기 707단계를 상세히 설명하면 상기 703단계에서 선택되지 않는 가중치들의 상태 정보를 미리 정의된 no transmission level로 세팅(Setting)하고, 선택된 가중치 집합에 속한 모든 가중치들의 상태정보를 송신기로 피드백한다. 따라서, 선택된 가중치 집합 인덱스 정보(651)를 전달하기 위한 피드백 채널과 추정된 선택된 가중치들에 의해 형성되는 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)를 전달하기 위한 피드백 채널만이 필요하다. 여기서, 상기 가중치 집합 인덱스(651)과 부 데이터 스트림 별 상태 정보(653)는 동시에 전송할 수 도 있고, 따로 전송할 수 도 있다.

도 8은 본 실시 예의 시스템(600)에서 송신기(610)에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 8을 참조하면, 우선 송신기(610)는 801단계에서 수신기(630)로부터 피드백 정보(650)를 수신한다. 그런 후 제어기(611)는 803단계에서 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)를 이용하여 동시 전송 가능한 부 데이터 스트림 수를 결정한다. 왜냐하면 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)는 사용되지 않을 채널은 미리 정의된 no transmission 레벨이기 때문에 상기 제어기(611)가 알 수 있기 때문이다. 그러면 역다중화기(113)는 805단계에서 주 데이터 스트림을 전송 가능한 부 데이터 스트림으로 역다중화한다. 그리고 채널 부호화기 및 변조기(115, 117)는 807단계에서 각 부 데이터 스트림을 미리 결정된 전송된 부호화율 및 변조 방식을 이용하여 독립적으로 부호화되고 심볼에 맵핑하게 된다. 상기 부호화 및 변조된 각 부 데이터 스트림은 809단계에서 빔성형기(119, 121)에 의해 각각 가중치를 곱하여 빔성형을 한 후 수신기에 데이터를 전송하게된다. 여기서 상기 가중치를 알수 있는 이유는 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(653)에 해당 가중치 집합에 속한 가중치들의 선택 정보가 포함되어 있기 때문이다.

가중치 선택 여부를 나타내기 위해서, 실제 전송에 사용되지 않는 가중치들에 대한 MCS도 피드백해야 하므로, 프리코더 피드백과 MCS 피드백을 위해 필요한 총 피드백 정보량을 고려하면, 본 발명의 제 1실시 예에서는 실제 송신에 사용되는 가중치 수가 총 송신 안테나 수의 1/2 + 1 보다 큰 경우에만, 상기 제 1실시 예보다 적은 피드백 정보량이 요구된다. 따라서, 피드백 정보를 전송하기 위해서는 실제 송신에 사용되는 가중치 수가 총 송신 안테나 수의 1/2 + 1 보다 큰 경우에는, 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보 피드백 채널을 이용하여 피드백하고, 그 이외의 경우에는 가중치 선택 정보만을 전달하는 전용 피드백(dedicated feedback) 채널을 이용하여 피드백하는 두 방식이 결합된 형태의 피드백 방식을 사용할 수 있다.

3. 제 3실시 예

Open Loop Knockdown Precoding 기술

제안한 Knockdown Precoding 기술은 선택된 가중치 집합 인덱스 정보를 전달하는 피드백 채널 유무에 따라 Open Loop Knockdown Precoding 기술과 Closed Loop Knockdown Precoding 기술로 동작할 수 있다.

상술한 제 1실시 예와 제 2실시 예에 나타낸 Closed Loop Knockdown Precoding 기술은 선택된 공통 가중치 집합 인덱스 정보에 대한 피드백이 존재하는 경우의 기술이며, 본 실시 예의 Open Loop Knockdown Precoding 시스템의 송신기와 수신기 구조와 동작은, 가중치 선택 정보를 전달하기 위한 피드백 방식에 따라, 상기 도 1의 전용 피드백(Dedicated Feedback) 채널을 사용하는 knockdown precoding 시스템(100), 또는 상기 도 6의 부 채널 별 채널 상태 피드백 채널을 사용하는 Knockdown Precoding 시스템(600)과 동일하다.

본 실시 예에서는 선택된 가중치 집합의 인덱스를 전달하는 피드백 채널이 없고 선택된 가중치들에 대한 정보를 전달하는 피드백 채널만이 존재한다. 상기 Open Loop 방식의 Knockdown Precoding 시스템 구조의 일례는 송수신 안테나가 2개 일 때 도 1, 도 6과 같다.

그러면 본 발명의 제 3실시 예에 따른 시스템(900)을 다음의 도 9를 이용하여 설명하겠다. 이하 설명에서도 상기 제 1 및 2실시 예와 동일한 부분을 생략 및 간략히 하여 설명하기로 한다.

상기 도 9를 참조하면, 본 실시 예에 따른 시스템(900)은 앞서 설명된 Closed Loop knockdown precoding 기술과 거의 동일하지만, 선택된 공통 가중치 집합 인덱스에 대한 피드백 채널이 없다는 점에서 차이가 존재한다. 선택된 공통 가중치 집합 인덱스에 대한 피드백 채널이 없기 때문에, 송신기(910)와 셀 내 수신기(930)들은 한 시간 슬롯에서는 한 가중치 집합만을 사용한다. 다만, 사용되는 가중치 집합은 고정되지 않고, 주기적으로 N개의 가중치 집합들이 차례대로 사용된다. 즉, 주기적으로

식으로, 사용되는 가중치 집합이 정해진 주기와 순서에 따라 변한다. 따라서 제어기(911)는 선택된 가중치 벡터 정보(951)와 부 데이터 스트림 별 상태 정보(953)를 이용하여 주 데이터 열을 역다중화와, 부호화, 변조, 빔성형을 수행하게 된다. 상기 송신기(910)에서의 데이터 처리 방법은 상술한 실시 예들과 동일하므로 여기서는 생략하겠다.

가중치 선택기(931)는 소정 시간 슬롯에서의 가중치 집합을 알고 있으므로 집합내의 선택된 가중치 벡터를 선택하여 상기 가중치 벡터에 관한 가중치 벡터 정보(951)를 피드백하게 된다. 그리고 부채널 별 상태 추정기(933)는 상기 가중치 선택기(931)로부터, 선택된 가중치 벡터를 확인하여 부 데이터 스트림 별 상태 정보(953)를 송신기(910)으로 알려주게 된다.

그러면 본 실시 예의 시스템(900)에서 데이터 송/수신 방법에 대해 다음의 도 10, 도 11을 이용하여 설명하기로 한다.

도 10은 본 실시 예의 시스템(900)에서 수신기(930)에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 10을 참조하면, 하향 링크 채널 추정기(133)는 1001단계에서 다수의 수신안테나(139)로부터 수신된 파일롯 채널이나 파일롯 심볼을 이용하여 각 송신 안테나로부터 각 수신안테나로의 페이딩 채널을 추정한다. 그런 후 1003단계에서 상기 가중치 선택기(931)는 소정 시간에서의 가중치 집합을 알고 있으므로 실제 전송할 가중치 벡터 정보(951)를 선택한다. 그러면 부 채널 별 상태 추정기(933)는 1005단계에서 상기 선택된 가중치 벡터에 따른 부 데이터 스트림 별 채널 상태를 추정한다. 그런 후 상기 송신기(930)는 1007단계에서 송신기(910)에 상기 가중치 벡터 정보(951) 및 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보(953)가 포함된 피드백 정보(950)를 전송하게 된다.

도 11은 본 실시 예의 시스템(900)에서 송신기(910)에서 수행하는 데이터 송/수신 방법을 나타낸 순서도이다.

상기 도 11을 참조하면, 우선 상기 송신기(910)는 1101단계에서 피드백 정보(950)를 수신하면 1103단계에서 상기 피드백 정보(950)를 이용하여 동시 전송 가능한 부데이터 스트림수를 결정한다. 그러면 상기 역다중화기(113)은 1105단계에서 주 데이터 열을 전송가능한 부 데이터 스트림을 역다중화하게 된다. 그리고 채널 부호화기 및 변조기(115, 117)는 1107단계에서 각 부 데이터 스트림을 미리 결정된 전송된 부호화율 및 변조 방식을 이용하여 독립적으로 부호화되고 심볼에 맵핑하게 된다. 상기 부호화 및 변조된 각 부 데이터 스트림은 1109단계에서 빔성형기(119, 121)에 의해 각각 가중치를 곱하여 빔성형을 한 후 수신기에 데이터를 전송하게된다.

이와 같이 본 실시 예의 시스템(900)의 Open Loop Mode는 선택된 가중치 집합 인덱스를 피드백 하는 채널이 없어 한 시간 슬롯에 하나의 가중치 집합만을 사용하기 때문에, 상기 제 1 및 2실시 예에서의 Closed Loop Mode에 비해 전송할 수 있는 데이터 율이 낮다. 그러나 Closed Loop Knockdown Precoding 기술에 비해 피드백 정보량이 적기 때문에, 피드백 정보 전송량이 제한되는 시스템에 적용되어, 프리코딩 기법에 의한 전송 데이터율 개선을 이룰 수 있다.

본 발명 제안 기술과 종래기술의 비교 분석

종래 기술인 프리코더 코드북(Precoder Codebook) 기술과 제안 기술인 Knockdown Precoding 기술을 동시에 전송하는 데이터 스트림 수를 조절하는 방식과 이를 위해 요구 되는 피드백 정보량 면에서 비교 분석 한다.

종래 기술인 프리코더 코드북 기술은 송신 안테나 수

, 수신 안테나 수

, 그리고 동시에 전송되는 데이터 스트림 수

에 따라 프리코더 코드북을 따로 정의하여 사용한다. 만약, 송신 안테나 수가 4인 송신기와 수신 안테나 수가 1, 2, 3, 그리고 4인 수신기들이 동일 셀 내에서 통신을 하는 상황에서, 각 송수신기 채널 상황에 따라 동시에 전송되는 데이터 스트림 수를 조절할 경우, 고려되어야 할 프리코더 코드북들은

=(4,1,1), (4,2,1), (4,2,2), (4,3,1), (4,3,2), (4,3,3), (4,4,1), (4,4,2), (4,4,3), 그리고 (4,4,4)로 총 10가지 이다. 송신기와 수신기들은 위의 10가지의 프리코더 코드북들을 미리 약속한다. 수신기는 수신안테나 수

과 전송하는 데이터 스트림 수

을 송신기로 피드백하여, 송신기가 사용할 프리코더 코드북을 선택하도록 한다. 수신기는 추정된 하향 링크 채널 정보를 이용하여, 수신안테나 수

과 전송하는 데이터 스트림 수

에 적합한 프리코더 코드북 중에 최대 용량을 전송하는 precoder를 선택하고, 선택된 프리코더(precoder)의 인덱스를 송신기로 피드백한다. 송신기는 피드백된

과

에 적합한 프리코더 코드북중에서 피드백된 인덱스를 갖는 프리코더를 선택하여 데이터를 전송한다.

요구되는 피드백 정보량은, 일회성 피드백으로 충분한

에 대한 피드백은 미미하기 때문에 무시할 수 있으나, 채널 상황에 따라 순시적으로 변하는

에 대한 피드백은 선택된 프리코더의 인덱스에 대한 피드백 정보와 같이 송신기로 전송되어야 한다. 따라서, 각 프리코더 코드북들이 8개의 프리코더들로 구성되어 있다고 가정한다면,

를 피드백하기 위한 2bits/use 피드백 정보와 선택된 프리코더의 인덱스를 피드백하기 위한 3bits/use의 피드백 정보가 필요하므로, 총 5 bits/use의 피드백 정보가 필요하다.

최적의 프리코더 코드북은 운용되는 채널의 페이딩 공간 상관도에 따라 달라진다. 현재까지의 프리코더 코드북 기술은 페이딩의 공간 상관도가 없다는 가정하에 프리코더 코드북을 디자인 하고 있다. 따라서, 페이딩의 공간 상관도가 존재하는 채널 환경에서는 성능 열화가 발생된다. 이를 극복하기 위해서는 송신기에서 하향 링크 채널의 공간 상관 행렬을 이용하여 기존 프리코더 코드북을 변환(companding)시켜주어야 한다. 이를 위해서는 수신기가 하향 링크 채널의 공간 상관 행렬을 추정한 후 송신기로 피드백 해주어야 하므로,

와 선택된 피드백의 인덱스를 피드백 하기 위한 피드백 정보뿐 아니라 추가적으로 하향 링크 채널의 공간 상관 행렬을 피드백 하기 위한 피드백 정보량이 요구된다.

제안하는 knockdown precoding 기술은 송신 안테나 수

만큼의 직교하는 가중치들로 이루어진 N개의 가중치 집합을 약속한다. 수신기는 사용하고 있는 수신 안테나 수

을 고려하여, 전송 데이터 율을 최대로 하는 최대

개의 가중치들을 선택한다. 수신기는 선택된 가중치 집합 index 피드백과 해당 집합에서의 가중치 선택 정보에 대한 피드백을 통해 선택된 가중치들을 송신기로 피드백 한다. 송신기는 피드백 정보를 바탕으로 선택된 가중치 집합에서 선택된 가중치들을 이용하여 다중 데이터 스트림들을 전송한다. 수신기들의 수신 안테나가 다양하고, 동시에 전송되는 데이터 스트림 수가 다양하더라도 총

개의 가중치들로 이루어진 N개의 가중치 집합을 공통적으로 사용하기 때문에 송신기와 수신기들 사이에서 약속되어야 할 가중치 집합에 대한 정보량이, 프리코더 코드북 기법에서 요구되는 정보량에 비하여 상당히 적다. 특히, 송신 안테나 수가 4개를 초과하는 경우, 고려해야 할 프리코더 코드북 수가 상당히 증가하기 때문에, 송수신기가 약속해야 할 프리코더 코드북들에 대한 정보량이 상당히 증가하게 된다. 이에 반해 제안하는 Knockdown Precoding 기법은 송신 안테나 수

가 증가하더라도 오히려 필요한 가중치 집합 수 N은 감소하게 되어 송신기와 수신기들 사이에서 약속되어야 할 가중치 집합에 대한 정보량이 거의 증가하지 않는다. 이는 Knockdown Precoding 기술의 성능이 총 가중치 수

에 의해 결정되기 때문이다.

가중치 선택 정보 피드백을 위한 dedicated 피드백 채널을 사용하는 Closed Loop Knockdown Precoding 기술에서 요구되는 피드백 정보량은, 선택된 가중치 집합 index를 피드백 하는데

bits/use가 필요하고, 가중치 선택 정보를 피드백 하기 위해서

bits/use가 필요하여, 총

bits/use가 필요하다. 송신 안테나 수가 4이고, N=2인 경우 총 5bits/use가 필요하다. 가중치 선택 정보 피드백을 위한 전용 피드백(Dedicated Feedback) 채널을 사용하는 Open Loop Knockdown Precoding 기술에서 요구되는 피드백 정보량은, 단지 가중치 선택 정보를 피드백 하기 위한

bits/use가 필요하다. 또한 가중치 선택 정보에 필요한 피드백 정보량을 줄이기 위해서, 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 전송하는 피드백 채널을 이용하여 가중치 선택 정보를 피드백 하는 방식을 사용할 수 있다. 따라서, 제안하는 Knockdown Precoding 기술은 적용하는 시스템의 역방향 링크 채널 구조에 따라 가중치 선택 정보를 전송하는 피드백 방식을 선택할 수 있으며, 적용하는 시스템에서 사용할 수 있는 역방향 링크 채널 용량에 따라 사용하는 가중치 집합 수를 조절하여 적용할 수 있다. 특히 적용하는 시스템에서 사용할 수 있는 역방향 링크 채널 용량이 매우 적을 경우에는 Open Loop Knockdown Precoding 기술을 적용할 수 있다.

도 12는

인 경우, 공간 상관도가 높은 환경에서 프리코더 코드북 기술과 제안하는 knockdown precoding 기술을 적용한 Minimum Mean Square Error (MMSE) - Ordered Successive Interference Cancellation(OSIC) 시스템의 성능을 비교한 결과를 보여준다. Knockdown Precoding 기술은 두 개의 가중치 집합을 사용하는 경우를 고려하면, Closed loop Knockdown Precoding 기술은 가중치 집합 index 피드백을 위한 1bit와 4개의 가중치들의 선택 여부를 피드백 하기 위한 4bit, 총 5bit/use 의 feedback 정보가 요구된다. Open loop Knockdown Precoding 기술은 4개의 가중치들의 선택 여부를 피드백 하기 위한 4bit/use 가 필요하다. 프리코더 코드북 기술은 동시에 전송할 데이터 스트림 수를 조절하기 위한 2bits와 선택된 프리코더의 인덱스를 피드백하기 위한 3bits, 총 5bits/use 의 피드백 정보량이 요구된다. 동일한 5bit/use의 피드백 정보량이 요구되는 Closed loop Knockdown Precoding 기술과 변환(Companding)을 하지 않는 프리코더 코더북 기술의 성능을 비교하면, Closed loop Knockdown Precoding 기술이 변환(Companding)을 하지 않는 프리코더 코더북 기술보다 상당히 우수함을 확인할 수 있다. 더구나, 4bit/use가 필요한 Open loop Knockdown Precoding 기술이 오히려 5bit/use가 필요한 변환(Companding)을 하지 않는 프리코더 코드북 기술보다 상당히 우수함을 알 수 있다. 다만, 변환(Companding)을 하는 프리코더 코드북 기술의 경우, Closed loop Knockdown Precoding 기술과 거의 비슷한 성능을 보이지만, 변환(Companding)을 위해 하향 링크 채널의 공간 상관 행렬에 대한 추가적인 피드백이 요구되므로, 요구되는 피드백 정보량이 Closed loop Knockdown Precoding 기술보다 상당히 많다.

도 13은

인 경우, 공간 상관도가 없는 환경에서 프리코더 코드북 기술과 제안하는 Knockdown Precoding 기술을 적용한 MMSE - OSIC 시스템의 성능을 비교한 결과를 보여준다. Uncorrelated 환경에서는 변환(Companding)을 하는 프리코더 코드북 기술과 변환(Companding)을 하지 않는 프리코더 코드북 기술은 동일한 성능을 보인다. 이는 uncorrelated 환경에서는 송신 상관 행렬이 단위 행렬이 되어, 변환(Companding)을 하더라도 프리코더 코드북 이 변하지 않기 때문이다. 두 프리코더 코드북 기술은 Closed loop Knockdown Precoding 기술과 동일한 성능을 보이고, Open loop Knockdown Precoding 기술 보다 약간 우수한 성능을 보인다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 즉 본 발명에서는 설명의 편의상 송신 안테나와 수신 안테나가 2개인 시스템을 나타내었지만, 그 이상의 안테나도 적용이 가능하다. 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명 Knockdown Precoding 기술은 종래 프리코더 코드북 기술에 비해, 다양한 공간 상관도를 갖는 채널 환경에 적용이 가능하고, 동일한 피드백 정보량을 이용할 때 제안하는 Knockdown Precoding 기술이 종래 프리코더 코드북 기술보다 상당히 성능이 우수하다. 또한, 제안하는 Knockdown Precoding 기술은 요구되는 메모리 양이 프리코더 코드북 기술에 비해 매우 작으며, 공간 다중화 기술을 적용하려는 시스템의 역방향 링크 채널 구조 및 용량에 맞추어 최적화 될 수 있다.

Claims

송/수신 어레이 안테나를 사용하여 다중 전송을 구현하는 데이터 송/수신을 하는 이동 통신 시스템에 있어서,

송신기로부터 데이터를 수신하여 채널을 추정한 후 데이터 전송률을 최대로 하는 피드백 정보를 생성하여 상기 송신기로 다수의 피드백 채널을 통해 전송하는 수신기와,

상기 피드백 정보를 근거로 전송할 데이터를 역다중화하고, 각 역다중화된 데이터열에 해당 가중치를 곱하여 빔성형후 전송하는 송신기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 피드백 정보는,

송신 안테나의 개수에 따라 구성되는 가중치 집합 중 사용될 가중치 집합의 정보를 포함하는 가중치 집합 인덱스 정보와,

상기 선택된 가중치 집합내의 가중치에 관한 정보를 포함하는 가중치 벡터 정보와,

상기 가중치 집합 인덱스 정보와 상기 가중치 벡터 정보에 의해 결정된 채널에 대한 채널 상태를 포함하고 있는 부 데이터 스트림 별 상태 정보로 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 수신기는,

상기 송신기로부터 전송된 데이터의 파일롯 채널을 이용하여 채널 상태를 추정하는 하향 링크 채널 추정기와,

상기 채널 상태를 근거로 상기 가중치 집합 인덱스 정보와 상기 가중치 벡터 정보를 선택하여 상기 송신기에 전송하는 가중치 선택기와,

상기 선택된 가중치 정보의 채널 상태를 추정하여 상기 송신기에 전송하는 부 채널 별 상태 추정기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 송신기는,

상기 수신기로부터 전송된 피드백 정보를 근거로 전송할 주 데이터열을 역다중화할 데이터열의 수와, 각 역다중화된 데이터열의 부호화율, 변조방식과 각 데이터열의 곱할 가중치를 결정하는 제어기와,

상기 제어기로부터 결정된 정보에 의해 상기 주데이터 열을 처리하여 수신기에 전송하는 데이터 처리부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 피드백 정보는,

송신 안테나의 개수에 따라 구성되는 가중치 집합 중 사용될 가중치 집합의 정보를 포함하는 가중치 집합 인덱스 정보와,

상기 결정된 가중치 집합 중 사용될 가중치 벡터 정보와 사용하지 않을 가중치 벡터 정보를 포함하고 있는 부 데이터 스트림 별 상태 정보로 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 수신기는,

상기 송신기로부터 전송된 데이터의 파일롯 채널을 이용하여 채널 상태를 추정하는 하향 링크 채널 추정기와,

상기 채널 상태를 근거로 상기 가중치 집합과 상기 가중치 집합 중 선택된 가중치 벡터 정보에 관한 선택하는 가중치 선택기와,

상기 가중치 벡터 정보에 관한 채널 상태를 근거로 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 구성하여 상기 송신기에 전송하는 부 채널 별 상태 추정기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 송신기는,

상기 수신기로부터 전송된 피드백 정보를 근거로 전송할 주 데이터열을 역다중화할 데이터열의 수와, 각 역다중화된 데이터열의 부호화율, 변조방식과 각 데이터열의 곱할 가중치를 결정하는 제어기와,

상기 제어기로부터 결정된 정보에 의해 상기 주데이터 열을 처리하여 수신기에 전송하는 데이터 처리부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 상기 시스템.
송/수신 어레이 안테나를 사용하여 다중 전송을 구현하는 이동 통신 시스템에서 데이터를 송/수신하는 방법에 있어서,

수신기가 송신기로부터 전송된 데이터의 파일롯 채널로부터 페이딩 채널을 추정하는 제 1과정과,

상기 수신기가 상기 추정된 페이딩 채널 정보를 이용하여 데이터 전송률을 최대로 하는 피드백 정보를 생성하는 제 2과정과,

상기 수신기가 상기 피드백 정보를 다수의 피드백 채널을 통해 상기 송신기에 전송하는 제 3과정과,

상기 송신기가 상기 피드백 정보를 근거로 전송할 데이터를 처리하여 전송하는 제 4과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상기 방법.
제 8항에 있어서, 상기 피드백 정보는,

송신 안테나의 개수에 따라 구성되는 가중치 집합 중 사용될 가중치 집합의 정보를 포함하는 가중치 집합 인덱스 정보와,

상기 선택된 가중치 집합내의 가중치 정보에 관한 정보를 포함하는 가중치 벡터 정보와,

상기 가중치 집합 인덱스 정보와 상기 가중치 벡터 정보에 의해 결정된 채널에 대한 채널 상태를 포함하고 있는 부 데이터 스트림 별 상태 정보로 구성됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제 9항에 있어서, 상기 제 2과정은,

미리 설정된 다수의 가중치 집합들 중 최대 데이터 전송률을 갖는 가중치 집합을 결정하는 과정과,

상기 결정된 가중치 집합 중 실제 전송에 사용할 가중치 벡터를 결정하는 과정과,

상기 결정된 정보에 따른 채널의 신호대 간섭비를 계산하여 채널 상태 정보를 추정하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상기 방법.
제 10항에 있어서, 상기 제 4과정은,

상기 가중치 집합 정보와 상기 가중치 벡터 정보를 근거로 전송 가능한 부 데이터 열 수를 결정하여 주 데이터 열을 역다중화하는 과정과,

상기 각 역다중화된 부 데이터 열을 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 근거로 독립적으로 부호화하고, 변조 방식에 따라 심볼에 맵핑하는 과정과,

상기 처리된 각 부 데이터 열을 상기 가중치 벡터로부터 결정된 가중치를 곱하여 수신기에 전송하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상기 방법.
제 8항에 있어서, 상기 피드백 정보는,

송신 안테나의 개수에 따라 구성되는 가중치 집합 중 사용될 가중치 집합의 정보를 포함하는 가중치 집합 인덱스 정보와,

상기 결정된 가중치 집합 중 사용될 가중치 벡터 정보와 사용하지 않을 가중치 벡터 정보를 포함하고 있는 부 데이터 스트림 별 상태 정보로 구성됨을 특징으로 하는 상기 방법.
제 12항에 있어서, 상기 제 2과정은,

미리 설정된 다수의 가중치 집합들 중 최대 데이터 전송률을 갖는 가중치 집합을 결정하는 과정과,

상기 결정된 가중치 집합 중 실제 전송에 사용할 가중치 벡터를 결정하는 과정과,

상기 결정된 정보에 따른 채널의 신호대 간섭비를 계산하여 채널 상태 정보를 추정하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상기 방법.
제 12항에 있어서, 상기 제 4과정은,

상기 피드백 정보를 근거로 전송 가능한 부 데이터 열 수를 결정하여 주 데이터 열을 역다중화하는 과정과,

상기 각 역다중화된 부 데이터 열을 상기 부 데이터 스트림 별 채널 상태 정보를 근거로 독립적으로 부호화하고, 변조 방식에 따라 심볼에 맵핑하는 과정과,

상기 처리된 각 부 데이터 열을 상기 가중치 벡터로부터 결정된 가중치를 곱하여 수신기에 전송하는 과정을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상기 방법.