KR20070119178A - 다중 사용자 ｍｉｍｏ에서 피드백 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 사용자 MIMO(Multiple-input Multiple-output)에서 피드백 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 이동국에서 기지국으로 피드백해서 보내는 채널 정보의 피드백 양을 감소하면서도 전체 시스템의 성능을 개선할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 이동국은 미리 정해진 순환 순서에 따라 프리코딩(pre-coding) 정보를 기지국으로부터 수신하고, 상기 프리코딩 정보에 대한 피드백 제어 인자를 계산하고, 상기 피드백 제어 인자가 미리 설정된 비율에 속할 때에만 비트 리솔루션(bit resolution)으로 양자화(quantization)하여 피드백한다. 그리고 기지국은 피드백 제어 인자가 일정 비율 이상일 경우에만 피드백 받고, 상기 피드백 제어 인자 계산에 필요한 프리코딩(pre-coding) 정보를 생성하고, 미리 결정된 순환 순서에 따라 상기 프리코딩 정보를 복수의 안테나를 통해 이동국으로 송신한다. 이를 통해 본 발명은 시스템 용량(system capacity)을 극대화하는 다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 채널 품질 정보(Channel Quality Indicator:CQI ) 피드백을 효과적으로 줄인다.

MIMO, CQI, 피드백, 유니터리 매트릭스, 피드백 제어 인자

Description

다중 사용자 ＭＩＭＯ에서 피드백 제어 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM CONTROL OF FEEDBACK IN MU-MIMO}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PU²RC-MIMO시스템을 나타내는 도면;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 제어 방법을 나타내는 도면;

도3은 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 구성에 필요한 다중사용자 MIMO 시스템을 나타내는 도면; 및

도 4내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다중 사용자 MIMO(Multiple-input Multiple-output)에서 피드백 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 이동국에서 기지국으로 피드백해서 보내는 채널 정보의 피드백 양을 감소하면서도 전체 시스템의 성능을 개선할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

무선통신 시장이 급성장하고 무선 환경에서의 다양한 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라, 데이터 전송의 대용량화 및 고속화가 진행되고 있다. 따라서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 방법이 가장 시급하게 해결해야 할 과제로 떠오르고 있다. 한편, 무선 통신의 채널 환경은 유선채널 환경과 달리 전파 감쇠, 새도잉(shadowing), 시변 잡음, 다중 경로 간섭, 다중 사용자 간섭 등에 의해 낮은 신뢰도를 나타낸다. 따라서 낮은 신뢰도를 극복하기 위해, 채널 환경에 대처한 다양한 성능향상 기법이 연구되어 왔다. 한편, 이동 통신 시스템에 있어서는 이러한 높은 신뢰도를 얻는 것뿐만 아니라, 고속의 데이터 전송율을 달성하는 것 또한 중요하다. 현재, 인터넷 접속과 멀티미디어 서비스를 위해 고속 데이터 서비스에 대한 요구가 급속하게 많아지고 있으며 이러한 고속 데이터는 제한된 주파수 영역의 효율을 높일 때에만 가능하게 된다. 이러한 높은 주파수 효율을 위해 다중 송수신 안테나 시스템이 활발히 연구되고 있다.

다중 송수신 안테나 시스템은 송수신기에 복수개의 안테나가 있는 시스템으로, 일반적으로 각 안테나는 각기 독립적인 정보를 보내게 되며, MIMO 시스템 혹은 SDM(Space Division Multiplexing) 시스템 이라고 불린다. 이는 제한된 주파수 환경에서 고속의 데이터 전송을 가능하게 하기 위해 공간 영역을 활용하는 시스템이다. 현재까지 연구된 결과에 의하면, MIMO 시스템의 채널 용량은 송수신기 주변에 산란체가 많은 환경에서, 단일 송수신 안테나 시스템에 비해 송신 및 수신기 안테나 수 중 최고 값에 해당하는 수에 비례하여 증가하는 것으로 알려져 있다.

MIMO 시스템에 대한 선도적인 연구는 Bell Lab의 Foschini와 Gans에 의해 이루어 졌고, BLAST(Bell Laboratories Layered Space Time) 시스템이 제안되었다. BLAST 시스템 중 서브스트림간의 코딩 구조(coding structure)를 독립하게 하여 신호처리과정을 보다 단순화한 방법이 수직적(vertical) BLAST(V-BLAST) 시스템이다. V-BLAST 시스템은 서로 다른 송신안테나에서 전송된 서로 다른 전송신호를 수신안테나에서 수신했을 때, 연속 간섭 해제(Successive Interference Cancellation: SIC) 방식을 적용하여 간섭을 제거하는 검출방식을 사용한다. 이러한 V-BLAST 시스템을 비롯한 일반적인 MIMO 시스템의 수신방식과 성능분석은 대부분 주파수 비선택적인 채널환경에서, 즉 심볼 시간 간격에 비해 전파지연간격이 매우 작다는 가정에서 전개되어 왔다. 그러나, 이 방식은 전파지연으로 인한 주파수 선택적 페이딩 채널 환경에서 심각한 신호의 왜곡현상을 초래되고, 이는 심볼의 시간 간격이 매우 짧아지는 고속 데이터 통신 환경에서 좀더 중요한 문제가 된다.

주파수 비선택 채널 환경에서 주파수 선택적인 채널 환경으로 바뀌었을 때, 시스템 성능의 열화를 방지하기 위해서 여러 가지 기법을 생각해 볼 수 있다. 그 중 주목 받는 한가지 방법으로써, 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방식이 있다. OFDM 방식은 한 개의 큰 광대역 채널을 여러 개의 협대역 채널로 나누고, 데이터를 여러 개의 채널에 동시에 병렬로 전송하는 변조 방식이다. 그리고, OFDM 방식은 상대적으로 긴 심볼 구간을 사용하여 다중경로 페이딩에 강한 특성을 갖게 된다. 따라서, MIMO와 OFDM을 결합하면, 다중경로 채널 환경에서 효과적인 고속 통신을 제공해 줄 수 있다. 한편, 어느 특정 안테나의 채널 상태가 좋지 안거나, 채널 매트릭스(matrix)의 랭크(rank)가 좋지 않은 상태가 되었을 때, 전체적으로 효율적인 채널 사용이 가능하게 된다. 그런데, 실제 시스템에서 이러한 링크 적응(link adaptation)기법을 적용하기 위해서는 여러 가지 해결해야 할 문제들이 존재한다. 그 중에서도 이상적이지 못한 피드백 채널 때문에, 보다 효율적인 피드백 정보량 제어에 대한 연구가 필요하다.

다중 사용자 MIMO는 각 사용자의 QoS(Quality of Service) 요구사항을 고려하여 여러 사용자가 동시에 통신을 할 수 있도록 스케쥴링이 필요하고 시스템의 복잡도가 높다. 최근 다중 사용자 MIMO에서 피드백 신호, 다중사용자 스케쥴링과 송수신 최적화 등을 위한 많은 연구가 수행중이다.

하지만, 종래의 MIMO에서 연구되어온 기존의 3가지 피드백 방식만으로는 효율적인 피드백 제어가 힘들다. 첫 번째 종래 방식은 풀 피드백(full feedback) 방식이다. 풀 피드백 방식은 수신단에서 획득할 수 있는 스트림별 SINR(Signal to Noise Ration)을 모두 알려준다. 하지만 풀 피드백 방식에서는 모두를 피드백 한다는 비 효율적인 측면이 크다. 두 번째 종래 방식은 부분 피드백(partial feedback) 방식이다. 부분 피드백 방식에서는 선부화 행렬의 집합인 코드 북(code book) 사이즈가 커짐에 따라, 전체 시스템 성능이 열화되는 문제점이 있다. 세 번째 종래 방식은 감소 피드백(reduced feedback)은 가장 좋은 프리 코딩 매트릭스와 스트림의 인덱스와 이때의 SINR을 알려주는 방법이다. 하지만 감소 피드백은 가장 적은 CQI 피드백량만을 요구하지만 성능의 저하가 크다.

따라서, 본 발명은 종래의 피드백 방식들에 새로운 피드백 제어 방법 및 시 스템을 제공하여 이동국이 기지국으로 피드백해서 보내는 채널 정보의 양을 감소하면서도 전체 시스템의 성능은 개선할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. 특히 본 발명은 폐루프 다중 사용자 MIMO 방식인 PU²RC(Per Unit User Unitary And Rate Control)에서 효과적인 CQI 피드백 제어 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명은 이동국의 피드백 제어 방법으로서, 미리 정해진 순환 순서에 따라 프리코딩(pre-coding) 정보를 기지국으로부터 수신하고, 상기 프리코딩 정보에 대한 피드백 제어 인자를 계산하고, 상기 피드백 제어 인자가 미리 설정된 비율에 속할 때에만 비트 리솔루션(bit resolution)으로 양자화(quantization)하여 피드백한다.

또한, 본 발명은 기지국의 피드백 제어 방법으로서, 피드백 제어 인자가 일정 비율 이상일 경우에만 피드백 받고, 상기 피드백 제어 인자 계산에 필요한 프리코딩(pre-coding) 정보를 생성하고, 미리 결정된 순환 순서에 따라 상기 프리코딩 정보를 복수의 안테나를 통해 이동국으로 송신한다.

또한, 본 발명은 피드백 제어 시스템으로서, 피드백된 채널 정보를 이용하여 유니터리 프리코딩 매트릭스들을 생성하고, 미리 결정된 순환 순서에 상기 매트릭스들을 복수의 안테나를 통해 송신하는 기지국 및; 수신한 상기 매트릭스들의 스트림별 SINR(Signal to Noise Ration)에 대한 합계 비율(sum-rate)을 계산하고, 상기 합계 비율이 미리 결정된 비율 안에 드는 경우에만 채널 품질 정보(Channel Quality Information: CQI)를 피드백하는 이동국을 포함한다.

이하에서는 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명을 요약하면, 다음과 같다. 본 발명은 이동국에서 기지국으로 피드백해서 보내는 채널 정보의 양을 감소하면서도 전체 시스템의 성능을 개선할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 기지국은 미리 결정된 순서로 프리 코딩 매트릭스(pre-coding matrix)를 사용하여 복수의 송신 안테나를 통해 다중 신호들을 이동국으로 송신한다. 그리고 이동국은 합계 비율(sum-rate) 등수가 미리 결정된 비율의 순위 안에 드는 경우에만 채널 품질 정보를 피드백한다. 여기에서 이동국이 합계 비율 등수를 산출하는 이유는 피드백 할 정보를 효율적으로 줄이기 위함이다. 즉, 상기 등수를 전후로 피드백할 것인지에 대한 여부를 결정함으로써, 피드백하는 정보의 양을 줄 일 수 있다. 또한, 상기 등수는 신호대 간섭비에 대한 합계의 비율이므로 이득을 더 높아져서 시스템의 성능이 더욱 개선되는 장점도 있다.

<PU²RC MIMO 시스템>

이하, 도1을 참조하여 PU²RC MIMO시스템을 설명한다. 특히, 본 발명에 따른 피드백 제어 방법 및 시스템은 PU²RC MIMO시스템에 적용될 수 있다.

PU²RC(Per Unit User Unitary And Rate Control)란 SDM과 SDMA 같은 공간 다중화 이득(spatial multiplexing gains)을 최대한으로 얻기 위한 다중 사용자 MIMO 스케줄링과 프리코딩(pre-coding) 방식이다. 이 방식은 다중 송신 안테나 신호처리기술로 동일한 OFDM 서브밴드(subband)를 다수의 사용자에게 동시에 전송하거나(SDMA), 다중 데이터 스트림을 동일한 사용자에게 전송한다(SDM). PU²RC와 같은 다중 사용자 MIMO 방식은 SDMA 와 SDM을 동시에 지원하기 때문에 QoS(Quality of Service)를 효과적으로 지원한다. 반면에 단일 사용자 MIMO 방식은 상대적으로 만족시키는 QoS 레벨이 낮다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PU²RC-MIMO시스템을 나타내는 도면이다. 도 1에서 베이스 스테이션(기지국)은 데이터 스트림을 프리코더(pre-coder) 매트릭스(matrix)인 V1, V2, …, VG를 사용한다. 그리고 M개의 안테나를 이용하여 신호를 송신한다. 여기에서 주된 목적은 사용자 별 공간 도메인 채널(spatial domain channel)상황에 따라 적응적으로 스트림을 할당하여 보내는 것이다. 이처럼 기지국에서 적응적으로 공간자원을 활용하기 위해서는, 사용자가 각각의 프리코딩 매트릭스를 사용해서 보낼 때 자신이 수신할 수 있는 SINR(Signal to Noise Ration)에 대한 정보를 기지국에게 반드시 알려주어야 한다. 이러한 동작을 채널 품질 정보(Channel Quality Indicator: CQI) 피드백이라고 한다.

리시버는 N개의 안테나를 통해 신호를 수신하고, 높은 성능 이득을 얻기 위하여 MMSE(Minimum Mean Square error) 또는 SIC(Successive Interference Cancellation)를 이용한다. 그리고 리시버는 스트림을 선택하며 선택된 스크린으로 결과를 송출한다. 그리고 리시버는 CQI 와 코드 북 인덱스를 베이스 스테이션(기지국)으로 다중 사용자(multiple users: MU) 피드백한다.

M개의 송신안테나와 N개의 수신 안테나를 가진 MIMO 시스템에서 송신단과 수신단의 채널 매트릭스는 다음과 같은 <수학식1>로 표현된다.

한편, 피드백 오버헤드의 양과 기지국의 스케쥴링 유연성 사이에는 트레이드 오프(trade-off)관계가 형성된다. 이는 적당한 G(유니터리 매트릭스 집합의 개수)값을 선택함으로써 리시버가 기지국으로 피드백해야 하는 정보의 양을 결정할 수 있다. 여기서 스케쥴링의 유연성이라 함은 기지국이 정보 전송시 사용할 프리코딩 매트릭스와 선택할 사용자들의 선택에 있어서의 유연성을 의미한다.

PU²RC의 방식을 사용할 때, 복수개의 유니터리 프리 코딩 집합들은 미리 결정된다. 그리고, 유니터리 프리코딩 매트릭스의 선택에 있어서 자유도는 공간 영역에서 다중 사용자 다이버시티 이득을 제공한다. 하지만, PU²RC는 다중 사용자 스케쥴링을 고려해야 하기 때문에 PARC(Per-antenna Rate Control)에서 보다 더 많은 피드백 정보를 요구한다. 본 발명은 이렇게 늘어나는 피드백 정보를 감소시킬 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.

<프리코더 디자인>

이하, 수학식을 참조하여 유니터리 프리코더(pre-coder) 디자인을 설명한다. 본 발명은 피드백에 필요한 채널 정보로 유니터리 프리코더 매트릭스들을 이용한다. 유니터리 매트릭스는 다음 <수학식2>과 같은 퓨리에 베이시스로 표현할 수 있다.

예를 들어, 2개의 송신안테나(M=2)와 두개의 가능한 그룹(G=2)인 때, 다음과 같은 프리코더의 집합이 가능하다.

또한, 4개의 송신안테나(M=4)와 두개의 그룹(G=2)를 가정하면, 다음과 같은 프리코더의 집합이 가능하다.

<피드백 제어 방법 및 시스템>

이하, 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO에서 피드백 제어 방법 및 시스템을 시스템을 설명한다.

본 발명은 공간다중접속방식을 사용하여 여러 개의 데이터 열을 여러 명의 사용자에게 적응적으로 할당한다. 이를 통해 시스템 용량을 극대화하는 닫힌 루프(closed loop) 다중 사용자 MIMO에서 이동국에서 기지국으로 피드백 되는 채널 정보를 효과적으로 줄인다. 개루프 (open loop) MIMO는 피드백 정보를 필요로 하지 않지만, 폐루프 방식에서는 데이터 전송을 위하여 송신단에서 채널의 정보를 필요로 하므로 수신단에서 송신단으로 피드백이 필요하다. 또한, 본 발명은 동시에 스트림별 경쟁하는 사용자의 수를 증가시킴으로써 다중 사용자 다이버시티 이득을 극대화한다.

기지국에서는 기지국과 이동국 장치간 자체적으로 미리 약속된 순서로 채널 정보를 송신한다. 여기에서 대표적인 채널 정보로는 유니터리 프리코딩 매트릭스들(unitary pre-coding matrixes)이 사용된다. 상기 채널 정보는 복수의 송신 안테나를 통해 다중 사용자 신호들을 송신한다.

이동국에서는 피드백 제어 인자가 일정 비율 안에 드는 경우에만 피드백 한다. 여기에서 대표적인 피드백 제어 인자는 시그널 대 노이스의 비율인 SINR를 이용한 합계 비율이다(sum-rate). 상기 피드백 제어 인자가 미리 정해진 비율 안에 드는 경우에만 상기 채널 품질 정보를 피드백하면 피드백 되는 양을 줄 일 수 있다. 여기에서 피드백 제어 방법은 상기 피드백 제어 인자에 대한 순위를 책정하여 일정 순위안에 드는 경우에만 피드백을 선택함으로써도 가능하다.

기지국은 앞의 과정에서 선택된 최적의 프리코딩 매트릭스의 인덱스(index) 와 스트림별 할당 정보를 피드-포워드 시스널링(feed-forward signaling)을 통해서 각 사용자에게 브로드캐스팅(broadcasting)한다.

<G에 따른 CQI 피드백량>

이하, G에 따른 CQI 피드백량을 설명한다.

사용자가 선택 가능한 유니터리 매트릭스 후보 개수G가 커질수록 사용자 별 보내야 할 CQI 피드백량은 다음과 같이 증가한다. (L은 스트림의 수, 각 스트림별 SINR은 5bits의 리솔루션으로 표현한다.)

A. 풀 피드백(full feedback)

- G * L * 5 bits / User

B. 부분 피드백(partial feedback)

- log₂(G) + L * 5 bits/ User

C. 감소 피드백(reduced feedback)

- log₂(G * L)+ 5 bits/ User

여기에서 볼 수 있듯이 G가 커질수록 소팅(Sorting)된 유니터리 매트릭스별 스트림을 경쟁하여 할당할 사용자 집합의 수가 적어지게 된다. 따라서, 이는 다중 사용자 다이버시티 이득을 적게 만든다. 본 발명은 이점에 착안하여 미리 프리 코딩된 매트릭스를 약속하여 시간적으로 순환함으로써 CQI 피드백량을 줄임과 동시에, 많은 사용자들이 경쟁하도록 하여 다중 사용자 다이버시티 이득을 극대화 할 수 있다.

<실시예>

이하, 도2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 피드백 정보의 양을 감소시키기 위한 방법 및 시스템을 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 대표적인 채널 정보로 유니터리 프리코딩 매트릭스를 이용하고, 피드백 제어 인자로 상기 매트릭스들에 대한 스트림별 SINR의 합계 비율을 이용한다.

본 발명의 실시예에서는 전체 주파수 대역 내에 존재하는 채널 상태 측정 시점들에서의 채널 변화를 표현하는 정보를 피드백 정보로 사용한다. 이를 위해, 기지국은 미리 약속된 순서에 따라 유니터리 매트릭스들를 이용하여 데이터를 송신한다. 그리고 사용자는 자신의 스트림별 SINR을 계산하고 합계 비율을 구한다. 또한, 사용자는 합계비율별 등수를 구하여 이 등수에 따라 피드백 정보의 양을 제어함으로서 피드백 정보의 양을 감소시킨다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 정보의 생성 및 이를 통한 CQI 피드백량을 감소하는 위한 방법을 나타내는 도면이다. 도2를 참조하면 기지국은 약속된 순서로 유니터리 매트릭스인 V1, V2, … , VG, V1, V2, …, VG, …의 순으로 순환하여 송신한다. 즉 기존의 방식은 사용자가 자신이 선호하는 유니터리 매트릭스를 선택하여 피드백하는 방식인 반면에 본 발명은 기지국이 주체가 된다.

사용자는 기지국에서 유니터리 매스트릭스를 어떠한 순서로 프리코딩하여 보내는지 미리 알고 있기 때문에, 기지국은 수신 시의 자신의 스트림별 SIINR 을 계산하여 프리코딩한다. 그리고 V1, V2, … , VG에 대하여 각각 스트림별 SINR의 합인 합계 비율을 구하여 이것의 등수를 계산한다.

예를 들면, 현재 기지국에서 송신하기로 한 Vx의 합계 비율을 구한 것이 전체 G/2등 또는 일정 비율 안에 들어오기만 하면 이때의 스트림별 SINR을 약속된 비트 리솔루션(bit-resolution)으로 양자화(quantization)하여 피드백한다. 이렇게 함으로써 기존의 부분 피드백은 최상의 합계 비율을 보장하는 한 개의 유니터리 매트릭스를 지정하는 것에 비해서, 제안하는 방식은 각 유니터리 매트릭스별 많은 사용자들이 경쟁을 하게 되어 다중사용자 다이버시티(Multi-user Diversity Gain) 이득을 얻을 수 있다.

또한, 기존의 부분 피드백은 어떠한 상황에서도 항상 CQI 피드백을 하야하는 반면에, 본 발명은 현재 보내는 유니터리 매트릭스의 합계 비율을 계산해본 결과 상위 절반 등수 또는 일정비율의 등수 안에 드는 경우에만 피드백함으로써 전체적인 피드백량을 평균적으로 절반으로 줄일 수 있다.

표1은 각 피드백 알고리즘 별 CQI피드백량을 비교하여 나타낸다. 본 발명에 따르면 기존의 부분 피드백방식에 비하여 피드백 정보량이 감소하며, 다중 사용자 다이버시티 이득이 개선되어 전체 시스템의 성능이 개선되는 효과를 갖는다.

Methods	Total information bit for Feedback	Example (Nu=10, G=16, L=4)
풀 피드백	Nu * G * L * 5	3200bits
부분 피드백	Nu *( log2(G) + L * 5)	240bits
감소 피드백	Nu *( log2(G *L ) + 5)	90bits
본 발명의 피드백	Nu / 2 * ( L * 5)	100bits
여기서 G는 프리코딩으로 사용된 유티터리 매트릭스의 개수 (Code book Size) M는 Tx 안테나의 개수, L은 multi-stream의 개수, Nu : Number of 사용자

<시물레이션 결과 및 분석>

이하, 도3내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션을 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 시물레이션에서는 기지국에 다수의 송신안테나를 가지고 있으며, 역시 다수의 수신안테나를 가지고 있는 k명의 사용자 무선 하향링크(Downlink) 통신 시스템을 가정한다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 구성에 필요한 다중 사용자 MIMO 시스템을 나타내는 도면이다. 도3에는 k명의 사용자가 있는 M * N 다중 사용자 PU²RC시스템이 구성되어 있다.

도 3을 참조하면, 기지국은 약속된 순서로 유니터리 매트릭스 V1, V2, …, VG, V1, V2, …, VG, …순으로 순환하여 송신한다. 사용자는 각각 스트림별 SINR의 합인 합계 비율을 구하여 이것의 등수를 계산한다. 그 후 사용자는 현재 기지국에서 송신하기로 한 Vx의 합계 비율을 구한 것이 전체 G/2 등 또는 일정비율 안에 들어오기만 하면 이때의 스트림 별 SINR을 약속된 비트 리솔루션으로 양자화하여 피드백한다.

이하, 도 4내지 도6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 성능향상을 검증한다.

시물레이션에서는 유니터리 매트릭스의 집합인 G의 개수를 달리하여 기존 다중안테나 MIMO 시스템에서의 용량과 본 발명에서 제공하는 피드백 방식에서의 용량을 비교 분석한다. 그리고 본 발명에서 피드백되는 V_x 개수에 따른 피드백 정보량 및 용량을 비교 분석하여 최적의 성능을 나타내는 V_x 개수를 선정한다.

본 시뮬레이션을 위하여 기지국(Node B)과 사용자 단말장치 모두 4개의 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 그리고 CQI 양자 비트(quantization bit)는 5비트, 모듈레이션은 BPSK를 사용하는 것으로 가정한다.

본 발명과 기존 방식과의 비교를 위하여 다음 세 가지에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다.

A. G=4 인 경우 본 방식과 기존 피드백 방식의 용량 비교

B. G=8 인 경우 본 방식과 기존 피드백 방식의 용량 비교

C. G=16 인 경우 본 방식과 기존 피드백 방식의 용량 비교

이하, 도 4를 참조하여 G=4인 경우의 시물레이션을 설명한다.

도 4의 G=4인 경우에는 부분 피드백 방식으로도 충분히 경쟁할 사용자 수를 확보할 수 있고 프리코드(pre-code) 그룹별 최상을 선택하는 선택 다이버시티(selection diversity)까지 추가로 얻을 수 있다. 반면에, 본 발명에 따르면 그럴 수가 없어서 성능이 떨어진다. 그럼에도 불구하고 여전히 CQI 피드백량은 약 60% 정도를 아낄 수 있다.

이하, 도 5및 도 6를 참조하여 시물레이션 결과를 설명한다.

도5 및 도 6에서 나타낸 바와 같이 본 발명은 G=8, G=16에서 각 유티터리 매트릭스별로 경쟁하는 사용자 수를 늘여줌으로써 다중 사용자 다이버시티 이득을 획득하여 기존방법 보다 성능이 우수하다.

본 발명은 도4 내지 도 6의 시뮬레이션 결과에서 설명한 바와 같이, G가 커짐에 따라 기존의 CQI 피드백 방식에 대비하여 피드백 부담은 줄이고 다중 사용자 다이버시티 이득을 높혀서 시스템 용량 증가에 크게 기여하고 있다.

다시 말하면, 본 발명은 다중사용자(Multi-User) MIMO 방식을 구현함에 있어서, 용량 증가의 큰 원동력이 되는 프리코딩 매트릭스의 선정 및 스트림별 사용자에게 할당하는 방식에 관한 것으로, 상향링크(Uplink)의 리던던시(redundancy)인 CQI 피드백 정보량을 최소화하고 하향링크(Downlink) 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대화하는 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해, 표1에서 보이는 것과 같은 기존의 일반적인 CQI 피드백 방법의 피드백량 대비 성능의 열화 없이도 약 60% 정도의 CQI 피드백 감소 효과를 볼 수 있다.

특히, G가 커짐에 따라, 기존의 CQI 피드백 방식대비 피드백 부담은 줄이고 다중 사용자 다이버시티 이득을 더 얻음으로써 전체 시스템의 용량 증가에 크게 기여하고 있다.

또한, 본 방식은 3GPP에서 뿐만 아니라, 다중사용자 MIMO를 사용하는 어떠한 통신시스템에도 적용 가능하다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형될 수 있음은 물론이다. 첨부된 도면은 본 발명의 실시예를 적용하는 경우를 예시적으로 보여준 것이며, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 채널 정보 피드백량이 감소하면서도 스트림별 경쟁하는 사용자의 수를 증가시켜 다중 사용자 다이버시티 이득을 극대화 함으로써 전체 시스템 성능이 개선되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 PU²RC MIMO에서 기존의 피드백 방식을 더욱 개선하여 채널 정보 피드백량을 제어할 수 있는 효과도 있다.

Claims (10)

1. 다중 사용자 MIMO(Multiple-input Multiple-output)시스템에서 이동국의 피드백 제어 방법에 있어서,

   미리 정해진 순환 순서에 따라 프리코딩(pre-coding) 정보를 기지국으로부터 수신하는 단계;

   상기 프리코딩 정보에 대한 피드백 제어 인자를 계산하는 단계; 및

   상기 피드백 제어 인자가 미리 설정된 비율에 속할 때에만 비트 리솔루션(bit resolution)으로 양자화(quantization)하여 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동국의 피드백 제어 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수신 단계의 상기 프리코딩 정보는 유니터리 프리코딩 매트릭스들(unitary pre-coding matrixes)임을 특징으로 하는 이동국의 피드백 제어 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 계산 단계의 상기 피드백 제어 인자는 스트림별 SINR(Signal to Noise Ration)의 합계 비율(sum-rate)임을 특징으로 하는 이동국의 피드백 제어 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 피드백 단계의 상기 일정비율은G/2로 이고, 여기에서 G는 상기 유니터리 매트릭스의 집합의 개수임을 특징으로 하는 이동국의 피드백 제어 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 피드백 단계의 상기 피드백은 풀 피드백(full feedback), 부분 피드백(partial feedback) 및 감소 피드백(reduced feedback) 중에서 어느 하나임을 특징으로 하는 피드백 제어 방법.
6. 다중 사용자 MIMO(Multiple-input Multiple-output)시스템에서 기지국의 피드백 제어 방법에 있어서,

   피드백 제어 인자가 일정 비율 이상일 경우에만 피드백 받는 단계;

   상기 피드백 제어 인자 계산에 필요한 프리코딩(pre-coding) 정보를 생성하는 단계; 및

   미리 결정된 순환 순서에 따라 상기 프리코딩 정보를 복수의 안테나를 통해 이동국으로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국의 피드백 제어 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 피드백 받는 단계의 상기 피드백 제어 인자는 스트림별 SINR(Signal to Noise Ration)의 합계 비율(sum-rate)임을 특징으로 하는 기지국의 피드백 제어 방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 생성 단계의 상기 채널 정보는 유니터리 프리코딩 매트릭스들(unitary pre-coding matrixes)임을 특징으로 하는 기지국의 피드백 제어 방법.
9. 다중 사용자 MIMO(Multiple-input Multiple-output)에서 피드백 제어 시스템에 있어서,

   피드백된된 채널 정보를 이용하여 유니터리 프리코딩 매트릭스들(unitary pre-coding matrixes)을 생성하고, 미리 결정된 순환 순서에 의해 상기 매트릭스들을 복수의 안테나를 통해 송신하는 기지국 및;

   수신한 상기 매트릭스들의 스트림별 SINR(Signal to Noise Ration)에 대한 합계 비율(sum-rate)을 계산하고, 상기 합계 비율이 미리 결정된 비율 안에 드는 경우에만 채널 품질 정보(Channel Quality Information: CQI)를 피드백하는 이동국 을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 이동국의 상기 미리 결정된 비율은 2/G이고, 여기서 G는 사용자가 선택 가능한 유니터리 매트릭스 후보 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 피드백 제어 시스템.

Images