KR20080058698A - 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 안테나 선택 장치 및방법 - Google Patents

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KR20080058698A
KR20080058698A KR1020060132724A KR20060132724A KR20080058698A KR 20080058698 A KR20080058698 A KR 20080058698A KR 1020060132724 A KR1020060132724 A KR 1020060132724A KR 20060132724 A KR20060132724 A KR 20060132724A KR 20080058698 A KR20080058698 A KR 20080058698A
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Abstract

본 발명은 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에 관한 것으로서, 수신단의 안테나 선택 방법에 있어서, 수신한 신호를 이용하여 채널 상태를 추정하는 과정과, 추정된 채널 상태에 상응하게 그라스마니안(Grassmannian) 코드북으로부터 빔 가중치 벡터를 결정하는 과정과, 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 안테나 선택 정보를 결정하는 과정과, 상기 결정된 빔 가중치 벡터에 대응하는 코드 인덱스 및 상기 안테나 선택 정보를 송신단으로 피드백 하는 과정을 포함한다.
Figure P1020060132724
다중 입력 다중 출력, 그라스마니안, 안테나 선택, 빔 가중치 벡터

Description

다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 안테나 선택 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SELECTING ANTENNA IN MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택 정보를 이용하여 그라스마니안 빔포밍을 수행하는 송수신단 구조를 간략하게 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택에 의한 채널 행렬 선택을 도시한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택 기법을 이용한 그라스마니안 빔포밍을 위해 수신단의 동작 과정을 도시한 흐름도
본 발명은 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭함) 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 MIMO 통신 시스템에서 안테나 선택 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재의 무선 이동 통신 시스템은 고품질, 고속 및 대용량 데이터 전송의 멀 티미디어 서비스를 목표로 구현 또는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이러한 무선 이동 통신 시스템에 존재하는 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과는 달리 다중 경로 간섭(multipath interference)과, 쉐도잉(shadowing)과, 전파 감쇠와, 시변 잡음 및 간섭 등과 같은 여러 요인들로 인해 실제 송신 신호에서 왜곡된 신호를 수신하게 된다. 여기서, 상기 다중 경로 간섭에 의한 페이딩은 반사체나 사용자, 즉 사용자 단말기의 이동성에 밀접한 관련을 가지며, 실제 송신 신호와 간섭 신호가 혼재한 형태로 수신된다.
그래서, 상기 수신 신호는 실제 송신 신호에서 심한 왜곡을 겪은 형태가 되어 전체 이동 통신 시스템의 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다. 결과적으로 상기 페이딩 현상은 수신 신호의 크기(amplitude)와 위상(phase)을 왜곡시킬 수 있어, 무선 채널 환경에서 고속의 데이터 통신을 방해하는 주요 원인이다. 무선 통신 시스템에서 데이터를 고속으로 전송하기 위해서는 페이딩 현상과 같은 무선 이동 통신 채널의 특성에 따른 손실 및 사용자별 간섭을 최소화해야 한다. 이를 해결하고자 제안된 기술 중의 하나가 MIMO 기술이다.
MIMO-OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 통신 시스템은 다중 경로 페이딩 현상을 다중 사용자 환경까지 고려하여 제안되었다. MIMO-OFDMA 통신 시스템에서 하향링크 실시간 트래픽 전송을 위해 알려진 방식으로 개방 루프(open loop) 방식과 폐쇄 루프(closed loop) 방식이 있다. 상기 개방 루프 방식은 채널 상태 및 간섭 잡음 및 잡음 레벨 등을 고려하여 성능을 향상시킬 수 있는 한계성을 가진다. 상기 폐쇄 루프 방식은 열악한 채널 환경에서 강인 성(robustness)을 가진 신호 전송에 유용하다.
한편, 빔포밍(beamforming) 기반의 MIMO-OFDMA 통신 시스템은 열악한 상태의 채널에서 실시간 트래픽 전송 성능 개선을 위해 제안되어졌다. 하지만, 빔포밍 방식을 사용하기 위해 수신단이 송신단으로 과도한 양의 피드백 신호를 송신하여야 하며, 이는 자원 효율 성능을 저하시키는 문제점을 야기시킨다. 따라서, 신호 피드백 양을 감소시키면서도 자원 효율 성능을 개선시킬 수 있는 새로운 방안을 적용한 MIMO 통신 시스템이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 자원 효율 성능을 개선시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다,
본 발명의 다른 목적은 다중 입력 다중 출력 통신 시스템에서 피드백 신호량을 감소시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은; 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 수신단의 안테나 선택 방법에 있어서, 수신한 신호를 이용하여 채널 상태를 추정하는 과정과, 추정된 채널 상태에 상응하게 그라스마니안(Grassmannian) 코드북으로부터 빔 가중치 벡터를 결정하는 과정과, 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 안테나 선택 정보를 결정하는 과정과, 상기 결정된 빔 가중 치 벡터에 대응하는 코드 인덱스 및 상기 안테나 선택 정보를 송신단으로 피드백 하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2 방법은; 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 송신단의 신호 송신 방법에 있어서, 수신단으로부터 안테나 선택 정보 및 빔 가중치 벡터에 대응되는 코드 인덱스를 수신하는 과정과, 상기 안테나 선택 정보에 상응하게 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 송신 안테나를 결정하는 과정과, 상기 코드 인덱스에 대응되는 빔 가중치 벡터가 곱해진 신호를 상기 일부 송신 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제3 장치는; 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 수신단의 안테나 선택 장치에 있어서, 추정된 채널 상태에 상응하게 그라스마니안(Grassmannian) 코드북으로부터 빔 가중치 벡터를 결정하고, 상기 결정된 빔 가중치 벡터에 대응되는 코드 인덱스를 선택하는 코드 선택기와, 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 안테나 선택 정보를 결정하는 안테나 결정기를 포함한다.
상기한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제4 장치는; 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 송신단의 신호 송신 장치에 있어서, 수신단으로부터 수신한 안테나 선택 정보 상응하게 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 송신 안테 나를 결정하는 안테나 선택기와, 수신단으로부터 수신한 코드 인덱스에 대응되는 그라스마니안(Grassmannian) 빔 가중치 벡터와 송신 신호를 곱해 상기 일부 송신 안테나를 통해 송신하는 가중치 결정기를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 동작을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며 그 이외의 배경 기술은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략한다.
본 발명은 통신 시스템에서 안테나 선택 방안을 적용하여 그라스마니안(Grassmannian) 빔포밍(beamforming)을 수행하는 장치 및 방법을 제안한다. 한편, 본 발명은 모든 통신 시스템에 적용할 수 있으며, 특히 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭함) 기반의 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'라 칭함) 통신 시스템에 바람직하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택 정보를 이용하여 그라스마니안 빔포밍을 수행하는 송수신단 구조를 간략하게 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 먼저 송신단은 부호화기(102)와, 안테나 선택기(104)와, 가중치 결정기(106)와, 코드 선택기(108) 및 다수의 송신 안테나들(150, 152, 154 및 156)을 포함한다. 수신단은 수신 안테나들(158, 160), 안테나 결정기(110), 복호화기(112) 및 코드 선택기(114)를 포함한다.
전송하고자 하는 사용자 데이터 비트(user data bits) 및 제어 데이터 비트(control data bits)가 발생하면, 상기 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트는 부호화기(102)로 입력된다. 상기 부호화기(102)는 입력된 사용자 데이터 비트 및 제어 데이터 비트를 미리 설정되어 있는 설정 코딩(coding) 방식으로 코딩한 후 변조기(도시하지 않음)로 출력한다.
상기 변조기는 미리 설정되어 있는 변조 방식으로 신호를 변조한 후 안테나 선택기(104)로 출력한다. 상기 안테나 선택기(104)는 수신단으로부터 수신한 안테나 선택 정보가 존재하는지 판단한다. 만약, 수신한 안테나 선택 정보가 존재한다면, 상기 안테나 선택기(104)는 채널 상태가 양호한 일부의 송신 안테나들을 통해 신호가 송신될 수 있도록 송신 안테나를 선택한다.
상기 가중치 결정기(106)는 송신 안테나별 가중치(weight vector)를 결정한다. 상기 가중치는 상기 코드 선택기(108)로부터 입력받은 코드 인덱스(code index) 정보에 상응하게 결정된다. 상기 코드 인덱스 정보는 수신단으로부터 피드백 된 정보이다.
상기 송신단에서 일부의 송신 안테나들(150, 152, 156)을 통해 송신된 신호는 수신단의 수신 안테나들(158, 160)을 통해 수신단에서 수신한다. 이후 상기 안테나 결정기(110)는 송신단에서 신호 송신에 사용할 송신 안테나 결정을 위한 연산을 수행하고, 그 결과를 코드 선택기(114)로 송신한다. 상기 코드 선택기(114)는 코드 인덱스 정보를 송신단으로 피드백 한다. 한편, 복호화기(112)는 신호를 복호하고 복조기(도시하지 않음)를 통해 최종 신호가 출력된다.
그러면, 안테나를 결정하는 방안과 코드 인덱스 정보를 결정하는 방안에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 송수신단에서 미리 약속된 V개의 빔 가중치 벡터로 구성된 코드북(codebook)을 이용하는 그라스마니안 빔포밍을 이용한다. 수신단에서 코드북 세트 F를 이용하여 빔 가중치 벡터를 결정하는 방법은 하기 수학식 1을 이용한다.
Figure 112006095541622-PAT00001
상기 수학식 1에서 H는 채널 행렬 벡터를 의미한다. 수신단은 상기 수학식 1을 이용하여 결정된 빔 가중치 벡터를 선택하고 송신단으로 상기 벡터의 인덱스 값을 피드백 한다. V개의 벡터로 구성된 코드북으로부터 선택되는 빔 가중치 벡터를 사용함으로써 송신단으로 피드백 되는 비트 수는
Figure 112006095541622-PAT00002
의 값으로 일정하게 유지되게 된다.
하기 표 1내지 3은 송신 안테나 4개인 경우의 피드백 되는 정보량이 4비트, 송신 안테가 3개인 경우의 피드백 되는 정보량이 3비트, 송신 안테나가 2개인 경우의 피드백 되는 정보량이 2비트의 그라스마니안 코드북의 빔 가중치 벡터를 나타낸 표들이다.
Figure 112006095541622-PAT00003
Figure 112006095541622-PAT00004
Figure 112006095541622-PAT00005
한편, 서로 독립적인 채널 특성을 가지는 통신 시스템의 경우, 빔포밍 성능의 극대화에 거의 영향을 주지 못하는 특정 송신 안테나가 존재할 수 있다. 이로 인해 특정 송신 안테나를 위해 피드백 되는 빔 가중치 벡터 정보는 자원 낭비가 될 수 있다. 따라서 상기 특정 송신 안테나를 배제한, 즉 성능 열화를 최소화 하면서 피드백 정보량을 감소시킬 수 있는 그라스마니안 빔포밍 수행이 필요하다.
예컨대, M개의 송신 안테나들 중 선택된 L개의 송신 안테나만을 통해 빔포밍을 수행하는 경우, 최적 안테나 선택 기반의 채널 행렬인
Figure 112006095541622-PAT00006
는 하기 수학식 2를 이용하여 결정된다.
Figure 112006095541622-PAT00007
Figure 112006095541622-PAT00008
상기 수학식 2에서
Figure 112006095541622-PAT00009
와
Figure 112006095541622-PAT00010
는 s번째 안테나 선택에 상응하게 재선택된 채널 행렬 및 빔 가중치 벡터를 의미하며, 수학식 2 및 3에서 S는 안테나 선택 수를 의미한다. 본 발명에서는 그라스마니안 빔포밍을 이용하므로
Figure 112006095541622-PAT00011
는 그라스마니안 코드북을 구성하는 빔 가중치 벡터가 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택에 의한 채널 행렬 선택을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 송신 안테나의 개수는 4개, 수신 안테나의 개수는 2개이고, c번째 서브 캐리어에 해당하는 채널을 2
Figure 112006095541622-PAT00012
4 행렬로 나타낸 것이다. 여기서는 4개의 송신 안테나들 중 3개의 송신 안테나들을 통해 신호를 송신하는 것으로 가정한다. 이에 따라 송신 가능한 안테나 조합은 {1,2,3}, {1,2,4}, {1,3,4} 및 {2,3,4}가 될 수 있다.
상기 2
Figure 112006095541622-PAT00013
4 행렬에서 열(column)을 재구성하고, 재구성된 2
Figure 112006095541622-PAT00014
3 행렬을 그라스마니안 빔 가중치 벡터와 곱한 뒤 최대 2-norm 값을 가지는 조합이 송신 안테나 선택 정보로 결정된다. 즉, 상기 수학식 2에 의해 송신 안테나 선택 정보는 결정된다. 이러한 과정은 모든 사용자가 요구하는 데이터 레이트 Rk가 만족될 때까지 수행된다.
그러면, 도 2에서 최대 2-norm 값을 결정하는 과정에 대해 하기 수학식들을 이용하여 설명하기로 한다.
Figure 112006095541622-PAT00015
Figure 112006095541622-PAT00016
Figure 112006095541622-PAT00017
상기 수학식 4 내지 6은 변수 초기화를 정의한 수학식들이다. C는 서브 캐리어를, k는 사용자를 의미한다. 초기화 과정 이후의 반복 수행 과정은 하기 수학식들을 반복적으로 이용한다.
Figure 112006095541622-PAT00018
상기 수학식 7에서
Figure 112006095541622-PAT00019
은 초기에 1로 설정된다.
Figure 112006095541622-PAT00020
상기 수학식 8은 서브 캐리어에 B 비트만큼의 자원을 할당하는 것을 의미한다.
Figure 112006095541622-PAT00021
상기 수학식 9는 할당된 비트수를 누적하는 것을 의미한다.
Figure 112006095541622-PAT00022
상기 수학식 10은 비트 할당된 서브 캐리어를 제외시켜가면서, 모든 사용자의 데이터 레이트를 만족시킬 수 있도록 자원을 할당하는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 선택 기법을 이용한 그라스마니안 빔포밍을 위해 수신단의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 302단계에서 상기 수신단은 송신단으로부터 송신되는 신호를 수신하고 304단계로 진행한다. 상기 304단계에서 상기 수신단은 수신한 신호를 이용하여 하향링크 채널 상태를 추정하고 306단계로 진행한다. 상기 306단계에서 상기 수신단은 상기 수학식 1을 이용하여 채널 상태를 고려한 빔 가중치 벡터를 결정하고 308단계로 진행한다. 상기 308단계에서 상기 수신단은 다수의 안테나 조합들 중 최대 2-norm 값을 가지는 안테나 조합, 즉 안테나 선택 정보를 결정하고 310단계로 진행한다. 상기 310단계에서 상기 수신단은 상기 송신단으로 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information), 상기 결정된 빔 가중치 벡터에 대응되는 코드 인덱스를 피드백 한다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 다중 입력 다중 출력(MIMO) 방식을 사용하는 통신 시스템에서 안테나 선택 기법을 그라스마니안 빔포밍에 적용함으로써 피드백 정보량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 개방루프형 MIMO OFDMA 통신 시스템에 비해 열악한 채널 상태에서도 주파수 효율 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 존재한다.

Claims (10)

  1. 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 수신단의 안테나 선택 방법에 있어서,
    수신한 신호를 이용하여 채널 상태를 추정하는 과정과,
    추정된 채널 상태에 상응하게 그라스마니안(Grassmannian) 코드북으로부터 빔 가중치 벡터를 결정하는 과정과,
    전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 안테나 선택 정보를 결정하는 과정과,
    상기 결정된 빔 가중치 벡터에 대응하는 코드 인덱스 및 상기 안테나 선택 정보를 송신단으로 피드백 하는 과정을 포함하는 수신단의 안테나 선택 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 가중치 벡터는 하기 수학식을 이용하여 결정함을 특징으로 하는 수신단의 안테나 선택 방법.
    Figure 112006095541622-PAT00023
    상기 수학식에서 F는 코드북 세트의 개수를, H는 채널 행렬 벡터를 의미함.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 선택 정보는 하기 수학식을 이용하여 결정함을 특징으로 하는 수신단의 안테나 선택 방법.
    Figure 112006095541622-PAT00024
    상기 수학식에서
    Figure 112006095541622-PAT00025
    와
    Figure 112006095541622-PAT00026
    는 각각 c번째 서브 캐리어 s번째 안테나 선택에 상응하게 선택된 채널 행렬 및 빔 가중치 벡터를 의미하며, S는 안테나 선택 수를 의미하는 것으로 하기 수학식 형태로 나타낼 수 있음.
    Figure 112006095541622-PAT00027
    상기 수학식에서 M은 전체 송신 안테나의 개수를, L은 빔포밍을 수행시 실제 이용되는 일부 송신 안테나의 개수를 의미함.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신단은 추정된 채널 상태 정보를 송신단으로 피드백 하는 과정을 더 포함하는 수신단의 안테나 선택 방법.
  5. 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 송신단의 신호 송신 방법에 있어서,
    수신단으로부터 안테나 선택 정보 및 빔 가중치 벡터에 대응되는 코드 인덱스를 수신하는 과정과,
    상기 안테나 선택 정보에 상응하게 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 송신 안테나를 결정하는 과정과,
    상기 코드 인덱스에 대응되는 빔 가중치 벡터가 곱해진 신호를 상기 일부 송신 안테나를 통해 송신하는 과정을 포함하는 송신단의 신호 송신 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빔 가중치 벡터는 그라스마니안 코드북으로부터 선택함을 특징으로 하는 송신단의 신호 송신 방법.
  7. 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 수신단의 안테나 선택 장치에 있어서,
    추정된 채널 상태에 상응하게 그라스마니안(Grassmannian) 코드북으로부터 빔 가중치 벡터를 결정하고, 상기 결정된 빔 가중치 벡터에 대응되는 코드 인덱스 를 선택하는 코드 선택기와,
    전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 안테나 선택 정보를 결정하는 안테나 결정기를 포함하는 수신단의 안테나 선택 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 빔 가중치 벡터는 하기 수학식을 이용하여 결정함을 특징으로 하는 수신단의 안테나 선택 장치.
    Figure 112006095541622-PAT00028
    상기 수학식에서 F는 코드북 세트의 개수를, H는 채널 행렬 벡터를 의미함.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 안테나 선택 정보는 하기 수학식을 이용하여 결정함을 특징으로 하는 수신단의 안테나 선택 장치.
    Figure 112006095541622-PAT00029
    상기 수학식에서
    Figure 112006095541622-PAT00030
    와
    Figure 112006095541622-PAT00031
    는 각각 c번째 서브 캐리어 s번째 안테나 선 택에 상응하게 선택된 채널 행렬 및 빔 가중치 벡터를 의미하며, S는 안테나 선택 수를 의미하는 것으로 하기 수학식 형태로 나타낼 수 있음.
    Figure 112006095541622-PAT00032
    상기 수학식에서 M은 전체 송신 안테나의 개수를, L은 빔포밍을 수행시 실제 이용되는 일부 송신 안테나의 개수를 의미함.
  10. 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템에서, 송신단의 신호 송신 장치에 있어서,
    수신단으로부터 수신한 안테나 선택 정보 상응하게 전체 송신 안테나들 중 일부의 송신 안테나를 통해 신호가 송신될 수 있도록 송신 안테나를 결정하는 안테나 선택기와,
    수신단으로부터 수신한 코드 인덱스에 대응되는 그라스마니안(Grassmannian) 빔 가중치 벡터와 송신 신호를 곱해 상기 일부 송신 안테나를 통해 송신하는 가중치 결정기를 포함하는 송신단의 안테나 선택에 따른 신호 송신 장치.
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