KR20080073432A

KR20080073432A - 다중 안테나 시스템에서 간섭 제거 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20080073432A
Application number: KR1020070012049A
Authority: KR
Inventors: 이학주; 윤성렬; 박동식; 김재열
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-11

Abstract

본 발명은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 서비스를 제공할 사용자들의 채널 정보를 확인하는 과정과, 상기 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널에 대한 컨디셔널 번호(Conditional Number)를 높이기 위한 변환 행렬을 생성하는 과정과, 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위한 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 과정과, 상기 선부호 계수와 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들로 신호를 전송하는 과정을 포함하여, 단일 사용자 시스템에 적합한 채널 특성을 갖는 사용자들의 채널 특성을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하여 수신기의 추가적인 기능 없이 상기 사용자들 간의 간섭을 줄일 수 있는 이점이 있다.

다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템, 채널 이득, 변환 행렬, 간섭

Description

다중 안테나 시스템에서 간섭 제거 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR INTERFERENCE CANCELLATION IN MULTI-ANTENNA SYSTEM}

도 1은 일반적인 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템의 구성을 도시하는 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 공동 빔형성 알고리즘을 수행하기 위한 채널 이득 그래프를 도시하는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 블록구성을 도시하는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 기지국에서 계수 생성기의 상세 블록 구성을 도시하는 도면,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면,

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 채널 특성 변환 그래프를 도시하는 도면,

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 사용자의 채널 특성 변환 그래프를 도시하는 도면,

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 누적 밀도 함수 그래프를 도시하는 도면, 및

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 특성 변환 그래프를 도시하는 도면.

본 발명은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에 관한 것으로서, 상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 각 사용자들의 채널을 변환하여 상기 사용자들 간 간섭을 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

무선 이동통신 시장의 급성장으로 인하여 무선 환경에서 다양한 멀티미디어 서비스가 요구된다. 따라서 최근에는 상기 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(예 : MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 진행되고 있다.

상기 다중 안테나 시스템은 각각의 안테나별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 다중 안테나 시스템은 다이버시티(Diversity) 이득을 통해 시스템 성능을 향상시킬 수 있고, 다중화(Multiplexing) 이득을 통해 전송률을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 다중 안테 나 시스템은 다중 사용자를 지원하는 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템으로 확장할 수 있다.

상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 하기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 다중 안테나를 통해 확보한 공간자원을 동시에 여러 명의 사용자가 공유하여 주파수 효율을 더욱 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템의 구성을 도시하고 있다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이 상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 다수 개의 송신 안테나를 구비하는 송신 단(100)과 다수 개의 수신 안테나를 구비하는 다수의 수신 단들(110, 120, 130)을 포함하여 구성된다.

상기 송신 단(100)은 상기 송신 안테나들을 통해 확보한 공간 자원에 공간 다중화 방식을 적용하여 동시에 상기 수신 단들(110, 120, 130) 과 통신을 수행한다.

상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 상기 다중 사용자들 간 간섭으로 인하여 시스템 용량이 저하되는 것을 방지하기 위해 선부호(Precoding) 기법을 이용하여 상기 사용자들 간 간섭을 제거한다. 예를 들어, 상기 선부호화 기법으로 공동 빔형성 알고리즘(Coordinated Beamforming algorithm)이 있다.

하지만, 상기 사용자들의 채널 특성이 서로 다르기 때문에 상기 다중 안테나 시스템은 상기 선부호화 기법을 이용하여 상기 사용자들 간의 간섭을 완전히 제거할 수 없다. 즉, 상기 사용자들이 모두 다중 사용자 환경에 적합한 채널 특성을 가 지면 상기 다중 안테나 시스템은 상기 선부호 기법을 이용하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거할 수 있다. 하지만, 상기 사용자들 중 단일 사용자 환경에 유리한 채널 특성을 갖는 경우, 상기 다중 안테나 시스템은 상기 선부호 기법을 이용하여도 상기 사용자들 간의 간섭에 의해 채널 용량이 감소하는 문제점이 발생한다.

예를 들어, 상기 송신 단에서 두 명의 사용자에게 서비스를 제공할 때, 제 2 사용자의 채널 특성이 단일 사용자 환경에 적합한 경우, 상기 다중 안테나 시스템은 상기 선부호 기법을 이용하여도 간섭에 의한 채널 용량이 감소하는 문제가 발생한다.

도 2는 종래 기술에 따른 공동 빔형성 알고리즘을 수행하기 위한 채널 이득 그래프를 도시하고 있다. 이하 설명에서 송신 단은 2개의 송신 안테나를 구비하고, 수신 단은 각각 2개의 수신 안테나를 구비하는 것을 예를 들어 설명한다. 따라서, 각각의 사용자들의 2×2의 채널 행렬을 갖는다. 또한, 상기 도 2는 각 사용자들의 채널 이득을 도시하므로 가로축은 실수(Real) 값을 나타내고, 세로축은 허수(imaginary) 값을 나타낸다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이 상기 사용자들은 각각 두 개의 고유벡터(Eigen vector)와 두 개의 고유 값(Eigen vlaue)으로 표현된다. 즉, 제 1 사용자는 제 1 고유 벡터(201)와 제 2 고유 벡터(203)로 표현되고, 제 2 사용자는 제 1 고유 벡터(211)와 제 2 고유 벡터(213)로 표현된다. 여기서, 상기 고유 벡터는 빔의 방향을 나타내고, 상기 고유값은 상기 고유 벡터의 크기를 나타낸다.

이때, 상기 제 1 사용자는 파란색 점선(207)으로 표시된 채널 이득을 갖고, 상기 제 2 사용자는 빨간색 점선(217)으로 표시된 채널 이득을 갖는다. 여기서, 상기 제 1 사용자는 채널 이득이 작은 부분이 존재하므로 다중 사용자 시스템에 적합하다. 하지만, 상기 제 2 사용자는 전 구간에 걸쳐 고른 채널 이득을 가지므로 단일 사용자 시스템에 적합하다.

상술한 바와 같은 채널이득을 갖는 사용자들로 동시에 서비스를 제공하기 위해 상기 다중 안테나 시스템에서 공동 빔형성 알고리즘을 사용하는 경우, 상기 송신 단은 상기 시스템의 성능이 최대가 되도록 상기 제 1 사용자와 제 2 사용자의 전송 필터(205, 215)를 결정한다.

이때, 상기 제 2 사용자의 전송 필터(215)는 상기 제 1 사용자의 채널 이득(207)과 겹치는 부분이 적기 때문에 간섭의 영향이 거의 없다. 하지만, 상기 제 1 사용자의 전송 필터(205)는 상기 제 2 사용자의 채널 이득(217)과 많은 부분이 겹치므로 상기 제 2 사용자로부터 큰 간섭의 영향을 받는다.

상술한 바와 같이 상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위해 선부호 기법을 사용한다. 하지만, 상기 사용자들의 채널특성이 단일 사용자 시스템에 적합한 경우, 상기 다중 안테나 시스템에서 선부호 기법을 이용하여도 상기 사용자들 간의 간섭에 의해 채널 용량이 감소하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 사용 자들 간의 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 자신의 신호 세기를 유지하면서 다른 사용자에게 미치는 간섭의 크기를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 사용자들의 채널 특성을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 수신 단 구성의 변화없이, 상기 송신 단의 전처리를 통해 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면,다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 방법은, 서비스를 제공할 사용자들의 채널 정보를 확인하는 과정과, 상기 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 다중 안테나 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 변환 행렬을 생성하는 과정과, 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위한 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 과정과, 상기 선부호 계수와 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들로 신호를 전송하는 과정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 장치는, 적어도 하나의 송신 안테나들과, 서비스를 제공할 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 변환 행렬과 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 계수 생성기와, 상기 선부호 계수를 이용하여 상기 사용자별로 전송할 신호들의 선부호화를 수행하는 선부호화기와, 선부호화된 신호에 대한 사용자별 채널을 상기 변환 행렬로 변환하여 상기 안테나들을 통해 전송하는 채널 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 상기 사용자들의 채널 특성을 변형하여 상기 사용자들 간의 간섭을 줄이기 위한 기술에 대해 설명한다. 다시 말해 상기 다중 안테나 시스템에서 사용자의 채널에 대한 컨디셔널 번호(Conditional Number)를 크게하여 상기 사용자들의 채널 특성을 다중 사용자 시스템에 맞게 변형하여 다른 사용자에게 미치는 간섭의 크기를 줄이기 위한 기술에 대해 설명한다.

이하 설명에서 상기 다중 안테나 시스템은 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위해 공용 빔형성 알고리즘(Coordinated Beamforming algorithm)을 사용하는 것을 예를 들어 설명하지만, 다른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 기법에도 동일하게 적용할 수 있다.

또한, 이하 설명에서 상기 다중 안테나 시스템은 두 개의 송신 안테나를 구비하는 기지국에서 두 개의 수신 안테나를 구비하는 두 사용자로 서비스를 제공하는 것을 예를 들어 설명한다. 이때, 상기 다중 안테나 시스템에서 상기 송수신 안테나의 개수나 사용자의 수를 확장하여도 동일하게 적용할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 블록구성을 도시하고 있다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이 상기 기지국은 부호기(300), 변조기(310), 공간 다중 필터(320), 채널 변환기(330), 덧셈기(340) 및 계수 생성기(350), 채널 추정기(360)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 부호기(300), 변조기(310), 공간 다중 필터(320), 채널 변환기(330)는 서비스를 제공할 사용자에 따라 각각 존재한다. 이때, 상기 모듈들은 각각의 사용자별로 동일하게 동작한다.

먼저 상기 부호기(300)는 각각의 사용자로 전송할 데이터를 해당 변조 수준(예 : MCS(Modulation And Coding Scheme)레벨)에 따라 부호화하여 출력한다.

상기 변조기(310)는 상기 부호기(300)로부터 제공받은 신호를 상기 변조 수준에 따라 변조하여 출력한다.

상기 공간 다중 필터(320)는 상기 계수 생성기(350)에서 생성된 전송 필터에 따라 상기 변조기(310)로부터 제공받은 신호를 필터링하여 출력한다. 즉, 상기 공간 다중 필터(320)는 상기 전송 필터를 이용한 필터링을 통해 상기 다중 사용자 간 의 간섭을 제거하기 위한 선부호(Precoding) 기능을 수행한다.

상기 채널 변환기(330)는 상기 계수 생성기(350)로부터 제공받은 변환 행렬에 따라 상기 공간 다중 필터(320)로부터 제공받은 신호에서 각 사용자들의 채널 특성을 변환하여 출력한다. 즉, 상기 채널 변환기(330)는 상기 변환 행렬을 이용하여 각 사용자들의 채널 특성을 다중 사용자 시스템에 맞게 변환한다. 여기서, 상기 채널 변환기(330)는 상기 변환 행렬에 의해 하기 도 6에 도시된 바와 같이 상기 사용자들이 채널 특성을 변환한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 채널 특성 변환 그래프를 도시하고 있다.

상기 도 6에 도시된 바와 같이 상기 채널 변환기(330)는 상기 공간 다중 필터(320)로부터 제공받은 신호의 고유 벡터를 상기 변환행렬에 의해 회전시켜 상기 채널의 컨디셔널 번호(Conditional Number)가 커지도록 채널 특성을 변환시킨다.

즉, 상기 채널 변환기(330)는 상기 변환행렬에 따라 제 1 고유 벡터(601)를 기준으로 제 2 고유 벡터(603)를 회전시켜 상기 채널의 컨디셔널 번호가 커지도록 한다. 여기서, 상기 컨디셔널 번호는 상기 고유 값의 최대값과 최소값의 비를 나타낸다. 따라서, 상기 컨디셔널 번호가 1에 가까울수록 상기 도 2의 제 2 사용자와 같이 단일 사용자 시스템에 적합한 채널 특성을 나타낸다. 반면에, 상기 컨디셔널 번호가 클수록 상기 채널 특성은 다중 사용자 시스템에 적합하게 나타난다.

이때, 상기 채널 변환기(330)는 하기 <수학식 1>과 같이 상기 사용자의 채널 특성을 변환시킨다.

여기서, 상기 P는 상기 변환 행렬을 나타내고, 상기

는 상기 사용자의 채널 특성을 나타내며, 상기

는 상기 변환 행렬에 의해 변환된 상기 사용자의 채널 특성을 나타낸다. 또한, 상기 λ_i는 i번째 고유 값을 나타내고, 상기

는 i번째 고유 벡터는 나타내며, 상기 λ_i ^t는 상기 변환행렬에 의해 변환된 i번째 고유 값을 나타내고, 상기

는 상기 변환행렬에 의해 변환된 i번째 고유 벡터를 나타낸다. 여기서, 상기 λ_i와 λ_i ^t는 동일하다.

상기 <수학식 1>과 같이 상기 채널 변환기(330)는 상기 제 1 고유 벡터(601)를 기준으로 상기 제 2 고유 벡터(603)를 변화시켜 상기 채널 특성을 변환시킨다.

상기 덧셈기(340)는 상기 채널 변환기(330)로부터 제공받은 신호를 합하여 각각의 안테나를 통해 각각의 사용자로 출력한다.

상기 채널 추정기(360)는 상기 사용자들의 채널 정보를 추정하여 상기 계수 생성기(350)로 상기 채널 정보를 전송한다. 예를 들어, 상기 채널 추정기(360)는 상기 기지국의 서비스 영역에 포함되는 사용자들로부터 피드백되는 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 추정한다. 이때, 미 도시되었지만, 상기 기지국은 스케줄러를 포함하여 상기 서비스 영역에 포함되는 사용자들의 채널 정보를 이용하 여 서비스를 제공한 사용자들을 선택한다.

상기 계수 생성기(350)는 상기 채널 추정기(360)로부터 제공받은 각 사용자들의 채널정보를 이용하여 상기 채널 변환기(330)의 변환 행렬을 생성한다. 이후, 상기 계수 생성기(350)는 상기 변환행렬에 따라 변환될 각 사용자들의 채널을 추정하여 상기 공간 다중 필터(320)의 전송 필터를 생성한다. 이때, 상기 계수 생성기(350)는 각각의 사용자별로 상기 변환행렬과 전송 필터를 생성한다. 여기서, 상기 계수 생성기(350)는 하기 <수학식 2>와 같이 정의되는 변환행렬을 생성한다.

여기서, 상기 P_i는 i번째 사용자의 변환 행렬을 나타내고, 상기 p_i는 i번째 수신 안테나에 대한 벡터를 나타낸다. 또한, 상기 v_i는 상기 사용자의 i번째 고유 벡터로 빔 방향을 나타내고, 상기 v_i ^t는 상기 P에 의해 변환한 i번째 고유 벡터를 나타낸다.

상기 <수학식 2>에 나타난 바와 같이 상기 사용자의 채널이 H_i인 경우, H_i ^HH_i에 대해 두 개의 고유 값(λ₁,λ₂)과 두 개의 고유 벡터(v₁,v₂)를 갖는다. 이때, 상 기 고유 벡터들은 서로 직교하며 크기는 1이다. 또한, 상기 변환 행렬의 벡터들도 크기가 1이다. 즉, 상기 변환 행렬은 상기 사용자의 채널 특성을 변형할 때, 상기 채널의 크기가 변하지 않도록 각각의 벡터들의 크기를 1로 한다. 여기서, 상기 고유 벡터는 빔의 방향을 나타내고, 상기 고유 값은 상기 고유 벡터의 크기를 나타낸다.

상술한 바와 같은 특성을 갖는 변환 행렬을 생성하기 위한 상기 계수 생성기(350)는 하기 도 4에 도시된 바와 같이 구성된다.

도 4는 본 발명에 따른 기지국에서 계수 생성기의 상세 블록 구성을 도시하고 있다.

상기 도 4에 도시된 바와 같이 상기 계수 생성기(350)는 거리 산출기(400), 변환행렬 산출기(410), 공간 다중 계수 산출기(420)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 변환행렬 산출기(410)는 각 사용자들의 채널에 대한 컨디셔널 번호가 커지도록 상기 채널특성을 변환하기 위한 변환 행렬을 산출한다.

만일, 상기 채널 변환기(330)에서 상기 변환 행렬을 이용하여 채널 특성을 변환하기 위해 제 2 고유 벡터를 회전할 때, 상기 제 1 고유 벡터와 제 2 고유 벡터가 너무 근접하면 싱귤라(Singular) 문제가 발생한다. 여기서, 상기 싱귤라 문제는 상기 두 벡터가 근접한 상태에서 영 강압(Zero-Forcing) 복호기와 같은 간단한 수신 동작을 수행하는 경우, 잡음신호가 증폭되어 전송 신호의 성좌점이 변형되는 문제점이 발생한다.

따라서, 상기 변환행렬 산출기(410)는 상기 거리 산출기(400)로부터 제공되 는 상기 두 벡터의 독립성이 보장되는 거리 정보에 따라 상기 변환 행렬을 산출한다. 예를 들어, 상기 변환행렬 산출기(410)는 상기 채널 변환기(330)에서 하기 도 7에 도시된 바와 같이 채널 특성을 변환할 수 있도록 상기 거리 산출기(400)로부터 제공받은 거리 정보(r)에 따라 상기 변환 행렬을 산출한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 사용자의 채널 특성 변환 그래프를 도시하고 있다.

상기 도 7에 도시된 바와 같이 상기 변환행렬 산출기(410)는 상기 거리 산출기(400)로부터 제공받은 거리 정보를 이용하여 상기 사용자의 고유벡터들의 독립성이 보장되도록 상기 제 2 고유 벡터를 회전하기 위한 변환 행렬을 산출한다. 여기서, 상기 변환된 제 2 고유 벡터는 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기

는 상기 회전된 제 2 고유 벡터를 나타내고, 상기

는 i번째 고유 벡터를 나타내며, 상기 x,y는 상기 고유 벡터를 변환시키기 위한 계수를 나타낸다. 또한, 상기 λ_i는 i번째 고유 값을 나타낸다.

상기 <수학식 3>에 의해서 상기 변환행렬 산출기(410)는 하기 <수학식 4>와 같은 변환 행렬을 산출한다.

여기서, 상기 P는 상기 변환 행렬을 나타내고, 상기

상기 거리 산출기(400)는 상기 채널 추정기(360)로부터 제공받은 각 사용자들이 채널 정보를 이용하여 상기 두 고유 벡터가 독립성을 유지할 수 있는 거리를 산출한다. 여기서, 상기 거리는 상기 각각의 수신단에서 신호대 간섭 및 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio)의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 거리 산출기(400)는 하기 <수학식 5>를 이용하여 상기 거리를 산출할 수 있다.

여기서, 상기 r은 상기 거리를 나타내고, 상기 H는 상기 사용자의 채널을 나타낸다. 상기 m는 m번째 전송 스트림을 나타낸다.

상기 <수학식 5>와 같이 상기 r은 상기 다중 안테나 채널의 각 전송 스트림 중 채널 상태가 가장 나쁜 채널의 잡음 증폭율을 나타낸다. 즉, 상기 거리 산출기(400)는 상기 사용자로 전송을 위한 최소한의 조건을 만족시키도록 상기 두 고유 벡터 간의 거리를 산출한다.

상기 공간 다중 계수 산출기(420)는 상기 변환 행렬 산출기(410)에서 생성된 변환 행렬로 상기 각 사용자들의 채널 특성을 변환한 후, 상기 변화된 채널 특성에 따라 상기 공간다중 필터(320)의 전송 필터를 산출한다.

이하 설명은 상술한 바와 같이 구성되는 기지국에서 상기 각 사용자들의 채널 특성을 변환하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위한 방법에 대해 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.

상기 도 5를 참조하면, 먼저 상기 기지국은 501단계에서 서비스 영역에 포함 되는 사용자들의 채널을 추정한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 서비스 영역에 포함되는 사용자들로부터 수신되는 피드백 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 추정한다.

상기 사용자들의 채널을 추정한 후, 상기 기지국은 503단계로 진행하여 상기 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들 중 서비스를 제공할 사용자들을 선택한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 서비스 영역에 포함되는 사용자들 중 채널 상태가 좋은 K명의 사용자들을 선택한다.

이후, 상기 기지국은 505단계로 진행하여 상기 선택된 사용자들 중 k번째 사용자의 채널 정보를 이용하여 변환 행렬을 산출한다. 즉, 상기 기지국은 상기 <수학식 5>를 이용하여 산출된 거리 정보를 이용하여 상기 <수학식 4>와 같이 상기 k번째 사용자의 변환 행렬을 산출한다. 여기서, 상기 k는 상기 선택된 사용자들의 인덱스로 초기값으로 1을 갖는다.

상기 k번째 사용자의 변환행렬을 산출한 후, 상기 기지국은 507단계로 진행하여 상기 변환행렬을 이용하여 상기 k번째 사용자의 채널 특성을 변환한다.

이후, 상기 기지국은 509단계로 진행하여 상기 선택된 사용자들의 변환행렬을 모두 생성하였는지 확인하기 위해 상기 사용자 인덱스인 k와 상기 선택된 사용자 수(K)를 비교한다.

만일, 상기 k가 선택된 사용자 수보다 작은 경우(k < 전체 사용자), 상기 기지국은 515단계로 진행하여 상기 k를 한 단계 증가시킨다(k=k+1). 이후, 상기 기지국은 상기 405단계로 진행하여 상기 k번째 사용자의 변환 행렬을 산출한다.

한편, 상기 k가 선택된 사용자 수와 동일한 경우(k = 전체 사용자), 상기 기지국은 511단계로 진행하여 상기 선택된 사용자들의 변환된 채널 정보를 이용하여 선부호 계수를 생성한다. 예를 들어, 상기 기지국에서 공용 빔형성 알고리즘을 사용하는 경우, 상기 기지국은 상기 변환된 채널 정보를 이용하여 공간 다중 필터링을 위한 전송 필터를 생성한다.

상기 선부호 계수를 생성한 후, 상기 기지국은 513단계로 진행하여 상기 선부호 계수로 상기 전송 신호를 선부호화한 후, 상기 변환 행렬로 상기 선부호화된 신호의 채널 특성을 변환하여 상기 선택된 사용자들로 출력한다.

이후, 상기 기지국은 본 알고리즘을 종료한다.

이하 설명은 상술한 바와 같이 상기 사용자들이 채널을 컨디셔널 번호가 커지도록 채널 특성을 변환하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하는 경우 성능 변화에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 누적 밀도 함수 그래프를 도시하고 있다. 이하 설명에서 가로축은 컨디셔널 번호의 크기를 나타내고, 세로축은 누적 밀도를 나타낸다.

상기 도 8을 참조하면, 상기 도 8의 (a)는 채널 상관이 없는 i.i.d(Independent and identically distributed) 채널의 컨디셔널 번호에 대한 누적 밀도 함수(Cumulative Density Function)를 나타낸다. 또한, 상기 도 8의(b)는 본 발명에 따라 변환 함수를 생성하여 채널 특성을 변환한 경우 상기 컨디셔널 번 호에 대한 누적 밀도 함수를 나타낸다.

상기 i.i.d 채널은 상기 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 60 이상의 컨디셔널 번호를 가질 확률이 약 10퍼센트가 된다. 반면에 상기 본 발명에 따른 채널은 상기 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 10000이상의 컨디셔널 번호를 가질 확률이 약 30퍼센트가 된다.

즉, 상기 컨디셔널 번호가 클수록 사용자의 채널이 상기 도 2의 제 1 사용자의 채널과 같이 상기 다중 사용자 환경에 적합하므로 본 발명과 같이 변환 행렬을 이용하여 사용자들의 채널 특성을 변환하면 상기 사용자들 간의 간섭을 줄일 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 채널 특성 변환 그래프를 도시하고 있다. 이하 설명에서 가로축은 고유 벡터의 크기(Eigen value)를 나타내고, 세로축은 누적 밀도를 나타낸다. 또한, 빨간색 그래프는 본 발명에 따라 변환 행렬을 이용하여 채널 특성을 변환한 경우의 채널 이득을 나타내고, 파란색 그래프는 채널 특성을 변환하지 않을 경우의 채널 이득을 나타낸다.

상기 도 9를 참조하면, 상기 도 9의 (a)는 상기 다중 안테나 시스템에서 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 방식을 사용하는 경우 채널 이득을 나타낸다. 또한, 상기 도 9의 (b)는 상기 다중 안테나 시스템에서 다이버시티(Diversity) 방식을 사용하는 경우 채널 이득을 나타낸다.

상기 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 공간 다중화 방식을 사용하는 다중 안 테나 시스템에서 상기 본 발명과 같이 사용자들의 채널에 대한 컨디셔널 번호를 높이기 위해 채널 특성을 변경하여도 각 사용자별로 채널 이득의 변화가 없다.

상기 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 다이버시티 방식을 사용하는 다중 안테나 시스템에서 상기 본 발명과 같이 사용자들의 채널에 대한 컨디셔널 번호를 높이기 위해 채널 특성을 변경하여도 각 사용자별로 채널 이득의 변화가 없다.

즉, 상기 도 9의 (a)와 (b)는 본 발명과 같이 변환 행렬에 의해 상기 사용자들의 채널 특성을 변환하여도 각각의 사용자에 대한 채널 이득은 변환 이전과 동일함을 나타낸다. 따라서, 각각의 사용자들은 단일 사용자 측면에서 채널 이득의 변화가 없으므로 각각의 사용자는 수신기의 부가적인 동작없이 상기 기지국과 통신을 수행할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 서비스를 제공하기 위한 사용자들의 채널 특성을 변환하여 컨디셔널 번호(Conditional Number) 를 높임으로써, 단일 사용자 시스템에 적합한 채널 특성을 갖는 사용자들의 채널 특성을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하여 수신기의 추가적인 기능 없이 상기 사용자들 간의 간섭을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Claims

다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 방법에 있어서.

서비스를 제공할 사용자들의 채널 정보를 확인하는 과정과,

상기 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 변환 행렬을 생성하는 과정과,

상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들 간의 간섭을 제거하기 위한 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 과정과,

상기 선부호 계수와 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 사용자들로 신호를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 채널 정보를 확인하는 과정은,

서비스 영역에 포함되는 사용자들의 채널을 추정하는 과정과,

상기 채널 추정정보를 이용하여 상기 서비스를 제공할 사용자들을 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 변환행렬을 생성하는 과정은,

상기 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널에 대한 컨디셔널 번호(Conditional Number)를 높이기 위한 변환행렬을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 변환 행렬을 생성하는 과정은,

각 사용자별로 포함하는 고유벡터(Eigen vector)들이 서로 독립성을 유지할 수 있는 거리 정보를 확인하는 과정과,

상기 거리 정보에 따라 상기 고유벡터들을 회전시키기 위한 변환 행렬을 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 변환 행렬은, 상기 사용자들에 포함되는 고유 벡터들 중 하나의 고유 벡터를 기준으로 설정하고, 다른 고유 벡터들을 상기 거리 정보까지 회전시키는 행렬인 것을 특징으로 하는 방법.
제 4항에 있어서,

상기 거리 정보는, 상기 사용자들의 채널에 대한 신호대 간섭 및 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio)를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 변환 행렬은, 송신 단과 수신 단이 각각 두 개의 안테나를 구비하는 경우, 하기 수학식 6과 같은 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 상기 P는 상기 변환 행렬, 상기
는 i번째 고유 벡터, 상기
는 변환된 i번째 고유 벡터, 상기 x,y는 상기 고유 벡터를 변환시키기 위한 계수, 상기 λ_i는 i번째 고유값을 나타냄.
제 1항에 있어서,

상기 선부호 계수를 생성하는 과정과,

상기 변환 행렬을 이용하여 변환되는 채널을 추정하는 과정과

상기 변환되는 채널 정보를 이용하여 상기 선부호 계수를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 사용자들로 신호를 전송하는 과정은,

상기 선부호 계수를 이용하여 상기 사용자들로 전송할 신호들을 선부호화하는 과정과,

각 사용자별로 상기 변환 행렬을 이용하여 상기 선부호화된 신호들의 채널 특성을 변환하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 간섭을 제거하기 위한 장치에 있어서,

적어도 하나의 송신 안테나들과,

서비스를 제공할 사용자들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 다중 안테나 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 변환 행렬과 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 계수 생성기와,

상기 선부호 계수를 이용하여 상기 사용자별로 전송할 신호들의 선부호화를 수행하는 선부호화기와,

선부호화된 신호에 대한 사용자별 채널을 상기 변환 행렬로 변환하여 상기 안테나들을 통해 전송하는 채널 변환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,

서비스 영역에 포함되는 사용자들의 채널을 추정하는 채널 추정기와,

상기 추정된 채널 정보를 이용하여 서비스를 제공할 사용자를 선택하는 스케줄러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,

상기 계수생성기는,

상기 사용자들의 채널의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널을 다중 사용자 시스템에 적합하도록 변환하기 위한 변환 행렬을 생성하는 변환 행렬 생성기와,

상기 변환 행렬을 이용하여 선부호(Precoding) 계수를 생성하는 선부호 계수 생성기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12항에 있어서,

상기 변환행렬 생성기는, 상기 사용자들의 채널의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자들의 채널의 컨디셔널 번호(Conditional Number)를 높이기 위한 변환 행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12항에 있어서,

상기 변환행렬 생성기는, 하나의 고유 벡터를 기준 벡터로 설정한 후 다른 고유 벡터들을 회전시켜 상기 컨디셔널 번호를 높이기 위한 변환행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12항에 있어서,

상기 변환행렬 생성기는,

각 사용자별로 포함하는 고유벡터(Eigen vector)들이 서로 독립성을 유지할 수 있는 거리 정보를 산출하는 거리 산출기와,

상기 거리 정보에 따라 상기 고유벡터들을 회전시키기 위한 변환 행렬을 산출하는 변환행렬 산출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 15항에 있어서,

상기 거리 산출기는, 상기 사용자들의 채널에 대한 신호대 간섭 및 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio)를 이용하여 상기 거리 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 12항에 있어서,

상기 선부호 계수 생성기는,

상기 변환 행렬을 이용하여 변환되는 채널을 추정하여 상기 선부호 계수를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,

상기 변환행렬 생성기는, 송신 단과 수신 단이 각각 두 개의 안테나를 구비하는 경우, 하기 수학식 7과 같은 변환행렬을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.

여기서, 상기 P는 상기 변환 행렬, 상기
는 i번째 고유 벡터, 상기
는 변환된 i번째 고유 벡터, 상기 x,y는 상기 고유 벡터를 변환시키기 위한 계수, 상기 λ_i는 i번째 고유 값을 나타냄.