KR20080081698A

KR20080081698A - 통신시스템에서 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20080081698A
Application number: KR1020070022102A
Authority: KR
Inventors: 김유석; 황인수; 정영호; 조면균; 김형명; 강태성; 안우근; 김대현
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-09-10
Also published as: KR101002877B1; US20080219194A1; US8068471B2

Abstract

본 발명은, 다중 안테나를 사용하는 통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 방법에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 수신한 부분 채널 정보에 따라 사용자 단말들을 그룹핑하는 과정과, 상기 다수의 사용자 수와 상기 다수의 사용자들의 평균 SNR에 따라 멀티플랙싱 전송을 위한 최적의 사용자 단말들의 수를 결정하는 과정과, 상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔들을 선택하는 과정을 포함한다. 본 발명은 동시전송 사용자단말의 수에 따른 멀티플렉싱 이득과 간섭량의 트레이드 오프 관계를 최적화하여 성능 이득이 커지는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 동시 전송 사용자 단말의 수가 송신 안테나 수보다 작을 경우, 생성 가능한 송신 빔들 중 최적의 송신 빔들을 선택하여 서브 셋(subset)을 생성함으로써, 선택 다이버시티(selection diversity) 이득을 통해서 송신 안테나수가 증가되어도 처리량이 증가되는 효과가 있다.

MIMO, Antenna scheduling, random beam, antenna subse

Description

통신시스템에서 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치{A method and Apparatus for scheduling Multiple Users In communication}

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 통신시스템의 구성의 일예를 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 사용자 단말과 기지국 구성도.

도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 상세 구성도.

도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 동작 흐름도.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 표 2에서 나타낸 SNR과 사용자 수가 변화할 때 처리량 비교결과를 보여주는 그래프.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 표 3에 따라 사용자 수와 SNR의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 평균 SNR 대 처리량을 나타내는 그래프.

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프.

본 발명은 통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 송수신 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기반의 통신시스템에서 부분적인 채널 정보를 이용하여 다수의 사용자 단말을 스케쥴링하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

기지국의 송신안테나 수가 M개이고, 수신 안테나 수가 N개이고, 사용자 수 K개인 MIMO 통신시스템에서, 상기 K가 1인, 즉 단일 사용자가 존재할 경우 송신 안테나와 수신 안테나와의 멀티플렉싱(multiplexing) 이득은 상기 M과 N 중 최소값(min(M,N))에 비례한다.

반면, 상기 K가 2이상인 즉, 다중 사용자가 존재하면, 송신 안테나들과 멀티플렉싱되는 사용자들(이하, '다중 사용자(multi user)'라 칭한다.)간의 간섭(multiuser interference)이 발생한다. 따라서, 멀티플렉싱 이득은 상기 M과 상기 K의 최소값(min(M,K))에 비례한다. 그러므로, 상기 다중 사용자 간의 간섭을 제거하면서 멀티플렉싱을 하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다.

도 1은 종래 기술에 따른 MIMO 통신시스템의 구성의 일예를 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 기지국(100)은 4개의 송신 안테나들(102 ~108)을 구비하고, 사용자 단말1(110)내지 사용자 단말4(116)는 각각 1개의 수신안테나를 구비한 경우를 예로 들어 설명하지만 다양한 송수신 안테나의 수들을 구비한 통신시스템에서 다양하게 적용 가능하다.

일예로, 상기 송신 안테나(102)는 상기 사용자 단말1(110)과 1개의 멀티플렉싱 채널(channel)이 설정되지만, 나머지 사용자 단말2(112) 내지 단말4(116)과의 간섭 채널이 발생한다. 마찬가지로 상기 송신 안테나들(102~108) 각각은 하나의 사용자 단말과 1개의 멀티플렉싱 채널이 설정되지만, 실제 멀티플렉싱 채널이 설정된 사용자 단말을 제외한 나머지 3개의 사용자 단말들과의 간섭 채널이 발생한다.

상기 도 1과 같은 MIMO 통신 시스템에서 기지국과 사용자 단말간의 간섭을 제거하기 위해서 제안된 DPC(Dirty paper coding) 방법은, 모든 사용자들의 안테나 채널 정보(antenna channel information)들을 통해서 상기 다중 사용자 간의 간섭을 제거하면서 최적으로 멀티플렉싱한다. 그러나, 상기 DPC 방법은 모든 사용자의 안테나 채널 정보를 알고 있어야 하기 때문에, 실제 시스템에서는 적용되기 힘든 문제점이 있었다.

상기 DPC 방법의 문제점을 보완하기 위해서 제안된 PCSI(Partial Channel State Information, 이하, 'PCSI' 라 칭한다)를 이용한 랜덤 빔형성(random beamforming) 방식은 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio 과 같은 PCSI만을 이용하여 다수의 사용자들 가운데 SINR이 큰 사용자들을 선택하여 전송함으로써 사용자 수가 많을 경우 멀티플렉싱 시 상기 DPC 방법에 가까운 성능을 낸다. 이때, 상기 PCSI로는 최대 SINR을 가지는 채널 정보와 최적의 프리코딩 벡터 인덱스(best precoding vector index) 등이 포함된다.

상기 PCSI 방식은 송신 안테나 수와 같은 수의 다수의 랜덤 프리코딩 벡터를 사용한다. 기지국의 송신신호는 프리코딩신호에 곱해진 후 채널을 통해서 단말에 전송 되고 각 단말은 수신 채널을 측정하고 SINR을 계산해서 SINR이 가장 큰 프리코딩 벡터(vector)의 인덱스(index)와 상기 프리코딩 벡터에 따른 SINR 값을 기지국으로 피드백(feedback)한다. 이후, 상기 피드백을 통해서 기지국은 각 프리코딩 벡터 별로 가장 높은 SINR을 가지는 사용자 단말을 선택해서 멀티플렉싱한다. 이 경우, 사용자 수가 충분히 많으면, 동시 전송 사용자 수가 송신 안테나 수와 같기 때문에 멀티플렉싱 이득(throughput)이 상기 단말의 송신 안테나 수에 비례하는 장점이 있다. 그러나 송신안테나 수에 비례하는 멀티플렉싱 이득을 얻기 위해 필요한 사용자 단말의 수는 송신 안테나 수에 기하급수적으로 증가하기 때문에, 실제 환경에서 사용자 단말의 수가 제한되어 있을 때는 동시 전송 사용자 수가 송신 안테나 수와 같기 때문에 사용자간 간섭을 피할 수 있는 사용자 단말을 찾기 어려워지므로 동시전송 사용자 수가 증가할수록 간섭량 증가에 의한 효과가 커져서 처리량이 거의 증가하지 않거나 오히려 감소할 수도 있는 문제점이 있었다.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 통신 시스템에서 송신 안테나들과 다중 사용자 단말 간 멀티플렉싱할 때, 사용자 수와 평균 SNR값에 따라 동시 사용자 수를 적응적으로 결정하여, 선택 다이버시티와 멀티플렉싱이 최대화될 수 있는 다중 사용자 스케쥴링 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 동시 전송 사용자 단말 수가 송신 안테나 수보다 적 을 경우, (생성 가능한 랜덤 프리코딩 벡터의 수가 송신 안테나 수와 같다고 할 때) 생성 가능한 랜덤 프리코딩 벡터 중 처리량을 최대로 할 수 있는 프리코딩 벡터의 서브셋(subset)을 선택적으로 사용함으로써 사용자간 간섭을 감소시켜 처리량을 최대화하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시 예에 따른 방법은, 통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 방법에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 수신한 부분 채널 정보에 따라 사용자 단말들을 그룹핑하는 과정과, 상기 다수의 사용자 수와 상기 다수의 사용자 수의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 따라 멀티플랙싱 전송을 위한 최적의 사용자 단말들의 수를 결정하는 과정과, 상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔들을 선택하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 장치는, 통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 장치에 있어서, 다수의 사용자 단말들로부터 수신한 부분 채널 정보에 따라 사용자 단말들을 그룹핑하는 사용자 그룹핑 부와, 상기 다수의 사용자 수와 상기 다수의 사용자 수의 SINR에 따라 멀티플랙싱 전송을 위한 최적의 사용자 단말들의 수를 결정하는 그룹 스케쥴링 부와, 상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔 들을 선택하는 빔 선택부를 포함함을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원 리를 상세히 설명한다. 도면상에 표시된 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호로 나타내었으며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명은 기지국에서 송신 안테나와 멀티플렉싱되는 사용자 단말들의 수(이하, '동시 전송 사용자 수'라 칭한다.)를 최대 멀티플렉싱 효과를 낼 수 있도록 최적의 동시 전송 사용자 수를 선택한다. 상기 최적의 동시 전송 사용자 수가 상기 송신 안테나 수보다 작을 경우, 사용자 단말은 프리코딩 벡터(이하 '빔'이라 칭한다)의 인덱스의 서브셋에 따라 SINR을 계산하고, 사용자 단말들의 SINR과 상기 서브 셋 인덱스들로 구성되는 부분 채널 정보들을 상기 기지국으로 피드백한다. 이후, 상기 기지국은 상기 부분채널 정보들로부터 최적의 멀티플렉싱 효과를 가지는 송신 빔의 서브 셋을 선택하고, 상기 서브 셋을 구성하는 송신 빔들을 통해서 해당 단말들로 데이터를 전송한다.

구체적으로, 본 발명에서 적용되는 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, 기지국과 사용자 단말 간의 멀티플렉싱 시, SINR이 큰 사용자 단말들을 선택하여 신호 전력(signal power)이 증가함으로써, 채널이득이 증가하고 사용자 단말들 간의 간섭(interference)이 줄어든다.

상기 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, SISO(Single Input Single Output) 시스템에서 채널이득이 좋은 사용자만을 선택하여, 선택 다이버시티(selection diversity)를 획득한다. 반면, 상기 MU(multiuser)-MIMO 시스템에서 상기 랜덤 빔 포밍 멀티플랙싱은, 채널이득이 좋고 사용자 간 간섭이 적은 사용자들을 선택하므로, 상기 SISO의 선택 다이버시티보다 사용자 수에 따른 다중 사용자 다이버시티가 훨씬 증가한다. 즉, 사용자간 간섭을 최대로 피하는 이상적인 경우, 최대의 멀티플렉싱 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 셀 내의 사용자 수는 제한되어 있기 때문에 상기 멀티플렉싱 효과는 제한된다.

이하, 본 발명의 제 1 실시 예에서는 사용자들의 평균 SNR이 같다는 가정 하에 (동시 전송 사용자 수)Q가 송신 안테나 수(M)보다 적은 경우(Q<M)를 예로 들어 설명한다.

상기 동시 전송 사용자 단말들을 멀티플렉싱하기 위해서, M개의 송신 안테나 채널들 중 상기 Q에 대응하는 송신 빔들로 구성되는 빔 서브 셋(antenna subset)들을 그룹핑한다. 이후, 기지국은 사용자 단말들로부터 각각의 부분 채널 정보를 피드백 받아 상기 그룹핑 된 빔 서브셋들 중에서 SINR이 가장 크고 사용자 단말들 간 간섭을 최소화시킬 수 있는 특정 빔 서브 셋을 선택한다. 구체적으로, 상기 송신 빔 들중에서 채널 이득이 가장 큰 빔 채널을 동시 전송 사용자 단말들의 희망 채널(desired channel)들로 선택하고, 채널 이득이 가장 작은 빔 채널들을 나머지 사용자 단말의 희망 채널로 선택한다. 이후, SINR이 큰 사용자 단말들을 상기 동시 전송 사용자들로 선택함으로써, 사용자 단말 수가 충분히 많지 않을 때 사용자 단 말 간 간섭을 감소시켜 멀티플렉싱 이득을 얻게 된다. 이때, 사용자 단말들의 수에 따라 멀티플랙싱 효과와 다중 사용자 다이버시티 이득을 최대로 얻을 수 있는 동시 전송자 수가 정해지게 된다. 즉, 사용자 단말의 수가 많아지면 동시 전송 사용자수(Q)를 증가시켜도 충분히 멀티플렉싱 이득을 얻을 수 있는 경우가 생긴다.

한편, 평균 SNR이 증가할수록 신호 전력이 증가하여 간섭 전력 또한 증가한다. 최대의 SINR을 가지는 사용자 단말을 선택할 때, 동시전송 사용자들의 간섭량은 전체 사용자 수 K에 반비례하고 Q-1에 비례하므로 a(K)(Q-1), 수신 파워는 K에 로그 스케일로 비례하므로 동시전송 사용자들의 SINR은 log(K)/((Q-1)a(K)+1/P)과 같이 표현할 수 있다(여기서 P는 송신 파워이고 가우시안 잡음의 분산을 1이라고 가정했을 때 SNR=P가 된다). Q명을 동시에 전송하고 처리량(throughput)은 SINR의 log값에 비례하므로 처리량(R)은 Qlog(1+ log(K)/((Q-1)a(K)+1/P))로 나타낼 수 있다. 이 때 (Q-1)a(K)<<1/P인 경우, R ~ Qlog(1+ Plog(K))가 되어 Q에 비례해서 처리량이 증가하지만 (Q-1)a(K)>>1/P 인 경우 R~Qlog(1+ log(K)/((Q-1)a(K))가 되어 R은 Q에 대한 볼록함수(concave function)가 되어 Q가 증가함에 따라 R이 증가하다가 감소하게 된다. 이 때 R을 최대로 하는 Q값은 SNR이 증가함에 따라 감소하고 K가 증가함에 따라 증가하게 된다. 따라서 SNR이 낮을수록 사용자 수가 많을수록 동시전송자 사용자수를 증가시키고 SNR이 높을수록 사용자 수가 적을수록 동시 전송 사용자 수를 감소시키는 것이 유리하다.

따라서 평균 SNR과 전체 사용자 수에 따라 적응적으로 동시 전송자 수를 결정하고, 최적의 송신 빔 서브 셋을 선택함으로써 최대의 전송율을 얻을 수 있다.

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 사용자 단말과 기지국 구성도이다.

도 2를 참조하면, 수신 안테나(210-1~210-k)가 각각 1개인 사용자 단말이 K개이고, 기지국(200)의 송신 안테나 수가 M인 경우를 일예로 설명하지만, 단말의 수신 안테나 수가 2 이상인 경우에도 확대 적용 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국(200)의 상세 구성도이다.

도 3을 참조하면, 기지국(200)은 수신부(302)와 부분 채널 상태 정보 생성부(304)와, 사용자 그룹핑(grouping)부(306)와 그룹 스케쥴링(scheduling)부(308)와, 사용자 그룹의 빔 서브셋 생성부(310)와, AMC(Addaptive Modulation and Coding)기들(312-1~312-Q)과, 랜덤 빔을 생성하여 프리코딩하는 랜덤 프리코딩부(314)와 송신 안테나 선택부(316) 및 송신안테나1~M들이 포함된다.

상기 수신부(302)는 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신하여 상기 부분 채널 상태 정보 추출부(304)로 전달한다. 상기 피드백 정보는 사용자 단말 각각의 SINR 및 최대 빔과 최소 빔의 인덱스 등이 포함된다. 상기 SINR값은 하기 <수학식 3>과 같이 계산된다.

수신단의 SINR계산 및 피드백 과정은 다음과 같다. M개의 송신 안테나가 존재할 때 M개의 직교정규(orthonormal)랜덤 백터를 만들 수 있고, Q명의 사용자에게 각각 랜덤벡터를 프리코딩해 준다고 할 때,

개의 조합의 빔 인덱스의 서브셋을 만들 수 있다. 이 때 빔 인덱스의 서브셋을

라고 정의한다. 예를 들어 M=4,Q=2일 때 J=6이고

,

의 서브셋이 가능하다. 송신신호는 하기 <수학식1>이 되고 그에 따른 수신신호는 하기 <수학식2>와 같다. 서브셋 j와 서브셋에 속한 빔 m에 따라 QJ개의 SINR값을 계산할 수 있고, 그 중 최대 SINR <수학식4>과 그에 따른 빔 인덱스, 서브셋 인덱스

를 피드백한다. 상기 부분 채널 상태 정보 추출부(304)는 각각의 사용자 단말들로부터 피드백 된 SINR 값과 사용하는 빔 인덱스 및 서브셋 인덱스를 추출하여 상기 사용자 그룹핑부(306)와 상기 그룹 스케쥴링부(308)로 전달한다.

상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 K개의 사용자 단말들 중 동일한 서브셋 인덱스와 동일한 빔 인덱스를 가지는 단말들 중 피드백 된 SINR값이 가장 큰 사용자 단말을 선택한다. 선택된 단말들을 서브셋 인덱스가 같은 단말끼리 그룹핑하여 J개의 사용자 단말 그룹으로 생성한 후 상기 그룹 스케쥴링부(308)로 전달한다.

상기 그룹 스케쥴링부(308)는 상기 K개의 사용자 단말들 중, 상기 송신 빔 1~M들과 멀티플렉싱 할 최적의 동시 전송사용자 단말의 수(Q)를 설정한다.

상기 그룹 스케쥴링부(308)는 상기 부분 채널 정보 추출부(304)로부터 수신한 피드백 정보를 통해서, 상기 J개의 사용자 단말 그룹들 중, 상기 사용자 단말 그룹을 구성하는 사용자 단말들의 SNR 값을 가지고 전송율의 합 또는 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)의 합이 최대가 되는 특정 사용자 단말 그룹을 선택한 후, 상기 사용자 그룹 빔 서브 셋 생성부(310)와 상기 AMC기(312-1~312-Q)로 전달한다. 상기 사용자 그룹 빔 서브 셋 생성부(310)는 상기 선택된 사용자 단말그룹에 속한 단말들의 빔 인덱스로 구성되는 빔 서브 셋들을 생성하여 상기 송신 안테나 선택부(316)로 전달한다.

하기 <표 1>은 상기 M이 4인 송신 안테나를 이용하여 상기 Q가 2인 사용자 단말과 랜덤 빔 포밍 방식의 멀티플랙싱을 사용할 때, 각 사용자의 피드백 정보의 일예를 보여주는 표이다.

사용자 단말	사용자 단말 1	사용자 단말 2	사용자 단말 3	사용자 단말 4
빔 인덱스	1	2	3	4
서브셋인덱스	2	5	2	5
서브셋	{1,3}	{2,4}	{1,3}	{2,4}
SINR(dB)	5	7	6	8

상기 사용자 그룹핑부(306)는 상기 <표 1>과 같이사용자 단말들의 피드백 정보를 이용하여 동일 빔을 가지는 4개의 단말들을 묶은 사용자 단말 그룹을 구성한다. 표1에 도시하지는 않았지만, 빔 인덱스와 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말들이 있을 경우, SINR이 큰 사용자 단말을 먼저 선택한다.

이후, 상기 사용자 그룹 빔 서브셋 생성부(310)는 빔 인덱스가 다르고 서브셋 인덱스가 같은 사용자 단말 1과 사용자 단말 3을 제 1빔 서브 셋으로 묶는다. 마찬가지로 빔 인덱스가 다르고 서브셋 인덱스가 같은 사용자 2와 사용자 4를 제 2빔 서브 셋으로 묶는다.

상기 사용자 그룹 빔 서브셋 생성부(310)는 상기 부분채널상태정보 추출부(304)로부터 수신한 상기 사용자 단말1~4들의 SINR값을 가지고, 상기 생성된 제 1빔 서브 셋과 제 2 빔 서브 셋의 SINR 합을 비교한다. 즉, 상기 제 1빔 서브셋의 SINR 합은 11이고, 상기 제 2 빔 서브 셋의 SINR 합은 15이므로, SINR이 큰 값을 가지는 제 2 빔 서브 셋을 선택하여 상기 송신 안테나 선택부(316)로 전달한다.

상기 AMC기(312-1~312-Q)에서 나온 데이터 심볼(

)은 랜덤 프리코딩부(314)에서 <수학식1>과 같이 프리코딩(precoding)한 후 송신안테나를 통해 수신 단말로 전송된다.

여기서, 상기

는 상기 데이터(data) 심볼이고, 상기

은 m번째 프리코딩 벡터로, 직교적 유니터리 프리코딩 매트릭스의 엘리먼트이다.

이후, 상기 프리 코딩된 송신 신호(

)는 하기 <수학식 2>의 형태로 상기 동시 전송 사용자 단말들 중 하나인 k번째 사용자 단말로 수신된다.

여기서, 상기

는 상기 k번째 사용자 단말의 송신파워를 나타내고,

는 N(0,1)의 분포를 가지는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타내고,

는 상기 사용자 단말의 채널 벡터이고, 편의상 모든 사용자의 송신 파워를 같다 고 가정한다(

).

하기 <수학식 3>은 j번째 송신 안테나 서브 셋에 포함되는 k번째 사용자 단말의 SINR이다.

이때, 선택되는 m과 i(

)에 따라 SINR이 달라지고, 사용자 단말은 모든 송신 안테나들의 채널 이득을 알 수 있다 가정한다.

상기 랜덤 프리코딩부(314)는 상기 선택된 빔 서브셋을 구성하는 사용자 단말들의 인덱스를 상기 상기 프리 코딩된 송신 신호(s)와 랜덤으로 프로세싱하여 상기 송신 안테나 선택부(316)로 전달한다.

하기 <수학식 4>는 상기 그룹 스케쥴링부(308)가 상기 수신한 사용자 그룹들의 최대 SINR값을 계산하는 공식이다.

여기서, j는 빔 서브셋의 인덱스이고, 상기 m은 희망 채널의 안테나 빔의 인덱스이다.

Q<<M일 때, <수학식3>에서 SINR을 최대로 하기 위해서는 수신 신호의 채널이 득이 최대가 되어야 하고 간섭량이 최소가 되어야 하므로

이 최대인 빔 인덱스와

이 최소인 (Q-1)의 빔 인덱스를 결정해서 피드백하면 서브셋 인덱스를 피드백하는 경우보다 피드백 오버헤드가 적어질 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 기지국의 동작 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 상기 기지국은 사용자 단말들로부터 피드백 정보를 수신한 상태이다. 상기 피드백 정보에는 사용자 단말들의 SINR 값과, 최대 빔과 최소 빔의 인덱스가 포함된다.

400단계에서 기지국은 상기 사용자 그룹핑부(306)는 피드백 정보를 이용해서 상기 K개의 사용자 단말들 중 동일한 서브셋 인덱스와 동일한 빔 인덱스를 가지는 단말들 중 일예로, 피드백 된 SINR값이 가장 큰 사용자 단말을 선택한다. 선택된 단말들을 서브셋 인덱스가 같은 단말끼리 그룹핑한다.

405단계에서 상기 기지국은 최적의 동시 사용자 단말(Q) 수 설정 후, 상기 사용자 단말 그룹들 중 최대 SINR 값을 가지는 사용자 단말 그룹을 선택한다. 상기 최적의 동시 사용자 단말 수(Q)는 평균 SNR과 사용자 수에 따라 선택된다.

410단계에서 상기 기지국은 상기 단말 그룹들을 구성하는 사용자 단말들의 빔 정보에 따라 빔 서브셋을 생성한다.

415단계에서 상기 기지국은 선택된 빔 서브 셋을 구성하는 사용자 단말 인덱스와, 전송할 데이터 스트림을 랜덤 프리코딩한다.

420단게에서 상기 기지국은 상기 수학식 4를 통해서 순차적으로 송신 빔 서 브 셋을 상기 Q에 대응하게 선택한다.

425단계에서 상기 기지국은 상기 선택된 빔 서브 셋을 구성하는 송신 안테나들을 통해서 상기 전송할 데이터 스트림을 동시 전송 사용자 단말들로 전송한다.

이하, 본 발명의 제 2실시 예에서는 사용자 단말들이 각기 다른SNR을 가지는 경우, 사용자 단말들의 SNR에 따라 상기 동시 사용자 단말 수(Q)를 결정한다.

즉, 단말을 최대 M개의 그룹으로 나누고, 각 그룹 내의 단말들을 그룹 단위로 스케쥴링한다. 이 경우, 그룹 단위로 스케쥴링을 할 때는 그룹 내 단말 중 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)이 가장 큰 단말을 기준으로 하거나 그룹 내 단말들의 스케쥴링 메트릭의 평균 값을 이용하여 그룹을 선택할 수 있다.

일예로, SNR이 낮은 사용자 단말들의 그룹은 사용자 수가 증가 할 경우 멀티플렉싱 처리 효과가 증가하고, SNR이 높은 사용자 단말들의 그룹은 사용자 수가 적어질 경우 사용자 간섭이 줄어들어 멀티플렉싱 효과가 증가 한다.

도 5a 내지 도 5d는 하기 표 2에서 나타낸 SNR과 사용자 수가 변화할 때 처리량 비교결과를 보여주는 그래프이다.

동시전송사용자 수 /SNR(dB)	1	2	3	4
0dB	k<2	2<k<4	x	k>4
5dB	k<4	4<k<16	16<k<128	k>128
10dB	k<4	4<k<64	k>64	x
20dB	k<8	k>8	x	x

상기 <표 2>는 최대 처리량을 나타내는 사용자 단말의 수(k)의 구간을 보여준다. 여기서, 기지국 송신 안테나의 수는 4이고, 단말의 수신 안테나 수는 1인 경우를 가정한다.

상기 표 2와, 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, SNR을 0dB, 5dB, 10dB, 20dB로 나누고, 상기 k를 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128로 증가시키면서 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다.

SNR이 낮을 때, 동시 전송 사용자 단말 수가 4인 경우, 처리량이 큰 구간이 가장 크지만 SNR이 높아질수록 처리량이 최대인 구간이 줄어들거나 없어지는 것을 볼 수 있다. 반면, 동시 전송 사용자 단말 수가 1이거나 2일 경우, 처리량이 최대인 구간이 점점 커지는 것을 볼 수 있다. 즉, 각 구간에서 최적의 동시 전송 사용자 단말 수에 따라 기존의 방법(combined)보다 처리량이 같거나(동시 전송 사용자 단말수가 4인 경우의 처리량 최대 구간) 더 큰 것(동시 전송 사용자 단말수가 1~3인 경우의 처리량 최대 구간)을 볼 수 있다

도6a 내지 도6b는 하기 표 3에 따라 사용자 수와 SNR의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프이다.

동시 전송 사용자 수/k	1	2	3	4
k=10	SNR>20dB	3dB<SNR<20dB	x	SNR<3dB
k=100	x	SNR>12dB	5dB<SNR<12dB	SNR<5dB

도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 사용자 수(k)가 10명일 때, 동시 전송 사용자 수가 4인 경우, 5dB 이후에 처리량이 포화된다. 반면, 동시 전송 사용자 수가 2인 경우, 0dB에서는 동시 전송 사용자 수가 4인 경우보다 처리량이 낮지만, 5dB이후에서 가장 처리량이 높다가 20dB 이후에 처리량이 포화되는 것을 볼 수 있다. 즉, SNR이 높을 때는 동시 전송 사용자 수가 가장 적은 1인 경우가 처리량이 가장 높다는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 평균 SNR 대 처리량을 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, Q=2로 고정시키고 사용자 수가 100일 때 M=2,4,8,12로 변화시킴에 따른 평균 SNR 대 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다. M=2인 경우는 M=Q인 기존의 방법과 동일하다. M을 증가시킴에 따라 빔 선택의 자유도가 증가해서 선택 다이버시티 이득이 증가하고 그에 따라 처리량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 M값의 변화에 따른 처리량을 나타내는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 사용자 수가 100일 때, M의 변화에 따른 처리량을 bits/sec/Hz로 나타내었다. 평균 SNR=0dB인 경우에는 동시전송사용자의 간섭량보다 잡음/송신신호파워의 값이 훨씬 크기 때문에SINR은 간섭량보다 잡음/송신신호의값에 의존하게 되어 동시전송 사용자수가 증가할수록 처리량이 증가하게 된다. 반면에 SNR=10dB 또는 SNR=20dB일 경우에는 기존 방법에서는 동시전송 사용자수가 M이기 때문에 M이 증가하면 잡음/송신신호파워의 값보다 간섭량이 커지게 되어 SINR이 감소하게 되고 동시전송 사용자수가 증가함에 따라 처리량이 증가하다가 감소하는 볼록함수의 형태를 가지게 된다. 이 때 볼록함수의 꼭지점은 SNR=10dB일 때 M=3이고, SNR=20dB일 때 M=2이다. 제안 방법은 처리량을 최대로 하도록 SNR=10dB일 때 Q=3(M이 3이상일 때)이고, SNR=20dB일 때 Q=2(M이 2이상일 때)로 두고 M개의 랜덤 프리코딩 벡터를 생성시킨 후 최적의 Q개의 랜덤 프리코딩 벡터를 선택해서 Q명을 스케쥴링했다. 도 8과 마찬가지로 M이 증가할수록 선택다이버시티 이득이 증가해서 처리량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, SNR값과 사용자 단말들의 수에 따라 최적의 동시 전송 단말 수를 선택하여 사용자 간 간섭을 최소화하여 성능 이득이 커지는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 사용자 단말의 수가 송신 안테나 수보다 작을 경우, 송신 빔들을 선택적으로 사용하여 서브 셋(subset)을 생성함으로써, 선택 다이버시티(selection diversity) 이득을 통해서 송신 안테나 수가 증가되어도 처리량이 증가되는 효과가 있다.

Claims

통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 방법에 있어서,

다수의 사용자 단말들로부터 수신한 부분 채널 정보에 따라 사용자 단말들을 그룹핑하는 과정과,

상기 다수의 사용자 수와 상기 다수의 사용자 수의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 따라 멀티플랙싱 전송을 위한 최적의 사용자 단말들의 수를 결정하는 과정과,

상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔들을 선택하는 과정을 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 부분 채널 정보는,

사용자 단말들의 SINR 값과, 사용하는 빔의 인덱스 및 빔 서브셋 인덱스가 포함되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.
제 2항에 있어서, 상기 그룹핑하는 과정은,

동일 빔을 사용하는 사용자 단말들로 구성되는 사용자 단말 그룹을 생성하는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.
제 2항에 있어서, 상기 선택하는 과정은,

상기 사용자 단말 그룹들 중 최대 SINR 값을 가지는 사용자 단말 그룹을 선택하고,

상기 단말 그룹들을 구성하는 사용자 단말들의 빔 정보에 따라 빔 서브셋을 생성하는 과정을 더 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 4항에 있어서, 상기 빔 서브 셋을 생성하는 과정은,

상기 사용자 단말들 중 빔 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 동일한 사용자 단말이 있을 경우, SINR이 큰 사용자 단말을 먼저 선택하는 과정과,

상기 선택된 단말들을 가지고, 같은 빔 서브셋 인덱스를 가지는 사용자 단말들로 그룹핑되는 빔 서브 셋들을 생성하는 과정과,

상기 생성된 빔 서브 셋들을 구성하는 단말들의 SINR의 합이 최대가 되는 빔 서브 셋을 선택하는 과정을 더 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 4항에 있어서,

상기 선택된 빔 서브 셋을 구성하는 사용자 단말의 인덱스와, 전송할 데이터 스트림을 랜덤 프리코딩하는 과정을 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 6항에 있어서,

상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔들을 묶어 빔 서브 셋들을 생성하는 과정을 더 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 7항에 있어서,

상기 선택된 빔 서브 셋을 구성하는 송신 빔 들을 통해서, 상기 전송할 데이터 스트림을 동시 전송 사용자 단말들로 전송하는 과정을 더 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 7항에 있어서, 상기 데이터 스트림은,

프리코딩 매트릭스를 통과하여 하기 <수학식>과 같이 프리코딩(precoding)되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.

<수학식>

여기서, 상기
는 상기 데이터(data) 심볼 벡터이고, 상기
은 m번째 프리코딩 벡터로, 직교적 유니터리 프리코딩 매트릭스(의 엘리먼트이다.
는
인 빔 인덱스의 서브셋이다.
제 9 항에 있어서, 상기 프리 코딩된 송신 신호(s)는,

하기 <수학식>의 형태로 상기 동시 전송 사용자 단말들 중 하나인 k번째 사용자 단말로 수신되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.

<수학식>

여기서, 상기
는 상기 k번째 사용자 단말의 송신파워를 나타내고,
는 N(0,1)의 분포를 가지는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타내고,
는 상기 사용자 단말의 채널 벡터이고, 편의상 모든 사용자의 송신 파워를 같다고 가정한다(
).
제 7항에 있어서, 상기 사용자 단말의 SINR값은 하기 수학식과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.

<수학식>

여기서, 상기 j는 송신 안테나 서브 셋의 식별자이고, k는 사용자 단말의 수신 안테나 식별자이고, m과, i는 송신 빔의 식별자이다.
제 11항에 있어서, 상기 m과 i의 선택값에 따라 SINR이 달라지는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.
제 11항에 있어서, 상기 수신한 사용자 그룹들의 최대 SINR값은

하기 수학식을 통해서 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 방법.

<수학식>
통신시스템에서 다중 사용자를 스케쥴링 하는 장치에 있어서,

다수의 사용자 단말들로부터 수신한 부분 채널 정보에 따라 사용자 단말들을 그룹핑하는 사용자 그룹핑 부와,

상기 다수의 사용자 수와 상기 다수의 사용자 수의 SINR에 따라 멀티플랙싱 전송을 위한 최적의 사용자 단말들의 수를 결정하는 그룹 스케쥴링 부와,

상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔 들을 선택하는 빔 선택부를 포함하는 상기 스케쥴링 장치.
제 14항에 있어서, 상기 부분 채널 정보는,

사용자 단말들의 SINR 값과, 사용하는 빔의 인덱스와 빔 서브셋 인덱스가 포함되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.
제 15항에 있어서, 상기 사용자 그룹핑부는,

동일 빔 서브셋 인덱스를 사용하는 사용자 단말들로 구성되는 사용자 단말 그룹을 생성하는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.
제 14항에 있어서,

상기 사용자 단말 그룹들 중 최대 SINR 값을 가지는 사용자 단말 그룹을 선택하고, 상기 단말 그룹들을 구성하는 사용자 단말들의 빔 정보에 따라 빔 서브셋 을 생성하는 빔 서브 셋 생성기를 더 포함하는 상기 스케쥴링 방법.
제 17항에 있어서, 상기 빔 서브 셋 생성기는,

상기 사용자 단말들 중 사용자 단말이 있을 경우, SINR이 큰 사용자 단말을 먼저 선택하고,

상기 선택된 단말들을 가지고, 동일 빔 서브셋을 가지는 사용자 단말들로 그룹핑되는 빔 서브 셋들을 생성하고,

상기 생성된 빔 서브 셋들을 구성하는 단말들의 SINR의 합이 최대가 되는 빔 서브 셋을 선택하는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.
제 18항에 있어서,

상기 선택된 빔 서브 셋을 구성하는 사용자 단말의 인덱스와, 전송할 데이터 스트림을 랜덤 프리코딩하는 랜덤 프리코딩 부를 더 포함하는 상기 스케쥴링 장치.
제 19항에 있어서, 상기 빔 선택부는,

상기 결정된 최적의 사용자 단말들의 수에 상응하는 송신 빔 들을 묶어 빔 서브 셋들을 생성하는 과정을 더 포함하는 상기 스케쥴링 장치.
제 20항에 있어서, 상기 선택된 안테나 서브 셋을 구성하는 송신 안테나들은,

상기 전송할 데이터 스트림을 동시 전송 사용자 단말들로 전송하는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.
제 21항에 있어서, 상기 데이터 스트림은,

프리코딩 매트릭스 E를 통과하여 하기 <수학식>과 같이 프리코딩(precoding)되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.

<수학식>

여기서, 상기
는 상기 데이터(data) 심볼 벡터이고, 상기
은 m번째 프리코딩 벡터로, 직교적 유니터리 프리코딩 매트릭스(의 엘리먼트이다.
는
인 빔 인덱스의 서브셋이다.
제 22항에 있어서, 상기 프리 코딩된 송신 신호는,

하기 <수학식>의 형태로 상기 동시 전송 사용자 단말들 중 하나인 k번째 사용자 단말로 수신되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.

<수학식>

여기서, 상기
는 상기 k번째 사용자 단말의 송신파워를 나타내고,
는 N(0,1)의 분포를 가지는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)을 나타내고,
는 상기 사용자 단말의 채널 벡터이고, 편의상 모든 사용자의 송신 파워를 같다고 가정한다(
).
제 23항에 있어서, 상기 사용자 단말의 SINR값은 하기 수학식과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.

<수학식>

여기서, 상기 j는 송신 빔 서브 셋의 식별자이고, k는 사용자 단말의 수신 안테나 식별자이고, m과, i는 송신 빔 식별자이다
제 24항에 있어서, 상기 m과 i(
)의 선택값에 따라 SINR이 달라지는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.
제 25항에 있어서, 상기 수신한 사용자 그룹들의 최대 SINR값은

하기 수학식을 통해서 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 스케쥴링 장치.

<수학식>