KR20080089329A

KR20080089329A - 이동 무선 시스템에서 최적화된 수의 가입자 선택 방법

Info

Publication number: KR20080089329A
Application number: KR1020087008758A
Authority: KR
Inventors: 마틴 하르트; 마틴 푸흐스; 갈도 지오반니 델
Original assignee: 캔트릴 텔레콤 코. 엘엘씨
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-10-06
Also published as: KR100973726B1; JP2009509439A; WO2007033997A1; JP2012257262A; US20100054113A1; US8498193B2; CN101346902A; EP1927196A1

Abstract

본 발명은 기지국에서 복수의 안테나를 갖고 수신기에서 하나 이상의 안테나를 가지며, 시간 도메인 또는 주파수 도메인의 다중 접속과 함께 공간 분할 다중 접속(SDMA)을 갖는 무선 메시지 전송 시스템에서, 전송을 위한 최적화된 수의 가입자의 선택을 위해 복잡도가 적은 방법을 포함한다. SDMA 전송 방법의 처리량을 증가시키기 위해, 동일 시간 슬롯 또는 주파수 슬롯에서의 동작에 공간 상관관계가 적은 채널들을 갖는 가입자가 선택되며, 그룹 크기 및 평균 전송 전력 사이의 관계가 고려된다. 본 발명은 어떠한 간섭도 허용하지 않는(제로 포싱) SDMA 방법 및 잔여 간섭을 이용한 방법과 상호 작용한다. 이는 직교 투영 행렬의 도움으로 ZF 원리의 신규 해석에 기초한 것이며, 본 전송 방법의 사용에 기초하여 훨씬 적은 계산 복잡도로 채널 품질이 추정될 수 있게 해준다. 트리형 검색 알고리즘의 도움으로 가능한 가입자 조합이 효율적으로 분류된다. 본 방법은 정확한 채널 정보 또는 대안으로 평균화된 채널 통계를 사용한다. 가입자에 대한 서비스 품질 요건 뿐만 아니라 공정성 기준이 고려될 수 있다.

Description

이동 무선 시스템에서 최적화된 수의 가입자 선택 방법{METHOD FOR SELECTION OF AN OPTIMIZED NUMBER OF SUBSCRIBES IN MOBILE RADIO SYSTEMS}

1. 본 발명의 주제

본 발명은 기지국에서 다수 안테나를 갖고 수신기에서 하나 이상의 안테나를 갖는 무선 통신 전송 시스템(다중 입력 다중 출력 시스템; MIMO(multiple input, multiple output))에 관한 것이다. 다수 안테나의 사용으로 가입자의 신호들이 전송 또는 수신 중에 기지국에서 공간적으로 구분될 수 있게 된다. 다수 가입자들은 시스템 처리량을 상당히 증가시키는 공간 분할 다중 접속(SDMA)에 의해 동시 지원받을 수 있다. 동시에, 가입자들에게는 요구에 따라 다수 안테나를 이용하여 하나보다 많은 데이터 스트림이 공급될 수 있다(공간 다중화-SMux). 이러한 목적으로, 데이터 스트림은, 수신기에서 데이터 스트림들이 구분될 수 있도록, 예를 들어 전송 채널의 가장 강한 전파 방향, 소위 공간 모드로 전송될 수 있다. 다양한 수학적 SDMA 전송 알고리즘을 유도하는 다양한 경계 조건이 고려될 수 있다. 예를 들어, 개별 가입자에게 보내지는 데이터 스트림이 서로 간섭하지 않아야 한다는 것이 하나의 경계 조건일 수 있다. 본 발명의 주제는 동시에 지원받게 될 가입자들을 선택하는 모든 SDMA 전송 알고리즘에서 생기는 문제점이며, 이에 본 발명은 소위 벡터 변조 방법 부류의 SDMA 알고리즘에 제한된다. 본 발명은 공간 상관관계(spatial correlation)가 거의 없는 최적화된 수의 가입자들의 선택을 위해 복잡도가 매우 감소된 방법 뿐만 아니라, 컴퓨터가 본 발명에 따른 방법을 실행할 수 있게 해주는 컴퓨터 프로그램을 포함하고, 또한 본 방법을 구현하기 위해 필요한 기술 시스템을 포함한다.

2. 적용 영역

SDMA가 조합될 수 있지만, 반드시 시분할 다중 접속(TDMA) 및 주파수 분할 다중 접속(FDMA)과 SMux와 조합될 필요는 없는 시스템의 기지국이 고려된다. 기지국에서의 안테나의 한정된 수는 동시 지원되는 가입자의 최대 수를 한정하며 가입자들이 그룹으로 효율적으로 나뉘어질 수 있는 SDMA 전송 알고리즘의 확장을 요구한다. 이는, 공간상 효율적으로 동시 지원받을 수 있는 가입자의 최대 수가 결합된 채널 행렬의 랭크(rank)에 의해 한정된다는 사실에 의해 야기된다. 그러면 각각의 시간 또는 주파수 슬롯에서 상이한 서브세트의 가입자들이 SDMA에 의해 동시에 지원받을 수 있다.

각각의 SDMA 전송 프로세스는 SDMA에 의해 동시 지원받을 수 있는 적합한 서브세트의 가입자들을 선택하기 위한 적합한 메커니즘을 필요로 하고, 따라서 공간 분할 다중 접속을 사용할 각각의 송신국은 적합한 선택 프로세스를 구현하기 위한 기술적 수단을 구비해야 한다.

송신기에서 소위 벡터 변조 방법은 어떠한 형태로 전송 채널의 정보를 가정하고 이용하는 SDMA 전송 방법에서 시작된다. 전송될 데이터 심볼은 6절에서 설명 되는 바와 같이 벡터값 빔형성 가중치와 승산되는 것이며, 이 벡터값 빔형성 가중치는 다양한 경계 조건을 고려하여 계산될 수 있고, 안테나의 방사 특성에 영향을 미칠 수 있다.

3. 본 발명의 과제

SDMA에 의해 동시에 지원받게 될 가입자들을 선택하는 데 있어서, 간단한 방식으로 제시된 다음의 기본적인 문제점들이 얻어지며, 이의 해결이 본 발명의 과제이다.

- 공간상 강한 상관관계의 전송 채널을 갖는 참여자들의 그룹핑은 피해야 하는데, 그렇지 않으면 SDMA 전송 방법에 의한 공간상 가입자들의 구분 능력에 방해될 수 있으며, 데이터 처리량이 심각하게 저하될 것이기 때문이다. 이는, 비효율적인 빔형성 가중치로 인해 SDMA 전송 방법의 사용 후에 유효 전송 채널의 품질이 심각하게 손상될 것이고, 상이한 가입자들에게 보내질 데이터 스트림들 사이에 간섭이 점점 증가하여 발생할 것이라는 사실에 의해 야기된다.

- 본 방법에 의해 그룹 크기가 최적화되어야 하는데, 그룹 크기는 가용 전송 전력의 가능한 분리를 변화시키고 그에 따라 데이터 처리량에 큰 영향을 미치기 때문이다.

- 사용자 분할은 두 개의 다른 차원, 즉 시간 및 공간을 동시에 고려하여 일어나야 하며, 요구에 따라 가입자들의 공정성(fairness) 및 서비스 품질 요건의 고려가 가능해야 한다.

- SDMA 전송 방법을 사용한 후의 예상되는 채널 품질의 사전 계 산(precalculation)을 위한 비용은 그룹 선택 동안에 감소되거나 피해져야 하는데, 그 결과가 가입자 조합에 따라 좌우되고, 그에 따라 수백 가입자들을 갖는 실제 시스템에서는 계산 복잡도가 관리하기 어려울 것이기 때문이다.

- 테스트될 그룹핑의 선택은 처음부터 가급적 가망성있는 조합을 배제하지 않고 효율적으로 감소되어야 한다.

- 복잡도를 감소시키는 데 있어서, 시스템 내 상태만 점차 변한다는 사실이 이용되어야 하며, 그리하여 매번 독립적인 판단이 이루어질 필요가 없다.

4. 현 기술 및 그의 단점

SISO 시스템(단일 입력 단일 출력, 즉, 송신기 및 수신기에 하나의 안테나만 있음)의 경우에, 관련 문제점이 존재하지만, 충분히 해결되지 않은 상태이다. 각각의 전송 중에 최선의 채널을 갖는 가입자의 선택에 의해 그리고 전송 리소스의 적합한 분할에 의해, 시스템의 총 처리량이 증가될 수 있고(DE 100 21 862), 일 예로는 예를 들어 전송속도의 최대화를 목적으로 가입자를 선택한다는 것이 이미 인지되어 있다. 대안으로서, 가입자들은 한정된 지연 또는 높은 서비스 품질을 목적으로 선택될 수 있다.

현 상태에 따르면, 전술된 MIMO 전송 시스템 유형은 미래의 무선 통신 시스템에 대해 매우 가망성있는 해결책을 나타낸다. 그러나 가입자 선택의 문제는 많은 방법에 의해 또는 매우 높은 계산 복잡도로도 완전히 해결되지 못하고 있다. 예를 들어, US 2005/147032는 이러한 시스템에서의 유사한 문제점에 대해 기재하고 있으나, 거기서 "직교 세트(orthogonal set)"로 지정된 사용자 그룹들이 그들 최적 크 기는 고사하고 식별될 방법은 서술하고 있지 않다.

해결책을 위한 두 가지 기본적인 접근 유형이 구분될 수 있는데, 하나의 접근법은 수학적 문제로서 시스템 처리량의 최적화를 공식화하는 단계 및 최적값에 가까운 해답을 찾는 단계로 구성된다(예를 들어, [1]). 마지막으로, 선택 방법에 의해 이 최적값을 만족시키는 가입자 서브그룹을 찾는다. 그러나 이러한 목적의 경우, 전송 채널 정보를 참조하여, SDMA 방법을 채용한 후에 미리 채널 품질을 계산해야 하고, 특히 최적값을 위한 검색에 관계있는 모든 가능한 사용자 조합에 대해 그러하며, 따라서 이러한 유형의 접근법은 무엇보다도 전술한 요건을 무조건 충족시키지 않아도 된다. 최선의 가입자 조합을 위한 검색에 있어서, 대부분의 경우, 모든 가능한 조합을 통한 상세 검색이 쓰인다. 그러나, 이는 실시 불가능할 정도로 높은 계산 비용을 초래하며, 특히, 빔형성의 사용 후의 채널 품질에 기초하는 선택에서의 특성으로서 채널 용량과 같은 용량이 사용되는 경우, 그리고 이것이 각각의 가능한 조합에서 각각의 가입자에 대하여 명시적으로 계산되는 경우 그러하다. 이러한 모든 것은 WO 2005/053186, WO 2002/033848, EP 1 542 419(여기서, WO 2005/053186은 업링크에서의 사용에 대해 기술됨)에 기재되어 있다. 예를 들어, EP 1 542 419는 전송속도의 계산 후에 그룹 크기를 최적화할 수 있지만, 항상 일정한 수의 가입자들이 쓰인다. 시스템 처리량에 직접 기초하는 것이 아니라 가입자들의 채널들 사이의 상이한 메트릭이나 상관관계 또는 빔형성 후의 채널 품질에 대해 상이하게 정의된 표시자에 기초하는 반복 선택 방법도 널리 알려져 있다. 예를 들어, 가입자 신호의 입사각의 입사 방향(도달 방향)이 이용되거나([2], [3], EP 0 926 912, US 6,895,258, US 2004/087343), 또는 두 개의 채널 메트릭의 서브공간 사이의 상관관계가 정의된다([4], [5], WO 98/30047, EP 1 434 452)(US 2004/087343은 상이한 주파수 또는 시간에 의해 가입자들을 분리하는 것이 아니라, 강하게 간섭하는 가입자들에게 직교 코드를 할당함으로써 분리함). 그러나, 이들 메트릭은 시스템 처리량에 직접적인 관련을 가지지 않으며, 그에 따라 무엇보다도 최적의 SDMA 그룹 크기의 공식 최적화가 가능하지 않다(또한 제2 요건 참조). 대신에, 그룹 크기는 경험적으로 확립되며, 이는 달성되어야 할 시스템 처리량, 예를 들어 가입자의 최대 가능한 수에 직접적인 관련을 공식적으로 갖지 않는다. 예를 들어, EP 1 505 741에서는 그룹 크기가 어떻게 결정될 것인지에 대해 서술하지 않고, 규정된 그룹 크기가 사용된다. 또는 두 가입자의 허용된 공간 상관관계에 대한 임계값이 경험적으로 결정되고, 이로부터 가능한 그룹 크기가 결정된다. EP 1 434 452는 추가적으로 가입자가 요구하는 데이터 전송속도에서 수신 신호로부터 결정되는 상관관계 측정을 이용하며, 초기에는 낮은 전송속도로 가입자들을 선택하는데, 이는 간섭이 거의 발생하지 않기 때문이며, 특히 가입자의 수가 결정된 임계값을 더 이상 다시 넘지 못할 때까지 그렇게 한다.

WO 2005/055507의 발명은 본 발명과 관련된 것으로 고려될 수 있다. 이는 또한 시스템 처리량과 직접 관련하여 작용하는 것이 아니라, SDMA 전송 방법의 채용 후 채널 행렬의 상관 행렬에 기초하는 임의의 분류 크기를 이용하여 작용한다. 그러나 본 발명에서와 같이 WO 2005/055507의 분류 크기의 증진은 동시 활성 접속의 수를 최적화할 수 있게 해준다. 본 발명과 대비되는 차이점은, WO 2005/055507의 모든 방법은 소위 행렬 변조를 이용한 SDMA 전송 방법에 제한되며, 여기에서 고려되는 벡터 변조 방법의 부류에 대해서는 설명되어 있지 않다는 것이다. 행렬과 벡터 변조 간의 차이는 6절에 이어진다.

가입자들 자신이 그들 채널 품질에 대해 측정되거나 계산된 코드를 기지국에 보내며, 이에 의해 기지국이 가입자를 선택하는 해결책이 제2 서브그룹으로서 존재한다([6], EP 1 505 741). 그러나 이들은 송신기에서 아무런 채널 정보도 이용하지 않고, 예를 들어 그들 빔형성 벡터를 무작위로 선택하는 SDMA 방법에만 관계되는 것이다([7]). 송신기에 채널 정보가 존재하고 SDMA 방법이 그것과 관련하여 작용될 경우, 그룹핑에 대한 정보를 반환함에 의한 추가적인 데이터 로딩이 생락되어야 하고, 대신 본 발명에서와 같이 빔형성 후의 미리 효율적으로 추정된 채널 품질을 이용해야 한다. 예를 들어, 업링크에 대해 착상된 WO 98/30047의 발명 또한 예보의 형태를 사용하지만, 측정가능한 채널 계수가 빔형성을 사용하지 않고 예측된다. 이 때문에, 강한 채널을 갖는 가입자들의 선택만 가능하다. 공간 상관된 채널을 갖는 가입자들의 열악한 분리성의 문제점을 고려하여, WO 98/30047은 다시 상관관계 측정을 이용하지만, 이는 정의되지 않은 그룹 크기(상기 참조)의 이미 전술한 문제점을 수반한다.

5. 해결책

본 발명은 분류 메트릭으로서 빔형성 후의 예상되는 가입자 전송속도의 비용 효율적인 추정치 뿐만 아니라, 트리형 분류 알고리즘을 사용하여 가입자 조합을 테스트한다. 이로 인해, 어떠한 가입자 조합도 처음부터 배제될 필요가 없다. 테스트될 모든 조합에 대한 빔형성 벡터의 사전 계산을 위한 비용이 방지되는데, 동일 그룹 내 서로에 대한 가입자의 영향은 무시하지 않는다. 이는 직교 투영 행렬을 사용하며 제로 포싱(zero-forcing) 경계 조건(상이한 가입자들에게 보내지는 데이터 사이에 아무런 간섭도 허용되지 않음)의 신규 해석에 의해 가능하다. 제로 포싱은 높은 신호 대 잡음 성능비를 위해 찾게 될 모든 기타 SDMA 방법 중 한정된 사례로 볼 수 있다. 따라서, 간섭을 계산할 필요 없이 코드 내 상관관계의 영향을 개괄하는 데 용이하게 적합하다.

최선의 가입자 조합을 위한 검색 동안 본 발명에서 제안된 전송속도 추정치의 사용으로 최선의 그룹 크기의 추정치를 동시에 결정할 수 있는데, 복잡한 정확한 전송속도의 사전 계산은 하지 않는다.

기본 버전에서, 목적은 시스템의 총 전송속도의 최대화이다. 확장으로서, 아래 간략하게 더 설명되는 바와 같이, 서비스 품질 요건 및 공정성을 고려하기 위해 문헌으로부터 이미 공지된 방법이 전송속도 추정과 조합될 수 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명을 설명하기 위한 개략도.

6. 실시예

다음의 텍스트에서 공식 부호 및 숫자는 이탤릭체로 표시된다. 벡터 및 행렬에 대한 심볼은 또한 볼드체로 표시된다.

도 1 내지 도 4는 또한 설명을 위해 사용된다. 각 버전의 알고리즘에 있어서, 이동 무선 채널의 환경에 기초하여, K명의 이동 가입자들의 집합으로부터 SDMA에 의해 동시 지원받을 수 있는 최선의 서브그룹을 찾을 것이다. SDMA가 사용되며 TDMA 및 FDMA와 조합된 시스템에서 시작된다. 시간 방향의 리소스 요소는 서로 직교하고, 또한 일반적으로 FDMA 시스템의 캐리어도 직교로 볼 수 있는 것으로 가정될 수 있다. 주파수 방향의 리소스 요소는 다수 캐리어로 구성될 수 있다. 이는, 캐리어의 채널들이 강하게 간섭성있고(coherent) 그것들에 대해 동일 가입자 그룹핑이 두드러진 손실 없이 사용될 수 있는 경우 작용한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 이로 인해 그리드가 생성된다. 시간(n)- 및 주파수 방향(f)의 각각의 좌표 쌍에 대하여, 크기 G(n, f)를 갖는 SDMA 그룹을 찾는다. 단순화를 위해, 아래에서 시간 및 주파수 인덱스는 일반적으로 생략된다. 대부분의 일반적인 경우, 각각의 주파수 좌표에 대해 새로운 결정이 이루어지고, 그에 따라 본 발명의 일 예가 실행된다. 신규 채널 정보가 TDMA 프레임에서 SDMA 방법에 대해 한 번만 이용가능하다고 가정한다면, 본 방법의 기본 버전에서 가정된 바와 같이, 그것들이 채널 정보에만 의존하고 가입자 요건에 따르지 않는 경우, 이로부터 이어서 시간 방향으로 그룹핑이 변하지 않은 채 남을 수 있다.

각각의 리소스 요소에서, 채널은 주파수 비선택적(frequency-non-selective)인 것으로 보인다. 가입자에게 보내질 일반적으로 복소수인 데이터 심볼

은 컬럼 벡터 d _g 에 요약된다. 심볼의 수는 가입자 g의 수신 안테나 M _R _,g와 송신 안테나 M _T 사이의 복소수 전송 계수를 포함하는 채널 행렬 H _g의 랭크보다 더 클 수 없다. 각각의 전송 심볼은 일반적으로 복소수값의 가중치 벡터와 승산된다. 결과적으로, 지정 벡터 변조이다. 가중치 벡터는 행렬 M _g에서 컬럼으로서 모일 수 있다. 또 다른 유형의 변조는 심볼이 행렬 내에 배열되는 행렬 변조이며, 이의 하나의 차원은 공간에 대응하고, 이의 다른 차원은 시간과 같은 또 다른 직교 리소스에 대응한다. 수신기 g에서의 심볼은 벡터

에 모일 수 있고, 일반적으로 다음과 같다.

이러한 시스템 모델은 도 2에 개략적으로 도시된다. 이 모델에 따른 컬럼 벡터 n _g는 각각의 요소가 총 주파수 대역으로 불리는 총 전력

을 갖는 것으로 가정되는 각각의 수신 안테나에 대하여 독립적인 백색 가우시안 분산 잡음 프로세스의 스캐닝 값을 포함한다.

대부분의 벡터 변조 방법은 개별 가입자들에게 보내지는 데이터 사이에 간섭이 생성되지 않도록 잡음이 적은 상태를 위해 노력한다(제로 포싱 방법). 본 발명에서는 이러한 경계 조건을 추구한다는 가정 하에 가입자 선택이 이루어진다. 이로 인해, 본 방법은 대응하는 전송 방법에 적응시킬 필요 없이 가입자 선택을 수행할 수 있다.

ZF 경계 조건을 만족시키기 위해, 가입자의 변조 행렬 M _g은 모든 다른 가입자들의 채널 행렬들의 영(null) 공간 부분에 놓여야 한다. 그러면, 수신 벡터에서 합 항목은 제로와 같을 것이다. 이는 가입자 g에 대한 변조 행렬의 설정 동안 첫 번째 단계로서, 동일한 그룹 내 모든 다른 가입자의 모든 채널 행렬을 포함하는 행렬

의 영 공간으로 채널 H _g의 직교 투영을 수행함으로써 달성될 수 있다. 변조 행렬의 생성에 있어서 모든 후속 단계는 측정된 채널 H _g 대신에 신규 채널

에 기초하여 계산될 수 있다. 그러면,

는 행렬

의 영 공간에서의 직교 투영 행렬이다. 본 발명은 투영된 채널

의 품질에 따라 작용한다. 이는 가입자 g와 동일 그룹 내 모든 다른 가입자들 사이의 강한 공간 상관관계에 의해 야기되는 품질 손실을 반영한다. 가입자의 채널 g가 모든 다른 가입자의 채널들과 강하게 상관될수록, 그 신호 공간과 모든 다른 가입자들의 영 공간 부분 사이의 각도가 커지게 되며, 도표로 나타내면 도 3을 참조한다. 직교 투영은 이 경우, 회피해야하는, 매우 작은 놈(norm)을 갖는 신규 채널을 생성한다. 제시된 경우는 3 x 3 채널 행렬 및 각각 안테나를 갖는 수신기들 뿐만 아니라 실수 값의 채널 행렬들을 갖는 시스템에 대응하는데, 그렇지 않으면 이러한 도표 표현이 불가능할 것이기 때 문이다. 보다 적은 공간 상관관계를 갖는 반대의 경우도 도시된다.

변조 행렬의 계산에 있어서 모든 추가 단계는 공간 상관관계의 문제에 대해 부수적인 역할을 하는데, 이러한 이유로 본 발명에서는 무시된다. 따라서 가입자 선택 중의 변조 행렬의 계산은 빠지게 된다.

최적화된 수의 가입자들을 선택하는 데 있어서 계산 복잡도가 감소되어야 한다는 것은 본 방법에 대한 요건으로서 나타내었다. 품질 기준으로서

의 품질이 사용될 때, 상이한 그룹 조성의 테스트 동안, 각각의 가능한 조합에서 각각의 가입자에 대한 투영이 완전히 다시 계산되어야 한다는 문제점이 부상한다. 이 문제점을 해결하기 위해, 관련된 것으로 알려져 있는 다음의 디커플링 근사화가 사용된다.

모든 다른 가입자들의 공통 서브공간으로의 가입자 g에 대한 투영 행렬은 모든 다른 가입자들의 개별 영 공간으로의 투영 행렬

의 곱에 의해 근사화될 수 있다. 여기서, p는 투영 차수(projection order)이며, 이에 대하여 실제 상황시 p=1이면 이미 충분히 정확한 것이다. 승산 시퀀스는, 동일한

가 반복적으로 승산되지 않는 한, 관련없다.

이러한 근사화는 K개의 투영 행렬들이 가입자 선택의 시작시 한 번만 시스템 내 모든 K명의 가입자의 영 공간으로 계산되어야 하고 저장될 수 있다는 이점을 갖 는다. 그 다음에는 선택 동안 모든 필요한 조합이 승산에 의해 생성될 수 있다.

의 계산은 특이값 분해(SVD; singular value decomposition)

에 의해 일어날 수 있다. V _g의 첫 번째

컬럼이

로 표시되면,

이다. 복잡도를 더 감소시키기 위해,

의 랭크-1 근사화(rank-1 approximation)가

를 계산하는 데 사용될 수 있다.

이제 그룹 크기의 최적화를 가능하게 하기 위하여, 제곱 프로비니어스 놈(squared Frobenius norm)

을 이용한 작업이 작용하고 이것을 송신기 전력 및 잡음 전력과 연결시키며, 항상 상기의 투영 근사화를 사용한다. 변조 행렬의 계산은 생략될 것이기 때문에, 본 발명의 기본 버전에서 가입자 선택 동안, 출발점으로서 그리고 모든 할당된 가입자의 모든 모드에 대해, 주파수 방향으로 모든 N개의 리소스 요소에 대한 총 전송 전력 P _T의 균일한 분할이 사용된다.

다음과 같이 전술한 가정 하에 ZF 경계 조건이 주어지면, 하나의 가능한 분류 메트릭

(리소스 요소에 대해)이 크기 G의 가입자 그룹에서 수 g에 따라 가입자의 예상될 데이터 전송속도 C _ZF _,g의 낮은 추정치로서 정의될 수 있다.

여기서,

는 총 주파수 대역 내 잡음 전력이고, 그에 따라

는 실제 리소스 요소에서의 잡음 전력이다. 주파수 방향의 리소스 요소의 수 N은 송신기 전력의 균일한 분배를 가정함으로써 감소된다.

시간 또는 주파수 방향의 평균 채널 통계에 의해 분류 메트릭의 계산

SDMA 방법에 대해 채널이 매우 빠르게 변하고 측정이 부정확하게 되는 경우, 송신기 측에서 공간 상관 행렬

의 추정치를 형성함으로써 시간 방향의 평균화(예상값 형성)가 일반적으로 쓰인다. [8]에 따른 방법과 함께, 본 발명이 사용될 수 있다. 그 다음, 투영 채널

은

대신에 재구성된 채널 행렬

에 의해 계산된다. 이는 특이값 분해에 의해 다음과 같이 얻어질 수 있다.

및 그에 따라

이며, 여기서

는

의 첫 번째

컬럼을 포함한다.

리소스 요소가 주파수 방향으로 다수 간섭성 캐리어로 구성되는 경우에도 동일한 방법이 사용될 수 있다. 그러면, 리소스 요소에 대한 분류 메트릭은 주파수 방향으로 평균화된 리소스 요소 내 캐리어의 채널 정보에 의해 계산될 수 있다.

전송속도 조건을 이용한 공정 분류에의 확장

분류 메트릭

은 데이터 전송속도의 추정치이기 때문에, 원칙적으로 각각 의 전송속도 기반의 방법이 조합되어 본 발명과 가입자 요건 및 공정성을 통합할 수 있다. 비례 공정성의 구현으로 당해 기술 분야에 숙련자들에게 알려진 방법이 특히 관련있는 것으로 고려된다. 이러한 목적으로, 각각의 가입자에 대한 전송속도(이 경우, 분류 방법)는 그 과거 전송속도의 장기간 평균으로 정규화된다. 장기간에 걸쳐 시스템 내 모든 가입자의 전송속도들의 산출 증가가 달성된다. 이러한 주제에 관한 다른 참조는 예를 들어, [9]에서 찾을 수 있다. 비례 메트릭은 각각의 리소스 할당에 따라 변하기 때문에, 가입자 선택은 가능하다면 각각의 TDMA 프레임의 시작시 각각의 시간 슬롯에서 일어나야 한다.

비례 공정성은 특히 관련 있는데, 가입자의 경로 댐핑에 의해 있을 수 있는 강한 차이가 메트릭을 그 평균으로 정규화함으로써 보상될 수 있고, 그에 따라 기지국에서 멀리 있는 가입자도 높은 메트릭을 얻을 수 있기 때문이다. 분류 메트릭이 전송속도 추정치를 나타내면, 전송속도 요건은 목표 요건에, 예를 들어 분류 메트릭을 정규화화함으로써 통합될 수 있다. 합산 또는 승산 비용 배수는 또한 [10]에서 데이터 전송속도를 이용하여 행해진 바와 같이, 사용자의 개별 요구 서비스에 대해 도입되어 분류 메트릭에 연결될 수 있다.

트리형 분류 알고리즘의 설명

이 절에서 설명되는 알고리즘은 확실히 테스트될 가입자 조합의 수를 감소시키는 것을 돕는다. 이는 공간 컴포넌트의 영향을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌, 이전 절에서 제시된 바와 같은 분류 메트릭에 의해 작용한다.

알고리즘은 먼저 각각의 시간 슬롯 t와 서브캐리어 f에서 독립적으로 작용하 고, 거기서 시스템 내 K명의 가입자의 최선의 서브세트를 위해 검색한다. 모든 캐리어를 함께 처리할 수 있는 확장이 아래에 더 설명된다. 이미 언급한 바와 같이, 채널 정보에만 기초하고 비례 공정성에는 기초하지 않는 경우, 가입자 선택은 TDMA 프레임에서 변경되지 않은 채 남을 수 있다. 이 경우, 알고리즘은 프레임의 시작에서 수행되어야만 하고, t는 프레임 번호로 볼 수 있다.

알고리즘은 두 단계로 작용한다:

제1 단계에서, G = 1과 SDMA 방법에 의해 지원되는 최대 그룹 크기 사이의 모든 가능한 그룹 크기 G에서 유리한 가입자 서브세트가 결정된다. 서브세트에 대한 선택 기준은 서브세트의 메트릭 합의 최대화일 수 있다. 그것의 최대 크기는 일반적으로 서브그룹의 결합된 채널 행렬

의 최대 가능한 랭크에 의해 결정된다.

K = 5인 경우의 예에 대하여 도 4에 도시된 바와 같이, 선택은 검색 트리에 의해 일어날 수 있다. 트리에서 위로 진행하면, 최선의 메트릭을 갖는 가입자가 먼저 찾아지고, 번호 1이 할당된다. 다음 단계에서, 가입자 한 명과 다른 가입자들 중 한 명을 갖는 그룹으로부터 모든 조합이 테스트된다. 예를 들어 최대 합 메트릭을 갖는 조합이 보유되고 좌측 끝에 나타난다. 이는, 최대 허용 그룹 크기에 도달하고, 이로 인해 트리의 좌측 끝에서 상기 유리한 참여자 서브세트가 얻어질 때까지 계속된다.

제2 단계에서, 알고리즘은 트리의 좌측 끝에 있는 유리한 서브세트로부터, 사용하기 위한 서브세트를 선택하고, 이로 인해 그룹 크기를 암시적으로 확립한다. 이 선택은 상기 설명된 분류 메트릭에 의해 다시 일어날 수 있다. 높은 정확도를 달성하기 위하여, 또는 선택된 메트릭이 전송속도와 연관되지 않은 경우, 이 단계에서 가입자의 정확하게 계산된 전송속도가 쓰일 수 있다.

검색 알고리즘의 추적( follow - up ) 및 신규 사용자의 통합

실제 시스템에서, 예를 들어 가입자의 이동 및 환경 변화에 의해 비율은 계속해서 변한다. 이는, 선행한 것에 기초하여 새로운 결정을 행함으로써 가입자 선택에 대한 비용을 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 이러한 목적으로, 예를 들어, 상기 알고리즘에서 전체 분류 프로세스가 매번 반복될 필요는 없다. 대신에, 이전의 최적 해답으로부터 시작하여 일부 가능한 조합만 고려되고, 그 다음 그룹 크기의 변화는 적은 수, 예를 들어, 하나의 트리 레벨에 제한된다. 예를 들어, 이전의 해답을 업데이트하기 위해, 한 레벨을 올라가도록 진행한 다음, 두 레벨을 더 낮추도록 진행할 수 있다. 하나의 트리 레벨을 더 낮추어 진행하도록, 절차는 상기 절차와 유사하며, 한 가입자만 제거될 때 형성하는 모든 그룹이 테스트된다. 이러한 추적에 의해 복잡도는 현저하게 떨어진다.

신규 가입자는 후보로서 트리의 한 레벨에 단순히 도입될 수 있다. 시스템을 벗어난 가입자들은 업데이트되기 전의 이전의 해답으로부터 제거된다.

모든 주파수 리소스의 동시 처리

전송 기술로서 OFDM의 경우, 캐리어는 서로에 대해 직교이다.

이로 인해, 그룹핑 결정은 처음에 서로 독립적인 것으로 보인다. 그러나 최 종 선택이, 발견된 유리한 그룹으로부터의 분류 메트릭에 따른 것이 아니라 빔형성 후의 계산된 SDMA 전송속도에 기초하여 이루어질 경우, 삼차원 문제가 발생한다: 특정 빔형성 방법은 공통 공간 주파수 전력 로딩, 예를 들어 워터 필링(water-filling) 해결책에 의해서만 최대 전송속도를 달성한다. 캐리어가 직교인 것으로 보일 수 있는 N개의 서브캐리어(또는 다수 캐리어로 구성된 N개의 리소스 요소)를 갖는 다중 캐리어 시스템에서, 그룹핑 문제는 하나의 캐리어만 이용하는 가상 시스템으로 감소될 수 있다. 이러한 목적으로, 새로운 시스템은 모든 캐리어의 모든 K개의 가입자 채널로부터 KN명의 가상 사용자로 형성된다. 검색 알고리즘은 f = 1로 이 가상 시스템에 적용될 수 있다. 그러나, 상이한 서브캐리어로부터 발신하는 가입자들은 동일한 그룹 내에 있다면 가입자 메트릭의 계산 중에 존재하지 않은 것으로 보여야 한다. 이러한 절차는 해답의 시간 추적이 동시 사용되면 테스트될 그룹핑의 수를 상당히 감소시킨다.

7. 본 발명에 따른 방법의 이점

본 발명의 해결책 유형은 그룹핑 방법에 대해 3절에서 나타낸 모든 요건들을 충족시키고, 설명된 특정 실시예는 또한 다음 이점들을 갖는다(상세한 설명에 대해서는 6절의 실시예 참조).

- MIMO의 경우 및 MISO(단일 출력) 시스템과 상이한 수신기 상에 상이한 수의 안테나를 갖는 시스템의 경우 모두에 적용가능하다.

- 본 발명은 원래 가입자 데이터 사이의 간섭이 없는 것이 가능한, 소위 제로 포싱(ZF) 방법인 SDMA 방법에 대해 개발되었다. 그러나, 각각의 다른 방법에서 높은 신호 대 잡음 전력 비율에서 찾을 수 있는 최적의 한정 사례로서 ZF 사례가 포함되기 때문에, 잔여 간섭이 가능한 방법에서도 본 방법의 변경 없이 사용될 수 있다.

- 수신기 알고리즘의 특정 유형에 대한 제한이 없다.

- 다수의 가입자가 동작 중에 임의로 변할 수 있다. 신규 가입자는 검색 트리의 다음 실행에 따라 고려된다. 가입자는 또한 검색 트리로부터 임의로 제거될 수 있다.

- 공간 그룹핑을 수행할 수 있기 위해, 가입자로부터 기지국으로의 추가 특성의 피드백이 요구되지 않는다. 대신에, 송신기에서 이미 이용가능한 채널 정보가 이용된다.

- 본 방법은 또한 채널이 매우 강하게 벗어나거나 완벽한 측정이 수행될 수 없는 경우, MIMO 채널의 완벽한 정보 대신에 장기간에 걸쳐 평균화된 채널 통계 정보를 사용할 수 있다.

- 사용자는 추정된 전송속도에 의해 선택되기 때문에, 문헌에서 이미 이용가능한 공정성 및 표면 품질 요건을 처리하기 위한 전송속도 기반의 방법이 본 발명과 조합될 수 있다(상기 참조).

참조문헌

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[9] T. Bonald, "A score-based opportunistic scheduler for fading radio Channels," in Proc. of The Fifth European Wireless Conference EW, Barcelona, Spain, February 2004.

[10] P. Svedman, S. Wilson, and B. Ottersten, "A QoS-aware proportional fair scheduler for opportunistic OFDM, " in Proc. IEEE 60th Vehicular Technology Conference, 2004. VTC2004-Fall, vol. 1, 2004, pp . 558 - 562.

Claims

기지국에서 다수 안테나를 가지며 적어도 하나의 추가적인 직교 다중 접속 방법과 병행하여 공간 분할 다중 접속(SDMA)을 이용하는 무선 통신 전송 시스템에서 전송 동안 최적화된 수의 가입자를 선택하는 방법으로서,

또 다른 유형의 다중 접속의 동일 리소스 요소 내에 공간상 강한 상관관계의 전송 채널을 갖는 가입자들의 지원을 피하는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1에 있어서,

MIMO 시스템을 이용하는 경우 및 MISO 시스템과 상이한 가입자들의 수신기에서 상이한 수의 안테나들을 이용하는 경우 모두에 대해 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

가입자들의 분류에 대하여, 동시에 지원받을 모든 가입자들의 예상되는 각각의 개별 전송의 품질에 미치는 대체(alternate) 영향을 보여줄 수 있는 분류 크기가 사용되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

최대 가능한 가입자 데이터 전송속도(data rate)의 추정치 또는 빔형성의 사용 후의 예상되는 추정치가 가입자 선택을 위한 특성으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

가입자의 개별 전송속도 추정치를 장기간 평균값으로 나눔으로써 비례 공정성(proportional fairness)의 원리에 따라 가입자의 선택이 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 가입자 데이터 전송속도의 추정은 서비스 품질 요건을 고려한 다른 전송속도 기반의 방법에 대한 인터페이스로서 역할하는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

SDMA 방법에 필요한 채널 정보 또는 채널 통계 정보만 이용하여 작용할 수 있고 어떤 추가 정보도 가입자에 의해 상기 기지국에 반환될 필요가 없지만, 개별 가입자의 서비스 품질 요건이 요구에 따라 고려될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

채널 통계는 상관 행렬
의 형태로 사용되고, 상기 방법은
의 신호 공간에 기초함으로써(예를 들어, 특이값 분해에 의해) 형성되는,
대신 재구성된 채널 행렬
을 이용하여 작용되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,

곱의 함수
인 분류 크기가 가입자의 선택에 사용되며,

는 그룹 크기 G의 가입자 수 g의 수신 안테나 M _R _,g와 송신기의 송신 안테나 M _T 사이의 채널 계수를 갖는 행렬이고,

는 결합 행렬
의 영 공간(null space)으로부터 나타낼 수 있는, 그룹 내 모든 다른 가입자의 채널 행렬들의 영 공간 부분으로의 직교 투영 행렬인 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,

가입자 g에 속하는 상기 직교 투영 행렬
은 개별 가입자의 개별 영 공간 으로의 투영 행렬
의 곱에 의해, 즉,
(근사화의 정확도는 p가 커질수록 증가함)에 의해, 동일 그룹 내 모든 다른 가입자의 영 공간의 부분에서 근사화되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,

가입자 조합을 배제하기 위해, 모든 가입자 조합에 대한 광범위한 검색보다 더 적은 조합을 체크해야 하는 최적화된 분류 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,

계산 비용을 감소시키기 위해, 계속해서 변하는 시나리오에서 가입자를 선택하는 데 있어서 이전의 해답이 고려되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,

가입자가 요구에 따라 상기 시스템으로부터 제거되고 상기 시스템에 추가될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,

모든 N개의 리소스 요소의 K 명의 가입자의 모든 표현은, KN 명의 가상 가입자로 구성되며 상이한 캐리어들로부터 발신하는 가상 가입자들이 분류 메트릭의 계산 동안 서로 영향을 미치지 않는 가상 주파수 비선택적 시스템을 형성함으로써, 동일한 분류 알고리즘에서 동시에 주파수 방향으로 처리될 수 있는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,

가입자 그룹핑을 선택하는 데 트리형 분류 알고리즘을 사용하는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 15에 있어서,

시간에 따라 계속해서 변하는 시나리오로 검색 트리를 추종하되, 전체 트리를 계산하는 대신에 이전의 해답으로부터 시작하여 일부 상위 및 하위 레벨들이 계산되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
청구항 15에 있어서,

신규 가입자의 통합 및 가입자의 제거를 위한 방법이 구현되는 것을 특징으로 하는 최적화된 수의 가입자 선택 방법.
계산 기계가 청구항 1 내지 청구항 17 중 적어도 한 항에 따른 방법을 실행할 수 있게 해주는 컴퓨터 프로그램.
청구항 1 내지 청구항 17 중 적어도 한 항에 따른 방법의 구현이 가능하도록 필요한 기술 장치 또는 기존 기술 장치의 확장.