KR20080103395A - 다중 입출력 통신 방법 및 이를 이용한 다중 입출력 통신시스템 - Google Patents

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Abstract

다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법이 개시된다. 다중 입출력 통신 시스템은 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정하는 안테나 수 결정부 및 유저(user) 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 상기 전송 신호를 생성하는 빔 형성부를 포함한다.
다중 입출력, MIMO, 빔포밍, 제로포싱, 액티브 안테나, 피드백

Description

다중 입출력 통신 방법 및 이를 이용한 다중 입출력 통신 시스템{MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT COMMUNICATION METHOD AND MULTI-INPUT MULTI-OUTPUT COMMUNICATION SYSTEM OF ENABLING THE METHOD}
본 발명은 멀티 유저(multi user) 다중 입출력 통신에 관한 것으로, 특히 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나를 컨트롤하는 다중 입출력 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 무선 통신 환경에서 음성 서비스를 비롯한 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하고, 고품질 및 고속의 데이터 전송을 지원하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 공간 영역에서 다수의 채널들을 이용하는 MIMO(multi input multi output) 시스템에 대한 기술이 급속도로 발전하고 있다.
MIMO 기술은 다중 안테나를 사용함으로써 한정된 주파수 자원 내에서 채널 비트 수를 증대하여 높은 데이터 전송률을 제공하는 기술이다. MIMO 기술은 산란체가 풍부한 채널 환경에서 다중 송수신 안테나들을 사용함으로써 이론적으로는 송신 및 수신 안테나들 중 적은 수의 안테나 수에 비례하는 채널 용량(channel capacity)을 제공한다.
하나의 기지국이 여러 개의 단말기를 지원하는 멀티 유저 환경에서, 멀티 유저를 고려한 MIMO 시스템의 전체 채널 용량(channel capacity) 증대시키기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
멀티 유저를 고려한 MIMO 시스템의 상향 링크에서는 멀티 유저가 동일한 기지국을 향해 데이터를 전송하고, 하향 링크에서는 기지국이 멀티 유저에 데이터를 전송한다. 게다가, 멀티 유저들간에는 어떠한 협조도 할 수 없다는 점이 단일 사용자 기반의 MIMO 시스템과 다른 점이다.
멀티 유저 기반의 MIMO에서는 일반적으로 사용자 단말기는 양자화(quantization)된 채널에 대한 정보를 기지국으로 피드백한다. 또한, 기지국이 피드백된 채널 정보를 기초로 프리코딩된 신호를 전송하는 경우 실제의 채널 벡터와 채널 정보에 상응하는 채널 벡터는 차이가 존재한다. 따라서, 그 차이로 인해 프리코딩 시 오차가 발생한다. 이러한 오차는, 높은 전력으로 신호가 전송되는 경우, 그 오차에 따른 잡음의 영향으로 데이터 전송률을 감소시키는 원인이 된다.
다만, 이러한 오차를 줄이기 위하여는 이상적으로 많은 비트 수의 채널 정보가 피드백되어야 하는데, 피드백되는 채널 정보의 비트 수가 증가할수록 통신 시스템에에 작용하는 오버헤드(over-head)도 증가한다.
따라서, 피드백하는 채널 정보의 비트 수를 증가시키지 않으면서도 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 그 방법의 필요성이 요구된다.
본 발명은 전송 신호 파워를 고려하여 가변적으로 송신 안테나를 결정함으로써 보다 효과적으로 데이터를 전송할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전송 신호의 파워가 높은 상황에서도 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 전송 신호의 신호대잡음비가 높아지더라도 보다 적은 수의 송신 안테나를 사용함으로써 보다 효율적으로 데이터를 전송할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 보다 적은 수의 송신 안테나를 사용하여 높은 데이터 전송률을 달성함으로써 보다 적은 하드웨어 자원을 사용할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 피드백되는 채널 정보의 비트 수가 제한되더라도 전송 신호의 파워, 유저 단말기의 수를 고려하여 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제로 포싱(zero-forcing) 알고리즘을 이용하여 전송 신호를 생성함으로써 보다 간섭이 적은 통신 환경을 제공할 수 있는 다중 입출력 통신 시스템 및 다중 입출력 통신 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템은 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정하는 안테나 수 결정부 및 유저(user) 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 상기 전송 신호를 생성하는 빔 형성부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템은 유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 전송 신호를 생성하는 빔 형성부 및 상기 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나를 선택하는 안테나 선택부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계 및 유저(user) 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 상기 전송 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 전송 신호를 생성하는 단계 및 상기 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나를 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명은 전송 신호 파워를 고려하여 가변적으로 송신 안테나를 선택함으로써 보다 효과적으로 데이터를 전송할 수 있다.
또한, 본 발명은 전송 신호의 파워가 높은 상황에서도 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 전송 신호의 신호대잡음비가 높아지더라도 보다 적은 수의 송신 안테나를 사용함으로써 보다 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
또한, 본 발명은 보다 적은 수의 송신 안테나를 사용하여 높은 데이터 전송률을 달성함으로써 보다 적은 하드웨어 자원을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 피드백되는 채널 정보의 비트 수가 제한되더라도 전송 신호의 파워, 유저 단말기의 수를 고려하여 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명은 제로 포싱(zero-forcing) 알고리즘을 이용하여 전송 신호를 생성함으로써 보다 간섭이 적은 통신 환경을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 입출력 통신 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 기지국(110)은 M 개의 송신 안테나들을 포함하고 있고, K 개의 유저 단말기들이 존재한다.
기지국(110)의 안테나들과 유저 단말기들 사이에는 데이터 통신을 위한 채 널이 형성된다. 일반적으로 형성되는 채널은 채널 매트릭스로 표현될 수 있고, 여기서는 채널 매트릭스를 H라고 가정한다. 이 때, 유저 단말기 측에서 수신되는 신호와 송신 안테나 측에서 전송되는 신호 사이에는 하기 수학식 1과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112007092261810-PAT00001
여기서, Y는 유저 단말기 측에서 수신되는 신호들에 대한 벡터이며, X는 송신 안테나 측에서 전송하는 신호들에 대한 벡터이고, N은 잡음을 의미한다.
이 때, 송신단이 미리 채널 매트릭스에 관한 정보를 알고 있다면, 전송 신호 X가 유저 단말기로 효율적으로 송신될 수 있다. 즉, 하기 수학식 2를 이용하여 데이터 스트림 S 프리코딩된 전송 신호 X가 생성된다면, 유저 단말기들은 서로 간의 간섭 없이 더 효율적으로 데이터 스트림 S를 수신할 수 있다.
이 때, 상기 수학식 1은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00002
즉, 전송하고자 하는 데이터 스트림을 S라고 한다면, 데이터 스트림 S는
Figure 112007092261810-PAT00003
를 이용하여 프리코딩된다. 여기서, D는
Figure 112007092261810-PAT00004
의 크기를 정규화(normalize)하기 위한 대각 행렬이다.
이 때, 기지국(110)과 유저 단말기 사이에 형성되는 채널의 상태는 시간, 공간에 따라 변하므로 기지국(110)은 주기적으로 채널에 관한 정보를 알아내야 한다.
이 때, 유저 단말기들은 파일럿 신호 등을 통하여 주기적으로 채널 정보를 파악한 후, 파악된 채널 정보를 기지국(110)으로 피드백한다. 따라서, 기지국(110)은 유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 데이터 스트림 S를 프리코딩한다. 다만, 유저 단말기가 자체적으로 채널 벡터를 계산하여 기지국(110)으로 계산된 채널 벡터 전체를 피드백한다면, 피드백하는 데이터의 비트 수가 너무 커질 수 있다.
이 때, 유저 단말기는 다수의 벡터를 미리 저장해 둘 수 있고, 유저 단말기는 채널 벡터를 계산한 후 미리 저장된 벡터들 중 계산된 채널 벡터의 방향과 가장 근접한 벡터를 선택할 수 있다. 이 때, 유저 단말기는 선택된 벡터에 대한 정보를 피드백할 수 있다.
이 때, 유저 단말기들은 미리 저장된 벡터들 중 선택된 벡터에 대한 인덱스만을 기지국(110)에 피드백할 수 있다. 따라서, 유저 단말기가 피드백하는 데이터의 비트 수는 크게 감소할 수 있다.
여기서 유저 단말기들이 기지국(110)으로 피드백하는 데이터의 비트 개수를 B라고 가정한다. 이 때, 유저 단말기들은 B 비트의 데이터를 피드백할 수 있으므로
Figure 112007092261810-PAT00005
개의 벡터들을 미리 저장해 둘 수 있다.
이 때, 유저 단말기가 파일럿 신호 등을 통하여 채널 벡터를 계산한다면, 유저 단말기는 미리 준비된
Figure 112007092261810-PAT00006
개의 벡터들 중 계산된 채널 벡터와 가장 근접한 벡터를 선택할 수 있고, 선택된 벡터에 대한 인덱스만을 기지국(110)으로 피드백할 수 있다. 이에 따라, 기지국(110)은 피드백된 상기 인덱스를 이용하여 상기 인덱스에 상응하는 채널 벡터를 미리 준비된 벡터들 중에서 선택하고, 이를 기초로 빔포밍 벡터를 생성할 수 있다.
상술한 과정을 통하여, 기지국(110)은 데이터 스트림 S를 빔포밍한 전송 신호(X)를 생성할 수 있고, 유저 단말기는 적은 비트 수로도 채널 정보를 효율적으로 피드백할 수 있다.
이 때, 채널 매트릭스 H는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00007
여기서, 기지국의 송신 안테나의 개수가 M이고 유저 단말기의 개수가 K인 경우 H는 K x M 사이즈를 갖는 매트릭스일 수 있다.
본 명세서는 유저 단말기가 하나의 안테나를 갖는 경우를 설명하고 있으나, 본 발명은 유저 단말기가 하나의 안테나를 갖는 경우에 한정되지 않는다. 특히, 유저 단말기가 복수의 안테나를 가지고 있고 이들 안테나들이 수신한 벡터와 선형 필터를 내적하여 스칼라를 출력하는 시스템의 경우, 실효 채널은 유저 단말기가 하나의 안테나를 갖는 경우와 동일하므로 본 발명의 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
또한, i 번째 유저 단말기와 형성되는 채널에 대한 벡터
Figure 112007092261810-PAT00008
는 M x 1 사이즈를 갖는 채널 벡터일 수 있다. 즉,
Figure 112007092261810-PAT00009
는 채널 매트릭스의 전각 매트릭스(transpose matrix)인 HT의 i 번째 열 벡터(column vector)일 수 있다.
이 때, i 번째 유저 단말기가 수신하는 신호를
Figure 112007092261810-PAT00010
, 송신 안테나가 송신하는 전송 신호를
Figure 112007092261810-PAT00011
라고 가정한다. 이 때,
Figure 112007092261810-PAT00012
는 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00013
(i=1, 2, 3,..., K)
여기서,
Figure 112007092261810-PAT00014
는 i 번째 유저 단말기에서 발생되는 잡음(noise)을 나타낸다.
즉, i 번째 유저 단말기에서 수신되는 신호
Figure 112007092261810-PAT00015
는 i 번째 유저 단말기와 형성되는 채널에 대한 채널 벡터와 송신 안테나에서 송신되는 전송 신호(x)를 곱한 값에 잡음(
Figure 112007092261810-PAT00016
)을 더한 값과 같게 된다.
송신 안테나들을 통하여 송신되는 전송 신호
Figure 112007092261810-PAT00017
는 기지국(110)의 송신 안테나들과 유저 단말기 사이에 형성되는 채널을 통해 상기 수학식 4의 관계를 가지고 유저 단말기에게 전송된다.
상기 수학식 4의 전송 신호
Figure 112007092261810-PAT00018
는 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00019
즉, 전송 신호
Figure 112007092261810-PAT00020
는 데이터 스트림(s)을 프리코딩하여 생성될 수 있다. 여기서,
Figure 112007092261810-PAT00021
는 매트릭스
Figure 112007092261810-PAT00022
의 j 번째 열(column)벡터로서 빔포밍 벡터이다.
이 때, 상기 수학식 5와 상기 수학식 4를 이용하여
Figure 112007092261810-PAT00023
는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00024
이 때, 상기 수학식 6은 하기 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00025
여기서,
Figure 112007092261810-PAT00026
는 i 번째 유저 단말기의 입장에서는 잡음으로 해석될 수 있다.
만약
Figure 112007092261810-PAT00027
를 제로(zero, 0)로 만들 수 있다면, 간섭과 잡음은 ni로 줄어들게 된다. 이 때, i 번째 단말기로 형성되는 채널 매트릭스와 직교하는(orthogonal)는
Figure 112007092261810-PAT00028
가 선택될 수 있다. 즉,
Figure 112007092261810-PAT00029
와
Figure 112007092261810-PAT00030
가 직교한다면,
Figure 112007092261810-PAT00031
는 제로가 되어 간섭이 최소화된다. 즉, 기지국이 i 번째 단말기에게 데이터 스트림을 전송하고자 하는 경우 i 번째 단말기와 형성되는 채널 이외의 모든 채널과 직교하는 빔포밍 벡터
Figure 112007092261810-PAT00032
로 데이터 스트림을 프리코딩하는 것을 제로 포싱 빔포밍(zero forcing beam forming)이라고 한다.
다만, 이 때, 빔포밍 벡터
Figure 112007092261810-PAT00033
도 유저 단말기로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 생성된다. 즉, 유저 단말기들에는 채널 벡터 혹은 채널 방향 벡터가 될 수 있는 다수의 벡터들이 미리 저장될 수 있다. 이상적인 경우로서, 기지국이 모든 유저들의 채널 방향 벡터를 정확히 알고 있다면, 기지국에서 제로 포싱 빔포밍을 통해 계산한 i 번째 빔포밍 벡터는 i 번째 단말기 이외의 모든 단말기들의 채널들과 직교한다. 그러나 유저 단말기들은 미리 저장된 다수의 벡터들 중 자신의 채널 벡터 방향과 가장 근접한 벡터의 인덱스만을 기지국(110)으로 피드백하므로, 이 과정에서 오차가 발생한다. 이 때, 이러한 오차를 양자화 에러(quantization error)라고 한다. 채널 정보를 피드백하는 과정에서 발생하는 양자화 에러는 제로 포싱 빔포밍 과정에도 영향을 주므로 기지국에서 실제로 생성한 i 번째 빔포밍 벡터는 i 번째 단말기 이외의 채널들과 정확히 직교하지 않고 약간의 간섭을 일으킨다.
양자화 에러는 낮은 파워로 신호를 전송하는 경우에는 양자화 에러에 따른 영향은 무시될 수 있으나, 높은 파워로 신호를 전송하는 경우에는 그 영향은 무시될 수 없다. 다만, 양자화 에러는 유저 단말기가 피드백하는 데이터의 비트 개수를 증가시키면 감소할 수 있다. 왜냐 하면, 데이터의 비트 개수가 증가할수록 더 많은 벡터들이 기지국 또는 유저 단말기에 저장될 수 있기 때문이다. 또한, 피드백 데이터의 비트 개수가 증가할수록 송신 안테나들로부터 유저 단말기들에게 전송되는 데이터의 총 데이터 전송률도 증가한다. 다만, 유저 단말기가 피드백하는 데이터의 비트 개수가 증가된다는 것은 시스템 전체적으로 나쁜 영향이 있으며, 비트 개수를 가변적으로 변화시키는 것도 프레임 구조의 설계에 큰 부담이 된다.
이 때, 유저 단말기가 피드백하는 데이터의 비트 개수(B), 유저 단말기의 수(K)와 송신 안테나들의 개수(M) 및 전송 신호의 파워(P) 사이에는 하기 수학식 8과 같은 등식이 성립할 때, 양자화 에러로 인한 손실은 일정 수준 이하로 유지될 수 있다. 즉, 전송 신호의 파워(P)가 증가할수록 피드백 비트 수 B가 지속적으로 증가되어야 양자화 에러로 인한 손실이 조절될 수 있다. 그리고, 전송 신호의 파워(P)는 전송 신호의 신호대잡음비를 포함하는 개념으로서, 전송 신호의 파워(P)가 증가할수록 전송 신호의 신호대잡음비(SNR)는 증가하고, 전송 신호의 파워(P)가 감소할수록 전송 신호의 신호대잡음비(SNR)는 감소한다.
보다 구체적으로, 수학식 8과 같이 전송 신호의 파워(P)에 따라 피드백 비트 수 B가 지속적으로 증가되면, 이상적인 경우의 데이터 전송률(즉, 기지국이 양자화 에러 없이 채널 정보를 정확히 아는 경우의 전송률) 대비 전송률 손실이 일정 수준 이내로 유지될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00034
여기서, c는 상수이다.
상기 수학식 8을 참조하면, B와 K가 일정한 경우, 즉 피드백 비트 수(B)가 일정하게 유지되는 경우에도, 신호대잡음비(SNR) 또는 전송 신호의 파워(P)의 변화에 따라 송신 안테나의 개수를 조절하여 양자화 에러로 인한 손실이 조절될 수 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템은 안테나 수 결정부(210), 빔 형성부(220) 및 안테나 스위칭부(230)를 포함한다.
안테나 수 결정부(210)는 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정한다.
이 때, 전송 신호의 파워는 송신단 측에서 미리 설정될 수 있다.
다시, 상기 수학식 8을 참조하면, 유저 단말기들로부터 기지국으로 피드백되는 비트의 개수인 B가 고정되어 있다고 가정한다. 이 때, 높은 신호대잡음비(P)가 달성되기 위해서는 송신 안테나의 개수 M이 감소되어야 한다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 수 결정부(210)는 전송 신호의 파워가 증가함에 따라 액티브 안테나의 수를 감소시킬 수 있다. 전송 신호의 파워가 높을수록 적은 수의 액티브 안테나를 가지고 전송 신호를 전송함으로써 더 높은 데이터 전송률이 달성될 수 있다. 특히, 전송 신호의 파워가 특정 레벨보다 높은 경우, 적은 수의 액티브 안테나들을 사용함으로써 액티브 안테나들 사이에서 발생하는 간섭이 감소할 수 있으므로, 높은 데이터 전송률이 달성될 수 있다.
이 때, 안테나 수 결정부(210)는 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 유저 단말기의 수 또는 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다. 여기서, 신호대잡음비는 전송 신호의 파워에 포함되는 개념일 수 있다. 왜냐 하면, 잡음이 어느 일정한 값으로 정규화되는 경우에 신호대잡음비는 곧 파워를 의미하기 때문이다. 또한, 안테나 수 결정부(210)는 채널 정보의 비트 수가 작을수록 액티브 안테나의 수를 증가시킬 수 있다. 그리고, 안테나 수 결정부(210)는 유저 단말기의 수가 많을수록 액티브 안테나의 수를 증가시킬 수 있다.
또한, 빔 형성부(220)는 유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 액티브 안테나의 수에 상응하는 전송 신호를 생성한다.
이 때, 송신 안테나들이 4개 있다고 가정한다. 이 때, 안테나 수 결정부(210)는 전송 신호의 파워를 고려하여 4개의 송신 안테나들 중 액티브 안테나의 수를 2개로 결정할 수 있다. 이 때, 전송 신호가 4개의 송신 안테나를 통하여 전송되는 경우보다 2개의 액티브 안테나를 통하여 전송되는 경우가 더 높은 데이터 전송률이 달성될 수 있다.
또한, 4개의 송신 안테나들 중 액티브 안테나의 수가 3개인 경우 빔 형성부(220)는 마치 송신 안테나들이 3개인 것과 같이 전송 신호를 생성할 수 있다. 더 나아가서, 3 개의 액티브 안테나로부터 전송 신호를 송신 받은 유저 단말기들은 마치 송신 안테나의 수가 3개인 것과 같이 채널 정보를 피드백할 수 있다.
이 때, 액티브 안테나의 개수에 따라 빔포밍 벡터의 차원이 달라질 수 있으므로, 유저 단말기들에는 복수의 코드북이 미리 저장될 수 있다. 예를 들어, 액티브 안테나의 개수가 4개, 3개, 2개, 1개인 경우를 대비하여, 유저 단말기들에는 각각의 경우에 대한 A, B, C, D 코드북이 미리 저장될 수 있다. 이 때, A, B, C, D 코드북에 포함되는 벡터들은 각각 차원이 4 x 1, 3 x 1, 2 x 1, 1 x 1일 수 있고, 유저 단말기들은 액티브 안테나의 수에 따라 A, B, C, D 코드북 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 선택된 코드북에 포함되는 벡터들 중 적어도 하나를 선택할 수 있다. 그리고, 유저 단말기들은 선택된 벡터의 인덱스 정보를 포함할 수 있는 채널 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다.
즉, 송신 안테나들의 수가 M이고, 채널 정보의 비트 수가 B인 경우, 안테나 수 결정부(210)는 전송 신호의 파워를 고려하여 액티브 안테나의 수를 M보다 작은 M-L로 결정할 수 있다. 이 때, 빔 형성부(220)는 결정된 액티브 안테나의 수(M-L)와 상응하도록 안테나의 차원(dimension)이 M-L인 빔포밍 벡터를 이용하여 차원이 M-L인 전송 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 전송 신호에서 나머지 L 차원에 해당되는 부분은 0(zero)로 설정될 수 있다.
또한, 일반적으로, 송신 안테나들의 수가 M이고, 채널 정보의 비트 수가 B 인 경우, 유저 단말기들은 M x
Figure 112007092261810-PAT00035
사이즈를 갖는 코드북을 사용한다. 다만, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유저 단말기들은 액티브 안테나의 수와 상응하는 (M-L) x
Figure 112007092261810-PAT00036
사이즈를 갖는 코드북을 사용할 수 있다.
즉, 유저 단말기는 결정된 액티브 안테나의 수(M-L)에 따라 미리 저장된 복수의 코드북들 중 하나의 액티브 코드북을 선택할 수 있다. 이 때, 액티브 코드북에 포함되는 벡터들은 차원이 M-L이다. 그리고, 유저 단말기는 액티브 코드북에 포함되는 벡터들 중 적어도 하나의 인덱스 정보를 포함할 수 있는 채널 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다.
또한, 안테나 수 결정부(210)는 가상 안테나(virtual antenna) 개념을 이용하여 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다. 이 때, 안테나 수 결정부(210)는 실효 채널의 상태가 유지되도록 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다.
M 개의 송신 안테나들이 있다고 가정할 때, 가상 안테나 개념을 이용하면, 액티브 안테나의 수가 M 개로 결정되어 M 개의 송신 안테나들 모두가 신호를 송신하더라도 M-L 개의 안테나들이 신호를 송신하는 것과 같은 효과가 발생할 수 있다. 이 때, M-L 개의 안테나들 각각을 가상 안테나라고 한다.
즉, M 개의 송신 안테나들 모두가 액티브 안테나로 결정된 경우, M개의 송신 안테나들이 송신하는 신호를 Xout이라고 하고, M-L 개의 가상 안테나들이 송신하는 신호를 Xin이라고 가정한다. 여기서, Xout의 차원은 M x 1이고, Xin의 차원은 (M-L) x 1이다. 이 때, Xout과 Xin의 관계는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Xout=PXin
상기 수학식 9를 참조하면, P는 사이즈가 M x (M-L)인 매트릭스이다. 이 때, 실효(effective) 채널은 매트릭스 P와 채널 벡터의 곱과 같다. 따라서, M 개의 액티브 안테나가 실제 채널을 통해 신호를 송신하는 경우와 M-L개의 가상 안테나가 실효 채널을 통해 신호를 송신하는 경우, 유저 단말기는 각각 동일한 신호를 수신한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 기술적 사상은 가상 안테나 기법을 이용하여 실제로 신호를 전송하는 물리적인 액티브 안테나의 개수를 달리하여 유저 단말기에게 동일한 효과를 도출할 수 있는 실시예를 포함한다. 다만, 가상 안테나 기법을 이용하여 물리적인 액티브 안테나의 개수를 달리하더라도, 유저 단말기와 기지국 사이에 형성된 실효 채널은 변하지 않는다.
특히, 가상 안테나 기법을 이용하는 경우, 각각의 액티브 안테나에 할당되는 파워가 용이하게 제어될 수 있으며, 각각의 유저 단말기들은 실효 채널에 대한 정보를 양자화하여 기지국으로 피드백하므로 양자화 에러가 감소되는 효과가 발생할 뿐만 아니라 그에 따라 데이터 전송률이 증가할 수 있다.
이 때, 빔 형성부(220)는 제로 포싱(zero forcing) 알고리즘을 이용하여 전 송 신호를 생성할 수 있다. 즉, 빔 형성부(220)는 결정된 액티브 안테나의 수에 부합할 수 있도록 제로 포싱 알고리즘을 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다. 제로 포싱 빔포밍 알고리즘에 관하여는 도 1과 관련하여 설명한 바 있으므로 이하 생략한다.
이 때, 피드백되는 채널 정보는 채널 상태 정보 또는 채널 방향 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상술한 제로 포싱 빔포밍 방식으로 전송 신호가 생성되는 경우 기지국은 상기 채널 방향 정보를 피드백받음으로써 채널의 방향을 파악할 수 있다. 따라서, 기지국은 채널의 방향을 파악함으로써, 채널 벡터와 직교하는 빔포밍 벡터를 생성할 수 있다.
또한, 안테나 수 결정부(210)가 M개의 송신 안테나 중 M-L개를 액티브 안테나로 결정하였다면, 단말기는 M-L개의 액티브 안테나로부터 형성된 채널에 대한 채널 정보를 빔 형성부(220)로 피드백할 수 있다.
이 때, 도 2에 도시되지 아니하였으나, 빔 형성부(220)는 채널 정보를 기초로 빔포밍 벡터를 생성하는 빔포밍 벡터 생성부 및 생성된 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 전송 신호를 생성하는 전송 신호 생성부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 채널 정보에 포함되는 채널 방향 정보를 기초로 빔포밍 벡터 생성부는 제로 포싱 빔포밍 벡터를 생성할 수 있다. 또한, 전송 신호 생성부는 생성된 빔포밍 벡터와 송신하고자 하는 데이터 스트림을 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 채널 정보는 유저 단말기들에 미리 저장된 다수의 벡터들 중 선택된 벡터들의 인덱스에 관한 정보를 포함할 수 있다.
이 때, 채널 정보는 선정된(predetermined) 개수의 비트 정보일 수 있다. 예를 들어, 유저 단말기들은 다수의 벡터들을 미리 저장해 두었다가, 채널 정보를 파악한 후 채널 정보에 상응하는 벡터들에 대한 인덱스를 기지국으로 피드백할 수 있다. 이에 따라, 기지국도 유저 단말기로부터 소정의 비트 정보로 피드백된 채널 정보를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성할 수 있다.
또한, 안테나 스위칭부(230)는 송신 안테나들 중 하나 이상의 액티브 안테나를 스위칭한다.
예를 들어, M개의 송신 안테나 중 M-L개가 액티브 안테나의 수로 결정되었다면, 빔 형성부(220)는 차원이 M-L인 전송 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 안테나 스위칭부(230)는 M-L개의 액티브 안테나가 그 전송 신호를 유저 단말기들에게 송신할 수 있도록 송신 안테나들을 스위칭할 수 있다. 이 때, M개의 송신 안테나 중 안테나 스위칭부(230)에 의해 턴 온(turn on)된 M-L개의 액티브 안테나만이 그 전송 신호를 송신할 수 있다.
즉, 본 발명은 전송 신호의 파워를 고려하여 가변적으로 액티브 안테나의 수를 조절함으로써 피드백되는 데이터의 비트 개수를 변경시키지 않고도 효율적으로 데이터를 전송할 수 있다.
또한, 도 2에 도시되지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 다른 다중 입출력 통신 시스템은 채널 정보를 이용하여 복수의 단말기들 중 통신에 참여할 유저 단말기를 선택하는 유저 단말기 선택부를 더 포함할 수 있다.
즉, 복수의 단말기 중에서도 실제 통신에 참여하는 유저 단말기는 일부일 수 있다. 예를 들어, 유저 단말기 선택부는 채널의 상태에 관한 정보인 채널 상태 정보에 따라 채널 상태가 좋은 채널에 대응하는 단말기만을 유저 단말기로 선택할 수 있다. 또한, 유저 단말기 선택부는 SUS(Semi-orthogonal User Selection), GUS(Greedy User Selection) 알고리즘을 이용하여 유저 단말기를 선택할 수 있다. 이 때, 유저 단말기 선택부는 전송 신호의 데이터 전송률을 설정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템이 도시된 도면이다.
도 3을 참조하면, 유저 단말기 선택부(310), 빔 형성부(320), 안테나 선택부(330), 송신 안테나들(ANT1, ANT2, ANT3, ANT4) 및 유저들(유저 1, 유저 2,..., 유저 4)이 도시되어 있다.
유저 단말기 선택부(310)는 다수의 유저들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 통신에 참여하는 유저들(유저 1, 유저 2,...,유저 4)을 선택할 수 있다. 이 때, 유저 단말기 선택부(310)는 기지국과 유저들 사이에 형성된 채널 상태 등을 고려하여 유저들을 선택할 수 있다.
기지국이 M개의 송신 안테나를 사용하는 경우 한번에 통신에 참여할 유저는 M명까지 선택될 수 있다. 이 때, 전송 신호의 파워가 고려되어 액티브 안테나 수가 M-L개로 감소되었다면, 통신에 참여할 유저는 (M-L) 명까지 될 수 있다.
빔 형성부(320)는 유저들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 통신에 참여할 유저들에게 전송할 전송 신호를 생성한다. 이 때, 빔 형성부(320)는 데이터 스트림 및 프리코딩 매트릭스를 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다. 또한, 도 2와 관련하여 설명하였지만, 빔 형성부(320)는 액티브 안테나 수에 상응하는 빔포밍 벡터를 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 빔 형성부(320)는 통신에 참여하는 유저들로부터 채널에 관한 정보인 채널 정보를 피드백 받을 수 있다. 채널 정보에는 기지국과 유저들 사이에 형성된 채널 벡터에 관한 채널 방향 정보 또는 채널 상태 정보가 포함될 수 있다.
이 때, 빔 형성부(320)는 제로 포싱 알고리즘을 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다. 제로 포싱 알고리즘을 이용하여 전송 신호가 생성되고, 그 전송 신호가 유저들에게 전송되는 경우에 이상적으로는 채널 사이의 간섭으로 인한 잡음은 제거될 수 있다. 다만, 유저들로부터 피드백되는 채널 정보는 양자화된 채널 벡터에 관한 정보이므로, 채널 사이의 간섭으로 인한 잡음은 여전히 존재할 수 있다. 특히, 전송 신호의 파워 혹은 신호대잡음비가 증가할수록 채널 사이의 간섭으로 인한 잡음은 더욱 커질 수 있다.
또한, 빔 형성부(320)는 피드백된 채널 정보를 기초로 빔포밍 벡터를 생성하는 빔포밍 벡터 생성부 및 빔포밍 벡터를 이용하여 전송 신호를 생성하는 전송 신호 생성부를 포함할 수 있다.
안테나 선택부(330)는 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들(ANT1, ANT2, ANT3, ANT4) 중 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나(ANT1, ANT2, ANT3)를 선택한다. 이 때, 안테나 선택부(330)는 전송 신호의 파워뿐만 아니라 전송 신호의 신호대잡음비를 더 고려할 수 있다.
즉, 안테나 선택부(330)는 전송 신호의 파워가 기 설정된 레벨 이상인 경우 액티브 안테나의 수를 4 개에서 3 개로 감소시키는 것이다. 이 때, 액티브 안테나의 수가 3 개인 경우가 4 개인 경우보다 더 높은 데이터 전송률이 달성될 수 있다. 즉, 피드백되는 채널 정보의 비트 수가 일정한 경우에는 액티브 안테나 수가 조절됨으로써, 더 높은 데이터 전송률이 달성될 수 있다. 예를 들어, 전송 신호의 파워가 더 증가하는 경우에는 액티브 안테나가 ANT1, ANT2가 되도록 안테나 선택부(330)는 액티브 안테나를 선택할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 안테나 선택부(330)는 가상 안테나 기법을 이용하여 실효 채널의 상태가 유지되도록 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 다중 입출력 통신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 다른 다중 입출력 통신 방법은 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정한다(S410).
이 때, 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계(S410)는 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 유저 단말기의 수 또는 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다.
이 때, 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계(S410)는 전송 신호의 파워가 증가함에 따라 액티브 안테나의 수를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 유저(user) 단 말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 액티브 안테나의 수에 상응하는 전송 신호를 생성한다(S420).
이 때, 전송 신호를 생성하는 단계(S420)는 제로-포싱(zero forcing) 알고리즘을 이용하여 전송 신호를 생성할 수 있다.
이 때, 전송 신호를 생성하는 단계(S420)는 채널 정보를 기초로 빔포밍 벡터를 생성하는 단계 및 생성된 빔포밍 벡터를 이용하여 전송 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 다른 다중 입출력 통신 방법은 송신 안테나들 중 하나 이상의 액티브 안테나를 스위칭(switching)한다(S430).
또한, 도 4에 도시되지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 전송 신호의 파워를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 4에 도시되지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 채널 정보를 이용하여 복수의 단말기들 중 통신에 참여하는 유저 단말기를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 4에 도시되지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법은 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나를 선택하는 단계 및 유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 전송 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
이 때, 액티브 안테나를 선택하는 단계는 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 유저 단말기의 수 또는 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 액티브 안테나의 수를 결정할 수 있다. 이 때, 액티브 안테나를 선택하는 단계는 가상 안테나 기법을 이용하여 상기 액티브 안테나를 선택할 수 있다.
도 4에 도시된 단계에 관하여 설명되지 아니한 내용은 도 1 내지 도 3을 통하여 이미 설명한 바와 같으므로 이하 생략한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단말 장치를 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 단말 장치(510)는 채널 정보 생성부(511), 채널 정보 전달부(512) 및 전송 신호 수신부(513)를 포함한다.
채널 정보 생성부(511)는 액티브 안테나의 수를 고려하여 기지국(520)과 형성된 채널에 대한 채널 정보를 생성한다.
이 때, 채널 정보 생성부(511)는 미리 저장된 하나 이상의 코드북 중 액티브 안테나의 수에 상응하는 액티브 코드북을 선택하고, 선택된 코드북을 이용하여 채널 정보를 생성할 수 있다.
게다가, 채널 정보 생성부(511)는 액티브 코드북에 포함된 복수의 벡터들 중 기지국(520)과 형성된 채널에 상응하는 벡터를 선택하고, 선택된 벡터의 인덱스 정보를 포함하는 채널 정보를 생성할 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 액티브 안테나의 수가 가변적으로 조절되는 경우, 코드북의 사이즈 또는 코드북에 포함된 벡터들의 사이즈도 액티브 안테나의 수에 따라 변화되어야 한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 액티브 안테나의 수가 다양하게 조절되는 경우를 대비하여, 단말 장치(510)에는 액티브 안테나의 수에 대응하여 하나 이상의 코드북이 저장될 수 있다.
기지국(520)은 단말 장치(510)로 결정된 액티브 안테나의 수와 관련된 정보를 알려준다. 이 때, 단말 장치(510)는 미리 저장된 복수의 코드북들 중 액티브 안테나의 수와 관련된 정보에 상응하는 액티브 코드북을 선택할 수 있다. 그리고, 채널 정보 생성부(511)는 액티브 코드북을 통하여 수신한 파일럿 신호를 이용하여 채널 정보를 생성한다.
특히, 기지국(520)이 가상 안테나 기법을 이용하는 경우, 채널 정보 생성부(511)는 기지국과 형성된 실제 채널이 아니라 실효 채널을 추정하고, 추정된 실효 채널과 관련된 정보를 채널 정보로 생성할 수 있다.
또한, 채널 정보 전달부(512)는 생성된 채널 정보를 기지국(520)으로 피드백한다. 이 때, 채널 정보는 액티브 코드북에 포함된 복수의 벡터들 중 선택된 벡터의 인덱스 정보를 포함할 수 있다.
또한, 전송 신호 수신부(513)는 채널 정보에 따라 액티브 안테나로부터 전송된 전송 신호를 수신한다. 즉, 기지국(520)은 피드백 된 채널 정보를 이용하여 빔포밍 벡터를 선택하고, 선택된 빔포밍 벡터를 기초로 전송 신호를 생성한다. 이 때, 전송 신호는 액티브 안테나로부터 전송된다. 이 때, 전송 신호 수신부(513)에 의해 수신된 전송 신호는 간섭 제거 과정, 디코딩 과정 등을 통하여 사용자에게 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전송 신호 수신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전송 신호 수신 방법은 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 고려하여 기지국과 형성된 채널에 대한 채널 정보를 생성한다(S610).
이 때, 액티브 안테나는 기지국이 전송 신호의 파워를 고려하여 복수의 송신 안테나들 중 선택한 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전송 신호 수신 방법은 상기 채널 정보를 상기 기지국으로 피드백한다(S620).
또한, 상기 채널 정보에 따라 상기 액티브 안테나로부터 전송된 전송 신호를 수신한다(S630).
도 6에 도시되었으나 설명되지 아니한 내용은 도 1 내지 도 5를 통하여 설명한 바 있으므로 이하 생략한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 최대 비 결합 기법 또는 안테나 선택 기법을 사용하는 단말 장치들을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 기지국(710), 및 복수의 단말 장치들(720, 730, 740)이 도시되어 있다. 복수의 단말 장치들(720, 730, 740) 각각에는 복수의 수신 안테나들이 설치되어 있으며, 복수의 단말 장치들(720, 730, 740) 각각은 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신 신호들을 수신한다.
이 때, 복수의 단말 장치들(720, 730, 740) 각각은 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들을 다양한 결합(combining) 기법들을 이용하여 결합할 수 있다.
이 때, 결합 기법들은 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC) 기법, 복수의 수신 안테나들 중 적어도 하나의 액티브 수신 안테나로 선택하여 수신 신호들 중 적어도 하나의 액티브 수신 안테나로부터 수신된 수신 신호를 결합하는 안테나 선택 결합 기법 또는 상기 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 상기 수신 신호들을 독립적인 신호들로 간주하는 수신 신호 비결합 기법을 포함할 수 있다.
도 7과 관련하여서는 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC) 기법 및 안테나 선택 결합 기법에 대해 설명한다.
k 번째 단말 장치(730)의 l 번째 수신 안테나로부터 수신된 수신 신호
Figure 112007092261810-PAT00037
는 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00038
이 때, k 번째 단말 장치(730)의 수신 안테나들의 개수가 N인 경우, N 개의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들이 결합된(combined) 신호
Figure 112007092261810-PAT00039
는 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00040
여기서,
Figure 112007092261810-PAT00041
는 k 번째 단말 장치(730)의 수신 가중치 벡터이고,
Figure 112007092261810-PAT00042
는
Figure 112007092261810-PAT00043
의 l 번째 원소이다.
이 때, 상기 수학식 11에 기재된
Figure 112007092261810-PAT00044
는 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00045
상기 수학식 12에서,
Figure 112007092261810-PAT00046
는 k 번째 단말 장치(730)의 실효 채널 벡터이며,
Figure 112007092261810-PAT00047
는 k 번째 단말 장치(730)의 채널 매트릭스이다.
이 때, 다양한 결합 기법들 중 k 번째 단말 장치(730)가 사용하는 기법에 따라 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00048
및 k 번째 단말 장치(730)가 기지국(710)으로 피드백하는 채널 정보가 달라진다.
(1) k 번째 단말 장치(730)가 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC) 기법을 사용하는 경우
k 번째 단말 장치(730)가 최대 비 결합 기법을 사용하는 경우, 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00049
는 하기 수학식 13과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00050
즉, k 번째 단말 장치(730)는 i를 1부터 2B까지 변화시키면서
Figure 112007092261810-PAT00051
를 계산하고,
Figure 112007092261810-PAT00052
가 최대가 되는 m을 추출할 수 있다. 그리고, k 번째 단말 장치(730)는 추출된 m을 이용하여 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00053
를 결정하고, 결정된 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00054
를 이용하여 N 개의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들을 결합할 수 있다.
게다가, k 번째 단말 장치(730)는 채널 매트릭스
Figure 112007092261810-PAT00055
에 대하여 채널 매트릭스
Figure 112007092261810-PAT00056
가 가질 수 있는 특이값(singular value)들 중 최대의 특이값을 가질 수 있도록 코드북에 포함된 벡터들 중 어느 하나의 벡터를 선택할 수 있다. 더 나 아가, k 번째 단말 장치(730)는 양자화(quantization)된 정보인 선택된 벡터의 인덱스 정보를 채널 방향 정보로서 기지국(710)으로 피드백한다.
(2) k 번째 단말 장치(730)가 안테나 선택 기법을 사용하는 경우
k 번째 단말 장치(730)가 안테나 선택 기법을 사용하는 경우, k 번째 단말 장치(730)는 복수의 수신 안테나들 중 적어도 하나의 액티브 수신 안테나를 선택한다. 그리고, k 번째 단말 장치(730)는 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들 중 액티브 수신 안테나로부터 수신된 수신 신호를 결합한다.
즉, k 번째 단말 장치(730)는 실효 채널 벡터에 대하여 양자화 에러를 계산하고, 양자화 에러를 최소화할 수 있도록 복수의 수신 안테나들 중 액티브 수신 안테나를 선택할 수 있다. 이 때, k 번째 단말 장치(730)는 하기 수학식 14를 이용하여 액티브 안테나를 선택할 수 있다.
Figure 112007092261810-PAT00057
(e는 액티브 안테나의 인덱스이고, f는 코드북에 포함된 벡터들 중 선택되는 벡터의 인덱스임)
상기 수학식 14를 참조하면, k 번째 단말 장치(730)는 실효 채널 벡터에 대하여 양자화 에러가 최소화될 수 있도록 액티브 안테나의 인덱스(e) 및 코드북에 포함된 벡터들 중 선택되는 벡터의 인덱스(f)를 파악할 수 있다.
이 때, k 번째 단말 장치(730)는 양자화된 정보인 코드북에 포함된 벡터들 중 선택되는 벡터의 인덱스(f) 정보를 기지국(710)으로 피드백한다.
또한, k 번째 단말 장치(730)는 액티브 안테나의 인덱스(e)를 이용하여 하기 수학식 15와 같이 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00058
를 선택할 수 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해 N은 2라고 가정한다.
Figure 112007092261810-PAT00059
즉, k 번째 단말 장치(730)는 액티브 안테나의 인덱스(e)가 1인 경우,
Figure 112007092261810-PAT00060
를 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00061
로 선택하며, 액티브 안테나의 인덱스(e)가 2인 경 우,
Figure 112007092261810-PAT00062
를 수신 가중치 벡터
Figure 112007092261810-PAT00063
로 선택할 수 있다.
결국, k 번째 단말 장치(730)가 안테나 선택 결합 기법에 따라 채널 정보를 기지국(710)으로 피드백하는 것은, 단일 수신 안테나를 가진 단말 장치가 N x 2B개의 벡터들 중 어느 하나를 선택하는 것과 동일하게 볼 수 있다. 따라서, 실질적으로 코드북의 사이즈가 증가하는 것과 같은 효과가 발생할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 수신 신호 비결합 기법을 사용하는 단말 장치들을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 기지국(810) 및 단말 장치들(820, 830, 840)이 도시되어 있다.
단말 장치들(820, 830, 840) 각각은 수신 신호 비결합 기법에 따라 채널 정보를 기지국(810)으로 피드백한다. 여기서, 수신 신호 비결합 기법은 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들을 독립적인 신호들로 간주하는 기법이다.
즉, 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들은 독립적인 신호들로 간주되므로, 단말 장치들(820, 830, 840) 각각은 모든 수신 안테나들 각각에 상응하는 채널에 대한 채널 정보를 기지국(810)으로 피드백한다.
예를 들어, k 번째 단말 장치(830)는 l 번째 수신 안테나로부터
Figure 112007092261810-PAT00064
를 수신한다. 여기서, 설명의 편의를 위해 l은 0또는 1이라고 가정한다. 이 때, k 번째 단말 장치(830)는 첫 번째 수신 안테나에 상응하는 채널에 대한 채널 정보 및 두 번째 수신 안테나에 상응하는 채널에 대한 채널 정보를 기지국(810)으로 피드백한다.
따라서, 수신 신호 비결합 기법에 따르면, 단말 장치들(820, 830, 840) 각각이 피드백하는 채널 정보의 비트 수는 수신 안테나들의 개수가 증가함에 따라 증가한다. 즉, 단말 장치들(820, 830, 840) 각각의 수신 안테나들의 개수가 N인 경우, 단말 장치들(820, 830, 840) 각각이 피드백하는 채널 정보의 비트 수는 N 배 증가한다. 결국, 단말 장치들 각각의 수신 안테나들의 개수가 N이고, K 개의 단말 장치들로 구성된 통신 시스템의 성능은 단일 수신 안테나를 가진 KxN 개의 단말 장치들로 구성된 통신 시스템의 성능과 동일함을 알 수 있다.
본 발명에 따른 다중 입출력 통신 방법 및 전송 신호 수신 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 입출력 통신 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 입출력 통신 시스템이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 입출력 통신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단말 장치를 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전송 신호 수신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 최대 비 결합 기법 또는 안테나 선택 기법을 사용하는 단말 장치들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 수신 신호 비결합 기법을 사용하는 단말 장치들을 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
210: 안테나 수 결정부
220: 빔 형성부
230: 안테나 스위칭부

Claims (25)

  1. 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정하는 안테나 수 결정부; 및
    유저(user) 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 상기 전송 신호를 생성하는 빔 형성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다중 입출력 통신 시스템은
    상기 송신 안테나들 중 하나 이상의 상기 액티브 안테나를 스위칭(switching)하는 안테나 스위칭부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 수 결정부는
    상기 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 상기 유저 단말기들의 수 또는 상기 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 수 결정부는
    상기 전송 신호의 파워가 증가함에 따라 상기 액티브 안테나의 수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 수 결정부는
    가상 안테나 기법을 이용하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 안테나 수 결정부는
    가상 안테나 기법을 이용하여 실효(effective) 채널의 상태가 유지되도록 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔 형성부는
    제로 포싱(zero forcing) 알고리즘을 이용하여 상기 전송 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔 형성부는
    상기 채널 정보를 기초로 빔포밍 벡터를 생성하는 빔포밍 벡터 생성부; 및
    생성된 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 전송 신호를 생성하는 전송 신호 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  9. 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나를 선택하는 안테나 선택부; 및
    유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 전송 신호를 생성하는 빔 형성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 안테나 선택부는
    상기 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 상기 유저 단말기들의 수 또는 상기 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 안테나 선택부는
    가상 안테나 기법을 이용하여 상기 액티브 안테나를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 시스템.
  12. 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 고려하여 기지국과 형성된 채널에 대한 채널 정보를 생성하는 채널 정보 생성부 - 상기 액티브 안테나는 기지국의 전송 신호의 파워를 고려하여 상기 기지국의 송신 안테나들 중 선택된 것임. -;
    상기 채널 정보를 상기 기지국으로 피드백하는 채널 정보 전달부; 및
    상기 채널 정보에 따라 상기 액티브 안테나로부터 전송된 상기 전송 신호를 수신하는 전송 신호 수신부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 채널 정보 생성부는
    복수의 수신 안테나들이 존재하는 경우, 상기 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들에 대한 결합(combining) 기법에 따라 상기 채널 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수신 신호들에 대한 결합 기법은 최대 비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC) 기법, 상기 복수의 수신 안테나들 중 적어도 하나의 액티브 수신 안테나로 선택하여 상기 수신 신호들 중 상기 적어도 하나의 액티브 수신 안테나로부터 수신된 수신 신호를 결합하는 안테나 선택 결합 기법 또는 상기 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 상기 수신 신호들을 독립적인 신호들로 간주하는 수신 신호 비결합 기법 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전송 신호 수신부는
    상기 수신 신호들에 대한 결합 기법에 대응하는 수신 가중치 벡터를 이용하여 상기 수신 신호들을 결합하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 채널 정보 생성부는
    미리 저장된 하나 이상의 코드북 중 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 액티브 코드북을 선택하고, 선택된 상기 액티브 코드북을 이용하여 상기 채널 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 채널 정보 생성부는
    상기 액티브 코드북에 포함된 벡터들 중 상기 채널에 상응하는 벡터를 선택하고, 선택된 상기 벡터의 인덱스(index) 정보를 포함하는 상기 채널 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  18. 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계;
    유저(user) 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 상기 액티브 안테나의 수에 상응하는 상기 전송 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 송신 안테나들 중 하나 이상의 상기 액티브 안테나를 스위칭(switching)하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계는
    상기 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 상기 유저 단말기들의 수 또는 상기 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 단계는
    가상 안테나 기법을 이용하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  21. 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 상기 전송 신호를 송신하는 하나 이상의 액티브 안테나를 선택하는 단계; 및
    유저 단말기들로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 전송 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 액티브 안테나를 선택하는 단계는
    상기 전송 신호의 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio), 상기 유저 단말기의 수 또는 상기 채널 정보의 비트 수 중 적어도 하나를 더 고려하여 상기 액티브 안테나의 수를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 액티브 안테나를 선택하는 단계는
    가상 안테나 기법을 이용하여 상기 액티브 안테나를 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 입출력 통신 방법.
  24. 하나 이상의 액티브 안테나의 수를 고려하여 기지국과 형성된 채널에 대한 채널 정보를 생성하는 단계 - 상기 액티브 안테나는 상기 기지국이 전송 신호의 파워를 고려하여 송신 안테나들 중 선택한 것임. -;
    상기 채널 정보를 상기 기지국으로 피드백하는 단계; 및
    상기 채널 정보에 따라 상기 액티브 안테나로부터 전송된 전송 신호를 수신하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전송 신호 수신 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 채널 정보를 생성하는 단계는
    복수의 수신 안테나들이 존재하는 경우, 상기 복수의 수신 안테나들 각각으로부터 수신된 수신 신호들에 대한 결합(combining) 기법에 따라 상기 채널 정보를 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 전송 신호 수신 방법.
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