KR20080111147A

KR20080111147A - Ｍｉｍｏ 무선 시스템에서 정보를 송신하는 프리코딩 방법

Info

Publication number: KR20080111147A
Application number: KR1020087028263A
Authority: KR
Inventors: 베른드 반데메르; 사물리 비수리
Original assignee: 노키아 코포레이션
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2008-12-22
Also published as: US20070254607A1; FI20065278A0; EP2013986A1; CN101467362A; WO2007125169A1; US7706469B2

Abstract

본 발명의 방법은 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하는 방법이다. 상기 방법은 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록(block-diagonal) 선형 연산자(linear operator) V를 계산하는 것을 포함한다. 송신 벡터는 방정식들 (I)를 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 곱해지고 대응하여 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 수신국에서 필터링을 수행한다.

Description

ＭＩＭＯ 무선 시스템에서 정보를 송신하는 프리코딩 방법{Precoding method for transmitting information in a MIMO radio system}

본 발명은 통신에 관계가 있고 특히 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하는 방법, 무선 시스템, 신호 처리 유닛, 송신국, 컴퓨터 프로그램 생성물, 및 컴퓨터 프로그램 배포 매체에 관계가 있다.

본 발명은 다중사용자(multi-user) 채널의 활용에 관련이 되고, 여기서 단일 송신국(transmitting station)이 데이터를 다수의 수신국(receiving station)들로 동일 자원 유닛 내에서 송신한다. 송신국이 다수의 안테나들을 구비하고 있다면, 채널의 공간 특성(spatial property)들을 이용하여서만 사용자들을 분리하는 것이 가능하다. 이로서 사용자들은 시간, 주파수 또는 코드 도메인에서 분리될 필요가 없기 때문에 상당히 향상된 시스템이 생기게 했다.

최근에 다중입력, 다중 출력(MIMO: multiple input, multiple output) 무선 기술들이 많은 주목을 받고 있다. MIMO 기술은 장래의 셀룰러 통신, 차량 통신, 무선 로컬 및 광대역 네트워크들, 및 군사통신을 포함하는, 다수의 애플리케이션 영 역들에서의 사용을 위해 제안되어 왔다.

MIMO 기술은 채널용량(channel capacity)을 상당히 증가시키고 동시에 링크 신뢰도(link reliability)를 향상시키는 성능을 갖는다. MIMO 기술들의 이점들은 공간 다이버시티(spatial diversity)의 이용을 통해 달성될 수 있다. MIMO 시스템 내의 데이터는 복수의 송신 아테나들을 통해 수신 단말기들 내의 복수의 수신 안테나들로 송신된다. 다중 신호들이 복수의 채널들을 통해 동시에 송신될 때, 복수의 송신 및 수신 안테나들 간의 신호들이 독립적으로 변동하고(fluctuate) 페이드된다(fade). 그 송신된 데이터는 송신기 내에서 특정 공간-시간 코드를 사용하여 인코딩될(encoded) 수 있고 수신기에서 대응하는 처리(processing)를 수행하여 그 중요 데이터가 적절하게 추출될 수 있다. 이런 결합된 프리코딩(precoding) 및 등화기(equalizer) 설계의 가능성들이 지금 집중적으로 연구된다.

각각의 사용자가 하나의 수신 안테나만을 갖고 있는 케이스를 위해, 다양한 프리코딩 스킴(scheme)들이 그 연구에서 이용가능하다. 사용자마다 다중 수신 안테나들을 갖고 있는 더 일반적인 케이스를 위해, 몇몇 스킴들이 최근에 제안되었다. 이런 종래 기술의 문서들은 [Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, 및 M. Haardt, "Zero-Forcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MMO Channels," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 52, no. 2, pp. 461-471, 2004 2월, 그리고 V. Stankovic 및 M. Haardt, "Multi-User MEMO Downlink Precoding for users with multiple antennas," in Proceedings of the 12th meeting of the Wireless World Research Forum (WWRF), 토론토, ON, 캐나다, 2004년 11월]을 포함 한다. 그러나 여태까지 제안된 기술들은 단일 수신 안테나 경우로부터 비롯된 애드혹(ad-hoc) 설계들에 의존하고 따라서 MMSE(minimum mean square error) 의미에서 최적이 아니다.

본 발명의 목적은 다수의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 다수의 수신 안테나들을 가진 수신국까지 정보를 송신하는 향상된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 양상에 따라 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛(resource unit) 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하는 방법이 제공되고, 상기 방법은: 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산(covariance) 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고; 방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고; 그리고 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 수신국에서 필터링을 수행하는 것;을 포함한다.

본 발명의 다른 하나의 양상에 따라, 송신국, 및 수신국을 포함하는 무선 시스템이 또한 제공되고, 송신국은 하나의 자원 유닛 내에서 하나 이상의 송신 안테나들을 통해 하나 이상의 수신국들에 대해 심벌들을 포함하는 송신 벡터의 송신을 위한 송신기를 포함하고; 수신국은 하나의 자원 유닛 내에서 하나 이상의 수신 안테나들을 통해 하나 이상의 송신 안테나들로부터 수신 벡터를 수신하는 수신기를 포함하고; 송신기는 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고, 그리고 방정식들 1(a) 내지 1(c)을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하도록 또한 구성된다.

본 발명의 양상에 따라, 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 생성하도록 구성된 신호 처리 유닛이 또한 제공되고, 상기 유닛은 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태에 관한 정보를 수신하고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고; 방정식들 1(a) 내지 1(c)을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하도록 또한 구성된다.

본 발명의 양상에 따라, 송신국이 또한 제공되고, 상기 송신국은 복수의 송신 안테나들을 포함하는 신호 송신 수단, 및 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 생성하도록 구성된 신호 처리 유닛을 포함하고, 상기 유닛은 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태에 관한 정보를 수신하고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고; 방정식들 1(a) 내지 1(c)을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하도록 또한 구성된다.

본 발명의 양상에 따라, 컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로세스를 인코딩하는(encoding) 컴퓨터 프로그램 생성물이 또한 제공되고, 상기 컴퓨터 프로세스는 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하고, 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고; 방정식들 1(a) 내지 1(c)을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고 그리고 상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행한다.

본 발명의 다른 하나의 양상에 따라, 컴퓨터에 의해 판독가능하고 무선 시스템내의 잡음 및 공분산 매트릭스를 추정하기 위하여 컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로그램을 인코딩하는 컴퓨터 프로그램 배포 매체가 또한 제공되고, 상기 프로세스는: 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하고, 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고; 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고; 방정식들 1(a) 내지 1(c)을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고 그리고 상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행하는 것을 포함한다.

본 발명의 서로 다른 실시 예들이 몇 가지 이점들을 제공한다. 다중사용자(Multiuse) 간섭(interference)이 송신기에서 상당히 감소되고 무선 시스템 성능에 있어 상당한 향상들이 이뤄진다. 새로이 향상된 정보가 무선 시스템에 도입되고 스마트하고 효과적인 방식으로 이용된다.

아래에서, 본 발명이 바람직한 실시예들 및 첨부된 도면들을 참조하여 더 세부적으로 기술될 것이다.

도 1은 데이터 송신 시스템의 예를 도시한다.

도 2는 송신기 및 수신기의 예시적인 구성을 도시한다.

도 3은 복소수 기저대역(complex baseband)으로 표시한 구현된 데이터 송신 시스템을 도시한다.

도 4는 송신국으로부터 수신국으로 정보를 송신하는 방법의 예를 도시한다.

도 5는 시뮬레이션 결과 생긴 프리코딩 방법들에 대한 비부호화된 BER(bit error rate) 커브들을 비교하여 도시한다.

도 6은 시뮬레이션 결과 생긴 등가 채널(equivalent channel)

의 평균 스트림당 (per-stream) SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)의 CCDF(complementary cumulative distribution function)를 도시한다.

본 발명은 채널 상태 정보를 위한 메커니즘들이 이용가능할 수 있는 다양한 서로 다른 디지털 무선 시스템들에 적용할 수 있다. 예를 들어 TDMA, FDMA, CDMA 무선 시스템들, 및 그들의 서로 다른 변형물들이다. 본 발명은 TDD(time division duplexing) 시스템들에 특히 적합하다. 아래에서, 구현된 무선 시스템 또는 기술에서 사용되는 특정 용어들 및 요소들로 본 발명을 제한함이 없이, 본 발명에 따른 데이터 송신 시스템의 유익한 실시 예가 이동 통신 시스템의 구성에서 기술될 것이다.

도 1은 무선 액세스 네트워크 (RAN: Radio Access Network)(14)를 통해 코어 네트워크(CN: Core Network)(12)에 연결된 사용자 장치(10)를 도시한다. 무선 액세스 네트워크에서, 동일 기지국에 속하는 베이스트랜시버국(BTS: base transceiver station)(16)들의 커버리지 에어리어(coverage area)는 하나의 셀을 형성한다. 사용자는 하나의 셀에서 다른 하나의 셀로 이동할 수 있고, 네트워크는 그 이동에 따라 사용자를 다른 셀로 넘긴다. 각 기지국은 기지국에 의해 사용되는 무선 주파수들 및 채널들을 제어하는, 기지국 제어기(BSC: base station controller)(18)를 포함하거나, 연결된다. 기지국 제어기는 정의된 인터페이스를 통해 스위칭 센터와 연결되어서, 무선 액세스 네트워크(14)와 코어 네트워크(12) 간에 인터페이스를 제공한다.

통신 시스템의 사용자 장치(10)가 대화(speech)만을 위한 간소화된 단말기이거나 다양한 서비스들을 위한 단말기일 수 있다. 후자의 경우에 단말기는 서비스 플랫폼처럼 동작하고 서비스들에 관련된 다양한 기능들의 로딩 및 실행을 지원한다. 사용자 장치는 이동 장치 및 가입자 식별(subscriber identity)을 갖고 있는, 가입자 식별 모듈을 포함하고, 인증(authentication) 알고리즘들을 수행하고, 그리고 인증 및 암호화(encryption) 키들 및 이동국에서 필요한 다른 가입 정보를 저장 한다. 이동 장치는 이동 통신 시스템 또는 장치의 몇몇 부분들의 결합에서 통신할 수 있는 어떤 장치일 수 있고, 예를 들어, 카드식공중전화(card phone)가 이동 연결을 제공하기 위해 연결되었던 멀티미디어 컴퓨터이다.

본 발명을 이해하는데 필수적인 요소들 및 유닛들만이 도 1에 도시되는 것을 주목해야한다. 디지털 무선 시스템이 도 1에 도시되지 않은 복수의 요소들을 전형적으로 포함할 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.

아래에서 본 발명의 구현에서 주요 시스템 요소들이 더 세부적으로 기술된다. 도 2는 무선 시스템의 송신 경로 내의 송신국의 송신기(200) 및 수신국의 수신기(250)를 위한 기본 구성들을 도시한다. 도 1 실시예의 관점에서 송신국은 예를 들어 기지국이고 수신국은 예를 들어 사용자 장치일 수 있다.

송신기(200)는 송신기 신호 처리 유닛(210), 및 신호 송신 수단(220)을 포함한다. 송신기 신호 처리 유닛(210)은 송신기(200)에 입력된 비트스트림들 상에 신호 처리를 수행하고 신호 송신 수단(200)으로 다중(multiplicity) 송신 신호들을 발생시킨다. 신호 송신 수단(200)은 예를 들어 하나 이상의 안테나 요소들을 갖는 어레이 안테나(array antenna) 형태인, 복수의 송신 안테나들을 포함한다. 송신 신호들은 복수의 송신 안테나들로부터 대응하는 복수의 송신 채널들을 통해 다수의 수신국들로 송신된다. 이 송신 스킴은 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing)으로 지칭되는데 이는 하나의 데이터 스트림이 다중 송신 안테나들 간에서 다중화되고(multiplexed)(분할되고) 별개의 공간 채널들을 통해 송신되기 때문이다.

특히 송신국의 내부 프로세스들에 따라, 송신기(200)는 하나의 자원 유닛 내 에서 복수의 이동기기의 사용자들에게 전달할 신호들을 포함하는 다수의 인코딩된 2진 데이터 스트림들을 수신한다. 송신기 신호 처리 유닛(210)은 신호 처리를 수행하고 신호 송신 수단(220)에 아날로그 송신 신호들을 공급한다. 송신기 신호 처리 유닛(210)은 데이터에 따라 동작들의 규칙적인 실행을 수행할 수 있는 기기이고, 전형적으로 심벌 맵핑(mapping), 신호 확산(spreading), 및 버스트 생성을 위한 기능유닛들을 포함한다. 심벌 맵핑에서 부호화된(coded) 비트들이 변조 심벌들로 맵핑된다. 미리정의된 확산 코드가 신호에 인가되고, 버스트가 생성된다. 신호 송신 수단(220)은 무선 주파수 부(part) 및 복수의 송신 안테나들을 포함한다. 무선 주파수 부는 신호들이 복수의 송신 안테나들에 공급될 수 있도록 그 신호들의 디지털-아날로그 변환, 상향 주파수 변환, 필터링 및 증폭을 수행한다.

상응하여, 수신기(250)는 수신기 신호 처리 유닛(260), 및 신호 수신 수단(270)을 포함한다. 신호 수신 수단(270)은 예를 들어 하나 이상의 안테나 요소들을 가진 어레이 안테나 형태의, 복수의 송신 안테나들을 포함한다. 신호들은 복수의 송신 안테나들로부터 대응하는 복수의 송신 채널들을 통해 수신되고, 수신기 신호 처리 유닛(260)에 공급된다. 수신기 신호 처리 유닛(260)은 공간 스트림들을 역다중화하고(demultiplex), 원본 데이터를 복구하고 수신된 신호를 수신국의 내부 프로세스들에 맞추어서 출력한다.

특히, 수신된 신호는 신호 수신 수단(270)의 무선 주파수(RF)에서 처리된다. 무선 주파수 부는 무선 주파수 신호를 중간 주파수(intermediate frequency) 또는 기저대역 주파수 중 어느 하나로 전환하고(transfer) 하향변환된 신호를 아날로그 로부터 디지털로 변환하고(convert), 신호를 샘플링하고 디지털화된 입력 샘플들을 수신기 신호 처리 유닛(260)으로 공급한다. 수신기 신호 처리 유닛(260)은 데이터에 따라 동작들의 규칙적인 실행을 수행할 수 있는 기기이다. 송신 말단에 대응하는, 수신기 신호 처리 유닛은 적어도 버스트 분할(splitting), 신호 역확산(despreading), 및 사용자 데이터 심벌들로 통합, 지연 보상 및 채널 추정을 위한 기능유닛들을 전형적으로 포함한다. 이것들은 수신된 신호로 결합되는 채널보상된 심벌들이 생기게 한다. 본 발명에 따라, 수신기 신호 처리 유닛은(260)는 채널의 현재 다중경로 지연 프로파일(profile)을 결정하고 업데이트하고, 선형(linear) 연산을 하고 그것에 의하여 수신된 신호의 생성을 조정해서 향상된 성능이 달성되도록 사용되는 필터를 포함한다.

간결하게 하기 위해서 본 발명을 나타내기 위해 필수적인 요소들만이 본원에 기술되었다는 것을 주목해야 한다. 송신국 및/또는 수신국은 전형적으로 송신기 및 수신기를 포함해서, 국(station)이 양방향(two-way) 통신을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 무선 인터페이스상의 정보가 채널 상태 정보를 이용하는 계산들을 위한 기초로서 사용되기 위해 수신기로부터 송신기로 다시 공급될 수 있도록 국(station)의 송신기와 수신기 간의 상호작용이 정해질 수 있다. 대안적으로, 송신기는 채널 상태에 관한 정보를 얻기 위해 업링크 측정 기능을 포함할 수 있다. 단일 처리 유닛은 단일 프로세서로서 또는 몇 개의 프로세서들의 집적 결합으로서, 또는 집적 회로들과 같은, 하드웨어 부품들, 개별 부품들, 또는 이들 중 어느 것의 조합의 형태로서 구현될 수 있고, 이것은 당업자에게 명백하다. 기능 유닛들은 신 호 처리 유닛의 공유 또는 전용의 물리적 자원과 각각의 유닛의 기능을 위한 동작들의 실행에 필수적인 미리정의된 알고리즘들의 세트의 결합에 의해 논리적 엔티티들로서 형성될 수 있다.

본 발명에 따라, 본 발명에 따른 송신 신호 처리 유닛(220)은 프리코더, 즉 송신기와 수신기들 간의 통신 채널들의 정보를 기초로 신호들을 기초로 송신 신호들을 프리코딩하는 기능유닛을 더 포함한다. 따라서 프리코더는 통신 채널들의 상태에 관한 정의된 정보를 수신하는 기능, 그리고 수신된 정보를 기초로 프리코딩 메트릭스를 계산하는 기능을 포함한다. 또한 프리코더는 하나의 자원 유닛 내에서 서브되는 사용자들을 위해 심벌들을 담고있는 송신 데이터를 수신하는 기능 및 계산된 프리코딩 매트릭스로 송신 데이터를 곱하는 기능을 포함한다.

아래에서 선형 프리코딩 절차 그리고 프리코더 및 필터의 사용이 더 세부적으로 기술될 것이다. 아래의 식들은 주파수 플랫(flat) 채널들을 나타낸다. OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing) 시스템들에서, 그 구현이 각각의 자원 유닛 상에서 프리코딩으로서 보여질 수 있다. 도 3은 복소수 기저대역으로 표시된 구현된 시스템을 도시한다. 도 3에서 송신기(도 2의 관점에서, 송신국)이

안테나들을 갖고 동일 자원 유닛 내에서

수신기들(도 2의 관점에서, 수신국들)을 서브하는 것으로 가정한다.

수신 안테나들의 총 개수는 이런 사용자들 사이에서

에 따라 분산된다. 여기서

는 k번째 사용자들에서 의 안테나들의 개수를 표시한다. k번째 사용자들이

독립 데이터 스트림들을 수신하고,

는 송신될 스트림들의 총개수라는 것을 또한 가정한다.

송신 벡터 a는

로 표시된다.

는 k번째 사용자를 위해

심벌들을 담고 있는 데이터 벡터이다. 데이터 심벌들이

이 되도록 정규화된다는(normalized) 것을 가정한다.

선형 프리코딩 스텝은 매트릭스

로 미리곱해져서(premultiplication) 나타나고,

서브매트릭스

는 사용자 k 에 대응한다. 그 다음에 송신 벡터

는

에 의해 주어지고, 그 평균 전력(average power)은

에 의해 한정된다.

또한 물리 송신 채널 자체와 수신기 잡음은

와 같이 주어진다. 결합된 채널 매트릭스 H는

이고,

는 k 번째 사용자의 채널 매트릭스이다. 벡터 n은 공분산 매트릭스

로 부가적인(additive) 제로평균(zero-mean) 수신기 잡음을 표시한다.

또한

이고,

여기서

은 k 번째 사용자에서의 잡음 벡터이다. 최종적으로

를 정의한다.

송신 체인의 수신기의 말단에서, 선형 연산자(operator)

가 참(true) 송신된 데이터 심벌들의 추정치(estimate)들을 포함하는,

를 얻기 위해 적용된다. 사용자들이 다른 위치들에 위치할 수 있고, 따라서 협동의 수신 처리를 수행할 수 없기 때문에,

는 대각선블록(block-diagonal)이다. 즉,

는 k 번째 사용자의 디코딩 메트릭스이다.

시스템 출력

은 원본 송신 벡터

에 대한 추정치로서 역할을 한다. 그것은

로서 나타낼 수 있고, 또는 동등하게,

로서 나타낼 수 있다.

각각의 사용자를 위한 데이터 스트림들의 개수

가 선험적으로(a-priori) 선택되고, 우선순위(prioritization)에 종속되지 않는다. 선택은

및

를 충족시켜야 한다.

객체 함수는

와 같이 정의되고,

그것에 의해 최적 조건(optimization)은

과 같이 나타낼 수 있다.

에 대한 방정식을 고려하여,

를 얻는다.

는

에 대한 생략부호로서 사용된다. 최종 방정식에서, 신호 성분과 잡음 성분이 비상관(uncorrelated)이라는 특성이 사용되었다. 추적 연산자(trace operator)가 이제 스칼라 항들에 적용될 수 있고, 기대값(expectation)이 가능한 방정식 훨씬 안으로 이동될 수 있다. 따라서

타입

의 식들은

이면 식별(identity) 매트릭스로 값을 구하고 그렇지 않으면 제로 매트릭스로 값을 구한다. 또한, 이전에 정의된 것과 같은

를 이제 사용한다. 따라서

최적조건 식대로 최적조건 파라미터들

및

를 찾기 위해서, 라그랑즈 승수법(Lagrangian multiplier method)이 적용될 것이다. 수정된 객체 함수는

이고,

는 라그랑즈 승수(multiplier)이다.

는 더 세부적인 기수법

와 같다는 것을 주목한다.

다음에

의 도함수들이

과

관련하여 계산된다. 이런 도함수들은 새로운 '그라디언트(gradient)' 매트릭스에 각각의 매트릭스 성분에 관련된 도함수들을 배열하는 규약(convention)을 사용하여 직접적으로 만들어질 수 있다. 이 방법은 완전히 일관되지는 않는다. 이는 '그라디언트' 정의가 차수(dimensionality) 때문에

를 만족시키지 못하기 때문이다. 도함수를 0으로 설정하는 특별한 목적을 위해서는, 상기 규약은 유용하다. 수학적으로 정밀한 방식은

및

대신에

및

의 항들로 객체 함수를 나타내는 것일 것이다. 여기서

은 스택킹 오퍼레이션(stacking operation)이다. 벡터 인수(argument)와 관련된 그라디언트는 잘 정의된 다음에 사용될 수 있다. 그러나 이 접근법은 동일한 결과를 내면서 도함수를 불필요하게 복잡하게 만든다.

의 인수들은 복소수 값을 지닌다. 상기 그라디언트를 만드는 적절한 방식은 상기 인수와 그 켤레/켤레전치(conjugate transpose)를 독립된 변수들로서 다루는 것이다. 그 다음에 도함수는 켤레 인수에 관하여서만 얻어진다.

이런 규약들 하에, 또한

이다.

및

과 관련된

의 편도함수(partial derivative)들은

로 값이 구해진다.

최적조건

및

에 대한 필요조건을 얻기 위해서, 이 방정식들은 동시에 0으로 설정되어야 한다.

를 사용하여,

상기 방정식들은

로 쓰여질 수 있다.

또한 첫줄의

방정식들은 모든 열(column)들은 나란히 연결하여(concatenate) 모아질 수 있다. 공통 인자들을 추출하면

라고 결론지을 수 있다.

방정식들 l(a) 내지 l(c)의 해답을 직접 얻는 것은 가능하지 않다. 방정식 1(a)는

의 항으로

를 나타내기 위해 사용될 수 있다는 것을 실현하면,

의 모든 발생은 상기 방정식들의 세트로부터 제거될 수 있다. 그러면 문제는 최소제곱법(least-squares) 공식화로 다시 쓰여질 수 있다.

여기서

는 방정식 (1a)의 결과인

및

함수로된 것 같은 특정

이다.

는 프로베니우스 매트릭스 놈(Frobenius matrix norm)를 표시한다. 방정식 (1b)은 당업자에게 잘 알려진 수치적 방법들에 적합하다. 자유 변수(free variable)들에서 벗어나 초기 추측(initial guess)하기 위해, S-MMSE(successive minimum mean square error) 또는 BD(block diagonalization) 스킴들이

에 대한 초기 추측(initial guess)들로서 사용될 수 있다.

고정된

의 경우에, 상기 방정식들은

가 사용자

를 위한 잘 알려진 선형 MMSE 수신기라는 것을 보여준다는 것을 알 수 있다. 특히 수신 말단에서 유효한(effective) 채널은

로 추정될 수 있다.

그리고 간섭 플러스 잡음 공분산 매트릭스(interference plus noise covariance matrix)는

이다.

이것들은 표준 LMMSE 수신기 필터

를 계산하기 위해 사용될 수 있다.

그러므로

는 송신국으로부터 수신국으로 전달될(forwarded) 필요가 없고, 그것들의 성분들이 국부적으로 추정될(estimated) 수 있다. 향상된 성능을 달성하기 위해 부가적으로 OTA(over-the-air) 상호작용을 할 필요가 없다는 것이 본 발명의 상당한 이점이다.

도 4는 송신국으로부터 수신국으로 정보를 송신하기 위해 구체화된 방법의 단계들을 도시한다. 본 발명의 방법은 전체 데이터 송신 시스템의 동작을 도시하고, 따라서 송신국뿐만 아니라 수신국의 관점에서 기능들을 도시한다는 것을 주목한다. 단계 40에서, 송신국은

수신국들에 대한 송신 벡터들을 포함하는 송신 벡터

를 얻는다. 각각의 벡터는 수신국에 대한 심벌들을 포함한다. 단계(41)에서, 송신국은 공분산 매트릭스

및 결합된 채널 매트릭스

형태의 채널 상태 정보를 얻는다. 채널 상태 정보는 수신국 브랜치로부터 피드백을 통해 얻어질 수 있고, 업링크 측정들로부터 유도될 수 있고, 미리정의된 값들이 이용될 수 있 다. 전형적으로

은 피드백을 통해 얻어지고,

는 피드백을 통해 얻어지거나, TDD(time-division duplexing) 시스템들의 케이스에서는 업링크 측정(measurement)들로부터 얻을 수 있다. 공분산 매트릭스 및 결합된 채널 매트릭스의 정의들이 이 분야에서 광범위하게 논의되고 있고 그와 같이 당업계에 일반적으로 알려졌다.

단계 42에서 송신국은 MMSE(minimum mean-square error)가 최적조건(optiamal)인 프리코딩 매트릭스

를 계산한다. MMSE는 가능한 최소평균제곱오차로 추정치들을 갖는 추정기에 관련이 있다. MMSE 추정기들은 일반적으로 최적조건인 것으로 기술된다.

는 방정식들(l(a), l(b), 및 l(c))을 사용하여 계산된다. 단계 43에서, 송신 벡터

는 프리코딩 매트릭스

로 곱해지고 단계 44에서 프리코딩된 송신 벡터

가 송신국의

송신 안테나들을 통해 송신된다. 단계 45에서, 수신기 벡터

는

수신국들의 다수의 수신 안테나들로 수신된다. 단계 46에서, 수신국은 그것의 유효한 채널 매트릭스 및 간섭 플러스 잡음 공분산 매트릭스를 추정하고, 그것들을 표준 LMMSE(linear minimum mean-square error) 수신기 필터

를 계산하기 위해 사용한다. 단계 47에서, 수신국은 FEC(forward error correction) 디코딩(decoding)을 위해 소프트 비트들(soft bits)을 생성하도록

에 의해 필터링을 수행한다.

본 발명은 다수의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 다수의 수신 안테나들을 가진 수신국까지 정보를 송신하는 기존 기술들에 비해 상당히 향상된 성능을 제공한다. 종래 기술 BD 및 S-MMSE 해법들과 본 발명의 성능을 비교하기 위해 사용자당 단일 데이터 스트림을 갖는 케이스들에 대해 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션들이 수행되었다. 이것은 본 발명을 위해

에 대해

를 선택하고, 종래 기술의 방법들에 대해 지배적인 아이겐모드(dominant eigenmode) 송신을 적용함으로써 구현되었다.

도 5는 프리코딩 방법들에 대한 비부호화(uncoded) 비트오류율(bit error rate) 커브들을 비교해서 도시한다. 상기 커브들은 1, 2, 3개의 수신 안테나들을 갖는 K=3 사용자들과, 6개의 송신 안테나들을 갖는 세트업(setup)에 대해 생성되었다. 플롯에서, 비트오류율들은 모든 사용자들에 걸쳐 평균화되었다. 채널 구현(realization)들은 채널 매트릭스의 각각의 요소가 단위(unit) 평균 전력을 갖는, 독립의 레일레이 페이딩(Rayleigh fading)으로 랜덤하게 그려졌다. 잡음이 모든 수신 안테나들 사이에서 독립된 것으로 가정되었다. 각 데이터 스트림 상에서, 단위 전력을 갖는 랜덤 OPSK 심벌들이 송신되었다. 수신기 잡음은 거듭제곱(power)

을 갖는 복소수 가우시안(complex Gaussian)이 되는 것으로 가정되었다. 또한

는 데이터 심벌당 평균 송신 전력으로 정의된다.

도 6은 등가 채널

의 평균 스트림당 신호 대 갑섭-플러스-잡음비(average per-stream Signal to Interference-plus-Noise Ratio (SINR))의 CCDF(complementary cumulative distribution function)를 도시한다. 주어진 채널 구현

을 위해, 프리코딩 및 디코딩 매트릭스들

및

이 등가 채널을

로 나타내기 위해 사용된다. 그 다음에 k 번째 사용자를 위한

및 모든 사용자들에 걸친 평균 값

은

로서 쉽게 사용될 수 있다.

도 5에서와 동일한 시스템 파라미터들이 사용되었고

이 5dB로 고정되었다. 각각의 채널 구현을 위해,

의 하나의 샘플이 계산되었고, 모든 사용자들에 걸쳐서 평균이 내졌다. 각각의 프리코딩 방법에 대해 이런 샘플들의 총수 10000가 플롯을 만들어 내기 위해 사용되었다.

도 5 및 도 6은 모두 본 발명의 방법이 이전의 기존의 방법들과 비교할 때 상당히 개선된 성능을 달성하는 것을 도시한다. 10^-2의 비트오류율에서

이득(gain)은 약 S-MMSE에 대해 4.5dB 및 BD에 대해 11.6dB이다. 본 해법들을 사용하면, 평균 스트림당 SINR에 대해 10% 동작억제값(outage value)이 S-MMSE에 대한 것보다 1.4 dB 더 높고 BD에 대한 것보다 5.2 더 높다.

하나의 양상에서 본 발명은 컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로그램을 인코딩하는 컴퓨터 프로그램 생성물을 제공한다.

본 발명의 다른 하나의 양상에서, 본 발명은 컴퓨터에 의해 판독가능하고 컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로그램을 인코딩하는 컴퓨터 프로그램 배포 매체(computer program distribution medium)를 제공한다.

배포 매체는 컴퓨터 판독가능 매체, 프로그램 저장 매체, 기록 매체, 컴퓨터 판독가능 메모리, 컴퓨터 판독가능 소프트웨어 배포 패키지, 컴퓨터 판독가능 신호, 컴퓨터 판독가능 원거리통신(telecommunications) 신호, 및/또는 컴퓨터 판독가능 압축 소프트웨어 패키지를 포함할 수 있다.

컴퓨터 프로세스의 실시 예들이 도 4와 연관되어 도시되고 기술된다. 컴퓨터 프로그램은 송신기 및/또는 수신기의 신호 처리 유닛에서 실행될 수 있다.

본 발명이 첨부된 도면들에 따른 예에 관련하여 위에서 기술되었지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 첨부된 청구항들의 범위 내에서 다양한 방식으로 수정될 수 있다는 것이 명백하다.

본 발명은 다중사용자(multi-user) 채널의 활용에 관련이 되고, 여기서 단일 송신국(transmitting station)이 데이터를 다수의 수신국(receiving station)들로 동일 자원 유닛 내에서 송신한다.

본 발명은 채널 상태 정보를 위한 메커니즘들이 이용가능할 수 있는 다양한 서로 다른 디지털 무선 시스템들에 적용할 수 있다. 예를 들어 TDMA, FDMA, CDMA 무선 시스템들, 및 그들의 서로 다른 변형물들이다. 본 발명은 TDD(time division duplexing) 시스템들에 특히 적합하다.

Claims

하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하는 방법으로서, 상기 방법은:

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고;

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 상기 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록(block-diagonal) 선형 연산자 (linear operator) V를 계산하고;

방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고

상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행하는 것;을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,

피드백을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻는 것;을 더 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,

업링크 측정(measurement)들을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻는 것;을 더 포함하는, 방법.
송신국, 및 수신국을 포함하는 무선 시스템으로서,

상기 송신국은 하나의 자원 유닛 내에서 하나 이상의 송신 안테나들을 통해 하나 이상의 수신국들에 대해 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하는 송신기를 포함하고;

상기 수신국은 하나의 자원 유닛 내에서 하나 이상의 수신 안테나들을 통해 상기 하나 이상의 송신 안테나들로부터 수신 벡터를 수신하는 수신기를 포함하고;

상기 송신기는 상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 상기 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자 V를 계산하고, 그리고 방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 상기 송신 벡터를 프리코딩하도록 또한 구성되고;

상기 수신기는 상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행하도록 또한 구성된, 시스템.
제4항에 있어서,

상기 송신국은 수신기를 더 포함하고, 상기 송신기는 상기 수신기로부터의 피드백을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻도록 구성되는, 시스템.
제4항에 있어서,

상기 송신기는 업링크 측정(measurement)들을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻도록 구성되는, 시스템.
정보를 수신하고 하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 생성하도록 구성된 신호 처리 유닛으로서, 상기 유닛은:

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태에 관한 정보를 수신하고;

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 상기 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자 V를 계산하고;

방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하도록 또한 구성된, 신호 처리 유닛.
제7항에 있어서,

상기 유닛은 피드백을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻도록 구성된, 신호 처리 유닛.
제7항에 있어서,

상기 유닛은 업링크 측정(measurement)들을 통해 상기 채널들의 상태에 관한 정보를 얻도록 구성된, 신호 처리 유닛.
송신국으로서:

복수의 송신 안테나들을 포함하는 신호 송신 수단, 및

제7항에 따른 신호 처리 유닛을 포함하는, 송신국.
제10항에 있어서,

상기 송신국은 무선 시스템용 기지국인, 송신국.
제11항에 있어서,

상기 송신국은 TDD(time-division duplexing) 무선 시스템용 기지국인, 송신국.
컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로세스를 인코딩하는 컴퓨터 프로그램 생성물로서, 상기 컴퓨터 프로세스는

하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하고,

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고;

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 상기 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자(block-diagonal linear operator) V를 계산하고;

방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고; 그리고

상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행하는, 컴퓨터 프로그램 생성물.
컴퓨터에 의해 판독가능하고 컴퓨터 프로세스를 실행하는 명령어들로된 컴퓨터 프로그램을 인코딩하는 컴퓨터 프로그램 배포 매체로서, 상기 프로세스는:

하나 이상의 송신 안테나들을 가진 송신국으로부터 하나 이상의 수신 안테나들을 가진 하나 이상의 수신국들로 하나의 자원 유닛 내에서 전달될 심벌들을 포함하는 송신 벡터를 송신하고,

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널들의 상태(state)에 관한 정보를 얻고;

상기 하나 이상의 송신 안테나들과 상기 하나 이상의 수신 안테나들 사이의 채널 상태들을 기초로, 공분산 매트릭스 R _nn , 결합된 채널 매트릭스 H, 및 상기 수신국들의 디코딩 매트릭스들의 대각선블록 선형 연산자 V를 계산하고;

방정식들

을 만족시키는 프리코딩 매트릭스 P로 송신 벡터를 프리코딩하고

상기 대각선블록 선형 연산자 V에 대응하는 수신기 필터를 사용해서 상기 수신국에서 필터링을 수행하는 것;을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 배포 매체.
제14항에 있어서,

상기 컴퓨터 프로그램 배포 매체는 컴퓨터 판독가능 매체, 프로그램 저장 매체, 기록 매체, 컴퓨터 판독가능 메모리, 컴퓨터 판독가능 소프트웨어 배포 패키지, 컴퓨터 판독가능 신호, 컴퓨터 판독가능 원거리통신(telecommunications) 신호, 및 컴퓨터 판독가능 압축 소프트웨어 패키지를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 배포 매체.