KR20080112078A - 빔포밍을 이용한 무선 송수신 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 빔포밍을 이용한 무선 송수신 장치 및 방법에 관한 것으로, 빔포밍 행렬을 데이터 신호에 적용한 다음, 수신장치들로 데이터 신호를 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 산출하고, 빔포밍 채널 행렬과 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보에 기초하여 데이터 신호 전송시 사용하는 파라미터를 선택하고, 선택된 파라미터를 이용하여 데이터 신호를 전송하는 통신을 수행한다.

Description

빔포밍을 이용한 무선 송수신 장치 및 방법{Apparatus and method of communicating wirelessly using beamforming}
본 발명은 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output)방식으로 무선 송수신하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선장치 간의 통신속도를 고속화하는 기술의 하나로서 다입력·다출력 전송(MIMO; Multiple-Input Multiple-Output)방식이 알려져 있다. 이 방식은 문자 그대로 복수의 안테나를 이용하여 신호를 입출력하고 있다. 이 방식의 특징은 서로 다른 복수의 안테나를 이용하여 동시에 같은 주파수로 복수의 송신 데이터를 한번에 송신하는 것이 가능한 점에 있다. 그 때문에, 동시에 송신 가능한 채널의 수가 증가함에 따라, 증가한 채널의 분만큼 단위시간당 송신 가능한 정보량을 증가시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 방식은 통신속도를 향상시킴에 있어서 점유되는 주파수대역이 증가하지 않는다는 이점도 가진다.
그러나, 동일 주파수의 반송파(carrier wave) 성분을 가지는 복수의 변조신호(modulating signal)가 동시에 송신되기 때문에, 수신 장치가 혼합된 변조신호를 분리하는 수단이 필요하다. 그래서, 수신 장치는 무선 전송로의 전송특성을 나타내 는 채널 행렬을 추정하고, 그 채널 행렬에 기초하여 수신신호로부터 송신 장치에서 전송한 각 서브 스트림에 대응하는 송신신호가 분리된다. 수신 장치에서의 채널 행렬 추정은 파일럿(pilot) 신호 등을 이용하여 추정한다. 파일럿 신호이란 송수신 장치가 이미 알고 있는 신호로서, 송수신 장치는 파일럿 신호를 송수신함으로써, 채널 행렬을 추정할 수 있다.
그러나, 전송로 내에서 부가되는 잡음이나 서브 스트림 간에 생기는 간섭 등의 영향을 충분히 제거하여 서브 스트림에 대응하는 송신신호를 정밀도 높게 재현하는 데는 특별한 연구가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 멀티 사용자 MIMO시스템에서 안정된 스루풋을 유지하기 위한 빔포밍을 이용한 무선 송수신 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 빔포밍을 이용한 무선 송신장치는 빔포밍 행렬을 데이터 신호에 적용한 다음, 수신장치들로 상기 데이터 신호를 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 산출하는 빔포밍 채널 행렬 산출부; 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보에 기초하여 상기 데이터 신호 전송시 사용하는 파라미터를 선택하는 전송 파라미터 선택부; 및 상기 선택된 파라미터를 이용하여 상기 데이터 신호를 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 빔포밍을 이용한 무선 수신장치는 빔포밍 행렬이 적용된 파일럿 신호를 송신장치로부터 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 빔포밍 행렬을 상기 파일럿 신호에 적용한 다음 상기 파일럿 신호를 수신 장치로 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 추정하는 빔포밍 채널 추정부; 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 파일럿 신호에 포함된 잡음 정보에 기초하여 데이터 신호 전송시 사용할 파라미터를 선택하는 전송 파라미터 선택부; 및 상기 선택된 파라미터를 상기 송신장치로 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 빔포밍을 이 용한 무선 송신방법은 빔포밍 행렬을 데이터 신호에 적용한 다음 수신장치들로 상기 데이터 신호를 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 산출하는 단계; 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보에 기초하여 상기 데이터 신호 전송시 사용하는 파라미터를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 파라미터를 이용하여 상기 데이터 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 빔포밍을 이용한 무선 수신방법은 빔포밍 행렬이 적용된 파일럿 신호를 송신장치로부터 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 빔포밍 행렬을 상기 파일럿 신호에 적용한 다음 상기 파일럿 신호를 수신 장치로 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 추정하는 단계; 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 파일럿 신호에 포함된 잡음 정보에 기초하여 데이터 신호 전송시 사용할 파라미터를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 파라미터를 상기 송신장치로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기된 송신 방법과 수신 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 또, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 중복설명을 생략한다.
도 1은 멀티 사용자 MIMO(Multiple Input Multiple Output)방식에 관한 통신 시스템(5)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템(5)은 송신장치(10)와 복수의 수신장치(40)(u1, u2)에 의해 구성된다. 도 1에 나타내는 통신 시스템(5)은 제로 포싱 빔포밍(zero-forcing beamforming)을 이용하는 멀티 사용자 MIMO시스템의 일 실시예이다.
수신장치(40)는 채널 추정부(44) 및 안테나(42)로 구성된다.
채널 추정부(44)는 송신장치(10)와 수신장치(40) 간의 서브 채널의 전송특성을 나타내는 서브 채널 행렬을 추정한다. 서브 채널은 송신장치(10)와 통신하는 복수의 수신장치(40)(u1, u2)별로 존재한다. 채널 행렬이란 채널의 전송특성을 행렬로 나타낸 것을 말하며, 서브 채널 행렬은 송신 안테나와 수신 안테나의 조합에 대응하는 채널 행렬이다. 예를 들어 채널 추정부(44)는 송신장치(10)가 송신신호에 부가한 파일럿 신호를 이용하여 서브 채널 행렬을 추정할 수 있다. 그리고, 수신장치(40)는 채널 추정부(44)에 의해 추정된 서브 채널 행렬을 송신장치(10)로 피드백한다.
송신장치(10)는 사용자 선택부(12), 빔포밍 행렬 산출부(14), 채널 부호화부(16), 변조 매핑부(18), 빔포밍부(20), 및 복수의 안테나(22)로 구성된다.
사용자 선택부(12)는 각 수신장치(40)로부터 피드백된 서브 채널 행렬을 이 용하여 예측되는 빔포밍 후의 채널용량이 최대가 되도록 동시에 신호가 송신되는 수신장치(40)의 조합을 선택한다. 채널 용량은 신호가 에러없이 채널을 통해 보내질 수 있는 최대속도를 나타낸다. 이하, 수신장치(40)를 간단히 사용자라고 표현하는 경우가 있다.
본 발명에서 사용하는 빔포밍이란, MIMO(Multiple Input Multiple Output)방식으로 통신할 때, 각각의 서브 채널 행렬로부터 계산되는 특이값 벡터들(singular vectors)을 송신 신호를 나타내는 송신 심볼 벡터에 적용하는 것을 말한다. 이때 특이값 벡터들을 이용하여 구성한 행렬이 빔포밍 행렬이다. 또한 송신 심볼 벡터에 빔포밍 행렬을 적용한 결과에 서브 채널 행렬들로 구성된 채널 행렬을 적용하면 빔포밍 채널 행렬이 산출된다. 빔포밍 채널 행렬은 송신신호에 빔포밍을 적용한 결과, 송신신호 측면에서 보면, 채널행렬에 빔포밍 행렬이 적용된 새로운 채널행렬이다.
빔포밍 채널 행렬은 수학식 1 내지 수학식 8을 보면, 전송할 신호에 대응하는 채널 행렬(H)과 빔포밍 행렬 (W)을 이용하여 빔포밍 채널 행렬(G)를 구한다. 제로 포싱 빔포밍(zero forcing beamforming)이란, 서브 채널 행렬 각각에 대하여 특이값 0에 대응하는 특이값 벡터들을 이용하여 빔포밍하는 기술을 말한다.
빔포밍 행렬 산출부(14)는 각 수신장치(40)로부터 피드백된 서브 채널 행렬에 기초하여 빔포밍 행렬을 산출한다. 설명의 편의상, 송신장치(10)의 안테나수가 4개, 각 수신장치(40)의 안테나수가 2개인 경우에 대해 생각한다.
우선, 사용자 선택부(12)에 의해 2개의 수신장치(40)(사용자(u1, u2))가 선택된 것으로 가정하면, 빔포밍 행렬 산출부(14)는 사용자(u1, u2)의 수신장치(40)로부터 각각 피드백된 수학식 1 및 수학식 2의 서브 채널 행렬(H1, H2)을 이용하여 선택된 사용자에 대한 MIMO 채널 행렬(H)(수학식 3)을 생성한다.
Figure 112007089371762-PAT00001
도 1을 참조하면, hij(i=1,2 j=1,2,3,4)의 의미는 송신장치(10)의 j번째 안테나와 수신장치u1의 i번째 안테나 간의 채널 특성을 나타내는 성분을 나타낸다.
Figure 112007089371762-PAT00002
도 1을 참조하면, hij(i=3,4 j=1,2,3,4)의 의미는 송신장치(10)의 j번째 안테나와 수신장치u2의 i번째 안테나 간의 채널 특성을 나타내는 성분을 나타낸다.
Figure 112007089371762-PAT00003
여기서, H는 송신장치(10)와 수신장치u1 간의 서브 채널 행렬과 송신장치(10)와 수신장치u2 간의 서브 채널 행렬을 조합한 채널행렬이다. 단, 위첨자의 T는 전치(Transpose)를 나타내는 기호이다.
다음에, 빔포밍 행렬 산출부(14)는 수학식 4에 나타내는 바와 같이 사용자(u2)의 서브 채널 행렬(H2)을 특이값 분해(singular value decomposition)한다. 특이값 분해란, 직사각행렬을 분해하는 방법으로, 소정의 직사각형 행렬을 유니터리 행렬 및 대각선에 음수가 아닌 수를 갖고 나머지는 모두 0인 행렬을 이용하여 분해하는 방법을 말한다.
마찬가지로, 빔포밍 행렬 산출부(14)는 수학식 5에 나타내는 바와 같이 사용자(u1)의 서브 채널 행렬(H1)을 특이값 분해한다. 그리고, 빔포밍 행렬 산출부(14)는 서브 채널 행렬(H1, H2)의 각각에 대해 특이값(singular vaule) 0에 대응하는 복수의 우특이값 벡터(right-singular vector)를 추출한다. 특이값 0에 대응하는 서브 채널 행렬(H2)의 우특이값 벡터는 서브 채널 행렬(H2)의 제로공간(null space) 벡터(x)가 된다. H2의 제로공간 벡터란 H2 * x=0를 만족할 때, x가 H2의 제로공간 벡터이다. 따라서 특이값 0에 대응하는 서브 채널 행렬(H2)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬V2 (0)을 사용자(u1)의 빔포밍 행렬로서 이용하면, 사용자(u1)의 신호가 사용자(u2)의 수신장치(40)에 미치는 채널간의 간섭을 제거할 수 있다.
마찬가지로, 서브 채널 행렬(H1)의 우특이값 벡터는 서브 채널 행렬(H1)의 제로공간 벡터를 부여한다. 그 때문에, 특이값 0에 대응하는 서브 채널 행렬(H1)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬V1 (0)을 사용자(u2)의 빔포밍 행렬로서 이용하면, 사용자(u2)의 신호가 사용자(u1)의 수신장치(40)에 미치는 채널간의 간섭을 제거할 수 있다. 단, 위첨자의 H는 에르미트 공역을 나타내는 기호이다. 에르미트 공역이란, 전치 행렬 성분의 복소수를 켤레 복소수로 치환한 것을 말한다.
Figure 112007089371762-PAT00004
U2는 서브 채널 행렬(H2)에 대응하는 유니터리 행렬이다. 유니터리 행렬이란, U*U=E(E는 단위행렬)를 만족하는 행렬을 말한다. D2는 서브 채널 행렬(H2)을 특이값 분해하여 얻은 특이값을 대각 방향으로 갖는 대각 행렬이다. 행렬V2 (0)은 특이 값 0에 대응하는 서브 채널 행렬(H2)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬이다. 행렬V2 (1)은 0 이외의 특이값에 대응하는 서브 채널 행렬(H2)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬이다. 단, 위첨자의 H는 에르미트 공역을 나타내는 기호이다. 예를 들어, 서브 채널 행렬(H2)가 2*4 행렬인 경우, U2는 2*2 행렬, D2는 2*2 행렬, 0은 2*2 영행렬, [D2,0]은 2*4 행렬이고, [V2 (1),V2 (0)]H는 4*4 행렬이다.
Figure 112007089371762-PAT00005
U1는 서브 채널 행렬(H1)에 대응하는 유니터리 행렬이다. D1는 서브 채널 행렬(H1)을 특이값 분해하여 얻은 특이값을 대각 방향으로 갖는 대각 행렬이다. 행렬V1 (0)은 특이값 0에 대응하는 서브 채널 행렬(H1)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬이다. 행렬V1 (1)은 0 이외의 특이값에 대응하는 서브 채널 행렬(H1)의 우특이값 벡터에 의해 구성되는 행렬이다.
빔포밍 행렬 산출부(14)는 수학식 6에 나타내는 바와 같이 서브 채널 행렬(H1, H2)의 각각을 특이값 분해하여 얻어진 행렬(V1 (0), V2 (0))을 이용하여 빔포밍 행렬(W)을 생성한다. 그리고, 빔포밍 행렬 산출부(14)는 생성된 빔포밍 행렬을 빔 포밍부(20)에 전송한다.
Figure 112007089371762-PAT00006
채널 부호화부(16)는 소정의 채널 부호화율에 기초하여 각 수신장치(40)에 송신하는 데이터를 부호화한다. 그리고, 채널 부호화부(16)는 변조 매핑부(18)로 부호화된 데이터를 전송한다.
변조 매핑부(18)는 채널 부호화부(16)로부터 취득한 데이터를 소정의 변조차수(modulation order)에 기초하여 변조 매핑하여 송신 심볼 벡터를 생성한다. 그리고, 변조 매핑부(18)는 생성된 송신 심볼 벡터를 빔포밍부(20)로 전송한다. 이하, 사용자(u1)에 대해 송신하는 송신 심볼 벡터를 s1=[s11, s12]T, 사용자(u2)에 대해 송신하는 송신 심볼 벡터를 s2=[s21, s22]T라고 표기한다.
빔포밍부(20)는 변조 매핑부(18)로부터 취득한 각 사용자의 송신 심볼 벡터를 빔포밍 행렬 산출부(14)에 의해 생성된 빔포밍 행렬로 적산하여, 빔포밍이 실시된 후의 송신 심볼 벡터를 생성한다. 사용자(u1, u2)의 송신 심볼 벡터(s1, s2)를 합쳐서 s=[s1 T, s2 T]T라고 표기하면, 수신신호 벡터(r=[r1 T, r2 T]T)는 수학식 7에 나타내는 바와 같이 채널 행렬(H), 빔포밍 행렬(W) 및 송신 심볼 벡터(s)의 곱으로서 표현된다. 또, 빔포밍 행렬(W)이 수학식 6과 같이 생성되기 때문에, 수학식 7에 나타 내는 바와 같이 사용자 간의 간섭성분이 전부 0이 된다. 단, r1=[r11, r12]T, r2=[r21, r22]T이다.
Figure 112007089371762-PAT00007
이상 설명한 바와 같이, 송신장치(10)는 각 수신장치(40)로부터 피드백된 서브 채널 행렬을 특이값 분해하여 얻어지는 제로공간 벡터를 이용하여 빔포밍 행렬을 산출하고, 그 빔포밍 행렬을 송신 심볼 벡터에 적산하여 송신함으로써, 사용자간의 간섭을 주지 않도록 송신할 수 있다. 이 모습을 개념적으로 나타낸 것이 도 2이다.
도 2는 제로-포싱 빔포밍 기술의 설명도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 송신 심볼 벡터(s)와 제로-포싱 빔포밍(ZFBF) 행렬(W)의 곱(s')을 송신함으로써, 수신장치(u1, u2)에 도달하는 채널이 각각 독립한 서브 채널(a, b)로 간주되고, 각 수신장치(40)에서 송신 심볼 벡터(s')를 정밀도 높게 검출할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 무선송신 장 치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 무선송신 장치는 수신장치 선택부(310), 빔포밍 행렬 산출부(320), 채널 특성 재산출부(330), 에러율 추정부(340), 전송 파라미터 선택부(350), 및 송신부(360)로 구성된다.
수신장치 선택부(310)는 각 수신장치로부터 피드백된 각 수신장치와 송신장치 간의 채널 행렬을 이용하여 예측되는 빔포밍 후의 채널용량이 최대가 되도록 하는 수신장치의 조합을 선택한다. 이때, 각 수신장치에 대응하는 채널 행렬은 각 수신장치로부터 피드백 받는다.
빔포밍 행렬 산출부(320)는 송신장치와 수신장치 간의 채널 행렬에 기초하여 빔포밍(beamforming) 행렬을 산출한다.
빔포밍 채널 행렬 산출부(330)는 송신장치와 수신장치 간의 빔포밍 후 채널 특성을 나타내는 빔포밍 채널 행렬을 산출한다. 빔포밍 채널 행렬이란, 송신 장치에서 수신 장치로 신호를 빔포밍 후 전송하는 경우의 채널 특성을 나타내는 행렬이다. 빔포밍 채널 행렬 산출부(330)는 빔포밍 행렬 산출부(320)에서 산출된 빔포밍 행렬과 각 수신장치로부터 피드백 받은 채널 행렬에 기초하여 빔포밍 채널 행렬을 산출한다. 빔포밍 채널 행렬 산출부(330)는 송신장치와 수신장치 간의 채널 특성을 나타내는 채널 행렬을 특이값 분해하고, 그 결과 얻은 특이값 0에 대응하는 제로공간 벡터를 요소로 하는 빔포밍 행렬과 채널 행렬을 이용하여 빔포밍 채널 행렬을 산출한다. 또한 빔포밍 행렬 산출부(320)가 산출한 빔포밍 채널 행렬은 수학식 7에서 볼 수 있는 바와 같이 채널별로 블록 대각화된다.
에러율 추정부(340)는 빔포밍 채널 행렬 산출부(330)에서 산출된 빔포밍 채널 행렬을 이용하여 빔포밍이 실시된 신호를 전송할 때의 에러율을 추정한다. 에러율 추정부(340)는 빔포밍이 실시된 신호를 전송할 때에 포함되는 잡음정보와 빔포밍 채널 행렬 산출부(330)에서 산출된 빔포밍 채널 행렬로부터 추정되는 수신전력을 이용하여 에러율을 추정한다. 에러율은 신호 대 간섭·잡음전력비(SINR, Signal power to Interference plus Noise power Ratio)가 될 수 있다. 에러율 추정부(340)는 블록 대각화된 빔포밍 채널 행렬의 각 블록에 대응하는 서브 스트림마다 신호 대 간섭·잡음전력비(SINR, Signal power to Interference plus Noise power Ratio)에 기초하여 에러율을 추정한다. 에러율 추정부(340)는 블록 대각화된 빔포밍 채널 행렬의 각 블록에 대해 선택 가능한 변조차수마다 최소 유클리드 거리를 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여 상기 서브 스트림마다 신호 대 간섭·잡음전력비(SINR)를 계산한다.
전송 파라미터 선택부(350)는 상기 에러율이 소정값 이하가 되도록 전송시 사용하는 파라미터를 선택한다. 이때, 파라미터는 송신신호를 채널 부호화하는데 사용하는 채널 부호화율과 상기 송신신호를 변조 매핑하는데 사용하는 변조 차수이다. 전송 파라미터 선택부(350)는 선택한 파라미터를 이용하여 송신장치와 수신장치 간의 송신 레이트를 설정한다. 이러한 파라미터로는 채널 부호화율, 변조 차수 등을 예로 들 수 있다.
송신부(360)는 전송 파라미터 선택부(350)에서 선택된 파라미터들을 이용하여 데이터 신호를 송신한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 송신 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 송신 방법은 도 3에 도시된 빔포밍을 이용한 송신장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 3에 도시된 빔포밍을 이용한 송신장치에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 송신방법에도 적용된다.
410 단계에서 빔포밍을 이용한 송신장치는 송신장치와 복수의 수신장치 간의 채널 특성을 나타내는 채널 행렬들에 기초하여 빔포밍 행렬을 산출한다.
420 단계에서 빔포밍을 이용한 송신장치는 410 단계에서 산출된 빔포밍 행렬과 수신장치들로부터 수신한 채널 행렬들에 기초하여 빔포밍 채널 행렬을 산출한다.
430 단계에서 빔포밍을 이용한 송신장치는 420 단계에서 산출한 빔포밍 채널 행렬과 수신장치로부터 수신한 잡음 정보를 이용하여 수신장치가 신호를 수신할 때의 에러율을 추정한다.
440 단계에서 빔포밍을 이용한 무선송신 장치는 430 단계에서 추정된 에러율에 따라 수신장치로 데이터 신호를 전송할 때 사용하는 파라미터를 선택한다.
450 단계에서 빔포밍을 이용한 무선송신 장치는 440 단계에서 선택된 파라미터를 이용하여 데이터 신호를 전송한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신 시스템(1000)의 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시예에 관한 통신 시스템(1000)은 수신장치(150)로부터 피드백된 서브 채널 행렬과 잡음 분산값(또는 잡음 전력값)에 기초하여 송신장치(100)가 수신 SINR을 추정하고, 그 수신 SINR의 추정값에 기초하여 변조차수와 채널 부호화율을 선택한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 통신 시스템(1000)은 송신장치(100)와 수신장치(150)에 의해 구성된다. 도 5에는 하나의 수신장치(150)(u1)밖에 명시되어 있지 않지만, 복수의 수신장치(150)가 포함되는 것으로 가정한다. 또한, 수신장치(150)(u1)의 안테나수가 2개인 경우를 예시하고 있는데, 이에 한정되지 않고 3개 이상이어도 된다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 수신장치(150)는 복수의 안테나(152), 채널 추정부(154), 잡음 분산 추정부(156), 빔포밍 채널 추정부(158), 최우검출부(160), 및 채널 복호부(162)로 구성된다.
채널 추정부(154)는 송신장치(100)와 수신장치(150) 간의 서브 채널의 전송특성을 나타내는 서브 채널 행렬을 추정한다. 예를 들어 채널 추정부(154)는 송신장치(100)에 의해 송신신호에 부가된 파일럿 신호를 이용하여 서브 채널 행렬을 추정할 수 있다. 수신장치(150)는 채널 추정부(154)에 의해 추정된 서브 채널 행렬을 송신장치(100)로 피드백한다.
잡음 분산 추정부(156)는 파일럿 신호 등을 이용하여 잡음 분산값(또는 잡음전력)을 추정한다. 그리고, 수신장치(150)는 잡음 분산 추정부(156)에 의해 추정 된 잡음 분산값을 송신장치(100)로 피드백한다.
빔포밍 채널 추정부(158)는 빔포밍이 실시된 송신신호에 대한 서브 채널 행렬을 추정한다. 수신 신호 벡터(r)는 수학식 7에 나타낸 바와 같이 채널 행렬(H)과 빔포밍 행렬(W)의 곱(HW)에 송신 심볼 벡터(s)를 승산한 형식으로 표현된다. 또한, 빔포밍 후의 채널 행렬(G=HW)은 수학식 7 또는 수학식 8과 같이 서브 채널마다 블록 대각화되어 있다. 예를 들어 사용자(u1)의 수신장치(150)의 경우, 빔포밍 채널 추정부(158)는 빔포밍 후의 채널 행렬(G)에 포함되고, 사용자(u1)에 대응하는 서브 채널 행렬(G1)을 추정한다. 빔포밍 채널 추정부(158)는 추정된 서브 채널 행렬(G1)을 최우검출부(160)에 전송한다.
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최우검출부(160)는 송신장치(100)로부터 통지된 변조차수 등의 정보와 빔포밍 채널 추정부(158)에 의해 추정된 빔포밍 후의 서브 채널 행렬을 이용하여 수신신호를 신호분리하고, 수신장치(150)로 송신된 송신 심볼을 검출한다. 이 때, 최우검출부(160)는 신호분리 알고리즘으로서 MMSE(Minimum Mean Square Error)검출보다도 전송특성이 뛰어난 최우검출(MLD; Maximum Likelihood Detection)법을 이용할 수 있다. 그리고, 최우검출부(160)는 서브 스트림마다 검출된 송신 심볼을 채널 복호부(162)에 전송한다.
채널 복호부(162)는 송신장치(100)로부터 통지된 채널 부호화율 등의 정보에 기초하여 오류정정의 복호를 행하여 원래의 데이터를 복호한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 송신장치(100)는 사용자 선택부(102), 빔포밍 행렬 산출부(104), 빔포밍 채널 행렬 산출부(106), 수신측 SINR 추정부(108), MCS선택부(110), 채널 부호화부(112), 변조 매핑부(114), 빔포밍부(116), 및 복수의 안테나(118)로 구성된다.
사용자 선택부(102)는 각 수신장치(150)로부터 피드백된 서브 채널 행렬(H1, H2, ...)을 이용하여 예측되는 빔포밍 후의 채널용량이 최대가 되도록 동시에 신호를 송신하는 수신장치(150)의 조합을 선택한다. 사용자 선택부(102)는 선택된 수신장치(150)의 조합을 나타내는 정보를 빔포밍 행렬 산출부(104)에 전송한다. 또, 설명의 편의상, 사용자(u1, u2)의 수신장치(150)가 선택된 것으로서 설명한다. 물론, 본 실시예에 관한 송신장치(100)는 이 예에 한정되는 것은 아니다.
빔포밍 행렬 산출부(104)는 사용자 선택부(102)에 의해 선택된 수신장치(150)(u1, u2)로부터 피드백된 서브 채널 행렬(H1, H2)을 이용하여 서로 간섭을 주지 않도록 하는 빔포밍 행렬(W)을 산출한다.
보다 구체적으로 말하면, 빔포밍 행렬 산출부(104)는 수학식 4에 나타내는 바와 같이 사용자(u2)의 서브 채널 행렬(H2)을 특이값 분해한다. 마찬가지로, 빔포밍 행렬 산출부(104)는 수학식 5에 나타내는 바와 같이 사용자(u1)의 서브 채널 행 렬(H1)을 특이값 분해한다. 그리고, 빔포밍 행렬 산출부(104)는 서브 채널 행렬(H1, H2)의 각각에 대해 특이값 0에 대응하는 복수의 우특이값 벡터를 추출한다. 또, 빔포밍 행렬 산출부(104)는 수학식 6에 나타내는 바와 같이 서브 채널 행렬(H1, H2)의 각각을 특이값 분해하여 얻어진 행렬(V1 (0), V2 (0))을 이용하여 빔포밍 행렬(W)을 생성한다.
그 후, 빔포밍 행렬 산출부(104)는 생성된 빔포밍 행렬(W)을 빔포밍부(116)에 전송함과 동시에 특이값 0에 대응하는 우특이값 벡터에 의해 구성된 행렬(V1 (0), V2 (0))을 빔포밍 채널 행렬 산출부(106)에 전송한다. 예를 들어 빔포밍 행렬 산출부(104)는 사용자(u1)에 대응하는 빔포밍 채널 행렬(G1)을 산출하는 빔포밍 채널 행렬 산출부(106)에 행렬(V2 (0))을 전송한다.
빔포밍 채널 행렬 산출부(106)는 빔포밍 행렬 산출부(104)로부터 취득한 빔포밍 행렬(W)을 사용자 선택부(102)에 의해 선택된 조합에 대한 채널 행렬(H)에 적산하여 가상적인 빔포밍 채널 행렬(G)을 산출한다. 단, 서브 채널 행렬(H2)에 대응하는 빔포밍 채널 행렬(G2)을 산출하는 경우, 빔포밍 채널 행렬 산출부(106)는 빔포밍 행렬 산출부(104)로부터 취득한 행렬(V1 (0))과 사용자(u2)의 수신장치(150)로부터 취득한 서브 채널 행렬(H2)을 이용하여 빔포밍 채널 행렬(G2)을 산출하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 빔포밍 채널 행렬(G1)도 산출된다. 또, 빔포밍 채널 행렬(G)의 서브 행렬(G1, G2)은 선택된 사용자(u1, u2)의 수신장치(150)에 대한 등가의 채널 행렬이 된다. 즉, 빔포밍 채널 행렬(G)의 서브 행렬(G1, G2)은 각 수신장치(150)에 대한 빔포밍 후의 채널 행렬이 된다.
수신측 SINR 추정부(108)는 빔포밍 채널 행렬 산출부(106)로부터 취득한 빔포밍 채널 행렬(G1, G2)을 이용하여 수신전력을 계산한다. 그리고, 수신측 SINR 추정부(108)는 수신장치(150)로부터 피드백된 잡음 분산값(또는 잡음 전력)과 빔포밍 채널 행렬(G1, G2)로부터 산출되는 수신전력을 이용하여 수신장치에서 검출되는 SINR을 추정한다. 그 후, 수신측 SINR 추정부(108)는 추정된 SINR의 정보를 MCS선택부(110)에 전송한다. 예를 들어 수신측 SINR 추정부(108)는 빔포밍 채널 행렬(G2)과 사용자(u2)의 수신장치(150)로부터 피드백된 잡음 분산값(Pn2)을 이용하여 사용자(u2)의 수신장치(150)에서 검출되는 평균 SINR을 추정할 수 있다.
MCS 선택부(110)는 수신측 SINR 추정부(108)로부터 취득한 각 사용자의 수신장치(150)에서의 SINR의 추정값에 기초하여 전송 제어 파라미터(MCS; Modulating and Coding Set)를 결정한다. 예를 들어 MCS 선택부(110)는 소정의 에러율 이하가 되면서 전송속도가 최대가 되는 에러정정부호의 채널 부호화율과 변조차수를 선택 한다. 그리고, MCS 선택부(110)는 선택된 채널 부호화율의 정보를 채널 부호화부(112)에 전송함과 동시에, 선택된 변조차수의 정보를 변조 매핑부(114)에 전송한다.
채널 부호화부(112)는 MCS 선택부(110)에 의해 선택된 채널 부호화율에 기초하여 데이터를 부호화한다. 그리고, 채널 부호화부(112)는 부호화 데이터를 변조 매핑부(114)에 전송한다.
변조 매핑부(114)는, MCS 선택부(110)에 의해 선택된 변조차수에 기초하여 채널 부호화부(112)에 의해 부호화된 데이터를 변조 매핑한다. 그리고, 변조 매핑부(114)는 변조 매핑하여 얻어진 송신 심볼을 빔포밍부(116)에 전송한다. 예를 들어 사용자(u2)의 수신장치(150)에 송신되는 데이터(d2)는, 직병렬 변환된 후, 각각 채널 부호화부(112)에 의해 부호화되고, 변조 매핑부(114)에 의해 변조 매핑되어 사용자(u2)에 대한 송신 심볼 벡터(s2=[s21, s22])로 변환된다. 또, MCS선택부(110)에 의해 선택된 변조차수 및 채널 부호화율의 정보는 송신신호 포맷 중에 있는 제어신호가 나타내는 사용자에게 통지된다.
빔포밍부(116)는 변조 매핑부(114)로부터 취득한 각 사용자의 송신 심볼 벡터(s1, s2)를 빔포밍 행렬 산출부(104)에 의해 생성된 빔포밍 행렬(W)에 적산하여 빔포밍 후의 송신 심볼 벡터(s')를 생성한다. 그리고, 빔포밍부(116)는 각 안테나(118)를 통하여 빔포밍 후의 송신 심볼을 수신장치(150)로 송신한다.
이상, 본 발명의 제1 실시예에 관한 통신 시스템(1000)의 구성에 대해 상세 하게 설명하였다. 상기의 구성을 적용하면, 빔포밍을 실시하여 송신하는 경우의 각 수신장치(150)에 대한 서브 채널 행렬을 송신장치에서 계산할 수 있기 때문에, 각 서브 채널 행렬로부터 수신장치에서 검출되는 SINR을 추정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 추정되는 SINR에 기초하여 적합한 에러정정 부호화율과 변조차수를 송신장치에서 선택하여 송신할 수 있기 때문에, 채널상황에 의하지 않고 안정된 스루풋(throughput)을 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 상기의 구성을 적용하면, 송신 레이트를 설정하는 처리의 대부분을 송신장치에서 실행하게 되기 때문에, 수신장치의 소비전력이 감소한다는 효과도 얻을 수 있다. 또, 부호화율이나 변조차수 등의 전송 제어 파라미터는 송신신호에 포함하여 수신장치에 통지된다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신 시스템(2000)의 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시예에 관한 통신 시스템(2000)은 수신장치로부터 피드백된 서브 채널 행렬과 잡음 분산치에 기초하여 송신장치에서 서브 스트림마다의 최우검출후 SINR을 추정하고, 서브 스트림마다 추정된 최우검출후 SINR에 기초하여 변조차수와 채널 부호화율을 선택한다. 또, 상기 제1 실시예에 관한 통신 시스템(1000)과 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 상세한 설명을 생략한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 통신 시스템(2000)은 송신장치(200)와 수신장치(150)에 의해 구성된다. 도 6에는 하나의 수신장치(150)(u1)밖에 명시되어 있지 않지만, 복수의 수신장치(150)가 포함되는 것으로 가정한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 송신장치(200)는 사용자 선택부(102), 빔포밍 행렬 산출부(104), 빔포밍 채널 행렬 산출부(106), 서브 스트림마다 MLD검파후 SINR 추정부(208), 서브 스트림마다 MCS 선택부(210), 채널 부호화부(112), 변조 매핑부(114), 빔포밍부(116), 및 복수의 안테나(118)로 구성된다.
서브 스트림마다 MLD검파후 SINR 추정부(208)(이하, SINR 추정부(208))는 우선, 빔포밍 채널 행렬 산출부(106)에 의해 산출된 빔포밍 후의 서브 채널 행렬(G1, G2)을 취득하고, 그 서브 채널 행렬에 대해 소정의 변조차수마다 최소 유클리드 거리를 계산한다.
단, 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 추정하는 것은 매우 어렵다. 예를 들어 소정의 변조방식의 신호점 배치에 포함되는 모든 변조 신호점에 대해 다른 2개의 변조심볼의 차분인 차분 변조심볼을 산출하고, 차분 변조심볼의 조합으로 구성되는 다수의 차분 변조심볼 벡터의 각각에 대해 유클리드 거리를 계산해야 한다. 또, 각 서브 스트림에 대응하는 차분 변조심볼이 0이 되지 않는 차분 변조심볼 벡터 중에서 유클리드 거리가 최소가 되는 차분 변조심볼 벡터를 선택할 필요가 있다. 이 차분 변조심볼 벡터에 대응하는 유클리드 거리가 최소 유클리드 거리이다.
예를 들어 변조 다치수를 M, 송신 안테나수를 NT로 한 경우, 차분 변조심볼 벡터의 조합수는 M^(NT)와 같다. 그래서, 송신 안테나수가 4, 변조방식이 16QAM의 경우를 생각하면, 최소 유클리드 거리를 얻기 위해 494=5,764,801와 같은 조합에 대해 유클리드 거리를 계산해야 한다. 이와 같이 계산량이 방대하기 때문에, 지금까 지는 현실적인 방법이 아니라고 생각되고 있었다.
그러나, 본건 출원인은 상기 문제에 대한 매우 유효한 해결수단을 개발하여 이미 일본 특허청에 출원되어 있다(특허출원번호 2006-282376). 그 중에서, 본건 출원인은 채널 행렬을 유니터리 행렬과 상삼각 행렬로 분해(QR분해)한 후, 이 상삼각 행렬의 각 행 벡터에 대응하는 유클리드 거리가 작아지도록 차분 변조심볼 벡터의 후보를 선별하고, 소정의 조건 하에서 이에 대응하는 유클리드 거리가 최소가 되는 차분 변조심볼 벡터를 추출하는 트렐리스 탐색 알고리즘을 제안하고 있다. 이 알고리즘에 기초하여 추출된 차분 변조심볼에 대응하는 유클리드 거리가 원하는 최소 유클리드 거리가 된다. 이 알고리즘을 이용하면, 송신 안테나수가 4, 변조방식이 16QAM의 경우에서 약 22,500배의 고속화를 도모하는 것이 가능하게 되기 때문에, 상기와 같은 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 계산하는 것이 현실적이 된다.
그래서, SINR 추정부(208)는 빔포밍 후의 각 서브 채널 행렬(G1, G2)에 대해, 상기 알고리즘을 이용하여 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 산출한다. 또, SINR 추정부(208)는 서브 스트림마다 산출된 최소 유클리드 거리와 각 사용자의 수신장치(150)로부터 피드백된 잡음 분산값을 이용하여 소정의 변조방식의 후보에 대해 서브 스트림마다의 SINR을 산출한다. 그리고, SINR 추정부(208)는 산출된 서브 스트림마다의 SINR을 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)에 전송한다.
서브 스트림마다 MCS 선택부(210)는 SINR 추정부(208)에 의해 산출된 서브 스트림마다의 SINR에 기초하여 최우검출 및 에러정정의 복호를 행한 후의 비트 에 러율 또는 패킷 에러율을 예측하고, 그 예측값이 소정값 이하가 되면서 전송속도를 보다 크게 하는 것이 가능한 부호화율과 변조차수를 서브 스트림마다 선택한다. 그리고, 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)는 선택된 부호화율을 채널 부호화부(112)에 전송함과 동시에 선택된 변조차수를 변조 매핑부(114)에 전송한다.
또, 송신장치(200)는 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)에 의해 선택된 부호화율 및 변조차수의 정보를 송신신호 포맷의 제어신호에 실어서 수신장치(150)에 통지한다. 또한, 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)는 서브 스트림마다 부호화율과 변조차수를 선택해도 되고, 서브 스트림 공통으로 부호화율과 변조차수를 선택해도 된다. 전자의 경우, 채널 부호화부(112) 및 변조 매핑부(114)는 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)에 의해 선택된 부호화율과 변조차수를 이용하여 서브 스트림마다 채널 부호화 및 변조매핑을 한다. 후자의 경우, 채널 부호화부(112) 및 변조 매핑부(114)는 서브 스트림마다 MCS 선택부(210)에 의해 선택된 부호화율과 변조차수를 이용하여 서브 스트림 공통으로 채널 부호화 및 변조매핑을 한다.
이상, 본 발명의 제2 실시예에 관한 통신 시스템(2000)에 대해 설명하였다. 상기의 구성을 적용하면, 빔포밍을 실시하여 송신하는 경우의 각 수신장치(150)에 대한 서브 채널 행렬을 송신장치에서 계산할 수 있기 때문에, 각 서브 채널 행렬로부터 수신장치에서 검출되는 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 추정하는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 서브 스트림마다 추정된 SINR에 기초하여 부호화율 및 변조차수를 선택하는 것이 송신장치에서 가능하게 된다. 그 결과, 채널상황에 의하지 않고 안정된 스루풋을 얻는 것이 가능하게 된다. 또한, 서브 채널마다 전송 제 어 파라미터를 선택할 수 있기 때문에, 상기 제1 실시예에 비해서도 수신장치에서 행하는 최우검출에 대해 더욱 적합한 전송제어가 가능하게 된다. 따라서, MMSE검출에 비해 좋은 전송특성을 얻을 수 있는 최우검출을 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 최우검출에 적합한 전송제어가 가능하게 된다는 효과를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신장치의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신장치는 빔포밍 채널 추정부(710), 에러율 추정부(720), 전송 파라미터 선택부(730), 및 송신부(740)로 구성된다.
빔포밍 채널 추정부(710)는 빔포밍을 적용한 파일럿 신호를 수신하고, 수신된 파일럿 신호를 이용하여 빔포밍 채널 행렬을 산출한다.
에러율 추정부(720)는 빔포밍 채널 추정부(710)에서 산출된 빔포밍 채널 행렬에 기초하여 빔포밍이 실시된 신호를 전송할 때의 에러율을 추정한다. 에러율 추정부(720)는 빔포밍이 실시된 신호를 전송할 때에 포함되는 잡음정보와 빔포밍 채널 추정부(710)에서 산출된 빔포밍 채널 행렬을 이용하여 에러율을 추정한다. 에러율 추정부(720)는 블록 대각화된 빔포밍 채널 행렬의 각 블록에 대응하는 SINR에 기초하여 에러율을 추정한다. 에러율 추정부(720)는 블록 대각화된 빔포밍 채널 행렬의 각 블록에 대해 선택 가능한 변조차수마다 최소 유클리드 거리를 계산하고, 그 계산 결과에 기초하여 서브 스트림마다 SINR을 계산한다.
전송 파라미터 선택부(730)는 상기 에러율이 소정값 이하가 되도록 전송시 사용하는 파라미터를 선택한다. 이때, 파라미터는 송신신호를 채널 부호화하는데 사용하는 채널 부호화율과 상기 송신신호를 변조 매핑하는데 사용하는 변조 차수이다.
송신부(740)는 전송 파라미터 선택부(730)에서 선택된 파라미터를 파일럿 신호를 송신한 송신 장치로 전송한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신방법은 도 7에 도시된 빔포밍을 이용한 수신장치에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 7에 도시된 빔포밍을 이용한 수신장치에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신방법에도 적용된다.
810 단계에서 빔포밍을 이용한 수신장치는 송신장치로부터 파일럿 신호를 수신한다. 이 파일럿 신호는 송신장치에서 전송하고자하는 송신신호에 부가되어 빔포밍된 후 전송되는 신호이다.
820 단계에서 빔포밍을 이용한 수신장치는 수신한 파일럿 신호로부터 빔포밍 채널 행렬을 추정한다.
830 단계에서 빔포밍을 이용한 수신장치는 820 단계에서 추정된 빔포밍 채널 행렬과 수신신호에 포함된 잡음정보를 이용하여 수신장치가 신호를 수신할 때의 에러율을 추정한다.
840 단계에서 빔포밍을 이용한 수신장치는 830 단계에서 추정된 에러율에 따라 데이터 신호를 전송할 때 사용하는 파라미터를 선택한다.
850 단계에서 빔포밍을 이용한 수신장치는 840 단계에서 선택된 파라미터를 송신장치로 전송한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 통신 시스템(3000)의 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시예에 관한 통신 시스템(3000)은 수신 장치에서 서브 채널 행렬과 잡음 분산값을 추정하고, 그 서브 채널 행렬과 잡음 분산값으로부터 추정되는 수신 SINR에 기초하여 변조차수와 채널 부호화율을 선택한다. 또, 상기 제1 실시예에 관한 통신 시스템(1000)과 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 상세한 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면서, 본 실시예에 관한 통신 시스템(3000)의 구성에 대해 상세하게 설명한다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 통신 시스템(3000)은 송신장치(300)와 수신장치(350)에 의해 구성된다. 도 9에는 하나의 수신장치(350)(u1)밖에 명시되어 있지 않지만, 복수의 수신장치(350)가 포함되는 것으로 가정한다. 또, 설명의 편의상, 사용자(u1)의 수신장치(350)를 참조하여 설명하는데, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 송신장치(300)는 사용자 선택부(102), 빔포밍 행렬 산출부(104), 채널 부호화부(112), 변조 매핑부(114), 빔포밍 채널추정용 파일럿 신호 포함부(302), 빔포밍부(116), 및 복수의 안테나(118)로 구성된다.
빔포밍 채널추정용 파일럿 신호 포함부(302)(이하, 파일럿 신호 포함 부(302))는 변조 매핑부(114)로부터 입력되는 송신 심볼 벡터에 빔포밍 후의 서브 채널 행렬을 추정하기 위한 파일럿 신호를 더한다. 그리고, 파일럿 신호 포함부(302)는 파일럿 신호가 포함된 송신 심볼 벡터를 빔포밍부(116)에 전송한다.
빔포밍부(116)는 빔포밍 행렬 산출부(104)에 의해 산출된 빔포밍 행렬에 기초하여 파일럿 신호가 포함된 송신 심볼 벡터를 빔포밍하여 송신한다.
채널 부호화부(112) 및 변조 매핑부(114)는 수신장치(350)로부터 피드백된 부호화율 및 변조차수의 정보에 기초하여 채널 부호화 및 변조매핑을 한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 수신장치(350)는 복수의 안테나(152), 채널 추정부(154), 빔포밍 채널 추정부(158), 최우검출부(160), 채널 복호부(162), 수신 SINR 추정부(352), 및 MCS 선택부(354)로 구성된다.
수신 SINR 추정부(352)는 빔포밍 채널추정부(158)에 의해 추정된 빔포밍 후의 서브 채널 행렬(G1)을 이용하여 수신전력을 계산한다. 수신 SINR 추정부(352)는 추정된 잡음 분산값과 빔포밍 후의 서브 채널 행렬(G1)로부터 산출된 수신전력을 이용하여 빔포밍 후의 수신 SINR을 추정한다. 그 후, 수신 SINR 추정부(352)는 추정된 수신 SINR의 정보를 MCS 선택부(354)에 전송한다.
MCS 선택부(354)는 수신 SINR 추정부(352)로부터 취득한 수신 SINR의 추정값에 기초하여 전송 제어 파라미터(MCS1)를 결정한다. 예를 들어 MCS 선택부(354)는 소정의 에러율 이하가 되면서 전송속도가 최대가 되는 에러정정부호의 채널 부호화율과 변조차수를 선택한다. 그리고, MCS 선택부(354)는 선택된 채널 부호화율의 정 보를 송신장치(300)의 채널 부호화부(112)에 전송함과 동시에, 선택된 변조차수의 정보를 송신장치(300)의 변조 매핑부(114)에 전송한다. 또, MCS 선택부(354)에 의해 선택된 부호화율과 변조차수는 최우검출부(160) 또는 채널 복호부(162)에서 이용된다.
이상, 본 발명의 제3 실시예에 관한 통신 시스템(3000)의 구성에 대해 설명하였다. 상기의 구성을 적용하면, 파일럿 신호에 빔포밍을 실시하여 송신함으로써, 수신장치(350)가 수신장치(350)의 서브 채널 행렬을 추정하는 것이 가능하게 되고, 그 서브 채널 행렬로부터 추정되는 수신 SINR에 기초하여 수신장치(350)에 적합한 에러정정 부호화율과 변조차수를 선택할 수 있다. 또한, 실제의 채널을 경유하여 취득한 신호를 기초로 파라미터가 설정되기 때문에, 상기 제1 실시예에 비해서도 보다 높은 정밀도로 전송 제어 파라미터의 선택이 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 통신 시스템(4000)의 구성을 나타내는 설명도이다. 본 실시예에 관한 통신 시스템(4000)은 수신 장치에서 서브 채널 행렬과 잡음 분산값을 추정하고, 그 서브 채널 행렬과 잡음 분산값으로부터 추정되는 서브 스트림마다의 SINR에 기초하여 변조차수와 채널 부호화율을 선택한다. 또, 상기 제1 실시예에 관한 통신 시스템(1000) 또는 제3 실시예에 관한 통신 시스템(3000)과 실질적으로 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여함으로써 상세한 설명을 생략한다.
도 10을 참조하면서, 본 실시예에 관한 통신 시스템(4000)의 구성에 대해 상세하게 설명한다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 통신 시스템(4000)은 송신장 치(300)와 수신장치(450)에 의해 구성된다. 도 10에는 하나의 수신장치(450)(u1)밖에 명시되어 있지 않지만, 복수의 수신장치(450)가 포함되는 것으로 가정한다. 또, 설명의 편의상, 사용자(u1)의 수신장치(450)를 참조하여 설명하는데, 본 실시예는 이에 한정되는 것은 아니다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 수신장치(450)(u1)는 복수의 안테나(152), 채널 추정부(154), 빔포밍 채널 추정부(158), 최우검출부(160), 채널 복호부(162), 서브 스트림마다 MLD검파후 SINR 추정부(452), 및 서브 스트림마다 MCS 선택부(454)로 구성된다.
서브 스트림마다 MLD검파후 SINR 추정부(452)(이하, SINR 추정부(452))는 우선 빔포밍 채널 추정부(158)에 의해 추정된 빔포밍 후의 서브 채널 행렬(G1)을 취득하고, 그 서브 채널 행렬(G1)에 대해 소정의 변조방식마다 최소 유클리드 거리를 계산한다. 이미 서술한 바와 같이, 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 추정하는 것은 매우 어렵다. 그래서, SINR 추정부(452)도 상기 제2 실시예에 관한 SINR 추정부(208)와 같이 상기 알고리즘을 이용하여 서브 스트림마다의 최소 유클리드 거리를 산출한다.
그리고, SINR 추정부(452)는 서브 스트림마다 산출된 최소 유클리드 거리와 추정된 잡음 분산값을 이용하여 소정의 변조방식의 후보에 대해 서브 스트림마다의 최우검출후 SINR을 산출한다. 그 후, SINR 추정부(452)는 산출된 서브 스트림마다 의 최우검출후 SINR을 서브 스트림마다 MCS 선택부(454)에 전송한다.
서브 스트림마다 MCS 선택부(454)는 SINR 추정부(452)에 의해 산출된 서브 스트림마다의 최우검출후 SINR에 기초하여 최우검출 및 에러정정의 복호를 행한 후의 비트 에러율 또는 패킷 에러율을 예측하고, 그 예측값이 소정값 이하가 되면서 전송속도를 보다 크게 하는 것이 가능한 부호화율과 변조차수를 선택한다. 그리고, 서브 스트림마다 MCS 선택부(454)는 선택된 부호화율을 송신장치(300)의 채널 부호화부(112)에 전송함과 동시에, 선택된 변조차수를 송신장치(300)의 변조 매핑부(114)에 전송한다.
이상, 본 발명의 제4 실시예에 관한 통신 시스템(4000)의 구성에 대해 설명하였다. 상기의 구성을 적용하면, 파일럿 신호에 빔포밍을 실시하여 송신함으로써, 수신장치(450)가 수신장치(450)의 서브 채널 행렬을 추정하는 것이 가능하게 되고, 그 서브 채널 행렬로부터 추정되는 수신 SINR에 기초하여 수신장치(450)에 적합한 에러정정 부호화율과 변조차수를 선택할 수 있다. 또한, 실제의 채널을 경유하여 취득한 신호를 기초로 전송 레이트가 설정되기 때문에, 상기 제1 실시예에 비해서도 보다 높은 정밀도로 전송 제어 파라미터의 선택이 가능하게 된다. 또, 서브 스트림마다의 최우검출후 SINR에 기초하여 서브 스트림마다의 전송 제어 파라미터를 선택하는 것이 가능하게 되기 때문에, 상기 제3 실시예에 관한 통신 시스템(3000)보다도 보다 최우검출에 적합한 송신 레이트 제어가 가능하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 제로-포싱 빔포밍을 이용하는 멀티 사용자 MIMO시스템에 있어서, 수신 장치에서 최우검출을 이용하는 경우에서도 적합한 송신 레이트의 설정이 가능하게 된다. 그 결과, 통신품질이 안정되고, 스루풋이 증대하는 효과를 기대할 수 있다.
첨부도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않음은 물론이다. 통상의 기술자이면 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 각종의 변경예 또는 수정예에 도달할 수 있는 것은 명백하고, 그러한 예들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
예를 들어 상기 각 실시예에서의 설명에서는 설명의 형편상 특정의 사용자에 대한 송신방법이나 처리방법 등을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 상기 각 실시예에 관한 기술은 마찬가지로 다른 사용자의 송신장치 또는 수신장치에 적용하는 것이 가능하다. 또한, 상기 설명 중에서 각 실시예의 특징을 언급하고 있는데, 이들의 특징을 조합한 구성에 대해서도 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것은 물론이다. 또한, 상기 송신장치가 수신기능을 가지고 있어도 되고, 수신장치가 송신기능을 가지고 있어도 된다. 또, 송신장치의 구성과 수신장치의 구성이 하나의 통신장치에 포함된 구성도 변형예에 포함된다. 또한, 송신장치 또는 수신장치는, 송신장치에서 수신장치로 정보를 통지하는 통지수단이나 수신장치에서 송신장치로 정보를 피드백하는 피드백수단 등을 별도 가지고 있어도 된다.
또한, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터(정보 처리 기능을 갖는 장치를 모두 포함한다)가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장 장치 등이 있다.
도 1은 멀티 사용자 MIMO방식에 관한 통신 시스템(5)의 구성도이다.
도 2는 제로-포싱·빔포밍 기술의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 송신장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 송신방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신 시스템(1000)의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신 시스템(2000)의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 빔포밍을 이용한 수신방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 통신 시스템(3000)의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 통신 시스템(4000)의 구성을 나타내는 설명도이다.

Claims (20)

  1. 빔포밍 행렬을 데이터 신호에 적용한 다음, 수신장치들로 상기 데이터 신호를 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 산출하는 빔포밍 채널 행렬 산출부;
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보에 기초하여 상기 데이터 신호 전송시 사용하는 파라미터를 선택하는 전송 파라미터 선택부; 및
    상기 선택된 파라미터를 이용하여 상기 데이터 신호를 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬 산출부는 상기 수신장치들과 상기 송신장치 간의 채널 행렬과 상기 빔포밍 행렬에 기초하여 상기 빔포밍 채널 행렬을 산출하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수신장치들로부터 피드백받은 상기 수신장치들과 상기 송신장치 간의 채널 행렬들을 이용하여 상기 빔포밍 행렬을 산출하는 빔포밍 행렬 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수신장치들의 조합 중에서 최대 채널용량에 대응하는 수신장치들을 선택하는 수신장치 선택부를 더 포함하고,
    상기 전송 파라미터 선택부는 상기 선택된 수신장치들로부터 잡음 정보를 피드백 받는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보를 이용하여 상기 수신장치들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 에러율 추정부를 더 포함하고,
    상기 전송 파라미터 선택부는 상기 에러율에 기초하여 상기 데이터 신호 송신시 사용하는 파라미터를 상기 수신장치들 각각에 대응하여 선택하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 에러율 추정부는 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보를 이용하여 상기 데이터 신호를 구성하는 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전송 파라미터 선택부는 상기 에러율에 기초하여 상기 서브 스트림들 각각을 송신시 사용하는 파라미터를 상기 서브 스트림 별로 선택하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 에러율 추정부는 상기 빔포밍 채널 행렬 성분 중 상기 서브 스트림들에 대응하는 성분으로 구성된 성분 블록 각각에 대하여 선택가능한 변조차수마다 계산되는 최소 유클리드 거리와 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하는 송신장치.
  8. 빔포밍 행렬이 적용된 파일럿 신호를 송신장치로부터 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 빔포밍 행렬을 상기 파일럿 신호에 적용한 다음, 상기 파일럿 신호를 수신 장치로 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 추정하는 빔포밍 채널 추정부;
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 파일럿 신호에 포함된 잡음 정보에 기초하여 데이터 신호 전송시 사용할 파라미터를 선택하는 전송 파라미터 선택부; 및
    상기 선택된 파라미터를 상기 송신장치로 송신하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 잡음 정보를 이용하여 에러율을 추정하는 에 러율 추정부를 더 포함하고,
    상기 전송 파라미터 선택부는 상기 에러율에 기초하여 상기 데이터 신호 송신시 사용하는 파라미터를 선택하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 에러율 추정부는 상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 데이터 신호를 구성하는 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 전송 파라미터 선택부는 상기 에러율에 기초하여 상기 서브 스트림들 각각을 송신시 사용하는 파라미터를 상기 서브 스트림 별로 선택하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 에러율 추정부는 상기 빔포밍 채널 행렬 성분 중 상기 서브 스트림들에 대응하는 성분으로 구성된 성분 블록 각각에 대하여 선택가능한 변조차수마다 계산되는 최소 유클리드 거리와 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
  12. 빔포밍 행렬을 데이터 신호에 적용한 다음, 수신장치들로 상기 데이터 신호를 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 산출하는 단계;
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보에 기초하여 상기 데이터 신호 전송시 사용하는 파라미터를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 파라미터를 이용하여 상기 데이터 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보를 이용하여 상기 수신장치들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 파라미터를 선택하는 단계는 상기 에러율에 기초하여 상기 데이터 신호 송신시 사용하는 파라미터를 상기 수신장치들 각각에 대응하여 선택하는 것을 특징으로 하는 송신방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 수신장치들로부터 피드백된 잡음 정보를 이용하여 상기 데이터 신호를 구성하는 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 파라미터를 선택하는 단계는 상기 에러율에 기초하여 상기 서브 스트림들 각각을 송신시 사용하는 파라미터를 상기 서브 스트림 별로 선택하는 것을 특징으로 하는 송신방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 에러율을 추정하는 단계는 상기 빔포밍 채널 행렬 성분 중 상기 서브 스트림들에 대응하는 성분으로 구성된 성분 블록 각각에 대하여 선택가능한 변조차수마다 계산되는 최소 유클리드 거리와 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하는 송신방법.
  16. 빔포밍 행렬이 적용된 파일럿 신호를 송신장치로부터 수신하고, 상기 수신된 파일럿 신호를 이용하여 상기 빔포밍 행렬을 상기 파일럿 신호에 적용한 다음, 상기 파일럿 신호를 수신 장치로 전송할 때의 채널 행렬인 빔포밍 채널 행렬을 추정하는 단계;
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 파일럿 신호에 포함된 잡음 정보에 기초하여 데이터 신호 전송시 사용할 파라미터를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 파라미터를 상기 송신장치로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 잡음 정보를 이용하여 에러율을 추정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 파라미터를 선택하는 단계는 상기 에러율에 기초하여 상기 데이터 신호 송신시 사용하는 파라미터를 선택하는 것을 특징으로 하는 수신방법.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 빔포밍 채널 행렬과 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 데이터 신호를 구성하는 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 파라미터를 선택하는 단계는 상기 에러율에 기초하여 상기 서브 스트림들 각각을 송신시 사용하는 파라미터를 상기 서브 스트림 별로 선택하는 것을 특징으로 하는 수신방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 에러율을 추정하는 단계는 상기 빔포밍 채널 행렬 성분 중 상기 서브 스트림들에 대응하는 성분으로 구성된 성분 블록 각각에 대하여 선택가능한 변조차수마다 계산되는 최소 유클리드 거리와 상기 잡음 정보를 이용하여 상기 서브 스트림들 각각에 대응하는 에러율을 추정하는 것을 특징으로 하는 수신방법.
  20. 제 12 항 또는 제 16 항에 있어서, 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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