KR20080114132A - 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의송신 안테나 선택 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 송신 안테나를 선택하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서 시스템 용량을 극대화시킬 수 있는 송신 안테나 선택 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 송신 안테나를 선택하는 방법은, 다중 송신 안테나로부터 기지국의 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신하는 단계; 상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비(SNR) 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하는 단계; 상기 계산된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하는 단계; 상기 선택된 송신 안테나 조합에 따라 다중 사용자 및 상기 다중 송신 안테나를 스케줄링하는 단계; 및 상기 스케줄링 단계에서의 스케줄링 정보를 상기 다중 송신 안테나로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
MIMO, 상향 링크, 송신 안테나 선택, 수신 채널 상관도

Description

다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법 및 장치{Method and Apparatus for Selection of Transmitting Antennas In Uplink of MIMO Wireless Communication System }
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 다중 입력 다중 출력 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나를 선택하는 방법을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 송신 안테나 선택 방법에 따른 사용자 스케줄링의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치를 포함하는 기지국의 구성의 일부를 걔략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 종래의 안테나 선택 방식과 결합하여 사용되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 송신 안테나의 개수를 가변적으로 조절하는 방법을 도시한 도면이다.
도 8은 가상 송신 안테나의 운용과 결합하여 사용되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법의 일례를 도시한 도면이다.
도 9는 기지국이 다중 섹터를 지원하는 경우에 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법을 적용하는 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법에 따른 시스템 측정 용량 증가의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 송신 안테나를 선택하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서 시스템 용량을 극대화시킬 수 있는 송신 안테나 선택 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 통신 시스템 상향링크에서는 주파수 대역이 한정되어 있기 때문에 시스템 용량을 극대화시키는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 한정된 주파수 자원으로 시스템 용량을 늘리기 위해 다중 입력 다중 입력 다중 출력(Multiple Input and Multiple Output; 이하 'MIMO'라고도 한다)를 사용하여 공간 자원을 늘림으로써 시스템 용량을 증가시킬 수 있다고 알려져 있다(J. Winters 저, "On the capacity of radio communications systems with diversity in a Rayleigh fading environment," IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 5, no. 5, pp. 871-878, 1987년 6월; G. J. Foschini 저, "Layered space-time architecture for wireless communication in fading environments when using multi-element antennas," Bell Labs Tech. J., vol. 1, no. 2, pp. 41-59, 1996년 가을; E. Telatar 저 "Capacity of multi-antenna Gaussian channels," Eur. Trans. Telecomm., vol. 10, no. 6, pp. 585-596, 1999년 11월). 특히 MIMO를 사용하는 무선통신 시스템의 상향링크에서는 모든 사용자가 모든 안테나로 동시에 송신하고 기지국에서 최소 평균 자승 오차(Minimum Mean Square Error; 이하 'MMSE'라고도 한다) 및 연속적인 간섭 제거(Successive Interference Cancellation; 이하 'SIC'라고도 한다) 방법을 결합하여 수신하는 것이 시스템 용량을 극대화할 수 있다고 이론적으로 알려져 있으나(A. Goldsmith, S. A. Jafar, N. Jindal 및 S. Vishwanath 저, "Capacity limits of MIMO channels," IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 21, no. 5, pp. 684-702, 2003년 6월), 이를 위해서는 기지국이 모든 사용자의 송신 안테나로부터 채널 정보를 알아야 한다.
채널 정보를 추정하기 위해서 일반적으로 송신 파일럿을 사용하는데, 이에 따른 오버헤드(signaling overhead) 부담이 매우 크게 되고, 또 모든 사용자의 모든 송신 안테나로부터 수신된 신호에 대해 MMSE 및 SIC 방법을 결합하여 수신해야 하므로, 연산 복잡도 문제가 매우 심각하여 실제적으로 적용하기가 힘들다(D. Tse 및 P. Viswanath 저, Fundamentals of wireless communication, Cambridge University Press, 2005년 제1판). 또한 이러한 방법을 결합하여 수신하더라도 수 신 안테나의 개수, 즉 이용 가능한 공간 자유도(spatial degrees of freedom) 이상의 신호가 수신되는 경우, 이들이 유발하는 간섭을 완벽하게 제거할 수 없기 때문에 (D. Tse 및 P. Viswanath 저, Fundamentals of wireless communication, Cambridge University Press, 2005년 제1판), 한 스케줄링(scheduling) 시간에 동시에 송신하는 안테나의 수를 수신 안테나 수 혹은 그 이하로 제한하는 방식이 실용적으로 고려되고 있다(IEEE P802.16e, "Draft IEEE standard for local and metropolitan area networks,z'Std., 2004년 9월; 3GPP, "Physical layer aspects for evolved universal terrestrial radio access (UTRA)," TR 25.814 V7.0.0, 2006년 6월; IEEE 802.20 WG, "QFDD and QTDD: Proposed draft air interface specification," 2005년 10월).
따라서 기지국에서는 이러한 사항들을 고려하여 시스템 용량을 증가시킬 수 있도록 사용자를 선택하는 것이 필요하며, 만약 기지국에서 사용자 송신 안테나의 순간 채널 정보를 완벽하게 안다면 이를 이용하여 채널 용량을 증가시키도록 송신 안테나를 선택하여 전송할 수 있다(X. Shao 및 J. Yuan 저, "Multiuser scheduling for MIMO broadcast and multiple access channels with linear precoders and receivers," IEEE Proc. Commun., vol. 153, no. 4, pp. 541-547, 2006년 8월). 그러나 이를 위해서는 사용자 송신 안테나의 순간 채널을 측정하기 위하여 채널 사운딩(channel sounding)과 같은 채널 추정용 신호가 부가적으로 필요하고(T. A. Thomas, K. L. Baum 및 P. Sartori 저, "Obtaining channel knowledge for closed-loop multistream broadband MIMO-OFDM communications using direct channel feedback," Proc. IEEE Global Communications Conf., pp. 3907-3911, 2005년 11월). 특히, 사용자의 이동 속도가 빠를 경우에는 기지국이 송신 안테나를 선택하는 시점과 송신 안테나가 실제로 신호를 전송하는 시점의 채널 특성이 다를 수 있으므로(channel mismatch), 향상된 성능을 기대하기 어렵다(Q. Ma 및 C. Tepedelenlioglu 저, "Practical multiuser diversity with outdated channel feedback," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 54, no. 4, pp. 1334-1345, 2005년 7월).
이로 인해 종래의 경우에는 기지국에서 사용자 송신 안테나의 채널에 관한 정보 없이 순서대로 송신 안테나를 선택하는 순환 순서 방식(round robin)의 선택 방법이 고려되었으나, 기지국의 수신 채널 상관도가 존재하는 환경에서 성능 열화가 심하게 발생한다는 문제점이 있었다(J. P. Kermoal, L. Schumacher, K. I. Pedersen, P. E. Mogensen 및 F. Frederiksen 저, "A stochastic MIMO radio channel model with experimental validation," IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 20, no. 6, pp. 1211-1226, 2002년 8월).
상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 요약하면 다음과 같다. MIMO 시스템의 상향링크에서는 기지국에서의 별다른 선택 없이 모든 사용자가 모든 송신 안테나로 동시에 송신하도록 한 후 기지국에서 최소 평균 자승 오차 기법과 연속적인 간섭 제거 기법을 결합하여 수신하는 것이 이론적으로 시스템 용량을 최대화할 수 있으나, 채널 추정용 파일럿(pilot) 신호의 부담과, 기지국 수신 안테나 개수보다 많은 개수의 다중 수신 신호가 있는 경우, 이 들로부터 유발되는 간섭으로 인해 현 실적으로 적용이 쉽지 않다. 따라서 실제적 환경에서는 동시에 신호를 전송하는 송신 안테나 수를 시스템의 이용 가능한 자유도 (즉 기지국에서의 수신 안테나 개수) 이하로 제한한다. 따라서 다중 송신 안테나의 순간 채널 정보를 이용하는 기지국에서의 송신 안테나 선택이 효과적이나, 채널 예측 부담과 사용자 속도가 빠른 환경에서의 채널 특성 불일치 문제 등으로 인해 실제적으로 향상된 성능을 기대하기 힘들다. 또 기지국에서 채널 정보를 이용하지 않는 순환 순서 방식의 사용자 선택은 수신 채널 상관도가 존재하는 환경에서 성능 열화가 심하여 높은 시스템 용량을 얻을 수 없다.
상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서는 추가적인 비용이 적게 드는 방식을 이용하여 송신 안테나를 선택하는 것이 바람직하다. 일례로 수신 채널의 상관도(channel correlation) 정보는 적은 부담으로 기지국에서 획득할 수 있으면서도 사용자의 속도가 빠른 환경에서도 특성이 비교적 천천히 변하는 특성을 갖는다고 알려져 있는데(M. Nicoli, O. Simeone 및 U. Spagnolini 저, "Multislot estimation of fast-varying space-time communication channels," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 51, no. 5, pp. 1184-1195, 2003년 5월), 본 발명은 이러한 수신 채널 상관도가 존재하는 MIMO 무선통신 시스템의 상향링크에서 송신 안테나의 수신 채널 상관도 정보를 이용하여 상향 링크의 시스템 용량을 증가시키는 다중 안테나 선택 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 복잡도가 크지 않게 획득할 수 있는 송신 안테나의 수신 채널 상관도 정보를 이용하여, 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 다중 안테나 선택 방법에 관한 것이며, 기본 개념은 다음과 같다. 일반적으로 MIMO 시스템의 상향링크에서 기지국 수신 신호의 채널 상관도는 각 사용자 송신 안테나마다 다르므로, 특히 수신 채널 상관도가 큰 경우, 수신 채널 상관도가 서로 직교적인 특성을 갖는 송신 안테나들을 선택하여 송신하게 함으로써 상향 링크의 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나를 선택하는 방법은, 다중 송신 안테나로부터 기지국의 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신하는 단계; 상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비(SNR) 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하는 단계; 상기 계산된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하는 단계; 상기 선택된 송신 안테나 조합에 따라 다중 사용자 및 상기 다중 송신 안테나를 스케줄링하는 단계; 및 상기 스케줄링 단계에서의 스케줄링 정보를 상기 다중 송신 안테나로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보는 상향 링크 채널 예측 신호를 이용하여 추정되거나 하향 링크 파일럿 신호를 이용하여 추정될 수 있다.
또한, 상기 시스템 측정 용량 계산 단계는 하기의 수학식에 의하여 계산되는 것이 바람직하다.
Figure 112007046651698-PAT00001
여기서,
Figure 112007046651698-PAT00002
는 시스템 채널 행렬이고,
Figure 112007046651698-PAT00003
은 m 번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 나타내는 행렬이고,
Figure 112007046651698-PAT00004
은 m 번째 송신안테나의 수신신호대잡음비이고,
Figure 112007046651698-PAT00005
는 행렬
Figure 112007046651698-PAT00006
의 대각합(trace)을 나타낸다고 할 경우,
Figure 112007046651698-PAT00007
은, 총 M 개 중 한 개씩 따로 선택하여
Figure 112007046651698-PAT00008
을 생성하거나, L(≥2)개의 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들을 묶어서 선택하여 생성한
Figure 112007046651698-PAT00009
의 수가 모두 i 개인 집합을 원소로 가지는 집합을 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00010
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00011
의 j 번째 원소 집합이며, 선택한
Figure 112007046651698-PAT00012
과
Figure 112007046651698-PAT00013
로 이루어진 집합의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수가 동일한 형태인 집합을 원소로 가지는 집합이며,
Figure 112007046651698-PAT00014
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00015
의 k 번째 원소 집합으로
Figure 112007046651698-PAT00016
또는
Figure 112007046651698-PAT00017
의 형태로 표현되는
Figure 112007046651698-PAT00018
을 l 번째 원소로 가지며,
Figure 112007046651698-PAT00019
는
Figure 112007046651698-PAT00020
의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수를 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00021
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00022
의 원소의 수를 나타낸다.
또한, 상기 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나 조합은 수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적인 송신 안테나의 조합인 것이 바람직하다.
또한, 상기 스케줄링 단계는, 다음 수학식과 같은 스케줄링 방법을 사용하여 시스템 측정 용량이 최대가 되는 스케줄링 방법을 결정하는 것이 바람직하다.
Figure 112007046651698-PAT00023
여기서,
Figure 112007046651698-PAT00024
은 송신 안테나의 총 개수이고, M은 선택된 송신 안테나의 개수이고,
Figure 112007046651698-PAT00025
는, 다음 수학식과 같은 개수의
Figure 112007046651698-PAT00026
개의 송신 안테나를 M개씩 선택하여
Figure 112007046651698-PAT00027
번의 스케줄링 동안 스케줄링하는 방법 중
Figure 112007046651698-PAT00028
번째 방법에서 t번째 스케줄링 시간에 얻을 수 있는 시스템 측정 용량을 나타낸다.
Figure 112007046651698-PAT00029
.
또한, 상기 방법은, 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신하는 단계 이후에, 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 수신 채널 상관도의 스펙트럴 놈(spectral norm)과 고유치 확산(eigen-value spread)을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 수신 채널 상관도의 고유치 확산값을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함하여 이루어지고, 상기 고유치 확산이 문턱값 이상인 경우에만 상기 시스템 측정 용량을 계산하는 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법은 상기 다중 송신 안테나를 소정 개수의 그룹으로 나누고, 각 그룹 별로 송신 안테나 조합을 선택할 수 있다.
또한, 상기 시스템 용량 계산 단계는, 선택되는 송신 안테나 조합의 송신 안테나의 개수 및 선택 방법에 따른 시스템 측정 용량을 계산하고, 상기 방법은, 상기 시스템 용량 계산 단계에서 계산된 송신 안테나의 개수 및 선택 방법에 따른 상기 시스템 측정 용량에서 상기 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 시스템 부담으로 인한 시스템 측정 용량 감소를 덧셈하는 단계; 및 상기 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 측정 용량 감소가 반영된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 선택 방법을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다중 송신 안테나에는 가상적인 송신안테나가 포함될 수 있으며, 상기 가상적인 송신 안테나는, 총 U명의 사용자 중 u번째 사용자의 송신 안테나의 개수가 Pu라 할 때, u번째 사용자의 물리적 송신 신호 벡터
Figure 112007046651698-PAT00030
에
Figure 112007046651698-PAT00031
인 송신 가중치 벡터
Figure 112007046651698-PAT00032
를 곱함으로써
Figure 112007046651698-PAT00033
인 가상적인 송신 신호 벡터
Figure 112007046651698-PAT00034
를 이용하여 생성될 수 있고, 상기
Figure 112007046651698-PAT00035
는, 상기 u번째 사용자가 가진 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 고려하여 시스템 용량이 증가될 수 있도록 설계하여 상기 기지국에서 하향링크 채널을 통해 전달하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법은 상기 기지국이 다중 셀 및 다중 섹터를 지원하는 경우 상기 다중 송신 안테나는 상기 기지국이 지원하는 셀 및 섹터 내의 송신 안테나 모두를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 입력 다 중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서 송신 안테나를 선택하는 장치는, 다중 송신 안테나로부터 기지국의 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신 수신 채널 상관도 측정기; 상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비(SNR) 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하는 시스템 용량 계산기; 상기 계산된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하는 송신 안테나 조합 선택기; 상기 선택된 송신 안테나 조합에 따라 다중 사용자 및 상기 다중 송신 안테나를 스케줄링하는 다중 사용자 스케줄러; 및 상기 스케줄링 단계에서의 스케줄링 정보를 상기 다중 송신 안테나로 송신하는 스케줄링 정보 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 다중 입력 다중 출력 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같은 MIMO 무선 통신 시스템의 상향 링크에서는, N개의 수신 안테나를 갖는 기지국(109)이 임의의 스케줄링 시간에, 하나 또는 복수의 송신 안테나를 사용하는 총 U 명의 사용자(101, 102, 103)들의 총
Figure 112007046651698-PAT00036
개의 송신 안테나 중 M(≤N)개의 송신 안테나(104, 105, 106)를 선택하여 송신하도록 하고, 선택된 송신 안테나(104, 105, 106)들로부터 신호를 N개의 수신 안테나(107, 108)로 수신하는 구성을 갖는다. 이하 본 명세서에서는 선택되기 전의 송신 안테나와 관련한 값은 첨두 기호(~)를 붙여서 표현하고, 선택된 송신 안테나와 관련한 값은 첨두 기 호(~) 없이 표현하기로 한다.
상술한 바와 같은 MIMO 무선 통신 시스템에서 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나 간의 채널로 구성되는 MIMO 채널은 다음 수학식 1과 같은 행렬(matrix)
Figure 112007046651698-PAT00037
로 표현할 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00038
여기서,
Figure 112007046651698-PAT00039
은 m(1≤m≤M) 번째 송신 안테나와 다중 수신 안테나 사이의 채널 특성을 나타내는 (N×1) 벡터이며,
Figure 112007046651698-PAT00040
는 행렬
Figure 112007046651698-PAT00041
의 전치 행렬(transpose matrix)을 나타낸다. 이러한 채널을 통과하여 얻어진 (N×1) 수신 신호 벡터
Figure 112007046651698-PAT00042
는 다음 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00043
여기서, 선택된 M 개의 송신 안테나 중 m 번째 송신 안테나의 송신 신호를 xm이라 하면,
Figure 112007046651698-PAT00044
는 (M×1) 송신 신호 벡터이며,
Figure 112007046651698-PAT00045
는 평균이 0(zero)이고 분산이 N0인 복소 가우시안 잡음(complex Gaussian noise) (N×1) 벡터이다.
(N×M) 행렬
Figure 112007046651698-PAT00046
에 대한 (NM×1) 열 벡터를
Figure 112007046651698-PAT00047
로 정의하면, 시스템 채널 행렬
Figure 112007046651698-PAT00048
의 열 벡터 vec(
Figure 112007046651698-PAT00049
)는 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다(D. Gesbert, H. Bolcskei, D. Gore 및 A. J. Paulraj 저, "MIMO wireless channels: Capacity and performance prediction," Proc. IEEE Global Communications Conf., pp. 1083-1088, Nov. 2003년 11월).
Figure 112007046651698-PAT00050
특히, 시스템의 수신 채널에 상관도가 존재할 경우 vec(
Figure 112007046651698-PAT00051
)는 다음 수학식 4와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00052
여기서
Figure 112007046651698-PAT00053
은 시스템의 채널 수신 상관도 행렬이고,
Figure 112007046651698-PAT00054
는 공간적으로 상관도가 없는 시스템 채널[즉, 평균이 0(zero)이고 분산이 1인 독립적이고 동일한 분 포를 갖는(independent and identically distributed; IID) 복소 가우시안 채널] 행렬로 다음 수학식 5와 같은 (N×M) 행렬로 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00055
여기서
Figure 112007046651698-PAT00056
이고 vec(
Figure 112007046651698-PAT00057
)는 다음 수학식 6과 같이
Figure 112007046651698-PAT00058
의 열 벡터를 나타낸다.
Figure 112007046651698-PAT00059
시스템의 채널 수신 상관도 행렬
Figure 112007046651698-PAT00060
은 다음 수학식 7과 같은 (NM×NM) 행렬로 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00061
이때
Figure 112007046651698-PAT00062
는 행렬
Figure 112007046651698-PAT00063
의 복소전치 행렬(Hermitian matrix)을 나타내고, E{
Figure 112007046651698-PAT00064
}는
Figure 112007046651698-PAT00065
의 기대값 연산자(expectation operator)를 나타낸다. 여기서
Figure 112007046651698-PAT00066
은 m 번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도 나타내는 (N×N) 행렬이다.
만약 송신 안테나 간의 송신 채널 상관도가 매우 작아 이를 무시할 수 있다고 가정하면(즉, m1≠ m2인 경우
Figure 112007046651698-PAT00067
이라고 가정하면), 상기 수학식 7은 다음 수학식 8과 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00068
여기서
Figure 112007046651698-PAT00069
은 양의 준정부호(positive semi-definite) 특성을 갖는 헤르미션 행렬(Hermitian matrix)이므로 다음 수학식 9와 같이 특이치 분해가(singular- value decomposition; SVD)가 가능하다.
Figure 112007046651698-PAT00070
여기서
Figure 112007046651698-PAT00071
과
Figure 112007046651698-PAT00072
은 각각
Figure 112007046651698-PAT00073
의 (N×N) 유니터리 행렬(unitary matrix)과 (N×N) 고유치 행렬(eigen-value matrix)을 나타낸다. 따라서 시스템 수신 채널 상관도 행렬 역시 다음 수학식 10과 같이 특이치 분해(SVD)가 가능하다.
Figure 112007046651698-PAT00074
여기서
Figure 112007046651698-PAT00075
과
Figure 112007046651698-PAT00076
은 각각
Figure 112007046651698-PAT00077
의 (NM×NM) 유니터리 행렬과 (NM×NM) 고유치 행렬을 나타내며 각각 다음 수학식 11 및 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00078
Figure 112007046651698-PAT00079
따라서 상기 수학식 10을 상기 수학식 4에 대입하면 시스템 채널
Figure 112007046651698-PAT00080
의 열 벡터 vec(
Figure 112007046651698-PAT00081
)는 다음 수학식 13과 같이 표현되며, 시스템 채널
Figure 112007046651698-PAT00082
는 다음 수학식 14와 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00083
Figure 112007046651698-PAT00084
따라서 상기 MIMO 시스템의 측정 용량(ergodic capacity)은 다음 수학식 15와 같이 주어진다.
Figure 112007046651698-PAT00085
여기서 det(
Figure 112007046651698-PAT00086
)는 행렬
Figure 112007046651698-PAT00087
의 행렬식을 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00088
는 (N×N) 단위 행 렬(identity matrix)을 나타낸다. 또
Figure 112007046651698-PAT00089
는 송신 안테나 각각의 수신 신호대잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)를 나타내는 M×M 대각 행렬(diagonal matrix)이며 다음 수학식 16과 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00090
여기서
Figure 112007046651698-PAT00091
과 Pm/M은 각각 m 번째 송신 안테나의 수신 SNR과 전력의 크기를 나타낸다. log2det(·)는 오목 함수(concave function)이므로 측정 용량은 다음 수학식 17과 같은 상한값(upper bound)을 가진다.
Figure 112007046651698-PAT00092
상기 수학식 17은
Figure 112007046651698-PAT00093
인 관계를 이용하면 다음 수학식 18과 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00094
여기서
Figure 112007046651698-PAT00095
과
Figure 112007046651698-PAT00096
의 분포는 각각
Figure 112007046651698-PAT00097
과
Figure 112007046651698-PAT00098
의 분포와 같으므로 (즉, 평균이 0이고 분산이 1인 복소 가우시안 분포이므로),
Figure 112007046651698-PAT00099
과
Figure 112007046651698-PAT00100
를 각각
Figure 112007046651698-PAT00101
과
Figure 112007046651698-PAT00102
으로 대체할 수 있다. 따라서 상기 수학식 18은 다음 수학식 19와 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00103
다음의 수학식 20 및 수학식 21을 이용하면, 상기 수학식 18은 다음 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00104
Figure 112007046651698-PAT00105
Figure 112007046651698-PAT00106
여기서
Figure 112007046651698-PAT00107
는 행렬
Figure 112007046651698-PAT00108
의 대각합(trace)을 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00109
은 총 M 개
Figure 112007046651698-PAT00110
중 한 개씩 따로 선택하여
Figure 112007046651698-PAT00111
을 생성하거나, L(≥2)개의 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들을 묶어서 선택하여 생성한
Figure 112007046651698-PAT00112
의 수가 모두 i 개인 집합을 원소로 가지는 집합을 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00113
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00114
의 j 번째 원소 집합으로, 선택한
Figure 112007046651698-PAT00115
과
Figure 112007046651698-PAT00116
로 이루어진 집합의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수가 동일한 형태인 집합을 원소로 가지는 집합이다.
Figure 112007046651698-PAT00117
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00118
의 k 번째 원소 집합으로
Figure 112007046651698-PAT00119
또는
Figure 112007046651698-PAT00120
의 형태로 표현되는
Figure 112007046651698-PAT00121
을 l 번째 원소로 가진다. 또 여기서
Figure 112007046651698-PAT00122
는
Figure 112007046651698-PAT00123
의 tr(·)안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수를 나타내고,
Figure 112007046651698-PAT00124
는 집합
Figure 112007046651698-PAT00125
의 원소의 수를 나타낸다.
예를 들어, M = 4인 경우를 살펴보면, 각각은 다음 수학식 23 내지 수학식 25와 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00126
Figure 112007046651698-PAT00127
Figure 112007046651698-PAT00128
우선 상기 수학식 23에서
Figure 112007046651698-PAT00129
은 총 4개의
Figure 112007046651698-PAT00130
(즉,
Figure 112007046651698-PAT00131
)을 4개 모두 묶어서 선택하는 경우로
Figure 112007046651698-PAT00132
은 생성하지 않고
Figure 112007046651698-PAT00133
만을 1개 생성하는 경우이다. 이 경우는 상기 수학식 24와 같이
Figure 112007046651698-PAT00134
의 한 가지 밖에 없고, 이 때
Figure 112007046651698-PAT00135
의 원소 집합은 상기 수학식 25와 같이
Figure 112007046651698-PAT00136
의 1개이다. 다음으로 상기 수학식 23에서
Figure 112007046651698-PAT00137
는
Figure 112007046651698-PAT00138
과
Figure 112007046651698-PAT00139
의 수가 합쳐서 2개인 집합을 원소로 가지는 집합으로, 상기 수학식 24와 같이
Figure 112007046651698-PAT00140
을 3 개씩 묶고 1 개씩 묶는 경우(
Figure 112007046651698-PAT00141
)와
Figure 112007046651698-PAT00142
을 2개씩 묶고 2개씩 묶는 경우(
Figure 112007046651698-PAT00143
)의 2가지로 나뉜다. 이 때
Figure 112007046651698-PAT00144
의 원소 집합은 상기 수학식 25와 같이
Figure 112007046651698-PAT00145
,
Figure 112007046651698-PAT00146
,
Figure 112007046651698-PAT00147
,
Figure 112007046651698-PAT00148
의 4개가 있다. 마찬가지로
Figure 112007046651698-PAT00149
의 원소 집합은 상기 수학식 25와 같이
Figure 112007046651698-PAT00150
,
Figure 112007046651698-PAT00151
,
Figure 112007046651698-PAT00152
의 3개가 있다. 이와 같은 방식으로 상기 수학식 23의
Figure 112007046651698-PAT00153
은 상기 수학식 24와 같이
Figure 112007046651698-PAT00154
을 2개, 1개, 1개씩 묶는 1가지 경우(
Figure 112007046651698-PAT00155
)가 있고, 상기 수학식 23의
Figure 112007046651698-PAT00156
는 상기 수학식 24와 같이
Figure 112007046651698-PAT00157
을 1개, 1개, 1개, 1개씩 묶는 1가지 경우(
Figure 112007046651698-PAT00158
)가 있다. 여기 서
Figure 112007046651698-PAT00159
의 원소 집합은 상기 수학식 25와 같이 총 6개(
Figure 112007046651698-PAT00160
)가 있으며,
Figure 112007046651698-PAT00161
의 원소 집합은 1개(
Figure 112007046651698-PAT00162
)만이 존재한다.
이들을 상기 수학식 22에 삽입하면 M = 4인 경우의 측정용량은 다음 수학식 26과 같은 상한값을 갖게 된다.
Figure 112007046651698-PAT00163
즉, 시스템의 최대 측정 용량은 선택되는 송신 안테나의 수신 채널 상관도의 함수로 표현되므로, 기지국에서는 이 값이 최대가 되는[즉, 수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적(orthogonal)인] 송신 안테나를 선택하는 것이 바람직하다. 여기서 '수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적인 송신 안테나'의 의미는 각 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 상기 수학식 22에 대입하였을 때 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나를 일컫는다. 예를 들어, M = 4인 경우 상기 수학식 26이 최대가 되는 4개의 송신 안테나들은 수신 채널 상관도가 서로 직교적이라고 한다.
본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법은 모든 송신 안테나에게 동일한 기회를 부여하는 기회 균등 스케줄링(opportunistic fairness scheduling), 모든 송신 안테나에게 비례적으로 동일한 전송률을 보장하는 비례 균등 스케줄링(proportional fairness scheduling) 등과 같은 다양한 공지된 스케줄링 방법과 결합하여 실장이 가능하다. 이하에서는 간단히 본 발명이 종래의 기회 균등 스케줄링 방법과 연동될 경우의 예시를 살펴본다.
우선
Figure 112007046651698-PAT00164
개의 모든 송신안테나에게 동일한 기회를 부여한다고 가정하면, 기지국에서
Figure 112007046651698-PAT00165
개의 송신 안테나의 수신 채널 상관도 정보를 가지고
Figure 112007046651698-PAT00166
번의 스케줄링 동안에 시스템 측정 용량의 합이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하고 이를 스케줄링하면 측정 용량을 최대화할 수 있다. 총
Figure 112007046651698-PAT00167
개의 송신 안테나를 M개씩 선택하여
Figure 112007046651698-PAT00168
번의 스케줄링 동안 스케줄링 하는 방법의 수를
Figure 112007046651698-PAT00169
이라 하면 이는 다음 수학식 27과 같다.
Figure 112007046651698-PAT00170
총
Figure 112007046651698-PAT00171
개의 방법 중
Figure 112007046651698-PAT00172
번째 방법에서 t번째 스케줄링 시간에 얻을 수 있는 측정 용량을
Figure 112007046651698-PAT00173
라고 하면, 이는 상기 수학식 22에서 유도한 상한값으로 계산 되므로, 이를 이용하면 최적의 송신 안테나 조합의 선택 및 스케줄링 방법
Figure 112007046651698-PAT00174
를 다음 수학식 28과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00175
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나를 선택하는 방법을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 송신 안테나 선택 방법에 따른 사용자 스케줄링의 일례를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 6명의 사용자(201 내지 206)가 총 12개의 송신 안테나(207 내지 218)를 통해 4개의 수신 안테나(221 내지 224)를 갖는 기지국(으로 신호를 송신하고, 상술한 바와 같이 수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적인 송신 안테나의 조합이, 예를 들어 각각 제 1 사용자(201)의 제 1 송신 안테나(207), 제 3 사용자(203)의 제 4 송신 안테나(210), 제 4 사용자(204)의 제 7 송신 안테나(213) 및 제 5 사용자(205)의 제 10 송신 안테나(216)이었다고 하자.
종래의 순환 순서 방법에 의한 송신 안테나의 선택은 임의의 스케줄링 시간에 셀 내의 송신 안테나들을 임의로 선택하여 송신하는데 반해, 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법은, 서로 간의 수신 안테나 상관도 특성이 직교적인 안테나들의 조합(207, 210, 213, 216)을 먼저 선택하여 송신하고, 나머지 스케줄링 시간에는 나머지 송신 안테나들을 임의로 선택하여 송신할 수 있다. 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 수신 안테나 상관도의 특성이 다른 송신 안테나 조합인 1, 4, 7, 10의 송신 안테나를 첫 번째 스케줄링 시간에 선택하고, 송신안테나 2, 5, 8, 11을 두 번째 스케줄링 시간에 선택하며, 송신안테나 3, 6, 9, 12를 세 번째 스케줄링 시간에 선택할 수 있다. 여기서 첫 번째, 두 번째, 세 번째 스케줄링의 시간의 순서는 기회 균등 스케줄링이나 비례 균등 스케줄링 등과 같은 종래의 다양한 스케줄링 방법과 결합하여 달라질 수 있는 부분이며, 본 예시에서는 비례 균등 스케줄링의 예시를 고려하였다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치를 포함하는 기지국의 구성의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택장치(413)는 각 수신 채널의 신호대잡음비를 측정하는 신호대잡음비 측정기(406), 상향 링크에서의 기지국 수신 신호의 채널 상관도를 측정하는 수신 채널 상관도 측정기(407), 상기 수신 채널 상관도를 이용하여 시스템 측정 용량을 계산하는 시스템 측정 용량 계산기(408), 상기 시스템 측정 용량 계산기에 의해 계산된 시스템의 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나 조합을 선택하는 송신 안테나 조합 선택기(409), 상기 송신 안테나 조합 선택기에 의해 선택된 송신 안테나 조합에 따라 사용자 및 모든 송신 안테나를 스케줄링하는 다중 사용자 스케줄러(410) 및 상기 다중 사용자 스케줄러에 의한 스케줄링 정보를 사용자에게 스케줄링 정보 송신기(411)를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택장치(413)를 포함하는 기 지국은 또한, 수신 안테나(401), 송신 안테나(412), 데이터 심볼 추출기(402), 파일럿 심볼 추출기(403), 채널 추정기(404), 데이터 복조기(405) 등을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법을 설명한다.
먼저, 단계 501 및 단계 502에서는 각각 수신신호대잡음비 측정기(406) 및 수신 채널 상관도 측정기(407)가 기지국의 다중 수신 안테나(401)로부터의 사용자의 다중 송신 안테나들이 전송한 수신 신호를 이용하여 수신 채널에 대한 수신신호대잡음비 및 수신 채널 상관도 정보를 획득한다. 이들 다중 송신 안테나의 수신신호대 잡음비 및 수신 채널 상관도에 관한 정보는 상향 링크 채널 예측신호를 이용하거나 추정되거나 하향 링크 파일럿 신호를 이용하여 추정될 수 있다.
이후 단계 503에서는 시스템 측정 용량 계산기(408)가 단계 502 및 단계 503에서 측정한 수신채널의 수신신호대 잡음비 및 수신채널 상관도 정보를 이용하여 상술한 바와 같은 송신 안테나 조합 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하고, 단계 504에서는 송신 안테나 조합 선택기(409)가 상기 시스템 측정 용량 계산기(408)에 의해 계산된 시스템 측정 용량이 가장 큰 송신 안테나 조합을 최적의 송신 안테나 조합으로 선택하여 다중 사용자 스케줄러(410)에 전달한다.
단계 505에서는 상기 다중 사용자 스케줄러(410)가 상기 송신 안테나 조합 선택기(409)로부터 전달받은 최적의 송신 안테나 조합에 따라 모든 사용자 및 모든 송신 안테나에 대한 스케줄링 방법을 결정하고, 단계 506에서는 다중 사용자 스케줄러(410)로부터의 정보를 스케줄링 정보 송신기(411) 및 기지국의 송신 안테나(412)를 거쳐 사용자에게 전달한다.
본 발명에 따른 송신 선택방법은 여러가지 다른 방법으로 응용이 가능한데, 이하에서는 이에 대한 바람직한 예시들을 설명한다. 다만 이하의 설명에서는 본 발명에 따른 응용 방법을 이해하는데 필요한 부분만이 설명될 것이며, 그외 도 5와 대응하여 중복되는 구성은 동일한 도면부호로만 표현될 것임에 유의한다. 또한, 이하에서는 편의상 본 발명에 따른 응용방법을 구현하기 위한 송신 안테나 선택 장치에 대한 상세한 설명은 생략하나, 당업자라면 각 방법에 대한 설명에서 새로운 단계를 구현하기 위한 구성 요소가 도 4에 도시된 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 장치에 포함되도록 구성할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
먼저 기지국의 선택 복잡도를 줄이기 위하여 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 통해 큰 성능 이득을 얻을 수 있는, 수신 채널 상관도가 큰 송신 안테나들에 대해서만 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 적용하고, 수신 채널 상관도가 작은 송신 안테나들은 종래의 송신 안테나 선택 방법을 적용할 수 있는데, 도 6은 종래의 안테나 선택 방식과 결합하여 사용되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법의 일례를 도시하고 있다.
행렬
Figure 112007046651698-PAT00176
의 스펙트럴 놈(spectral norm)을
Figure 112007046651698-PAT00177
으로 정의하면, 도 6과 같이 기지국에서는 송신 안테나의 선택 시 각 송신 안테나의 수신 채널 상관도
Figure 112007046651698-PAT00178
과
Figure 112007046651698-PAT00179
의 스펙트럴 놈은 다음 수학식 29 및 수학식 30과 같이 주어진다.
Figure 112007046651698-PAT00180
Figure 112007046651698-PAT00181
상기 수학식 29 및 수학식 30으로부터 수신 채널 상관도의 고유치 확산(eigen-value spread)값
Figure 112007046651698-PAT00182
을 구한다(도 6의 단계 601). 여기서
Figure 112007046651698-PAT00183
와
Figure 112007046651698-PAT00184
는 각각
Figure 112007046651698-PAT00185
번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도
Figure 112007046651698-PAT00186
의 최대 및 최소 고유치를 나타낸다. 이로부터
Figure 112007046651698-PAT00187
번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도의 고유치 확산값은 다음 수학식 31과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00188
여기서
Figure 112007046651698-PAT00189
은 항상 1 이상의 값을 가지며, 이 값이 클수록 수신 채널 상관도가 큼을 의미한다. 기지국에서는 도 6의 단계 602에서 고유치 확산값
Figure 112007046651698-PAT00190
과 소정의 문턱값(threshold)과 비교하여,
Figure 112007046651698-PAT00191
이 문턱값보다 크면 본 발명에 따른 송신 안테나 선택방법을 적용하고(단계 503), 아니면 종래의 송신 안테나 선택 방법을 적용함으로써(단계 603), 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 그대로 적용하는 것에 비해 선택 복잡도를 줄이면서도 비슷한 성능을 얻을 수 있게 된다.
둘째, 기지국의 선택 복잡도를 줄이기 위한 또 다른 방법으로 총
Figure 112007046651698-PAT00192
개의 송신 안테나를 몇 개의 그룹으로 나누어 그룹 내의 선택은 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 적용하고 그룹 간의 선택은 종래의 선택 방법을 적용할 수 있다. 즉,
Figure 112007046651698-PAT00193
개의 송신 안테나를 각각
Figure 112007046651698-PAT00194
개의 송신 안테나로 구성되는 k개의 그룹으로 나누어, 각각의 그룹 내의 송신 안테나들에 대해서는 본 발명에 따른 송신 안테나 선택방법을 적용하고 그룹과 그룹 사이의 선택은 종래의 선택 방법을 적용함으로써 선택 복잡도를 줄일 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 사용함에 있어 기지국에서 선택하는 송신 안테나의 개수 M을 상황에 따라 가변적으로 조절할 수 있다. 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 송신 안테나의 개수를 가변적으로 조절하는 방법을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 단계 501 및 단계 502에서 측정된 신호대잡음비 및 수신 채널 상관도를 이용하여 시스템 측정 용량을 계산하되(단계 503), 선택되는 송신 안테나의 개수 및 선택방법에 따른 여러가지 경우의 시스템 측정 용량을 계산한다. 이후 단계 503에서 계산된 시스템 측정 용량을 이용하여 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 시스템 부담으로 인한 시스템 측정 용량 감소를 덧셈하고(단계 701), 단계 701에서 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 시스템 측정 용량 감소가 반영된 경우의 시스템 측정 용량이 최대값을 갖는 경우를 최적 송신 안테나의 갯수 및 최적 선택 방법으로 결정하고(단계 702), 이렇게 하여 결정된 선택되는 송신 안테나 수에 따라 최적 송신 안테나 조합을 선택을 선택한다(단계 504).
예를 들어, 다음과 같이 송신 안테나를 M1개씩 선택하고 기회 균등 스케줄링 기법과 연동한
Figure 112007046651698-PAT00195
가지 경우에서 최대 측정 용량을 얻는 방법
Figure 112007046651698-PAT00196
보다, 송신 안테나를 M2개씩 선택하고 기회 균등 스케줄링 기법과 연동한
Figure 112007046651698-PAT00197
가지 경우에서 최대 측정 용량을 얻는 방법
Figure 112007046651698-PAT00198
의 측정 용량이 크다면 선택하는 송신 안테나의 개수를 M2로 바꿀 수 있다.
즉, 다음 수학식 32와 같은 경우 최적의 송신 안테나 조합 선택 방법 및 스케줄링 방법
Figure 112007046651698-PAT00199
는 다음 수학식 33과 같이 결정될 수 있다.
Figure 112007046651698-PAT00200
Figure 112007046651698-PAT00201
여기서
Figure 112007046651698-PAT00202
은 기지국에서 Ms 개의 송신 안테나를 선택할 경우의 시스템 부담으로 인한 시스템 용량 감소이다. 예를 들어, 시스템의 채널 추정 파일럿 설계 전략에 따라 1개의 송신 안테나를 선택하는 것보다 2개의 송신 안테나를 선택하면 파일럿 오버헤드가 2배가 될 수 있으며, 이를 고려하면 시스템 용량이 선택되는 송신 안테나의 개수에 따라 바뀔 수 있게 된다.
넷째, 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법에 있어 선택되는 송신 안테나는 실제 송신 안테나뿐만 아니라 가상적인(virtual) 송신 안테나(805, 806)를 포함하도록 할 수도 있다. 도 8은 가상 송신 안테나의 운용과 결합하여 사용되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법의 일례를 설명하기 위한 도 면이다.
도 8을 참조하면, 총 U 명의 사용자(801, 802) 중 u번째 사용자가 pu 개의 송신 안테나(803, 804)를 가지고 있고 기지국(810)이 M개의 송신 안테나(808, 809)를 가지고 있다고 가정하였을 때, 각 사용자는 이 송신 안테나에 송신 가중치(weight) 벡터(
Figure 112007046651698-PAT00203
)를 곱해 vu 개의 가상적인 송신 안테나(805, 806)를 가지도록 만들 수 있다. 이 경우 시스템 전체의 송신 안테나 수가 가상적으로는 바뀌게 되지만 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법은 용이하게 적용될 수 있다.
즉, (pu×1)의 송신 신호 벡터
Figure 112007046651698-PAT00204
에
Figure 112007046651698-PAT00205
의 송신 가중치 벡터
Figure 112007046651698-PAT00206
를 곱함으로써 (vu×1)의 가상적인 송신 신호 벡터
Figure 112007046651698-PAT00207
를 만들 수 있다. 따라서, 시스템의 채널 역시 가상 채널로 바뀌게 되며, 가상적인 송신 안테나의 수신 상관도 정보를 고려하여 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 적용함으로써 시스템 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 기지국에서는 사용자가 가진 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 고려하여 시스템 용량이 증가될 수 있도록 송신 가중치 벡터
Figure 112007046651698-PAT00208
를 설계하여 하향링크(downlink) 채널을 통해 사용자에게 알려줌으로써 시스템 용량을 더욱 증가시킬 수도 있다.
다섯째, 만약 기지국의 수신 안테나가 다중 셀과 다중 섹터를 지원한다면 다중 셀 및 섹터를 지원하는 안테나를 묶어서 제안된 안테나 선택 방식을 적용할 수 있다. 도 9는 기지국이 다중 섹터를 지원하는 경우에 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 송신 안테나 선택 방법을 적용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명은 예를 들어 기지국의 수신 안테나(914; 915; 916)가 사용자들(901 내지 905; 906 내지 910; 911 내지 912)를 각각 지원하는 3개의 섹터(섹터 1; 섹터 2; 섹터 3)로 이루어진 경우에도 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법이 적용될 수 있다.
만약, 서로 간에 수신 채널 상관도의 교환이 가능한 셀 및 섹터의 개수가 B라 하고 b번째 셀 및 섹터의 수신 안테나 개수를 Nb 라고 하면, 수신 안테나의 총 수 N은 다음 수학식 34와 같이 된다.
Figure 112007046651698-PAT00209
그리고 b번째 셀 및 섹터 내의 송신 안테나의 수를
Figure 112007046651698-PAT00210
라고 하면, 송신 안테나의 총 수
Figure 112007046651698-PAT00211
은 다음 수학식 35와 같이 된다.
Figure 112007046651698-PAT00212
따라서 다중 셀 및 섹터 환경에서도 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법을 쉽게 적용할 수 있음을 알 수 있으며, 특히 셀 및 섹터의 경계에 위치하여 수신 안테나 간의 채널 수신 상관도가 큰 안테나의 경우에 보다 효율적이다.
도 10은 본 발명에 따른 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법을 통한 시스템 측정 용량 증가를 평가한 결과를 나타내기 위한 도면이다. 기지국의 수신 안테나의 개수가 N = 2 개이고, 임의의 스케줄링 시간에 M = 2 개의 송신 안테나를 선택하는 상향링크 다중 입력 다중 출력 시스템을 가정하였다. 성능 평가의 간편화를 위해 모든 사용자는 동일한 평균 SNR을 갖고, 각 송신 안테나의 수신 채널 상관도와 같은 채널의 통계적 특성은 고정되어 (2×2) 시스템에서 각 송신 안테나의 수신 채널 상관도는 다음 수학식 36과 같이 (2×2) 행렬로 표현된다고 가정하였다.
Figure 112007046651698-PAT00213
상기 수학식 22의 선택된 송신 안테나에 따른 측정 용량의 상한값은 다음 수학식 37과 같이 표현된다.
Figure 112007046651698-PAT00214
셀 내의 송신 안테나의 총 수
Figure 112007046651698-PAT00215
= 4로 두었다. 또 각 안테나에 대해
Figure 112007046651698-PAT00216
= 0.95,
Figure 112007046651698-PAT00217
= 0.95j,
Figure 112007046651698-PAT00218
= -0.95,
Figure 112007046651698-PAT00219
= -0.95j로 가정하였으며, 여기서
Figure 112007046651698-PAT00220
을 나타낸다. 기회 스케줄링 기법과 연동될 경우, 상기 수학식 27로부터
Figure 112007046651698-PAT00221
= 2번의 스케줄링 시간 동안 선택하는 방법의 수 G2 = 3이며 그 중 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나 선택 방법
Figure 112007046651698-PAT00222
는 1번째 스케줄링 시간에 (
Figure 112007046651698-PAT00223
,
Figure 112007046651698-PAT00224
) = (
Figure 112007046651698-PAT00225
,
Figure 112007046651698-PAT00226
)이 되도록 1 번째 송신 안테나와 3 번째 송신 안테나를 선택하고, 2번째 스케줄링 시간에 (
Figure 112007046651698-PAT00227
,
Figure 112007046651698-PAT00228
) = (
Figure 112007046651698-PAT00229
,
Figure 112007046651698-PAT00230
)이 되도록 2번째 송신 안테나와 4번째 송신 안테나를 선택하는 방법이다. 즉, M = 2인 경우 상기 수학식 37이 최대가 되도록 하는 수신 상관도가 서로 직교적인 조합을 선택하는 방법이며, 수학적으로는
Figure 112007046651698-PAT00231
과
Figure 112007046651698-PAT00232
의 위상 차이가 180도에 가까운 조합을 선택하는 방법이다. 특히 이와 같이 수신 안테나의 개수가 2개인 경우에서는 기지국에서 각 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬
Figure 112007046651698-PAT00233
전체가 아니라
Figure 112007046651698-PAT00234
만을 알면 되므로 연산 복잡도를 더욱 줄일수 있다. 실험 결과를 통해 본 발명에 따른 송신 안테나 선택 방법의 경우 종래의 순환 순서 방식의 선택 방법에 비해 시스템 측정 용량이 증가함을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 또 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구의 범위뿐만 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
안테나의 수신 채널 상관도가 존재하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템 환경에서 종래의 송신 안테나 선택 방법은 채널 추정 및 예측 신호의 오버헤드 문제, 속도가 빠른 환경에서의 채널 불일치 문제, 송신 안테나 간 수신 채널 상관도로 인한 성능 열화 문제가 있었으나, 본 발명에 의하면, 특히 안테나의 수신 채널 상관도가 존재하는 MIMO 시스템의 상향링크 환경에서, 종래 방법에 비해 채널 추정 및 예측 신호의 오버헤드 증가가 거의 없으면서 사용자의 속도가 빠른 환경에서도 시스템의 측정 용량을 증가시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나를 선택하는 방법에 있어서,
    다중 송신 안테나로부터 기지국의 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신하는 단계;
    상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비(SNR) 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하는 단계;
    상기 계산된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하는 단계;
    상기 선택된 송신 안테나 조합에 따라 다중 사용자 및 상기 다중 송신 안테나를 스케줄링하는 단계; 및
    상기 스케줄링 단계에서의 스케줄링 정보를 상기 다중 송신 안테나로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보는 상향 링크 채널 예측 신호를 이용하여 추정되거나 하향 링크 파일럿 신호를 이용하여 추정되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 측정 용량 계산 단계는 하기의 수학식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
    Figure 112007046651698-PAT00235
    여기서,
    Figure 112007046651698-PAT00236
    는 시스템 채널 행렬이고,
    Figure 112007046651698-PAT00237
    은 m 번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 나타내는 행렬이고,
    Figure 112007046651698-PAT00238
    은 m 번째 송신안테나의 수신신호대잡음비이고,
    Figure 112007046651698-PAT00239
    는 행렬
    Figure 112007046651698-PAT00240
    의 대각합(trace)을 나타낸다고 할 경우,
    Figure 112007046651698-PAT00241
    은, 총 M 개 중 한 개씩 따로 선택하여
    Figure 112007046651698-PAT00242
    을 생성하거나, L(≥2)개의 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들을 묶어서 선택하여 생성한
    Figure 112007046651698-PAT00243
    의 수가 모두 i 개인 집합을 원소로 가지는 집합을 나타내고,
    Figure 112007046651698-PAT00244
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00245
    의 j 번째 원소 집합이며, 선택한
    Figure 112007046651698-PAT00246
    과
    Figure 112007046651698-PAT00247
    로 이루어진 집합의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수가 동일한 형태인 집합을 원소로 가지는 집합이며,
    Figure 112007046651698-PAT00248
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00249
    의 k 번째 원소 집합으로
    Figure 112007046651698-PAT00250
    또는
    Figure 112007046651698-PAT00251
    의 형태로 표현되는
    Figure 112007046651698-PAT00252
    을 l 번째 원소로 가지며,
    Figure 112007046651698-PAT00253
    는
    Figure 112007046651698-PAT00254
    의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수를 나타내고,
    Figure 112007046651698-PAT00255
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00256
    의 원소의 수를 나타냄.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나 조합은 수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적인 송신 안테나의 조합인 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스케줄링 단계는, 다음 수학식과 같은 스케줄링 방법을 사용하여 시스템 측정 용량이 최대가 되는 스케줄링 방법을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
    Figure 112007046651698-PAT00257
    여기서,
    Figure 112007046651698-PAT00258
    은 송신 안테나의 총 개수이고, M은 선택된 송신 안테나의 개수이고,
    Figure 112007046651698-PAT00259
    는, 다음 수학식과 같은 개수의
    Figure 112007046651698-PAT00260
    개의 송신 안테나를 M개씩 선택하여
    Figure 112007046651698-PAT00261
    번의 스케줄링 동안 스케줄링하는 방법 중
    Figure 112007046651698-PAT00262
    번째 방법에서 t번째 스케줄링 시간에 얻을 수 있는 시스템 측정 용량을 나타냄.
    Figure 112007046651698-PAT00263
    .
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신하는 단계 이후에,
    상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 수신 채널 상관도의 스펙트럴 놈(spectral norm)과 고유치 확산(eigen-value spread)을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 수신 채널 상관도의 고유치 확산값을 문턱값과 비교하는 단계를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 고유치 확산이 문턱값 이상인 경우에만 상기 시스템 측정 용량을 계산하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 송신 안테나를 소정 개수의 그룹으로 나누고, 각 그룹 별로 송신 안테나 조합을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 용량 계산 단계는, 선택되는 송신 안테나 조합의 송신 안테나의 개수 및 선택 방법에 따른 시스템 측정 용량을 계산하고,
    상기 방법은,
    상기 시스템 용량 계산 단계에서 계산된 송신 안테나의 개수 및 선택 방법에 따른 상기 시스템 측정 용량에서 상기 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 시스템 부담으로 인한 시스템 측정 용량 감소를 덧셈하는 단계; 및
    상기 선택되는 송신 안테나의 개수에 따른 측정 용량 감소가 반영된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 선택 방법을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 송신 안테나에는 가상적인 송신안테나가 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가상적인 송신 안테나는, 총 U명의 사용자 중 u번째 사용자의 송신 안테나의 개수가 Pu라 할 때, u번째 사용자의 물리적 송신 신호 벡터
    Figure 112007046651698-PAT00264
    에
    Figure 112007046651698-PAT00265
    인 송신 가중치 벡터
    Figure 112007046651698-PAT00266
    를 곱함으로써
    Figure 112007046651698-PAT00267
    인 가상적인 송신 신호 벡터
    Figure 112007046651698-PAT00268
    를 이용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 만드는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기
    Figure 112007046651698-PAT00269
    는, 상기 u번째 사용자가 가진 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 고려하여 시스템 용량이 증가될 수 있도록 설계하여 상기 기지국에서 하향링크 채널을 통해 전달하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지국이 다중 셀 및 다중 섹터를 지원하는 경우 상기 다중 송신 안테나는 상기 기지국이 지원하는 셀 및 섹터 내의 송신 안테나 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 방법.
  13. 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서 송신 안테나를 선택하는 장치에 있어서,
    다중 송신 안테나로부터 기지국의 수신 채널 상관도에 관한 정보를 수신 수신 채널 상관도 측정기;
    상기 다중 송신 안테나의 각 수신 채널의 수신신호대잡음비(SNR) 및 상기 수신 채널 상관도에 관한 정보를 이용하여 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량을 계산하는 시스템 용량 계산기;
    상기 계산된 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나의 조합을 선택하는 송신 안테나 조합 선택기;
    상기 선택된 송신 안테나 조합에 따라 다중 사용자 및 상기 다중 송신 안테나를 스케줄링하는 다중 사용자 스케줄러; 및
    상기 스케줄링 단계에서의 스케줄링 정보를 상기 다중 송신 안테나로 송신하는 스케줄링 정보 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 시스템 측정 용량 계산기는 하기의 수학식을 이용하여 상기 시스템 측 정 용량을 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치.
    Figure 112007046651698-PAT00270
    여기서,
    Figure 112007046651698-PAT00271
    는 시스템 채널 행렬이고,
    Figure 112007046651698-PAT00272
    은 m 번째 송신 안테나의 수신 채널 상관도를 나타내는 행렬이고, 은 m 번째 송신안테나의 수신신호대잡음비이고,
    Figure 112007046651698-PAT00274
    는 행렬
    Figure 112007046651698-PAT00275
    의 대각합(trace)을 나타낸다고 할 경우,
    Figure 112007046651698-PAT00276
    은, 총 M 개 중 한 개씩 따로 선택하여
    Figure 112007046651698-PAT00277
    을 생성하거나, L(≥2)개의 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들을 묶어서 선택하여 생성한
    Figure 112007046651698-PAT00278
    의 수가 모두 i 개인 집합을 원소로 가지는 집합을 나타내고,
    Figure 112007046651698-PAT00279
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00280
    의 j 번째 원소 집합이며, 선택한
    Figure 112007046651698-PAT00281
    과
    Figure 112007046651698-PAT00282
    로 이루어진 집합의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수가 동일한 형태인 집합을 원소로 가지는 집합이며,
    Figure 112007046651698-PAT00283
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00284
    의 k 번째 원소 집합으로
    Figure 112007046651698-PAT00285
    또는
    Figure 112007046651698-PAT00286
    의 형태로 표현되는
    Figure 112007046651698-PAT00287
    을 l 번째 원소로 가지며,
    Figure 112007046651698-PAT00288
    는
    Figure 112007046651698-PAT00289
    의 tr(·) 안에 곱해져 있는 서로 다른 송신 안테나의 수신 채널 상관도 행렬들의 수를 나타내고,
    Figure 112007046651698-PAT00290
    는 집합
    Figure 112007046651698-PAT00291
    의 원소의 수를 나타냄.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 송신 안테나 선택을 위한 시스템 측정 용량이 최대가 되는 송신 안테나 조합은 수신 채널 상관도의 특성이 서로 직교적인 송신 안테나의 조합인 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 다중 사용자 스케줄러는, 다음 수학식과 같은 스케줄링 방법을 사용하여 시스템 측정 용량이 최대가 되는 스케줄링 방법을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템의 상향링크에서의 송신 안테나 선택 장치.
    Figure 112007046651698-PAT00292
    여기서,
    Figure 112007046651698-PAT00293
    은 송신 안테나의 총 개수이고, M은 선택된 송신 안테나의 개수이고,
    Figure 112007046651698-PAT00294
    는, 다음 수학식과 같은 개수의
    Figure 112007046651698-PAT00295
    개의 송신 안테나를 M개씩 선택하여
    Figure 112007046651698-PAT00296
    번의 스케줄링 동안 스케줄링하는 방법 중
    Figure 112007046651698-PAT00297
    번째 방법에서 t번째 스케 줄링 시간에 얻을 수 있는 시스템 측정 용량을 나타냄.
    Figure 112007046651698-PAT00298
    .
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