KR20090083834A

KR20090083834A - 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법

Info

Publication number: KR20090083834A
Application number: KR1020080049283A
Authority: KR
Inventors: 고현수; 임빈철; 이욱봉; 정재훈; 이문일
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-08-04
Also published as: KR101373951B1; US20100310000A1; WO2009096708A1; US8457245B2

Abstract

다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법은 전체 대역을 이루는 복수의 서브밴드 중에서 CQI(channel quality indicator)가 높은 순서로 M개의 서브밴드를 선택하는 단계(M>0인 정수) 및 상기 M개의 서브밴드에 대한 제1 PMI(precoding matrix indicator) 및 나머지 밴드에 대한 제2 PMI를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 제1 PMI는 복수의 코드북(codebook)을 포함하는 제1 코드북셋(set)으로부터 선택되는 코드북의 PMI이고, 상기 제2 PMI는 상기 제1 코드북셋의 일부의 코드북으로 이루어지는 제2 코드북셋으로부터 선택되는 코드북의 PMI이다. 베스트 밴드를 위한 코드북과 비선택 밴드를 위한 코드북을 별로 마련함으로써 프리코딩 정보를 효율적으로 전송할 수 있다.

Description

다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법{Method for transmitting precoding information in multiple antenna system}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로 보다 상세하게는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보를 보다 효율적으로 전송할 수 있는 방법에 관한 것이다.

무선통신 시스템은 다양한 종류의 통신을 제공하기 위해 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 음성 및/또는 데이터가 무선통신 시스템에 의해 제공되고 있다. 일반적인 무선통신 시스템은 다중 사용자에게 하나 또는 그 이상의 공유 자원을 제공한다. 예를 들어 무선통신 시스템은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access) 및 FDMA(Frequency Division Multiple Access)와 같은 다양한 다중 접속 기법을 사용할 수 있다.

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 다수의 직교 부반송파(subcarrier)를 이용한다. OFDM은 IFFT(inverse fast Fourier Transform)과 FFT(fast Fourier Transform) 사이의 직교성 특성을 이용한다. 전송기에서 데이터 는 IFFT를 수행하여 전송한다. 수신기에서 수신신호에 대해 FFT를 수행하여 원래 데이터를 복원한다. 전송기는 다중 부반송파들을 결합하기 위해 IFFT를 사용하고, 다중 부반송파들을 분리하기 위해 수신기는 대응하는 FFT를 사용한다. OFDM에 의하면, 광대역 채널의 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading) 환경에서 수신기의 복잡도를 낮추고, 부반송파간의 상이한 채널 특성을 활용하여 주파수 영역에서의 선택적 스케줄링 등을 통해 주파수 효율(spectral efficiency)을 높일 수 있다. OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)는 OFDM을 기반으로 한 다중 접속 방식이다. OFDMA에 의하면 다중 사용자에게 상이한 부반송파를 할당함으로써 무선자원의 효율성을 높일 수 있다.

최근에는 무선통신 시스템의 성능과 통신용량을 극대화하기 위하여 다중입출력(Multiple Input Multiple Output; MIMO) 시스템이 주목받고 있다. MIMO 기술은 지금까지 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용했던 것에서 탈피하여, 다중 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 채택해 송수신 데이터 전송 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다. MIMO 시스템을 다중안테나(Multiple antenna) 시스템이라고도 한다. MIMO 기술은 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 여러 안테나에서 수신된 단편적인 데이터 조각을 한데 모아 완성하는 기술을 응용한 것이다. 그 결과, 특정 범위에서 데이터 전송 속도를 향상시키거나 특정 데이터 전송 속도에 대해 시스템 범위를 증가시킬 수 있다.

MIMO 기술에는 송신 다이버시티(transmit diversity), 공간 다중화(spatial multiplexing) 및 빔형성(beamforming) 등이 있다. 송신 다이버시티는 다중 송신 안테나에서 동일한 데이터를 전송하여 전송 신뢰도를 높이는 기술이다. 공간 다중화는 단일 사용자에 대한 공간 다중화와 다중 사용자에 대한 공간 다중화가 있다. 단일 사용자에 대한 공간 다중화는 SU-MIMO(Single User MIMO)라고도 하며, 다중 사용자에 대한 공간 다중화는 SDMA(Spatial Division Multiple Access) 혹은 MU-MIMO(Multi User MIMO)로 불린다. MIMO 채널의 용량은 안테나 수에 비례하여 증가한다. MIMO 채널은 독립 채널로 분해될 수 있다. 송신 안테나의 수를 Nt, 수신 안테나의 수를 Nr 이라 할 때, 독립 채널의 수 Ni 는 Ni ≤ min{Nt, Nr}이 된다. 각각의 독립 채널은 공간 계층(spatial layer)이라 할 수 있다. 랭크(rank)는 MIMO 채널 행렬의 영이 아닌 고유값(non-zero eigenvalue)의 수로, 다중화될 수 있는 공간 스트림의 수로 정의될 수 있다. 공간 다중화는 다중 송신 안테나에서 서로 다른 데이터를 동시에 전송하여 시스템의 대역폭을 증가시키지 않고 고속의 데이터를 전송할 수 있는 기술이다.

빔 형성은 다중 안테나에서 채널상태에 따른 가중치를 가하여 신호의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 증가시키기 위해 사용된다. 가중치는 가중치 벡터(weight vector)로 표현될 수 있고, 둘 이상의 가중치 벡터는 가중치 행렬(weight matrix)로 표현될 수 있다. 가중치 벡터를 프리코딩 벡터(precoding vector)라 하고, 가중치 행렬을 프리코딩 행렬(precoding matrix)이라 한다. 채널상태에 따른 가중치를 사용하여 전처리하는 방식을 채널 기반 프리코딩(channel dependent precoding)이라 한다. 채널 기반 프리코딩은 전송 채널의 수용량(capacity)을 최대화하기 위하여 채널상태에 맞는 가중치를 사용한다. 채널 기 반 프리코딩을 위한 채널 정보는 사운딩 채널(sounding channel), 코드북(codebook), 채널 양자화 등을 통하여 획득될 수 있다. 여러 가지 프리코딩 방법 중에서 코드북을 기반으로 하는 프리코딩(codebook based precoding)을 사용하는 시스템에서는 채널 상태를 반영할 수 있는 코드북셋(codebook set)을 만들고, 전송 채널의 수용량이 최대화되도록 하는 코드북을 선택한다. 일반적으로 코드북셋의 코드북이 많을수록 전송 채널의 수용량을 더욱 증가시킬 수 있다.

OFDM 시스템에서 채널 기반 프리코딩을 적용할 때, 각 부반송파별 가중치를 사용하면 최적의 성능을 얻을 수 있다. 그러나 부반송파별 가중치를 사용하게 되면 제어 시그널링에 따른 오버헤드가 매우 커지게 된다. 전체 주파수 대역을 인접한 부반송파들의 묶음인 서브밴드로 나누고 서브밴드별 가중치를 사용하여 제어 시그널링에 따른 오버헤드를 줄일 수 있다. 단말은 기지국으로 서브밴드별 채널상태 및 선호하는 코드북을 보고하고, 기지국은 이를 고려하여 스케줄링을 수행한다. 일반적으로 기지국은 채널상태가 좋은 서브밴드를 단말에게 할당하여 시스템 성능을 향상시킨다. 즉, 채널상태가 좋은 서브밴드가 채널상태가 좋지 않은 서브밴드에 비하여 할당될 가능성이 높다. 단말이 할당될 가능성이 높은 서브밴드 뿐만 아니라, 할당될 가능성이 낮은 모든 서브밴드에 대한 채널상태 및 코드북을 전송하는 것은 불필요한 오버헤드가 될 수 있다.

다중안테나 시스템에서 스케줄링의 효율성을 보장하면서 제어정보의 전송량을 줄일 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중안테나 시스템에서 스케줄링의 효율성을 보장하면서 제어정보의 전송량을 줄일 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법은 전체 대역을 이루는 복수의 서브밴드 중에서 CQI(channel quality indicator)가 높은 순서로 M개의 서브밴드를 선택하는 단계(M>0인 정수) 및 상기 M개의 서브밴드에 대한 제1 PMI(precoding matrix indicator) 및 나머지 밴드에 대한 제2 PMI를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 제1 PMI는 복수의 코드북(codebook)을 포함하는 제1 코드북셋(set)으로부터 선택되는 코드북의 PMI이고, 상기 제2 PMI는 상기 제1 코드북셋의 일부의 코드북으로 이루어지는 제2 코드북셋으로부터 선택되는 코드북의 PMI이다.

본 발명의 다른 양태에 따른 다중안테나 시스템에서 제어정보 전송방법은 귀환데이터의 보고 방식을 지시하는 하향링크 제어정보를 전송하는 단계 및 상기 하향링크 제어정보에 대한 응답으로 귀환데이터를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 하향링크 제어정보는 CQI 및 PMI의 보고를 위하여 선택되는 주요 서브밴드를 위한 제1 코드북셋 및 상기 CQI 및 상기 PMI의 보고를 위하여 준비되는 보조 서브밴드를 위한 제2 코드북셋에 대한 정보를 포함하고, 상기 제2 코드북셋은 상기 제1 코드북 셋으로부터 선택된다.

베스트 밴드를 위한 코드북과 비선택 밴드를 위한 코드북을 별로 마련함으로써 프리코딩 정보를 효율적으로 전송할 수 있다.

도 1은 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다. 무선통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1을 참조하면, 무선통신 시스템은 단말(10; User Equipment, UE) 및 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다. 단말(10)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(wireless device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(20)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드-B(Node-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 하나의 기지국(20)에는 하나 이상의 셀이 존재할 수 있다.

이하에서 하향링크(downlink; DL)는 기지국(20)에서 단말(10)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink; UL)는 단말(10)에서 기지국(20)으로의 통신을 의미한다. 하향링크에서, 송신기는 기지국(20)의 일부일 수 있고 수신기는 단말(10)의 일부일 수 있다. 상향링크에서, 송신기는 단말(10)의 일부일 수 있고 수신기는 기지국(20) 의 일부일 수 있다.

무선통신 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) /OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기반 시스템일 수 있다. OFDM은 다수의 직교 부반송파를 이용한다. OFDM은 IFFT(inverse fast Fourier Transform)과 FFT(fast Fourier Transform) 사이의 직교성 특성을 이용한다. 송신기는 데이터에 IFFT를 수행하여 전송한다. 수신기는 수신신호에 FFT를 수행하여 원래 데이터를 복원한다. 송신기는 다중 부반송파들을 결합하기 위해 IFFT를 사용하고, 수신기는 다중 부반송파들을 분리하기 위해 대응하는 FFT를 사용한다.

무선통신 시스템은 다중안테나(multiple antenna) 시스템일 수 있다. 다중안테나 시스템은 다중입출력(multiple-input multiple-output; MIMO) 시스템일 수 있다. 또는 다중안테나 시스템은 다중 입력 싱글 출력(multiple-input single-output; MISO) 시스템 또는 싱글 입력 싱글 출력(single-input single-output; SISO) 시스템 또는 싱글 입력 다중 출력(single-input multiple-output; SIMO) 시스템일 수도 있다. MIMO 시스템은 다수의 전송 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용한다. MISO 시스템은 다수의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용한다. SISO 시스템은 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용한다. SIMO 시스템은 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나를 사용한다.

다중 안테나 시스템에서 다중 안테나를 이용한 기법으로는 랭크 1에서 SFBC(Space Frequency Block Code), STBC(Space Time Block Code)와 같은 STC(Space-Time Coding), CDD(Cyclic Delay Diversity), FSTD(frequency switched transmit diversity), TSTD(time switched transmit diversity) 등이 사용될 수 있다. 랭크 2 이상에서는 공간 다중화(Spatial Multiplexing; SM), GCDD(Generalized Cyclic Delay Diversity), S-VAP(Selective Virtual Antenna Permutation) 등이 사용될 수 있다. SFBC는 공간 영역과 주파수 영역에서의 선택성을 효율적으로 적용하여 해당 차원에서의 다이버시티 이득과 다중 사용자 스케줄링 이득까지 모두 확보할 수 있는 기법이다. STBC는 공간 영역과 시간 영역에서 선택성을 적용하는 기법이다. FSTD는 다중 안테나로 전송되는 신호를 주파수로 구분하는 기법이고, TSTD는 다중 안테나로 전송되는 신호를 시간으로 구분하는 기법이다. 공간 다중화는 안테나별로 서로 다른 데이터를 전송하여 전송률을 높이는 기법이다. GCDD는 시간 영역과 주파수 영역에서의 선택성을 적용하는 기법이다. S-VAP는 단일 프리코딩 행렬을 사용하는 기법으로, 공간 다이버시티 또는 공간 다중화에서 다중 코드워드를 안테나 간에 섞어주는 MCW(Multi Codeword) S-VAP와 단일 코드워드를 사용하는 SCW(Single Codeword) S-VAP가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기의 구조를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 송신기(100)는 인코더(110-1,...,110-K), 변조기(120-1,..., 120-K), 계층 맵퍼(130), 프리코더(140), 부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K) 및 OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)를 포함한다. 송신기(100)는 Nt(Nt≥1)개의 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)를 포함한다.

인코더(110-1,...,110-K)는 입력되는 데이터를 정해진 코딩 방식에 따라 인코딩하여 부호화된 데이터(coded data)를 형성한다. 변조기(120-1,...,120-K)는 부 호화된 데이터를 신호 성상(signal constellation) 상의 위치를 표현하는 심볼로 배치한다. 변조 방식(modulation scheme)에는 제한이 없으며, m-PSK(m-Phase Shift Keying) 또는 m-QAM(m-Quadrature Amplitude Modulation)일 수 있다. 예를 들어, m-PSK는 BPSK, QPSK 또는 8-PSK 일 수 있다. m-QAM은 16-QAM, 64-QAM 또는 256-QAM 일 수 있다.

계층 맵퍼(130)는 프리코더(140)가 안테나 특정 심볼을 각 안테나의 경로로 분배할 수 있도록 입력 심볼의 계층을 정의한다. 계층(layer)은 프리코더(140)로 입력되는 정보 경로(information path)로 정의된다. 프리코더(140) 이전의 정보 경로를 가상 안테나(virtual antenna) 또는 계층(layer)이라 할 수 있다.

프리코더(140)는 입력 심볼을 다중 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)에 따른 MIMO 방식으로 처리하여 안테나 특정 심볼을 출력한다. 프리코더(140)는 코드북(codebook) 기반의 프리코딩을 이용할 수 있다. 프리코더(140)는 미리 정의된 코드북의 집합인 주요 코드북셋(codebook set)에서 선택되는 코드북 및 주요 코드북셋보다 적은 수의 코드북을 포함하는 보조 코드북셋에서 선택되는 코드북을 사용할 수 있다. 프리코더(140)는 안테나 특정 심볼을 해당 안테나의 경로의 부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K)로 분배한다. 프리코더(140)에 의해 하나의 부반송파 맵퍼를 통해 하나의 안테나로 보내어지는 각 정보 경로를 스트림(stream)이라 한다. 이를 물리적 안테나(physical antenna)라 할 수 있다.

부반송파 맵퍼(150-1,...,150-K)는 안테나 특정 심볼을 적절한 부반송파에 할당하고, 사용자에 따라 다중화한다. OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)는 안테 나 특정 심볼을 OFDM 방식으로 변조하여 OFDM 심볼을 출력한다. OFDM 신호 발생기(160-1,...,160-K)는 안테나 특정 심볼에 대해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 수행할 수 있으며, IFFT가 수행된 시간 영역 심볼에는 CP(cyclic prefix)가 삽입될 수 있다. OFDM 심볼은 각 송신 안테나(170-1,..,170-Nt)를 통해 송신된다.

MIMO 시스템에서 송신기(100)는 두 가지 모드로 동작할 수 있다. 하나는 SCW 모드이고, 다른 하나는 MCW 모드이다. SCW 모드에서는 MIMO 채널을 통해 송신되는 송신 신호가 동일한 송신률(data rate)을 갖는다. MCW 모드에서는 MIMO 채널을 통해 송신되는 데이터가 독립적으로 인코딩되어, 송신 신호가 서로 다른 송신률을 가질 수 있다. MCW 모드는 랭크가 1보다 큰 경우에 동작한다.

이하, 단말로부터 기지국으로 전송되는 귀환데이터에 대하여 설명한다. 귀환데이터는 주기적으로 전송되거나 기지국의 요청에 따라 전송될 수 있다. 귀환데이터는 상향링크 제어정보로서 상향링크 제어채널을 통하여 전송된다. 귀환데이터에 포함되는 제어정보에는 채널상태를 나타내는 CQI(channel quality indicator), 단말이 선호하는 프리코딩 행렬을 지시하는 PMI(precoding matrix indicator), 랭크를 지시하는 RI(rank indicator) 등이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 귀환데이터를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 전체 주파수 대역은 복수의 서브밴드(sub-band)로 나뉠 수 있다. 사용자 데이터 또는 제어신호를 위한 무선자원 할당이 이루어지는 프레임은 시간 영역(time domain)으로 복수의 OFDM 심볼 및 주파수 영역(frequency domain) 으로 복수의 부반송파(subcarrier)를 포함한다. 주파수 영역으로 인접하는 복수의 부반송파가 무선자원 할당의 기본 단위인 자원블록(resource block; RB)이 된다. 자원블록은 주파수 영역으로 인접한 12개의 부반송파를 포함할 수 있다. 서브밴드는 적어도 하나의 자원블록을 포함한다. 예를 들어, 인접하는 2개의 자원블록이 하나의 서브밴드가 될 수 있다.

단말은 서브밴드별 채널상태를 측정할 수 있고, Best-M 방식으로 CQI를 전송할 수 있다. Best-M 방식은 복수의 서브밴드 중에서 M 개의 특정 서브밴드를 선택하는 방식이다(M≥1인 정수). Best-M 방식의 CQI 전송에서는 CQI의 레벨(또는 CQI 값)이 높은 순서로 M 개의 서브밴드를 베스트 밴드(best band)로 선택하고 베스트 밴드의 CQI 및 베스트 밴드를 지시하는 지시자를 전송한다. 전체 대역에서 베스트 밴드를 제외한 나머지 서브밴드는 나머지 밴드(remaining band)라 하고, 베스트 밴드를 포함한 전체 대역은 전체 밴드(whole band)라 한다. Best-M 방식으로 귀환데이터를 전송하는 경우 베스트 밴드를 선택 밴드(selected band)라 하고, 나머지 밴드 또는 전체 밴드를 비선택 밴드(non-selected band)라 한다.

여기서, 전체 대역이 6개의 서브밴드를 포함하고, 이 중에서 2개의 서브밴드를 베스트 밴드로 선택하는 Best-M 방식(M=2)으로 CQI 및 PMI를 귀환데이터로서 전송한다고 하자. PMI가 구해지는 주파수 대역을 PMI 밴드라 할 때, PMI 밴드는 서브밴드와 같은 크기(granularity)를 가지거나 서브밴드 크기의 배수의 크기를 가질 수 있다. PMI 밴드의 크기가 서브밴드 크기의 2배라고 하면, 베스트 밴드로 선택되는 2개의 서브밴드에 대하여 하나의 PMI가 적용될 수 있다. 베스트 밴드의 PMI를 PMI #B라 한다. 그리고 전체 밴드에 대한 다른 하나의 PMI가 사용될 수 있다. 전체 밴드의 PMI를 PMI #A라 한다.

채널 기반 프리코딩(channel dependent precoding)을 사용하는 시스템에서 전체 밴드를 위한 하나의 프리코딩이 사용되는 경우는 일반적인 CQI 전송방식에 전체 밴드의 PMI가 추가되는 형태로 귀환데이터가 전송될 수 있다. 베스트 밴드를 위한 코드북을 별도로 사용하면 베스트 밴드의 전송율을 높일 수 있고, 이에 따라 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 베스트 밴드에 대해 적용되는 PMI #B는 베스트 밴드를 위해 미리 마련된 제1 코드북셋으로부터 선택된 코드북의 PMI이고, 전체 밴드에 대해 적용되는 PMI #A는 전체 밴드를 위해 별도로 마련되는 제2 코드북셋으로부터 선택된 코드북의 PMI일 수 있다. 제2 코드북셋은 제1 코드북셋에 포함되는 복수의 코드북 중에서 선택되는 일부의 코드북으로 이루어질 수 있다.

단말은 PMI #A 또는 PMI #B를 적용하여 CQI를 구한다. CQI를 구하는 방식은 다음과 같이 다양한 방식이 적용될 수 있다.

1. 베스트 밴드의 PMI #B를 적용하여 베스트 밴드에 해당하는 서브밴드#5, #6 각각의 CQI를 구할 수 있다.

2. 베스트 밴드의 PMI #B를 적용하여 베스트 밴드에 해당하는 서브밴드 #5, #6의 CQI를 평균한 평균 CQI를 구할 수 있다.

3. 전체 밴드의 PMI #A를 적용하여 전체 밴드에 대한 평균 CQI를 구할 수 있다.

4. 전체 밴드의 PMI #A를 적용하여 나머지 밴드에 대한 평균 CQI를 구할 수 있다.

5. 전체 밴드의 PMI #A를 적용한 나머지 밴드에 대한 CQI와 베스트 밴드의 PMI #B를 적용한 베스트 밴드에 대한 CQI의 평균값을 평균 CQI로 구할 수 있다.

베스트 밴드로 선택된 서브밴드 각각의 CQI만이 전송되는 방식을 Best-M CQI 방식이라 한다. Best-M CQI 방식에서는 M 개의 CQI 및 선택된 베스트 밴드를 알려주는 지시자가 전송된다. 베스트 밴드에 대한 CQI만이 전송되므로 CQI 전송에 따른 오버헤드가 줄어들고, 베스트 밴드를 반영한 스케줄링은 데이터 전송효율을 높일 수 있다.

베스트 밴드로 선택된 서브밴드에 대한 평균 CQI만이 전송되는 방식을 Best-M 평균 CQI 방식이라 한다. Best-M 평균 CQI 방식에서는 1개의 CQI 및 베스트 밴드를 알려주는 지시자가 전송되므로 CQI 전송에 따른 오버헤드가 더욱 줄어든다.

Best-M CQI 방식 또는 Best-M 평균 CQI 방식으로 베스트 밴드에 대한 CQI만을 전송할 때, 선택되지 않는 나머지 밴드에 대하여 무선자원 스케줄링이 수행될 수 있다. 이와 같이 CQI가 보고되지 않는 나머지 밴드에 대하여 무선자원이 스케줄링이 수행되면 스케줄링 효율이 나빠질 수 있다. 이를 방지하기 위한, 베스트 밴드에 대한 CQI와 함께 나머지 밴드 또는 전체 밴드에 대한 평균 CQI를 전송하는 방식을 Best-M CQI 보조 방식이라 한다. 기지국은 우선적으로 단말의 베스트 밴드를 고려하여 무선자원 스케줄링을 수행하고, 단말에게 베스트 밴드를 할당할 수 없는 경우에는 나머지 밴드에 대하여 무선자원을 할당한다. 베스트 밴드는 무선자원 스케줄링에 우선적으로 고려되는 주요 서브밴드이고, 나머지 밴드는 무선자원 스케줄링 을 위해 보조적으로 고려되는 보조 서브밴드라 할 수 있다. Best-M CQI 보조 방식으로 비선택 밴드에 대한 스케줄링 효율의 감쇄를 보상할 수 있다.

Best-M CQI 보조 방식에서, 베스트 밴드를 위해 구한 CQI(CQI를 구하는 방식 1 또는 2) 및 선택되지 않은 서브밴드를 위해 구한 CQI(CQI를 구하는 방식 3, 4, 또는 5)를 전송하고, 이에 사용한 PMI(PMI #B, PMI #A)를 전송한다. 예를 들어, 베스트 밴드를 위해 베스트 밴드의 평균 CQI와 PMI #B가 전송되고, 비선택 밴드를 위해 전체 밴드의 평균 CQI와 PMI #A가 전송될 수 있다.

기지국은 하향링크 제어채널을 통하여 단말이 사용할 Best-M CQI 방식, Best-M 평균 CQI 방식, Best-M CQI 보조 방식 등에 대한 정보를 알려줄 수 있다. 상기 하향링크 제어채널은 모든 단말이 수신할 수 있는 브로드캐스트 채널(broadcast channel) 또는 특정 단말이 수신할 수 있는 전용 제어채널(dedicated control channel)일 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 귀환데이터를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 도 3과 비교하여, 비선택 밴드를 위해 나머지 밴드에 대한 PMI #A를 사용하는 경우이다.

Best-M 방식에서 선택되지 않는 서브밴드에 대한 CQI는 다음과 같이 구할 수 있다.

1. 나머지 밴드의 PMI #A를 적용하여 나머지 밴드에 대한 평균 CQI를 구할 수 있다.

2. 나머지 밴드의 PMI #A를 적용하여 전체 밴드에 대한 평균 CQI를 구할 수 있다.

3. 나머지 밴드의 PMI #A를 적용한 나머지 밴드에 대한 CQI와 베스트 밴드의 PMI #B를 적용한 베스트 밴드에 대한 CQI의 평균값을 평균 CQI로 구할 수 있다.

베스트 밴드에 대해 적용되는 PMI #B는 베스트 밴드를 위해 미리 마련된 제1 코드북셋으로부터 선택된 코드북의 PMI이고, 나머지 밴드에 대해 적용되는 PMI #A는 나머지 밴드를 위해 별도로 마련되는 제2 코드북셋으로부터 선택된 코드북의 PMI일 수 있다.

Best-M CQI 보조 방식에서, 베스트 밴드를 위해 베스트 밴드의 평균 CQI와 PMI #B가 전송되고, 비선택 밴드를 위해 나머지 밴드의 평균 CQI와 PMI #A가 전송될 수 있다.

이와 같이, 채널 기반 프리코딩을 사용하는 시스템에서는 베스트 밴드 및 전체 밴드/나머지 밴드의 PMI를 사용하여 CQI를 구하고, 귀환데이터에 PMI 및 CQI를 포함시켜 전송한다. 무선자원 스케줄링은 베스트 밴드를 우선적으로 고려하고 수행되므로 시스템의 성능은 베스트 밴드에 따라 결정될 수 있다. 따라서 베스트 밴드에 대한 프리코딩 범위(granularity)를 작게 설정하면 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고 전체 밴드 또는 나머지 밴드를 위해 최적화된 프리코딩을 선택하면 시스템 성능을 추가적으로 향상시킬 수 있다.

그러나 상대적으로 적게 활용되는 전체 밴드 또는 나머지 밴드의 프리코딩을 위해 베스트 밴드에 사용되는 작은 프리코딩 범위의 코드북을 그대로 사용하는 것은 불필요한 제어 시그널링의 오버헤드를 증가시키는 원인이 될 수 있다. 기지국은 단말로 코드북을 전송하여 단말이 선호하는 프리코딩 행렬을 사용할 수 있도록 하고, 단말은 선호하는 프리코딩 행렬의 인덱스(PMI)를 기지국으로 전송한다. 많은 수의 코드북을 가지는 코드북셋을 이용하면 시스템의 성능을 향상시킬 수 있으나, 비교적 활용도가 낮은 비선택 밴드를 위해 많은 수의 코드북을 가지는 코드북셋을 그대로 사용하면 그 만큼 제어 시그널링이 증가한다.

이하, 베스트 밴드를 위한 코드북셋과 전체 밴드 또는 나머지 밴드를 위한 코드북셋을 별도로 마련하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어정보 전송방법을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 기지국은 단말로 측정 요청(measurement request) 메시지를 전송한다(S110). 측정 요청 메시지는 무선자원 스케줄링을 위하여 단말로 하여금 채널상태를 측정하여 보고하도록 지시하는 메시지이다. 측정 요청 메시지에는 채널상태 보고를 위한 주기 또는 채널상태 보고를 위한 상향링크 무선자원 등에 관한 정보가 포함된다. 그리고 측정 요청 메시지에는 귀환데이터의 보고 방식 또는 프리코딩 정보가 포함될 수 있다. 즉, 측정 요청 메시지는 Best-M CQI 방식, Best-M 평균 CQI 방식 및 Best-M CQI 보조 방식 등 귀환데이터의 보고 방식을 지시할 수 있다. 그리고, 측정 요청 메시지는 베스트 밴드를 위한 제1 코드북셋 또는 비선택 밴드를 위한 제2 코드북셋을 지정하는 등 프리코딩 정보를 지시할 수 있다.

제1 코드북셋은 정의된 코드북의 집합이다. 제1 코드북셋은 코드북 기반 프 리코딩에서 DFT(discrete Fourier transform), 하우스홀더(Householder), 그래스매니안(Grassmanian) 등의 방법으로 구성될 수 있다. DFT는 N*N의 DFT 행렬을 구성하고 입력 신호를 DFT 행렬에 곱하여 DFT 신호를 생성하는 방식이다. 하우스홀더는 3차원 공간상의 벡터를 한 평면에 반영하는 하우스홀더 행렬을 구성하고 하우스홀더 행렬의 QR 분해(QR decomposition) 기법으로 허미션 행렬(hermitian matrix)을 찾는 방식이다. 그래스매니안은 n 차원 채널공간에서 k 차원의 부공간(subspace)을 두고 부공간 패킹방식으로 채널 세트와 코드북을 구성하는 방식이다. 제1 코드북셋의 코드북은 기지국과 단말 간에 서로 알고 있는 코드북이 사용될 수 있다.

제2 코드북셋은 제1 코드북셋으로부터 선택되어 구성될 수 있다. 제1 코드북셋이 C_A=[C₁, C₂, ...,C_n]이라고 하면, 제2 코드북 셋은 제1 코드북셋에 포함된 코드북들 중에서 일정한 간격으로 선택되어 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 코드북셋이 64개의 코드북을 포함할 때(n=64), 제1 코드북셋에서 4 간격으로 선택되는 코드북으로 제2 코드북셋이 구성되면 제2 코드북셋은 C_B=[C₁,C₅,...,C₆₁]와 같이 구성되어 16개 코드북을 포함할 수 있다.

기지국은 상위계층 시그널링을 통하여 제2 코드북셋을 단말에게 지시할 수 있다. 제1 코드북셋은 기지국과 단말이 서로 알로 있으므로, 기지국이 제1 코드북셋에서 선택되는 코드북의 간격 또는 첫번째 코드북을 지시하면 단말은 제2 코드북셋에 포함되는 코드북들을 알 수 있다. 그리고 단말은 제2 코드북셋에 포함되는 코드북들의 순서에 따라 논리번호(logical number)를 매겨서 자신이 선택한 코드북의 논리번호를 기지국에게 알려줄 수 있다.

단말은 측정 요청 메시지를 수신하면 채널상태를 측정하고 귀환데이터를 생성한다(S120). 단말은 측정 요청 메시지에서 지시하는 방식에 따라 CQI를 측정하고 CQI가 높은 순서로 베스트 밴드를 선택한다. 여기서는 단말이 Best-M CQI 보조 방식으로 베스트 밴드의 CQI 및 PMI와 함께 비선택 밴드의 CQI 및 PMI를 전송한다고 하자. 단말은 제1 코드북셋에서 베스트 밴드에 적절한 코드북을 선택한다. 그리고 단말은 기지국의 지시에 따라 제1 코드북셋에서 일부 선택되는 제2 코드북셋에서 비선택 밴드에 적절한 코드북을 선택한다.

한편, 기지국이 제2 코드북셋을 지시하지 않고, 단말이 채널측정을 통해 선택한 베스트 밴드를 위한 코드북을 기준으로 제2 코드북셋의 코드북들이 선택될 수 있다. 제1 코드북셋이 N 개의 코드북을 포함하고 이 중에서 베스트 밴드를 위해 선택된 코드북이 Ws 라고 할 때, 제2 코드북셋의 코드북은 제1 코드북셋의 코드북 중에서 Ws 에서 거리가 가장 큰 K 개의 코드북으로 선택될 수 있다(N>K이고, N,K>0인 정수). 수학식 1은 제1 코드북셋에서 베스트 밴드를 위해 선택된 코드북을 기준으로 제2 코드북셋을 구성하는 방법을 나타낸다.

여기서, det(.)는 행렬식(determinant), (.)^H는 허미션 행렬(Hermitian matrix)을 의미한다.

제1 코드북셋에서 선택된 코드북을 기준으로 구성되는 제2 코드북셋의 코드북들은 재 번호 매김(renumbering)된다. 예를 들어, 제1 코드북셋이 W₀~W₁₅와 같이 16개의 코드북으로 구성되며, 제1 코드북셋에서 W₀이 기준 코드북으로 선택될 때 4개의 코드북 W₁, W₂, W₃, W₄ 로 제2 코드북셋이 구성된다고 하자. 제2 코드북셋의 코드북들은 표 1과 같이 번호 매겨질 수 있다.

표 1은 제2 코드북셋의 코드북의 재 번호 매김의 일예를 나타낸다.

기준 코드북	제2 코드북
기준 코드북	00	01	10	11
W₀	W₁	W₂	W₃	W₄
W₈	W₀	W₄	W₁₀	W₁₅

단말은 제2 코드북셋에서 비선택 밴드에 적절한 코드북을 선택하고, 다시 매겨진 번호를 기지국으로 전송하여 제2 코드북셋에서 자신이 선택한 코드북을 알려줄 수 있다.

단말이 채널측정을 통해 선택한 베스트 밴드를 위한 코드북을 기준으로 제2 코드북셋의 코드북들을 선택할 때, 제2 코드북셋에 베스트 밴드를 위한 코드북을 포함시켜 구성할 수 있다. 베스트 밴드를 위한 코드북을 기준 코드북으로 하여 K-1개의 코드북을 선택하고 기준 코드북을 포함시켜 제2 코드북셋을 구성할 수 있다. 또는 베스트 밴드를 위한 코드북을 기준 코드북으로 하여 K 개의 코드북을 선택한 다음 기준 코드북과 거리가 가장 가까운 코드북 하나를 제외시키고 기준 코드북을 포함시켜 제2 코드북셋을 구성할 수 있다. 이러한 경우에도 제2 코드북셋의 코드북들은 재 번호 매김된다.

표 2는 제2 코드북셋의 코드북의 재 번호 매김의 다른 예를 나타낸다.

기준 코드북	제2 코드북
기준 코드북	00	01	10	11
W₀	W₀	W₂	W₃	W₄
W₈	W₈	W₄	W₁₀	W₁₅

제2 코드북셋에서 기준 코드북은 다른 코드북들과 같은 방식으로 재 번호 매겨지거나, 또는 기준 코드북은 특정 번호로 매겨질 수 있다.

단말은 제1 코드북셋에서 베스트 밴드에 적절한 코드북을 선택하고, 선택한 코드북의 PMI를 적용하여 베스트 밴드의 CQI를 구한다. 단말은 제2 코드북셋에서 비선택 밴드에 적절한 코드북을 선택하고, 선택한 코드북의 PMI를 적용하여 비선택 밴드의 CQI를 구한다. 단말은 귀환데이터에 베스트 밴드 및 비선택 밴드의 CQI, PMI를 포함시켜 귀환데이터를 생성한다.

단말은 상향링크 제어채널을 통하여 귀환데이터를 전송한다(S130). 귀환데이터에는 단말이 선택한 베스트 밴드의 지시자, 베스트 밴드의 CQI/PMI, 비선택 밴드의 CQI/PMI, 제2 코드북셋 정보 등이 포함될 수 있다.

기지국은 단말로부터 귀환데이터에 포함된 정보를 바탕으로 무선자원 스케줄링을 수행하고(S140), 스케줄링 정보를 단말로 전송한다(S150).

이와 같이, 단말이 기지국으로 CQI 및 PMI를 전송하는 과정에서 베스트 밴드에 대하여 미리 정의된 제1 코드북셋을 사용하고, 비선택 밴드에 대하여 제1 코드북셋의 일부 코드북으로 이루어지는 제2 코드북셋을 사용함으로써, 제어 시그널링에 따른 오버헤드를 줄일 수 있다.

표 3은 제안한 방법을 실험하기 위한 기본 파라미터를 나타낸다.

Parameter	Assumption
OFDM parameter	5 MHz / 10 MHz
Subframe length	1.0 ms
Frequency granularity for CQI feedback	2RBs for Best-M
CQI Feedback Compression Scheme	Best M average (M = 3 )
Frequency granularity for PMI feedback	2RBs for Best-M
Channel Models	6-ray TU
Mobile Speed (km/h)	3 km/h
Modulation schemes and channel coding rates	QPSK (R=1/3, 1/2, 3/4) 16QAM (R=1/2, 5/8, 3/4) 64QAM (R = 3/5, 2/3, 3/4, 5/6)
Channel Code	Turbo code Component decoder : max-log-MAP
Codebook scheme	Working assumption [2]
Antenna configuration	4 transmitter, 2 receiver => [4Tx, 2Rx]
Channel Estimation	Perfect channel estimation

표 4는 제안하는 방법을 실험하기 위한 시스템 파라미터를 나타낸다.

Parameter		Assumption
Cellular Layout		Hexagonal grid, 19 cell sites, 3 sectors per site
Distance-dependent path loss		L=128.1 + 37.6log₁₀(.R), R in kilometers
Inter site distance		500 m
Penetration loss		20dB for 3km/h users
Shadowing standard deviation		8 dB
Shadowing correlation	Between cells	0.5
	Between sectors	1.0
Antenna pattern (horizontal) (For 3-sector cell sites with fixed antenna patterns)		θ_3dB = 70degrees, A_m=20dB
Total Node-B TX power		43dBm (5MHz), 46dBm (10MHz)
Minimum distance between UE and cell		35 meters
AMC		ON (2/3<MCS<5)
Target block error rate		10 %
H-ARQ		Chase combining with maximum retransmission 4
OFDM symbols (Data symbols) per subframe		14 (10)
Scheduling Criterion		Proportional Fair
Scheduling		Same MCS used for one codeword across RBs
Users per sector		3, 10
Link Mapping		EESM
Other Cell interference		All Node-B transmitters always on at full power
CQI feedback delay		3 TTI (3 ms)
Channel Scenario		Macro Cell

5MHz 대역폭에는 300개의 부반송파가 포함되므로, 12개의 부반송파를 묶어서 하나의 자원블록으로 구성하면 전체 대역은 25개의 자원블록으로 이루어진다. CQI 전송에 의한 오버헤드를 줄이기 위하여 2개의 자원블록을 묶어서 CQI 전송을 위한 하나의 서브밴드로 구성하고, 3개의 서브밴드를 베스트 밴드로 선택하여 CQI를 귀환시킨다. 이는 전체 대역의 25개의 자원블록 중에서 대략 1/4에 해당하는 6개의 자원블록에 대한 정보이다. 4명의 사용자가 하나의 셀에 있는 경우 베스트 밴드만이 스케줄링될 확률이 높다. 3명의 사용자가 하나의 셀에 있는 경우에는 비선택 밴드도 스케줄링될 것이고, 비선택 밴드에 사용되는 코드북의 효과를 실험적으로 확인할 수 있다.

표 5는 비선택 밴드에 사용되는 코드북의 효과를 실험한 결과이다.

Codebook for Non-Selected Band	Spectral Efficiency (bps/Hz)
Codebook for Non-Selected Band	3 UE
4 bit	1.50 (98.6%)
3 bit	1.52 (100%)

사용자가 3명일 때 비선택 밴드를 위한 코드북을 4 비트로 사용한 경우보다 3 비트로 사용한 경우의 주파수 효율이 대략 1.4%의 높은 것을 볼 수 있다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.

Claims

전체 대역을 이루는 복수의 서브밴드 중에서 CQI(channel quality indicator)가 높은 순서로 M개의 서브밴드를 선택하는 단계(M>0인 정수); 및

상기 M개의 서브밴드에 대한 제1 PMI(precoding matrix indicator) 및 나머지 밴드에 대한 제2 PMI를 전송하는 단계를 포함하되, 상기 제1 PMI는 복수의 코드북(codebook)을 포함하는 제1 코드북셋으로부터 선택되는 코드북의 PMI이고, 상기 제2 PMI는 상기 제1 코드북셋의 일부의 코드북으로 이루어지는 제2 코드북셋으로부터 선택되는 코드북의 PMI인 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 PMI는 상기 나머지 밴드를 포함한 상기 전체 대역에 대한 PMI인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 코드북셋에 포함되는 코드북들은 상기 M개의 서브밴드를 위해 상기 제1 코드북셋으로부터 선택되는 코드북을 기준으로 하여 선택되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 코드북셋은 상기 M개의 서브밴드를 위해 상기 제1 코드북셋으로부터 선택되는 코드북을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 코드북셋에 포함되는 코드북들의 인덱스는 상기 제1 코드북셋으로부터 선택된 후 다시 번호 매겨지는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
제1 항에 있어서, 상기 제2 코드북셋에 포함되는 코드북들의 정보는 기지국으로부터 단말로 전송되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 프리코딩 정보 전송방법.
귀환데이터의 보고 방식을 지시하는 하향링크 제어정보를 전송하는 단계; 및

상기 하향링크 제어정보에 대한 응답으로 귀환데이터를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 하향링크 제어정보는 CQI 및 PMI의 보고를 위하여 선택되는 주요 서브밴드를 위한 제1 코드북셋 및 상기 CQI 및 상기 PMI의 보고를 위하여 준비되는 보조 서브밴드를 위한 제2 코드북셋에 대한 정보를 포함하고, 상기 제2 코드북셋은 상기 제1 코드북셋으로부터 선택되는 다중안테나 시스템에서 제어정보 전송방법.
제7 항에 있어서, 상기 주요 서브밴드는 CQI가 높은 순서로 선택되는 베스트 밴드인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 제어정보 전송방법.
제8 항에 있어서, 상기 보조 서브밴드는 상기 베스트 밴드를 제외한 나머지 서브밴드인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 제어정보 전송방법.
제7 항에 있어서, 상기 보조 서브밴드는 상기 주요 서브밴드를 포함하는 전체 밴드인 것을 특징으로 하는 다중안테나 시스템에서 제어정보 전송방법.