KR20090102459A - 분산 안테나 시스템에서 신호 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

분산 안테나(Distributed Antenna) 시스템에서 신호 처리 방법에 있어서, 기지국(Base Station)에서 기지국 또는 해당 중계국(Remote Station)의 커버리지(Coverage) 안에 포함되는 이동단말(Mobile Station)에게 직접 또는 중계국을 거쳐서 채널상태정보를 전송받는 과정과, 이동단말로부터 전송된 채널상태정보를 이용하여 이동단말로 전송되는 신호에 독립적인 빔포밍 벡터를 곱해주는 과정과, 빔포밍 벡터가 곱해진 신호를 동일한 자원을 사용하여 동시에 이동단말로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산 안테나 시스템에서 신호 처리 장치 및 방법{SIGNAL CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR DISTRIBUTED ANTENNA SYSTEM}

본 발명은 기지국(Base Station)과 유선 또는 전용 회선으로 연결되어 있는 다수의 분산 안테나(Remote Station)를 활용한 분산 안테나 시스템(Distributed Antenna System : DAS)에서 이동단말(Mobile Station)의 전송용량을 증가시키기 위한 관한 것으로, 특히 MRT(Maximal Ratio Transmission) 방식을 이용하여 다수의 MS에게 동시에 신호를 전송하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

정보 산업의 발달에 따라 다양한 종류의 대용량 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 기술이 요구되고 있고, 이를 위해 기존의 셀 내에 다수의 분산 안테나를 두어 음영지역의 해소 및 커버리지 확장을 위한 다중 홉(Multi Hop) 방식이 연구되고 있다.

이러한 다중 홉 방식에는 기지국(Base Station : BS)과 중계국(Remote Station :RS)사이를 무선으로 연결하는 방식과 유선으로 연결하는 방식으로 나누어지는데, 무선 RS를 활용하는 다중 홉 방식의 경우, BS와 무선 자원을 부분적으로 공유하는 다수 개의 무선 RS를 사용함으로써, BS만 존재하는 기존의 셀룰러 시스템보다 축소된 전송 영역으로 인해 송신 전력을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한 RS와 이동단말(Mobile Station : MS) 간의 전송 거리 단축을 통해 경로 손실을 감소시켜 데이터의 고속 전송이 가능하게 함으로써, 셀룰러 시스템의 전송 용량을 증가시킬 수 있다.

하지만 단일 홉 방식에 비하여 데이터 중계를 위한 전송이 추가적으로 필요하고 한정된 자원을 여러 RS들이 공유해야 하므로, 서비스 품질의 저하를 야기할 수 있다. 즉, 무선 RS를 활용하는 다중 홉 방식은 셀 외곽 영역에서 MS의 수신 신호 대 간섭과 잡음 비(Signal to Interference plus Noise Ratio : SINR)를 개선시킬 수는 있지만, 프레임 자원의 일부가 중계 전송을 위하여 사용되므로, MS에 할당할 수 있는 유효 채널 자원이 감소하여 시스템 용량이 큰 폭으로 확장되는데 어려움이 있다.

이러한 무선 RS를 활용하는 다중 홉 방식에 비하여 BS와 RS 사이의 링크를 광케이블로 연결하여 셀을 구성하는 유선 RS를 활용하는 다중 홉 방식의 경우, 기본적인 망의 구성은 무선 RS를 활용하는 다중 홉 방식과 유사하지만, BS와 RS 간의 링크가 유선이며, RS가 고정되어 사용된다는 점이 다르다.

유선 RS를 활용하는 다중 홉 방식은 무선 RS를 활용하는 다중 홉 방식과 비교하였을 때, BS와 RS 사이의 광케이블 설치를 위한 비용이 들고, RS 설치 후 이동이 어렵다는 문제가 있는 반면, BS와 RS 간 신호 손실이 없으며 간섭 감소 등의 효과가 있다. 또한 다양한 종류의 제어 신호 전송을 BS와 RS 유선 구간으로 전달함으로써, 고 복잡도 고 효율의 자원 할당 기법 및 RS 간 협조적 신호 전송 방식의 적용이 가능하게 된다.

이러한 유선 RS를 활용하는 다중 홉 방식에서 현재 운용되고 있는 이동통신 셀룰러 시스템은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Access) 등과 같은 멀티플 엑세스(Multiple Access : MA) 방식을 활용하여 셀 내의 여러 MS(Mobile Station)들에게 서비스를 제공하고 있다. 그러나 이와 같은 MA 방식은 사용 가능한 자원량이 제한적인 코드나, 시간, 주파수 등을 나누어 쓴다는 점에서, 이동 통신 기술의 발전에 따라 더 많은 사용자에게 대용량의 멀티미디어 정보를 고속으로 전송해야 하는 요구를 만족시키는 방안으로는 한계가 있다.

이를 극복하기 위한 방법으로 송수신단에 다수의 안테나를 두어 신호를 전송하는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술을 활용하여 다수의 MS(Mobile Station)에게 동시에 신호를 전송하는 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 예로는 DPC(Dirty Paper Coding) 방식, 빔포밍 방식 등이 제안되고 있다.

DPC 방식은 사전 간섭 신호 제거 기술 중 하나로, 간섭 신호를 송신단이 알고 있는 경우, 이를 송신단에서 미리 제거하여 수신단이 간섭 신호의 영향을 받지 않게 하는 방식이다. DPC 방식의 경우 현재 알려진 방식 중에서 가장 최적의 성능을 내는 방식으로 평가되고 있으나, MS의 수가 증가함에 따라 인코딩(Encoding)과 디코딩(Decoding)의 복잡도가 크게 증가되어 실제 시스템에 적용하는데 어려움이 있다.

이에 반해, 빔포밍 방식은 스마트 안테나(Smart Antenna)의 한 방식으로 송수신 안테나의 빔이 해당 이동단말에게만 국한되도록 하는 방식이다. 이를 이용하여 신호를 전송하는 방식의 경우, DPC 방식에 비하여 전송 용량 증대 측면에서는 그 성능이 떨어지나, 구현 측면에서 비교했을 경우, 복잡도를 현저히 감소시킬 수 있는 방식으로 준 최적의 기술로 알려져 있다.

하지만, 빔포밍 방식은 각각의 MS의 신호에 서로 독립적인 빔포밍 벡터를 곱하여 신호를 전송함으로써 다수의 MS에게 동시에 신호를 전송할 수 있으나, 실제 환경에서 MS의 채널 특성에 따라 빔포밍 방식을 적용하면 전송을 받는 MS 간에 서로 간섭을 일으켜 성능 열화를 발생시키는 문제점이 발생한다. 이에 따라 분산 안테나 시스템에서 셀 전체의 전송 용량을 증대시키면서 발생되는 MS 신호 간 간섭을 최소화하는 방법이 요구된다.

본 발명은 분산 안테나 시스템에서 하향링크 신호의 전송 시, 셀 내에 존재하는 다수의 MS에게 독립적인 빔포밍 벡터를 곱해줌으로써 동일한 자원을 사용하여 동시에 신호를 전송하는 MRT 멀티플렉싱 방식을 이용하여 셀 전체의 전송용량을 증대시키는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 분산 안테나(Distributed Antenna) 시스템에서 신호 처리 방법에 있어서, 기지국(Base Station)에서 상기 기지국 또는 해당 중계국(Remote Station)의 커버리지(Coverage) 안에 포함되는 이동단말(Mobile Station)에게 직접 또는 중계국을 거쳐서 채널상태정보를 전송받는 과정과, 상기 이동단말로부터 전송된 채널상태정보를 이용하여 상기 이동단말로 전송되는 신호에 독립적인 빔포밍 벡터를 곱해주는 과정과, 상기 빔포밍 벡터가 곱해진 신호를 동일한 자원을 사용하여 동시에 이동단말로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 분산 안테나(Distributed Antenna) 시스템에서 신호 처리 장치에 있어서, 독립적인 빔포밍 벡터를 셀 커버리지 안에 존재하는 다수의 이동단말에게 전송하는 신호에 곱하여 상기 다수의 이동단말로 전송하는 기지국(Base Station)과, 상기 기지국에서 전송되는 신호를 상기 이동단말로 전송하는 중계국(Remote Station)과, 상기 기지국으로부터 수신되는 상기 독립적인 빔포밍 벡터가 곱해진 신호를 전송받는 이동단말(Mobile Station)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 분산 안테나 시스템에서 신호의 전송 시, 각각의 MS의 채널 정보를 이용하여 셀 내에 존재하는 다수의 MS 중 서로 간섭의 영향을 최소로 발생시키는 MS를 선택하여 동일한 주파수 자원을 사용하여 신호를 전송함으로써 멀티플렉싱에 의한 성능 이득을 얻을 수 있고, RS간 협조적 전송방식과 다중사용자 다이버시티를 이용하여 전송용량의 증대되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 유선 중계국을 활용한 셀룰러 시스템의 개략적인 일 예시 구성도

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 벡터를 이용한 신호 전송의 예시도

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가능한 이동단말의 조합을 모두 고려하여 최적의 MS를 선택하는 과정을 나타낸 흐름도

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가능한 이동단말의 조합을 모두 고려한 경우 이동단말의 수에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정사영한 빔포밍 벡터를 생성하여 최적의 이동단말을 선택하는 과정을 나타낸 흐름도

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정사영한 벡터 생성 방법을 통한 이동단말 수에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유선 중계국을 활용한 셀룰러 시스템에서 거리에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

먼저, 본 발명의 분산 안테나 시스템에서 BS/RS와 MS 사이에서 교신을 위한 모든 알고리즘은 BS에서만 수행되고 RS에서는 단지 전송만 이루어지는 중앙 집중식 셀룰러 시스템을 기본적인 모델로 설정한다. 따라서 모든 신호에 대한 제어 정보는 BS로 수집된다. BS에서는 이를 기반으로 각 MS들에게 무선 자원을 할당하게 된다.

또한, 본 발명에서는 모든 RS가 같은 주파수 대역을 사용하는 주파수 재사용 계수가 1인 시스템을 가정한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 유선 중계국(RS)을 활용한 셀룰러 시스템의 개략적인 일 예시 구성도로서, RS의 개수를 6개로 가정한 유선 RS 시스템의 구조를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 셀은 한 개의 BS와 6개의 RS(RS1~RS6)로 구성될 수 되며, 각 RS는 해당 서브-셀 영역을 커버하게 된다. 이러한 유선 RS 시스템에서 BS와 가까운 거리에 있는 MS는 BS로부터 서비스를 받고, 셀 경계(cell boundary)에 위치해 있어 수신 신호의 신호대 잡음비(Signal to Interference plus Noise Ratio : SINR)가 상대적으로 작은 MS는 가까운 RS로부터 서비스를 받는다.

이러한 유선 RS 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 한 개의 셀이 RS로 인하여 7개의 셀로 분할(cell split)되는 효과가 있으며, 각 RS 주위의 원으로 표시된 영역은 각각의 RS가 독립적으로 신호 전송 시 전송 가능한 최하의 SINR 레벨을 포함한 커버리지를 예시한 것이다. 커버리지 간 서로 중복된 영역은 특히 신호 간섭이 심한 영역으로서, 채널 상태가 비교적 열악한 셀 경계 지역 또는 주변에 장애물이 많은 지역 등에 분포하는 MS로 신호를 전송하는 경우 발생한다.

본 발명에서는 신호의 전송 방식에 있어서 셀 내에 분산되어 위치해 있는 L개의 RS를 사용하여 커버리지 내에 위치한 N개의 MS 중 M개를 선택하여 동시에 신호를 전송하는 방식을 제안한다. 빔포밍 벡터를 이용하여 동시에 신호를 전송하는 과정을 먼저 기술하고, 이 후 동시 신호에 의한 신호 간 간섭을 최소화 하는 과정을 기술한다. 먼저 빔포밍 벡터를 이용하여 동시에 신호를 전송하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 벡터를 이용한 신호 전송의 예시도이다. 도 2에서는 두 개의 RS를 사용하여 두 개의 MS에게 동시에 신호를 전송하는 방식을 일 실시 예로 예시하고 있다. RS와 MS의 수는 커버리지 안에 포함된 MS의 위치와 그 수에 따라서 달라 질 수 있다.

동시에 M개의 MS에게 신호를 전송하기 위하여 BS는 각 MS로 송신하는 전송 신호에 서로 다른 빔포밍 행렬 W를 곱하여 하기와 같이 동시에 전송되는 송신 신호를 구할 수 있다.

수학식 1에서 s는 각각의 RS를 통하여 동시에 전송되는 송신 신호를 의미하며, 예를 들어 은 l번째 RS가 전송하는 신호를 의미한다. W는 빔포밍 행렬로서 각 행은 각 RS에서 전송하는 신호의 가중치 벡터이며, 각 열은 각 MS로 전송되는 심볼의 가중치 벡터이다. 이하에서 W 행렬의 m번째 열벡터를 이라 정의한다. x는 MS로 전송되는 심볼 벡터를 의미하고, 로 나타낸다. 은 m번째 MS로 전송되는 심볼을 나타낸다. 은 RS의 송신 전력의 합을 L로 정규화하기 위한 변수이며, 다음과 같이 정의된다.

수학식 2에서 정의된 을 적용하여 BS로 수신되는 수신 신호를 다음과 같이 정의한다.

수학식 3에서 H는 BS 또는 RS와 MS 간의 채널 응답을 나타내는 행렬을 의미한다. 은 l번째 BS 또는 RS와 m번째 MS 사이의 채널 응답을 나타내며, H행렬의 m번째 행벡터를 라 정의한다.

상기 수학식을 사용하여 동시에 신호를 전송하는 경우, BS로 전송되는 신호의 전체 전송 용량을 구하기 위해 수신 SINR을 하기의 수학식을 통해 구할 수 있다.

수학식 4에서 m은 m번째 MS를 의미하고, 은 외부 간섭 신호의 평균 전력과 잡음의 평균 전력의 합을 의미한다. 수학식 4에서 구하여진 각 MS의 수신 SINR을 이용하여, L개의 RS에서 M개의 MS로 전송되는 전체 전송 용량을 하기와 같이 얻을 수 있다.

이와 같이 수학식 4를 이용하여 하나의 커버리지 안에 존재하는 MS의 전체 전송 용량을 구할 수 있다.

다음으로, 수학식 5에서 구하여진 전체 전송 용량은 M개의 신호를 동시에 전송하게 되면, 신호 간 간섭이 발생하게 되며, 이로 인하여 전송 용량에 있어서, 손실을 가져올 수 있다. 동시에 신호를 전송할 경우 발생하는 신호 간 간섭을 최소화하여 동시 신호에 의한 신호 간 간섭을 최소화 하여 전송 용량을 증대하기 위한 과정으로 MS를 선택하는 방법에 있어서, (1)가능한 MS의 조합을 모두 고려하는 방법과, (2)정사영한 빔포밍 벡터를 생성하여 신호를 전송하는 방법으로 나누어 설명한다.

본 발명에서는 신호 간 간섭을 최소화하는 방법으로 다중사용자 다이버시티(Multiuser Diversity)를 이용하였다. 다중사용자 다이버시티는 빔포밍 방식을 사용한 신호 전송 시 채널 특성에 의한 간섭 문제를 해결하기 위한 방법으로 다수의 MS 중 각각의 MS가 겪는 채널 특성 정보를 파악하여 가장 좋은 채널 특성을 가지는 MS를 선택하여 신호를 전송하는 방식이다.

다중사용자 다이버시티 방식을 사용하면, 서로 정사영한 채널 특성을 갖는 MS를 선택할 수 있고, 이로써 밈포밍 벡터를 사용하여 다수의 MS에게 신호를 전송 시 이득을 최대화 할 수 있다. 먼저 가능한 MS의 조합을 모두 고려하여 빔포밍 벡터를 구하는 방법에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

(1) 가능한 MS의 조합을 모두 고려하는 방법

이 방법은 셀 내에 N개의 MS 중 동시에 신호 전송이 가능한 M개의 MS에게 동시에 신호 전송을 하기 위하여 개의 가능한 MS의 조합을 모두 고려하는 방법이다. 수학식 5를 통하여 구할 수 있는 전송용량의 크기를 최대로 만드는 MS의 조합을 라 하면, 하기의 수학식을 이용하여 를 구할 수 있다.

수학식 6에서 고려해야 하는 MS의 조합의 집합을 라고 하면, 는 M개의 MS 인덱스로 구성된 q번째 MS의 조합으로 정의된다. 의 조합을 구성하는 MS의 채널 정보를 이용하여 다음과 같이 빔포밍 벡터 을 생성할 수 있다.

수학식 6에서 구할 수 있는 와, 수학식 7의 빔포밍 벡터를 이용하여 최적의 MS를 선택하는 과정은 도 3의 흐름도로 제시된 알고리즘과 같이 수행된다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가능한 MS의 조합을 모두 고려하여 최적의 MS를 선택하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 3을 살펴보면, 301단계에서 BS는 모든 MS로부터 궤환채널을 통해 외부 간섭 신호의 평균 전력과 잡음의 평균 전력의 합을 의미하는 과, 빔포밍 H행렬의 행벡터를 포함한 채널상태 정보를 수신한다. 303단계에서 BS는 커버리지 안에 위치한 모든 MS의 채널상태 정보를 이용하여 가능한 MS의 조합을 생성한다. 이 조합은 MS의 수에 따라서 하나 또는 다수가 될 수 있다. 305단계에서 BS는 생성된 MS 조합 중 전송 용량을 최대로 만드는 MS 조합을 수학식 6을 통하여 구하게 된다. 307단계에서 용량을 최대로 만드는 MS의 조합의 채널상태 정보를 이용하여 빔포밍 벡터을 생성한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가능한 MS 조합을 모두 고려한 경우 MS 수에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프이다. 도 4에서 X축은 시스템에 존재하는 총 MS의 개수이며, Y축은 용량을 최대로 만드는 MS의 조합의 전송용량을 나타낸다.

도 4를 살펴보면, 2개의 RS가 2개의 MS를 선택하고, 각 RS와 MS 사이의 채널 응답이 1인 레일리 페이딩(Rayleigh Fading) 채널 환경 하에서 셀 내에 존재하는 전체 MS의 개수 N을 증가시키며 전송용량의 변화를 나타내고 있다. MRT 멀티플렉싱으로 표현한 선이 가능한 MS의 조합을 모두 고려한 경우, 최적의 MS의 조합의 전송용량을 나타내고 있고, MS1과 MS2로 표현된 선은 멀티플렉싱을 하는 경우 각각의 MS의 전송용량을 나타내고 있다. SAT(Single Antennal Transmission)로 표시된 선은 기존의 셀룰러 시스템과 같이 하나의 안테나를 사용하여 신호를 전송하는 방식을 나타내며, 두 개의 안테나를 사용하여 신호를 전송하는 MRT 멀티플렉싱 방식과 사용하는 자원량 측면에서의 공정한 비교를 위해 SAT 방식을 이용한 전송용량을 2배로 하여 표시하고 있다.

도 4의 결과에서와 같이 MRT 멀티플렉싱 방식은 셀룰러 시스템에서 사용하고 있는 SAT 방식과 두 개의 안테나를 협조적으로 사용하여 신호를 전송하는 MRT 방식보다 더 향상된 전송 용량을 보인다.

(2) 정사영(Orthogonal)한 벡터 생성을 통한 방법

멀티플렉싱 방식을 수행함에 있어서, 간섭에 의한 전송용량 손실을 감소시키기 위한 또 다른 방법으로서, 정사영한 빔포밍 벡터를 생성하여 신호를 전송하는 방법을 고려한다. 신호를 전송 받는 MS의 인덱스 집합을 으로 하고, 전송 심볼의 빔포밍 벡터의 집합을 으로 하면, B와 W는 다음과 같은 세 가지 단계를 통하여 결정된다.

첫 번째 단계에서 BS는 셀 내의 위치한 N개의 MS 중 채널 전력의 합이 가장 좋은 MS를 먼저 선택한다. 선택된 MS의 빔포밍 벡터는 하기의 수학식을 통하여 구할 수 있다. 선택된 MS의 인덱스를 나타내는 i는 1로 초기화한다.

수학식 8에서 위첨자 H는 Hermitian(Complex Conjugate and Transpose) 연산자를 의미하며, 아래첨자 n은 셀 내에 존재하는 N개의 MS들의 인덱스를 의미한다.

두 번째 단계에서 i를 1 증가시킨 후 정규직교화과정(Gram-Schmidt Process)을 통하여 N-i+1 개의 정사영한 빔포밍 벡터를 하기의 수학식을 이용하여 구할 수 있다.

수학식 9에서 j는 정사영한 벡터를 생성하기 위한 방법에서 필요한 인덱스로 정의된다.

마지막 세 번째 단계에서, 수학식 9를 이용하여 구하여진 정사영한 빔포밍 벡터를 이용하여 와 를 하기의 수학식을 이용하여 선택한다.

상기 세 단계를 모두 수행하고, 선택된 MS의 인덱스를 나타내는 i가 선택된 MS의 수만큼 증가 할 때까지 두 번째 단계와 세 번째 단계를 반복 수행한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정사영한 빔포밍 벡터를 생성하여 최적의 MS를 선택하는 과정을 나타낸 흐름도이다. 도 5에서는 상기에 설명된 정사영한 벡터를 생성하는 과정을 설명하고 있다.

도 5를 살펴보면, 501단계에서 BS는 MS로부터 궤환채널을 통해 빔포밍 H행렬의 행벡터를 포함한 채널상태 정보를 전송받는다. 503단계에서 BS는 셀 내의 MS 중 각 RS로부터의 채널 전력의 합이 가장 좋은 MS를 선택하고, 선택된 MS의 빔포밍 벡터를 구한다. 선택되는 MS의 수를 나타내는 인덱스인 i는 1로 초기화 한다. 505단계에서 i를 1만큼 증가한 후, 503단계에서 구하여진 빔포밍 벡터에 정사영한 빔포밍 벡터를 구한다. 507단계에서 정사영한 빔포밍 벡터를 이용하여 신호를 전송 받는 MS의 인덱스 집합과 전송 심볼의 빔포밍 벡터의 집합을 구한다. 509단계에서 선택되는 MS의 수를 나타내는 인덱스인 i값이 M이 될 때까지 507단계와 507단계를 반복 수행하여

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 정사영한 벡터 생성 방법을 통한 MS 수에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프이다. 도 6에서 X축은 시스템에 존재하는 총 MS의 개수이며, Y축은 용량을 최대로 만드는 MS의 조합의 전송용량을 나타낸다.

도 6을 살펴보면, 2개의 RS가 2개의 MS를 선택하고, 각 RS와 MS 사이의 채널 응답이 1인 레일리 페이딩 채널 환경 하에서 셀 내에 존재하는 전체 MS의 개수 N을 증가시키며 전송용량의 변화를 나타내고 있다. 도 6 또한 도 4와 마찬가지로 MRT 멀티플렉싱 방식은 셀룰러 시스템에서 사용하고 있는 SAT 방식과 두 개의 안테나를 협조적으로 사용하여 신호를 전송하는 MRT 방식보다 더 향상된 전송 용량을 보인다.

도 4와 도 6을 비교하여 살펴보면, 도 4의 경우, MS1과 MS2의 전송용량이 유사한 성능을 보이는 반면, 도 6의 경우 가장 좋은 채널을 가지는 MS1의 경우가 MS2에 비해 차이를 보인다. 도 4는 MS 조합의 모든 경우의 수를 계산하여 항상 최적의 조합을 찾아낼 수 있는 이점이 있으나, 계산량이 많아지는 단점이 있으며, 도 6은 채널 전력의 합이 가장 좋은 MS의 빔포밍 벡터와 정사영한 빔포밍 벡터를 구하여 조합될 MS를 찾는 방식이므로, 비교적 간단한 계산량으로 조합을 찾을 수는 있으나, 항상 최적의 조합을 찾을 수는 없는 단점이 있다. 도 6의 성능이 도 4의 성능보다 좋게 나온 이유는 단지 월등히 좋은 성능을 보이는 MS가 전체 성능을 끌어올렸기 때문이며, 이러한 결과는 동시 전송하는 사용자의 수와 채널 환경 등에 따라서 달라질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유선 중계국을 활용한 셀룰러 시스템에서 거리에 따른 대역폭 효율을 분석한 그래프이다. 도 7에서는 MS가 RS1(Normalized Distance=0)에서부터 RS1과 RS2의 중간지점(Normalized Distance=1)으로 이동하면서 X축에 표시된 위치(0.1, 0.2, ... , 1)마다 MS를 100개씩 발생시켜 실험한 결과를 도시한 그래프이다.

도 7을 살펴보면, SAT로 표시된 선은 기존의 셀룰러 시스템에서 협조적 전송 없이 하나의 MS에게 신호를 전송하는 겨우를 보이며, MRT로 표시된 선의 경우 두 RS의 협조적 전송의 경우를 보여준다. 도 7에서 나타난 결과와 같이 MRT 멀티플렉싱 방식을 사용하는 경우 멀티플렉싱 전송에 의한 이득과 함께 다중사용자 다이버시디에 의한 이득으로 인하여 Normalized Distance가 0.4 또는 0.5 이상의 지역에서 SAT 방식에 비교하여 성능 이득이 발생되며, MRT 방식과 비교하는 경우에서도 대부분의 지점에서 이득이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 분산 안테나 시스템에서 신호 처리 장치 및 방법의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims (13)

1. 분산 안테나(Distributed Antenna) 시스템에서 신호 처리 방법에 있어서,

   기지국(Base Station) 또는 중계국(Remote Station)의 커버리지(Coverage) 안에 포함되는 이동단말(Mobile Station)로부터 채널상태정보를 전송받는 과정과,

   상기 채널상태정보를 이용하여 상기 이동단말로 송신하는 신호에 빔포밍 벡터를 곱해주는 과정과,

   상기 빔포밍 벡터가 곱해진 신호를 동시에 이동단말로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 채널상태정보는

   궤환채널을 통하여 반복적으로 상기 기지국으로 전송되어 상기 채널상태정보가 갱신되어 상기 기지국에 저장됨을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 독립적인 빔포밍 벡터를 곱해주는 과정은

   상기 기지국 또는 상기 중계국에 포함되어 있는 모든 이동단말 중 동시에 신호 전송이 가능한 이동단말들의 가능한 모든 조합을 구하는 단계와,

   상기 구하여진 이동단말들의 가능한 모든 조합을 비교하여 전체전송용량이 최대인 이동단말의 조합을 검출하는 단계와,

   상기 전체전송용량이 최대인 이동단말의 조합을 구성하는 다수의 이동단말의 채널상태정보를 이용하여 각각의 빔포밍 벡터를 생성하는 단계와,

   상기 생성된 빔포밍 벡터를 전송하고자하는 신호에 곱하여 해당 이동단말로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전체전송용량은

   하기의 수학식을 이용하여 구하여짐을 특징으로 하는 신호 처리 방법.

   상기 수학식 11에서 M은 이동단말의 조합 안에 포함되는 이동단말의 수를 의미하고, 은 이동단말의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 의미한다.
5. 제 4항에 있어서, 상기 이동단말의 SINR은

   하기의 수학식을 이용하여 구하여짐을 특징으로 하는 신호 처리 방법.

   상기 수학식 12에서 은 외부 간섭 신호의 평균 전력과 잡음의 평균 전력의 합을 의미하고, 은 RS의 송신 전력의 합을 L로 정규화하기 위한 변수를 의미한다.
6. 제 3항에 있어서, 상기 전체전송용량이 최대인 이동단말의 조합은

   하기의 수학식을 이용하여 구하여짐을 특징으로 하는 신호 처리 방법.

   상기 수학식 13에서 는 전체전송용량의 크기를 최대로 만드는 MS의 조합을 의미한다.
7. 제 1항에 있어서, 상기 독립적인 빔포밍 벡터를 곱해주는 과정은

   채널 전력의 합이 가장 큰 이동단말을 선택하는 단계와,

   상기 채널 전력의 합이 가장 큰 이동단말의 채널상태정보를 이용하여 상기 채널 전력의 합이 가장 좋은 이동단말의 빔포밍 벡터를 생성하는 단계와,

   상기 생성된 빔포밍 벡터와 정사영한(Orthogonal) 빔포밍 벡터를 생성하는 단계와,

   상기 정사영한 빔포밍 벡터를 이용하여 동시에 신호를 전송하고자 하는 이동단말을 검출하는 단계와,

   상기 생성된 빔포밍 벡터를 상기 채널 전력의 합이 가장 큰 이동단말로 전송하는 신호에 곱하고, 상기 정사영한 빔포밍 벡터를 상기 동시에 신호를 전송하고자 하는 이동단말로 전송하는 신호에 곱하여 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 채널 전력의 합이 가장 좋은 이동단말의 빔포밍 벡터는

   하기의 수학식을 이용하여 구하여짐을 특징으로 하는 신호 처리 방법.

   수학식 14에서 위첨자 H는 Hermitian(Complex Conjugate and Transpose) 연산자를 의미하며, 아래첨자 n은 셀 내에 존재하는 N개의 MS들의 인덱스를 의미한다.
9. 제 7항에 있어서, 상기 정사영한 빔포밍 벡터는

   정규직교화과정(Gram-Schmidt Process)을 통하여 구하여지며, 하기의 수학식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.

   수학식 15에서 i는 선택된 MS의 인덱스로 정의되며, j는 정사영한 벡터를 생성하기 위한 방법에서 필요한 인덱스로 정의되며, n은 선택되는 MS의 수로 정의된다.
10. 제 7항에 있어서, 상기 정사영한 빔포밍 벡터는

    해당 커버리지 안에 분포하는 MS의 수에 따라 하나 또는 둘 이상이 생성될 수 있음을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
11. 분산 안테나(Distributed Antenna) 시스템에서 신호 처리 장치에 있어서,

    독립적인 빔포밍 벡터를 셀 커버리지 안에 존재하는 다수의 이동단말에게 전송하는 신호에 곱하여 상기 다수의 이동단말로 전송하는 기지국(Base Station)과,

    상기 기지국에서 전송되는 신호를 상기 이동단말로 전송하는 중계국(Remote Station)과,

    상기 기지국으로부터 수신되는 상기 독립적인 빔포밍 벡터가 곱해진 신호를 전송받는 이동단말(Mobile Station)을 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 기지국과 하나 이상의 중계국 또는 둘 이상의 중계국이 둘 이상의 이동단말에 대하여 협조적으로 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.
13. 제 11항에 있어서, 상기 기지국은

    상기 셀 커버리지 안에 존재하는 다수의 이동단말의 채널상태정보를 전송받아 이를 기반으로 각각의 이동단말에게 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 장치.