KR20090110050A - 광대역 무선통신 시스템에서 간섭의 크기를 고려한 빔포밍장치 및 방법 - Google Patents

광대역 무선통신 시스템에서 간섭의 크기를 고려한 빔포밍장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 빔포밍(beamforming)에 관한 것으로, 간섭 채널 행렬 및 적어도 하나의 목적 채널 행렬을 이용하여 간섭 제거로 인한 목적 신호의 감소 정도를 나타내는 감쇄 인자(degradation factor)를 산출하는 제1산출기와, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 빔포밍 벡터 산출에 사용될 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 제2산출기와, 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호를 빔포밍하는 빔포밍기를 포함하여, 목적 신호의 현저한 감쇄를 방지할 수 있는 빔포밍 벡터를 사용함으로써, 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
빔포밍(beamforming), 간섭 제거, 감쇄 인자(DF : Degradation Factor), 잡음 전력.

Description

광대역 무선통신 시스템에서 간섭의 크기를 고려한 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAMFORMING CONSIDERING INTERFERENCE AMOUNT IN A BORADBAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 광대역 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 광대역 무선통신 시스템에서 간섭의 크기를 고려한 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.
광대역 무선통신 시스템에서, 기지국은 전파 도달 거리에 따라 설정되는 셀(cell)이라 불리는 지리적 영역을 담당한다. 즉, 기지국은 자신의 셀 내에 존재하는 단말들과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 이때, 서로 인접한 셀 간에 상호 간섭이 존재한다. 즉, 하향링크 통신의 경우, 셀 경계에 위치한 단말은 인접 셀의 기지국에서 송신된 신호로 인한 간섭을 받고, 상향링크 통신의 경우, 기지국은 인접한 셀의 경계에 위치한 단말에서 송신된 신호로 인한 간섭을 받는다.
인접 셀로부터의 간섭, 즉, 목표 단말과 송수신되는 신호 외의 신호들을 제거하기 위해, 기지국은 송수신 신호에 대한 빔포밍(beamforming)을 수행한다. 빔포 밍은 빔포밍 벡터를 이용하여 송수신 신호를 변형하는 동작을 의미하며, 빔포밍의 목적에 따라 빔포밍 벡터의 형태가 달라진다. 따라서, 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 경우, 빔포밍 벡터는 간섭 신호의 크기를 감소시키는 것을 최우선하도록 결정된다.
간섭 신호의 크기 감소를 최우선으로 하는 빔포밍 벡터를 사용하는 경우, 목적 채널 행렬과 간섭 채널 행렬이 서로 독립적이라면, 기지국은 목적 신호를 원활하게 송수신할 수 있다. 하지만, 목적 채널 행렬과 간섭 채널 행렬 간 완전한 독립성이 유지되지 않는다면, 간섭 제거를 위한 빔포밍이 목적 신호에 영향을 미치게 된다. 예를 들어, 목적 채널 행렬과 간섭 채널 행렬 간 상관도(correlation)에 따라 변화되는 빔패턴(beam pattern)은 도 1에 도시된 바와 같다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 간섭 신호의 방향과 목적 신호의 방향이 서로 가까워질수록, 목적 신호의 크기가 감소한다.
상술한 바와 같이, 간섭 제거를 위한 빔포밍을 수행하는 경우, 간섭 제거가 목적 신호를 감쇄시킴으로써, 목적 단말과의 링크 품질에 악영향을 끼친다. 즉, 간섭이 제거되었더라도 목적 신호의 크기가 현저히 감소함으로 인해 통신 품질의 저하가 발생한다. 따라서, 간섭 제거를 통해 통신 품질을 향상시키기 위해 수행되는 빔포밍으로 인해, 목적 신호의 크기가 현저히 감소되는 문제점을 해결하기 위한 대안이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 간섭 제거로 인한 정상 신호의 현저한 크기 감소를 방지하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 목적 채널 행렬과 간섭 채널 행렬의 상관도(correlation)를 고려한 빔포밍(beamforming) 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 간섭 제거를 최우선으로 하는 빔포밍 벡터를 사용한 경우와 신호 이득을 최우선 하는 빔포밍 벡터를 사용한 경우의 신호 전력 비율을 나타내는 감쇄 인자를 산출하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광대역 무선통신 시스템에서 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우 사용할 빔포밍 벡터를 산출하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 기지국 장치는, 간섭 채널 행렬 및 적어도 하나의 목적 채널 행렬을 이용하여 간섭 제거로 인한 목적 신호의 감소 정도를 나타내는 감쇄 인자(degradation factor)를 산출하는 제1산출기와, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 빔포밍 벡터 산출에 사용될 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 제2산출기와, 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호를 빔포밍하는 빔포밍기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 간섭 채널 행렬 및 적어도 하나의 목적 채널 행렬을 이용하여 간섭 제거로 인한 목적 신호의 감소 정도를 나타내는 감쇄 인자를 산출하는 과정과, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 빔포밍 벡터 산출에 사용될 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 과정과, 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호를 빔포밍하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
광대역 무선통신 시스템에서 통신 채널과 간섭 채널 행렬의 상관도(correlation)가 큰 경우, 목적 신호의 현저한 감쇄를 방지할 수 있는 빔포밍(beamforming) 벡터를 사용함으로써, 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세 한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 광대역 무선통신 시스템에서 간섭 제거로 인한 정상 신호의 현저한 크기 감소를 방지하기 위한 기술에 대해 설명한다. 이하 본 발명은 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함)/직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'이라 칭함) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명하며, 다른 방식의 무선통신 시스템에도 동일하게 적용될 수 있다.
먼저, 본 발명은 수식을 참고하여 본 발명에서 제안하는 빔포밍 기술을 설명한다.
간섭 신호의 크기 감소를 최우선으로 하는 빔포밍 벡터 중 하나인 MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식의 빔포밍 벡터는 하기 <수학식 1>과 같이 산출된다.
Figure 112008027399507-PAT00001
상기 <수학식 1>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00002
는 MMSE 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00003
는 목적 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00004
는 간섭 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00005
는 잡음 전력, 상기
Figure 112008027399507-PAT00006
는 단위 행렬을 의미한다.
만일, 간섭이 다수개 존재하는 경우, 상기
Figure 112008027399507-PAT00007
행렬은 하기 <수학식 2>와 같이 표현된다.
Figure 112008027399507-PAT00008
상기 <수학식 2>에서,
Figure 112008027399507-PAT00009
는 간섭 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00010
는 잡음 전력, 상기
Figure 112008027399507-PAT00011
는 단위 행렬을 의미한다.
여기서, 상기 MMSE 방식의 빔포밍 벡터 산출 시 사용되는 잡음 전력 값에 따라 빔포밍의 효과가 달라진다. 예를 들어, 빔포밍의 효과를 목적 채널 행렬과 간섭 채널 행렬의 상관도에 따른 간섭 신호의 크기 및 목적 신호의 크기로 살펴보면, 잡음 전력 값에 따라 빔포밍의 효과는 도 2에 도시된 바와 같이 변화한다. 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 잡음 전력 값을 크게 설정할수록 간섭 제거의 효과는 떨어지지만, 목적 신호의 감쇄량이 적어진다.
따라서, 본 발명에 따르는 기지국은 다음과 같은 과정을 통해 상기 잡음 전력 값을 조절함으로써 최적의 빔포밍 벡터를 산출한다.
본 발명에 따르는 기지국은 추정된 간섭 채널 행렬 및 목적 채널 행렬을 이용하여 MRC(Maximum Ratio Combining) 빔포밍 벡터 및 MMSE 빔포밍 벡터를 산출한다. 여기서, 상기 MRC 빔포밍 벡터는 간섭 제거를 고려하지 않고 목적 신호의 이득 만을 우선시하는 빔포밍 벡터이며, 상기 MMSE 빔포밍 벡터는 간섭 제거를 우선시하는 빔포밍 벡터이다. 따라서, 상기 MRC 빔포밍 벡터 및 상기 MMSE 빔포밍 벡터를 이용함으로써, 상기 MMSE 빔포밍 벡터 사용으로 인한 목적 신호의 감쇄 정도가 예측될 수 있다. 본 발명은 상기 목적 신호의 감쇄 정도를 나타내는 정보를 감쇄 인자(DF : Degradation Factor)라 정의하며, 상기 감쇄 인자는 하기 <수학식 3>과 같이 산출된다.
Figure 112008027399507-PAT00012
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00013
는 감쇄 인자, 상기
Figure 112008027399507-PAT00014
는 MRC 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00015
는 MMSE 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00016
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
상기 <수학식 3>과 같이 산출되는 감쇄 인자가 임계치 미만인 경우, 기지국은 상기 <수학식 1>과 같은 방식으로 빔포밍 벡터를 산출한다. 하지만, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 상기 임계치와 동일한 신호 전력 비율을 얻기 위한 새로운 잡음 전력 값을 산출한다. 예를 들어, 기지국은 하기 <수학식 4>와 같이 새로운 잡음 전력 값을 산출한다.
Figure 112008027399507-PAT00017
상기 <수학식 4>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00018
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00019
는 목적 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00020
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00021
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00022
는 감쇄 인자 임계치의 선형 스케일(linear scale) 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00023
는 MRC 빔포밍 벡터를 의미한다.
상기 <수학식 4>를 통해 산출된 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 MMSE 빔포밍 벡터를 산출하면 하기 <수학식 5>와 같다,
Figure 112008027399507-PAT00024
상기 <수학식 5>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00025
는 MMSE 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00026
는 목적 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00027
는 간섭 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00028
는 새로운 잡음 전력 값을 의미한다.
여기서, 상기 간섭 채널 행렬
Figure 112008027399507-PAT00029
는 목적 채널 행렬과 평행한 성분
Figure 112008027399507-PAT00030
및 직교하는 성분
Figure 112008027399507-PAT00031
의 합으로 표현될 수 있다. 상기
Figure 112008027399507-PAT00032
및 상기
Figure 112008027399507-PAT00033
는 하기 <수학식 6>과 같이 산출된다.
Figure 112008027399507-PAT00034
Figure 112008027399507-PAT00035
Figure 112008027399507-PAT00036
상기 <수학식 6>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00037
는 간섭 채널 행렬, 상기
Figure 112008027399507-PAT00038
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00039
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00040
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
상기
Figure 112008027399507-PAT00041
및 상기
Figure 112008027399507-PAT00042
를 이용하여 MMSE 빔포밍 벡터를 표현하면 하기 <수학식 7>과 같다.
Figure 112008027399507-PAT00043
Figure 112008027399507-PAT00044
상기 <수학식 7>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00045
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00046
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00047
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00048
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
상기 <수학식 7>은 하기 <수학식 8>과 같은 규칙에 따라 하기 <수학식 9>와 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00049
상기 <수학식 8>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00050
, 상기
Figure 112008027399507-PAT00051
, 상기
Figure 112008027399507-PAT00052
, 상기
Figure 112008027399507-PAT00053
는 임의의 행렬이다.
Figure 112008027399507-PAT00054
를
Figure 112008027399507-PAT00055
,
Figure 112008027399507-PAT00056
를
Figure 112008027399507-PAT00057
,
Figure 112008027399507-PAT00058
를
Figure 112008027399507-PAT00059
,
Figure 112008027399507-PAT00060
를
Figure 112008027399507-PAT00061
,
Figure 112008027399507-PAT00062
를
Figure 112008027399507-PAT00063
로 치환한 경우, 상기 <수학식 7>은 하기 <수학식 9>와 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00064
Figure 112008027399507-PAT00065
Figure 112008027399507-PAT00066
상기 <수학식 9>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00067
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00068
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00069
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00070
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
Figure 112008027399507-PAT00071
를
Figure 112008027399507-PAT00072
,
Figure 112008027399507-PAT00073
를
Figure 112008027399507-PAT00074
,
Figure 112008027399507-PAT00075
를
Figure 112008027399507-PAT00076
,
Figure 112008027399507-PAT00077
를
Figure 112008027399507-PAT00078
로 치환한 경우, 상기 <수학식 8>에 따라 상기 <수학식 9>는 하기 <수학식 10>과 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00079
Figure 112008027399507-PAT00080
Figure 112008027399507-PAT00081
Figure 112008027399507-PAT00082
상기 <수학식 10>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00083
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00084
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00085
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00086
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
Figure 112008027399507-PAT00087
를
Figure 112008027399507-PAT00088
,
Figure 112008027399507-PAT00089
를
Figure 112008027399507-PAT00090
,
Figure 112008027399507-PAT00091
를
Figure 112008027399507-PAT00092
,
Figure 112008027399507-PAT00093
를
Figure 112008027399507-PAT00094
로 치환한 경우, 상기 <수학식 8>에 따라 상기 <수학식 10>는 하기 <수학식 11>과 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00095
Figure 112008027399507-PAT00096
상기 <수학식 11>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00097
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00098
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00099
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
상기 <수학식 11>에 나타난
Figure 112008027399507-PAT00100
은 하기 <수학식 12>와 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00101
Figure 112008027399507-PAT00102
Figure 112008027399507-PAT00103
상기 <수학식 12>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00104
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00105
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00106
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
이에 따라, 상기 <수학식 11>은 하기 <수학식 13>과 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00107
상기 <수학식 13>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00108
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00109
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00110
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00111
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
상기 <수학식 13>에 나타난 MMSE 빔포밍 벡터의 수식은 정규화되지 않은 수식이다. 따라서, 상기 <수학식 13>을 정규화시키면 하기 <수학식 14>와 같다.
Figure 112008027399507-PAT00112
상기 <수학식 14>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00113
는 정규화된 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00114
는 정규화되지 않은 빔포밍 벡터를 의미한다.
상기 <수학식 14>은 최종적으로 하기 <수학식 15>와 같이 정리된다.
Figure 112008027399507-PAT00115
상기 <수학식 15>에서, 상기
Figure 112008027399507-PAT00116
는 감쇄 인자가 임계치 이상일 때 사용되는 빔포밍 벡터, 상기
Figure 112008027399507-PAT00117
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00118
는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
Figure 112008027399507-PAT00119
는 새로운 잡음 전력 값, 상기
Figure 112008027399507-PAT00120
는 목적 채널 행렬을 의미한다.
즉, 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 기지국은 상기 <수학식 4>와 같이 산출되는 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 하기 <수학식 15>와 같이 빔포밍 벡터를 산출한다.
이하 본 발명은 상술한 방식에 따라 산출되는 빔포밍 벡터를 사용하는 기지국의 구성 및 동작 절차에 대해 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 다수의 RF(Radio Frequency)수신기들(302-1 내지 302-N), 다수의 OFDM복조기들(304-1 내지 304-N), 다수의 부반송파디매핑기들(306-1 내지 306-N), 채널추정기(308), 감쇄인자산출기(310), 빔벡터산출기(312), 수신빔포밍기(314), 송신빔포밍기(316), 다수의 부반송파매핑기(318-1 내지 318-N), 다수의 OFDM변조기들(320-1 내지 320-N), 다수의 RF송신기들(322-1 내지 322-N)을 포함하여 구성된다.
상기 다수의 RF수신기들(302-1 내지 302-N) 각각은 자신과 대응되는 안테나를 통해 수신되는 RF대역 신호를 기저대역 신호로 변환한다. 상기 다수의 OFDM복조기들(304-1 내지 304-N) 각각은 자신과 대응되는 RF수신기(302)로부터 제공되는 기저대역 신호를 OFDM 심벌 단위로 분할하고, CP(Cyclic Prefix)를 제거한 후, FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 통해 부반송파별 신호들로 변환한다. 상기 다수의 부반송파매핑기들(306-1 내지 306-N) 각각은 자신과 대응되는 OFDM복조기(304)로부터 제공되는 부반송파별 신호들 중 채널 추정을 위한 신호를 상기 채널 추정기(308)로 제공하고, 데이터신호를 상기 수신빔포밍기(314)로 제공한다. 예를 들어, 상기 채널 추정을 위한 신호는 사운딩 신호 또는 파일럿 신호이다.
상기 채널추정기(308)는 상기 다수의 부반송파디매핑기들(306-1 내지 306-N)로부터 제공되는 사운딩 신호 또는 파일럿 신호를 이용하여 목적 채널 행렬 및 간섭 채널 행렬을 추정한다. 여기서, 상기 간섭 채널 행렬은 다수 개일 수 있다. 예를 들어, 채널 추정을 위해 사운딩 신호가 사용되는 경우, 상기 채널추정기(308)는 상관 연산을 통해 목적 단말의 사운딩 신호 및 적어도 하나의 간섭 단말의 사운딩 신호를 분리하고, 분리된 사운딩 신호들 각각을 이용하여 목적 채널 행렬 및 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 추정한다.
상기 감쇄인자산출기(310)는 상기 채널추정기(308)에 의해 추정된 목적 채널 행렬 및 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 이용하여 감쇄 인자를 산출한다. 상세히 설명하면, 상기 감쇄인자산출기(310)는 채널 행렬들을 이용하여 MRC 빔포밍 벡터 및 MMSE 빔포밍 벡터를 산출한다. 그리고, 상기 감쇄인자산출기(310)는 상기 MRC 빔포밍 벡터를 사용했을 때의 목적 신호 전력 및 상기 MMSE 빔포밍 벡터를 사용했을 때의 목적 신호 전력 간 비율을 산출함으로써, 상기 감쇄 인자를 산출한다. 예를 들어, 상기 감쇄 인자는 상기 <수학식 3>과 같이 산출된다.
상기 빔벡터산출기(312)는 상기 감쇄인자산출기(310)에 의해 산출된 감쇄 인자에 따라 사용될 빔포밍 벡터의 종류를 결정하고, 결정된 종류의 빔포밍 벡터를 산출한다. 만일, 상기 감쇄 인자가 임계치 미만인 경우, 상기 빔벡터산출기(312)는 간섭 제거를 최우선으로하는 MMSE 빔포밍 벡터를 산출한다. 예를 들어, 상기 MMSE 빔포밍 벡터는 상기 <수학식 1>과 같이 산출된다. 반면, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 상기 빔벡터산출기(312)는 새로운 잡음 전력 값을 산출하고, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출한다. 여기서, 상기 새로운 잡음 전력 값은 상기 새로운 잡음을 MMSE 빔포밍 벡터 산출에 사용하였을 경우 임계치와 동일한 신호 전력 비율을 얻기 위한 값이다. 예를 들어, 상기 새로운 잡음 전력 값은 상기 <수학식 4>와 같이 산출되고, 상기 빔포밍 벡터는 상기 <수학식 15>와 같이 산출된다.
상기 수신빔포밍기(314)는 상기 빔벡터산출기(312)에 의해 산출된 빔포밍 벡터를 이용하여 수신 빔포밍을 수행한다. 다시 말해, 상기 수신빔포밍기(314)는 목적 단말로부터 수신된 신호 벡터에 상기 빔포밍 벡터를 곱한다. 상기 송신빔포밍기(316)는 상기 빔벡터산출기(312)에 의해 산출된 빔포밍 벡터를 이용하여 송신 빔포밍을 수행한다. 다시 말해, 상기 수신빔포밍기(314)는 목적 단말로 송신될 신호에 상기 빔포밍 벡터를 곱한다.
상기 다수의 부반송파매핑기들(318-1 내지 318-N) 각각은 상기 송신빔포밍기(316)로부터 제공되는 목적 단말로의 송신 신호 벡터를 부반송파에 매핑한다. 상기 다수의 OFDM변조기들(320-1 내지 320-N) 각각은 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산을 통해 자신과 대응되는 부반송파매핑기(318)로부터 제공되는 부반송파별 신호들을 시간영역 신호로 변환하고, CP를 삽입함으로써, OFDM 심벌을 구성한다. 상기 다수의 RF송신기들(322-1 내지 322-N) 각각은 자신과 대응되는 OFDM변조기(320)로부터 제공되는 OFDM 심벌을 RF 대역 신호로 변환한 후, 안테나를 통 해 송신한다.
상기 도 3에 도시된 기지국의 블록 구성에서, 송신 안테나들 및 수신 안테나들은 구분되어 존재한다. 하지만, N개의 송신안테나들 및 N개의 수신 안테나들은 공통된 N개의 송수신 안테나들로 구성될 수 있으며, 이 경우, 각 송수신 안테나와 연결된 RF수신기(302) 및 RF송신기(322)는 복신기(duplexer)를 통해 상기 송수신 안테나와 연결된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참고하면, 상기 기지국은 401단계에서 단말들로부터 수신된 사운딩 신호 또는 파일럿 신호를 이용하여 목적 채널 행렬 및 간섭 채널 행렬을 추정한다. 여기서, 상기 간섭 채널 행렬은 다수 개일 수 있다. 예를 들어, 채널 추정을 위해 사운딩 신호가 사용되는 경우, 상기 기지국은 상관 연산을 통해 목적 단말의 사운딩 신호 및 적어도 하나의 간섭 단말의 사운딩 신호를 분리하고, 분리된 사운딩 신호들 각각을 이용하여 목적 채널 행렬 및 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 추정한다.
상기 목적 채널 행렬 및 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 추정한 후, 상기 기지국은 403단계로 진행하여 MMSE 빔포밍 벡터 및 MRC 빔포밍 벡터를 산출한다. 상기 MRC 빔포밍 벡터는 간섭 제거를 고려하지 않고 목적 신호의 이득만을 우선시하는 빔포밍 벡터이며, 상기 MMSE 빔포밍 벡터는 간섭 제거를 우선시하는 빔포밍 벡터이다.
이어, 상기 기지국은 405단계로 진행하여 상기 MRC 빔포밍 벡터 및 상기 MMSE 빔포밍 벡터를 이용하여 감쇄 인자를 산출한다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 MRC 빔포밍 벡터를 사용했을 때의 목적 신호 전력 및 상기 MMSE 빔포밍 벡터를 사용했을 때의 목적 신호 전력 간 비율을 산출함으로써, 상기 감쇄 인자를 산출한다. 예를 들어, 상기 감쇄 인자는 상기 <수학식 3>과 같이 산출된다.
상기 감쇄 인자를 산출한 후, 상기 기지국은 407단계로 진행하여 상기 감쇄 인자가 임계치 이상인지 확인한다. 여기서, 상기 임계치는 감쇄 인자에 따라 사용될 빔포밍 벡터의 종류를 결정하기 위해 설정되는 값이다. 만일, 상기 감쇄 인자가 임계치 이상이면 상기 기지국은 409단계로 진행하고, 상기 감쇄 인자가 임계치 미만이면 상기 기지국은 415단계로 진행한다.
상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 상기 기지국은 409단계로 진행하여 새로운 잡음 전력 값을 산출한다. 여기서, 상기 새로운 잡음 전력 값은 상기 새로운 잡음을 MMSE 빔포밍 벡터 산출에 사용하였을 경우 임계치와 동일한 신호 전력 비율을 얻기 위한 값이다. 예를 들어, 상기 새로운 잡음 전력 값은 상기 <수학식 4>와 같이 산출된다.
상기 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 기지국은 411단계로 진행하여 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출한다. 예를 들어, 상기 빔포밍 벡터는 상기 <수학식 15>와 같이 산출된다.
상기 빔포밍 벡터를 산출한 후, 상기 기지국은 413단계로 진행하여 산출된 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호에 대한 빔포밍을 수행한다.
상기 407단계에서, 감쇄 인자가 임계치 미만인 경우, 상기 기지국은 415단계로 진행하여 상기 403단계에서 산출된 MMSE 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호에 대한 빔포밍을 수행한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 광대역 무선통신 시스템에서 신호 상관도에 따른 빔패턴(beam pattern)의 예를 도시하는 도면,
도 2는 광대역 무선통신 시스템에서 잡음 전력 값에 따른 빔포밍의 효과 변화의 예를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면.

Claims (16)

  1. 광대역 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    간섭 채널 행렬 및 적어도 하나의 목적 채널 행렬을 이용하여 간섭 제거로 인한 목적 신호의 감소 정도를 나타내는 감쇄 인자(degradation factor)를 산출하는 제1산출기와,
    상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 빔포밍 벡터 산출에 사용될 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 제2산출기와,
    상기 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호를 빔포밍하는 빔포밍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1산출기는, 목적 신호의 이득을 우선하는 제1빔포밍 벡터 및 간섭 제거를 우선하는 제2빔포밍 벡터를 이용하여 상기 감쇄 인자를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1산출기는, 상기 제1빔포밍 벡터를 사용한 때의 신호 전력 및 상기 제2빔포밍 벡터를 사용한 때의 신호 전력의 비율을 산출함으로써, 상기 감쇄 인자를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2산출기는, 상기 임계치, 목적 신호의 크기를 우선하는 빔포밍 벡터, 상기 목적 채널 행렬, 상기 목적 채널 행렬과 직교하는 상기 간섭 채널 행렬의 성분, 상기 목적 채널 행렬과 평행한 상기 간섭 채널 행렬의 성분을 이용하여 임계치와 동일한 신호 전력 비율을 얻기 위한 새로운 잡음 전력 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2산출기는, 하기 수식과 같이 상기 잡음 전력 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008027399507-PAT00121
    여기서, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00122
    는 새로운 잡음 전력 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00123
    는 목적 채널 행렬, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00124
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00125
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00126
    는 감쇄 인자 임계치의 선형 스케일(linear scale) 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00127
    는 MRC(Maximum Ratio Combining) 빔포밍 벡터를 의미함.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2산출기는, 상기 새로운 잡음 전력 값을 적용한 MMSE(Minimum Mean Square Error) 빔포밍 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2산출기는, 하기 수식과 같이 상기 빔포밍 벡터를 산출하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112008027399507-PAT00128
    여기서, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00129
    는 감쇄 인자가 임계치 이상일 때 사용되는 빔포밍 벡터, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00130
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00131
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00132
    는 새로운 잡음 전력 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00133
    는 목적 채널 행렬을 의미함.
  8. 제 1항에 있어서,
    목적 단말 및 적어도 하나의 간섭 단말로부터 수신되는 사운딩 신호들을 이용하여 상기 목적 채널 행렬 및 상기 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 추정하는 추정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 광대역 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    간섭 채널 행렬 및 적어도 하나의 목적 채널 행렬을 이용하여 간섭 제거로 인한 목적 신호의 감소 정도를 나타내는 감쇄 인자(degradation factor)를 산출하는 과정과,
    상기 감쇄 인자가 임계치 이상인 경우, 빔포밍 벡터 산출에 사용될 새로운 잡음 전력 값을 산출한 후, 상기 새로운 잡음 전력 값을 이용하여 빔포밍 벡터를 산출하는 과정과,
    상기 빔포밍 벡터를 이용하여 목적 단말과 교환되는 신호를 빔포밍하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 감쇄 인자를 산출하는 과정은,
    목적 신호의 이득을 우선하는 제1빔포밍 벡터 및 간섭 제거를 우선하는 제2빔포밍 벡터를 이용하여 상기 감쇄 인자를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 감쇄 인자는, 상기 제1빔포밍 벡터를 사용한 때의 신호 전력 및 상기 제2빔포밍 벡터를 사용한 때의 신호 전력의 비율인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터를 산출하는 과정은,
    상기 임계치, 목적 신호의 크기를 우선하는 빔포밍 벡터, 상기 목적 채널 행렬, 상기 목적 채널 행렬과 직교하는 상기 간섭 채널 행렬의 성분, 상기 목적 채널 행렬과 평행한 상기 간섭 채널 행렬의 성분을 이용하여 임계치와 동일한 신호 전력 비율을 얻기 위한 새로운 잡음 전력 값을 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 새로운 잡음 전력 값은, 하기 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008027399507-PAT00134
    여기서, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00135
    는 새로운 잡음 전력 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00136
    는 목적 채널 행렬, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00137
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00138
    는 간섭 채 널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00139
    는 감쇄 인자 임계치의 선형 스케일(linear scale) 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00140
    는 MRC(Maximum Ratio Combining) 빔포밍 벡터를 의미함.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터를 산출하는 과정은,
    상기 새로운 잡음 전력 값을 적용한 MMSE(Minimum Mean Square Error) 빔포밍 벡터를 산출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터는, 하기 수식과 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112008027399507-PAT00141
    여기서, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00142
    는 감쇄 인자가 임계치 이상일 때 사용되는 빔포밍 벡 터, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00143
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 평행한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00144
    는 간섭 채널 행렬에서 목적 채널 행렬과 직교한 성분, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00145
    는 새로운 잡음 전력 값, 상기
    Figure 112008027399507-PAT00146
    는 목적 채널 행렬을 의미함.
  16. 제 9항에 있어서,
    목적 단말 및 적어도 하나의 간섭 단말로부터 수신되는 사운딩 신호들을 이용하여 상기 목적 채널 행렬 및 상기 적어도 하나의 간섭 채널 행렬을 추정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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