KR20100012283A - Apparatus and method for regularized coordinated beamforming in multiple antenna - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다중안테나 시스템에서 공동 빔포밍(coordinated beamforming:이하 "CBF"라 칭함)에 관한 것으로, 특히 간섭과 잡음을 최소화하는 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to coordinated beamforming (hereinafter referred to as "CBF") in a multi-antenna system, and more particularly, to an apparatus and method for normalized cavity beamforming that minimizes interference and noise.
다중 안테나를 장착한 기지국에서 다중 사용자 단말에 동시에 데이터 스트림들을 전송하기 위한 프리코딩(precoding) 및 포스트 프로세싱(post-processing) 방법에는 선형 방식과 비선형 방식이 있다. 공동 빔포밍(coordinated beamforming:이하 "CBF"라 칭함)은 선형방식에 해당한다. 또한 선형방식은 다시 유니터리 프리코딩(unitary precoding) 방식과 넌유니터리 프리코딩(non-unitary precoding) 방식으로 구분되며, 상기 CBF는 넌유니터리 프리코딩 방식에 해당한다. 즉, 상기 CBF는 송ㆍ수신기에서 선형연산을 통해 다중 사용자 통신을 하지만, 송신기의 프리코딩 행렬이 유니터리 행렬이 아니다.Precoding and post-processing methods for simultaneously transmitting data streams to multiple user terminals in a base station equipped with multiple antennas include a linear scheme and a nonlinear scheme. Coordinated beamforming (hereinafter referred to as "CBF") corresponds to a linear scheme. In addition, the linear scheme is further divided into a unitary precoding scheme and a non-unitary precoding scheme, and the CBF corresponds to a non-unitary precoding scheme. That is, the CBF performs multi-user communication through linear operation in a transmitter and a receiver, but the precoding matrix of the transmitter is not a unitary matrix.
상기 CBF 방식은 송신기에서 수신기들의 하향링크 채널상태 정보를 이용하여, 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터(또는 행렬)를 계산한다. 단, 이때 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터는 수신기기에서 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 결합(combining)을 한 후에 사용자 간 간섭(inter-user interference, or Multiple-Access interference)이 전혀 발생하지 않음을 만족해야 한다. 위 성질을 만족하는 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터는 일반적으로 반복(iteration) 특성을 통해 구할 수 있다.The CBF scheme calculates a precoding matrix and a reception beamforming vector (or matrix) by using downlink channel state information of receivers at a transmitter. However, at this time, the precoding matrix and the reception beamforming vector are combined at the receiver by using the reception beamforming vector, so that no inter-user interference or multiple-access interference occurs. You must be satisfied. A precoding matrix and a reception beamforming vector satisfying the above properties can generally be obtained through an iteration characteristic.
상기 CBF 방식에서 기지국은 단말기에 수신 빔포밍 벡터를 전달하기 위해 다음과 같은 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 첫 번째 방법은 파일럿 빔포밍(pilot beamforming)을 이용하는 것이다. 각 단말에 중복 사용되지 않도록 전용 파일럿(dedicated pilot)을 할당한 뒤, 각 단말에 해당하는 송신 빔포밍 벡터를 사용하여 파일럿을 빔포밍하면, 단말은 유효채널(effective channel)을 추정한 뒤, 이에 정합필터(matched filter)를 형성하여 수신 빔포밍 벡터로 사용하게 된다. 이 방법은 단말마다 파일럿을 중첩되지 않게(직교하게) 할당해야 하므로 사용자 스트림수가 늘어날수록 많은 전용 파일럿이 필요하게 된다. 두 번째 방법은 각 단말의 송신 빔포밍 벡터를 양자화(quantization)하여 포워딩 채널(하향링크 제어채널)을 통해 전달하는 것이다. 이 경우 역시 단말마다 송신 빔포밍 벡터가 다르므로 포워딩 채널의 용량은 단말 수에 비례하여 증가하게 된다.In the CBF scheme, a base station may use the following two methods to deliver a reception beamforming vector to a terminal. The first method is to use pilot beamforming. After assigning a dedicated pilot to each terminal so as not to be duplicated, and then beamforming a pilot using a transmission beamforming vector corresponding to each terminal, the terminal estimates an effective channel and then A matched filter is formed and used as a reception beamforming vector. In this method, since pilots should be allocated to each UE so that they do not overlap (orthogonally), more dedicated pilots are required as the number of user streams increases. The second method is to quantize the transmission beamforming vector of each terminal and transmit it through a forwarding channel (downlink control channel). In this case, since the transmission beamforming vector is different for each terminal, the capacity of the forwarding channel increases in proportion to the number of terminals.
종래 기술은 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 계산함에 있어서, 사용자 간의 간섭을 제거하기 위해 제로포싱(zero-forcing) 기반의 반복적 알고리즘(iterative algorithm)을 사용한다. 즉, 초기 수신 빔포밍 벡터로부터 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 기 조건에 만족할 때까지 업데이트하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 결정하는 것이다. 따라서, 종래 기술에서 얻어진 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 사용할 경우, 이상적인 경우(채널 오류와 잡음이 없는 경우) 사용자 간의 간섭이 모두 제거된다. 하지만, 실제 환경은 이상적일 수 없으며 이로 인해 사용자간 간섭을 완전히 제거하려는 제약으로 인해 결과적으로 잡음이 크게 증폭되는 현상이 발생하게 된다. 이는 특히 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)가 낮을수록 성능을 크게 열화 시키게 된다.The prior art uses a zero-forcing based iterative algorithm to calculate the transmission and reception beamforming vectors. That is, from the initial reception beamforming vector, the transmission and reception beamforming vector is repeatedly updated until the predetermined condition is satisfied to determine the transmission and reception beamforming vector. Therefore, in the case of using the transmission / reception beamforming vector obtained in the prior art, in the ideal case (no channel error and noise), the interference between the users is all eliminated. However, the actual environment may not be ideal, resulting in a significant amplification of noise due to the constraint of completely eliminating user-to-user interference. In particular, the lower the signal-to-noise ratio (SNR), the greater the performance degradation.
역해이론(regularized inversion) 기법은 기존의 ZF-BF(Zero-forcing Beamforming) 기법에 정규화(regularization)을 결합한 기법으로, 정규화 인자 (regularization factor)를 역연산(inverse operation)에 추가하여 나쁜 채널상태의 행렬(ill-conditioned channel matrix)의 역을 방지함으로써, 위와 같은 문제를 해결할 수 있었다.The regularized inversion technique combines regularization with the existing zero-forcing beamforming (ZF-BF) technique, which adds a regularization factor to inverse operation, resulting in bad channel conditions. By preventing the inverse of the ill-conditioned channel matrix, the above problem can be solved.
하지만, 수신기에 다중 안테나가 있고, 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 반복적 알고리즘(iterative algorithm)을 통해 계산하는 CBF의 경우에, 정규화를 적용하는 방법이 알려져 있지 않고, 최적의 정규화 요소를 구하는 방법 또한 알려져 있지 않다.However, in the case of a CBF having multiple antennas in a receiver and calculating a transmission / reception beamforming vector through an iterative algorithm, a method of applying normalization is not known, and a method of obtaining an optimal normalization factor is also known. Not.
본 발명의 목적은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated beamforming)을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for regularized coordinated beamforming in a multi-antenna system.
본 발명의 다른 목적은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 통해 간섭(interference)과 잡음(noise)을 동시에 최소화하도록 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for simultaneously minimizing interference and noise through normalized co-beamforming in a multi-antenna system.
본 발명의 또 다른 목적은 다중안테나 시스템에서 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 산출 시 파일럿을 사용하여 오버헤드(overhead)를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for reducing overhead by using a pilot when calculating a transmit / receive beamforming vector in a multi-antenna system.
본 발명의 또 다른 목적은 LTE(Long Term Evolution) 시스템과 같은 공통 파일럿(common pilot) 기반의 무선통신 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated beamforming)을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for regularized coordinated beamforming in a common pilot based wireless communication system such as Long Term Evolution (LTE) system.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신기에 있어서, 채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 제 1 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 제 2 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하여 전송하는 선부호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, a transmitter for normalized co-beamforming in a multi-antenna system, the first beamforming vector generator for calculating a transmission beamforming vector using channel information; And a second beamforming vector generator for normalizing the transmission beamforming vector, and a pre-encoder for precoding and transmitting data using the normalized transmission beamforming vector.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신기에 있어서, 기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 채널추정부와, 상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 유효채널 이득 계산부와, 상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하고 데이터를 수신하는 후부호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention for achieving the above objects, a receiver for normalized co-beamforming in a multi-antenna system, comprising: receiving a received beamforming vector from a first pilot signal beamformed by a reference transmit beamforming vector; And a channel estimator for calculating, an effective channel gain calculator for calculating an effective channel gain from the calculated reception beamforming vector, and a back encoder for performing channel equalization using the effective channel gain and receiving data. It features.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신 방법에 있어서, 채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 과정과, 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 과정과, 상기 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a third aspect of the present invention for achieving the above objects, there is provided a transmission method for normalized joint beamforming in a multi-antenna system, the method comprising: calculating a transmission beamforming vector using channel information; And normalizing the vector and precoding the data using the normalized transmission beamforming vector.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신 방법에 있어서, 기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 과정과, 상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 과정과, 상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하고 데이터를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a fourth aspect of the present invention for achieving the above objects, in a receiving method for normalized co-beamforming in a multi-antenna system, a reception beamforming vector is obtained from a first pilot signal beamformed by a reference transmission beamforming vector. And calculating the effective channel gain from the calculated reception beamforming vector, performing channel equalization using the effective channel gain, and receiving data.
상술한 바와 같이, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행함으로 써, 사용자간 간섭을 제거하려는 제약으로 인해 발생하는 잡음이 크게 증폭되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다. 즉, 간섭과 잡음을 고려하여 공동 빔포밍을 수행할 수 있다. 따라서, 낮은 SNR 무선채널 환경에서, 종래기술보다 상당히 우수한 처리율을 얻을 수 있다.As described above, by performing normalized co-beamforming in a multi-antenna system, there is an advantage in that noise generated due to a constraint for removing interference between users can be prevented from being greatly amplified. That is, joint beamforming may be performed in consideration of interference and noise. Thus, in a low SNR radio channel environment, significantly better throughput can be achieved than in the prior art.
그리고, 정규화 공동 빔포밍 기법에서도 수신 빔포밍 벡터를 수신기로 전달할 시 파일럿을 이용하여 오버헤드를 줄일 수 있으며, 공통 파일럿 기반의 LTE 시스템에도 본 발명을 적용할 수 있다. In the normalized joint beamforming technique, an overhead may be reduced by using a pilot when the received beamforming vector is transmitted to a receiver, and the present invention may be applied to a common pilot-based LTE system.
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 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
이하, 본 발명은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated Beamforming)을 위한 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, an apparatus and method for regularized coordinated beamforming in a multi-antenna system will be described.
특히, 간섭 제약으로 인한 잡음의 증가를 방지하는 위한 정규화 공동 빔포밍 을 수행하고, 오버헤드를 줄이기 위한 파일럿 기법이 적용되는 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법을 설명하기로 한다.In particular, an apparatus and method for performing normalized co beamforming to prevent an increase in noise due to interference constraints and to apply a pilot technique for reducing overhead will be described.
또한, 본 발명은 LTE(Long Term Evolution)와 같은 공통 파이롯(common pilot) 기반의 시스템에 본 발명을 적용하는 방법을 설명하기로 한다.In addition, the present invention will be described a method of applying the present invention to a common pilot (common pilot) based system, such as Long Term Evolution (LTE).
본 발명에 의한 동작을 수행하기 위해서 다음과 같은 가정이 요구된다. 먼저 송신기는 모든 수신기에 대한 하향링크 채널정보를 획득하기 위해, TDD(Time Division Duplexing) 방식에서는 상향링크 사운딩 채널(uplink sounding channel)을 이용하거나, 피드백 채널(feedback channel)을 통해 단말이 추정한 하향링크 채널정보를 이용할 수 있다. 마지막으로, 채널이 천천히 변하는 평탄 페이딩(flat fading) 채널을 가정한다.In order to perform the operation according to the present invention, the following assumptions are required. First, in order to obtain downlink channel information for all receivers, the transmitter uses an uplink sounding channel in a time division duplexing (TDD) scheme or estimates the terminal through a feedback channel. Downlink channel information may be used. Finally, assume a flat fading channel where the channel changes slowly.
도 1은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기를 도시하고 있다.1 illustrates a transmitter for performing normalized joint beamforming in a multiple antenna system according to the present invention.
상기 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 부호기(101), 변조기(103), 역다중화기(105), 선부호기(107), RF처리기(109), 채널확인부(111), 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113), 제 2 빔포밍 벡터생성부(115) 및 빔포밍 벡터 선택부(117)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the transmitter includes an
상기 부호기(101)는 송신 데이터를 해당 변조 수준(예 : MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨)에 따라 부호화하여 출력한다. 상기 변조기(103)는 상기 부호 기(101)로부터 부호화된 데이터를 해당 변조 수준에 따라 변조하여 출력한다. 상기 역다중화기(105)는 상기 변조기(103)로부터 제공받은 변조 심볼들을 송신 안테나의 개수와 동일하게 역다중화하여 복수의 데이터 스트림을 출력한다.The
상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)는 상기 채널 확인부(311)로부터 제공받은 각 스트림들의 채널상태 정보를 이용하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터들을 생성하고, 상기 생성한 송신 빔포밍 벡터 값들을 모두 선부호기(107)와 상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)와 상기 빔포밍 벡터 선택부(117)로 제공한다. 종래 반복적 접근법(lterative approach)으로 상기 채널상태 정보를 이용하여 송수신 빔포밍 벡터를 생성한다. 즉, 초기 빔포밍 벡터로부터 기 조건에 만족할 때까지 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 업데이트한다.The first
상기 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 하기 <수학식 1>과 같이 나타내기로 한다.The transmission / reception beamforming vector will be represented by Equation 1 below.
여기서, M은 송신 빔포밍 벡터이고, mk는 k 번째 안테나의 송신 빔포밍 벡터 값이고, W은 수신 빔포밍 벡터이고, wk는 k 번째 안테나의 수신 빔포밍 벡터 값이다.Here, M is a transmit beamforming vector, m k is a transmit beamforming vector value of the k-th antenna, W is a receive beamforming vector, and w k is a receive beamforming vector value of the k-th antenna.
상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)는 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터의 송신 빔포밍 벡터 값들을 정규화한다. 이때 상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)로부터의 송신 빔포밍 벡터(M)를 하기 <수학식 2>와 같이 정규화함으로써, 사용자 간섭 제한으로 인한 잡음 증가를 방지할 수 있다.The second
여기서, Mreg는 정규화된 송신 빔포밍 벡터이고, I는 단위행렬 혹은 단위벡터, M은 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터 제공받은 송신 빔포밍 벡터이고, (ㆍ)H는 허미션(Hermitian) 연산이고, (ㆍ)-1은 역연산(inverse operation)이고, P는 송신전력이고, No은 잡음전력이고, Hk는 k 번째 단말의 채널행렬이고, mk는 k 번째 송신 빔포밍 벡터 값이고,는 프로베니우스놈(frobenius norm) 연산을 의미한다.Here, M reg is a normalized transmission beamforming vector, I is a unit matrix or unit vector, M is a transmission beamforming vector provided from the first beamforming
상기 채널 확인부(111)는 서비스 영역에 위치하는 수신기들로 데이터를 전송하기 위한 스트림들의 채널상태를 확인한다. 예를 들어, 상기 채널 확인부(111)는 상기 수신기들이 상향링크 채널을 통해 전송하는 사운딩 신호를 이용하여 상기 스트림들의 채널상태를 추정한다. 다른 실시 예로 상기 채널 확인부(111)는 상기 수신기들로부터 제공받은 피드백 신호에 포함된 채널상태를 확인한다.The
상기 빔포밍 벡터 선택부(117)는 하기 <수학식 3> 기준에 따라 기준 송신 빔포밍 벡터(mj) 값을 선택하여 상기 선부호기(107)로 제공한다. 즉, 수신기에서 무선채널에 대해 빔포밍 신호 세기를 크게 하는 송신 빔포밍 벡터의 값을 선택하여 기준 송신 빔포밍 벡터로 결정한다.The
여기서, Hk는 k번째 단말의 채널행렬이고, mj는 j번째 송신 빔포밍 벡터 값이다.Here, H k is a channel matrix of the k-th terminal, m j is a j-th transmission beamforming vector value.
상기 선부호기(107)는 기준 빔(reference beam)을 형성하기 위해서, 상기 빔포밍 벡터 선택부(117)로부터의 기준 송신 빔포밍 벡터(mj) 값을 제 1 파일럿신호에 곱해 해당 RF 처리기(109)로 출력한다. 또한, 상기 선부호기(107)는 해당 수신기에서 수신되는 신호에 대해 채널왜곡을 보상하도록, 제 2 파일럿 신호를 다음과 같이 만들어 RF 처리기(109)로 출력한다.In order to form a reference beam, the
그리고, 상기 선부호기(107)는 상기 제 2 빔포밍 벡터생성부(115)로부터 제공받은 정규화된 송신 빔포밍 벡터 값들과 상기 역다중화기(105)로부터 제공받은 각 안테나를 통해 전송할 데이터 스트림을 선부호화하여 출력한다. 즉, 상기 선부호기(107)는 각각의 스트림에 대한 빔을 형성하기 위해 상기 제 2 빔포밍 벡터생성부(115)로부터 제공받은 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 각각의 스트림으로 전송할 데이터에 곱한다. 이는 하기 <수학식 4>와 같이 표현할 수 있다. 여기서, 상기 선부호기(107)는 첫 번째 안테나 신호를 제 1 RF처리기(109-1)로 출력되고, Nt번째 안테나 신호를 제 Nt RF처리기(109-Nt)로 출력된다.The pre-encoder 107 pre-encodes the normalized transmission beamforming vector values provided from the second
여기서, mk R은 k 번째 안테나의 정규화된 송신 빔포밍 벡터값, bk는 k 번째 안테나를 통해 송신되는 데이터 스트림, β는 송신전력을 일반화(normalization)하기 위한 인자이다.Where m k R is a normalized transmission beamforming vector value of the k th antenna, b k is a data stream transmitted through the k th antenna, and β is a factor for normalizing the transmission power.
상기 RF처리기들(109-1 내지 109-Nt)은 상기 선부호기(107)로부터 제공받은 데이터 스트림을 아날로그 신호로 변환한다. 이후, 상기 RF처리기들(109-1 내지 109-Nt)은 상기 아날로그 신호를 실제 전송 가능한 고주파(RF : Radio Frequency)신호로 변환하여 해당 안테나를 통해 송신한다.The RF processors 109-1 to 109-N t convert the data stream provided from the
도 2는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기를 도시하고 있다.2 illustrates a receiver for performing normalized joint beamforming in a multiple antenna system according to the present invention.
상기 도 2를 참조하면, 상기 수신기는 RF처리기(201), 후부호기(203), 채널 추정부(205), 유효채널 이득 계산부(209), 채널등화기(211), 복조기(213) 및 복호기(215)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the receiver includes an
상기 RF처리기(201-1 내지 201-NR)는 각각의 안테나를 통해 수신되는 고주파(RF : Radio Frequency) 신호를 기저 대역 신호로 변환하여 출력한다. 상기 수신되는 신호에는 데이터 부반송파에 의한 신호와 파일럿 부반송파에 의한 신호를 포함한다.The RF processors 201-1 through 201 -N R convert and output a radio frequency (RF) signal received through each antenna into a baseband signal. The received signal includes a signal by a data subcarrier and a signal by a pilot subcarrier.
상기 채널 추정부(405)는 상기 RF처리기(401-1 내지 401-NR)로부터 제공받은 신호에 포함된 파일럿을 이용하여 송신기와의 채널을 추정하고 수신 빔포밍 벡터를 산출한다. 여기서, 상기 파일럿은 제 1 파일럿과 제 2 파일럿으로 구분되며, 상기 제 1 파일럿은 수신 빔포밍 벡터를 추정하기 위해서 송신기에서 기준 빔을 형성하는데 사용되고, 상기 제 2 파일럿은 수신기에서 채널왜곡을 보상하기 위해 사용되는 것이다. 상기 수신 빔포밍 벡터 값은 하기 <수학식 5>와 같이 계산된다.The
여기서, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는 이 되고, 기준 빔을 사용하지 않는 수신기일 때(k≠j), 수신 빔포밍 벡터는 f(ㆍ)에 의한 직교 벡터로 산출된다. 상기 f(ㆍ)는 2x1 벡터에 대해서 하나의 직교 벡터를 출력하는 함수이다. 예를 들어, [p, q]^T 인 벡터에 대해 쉽게 [q*, -p*]^T 와 같은 직교 벡터를 구할 수 있다. yk , pilot -A 는 제 1 파일럿을 수신한 신호이다.Here, when the receiver uses the reference beam (j = k), the reception beamforming vector is When the receiver does not use the reference beam (k? J), the reception beamforming vector is calculated as an orthogonal vector by f (·). F (·) is a function for outputting one orthogonal vector to a 2 × 1 vector. For example, an orthogonal vector such as [q *, -p *] ^ T can be easily obtained for a vector with [p, q] ^ T. y k , pilot -A is the signal that received the first pilot.
상기 유효채널 이득 계산부(209)는 상기 채널추정부(205)로부터의 계산된 수신 빔포밍 벡터값을 이용하여 제 2 파일럿 신호에 대해 유효채널 이득을 계산한다. 상기 유효채널 이득은 하기 <수학식 6>과 같다.The effective
여기서,는 k 번째 수신 빔포밍 벡터값이고, (ㆍ)H는 허미션(Hermitian) 연산이고, yk , plot -B은 제 2 파일럿에 의한 수신신호, β는 송신전력을 일반 화(normalization)하기 위한 인자, mk R은 k 번째 안테나의 정규화된 송신 빔포밍 벡터값, 는 k 번째 단말의 수신빔포밍 벡터에서의 위상에러이다.here, Is the k th received beamforming vector value, (·) H is a Hermitian operation, y k , plot -B is the received signal by the second pilot, and β is for normalizing the transmission power. Where m k R is the normalized transmit beamforming vector of the k th antenna, Is a phase error in the reception beamforming vector of the k-th terminal.
상기 채널등화기(211)는 상기 유효채널 이득 계산부(209)로부터의 유효채널 이득을 역수를 통해 등화(equalization)를 수행한다.The channel equalizer 211 equalizes the effective channel gains from the effective
상기 후부호기(203)는 상기 채널등화기(211)로부터 제공받은 유효 채널 정보를 이용하여 수신데이터를 검출한다. 이는 하기 <수학식 7>과 같다.The
여기서, 여기서,는 k 번째 수신 빔포밍 벡터값이고, (ㆍ)H는 허미션(Hermitian) 연산이고, yk은 데이터 부반송파에 의한 수신신호, nk'는 잡음이다.Where here Is the k-th received beamforming vector value, (·) H is a Hermitian operation, y k is a received signal by the data subcarrier, and n k 'is noise.
상기 복조기(213)는 상기 후부호기(203)로부터 제공받은 신호를 해당 변조 수준(MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨)에 따라 복조한다.The
상기 복호기(215)는 상기 복조기(213)로부터 제공받은 신호를 해당 변조 수준에 따라 복호하여 원본 데이터를 검출한다.The
도 3은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작을 도시하고 있다.3 illustrates a transmitter operation for performing normalized co-beamforming in a multi-antenna system according to the present invention.
상기 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 301 단계에서 서비스 영역에 위치하는 수신기들로 데이터를 전송하기 위한 스트림들의 채널상태를 확인한다. 예를 들어, 상기 송신기는 상기 수신기들이 상향링크 채널을 통해 전송하는 사운딩 신호를 이용하여 상기 스트림들의 채널상태를 추정하거나, 상기 수신기들로부터 제공받은 피드백 신호에 포함된 채널상태를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 1, in
이후, 상기 송신기는 303 단계에서 채널정보를 각 스트림들의 채널상태 정보를 이용하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터들을 생성한다. 상기 생성한 송신 빔포밍 벡터 값들은, 종래 반복적 접근법(lterative approach)으로 상기 채널상태 정보가 이용되어 생성된다. 즉, 초기 빔포밍 벡터로부터 반복적으로 송수신 빔포밍 벡터를 업데이트하여, 그 값이 임계값에 만족할 때까지 수행된다.Thereafter, in
이후, 상기 송신기는 305 단계에서 생성한 송신 빔포밍 벡터값들을 정규화한다. 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화함으로써, 사용자 간섭 제한에 따른 잡음 증가를 방지할 수 있다(상기 수학식 2 참조).Thereafter, the transmitter normalizes the transmission beamforming vector values generated in
이후, 상기 송신기는 307 단계에서 기준 빔포밍을 형성하기 위해 기준 송신 빔포밍 벡터를 제 1 파일럿과 곱해 선부호를 수행한다. 이때, 기준 송신 빔포밍 벡터는 상기 <수학식 3> 기준에 따라 선택된다.Thereafter, in
이후, 상기 송신기는 309 단계에서 수신기에서 채널왜곡을 보상할 수 있도록 하기 위해 제 2 파일럿 신호를 아래와 같이 전송한다.Thereafter, in
이후, 상기 송신기는 311 단계에서 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 사용하여 각 안테나를 통해 전송할 데이터 스트림을 전송한다.Thereafter, the transmitter transmits a data stream to be transmitted through each antenna using the normalized transmission beamforming vector in
이후, 상기 송신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.The transmitter then terminates a normalized joint beamforming procedure.
3GPP LTE와 같은 공통 파일럿(common pilot) 기반의 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 적용하기 위한 송신기의 동작은 하기 도 4와 같다.The operation of the transmitter for applying normalized joint beamforming in a common pilot based system such as 3GPP LTE is shown in FIG. 4.
도 4는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작의 흐름도를 도시하고 있다.4 shows a flow diagram of a transmitter operation for performing normalized joint beamforming in a multiple antenna system according to the present invention.
상기 도 4를 참조하면, 상기 송신기는 401 단계에서 우선 코드북(codebook)의 모든 코드워드(codeword)(기준 송신 빔포밍 벡터)에 대해서 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 유도하고, 이중 전송률의 합(sum-rate)을 최대가 되게 하는 코드북을 찾는다.Referring to FIG. 4, in
이후, 상기 송신기는 403 단계에서 검색된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 도 3에서와 마찬가지로 정규화 송신 빔포밍 벡터를 구한다. Thereafter, the transmitter obtains a normalized transmission beamforming vector as in FIG. 3 using the transmission beamforming vector found in step 403.
이후, 상기 송신기는 405 단계에서 전용 파일럿(dedicated pilot) 용도로 사용되는 LTE의 port 5를 통해 수신기에서 채널왜곡을 보상하도록 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 전송하고, 위에서 계산된 최적의 기준 빔 인덱스(reference beam index)를 제어채널(control channel)을 통해 수신기에 전달한다.Thereafter, the transmitter transmits a transmission beamforming vector normalized to compensate for channel distortion at the receiver through port 5 of LTE, which is used for a dedicated pilot in
이후, 상기 송신기는 407 단계에서 port 0~3을 통해 정규화 송신 빔포밍 벡터로 빔포밍된 데이터를 송신한다.Thereafter, in
이때, 수신기에서는 제어채널을 통해 받은 기준 빔포밍 인덱스를 통해 자신의 수신 빔포밍 벡터를 계산하고, port 5를 통해 받은 신호를 이용하여 유효채널이득(effective channel gain)을 구할 수 있다. 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 수신한 뒤, 유효채널이득을 통해 등화(equalization)을 하면 데이터의 충분통계량(sufficient statistic)을 얻게 된다.In this case, the receiver may calculate its own received beamforming vector using the reference beamforming index received through the control channel, and obtain an effective channel gain using the signal received through port 5. After receiving the data using the reception beamforming vector, equalization is performed through the effective channel gain to obtain a sufficient statistic of the data.
이후, 상기 송신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.The transmitter then terminates a normalized joint beamforming procedure.
도 5는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기 동작의 흐름도를 도시하고 있다.5 illustrates a flow diagram of a receiver operation for performing normalized joint beamforming in a multiple antenna system according to the present invention.
상기 도 5를 참조하면, 상기 수신기는 501 단계에서 전용 파일럿 톤을 사용하여 유효채널을 추정한다.Referring to FIG. 5, the receiver estimates an effective channel using a dedicated pilot tone in
이후, 상기 수신기는 503 단계에서 자신이 기준 빔 사용자인지를 판단한다. 각각의 수신기는 제어정보(MAP)를 통해 자신이 기준 빔 사용자(reference beam user)(즉, 기준 송신 빔포밍 벡터를 사용하는 단말을 칭함)인지 아닌지를 알 수 있다.In
이후, 상기 수신기는 제 1 파일럿의 신호에 대한 기준 송신 빔포밍 벡터로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산한다(상기 <수학식 5> 참조). 즉, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는 이 되고, 기준 빔을 사용하지 않는 수신기일 때(k≠j), 수신 빔포밍 벡터는 f(ㆍ)에 의한 직교 벡터로 산출된다. 상기 f(ㆍ)는 2x1 벡터에 대해서 하나의 직교 벡터를 출력하는 함수이다. 예를 들어, [p, q]^T 인 벡터에 대해 쉽게 [q*, -p*]^T 와 같은 직교 벡터를 구할 수 있다. yk , pilot -A 는 제 1 파일럿을 수신한 신호이다.Thereafter, the receiver calculates a reception beamforming vector from the reference transmission beamforming vector for the signal of the first pilot (see Equation 5). That is, when the receiver uses the reference beam (j = k), the reception beamforming vector is When the receiver does not use the reference beam (k? J), the reception beamforming vector is calculated as an orthogonal vector by f (·). F (·) is a function for outputting one orthogonal vector to a 2 × 1 vector. For example, an orthogonal vector such as [q *, -p *] ^ T can be easily obtained for a vector with [p, q] ^ T. y k , pilot -A is the signal that received the first pilot.
이후, 상기 수신기는 507 단계로 진행하여 계산한 수신 빔포밍 벡터로부터 제 2 파일럿 신호에 대한 유효채널 이득을 계산한다(상기 <수학식 6> 참조).Thereafter, the receiver calculates an effective channel gain for the second pilot signal from the received beamforming vector calculated in step 507 (see Equation 6).
이후, 상기 수신기는 509 단계로 진행하여 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 수신하고 채널 등화를 수행한다(상기 <수학식 7> 참조).In
이후, 상기 수신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.The receiver then terminates the normalized cobeamforming procedure.
상술한 바와 같이, 공동 빔포밍(coordinated beamforming)을 수행하기 위한 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 구하는데 있어서, system-wide MSE(Mean Squared Error)를 최소가 되게 하는 송신 빔포밍 벡터를 구함으로써, 간섭제한에 의한 잡음 증가문제를 해결할 수 있다. 또한, 공동 빔포밍 수행시 오버헤드를 줄이기 위한 파일럿 사용 기법을 적용할 수 있다.As described above, in obtaining a transmission and reception beamforming vector for performing coordinated beamforming, by obtaining a transmission beamforming vector for minimizing a system-wide mean squared error (MSE), interference is obtained. The problem of noise increase due to the limitation can be solved. In addition, a pilot use technique may be applied to reduce overhead when performing joint beamforming.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described. However, various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by the equivalents of the claims.
도 1은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기1 is a transmitter for performing normalized joint beamforming in a multi-antenna system according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기,2 is a receiver for performing normalized joint beamforming in a multi-antenna system according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작 흐름도,3 is a flowchart illustrating a transmitter operation for performing normalized joint beamforming in a multi-antenna system according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작 흐름도 및,4 is a flowchart illustrating a transmitter operation for performing normalized joint beamforming in a multi-antenna system according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기 동작의 흐름도.5 is a flow diagram of a receiver operation for performing normalized joint beamforming in a multiple antenna system in accordance with the present invention.
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KR20200022780A (en) * | 2018-08-23 | 2020-03-04 | 서강대학교산학협력단 | The multi-beam transmission apparatus and multi-beam transmission method for operating by the same |
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