KR20100056302A

KR20100056302A - 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100056302A
Application number: KR1020080115402A
Authority: KR
Inventors: 이인규; 이상림
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-27
Also published as: KR101021700B1

Abstract

본 발명은 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법에 관한 것으로서 이 장치는 송신 빔형성 행렬과 수신 결합 행렬을 연산하는 행렬 연산부, 그리고 상기 송신 빔형성 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 빔형성부를 포함한다. 이때, 행렬 연산부는 제1 수신 장치를 제외한 다른 수신 장치의 수신 결합 행렬을 고정시킨 상태에서 제1 수신 장치의 수신 결합 행렬을 업데이트한다. 본 발명에 의하면, 다중 사용자 MIMO 환경에서 사용자간 간섭을 효과적으로 없애면서도 성능을 향상시킬 수 있다.

다중 사용자, 다중 입출력 시스템, 빔형성, 채널 행렬, 다중 안테나

Description

다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법 {BEAMFORMING APPARATUS AND METHOD FOR MULTIUSER MIMO SYSTEM}

본 발명은 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 하나의 기지국이 여러 개의 단말기를 지원하는 다중 사용자 환경에서, 다중 사용자를 고려한 다중 안테나 (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) 시스템의 전체 채널 용량을 증대시키기 위하여 다중 사용자를 고려한 다중 송수신 안테나 전송 기술 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 다중 사용자의 채널 환경은 모든 다중 사용자 MIMO 기법들이 공간 자유도를 완전히 이용할 수 있도록 채널 행렬이 좋은 상태에 놓여져 있는 것을 보장하여야 하며, 그리하여 다중 사용자가 간섭에 의해 제한되지 않고 각각 원하는 전송률로 동시에 통신할 수 있어야 한다. 다중 사용자 MIMO에서 상향 링크는 다중 사용자가 동일한 기지국을 향해 데이터를 전송하고(many-to-one) 하향 링크는 기지국이 다중 사용자에게 신호를 전송하며(one-to-many), 다중 사용자들 간에는 어떠한 협조도 할 수 없다는 것이 일반적인 단일 사용자 MIMO 프로세스와의 차이점이다.

하향 링크 채널에서 기지국은 동시에 여러 사용자들에게 신호를 전송하므로 각 사용자들은 원하는 신호 외에 다른 사용자의 신호를 간섭으로 수신하게 된다. 이러한 간섭을 억제하기 위한 기술은 단말 수신기에서 사용하기에는 복잡도와 비용면에서 어려움이 있으므로 기지국 송신기에서 송신 신호를 지능적으로 설계함으로써 간섭을 완화시킬 수 있다. 송신기가 채널 정보를 미리 알고 있는 경우에 사용자간 간섭을 다루는 가장 간단한 방법은 모든 간섭 신호를 영으로 만드는 제로-포싱(zero-forcing) 기법 혹은 블록 대각화(block diagonalization) 기법으로 송신기에서 채널의 의사역행렬(pseudoinverse)로 전송 신호를 선처리한다. 그러나 채널의 의사역행렬이 항상 존재하기 위해서는 기지국 송신 안테나 수가 다른 사용자들의 전체 데이터 스트림 수보다 많아야 되는 제약이 있으며, 사용자들이 가까이 위치해 있는 경우와 같이 채널 환경이 좋지 않은 상태에서는 이들 간섭을 없애기 위한 전력 소비로 전력 감소 현상(power inefficiency problem)이 발생하여 성능 저하를 초래하게 된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다중 사용자 MIMO 환경에서 사용자간 간섭을 효과적으로 없애면서도 성능을 최적화시킬 수 있는 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 제1 수신 장치를 포함하는 복수의 수신 장치에 대한 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치는, 송신 빔형성 행렬과 수신 결합 행렬을 연산하는 행렬 연산부, 그리고 상기 송신 빔형성 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 빔형성부를 포함하며, 상기 행렬 연산부는 상기 복수의 수신 장치 중에서 상기 제1 수신 장치를 제외한 수신 장치의 수신 결합 행렬을 고정시킨 상태에서 상기 제1 수신 장치의 수신 결합 행렬을 업데이트한다.

상기 행렬 연산부는 적어도 하나의 위상 값을 계산하고, 상기 빔형성부는 상기 적어도 하나의 위상 값을 상기 수신 장치로 전송할 수 있다.

상기 수신 장치는 상기 빔형성부로부터의 상기 적어도 하나의 위상 값을 이용하여 상기 수신 결합 행렬을 계산할 수 있다.

상기 송신 빔형성 행렬

은

으로 계산되며, 상기

는

으로 계산되고, 상기

는 상기 수신 결합 행렬이며, 상기

는 채널 행렬이다.

상기 수신 장치가 두 개의 수신 안테나를 가지고 있고 각 수신 장치에 하나의 스트림이 제공되는 경우

번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터

는 행렬

의 최대 고유값(maximum eigenvalue)에 대응하는 단위 놈 고유벡터(unit-norm eigenvector)에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 수신 결합 벡터

는 행렬

의 어느 한 행으로 나타낼 수 있으며, 상기 행렬 연산부는 상기 어느 한 행의 원소를 이용하여 두 개의 위상 값을 추출할 수 있다.

번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터

는 행렬

의 최대 고유값에 대응하는 단위 놈 고유벡터에 기초하여 결정될 수 있다.

상기 수신 결합 벡터

는 결합되어 있는 두 개의 복소 회전 행렬

중 어느 하나의 행으로 나타낼 수 있으며, 상기 행렬 연산부는 상기 어느 하나의 행의 원소를 이용하여 한 개의 위상 값을 추출할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따른 제1 수신 장치를 포함하는 복수의 수신 장치에 대한 다중 입출력 시스템의 빔형성 방법으로서, 송신 빔형성 행렬과 수신 결합 행렬을 연산하는 단계, 그리고 상기 송신 빔형성 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 연산 단계는 상기 복수의 수신 장치 중에서 상기 제1 수신 장치를 제외한 수신 장치의 수신 결합 행렬을 고정시킨 상태에서 상기 제1 수신 장치의 수신 결합 행렬을 업데이트하는 단계를 포함한다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 다중 사용자 MIMO 환경에서 사용자간 간섭을 효과적으로 없애면서도 성능을 향상시킬 수 있다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

이하 보통 문자는 스칼라를, 볼드체 소문자는 벡터를, 볼드체 대문자는 행렬을 나타내는 것으로 한다. 그리고

와

는 각각 복소수

의 실수부와 허수부를 나타내고,

는 행렬

의 (m, n)번째 성분을 나타내며,

,

는 각각 행렬

의 복소공액(complex conjugate), 공액전치(conjugate transpose), 전치(transpose)를 나타내고,

는 행렬

의 트레이스(trace)를 나타내는 것으로 한다.

먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1에 도시한 것처럼 다중 사용자 다중 입출력 시스템은 송신 장치(100)와 복수의 수신 장치(200)를 포함하며, 송신 장치(100)와 수신 장치(200)는 무선 통신망을 통하여 연결되어 있다. 송신 장치(100)는 기지국에 위치하고, 각 수신 장치(200)는 넓은 범위로 분포되어 있는 다중 사용자의 단말기에 위치한다. 수신 장치(200)의 개수는 제한이 없으며, 이하

개 존재한다고 가정한다.

송신 장치(100)는 빔형성부(110), 행렬 연산부(120) 및 복수의 송신 안테나(130)를 포함하며, 각 수신 장치(200)는 수신 결합부(210) 및 복수의 수신 안테나(230)를 포함한다. 송신 장치(100)는 채널 부호부(도시하지 않음), 비트 인터리버(도시하지 않음), 직병렬 변환부(도시하지 않음), 그리고 복수의 매핑부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있으며, 수신 장치(200)는 채널 복호부(도시하지 않음), 비트 디인터리버(도시하지 않음), 병직렬 변환부(도시하지 않음), 그리고 디매핑부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 빔형성 장치는 좁은 의미로 빔형성부(110) 및 행렬 연산부(120)를 포함하지만 넓은 의미로 채널 부호부, 비트 인터리버, 직병렬 변환부 및 매핑부를 더 포함할 수 있다.

채널 부호부는 수신 장치로 전송하려는 정보 비트(Information Bits)를 부호 화한다. 즉, 채널 부호부는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 랜덤 에러(random error)를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 정보 비트 내에 CRC 코드(Cyclic Redundancy Check Code), 컨볼루셔널 코드(Convolutional Code) 등을 삽입한다.

비트 인터리버는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 버스트 에러(burst error)나 페이딩(fading)에 의해 발생한 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 채널 부호부로부터 제공받은 비트 스트림의 배열 등을 변경한다. 비트 인터리버는 블록 인터리빙(interleaving), Helical 인터리빙, 랜덤 인터리빙 등의 방법을 이용하여 비트 스트림의 배열 등을 변경할 수 있다.

직병렬 변환부는 비트 인터리버로부터 직렬로 입력되는 비트 스트림을 매핑부의 수효에 따라 복수의 병렬 비트 스트림으로 변환하여 해당 매핑부에 보낸다. 각 병렬 스트림은 직렬 비트 스트림을 매핑부의 변조 레벨(modulation level)에 대응하는 일정 비트수만큼씩 잘라서 생성된다. 여기서 변조 레벨은 매핑부에서 이용되는 변조 방식에 따라 결정된다. 예를 들어, 매핑부의 개수가 두 개이고 변조 방식이 16-QAM이라면, 직렬로 입력되는 비트 스트림을 4비트 단위로 하여 두 개의 병렬 비트 스트림으로 변환할 수 있다.

매핑부는 직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Modulation, QAM), 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 등의 변조 방식을 이용하여 직병렬 변환부로부터 제공받은 병렬 비트 스트림을 심벌

로 변환한다.

행렬 연산부(120)는 수신 장치(200)로부터의 피드백 정보에 기초하여 채널 행렬

을 계산하고 송신 빔형성 행렬

를 계산한다. 또한 행렬 연산부(120)는 전력 손실률(power loss factor)과 위상 값(phase values) 등을 포함하는 피드포워드 정보(feedforward information)를 생성한다.

빔형성부(110)는 매핑부로부터 제공받은 심벌

과 행렬 연산부(120)로부터 제공받은 송신 빔형성 행렬

을 이용하여 송신 신호를 생성하고, 송신 안테나(130)를 통하여 송신 신호를 전송한다. 또한 빔형성부(110)는 행렬 연산부(120)로부터 제공받은 피드포워드 정보를 송신 안테나(130)를 통하여 수신 장치(200)로 전송한다.

수신 장치(200)는 수신 안테나(230)를 통하여 송신 장치(100)로부터 전송된 신호

및 피드포워드 정보를 수신한다.

수신 결합부(210)는 위상 값을 이용하여 수신 빔형성 행렬

을 계산하고, 수신 빔형성 행렬

과 수신된 신호

를 이용하여 필터 출력

를 생성한다. 그리고 필터 출력

과 전력 손실률을 이용하여 심벌

를 추정한다.

디매핑부는 매핑부에서 이용된 변조 방식에 대응하는 복조 방식으로 추정된 심벌

를 비트 스트림으로 변환한다. 즉, 디매핑부는 수신 결합부(210)로부터 제공받은 심벌

를 복조하여 비트 스트림으로 변환한다.

병직렬 변환부는 디매핑부로부터 병렬로 입력되는 비트 스트림을 직렬 비트 스트림으로 변환한다.

비트 디인터리버는 송신 장치(100)에서 이용한 인터리빙 방법에 따라 병직렬 변환부로부터 제공받은 비트 스트림의 배열 등을 변경하여 원래의 비트 스트림으로 변환한다.

채널 복호부는 비트 디인터리버로부터 제공받은 비트 스트림 내에 삽입되어 있는 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 이용하여 에러 여부를 체크하고, 에러가 존재하는 경우 에러를 정정하여 최종적으로 송신 장치(100)에서 전송하려는 정보 비트에 대응하는 추정 비트를 생성한다.

그러면, 본 발명의 실시예에 따른 송신 장치(100)의 행렬 연산부(120)에서 송신 빔형성 행렬

, 전력 손실률 및 위상 값을 계산하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

이하, 송신 안테나(130)는

개 존재하는 것으로 하고,

는 수신 장치(200)를 식별하기 위한 정보로서

번째 수신 장치(200)의 수신 안테나(230)는

개 존재하는 것으로 한다(

). 그러면 모든 수신 장치(200)의 수신 안테나(230)의 개수의 합은

으로 나타낼 수 있다. 그리고

는

번째 수신 장치(200)에 제공되는 공간 스트림(spatial streams)의 개수를 나타내고, 송신 장치(100)와

번째 수신 장치(200) 사이의 채널은

채널 행렬

로 모델링되며,

는 송신 장치(100)의

번째 안테나(130)와

번째 수신 장치의

번째 안테나(230) 사이의 채널 이득(channel gain)을 나타내고,

는

번째 수신 장치(200)에 대한

송신 데이터 심벌 벡터를 나타내는 것으로 한다. 그리고 각 수신 장치(200)는 자신의 채널을 통해 모든 스트림의 조합인

심벌 스트림을 수신한다.

먼저

번째 수신 장치(200)에 대한 송신 빔형성 행렬을

라고 하면

번째 수신 장치(200)에 수신되는 신호

는 [수학식 1]과 같다.

여기서,

는 잡음 벡터(noise vector)이고, 항목

는

번째 수신 장치(200)에 대한 다른(

) 수신 장치(200)로부터의 간섭을 나타낸다.

번째 수신 장치(200)에 대한 수신 신호

에 수신 행렬

를 곱하여 생성된 필터 출력

는 [수학식 2]와 같다.

설명의 편의를 위하여 네트워크 채널 행렬

, 수신 빔형성 행렬

, 송신 빔형성 행렬

을 다음과 같이 각각 정의한다.

그러면 모든 수신 장치(200)의 필터 출력

은 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는

로 나타낼 수 있고,

는

로 나타낼 수 있으며,

이다.

다중 사용자 MIMO 시스템을 위한 블록 대각화(Block Diagonalization, BD) 알고리즘에 대하여 간략하게 설명한다.

블록 대각화 알고리즘

블록 대각화 알고리즘에서는 모든 수신 장치(200) 사이의 간섭을 제거하기 위해 [수학식 4]와 같은 제약 조건을 이용한다.

[수학식 4]의 제로 포싱(Zero Forcing, ZF) 제약을 충족시키기 위해 행렬

는 행렬

의 영공간(nullspace)에 놓여 있어야 한다. 여기서 행렬

는

로 정의된다.

를

로 나타내면 행렬

의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를

로 정의할 수 있다. 여기서 유니타리 행렬(unitary matrix)

는 좌특이 벡터(left singular vector)를 포함하고, 행렬 는 행렬

의 정렬된 특이값(ordered singular value)으로 이루어져 있으며, 행렬

는 처음

개의 우특이 벡터(right singular vector)로 이루어져 있고, 행렬

는 마지막

개의 우특이 벡터를 유지한다. 행렬

는 행렬

의 영공간에 대하여 직교 기저(orthogonal basis)를 형성하므로, 행렬

의 칼럼 조합을 이용하여

번째 수신 장치(200)에 대한 빔형성 행렬

를 구성할 수 있다.

번째 수신 장치(200)에 대한 전송이 제로 포싱(ZF) 제약 하에서 일어나기 위하여

의 랭크(rank)인

는 1 이상이어야 한다.

에 대한 충분 조건은 행렬

의 적어도 하나의 행이 행렬

의 다른 행들에 선형 독립이라는 것이다. 행렬

의 모든 행이 행렬

에 선형 독립이라고 가정하면 이 조건은 충족된다.

이외의 수신 장치(200)에 대한 채널 행렬

의 영공간을

번째 수신 장치(200)에 대한 채널 행렬

에 적용한 후의 수신 신호는

로 나타낼 수 있다. 여기서

이다.

번째 수신 장치(200)는 다른 수신 장치(200)로부터의 간섭 없이 자신의 데이터 스트림을 수신할 수 있으므로 단일 사용자 MIMO 시스템의 어떠한 기법도 적용될 수 있다.

수신 결합 행렬을 고려하여 빔을 형성하는 데 이용되는 영공간의 차원을 분석해 보면, 행렬

는 [수학식 5]와 같이 정의할 수 있다.

다음으로 모든 다중 사용자 간섭을 제거하기 위하여 사용되는 파워를 최소화하는 최적의 수신 행렬

을 계산하는 방법에 대하여 설명한다.

설명의 편의를 위하여 각 수신 장치(200)는 두 개의 수신 안테나(230)를 가지고 있다고 가정하고(

), 각 수신 장치(200)에 하나의 스트림이 제공되는 것으로 가정한다. 물론, 본 발명은 수신 안테나(230)의 개수가 세 개 이상인 경우 에도 동일하게 적용될 수 있다. 이 경우 수신 행렬

은 행벡터가 되므로 이하에서는 이를 수신 결합 벡터

로 나타낸다.

제로 포싱(ZF) 제약을 충족시키기 위해, 모든 수신 장치(200)의 수신 결합 벡터를 고려하여 유효 채널 행렬(effective channel matrix)의 의사역행렬을 선택할 수 있으며, 이에 따라 [수학식 3]의 송신 빔형성 행렬

는 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]에 송신 빔형성 행렬

을 대입하면 필터 출력 벡터

는 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

은 전력 손실률을 나타내고, 파워 제약에 의하면 전력 손실률

는 [수학식 8]과 같이 계산될 수 있다.

여기서

는 전체 전송 전력(total transmitted power)을 나타낸다.

전력 손실률

을 최소화하면서 최적의 수신 벡터를 구하는 문제를 식으로 표현하면 [수학식 9]와 같다.

먼저 유효 채널 행렬의 순열(permutation)이 메트릭(metric)을 변화시키지 않는다는 것을 설명한다.

[수학식 3]과 [수학식 5]로부터,

의 조건을 충족하는 순열 행렬

을 정의한다. 여기서 순열로 배치된 유효 채널 행렬

는

로 정의 된다.

이러한 관계로부터 최적화 메트릭(optimization metric)을 다시 표현하면 [수학식 10]과 같다.

과

의 성질을 이용하면 위의 메트릭은 [수학식 11]과 같이 풀린다.

[수학식 11]로부터 메트릭은 유효 채널 행렬의 순열에 의하여 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.

알고리즘 1

그러면, [수학식 9]를 해결하는 방법에 대해 설명한다. 이하 설명하는 방법을 알고리즘 1이라 한다.

번째 이외의 다른 수신 장치(200)의 수신 결합 벡터

를 고정시킨 상태에서

번째 수신 장치(200)에 대한 최적의 수신 벡터

를 반복하여 계산함으로써 수신 빔형성 행렬

을 계산할 수 있다. 이에 따라 [수학식 9]는 [수학식 12]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서

의 QR 분해(QR factorization)는

로 정의되고,

는

의 최대 고유값(maximum eigenvalue)에 대응하는 고유 벡터(eigenvector)를 나타낸다. [수학식 12]로부터

에 대하여 수신 벡터

를 구하고 이러한 과정을 반복하면, 전력 손실률을 최소화하는 최적의 수신 벡터의 집합을 결정할 수 있다.

알고리즘 1을 다음과 같이 정리할 수 있다.

단계 1) 수신 벡터

를 (

)에 대하여

으로 초기화

단계 2) 바깥쪽 루프용 변수 iter_count를 0으로 설정

단계 3) 안쪽 루프용 변수

를 0으로 설정

단계 4)

로부터

와

를 구함

단계 5)

를 QR 분해하여

와

을 계산

단계 6)

를 행렬

의 최대 고유값(maximum eigenvalue)에 대응하는 단위 놈 고유벡터(unit-norm eigenvector)로 결정

단계 7)

가

보다 작거나 같으면,

에 1을 더하고 단계 4)로 이동

단계 8) iter_count가 max_iteration보다 작으면, iter_count에 1을 더하고 단계 3)으로 이동

한편, 단계 5)에서 QR 분해 대신에 QR 업데이트(QR-updates)를 이용하면 계산 복잡도를 감소시킬 수 있다.

일단 알고리즘 1에 의해 수신 빔형성 벡터

가 계산되면, 계산된

는 [수학식 13]과 같이 일반 복소 유니타리 행렬(general complex unitary maxtrix)을 이용하여 나타낼 수 있다.

여기서

과

는 다음과 같이 정의되며,

는

이다.

[수학식 13]의 행렬에서 첫 번째 행을 이용하여 수신 빔형성 벡터

를 표현하면 [수학식 14]와 같다. 물론 두 번째 행을 이용할 수도 있다.

[수학식 14]의 성분 사이의 관계를 이용하면,

를 식별할 수 있는 두 개의 위상 값

과

는 [수학식 15]와 같이 계산할 수 있다.

여기서

과

는 각각 수신 벡터

의 첫 번째와 두 번째 원소를 나타낸다.

정리하면, 송신 장치(100)의 행렬 연산부(120)는 알고리즘 1을 이용하여 수신 빔형성 벡터

를 계산하고, 계산된 수신 빔형성 벡터

를 이용하여 [수학식 15]와 같이 두 개의 위상 값

과

를 계산할 수 있다. 계산된 위상 값

과

는

번째 수신 장치(200)로 전송되고, 이 수신 장치(200)는 두 개의 위상 값

과

를 이용하여 [수학식 14]를 통해 수신 빔형성 벡터

를 계산할 수 있으며, 일반화시면 수신 빔형성 행렬

을 계산할 수 있게 된다.

또한 송신 장치(100)는 수신 장치(200)로부터의 피드백 정보를 이용하여 계산된 채널 행렬

을 알고 있으므로 [수학식 3]에서의

를 계산할 수 있으며, [수학식 6]을 이용하여 송신 빔형성 행렬

을 계산할 수 있다. 그리고 송신 장치(100)는 [수학식 8]을 이용하여 전력 손실률

을 계산하고 이를 수신 장치(200)로 전송한다. 수신 장치(200)는 [수학식 7]의 전력 손실률

과 필터 출력

을 이용하여 심벌

를 추출한다.

이러한 알고리즘 1을 이용하면 각 수신 장치(200)로 두 개의 위상 값을 전송하여야 한다. 그러면 이와 같은 오버헤드(overhead)를 줄이기 위해, 각 수신 장치(200)에서 하나의 위상 값만을 이용하여 수신 행렬

를 계산할 수 있도록 하는 방법(이하, 알고리즘 2라 함)에 대해 설명한다.

알고리즘 2

알고리즘 2는 [수학식 13]의 복소 회전 행렬(complex rotation matrix)이 아래와 같이 두 개의 행렬로 이루어져 있는 것을 기초로 한 방법이다.

복소 회전 행렬을 이루는 두 개의 행렬 중 하나를 선택하는 것에 의해, 각 수신 장치(200)로 전송되는 위상 값을 두 개에서 한 개로 줄일 수 있다. 두 개의 행렬 중 어느 것을 선택하더라도 전체적인 성능에는 영향이 없으므로, 이하 첫 번째 행렬의 첫 번째 행을 수신 벡터

로 이용한다. 따라서

번째 수신 장치(200)의 수신 벡터

는 [수학식 16]과 같이 나타낼 수 있다.

알고리즘 1의 [수학식 14]와 비교해 보면, [수학식 16]에서의 수신 벡터

의 성분은 실수 값으로 되어 있는 것을 알 수 있다.

[수학식 12]의 결과는 다음과 같이 잘 알려져 있는 결과를 이용하여 유도될 수 있다.

위의 식을 실수 값 형태(real-valued representation)로 표현하면 [수학식 17]과 같다.

여기서

는

이고,

은

(

)이다. 그리고 알고리즘 2에서 수신 벡터

는 실수 값 벡터 (

)이므로 [수학식 17]의 해는

로 줄어든다.

따라서 이러한 결과를 이용하여 알고리즘 1의 단계 6)만 다음과 같이 조금 수정함으로써 알고리즘 2를 구할 수 있다.

알고리즘 2의 단계 6)

를 행렬

의 최대 고유값에 대응하는 단위 놈 고유벡터로 결정

알고리즘 1에서와 마찬가지로, 송신 장치(100)는 알고리즘 2를 이용하여 수신 빔형성 벡터

를 계산하고, 계산된 수신 빔형성 벡터

를 이용하여 [수학식 16]과 같이 쉽게 위상 값

를 계산할 수 있다. 계산된 위상 값

은

번째 수신 장치(200)로 전송되고, 이 수신 장치(200)는 위상 값

를 이용하여 [수학식 16]을 통해 수신 결합 벡터

를 계산할 수 있다.

그러면 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템 의 빔형성 방식과 기존 방식의 성능을 비교하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템과 기존 시스템의 성능을 비교하기 위하여 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프로서, 가로축은 신호대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 나타내고, 세로축은 비트 에러율(Bit Error Rate, BER)을 나타낸다. 알고리즘 1과 알고리즘 2를 이용한 빔형성 방식은 0.5dB 미만으로 성능 차이가 크지 않다는 것을 알 수 있다. 그러나 알고리즘 1을 사용한 빔형성 방식은 기존의 블록 대각화(BD) 기법에 비하여 비트 에러율이

일 때 대략 5dB의 전력 이득을 제공하며, 알고리즘 2를 이용한 빔형성 방식도 기존의 제로 포싱 선처리 방식에 비하여 2dB 이득을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

그러면 도 3을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템의 빔형성 방법에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템의 빔형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템의 송신 장치(100)는 전파 전송 중에 발생할 수 있는 랜덤 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 정보 비트 내에 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 삽입하는 채널 부호화를 수행하고, 버스트 에러나 페이딩에 의해 발생하는 에러를 수신 장치에서 정정할 수 있도록 블록 인터리빙, Helical 인터리빙, 랜덤 인터리빙 등의 방법을 이용하여 비트 스트림의 배열 등을 변경하는 인터리빙을 수행한다.

그런 후 송신 장치(100)는 배열이 변경된 직렬 비트 스트림을 변조 레벨에 기초하여 적어도 하나의 병렬 비트 스트림으로 변환하고, 직교 진폭 변조(QAM), 직교 위상 편이 변조(QPSK) 등의 변조 방식을 이용하여 병렬 비트 스트림을 심벌

로 변환한다(S310).

송신 장치(100)는 수신 장치(200)로부터 피드백 정보를 받아 채널 행렬

을 추출해 내고, 알고리즘 1 또는 2를 이용하여 수신 빔형성 행렬

를 계산하며, 두 개의 위상 값(알고리즘 1) 또는 한 개의 위상 값(알고리즘 2)과 전력 손실률

을 포함하는 피드포워드 정보를 연산한다(S320). 그리고 송신 장치(100)는 [수학식 6]을 이용하여 송신 빔형성 행렬

을 계산한다(S330).

그런 후 송신 장치(100)는 송신 빔형성 행렬

과 심벌

를 곱하여 송신 신호를 생성하고(S340), 송신 안테나(130)를 통하여 생성된 송신 신호와 피드포워드 정보를 전송한다(S350).

다음으로 수신 장치(200)가 송신 장치(100)로부터 전송 받은 신호를 처리하는 방법에 대하여 설명한다.

수신 장치(200)는 수신 안테나(230)를 통하여 수신 신호

및 피드포워드 정보를 수신한다. 수신 장치(200)는 송신 장치(100)에서 사용된 알고리즘 종류에 따라 두 개 또는 한 개의 위상 값을 이용하여 [수학식 14] 또는 [수학식 16]을 통해 수신 빔형성 행렬

를 계산한다. 그리고 수신 장치(200)는 수신 빔형성 행렬

과 수신된 신호

를 이용하여 필터 출력

를 생성한다. 수신 장치(200)는 [수학식 7]의 전력 손실률

과 필터 출력

을 이용하여 심벌

를 추출한다.

수신 장치(200)는 송신 장치(100)에서 이용한 변조 방식에 대응하는 복조 방식으로 심벌

를 복조하여 비트 스트림으로 변환한다. 그런 후 수신 장치(200)는 변환된 병렬 비트 스트림을 직렬 비트 스트림으로 변환한다. 수신 장치(200)는 송신 장치(100)에서 이용한 인터리빙 방법에 따라 직렬 비트 스트림의 배열 등을 변경하고, 비트 스트림 내에 삽입되어 있는 CRC 코드, 컨볼루셔널 코드 등을 이용하여 에러 여부를 체크하고, 에러가 존재하는 경우 에러를 정정하여 추정 비트를 생성한다. 수신 장치(200)는 추정 비트를 생성하는 과정과는 별도로 송신 장치(100)에 채널 상태 정보를 전송하여 송신 장치(100)로 하여금 채널 행렬을 추출할 수 있도록 한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템과 기존 시스템의 성능을 비교하기 위하여 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 송신 장치, 110: 빔형성부,

120: 행렬 연산부, 130: 송신 안테나,

200: 수신 장치, 210: 수신 결합부,

230: 수신 안테나

Claims

제1 수신 장치를 포함하는 복수의 수신 장치에 대한 다중 입출력 시스템의 빔형성 장치로서,

송신 빔형성 행렬과 수신 결합 행렬을 연산하는 행렬 연산부, 그리고

상기 송신 빔형성 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 빔형성부를 포함하며,

상기 행렬 연산부는 상기 복수의 수신 장치 중에서 상기 제1 수신 장치를 제외한 수신 장치의 수신 결합 행렬을 고정시킨 상태에서 상기 제1 수신 장치의 수신 결합 행렬을 업데이트하는

빔형성 장치.
제1항에서,

상기 행렬 연산부는 적어도 하나의 위상 값을 계산하고, 상기 빔형성부는 상기 적어도 하나의 위상 값을 상기 수신 장치로 전송하는 빔형성 장치.
제2항에서,

상기 수신 장치는 상기 빔형성부로부터의 상기 적어도 하나의 위상 값을 이용하여 상기 수신 결합 행렬을 계산하는 빔형성 장치.
제1항에서,

상기 송신 빔형성 행렬
은
으로 계산되며, 상기
는
으로 계산되고, 상기
는 상기 수신 결합 행렬이며, 상기
는 채널 행렬인 빔형성 장치.
제1항에서,

상기 수신 장치가 두 개의 수신 안테나를 가지고 있고 각 수신 장치에 하나의 스트림이 제공되는 경우
번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터
는 행렬
의 최대 고유값(maximum eigenvalue)에 대응하는 단위 놈 고유벡터(unit-norm eigenvector)에 기초하여 결정되는 빔형성 장치.
제5항에서,

상기 수신 결합 벡터
는 행렬
의 어느 한 행으로 나타낼 수 있으며, 상기 행렬 연산부는 상기 어느 한 행의 원소를 이용하여 두 개의 위상 값을 추출하는 빔형성 장치.
제1항에서,

상기 수신 장치가 두 개의 수신 안테나를 가지고 있고 각 수신 장치에 하나의 스트림이 제공되는 경우
번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터
는 행렬
의 최대 고유값에 대응하는 단위 놈 고유벡터에 기초하여 결정되는 빔형성 장치.
제7항에서,

상기 수신 결합 벡터
는 결합되어 있는 두 개의 복소 회전 행렬
중 어느 하나의 행으로 나타낼 수 있으며, 상기 행렬 연산부는 상기 어느 하나의 행의 원소를 이용하여 한 개의 위상 값을 추출하는 빔형성 장치.
제1 수신 장치를 포함하는 복수의 수신 장치에 대한 다중 입출력 시스템의 빔형성 방법으로서,

송신 빔형성 행렬과 수신 결합 행렬을 연산하는 단계, 그리고

상기 송신 빔형성 행렬과 심벌을 이용하여 연산을 수행하여 송신 신호를 생성하는 단계를 포함하며,

상기 연산 단계는 상기 복수의 수신 장치 중에서 상기 제1 수신 장치를 제외 한 수신 장치의 수신 결합 행렬을 고정시킨 상태에서 상기 제1 수신 장치의 수신 결합 행렬을 업데이트하는 단계를 포함하는

빔형성 방법.
제9항에서,

상기 연산 단계는 적어도 하나의 위상 값을 계산하는 단계를 포함하고,

상기 생성 단계는 상기 적어도 하나의 위상 값을 상기 수신 장치로 전송하는 단계를 포함하는 빔형성 방법.
제10항에서,

상기 수신 장치에서 상기 적어도 하나의 위상 값을 이용하여 상기 수신 결합 행렬을 계산하는 빔형성 방법.
제9항에서,

상기 송신 빔형성 행렬
은
으로 계산되며, 상기
는
으로 계산되고, 상기
는 상기 수신 결합 행렬이며, 상기
는 채널 행렬인 빔형성 방법.
제9항에서,

상기 수신 장치가 두 개의 수신 안테나를 가지고 있고 각 수신 장치에 하나의 스트림이 제공되는 경우
번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터
는 행렬
의 최대 고유값(maximum eigenvalue)에 대응하는 단위 놈 고유벡터(unit-norm eigenvector)에 기초하여 결정되는 빔형성 방법.
제13항에서,

상기 수신 결합 벡터
는 행렬
의 어느 한 행으로 나타낼 수 있으며,

상기 연산 단계는 상기 어느 한 행의 원소를 이용하여 두 개의 위상 값을 추출하는 단계를 포함하는 빔형성 방법.
제9항에서,

상기 수신 장치가 두 개의 수신 안테나를 가지고 있고 각 수신 장치에 하나의 스트림이 제공되는 경우
번째 수신 장치에 대한 수신 결합 벡터
는 행렬
의 최대 고유값에 대응하는 단위 놈 고유벡터에 기초하여 결정되는 빔형성 방법.
제15항에서,

상기 수신 결합 벡터
는 결합되어 있는 두 개의 복소 회전 행렬
중 어느 하나의 행으로 나타낼 수 있으며,

상기 연산 단계는 상기 어느 하나의 행의 원소를 이용하여 한 개의 위상 값을 추출하는 단계를 포함하는 빔형성 방법.