KR20100091899A - 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치 - Google Patents

이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치에 관한 것으로서,이동통신 시스템의 중계기에서 빔형성에 기반한 신호 중계 방법은, 송신단으로부터 수신된 신호를 복호하여 복호 오류 발생 여부를 검사하는 과정과, 상기 복호 오류가 발생된 경우, 복호 오차 정보에 대응되는 빔형성 가중치를 획득하는 과정과, 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 상기 빔형성 가중치를 적용하는 과정과, 상기 빔형성 가중치가 적용된 신호를 송신하는 과정을 포함하여, 단말의 복호 성능을 향상시킬 수 있으며, 기지국과 중계기 사이의 불필요한 재전송을 줄이고, 기지국으로부터의 신호 수신 전력이 약한 셀 가장자리에 존재하는 단말들로 높은 전송 효율을 제공할 수 있다

Description

이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR COOPERATIVE RELAYING BASED ON BEAMFORMING IN A MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 중계기의 복호 오류를 고려하여 빔형성을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이동통신 시스템의 성능을 향상시키기 위해 협력 통신(cooperative communication) 기법이 활발히 연구되고 있다. 상기 협력 통신 기법은 단말과 기지국이 다수의 중계기, 다른 단말 혹은 다른 기지국들과 협력하여 통신을 수행함으로써, 링크 효율을 향상시키는 방식이다.
도 1은 종래 기술에 따른 빔형성 기반의 협력 중계 시스템을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 안테나를 가지는 기지국(100)이 통신하고자 하는 단말(120) 주변에 위치한 다수의 중계기들(110)로 신호를 송신하고, 상기 다수의 중계기들(110)이 가상의 다중 안테나처럼 동작하여 상기 단말(120)로 신호를 재송신하는 기법이다. 상기와 같은 협력 통신 기법은 단일 안테나 환경에서 다중 안테나 이득을 획득할 수 있는 효과가 있으며, 셀 가장자리에 위치한 단말과 기지국 간의 링크 상황이 좋지 않은 경우에 더욱 큰 이득을 얻을 수 있는 장점이 있다.
상기 협력 통신 기법에서 다수의 중계기(110)는 가상의 신호 송신 그룹이 되어 상기 기지국(100)으로부터 수신된 신호를 상기 단말(120)로 송신하고, 반대로 상기 단말(120)로부터 수신된 신호를 상기 기지국(100)으로 송신한다. 여기서, 하향링크 전송을 예로 들면, 상기 다수의 중계기(110) 각각은 상기 기지국(100)으로부터 받은 신호를 독립적으로 복호하고, 복호한 신호를 다시 부호화한 후, 부호화된 신호에 빔형성 가중치(wk)를 곱하여 상기 단말(120)로 동시에 재전송하며, 상기 단말(120)은 빔형성되어 수신된 신호를 복호한다. 이때, 상기 다수의 중계기들(110)이 빔형성을 하여 신호를 재전송함으로써, 상기 기지국(120)이 상기 단말(120)로 신호를 직접 전송하는 경우에 대비하여 높은 링크 효율을 얻을 수 있다. 즉, 상기 다수의 중계기들(110)이 상기 기지국(100)으로부터 수신된 신호를 완벽하게 복호하여 오류 없이 상기 단말(120)로 재전송할 경우, 높은 성능을 얻을 수 있다.
하지만, 일반적으로 하나 혹은 그 이상의 중계기들(110)이 수신 신호 복호를 실패하는 경우가 발생될 수 있다. 여기서, 상기 다수의 중계기들(110)이 복호 오류가 포함된 신호를 그대로 재부호화하여 단말(120)로 송신하게 되면, 상기 단말(120)의 복호 성능이 열화되는 문제점이 발생한다. 이에 따라, 상기 복호 오류가 발생한 중계기(110)가 복호가 성공할 때까지 상기 기지국(100)으로부터 신호를 재전송받는 기법이 제공되었으나, 이 경우 상기 중계기(110)가 신호를 완벽하게 복호할 수는 있지만, 전송 지연 시간이 길어지고, 자원의 소비가 증가하는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반한 협력 중계 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 중계기의 복호 오류를 고려하여 빔형성을 수행하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이동통신 시스템에서 중계기의 복호 오류를 고려하여 단말의 복호 성능을 향상시키기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 이동통신 시스템의 중계기에서 빔형성에 기반한 신호 중계 방법은, 송신단으로부터 수신된 신호를 복호하여 복호 오류 발생 여부를 검사하는 과정과, 상기 복호 오류가 발생된 경우, 복호 오차 정보에 대응되는 빔형성 가중치를 획득하는 과정과, 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 상기 빔형성 가중치를 적용하는 과정과, 상기 빔형성 가중치가 적용된 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면,이동통신 시스템의 수신단에서 빔형성 가중치 결정 방법은, 복수의 중계기들로부터 복호 오차 정보를 수신하는 과정과, 상기 복호 오차 정보를 이용하여 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 과정과, 상기 계산된 빔형성 가중치를 상기 복수의 중계기 각각으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반하여 신호를 중계하기 위한 중계기의 장치는, 송신단으로부터 수신된 신호에 대한 복호 오류 발생 여부를 검사하는 복호 오류 검사부와, 상기 복호 오류가 발생된 경우, 복호 오차 정보를 추정하는 복호 오차 추정부와, 상기 추정된 복호 오차에 대응되는 빔형성 가중치를 획득하여 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 적용하는 가중치 적용부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 중계기 기반의 이동통신 시스템에서 빔형성 가중치를 결정하기 위한 수신단의 장치는, 복수의 중계기들로부터 복호 오차 정보를 수신하는 수신부와, 수신된 복호 오차 정보를 이용하여 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 가중치 계산부와, 상기 계산된 빔형성 가중치를 상기 복수의 중계기 각각으로 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 이동통신 시스템에서 중계기의 복호 오류를 고려하여 빔형성을 수행함으로써, 단말의 복호 성능을 향상시킬 수 있으며, 기지국과 중계기 사이의 불필요한 재전송을 줄이고, 기지국으로부터의 신호 수신 전력이 약한 셀 가장자리에 존재하는 단말들로 높은 전송 효율을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 빔형성 기반의 협력 중계 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 중계기의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 중계기의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 6은 종래 기술과 본 발명에 따른 이동통신 시스템의 빔형성에 따른 성능 그래프를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 중계기와 단말의 복호 오류 그래프를 도시하는 도면, 및
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 이동통신 시스템에서 중계기가 빔형성 가중치를 계산하는 경우를 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 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 생략한다.
이하 본 발명에서는 이동통신 시스템에서 중계기의 복호 오류를 고려하여 빔형성을 수행하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다. 이하 설명에서는 하향링크 전송을 예로 들어 설명하며, 상향링크 전송에도 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 이하 설명에서는 중계기들이 단말로 신호를 전송하는 동안, 기지국이 상기 단말로 신호를 전송하지 않는다고 가정하여 설명하며, 상기 중계기들이 단말로 신호를 전송하는 동안 기지국이 상기 단말로 신호를 전송하는 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 중계기의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 중계기는 신호 수신부(200), 신호 복호부(210), 복호 오류 검사부(220), 오차 전력 추정부(230), 가중치 적용부(240), 및 신호 송신부(250)를 포함하여 구성된다.
상기 신호 수신부(200)는 기지국 및 단말로부터 신호를 수신하여 상기 신호 복호부(210)로 제공하고, 상기 신호 복호부(210)는 상기 신호 수신부(200)로부터 제공되는 신호를 복호하여 상기 복호 오류 검사부(220)로 제공한다. 여기서, 상기 신호 수신부(200)는 본 발명에 따라 단말로부터 빔형성 가중치가 수신될 경우, 수신된 빔형성 가중치를 상기 가중치 적용부(240)로 제공한다.
상기 복호 오류 검사부(220)는 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 수행하여 상기 수신된 신호가 오류없이 복호되었는지 검사한다. 상기 복호 오류 검사부(220)는 상기 CRC검사를 수행한 결과 수신 신호가 오류없이 복호되었음이 판단될 경우, 복호된 신호를 부호화하여 상기 가중치 적용부(240)로 제공하고, 상기 CRC를 수행한 결과 복호 오류가 발생된 것이 판단될 경우, 상기 복호된 신호를 상기 오차 전력 추정부(230)와 상기 가중치 적용부(240)로 제공한다.
상기 오차 전력 추정부(230)는 상기 복호 오류 검사부(220)로부터 복호 오류가 발생한 신호를 제공받고, 복호 오차의 전력 값을 추정한 후, 계산된 복호 오차의 전력 값을 상기 신호 송신부(250)로 제공하여 단말로 전송되도록 한다.
상기 가중치 적용부(240)는 상기 복호 오류 검사부(220)로부터 제공되는 신호에 빔형성 가중치를 곱한 후, 상기 신호 송신부(250)로 제공한다. 여기서, 상기 가중치 적용부(240)는 상기 복호 오류 검사부(220)로부터 복호 오류가 발생하지 않은 신호가 제공될 경우 종래의 기술에 따라 채널 정보를 바탕으로 설정된 가중치를 곱하고, 상기 복호 오류 검사부(220)로부터 복호 오류가 발생한 신호가 제공될 경우 본 발명에 따라 상기 신호 수신부(200)를 통해 단말로부터 수신된 빔형성 가중치를 곱한다.
상기 신호 송신부(250)는 상기 기지국 및 단말로 신호를 송신하는 역할을 수행하고, 본 발명에 따라 상기 오차 전력 추정부(230)로부터 복호 오류의 전력 값을 제공받아 상기 단말로 송신하며, 상기 가중치 적용부(240)로부터 가중치가 적용된 신호를 제공받아 상기 단말로 송신한다.
도 3은 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 단말은 신호 수신부(300), 가중치 계산부(310), 간섭 및 잡음 전력계산부(320), 신호 복호부(340), 신호 송신부(350)를 포함하여 구성된다.
상기 신호 수신부(300)는 기지국 및 중계기로부터 신호를 수신하여 출력한다. 상기 신호 수신부(300)는 본 발명에 따라 중계기로부터 복호 오차의 전력 값이 제공될 경우, 상기 복호 오차의 전력 값을 가중치 계산부(310)로 제공하고, 상기 중계기로부터 빔형성에 따라 수신된 신호를 상기 신호 복호부(340)로 제공한다.
상기 가중치 계산부(310)는 상기 신호 수신부(300)를 통해 각 중계기들로부터 평균 복호 오차의 전력 값을 제공받고, 평균 오차 전력 값을 이용하여 각 중계기의 빔형성 가중치를 계산한다. 이후, 상기 가중치 계산부(310)는 상기 계산된 각 중계기의 빔형성 가중치를 상기 신호 송신부(350)로 제공하여 해당 중계기들로 전송되도록 한다. 또한, 상기 가중치 계산부(310)는 상기 평균 오차 전력 값을 상기 간섭 및 잡음 전력 계산부(320)로 제공한다.
상기 간섭 및 잡음 전력 계산부(320)는 상기 가중치 계산부(310)로부터 제공되는 평균 오차 전력 값을 이용하여 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력을 계산하고, 계산된 간섭 및 잡음 전력을 상기 신호 복호부(340)로 제공한다.
상기 신호 복호부(340)는 상기 간섭 및 잡음 전력 계산부(320)로부터 제공된 간섭 및 잡음 전력을 고려하여 상기 신호 수신부(300)로부터의 수신 신호를 복호한다.
상기 신호 송신부(350)는 상기 기지국 및 중계기로 신호를 송신하는 역할을 수행하고, 본 발명에 따라 상기 가중치 계산부(310)로부터 제공되는 각 중계기의 가중치를 해당 중계기들로 송신한다.
상술한 도 2 및 도 3과 같이, 본 발명은 하나 이상의 중계기에서 복호 오류가 발생한 경우, 상기 복호 오류가 발생한 중계기가 복호 오차의 평균 전력 값을 계산하여 단말로 전송하면, 상기 단말이 상기 복호 오차 전력 값을 이용하여 각 중계기들의 빔형성 가중치를 계산하고, 계산된 빔형성 가중치를 해당 중계기들로 전송함으로써, 각 중계기들이 빔형성을 수행하여 기지국으로부터의 신호를 단말로 전송하는 방식이다.
단말의 수신 신호는 하기 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00001
여기서, x는 각 중계기들이 특정 시간에 단말로 전송해야할 심볼을 나타내고, Δx 는 k번째 중계기에서 복호 오류로 인해 발생한 x의 복호 오차를 나타내고, y는 단말의 수신신호를 나타내며, hk는 k번째 중계기와 단말 사이의 채널을 나타내고, h는 N개의 중계기들과 단말 사이의 채널들([h1 h2 ... hN]T)을 나타내고, 여기서, [·]T는 행렬 복소 전치(conjugate transpose)를 나타낸다. 그리고, wk는 k번째 중계기의 빔형성 가중치를 나타내고, w는 전체 빔형성 가중치 벡터([w1 w2 ... wN]H)를 나타내며, v는 평균 전력 σv 2을 가지는 정규 잡음 신호를 나타낸다.
여기서, 송신 심볼 x의 전력 값이 1 즉, E|x|2 = 1이라고 가정하면, 신호의 평균 전력 |hHw|2 = wHR1W로 표현되며, R1은 hhH가 된다. 이때, 각 중계기가 독립적으로 복호를 수행하므로 각 중계기들의 심볼 오류([Δx1 Δx2 ... ΔxN])가 상호 독립적이라고 가정하면, 상기 단말이 수신하는 신호의 간섭 및 잡음의 평균 전력은 하기 수학식 2와 같이 표현되며, 하기 수학식 2는 다시 하기 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure pat00002
여기서, 상기
Figure pat00003
는 k번째 중계기로부터 수신된 심볼 오류의 전력 값을 나타낸다.
Figure pat00004
여기서, R2는 대각행렬로서, 대각선 원소(diagonal elements)로
Figure pat00005
를 가진다.
결과적으로, 상기 단말에 수신되는 신호의 간섭 잡음 비(SINR; Signal to Interference Ratio)는 하기 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 1로 가정한다.
여기서, 각 중계기들이 단말의 수신 SINR을 최대로 하는 빔형성을 수행하도록 상기 단말은 상기 수학식 4에 나타낸 SINR을 최대로 하는 빔형성 가중치를 계산한다.
상기 단말은 상기 수학식 4의 일반적인 아이겐벨류 문제(generalized eigenvalue problem)의 해를 구함으로써, 하기 수학식 5와 같은 최적의 빔형성 가중치를 획득할 수 있다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
는 빔형성 가중치를 나타내고, 상기
Figure pat00010
에 Cholesky decomposition을 적용하여
Figure pat00011
인 하삼각(lower triangular) 행렬 L을 구할 수 있다.
그리고, 새로운 벡터
Figure pat00012
를
Figure pat00013
로 정의하여 상기 수학식 5를 하기 수학식 6과 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
라고 정의하면, 상기 수학식 6은 다시 하기 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure pat00016
상기 수학식 7은 eigenvalue problem의 해를 구하는 것으로 즉,
Figure pat00017
는
Figure pat00018
의 최대 eigenvalue의 eigenvector가 된다.
상기와 같이, 단말은
Figure pat00019
를 구한 후,
Figure pat00020
의 관계를 이용하여 빔형성 가중치
Figure pat00021
를 계산하고, 제어 채널 혹은 데이터 채널을 통해 상기 계산된 빔형성 가중치
Figure pat00022
를 중계기로 피드백한다.
또한, 상기와 같이 빔형성 가중치가
Figure pat00023
일 경우, 상기 단말로 수신되는 신호의 간섭 및 잡음 전력은
Figure pat00024
으로 표현되므로, 상기 단말은 상기 상기 복호 오차의 평균 전력 값
Figure pat00025
을 이용하여 상기 대각행렬
Figure pat00026
를 계산함으로써, 상기 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력을 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 중계기의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 중계기는 401단계에서 기지국으로부터 신호를 수신하고, 403단계에서 수신된 신호를 복호한다. 이후, 상기 중계기는 405단계에서 CRC 검사를 수행하여 상기 복호된 신호에 오류가 발생되었는지 여부를 판단한다. 상기 중계기는 상기 복호 오류가 발생하지 않은 경우, 415단계에서 종래 기법에 따라 채널 정보를 바탕으로 설정된 빔형성 가중치를 적용하여 신호를 송신하고, 상기 복호 오류가 발생한 경우, 407단계에서 복호 오류로 인한 복호 오차의 전력을 추정한다. 여기서, 상기 단말은 복호된 신호를 통해 획득한 LLR(Log-Likelihood Ratio)에 CRC 검사를 수행하여 복호된 신호가 오차를 가지고 있을 확률을 계산할 수 있으며, 상기 복호 신호가 오차를 가지고 있을 확률은 재부호화 후 얻어지는 심볼의 오차 확률 분포로 변환이 가능하기 때문에, 이를 통해 심볼 오차의 전력 값
Figure pat00027
를 계산할 수 있다. 예를 들어, BPSK 변조를 사용하는 시스템에서 LLR을 통해 얻어진 비트의 확률이 P(b=0), P(b=1)이고, P(b=0) > P(b=1)경우를 살펴보기로 한다. 이때, 상기 신호 복호부(210)는
Figure pat00028
이라고 복호 결정을 내리지만, 상기 P(b=1)이 0이 아니므로, 복호 오류가 존재하게 된다. 상기 BPSK 변조에서 b=0에 해당하는 심볼 x는 0이고, b=1에 해당하는 심볼 x는 -1인 경우, 각 심볼의 확률은 P(x=1)=P(b=0), P(x=-1)=P(b=1)이되며, 상기 P(b=0) > P(b=1) 이므로, P(x=1) > P(x=-1)이되어
Figure pat00029
이 된다. 이에 따라, 상기 심볼의 복호 오차 전력 값은
Figure pat00030
으로 구할 수 있다.
이후, 상기 중계기는 409단계에서 상기 추정된 복호 오차의 전력 값을 단말로 전송하고, 411단계에서 상기 단말로부터 상기 복호 오차에 기반한 가중치 정보를 수신한다. 이후, 상기 중계기는 상기 가중치를 수신 신호에 적용하여 빔형성을 수행함으로써, 상기 기지국으로부터 수신된 신호를 단말로 송신한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 단말은 501단계에서 중계기들로부터 복호 오차 전력 값을 수신하고, 503단계로 진행하여 상기 수신된 복호 오차 전력 값들을 이용하여 중계기 각각의 가중치를 계산한다. 즉, 상기 단말은 상기 수학식 4와 같은 단말의 SINR을 최대로 하는 가중치를 계산하며, 이는 상기 수학식 5를 이용하여 계산할 수 있다.
이후, 상기 단말은 505단계에서 상기 계산된 각 중계기의 가중치를 해당 중계기로 전송하고, 507단계로 진행하여 상기 수신된 복호 오차 전력 값과 상기 가중치를 이용하여 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력을 계산한다. 즉, 상기 단말은 상기 각 중계기로부터 수신된 복호 오차 전력 값의 평균 즉, 복호 오차의 평균 전력 값과 상기 계산된 가중치를 이용하여 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력을 계산한다.
이후, 상기 단말은 509단계에서 상기 각 중계기들로부터 상기 단말이 전송한 가중치가 적용된 신호를 수신하고, 511단계에서 상기 계산된 간섭 및 잡음 전력을 이용하여 상기 수신된 신호를 복호한다.
도 6은 종래 기술과 본 발명에 따른 이동통신 시스템의 빔형성에 따른 성능 그래프를 도시하고 있다. 여기서는, 기지국, 중계기 및 단말 모두가 단일 안테나를 가지고 있으며, 총 4개의 중계기들을 이용하는 경우를 가정하였으며, 상기 기지국과 중계기 사이 채널의 평균 신호대 잡음비와 상기 중계기와 단말 사이 채널의 평균 신호대 잡음비가 동일하며, 상기 기지국에서 단말까지의 신호대 잡음비는 상기 기지국과 중계기 및 중계기와 단말 사이의 채널의 신호대 잡음비보다 6dB 낮다고 가정하였다. 또한, 여기서는 길이 1/2 전송률의 1024 길이의 터보 부호어와 QPSK 복조를 사용하였으며, 가로축은 중계기와 단말 사이 채널의 신호대 잡음비를 나타내며, 세로축은 블럭 에러 율(BLER; Block Error Rate)을 나타낸다.
상기 도 6을 참조하면, 스킴(scheme) 1은 종래 기술에 따라 중계기에서의 복호 오류를 고려하지 않고, 채널 정보만을 이용하여 빔형성 가중치를 적용한 경우의 성능을 나타낸다. 그리고, 스킴 2는 각 중계기가 복호 오차의 전력 값을 단말로 알려주고, 단말이 상기 복호 오차의 전력 값을 이용하여 간섭 및 잡음 전력을 계산한 후, 계산된 간섭 및 잡음 전력을 바탕으로 신호를 복호한 경우의 성능을 나타낸다. 그리고, 스킴 3은 상기 스킴 2에 더하여 상기 단말이 각 중계기의 복호 오차를 고려해 각 중계기의 빔형성 가중치를 계산하고, 각 중계기가 상기 단말이 계산한 빔형성 가중치를 바탕으로 빔형성을 수행하는 경우의 성능을 나타낸다.
상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 스킴 2와 3이 종래 기술에 따른 스킴 1에 비해 보다 낮은 블럭 에러 율을 갖는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 이동통신 시스템에서 중계기와 단말의 복호 오류 그래프를 도시하고 있다. 여기서, 상기 도 7의 실험 환경은 도 6과 동일하며, 가로축은 중계기와 단말 사이 채널의 신호대 잡음비를 나타내며, 세로축은 블럭 에러 율(BLER; Block Error Rate)을 나타낸다.
상기 도 7을 참조하면, 중계 그룹(Relay Group)은 다수의 중계기들이 기지국으로부터 신호를 수신하여 복호하는 경우에 복호 오류 정도를 나타내며, 스킴(Scheme) 3은 상기 도 6에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 제안한 방식을 이용하는 경우에 단말에 도달한 신호의 복호 오류 정도를 나타낸다. 상기 도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안한 스킴 3이 중계 그룹에 비해 보다 낮은 블럭 에러 율을 갖는 것을 알 수 있으며, 상기 중계 그룹의 복호 오류 경향을 분석함으로써 종래 기술에 따른 방식인 스킴 1과 본 발명에 따른 스킴 3의 전송지연 정도를 분석할 수 있다. 상기 종래 기술에 따른 방식의 경우, 중계기에서 복호 오류가 발생하면 기지국으로부터의 재전송이 발생하게 되며, 이러한 재전송 확률은 상기 복호 오류가 높을 수록 높아지며, 빈번한 재전송 용구로 인해 전송 지연이 증가되는 문제점이 발생될 수 있다. 반대로, 본 발명에서 제안한 스킴 3의 경우, 중계기 대신 단말에서 재전송 여부를 판단하고, 중계기의 복호 오류가 고려되어 낮은 확률로 재전송을 요구하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 스킴 3이 종래 기술에 비해 재전송 횟수가 발생될 확률이 작으며, 재전송에 따른 전송 지연이 감소하여 제한된 자원 환경에서 전송 가능한 데이터 용량을 증가시킬 수 있다.
상술한 설명에서의 중계기 역할은, 현재 기지국과의 통신을 쉬고 있는 셀 내의 다른 단말들이 수행할 수도 있다.
또한, 상술한 설명에서는 단말이 중계기들로부터 복호 오차를 수신하여 빔형성을 위한 가중치를 계산하였으나, 상기 빔형성을 위한 가중치는 중계기에서 계산할 수 도 있다. 즉, 하나의 중계기가 다른 중계기들로부터 복호 오차와 해당 단말과의 채널 정보를 수신하여 빔형성을 위한 가중치를 계산하고, 상기 다른 중계기들로 계산된 가중치 값을 전송할 수도 있다. 여기서, 상기 하나의 중계기는 다른 중계기들과 해당 단말 간의 채널 정보를 상기 다른 중계기들 혹은 해당 단말로부터 수신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 이동통신 시스템에서 중계기가 빔형성 가중치를 계산하는 경우를 도시하고 있다. 여기서, 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)은 상기 도 2에 도시된 바와 같이 구성되므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)은 기지국으로부터 수신된 신호를 복호하여 복호 오류가 발생될 경우, 평균 복호 오차의 전력 값을 추정한 후, 평균 복호 오차의 전력 값을 상기 중계기 M(810)으로 전송한다(850단계). 이때, 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)은 해당 단말로부터 채널 정보를 수신하여 상기 중계기 M(810)으로 전송할 수 있다. 이후, 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)은 상기 중계기 M(810)으로부터 빔형성 가중치를 제공받고(852단계), 상기 기지국으로부터 수신된 신호에 상기 빔형성 가중치를 곱하여 단말(820)로 전송한다(854단계).
상기 중계기 M(810)은 신호 수신부(812), 가중치 계산부(814) 및 신호 송신부(816)를 포함하여 구성됨으로써, 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)로부터 평균 복호 오차를 수신하여 상기 수학식 5와 같이 각 중계기의 빔형성 가중치를 계산하고, 이를 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)로 전송한다. 즉, 상기 중계기 M(810)은 상기 신호 수신부(812)를 통해 평균 복호 오차의 전력 값들과 해당 단말과의 채널 정보를 수신하고, 상기 가중치 계산부(814)를 통해 상기 평균 오차 전력 값을 이용하여 각 중계기의 빔형성 가중치를 계산한다. 이후, 중계기 M(810)은 상기 신호 송신부(816)를 통해 상기 각 중계기의 빔형성 가중치를 해당 중계기들로 전송한다(852단계).
그러면, 상기 단말(820)은 신호 수신부(822), 신호 복호부(824) 및 신호 송신부(826)를 포함하여 구성됨으로써, 상기 기지국으로부터 빔형성에 따라 수신된 신호를 복호하고, 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k)과의 채널 정보를 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k) 혹은 중계기 M(810)으로 송신한다. 여기서, 상기 단말(820)은 다수의 중계기들(800-1 내지 800-k) 혹은 중계기 M(810)으로부터 평균 오차 전력 값을 제공받아 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력을 계산하고, 계산된 간섭 및 잡음 전력을 고려하여 상기 수신 신호를 복호할 수 있다.
여기서는, 설명의 편의를 위해 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-K)과 상기 중계기 M(810)이 별도로 구성된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 상기 중계기 M(810)은 상기 다수의 중계기들(800-1 내지 800-K)과 같이 기지국과 단말 간의 신호를 중계하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 중계기 M(810)에서 수행되는 기능은 상기 다수의 중계기들 중 하나의 중계기에서 수행될 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는 단일 안테나를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 기지국 중계기 및 단말이 다중 안테나를 사용하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 신호 수신부 210: 신호 복호부
220: 복호 오류 검사부 230: 오차 전력 추정부
240: 가중치 적용부 250: 신호 송신부
300: 신호 수신부 310: 가중치 계산부
320: 간섭 및 잡음 전력계산부 330: 신호 복호부
350: 신호 송신부

Claims (18)

  1. 이동통신 시스템의 중계기에서 빔형성에 기반한 신호 중계 방법에 있어서,
    송신단으로부터 수신된 신호를 복호하여 복호 오류 발생 여부를 검사하는 과정과,
    상기 복호 오류가 발생된 경우, 복호 오차 정보에 대응되는 빔형성 가중치를 획득하는 과정과,
    상기 송신단으로부터 수신된 신호에 상기 빔형성 가중치를 적용하는 과정과,
    상기 빔형성 가중치가 적용된 신호를 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 빔형성 가중치를 획득하는 과정은,
    상기 복호 오차 정보를 다른 중계기 혹은 수신단으로 전송하는 과정과,
    상기 다른 중계기 혹은 수신단으로부터 빔형성 가중치를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 빔형성 가중치를 획득하는 과정은,
    다수의 중계기들로부터 복호 오차 전력 값과 해당 수신단에 대한 채널 정보를 수신하는 과정과,
    자신의 복호 오차 전력 값과 해당 수신단과의 채널 정보를 획득하는 과정과,
    상기 복호 오차 전력 값들과 채널 정보들을 이용하여 각 중계기들에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 과정과,
    상기 계산된 빔형성 가중치를 해당 중계기들로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 각 중계기들에 대한 빔형성 가중치는, 상기 수신단으로 수신되는 신호의 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)을 최대로 하는 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 복호 오류가 발생되지 않은 경우, 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 수신단과의 채널 정보만을 이용한 빔형성 가중치를 적용하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 이동통신 시스템의 수신단에서 빔형성 가중치 결정 방법에 있어서,
    복수의 중계기들로부터 복호 오차 정보를 수신하는 과정과,
    상기 복호 오차 정보를 이용하여 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 과정과,
    상기 계산된 빔형성 가중치를 상기 복수의 중계기 각각으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 빔형성 가중치를 계산하는 과정은,
    상기 복수의 중계기들 각각에 대한 채널 정보를 획득하는 과정과,
    상기 수신된 복호 오차 정보와 상기 채널 정보들을 이용하여 각 중계기들에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 과정을 포함하며,
    상기 복호 오차 정보는 복호 오차 전력 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치는, 상기 수신단으로 수신되는 신호의 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)을 최대로 하는 값인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 수신된 복호 오차 정보와 상기 빔형성 가중치를 이용하여 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력 중 적어도 하나를 계산하는 과정과,
    상기 복수의 중계기들로부터 상기 빔형성 가중치가 적용된 신호를 수신하는 과정과,
    상기 계산된 간섭 및 잡음 전력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 수신된 신호를 복호하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 이동통신 시스템에서 빔형성에 기반하여 신호를 중계하기 위한 중계기의 장치에 있어서,
    송신단으로부터 수신된 신호에 대한 복호 오류 발생 여부를 검사하는 복호 오류 검사부와,
    상기 복호 오류가 발생된 경우, 복호 오차 정보를 추정하는 복호 오차 추정부와,
    상기 추정된 복호 오차에 대응되는 빔형성 가중치를 획득하여 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 적용하는 가중치 적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 복호 오차 정보를 다른 중계기 혹은 수신단으로 전송하는 송신부와,
    상기 다른 중계기 혹은 수신단으로부터 빔형성 가중치를 수신하는 수신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 다수의 중계기들로부터 복호 오차 전력 값과 해당 수신단에 대한 채널 정보를 수신하는 수신부와,
    자신의 복호 오차 전력 값과 해당 수신단과의 채널 정보를 획득하고, 상기 복호 오차 전력 값들과 채널 정보들을 이용하여 복수의 중계기들 각각에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 가중치 계산부와,
    상기 계산된 빔형성 가중치를 해당 중계기들로 전송하는 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 복수의 중계기들 각각에 대한 빔형성 가중치는, 상기 수신단으로 수신되는 신호의 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)을 최대로 하는 값인 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 가중치 적용부는, 복호 오류가 발생되지 않은 경우, 상기 송신단으로부터 수신된 신호에 수신단과의 채널 정보만을 이용한 빔형성 가중치를 적용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 중계기 기반의 이동통신 시스템에서 빔형성 가중치를 결정하기 위한 수신단의 장치에 있어서,
    복수의 중계기들로부터 복호 오차 정보를 수신하는 수신부와,
    수신된 복호 오차 정보를 이용하여 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치를 계산하는 가중치 계산부와,
    상기 계산된 빔형성 가중치를 상기 복수의 중계기 각각으로 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 가중치 계산부는, 상기 복수의 중계기들로부터 수신된 복호 오차 정보와 상기 복수의 중계기들 각각에 대한 채널 정보를 이용하여 각 중계기들에 대한 빔형성 가중치를 계산하며,
    상기 복호 오차 정보는 복호 오차 전력 값인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 복수의 중계기 각각에 대한 빔형성 가중치는, 상기 수신단으로 수신되는 신호의 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)을 최대로 하는 값인 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 수신부는, 상기 중계기들로부터 상기 빔형성 가중치가 적용된 신호를 수신하며,
    상기 수신단은, 상기 수신된 복호 오차 정보와 상기 빔형성 가중치를 이용하여 수신 신호의 간섭 및 잡음 전력 중 적어도 하나를 계산하는 간섭 및 잡음전력 계산부와,
    상기 계산된 간섭 및 잡음 전력 중 적어도 하나를 이용하여 상기 수신된 신호를 복호하는 복호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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