KR20100112075A - Ｍｉｍｏ 코드북 생성 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코드북 기반 프리코딩 기술 방법에 관한 것으로 낮은 규격(lower dimension) (즉, 상대적으로 적은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들(codebook entries)이 높은 규격(higher dimension) (즉, 상대적으로 많은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 코드북 생성에 사용되는 방법이다. 즉, 낮은 규격 코드북을 기반으로 높은 규격 코드북을 생성하여 더욱 쉬운 코드북 설계를 가능케 하고 이동국(UE 또는 MS)의 필요 메모리 공간을 줄이는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

Description

ＭＩＭＯ 코드북 생성 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING A MIMO (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT) CODEBOOK}

본 발명은 코드북 기반 프리코딩 기술 방법에 관한 것으로 낮은 규격(lower dimension) (즉, 상대적으로 적은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들(codebook entries)이 높은 규격(higher dimension) (즉, 상대적으로 많은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 코드북을 생성하는 방법에 관한 것이다.

종래기술에는 복수 접속(또는 다중 접속) 기술 즉 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 알려져 있다. 즉, 송신단 및 수신단 두 군데 모두에서 복수개(다중) 안테나들을 사용하여 무선 통신 성능을 향상시키는 기술이다. 즉, 다중 안테나를 사용하므로 추가적인 대역폭 또는 전송 전력 없이 링크 범위 및 데이터 처리량을 증가시킬 수 있다.

종래기술에서는 다중 입력 다중 출력 (Multiple Input Multiple Output: (MIMO) 처리 절차들은 복잡한 계산 및 전반적인 처리 부담으로 문제가 있었다. 따라서, 선행기술은 이러한 사항들을 충분히 다루지 않으며 적합한 해결책을 제시하고 있지 않다.

본 발명자들은 상기 선행기술의 문제점을 인식하여 이후 설명될 여러 특징을 창안하여, 다중 입력 다중 출력 (Multiple Input Multiple Output: (MIMO) 처리 절차들이 보다 효율적이고 효과적으로 수행할 수 있게 해준다. 특히, 특정한 코드북(codebook) 기반 프리코딩(precoding) 기술은 MIMO 시스템에서 보다 많은 수의 전송 안테나를 필요로 하는 상황에 적응될 수 있다. 그 결과, 복잡한 계산 및 처리 부담을 최소화시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제 해결을 위하여, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북(codebook)을 구성하는 방법으로서, 4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북에 접속(access) 하는 단계에 있어서, 상기 코드북은 저장 매체 안에 저장되어 지고 상기 코드북은 랭크(rank) 1에서 랭크 4까지를 위한 엔트리들(entries)을 구비하고 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내며; 상기 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 상기 코드북의 랭크 1 안에 엔트리들을 사용하여 상기 8개 안테나에 연관된 MIMO 기초 코드북을 위한 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 새로이 구성하는 단계와; 그리고 기지국으로 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스(index)를 나타내는 피드백을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 두 개 기초 행렬들은 특정 행렬로 정의되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 기지국은 어떤 종류에 관련된 안테나 구성이 사용되는지를 나타내기 위해서 시그널링(signaling)을 이동국(mobile station)에게 제공하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 8개 전송 안테나들은 크로스 편파된 안테나들(cross-polarized antennas)인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북은 IEEE 802.16에 관련된 기술 또는 3GPP LTE 관련 기술을 지원하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 과제 해결을 위하여, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템과 관련된 장치로써, 기지국으로 또는 기지국으로부터 데이터 및 정보를 운반하는 무선 신호들을 전송 및 수신하는 송수신기; 4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 적어도 하나의 코드북을 포함하는 데이터 및 정보를 저장하기 위한 저장 매체; 및 상기 저장 매체와 결합하여 랭크(rank) 1에서 랭크 4에 대한 엔트리들을 구비하는 코드북에 접속(access)하고, 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내고, 상기 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 상기 코드북의 랭크 1 안에 엔트리들을 사용하여 상기 8개 안테나에 연관된 MIMO 기초 코드북을 위한 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 새로이 구성하고, 그리고 상기 기지국으로 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스(index)를 나타내는 피드백을 전송하는 것을 구성하는 프로세서(processor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치

본 발명에 따라서 낮은 규격(lower dimension) (즉, 상대적으로 적은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들(codebook entries)이 높은 규격(higher dimension) (즉, 상대적으로 많은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 코드북 생성에 사용될 수 있게 되었다. 특징적으로, 4 개의 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북의 랭크 1안에 엔트리들을 사용하여 8개의 전송 안테나들에 관련된 MIMO 기초 코드북에 대한 2개 기본 행렬들의 랭크 1에서 랭크 8의 엔트리들을 새로이 구성하는 개념이 본 발명에 의해 제안되었고, 이러한 본 발명의 제안은 낮은 규격 코드북을 기반으로 높은 규격 코드북을 생성하여 더욱 쉬운 코드북 설계를 가능케 하고 이동국(UE 또는 MS)의 필요 메모리 공간을 줄이는데 큰 효과가 있다.

도 1 은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술의 예시적인 개념들을 도시한다.
도 2 는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술의 예시적인 개념들을 도시한다.
도 3 은 MIMO 프리코딩(precoding) 기술의 예시적인 개념들을 도시한다.
도 4 는 비 상호관련(uncorrelated) 경우에 AWD(Amendment Working Document) 코드북을 이용하는 것에 대조적으로 새로이 제안된 코드북의 예시적인 링크 처리량 증가(link throughput gains)를 도시한다.
도 5 는 상호관련(correlated) 경우에 AWD(Amendment Working Document) 코드북을 이용하는 것에 대조적으로 새로이 제안된 코드북의 예시적인 링크 처리량 증가(link throughput gains)를 도시한다.
도 6 은 4비트, 6비트, 8비트 및 AWD 코드북을 사용할 때에 스펙트럴(spectral) 효율성(bits/tone) 대 SNR(signal-to-noise ratio)에 대한 예시적인 실험 결과들을 도시한다.
도 7 은 크로스 편파된(cross-polarized) 안테나 경우에 본 발명의 기본 행렬들(base matrices) B1 및 B2를 적용하여 발생된 예시적인 성과 비교 결과들을 도시한다.
도 8 은 상호관련이 높은 ULA 상에서 기본 행렬들 B1 및 B2에 의한 성과 손실은 거의 없음을 도시한다.
도 9 는 ULA 및 XPOL 상에서 랭크 2를 위한 AWD 코드북을 이용할 때에 예시적인 코드북 행렬 선택 비율을 도시한다.
도 10 은 XPOL 형식(type) 1 및 XPOL 형식 2 에 대한 두 개의 예시적인 안테나 인덱싱(indexing) 형식들을 도시한다.
도 11 은 몇 개의 안테나 구성들 상에서 코드북 행렬들의 선택 비율에 대한 예시적인 실험 결과들을 도시한다.
도 12 는 본 발명에 따라서 SU-MIMO 기초 코드북에 실현되는 상기 두 개의 새로이 생성된 행렬들에 대한 코드북 엔트리들(entries)을 포함하는 예시적인 테이블을 도시한다.
도 13 은 낮은 규격(lower dimension)의 MIMO 시스템에서 높은 규격(higher dimension)의 MIMO 시스템을 위해 새로이 생성된 코드북이 사용되는 특정 코드북 엔트리들을 이용하는 기본 방법 과정 설명을 위한 예시적인 흐름도 및 이와 같은 방법을 실현할 수 있도록 하는 MIMO 장치의 기본 개념 도를 도시한다.
도 14 는 하향링크(downlink) 데이터 전송시 송신 단에서 MIMO-OFDM을 지원하는 프로토콜 계층들(MAC-PHY) 및 여러 가지 엔티티들의 예시적인 개념을 나타내는 흐름도이다.
도 15 는 상향링크(uplink) 데이터 전송시 수신 단에서 MIMO-OFDM을 지원하는 프로토콜 계층들(MAC-PHY) 및 여러 가지 엔티티들의 예시적인 개념을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 기본 개념은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북(codebook)을 구성하는 방법으로서, 4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북에 접속(access) 하는 단계에 있어서, 상기 코드북은 저장 매체 안에 저장되어 지고 상기 코드북은 랭크(rank) 1에서 랭크 4까지를 위한 엔트리들(entries)을 구비하고 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내며; 상기 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 상기 코드북의 랭크 1 안에 엔트리들을 사용하여 상기 8개 안테나에 연관된 MIMO 기초 코드북을 위한 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 새로이 구성하는 단계와; 그리고 기지국으로 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스(index)를 나타내는 피드백을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법을 제안하고 이러한 방법을 수행할 수 있는 무선 이동통신 단말기를 제안한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

여기의 발명적 개념 및 특징들을 주로 OFDM-MIMO 기술 기반으로 설명되어 있다. 하지만, 이러한 세부사항들은 여기 설명된 특징들을 한정할 의도는 아니며 다른 종류의 이동 및/또는 무선 통신 시스템과 방식에 적용 가능하다.

하향(downlink) 및 상향(uplink) 전송에 대하여, 여러 종류의 멀티플렉싱(multiplexing) 및 다중 접속(multiple access) 기술들을 고려해야 한다. 하향에서는 시분할 멀티플렉싱(time division multiplexing), 주파수분할 멀티플렉싱(frequency division multiplexing), 및 코드분할 멀티플렉싱(code division multiplexing) 등과 같은 다양한 멀티플렉싱 기술들이 사용될 수 있다. 상향에서는 시분할 다중접근(time division multiple access), 주파수분할 다중접근(frequency division multiple access), 및 코드분할 다중접근(code division multiple access) 등과 같은 다양한 다중접근 기술들이 사용될 수 있다.

도 1을 참조하면, OFDM은 주파수분할 멀티플렉싱 기술 중 하나이다. 특히, OFDM은 다중 캐리어 모듈레이션(modulation)을 위한 대역폭 측면에서 효율적인 기술이다. 즉, OFDM은 주파수 분할 멀티플렉싱(frequency division multiplexing: FDM) 방식으로서 디지털 멀티-캐리어 모듈레이션 방법으로 이용된다. 다량의 근접한 직교 서브-캐리어들이 데이터를 운송하는데 사용되며, 그 데이터는 다수의 평행한 데이터 스트림(data stream) 또는 채널들로 구분되며, 각각 하나의 서브-캐리어를 위한 것이다. 각 서브-캐리어는 QAM (quadrature amplitude modulation) 또는 PSK (phase shift keying)와 같은 특정한 모듈레이션 방식을 이용하여 낮은 심벌 비율(symbol rate)로 모듈레이트(modulate) 되며, 이는 동일한 대역폭의 단일 캐리어 모듈레이션 방식과 비슷한 전체 데이터 비율을 유지할 수 있다.

OFDM의 근본적인 특징 및 동작 원리들에는, 직교성(orthogonality)을 이용, FFT (Fast Fourier Transform) 알고리즘 (및/또는 역 FFT (Inverse FFT; IFFT) 알고리즘)을 이용, inter-symbol interference (ISI) 최소를 위해 보호 간격들(guard intervals) 삽입, 주파수 응답 특징들에 대한 균일화, 채널 코딩 수행 (또는 FEC (Forward error correction), 주파수 및/또는 시간 인터리빙(interleaving), 적응 전송들(adaptive transmissions)의 사용, 공간 분할(spatial diversity), 일차적 송신단 전력 확대(linear transmitter power amplification) 등이 있을 수 있다. 본 발명에서는 간결한 설명을 위해서, 상기 언급된 특징들 및 원리들은 자세하게 설명되지는 않을 것이다. 하지만, 상기 언급된 특징들 및 원리들은 본 발명에서 모두 또는 일부 적용가능 하다는 사실은 당업자라면 충분히 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명은 OFDMA를 포함하는 OFDM, IEEE, 802.11a/g/n, 802.16, 802.20, 3GPP LTE, 3GPP LTE-Advanced (LTE-A), Evolved UMTS Terrestrial Radio Access (E-UTRA) 등에 관련된 여러 기술 표준에 적용 가능하다.

도 2를 참조하면, 복수 접속(또는 다중 접속) 기술은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술로 불릴 수도 있다. 기본적으로, 상기 MIMO는 무선 통신 성능 향상을 위해 송신단 및 수신단 두 군데 모두에서 복수개(다중) 안테나들을 사용하는 것과 관련 있다. 상기 MIMO는 스마트 안테나 기술이라 불리는 기술 중에 하나로 고려될 수도 있다.

상기 MIMO 기술은 추가적인 대역폭(bandwidth) 또는 전송 전력 없이 링크 범위 및 데이터 처리량을 획기적으로 증가시키도록 하기에 무선 통신에서는 매우 매력적이다. 상기와 같은 증가는 대역폭의 헤르츠(hertz) 또는 초당 보다 많은 비트의 송수신을 허용하는 높은 스펙트럴 효율성(spectral efficiency) 및 축소된 페이딩(fading)으로 인한 링크 신뢰성(link reliability) 또는 분할(diversity) 때문에 달성 가능하다.

상기 MIMO는 single-user(SU) MIMO, multi-user(MU) MIMO, cooperative MIMO, networked MIMO등과 같이 나누어질 수 있다. 상기 single-user(SU) MIMO는 송신기 및 수신기 (점대점(point-to-point)) 모두에서 복수(다중) 안테나들을 사용하는 것에 관련이 있다. 상기 multi-user(MU) MIMO는 동일한 주파수 (점대다(point-to-multipoint) 또는 다대점(multipoint-to-point))를 사용하는 복수개의 독립적인 무선 단말기들과 동시에 통신하는 것에 관련이 있다. 상기 cooperative MIMO는 MIMO의 이점을 달성하기 위해서 여러 개의 다른 노드들(nodes)에 속하는 분배된 안테나들의 결합을 송신기 또는 수신기에서 사용하는 것에 관련이 있다. 상기 networked MIMO는 MIMO의 이점을 달성하기 위해서 네트워크 노드들 간에 결합을 사용하는 것에 관련이 있다. 이와 같이 나누어진 각각의 MIMO는 IEEE 802.11, 802.16, 3GPP LTE (LTE-A)등에서 특별한 특징들 및 어떤 특색들을 나타내며, 상기 모든 MIMO는 본 발명에 적용 가능하다.

상기 MIMO는 공간 다중화(spatial multiplexing), 다이버시티 코딩(diversity coding), 프리코딩(precoding)과 같은 세 개의 중요 범주로 나눌 수도 있다.

상기 공간 다중화는 상위 비율 신호(high rate signal)가 복수개의 하위 비율 스트림들(lower rate streams)로 쪼개지는 것에 관련되고, 각각의 스트림은 동일 주파수 채널 안에 서로 다른 전송 안테나로 부토 전송된다. 만약 이와 같은 신호들이 충분하게 다른 공간 시그니처들(spatial signatures)과 수신단 안테나 어레이(array)에 도착하면, 상기 수신 단은 병렬 채널들 또는 스트림들을 생성하기 위해서 이와 같은 스트림들을 구분할 수 있다. 상기 공간 다중화는 높은 SNR(signal-to-noise ratio)에서 채널 용량(channel capacity)을 증가 시킬 수 있다. 공간 스트림들의 최대 수는 상기 송신단 또는 수신 단에서 안테나들의 수보다 작게 제한된다. 상기 공간 다중화는 전송 채널 정보 여부와 같이 또는 상관없이 사용될 수 있다.

상기 다이버시티 코딩은 상기 송신 단에 전송 채널 정보가 없을 때에 사용되는 기술이다. 다이버시티 방법에서는, 하나의 스트림(공간 다중화에서 복수개의 스트림들과는 다르게)만 전송되는데, 상기 신호는 공시간(space-time) 또는 시공간 코딩 기법들을 사용하여 코드화된다. 상기 신호는 완벽한 직교 코딩(orthogonal coding) 또는 상기 직교 코딩에 가까운 특정 원리들을 사용하여 각각의 전송 안테나들로부터 방사(emit)된다. 상기 다이버시티는 신호 분할을 높이기 위해서 복수개의 안테나 링크들 안에 독립적 페이딩(fading)을 이용한다. 상기 다이버시티 코딩에서는 채널에 대한 정보가 없기 때문에, 상기 다이버시티 코딩으로부터의 빔포밍(beamforming) 또는 어레이 증가(array gain)는 없다.

프리코딩(precoding)은 같은 신호가 상기 신호 전력이 상기 수신단 입력에서 최대가 되도록 적절한 위상 가중치(phase weighting)와 함께 각 전송 안테나로부터 방사되는 빔포밍(beamforming)의 개념과 관련 있다. 상기 빔포밍은 구조적인 결합 및 다중경로 페이딩 효과들(multipath fading effects)로부터 신호 증가(signal gain)를 늘린다. 상기 수신 단이 복수개 안테나들을 구비할 때, 이러한 빔포밍은 수신 안테나들 모두에 동시적으로 신호 레벨을 최대화할 수 없고, 그렇기 때문에 상기 프리코딩이 사용된다. 일반적으로, 상기 프리코딩은 송신기에서 채널 상태 정보(channel state information; CSI)를 필요로 한다.

도 3을 참조하면, MIMO 프리코딩 기법에서, 상기 전송된 데이터는 복수개의 독립적인 전송 스트림들로 구별되어, 각 스트림들이 개별적으로 프리코드화(precoded) 되고 모든 프리코드화된 스트림들은 전송 전에 중첩될(superimposed) 수 있다. 상기 전송 스트림들의 수는 전송 랭크(transmission rank)로 해당 또는 표현된다. 여기서, 상기 전송 랭크는 상기 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)로 정의될 수 있다. 상기 전송 랭크는 전송 전력 및 여러 가지 채널 특징들을 고려하여 주어진 채널에 대해 최적으로 선택된다. 각 전송 스트림에 대해서, 프리코더(precoder)는 전송 전에 전송되는 심벌에 곱해지는 각 안테나에 대한 각 가중 집합(a set of weights)으로 구성된 빔포밍 벡터(beamforming vector)이다.

상기 랭크 r 의 프리코더(precoder)는 r 빔포밍 벡터들을 열(columns)로 구성하는 행렬이다. 평균 전송 전력은 모든 빔포밍 벡터들의 기준(norm)이 동일하며 하나로 정규화(normalized) 되도록 모든 전송 스트림들 간에 균등하게 나누어질 수도 있다. 또한, 상기 전송 스트림들의 중첩 때문에 상기 빔포밍 벡터들은 복원화(decoding)의 간결성을 위해 직교적(orthogonal)으로 선택된다. 이와 같은 결과로, 상기 프리코더(precoder)는 일반적으로 반단일 행렬(semi-unitary matrix)이다.

코드북 기반 프리코딩(codebook based precoding)이라고 불리는 기법에서, 기정의된(predefined) 코드북은 송신단(기지국(base station: BS) 및 모든 수신단(이동국(mobile station; MS)에게 제공된다. 각 수신 단은 자신의 성능을 최대화하는 상기 코드북으로부터 프리코더(precoder)를 선택할 수 있고, 상기 선택된 프리코더에 관련된 인덱스(또는 다른 값/지시자)를 피드백한다. 프리코더 랭크의 선택 또한, 상기 프리코더 선택 알고리즘 안에 포함될 수 있다.

또한, 상기 MIMO는 폐루프 동작(closed-loop operation) 또는 개루프(open-loop operation) 동작을 사용할 수 있다.

상기 폐루프 동작에서는 상기 수신 측으로부터의 피드백(feedback)이 필요하다. 여기서, 상기 송신 측에서 채널 상태 정보(CSI) 생성을 위한 패켓(packet)이 사용될 수도 있다. 또한, 양자화된(quantized) CSI이용과 같은 명시적 피드백이 사용될 수도 있다. 추가적으로, 프리코딩 행렬들의 양자화된 코드북에 포인터(pointer)가 사용될 수도 있다. 또한, 빔포밍(beamforming) 및 프리코드된 공간 구분 다중화 (Spatial Division Multiplexing; SDM)의 개념들이 적용될 수도 있다.

상기 개루프 동작에서는 상기 수신 측으로부터의 피드백이 필요하지 않다. 또한, 전송 분할(transmit diversity), 교환된 빔들(switched beams), 공간 구분 다중화(spatial division multiplexing; SDM), 및 하이브리드 방법들(예를 들면 전송 분할과 공간 구분 다중화를 결합)이 사용될 수도 있다. 여기서, 상기 SDM에 서, 상기 프리코딩 행렬은 식별 행렬(identity matrix) 또는 상기 코드북으로부터 임의적으로 선택된 행렬이다.

본 발명의 발명인은 코드북 기반 프리코딩(precoding) 기술들에 관련된 여러 가지 동작들이 앞서 전술한 종래기술의 문제로부터 향상될 수 있음을 인식하고 있다. 이와 같은 종래기술의 문제는 본 발명인에 의해 실시된 집중된 조사, 엄격한 모의 실험들, 그리고 실험적인 테스트(test) 등을 기반으로 하여 매우 중요하게 인식되었다. 이에 대한 결과로, 본 발명인은 낮은 규격(lower dimension) (즉, 상대적으로 적은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들(codebook entries)이 높은 규격(higher dimension) (즉, 상대적으로 많은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 코드북 생성에 사용될 수 있다는 점을 발견하였다. 특징적으로, 4 개의 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북의 랭크 1안에 엔트리들을 사용하여 8개의 전송 안테나들에 관련된 MIMO 기초 코드북에 대한 2개 기본 행렬들의 랭크 1에서 랭크 8의 엔트리들을 새로이 구성하는 개념은 본 명세서 및 우선권 서류 공개 안에 서술된 본 발명자에 의해 수행되기 이전 어떠한 알려진 코드북 기반 프리코딩 방법에서도 제공 또는 제안되지 않았다.

여러 가지 예시적인 실시 예들을 하기에 보다 자세하게 설명할 것이다.

먼저, DFT 기초 행렬 및 블록 대각 행렬(block diagonal matrix) 모두를 사용하여 코드북을 생성하는 것에 대해 설명한다.

a) N-점 DFT 행렬(N-point DFT matrix)을 사용하는 기초 코드북 행렬

상기 MIMO 방법에서, N-point DFT matrix WN (또는 행렬 치환(column permutation), 위상 변위(phase shift) 등을 사용한 변환 행렬, 또는 상기 행렬 및 변환 행렬 모두)은 기초 행렬(base matrix)로써 N-전송 안테나 코드북 생성에 사용될 수 있다.

b) 블록 대각 행렬(block diagonal matrix)을 사용하는 기초 코드북 행렬

2개의 N/2점 DFT 행렬들(또는 행렬 치환(column permutation), 위상 변위(phase shift) 등을 사용한 변환 행렬, 또는 상기 행렬 및 변환 행렬 모두) 및 2개의 N/2 곱하기 N/2 zero (N/2-by-N/2 zero) 행렬들로 구성된 블록 대각 행렬(block diagonal matrix) W_B 는 기초 행렬(base matrix)로써 N-전송 안테나 코드북 생성에 사용될 수 있다.

c) 랭크 R에 대한 코드북 생성

다른 랭크들 안에 코드북은 기초 코드북 벡터들의 서브집합(subset)으로 구성된다. 상기 랭크 R에 대한 코드북은 상기 기초 행렬 W의 R column 벡터들 사용에 의해 구성된다. 만약 w(i)가 상기 기초 행렬 W의 i번째 column 벡터를 나타내면 랭크 R에 대한 코드북 C는 다음과 같다.

d) N-point DFT 기초 행렬과 N-bit 코드북 생성

n-bit 코드북은 코드북 column 벡터들의 2n 결합들 사용에 의해 상기 기초 행렬로부터 구성된다.

예: 4점 DFT 기초 행렬 사용에 의한 랭크 2에 대한 2비트 codebook Ci (, where i = 0, 1, 2, 3) 생성, 여기서 인덱스(index) i 는 코드북 인덱스를 나타낸다:

e) 복수 기초 행렬들을 사용하여 코드북 생성

복수개의 기초 행렬들이 있다고 가정할 때, 상기 복수개의 기초 행렬들로부터 column 벡터 또는 하나의 기초 행렬로부터 column 벡터 사용에 의해 랭크 R 코드북 구성이 가능하다.

f) DFT 기초 행렬 및 블록 대각 행렬(block diagonal matrix) 모두를 사용하여 코드북 생성

W_N 안에 column element의 제곱은 항상 1/N이다. W_B 경우에는, 상기 행렬 안에 N/2-by-N/2 zero 행렬들 때문에 상기 WB의 반에 대한 column element의 제곱은 2/N이고 나머지 반에 대한 column element의 제곱은 0이다. 여기서, 상기 W_N 와 W_B 간에 column element의 차이가 존재하기 때문에, 다음과 같은 코드북 구성 제한이 필요 시 된다.

랭크 R 코드북 생성을 위해서 (R=n+m일 때), n은 W_N로부터의 column 벡터들의 수를 나타내고 m은 W_B로부터의 column 벡터들의 수를 나타낸다. 여기서, m은 짝수개 수이어야 하고 상기 코드북의 m/2 column 벡터들은 W_B의 처음 반 columns들 중에서 차지되고 다른 m/2 column 벡터들은 WB의 나머지 반 columns들 중에서 차지된다.

만약 n이 0이 아니고 R이 홀수일 때, 상기 코드북의 n column 벡터들은 W_N로부터 차지된다. 만약 n이 0이고 R이 짝수일 때, 상기 코드북은 오직 W_B만 사용하여 구성될 수 있다. 만약 m이 0이라면, 상기 코드북은 R의 값과 상관없이 오직 W_N만 사용하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 R은 n+m이며 m은 모든 전송 안테나들이 동일한 전력을 갖도록 하기 위해 짝수이다.

상기 제안된 코드북 생성 방법의 상기 설명에서는 DFT (또는 FFT) 행렬이 사용되었다. 하지만, 상기 제안된 방법에서의 상기 DFT 행렬 대신에 IDFT (또는 IFFT) 행렬 사용도 적용 가능하다. 또한, 상기 IDFT의 변환 행렬 (즉, 행렬 치환(column permutation), 위상 변위(phase shift) 등을 사용한 변환 행렬, 또는 상기 행렬 및 변환 행렬 모두) 또한 사용 가능하다.

W_N에 대해서, 0인 element가 없는 모든 단일 행렬(unitary matrix)이 배치 가능하다. W_B에 대해서, 모든 블록 대각 행렬(block diagonal matrix) 또는 이와 같은 행렬의 변경된 버전이 고려될 수 있다.

다음의 예시적인 과정들 (1)에서 (5)까지는 본 발명자에 의해 인지되고 개발된 낮은 규격(lower dimensional) 코드북을 사용하여 어떻게 높은 규격(higher dimensional) 코드북이 구성되거나 생성되거나 적용되는 지를 보여준다.

(1) 4개의 코드북을 사용 8개 전송 코드북의 4G MIMO 구성

3GPP Rel-8 (즉, LTE 시스템)에서, 4개 전송 안테나 MIMO 전송은 하향링크로 지원이 된다. 하지만, LTE-A 시스템은 상기 LTE 시스템과 비교 시스템 처리량(throughput)을 향상하기 위해서 8개 전송 안테나까지 MIMO 전송을 지원할 수 있다. 상기 시스템 처리량 관점에서 주목할만한 성과 획득의 목적을 위해서, 8개 전송 안테나 시스템을 지원하는 상기 LTE-A 시스템은 코드북의 사용 또는 CSI direct feedback을 기반으로 하는 CL-MIMO 방법을 제공해야 한다. 여기서, IEEE 802.16 또한 상기 LTE-A 시스템의 상기 동일한 목적을 위해서 8 Tx CL-MIMO 시스템을 고려할 수 있다.

상기 CL-MIMO에 대한 코드북 디자인을 위해서는, 3GPP LTE-A 또는 IEEE 802.16과 같이 특정 시스템에 사용시에 고려될 점들 및 필요 시 되는 점들이 몇 가지 있다. 일반적으로 상기 고려될 점들 및 필요 시 되는 점들을 만족시키면서 4Tx CL-MIMO까지의 코드북을 디자인하는 것은 어렵지 않다. 하지만, 8TX CL-MIMO에 대한 코드북 디자인은 매우 도전적인 과제이다. 심지어, 만약 상기 8TX CL-MIMO에 대한 새로운 코드북이 제공된다고 하더라도, 상기 UE 또는 MS (이동국) 2Tx, 4Tx, 및 8TX CL-MIMO 동작들에 각각 3개 다른 코드북들을 사용해야 하고, 이점은 상기 3개 다른 코드북 모두를 저장하는데 필요한 메모리 안에 추가적인 공간의 필요성 때문에 바람직하지 않다. 그러므로 본 발명자는 8Tx 코드북 저장을 위한 어떤 추가적인 메모리 필요성 없이, 시스템의 종류(예, 3GPP LTE-A, IEEE 802.16, 등등)와 관계없이, 4Tx CL-MIMO에 대한 코드북을 사용하여 8Tx CL-MIMO 동작에 대한 코드북을 구성하는 간단한 방법을 제시하여 상기 언급한 문제점을 처리코자 한다.

LTE-A 시스템에서, 8Tx CL-MIMO에 대한 코드북은 다음과 같은 특성들을 가지도록 권장되고 있다.

(1) Unitary; (2) Constant modulus; (3) Nested structure; (4) Constrained alphabet, e.g., 8PSK.

하지만, LTE에서 4Tx CL-MIMO에 대해 사용되는 코드북 구성 방법은 8Tx CL-MIMO에서 상기 언급한 4개의 특성을 모두 만족하도록 제시하고 있지 못하다. 그러므로 상기 언급한 4개의 특성을 만족하면서 8Tx 코드북을 생성하기 위해 몇 가지 제안들이 나오고 있다.

일반적인 IEEE 802.16m에서, 4Tx and 8Tx CL-MIMO에 대한 제안된 코드북들은 서로에 대해서 어떤 관계도 가지고 있지 않으며, 상기 이동국(MS)은 여러 가지 CL-MIMO 동작을 지원하기 위해서 이동국의 메모리에 이와 같이 서로 관계가 없는 코드북들을 저장해야만 한다.

상기 UE(또는 MS) 및/또는 상기 eNode-B (또는 BS) 안에 메모리 공간을 줄이기 위한 상기 8Tx 코드북의 쉬운 구성을 제공하기 위해서는 새로운 8Tx 코드북 구성시에 기존에 존재하는 4Tx 코드북의 재사용이 매우 바람직하다.

즉, 만약 특정 4Tx 코드북이 지정되었다면, 상기 지정된 4Tx 코드북의 재사용에 의해 8Tx 코드북이 보다 쉽게 구성될 수 있다. 예를 들면, 랭크 1에 대한 8Tx 코드북을 설계하기 위해서는 다음과 같은 방법들(수학식 1)이 사용될 수 있다.

<수학식 1-1>

상기 수학식에서

는 랭크 R 에 대한 N_TXTx 코드북의 k 번째 엔트리를 의미하고, L_R 은 랭크 R 에 대한 8Tx 코드북의 엔트리 수를 나타낸다. 또한, α_R 및 β_R 는 스케일링 인자(scaling factors)들이다.

상기 LTE 및 LTE-A 시스템에서, α_R and β_R 의 값들은

을 만들기 위해 설정될 수 있다. 상기 IEEE 802.16m에서, α_R and β_R 의 값들은

을 만들기 위해 설정될 수 있다. 상기 LTE, LTE-A 시스템과 IEEE 802.16m 시스템에서,

가 상기 값의 하나의 예로 사용될 수 있다.

랭크 1에 대한 코드북 구성의 가장 간단한 방법은 m, n, k를 동일하게(m=n=k)로 설정하는 것이다. 또 한가지 다른 방법으로는 n=k 및 m=mod(k+k1, L1) 설정을 사용하는 것이다. 이와 같은 설정으로부터, 랭크 1에 대한 8Tx 코드북의 L1 엔트리들을 구할 수 있다.

이후, 상기 랭크 1에 대한 8Tx 코드북의 또 다른 엔트리들의 획득을 위해서 다음과 같은 확장 규칙(extension rule)을 적용한 수학식이 사용될 수 있다.

<수학식 1-2>

상기 수학식 1-2는 또한 다음과 같은 수학식으로 표현될 수도 있다.

<수학식 1-3>

예를 들면, B 는 4배의 추가적인 엔트리들의 획들을 위해서 4로 설정될 수 있다.

상기와 비슷한 방법을 기반으로, 랭크 2, 3, 및 4에 대한 8Tx 코드북을 다음과 같이 구성할 수 있다.

<수학식 1-4>

LTE, LTE-A 시스템과 IEEE 802.16m 시스템에서,

및,

등의 값들이 예로써 적용될 수 있다.

그러나, 랭크 4에 대한 4Tx 코드북에서 랭크 4에 대한 8Tx 코드북을 생성하는 것은 무의미하다. 왜냐면, 상기 엔트리들 간의 Chordal 거리(distance)가 모두 0이기 때문이다. 그러므로 본 발명에서, 아래 수학식과 같이 랭크 3 및 랭크 2에 대한 4Tx 코드북을 재사용하여 랭크 4에 대한 8Tx 코드북을 구성하도록 한다.

<수학식 1-5>

LTE 및 LTE-A 시스템에서는 다음 예시처럼 설정될 수 있다.

IEEE 802.16m 시스템에서,

는 다음 예시처럼 설정될 수 있다.

랭크 4에 대한 8Tx 코드북을 설정하는 또 다른 방법으로 다음 수학식이 사용될 수 있다.

<수학식 1-6>

LTE and LTE-A 시스템에서,

는 다음 예시처럼 설정될 수 있다.

IEEE 802.16m 시스템에서,

는 다음 예시처럼 설정될 수 있다.

또한, 상기와 유사한 방식으로 랭크 4 보다 높은 어떠한 랭크에 대한 8Tx 코드북을 구성할 수 있다. 이에 대한 수학식은 다음과 같다.

<수학식 1-7>

LTE and LTE-A 시스템에서,

는 다음 예시처럼 설정될 수 있다.

IEEE 802.16m 시스템에서,

다음 예시처럼 설정될 수 있다.

랭크 5-8에 대한 8Tx 코드북 구성의 가장 간단한 방법은 m, n, k를 동일하게(m=n=k)로 설정하는 것이다. 상기 확장 규칙(extension rule)이 사용된 상기 수학식 1-2에서 1-3은 상기 수학식 1-4에서 1-7에 적용 가능하다.

각 랭크당 8Tx 코드북의 부분들은 상기 언급된 방법들에 의해 생성된 엔트리들을 사용하여 각 랭크에 대한 8Tx 코드북의 적어도 한 부분으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 설명된 특징들, 수학식, 및 과정들은 16Tx에 대한 코드북 구성처럼 어떠한 규격(dimension)의 코드북 구성에도 적용 가능하다.

다시 말해서, 높은 규격 코드북은 상대적으로 낮은 규격 코드북을 사용하여 구성될 수도 있다. 일 예로써, 상기 전술한 바와 같이 4Tx 코드북을 사용하여 8Tx 코드북이 구성될 수도 있다. 여기서, 랭크 4보다 낮은 랭크에 대한 8Tx 코드북은 4Tx 코드북의 대응되는 랭크로 구성될 수 있다. 반면에, 랭크 4보다 크거나 같은 랭크에 대한 8Tx 코드북은 4Tx 코드북의 랭크 4보다 작은 랭크들의 4Tx 코드북의 엔트리들을 사용하여 구성될 수 있다. 예를 들면, 앞서 전술한 바와 같이, 랭크 4에 대한 8Tx 코드북은 랭크 3과 랭크 1에 대한 4Tx 코드북들을 사용하여 구성될 수 있다. 즉, 낮은 규격 코드북을 기반으로 높은 규격 코드북을 생성하여 더욱 쉬운 코드북 설계를 가능케 하고 이동국(UE 또는 MS)의 필요 메모리 공간을 줄이는 개념은 본 발명자에 의해 제안된 본 발명의 특징이다.

다음은 랭크 1에 대한 4Tx 코드북을 사용하여 8Tx 코드북 구성하는 방법에 대해 설명한다.

8Tx 코드북은 주어진 4Tx 코드북의 재사용에 의해서 쉽게 구성될 수 있다. 예를 들면, 랭크 1에 대한 8Tx 코드북 구성시에 다음과 같은 방법들(수학식 2)이 사용될 수 있다.

<수학식 2-1>

만약 n = m = k 이라면,

랭크 2에 대한 8Tx 코드북의 구성은 다음 수학식이 사용될 수 있다.

<수학식 2-2>

랭크 2에 대한 코드북을 만들기에 가장 간단한 예는 다음과 같다.

랭크 3에 대한 8Tx 코드북의 구성은 다음 수학식이 사용될 수 있다.

<수학식 2-3>

랭크 3에 대한 코드북을 만들기에 가장 간단한 예는 다음과 같다.

상기와 유사한 방법으로 랭크 4에서 랭크 8에 대한 8Tx 코드북을 다음과 같이 간단한 예처럼 만들 수 있다.

<수학식 2-4>

<수학식 2-5>

<수학식 2-6>

<수학식 2-7>

<수학식 2-8>

하나의 행 또는 열에 위상 회전(phase rotation)을 사용하는 또 다른 예는 다음과 같다.

상기 언급된 방법에서는, 랭크 1에 대한 4Tx 코드북을 사용하여 낮은 랭크로부터 높은 랭크의 8Tx 코드북 생성 과정을 설명하였다. 하지만, 반대로 높은 랭크에서부터의 8Tx 코드북 생성도 가능하다. 즉, 상기 수학식 2-8에 따라서 랭크 8에 대한 8Tx 코드북을 생성하고, 각 랭크에 대응하는 적절한 행 또는 열을 추출하면 되다. 예를 들면, 상기 랭크 8에 대한 8Tx 코드북을 기반으로(수학식 2-8을 사용), 상기 랭크 8에 대한 8Tx 코드북의 각 행렬의 첫 번째 행을 사용하여 랭크 1에 대한 8Tx 코드북이 구성 가능하다. 유사하게, 랭크 2에 대한 8Tx 코드북 또한 상기 랭크 8에 대한 8Tx 코드북의 각 행렬의 첫 번째 및 두 번째 행들을 사용하여 구성 가능하다.

각 랭크에 대한 상기 코드북의 특정 크기는 다를 수도 있다. 예를 들면, 랭크 1 및 랭크 2에 대한 코드북은 각각 64 및 32 엔트리들 (또는 비트(bits))을 구비할 수 있고 랭크 3에서 랭크 8에 대한 코드북들은 4 엔트리들 (또는 비트)만을 가질 수 있다. 랭크 1에 대한 상기 코드북 크기를 늘리기 위해서, 다음 예시적인 방법을 적용할 수 있다.

상기 랭크 1에 대한 것처럼, 랭크 2에 대한 코드북 크기를 동일한 방법으로 다음과 같이 늘릴 수 있다.

각 랭크당 8Tx 코드북의 부분들은 상기 언급된 방법들에 의해 생성된 엔트리들을 사용하여 각 랭크에 대한 8Tx 코드북의 적어도 한 부분으로 구성할 수 있다.

또한, 상기 설명된 특징들, 수학식, 및 과정들은 16Tx에 대한 코드북 구성처럼 어떠한 규격(dimension)의 코드북 구성에도 적용 가능하다.

다음은 IEEE 802.16m 8Tx 코드북에 대해 설명한다.

2Tx, 4Tx, 및 8Tx CL-MIMO 기법에 대한 코드북들은 대개 전송 안테나들의 수가 커지면 각 랭크당 필요한 코드북 크기도 커진다. 예를 들면, 6비트 크기의 4Tx 랭크 1 코드북이 부여되면 3비트 크기의 2Tx 랭크 1 코드북이 채택된다. 만약 8Tx 코드북이 랭크당 오직 4비트의 크기를 가진다면 이는 8Tx 와 같이 높은 규격의 전송 안테나들을 지원하기에는 충분치 않을 것이다.

본 발명에서는 상기 4Tx 코드북 재사용에 의해 획득된 8Tx 코드북보다 더 큰 크기를 가지는 새로운 8Tx 코드북을 다음과 같은 과정을 통해 제공한다.

보다 큰 크기의 8Tx 코드북을 구성하기 위해서는 6비트 크기를 구비하는 4Tx 코드북을 재사용하는 것이 가장 간단하게 적용된다. 상기 4Tx 코드북의 재사용은 다음 두 가지 장점을 가진다. 첫 번째 장점은, 이동국(MS)가 이미 4Tx 코드북을 자체 저장하고 있기 때문에 8Tx 코드북에 대해서 추가적인 메모리를 필요로 하지 않는 점이다. 두 번째 장점은, 보다 큰 크기의 코드북으로 쉽게 확장할 수 있다는 점이다. 예를 들면, 8비트의 8Tx 코드북 구성은 4Tx 코드북의 서브집합(subset)으로부터 다음과 같이 유추될 수 있다.

상기 코드북 결과들은 단일 행렬들(unitary matrices) 및 중첩된 구조(nested structure)를 구비하는 것과 같은 필요한 특성들을 나타낸다. 6비트의 코드북은 8비트의 코드북을 구성할 때와 동일한 방식으로 만들어질 수 있다. 랭크 1에서 랭크 2에 대한 6비트 코드북의 구성은 4Tx 코드북의 서브집합(subset)을 사용하여 다음과 같이 구성될 수 있다.

도 4는 비 상호관련(uncorrelated) 경우에 이미 알려진 AWD(amendment working document) 코드북보다 여기서 제안된 코드북을 사용하여 시뮬레이션을 통한 예시적인 링크 처리량 증가를 보여준다.

상기 시뮬레이션에서는 Ped-B 3km/h하에 8Tx-2Rx CL-MIMO 기초 코드북이 평가되었다. PMI 피드백, CQI 피드백, 밴드 선택(band selection) 및 rank adaptation의 시간 주기들은 각각 5ms, 5ms, 40ms 및 40ms이다. 상기 주어진 결과에 따르면, SVD 기반 접근에 따라 비교 가능한 프리코딩(precoding) 증가 달성을 위해서는 적어도 8비트의 코드북 크기가 필요 된다.

도 5는 상호관련(correlated) 경우에 AWD(Amendment Working Document) 코드북을 이용하는 것에 대조적으로 새로이 제안된 코드북의 예시적인 링크 처리량 증가(link throughput gains)를 보여준다. 즉, 상기 도 5는 상호관련 상황에서 AWD 코드북을 사용하는 때와 비교하여 8비트 및 6비트의 제안된 코드북을 사용하였을 때의 처리량 증가를 나타낸다.

도 6은 4비트, 6비트, 8비트 및 AWD 코드북을 사용할 때에 스펙트럴 효율성 (spectral efficiency) (bits/tone) 대 SNR(signal-to-noise ratio)에 대한 예시적인 실험 결과들을 보여준다. 상기 도 6에 도시된 바와 같이, 6비트의 코드북 사용은 4비트의 코드북을 사용한 때에 비교하면 성능 증가가 많은 편이 아니지만, 새로이 제안된 8비트 코드북은 기존 AMD 코드북 사용보다 평균적으로 5% 성능이 뛰어나다.

만약 단순하게 8Tx CL-MIMO에 대한 상향(UL) 피드백 오버헤드가 4Tx CL-MIMO의 상향 피드백 오버헤드보다 작거나 같다면, 6비트 코드북이 8비트 코드북보다 더 바람직하다. 하지만, 만약 상기 8Tx CL-MIMO에 대한 상향(UL) 피드백 오버헤드가 4Tx CL-MIMO의 상향 피드백 오버헤드보다 크다면, 약간의 증가된 상향 피드백 오버헤드 결과로 하향 처리량(downlink throughput)이 매우 증가하여 시스템 전반적으로 큰 효율성을 주므로 8Tx 코드북 기반 CL-MIMO에 대해서는 8비트의 코드북이 바람 직하다.

본 발명에 제안된 4비트의 8Tx 코드북에 다음과 같은 코드북 엔트리들이 부가될 수 있다.

상기 언급된 과정들은 8개 전송 안테나에 대한 기초 코드북(base codebook) (특히 SU-MIMO 기초 코드북)에 관련되었다고 요약될 수 있다. 즉, 상기 8개 전송 안테나에 대한 기초 코드북은 4개 전송 안테나에 대한 기초 코드북으로부터 다음과 같이 구성될 수 있다.

상기와 같은 특징들은 앞서 언급되었듯이 IEEE 802.16m, 3GPP LTE, 3GPP LTE-Advance 등에 모두 적용 가능하다.

다음은 8Tx 프리코딩에 대한 하향(DL) 코드북에 대해 설명한다.

상기 LTE-Advance(LTE-A) 시스템에서, 주목할 만한 하향 스펙트럴 효율성(spectral efficiency) 달성을 위해서는 하향 링크시에 8Tx 안테나 기법까지는 지원되어야 한다. 특히, 상기 하향링크를 통한 대부분의 처리량이 CL-MIMO 동작으로부터 생기기 때문에 상기 8Tx 안테나 기법 안에 CL-MIMO를 적용하는 것은 당연시된다. FDD에서 상기 8Tx 안테나 경우에 대한 CL-MIMO 달성을 위해서는 두 개의 접근 방법이 있을 수 있다. 첫 번째는 LTE 시스템에서의 코드북을 기반으로 하는 것이고 두 번째는 CSI direct 피드백을 기반으로 하는 것이다.

다음 설명될 과정은 코드북 기반 기법에 초점을 맞출 것이고 상기 8Tx 안테나 기법에 대해서 새로운 코드북을 제안할 것이다.

이러한 코드북 설계에 대한 지침으로, release 8(Rel-8) 시스템 설계에 기반되는 여러 조건들의 고려가 필요하며, 상기 8Tx 코드북은 적어도 다음과 같은 특성들을 만족해야 한다.

1) 일정 모듈러스 특성(constant modulus property) 2) 유한 알파벳(finite alphabet) 3) 매우 상관된(highly correlated), 비 상관된(uncorrelated), 크로스 편파된 안테나 (cross polarized antenna) 구성등과 같이 여러 경우에 대해 좋은 성능 4) 적절한 코드북 크기(moderate codebook size), and 5) 중첩 특성(nested property)

다음 과정은 Rel-8 4Tx 전송기법에서 현재 사용되는 코드북으로부터 8Tx 안테나 시스템에 대한 새로운 코드북을 구성할 것을 제안한다. 먼저, 랭크 1 전송을 위해 상기 Rel-8 4Tx 코드북을 사용하는 두 개의 기초 행렬들이 사용되고, 상기 두 개의 행렬들은 다음과 같다.

일때 4Tx 코드북을 사용하는 상기 기초 행렬들로부터 8Tx 코드북의 구성을 앞서 전술한 특성 1) 과 2)를 만족한다. 상기 특성 4)를 위해, 4비트 크기를 가지는 코드북이 처음으로 고려될 것이다. 상기 특성 5)가 만족되기 위해서 코드북의 엔트리들 모두가 상기 기초 행렬들로부터 추출된다.

다음 표 1은 8Tx 프리코딩에 위해 사용되는 4비트 코드북 안에 예시적인 엔트리들을 나타낸다. 상기 표 1에서, 상기 기초 행렬들의 행들의 인덱스들은 괄호 안에 보여진다.

또한, 다음 표 2는 8Tx 프리코딩에 위해 사용되는 4비트 코드북 안에 또 다른 예시적인 엔트리들을 나타낸다. 상기 표 2에서, 상기 기초 행렬들의 행들의 인덱스들은 괄호 안에 보여진다.

하지만, 상기 특성 3)를 만족하기 위해서, 아래 보이는 B1 및 B2와 같이 다른 기본 행렬들의 도입이 필요하기도 한다. 아래 보이는 기본 행렬들은 상기 보이는 기본 행렬들 A1 및 A2 보다 크로스 편파 안테나(cross polarized antenna) 구성에서보다 적합하다.

여기서

및

는 k 번째 값(element)에 0이 아닌 값을 구비하는unit vector임을 의미한다.

상기 특성 5)가 부분적으로는 불만족 되었지만, 크로스 편파된 안테나 경우에서 성능 비교를 도시한 도 7에서 볼 수 있듯이 기본 행렬들 B1 및 B2를 적용하여 얻어진 성능 증가는 뚜렷하다. 반면에, 도 8은 상호관련이 높은 ULA 상에서 기본 행렬들 B1 및 B2에 의한 성과 손실은 거의 없음을 나타낸다.

상기 기본 행렬들 B1 및/또는 B2는 아무 블록 대각 행렬(block diagonal matrix) 또는 이것의 변경 버전과 교환 가능하다. 상기 행렬들 A1 및/또는 A2는 0이 아닌 값을 포함하는 아무 단일 행렬(unitary matrix)과 교환 가능하다. 이러한 기초 행렬들 A1에서 B2를 사용하여 코드북을 설계할 때에 홀수 랭크(예, 랭크 1, 3, 5, 7)에 대한 코드북 엔트리들은 상기 A1 및 A2 사용에 의해 구성 가능하고, 짝수 랭크(예, 랭크 2, 4, 6, 8)에 대한 코드북 엔트리들은 상기 표2에서 보여지듯이 상기 A1, B1, B2 사용에 의해 구성 가능하다. 또 다른 예로써, 홀수 랭크들에 대한 코드북 엔트리들을 B1 및/또는 B2행의 짝수와 A1 및/또는 A2 행의 홀수와 섞어서 구성할 수도 있다.

상기와 같은 과정은 어떤 수의 전송 안테나를 사용하는 시스템에서도 적용 가능하다.

상기 과정에서는, 8Tx 프리코딩된 전송을 위해 두 개의 선택적인 하향(DL) 코드북들이 제공되었다. 하나는 상기 중첩 특성(nested property)을 엄격히 유지하도록 하기 위함이고, 나머지 하나는 크로스 편파 및 높은 상호 ULA처럼 안테나의 구성과 상관없이 좋은 성능을 달성하는데 보다 초점을 두었다. 처음에는, 상기 코드북의 크기를 4비트로 고려하였는데, 실제 코드북 크기는 특정 비상관 경우(uncorrelated case) 및 MU-MIMO 기법 등에 따라서 변환 가능하다.

다음은 IEEE 802.16m에서 보다 향상된 8Tx 코드북에 대해 설명한다.

현재 AWD는 높은 상관 경우(highly correlated case)에서 충분한 빔포밍 증가를 위해 랭크당 4비트 크기의 8Tx 코드북을 구비한다. 이러한 8Tx 코드북을 ULA 및 XPOL 안테나들의 MIMO 시스템에 적용하면, 도 9에 도시된 바와 같이 랭크 2에 대한 코드북의 여러 개의 엔트리가 역할을 제대로 수행하지 못한다. 상기 랭크 2에 대한 코드북의 마지막 8 엔트리들은 SLS를 통해서 중요하지 않은 엔트리들로 식별된다. 본 발명에서는 SU-MIMO의 성능 향상을 위해서 랭크 2에 대한 코드북의 새로운 엔트리들을 제안한다.

도 9는 ULA 및 XPOL 상에서 랭크 2를 위한 AWD 코드북을 이용할 때에 예시적인 코드북 행렬 선택 비율을 나타낸다. 상기 도 9에서, XPOL 종류 1과 2는 도 10에 도시되는 XPOL에서 안테나 인덱싱(indexing)에 대한 두 종류를 의미한다.

상기 언급된 과정들에서, 새로이 제안된 8Tx 코드북을 특징들은 다음과 같이 요약될 수 있다. 즉, 랭크 2에 대한 코드북의 8-15 엔트리들은 다음 행렬들로 대신할 수 있다.

성능상에 비교에 대해서, XPOL 종류 2에는, 기초 행렬들이 아래와 같이 변경될 수 있다.

도 11은 몇 개의 안테나 구성들 상에서 코드북 행렬들의 선택 비율에 대한 예시적인 실험 결과들을 보여 준다. 즉 상기 도 11은 다음과 같은 시뮬레이션 가정들을 기반하여 SLS를 통해 상기 코드북 행렬들에 대한 선택 비율(selection ratio)의 비교 실험결과를 나타낸다.

상기 도 11에 도시된 바와 같이, 랭크 2에 대한 현재 코드북의 마지막 8 엔트리들은 ULA 및 XPOL 안테나 구성에서 중요한 역할을 하지 못하고 있다. 반면에 본 발명에서 제안된 8 엔트리들은 XPOL 경우에 주목할만한 역할을 한다. 상기 도 11은, 상기 XPOL 구성에 대해서는 블록 대각 행렬들(block diagonal matrices) 또는 이의 변경된 버전이 더 적절한 기초 행렬들임을 암시한다.

다음 표 3은 이와 같은 암시를 섹터 전력량에 의하여 입증하고 있다. 상기 표 3에 나타나 있듯이, 본 발명에서 제안된 코드북은 XPOL 설정인 경우에 피드백 오버헤드 증가 없이 주목할만한 전력량 증가를 보이며, ULA 경우에는 같은 성능을 보인다.

따라서, IEEE 802.16m 기술 표준 및/또는 다른 관련된 기술 표준에서, 다음과 같은 두 개 행렬들이 SU-MIMO 기초 코드북을 위해서 사용될 수 있다.

또한, IEEE 802.16m 기술 표준 및/또는 다른 관련된 기술 표준에서, 도 12에 도시된 표가 정의될 수도 있다.

본 발명의 여러 가지 발명적인 개념들 및 특징들은 다음과 같이 요약될 수 있다.

본 발명은 코드북 기반 프리코딩 기술의 향상된 방법을 제공한다. 즉, 낮은 규격(lower dimension) (즉, 상대적으로 적은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들(codebook entries)이 높은 규격(higher dimension) (즉, 상대적으로 많은 수의 안테나들을 구비함)의 MIMO 시스템에서 코드북 생성에 사용되는 방법이다.

특히, 도 13을 참조하면, 4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북에 접속(accessing)하는 과정에서, 상기 코드북은 메모리에 저장되며 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 구비하며, 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내며, 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 코드북의 랭크 1안에 엔트리들을 사용하여 8개 전송 안테나들에 관련된 MIMO 기초 코드북에 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8까지의 엔트리들을 새롭게 구성하고; 그리고 기지국에 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스를 나타내는 피드백을 전송한다.

본 발명에서 제안되어 상기 설명된 과정들은 또 다른 추가적 또는 새로운 MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북 엔트리들을 선택하는 방법을 인도할 수도 있다. 예를 들면, 낮은 규격의MIMO 시스템에서 사용되는 특정 코드북의 엔트리들을 선택하여 높은 규격의 MIMO 시스템의 MIMO 시스템을 위한 코드북을 생성하는데 있어서, 여러 개의 코드북 엔트리들 중에서 하나 또는 그 이상의 특정 홀수 행 또는 짝수 행들이 적절하게 선택되고 이와 같이 선택된 상기 특정 홀수 행 또는 짝수 행들을 사용하여 상기 높은 규격의 MIMO 시스템에서 사용되는 코드북 엔트리들을 구성할 수도 있다.

또한, 도 13을 참조하면, 본 발명은 상기 설명된 방법들을 수행하고 적용시킬 수 있는 장치, 즉 예를 들면, processing unit, 제어기, CPI, 마이크로프로세서, 메모리 또는 저장기 등등의 적절한 하드웨어 구성을 구비하는 장치를 또한 제공한다.

도 14는 하향링크(downlink) 데이터 전송시 송신 단에서 MIMO-OFDM을 지원하는 프로토콜 계층들(MAC-PHY) 및 여러 가지 엔티티들의 예시적인 개념을 나타내는 흐름도이다.

먼저, 전송 블록들(transport blocks)이 MAC계층으로부터 PHY계층으로 하나 또는 그 이상의 전송 채널들을 통해서 전달된다. (1402). CRC 삽입을 수행한 후에 (1404), 그리고 코드 블록 분할(segmentation)의 과정 (1406), 터보 인코딩(turbo encoding) (1408), 레이트 매칭(rate matching) (1410), 및 코드 블록 연결(concatenation) (1402) 등이 수행된다. 여기서 HARQ 엔티티(1411)는 상기 레이트 매칭 (1410) 수행과 연관된다. 또한, 상기 CRC 삽입을 수행한 후에 (1404), 상기 과정과는 다르게, 컨벌루션 인코딩(convolutional encoding) (1414), 레이트 매칭(rate matching) (1416), 및 채널 인터리빙(channel interleaving) (1418) 등이 수행될 수도 있다.

이후에, 스크램블링(scrambling) 과정 (1420), 콘스텔레이션 매핑(constellation mapping) (1422), 레이어 매핑(layer mapping) (1424), 공간 프리코딩(spatial precoding) (1426), 및 OFDM 신호 생성(OFDM signal generation) (1428) 등이 수행된다. 여기서, MAC 스케줄러 (1421)는 상기 콘스텔레이션 매핑(constellation mapping) (1422), 공간 프리코딩(spatial precoding) (1426), 및 OFDM 신호 생성(OFDM signal generation) (1428) 에 관련한다. 또한, 레이어 매핑(layer mapping) (1424) 및 공간 프리코딩(spatial precoding) (1426) 과정들 간에 계층들의 수는 채널의 랭크보다 작거나 같을 수 있다.

상기 규격이 낮은 MIMO 시스템을 위한 특정 코드북 엔트리들을 사용하여 높은 규격의 MIMO 시스템을 위한 코드북을 새로이 생성하는 방법과 관련된 여러 과정들은 상기 공간 프리코딩(1426)과 관련하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 공간 프리코딩(1426) 동안에, 4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북의 랭크 1안에 엔트리들은 8개 전송 안테나들에 관련된 MIMO 기초 코드북을 위한 2개 기초 행렬들의 랭크 1에서 랭크 8까지의 엔트리들을 구성하는데 새로이 사용된다.

도 15는 상향링크(uplink) 데이터 전송시 수신 단에서 MIMO-OFDM을 지원하는 프로토콜 계층들(MAC-PHY) 및 여러 가지 엔티티들의 예시적인 개념을 나타내는 흐름도이다.

기본적으로 상기 도 14에 비교하면, 상기 도 15는 다중 안테나들을 통해 신호 수신시에 콘스텔레이션 매핑(constellation mapping) (1522) 까지는 상기 도 14에 대응하는 과정들이 역으로 수행되고 스크램블링(scrambling) (1520)은 도 14에 스크램블링(scrambling)과는 약간만 다르다. 즉, 가드 인터벌 삽입(inserting guard intervals) (1530), N 점 역 FFT(N-point Inverse FFT) (1528), 서브케리어 매핑(sub-carrier mapping) (1526), 및 M 점 DFT(M-point DFT) (1524) 등이 수행되고, 나머지 과정들 (1512-1510-1508-1506-(1518-1516-1514)-1504)은 PHY계층으로부터 MAC계층으로 전송 블록들(1502)의 전달을 하는데 이와 같은 과정들은 상기 도 14에 설명된 과정들 유사하며 단지 역방향으로 수행된다.

이하, 본 발명에 따른 단말을 설명한다.

본 발명에 따른 단말은 무선상에서 데이터를 서로 주고 받을 수 있는 서비스를 이용할 수 있는 모든 형태의 단말을 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 단말은 무선 통신 서비스를 이용할 수 있는 이동통신 단말기(예를 들면, 사용자 장치(UE), 휴대폰, 셀룰라폰, DMB폰, DVB-H폰, PDA 폰, 그리고 PTT폰 등등)와, 노트북, 랩탑 컴퓨터, 디지털 TV와, GPS 네비게이션와, 휴대용 게임기와, MP3와 그 외 가전 제품 등등을 포함하는 포괄적인 의미이다.

본 발명에 따른 단말은, 본 발명이 예시하고 있는 MIMO 시스템상에서 높은 규격의 코드북 생성을 하기 위한 기능 및 동작을 수행하는데 필요한 기본적인 하드웨어 구성(송수신부, 처리부 또는 제어부, 저장부등)을 포함할 수도 있다.

여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 이동 단말기 또는 기지국의 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 이동 단말기 또는 기지국 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.

이상, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북(codebook)을 구성하는 방법으로서,
   4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 코드북에 접속(access) 하는 단계에 있어서, 상기 코드북은 저장 매체 안에 저장되어 지고 상기 코드북은 랭크(rank) 1에서 랭크 4까지를 위한 엔트리들(entries)을 구비하고 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내며;
   상기 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 상기 코드북의 랭크 1 안에 엔트리들을 사용하여 상기 8개 안테나에 연관된 MIMO 기초 코드북을 위한 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 새로이 구성하는 단계와; 그리고
   기지국으로 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스(index)를 나타내는 피드백을 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 두 개 기초 행렬들은
   

   

   
   으로 정의되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 기지국은 어떤 종류에 관련된 안테나 구성이 사용되는지를 나타내기 위해서 시그널링(signaling)을 이동국(mobile station)에게 제공하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 8개 전송 안테나들은 크로스 편파된 안테나들(cross-polarized antennas)인 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북은 IEEE 802.16에 관련된 기술 또는 3GPP LTE 관련 기술을 지원하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템상에서 복수개의 안테나들에 관련된 코드북을 구성하는 방법.
6. MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템과 관련된 장치로써,
   기지국으로 또는 기지국으로부터 데이터 및 정보를 운반하는 무선 신호들을 전송 및 수신하는 송수신기;
   4개 전송 안테나들을 구비하는 MIMO 시스템에 관련된 적어도 하나의 코드북을 포함하는 데이터 및 정보를 저장하기 위한 저장 매체; 및
   상기 저장 매체와 결합하여 랭크(rank) 1에서 랭크 4에 대한 엔트리들을 구비하는 코드북에 접속(access) 하고, 각 랭크는 특정 공간 다중화 순서(spatial multiplexing order)를 나타내고, 상기 4개 전송 안테나들을 구비하는 상기 MIMO 시스템에 관련된 상기 코드북의 랭크 1 안에 엔트리들을 사용하여 상기 8개 안테나에 연관된 MIMO 기초 코드북을 위한 두 개 기초 행렬들(base matrices)의 랭크 1에서 랭크 8에 대한 엔트리들을 새로이 구성하고, 그리고 상기 기지국으로 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북의 엔트리 인덱스(index)를 나타내는 피드백을 전송하는 것을 구성하는 프로세서(processor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템 관련 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 두 개 기초 행렬들은
   

   

   
   으로 정의되는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템 관련 장치.
8. 제 6항에 있어서, 상기 기지국은 어떤 종류에 관련된 안테나 구성이 사용되는지를 나타내기 위해서 시그널링(signaling)을 이동국(mobile station)에게 제공하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템 관련 장치.
9. 제 6항에 있어서, 상기 8개 전송 안테나들은 크로스 편파된 안테나들(cross-polarized antennas)인 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템 관련 장치.
10. 제 6항에 있어서, 상기 8개 전송 안테나들에 관련된 상기 MIMO 기초 코드북은 IEEE 802.16에 관련된 기술 또는 3GPP LTE 관련 기술을 지원하는 것을 특징으로 하는 MIMO 시스템 관련 장치.

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