KR20100136903A

KR20100136903A - 다중 안테나 시스템에서 공간 채널 공분산(ｓｐａｔｉａｌｃｈａｎｎｅｌｃｏｖａｒｉａｎｃｅ)를 이용하여 피드백 오버헤드를 최소화 하는 방법

Info

Publication number: KR20100136903A
Application number: KR1020100013601A
Authority: KR
Inventors: 박성호; 임빈철; 이욱봉
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2010-12-29
Also published as: WO2010147346A2; KR101751995B1; US20120069887A1; US8503516B2; WO2010147346A3

Abstract

본 발명은 다수의 송수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 통신 방법에 있어서 피드백 오버헤드(feedback overhead)를 최소화 하는 방법을 개시한다. 특히 본 발명은 Explicit 채널 상태 정보(Channel Status Information; CSI) 피드백의 한 방법으로서, 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)를 이용하여 다중 입출력 통신 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법에 대하여 기술한다.

Description

다중 안테나 시스템에서 공간 채널 공분산(ｓｐａｔｉａｌｃｈａｎｎｅｌｃｏｖａｒｉａｎｃｅ)를 이용하여 피드백 오버헤드를 최소화 하는 방법{METHOD OF MINIMIZING FEEDBACK OVERHEAD USING SPATIAL CHANNEL COVARIANCE IN A MULTI INPUT AND MULTI OUTPUT (MIMO) SYSTEM}

본 발명은 다중 입출력 통신 방법에 있어서 피드백 오버헤드(feedback overhead)를 최소화 하는 방법에 대한 것으로, 특히 Explicit 채널 상태 정보(Channel Status Information; CSI) 피드백의 한 방법으로서, 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)를 이용하여 다중 입출력 통신 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법에 대한 것이다.

최근 무선 통신 환경에서 음성 서비스를 비롯한 다양한 멀티미디어 서비스를 제공하고, 고품질을 유지하면서 고속의 데이터를 전송하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 특히, 공간 영역에서 다수의 채널들을 이용하는 다중 입출력 MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 시스템에 대한 기술이 빠르게 발전하고 있다.

먼저 일반적인 다중 입출력 기술을 개괄적으로 살펴보도록 한다.

간단하게 말해, MIMO는 지금까지 한 개의 송신안테나와 한 개의 수신안테나를 사용하여 통신하던 시스템에서 탈피하여, 다중 송신안테나와 다중 수신안테나를 사용하여 데이터 송수신 효율을 향상시키는 방법을 말한다. 즉, 무선통신 시스템의 송신단 혹은 수신단에서 다중안테나를 사용하여 데이터 전송의 용량증대 혹은 성능개선을 꾀하는 기술이다.

다중안테나 기술이란, 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 여러 개의 다중안테나에서 수신된 단편적인 데이터 조각을 한데 모아 완성하는 기술을 응용한 것이다. 이를 통해, 데이터 전송 속도를 향상시키거나 특정 데이터 전송 속도에 대해 시스템의 적용 범위를 증가시킬 수 있다.

MIMO 기법을 적용한 다중 안테나 시스템은 크게 수신단으로부터의 피드백 정보를 이용하지 않는 개루프(open loop) 다중 안테나 시스템과 피드백 정보를 이용하는 폐루프(closed loop) 다중 안테나 시스템이 있다. 구체적으로, 폐루프 다중 안테나 시스템은 수신단이 채널 상태에 관한 피드백 정보를 송신단으로 전송하고 이를 통해 송신단이 채널 상태를 파악하도록 하여 다중 안테나 시스템의 성능 향상을 도모한다.

폐루프 다중 안테나 시스템에서는 송신단의 다수의 안테나들을 그룹화하여 일부는 데이터 전송 속도 향상을 휘한 공간 다중화 용도로 사용하고 일부는 데이터 전송의 신뢰성 향상을 위한 다이버시티 용도로 사용하는 안테나 그룹핑 기법, 송신단에서 수신단으로부터 피드백 되는 채널 정보를 바탕으로 어떠한 안테나를 사용하는 것이 최적인가를 판단하여 MIMO에 관여하는 안테나를 동적으로 선택하는 안테나 선택 기법, 송신단에서 수신단으로부터 전송된 채널 환경에 관한 피드백 정보를 이용하여 전송 데이터에 소정의 처리를 하여 채널의 영향을 최소화하는 프리코딩(pre-coding) 기법 등을 사용한다.

상기 피드백을 전송하는 방법에서 일반적으로 채널 상태 정보(Channel Status Information; CSI)를 피드백하며, 상기 채널 상태 정보는 크게 Implicit CSI 피드백 방법과 Explicit CSI 피드백 방법으로 나눌 수 있다. 상기 Implicit CSI 피드백 방법은 일반적으로 단말과 기지국이 서로 약속한 방법을 이용하여 채널 상태(Channel Status)를 변형 또는 가공하여 전송하는 방법으로서, 이러한 형태의 CSI 정보로는 CQI (Channel Quality Indicator), PMI (Precoding Matrix Index), RI (Rank Indicator) 등과 같은 것들이 있다. 상기 Explicit CSI 피드백 방법은 채널 상태 정보(Channel Status Information) 그 자체 혹은 그 속성을 유지한 채로 전송하는 방법으로서, 일반적으로 채널 벡터/행렬(channel vector/matrix), 채널 공분산 벡터/행렬(channel covariance vector/matrix) 등을 전송한다. 또한, 상기 Explicit CSI 피드백 방법은 CSI 전체를 보내느냐 혹은 일부분을 보내느냐에 따라 Full Feedback (혹은 Analogue Feedback)과 Partial Feedback으로 나눌 수 있다.

상기 Explicit CSI피드백 방법으로 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)의 Long-term Average에 대한 양자화 방법(Quantization Method)이 있다. 이는 채널 공분산(Channel Covariance)에 대한 평균(Average)을 대각선 컴포넌트(Diagonal Components)들과 비대각선 컴포넌트(Off-diagonal Components)들로 나누어 각각 정해진 바에 따라 양자화(Quantization)을 수행하여 피드백 오버헤드(Feedback Overhead)를 줄이는 방법이다. 예를 들어, Diagonal Components에 대하여 1bits 양자화(Quantization)를 수행하고, Off-diagonal Components에 대하여 4bits 양자화(Quantization)을 수행하는 방식이다.

상기 기술한 바와 같이 보다 효율적인 다중 입출력 통신 시스템을 달성하기 위해서는 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법이 필요하다.

하지만, 종래기술에서 논의 되고 있는 상기 전술한 Quantized CSI 피드백 방법은 안테나 구성(Antenna Configuration)과 독립적으로 피드백 오버헤드(Feedback Overhead)를 줄일 수 있는 장점이 있지만, 송신 안테나(Transmit Antenna) 수가 증가할수록 피드백(Feedback) 양이 급증하는 단점이 있다. 예를 들면, 일반적으로 8개의 송신 안테나에 대해서는 128bits 양자화를 수행하는데 이와 같은 많은 양의 피드백은 전체적인 시스템의 효율 저하를 일으키는 큰 문제점이 된다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에서는 다중안테나 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화 하는 방법을 제공하고자 한다. 특히, 본 발명에서는 Explicit 채널 상태 정보(Channel Status Information; CSI) 피드백의 한 방법으로서, 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)를 이용하여 다중 입출력 통신 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 본 발명의 과제 해결을 위하여, 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법에 있어서, 수신단에서 상기 다중 안테나 시스템의 공간 채널(spatial channel)을 측정하는 단계와; 상기 측정된 공간 채널을 이용하여 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출하는 단계와; 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)으로부터 피드백 정보(feedback information)를 결정하는 단계와; 그리고 상기 결정된 피드백 정보를 송신단으로 전송하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 송신단으로부터 안테나 구성(antenna configuration) 정보를 수신하였는지를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되었다고 판단되면 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에서 해당 안테나 구성에 대한 기 정의된 closed-form으로 상기 피드백 정보를 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되지 않았다고 판단되면 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에서 모든 기 정의된 closed-form중 가장 적합한 closed-form으로 상기 피드백 정보를 결정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 결정된 피드백 정보를 양자화(quantization)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)은 정규화(normalization) 과정을 통해서 산출 되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 결정된 피드백 정보는 상수(C) 와 correlation coefficient(α) 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 안테나 구성(antenna configuration) 정보는 Uniform Linear Array (ULA), Uniform Circular Array (UCA) 또는 Cross Polarized Array (CPA)로 구분되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 송신단이 상기 결정된 피드백 정보를 수신한 후에 상기 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 재구성(reconstruction) 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 송신단이 상기 재구성된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에 따라서 프리코딩 행렬(pre-coding matrix)를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다수의 송수신 안테나를 사용하는 다중 입출력 통신 방법에 있어서 Explicit 채널 상태 정보(Channel Status Information; CSI) 피드백의 한 방법으로서, 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)를 이용하여 다중 입출력 통신 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법을 제안한다. 제안된 방법에 따라 다중 입출력 통신 시스템에서 피드백을 오버헤드를 최소화 할 수 있기 때문에, 보다 효율적으로 빠른 시간 동안에 할당된 무전자원의 사용을 낮추면서 다중 입출력 통신 시스템에서 데이터를 송수신 할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.

도 1은 종래 및 본 발명이 적용되는 다중 안테나(MIMO) 통신 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명이 적용되는 코드북 기반의 다중 안테나 시스템의 송수신단 구성을 나타내는 예시도 이다.
도 3은 본 발명이 적용되는 경사각이 없는 2개의 전송 및 수신 안테나들을 구비하는 co-polarized 안테나 배치(array)를 나타내는 예시도 이다.
도 4는 본 발명이 적용되는 4개의 전송 및 수신 안테나들을 구비하는 cross-polarized 안테나 배치(array)를 나타내는 예시도 이다.
도 5는 본 발명에 따라 다중 안테나 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명의 기본 개념은, 종래기술보다 다중 입출력 통신 방법에 있어서 피드백 오버헤드(feedback overhead)를 최소화 하는 방법으로서, 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법에 있어서, 수신단에서 상기 다중 안테나 시스템의 공간 채널(spatial channel)을 측정하는 단계와; 상기 측정된 공간 채널을 이용하여 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출하는 단계와; 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)으로부터 피드백 정보(feedback information)를 결정하는 단계와; 그리고 상기 결정된 피드백 정보를 송신단으로 전송하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법을 제안하고 이러한 방법을 수행할 수 있는 무선 이동통신 단말기 또는 기지국을 제안한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 상기 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

이하에서 설명되는 본 발명에서 제안하는 실시예들은 단말의 이동성을 고려한 다중반송파 다중접속 시스템, 일례로 OFDM을 이용하는 이동 통신 시스템에 적용 가능하다. 또한 MC(Multi carrier)-CDMA, SC(Single carrier)-FDMA, WH(Walsh-Hadamard)-FDMS, DFT(Discrete Fourier Transform) 확산 OFDMA에도 적용 가능하다.

또한, 이하 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적 특징들이 LTE(Long Term Evolution)이라 불리기도 하는 E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System)에 적용된 예들로서 IEEE 802.16m, 와이브로(Wibro) 시스템과 같은 유사한 다른 이동 통신 시스템에도 적용될 수 있음은 명백하다.

E-UMTS 시스템은 기존 WCDMA UMTS 시스템에서 진화된 시스템으로 현재 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. UMTS 및 E-UMTS의 기술 규격(technical specification)의 상세한 내용은 각각 “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network”의 Release 7과 Release 8을 참조할 수 있다.

몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및/또는 장치는 생략될 수 있고, 각 구조 및/또는 장치의 핵심기능을 중심으로 도시한 블록도 및/또는 흐름도 형식으로 나타낼 수 있다.

일반적으로 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다. 이 기술은 하향링크(downlink) 또는 상향링크(uplink)에 사용될 수 있다. 하향링크는 기지국에서 단말로의 통신을 의미하며, 상향링크는 단말에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 기지국은 일반적으로 단말과 통신하는 고정된 지점으로 물리 전송단 뿐만이 아니라 상위계층까지 포함하는 통신 시스템에서 단말을 제외한 네트워크를 포함한다. 그러므로, 본 발명에서는 네트워크와 기지국은 단말과 대칭되는 부분으로 동일한 의미를 가진다. 여기서, 단말은 고정되거나 이동성을 가질 수 있다.

도 1은 종래 및 본 발명이 적용되는 다중 안테나(MIMO) 통신 시스템의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 송신 안테나의 수를 NT개로, 수신 안테나의 수를 NR개로 동시에 늘리게 되면, 안테나 수에 비례하여 이론적인 채널 전송 용량이 증가하므로, 전송 레이트(rate) 및 주파수 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 즉, 예를 들어, 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 이용하는 MIMO 통신 시스템에서는 단일 안테나 시스템에 비해 이론상으로는 4배의 전송 레이트를 획득할 수 있다.

이와 같은 다중안테나의 기술은 다양한 채널 경로를 통과한 심볼들을 이용하여 전송 신뢰도를 높이는 공간 다이버시티(spatial diversity) 방식과, 다수의 송신 안테나를 이용하여 다수의 데이터 심볼을 동시에 송신하여 전송률을 향상시키는 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing) 방식으로 구분될 수 있다. 또한, 이러한 두 가지 방식을 적절하게 결합하여 각각의 장점을 적절히 취하는 방식을 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명이 적용되는 코드북 기반의 다중 안테나 시스템의 송수신단 구성을 나타내는 예시도 이다.

먼저, 도 2의 송신단은 기지국 또는 단말이 될 수 있다. 상기 도2에 도시되어 있듯이, 송신단에서 수신단으로 전송될 사용자 데이터는 사용자 선택부에서 단독 데이터 스트림(stream) 또는 다중 데이터 스트림 중 하나가 선택되어 채널 부호화부로 입력된다. 이후, 상기 채널 부호화부는 채널 부호화를 수행한다. 또한, 변조부는 채널 부호화된 사용자 데이터에 성상 매핑(Constellation Mapping)을 수행하고, 이들 심볼화된 사용자 데이터들은 프리코딩부에서 프리코딩 행렬(Pre-coding Matrix)에 의해 곱해지고 난 후, 각 안테나로 전송된다. 도 2에 도시된 실시예에서는 송신단의 안테나들과 수신단의 안테나들이 각각 M개씩 있는 다중 안테나 시스템을 가정하고 있다.

송신단의 안테나들을 통해 전송된 사용자 데이터는 무선 채널을 거쳐 수신단의 안테나들로 입력된다. 수신단에서는 채널 상태를 파악하여 최적의 코드북 인덱스 즉, 프리코딩 행렬 인덱스(Precoding matrix index; PMI)를 포함하는 피드백 정보를 송신단으로 전송하고, 송신단의 프리코딩부에서는 피드백 된 코드북 인덱스를 제어부를 통해 전달받은 후 피드백 된 코드북 인덱스에 해당하는 프리코딩 행렬을 사용자 데이터에 적용할 수 있다. 상기 피드백 정보는 채널품질정보(Channel Quality Indicator; CQI) 등을 더 포함할 수 있고 제어부는 수신단으로부터의 피드백 정보를 이용하여 사용자 또는 최적의 프리코딩 행렬들에 대한 선택을 수행하여 이를 프리코딩부에 알려줄 수 있다.

앞서 전술한 바와 같이 본 발명에서는 공간 채널(Spatial Channel) 환경에서 측정한 공간 채널(Spatial Channel)에 대한 공분산(Covariance)을 이용하여 송신단 또는 수신단 공분산(Covariance)를 구하고, 이를 전송함으로써 피드백 오버헤드(Feedback Overhead)를 효과적으로 줄일 수 있는 방법을 개시하고자 한다.

본 발명에 따른 보다 구체적인 절차 및 과정은 다음과 같이 설명된다.

먼저, 공간 채널 모델링(Spatial Channel Modeling)에 대해서 설명한다. 송신단 혹은 수신단에서 하나 이상의 안테나가 있을 경우, 각 안테나 간에는 공간 시그니처(Spatial Signature)가 존재하게 된다. 따라서, 공간 채널(Spatial Channel)은 이와 같은 공간 시그니처(Spatial Signature)로써 Spatial Correlation 혹은 Spatial Covariance를 내포하게 된다.

다음 수학식 1은 Spatial Covariance를 이용하여 공간 채널(Spatial Channel)을 묘사한 예이다.

이때, H _w 는 Spatial white N_R ×N_T MIMO channel이고, R 은 Spatial Covariance로서

혹은

로 나타낸다.

은 벡터화(Vectorization)을 나타내고,

은 이에 대한 역 과정이다.

상기 공간 채널 모델링(Spatial Channel Modeling)의 또 다른 표현 방법은 송신단 혹은 수신단의 Correlation을 이용하는 방법으로 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

이때, R _Rx 은 N_R ×N_R 의 수신 Correlation이고, R _Tx 은 N_T×N_T 의 송신 Correlation이다.

이하 공간 채널 공분산(Spatial Channel Covariance)에 대해 보다 자세히 설명한다.

상기 수학식 1 에서 Spatial Covariance R 은 다음 수학식 3과 같이 송신단 Correlation과 수신단 Correlation에 대한 Kronecker Product로 구할 수 있다.

이때, R _Rx 은 수신단 Correlation Matrix이고, R _Tx는 송신단 Correlation Matrix를 나타낸다. ⓧ 는 Kronecker Product로서, 만약,

라고 표현할 때,

와 같이 연산된다.

따라서, 상기 수학식 3을 이용하여 단말(혹은 기지국)은 피드백 정보로 만을 전송하면 되므로 종래기술에 비해서 피드백의 양이 감소하게 된다.

여기서, 상기 Spatial Covariance R 은 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 서로 다른 형태를 나타낸다. 다음 수학식 4와 수학식 5는 일반적인 ULA (Uniform Linear Array)에서와 Cross-polarized Antenna Array에서의 경우를 각각의 예로 나타낸 것이다.

상기 수학식 5에서,

은 Polarized Covariance Matrix로서 각 안테나 요소(Antenna Element)들 간에 수평의 극선(Horizontal Polar)와 수직의 극선(Vertical Polar) 사이의 전파 특성을 표현한다. 따라서 송신단 혹은 수신단에서의 Cross-polarization 구성(Configuration)에 따라 상기

은 서로 다른 형태를 갖게 되며, 이로 인하여 상기 R 의 형태도 바뀌게 될 수 있다.

다음은 채널 상태 정보 (Channel Status Information; CSI) 피드백 방법 기반의 공간 공분산(spatial covariance)에 대해 설명한다.

먼저, Explicit CSI피드백(feedback)에 있어서 수신단에서 측정한 H 를 바로 피드백(Feedback) 할 수도 있지만, 상기 측정된 H 는 상대적으로 피드백 오버헤드(Feedback Overhead)가 높거나 양자화 오류(Quantization Error)에 민감하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 H 대신 이에 대한 Spatial Covariance를 피드백(feedback)하는 방안을 고려한다. 먼저, 상기 수신단에서 측정한 H 를 이용하여 Spatial Channel Covariance를 구하게 되면, 다음 수학식 6과 같이 표현된다.

이때, R 은 N_T ×N_T 이며, 이는 각 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 서로 다른 형태의 송신 Covariance에 대한 형태로 나타낼 수 있다. 도 3은 본 발명이 적용되는 경사각이 없는 2개의 전송 및 수신 안테나들을 구비하는 co-polarized 안테나 배치(array)를 나타내는 예시도 이다. 상기 도 3에 도시되어 있듯이, 만약 2개의 전송 및 수신 안테나를 갖고 상기 송수신단들이 모두 경사각 0°를 갖는 co-polarized 안테나 배열(array)인 경우에 상기 R 은 다음 수학식 7과 같이 표현된다.

도 4는 본 발명이 적용되는 4개의 전송 및 수신 안테나들을 구비하는 cross-polarized 안테나 배치(array)를 나타내는 예시도 이다. 상기 도 4에 도시되어 있듯이, 만약 4개의 전송 및 수신 안테나를 갖고 상기 송수신단들이 모두 cross-polarized 안테나 배열(array)인 경우에 상기 R 은 다음 수학식 8과 같이 표현된다.

상기 예시가 나타내듯이, 각 안테나의 구성에 따라 서로 다른 형태의 송신 Covariance가 나타나며, 일반적으로 만약 송신단이 경사각(slant angle)이 없는 ULA (Co-polarized Array with slant angle 0°)일 경우에는, 상기 수학식 7를 일반화 시킨 다음 수학식 9의 형태로 나타남을 알 수 있다.

또한, 만약 송신단이 Cross-polarized Antenna Array인 경우에는 상기 수학식 8과 유사하게 나타낼 수 있다. 이에, 다음 수학식 10은 Cross-polarized Antenna Array를 가정한 경우의 Closed-form을 나타낸다.

상기 수학식 10에서 P 는 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 결정되며, R' 는 Polarized Antenna 특성에 따라 결정된다.

예를 들어, 도 4과 같이 Polarized 안테나 구성(Antenna Configuration)에서 Co-located polarized 안테나 요소(Antenna Element)가 서로 Orthogonal (Ant 1 & Ant 2)하고, 동일 Polar 특성을 갖는 Antenna Elements (Ant1 & Ant3 or Ant2 & Ant4) 사이의 Correlation 특성이 동일하다면, 상기 수학식 10은 다음 수학식 11과 같이 표현 가능하다.

여기서 α 는 안테나(Antenna) 간 거리 d 에 영향을 받으며, N₁ 는 전송 안테나(Transmit Antenna)가 ULA인 경우에는, Antenna Element 수에 대한 오더(Order)로 나타나고, 전송 안테나(Transmit Antenna)가 Cross-polarized Array인 경우에는, Co-located Polarized Antenna Elements를 하나의 그룹(Group)으로 봤을 때 이 그룹들의 수에 대한 오더(Order)로써 표현된다.

결국, 상기 수학식 7에서 상기 수학식 11로부터 수신단에서 측정된 R 은 Constant C 와 Correlation Coefficient(s) α 를 전송할 경우, 각 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 공간 공분산(Spatial Covariance) R 을 재구성(Reconstruction)할 수 있다. 이 경우, 송신단에서는 각 안테나 구성(Antenna Configuration)에 대한 R 의 기 설정된 세트(Pre-defined Set)을 알고 있어야 한다. 또한, 수신단에서도 필요에 따라 각 안테나 구성(Antenna Configuration)에 대한 R 의 기 설정된 세트(Pre-defined Set)을 알고 있어야 한다.

이하, 본 발명에서 고려하는 채널 상태 정보(CSI) 피드백 방법에 대해 설명한다.

먼저 피드백의 내용(content)에 따라서, a) Constant 와 Correlation Coefficient(s) α 둘 다 전송할 수 있고, b) Correlation Coefficient(s) α 만을 전송할 수 있고, c) Constant 와 Correlation Coefficient(s) α 외 추가적으로 안테나 구성 정보(Antenna Configuration Information)를 전송할 수 있고, d) Correlation Coefficient(s) α 외 추가적으로 안테나 구성 정보(Antenna Configuration Information)를 전송할 수 있다.

또한 양자화 여부에 따라서, a) Full Feedback을 전송할 수 있고, b) 양자화된(Quantized) Feedback을 전송할 수 있다.

이와 같이 전송된 채널 상태 정보(CSI)를 바탕으로 기지국은 단말과 기지국의 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 R 을 구성한다. 이를 지원하기 위한 추가적인 정보로서 기지국(혹은 단말)에 대한 안테나 구성 정보(Antenna Configuration Information)을 단말 (혹은 기지국)에 알려줄 수 있다.

이하, 본 발명에서 제안하는 공간 공분산(Spatial Covariance)을 피드백(Feedback)하는 순서에 대해 설명한다.

만약, 서로 다른 안테나 구성(Antenna Configuration)에 따라 R 에 대한 Closed-form 세트(set)가 미리 정의(Predefine)되어 있다고 할 때, 첫 번째 단계로 기지국(혹은 단말)이 단말(혹은 기지국)에 안테나 구성(Antenna Configuration)을 알려주거나 또는 알려주지 않을 수 있다. 이후, 두 번째 단계로, 단말(혹은 기지국)은 채널 H (공간채널; spatial channel)를 측정하고, 측정한 H 를 이용하여 R (공간채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출한다. 이후, 세 번째 단계로, 단말(혹은 기지국)은 feedback(혹은 feedforward) 정보(예: ( C and/or α )를 결정한다. 여기서, 상기 첫 번째 단계에서 기지국(혹은 단말)이 단말(혹은 기지국)에 안테나 구성을 알려준 경우라면 상기 단말(혹은 기지국)은 산출된 R 에서 해당 안테나 구성(Antenna Configuration)에 대한 기 정의된(Predefined) Closed-form을 비교하여 피드백 정보(Feedback Information)을 결정한다. 하지만, 상기 첫 번째 단계에서 기지국(혹은 단말)이 단말(혹은 기지국)에 안테나 구성을 알려주지 않은 경우라면 단말(혹은 기지국)은 산출된 R 에서 모든 기 정의된(Predefined) Closed-form을 비교하여 가장 적절한 Closed-form을 찾고, 이에 대한 Feedback(혹은 Feedforward) 정보(Information)을 결정한다. 이후, 네 번째 단계로 상기 Feedback(혹은 Feedforward) 채널상태정보(CSI)에 대한 양자화를 수행할 수 있다. 즉, 상기 CSI 정보를 Full Feedback(혹은 Feedforward)로 구성하거나, 또는 상기 CSI 정보에 대한 양자화(Quantization)를 수행하고 이를 feedback(혹은 feedforward)할 수 있다. 이후, 마지막 단계로 상기 기지국(혹은 단말)은 상기 Feedback(혹은 Feedforward) CSI를 이용하여 R (공간채널 공분산(spatial channel covariance)을 재구성 할 수 있다.

다음은 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)의 정규화(normalization)에 대해 설명한다.

상기 수학식 10 혹은 수학식 11 등의 Closed-form은 H (공간채널; spatial channel)가 수렴되어 공간 시그니처(Spatial Signature)외의 주파수 선택(Frequency Selectivity) 및 시간 변경(Time Varying) 특성이 평평하거나(flat) 무효화되었을 때 가능하다. 하지만, 일반적으로 기지국 (혹은 단말)이 측정한 H 는 도플러 스프레드(Doppler Spread)에 의하여 시간 도메인(Time Domain)에서 변하거나 다중 경로(Multi-path)에 의해 주파수 선택(Frequency Selective)이 가능한 특성을 지닌다. 이로 인하여 특정 순간에 측정된 H 로부터 산출된 R (공간채널 공분산(spatial channel covariance)은 상기 수학식 10 혹은 수학식 11과 같은 형태를 지니지 못한다. 따라서, 이를 해결하기 위해서는 시간 도메인(Time Domain)에서 샘플 평균(Sample Averaging)을 이루기 위한 윈도윙(Windowing)을 적용함과 동시에 각 요소들(elements)에 대한 정규화(normalization)과정이 요구된다.

따라서, 본 발명에서는 다음과 같은 4가지 정규화(Normalization)과 윈도윙(Windowing)을 통하여 H 에 대한 수렴 효과를 높이는 방법을 제안한다.

위의 식에서 B 는 유효한 주파수 대역폭(Effective Bandwidth)이고, W_T 는 윈도우 크기(Window Size)를 나타낸다.

상기 전술한 바와 같이, 본 발명에 따라서 기지국(혹은 단말)은 안테나 구성(antenna configuration)을 알고 있는 상태에서 공분산 행렬(covariance matrix)를 정규화(normalization) 시켜서 constant C 또는 α 와 같은 피드백 파라미터(feedback parameter) 또는 피드백 정보(feedback information)을 받았을 때에 공분산 행렬(covariance matrix)을 재구성(reconstruction)하고 상기 재구성된 공분산 행렬에 따라서 프리코딩 행렬(pre-coding matrix)를 결정할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 다중 안테나 시스템에서 피드백 오버헤드를 최소화하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

상기 도 5에 도시되어 있듯이, 수신단(기지국 또는 단말)은 송신단(단말 또는 기지국)으로부터 안테나 구성(antenna configuration) 정보가 수신되었는지를 판단할 수 있다. 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되었다면, 상기 수신단은 공간 채널(spatial channel) 측정을 하고 상기 측정된 공간 채널을 이용하여 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출한 후에, 상기 산출된 공간 채널 공분산에서 상기 수신된 안테나 구성에 대해 기 정의된 closed-form에서 피드백 정보를 결정할 수 있다. 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되지 않았다면, 상기 수신단은 공간 채널(spatial channel) 측정을 하고 상기 측정된 공간 채널을 이용하여 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출한 후에, 상기 산출된 공간 채널 공분산에서 모든 기 정의된 closed-form을 비교 가장 적절한 closed-form에서 피드백 정보를 결정할 수 있다. 상기 피드백 정보가 결정된 후에, 상기 피드백 정보에 양자화를 수행할지를 결정하고, 만약 양자화 절차가 필요 시에는 상기 피드백 정보에 대한 양자화를 수행할 수 있다. 이후, 상기 피드백은 송신단으로 전송될 수 있다. 상기 송신된 피드백이 상기 송신단에 수신된 후에, 상기 송신단은 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 재구성(reconstruction)하고 상기 재구성된 공간 채널 공분산에 따라서 프리코딩 행렬을 결정할 수 있다.

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 효율적인 시스템 정보 수신을 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

다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법에 있어서,
수신단에서 상기 다중 안테나 시스템의 공간 채널(spatial channel)을 측정하는 단계와;
상기 측정된 공간 채널을 이용하여 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 산출하는 단계와;
상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)으로부터 피드백 정보(feedback information)를 결정하는 단계와; 그리고
상기 결정된 피드백 정보를 송신단으로 전송하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 송신단으로부터 안테나 구성(antenna configuration) 정보를 수신하였는지를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 2항에 있어서, 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되었다고 판단되면 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에서 해당 안테나 구성에 대한 기 정의된 closed-form으로 상기 피드백 정보를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 2항에 있어서, 만약 상기 안테나 구성 정보가 송신단으로부터 수신되지 않았다고 판단되면 상기 산출된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에서 모든 기 정의된 closed-form중 가장 적합한 closed-form으로 상기 피드백 정보를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 결정된 피드백 정보를 양자화(quantization)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)은 정규화(normalization) 과정을 통해서 산출 되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 결정된 피드백 정보는 상수(C) 와 correlation coefficient( ) 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 2항에 있어서, 상기 안테나 구성(antenna configuration) 정보는 Uniform Linear Array (ULA), Uniform Circular Array (UCA) 또는 Cross Polarized Array (CPA)로 구분되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 송신단이 상기 결정된 피드백 정보를 수신한 후에 상기 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)을 재구성(reconstruction) 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.
제 9항에 있어서, 상기 송신단이 상기 재구성된 공간 채널 공분산(spatial channel covariance)에 따라서 프리코딩 행렬(pre-coding matrix)를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 시스템에서 피드백(feedback)을 수행하는 방법.