KR20100138260A

KR20100138260A - 무선통신 시스템에서 전력 할당방법 및 그 장치, 이를 적용한 송수신장치 신호전송

Info

Publication number: KR20100138260A
Application number: KR1020090056706A
Authority: KR
Inventors: 박경민; 권기범; 서성진
Original assignee: 주식회사 팬택
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-31
Also published as: US20120093253A1; WO2010151046A2; CN102549936A; JP2012531796A; EP2448138A2; WO2010151046A3

Abstract

본 명세서는 무선통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 무선통신 시스템에서 전력을 할당하는 것을 개시하고 있다.

무선통신, 전력할당, 데이터 및 신호 전송

Description

무선통신 시스템에서 전력 할당방법 및 그 장치, 이를 적용한 송수신장치 신호전송{POWER CONTROLLING AND DEVICE THEREOF, TRANSREIEVER IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

통신 시스템에서 데이터 또는 신호를 송수신할 때 사용 가능한 전력은 제한되어 있다.

따라서 적절하게 전력을 할당하여 데이터 또는 신호를 전송할 필요성이 높다.

본 명세서는 무선통신 시스템에서 처리량을 증가시키고 전송용량이 최대가 되도록 전력을 효율적으로 할당하는 기술을 제공한다.

전술한 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에서, 채널 추정에 따른 버 추얼 채널 정보를 기반으로 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나를 얻고, 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당하는 전력 할당방법 및 그 장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

특히 본 명세서는 프리코딩 행렬과 채널 정보를 기반으로 계산된 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되도 록 스트림별 전력을 송신장치에서 할당하는 기술을 개시하고 있다. 설명의 편의를 위해, 본 명세서는 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나를 '수신 SINR'라고 명명한다.

도 1은 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다.

무선통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1을 참조하면, 무선통신 시스템은 단말(10; User Equipment, UE) 및 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다. 단말(10)과 기지국(20)은 아래에서 설명한 다양한 전력할당방법을 사용한다.

본 명세서에서의 단말(10)은 무선 통신에서의 사용자 단말을 의미하는 포괄적 개념으로서, WCDMA 및LTE, HSPA 등에서의 UE(User Equipment)는 물론, GSM에서의 MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(wireless device) 등을 모두 포함하는 개념으로 해석되어야 할 것이다.

기지국(20) 또는 셀(cell)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드-B(Node-B), eNB(evolved Node-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.

즉, 본 명세서에서 기지국(20) 또는 셀(cell)은 CDMA에서의 BSC(Base Station Controller), WCDMA의 NodeB 등이 커버하는 일부 영역을 나타내는 포괄적 인 의미로 해석되어야 하며, 메가셀, 매크로셀, 마이크로셀, 피코셀, 펨토셀 등 다양한 커버리지 영역을 모두 포괄하는 의미이다.

본 명세서에서 단말(10)과 기지국(20)은 본 명세서에서 기술되는 기술 또는 기술적 사상을 구현하는데 사용되는 두가지 송수신 주체로 포괄적인 의미로 사용되며 특정하게 지칭되는 용어 또는 단어에 의해 한정되지 않는다.

무선통신 시스템에 적용되는 다중 접속 기법에는 제한이 없다. CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA와 같은 다양한 다중 접속 기법을 사용할 수 있다.

상향링크 전송 및 하향링크 전송은 서로 다른 시간을 사용하여 전송되는 TDD(Time Division Duplex) 방식이 사용될 수 있고, 또는 서로 다른 주파수를 사용하여 전송되는 FDD(Frequency Division Duplex) 방식이 사용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 전력할당기술(power allocation)은GSM, WCDMA, HSPA를 거쳐 LTE(Long Term Evolution) 및 LTE-advanced로 진화하는 비동기 무선통신과, CDMA, CDMA-2000 및 UMB로 진화하는 동기식 무선 통신 분야의) 등 의 자원할당에 적용될 수 있다. 본 발명은 특정한 무선통신 분야에 한정되거나 제한되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 사상이 적용될 수 있는 모든 기술분야를 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 상향링크 물리채널의 신호 생성 과정을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면 채널코딩을 거친 각 비트는 스크램블링 생성기에 의해 생성된 부호들과 비트 대 비트로 모듈러(Modular) 2 연산을 통해 스크램블링(110) 되며, 스크램블링된 비트들은 모듈레이션 맵퍼(Modulation mapper, 112)로 입력되어 QPSK, 16QAM. 64QAM 등과 같은 각 모듈레이션 방법에 의해 복소 심볼들(complex-valued symbols)로 맵핑되고, 복소 심볼들을 생성하기 위하여 프리코딩 변환을 수행(114)하며, 특정한 리소스 엘리먼트에 복소 심볼을 매핑(116)한 후 각 안테나 포트를 위한 복소 시간-도메인 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Multiplexing Access) 신호로 생성된 후 송신된다.

예를 들어, 상향링크의 공유 채널(Physical Uplink Shared Channel; PUSCH) 신호나 물리 제어 채널(Physical uplink control channel PUCCH)를 생성하여 단말(10)에서 기지국(20)에 송신하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선 채널코딩을 거친 각 비트가 스크램블링 생성기에 의해 생성된 스크램블링 부호들과 비트 대 비트로 모듈러(Modular) 2 연산을 통해 스크램블링(110) 되며, 스크램블링된 비트들은 모듈레이션 맵퍼(Modulation mapper, 112)로 입력되어 QPSK, 16QAM. 64QAM 등과 같은 각 모듈레이션 방법에 의해 복소 심볼들(complex-valued symbols)로 맵핑되고, 복소 심볼들을 생성하기 위하여 프리코딩 변환을 수행(114)하며, 복소 심볼을 특정한 리소스 엘리먼트에 매핑(116)한 후 각 안테나 포트를 위한 복소 시간-도메인 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Multiplexing Access) 신호로 생성된 후 송신된다.

이때, 물론, 물리데이터 채널 및 물리제어채널의 일예로 PUSCH나 PUCCH를 예시하였으며, 다른 물리데이터 채널이나 물리제어채널도 동일한 방식을 적용할 수 있다.

위에서 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 상향링크 물리채널의 신호생성 구조를 설명하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 상향링크 물리채널의 신호생성 구조는 구성요소들 중 일부가 생략되거나 다른 구성요소로 치환 또는 변경되거나 다른 구성요소들이 추가될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 하향링크 물리채널의 신호생성 구조를 도시한 도면이다.

도 3를 참조하면, 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템은 스크램블러(210) 및 모듈레이션 맵퍼(212), 레이어 맵퍼(214), 프리코더(216), 리소스 엘리먼트 맵퍼(218), OFDM 신호 생성기(220)을 포함한다. 한편, 이 무선통신 시스템은 도 1의 기지국(10)의 통신시스템 또는 송신장치일 수 있다.

하향링크에서 채널코딩을 거쳐 코드 워드(code words) 형태로 입력되는 비트들은 스크램블러(210)에 의해 스크램블링된 후 모듈레이션 맵퍼(Modulation mapper; 212)로 입력된다. 모듈레이션 맵퍼(212)는 스크램블링된 비트들을 복소 모듈레이션 심볼로 변조하고, 레이어 맵퍼(Layer Mapper; 214)는 복소 모듈레이션 심 볼을 하나 또는 다수의 전송 레이어에 매핑한다. 그 후, 프리코더(216)은 안테나 포트의 각 전송 채널상에서 복소 모듈레이션 심볼을 프리코딩한다. 그 후 리소스 엘리먼트 맵퍼(Resource Element Mapper; 218)가 각 안테나 포트에 대한 복소 모듈레이션 심볼을 해당 리소스 엘리먼트에 매핑한다.

그 후, OFDM 신호 생성기(220)가 각 안테나를 위한 복소 시간 도메인 OFDM 신호로 생성된다. 이 복소 시간 도메인 OFDM 신호는 안테나 포트를 통해 송신된다.

이때 프리코더(216)로부터 아래에서 자세히 설명할 버추얼 채널 정보를 제공받아 아래에서 설명할 도10을 참조하여 설명한 최적의 SINR에 해당하는 안테나의 전력을 계산하고 다중 안테나 포트들에 전력을 할당하는 전력제어부(816)는 프리코더(216)의 다음에 포함되어 있다. 이때 이 전력제어부(816)는 리소스 엘리먼트 맵퍼(218)의 전후에 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 프리코더(216)로부터 버추얼 채널 정보를 제공받아 최적의 SINR에 해당하는 안테나의 전력을 계산하는 구성요소는 도 3에 도시하지 않은 구성요소가 담당할 수도 있다.

위에서 도 3을 참조하여 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 하향링크 물리채널의 신호생성 구조를 설명하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 실시예들이 적용되는 무선통신 시스템의 하향링크 물리채널의 신호생성 구조는 다른 구성요소들은 생략되거나 다른 구성요소로 치환 또는 변경되거나 다른 구성요소들이 추가될 수 있다.

위에서 설명한 무선통신기술들은 고속 패킷 통신을 지원하기 위해 다양한 다중 안테나 기술들이 연구되고 있다. 이 다중 안테나 기술은 좀더 높은 전송 속도를 얻기 위해, 공간 영역을 추가적인 자원으로 이용하는 기술로, 송신기와 수신기가 다중 안테나를 구비하는 다중 안테나 시스템을 전제로 구현된다.

예를 들어 다중입력 다중출력(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)는 향상된 연결 신뢰성과 인터페이스 제약으로 높은 스펙트럼 효율을 제공하는 기술로서, 개루프(Open Loop: OL) 및 페루프(Closed Loop: CL) 시스템의 두가지 구조로 나눌 수 있다. 이 개루프 MIMO(OL-MIMO)에서 송신기는 데이터 송신을 위한 채널 정보를 가지지 않는다. 따라서 고정된 송신 파라미터들을 사용하며, 페루프 MIMO(CL-MIMO)는 송신을 위해 채널 품질 정보를 활용한다.

MIMO 기법들은 한 시점에서 점대점 통신, 즉 단일 사용자 MIMO(Single User-MIMO, SU-MIMO)를 기반으로 하며, 다중 사용자 MIMO(Multiple-User MIMO, MU-MIMO) 시스템은 스케줄링 알고리즘들 및 각 사용자의 서비스 수준(Quality of Service), 요구사항을 고려하여 통신을 위해 모든 사용자에게 대등하게 연결한다. 한편, 다중 사용자의 CL-MIMO의 경우에 피드백 시그널링, 다중사용자 스케줄링, 송신/수신 최적화 등에 많은 연구가 이루어지고 있다.

위에서 설명한 MIMO 시스템은 간섭이 없거나 간섭없이 통신 할 수 있다는 가정 하에 채널이득(channel gain) 값에 따라 전력을 할당한다.

도 4는 SU-MIMO의 경우 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포 스트디코더의 구성도이다.

SU-MIMO의 경우에 각 송신 데이터들이 안테나에 실리기 이전에 거치는 프리코딩 행렬의 최적값을 결정하기 위해, 채널 행렬 H를 H=UDV^H(U와 V^H는 unitary 행렬들, D는 대각선에 있는 원소들만 값을 가진 대각행렬(diagonal matrix))와 같이 특이값이나 고유값으로 분해하는 SVD(singular value decomposition) 또는 EVD(eigenvalue value decomposition)등 수신단 작업을 통해 채널을 수평 독립 채널(parallel independent channel)로 구분하고 각 채널 또는 버추얼 채널(virtual channel) 이득을 측정하고 이를 근거로 각 채널 또는 버추얼 채널별로 전력을 분배한다. 예를 들어 용량을 최대화하는 것(스펙트럼 효율성)이 목적인 경우에 총 송신 전력이 워터 필링(water filling) 방식에 의해 공간 서브채널에 할당될 수 있다.

워터 필링 방식은 워터의 고정량을 불규칙한 바닥을 갖는 용기에 주입(pouring)하는 것과 동일하고, 각 고유모드는 용기의 바닥상태의 포인트에 대응하고, 소정의 포인트에서의 바닥의 높이는 고유모드와 연관된 신호 대 잡음비(SNR)의 인버스에 대응한다.

따라서, 낮은 높이는 높은 SNR에 대응하고 높은 높이는 낮은 SNR에 대응한다. 그 후 총 송신전력은 용기에서의 낮은 포인트(즉 높은 SNR)가 먼저 채워지고 높은 포인트(즉 낮은 SNR)가 나중에 채워지도록 용기에 주입된다. 전력분배는 총 송신전력 및 바닥 표면상의 용기의 깊이에 의존한다. 총 송신 전력 모두 가 주입된 이후에 용기에 대한 워터 표면 레벨은 용기의 모든 포인트에서 일정하다. 워터 표면 레벨 이상의 높이를 갖는 포인트는 채워지지 않는다(즉 특정 임계값 이하의 SNR를 갖는 고유모드는 사용되지 않는다).

도 5는 MU-MIMO의 경우 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이다.

MU-MIMO의 경우에 수신기에서 다중사용자 간섭을 무효화하는 간섭신호 무효화(Interference nulling) 작업을 하는 빔포밍(beam forming) 또는 다른 사용자 혹은 다른 안테나의 간섭을 줄이기 위해 송신기가 송신 신호에 채널의 역수를 곱하여 전송하는 제로 포싱(Zero-Forcing, ZF) 방식을 통해 독립 채널을 구성하고, 각 채널 이득에 따라 전력 분배한다.

위에서 설명한 전력 할당방식은 스트림 간 또는 다중 접속 사용자간 간섭이 존재하지 않는 경우를 고려하고 있다. 간섭신호 무효화(Interference nulling) 또는 제로 포싱(zero forcing) 등의 작업은 분명 간섭은 제거하나 그 대가로 SNR에 손실이 생긴다.

이하에서는 전력 할당에 따른 간섭의 변화를 고려하는 전력 및 정보 전송률 할당 기법 및 처리량을 증가시키고 전송용량이 최대가 되도록 전력을 할당하는 전력 할당 기법의 실시예들을 설명한다.

도 6은 실시예에 따른 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이며, 도 7은 도 6의 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 6 및 도 7을 참조하면 전송장치에 포함된 프리코더(610)가 소스 비트 스트림(source bit stream)을 프리코딩한다.

도 7에 도시한 바와 같이 소스 비트스트림(데이터 비트스트림)을 S라 하고 프리코딩 행렬을 C라 할 때 프리코더(610)가 소스 비트스트림을 프리코딩한 값은

이 된다. 이때 프리코딩 행렬은 수신장치로부터 송신장치에 전달되는 피드백 정보를 이용해 시스템이 가장 우수한 성능을 얻을 수 있는 값으로 결정된다.

한편, 수신장치의 포스트 디코더(post-decoder or MIMO receiver, 612)는 안테나들을 통해 신호들을 수신한다. 이때 채널 행렬을 H라 할 때 수신된 수신 신호는 송신 신호 X와 채널 행렬 H의 곱에 잡음 벡터를 더한 값 즉

이 된다.

수신장치의 포스트 디코더(post-decoder or MIMO receiver, 612)는 포스트 프로세싱을 거쳐 최종 신호 Z를 디코딩한다. 이때 최종 수신 신호 Z는 수신 신호에 포스트 디코딩 행렬 W를 곱한 값, 즉

이 된다. 최종 수신 신호 Z를소스 비트스트림에 대해 전체적으로 표현하면

이 된다.

도 8은 전송장치의 안테나가 4개 이며 두개의 수신장치들이 각각 두개의 안 테나를 통해 신호를 수신 받는 경우, 실시예에 따른 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이며, 도 9은 도 8의 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 전송장치의 프리코더(810)과, 수신장치들의 포스트 디코더들(812, 814)은 두개의 수신장치들이 각각 송신장치로부터 신호를 수신하는 점을 제외하고 도 6 및 도 7를 참조하여 설명한 바와 동일하다.

이때, 채널 행렬

또는

이며,

,

이다. 이때 h_NrNt (Nr=1~4, Nt=1~4)에서 Nr은 수신장치의 안테나 번호이며, Nt는 송신장치의 안테나의 번호이다. 따라서, 채널 행렬 H에서 첫번째 행의 4개의 원소들(h₁₁, h₁₂, h₁₃, h₁₄)는 수신장치의 첫번째 안테나가 송신장치의 4개의 안테나들로부터 신호를 수신하는 채널 상태를 의미한다. 채널 채널 행렬 H에서 두번째 내지 네번째 행들의 4개의 원소들은 수신장치의 각각 두번째 내지 네번째 안테나가 송신장치의 4개의 안테나들로부터 신호를 수신하는 채널 상태를 의미한다.

가 하나의 정방행렬

로 표현 가능하듯이,

,

또한 하나의 벡터(vector) 또는 행렬(matrix)로 표현 가능하다. 즉,

,

이다.

도 10은 SINR을 증가시키기 위한 프리코딩(precoding)과 전력 할당을 실시하는 MIMO 시스템의 블록도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 송신장치는 도 8과 동일한 프리코더(810)과 전력제어부(816)를 포함하고, 두개의 수신장치들은 각각 도 8과 동일한 포스트 디코더(812, 814)와 채널추정부(818, 820)을 포함한다.

프리코더(810)의 프리코딩(Precoding)은 신호의 전송 형태를 변형시키는 것이다. MIMO에서 프리코딩 무선통신시스템은 전송 신호들을 안테나들을 통해 일대일로 직접 출력하는 것이 아니라 미리 연산처리한 신호들을 전송 신호들이 서로 연산처리된 값을 안테나들을 통해 전송하는 버추얼 안테나(virtual antenna)를 통해 신호를 전송하거나 프리코딩(precoding)을 통해 생성되는 버추얼 채널(virtual channel)을 통해 신호를 전송한다. 이 프리코딩 무선통신시스템은 버추얼 채널을 통해 전송되는 신호의 전력이 실제 각 신호의 전송 전력이 된다.

프리코더(810)은 프리코딩 행렬을 곱하여 소스 비트 스트림을 프리코딩하며 프리코딩 행렬과 채널의 추정에 따른 버추얼 채널 정보를 전력제어부(816)에 제공한다.

전력제어부(816)는 프리코딩된 값과 버추얼 채널 정보를 입력받아 버추얼 채 널 정보를 기반으로 최대 또는 최대값에 근사한 수신 SINR을 얻도록 스트림별 전력을 할당한다.

수신장치의 채널추정부(818, 820)는 두개 이상의 안테나들을 통해 수신한 신호들을 이용하여 채널 정보를 추정하고, 이 추정된 채널 정보를 송신장치에 전송한다. 송신장치의 프리코더(810)는 수신장치의 채널추정부(818, 820)으로부터 전송받은 채널 정보와 프리코딩 행렬이 곱해진 버추얼 채널 정보를 전력제어부(816)에 제공하게 된다.

전력제어부(816)은 앞에서 설명한 바와 같이 프리코더(810)로부터 제공받은 버추얼 채널 정보를 기반으로 최대 또는 최대값에 근사한 수신 SINR을 얻도록 스트림별 전력을 할당하게 되는 것이다. 전송장치는 전력제어부(816)로부터 스트림별로 할당된 전력에 따라 스트림별로 다중 안테나를 통해 신호를 전송하게 된다.

결과적으로 수신장치의 채널추정부(818, 820)는 앞에서 설명한 전력제어부(816)의 수신 SINR을 얻도록 스트림별로 할당된 전력에 따라 스트림별 다중 안테나를 통해 전송된 신호를 수신하게 되므로, 최대 또는 최대값에 근사한 SINR의 신호를 수신하게 된다.

한편, 포스트 디코더(812, 814)는 안테나들을 통해 수신한 신호들에 특정 행렬을 곱하여 최종 수신 신호들로 디코딩한다.

이하에서 송신장치의 전력제어부(816)가 프리코더(810)로부터 제공받은 버추얼 채널정보(

,

), 즉 프리코딩 행렬에 수신장치의 채널추정부(818, 820)으 로부터 전달받은 채널 행렬을 곱한 행렬 정보(

), 또는 이 행렬 정보에 수신장치의 포스티 디코딩 행렬까지 곱한 행렬 정보(

= HⅹCⅹW )를 기반으로 최대 또는 최대값에 근사한 수신 SINR을 얻도록 스트림별 전력을 할당하는 과정을 상세히 설명한다.

이를 통해 버추얼 안테나와 버추얼 채널의 특성을 고려하여 전력 할당을 하며, 이러한 접근을 통해 실제 MIMO 시스템에서 사용 가능한 모든 프리코더(810)의 성능을 고려해 전력을 할당할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 수신장치의 수신 신호와 포스트 디코딩된 최종 신호는 각각

및

이므로, 각 수신장치의 수신 안테나에서 수신되는 각 스트림의 크기는 전송장치의 버추얼 채널(virtual channel)

에 의해 결정되며, 프리코딩된 신호를 포스트 디코딩후 각 스트림의 SINR은 버추얼 채널 (virtual channel)

= HⅹCⅹW 에 의해 결정된다.

위에서 설명한 바와 같이 수신장치의 채널추정부(818, 820)은 이 채널 정보 또는 채널 상태 정보를 획득하여 전송장치에 전달한다.

수신장치의 채널추정부(818, 820)로부터 피드백 정보, 즉 채널 정보 또는 채널 상태 정보(channel state information)를 전달받아 전송장치가 채널 정보 또는 채널 상태 정보(channel state information)을 아는 경우(closed-loop MIMO인 경우) 전송장치 버추얼 채널

에 대한 정보를 기반으로 스트림별 전력 할당을 하며, 수신장치에서 사용하는 포스트 디코더(812, 814)에 대한 정보까지 아는 경우, 즉 수신장치로부터 송신장치가 포스트 디코딩 행렬까지 반영한 버추얼 채널

에 대한 정보를 기반으로 스트림 별 전력 할당을 할 수 있다.

이때 프리코딩없이 안테나를 통해 신호를 전송하는 경우에 전력 할당 또는 전력 제어라고 하면 각 전송 안테나들의 출력을 따로 따로 조절한다는 개념이었다. 동시에 전송하고자 하는 신호가 2개이고 전송 안테나 또한 2개인 상황에서,

,

와 같이 두 개의 신호가 각기 다른 안테나를 통해 전송되는 상황이므로 각 안테나의 출력 크기를 각기 조절하여 각 신호의 수신 전력을 조절하는 것이 가능하다.

반면에 프리코딩을 사용하는 MIMO 무선통신시스템의 경우,

,

와 같이 두 개의 신호

이 두 개의 안테나

을 통해 전송된다. 이러한 경우, 각 안테나

의 출력을 각각 제어한다는 것은 의미가 없으며, 대신

,

으로 표현되는 버추얼 안테나(virtual antenna)의 출력을 조절하여 신호

의 전송 전력을 제어 및 할당한다.

전송장치는 수신장치의 채널추정부(818, 820)로부터 채널 정보 또는 채널 상태 정보(channel state information)를 전달받아 이 채널 정보에 프리코딩 행렬을 곱한 전송장치 버추얼 채널(

,

) 에 대한 정보를 기반으로 수신장치의 수신 SINR을 계산하여 최적의 수신 SINR을 얻을 수 있도록 스트림별 전력 할당을 한다.

최적의 수신 SINR을 얻을 수 있도록 스트림별 전력 할당을 하기 위해 수신 SINR을 아래와 같이 모델링한다.

먼저

을 수신하고자 하는 수신장치에게

,

가 간섭으로 수신되는 경우, 수신 SINR은 다음의 수학식 1과 같이 정의된다.

[수학식 1]

위 수학식 1에서

은

의 전파 경로 이득이며,

은 잡음의 강도이다.

MIMO에 의한 다중화(special multiplexing)은 저속 이동하는 수신장치들을 대상으로 함으로, 프리코더(810)가 사용되는 환경은 채널이 저속으로 변하는 저속 페이딩(slow fading) 환경이다. 이 경우, 채널은 준정적(quasi-static) 특성을 가지며, 준정적(quasi-static) 채널의 경우, 다음과 같이 수신 SINR은 준정적(quasi-static) 구간 내 다음의 수학식 2와 같이 평균 SINR로 수신 성능을 표현할 수 있다.

[수학식 2]

준정적(Quasi-static) 구간이 심볼 주기에 비해 충분히 길다면, 간섭전력은 다음의 수학식 3과 같이 간섭을 일으키는 각 신호 전력의 합으로 근사화된다.

[수학식 3]

위 수학식 3에서

은 신호

의 전파 경로 이득의 제곱이며,

은 신호

의 전송 전력이다.

최적의 수신 SINR를 모델링하기 위해 아래와 같이 전력 관계를 나타내는 행렬 J을 정의한다.

[수학식 4]

수신장치에서 사용되는 포스트 디코더(812, 814)의 구조를 전송장치가 아는 경우

이며, N=m이 된다. 그렇지 않으면

로 주어진다.

포스트 디코더(812, 814)의 구조를 전송장치가 아는 경우로, 행렬 J에서

이라 하고

라 정의하면 행렬

의 diagonal 성분이 각 신호의 수신 전력이 되며, 수신 안테나 n이 수신하고자 하는 신호

을 수신하였을 때 수신 안테나 n의 신호

에 대한 수신 SINR은 다음의 수학식 5와 같이 주어진다.

[수학식 5]

수학식 5에서, 분자의 r _n _,n 는 신호

의 신호 강도이고, 분모의 r _n _,r 는 신호

에 대한 간섭의 강도이고 분모의

은 잡음의 강도이다.

한편, 포스트 디코더(812, 814)의 구조를 전송장치가 모르는 경우 포스트 디코딩후 각 신호 SINR을 정확히 예측할 수 없어 정밀한 전력 할당이 불가능하다. 대신, 각 수신장치가 수신을 원하는 신호들 전력의 합과, 수신을 원하지 않는 신호들 전력의 합으로 SINR을 정의한다. 즉, 도 8 및 도 10에 도시한 바와 같이, 수신장치 1이 수신을 원하는 신호가

이고, 수신장치 2가 수신을 원하는 신호가 x ₃, x₄라면, 다음의 수학식 6 및 7과 같이 각 수신장치 1,2의 수신 SINR을 정의한다.

[수학식 6]

수학식 6에서 분자는 수신장치 1의 두개의 안테나(안테나 1 및 2)가 수신을 원하는 신호

의 신호강도의 합이며, 분모의

은 잡음의 강도이며, 분모의 나머지 성분은 수신장치 1의 두개의 안테나(안테나 1 및 2)에 수신된 수신을 원하지 않은 간섭신호, 즉 x ₃, x₄의 신호강도의 합이다

[수학식 7]

수학식 7에서 분자는 수신장치 2의 두개의 안테나(안테나 3 및 4)가 수신을 원하는 신호 x ₃, x₄의 신호강도의 합이며, 분모의

은 잡음의 강도이며, 분모의 나머지 성분은 수신장치 2의 두개의 안테나(안테나 3 및 4)에 수신된 수신을 원하지 않은 간섭신호, 즉

의 신호강도의 합이다

위 수학식 6 및 7은 채널 상태에 따라 여러 개의 폴(pole)과 피크(peak)를 가짐으로 클로즈드 폼 해(closed form solution)을 찾기 어려우나, 반복 연산(iterative process)을 통해 최적의 전력 P을 찾는 것이 가능하다. 반복법은 기본적으로 워터 필링(water-filling)을 따른다.

반복 연산을 위해, 총 SINR(total SINR)을 행렬 수식으로 표현하기 위해 간섭 행렬(Interference matrix) I을 아래와 같이 정의한다.

[수학식 8]

은 수신장치의 수신 안테나인

와 송신장치의 송신 안테나인

에 동일한 신호가 수신되는 것이 수신장치의 성능에 부정적 영향을 미치는 않는 경우 0으로 표기되며, 그렇지 않은 경우 1로 표기된다.

즉,

이며, 수신장치 1이 두 개의 수신 안테나를 사용하며 rx diversity 기법을 사용한다면 수신장치 1의 두 안테나를 통해 수신되는 각각의 신호는 서로 간섭으로 작용하지 않음으로

으로 설정된다.

또한, 위 예시처럼 각 수신장치가 두 개의 수신 안테나를 사용하며 포스트 디코더(812, 814)의 구조를 모르는 경우에도

,

이 된다. 위 설정들에 의해, 수신 안테나-n 에서 간섭 신호의 전력은

의 n번째 항 또는

의 n번째 행과

의 곱으로 주어진다.

각 스트림의 수신 전력을 나타내는 행렬 R은 사용된 수신 안테나의 수에 의 에 결정되며, 각 사용자가 두 개의 안테나를 사용하고 기지국이 4개의 스트림을 전송하는 경우 다음의 수학식 9와 같다.

[수학식 9]

이때 수신 전력은

으로 주어진다. 따라서, 다음의 수학식 10을 최대화하는

을 구현하여 수신 SINR을 최대화할 수 있다.

[수학식 10]

위 수학식 10에서, 은

두 행렬들의 각 구성요소(element) 간 나누기,

은 1을 구성요소(element)로 하는

벡터이다.

도 11은 실시예에 따른 전력 할당 방법의 흐름도이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 실시예에 따른 전력 할당 방법(1100)은 먼저 수신측으로부터 채널 정보 또는 채널 상태 정보를 수신한다(S1112). 예를 들어 수신측의 채널추정부(818, 820)로부터 전달된 채널 정보를 수신한다. 이때 포스트 디코더(812, 814)에 대한 정보도 알지 못하는 경우 버추얼 채널

(H는 채 널 행렬, C는 프리코딩 행렬)와, 포스트 디코더(812, 814)에 대한 정보도 아는 경우 버추얼 채널

=HⅹCⅹW(W는 포스트 디코딩 행렬)에 대한 정보를 기반으로 수신 SINR을 예측한다.

다음으로 전력 할당에 따라 각 신호의 SINR의 변화를 예측한다(S1114). 각 안테나별 전력 할당이 바뀔 경우 각 신호의 SINR이 어떻게 변화하는지 예측한다.

구체적으로

중 하나를

만큼 증가시킬 때 수학식 10의 값(

)의 증가량을 확인한다.

먼저

의 모든 값을 "0"로 초기화한 상태에서, p₁만

만큼 증가시킬 때 수학식 10의 값을 계산한다. 다음으로 p₁은 0으로 한 상태에서 p₂만

만큼 증가시킬 때 수학식 10의 값을 계산한다. 이 과정을 p_N까지 반복하여 수학식 10의 값이 최대인 p_K(k=1~N 중 하나)을 결정한다.

동일한 과정을 p_K((k=1~N 중 하나)에 대해서만 p_K = p_K+

로 변경한 상태에서

만큼 증가시키면서 p₁부터 p_N까지 반복한다. 예를 들어 p_K=p₂인 경우 p₂=

로 세팅하고 다른 p값들은 "0"으로 세팅한 상태에서 p₂부터 p_N까지

만큼 증가시키면서 수학식 10의 값을 계산한다.

이 과정을 가용 가능한 전력이 남아있는 있을 때까지 반복하고, 가용 가능한 전력이 남아있지 않는 경우 전력 할당을 종료한다.

다음으로 수신 SINR에 해당하는 전력을 할당한다(S1116). 즉, 가용 가능한 전력이 남아있을 때까지 점진적으로 p₁부터 p_N까지

만큼 증가시키면서 수학식 10의 값을 계산하고, 전력이 남지 않은 상태에 도달하기 전의 p₁ 내지 p_N으로 각 안테나의 전력을 할당한다.

구체적으로, 도 3의 리소스 엘리먼터 맵퍼(218)의 전후에 배치된 전력제어부(816)은 위에서 설명한 과정을 통해 할당된 다중 안테나들의 스트림별 전력으로 다중 안테나들을 통해 신호를 송신하도록 제어한다. 결과적으로 다중 안테나들은 전력제어부(816)로부터 할당된 전력, 즉 신호의 세기로 신호들(전자기파를)를 공중(air)으로 전파하는 것이다.

이와 같이 MU-MIMO에서, 스트림간 간섭이 존재하는 상황에서 수신 SINR이 최대가 되도록 또는 최대값에 근사한 수신 SINR을 얻을 수 있도록 각 스트림에 전력을 할당함으로, 처리량을 증가시키고 전송용량이 최대가 되도록 할 수 있다.

이상 도면을 참조하여 실시예들을 설명하였으나 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

예를 들어 위 실시예들에서, 프리코딩 행렬과 수신장치로부터 제공받은 채널 정보에 의해 계산된 버추얼 채널 정보를 기반으로 하나 이상의 수신장치의 수신 SINR이 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당하는 것을 설명하였으나, 수신 SINR 뿐 만 아니라 수신 전력 또는 수신 SNR이 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당할 수도 있다. 이때 프리코딩 행렬과 채널 정보에 의해 계산된 버추얼 채널 정보를 기반으로 최대의 수신 전력 또는 수신 SNR를 얻는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것에 불과하고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 4는 SU-MIMO의 경우 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이다.

도 6은 실시예에 따른 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이다.

도 7은 도 6의 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 8은 전송장치의 안테나가 4개 이며 두개의 수신장치들이 각각 두개의 안테나를 통해 신호를 수신 받는 경우, 실시예에 따른 전송장치에 포함된 프리코더와 수신장치에 포함된 포스트디코더의 구성도이다.

도 9은 도 8의 시스템의 블록 다이어그램이다.

도 11은 실시예에 따른 전력 할당 방법의 흐름도이다.

Claims

프리코딩 행렬과 채널 정보를 곱한 버추얼 채널 정보를 기반으로 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나를 얻는 단계와

상기 수신 SINR이 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당하는 단계를 포함하는 전력 할당방법.
제1항에 있어서,

상기 채널 정보는 프리코딩 행렬에 따라 프리코딩된 신호를 채널을 통해 전송받은 수신단으로부터 피드백받은 채널 정보인 것을 특징으로 하는 전력 할당방법.
제2항에 있어서,

상기 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되게 하는 것은 다음 수학식의 최대화하는 P를 얻는 것인 것을 특징으로 하는 전력 할당방법.

[수학식]

여기서,
이 며, P는 전력이며,
이며,
은 두 행렬들의 각 구성요소(element) 간 나누기,
은 1을 구성요소(element)로 하는
벡터이며,
은 잡음의 강도이며,
은 신호
의 전송 전력이이며,
은 수신장치의 수신 안테나인
와 송신장치의 송신 안테나인
에 동일한 신호가 수신되는 것이 수신장치의 성능에 부정적 영향을 미치는 않는 경우 0으로 표기되며, 그렇지 않은 경우 1로 표기된다.
제3항에 있어서,

상기 채널 정보에 상기 수신단에서 사용되는 포스트 디코더 행렬이 포함된 경우
(이때
는 수신장치의 수신 안테나를,
는 송신장치의 송신 안테나를 의미함)이며, 그렇지 않은 경우
인 것을 특징으로 하는 전력 할당방법.
둘 이상의 안테나들로부터 송신신호를 출력하는 n개의 스트림 각각의 전력인
중 하나를 순차적으로
만큼 증가시키면서 채널 정보를 반영하여 정의한 다음 수학식의 증가량을 확인하는 단계와

아래 수학식의 값이 최대인 p_K = p_K+
로 변경한 상태에서 p_1~p_N중 하나를 순차적으 로
만큼 증가시키면서 상기 수학식의 증가량을 확인하는 단계와

가용 가능한 전력이 남아있을 때까지 상기 두가지 단계들을 반복하고, 가용 전력이 남아있지 않을 때까지
으로 각 스트림의 전력을 할당하는 전력 할당방법.

[수학식]

여기서,
이며, P는 전력이며,
이며,
은 두 행렬들의 각 구성요소(element) 간 나누기,
은 1을 구성요소(element)로 하는
벡터이며,
은 잡음의 강도이며,
은 신호
의 전송 전력이며,
은 수신장치의 수신 안테나인
와 송신장치의 송신 안테나인
에 동일한 신호가 수신되는 것이 수신장치의 성능에 부정적 영향을 미치는 않는 경우 0으로 표기되며, 그렇지 않은 경우 1로 표기된다.
제5항에 있어서,

상기 채널 정보가 수신단으로부터 피드백받은 정보이며, 상기 채널 정보에 상기 수 신단에서 사용되는 포스트 디코더 행렬이 포함된 경우
이며, 그렇지 않은 경우
인 것을 특징으로 하는 전력 할당방법.
프리코딩 행렬을 곱하여 소스 비트 스트림을 프리코딩하며 상기 프리코딩 행렬과 채널 정보를 곱한 버추얼 채널 정보를 제공하는 프리코더와

상기 프리코딩된 값과 상기 버추얼 채널 정보를 입력받아 버추얼 채널 정보를 기반으로 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당하는 전력제어부를 포함하는 송신장치.
제7항에 있어서,

상기 프리코딩 행렬과 채널의 추정은 프리코딩 행렬에 따라 프리코딩된 신호를 채널을 통해 전송받은 수신단으로부터 피드백받은 채널 정보인 것을 특징으로 하는 송신장치.
제8항에 있어서,

수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되게 하는 것을 얻는 것인 것을 특징으로 하는 송신장치.

[수학식]

여기서,
이며, P는 전력이며,
이며,
은 두 행렬들의 각 구성요소(element) 간 나누기,
은 1을 구성요소(element)로 하는
벡터이며,
은 잡음의 강도이며,
은 신호
의 전송 전력이며,
은 수신장치의 수신 안테나인
와 송신장치의 송신 안테나인
에 동일한 신호가 수신되는 것이 수신장치의 성능에 부정적 영향을 미치는 않는 경우 0으로 표기되며, 그렇지 않은 경우 1로 표기된다.
제9항에 있어서,

상기 채널 정보에 상기 수신단에서 사용되는 포스트 디코더 행렬이 포함된 경우
(이때
는 수신장치의 수신 안테나를,
는 송신장치의 송신 안테나를 의미함)이며, 그렇지 않은 경우
인 것을 특징으로 하는 송신장치.
프리코딩 행렬을 곱하여 소스 비트 스트림을 프리코딩하며 상기 프리코딩 행렬과 채널 정보를 곱한 버추얼 채널 정보를 제공하는 프리코더와

n개의 스트림 각각의 전력인
중 하나를 순차적으로
만큼 증가시키면서 상기 버추얼 채널 정보를 반영하여 정의한 다음 수학식의 증가량을 확인하고, 상기 수학식의 값이 최대인 p_K = p_K+
로 변경한 상태에서 p_1~p_N중 하나를 순차적으로
만큼 증가시키면서 상기 수학식의 증가량을 확인하고, 가용 가능한 전력이 남아있을 때까지 상기 두가지 단계들을 반복하고, 가용 전력이 남아있지 않을 때까지
으로 각 스트림의 전력을 할당하는 전력제어부를 포함하는 송신장치.

[수학식]

여기서,
이며, P는 전력이며,
이며,
은 두 행렬들의 각 구성요소(element) 간 나누기,
은 1을 구성요소(element)로 하는
벡터이며,
은 잡음의 강도이며,
은 신호
의 전송 전력이며,
은 수신장치의 수신 안테나인
와 송신장치의 송신 안테나인
에 동일한 신호가 수신되는 것이 수신장치의 성능에 부정적 영향을 미치는 않는 경우 0으로 표기되며, 그렇지 않은 경우 1로 표기된다.
제11항에 있어서,

상기 채널 정보가 수신단으로부터 피드백받은 정보이며, 상기 채널 정보에 상기 수신단에서 사용되는 포스트 디코더 행렬이 포함된 경우
(이때
는 수신장치의 수신 안테나를,
는 송신장치의 송신 안테나를 의미함)이며, 그렇지 않은 경우
인 것을 특징으로 하는 송신장치.
두개 이상의 안테나들을 통해 수신한 신호들을 이용하여 채널 정보를 추정하고, 이 추정된 채널 정보를 전송하며, 전송된 채널 정보에 따라 스트림별 전력이 할당되어 전송된 신호들을 송신장치로부터 상기 안테나들을 통해 수신하는 채널추정부와

상기 안테나들을 통해 수신한 신호들에 특정 행렬을 곱하여 최종 수신 신호들로 디코딩하는 포스트 디코더를 포함하는 수신장치.
제13항에 있어서,

상기 채널추정부는 상기 안테나를 통해 수신한 신호들에 추가로 상기 포스트 디코더의 특정 행렬을 이용하여 채널 정보를 추정하고, 이 채널 정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 수신장치.
하향링크에서 채널코딩을 거쳐 코드 워드(code words) 형태로 입력되는 비트들을 스크램블링하는 스크램블러와

상기 스크램블러에 의해 스크램블링된 비트들을 복소 모듈레이션 심볼로 변조하는 모듈레이션 맵퍼와

복소 모듈레이션 심볼을 하나 또는 다수의 전송 레이어에 매핑하는 레이어 맵퍼와

안테나 포트의 각 전송 채널상에서 복소 모듈레이션 심볼을 프리코딩하며, 프리코딩 행렬과 채널의 추정에 따른 버추얼 채널 정보를 제공하는 프리코더와

각 안테나 포트에 대한 복소 모듈레이션 심볼을 해당 리소스 엘리먼트에 매핑하는 리소스 엘리먼트 맵퍼를 포함하며,

상기 버추얼 채널 정보를 입력받아 버추얼 채널 정보를 기반으로 하나 이상의 수신장치의 수신 전력 또는 수신 SINR, 수신 SNR 중 적어도 하나가 최대가 되도록 스트림별 전력을 할당하는 송신장치.