KR20110026914A - 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법 및 장치 - Google Patents

복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하기 위하여, 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)이 계산된다. 그리고, 상기 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 상기 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택되고, 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보는 상기 복수의 송/수신 페어들에 의해 공유된다.
송/수신 모드, 간섭, 빔포밍, 간섭 정렬, MRT, 제로 포싱

Description

복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE OF SELECTING TRANSMISSION/RECEPTION MODE OF PLURAL TRANSMISSION/RECEPTION PAIRS}
아래의 실시예들은 복수의 송/수신 페어들이 동일한 무선 자원을 사용함으로 인해 간섭이 발생하는 경우, 그 간섭을 처리 또는 제거하거나, 간섭이 존재함에도 불구하고 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근, 데이터 전송률 및 통신의 신뢰도를 향상시키기 위해 복수의 셀들을 포함하는 통신 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 복수의 셀들은 셀룰러 기지국, 펨토 기지국, 고정된(fixed) 기지국 또는 이동(mobile) 기지국, 중계기 및 단말들을 포함한다.
이 때, 복수의 셀들에서 복수의 기지국들 각각은 무선 자원의 사용 효율을 높이기 위하여 동일한 무선 자원(예를 들어, 주파수, 시간, 코드 자원 등)을 사용하여 대응하는 단말들과 통신할 수 있다. 다만, 복수의 기지국들이 동일한 무선 자원을 사용하는 경우, 단말들 각각에서 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭으로 인해 성능(throughput)이 감소할 수 있다.
무선 자원의 사용 효율을 극대화하면서도 이러한 간섭으로 인한 성능의 감소를 최소화하는 기술이 필요하다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법은 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산하는 단계; 상기 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 상기 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 단계; 및 상기 복수의 송/수신 페어들이 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 공유할 수 있도록 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 단계를 포함한다.
상기 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 단계는 상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 상기 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 단계일 수 있다.
상기 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 단계는 상기 달성 가능한 총 전송률이 최대가 되도록 최적의 상기 액티브 링크들의 개수 및 최적의 상기 액티브 링크들에 대응하는 전송 파워들을 찾는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법은 상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들에 대하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들을 기록하는 테이블을 관리하는 단계를 더 포함할 수 있 다.
상기 가능한 전송 파워들은 제한된 전체 파워에 대한 조건을 만족하면서, 이산적으로 설정될 수 있다. 그리고, 상기 액티브 링크들의 가능한 개수는 1보다 크거나 같고, 상기 복수의 송/수신 페어들의 개수보다 작거나 같을 수 있다.
상기 복수의 후보 송/수신 모드들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 또는 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 간섭 정렬 모드에서 상기 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 실효 채널 행렬의 대각 원소들을 사용하는 변형된 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error) 기법을 이용하여 빔포밍 행렬 및 디코딩 행렬을 계산할 수 있다.
상기 최대 전송률 전송 모드에서 상기 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 통하여 도출되는 행렬을 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 단계는 상기 적용되는 송/수신 모드의 인덱스에 대한 정보를 처리하는 단계일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치는 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산하는 계산부; 상기 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 상기 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 선택부; 및 상기 복수의 송/수 신 페어들이 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 공유할 수 있도록 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 처리부를 포함한다.
상기 송/수신 모드를 선택하는 장치는 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 상기 복수의 송/수신 페어들 중 적어도 하나의 송/수신 페어로 전달하는 전달부를 더 포함할 수 있다.
상기 계산부는 상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 상기 달성 가능한 총 전송률을 계산할 수 있다.
상기 송/수신 모드를 선택하는 장치는 상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들에 대하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들을 기록하는 테이블을 관리하는 메모리 및 상기 복수의 송/수신 페어들의 채널들에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들에 속하는 단말의 동작 방법은 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 기초로 선택된 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 수신하는 단계; 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보에 따라 해당 디코딩 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 해당 디코딩 행렬을 이용하여 수신된 신호를 디코딩하는 단계를 포함한다.
상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보는 상기 적용되는 송/수신 모드의 인덱스 정보를 포함할 수 있다. 상기 복수의 후보 송/수신 모드들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 또는 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률을 계산하고, 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 최적의 송/수신 모드를 선택함으로써, 주어진 주변 환경에서 총 전송률을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률을 계산함으로써, 최적의 송/수신 모드뿐만 아니라 최적의 상기 액티브 링크들의 개수 및 최적의 상기 액티브 링크들에 대응하는 전송 파워들을 찾을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 복수의 송/수신 페어들을 포함하는 다중-셀 통신 시스템 및 계층-셀 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1의 110을 참조하면, 다중-셀 통신 시스템은 기지국1(BS1)-단말1(MS1), 기지국2(BS2)-단말2(MS2), 기지국3(BS3)-단말3(MS3)과 같이 세 개의 송/수신 페어들을 포함한다.
또한, 도 1의 120을 참조하면, 계층-셀 통신 시스템은 매크로 기지국-단말1(MS1), 중계기(RS)-단말2(MS2), 펨토 기지국(BS)-단말3(MS3)와 같이 세 개의 송/수신 페어들을 포함한다.
이 때, 세 개의 송/수신 페어들이 동일한 무선 자원을 사용하는 경우, 세 개의 송/수신 페어들 사이에는 간섭이 발생할 수 있다. 따라서, 송/수신 페어들 사이에서 발생하는 간섭을 적절히 제거 또는 처리하거나, 그 간섭에도 불구하고 통신 시스템의 성능을 높일 수 있는 기술이 필요하다.
도 2는 간섭 정렬을 사용하는 복수의 송/수신 페어들을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 통신 시스템 또는 통신 네트워크는 소스 노드들(211, 212, 213)을 포함하고, 소스 노드들(211, 212, 213) 각각은 목적 노드들(221, 222, 223) 각각에 대응된다.
여기서, 소스 노드들(211, 212, 213) 각각은 고정된 기지국, 이동 기지국, 펨토 기지국과 같은 초소형 기지국, 중계기 등을 포함하는 데이터를 송신하는 장치를 지칭하며, 목적 노드들(221, 222, 223) 각각은 중계기, 고정된 단말, 이동 단말 등을 포함하는 데이터를 수신하는 장치를 지칭한다.
이 때, 소스 노드들(211, 212, 213) 각각이 동일한 무선 자원을 사용하여 데이터를 송신하는 경우, 목적 노드들(221, 222, 223) 각각에는 간섭이 발생할 수 있다. 예를 들어, 목적 노드 D1(221)에서 소스 노드 S1(211)의 신호는 원하는 신호이고, 소스 노드 S2, S3(212, 213)의 신호들은 간섭이다. 마찬가지로, 목적 노드 D2, D3(222, 223)에서도 간섭이 발생할 수 있고, 이러한 간섭은 통신 시스템의 throughput을 감소시키는 원인이 된다.
다만, 간섭으로 인한 throughput의 감소는 간섭 정렬을 사용함으로써 방지될 수 있다. 즉, 소스 노드들(211, 212, 213) 각각은 적절히 설계된 빔포밍 행렬들(V[1], V[2], V[3]) 각각을 사용함으로써 신호의 위상을 조절할 수 있고, 조절된 위상을 갖는 소스 노드들(211, 212, 213) 각각의 신호는 채널들을 통해 전송된다. 이 때, 목적 노드들(221, 222, 223) 각각의 수신 신호는 원하는 신호와 간섭으로 분리될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2의 화살표 (1), (2) (3) 각각은 목적 노드들(221, 222, 223) 각각의 원하는 신호를 의미한다고 가정한다. 이 때, 목적 노드 D1(221)의 수신 신호는 목적 노드 D1(221)의 원하는 신호 (1) 및 간섭 (2), (3)으로 구별될 수 있고, 목적 노드 D2(222)의 수신 신호는 목적 노드 D2(222)의 원하는 신호 (2) 및 간섭 (1), (3)으로 구별될 수 있다. 마찬가지로, 목적 노드 D3(223)의 수신 신호는 목적 노드 D3(223)의 원하는 신호 (3) 및 간섭 (1), (2)으로 구별될 수 있다.
이 때, 목적 노드들(221, 222, 223) 각각은 적절히 설계된 디코딩 행렬 들(U[1], U[2], U[3]) 각각을 사용함으로써 수신 신호로부터 간섭을 제거하고, 원하는 신호를 추출할 수 있다. 결국, 소스 노드들(211, 212, 213)은 적절히 설계된 빔포밍 행렬들(V[1], V[2], V[3]) 각각을 사용하고, 목적 노드들(221, 222, 223) 각각은 적절히 설계된 디코딩 행렬들(U[1], U[2], U[3]) 각각을 사용함으로써, 무선 자원의 사용 효율을 높이고 간섭으로 인한 throughput의 감소를 방지할 수 있다.
여기서, 편의를 위해 빔포밍 행렬들(V[1], V[2], V[3]) 및 디코딩 행렬들(U[1], U[2], U[3])이라는 표현을 사용하지만, 그들의 형태는 행렬 또는 벡터의 형태일 수 있다. 예를 들어, 소스 노드들(211, 212, 213) 각각의 데이터 스트림들의 개수에 따라 빔포밍 행렬들(V[1], V[2], V[3]) 및 디코딩 행렬들(U[1], U[2], U[3])은 행렬 또는 벡터 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.
다만, 간섭 정렬을 사용하는 것은 언제나 좋은 결과를 내지는 못한다. 때때로, 간섭 정렬을 사용하는 것은 큰 오버헤드를 발생시키는 반면, 통신 시스템의 성능을 향상시키지 못할 수 있다. 보다 구체적으로, 낮은 신호 대 잡음 비(Low SNR)에서, 간섭 정렬을 사용하는 것보다 TDMA(Time Division Multiple Access)를 사용하는 것이 더 나은 경우도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 무조건적으로 간섭 정렬을 사용하는 것이 아니라, 여러 후보 송/수신 모드들 중 최적의 송/수신 모드를 선택하여 사용하는 것 을 제안한다. 예를 들어, 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 및 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드와 같이 여러 후보 송/수신 모드들이 존재할 수 있는데, 본 발명의 실시예들은 여러 후보 송/수신 모드들 중 최적의 송/수신 모드를 선택할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들은 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산하고, 계산된 달성 가능한 총 전송률이 극대화되도록 후보 송/수신 모드들 중 최적의 송/수신 모드를 선택할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
도 3은 다중-안테나를 포함하는 복수의 송/수신 페어들을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 3 개의 송/수신 페어들이 존재하고, 모든 송신기들 및 수신기들에는 둘 이상의 안테나들이 설치되어 있으며, 수신기들 각각에 설치된 안테나들의 개수는 M 개라고 가정한다.
i 번째 수신기의 수신 신호 벡터를 y[i]라고 하는 경우, 하기 수학식 1과 같은 방정식이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112009055403314-PAT00001
여기서,
Figure 112009055403314-PAT00002
는 i 번째 송신기의 데이터 스트림을 나타내며,
Figure 112009055403314-PAT00003
는 i 번째 수신기의 수신 신호 벡터를 나타낸다. 또한,
Figure 112009055403314-PAT00004
는 j 번째 송신기로부터 i 번째 수신기로의 채널 행렬을 나타내며,
Figure 112009055403314-PAT00005
는 i 번째 수신기의 빔포밍 행렬을 나타낸다. 그리고,
Figure 112009055403314-PAT00006
는 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다.
이 때, 수학식 1에 기재된
Figure 112009055403314-PAT00007
의 파워 및 방향(위상)을 조절함으로써, 전체 통신 시스템의 총 전송률이 향상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 하기 수학식 2와 같은 전체 파워에 대한 조건을 만족하는 모든 가능한 빔포밍 행렬들의 집합 내에서, 높은 총 전송률을 제공하는 빔포밍 행렬들을 찾음으로써, 전체 통신 시스템의 총 전송률을 향상시킬 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112009055403314-PAT00008
상기 수학식 2를 참조하면, 최적의 빔포밍 행렬들을 찾기 위하여 검색해야 하는 집합 S의 사이즈가 너무 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 집합 S를 효율적으로 줄일 필요가 있다.
1. 이진 전송 파워 조절(Binary Transmission Power Control)
"Maximizing Multicell Capacity Using Distributed Power Allocation and Scheduling," IEEE WCNC '07, S.G.Kiani, G.E.Oien, D.Gesbert(이하, Kiani)는 성능의 감소가 거의 없이 상기 수학식 2의 집합 S의 사이즈를 하기 수학식 3과 같이 줄일 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112009055403314-PAT00009
Figure 112009055403314-PAT00010
는 i 번째 송신기가 사용할 수 있는 최대 전송 파워이다. 즉, i 번 째 송신기의 전송 파워는 0 또는 중 어느 하나로 설정된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 제한된 전체 파워에 대한 조건을 만족하면서도 송신기들의 가능한 전송 파워들을 이산적으로 설정함으로써, 수학식 2에 기재된 집합 S의 사이즈를 효율적으로 줄일 수 있다.
도 3에서, 가능한 액티브 링크들의 개수는 최대 3개이므로, 모든 가능한 전송 파워들의 집합은 하기 표 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, i 번째 송신기가
Figure 112009055403314-PAT00012
의 전송 파워를 사용하는 경우, i 번째 송신기 및 i 번째 수신기 사이의 링크는 '액티브 링크'이고, i 번째 송신기가 0의 전송 파워를 사용하는 경우, i 번째 송신기 및 i 번째 수신기 사이의 링크는 '액티브 링크'가 아니다.
[표 1]
Figure 112009055403314-PAT00013
2. Pareto Boundary
"Complete Characterization of the Pareto Boundary for the MISO Interference Channel," IEEE Trans. Sig. Proc., Oct. 2008. E.A.Jorswieck and et al(이하, Jorswieck)를 참조하면, 최적화된 빔포밍 행렬들의 방향은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112009055403314-PAT00014
여기서, 복잡도를 줄이기 위하여, 상기 수학식 4에서
Figure 112009055403314-PAT00015
인 경우만을 고려한다. 또한,
Figure 112009055403314-PAT00016
와 같이 두 가지 케이스들만을 고려한다.
Figure 112009055403314-PAT00017
인 경우, 모든 송/수신 페어들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드를 사용하며,
Figure 112009055403314-PAT00018
인 경우, 모든 송/수신 페어들은 미리 잘 알려진 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드를 사용한다.
3. 송/수신 모드
(1) 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드
송신기는 다른 송신기들로 인한 간섭을 배제한 채로, 자신의 채널만을 고려하여 빔포밍 행렬들을 얻는다. 특히, 낮은 신호 대 잡음 비에서, 다른 송신기들로 인한 간섭에 비하여 잡음이 상대적으로 크므로, 최대 전송률 전송 모드가 더 효율적일 수 있다.
최대 전송률 전송 모드에서, 빔포밍 행렬들은 이미 잘 알려진 바와 같이, 하기 수학식 5와 같이 얻어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112009055403314-PAT00019
즉, 최대 전송률 전송 모드에서, 송신기들 각각은 자신의 채널 행렬에 대해 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 수행하고, M/2 개의 우측 특이 벡터들로 빔포밍 행렬을 구성할 수 있다.
상기 수학식 5는 3 개의 링크들 모두가 액티브 링크들인 경우에, 빔포밍 행렬들을 구성하는 과정을 나타낸 것이며, 액티브 링크들의 개수가 1 개 또는 2 개 인 경우에도, 동일한 방식으로 빔포밍 행렬들이 구성된다.
(2) 협력 빔포밍 모드
협력 빔포밍 모드는 액티브 링크들의 개수가 2개인 경우에 적용될 수 있다.
"Coordinated Beamforming with Limited Feedback in the MIMO Broadcast Channel," IEEE JSAC, 26(8), Oct. 2008. C.-B.Chae and et al.(이하, Chae라고 함)에는 이미 잘 알려진 협력 빔포밍 모드에 따라 최적의 (제로 포싱) 빔포밍 벡터를 구하는 과정이 잘 기재되어 있다.
M=2인 경우, 따라 최적의 (제로 포싱) 빔포밍 벡터는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112009055403314-PAT00020
여기서,
Figure 112009055403314-PAT00021
로 정의된다. 그리고,
Figure 112009055403314-PAT00022
은 빔포밍 행렬들이
Figure 112009055403314-PAT00023
인 경우, 달성 가능한 총 전송률을 나타낸다.
상기 수학식 6을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 최적의 빔포밍 벡터는 하기 수학식 7에 기재된 바와 같이 네 가지의 조합들로부터 얻어진다.
[수학식 7]
Figure 112009055403314-PAT00024
또한, M=4인 경우에 대해서도, M=2인 경우와 유사한 방식을 적용하면, 하기 수학식 8과 같이 최적의 빔포밍 행렬을 얻을 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112009055403314-PAT00025
여기서,
Figure 112009055403314-PAT00026
,
로 정의된다.
상기 수학식 8을 참조하면, 36 개의 조합들 중에서 최적의 빔포밍 행렬을 찾을 수 있다.
(3) 향상된 간섭 정렬 모드 및 변형된 최소 평균 제곱 오차 기반의 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드
액티브 링크들의 개수가 3 개인 경우, 본 발명의 실시예는 향상된 간섭 정렬 모드 및 변형된 최소 평균 제곱 오차 기반의 간섭 정렬 모드를 사용할 수 있다.
우선 향상된 간섭 정렬 모드에 대해 설명한다.
빔포밍 행렬들은 하기 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112009055403314-PAT00027
여기서, Q(X)는 Span(X)의 직교 단위(orthonormal) 기저(basis) 벡터들을 열벡터들로 취한다. 즉, Q(X)는 Span(X)의 직교 단위 기저 벡터들을 열벡터들로서 포함한다. 또한,
Figure 112009055403314-PAT00028
는
Figure 112009055403314-PAT00029
를 결정하므로, 벡터 공간을 조절하는 역할을 수행한다. 또한,
Figure 112009055403314-PAT00030
는 주어진 벡터 공간 내에서 최적의 기저 벡터들을 찾는 역할을 수행한다.
주어진
Figure 112009055403314-PAT00031
에 대하여 최적의
Figure 112009055403314-PAT00032
를 찾는 방법은 "Linear Precoding and Decoding Methods for K-User Interference Channel Systems," in revision for publication in IEEE Trans. Trans. WC., H.Sung and et al.,(이하, Sung).에 잘 기재되어 있다.
최적의
Figure 112009055403314-PAT00033
는 다음 과정을 통해 찾을 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112009055403314-PAT00034
여기서, E, F, G는 "Interference Alignment and Degrees of Freedom of the -user Interference Channel", IEEE Trans. IT, 54(8), Aug. 2008. V.R.Cadambe and S.A.Jafar(이하, Cadambe)에 잘 기술되어 있으며,
Figure 112009055403314-PAT00035
는 E의 M 개의 고유 벡터들이다.
Figure 112009055403314-PAT00036
은 하기 수학식 11을 통해 얻어진다.
[수학식 11]
Figure 112009055403314-PAT00037
Figure 112009055403314-PAT00038
는
Figure 112009055403314-PAT00039
에 최적화된
Figure 112009055403314-PAT00040
를 적용했을 때 달성 가능한 총 전송률이다. 향상된 간섭 정렬 모드에서, 송신기들은 상기 수학식 9 내지 11을 통하여 빔포밍 행렬들을 찾는다.
변형된 최소 평균 제곱 오차 기반의 간섭 정렬 모드에 따르면, 하기 수학식 12와 같이, 전체 제곱 오차 함수가 최소화될 수 있도록
Figure 112009055403314-PAT00041
가 구해진다.
[수학식 12]
Figure 112009055403314-PAT00042
여기서,
Figure 112009055403314-PAT00043
는 앞서 설명한 향상된 간섭 정렬 모드에 따라 수학식 9 내지 11을 적용한 경우, 얻어지는 실효 채널 행렬의 대각 원소들로 이루어진 대각 행렬이다.
상기 수학식 12를 참조하면,
Figure 112009055403314-PAT00044
가 삽입됨으로 인하여 기존의 MMSE 방식이 다소 변형되었음을 확인할 수 있으며, 상기 수학식 12를 통하여
Figure 112009055403314-PAT00045
를 구할 수 있다.
4. 이전 전송 파워 조절과 Pareto Boundary의 조합
상술한 아이템 '1'의 이전 전송 파워 조절과 아이템 '2'의 Pareto Boundary에 관한 내용을 서로 조합하면, 하기 표 2 및 표 3이 도출된다.
[표 2]
Figure 112009055403314-PAT00046
[표 3]
Figure 112009055403314-PAT00047
결국, 본 발명의 실시예들은 표 2 또는 표 3에 기재된 바와 같이, 액티브 링크들의 개수 및 그 액티브 링크들에 할당되는 전송 파워들을 고려하여, 여러 송/수신 모드(후보 송/수신 모드)들 각각에 대한 총 전송률을 계산할 수 있으며, 계산된 총 전송률이 최대가 되는 후보 송/수신 모드를 선택할 수 있다.
도 4는 복수의 송/수신 페어들 사이에서 하나의 액티브 링크가 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
하나의 액티브 링크가 존재하므로, 도 4와 같이 1 번째 기지국만이 액티브되는 경우가 있을 수 있으며, 도 4에 도시된 것과 다르게 2 번째 또는 3 번째 기지국 중 어느 하나만이 액티브되는 경우가 있을 수 있다.
이러한 경우, 본 발명의 송/수신 모드를 선택하는 장치는 하기 표 4를 참조하여 전송 파워에 따라 후보 송/수신 모드에 대응하는 총 전송률을 계산한다. 특히, 요구되는 채널들에 대한 정보(원하는 채널들에 대한 정보 또는 간섭 채널들에 대한 정보)는 사전에 수집되어, 총 전송률을 계산하는 데에 사용된다.
[표 4]
Figure 112009055403314-PAT00048
결국, 본 발명의 송/수신 모드를 선택하는 장치는 표 4에 기재된 케이스들 각각에 대응하는 총 전송률을 계산하고, 최대의 총 전송률에 대응하는 후보 송/수신 모드 및 전송 파워를 찾는다.
도 5는 복수의 송/수신 페어들 사이에서 두 개의 액티브 링크들이 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
두 개의 액티브 링크들이 존재하므로, 도 5에 도시된 바와 같이 1 번째 기지국 및 2 번째 기지국이 액티브되는 경우가 있을 수 있으며, 도 5에 도시된 것과 다르게 1 번째 기지국 및 3 번째 기지국이 액티브되거나, 2 번째 기지국 및 3 번째 기지국이 액티브되는 경우가 있을 수 있다.
이 때, 본 발명의 송/수신 모드를 선택하는 장치는 하기 표 5에 기재된 케이스들 각각에 대응하는 총 전송률을 계산하고, 최대의 총 전송률에 대응하는 후보 송/수신 모드 및 전송 파워를 찾을 수 있다.
[표 5]
Figure 112009055403314-PAT00049
만약, 표 5에 기재된 가능한 전송 파워들 중 어느 하나 및 후보 송/수신 모드들 중 어느 하나가 적용되는 송/수신 모드로 결정되면, 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보는 복수의 송/수신 페어들 사이에서 공유된다. 특히, 적용되는 송/수신 모드의 인덱스 정보가 복수의 송/수신 페어들 사이에서 공유될 수 있다.
도 6은 복수의 송/수신 페어들 사이에서 3 개의 액티브 링크들이 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 3 개의 액티브 링크들이 존재하므로, 전체 전송 파워는 표 6에 기재된 바와 같이 균등하게 모든 기지국들에게 분배된다. 이 때, 본 발명의 송/수신 모드를 선택하는 장치는 여러 후보 송/수신 모드들 각각에 대하여 총 전송률을 계산한 이후에, 최적의 송/수신 모드를 찾는다.
[표 6]
Figure 112009055403314-PAT00050
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 나타낸 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치(700)는 수집부(710), 메모리(720), 계산부(730), 선택부(740), 처리부(750) 및 전달부(760)를 포함한다.
수집부(710)는 복수의 송/수신 페어들 사이의 채널들에 대한 정보를 수집한다. 수집부(710)는 어느 하나의 기지국으로부터 모든 채널들에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 모든 기지국들 각각으로부터 대응하는 채널에 대한 정보를 얻을 수도 있다.
메모리(720)는 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들에 대하여 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들을 기록하는 테이블을 관리한다.
여기서, 복수의 후보 송/수신 모드들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 또는 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드를 포함할 수 있다.
간섭 정렬 모드에서 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 실효 채널 행렬의 대각 원소들을 사용하는 변형된 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error) 기법을 이용하여 빔포밍 행렬 및 디코딩 행렬을 계산할 수 있다.
또한, 최대 전송률 전송 모드에서 상기 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 통하여 도출되는 행렬을 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
또한, 계산부(730)는 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산한다. 즉, 계산부(730)는 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률을 계산한다. 이 때, 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 데에 복수의 송/수신 페어들 사이의 채널들에 대한 정보가 사용된다.
또한, 선택부(740)는 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택한다. 특히, 선택부(740)는 달성 가능한 총 전송률이 최대가 되도록 최적의 상기 액티브 링크들의 개수 및 최적의 상기 액티브 링크들에 대응하는 전송 파워들을 찾을 수 있다.
또한, 처리부(750)는 복수의 송/수신 페어들이 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 공유할 수 있도록 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리한다. 특히, 처리부(750)는 상기 적용되는 송/수신 모드의 인덱스에 대한 정보를 처리할 수 있다.
적용되는 송/수신 모드가 선택되면, 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보는 단말들로 제공된다. 이 때, 단말들 각각은 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보에 따라 해당 디코딩 행렬을 생성한 이후에, 상기 해당 디코딩 행렬을 이용하여 수신된 신호를 디코딩한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러가 어느 하나의 기지국에 설치되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러(811)는 기지국1(BS1, 810)의 내부에 설치될 수 있으며, 기지국1(810)은 모든 채널들에 대한 정보를 수집하고, 적용되는 송/수신 모드를 선택한 이후에, 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 다른 기지국들(820, 830) 또는 단말들로 전송한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러가 여러 기지국들과 떨어져서 설치되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러(911)는 기지국들(910, 920, 930)과는 떨어져서 독립적으로 설치될 수 있다.
이 때, 컨트롤러(911)는 복수의 송/수신 페어들 사이의 채널들에 대한 정보를 모두 수집하고, 적용되는 송/수신 모드를 선택한 이후에, 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 복수의 송/수신 페어들과 공유한다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 복수의 송/수신 페어들을 포함하는 다중-셀 통신 시스템 및 계층-셀 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 간섭 정렬을 사용하는 복수의 송/수신 페어들을 나타낸 도면이다.
도 3은 다중-안테나를 포함하는 복수의 송/수신 페어들을 나타낸 도면이다.
도 4는 복수의 송/수신 페어들 사이에서 하나의 액티브 링크가 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 5는 복수의 송/수신 페어들 사이에서 두 개의 액티브 링크들이 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 6은 복수의 송/수신 페어들 사이에서 3 개의 액티브 링크들이 존재하는 경우를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러가 어느 하나의 기지국에 설치되는 경우를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치를 포함하는 컨트롤러가 여러 기지국들과 떨어져서 설치되는 경우를 나타낸 도면이다.

Claims (19)

  1. 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법에 있어서,
    사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산하는 단계;
    상기 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 상기 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 단계; 및
    상기 복수의 송/수신 페어들이 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 공유할 수 있도록 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 단계
    를 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 단계는
    상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 상기 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 단계인 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 단계는
    상기 달성 가능한 총 전송률이 최대가 되도록 최적의 상기 액티브 링크들의 개수 및 최적의 상기 액티브 링크들에 대응하는 전송 파워들을 찾는 단계
    를 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들에 대하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들을 기록하는 테이블을 관리하는 단계
    를 더 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가능한 전송 파워들은 제한된 전체 파워에 대한 조건을 만족하면서, 이산적으로 설정되는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 액티브 링크들의 가능한 개수는 1보다 크거나 같고, 상기 복수의 송/수신 페어들의 개수보다 작거나 같은 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 후보 송/수신 모드들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 또는 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드 중 적어도 하나를 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 간섭 정렬 모드에서 상기 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 실효 채널 행렬의 대각 원소들을 사용하는 변형된 최소 평균 제곱 오차(Minimum Mean Square Error) 기법을 이용하여 빔포밍 행렬 및 디코딩 행렬을 계산하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 최대 전송률 전송 모드에서 상기 복수의 송/수신 페어들 각각은 해당 채널 행렬의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 통하여 도출되는 행렬을 빔포밍 행렬로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 단계는
    상기 적용되는 송/수신 모드의 인덱스에 대한 정보를 처리하는 단계인 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 방법.
  11. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
  12. 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치에 있어서,
    사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 계산하는 계산부;
    상기 계산된 달성 가능한 총 전송률을 기초로 상기 복수의 후보 송/수신 모드들 중 적용되는 송/수신 모드를 선택하는 선택부; 및
    상기 복수의 송/수신 페어들이 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 공유할 수 있도록 상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 처리하는 처리부
    를 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 상기 복수의 송/수신 페어들 중 적어도 하나의 송/수신 페어로 전달하는 전달부
    를 더 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 계산부는
    상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들을 고려하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 상기 달성 가능한 총 전송률을 계산하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 송/수신 페어들 사이의 액티브 링크들의 가능한 개수 및 상기 액티브 링크들에 대응하는 가능한 전송 파워들에 대하여 상기 사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들을 기록하는 테이블을 관리하는 메모리
    를 더 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 송/수신 페어들의 채널들에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부
    를 더 포함하는 복수의 송/수신 페어들의 송/수신 모드를 선택하는 장치.
  17. 무선 자원을 중복적으로 사용하는 복수의 송/수신 페어들에 속하는 단말의 동작 방법에 있어서,
    사용 가능한 복수의 후보 송/수신 모드들 각각에 대한 달성 가능한 총 전송률(achievable sum data rate)을 기초로 선택된 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보를 수신하는 단계;
    상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보에 따라 해당 디코딩 행렬을 생성하는 단계; 및
    상기 해당 디코딩 행렬을 이용하여 수신된 신호를 디코딩하는 단계
    를 포함하는 단말의 동작 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적용되는 송/수신 모드에 관한 정보는 상기 적용되는 송/수신 모드의 인덱스 정보를 포함하는 단말의 동작 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 후보 송/수신 모드들은 최대 전송률 전송(Maximum Ratio Transmission) 모드, 협력 빔포밍(coordinated beamforming) 모드 또는 간섭 정렬(Interference Alignment) 모드 중 적어도 하나를 포함하는 단말의 동작 방법.
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