KR20110129223A

KR20110129223A - Ｌｏｓ를 고려한 하이브리드 코드북 생성 방법 및 그를 위한 하이브리드 코드북 운용 장치 및 그를 위한 이동통신 시스템

Info

Publication number: KR20110129223A
Application number: KR1020100048740A
Authority: KR
Inventors: 김영주; 박노윤; 김형준
Original assignee: 엘지에릭슨 주식회사; 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-12-01
Also published as: KR101641741B1

Abstract

본 발명은 LOS(line of sight) 채널 및 레일리(Rayleigh) 페이딩 채널을 갖는 라이시안(Rician) 페이딩 채널에서 폐루프 방식의 다중 안테나 기술을 적용할 때 사용할 수 있는 하이브리드 코드북 생성 방법 및 그 운용 장치에 관한 것이다. 본 발명의 하이브리드 코드북 운용 장치는, 레일리 페이딩(rayleigh fading) 코드북(codebook)에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, LOS 기반의 코드북에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북 및 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈를 고려하여 하이브리드 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈가 지정되면 상기 레일리 페이딩 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 선정하고, 상기 LOS 기반의 코드북과 상기 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정하며, 상기 선정된 후보 하이브리드 코드북의 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 최종 하이브리드 코드북을 선정한다.

Description

ＬＯＳ를 고려한 하이브리드 코드북 생성 방법 및 그를 위한 하이브리드 코드북 운용 장치 및 그를 위한 이동통신 시스템{METHOD FOR GENERATING HYBRID CODEBOOK CONSIDERING LINE OF SIGHT AND THEREOF OPERATING SYSTEMS AND THEREOF MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 LOS(line of sight) 채널 및 레일리(Rayleigh) 페이딩 채널을 갖는 라이시안(Rician) 페이딩 채널에서 폐루프 방식의 다중 안테나 기술을 적용할 때 사용할 수 있는 하이브리드 코드북에 관한 것으로, 특히 라이시안 페이딩 채널에 적합한 하이브리드 코드북의 생성 방법 및 그를 위한 운용 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 폐회로 선부호화(precoding) 다중입력 다중출력(MIMO, multiple-input multiple-output) 기술을 적용하는 이동통신 시스템에서는 폐루프 선부호화 전송기술을 이용한 다이버시티 이득을 얻을 수 있는데, 이를 위해서는 채널 품질 정보(CQI:channel quality information)를 기초로 하여 수신단에서 생성된 피드백 정보를 송신단으로 정확하게 전송해야 한다. 송신단에서는 피드백 정보를 통해 신호 세기가 큰 채널 경로 즉, 페이딩 영향이 적은 채널 경로를 선택할 수 있으며, 이를 통해 채널 용량을 최대화 할 수 있는 가중치인 최적화된 선부호화 행렬 (optimum precoding matrix)을 계산할 수 있다. 그러나, 이 경우 정확한 채널 상태정보를 전송하기 위해서 피드백을 위한 채널 대역폭이 증가하게 되는 문제점이 발생한다. 특히 채널 품질 정보를 송신단으로 피드백하기 위해 일정 대역폭의 피드백 채널 즉, 사용자의 데이터 전송률을 크게 하기 위해서 제어 데이터 오버헤드(control data overhead) 크기가 제한되어 있는 주파수 분할 방식(FDD; frequency division duplex)의 폐회로 선부호화 다중입력 다중출력 시스템에서는 많은 어려움이 발생한다.

이를 해결하기 위해 채널 품질 정보(CQI; Channel Quality Information)를 기초로 하여 수신단에서 생성된 피드백 정보를 양자화하는 기술인 코드북(codebook)을 기반으로 한 피드백 전송기법이 제안되었다. 코드북을 사용하면 전체 채널 상태 정보를 피드백하는 대신에 다양한 수의 채널 품질 정보를 사전에 임의의 벡터로 양자화 한 후, 양자화된 채널 상태 정보 벡터에 해당하는 특정 인덱스 정보만 피드백 채널을 통해 송신단으로 전송할 수 있는데, 인덱스 크기는 L 비트로 이루어져 있어 작은 대역폭을 통해서도 충분한 채널 용량 획득 및 다이버시티 성능을 얻을 수 있다. 이때, 코드북은 생성 효율성 및 저장 메모리에 최적화되어 있으며, 송수신단 모두 동일한 코드북을 가지고 있다.

상기 코드북 사용에 있어 기존에는 LOS(line of sight)가 없는 레일리 페이딩 채널(rayleigh fading channel)에 적합한 코드북만을 사용하거나 송수신 안테나가 서로 마주하고 있을 경우 LOS용 코드북만을 각각 구분하여 이용할 수 있었다. 그러나 레일리 페이딩 채널과 LOS 채널을 포함하는 라이시안(Rician) 페이딩 채널에서의 폐회로 선부호화 다중입력 다중출력 기술을 적용하는 이동통신 시스템에서는 상기의 코드북을 동시에 사용하거나 또는 레일리 페이딩 채널에 적합한 코드북만을 사용하였다. 이 경우, LOS 성분 크기에 따라 라이시안 페이딩 채널에서 전체적인 시스템 성능 저하가 발생하여 이를 해결하기 위해 라이시안 페이딩 채널에 적합한 새로운 하이브리드 코드북 생성법 및 운용 기술이 반드시 필요하다.

한편, 중계기 시스템은 초기 이동통신 시스템이 상용화될 때부터 고려된 기술로서, 사용자가 셀(cell)의 끝부분에 있거나 높은 건물 또는 산에 의해 통화 음영 지역이 발생하여 본래의 성능을 보장할 수 없을 경우 셀 영역(cell coverage) 확장을 위한 목적으로 사용된다.

특히 중계채널을 이용한 협동 통신은 1979년 T. M. Cover 등에 의해 중계 채널의 정보 이론적 특성이 발표되면서 과거의 셀 영역 확장이라는 단순한 중계기의 역할에서 셀 용량 증대를 위한 주요 기술로 인식되고 있다. 특히 중계채널을 이용한 협동 통신은 1979년 T. M. Cover 등에 의해 중계채널의 정보 이론적 특성이 발표되면서 과거의 셀 영역 확장이라는 단순한 중계기의 역할에서 셀 용량 증대를 위한 주요 기술로 인식되고 있다. 최근에는 협동 통신에 다중 안테나 기술을 응용한 협동 중계 다이버시티(diversity) 기법들이 제안되면서 이를 바탕으로 LTE 및 LTE-Advanced 시스템의 중계기 기법에 관한 논의가 활발히 이루어지고 있다. 특히 기지국과 중계기 시스템간의 전송을 위한 상향 링크 (uplink) 및 하향 링크 (down link)를 백홀 링크 (backhaul link)라 하며, 중계기 시스템과 사용자 단말기간의 전송을 위한 상향 링크 및 하향 링크를 액세스 링크 (access link)로 서로 구분 짓고 있으며, 각 링크 별 전송기법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 각각의 링크에서는 폐회로 선부호화 다중입력 다중출력 기술을 이용한 다이버시티 이득을 얻을 수 있는데, 이를 위해서 상기에서 설명한 바와 동일하게 채널 품질 정보를 기초로 하여 생성된 피드백 정보를 송신단으로 정확하게 전송해야 한다. 이 경우, 각각의 링크에서 정확한 채널 상태정보를 전송하기 위해서는 피드백을 위한 상향 링크 및 하향 링크 내의 대역폭이 커지게 되는 문제점이 발생하며, 이를 해결하기 위해 상기 기술한 코드북을 기반으로 한 피드백 전송기법이 제안되었다.

중계기와 기지국간의 백홀 링크에서는 전력 세기가 강할 뿐만 아니라 전력의 제한이 없기 때문에 송신 신호의 세기가 액세스 링크에 비해 상대적으로 증가하여 이때의 무선 채널환경은 일반적으로 레일리 채널 환경이 아닌 LOS 성분이 고려된 라이시안 채널 환경이 고려될 확률이 훨씬 높다. 즉, 중계기를 이용한 이동통신 기술에서는 LOS 성분이 포함된 라이시안 페이딩 채널이 발생할 가능성이 높다. 이 경우, 상기에서 기술한 바와 같이 동일한 레일리 페이딩에 적합한 코드북 또는 LOS 성분을 고려한 코드북을 동시에 사용하거나 또는 레일리 페이딩 채널에 적합한 코드북만을 사용한다면 LOS 성분 크기에 따라 라이시안 페이딩 채널에서 전체적인 시스템 성능 저하가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 라이시안 페이딩 채널에 적합한 새로운 하이브리드 코드북 생성법 및 운용 기술이 반드시 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, LOS(line of sight) 채널 및 레일리 페이딩 채널(rayleigh fading channel)을 갖는 라이시안 페이딩 채널(rician fading channel)에 적합한 하이브리드 코드북(hybrid codebook)의 생성 방법 및 하이브리드 코드북을 이용하는 이동통신 시스템의 운용에 관한 방법 및 이를 위한 운용(송신 및 수신) 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 하이브리드 코드북 생성 방법은, a) 레일리 페이딩(rayleigh fading) 코드북(codebook)에서 최적 코드북 사이즈를 지정하는 단계; b) LOS 기반의 코드북에서 최적 코드북 사이즈를 지정하는 단계; c) 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북 및 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈를 고려하여 하이브리드 코드북 사이즈를 지정하는 단계; d) 상기 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈가 지정되면 상기 레일리 페이딩 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 선정하는 단계; e) 상기 LOS 기반의 코드북과 상기 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정하는 단계; 및 f) 상기 선정된 후보 하이브리드 코드북의 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 최종 하이브리드 코드북을 선정하는 단계를 포함한다.

또한 본 발명의 하이브리드 코드북 운용 장치는, 레일리 페이딩(rayleigh fading) 코드북(codebook)에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, LOS 기반의 코드북에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북 및 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈를 고려하여 하이브리드 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈가 지정되면 상기 레일리 페이딩 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 선정하고, 상기 LOS 기반의 코드북과 상기 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정하며, 상기 선정된 후보 하이브리드 코드북의 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 최종 하이브리드 코드북을 선정한다.

또한 본 발명의 하이브리드 코드북 운용 장치를 포함하는 이동통신 시스템은, 송신장치 및 수신장치에 해당하는 기지국, 중계기 시스템 및 사용자 단말기를 포함하되, 상기 기지국, 중계기 시스템 및 사용자 단말기는 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이브리드 코드북 운용 장치 및 선부호화기를 포함하여 특정 송신장치가 레퍼런스(reference) 신호를 특정 수신장치로 전송하면, 상기 특정 수신장치는 상기 레퍼런스 신호로부터 채널 품질 정보를 인식하여 무선 채널 환경을 확인하고, 상기 하이브리드 코드북 운용 장치는 상기 확인된 무선 채널 환경에 대응하는 최적의 하이브리드 코드북 인덱스를 상기 선부호화기로 전송하고, 상기 선부호화기는 상기 하이브리드 코드북 인덱스를 이용하여 선부호화를 수행한다.

본 발명에 따르면, LOS(line of sight) 성분이 있는 라이시안 페이딩 채널(rician fading channel)에서 레일리 페이딩 채널(rayleigh fading channel)용 코드북과 LOS 채널용 코드북을 최적으로 조합하여 폐회로 선부호화 다중입력 다중출력(MIMI; multiple-input multiple-output) 기술을 적용하는 이동통신 시스템에 적용함으로써, LOS 성분이 적거나 많은 여러 경우 기존 코드북보다 우수한 링크레벨(link level) 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 이동통신 시스템의 영역(coverage) 및 용량(capacity)을 증가시키기 위해 여러 가지 기능의 중계기를 적용하는 기법을 연구하고 있는데, 중계기에는 LOS 성분이 높아질 가능성이 많으므로 폐회로 선부호화 다중입력 다중출력 기술을 이용하여 전송하는 중계기 시스템에 본 발명이 적용된다면, 기존 코드북보다 우수한 링크레벨 성능 획득 및 이동통신 시스템의 영역 및 용량 증가 효과를 가져온다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템을 보인 예시도.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템의 코드북의 성능을 보인 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS를 고려한 라이시안 페이딩에 적합한 하이브리드 코드북 생성 방법을 보인 플로우챠트.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS를 고려한 라이시안 페이딩에 적합한 하이브리드 코드북 생성 방법 및 하이브리드 코드북 운용 장치를 이동통신 시스템에 적용한 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.

하기의 설명에서 본 발명의 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS(light of sight)를 고려한 라이시안 페이딩(rician fading)에 적합한 하이브리드 코드북(hybrid codebook) 생성 방법 및 하이브리드 코드북 운용 장치의 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있는데, 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명이 용이하게 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

후술될 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서는 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 수신장치가 코드북을 이용하여 피드백 정보를 송신장치로 전달하는 일반적인 과정 및 라이시안 페이딩 채널에서 레일리 코드북(rayleigh codebook) 및 LOS 기반의 코드북을 사용할 경우 성능에 관해 살펴 볼 것이다. 그리고 상기 두 종류의 코드북을 이용하여 새로운 하이브리드 코드북을 생성하는 방식 및 이를 중계기 시스템에서 운용하는 방법에 대해 설명한다.

폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 코드북을 이용하여 피드백(feedback) 정보를 송신장치로 전달하는 일반적인 과정에 관해 설명한다.

원천 정보 신호 ｓ가 ｌ번째 (1≤ｌ≤Ｍ _ｔ ) 송신 안테나의 가중치 ｗ _ｌ 과의 곱을 통행 전송될 때, ｍ번째(1≤ｍ≤Ｍ _r ) 수신 안테나에서의 출력 ｙ _ｍ 은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 1에서 ｈ _ｍ,ｌ 은 무기억성 페이딩 채널로서 ＣＮ(0,1)의 분포를 갖는다. 이때, ＣＮ(·)은 복소 정규 분포를 의미하며, ｎ _ｍ 은 ｍ번째 수신 안테나에서의 ＣＮ(0,Ｎ ₀)의 분포를 갖는 잡음이다. 만약 ｍ＝ｊ，ｌ＝ｉ일때, ｈ _ｍ,ｌ 은 ｈ _ｊ,ｉ 에 독립이며, ｎ _ｍ 또한 ｎ _ｊ 와 독립이다.

상기의 채널들은 몇몇 심벌 전송에 있어 채널 특성이 일정하다고 가정한다. 수신장치는 ｍ번째 수신 안테나에 의해 수신된 신호 ｙ _ｍ 에 수신측 가중치 값인

(ｚ _ｍ 은 복소수 값으로 *은 공액(conjugation)을 의미)을 곱한다. 이러한 과정을 모든 수신 안테나 Ｍ _r 의 적용에 의해 출력되는 수신신호들을 결합하면 복조된 신호

을 생성할 수 있다. 이러한 시스템 모델을 수학식 2에서와 같이 매트릭스 형태로 나타낼 수 있다.

수학식 2에서

,

그리고 H는

크기를 갖는 페이딩 채널로써 ｈ _ｍ,ｌ 은 H의 (m,l) 번째 요소이다. 또한 w 와 l 은 각각 송신 및 수신 다이버시티에서의 가중치 벡터를 나타내는데, 최적의 성능을 위해 수신 신호대 잡음비를 최대화하는 채널의 함수로써 정의된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템을 보인 예시도이다. 이동통신 시스템(100)은 하나의 송신장치(110)와 복수의 수신장치(120-1,...,120-N)를 포함한다. 송신장치(110)는 기지국이라 가정할 수 있으며, 복수의 수신장치(120-1,...,120-N)는 이동 단말이라 가정할 수 있다. 하기의 설명에서는 하나의 수신장치(120-1)를 포함하는 이동통신 시스템을 예로 들어 설명한다. 하기의 수신장치(120-1)에 대한 설명은 나머지 수신장치(120-2,...,120-N)에 대해서도 동일하게 적용된다.

수신장치(120-1)는 수신신호를 입력으로 하여 채널 추정을 수행한다. 채널 추정에 의해 각 데이터 스트림에 대응한 채널 품질 정보(CQI; Channel Quality Information)를 획득한다. CQI는 CQI 값(value)으로 표현될 수 있다. 이하 설명에서는 편의를 위해 CQI 및 CQI 값을 CQI 정보로 통칭하여 사용한다. 그리고, 데이터 스트림은 송신측에서의 프리 코더(precoder) 사용 여부에 따라 달리 정의할 수 있다. 수신장치(120-1)는 각 데이터 스트림에 대응한 채널 품질 정보를 기초로 하여 피드백 정보를 생성한다. 피드백 정보의 생성 방법은 신호 검출 기법, 송신측에서의 프리 코더 사용 여부 등을 고려하여 결정할 수 있다. 또한, 수신장치(120-1)는 생성한 피드백 정보를 송신장치(110)로 전송한다.

송신장치(110)는 각 수신장치(120-1,...,120-N)로부터 피드백 정보를 수신한다. 송신장치(110)는 피드백 정보에 의해 적어도 하나의 사용자 (즉, 수신장치)를 선택한다. 선택되는 사용자의 수는 동작 모드에 의해 결정될 수 있다. 동작 모드는 단일 사용자 모드 (single-user mode)와 다중 사용자 모드(multi-user mode)를 포함한다. 단일 사용자 모드에서는 하나의 사용자가 선택되며, 다중 사용자 모드에서는 복수의 사용자들이 선택된다. 동작 모드는 피드백 정보를 기반으로 하여 결정된다.

또한, 송신장치(110)는 피드백 정보에 의해 변조 및 부호화 선택 레벨(MCS 레벨; modulation & coding selection level)을 결정한다. 즉 송신장치(110)는 단일 사용자 모드와 다중 사용자 모드를 선택적으로 사용할 수 있다.

이를 위해 수신장치(120-1)는 적어도 하나의 수신 안테나 (Ant_rx #1, Ant_rx #2,...,Ant_rx #N_r), 채널 추정부(122-1) 및 피드백 정보 생성부(124-1)를 포함한다. 그리고 송신장치(110)는 복수의 송신 안테나 (Ant_tx #1, Ant_tx #2,...,Ant_tx #N_r), 피드백 정보 처리부(114) 및 신호 송신부(112)를 포함한다.

수신장치(120-1)를 살펴보면, 적어도 하나의 수신 안테나 (Ant_rx #1, Ant_rx #2,...,Ant_rx #N_r)로부터 수신된 신호는 채널 추정부(122-1)로 입력된다. 채널 추정부(122-1)는 미리 설정된 신호 검출 기법에 의해 수신신호로부터 데이터 스트림 각각에 대응한 채널 특성을 추정한다. 신호 검출 기법으로는 선형 검출 기법 및 비선형 검출 기법이 존재한다. 선형 검출 기법의 대표적인 예로 LMMSE(lineat minimum mean square error) 기법이 있으며, 비선형 검출 기법의 대표적인 예로 SIC 기법이 있다. 채널 추정부(122-1)에서의 채널 상황 등을 고려하여 최적의 신호 검출 기법을 선택적으로 사용하여 채널 특성 행렬을 형성할 수 있다. 채널 추정부(122-1)에 의해 추정된 수신신호의 채널 특성 행렬은 피드백 정보 생성부(124-1)로 제공된다.

피드백 정보 생성부(124-1)는 채널 추정부(122-1)로부터 제공된 채널 특성 행렬에 의해 피드백 정보를 생성한다. 피드백 정보 생성부(124-1)는 채널 추정부(122-1)에서 사용된 신호 검출 기법을 고려하여 피드백 정보를 생성한다.

한편, 피드백 정보 생성부(124-1)는 송신장치(110)에서 사용자로 제공되는 데이터 스트림의 수와 프리 코더(코드북)의 사용 여부 등을 추가로 고려하여 피드백 정보를 생성할 수 있다. 만약 송신장치(110)에서 프리 코더를 사용한다면, 피드백 정보에 프리 코더 인덱스 (precoder index)가 추가된다. 프리 코더 인덱스는 코드북(codebook) 내에서 최대 단일 사용자 성능을 얻을 수 있는 프리 코딩 행렬을 지정하는 인덱스이다.

수신장치(120-1)는 피드백 정보 생성부(124-1)에 의해 생성된 피드백 정보를 송신장치(110)로 전송한다. 수신장치(120-1)에 의해 피드백 정보의 전송은 바람직하게 주기적으로 전송된다. 하지만 전송 시점을 결정하는 요소들이 송신장치(110)와 수신장치(120-1) 간에 사전에 약속된다면, 피드백 정보를 비주기적으로 전송하는 것이 가능하다.

송신장치(110)를 살펴보면, 모든 수신장치들(120-1,...,120-N)로부터 수신되는 피드백 정보는 피드백 정보 처리부(114)로 제공된다. 피드백 정보 처리부(114)는 각 수신장치로부터 수신된 피드백 정보를 기반으로 하여 적어도 하나의 사용자를 선택하다. 그리고 선택된 적어도 하나의 사용자의 데이터 스트림을 전송하기 위한 부호화 기법과 MCS 레벨을 결정한다.

피드백 정보 처리부(114)는 적어도 하나의 사용자를 선택하기 위해서는 송신장치의 동작 모드가 고려된다. 따라서 피드백 정보 처리부(114)는 사용자를 선택하기에 앞서 동작 모드를 결정한다. 앞에서도 밝힌 바와 같이 동작 모드는 단일 사용자 모드와 다중 사용자 모드로 구분된다. 여기서 피드백 정보 처리부(114)는 최적의 코드북 인덱스를 수학식 3을 이용하여 선택한다.

수학식 3에서???? k _opt (1≤ k ≤ N)는 코드북의 인덱스이며, ∥·∥₁?藍? 1-norm을 의미한다. 통상적으로 송/수신단에서는 생성 효율성 및 저장 메모리에 최적화 되어 있는 적절한 크기의 코드북을 선택함으로써 피드백이 이루어진다.

하기에서는 라이시안 페이딩 채널에서 레일리 코드북 및 LOS 기반의 코드북을 사용할 경우 성능에 관해 살펴본다.

라이시안 무선 채널 환경을 확인하기 위한 라이시안 무선 채널 벡터 H는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 4에서 K는 0 ~ ∞의 값을 갖는 상수이며, 이에 따라 무선 채널 환경이 결정되고, H는 라이시안 무선 채널 벡터를 의미한다. H_LOS는 LOS를 갖는 무선 채널 벡터, H_NLOS는 LOS를 갖지 않는 다중 경로에 의한 레일리 페이딩 무선 채널 벡터를 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 K = 0 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 레일리 코드북및 LOS 기반 코드북의 성능을 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 K = 5 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 레일리 코드북 및 LOS 기반 코드북의 성능을 보인 예시도이다.

도 2를 참조하면, K = 0 일 경우 라이시안 페이딩 채널은 수학식 1에서 보이는 바와 같이 레일리 채널이 되기 때문에 레일리 코드북 성능이 LOS 기반 코드북 성능보다 우수하다.

도 3을 참조하면, K = 5 일 경우 라이시안 페이딩 채널은 수학식 1에서 보이는 바와 같이 LOS를 갖는 무선 채널 벡터 H _LOS 가 LOS를 갖지 않는 다중경로에 의한 레일리 페이딩 무선 채널 벡터 H _NLOS 보다 더 많은 가중치값을 갖기 때문에 LOS 기반 코드북 성능이 레일리 페이딩 코드북 성능보다 우수하다.

여기서, K = ∞ 일 경우 라이시안 페이딩 채널은 LOS를 갖는 무선 채널 벡터 H _LOS 만으로 구성되기 때문에 부가적 백색 가우스 잡음 (AWGN; additive white gaussian noise) 채널 성능에 근접한다.

상기 기술된 결과로부터 K 값에 따라 라이시안 채널에서는 각각의 코드북에 따라 성능 차이가 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 새로운 코드북 생성이 필요하다. 이에 따라 하기에서는 상기 두 종류의 코드북을 이용하여 새로운 하이브리드 코드북을 생성하는 방식을 설명한다.

새로운 하이브리드 코드북을 생성하기 위해 레일리 페이딩의 코드북에서 최적의 코드북 사이즈 (Ｂ _{Ｒａｙｌｅｉｇｈ} ) 를 지정해야 한다. 원래의 레일리 코드북 사이즈가 B라 하면, 다음의 수학식 5 가 성립한다.

수학식 5에서 레일리 코드북에서 최적의 코드북 사이즈 (Ｂ _{Ｒａｙｌｅｉｇｈ} ) 는 원래의 레일리 코드북 사이즈가 B 일 경우의 성능과 유사해야 하며, 만약 성능차이가 클 경우 새로운 최적의 코드북 사이즈 (Ｂ _{Ｒａｙｌｅｉｇｈ} ) 를 다시 반복해서 지정한다.

새로운 하이브리드 코드북을 생성하기 위해 LOS 신호를 고려한 코드북에서 최적의 코드북 사이즈 (B _LOS )를 지정해야 한다. LOS 신호를 고려한 코드북 사이즈가 B'라 하면, 다음의 수학식 6이 성립한다.

수학식 6에서 LOS 신호를 고려한 코드북 사이즈 (B _LOS ) 는 원래의 LOS 신호를 고려한 코드북 사이즈가 B' 일 경우의 성능과 유사해야 하며, 만약 성능차이가 클 경우 새로운 LOS 신호를 고려한 코드북 사이즈 (B _LOS ) 를 다시 반복해서 지정해야 한다.

본 발명에서 제안하는 하이브리드 코드북 사이즈 (B _Hybrid ) 는, 상기 레일리 페이딩의 코드북 사이즈 (B _Rayleigh ) 와 LOS 코드북의 사이즈 (B _LOS ) 를 고려하여 수학식 7에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.

하이브리드 코드북을 위한 레일리 코드북 사이즈(B _Rayleigh )가 결정되면 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북을 선택하는 수학식 8에서 보이는 바와 같은 그라스만 빔포밍 (Grassmannian beamforming) 조건을 만족하는 여러 후보 레일리 코드북을 선정한다.

수학식 8에서

는 B _Rayleigh 사이즈를 갖는 임의의 레일리 코드북이다.

여기서, 후보 레일리 코드북 수는 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북 수보다 크기 때문에 임의의 후보 레일리 코드북 수를 지정하기 위한 방법이 필요하다. 지정 방법은 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북을 차상위 후보 순위로 지정한 후, 차 상위 후보 순위를 제외한 나머지 코드북에서 다시 한 번 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북을 선정, 차 상위 후보순위 코드북의 다음 순위로서 지정한다. 상기 방법을 반복하여 임의의 후보 레일리 코드북 수를 지정한다.

수학식 6을 통해 B _LOS 사이즈를 갖는 LOS 코드북과 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 생성한다. 이때, 결합 방법은 B _LOS 사이즈를 갖는 LOS 코드북을 각각의 후보 레일리 코드북의 전방에 결합하거나 후방에 결합한다.

상기에서 결합된 후보 하이브리드 코드북에서 다시 한번 수학식 8과 같은 그라스만 빔포밍 조건을 만족하는 코드북을 선택하여 최종 하이브리드 코드북을 선정한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 K = 0 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 하이브리드 코드북의 성능을 보인 예시도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 폐루프 방식을 지원하는 다중 안테나를 적용한 이동통신 시스템에서 K = 5 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 하이브리드 코드북의 성능을 보인 예시도이다.

도 4를 참조하면, K = 0 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 하이브리드 코드북을 이용하면 레일리 코드북과 유사한 성능을 나타낸다. 도 5을 참조하면, K = 5 일 경우 라이시안 페이딩 채널에서 하이브리드 코드북을 이용하면 이상적인 LOS 코드북보다는 성능이 저하되지만 레일리 코드북보다는 성능이 향상됨을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS를 고려한 라이시안 페이딩에 적합한 하이브리드 코드북 생성 방법을 보인 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 레일리 페이딩 코드북에서 B _Rayleigh < B 를 만족하는 최적의 코드북 사이즈를 지정하고(S110). 원래의 레일리 코드북 사이즈가 B 일 경우의 성능과 유사성을 비교한다(S120). 성능차이가 임계값 이상일 경우 새로운 최적의 코드북 사이즈 (B _Rayleigh )를 다시 반복해서 지정하며(S130), 성능차이가 임계값 이하일 경우 LOS 신호를 고려한 코드북에서 B _Rayleigh < B'일 경우의 성능과 유사성을 비교한다. 원래의 LOS 신호를 고려한 코드북 사이즈가 B'일 경우의 성능과 유사성을 비교한다(S140). 성능 차이가 임계값 이상일 경우 새로운 최적의 코드북 사이즈 (B _LOS )를 다시 반복해서 지정하며, 성능차이가 임계값 이하일 경우 다음 단계를 수행한다. 레일리 페이딩의 코드북 사이즈 (B _Rayleigh ) 와 LOS 코드북의 사이즈 (B _LOS )를 고려하여 하이브리드 코드북의 사이즈 (B _Hybrid = B _Rayleigh + B _LOS )를 지정하고(S150), 그라스만 빔포밍 조건을 만족하는 여러 후보 레일리 코드북을 선정한다(S160). 여기서, 후보 레일리 코드북 수는 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북 수보다 크기 때문에 임의의 후보 레일리 코드북 수를 지정하기 위한 방법이 필요하다. 지정 방법은 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북을 차상위 후보 순위로 지정한후, 차상위 후보 순위를 제외한 나머지 코드북에서 다시 한 번 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 코드북을 선정, 차상위 후보 순위 코드북의 다음 순위로서 지정한다. 상기 지정 방법을 반복하여 임의의 후보 레일리 코드북 수를 지정한다. 후보 레일리 코드북과 B _LOS 사이즈를 갖는 LOS 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정한다(S170). 여기서, 결합 방법은 B _LOS 사이즈를 갖는 LOS 코드북을 각각의 후보 레일리 코드북의 전방에 결합하거나 후방에 결합한다. 그후, 후보 하이브리드 코드북에서 그라스만 빔포밍 조건을 만족하는 최종 하이브리드 코드북을 선정한다(S180).

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS를 고려한 라이시안 페이딩에 적합한 하이브리드 코드북 생성 방법 및 하이브리드 코드북 운용 장치를 이동통신 시스템에 적용한 구성도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 폐루프 방식의 다중 송수신 안테나 전송 시스템에서 LOS를 고려한 라이시안 페이딩에 적합한 하이브리드 코드북 생성 방법 및 하이브리드 코드북 운용 장치는 기지국(410), 중계기 시스템(420) 및 사용자 단말기(430)를 포함한다.

기지국(410), 중계기 시스템(420) 및 사용자 단말기(430)는 공통적으로 선부호화기(410-1, 420-1, 430-1) 및 코드북 (410-2, 420-2, 430-2)을 포함하며, 사용자 단말기(430)-->중계기 시스템(420)-->기지국(410) 순서의 상향 링크 코드북 인덱스 피드백 경로와, 이와 반대로 기지국(410)-->중계기 시스템(420)->사용자 단말기(430) 순서의 하향 링크 코드북 인덱스 피드백 경로를 갖는다. 이때, LTE 시스템까지의 표준화 문서에서는 코드북 사용을 하향 링크에만 국한하였지만, LTE-A 시스템에서는 사용자 단말기(430)에서의 송신 안테나 수를 기존의 1 개에서 2 ~ 4개 까지의 증가를 고려하고 있어 코드북을 상향 링크와 하향 링크 모두 사용하고자 한다. 이러한 이유로 상기의 상향 링크 코드북 인덱스 피드백 경로는 LTE-A 시스템에서 사용된다.

중계기 시스템(420)과 기지국(410)간의 백홀 링크에서는 전력 세기가 강할 뿐만 아니라 전력의 제한이 없기 때문에 송신 신호의 세기가 액세스 링크에 비해 상대적으로 증가하여 이때의 무선 채널환경은 일반적으로 레일리 채널 환경이 아닌 LOS 성분이 고려된 라이시안 채널 환경이 고려될 확률이 더 높다. 즉, 중계기를 이용한 이동통신 기술에서는 LOS 성분이 포함된 라이시안 페이딩 채널이 발생할 가능성이 높기 때문에 상기에서 제안한 하이브리드 코드북 (W _Hybrid ) 이 사용된다. 선부호화기(410-1, 420-1, 430-1)는 선택된 하이브리드 코드북에서 전술한 수학식 3을 만족하는 최적의 코드북 인덱스에 해당하는 인자로 선부호화한다.

송신장치 및 수신장치에 해당하는 기지국(410), 중계기 시스템(420) 및 사용자 단말기(430)는 동일한 코드북을 갖고 있어, 송신 장치가 레퍼런스 신호를 수신 장치로 전송하면, 수신 장치는 레퍼런스 신호로부터 채널 품질 정보를 인식하여 무선 채널 환경을 확인하고, 코드북 인덱스를 결정한다.

이후, 수신 장치는 추정된 무선 채널 환경에 대응하는 최적의 하이브리드 코드북 인덱스 K _opt 를 송신 장치의 선부호화기로 전송한다.

송신 장치는 생성 효율성 및 저장 메모리에 최적화되어 있는 하이브리드 코드북을 수신장치와 동일하게 가지고 있기 때문에 피드백된 현재 채널 상황에 적합한 최적의 하이브리드 코드북 인덱스에 해당하는 양자화된 채널 정보를 이용하여 선부호화 과정을 거친후 MIMO 채널로 신호를 전송하게 된다.

이에 따라 백홀 링크와 액세스 링크에서 각각의 무선 채널 환경에 적합한 최적의 코드북을 적절히 운용함으로써, 심벌 에러 확률을 감소시키고 전송 용량 증가 등의 전체적인 시스템 성능이 향상될 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

100: 이동통신 시스템 110: 송신 장치
120-1~N: 수신 장치 112: 신호 송신부
114: 피드백 정보 처리부 122-1: 채널 추정부
124-1: 피드백 정보 생성부 410: 기지국
420: 중계기 시스템 430: 사용자 단말기
410-1,420-1,430-1: 선부호화기 410-2, 420-2,430-2: 코드북

Claims

ＬＯＳ(line of sight)를 고려한 하이브리드 코드북 생성 방법에 있어서,
a) 레일리 페이딩(rayleigh fading) 코드북(codebook)에서 최적 코드북 사이즈를 지정하는 단계;
b) LOS 기반의 코드북에서 최적 코드북 사이즈를 지정하는 단계;
c) 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북 및 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈를 고려하여 하이브리드 코드북 사이즈를 지정하는 단계;
d) 상기 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈가 지정되면 상기 레일리 페이딩 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 선정하는 단계;
e) 상기 LOS 기반의 코드북과 상기 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정하는 단계; 및
f) 상기 선정된 후보 하이브리드 코드북의 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 최종 하이브리드 코드북을 선정하는 단계를 포함하는 하이브리드 코드북 생성 방법.
제1항에 있어서,
상기 레일리 페이딩, LOS 기반의, 후보 레일리, 후보 하이브리드 및 최종 하이브리드 코드북은,
무선 채널의 품질 정보가 양자화된 코드워드들이 임의의 인덱스에 지정되어 형성되는 하이브리드 코드북 생성 방법.
제2항에 있어서,
상기 무선 채널의 환경은,
다음의 수학식 A에 의해 확인되되,
(수학식 A)

상기 수학식 A에서 K는 0 ~ ∞의 값을 갖는 상수이고, H는 라이시안 무선 채널 벡터이고, H_LOS는 LOS를 갖는 무선 채널 벡터, H_NLOS는 LOS를 갖지 않는 다중 경로에 의한 레일리 페이딩 무선 채널 벡터인 하이브리드 코드북 생성 방법.
제3항에 있어서,
상기 하이브리드 코드북 사이즈는,
수학식 B에 의해 정의되되,
(수학식 B)

상기 수학식 B에서
는 상기 하이브르드 코드북의 사이즈이고,
는 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈 이며,
는 상기 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈인 하이브리드 코드북 생성 방법.
제4항에 있어서,
상기 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈는,
이동통신 시스템 무선 채널의 LOS 정도에 따라 결정되는 하이브리드 코드북 생성 방법.
ＬＯＳ(line of sight)를 고려한 하이브리드 코드북 운용 장치에 있어서,
레일리 페이딩(rayleigh fading) 코드북(codebook)에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, LOS 기반의 코드북에서 최적 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북 및 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈를 고려하여 하이브리드 코드북 사이즈를 지정하고, 상기 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈가 지정되면 상기 레일리 페이딩 코드북 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 선정하고, 상기 LOS 기반의 코드북과 상기 적어도 둘 이상의 후보 레일리 코드북을 결합하여 후보 하이브리드 코드북을 선정하며, 상기 선정된 후보 하이브리드 코드북의 코드워드들의 최소 거리가 최대가 되는 최종 하이브리드 코드북을 선정하는 하이브리드 코드북 운용 장치.
제6항에 있어서,
상기 레일리 페이딩, LOS 기반의, 후보 레일리, 후보 하이브리드 및 최종 하이브리드 코드북은,
무선 채널의 품질 정보가 양자화된 코드워드들이 임의의 인덱스에 지정되어 형성되는 하이브리드 코드북 운용 장치.
제7항에 있어서,
상기 무선 채널의 환경은,
다음의 수학식 A에 의해 확인되되,
(수학식 A)

상기 수학식 A에서 K는 0 ~ ∞의 값을 갖는 상수이고, H는 라이시안 무선 채널 벡터이고, H_LOS는 LOS를 갖는 무선 채널 벡터, H_NLOS는 LOS를 갖지 않는 다중 경로에 의한 레일리 페이딩 무선 채널 벡터인 하이브리드 코드북 운용 장치.
제8항에 있어서,
상기 하이브리드 코드북 사이즈는,
수학식 B에 의해 정의되되,
(수학식 B)

상기 수학식 B에서
는 상기 하이브르드 코드북의 사이즈이고,
는 상기 지정된 레일리 페이딩 코드북의 최적 코드북 사이즈 이며,
는 상기 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈인 하이브리드 코드북 운용 장치.
제9항에 있어서,
상기 LOS 기반의 코드북의 최적 코드북 사이즈는,
이동통신 시스템 무선 채널의 LOS 정도에 따라 결정되는 하이브리드 코드북 운용 장치.
하이브리드 코드북 운용 장치를 포함하는 이동통신 시스템에 있어서,
송신장치 및 수신장치에 해당하는 기지국, 중계기 시스템 및 사용자 단말기를 포함하되,
상기 기지국, 중계기 시스템 및 사용자 단말기는 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항의 하이브리드 코드북 운용 장치 및 선부호화기를 포함하여 특정 송신장치가 레퍼런스(reference) 신호를 특정 수신장치로 전송하면, 상기 특정 수신장치는 상기 레퍼런스 신호로부터 채널 품질 정보를 인식하여 무선 채널 환경을 확인하고, 상기 하이브리드 코드북 운용 장치는 상기 확인된 무선 채널 환경에 대응하는 최적의 하이브리드 코드북 인덱스를 상기 선부호화기로 전송하고, 상기 선부호화기는 상기 하이브리드 코드북 인덱스를 이용하여 선부호화를 수행하는 이동통신 시스템.