KR20120054028A - 무선 통신 시스템에서의 코드북을 생성하는 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서의 코드북을 생성하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

다중 셀 기반 통신을 지원할 수 있는 코드북을 생성하기 위한 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 코드북 생성 방법은, 각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하고, 결정된 각 우세 특이 벡터를 0이 아닌 임의의 크기 벡터로 설정하는 단계, 상기 설정된 임의의 크기 벡터를 이용하여 상기 결정된 각 우세 특이 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(norm) 벡터들로 구성된 영역에 대해 코드워드들 간의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 제 1 코드북을 생성하는 단계, 상기 설정된 임의의 크기 벡터를 상기 하나 이상의 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 유니터리 행렬(unitary matrix)에 해당하는 제 2 코드북을 생성하는 단계 및 상기 생성된 제 1 코드북 및 상기 제 2 코드북을 이용하여 최종 코드북을 생성하는 단계를 가질 수 있다. 이러한 방법으로 생성된 코드북은 코드워드들이 우세 특이 벡터 주위에 조밀하게 분포하고 코드워드들 간에 최소 거리가 최대가 되도록 하여 통신 성능을 향상시킨다.

Description

무선 통신 시스템에서의 코드북을 생성하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING CODEBOOK IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 코드북 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
다중 안테나 시스템 기반의 셀룰러 통신 환경에서 송수신단 간에 빔포밍(beamforming)을 통해 데이터 전송률을 향상시킬 수 있다. 빔포밍 방식을 적용할 지 여부는 채널 정보에 기초하여 운용되는데, 기본적으로 수신단에서 참조신호(Reference Signal) 등으로 추정된 채널을 코드북(codebook)으로 적절히 양자화하여 송신단으로 피드백 하는 방식이 이용된다.
이하에서 코드북 생성을 위해 이용될 수 있는 공간 채널 행렬(spatial channel matrix)(혹은 채널 행렬로 불리기도 한다)에 대해 간략히 살펴본다. 공간 채널 행렬(혹은 채널 행렬)은 아래와 같이 표현할 수 있다.
Figure pct00001
여기서 H(i,k)는 공간 채널 행렬이며, Nr은 수신 안테나 개수, Nt는 송신 안테나 개수, r은 수신 안테나의 인덱스, t는 송신 안테나의 인덱스, i는 OFDM(또는 SC-FDMA) 심볼의 인덱스, k는 부반송파의 인덱스를 나타낸다.
Figure pct00002
는 채널 행렬 H(i,k)의 요소(element)로서, i번째 심볼 및 k번째 부반송파상에서의 r번째 채널 상태 및 t번째 안테나를 의미한다.
또한, 본 발명에서 사용될 수 있는 공간 채널 공분산 행렬(spatial channel covariance matrix)에 대해 간략히 살펴본다. 공간 채널 공분산 행렬은 기호 R로 나타낼 수 있다.
Figure pct00003
이고, 여기서 H는 공간 채널 행렬을, R은 공간 채널 공분산 행렬을 의미한다. E[]는 평균(mean)을 의미하며, i는 심볼 인덱스, k는 주파수 인덱스를 의미한다.
특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)는 직사각행렬을 분해하는 중요한 방법 중의 하나로서 신호처리와 통계학 분야에서 많이 사용되는 기법이다. 특이값 분해는 행렬의 스펙트럼 이론을 임의의 직사각행렬에 대해 일반화한 것으로, 스펙트럼 이론을 이용하면 직교 정사각행렬을 고유값을 기저로 하여 대각행렬로 분해할 수 있다. 채널 행렬 H를 실수 또는 복소수의 집합 원소로 이루어진 m×m 행렬이라고 가정하자. 이때 행렬 H는 다음과 같이 세 행렬의 곱으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00004
여기서 U, V는 유니터리 행렬(unitary matrix)들을 나타내며, ∑는 음이 아닌 특이값을 포함하는 m×n 대각행렬이다. 특이값은
Figure pct00005
이다. 채널의 특이값 분해를 통해 채널의 방향과 각 채널 방향에 할당된 채널 강도를 알 수 있다. 채널의 방향은 left singular matrix U와 right singular matrix V로 표현되는 데, MIMO를 통해 생성되는 r개의 독립채널 중 i번째 채널의 방향은 U와 V의 i 번째 열 벡터로 표현되며, i번째 채널에 대한 채널 강도는
Figure pct00006
로 표현된다. 또한 U와 V는 각각 직교화된 열 벡터로 구성되어 있으므로, i번째 채널은 j번째 채널과 서로 간섭없이 신호를 전송할 수 있다.
Figure pct00007
값이 큰 dominant 채널 방향은 긴 시간 또는 넓은 주파수 대역에서 비교적 작은 분산을 갖고 변하게 되는 반면
Figure pct00008
값이 작은 채널 방향은 큰 분산을 갖고 변한다.
이와 같이 세 행렬의 곱으로 나타내는 것을 특이값 분해라고 한다. 특이값 분해는 직교 정사각행렬만을 분해할 수 있는 고유값 분해보다 훨씬 일반적인 행렬을 다룰 수 있다. 이러한 특이값 분해와 고유값 분해 서로 관련되어 있다.
행렬 H가 양의 정부호인 에르미트 행렬(Hermitian matrix)일 때, H의 모든 고유값은 음이 아닌 실수이다. 이때, H의 특이값과 특이벡터는 H의 모든 고유값은 음이 아닌 실수 이다. H의 특이값과 특이벡터는 H의 고유값과 고유벡터와 같아진다.
한편 고유값 분해(EVD: Eigen Value Decomposition)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00009
여기서 고유값은 λ1 , .., λr 이 될 수 있다.
Figure pct00010
의 특이값 분해를 통해 채널의 방향을 나타내는 U와 V중 U의 정보를 알 수 있으며,
Figure pct00011
의 특이값 분해를 통해 V의 정보를 알 수 있다. 일반적으로 MU-MIMO(Multi User-MIMO)에서는 보다 높은 전송률을 달성하기 위해서 송,수신단 각각 빔포밍(beamforming)을 수행하게 되는데, 수신단 빔과 송신단 빔은 각각 행렬 T와 W를 통해 나타내면, 빔포밍(beamforming)이 적용된 채널은
Figure pct00012
로 표현된다. 따라서 높은 전송률을 달성하기 위해 수신 빔은 U를 기준으로 송신 빔은 V를 기준으로 생성하는 것이 바람직하다.
일반적으로 이러한 코드북을 설계하는 데 있어서의 관심은 가능한 적은 수의 비트를 이용하여 피드백 오버헤드를 줄이고, 충분한 빔포밍 이득을 달성할 수 있도록 채널을 정확히 양자화하는 문제에 있었다. 이동통신 시스템의 일 예인 3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution), LTE-Advanced, IEEE 16m 시스템 등의 최근 통신 표준에서 제안하거나 표준으로 채택된 코드북 설계 방식 중 한 가지 방식은 다음 수학식 1과 같이 채널의 롱-텀 공분산 행렬(long-term covariance matrix)를 이용하여 코드북을 변환(transform)하는 것이다.
Figure pct00013
여기서, W 는 숏-텀(short-term) 채널 정보를 반영하기 위해 만들어진 기존의 코드북이며, R 은 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬이고, norm (A) 은 행렬 A 의 각 열(column) 별로 norm이 1로 정규화(normalization)된 행렬을 의미하고, W' 은 기존 코드북 W 를 채널 행렬 H , 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬 R 및 norm 함수를 이용하여 변환한 최종 코드북이다.
또한, 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬인 R 은 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00014
여기서, 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬인 R 은 특이값 분해(singular value decomposition)에 의해 VΛV H 로 분해(decomposition) 되며, V 는 Nt x Nt 유니터리(unitary) 행렬이며
Figure pct00015
를 i 번째 열 벡터로 가진다. Λ 는
Figure pct00016
를 i 번째 대각 성분으로 가지는 대각 행렬, V H 는 V 의 허미션(hermitian) 행렬이다. 그리고
Figure pct00017
,
Figure pct00018
는 각각 i 번째 특이값(singular value)과 그에 상응하는 i 번째 특이 열(singular column) 벡터를 의미한다(
Figure pct00019
).
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 코드북을 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 코드북을 생성하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법은, 각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계; 상기 결정된 각 우세 특이 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 각 우세 특이 벡터 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드를 생성하며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법은, 각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계; 0이 아닌 임의의 벡터를 설정하는 단계; 상기 설정된 0이 아닌 임의의 벡터를 특정 영역의 하나 이상의 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 유니터리 행렬(unitary matrix)에 해당하는 제 1 코드북을 생성하는 단계; 상기 결정된 0이 아닌 임의의 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(norm) 벡터들로 구성된 상기 특정 영역에 대해 샘플링된 코드워드로 구성되는 제 2 코드북을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 제 1 코드북 및 상기 제 2 코드북을 이용하여 최종 코드북을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법은, 각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계; 0이 아닌 임의의 벡터를 결정하는 단계; 상기 결정된 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 양자화하여 제 1 코드북을 생성하는 단계; 상기 결정된 0이 아닌 임의의 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(norm) 벡터들로 구성된 영역에서 코드워드들 간의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 샘플링을 수행하고, 샘플링된 코드워드에서 상기 0이 아닌 임의의 벡터를 마이너스하는 연산을 수행하여 제 2 코드북을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 제 1 코드북 및 상기 제 2 코드북을 이용하여 최종 코드북을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다중 셀 환경에서 기지국이 다중 셀 기반 통신을 지원할 수 있는 코드북을 생성하는 방법은, 상기 기지국의 서빙 셀 내 단말과 상기 기지국 간의 채널 측정 정보에 해당하는 공분산 행렬(covariance matrix)을 이용하여 서빙 셀 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하고, 인접 셀 단말과 상기 기지국 간의 간섭 채널에 대한 공분산 행렬을 이용하여 인접 셀 우세 특이 벡터를 결정하는 단계; 상기 서빙 셀 우세 특이 벡터와 제 1 소정 길이 이하의 거리를 유지하되 상기 인접 셀 우세 특이 벡터와 제 2 소정 길이 이상의 거리를 가지는 수정된 우세 특이 벡터를 결정하는 단계; 및 상기 수정된 우세 특이 벡터와 사전에 정의된 제 3 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 코드워드들은 상기 수정된 우세 특이 벡터에 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 생성되며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 다중 셀 환경에서 단말이 코드북을 생성하는 방법은, 기지국으로부터 롱-텀(long-term) 채널 정보에 해당하는 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 수신하는 단계; 및 상기 수신한 우세 특이 벡터와 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 숏-텀(short-term) 채널 정보에 해당하는 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 코드워드들의 생성은 상기 우세 특이 벡터 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 이루어지며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대이다.
본 발명에 따른 코드북은 다중 셀 기반 환경에서 단말 및 기지국 간의 통신을 효율적으로 지원할 수 있다.
본 발명에 따른 코드북은 코드북 내 코드워드들 간의 최소거리를 최대화하며 우세 특이 벡터를 중심으로 조밀하게 코드워드를 분포하게 함으로써, 이를 이용하는 단말 및 기지국의 통신 성능을 상당히 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 이동통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템(100)에서의 기지국(105) 및 단말(110)의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 코드북 생성 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 4는 코드북 생성 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 5는 코드북 생성 방법의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 예를 들어, 이하의 상세한 설명은 이동통신 시스템이 3GPP LTE 시스템인 경우를 가정하여 구체적으로 설명하나, 3GPP LTE의 특유한 사항을 제외하고는 다른 임의의 이동통신 시스템에도 적용가능하다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 단말은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), AMS(Advanced Mobile Station) 등 이동 또는 고정형의 사용자단 기기를 통칭하는 것을 가정한다. 또한, 기지국은 Node B, eNode B, Base Station, AP(Access Point) 등 단말과 통신하는 네트워크 단의 임의의 노드를 통칭하는 것을 가정한다.
이동 통신 시스템에서 단말(User Equipment)은 기지국으로부터 하향링크(Downlink)를 통해 정보를 수신할 수 있으며, 단말은 또한 상향링크(Uplink)를 통해 정보를 전송할 수 있다. 단말이 전송 또는 수신하는 정보로는 데이터 및 다양한 제어 정보가 있으며, 단말이 전송 또는 수신하는 정보의 종류 용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
본 발명이 적용될 수 있는 이동통신 시스템의 일례로서 3GPP LTE (3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution; 이하 "LTE"라 함), LTE-Advanced(이하 'LTE-A' 라 함) 통신 시스템에 대해 개략적으로 설명한다.
도 1은 이동통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System) 시스템은 기존 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)에서 진화한 시스템으로서, 현재 3GPP에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. 일반적으로 E-UMTS는 LTE(Long Term Evolution) 시스템이라고 할 수도 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.
도 1을 참조하면, E-UMTS는 단말(User Equipment, UE)과 기지국(eNode B; eNB), 네트워크(E-UTRAN)의 종단에 위치하여 외부 네트워크와 연결되는 접속 게이트웨이(Access Gateway, AG)를 포함한다. 기지국은 브로드캐스트 서비스, 멀티캐스트 서비스 및/또는 유니캐스트 서비스를 위해 다중 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있다.
한 기지국에는 하나 이상의 셀이 존재한다. 셀은 1.25, 2.5, 5, 10, 15, 20MHz 등의 대역폭 중 하나로 설정돼 여러 단말에게 하향 또는 상향 전송 서비스를 제공한다. 서로 다른 셀은 서로 다른 대역폭을 제공하도록 설정될 수 있다. 기지국은 다수의 단말에 대한 데이터 송수신을 제어한다. 하향링크(Downlink, DL) 데이터에 대해 기지국은 하향링크 스케줄링 정보를 전송하여 해당 단말에게 데이터가 전송될 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, 하이브리드 자동 재전송 요청(Hybrid Automatic Repeat and request, HARQ) 관련 정보 등을 알려준다.
또한, 상향링크(Uplink, UL) 데이터에 대해 기지국은 상향링크 스케줄링 정보를 해당 단말에게 전송하여 해당 단말이 사용할 수 있는 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, 하이브리드 자동 재전송 요청 관련 정보 등을 알려준다. 기지국간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 핵심망(Core Network, CN)은 AG와 단말의 사용자 등록 등을 위한 네트워크 노드 등으로 구성될 수 있다. AG는 복수의 셀들로 구성되는 TA(Tracking Area) 단위로 단말의 이동성을 관리한다.
무선 통신 기술은 광대역 코드분할 다중 접속(Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA)를 기반으로 LTE까지 개발되어 왔지만, 사용자와 사업자의 요구와 기대는 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 다른 무선 접속 기술이 계속 개발되고 있으므로 향후 경쟁력을 가지기 위해서는 새로운 기술 진화가 요구된다. 비트당 비용 감소, 서비스 가용성 증대, 융통성 있는 주파수 밴드의 사용, 단순구조와 개방형 인터페이스, 단말의 적절한 파워 소모 등이 요구된다.
최근 3GPP는 LTE에 대한 후속 기술에 대한 표준화 작업을 진행하고 있다. 본 명세서에서는 상기 기술을 "LTE-Advanced" 또는 "LTE-A"라고 지칭한다. LTE 시스템과 LTE-A 시스템의 주요 차이점 중 하나는 시스템 대역폭의 차이다. LTE-A 시스템은 최대 100 MHz의 광대역을 지원할 것을 목표로 하고 있으며, 이를 위해 복수의 주파수 블록을 사용하여 광대역을 달성하는 캐리어 어그리게이션 또는 대역폭 어그리게이션(carrier aggregation 또는 bandwidth aggregation) 기술을 사용하도록 하고 있다. 캐리어 어그리게이션 보다 넓은 주파수 대역을 사용하기 위하여 복수의 주파수 블록을 하나의 커다란 논리 주파수 대역으로 사용하도록 한다. 각 주파수 블록의 대역폭은 LTE 시스템에서 사용되는 시스템 블록의 대역폭에 기초하여 정의될 수 있다. 각각의 주파수 블록은 컴포넌트 캐리어(component carrier)를 이용하여 전송된다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템(100)에서의 기지국(105) 및 단말(110)의 구성을 도시한 블록도이다.
무선 통신 시스템(100)을 간략화하여 나타내기 위해 하나의 기지국(105)과 하나의 단말(110)을 도시하였지만, 하나 이상의 기지국 및/또는 하나 이상의 단말기를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 기지국(105)은 송신(Tx) 데이터 프로세서(115), 심볼 변조기(120), 송신기(125), 송수신 안테나(130), 프로세서(180), 메모리(185), 수신기(190), 심볼 복조기(195), 수신 데이터 프로세서(197)를 포함할 수 있다. 그리고, 단말(110)은 송신(Tx) 데이터 프로세서(165), 심볼 변조기(170), 송신기(175), 송수신 안테나(135), 프로세서(155), 메모리(160), 수신기(140), 심볼 복조기(155), 수신 데이터 프로세서(150)를 포함할 수 있다. 안테나(130, 135)가 각각 기지국(105) 및 단말(110)에서 하나로 도시되어 있지만, 기지국(105) 및 단말(110)은 복수 개의 안테나를 구비한 다중 안테나이다. 따라서, 본 발명에 따른 기지국(105) 및 단말(110)은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템을 지원한다. 본 발명에 따른 기지국(105) 및 단말(110)은 SU-MIMO(Single User-MIMO) MU-MIMO(Multi User-MIMO) 방식 모두를 지원한다.
하향링크 상에서, 송신 데이터 프로세서(115)는 트래픽 데이터를 수신하고, 수신한 트래픽 데이터를 포맷하여, 코딩하고, 코딩된 트래픽 데이터를 인터리빙하고 변조하여(또는 심볼 매핑하여), 변조 심볼들("데이터 심볼들")을 제공한다. 심볼 변조기(120)는 이 데이터 심볼들과 파일럿 심볼들을 수신 및 처리하여, 심볼들의 스트림을 제공한다.
심볼 변조기(120)는, 데이터 및 파일럿 심볼들을 다중화하여 이를 송신기(125)로 전송한다. 이때, 각각의 송신 심볼은 데이터 심볼, 파일럿 심볼, 또는 제로의 신호 값일 수도 있다. 각각의 심볼 주기에서, 파일럿 심볼들이 연속적으로 송신될 수도 있다. 파일럿 심볼들은 주파수 분할 다중화(FDM), 직교 주파수 분할 다중화(OFDM), 시분할 다중화(TDM), 또는 코드 분할 다중화(CDM) 심볼일 수 있다.
송신기(125)는 심볼들의 스트림을 수신하여 이를 하나 이상의 아날로그 신호들로 변환하고, 또한, 이 아날로그 신호들을 추가적으로 조절하여(예를 들어, 증폭, 필러링, 및 주파수 업 컨버팅(upconverting) 하여, 무선 채널을 통한 송신에 적합한 하향링크 신호를 발생시킨다. 이어서, 하향링크 신호는 안테나(130)를 통해 단말로 전송된다.
단말(110)에서, 안테나(135)는 기지국으로부터의 하향링크 신호를 수신하여 수신된 신호를 수신기(140)로 제공한다. 수신기(140)는 수신된 신호를 조정하여(예를 들어, 필터링, 증폭, 및 주파수 다운컨버팅(downconverting))하고, 조정된 신호를 디지털화하여 샘플들을 획득한다. 심볼 복조기(145) 는 수신된 파일럿 심볼들을 복조하여 채널 추정을 위해 이를 프로세서(155)로 제공한다.
또한, 심볼 복조기(145)는 프로세서(155)로부터 하향링크에 대한 주파수 응답 추정치를 수신하고, 수신된 데이터 심볼들에 대해 데이터 복조를 수행하여, (송신된 데이터 심볼들의 추정치들인) 데이터 심볼 추정치를 획득하고, 데이터 심볼 추정치들을 수신(Rx) 데이터 프로세서(150)로 제공한다. 수신 데이터 프로세서(150)는 데이터 심볼 추정치들을 복조(즉, 심볼 디-매핑(demapping)) 하고, 디인터리빙(deinterleaving)하고, 디코딩하여, 전송된 트래픽 데이터를 복구한다.
심볼 복조기(145) 및 수신 데이터 프로세서(150)에 의한 처리는 각각 기지국(105)에서의 심볼 변조기(120) 및 송신 데이터 프로세서(115)에 의한 처리에 대해 상보적이다.
단말(110)은 상향링크 상에서, 송신 데이터 프로세서(165)는 트래픽 데이터를 처리하여, 데이터 심볼들을 제공한다. 심볼 변조기(170)는 데이터 심볼들을 수신하여 파일럿 심볼들과 함께 다중화하여, 변조를 수행하여, 심볼들의 스트림을 송신기(175)로 제공한다. 송신기(175)는 심볼들의 스트림을 수신 및 처리하여, 상향링크 신호를 발생시키고, 이러한 상향링크 신호는 안테나(135)를 통해 기지국(105)으로 전송된다.
기지국(105)에서, 단말(110)로부터 상향링크 신호가 안테나(130)를 통해 를 수신되고, 수신기(190)는 수신한 상향링크 신호를 처리되어 샘플들을 획득한다. 이어서, 심볼 복조기(195)는 이 샘플들을 처리하여, 상향링크에 대해 수신된 파일럿 심볼들 및 데이터 심볼 추정치를 제공한다. 수신 데이터 프로세서(197)는 데이터 심볼 추정치를 처리하여, 단말기(110)로부터 전송된 트래픽 데이터를 복구한다.
단말(110) 및 기지국(105) 각각의 프로세서(155, 180)는 각각 단말(110) 및 기지국(105)에서의 동작을 지시(예를 들어, 제어, 조정, 관리 등)한다. 각각의 프로세서들(155, 180)은 프로그램 코드들 및 데이터를 저장하는 메모리 유닛(160, 185)들과 연결될 수 있다. 메모리(160, 185)는 프로세서(180)에 연결되어 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 및 일반 파일(general files)들을 저장한다.
프로세서(155, 180)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 한편, 프로세서(155, 180)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어를 이용하여 본 발명의 일 실시예인 코드북을 생성하는 경우에는, 본 발명을 수행하도록 구성된 ASICs(application specific integrated circuits) 또는 DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays) 등이 프로세서(155, 180)에 구비될 수 있다.
한편, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 본 발명의 일 실시예인 코드북을 생성하는 경우에는 본 발명의 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어가 구성될 수 있으며, 본 발명을 수행할 수 있도록 구성된 펌웨어 또는 소프트웨어는 프로세서(155, 180) 내에 구비되거나 메모리(160, 185)에 저장되어 프로세서(155, 180)에 의해 구동될 수 있다.
단말과 기지국이 무선 통신 시스템(네트워크) 사이의 무선 인터페이스 프로토콜의 레이어들은, 통신 시스템에서 잘 알려진 OSI(open system interconnection) 모델의 하위 3개 레이어를 기초로 제 1 레이어(L1), 제 2 레이어(L2), 및 제 3 레이어(L3)로 분류될 수 있다. 물리 레이어는 상기 제1 레이어에 속하며, 물리 채널을 통해 정보 전송 서비스를 제공한다. RRC(Radio Resource Control) 레이어는 상기 제 3 레이어에 속하며 UE와 네트워크 사이의 제어 무선 자원들을 제공한다. 단말, 기지국은 무선 통신 네트워크와 RRC 레이어를 통해 RRC 메시지들을 교환한다.
본 발명에서 사용되는 기지국이라는 용어는 지역적인 개념으로 사용되는 경우 셀 또는 섹터로 호칭될 수 있다. 서빙 기지국(또는 셀)은 단말에게 기존의 주요 서비스를 제공하는 기지국으로 볼 수 있고, 협력 다중 전송 포인트(coordinated multiple transmission point) 상에서의 제어 정보의 송수신을 수행할 수 있다. 이러한 의미에서 서빙 기지국(또는 셀)은 앵커 기지국(또는 셀)(anchor cell)이라 칭할 수 있다. 마찬가지로 인접 기지국은 지역적인 개념으로 사용되는 인접 셀로 호칭될 수도 있다.
도 3은 코드북 생성 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 설명의 편의를 위해 안테나 수(Nt)를 2로 가정하여 2차원 공간상에 존재하는 특이 벡터와 코드워드( W )를 나타내었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 코드워드( W )가 우세 특이 벡터(dominant singular vector)와 관계없이 2차 공간에서 균일한 형태로 분포하도록 할 수 있다. 이와 같이, 일반적으로 채널이 존재하는 그라스만 공간(Grassmannian space) 내 두 코드워드 간의 최소 거리를 최대화하는 방향(policy)에 따라 도 1과 같이 코드워드가 2차 공간에서 균일하게 분포되도록 코드북을 생성할 수 있다.
코드북은 비상관(uncorrelated) 채널에서 좋은 성능을 얻을 수 있고, 상관된(correlated) 채널에서는 성능이 떨어진다. 더욱이, 상관된 채널에서 순간(instantaneous) 채널 H 의 특이 벡터(singular vector)와 R 의 특이 벡터 간에 상관성이 높기 때문에 이러한 관계를 이용하여 코드북을 R 에 따라 적응적으로 변환하는 것이 효과적이다.
예를 들어, 송신 스트림의 수가 1개라고 가정하면, W 는 Nt x 1 벡터 이다. 변환된 최종 코드북은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00020
즉, 변환된 최종 코드북 W' 은 각 특이 벡터들의 가중 선형 결합(weighted linear combination)으로 결정된다. 이때
Figure pct00021
의 가중치(weighted factor)는 특이값 와
Figure pct00023
와 코드워드 W 간의 상관(correlation)
Figure pct00024
의 곱으로 결정될 수 있다. 여기서,
Figure pct00025
는 채널의 방향 벡터를 나타내며,
Figure pct00026
는 채널의 크기를 나타낸다.
도 4는 수학식 3에 해당하는 코드북 생성 방법의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 1과 마찬가지로 설명의 편의를 위해 안테나 수(Nt)를 2로 가정하여 2차원 공간상에 존재하는 특이 벡터와 코드워드( W' )를 나타내었다.
상기 수학식 3에서 살펴본 결과, W' 로 구성된 코드북의 코드워드(codeword)는
Figure pct00027
값이 큰 우세 특이(dominant singular) 벡터에 보다 집중되어 분포하고 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이,
Figure pct00028
값이 큰 첫 번째 우세 특이 벡터(1st dominant singular vector) 주위에 코드워드들이 조밀하게 모여 있음을 알 수 있다. 이와 같이, W' 로 구성된 코드북의 코드워드가 우세 특이 벡터 주위에 조밀하게 분포함에 따라 효과적인 양자화는 가능하다.
도 4는 변환 코드북의 결과로서, 앞서 설명하였듯이 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬인 R 의 첫 번째 우세 특이(1st dominant singular) 벡터에 더 큰 가중(weighting)이 가해져 첫 번째 우세 특이 벡터를 기준으로 새로운 코드워드들이 보다 조밀한 분포를 가지는 것을 도시화하였다.
그러나, 더 바람직하게는, 성능이 좋은 코드북을 생성하기 위해서는 우세 특이 벡터 주위에 코드워드가 조밀하게 위치하도록 하되, 코드워드 간의 최소 거리를 유지할 필요가 있다.
그러나, 도 3에 도시한, 채널 행렬 H 의 롱-텀(long-term) 공분산 행렬인 R 을 이용하여 코드북을 생성하는 방법은 코드워드 간에 균일하게 분포함으로써 효율적이지 못하다는 문제점이 있다. 한편, 도 4에서 도시한 코드워드( W' ) 분포는 공분산 행렬 R 의 우세 특이(dominant singular) 벡터 V 1 을 기준으로 집중되어 우세 특이 벡터를 보다 효과적으로 양자화할 수 있지만 코드워드 간의 최소 거리는 보장되지 않는 문제가 있다. 즉, 우세 특이 벡터를 중심으로 코드워드가 위치하도록 코드북을 생성함에 따라, 몇몇 W' 간의 거리가 아주 가까워지며, 이 것들이 한 개의 코드워드 효과밖에 가지지 못할 수 있다는 단점이 있다. 보다, 극단적으로 W 에서 W' 으로의 맵핑이 1:1이 아닌 N:1 일 수 있다는 문제도 있다. 예를 들어 W 의 코드워드 중 일부가 특이 벡터와 직교하는 경우 해당 코드워드는 모두 0으로 매핑(mapping)된다.
이하에서는 도 3 및 도 4에서 설명한 코드북 생성 방법 보다 더 성능이 좋은 코드북을 생성하기 위한 방법들에 대해 살펴본다. 본 발명에 따른 영역 R 을 이용한 새로운 방식의 코드북 변환 방법과 이러한 방법에 따라 변환된 새로운 코드북을 제안한다.
예를 들어, 수신 스트림 수(stream) 수가 1인 경우, 본 발명에서 제안하는 코드북은 다음 수학식 4를 만족하는 영역 R 을 적절히 샘플링(sampling) 하여 코드워드를 형성한다.
Figure pct00029
여기서, V 1 은 영역 R 에서의 첫 번째 우세 특이(1st dominant singular) 벡터이며, r 은 V 1 과 ε 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터이고, R 은 r 들로 구성된 영역이다. 여기서, 유클리드 거리(Euclidean distance)는 두 점 사이의 거리를 계산할 때 흔히 쓰는 방법이다. 이 거리를 사용하여 유클리드 공간을 정의할 수 있으며, 이 거리에 대응하는 놈(norm)을 유클리드 놈(Euclidean norm)이라고 부른다.
상기 수학식 4을 만족하는 영역 R 및 ε 값에 따라 코드워드를 샘플링(sampling) 하는 방식은 롱-텀(long-term) 피드백인 R 의 피드백 주기 동안, 순간(instantaneous) 채널 H 의 첫 번째 우세 특이(1st dominant singular) 벡터 V 1 을 중심으로 코드워드가 어떻게 분포되었는지에 따라 결정될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 코드북 생성 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
예를 들어 V 1 을 중심으로 분산이 작다면, ε 값을 작게 설계하는 것이 바람직하며, V 1 과의 유클리드 거리가 작을수록 코드워드 빈도가 높다면 조밀하게 샘플링하는 것이 효과적일 수 있다. 또한, 간단하게는 도 5와 같이, 영역 R 에 대해 균일한 샘플링(uniform sampling)을 통해 코드북을 생성할 수 있다.
이때, 송수신단은 모두 ε 값을 알고 있으며, 동일한 샘플링 방식을 공유하고 있다고 가정한다. 그러나, ε 값은 채널의 변화에 따라 변경될 수 있는 값으로서, 채널 변화가 심하지 않은 경우에는 ε 값을 크게 설정하고, 채널 변화가 심한 경우에는 ε 값을 작게 설정하는 것이 바람직하다. 따라서, 채널 변화의 정도에 따라 ε 값을 변경한 경우에는 송수신단간에 이 정보를 공유할 필요가 있다. 단말은 첫 번째 우세 특이(1st dominant singular) 벡터 V 1 및 결정된 ε 값에 대한 정보를 기지국으로 전송해 줄 수 있다.
＜코드북 생성 방법의 제 1 실시예＞
이하에서는 다음 수학식 5와 같이 대각 행렬(diagonal matrix)로 표현된 회전 행렬(rotation matrix)과 채널의 우세 특이 벡터를 곱하여 상기 수학식 4의 영역 R 을 적절히 샘플링하는 방법을 제안한다.
일 예로서, 안테나 수를 4개(즉, Nt=4) 인 경우를 가정한다. 그러나, Nt=2, Nt=8 등 다양한 환경에서 확장 적용가능 하다. 또한, 랭크(rank)를 1로 가정한 경우, 변환된 코드북은 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00030
상기 수학식 5에서, W" 은 영역 R 을 적절히 샘플링하여 구성된 새로운 코드북이며, Rot 는 위상 회전(phase rotation)을 위한 위상 세트(phase set)로 다음 수학식 6과 같이 구성되거나 혹은 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
Figure pct00031
여기서 위상 회전(phase rotation) Rot 는 채널 상태의 변화 정도에 따라 바뀔 수 있는 ε 값에 기초하여 선택될 수 있다. 일례로 ε 값이 증가할수록 수학식 6에서 n값이 큰 위상으로 Rot 가 구성될 수 있다.
상기 수학식 5에서 대각 행렬은 채널의 숏-텀(short term) 특성 또는 부대역(subband) 특성을 가지며, 뒤에 곱해지는 행렬 V 1 은 롱-텀(long term) 특성 또는 광대역(wideband) 특성을 가진다.
단말은 먼저 뒤에 곱해지는 행렬 V 1 을 통해 롱-텀(long term) 또는 광대역 채널을 양자화하고, 이를 기준으로 대각 행렬을 통해 회전된 숏-텀(short term) 특성 또는 부대역 채널을 표현할 수 있다. 단말은 채널상태정보(Channel State Information, CSI)로서 대각행렬 및 V 1 인 두 행렬을 기지국으로 피드백할 수 있다. 이때, 상기 대각행렬 및 V 1 은 각각 코드북을 통해 적절히 양자화되어 피드백될 수 있으며, 단말로부터 이를 수신한 기지국은 단말과 마찬가지로 상기 수학식 5와 관련된 계산 과정을 통해 채널 정보를 획득할 수 있다.
즉, 기지국은 단말로부터 피드백 받은 대각행렬 및 V 1 정보에 기초하여, 먼저 V 1 을 통해 롱-텀(long term) 또는 광대역 채널을 양자화하고, 이를 기준으로 대각 행렬을 통해 회전된 숏-텀(short term) 특성 또는 부대역 채널을 표현할 수 있다.
또한, 수학식 5에서는 랭크 1을 위한 코드북(codebook)을 생성하도록 표현하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 랭크 n(n＞1인 정수)을 위한 코드북 생성에도 확장 적용할 수 있다. 랭크 n인 경우에는 다음 수학식 7과 같이 확장된 형태로 변환된 코드북을 표현할 수 있다.
Figure pct00032
＜코드북 생성 방법의 제 2 실시예＞
앞서 코드북 생성 방법의 제 1 실시예에서 제안한 방법 외에, 유니터리 변환(unitary transform)을 이용하여 코드북을 생성하는 방식이 있다.
먼저, 유니터리 변환을 이용하여 코드북을 생성하는 방식에서, 첫 번째 우세 특이 벡터인 V 1 이 아닌 임의의 벡터 X 를 기준으로 동일한 절차에 따라 코드북 W temp 을 생성할 수 있다. 즉, 수학식 4 또는 수학식 5에서 V 1 을 X 로 대체하여 코드북 W temp 을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 코드북을 구성하는 코드워드는 벡터 공간상에서 X 를 중심으로 분산되어 있다. 다음으로, 상기 임의의 벡터 X 를 롱-텀(long-term) 채널의 첫 번째 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 Nt x Nt 유니터리 행렬 U 를 계산한 뒤, UW temp 로 새로운 코드워드를 생성할 수 있다.
이러한 유니터리 변환을 이용하여 코드북을 생성하는 방식은 W temp 를 기본 코드워드(base codeword)로 생성한 뒤, W temp 의 기하학적 중심에 위치하는 X 를 롱-텀(long-term) 채널의 의 첫 번째 우세 특이 벡터 방향으로 회전시켜 코드워드들이 우세 특이 벡터 방향으로 집중될 수 있도록 위치시킬 수 있다. 또한, 유니터리 변환(unitary transform) 성질로 인해 W temp 코드워드 간의 거리는 변환 후에도 그대로 유지된다.
상기 코드북 생성 방법의 제 2 실시예에서는, 최종 코드북은 1차 코드북 W 1 과 2차 코드북 W 2 의 곱으로 구성될 수 있다.
1차 코드북 W 1 는 0이 아닌 임의의 벡터로 설정된 X 를 롱-텀(long-term) 채널의 첫 번째 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 Nt x Nt 유니터리 행렬인 U 이다. 즉, U 는 R 의 중심에 해당하는 임의의 벡터 X 를 채널의 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 것을 목적으로 한다. 이때, 첫 번째 우세 특이 벡터 는 상기 임의의 벡터 X 와 무관하게 임의의 방향을 가리킬 수 있으므로, W 1 는 X 를 우세 그라스만 공간(dominant grassmanian space) 상의 가능한 모든 방향으로 회전시킬 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.
2차 코드북 W 2 는 W temp 이며, W temp 는 영역 R 내에서 샘플 값 간의 최소 거리를 최대화하는 기준(criterion)에 기초하여 생성할 수 있다. 또한, 상기 수학식 4에서 ε 값 역시 적절히 양자화하여 양자화된 각 N개의 ε 값에 따라 같은 방식으로 N개의 코드북
Figure pct00033
이 존재 할 수 있다.
이와 같이, 1차 코드북과 2차 코드북을 이용하여 다음 수학식 8과 같은 최종 코드북을 생성할 수 있다.
Figure pct00034
상기 수학식 8에서 i, j, k는 각각 1차 코드북의 코드워드 인덱스, 2차 코드북의 코드워드 인덱스, 2차 코드북 인덱스를 나타낸다. k는 2차 코드북의 인덱스로서, k개의 ε 값을 각각 적용하여 생성된 코드북의 인덱스이다.
단말은 상기 수학식 8과 같이 생성된
Figure pct00035
와 채널을 비교하여 채널을 가장 잘 표현하는 i, j, k를 기지국에게 전송할 수 있다. 그러면, 기지국은 단말로부터 i, j, k 정보를 수신하여 상기 수학식 8과 같은 코드북을 공유하고 있기 때문에
Figure pct00036
을 복원할 수 있다.
＜코드북 생성 방법의 제 3 실시예＞
한편, 상기 제안한 코드북 생성 방법을 위한 제 2 실시예의 변형된 형태로서, 최종 코드북을 1차 코드북 W 1 과 2차 코드북 W 2 의 합의 형태로 생성할 수 있다. 먼저, 1차 코드북 W 1 은 채널의 그라스만 공간을 균일하게 샘플링함으로써 생성된다. 생성된 1차 코드북의 코드워드는 채널의 우세 특이 벡터를 나타낸다. 1차 코드북 W 1 은 채널의 우세 특이 벡터를 양자화하기 위한 것으로, 우세 특이 벡터가 임의의 방향을 나타낼 수 있으므로 W 1 은 채널이 존재하는 그라스만 공간에서 균일하게(uniform) 분포하는 것이 바람직하다. 2차 코드북 W 2 는 상기 수학식 4 또는 수학식 5에서 V 1 을 0 벡터가 아닌 임의의 벡터 a 로 설정(혹은 대체)하고, 영역 R 을 적절히 샘플링한 뒤에 샘플 값에서 a 를 빼서 만들 수 있다. 이때 영역 R 내에서 샘플 값은 서로간의 최소 거리를 최대화하는 기준(criterion)에 의해 구할 수 있으며, 이렇게 만들어진 샘플에서 영역 R 의 중심점인 a 를 빼냄으로써 샘플들의 중심점을 0으로 평행이동 시킬 수 있다.
또한, 상기 수학식 4의 ε 역시 적절히 양자화하여 양자화된 각 N개의 ε 값에 따라 같은 방식으로 N개의 2차 코드북이 각각
Figure pct00037
와 같이 존재 할 수 있다. 1차 코드북과 2차 코드북을 이용하여 다음 수학식 9와 같이 최종 코드북을 생성할 수 있다.
Figure pct00038
상기 수학식 9에서 i, j, k는 각각 1차 코드북의 코드워드 인덱스, 2차 코드북의 코드워드 인덱스, 2차 코드북 인덱스를 나타낸다.
단말은
Figure pct00039
와 채널을 비교하여 채널을 가장 잘 표현하는 i, j, k를 기지국에게 전송하고, 기지국은 상기 수학식 9를 통해
Figure pct00040
을 복원할 수 있다. 상기 2차 코드북은 ε 값에 따라 복수 개(k개)의 코드북으로 구성되었으나, ε 값을 1로 가정하고 하나의 2차 코드북을 생성한 뒤, ε 은 별도로 시그널링 해 줄 수도 있다.
또한, 최종 코드북은 상기 수학식 9와 달리, 다음 수학식 10에서처럼 2차 코드북에 ε 값을 곱하여 1차 코드북과 합의 형태로 생성될 수 있다.
Figure pct00041
상기 수학식 10에서, 단말이 기지국으로 피드백하는 정보는 1차 코드북의 코드워드 인덱스인 i, 2차 코드북의 코드워드 인덱스인 j, ε 에 대한 코드북 인덱스 k로 구성될 수 있다. 상기 수학식 9에서는 2차 코드북은 ε 값을 고려하여 생성된 코드북이지만, 상기 수학식 10에서 2차 코드북은 ε 값을 고려하지 않고 생성되었다. 다만, 최종 코드북
Figure pct00042
에서는 ε 값이 스케일링 펙터(scaling factor)로 고려하여 2차 코드북에 곱한 형태로 반영되어 있다.
지금까지 설명의 편의를 위해 수신 스트림 수가 1개라고 가정하여 기술하였지만, 수신 스트림 수가 n(n은 1 보다 큰 정수)인 경우에도 앞서 설명한 방식과 동일하게 적용하여 코드북을 생성하는 것이 가능하다. 즉, 영역 R 의 첫 번째 우세 특이 벡터 V 1 부터 n 번째 우세 특이 벡터 V n 까지 각각에 대한 코드북을 설계하여 피드백에 이용할 수 있다. 현실적인 피드백 오버헤드를 고려할 때, 송수신단은 R 대신 R 의 양자화된 값인
Figure pct00043
을 공유하여 사용할 수 있으며, 상기 제안된 모든 방식은 R 이 아닌 양자화된 값인
Figure pct00044
를 이용하여 운용될 수 있다.
본 발명에서 제안한 방법으로 생성된 코드북은 단일 기지국을 통한 통신 방식뿐만 아니라 셀 간의 협력 통신에서도 단말 및 기지국 간에 적용될 수 있다. 다중 셀 환경에서 셀 간 협력 통신을 수행하는 방법에는 CoMP (Coordinated Multi point) 방식이 있다. CoMP 방식을 이용하면 셀 경계 단말의 통신 성능을 개선할 수 있다. 이러한 CoMP 방식은 데이터 공유를 통한 협력적 MIMO 형태의 조인트 프로세싱(JP: Joint Processing)과 worst companion, best companion과 같은 셀 간 간섭을 줄이기 위한 협력 스케줄링/빔포빙(CS/CB: Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming) 방식 등이 있다. 여기서 worst companion 방식은 단말이 CoMP를 수행하는 셀 들에 대해 가장 간섭이 큰 PMI를 서빙 기지국으로 보고함으로써 해당 셀들이 그에 해당하는 PMI를 제외한 차선의 PMI를 사용하게 하는 간섭 제거 방법이다. Best companion 방식은 단말이 CoMP를 수행하는 셀 들에 대해 가장 간섭이 적은 PMI에 대해 보고함으로써 해당 셀들이 그에 해당하는 PMI를 사용함으로써 셀 간 간섭을 줄이는 방법이다. 이러한 CoMP 방식은 다중 셀 기반 환경에서 서빙 기지국 및 인접 기지국 간에 협력적으로 동작을 수행하는 통신 방식을 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
MIMO 방식에는 한 사용자 기기에게 기지국의 안테나 자원 모두를 할당하는 방식인 단일 사용자-MIMO(SU-MIMO: Single User-MIMO) 방식과 다수의 사용자 기기에게 안테나 자원 또는 무선 공간 자원을 분배하는 방식인 다중 사용자-MIMO(MU-MIMO: Multiple User-MIMO) 방식이 있다. 이러한 MU-MIMO 방식을 적용하는 경우에도 본 발명에서 제안한 코드북은 적용될 수 있다.
예를 들어, 셀 A와 셀 B가 존재하고, 셀 A 내부에는 셀 B로부터 큰 간섭을 받고 있는 사용자 기기 a가 존재하는 다중 셀 기반의 하향링크 통신환경을 가정해보자. 사용자 기기 a는 셀 B로부터의 채널을 추정하여 간섭 채널에 대한 롱-텀 공분산 행렬(long-term covariance matrix)를 계산 할 수 있고, 사용자 기기 a는 간섭 채널에 대한 롱-텀 공분산 행렬 값을 적절히 양자화하여 셀 A에게 피드백할 수 있다. 그 후, 셀 A는 백홀 링크를 통해 양자화된 값을 셀 B로 전달될 수 있다. 혹은, 사용자 기기 a가 양자화된 롱-텀 공분산 행렬 값을 직접 셀 B로 피드백해 줄 수도 있다. 이를 수신한 셀 B는 다음과 같은 동작을 통해 사용자 기기 a에게 주는 간섭을 줄이도록 송신 빔포밍 행렬 등을 결정할 수 있다.
셀 B의 기지국은 셀 B 내의 사용자 기기 b로부터 수신한 롱-텀 공분산 행렬(long-term covariance matrix)을 특이값 분해(Singulur Value Decomposition, SVD)하여 우세 특이 (dominant singular) 벡터 V 1 을 계산할 수 있다. 그리고, 셀 A 내의 사용자 기기 a로부터 수신한 롱-텀 공분산 행렬을 특이값 분해하여 우세 특이
Figure pct00045
벡터를 계산할 수 있다.
셀 B의 기지국은
Figure pct00046
와
Figure pct00047
이상의 거리를 가지며, V 1 와 k 이하의 거리를 갖는 우세 특이 벡터 V' 을 결정한다.
셀 B의 기지국은 결정한 우세 특이 벡터 V' 를 물리 하향링크 제어채널(Physical Downlink Control Channel, PDCCH) 또는 상위 계층 신호를 통해서 자신의 셀에 속한 사용자 기기에게 알려줄 수 있다. 그러면, 셀 B에 속하는 사용자 기기 b는 상기 수학식 4에서 V 1 대신 v' 을 대입하여 코드북을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 코드북은 셀 B의 기지국과 단말(혹은 사용자 기기)간에 공유될 수 있다. 그 후, 생성된 코드북을 바탕으로 셀 B에 속한 사용자 기기 b는 자신의 채널 상태를 기지국에게 전송할 수 있다.
기지국은 자신에게 속한 단말들의 피드백 코드북을 결정해주는 방식으로 multi-resolution 코드북을 사용하는 경우에, 상기 설명한 동작은 기지국이 사용자 기기가 채널 피드백에 이용할 코드북 서브세트 제한(codebook subset restriction) 방식으로 사용될 수 있다.
본 발명의 동작을 보다 일반적인 경우에 대하여 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 multi-resolution 코드북을 사용하는 기지국과 사용자 기기는 다음과 같이 두 단계로 피드백 코드북을 형성한다.
동작 1) Low-resolution 코드워드: 사용자 기기는 측정된 공분산 행렬 R을 기반으로 하나 혹은 그 이상의 우세 특이 벡터를 기지국에 피드백 한다. 이때, low-resolution 코드북 S1에서 적절한 코드워드 c1을 선택한다. 이 피드백은 상대적으로 긴 주기를 가지고 피드백 된다. 기지국은 셀 내 다수의 사용자(multi user)들의 상황과 해당 사용자 기기의 롱 텀(lons-term) 채널 정보를 고려하여 c1을 결정하며, 이렇게 결정된 c1 해당 사용자 기기에게 알려줄 수 있다. 여기서, c1은 우세 특이 벡터의 양자화된 값일 수도 있고, 또는 MU-MIMO를 고려하여 설정된 형태의 값일 수 있다.
동작 2) High-resolution 코드워드: 기지국과 사용자 기기는 순간적인 채널 상태를 피드백 하는데 사용할 코드북을 형성한다. 이때, 사용할 high-resolution 코드북 S2는 동작 1)에서 피드백된 코드워드 c1의 함수로 결정된다. 상기 수학식 4에서 V 1 위치에 c1을 삽입하여, 코드북을 생성하는 것이 high-resolution 코드북을 형성하는 일 예이다. 이렇게 생성된 high-resolution 코드북 S2(c1)을 가지고 상대적으로 짧은 주기로 채널 상태를 피드백 할 수 있다.
상기와 같이 동작하는 일반적인 multi-resolution 코드북의 상황에서 기지국이 사용자 기기에게 low-resolution 코드워드를 알려주는 과정을 통하여 코드북 서브세트 제한(codebook subset restriction)을 구현할 수 있다. 기지국은 동작 1)의 c1에 해당하는 low-resolution 코드워드를 사용자 기기에게 알려주고, 사용자 기기는 수신한 c1을 바탕으로 high-resolution 코드북 S2(c1)을 형성하여 짧은 주기로 채널 상태를 피드백 할 수 있다. 기지국이 low-resolution 코드워드 c1을 선택하는 방식의 일 예로, 상기 설명한 바와 같이 인접한 셀에 대한 간섭을 줄일 수 있는 방향의 빔포밍 행렬을 선택할 수 있다.
즉, 코드북 서브세트 제한(Codebook subset restriction)이 아닌 경우, 기본적으로 c1(low-resolution codebook)과 c2 (high resolution codebook) 모두 단말에서 결정하여 기지국으로 피드백할 수 있다. 그러나, 코드북 서브세트 제한의 경우, 기지국이 셀 내 다수의 사용자 기기들의 상황과 해당 사용자 기기의 롱 텀(long term) 채널 정보를 고려하여 c1을 결정하고 해당 사용자 기기에게 이를 전송한다. 이후, 사용자 기기는 기지국에서 결정해준 c1을 이용하여 high resolution 코드북을 생성하게 된다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (19)

  1. 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법에 있어서,
    각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계;
    상기 결정된 각 우세 특이 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 각 우세 특이 벡터 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드를 생성하며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리는 채널의 변화 정도에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 회전 행렬의 위상 회전(phase rotation) Rot 는 다음 수학식 A와 같은 4개의 위상 세트 중 어느 하나이거나 상기 4개의 위상 세트의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법:
    [수학식 A]
    Figure pct00048
    여기서 n은 실수 .
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 생성된 코드워드들의 집합인 코드북은 다음 수학식 B와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성방법:
    [수학식 B]
    Figure pct00049

    여기서, n은 상기 우세 특이 벡터의 개수, k는 송신 안테나 개수를 나타낸다.
  5. 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법에 있어서,
    각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계;
    0이 아닌 임의의 벡터를 설정하는 단계;
    상기 설정된 0이 아닌 임의의 벡터를 특정 영역의 하나 이상의 우세 특이 벡터 방향으로 회전시키는 유니터리 행렬(unitary matrix)에 해당하는 제 1 코드북을 생성하는 단계;
    상기 결정된 0이 아닌 임의의 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(norm) 벡터들로 구성된 상기 특정 영역에 대해 샘플링된 코드워드로 구성되는 제 2 코드북을 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 제 1 코드북 및 상기 제 2 코드북을 이용하여 최종 코드북을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 최종 코드북은 상기 제 1 및 제 2 코드북의 곱으로 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 코드북은 복수 개의 유클리드 거리(Euclidean distance) 값에 기초하여 각각 생성된 복수 개의 코드북을 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 최종 코드북은 다음 수학식 C와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성방법:
    [수학식 C]
    Figure pct00050

    여기서, W 는 최종 코드북, W 1(i) 는 1차 코드북,
    Figure pct00051
    은 2차 코드북을 나타내며, i는 1차 코드북의 코드워드 인덱스, j는 2차 코드북의 코드워드 인덱스, k는 상기 하나 이상의 우세 특이 벡터와의 유클리드 거리 값 별로 각각 생성된 2차 코드북의 인덱스를 나타낸다.
  9. 무선 통신 시스템에서의 코드북 생성 방법에 있어서,
    각 안테나에 대한 채널 행렬에서 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하는 단계;
    0이 아닌 임의의 벡터를 결정하는 단계;
    상기 결정된 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 양자화하여 제 1 코드북을 생성하는 단계;
    상기 결정된 0이 아닌 임의의 벡터와 사전에 정의된 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(norm) 벡터들로 구성된 영역에서 코드워드들 간의 최소 거리가 최대가 되도록 하는 샘플링을 수행하고, 샘플링된 코드워드에서 상기 0이 아닌 임의의 벡터를 마이너스하는 연산을 수행하여 제 2 코드북을 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 제 1 코드북 및 상기 제 2 코드북을 이용하여 최종 코드북을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 최종 코드북은 상기 제 1 및 제 2 코드북의 합으로 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 코드북은 복수 개의 유클리드 거리(Euclidean distance) 값에 기초하여 각각 생성된 복수 개의 코드북을 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 최종 코드북은 다음 수학식 D와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성방법:
    [수학식 D]
    Figure pct00052

    여기서, W 는 최종 코드북, W 1(i) 는 1차 코드북,
    Figure pct00053
    은 2차 코드북을 나타내며, i는 1차 코드북의 코드워드 인덱스, j는 2차 코드북의 코드워드 인덱스, k는 상기 하나 이상의 우세 특이 벡터와의 유클리드 거리 값 별로 각각 생성된 2차 코드북의 인덱스를 나타낸다.
  13. 제 10항에 있어서,
    다음 수학식 E와 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성방법:
    [수학식 E]
    Figure pct00054

    여기서, W 는 최종 코드북, W 1 (i) 는 1차 코드북, W 2(j) 은 2차 코드북을 나타내며, i는 1차 코드북의 코드워드 인덱스, j는 2차 코드북의 코드워드 인덱스, ε k 는 상기 하나 이상의 우세 특이 벡터와의 유클리드 거리를 나타낸다.
  14. 다중 셀 환경에서 기지국이 다중 셀 기반 통신을 지원할 수 있는 코드북을 생성하는 방법에 있어서,
    상기 기지국의 서빙 셀 내 단말과 상기 기지국 간의 채널 측정 정보에 해당하는 공분산 행렬(covariance matrix)을 이용하여 서빙 셀 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 결정하고, 인접 셀 단말과 상기 기지국 간의 간섭 채널에 대한 공분산 행렬을 이용하여 인접 셀 우세 특이 벡터를 결정하는 단계;
    상기 서빙 셀 우세 특이 벡터와 제 1 소정 길이 이하의 거리를 유지하되 상기 인접 셀 우세 특이 벡터와 제 2 소정 길이 이상의 거리를 가지는 수정된 우세 특이 벡터를 결정하는 단계; 및
    상기 수정된 우세 특이 벡터와 사전에 정의된 제 3 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 코드워드들은 상기 수정된 우세 특이 벡터에 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 생성되며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 수정된 우세 특이 벡터를 이용하여 생성된 수정 코드북 또는 인접 셀 코드북을 상기 기지국에 의해 서빙되는 단말로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 인접 셀 단말 또는 상기 인접 셀 단말의 기지국으로부터 상기 인접 셀 우세 특이 벡터에 대한 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 서빙 셀 우세 특이 벡터, 상기 인접 셀 우세 특이 벡터 및 상기 수정된 우세 특이 벡터는 양자화된 값인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  18. 다중 셀 환경에서 단말이 코드북을 생성하는 방법에 있어서,
    기지국으로부터 롱-텀(long-term) 채널 정보에 해당하는 하나 이상의 우세 특이 벡터(dominant singular vector)를 수신하는 단계; 및
    상기 수신한 우세 특이 벡터와 소정 길이 이하의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 갖는 단위 놈(unit norm) 벡터들로 구성된 영역에서 샘플링을 수행하여 숏-텀(short-term) 채널 정보에 해당하는 코드워드들을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 코드워드들의 생성은 상기 우세 특이 벡터 앞에 대각행렬인 회전 행렬(rotation matrix) 을 곱하여 상기 영역에서 샘플링을 수행하여 이루어지며, 상기 생성된 코드워드들 간의 최소 거리는 최대인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 수신한 우세 특이 벡터는 서빙 셀 내 단말과 상기 기지국 간 채널에 대한 서빙 셀 우세 특이 벡터와, 인접 셀 단말과 상기 기지국 간 간섭 채널에 대한 인접 셀 우세 특이 벡터에 기초하여 결정되며, 상기 수신한 우세 특이 벡터는 상기 서빙 셀 우세 특이 벡터와 제 1 소정 길이 이하의 거리를 유지하되 상기 인접 셀 우세 특이 벡터는 제 2 소정 길이 이상의 거리를 가지는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
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