KR20140079522A - 셀 간 협력 통신을 위한 프리코딩 방법 - Google Patents

Abstract

인접한 기지국이 서로 비대칭적으로 정보를 공유하는 협력 모델을 통해 구현된 프리코딩 방법이 제공된다. 기지국 간 정보를 비대칭적으로 공유하여 신호 정렬 및 신호 중화를 적절하게 사용함으로써 백홀 용량 및 셀 간 연결성의 한계를 극복하여 셀 경계 사용자의 전송량을 증가시킬 수 있다.

Description

셀 간 협력 통신을 위한 프리코딩 방법 {Method of precoding for inter-cell cooperative communication}

본 발명은 셀룰라(cellular) 이동통신 시스템에서 기지국 간 협력을 통한 프리코딩 장치 및 방법에 관한 것이다.

셀 간 간섭 문제는 셀룰라 통신 시스템의 성능에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나이다. 셀의 경계에 위치한 단말은 셀의 중심에 위치한 단말보다 인접 셀로부터 간섭에 의해 큰 영향을 받기 때문에 신호 품질과 데이터 전송률이 낮기 때문이다.

셀 경계에 위치한 단말에 미치는 간섭을 제어하기 위해서 간섭 회피 기법(interference avoidance)과 간섭 조절 기법(interference coordination)이 연구되었다.

간섭 회피 기법은 주파수 재사용(frequency reuse) 율을 동적으로 제어하는 기법으로서, 인접한 두 셀에 다른 주파수를 할당하는 동적 채널 할당 방법(dynamic channel allocation)과, 셀 중심과 셀 외곽(cell edge)의 사용자에게 각각 다른 주파수를 할당하는 부분적 주파수 재사용(fractional channel reuse) 기법이 있다. 이 기법은 간섭을 회피함으로써 각 사용자가 받는 간섭의 레벨을 낮출 수 있지만, 주파수 재사용율이 낮기 때문에 주파수 사용 효율이 좋지 않다. 따라서 주파수의 사용량이 점차 증가하는 문제점을 해결해야 하는 차세대 무선 통신 기법에는 이러한 기법이 적합하지 않다.

간섭 조절 기법은 인접 셀들에게 동일한 주파수를 할당하되 빔형성(beamforming), 프리코딩(precoding), 가변적 부분 주파수 재사용(flexible fractional frequency reuse), 공동 전력 조절(joint power control), 그리고 다중 안테나 스트림 제어(multiple antenna stream control)와 같은 방법을 사용한다. 이 기법은 간섭 회피 기법에 비하여 더 높은 주파수 사용 효율 및 성능을 보장하기 때문에 IEEE 802.16m 또는 3GPP LTE-A에서 표준화 작업이 수행되고 있다.

3GPP의 기술 표준화 동향을 살펴보면, LTE-Advanced의 기술 표준 규격을 제정하기 위해 각 연구 아이템(study item)은 성능 평가 단계에 있다. 주요 연구 분야로는 캐리어 집적기술(carrier aggregation), 기지국 협력 전송 기법, 릴레이 기술, 그리고 이종 네트워크(heterogeneous network, Het-Net) 등이 있다. 이처럼 3GPP를 비롯한 학계에서는 다중 셀 환경에서 셀 외곽의 사용자들이 인접 셀 간의 간섭으로 인해 겪는 통신 품질 저하 문제를 해결하기 위해서 빔형성(beamforming) 또는 프리코딩(precoding) 기법으로 구현한 콤프(coordinated multipoint, CoMP) 등 다양한 연구를 진행하고 있다.

한편, 셀 간 협력 통신은 셀룰라 시스템의 한계를 극복하고 다중 안테나 시스템이 약속하는 이득을 효과적으로 구현할 수 있는 핵심 기술이다. 셀 간 협력 통신은 지리적으로 떨어진 복수의 기지국 또는 노드가 서로 협력하여 신호를 전송하는 기술이다.

셀 간 협력을 위해 각 기지국이 보유한 정보(채널 정보, 데이터 정보 등)의 공유가 요구되고, 기지국 간의 정보 공유는 통상 백홀(backhaul)을 통해 이루어 진다. 모든 기지국이 백홀을 통해 연결되어 있고 백홀의 용량이 무한대일 경우에는, 모든 셀이 하나의 셀과 같이 동작하여 빔형성 또는 프리코딩을 수행하는 네트워크 마이모(network MIMO)를 구현할 수 있다.

하지만, 모든 기지국이 백홀을 통해 연결되어 있고 백홀의 용량이 무한대인 경우는 이상적인 경우이다. 즉, 현재 이동통신 시스템에는 무수히 많은 셀이 촘촘히 존재하고 있고, 제한적인 기지국 간의 백홀 용량 때문에 기지국 간 공유할 수 있는 정보의 양은 제한되며, 많은 정보를 공유하려면 시간이 오래 지연될 수 있다.

또한, 셀 간 협력을 바탕으로 한 프리코딩 기법은 협력에 참여하는(정보를 공유하는) 셀이 많아질수록 고려해야 하는 요소도 함께 증가하기 때문에 복잡도와 계산량이 증가하여 현실적으로 구현하기 어렵다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 인접한 기지국이 서로 비대칭적으로 정보를 공유하는 협력 모델을 통해 구현된 프리코딩 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 기지국 중 적어도 두 개의 기지국이 서로 협력하여 단말에 신호를 전송하는 방법이 제공된다. 상기 신호 전송 방법은, 상기 단말에 전송할 데이터 정보와, 상기 단말 및 상기 복수의 기지국 중 제1 기지국 사이의 채널에 대한 채널 상태 정보를 상기 제1 기지국으로부터 수신하는 단계, 상기 데이터 정보 및 상기 채널 상태 정보를 바탕으로 프리코딩 벡터를 계산하는 단계, 그리고 상기 계산된 프리코딩 벡터를 이용하여 상기 단말로 전송할 제1 신호 벡터를 프리코딩 하는 단계를 포함하며, 상기 프리코딩 벡터는, 상기 제1 기지국에서 상기 단말로 전송하는 제2 신호 벡터와 정렬될 수 있고, 상기 단말이 아닌 단말이 상기 제1 기지국에 의해 받는 간섭 벡터를 중화시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명의 한 실시 예에 따르면, 기지국 간 정보를 비대칭적으로 공유하여 신호 정렬 및 신호 중화를 적절하게 사용함으로써 백홀 용량 및 셀 간 연결성의 한계를 극복하여 셀 경계 사용자의 전송량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭적으로 정보를 공유하는 기지국이 포함된 셀룰라 무선 통신 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 프리코딩 방법을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 단말(terminal)은, 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), UE(user equipment) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

또한, 기지국(base station, BS)은 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비대칭적으로 정보를 공유하는 기지국이 포함된 셀룰러 무선 통신 네트워크를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 기지국1은 단말1로 전송할 데이터 정보 및 단말1로부터 피드백(feedback) 받은 채널 정보(channel state information, CSI)를 기지국2에게 전송한다. 이때 채널 정보은 기지국1과 단말1 사이의 채널 정보 및 기지국2와 단말1 사이의 채널 정보를 포함한다.

하지만, 기지국2는 기지국1로부터 정보를 전송 받기만 할 뿐, 기지국2가 가진 데이터 정보 및 채널 정보(단말2로 전송할 데이터 정보 및 단말2로부터 피드백 받은 채널 정보)를 기지국1에게 전송하지는 않는다. 즉, 기지국1이 가진 정보를 기지국2는 모두 전송받게 되지만, 기지국1은 기지국2가 가진 정보를 전송 받지 않게 되어 기지국1과 기지국2는 비대칭적으로 정보를 공유하게 된다.

이때, 단말1로 전송돼야 할 데이터 정보는 기지국1과 기지국2 사이에서 공유되므로 기지국2도 협력 통신 기법을 통해 단말1로 데이터를 전송할 수 있다.(명세서는 영어 번역문을 염두에 두고 작성하는데, 위와 같이 표현하는 편이 더 매끄러울 것 같습니다) 본 발명의 실시예에서는 이런 방법으로 프리코더를 설계함으로써 효과적으로 셀 간 간섭 문제를 해결할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 프리코딩 방법을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 기지국1은 단말1에게 신호 s₁을 전송하고, 기지국2는 단말2에게 신호 s₂를 전송한다. 이때 기지국1은 프리코더w₁을 사용하고, 기지국2는 프리코더 w_{2 ,1} 및 w_{2 ,2}를 사용할 수 있다. 따라서, 기지국1에서 송신하는 신호 x₁과 기지국2에서 송신하는 신호 x₂는 아래 수학식 1로 표현될 수 있다.

이때, 기지국1이 신호를 송신할 때의 전력은 P₁, 기지국2가 신호를 송신할 때의 전력은 P₂로 제한될 수 있다.

이후, 기지국과 단말 사이의 MISO(multi input single output) 채널을 통해서 단말1이 수신하는 신호 y₁과 단말2가 수신하는 신호 y₂는 아래 수학식 2로 표현될 수 있다.

수학식 2를 계산하면, 아래 수학식 3을 도출할 수 있다.

이때, 수학식 3에서 R₁+R₂를 최대화 하면 단말1과 단말2에서의 신호 수신성능을 향상시킬 수 있다.

이후, 기지국2에서의 프리코딩 방법을 도출하기 위해서 수학식 3을 근사하여 수학식 4를 얻는다.

수학식 4를 참조하면, 우변 왼쪽 로그의 진수에 w_{2 ,1} 변수가 모인 것을 알 수 있다.

이때, w_2,2는 기지국2가 단말2로 신호를 송신할 때의 프리코더이므로, 단말1과 단말2의 수신 성능을 최대화하는 프리코더 w_{2 , 1}를 프로코더 w_{2 ,2}와 독립적으로 설계될 수 있다. 즉, R₁+R₂를 최대화하기 위해서, 우변의 오른쪽 로그를 최대화하는 w_2,2를 결정한 뒤, 우변 왼쪽 로그에 대한 수학식 5를 만족시키는 w_{2 , 1}를 설계할 때 R₁+R₂이 최대가 될 수 있다.

수학식 5를 참조하면, 수학식 5의 분자 부분이 최대가 되거나, 수학식 5의 분모 부분이 최소가 될 때 수학식 5는 최대가 될 수 있다.

이때, 수학식 5의 분자 부분인

를 최대화하는 방법을 가리켜 신호 정렬(signal alignment)이라 한다. 수학식 5의 분자 부분에서

는 단말1이 기지국1로부터 수신하는 데이터 신호를 나타내고,

는 단말1이 기지국2로부터 수신하는 데이터 신호를 나타낸다. 즉, 신호 정렬은 기지국1과 기지국2로부터의 신호 벡터의 방향을 일치시켜 단말1이 수신하는 신호 세기를 최대화할 수 있는 프리코딩 벡터를 계산하는 과정으로 생각될 수 있다.

또한, 수학식 5의 분모 부분인

를 최소화 하는 방법을 가리켜 간섭 중화(interference neutralization)이라 한다. 수학식 5의 분모 부분에서

는 단말2가 기지국2로부터 받는 간섭 신호를 나타내고,

는 단말2가 기지국1로부터에서 받는 간섭 신호를 나타낸다. 즉, 간섭 중화는 기지국1 및 기지국2에서 단말1로 송신하는 신호로 인해 단말2에 미치는 간섭을 최소화 할 수 있는 프리코딩 벡터를 계산하는 과정으로 생각될 수 있다. 간섭 중화를 수행할 수 있는 프리코딩 벡터를 이용하면, 기지국1로부터의 간섭과 기지국2로부터의 간섭의 방향이 반대 방향이 되어 단말2가 받는 간섭이 최소화 될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 프리코딩 벡터 w_{2 ,1}을 통해 신호 정렬 및 간섭 중화를 적절히 밸런싱(balacing) 할 수 있다.

즉, 도 2를 참조하면 단말1은 신호 정렬을 통해 기지국1 및 2로부터 수신하는 신호

를 최대화 할 수 있는 동시에, 단말2는 간섭 중화를 통해 기지국1 및 2로부터의 간섭

를 최소화 할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기지국 간 정보를 비대칭적으로 공유하고 신호 정렬 및 신호 중화를 적절하게 사용함으로써 백홀 용량 및 셀 간 연결성의 한계를 극복하여 셀 경계 사용자의 전송량을 증가시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 복수의 기지국 중 적어도 두 개의 기지국이 서로 협력하여 단말에 신호를 전송하는 방법으로서,
   상기 단말에 전송할 데이터 정보와, 상기 단말 및 상기 복수의 기지국 중 제1 기지국 사이의 채널에 대한 채널 상태 정보를 상기 제1 기지국으로부터 수신하는 단계,
   상기 데이터 정보 및 상기 채널 상태 정보를 바탕으로 프리코딩 벡터를 계산하는 단계, 그리고
   상기 계산된 프리코딩 벡터를 이용하여 상기 단말로 전송할 제1 신호 벡터를 프리코딩 하는 단계
   를 포함하며,
   상기 프리코딩 벡터는, 상기 제1 기지국에서 상기 단말로 전송하는 제2 신호 벡터와 정렬될 수 있고, 상기 단말이 아닌 단말이 상기 제1 기지국에 의해 받는 간섭 벡터를 중화시킬 수 있는 신호 전송 방법.
   

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