KR20140112590A - 무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치 - Google Patents

무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치가 개시된다. 무선통신시스템에서 송신 전력을 할당하는 방법은 AP(Access Point)가 복수개의 스테이션으로부터 전송되는 신호와 상기 스테이션의 채널 정보를 수신하는 단계, 상기 수신한 신호 중 동시 전송할 신호를 결정하는 단계, 상기 수신한 채널 정보를 기초로 채널 가중치 벡터와 송신 전력을 계산하는 단계, 상기 계산된 채널 가중치 벡터를 상기 결정된 신호와 공간 매핑하는 단계 및 상기 결정된 송신 전력을 기초로 상기 공간 매핑된 신호의 송신 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF EFFICIENT TRANSMIT POWER ALLOCATION FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}
본 발명의 실시예들은 무선통신시스템에서 채널 정보를 이용하여 송신 전력을 효율적으로 할당하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 네트워크(Network)에는 도 1과 같이 다수의 AP(Access Point)가 연결되며, 각각의 AP는 BSS(Basic Service Set) 내에 있는 다수의 STA(Station)와 동시에 신호를 송수신할 수 있다. 한편, IBSS(Independent Basic Service Set)내에서는 하나의 STA가 다수의 STA와 동시에 신호를 송수신할 수 있다.
도 2는 다중 사용자 전송 방식에서의 전송 구조를 나타내는 도면이다.
AP는 도 1과 같은 무선 통신망에서, 도 2에 도시된 것과 같이 다중 사용자에게 동시에 신호를 전송하는 경우 STA들로 제어 정보(Control information)를 전송하여(210) STA들(예를 들어, Station, User, User Equipment 등)에게 채널 사운딩이나 채널 피드백을 요청할 수 있다. AP로부터 채널 사운딩이나 채널 피드백을 요청 받은 STA들은 채널 정보를 시간적 또는 공간적으로 구분하거나, 부반송파 별로 구분하여 AP로 전송한다(220).
STA들로부터 채널 사운딩이나 채널 피드백을 수신한 AP는 채널의 상관도나 데이터의 QoS(Quality of Service) 등을 고려하여 동시에 신호를 전송할 수 있는 STA와 각각의 스트림 수를 결정하여 해당 STA로 데이터를 전송하며(240), 이를 수신한 STA들은 동시에 신호를 전송하기로 결정된 STA들과 스트림 수에 대한 정보를 이용하여 데이터를 복조하고, 수신된 데이터의 오류를 파악하여 응답 메시지(ACK: Acknowledge)를 AP로 전송한다(250).
이 때, AP는 동시에 신호를 전송하기로 결정된 STA들과 스트림 수에 대한 정보를 전체 STA가 수신할 수 있는 공통 신호(common signal)을 통하여 STA들로 전송하며(230), 공통 신호를 전송한 후에는 각 STA별로 사운딩 및 피드백된 채널 정보를 이용하여 가중치 벡터를 결정하고 이를 이용하여 신호를 전송하게 된다. 여기서, 이러한 가중치 벡터를 결정하기 위한 방식으로는 다양한 방식이 존재할 수 있으며, 일반적으로 많이 적용되는 방식으로 채널 인버전(Channel Inversion) 방식과 정규화된 채널 인버전(Regularized Channel Inversion) 방식이 있다.
일 예로, STA가 AP로부터 수신하는 신호는 다음의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00001
이 때, 채널 인버전(Channel Inversion)을 위한 송신 가중치 행렬(벡터) w는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
한편, 사용자 간의 간섭을 완전히 제거하지 않고, 간섭 레벨을 결정할 수도 있다. 이를 정규화된 채널 인버전(Regularized Channel Inversion)이라고 하며, 이 때의 송신 가중치 행렬(벡터)은 다음의 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
여기서, 각 STA는 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 최대가 되도록
Figure pat00004
Figure pat00005
를 선택한다.
이러한 채널 인버전(Channel Inversion) 방식과 정규화된 채널 인버전(Regularized Channel Inversion)은 H의 상관도에 따라 SNR의 손실이 발생하게 되며, 따라서 채널 상태에 따라서 성능 저하가 발생하게 된다. 정규화된 채널 인버전(Regularized Channel Inversion)은 적절한
Figure pat00006
를 선택함에 따라 채널 인버전(Channel inversion) 방식에 비하여 성능 저하가 완화될 수는 있지만, 여전히 채널 상태에 따라 성능 저하가 발생하게 된다.
한편, 최근에 많이 적용되는 있는 직교주파수분할(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템에서는 다수의 부반송파가 사용되며, 다수의 부반송파를 적용하는 시스템에서는 주파수 선택적 페이딩에 의한 부반송파 간의 상관 특성에 의하여 채널 상태에 따른 성능 저하가 더욱 크게 발생하게 된다. 특히, STA별로 할당된 부반송파에 동일한 변조도(Modulation) 및 코드레이트(Code Rate)를 적용하는 IEEE 802.11ac와 같은 시스템에 이러한 채널 인버전(Channel Inversion)이나 정규화된 채널 인버전(regularized channel inversion)과 같은 가중치 벡터를 적용하면서 부반송파마다 동일한 송신 전력을 할당할 경우 더욱 큰 열화가 발생하게 된다는 문제점이 있다.
스테이션별로 동일한 변조도와 코드레이트를 사용하는 무선통신시스템에서 다중 사용자에게 보다 효과적으로 신호를 전송할 수 있는 무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치가 제공된다.
무선통신시스템에서 송신 전력을 할당하는 방법은 AP(Access Point)가 복수개의 스테이션으로부터 전송되는 신호와 상기 스테이션의 채널 정보를 수신하는 단계, 상기 수신한 신호 중 동시 전송할 신호를 결정하는 단계, 상기 수신한 채널 정보를 기초로 빔포밍을 위한 채널 가중치 벡터와 송신 전력을 계산하는 단계, 상기 계산된 채널 가중치 벡터를 상기 결정된 신호와 공간 매핑하는 단계 및 상기 결정된 송신 전력을 기초로 상기 공간 매핑된 신호의 송신 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 무선통신시스템은 다수의 부반송파를 사용하는 직교주파수분할(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템이고, 상기 복수개의 스테이션은 서로 동일한 변조도와 코드레이트를 사용하는 스테이션일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 제어하는 단계는 상기 결정된 송신 전력을 기초로 상기 부반송파 간의 상관 특성에 따라 송신 전력을 할당함으로써 상기 부반송파 간의 전력 차이를 감소시키는 단계일 수 있다.
송신 전력 할당 장치는 복수개의 스테이션으로부터 전송되는 신호와 상기 스테이션의 채널 정보를 수신하는 수신기, 상기 수신한 신호 중 동시 전송할 신호를 결정하고 상기 수신한 채널 정보를 기초로 빔포밍을 위한 채널 가중치 벡터와 송신 전력을 계산하는 가중치 벡터 계산기, 상기 계산된 채널 가중치 벡터를 상기 결정된 신호와 공간 매핑하는 공간 매퍼 및 상기 결정된 송신 전력을 기초로 상기 공간 매핑된 신호의 송신 전력을 제어하는 전송 전력 제어기를 포함할 수 있다.
스테이션별로 동일한 변조도와 코드레이트를 사용하는 OFDM 시스템에서 다양한 방식으로 생성된 가중치 벡터에 효율적인 송신 전력을 할당하여 성능을 개선시킬 수 있다.
도 1은 무선 통신망의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2는 다중 사용자 전송 방식에서의 전송 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 송신 전력 할당 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명이 적용되는 STA의 송신기를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 무선 통신망에서의 송신 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명이 적용되는 수신기의 구조를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 송신 전력 할당 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따른 송신 전력 할당 방법이 적용되는 무선통신시스템은 다수의 부반송파를 사용하는 직교주파수분할(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템일 수 있다.
AP(Access Point)는 복수개의 스테이션(STA: station)으로부터 신호와 채널 정보를 수신하면(310), 수신한 신호 중 동시 전송할 신호를 결정한다. 이 때, AP는 신호 전송 시 열화가 발생하지 않도록 하기 위하여 STA로부터 수신한 채널 정보를 기초로 빔포밍을 위한 채널 가중치 벡터와 송신 전력을 계산한다(320).
이후, AP는 계산된 채널 가중치 벡터를 동시 전송하기로 결정된 신호와 공간 매핑하고(330), 계산된 송신 전력을 기초로 공간 매핑된 신호의 송신 전력을 제어한다(340). 이 때, 일 예로 STA들과 STA 내의 스트림들이 동일한 변조도와 코드레이트를 사용하는 경우, AP는 결정된 송신 전력을 기초로 부반송파 간의 상관 특성에 따라 송신 전력을 할당함으로써 부반송파 간의 전력 차이를 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명이 적용되는 STA의 송신기를 나타내는 블록도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서 무선 통신망에서의 송신 구조를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, STA의 송신기(Transmitter)는 AP로 전송하고자 하는 데이터를 스크램블러(Scrambler)(410)를 이용하여 스크램블한 후, 인코더 파서(Encoder Parser)(420)를 이용하여 인코드 숫자만큼 분리하고, FEC(Forward Error Correction) 인코더(430)를 이용하여 인코딩한다.
데이터가 인코딩되면, 스트림 파서(Stream Parser)(440)는 인터스트림의 수 만큼 인코딩된 데이터를 분리한 후 인터리버(Interleaver)(450)로 제공하고, 인터리버(450)는 분리된 데이터에 인터리빙을 수행한다.
성상 매퍼(Constellation Mapper)(460)는 인터리빙이 수행된 데이터를 BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM, 128QAM, 256QAM 등으로 매핑한다. 매핑 후 STBC(Spatial Time Block Code)(470)가 수행되고 CSD(Cyclic Shift Delay)(480)가 수행된 신호는 AP로 전달된다.
AP의 수신기는 이와 같은 과정을 통해 K 개(여기서, K는 자연수)의 STA 송신기로부터 신호가 전송되면, 도 5에 도시된 것과 같이 K개의 STA(510)로부터 수신한 신호를 공간 매퍼(520)로 전송한다.
한편, 다중입출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output) 채널을 사용하는 가중치 벡터 계산기(530)는 K 개의 STA 송신기(510)로부터 전송되는 전송 스트림들에 적용될 가중치 행렬(벡터)을 결정하고, K 개의 STA(510)로부터 전송된 신호 중 동시 전송할 신호를 결정하여 공간 매퍼(520)에게 제공한다. 이 때, 가중치 벡터 계산기(530)는 각 STA들로부터의 수집된 사운딩 또는 피드백된 채널 정보(540)를 이용하여 송신 가중치 행렬(벡터)과 송신 전력을 결정할 수 있다.
공간 매퍼(Spatial Mapper)(520)는 가중치 벡터 계산기(530)에서 계산된 가중치 행렬을 동시 전송하기로 결정된 신호와 공간 매핑을 수행한다.
송신 전력 제어기(550)는 가중치 벡터 계산기(530)에서 결정된 송신 전력을 이용하여 공간 매핑된 신호들의 송신 전력에 가중치를 부여(weighting)을 한다.
이후, 송신 전력이 제어된 신호는 각각 IDFT(Inverse Discrete Transform)(560)가 수행된 후에 GI(Guard Interval)가 추가되고, 윈도우잉(Windowing)된다(570). 이후, 해당 신호는 D/A(Digital to Analog)가 수행된 후에 RF를 통하여 전송된다(580).
이하, 가중치 벡터 계산기(530)가 각 STA들로부터의 수집된 사운딩 또는 피드백된 채널 정보(540)를 이용하여 송신 가중치 행렬(벡터)과 송신 전력을 결정하는 과정에 대해 보다 상세히 설명한다.
k번째 STA의 채널을
Figure pat00007
라고, 이를 고유값 분해(eigenvalue decomposition)하면 다음의 수학식 4와 같다.
Figure pat00008
이 중에 k번째 STA가
Figure pat00009
와
Figure pat00010
를 피드백(Feedback)하고, AP는 1개의 STA(k번째 STA)로만 신호를 전송한다고 하면, 가중치 벡터(W)는 다음의 수학식 5와 같다.
Figure pat00011
따라서, k번째 STA의 수신 신호(y)는 다음의 수학식 6과 같다.
Figure pat00012
따라서, 추정된 신호는 다음의 수학식 7과 같다.
Figure pat00013
따라서, STA가 하나인 경우 AP는 SNR 손실 없이 STA의 신호 값을 수신할 수 있다.
이하, STA가 2개 인 경우에 가중치 벡터를 구하는 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
STA당, NTx = 6, NRx = 3이고, 2개의 고유값(eigenvalue)에 해당하는 S와 V를 피드백 하는 경우, S와 V는 다음의 수학식 8 내지 11과 같다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
AP에서 STA별로 가중치 행렬을 구하기 위한 등가 채널(Heq)은 다음의 수학식 12 및 13과 같다.
Figure pat00018
Figure pat00019
여기서, 빔포밍(Beamforming)을 위한 가중치(weight)는 다음의 수학식 14와 같다.
Figure pat00020
AP의 송신 전력(Power)은
Figure pat00021
로부터
Figure pat00022
에 의한 상관(correlation) 값과
Figure pat00023
의 값에 의하여 결정된다. Rx안테나가 증가하면 이에 따른 특이값(singular value)도 커지고, 그 역수는 값이 작아지므로 정해진 송신 전력으로 전송하는 경우에 성능 개선을 얻을 수 있다. 또한 Rx안테나가 증가하게 되면, STA 내에 전송 스트림 사이의 상관값도 작아지게 된다.
Figure pat00024
를 고유값 분해(eigenvalue decomposition)하면 다음의 수학식 15와 같다.
Figure pat00025
위 식으로부터 각 부반송파별 STA 간의 상관값(correlation)을 알 수 있다. STA들과 STA 내의 스트림들이 동일한 MCS(Modulation and Coding Scheme)를 사용하는 경우, AP는 다음과 같이 송신 전력을 할당하여 수신단에서 부반송파들 사이의 수신전력의 차이를 줄일 수 있도록 할 수 있다.
각 부반송파의 송신 전력 값은 다음의 수학식 16과 같다.
Figure pat00026
송신 전력(P)을 고려한 송신 가중치 행렬은 다음의 수학식 17과 같다.
Figure pat00027
이와 같은 과정을 통해 가중치 벡터 계산부(530)는 각 STA들로부터 수집된 채널 정보를 이용하여 수학식 14 및 수학식 16과 같이 송신 가중치 행렬과 송신 전력을 결정할 수 있고, 송신 전력 제어부(450)는 결정된 송신 전력으로 신호가 전송되도록 전력을 할당할 수 있다.
이상에서는 송신 가중치를 결정하는 방법으로 정규화된 채널 인버전(regularized channel inversion) 방식을 적용하는 경우에 대해 예를 들어 설명하였으나, 상술한 송신 가중치 결정 방법은 다른 채널 가중치를 구하는 방식, 즉, 채널 인버전(channel inversion) 방식, 블록 대각선화(block diagonalization) 방식 등에도 적용될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 채널 가중치를 구하기 위하여 S와 V를 피드백한 경우를 예로 들었으나, H를 직접 피드백, 또는 사운딩하거나 채널을 다른 형태로 변환하여 전송하는 어떤 경우에도 이를 등가 채널로 가정할 수 있으므로 용이하게 변환 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명이 적용되는 수신기의 구조를 나타내는 블록도이다.
상술한 과정을 통해 AP로부터 송신된 신호는 도 6에 도시된 것과 같은 수신 구조를 갖는 수신기를 통하여 수신할 수 있다.
무선 채널을 통과한 신호는 RF를 통과한 후에 A/D(Analog to Digital) 변환이 수행된다(610). 이 후, 디지털로 변환된 신호는 Carrier sensing, AGC, Timing 동기, 주파수 옵셋 추정 등이 수행된 후 GI(Guard Interval)가 제거된다(615).
GI가 제거된 신호는 DFT(Discrete Transform)가 수행되고(620), DFT가 수행된 신호의 LTF(Long Training Field)는 채널 추정기(625)를 통과함으로써 채널이 추정된다. 한편, MIMO 검출기(630)는 DFT가 수행된 신호의 데이터 필드(Data Field)를 채널 추정 결과를 이용하여 복조한다. MIMO 검출기(630)에 의해 복조된 신호는 디매퍼(Demapper)(635)에 의해 FEC 디코딩에 필요한 소프트 값으로 변환되며, 변환된 신호는 디인터리버(Deinterleaver)(640)를 통과한 후 스트림 디파서(Stream De-parser)(645)를 거쳐 FEC 디코더 수(650)에 따라 분리되며, 디코더 파서(655)를 통과한 후 디스크램블러(660)를 통과하여 데이터가 복원될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (1)

  1. 무선통신시스템에서 송신 전력을 할당하는 방법에 있어서,
    AP(Access Point)가 복수개의 스테이션으로부터 전송되는 신호와 상기 스테이션의 채널 정보를 수신하는 단계;
    상기 수신한 신호 중 동시 전송할 신호를 결정하는 단계;
    상기 수신한 채널 정보를 기초로 빔포밍을 위한 채널 가중치 벡터와 상기 동시 전송할 신호의 송신 전력을 계산하는 단계;
    상기 계산된 채널 가중치 벡터를 상기 결정된 신호와 공간 매핑하는 단계; 및
    상기 결정된 송신 전력을 기초로 상기 공간 매핑된 신호의 송신 전력을 제어하는 단계
    를 포함하는 전력 할당 방법.
KR1020130025480A 2013-03-11 2013-03-11 무선통신시스템에서 효율적인 전송 전력 할당 방법 및 장치 KR101735145B1 (ko)

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