KR20140128658A - 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 방법은, 기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하는 과정과, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 과정과, 상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 상기 기지국과 통신하는 과정을 포함한다.

Description

다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COMMUNICATIONS IN MULTI-STAGE BEAM-FORMING SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 신호의 송수신에 관한 것으로서, 특히, 다단 빔포밍 시스템에서 무선 신호를 송수신하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
셀룰러 무선 통신 시스템은 빔 분할 다중접속(Beam Division Multiple Access: BDMA) 시스템과 같은 다단 빔포밍 시스템으로 구성될 수 있다. 다단 빔포밍은 일 예로, 디지털 빔포밍과 지향성 안테나를 활용한 아날로그 빔포밍으로 구성될 수 있다. 통상적인 통신 환경에서 아날로그 빔포밍은 디지털 빔포밍에 선행적으로 운용되며, 이로 인하여 디지털 빔포밍의 대상인 채널 상황은 선행적으로 이루어진 아날로그 빔포밍에 의해서 영향을 받게 된다. 따라서 디지털 빔포밍시, 전단인 아날로그 빔포밍의 설계 및 운용 상황을 고려할 필요가 있다.
통상적인 통신 시스템에서와 같이, 다단 빔포밍 시스템의 디지털 빔포밍은 채널 정보를 근거로 운용된다. 따라서 수신기에서는 아날로그 빔포밍의 운용에 따른 채널 환경의 변화에 대한 정보를 송신기로 보고하게 된다.
디지털 빔포밍을 위한 채널 추정은 그 특성상 매우 제한적이다. 일 예로 아날로그 단의 안테나 개수 대비 디지털 단의 RF(Radio Frequency) 체인들의 개수가 작은 경우, 아날로그 단의 모든 안테나들에 대한 채널 정보를 획득하기가 매우 어렵다. 이러한 상황에서 획득된 채널 정보는 전단 빔포밍의 운용을 제한할 뿐 아니라, 디지털 단의 운용을 위한 채널 환경의 통계적 특성을 제공하지 못한다.
디지털 단의 빔포밍을 위해서는 송신기와 수신기 간에 공유되는 코드북을 기반으로 하는 채널 정보 피드백 구조가 사용될 수 있다. 여기서 코드북이란 디지털 단의 빔포밍을 위해 사용되는 프리코딩 행렬들(Precoding Matrixes)의 후보들(candidates)의 집합을 의미한다. 코드북은 채널 환경에 맞추어 적응적으로 설계될 필요가 있다. 그러나 종래의 기술에서는 다단 빔포밍 환경을 고려하지 않았기 때문에, 코드북 설계가 아날로그 빔포밍과 같은 전단 빔포밍의 운용과 연계되어 있지 않았다. 구체적으로, 종래 기술에서는 빔포밍 운용 상황을 고려한 적응적인 코드북 설계를 제공하고 있지 않았다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 다단 빔포밍 시스템에서 송신기의 빔포밍에 필요한 채널 피드백 정보를 생성하고 전송하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 디지털 빔포밍의 채널 정보 피드백에 필요한 코드북을 설계하고 운용하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 아날로그 빔포밍의 채널 추정을 고려하여 디지털 빔포밍을 위한 코드북을 구성하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 아날로그 빔포밍에 따른 채널 환경 변화를 고려하여 디지털 빔포밍을 수행하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은; 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법에 있어서, 기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하는 과정과, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 과정과, 상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 상기 기지국과 통신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은; 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법에 있어서, 기지국으로부터 송출되고 있는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하는 과정과, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 과정과, 상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 단말과 통신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는; 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서, 기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들에 대한 채널 추정을 수행하는 채널 추정부와, 상기 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하고, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 제어부와, 상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 상기 기지국과 통신하는 통신부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는; 다단 빔포밍 시스템을 위한 기지국 장치에 있어서, 기지국에서 송출되고 있는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하고, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 제어부와, 상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 단말과 통신하는 빔포밍부를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 빔포밍 시스템의 일 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 코드북 설계에 사용되기 위한 통계적 채널 정보를 결정하는 기지국의 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 코드북 설계에 사용되기 위한 통계적 채널 정보를 결정하는 단말의 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 코드북 설계 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 코드북 설계 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 코드북에 기반한 단말의 통신 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 코드북에 기반한 기지국의 통신 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적응적 코드북의 성능 이득을 나타낸 모의 실험 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 구조를 나타낸 블록도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 다수의 아날로그 안테나와 다수의 디지털 체인을 갖는 BDMA 시스템을 기반으로, 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다. 그러나 본 발명이 이러한 시스템으로 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 후술되는 본 발명의 실시예들을 복수의 빔포밍 단들을 포함하는 다단 빔포밍 시스템에 용이하게 적용 가능할 것이다.
이하 송신기의 디지털 빔포밍을 위한 코드북의 설계에 필요한 채널 정보를 수신기에서 생성하고 피드백하기 위한 기술을 설명한다. 구체적으로 수신기는 아날로그 빔포밍의 운용에 따른 채널 환경 변화를 고려하여, 다단 빔포밍을 활용하는 송신기의 디지털 빔포밍에 필요한 채널 정보를 보다 효율적으로 구성한다. 수신기가 피드백하는 채널 정보는, 아날로그 빔포밍의 빔 계수 설정에 따른 채널 환경의 변화를 반영한다. 구체적으로 상기 채널 정보는, 코드북의 설계를 위해서 필요한 채널의 통계적 특성을 나타낼 수 있다.
또한 송신기와 수신기가 동일한 채널 정보에 기반하여, 디지털 빔포밍에 사용되기 위한 코드북을 적응적으로 구성하는 기술을 설명할 것이다. 코드북은, 수신기에 의해 아날로그 빔포밍을 기반으로 추정된 채널의 통계적 특성을 이용하여 결정된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 빔포밍 시스템의 일 예를 나타낸 것이다. 여기서 하나의 송신기(100)와 그 서비스영역(즉 셀) 내에 위치할 수 있는 복수의 수신기들(150)의 예를 도시하였으며, 일 예로 송신기(100)는 기지국이 되고, 수신기들(150)는 단말들이 될 수 있다.
도 1을 참조하면, 송신기(100)는 제1단 빔포밍부(110)와 제2단 빔포밍부(120) 및 복수의 안테나들을 포함하는 안테나부(130)를 포함하여 구성된다. 제1단 빔포밍부(110)는 일 예로서 디지털 빔포머로 구성될 수 있으며, 제2단 빔포밍부(120)는 일 예로서 아날로그 빔포머로 구성될 수 있다.
제1단 빔포밍부(110)는 L개의 정보 스트림들 S1, ..., SL을 입력받으며, 미리 구성된 코드북으로부터 전달 받은 채널 정보를 활용하여 얻어진 프리코딩 행렬 V를 이용하여 상기 정보 스트림들을 프리코딩함으로써 복수의 프리코딩된 스트림들을 생성하는 프리코더와, 상기 복수의 프리코딩된 스트림들을 각각 변조하여 출력하는 복수의 RF 체인들을 포함하여 구성된다. 변조된 스트림들은 디지털 아날로그 변환기들(Digital to Analog Converters: DACs)(114)를 거쳐 제2단 빔포밍부(120)로 전달된다.
제2단 빔포밍부(120)는 복수의 DAC들로부터 전달된 아날로그 신호들을 입력받으며, 아날로그 빔포밍을 위한 빔포밍 계수 벡터들로 구성된 아날로그 빔포밍 행렬 W를 이용하여 상기 아날로그 신호들에 대해 빔포밍을 수행한다. 빔포밍된 신호들은 안테나부(130)의 N개의 안테나들을 통해 L개의 아날로그 빔들(140,142,144,146)에 실려 공중으로 방사된다.
송신기(100)로부터 송출되는 아날로그 빔들(140 내지 146)은 복수의 수신기들(150)에 도달할 수 있다. 수신기들(150)는 아날로그 빔들(140 내지 146)에 각각 대응하는 L개의 사용자 그룹들(152,154,156,158)로 그룹화될 수 있다. 즉 i번째 사용자 그룹에 속한 적어도 하나의 수신기는 i번째 아날로그 빔을 통해 송신기(100)로부터 신호를 수신하게 된다. 일 실시예로서 사용자 그룹들(152,154,156,158)은 각 수신기(150)로부터 보고된 선호 빔에 대한 정보를 기반으로 구성될 수 있다. 즉 각 수신기(150)는 아날로그 빔들 중 원하는 적어도 하나의 선호 빔을 선택하며, 상기 선택된 선호 빔에 대한 정보를 송신기(100)로 전달한다. 송신기(100)는 수신기들로부터 수신된 선호 빔에 대한 정보를 기반으로 수신기들을 그룹화한다. 구체적으로 각 수신기는 자신의 최적(best) 선호 빔에 해당하는 사용자 그룹으로 그룹화된다.
각 수신기(150)는 하나 혹은 그 이상의 수신 안테나를 사용하여 송신기(100)로부터의 신호를 수신할 수 있다. 수신기(150)가 복수의 수신 안테나들을 구비하는 경우, 수신기(150)는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술에 의해 신호를 검출한다. 수신기(150)가 단일 수신 안테나를 구비하는 경우, 수신기는 MISO(Multiple Input Single Output) 기술에 의해 신호를 검출한다.
수신기(150)는 송신기(100)에 의해 사용된 아날로그 빔포밍 행렬 W와 프리코딩 행렬 V에 기반하여, 송신기(100)로부터 송출된 신호 중 원하는 신호를 검출한다.
송신기(100)에서 디지털 빔포밍에 적용되는 프리코딩 행렬은 송신기(100)와 수신기(150) 간에 공유되는 코드북을 기반으로 결정된다. 수신기(150)는 송신기(100)로부터 송출되는 트레이닝 신호, 즉 기준 신호(Reference Signal: RS)를 기반으로 채널 추정을 수행하고, 채널 추정 결과에 따라 코드북으로부터 하나의 프리코딩 행렬을 선택하며, 선택된 프리코딩 행렬(혹은 프리코딩 벡터)을 지시하는 프리코딩 행렬 지시자(Precoding Matrix Indicator or Index: PMI)를 송신기(100)로 피드백한다. 송신기(100)는 수신기(150)로부터 피드백된 PMI를 기반으로, 수신기(150)를 위한 신호의 디지털 빔포밍에 적용될 프리코딩 벡터를 결정한다.
이하 본 발명의 실시예에 따라, 디지털 빔포밍을 위한 코드북을 설계하기 위한 방안을 설명한다.
다단 빔포밍 중 아날로그 빔포밍을 위한 아날로그 빔포밍 행렬에 대한 정보는 송신기와 수신기 간에 공유된다. 일 실시예로서 송신기는 주기적 혹은 비주기적으로 아날로그 빔포밍 행렬을 갱신하여 수신기로 통보할 수 있다. 다른 실시예로서 송신기와 수신기는 시스템 운영자 혹은 제조사에 의해 설정된 아날로그 빔포밍 행렬을 내부 메모리에 저장하고 있다.
하기의 <수학식 1>은 송신기와 수신기 간에 공유되는 아날로그 빔포밍 행렬을 예시한 것이다.
Figure pat00001
여기서 wn은 n번째 아날로그 빔에 관련된 아날로그 빔포밍 계수를 의미한다.
디지털 빔포밍을 위해 사용되는 코드북은, 수신기로부터 피드백되는 채널 정보에 근거하여 주기적 혹은 비주기적으로 설계될 수 있다. 코드북의 설계에 사용되는 채널 정보는 송신기로부터 송출되는 트레이닝 아날로그 빔들로부터 측정된다. 송신기는 수신기가 채널 정보를 추정할 수 있도록, Ntraining개의 트레이닝 아날로그 빔들을 통해 트레이닝 신호, 즉 기준 신호를 송출한다. 일 실시예로서 트레이닝 아날로그 빔들은, 코드북의 갱신을 위한 주기마다 송출될 수 있다. 또한 일 실시예로서 트레이닝 아날로그 빔들의 개수 Ntraining은 RF 체인들의 개수 L과 동일하거나, 혹은 작거나 클 수 있다.
수신기는 송신기로부터 송출되는 트레이닝 아날로그 빔들을 기반으로 채널 추정을 수행하여, 빔 채널 품질 지시자(Channel Quality Indication: CQI)(빔 CQI: B.CQI) 정보를 획득한다.
빔 CQI 정보는 일 예로서 하기의 <수학식 2>와 같은 행렬이 될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 빔 CQI 정보를 구성하는 di는 i번째 아날로그 빔 wi에 대한 빔 이득(수신 신호 크기)를 나타낸다.
LTE(Long-Term Evolution)와 같은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기반의 통신 시스템에서 기준 신호(Reference Signal, RS)는 해당 셀의 사용 주파수 대역의 전체에 걸쳐 삽입되며, 수신기는 수신된 기준 신호에 대해 채널 특성을 측정하고, 전체 주파수 대역의 채널 특성을 평균화하여 B.CQI를 획득한다. 다른 실시예로서 수신기는 기준 신호의 채널 특성을 시간 영역에서 평균화하여 B.CQI를 획득할 수 있다.
특정 아날로그 빔에 대한 빔 이득 di는 하기의 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
여기서 ht i는 i번째 아날로그 빔에 대해 측정된 채널 임펄스 응답을 의미하며, T는 평균화할 주파수 대역에 포함되는 부반송파들의 개수, 혹은 시간 영역의 길이를 의미한다.
선택 가능한 실시예로서, 코드북의 설계에 필요한 정보로 채널 정보 대신 빔 선호도 정보가 이용될 수 있다. 빔 선호도 정보는 각 빔이 수신기들에 의해 선택된 횟수를 기반으로 생성된다. 하기 <수학식 4>는 빔 선호도 정보 K의 일 표현 예를 나타낸 것이다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서 ki는 i번째 아날로그 빔이 적어도 하나의 수신기에 의해 선호 빔으로 선택된 횟수를 의미하는 평준화된 값이고, Npreferred는 Kfeedback 동안 i번째 아날로그 빔이 선호 빔으로 선택된 횟수를 의미하며, Kfeedback은 소정 시간 구간을 나타낸다.
수신기는 소정 시간 구간(Kfeedback) 동안 송신기로부터 송출되는 트레이닝 아날로그 빔들에 대한 측정된 채널 정보를 기반으로 적어도 하나의 선호 빔을 선택하며, 각 아날로그 빔에 대한 선택 횟수를 카운트하여, 상기 빔 선호도 정보 K를 결정한다. 또한 송신기는 각 수신기로부터 소정 시간 구간 동안 보고된 선호 빔에 대한 정보를 기반으로 각 아날로그 빔에 대한 선택 횟수를 카운트함으로써, 수신기에서와 동일한 빔 선호도 정보 K를 결정한다. 다른 실시예로서 송신기 혹은 수신기는 결정된 빔 선호도 정보를 상대측으로 전송하여 동일한 빔 선호도 정보를 공유할 수 있다.
코드북 설계에 사용되는 통계적 채널 정보는, 송신기에 의해 송출될 수 있는 전체 아날로그 빔들에 대한 우선도를 나타내는 것으로서, 일 실시예로, 앞서 설명한 빔 CQI 정보 및 빔 선호도 정보 중 적어도 하나를 기반으로 결정될 수 있다.
하기의 <수학식 5>는 빔 CQI 정보 D를 이용하여 채널의 통계적 정보 R을 결정하는 일 실시예를 나타낸 것이다.
Figure pat00006
하기의 <수학식 6>은 빔 선호도 정보 K를 이용하여 채널의 통계적 정보 R을 결정하는 일 실시예를 나타낸 것이다.
Figure pat00007
여기서 H는 컨쥬게이트 전치 변환(Conjugate Transpose)을 의미하며, G(.)은 그람-슈미츠 직교화 연산(Gram_Shmidt orthonomilization operation)을 의미하며, W는 앞서 설명한 아날로그 빔포밍 행렬을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 코드북 설계에 사용되기 위한 통계적 채널 정보를 결정하는 기지국의 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 과정 210에서 기지국은 Ntraining개의 아날로그 빔들을 통해 기준 신호를 송출한다. 상기 아날로그 빔들은 아날로그 빔포밍 계수들을 포함하는 아날로그 빔포밍 행렬 W를 기반으로 형성된 것이다. 일 실시예로서, 기지국은 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W에 대한 정보를 셀 내의 단말들에게 사전에 통보할 수 있다. 다른 실시예로서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W에 대한 정보는, 상위 네트워크 개체에 의해 결정되어 기지국 및 단말들에게로 통보될 수 있다. 또 다른 실시예로서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W에 대한 정보는 시스템 운영자 혹은 제조사에 의해 기지국과 단말들에 미리 저장되어 있을 수 있다.
과정 220에서 기지국은 상기 아날로그 빔들에 대해 측정된 빔 CQI 정보 D를 단말로부터 수신한다. 다른 실시예로서 기지국은 단말로부터 보고된 선호 빔에 대한 정보를 기반으로 상기 아날로그 빔들에 대한 빔 선호도 정보 K를 결정한다. 또 다른 실시예로서 기지국은 빔 선호도 정보 K를 단말로부터 획득한다.
과정 230에서 기지국은 상기 빔 CQI 정보가 수신될 때마다, 혹은 미리 정해지는 소정의 주기에 도달할 때마다, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W 및 빔 CQI 정보 D에 기반하여 통계적 채널 정보 R을 결정한다. 일 실시예로서 통계적 채널 정보 R은 <수학식 5>에 의해 계산될 수 있다. 다른 실시예로서 통계적 채널 정보 R은 빔 선호도 정보 K를 기반으로 <수학식 6>에 의해 계산될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 코드북 설계에 사용되기 위한 통계적 채널 정보를 결정하는 단말의 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 과정 310에서 단말은 기지국으로부터 기지국에 의해 운용되는 아날로그 빔들에 대한 아날로그 빔포밍 행렬 W에 대한 정보를 획득한다. 다른 실시예로서 단말은 상위 네트워크 개체 혹은 내부 메모리로부터 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W를 획득할 수 있다.
과정 320에서 단말은 상기 아날로그 빔들을 통해 기지국으로부터 송출되는 기준 신호로부터 상기 아날로그 빔들 각각에 대한 주파수 대역의 채널 추정을 수행하며, 과정 330에서 상기 채널 추정 결과를 기반으로 상기 아날로그 빔들에 대한 빔 CQI 정보 D를 결정한다. 과정 340에서 상기 빔 CQI 정보 D는 단말로부터 기지국으로 피드백된다. 다른 실시예로서 단말은 상기 아날로그 빔들에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 선호 빔을 선택하며, 소정 시간 구간 동안의 선택 결과를 기반으로 상기 아날로그 빔들에 대한 빔 선호도 정보 K를 결정한다. 선택된 선호 빔에 대한 정보 혹은 상기 빔 선호도 정보 K는 단말로부터 기지국으로 피드백 될 수 있다.
과정 350에서 단말은 기지국으로부터 기준 신호가 수신될 때마다, 혹은 미리 정해지는 소정 주기에 도달할 때마다, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 W 및 빔 CQI 정보 D에 기반하여 통계적 채널 정보 R을 결정한다. 일 실시예로서 통계적 채널 정보 R은 <수학식 5>에 의해 계산될 수 있다. 다른 실시예로서 통계적 채널 정보 R은 빔 선호도 정보 K를 기반으로 <수학식 6>에 의해 계산될 수 있다.
이하 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북 설계를 설명한다.
단말과 기지국은 시스템 운영자 혹은 제조사에 의해 설정된 공용 코드북 Ccommon을 구비하고 있으며, 통계적 채널 정보에 기반하여 상기 공용 코드북을 업데이트함으로써 적응적 코드북을 결정한다.
하기의 <수학식 7>은 공용 코드북을 나타낸 것이다.
Figure pat00008
공용 코드북 Ccommon은 M개의 벡터 코드워드들을 포함하며, cm은 m번째 벡터 코드워드로서, 길이 L의 프리코딩 벡터를 의미한다. 상기 벡터 코드워드의 크기 L은 디지털 빔포밍부의 RF 체인 개수에 따라 정해진다.
적응적 코드북은 앞서 설명한 통계적 채널 정보 R과 상기 공용 코드북을 이용하여 구성된다. 하기 <수학식 8>은 적응적 코드북 Cadaptive를 구성하는 방식의 일 실시예를 나타낸 것이다.
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서 Wused는 기지국이 통신에 실제로 사용되는 아날로그 빔들에 대한 아날로그 빔포밍 계수들을 의미하는 것으로서, 통계적 채널 정보의 추정에 사용된 W 와 동일하거나 혹은 상이할 수 있다. 일 예로서 Wused는 W의 열들(columns) 중 단말들과의 통신에 실제로 사용되는 아날로그 빔들에 해당하는 일부 열들로 구성되는 부분행렬(sub-matrix)로 구성될 수 있다. 또한 fN(.)은 정규화 함수를 의미하는 것으로서, 벡터 코드워드들의 크기를 정규화하기 위해 사용된다.
이상과 같이, 통계적 채널 정보 R은 실제 통신에 사용된 아날로그 빔포밍 계수들 Wused을 고려하여 적응적 채널 정보 Radaptive로 변형된 후, 적응적 코드북의 설계에 적용된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 코드북 설계 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 과정 410에서 기지국은 셀 내의 단말들로부터 보고된 채널 정보를 기반으로 스케줄링을 수행하여 실제 전송을 수행할 적어도 하나의 단말 혹은 단말 그룹을 선택하며, 상기 선택된 단말 (그룹)로의 전송을 위해 사용될 적어도 하나의 아날로그 빔을 선택하며, 상기 선택된 적어도 아날로그 빔을 기반으로 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused를 결정한다. 일 실시예로서, 기지국은 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused에 대한 정보를 해당 단말들에게 통보할 수 있다. 다른 실시예로서 기지국은 선택된 적어도 하나의 아날로그 빔에 대한 정보를 해당 단말들에게 통보하여, 각 해당 단말이 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused를 생성할 수 있도록 한다.
과정 420에서 기지국은 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused 및 기 결정한 통계적 채널 정보 R을 기반으로, 적응적 채널 정보 Radaptive를 결정하고, 과정 430에서 상기 적응적 채널 정보 Radaptive를 이용하여 공용 코드북 Ccommon으로부터 적응적 코드북 Cadaptive를 결정한다. 일 실시예로서 상기 적응적 코드북은 공용 코드북의 각 벡터 코드워드에 Radaptive의 해당하는 빔별 원소값들(elements)을 적용함으로써 구성될 수 있다. 다른 실시예로서 기지국은 공용 코드북의 벡터 코드워드들 중 적어도 일부를 선택하고, 선택된 벡터 코드워드를 Radaptive의 해당하는 빔별 원소값들(elements)을 고려하여 갱신함으로서, 적응적 코드북을 구성할 수 있다. 이외에도 코드북의 적응화를 위해서는 다양한 실시예 및 알고리즘이 적용 가능하며, 본 명세서에서는 그 구체적인 방법을 한정하지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 코드북 설계 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 과정 510에서 단말은 실제 통신을 위해 사용될 적어도 하나의 아날로그 빔에 대한 아날로그 빔포밍 계수를 포함하는 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused의 정보를 획득한다. 일 실시예로서 단말은 선호 빔에 대한 정보를 기지국으로 보고한 후, 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused에 대한 정보를 기지국으로부터 수신한다. 다른 실시예로서 단말은 단말이 사용하도록 기지국 혹은 단말에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 빔에 대한 정보를 기반으로 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused를 직접 생성한다.
과정 520에서 단말은 상기 사용 아날로그 빔포밍 행렬 Wused 및 기 결정한 통계적 채널 정보 R을 기반으로, 적응적 채널 정보 Radaptive를 결정하고, 과정 530에서 상기 적응적 채널 정보 Radaptive를 이용하여 공용 코드북 Ccommon으로부터 적응적 코드북 Cadaptive를 결정한다. 상기 적응적 코드북은 기지국에서 사용된 것과 동일한 알고리즘을 사용하여 구성되어야 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 코드북에 기반한 단말의 통신 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 과정 610에서 단말은 기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들에 근거하여 통계적 채널 정보를 결정한다. 상기 통계적 채널 정보는 일 예로서 빔 CQI 정보 혹은 빔 선호도 정보와 모든 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들에 근거하여 결정될 수 있다. 과정 620에서 단말은 상기 통계적 채널 정보와 실제로 사용된 아날로그 빔포밍 계수들에 근거하여 적응적 코드북을 구성한다.
과정 630에서 단말은 기지국에 의해 스케줄된 적어도 하나의 사용 아날로그 빔(Wused)에 대해 채널 추정을 수행하여 유효 채널 정보(effective channel information)를 결정한다. 각 아날로그 빔에 대한 유효 채널 정보는 기지국의 RF 체인 개수에 대응하는 길이를 가질 수 있다.
과정 640에서 단말은 상기 결정된 유효 채널 정보를 기반으로, 기 구성된 적응적 코드북 Cadaptive 중 가장 적절한 적어도 하나의 벡터 코드워드를 지시하는 적어도 하나의 PMI를 선택한다. 과정 650에서 상기 선택된 PMI는 미리 약속된 포맷과 채널을 사용하여 기지국으로 피드백된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 코드북에 기반한 기지국의 통신 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 과정 710에서 기지국은 송출되고 있는 아날로그 빔들에 대한 피드백 정보에 근거하여 통계적 채널 정보를 결정한다. 상기 통계적 채널 정보는 일 예로서 빔 CQI 정보 혹은 빔 선호도 정보와 모든 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들에 근거하여 결정될 수 있다. 과정 720에서 기지국은 상기 통계적 채널 정보와 실제 통신에 사용된 아날로그 빔포밍 계수들에 근거하여 적응적 코드북을 구성한다.
과정 730에서 기지국은 단말로부터, 적응적 코드북 Cadaptive 중 하나의 벡터 코드워드를 지시하는 하나의 PMI를 포함하는 피드백 정보를 수신한다. 과정 740에서 기지국은 상기 PMI에 기반하여 상기 단말로 전송할 신호에 대한 디지털 빔포밍을 수행한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 적응적 코드북의 성능 이득을 나타낸 모의 실험 결과이다. 모의 실험에서 단말의 채널 특성은 단말의 위치와 송신 단말의 안테나 각도 확산(angular spread)를 조절하여 형성하였으며, 상관 관계를 높인 10도 각도 확산(angular spread) 환경을 가정하였다. 기지국은 16개의 아날로그 안테나를 가지며, L=4개의 RF 체인들을 통해 단일 안테나를 가지는 4개의 단말들을 동시에 지원할 수 있다. 기지국과 단말들 간에 공유되는 아날로그 빔들의 개수는 12개이며, 각 아날로그 빔포밍 계수는 길이 16인 계수 벡터로 구성된다. 공용 코드북은 길이 4인 64개의 벡터 코드워드들로 구성된다. 실제 전송을 위해 선택된 아날로그 빔들의 개수는 4개이다.
도시한 바와 같이, 앞서 설명한 실시예에 따라 설계된 적응적 코드북을 이용한 통신의 합 속도(sum rate)(810)는, 공용 코드북을 이용한 통신의 합 속도(820)에 비하여 매우 높으며, 이는 정확한 채널 정보의 전달로 인해 제로-포밍 빔포밍의 손실을 감소시킨 결과라고 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9를 참조하면, 기지국의 통신부는 디지털 빔포밍부(910) 및 아날로그 빔포밍부(920)를 포함한다. 디지털 빔포밍부(910)는 제어부(940)로부터 제공되는 코드북 및 PMI를 이용하여, 입력되는 정보에 대해 디지털 빔포밍을 수행한다. 아날로그 빔포밍부(920)는 단말의 채널 추정을 지원하기 위해 아날로그 빔들을 통해 기준 신호를 소정 주기로 혹은 요청에 따라 송신하며, 디지털 빔포밍된 신호를 적어도 하나의 아날로그 빔에 실어 복수의 송신 안테나들을 통해 전송한다.
피드백 수신부(930)는 셀 내의 적어도 하나의 단말로부터, 채널 추정 결과에 따른 빔 CQI 정보, 빔 선호도 정보, PMI 중 적어도 하나를 수신하여 제어부(940)로 전달한다. 제어부(940)는 피드백 수신부(930)로부터 제공된 빔 CQI 정보 혹은 빔 선호도 정보를 기반으로 통계적 채널 정보 R을 계산하며, 상기 통계적 채널 정보를 기반으로 적응적 코드북을 구성하여 디지털 빔포밍부(910)로 전달한다. 또한 제어부(940)는 피드백 수신부(930)로부터 PMI가 전달되는 경우, 상기 PMI를 디지털 빔포밍부(910)로 전달하여 디지털 빔포밍의 수행에 적용하도록 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 10을 참조하면, 단말의 통신부는 아날로그 수신부(1040) 및 디지털 수신부(1050)를 포함한다. 아날로그 수신부(1040)는 기지국으로부터 복수의 아날로그 빔들을 통해 송출되는 신호를 수신하며, 채널 추정부(1020)는 상기 수신된 신호에 포함된 기준 신호를 근거로 주파수 대역에 대한 채널 추정을 수행한다. 제어부(1010)는 상기 채널 추정 결과를 이용하여 빔 CQI 정보를 구성하고, 상기 빔 CQI 정보를 피드백 송신부(1030)를 통해 기지국으로 보고한다. 다른 실시예로서 제어부(1010)는 각 아날로그 빔에 대한 선택 횟수를 카운트하여 빔 선호도 정보를 결정하고, 상기 빔 선호도 정보를 피드백 송신부(1030)를 통해 기지국으로 보고할 수 있다. 또 다른 실시예로서 제어부(1010)는 복수의 송신 빔들 중 선택된 선호 빔에 대한 정보를 피드백 송신부(1030)를 통해 기지국으로 보고하여, 기지국이 빔 선호도 정보를 결정할 수 있도록 한다.
추가적으로 제어부(1010)는 상기 빔 CQI 정보 혹은 빔 선호도 정보와, 추가적으로 기지국으로부터 획득하거나 미리 저장되어 있는 기지국의 아날로그 빔포밍 계수들 W를 이용하여, 통계적 채널 정보 R을 계산한다. 상기 통계적 채널 정보는 제어부(1010)에서 적응적 코드북을 결정하는데 이용된다.
구체적으로 제어부(1010)는 기지국으로부터 제공받은 사용 아날로그 빔포밍 계수들 Wused에 대한 정보와 상기 통계적 채널 정보 R을 이용하여, 적응적 코드북을 구성한다. 실제 통신이 이루어지는 도중에, 제어부(1010)는 채널 추정부(1020)로부터 유효 채널 정보를 전달받고, 상기 유효 채널 정보를 기반으로 상기 적응적 코드북 중 선택된 벡터 코드워드를 지시하는 PMI를 결정한다. 상기 PMI는 피드백 송신부(1030)에 의해 기지국으로 피드백된다.
추가적으로 상기 PMI는 디지털 수신부(1050)로 전달될 수 있다. 디지털 수신부(1050)는 제어부(1010)로부터 전달된 PMI를 이용하여, 아날로그 수신부(1040)로부터 전달된 아날로그 신호들에 대한 신호 검출을 수행하여, 기지국에 의해 전달된 정보를 복구할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (14)

  1. 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법에 있어서,
    기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하는 과정과,
    상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 과정과,
    상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 상기 기지국과 통신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 통계적 채널 정보는,
    상기 기지국으로부터 상기 아날로그 빔들을 통해 송출되는 기준 신호로부터 측정된 빔 채널 품질 지시자(CQI) 정보 및 상기 아날로그 빔들이 선호 빔으로 선택된 횟수를 나타내는 빔 선호도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 통계적 채널 정보는,
    하기 수학식에 의해 결정됨을 특징으로 하는 통신 방법.
    Figure pat00011

    여기서 R은 상기 통계적 채널 정보를 의미하며, W는 상기 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 의미하고, D는 상기 기지국으로부터 상기 아날로그 빔들을 통해 송출되는 기준 신호로부터 측정된 빔 채널 품질 지시자(CQI) 정보 및 상기 아날로그 빔들이 선호 빔으로 선택된 횟수를 나타내는 빔 선호도 정보 중 하나를 지시하며, G(.)은 그람-슈미츠 직교화 연산을 의미함.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적응적 코드북을 구성하는 과정은,
    상기 통계적 채널 정보에 상기 사용된 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 적용하여, 적응적 채널 정보를 결정하는 과정과,
    미리 정해지는 공용 코드북에 상기 적응적 채널 정보를 적용하여 상기 적응적 코드북을 구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 적응적 코드북은,
    하기 수학식과 같이 구성됨을 특징으로 하는 통신 방법.
    Figure pat00012

    Figure pat00013

    Figure pat00014

    여기서 Cadaptive은 상기 적응적 코드북을 의미하고, Ccommon은 미리 정해지는 공용 코드북을 의미하며, cm은 m번째 벡터 코드워드로서, 길이 L의 프리코딩 벡터를 의미하고, Wused는 상기 사용된 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 의미하며, fN(.)은 정규화 함수를 의미함.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 통신하는 과정은,
    상기 아날로그 빔들에 대한 채널 추정을 통해 유효 채널 정보를 결정하는 과정과,
    상기 유효 채널 정보를 기반으로 상기 적응적 코드북 중 상기 디지털 빔포밍을 위해 사용되기 위한 프리코딩 벡터를 지시하는 프리코딩 행렬 지시자(PMI)를 선택하는 과정과,
    상기 PMI를 상기 기지국으로 피드백하는 과정과,
    상기 PMI를 이용하여 상기 기지국으로부터 송출되는 신호를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  7. 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신 방법에 있어서,
    기지국으로부터 송출되고 있는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하는 과정과,
    상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 과정과,
    상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 단말과 통신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 통계적 채널 정보는,
    상기 기지국으로부터 상기 아날로그 빔들을 통해 송출되는 기준 신호로부터 상기 단말에 의해 측정된 빔 채널 품질 지시자(CQI) 정보 및 상기 아날로그 빔들이 선호 빔으로 선택된 횟수를 나타내는 빔 선호도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 통계적 채널 정보는,
    하기 수학식에 의해 결정됨을 특징으로 하는 통신 방법.
    Figure pat00015

    여기서 R은 상기 통계적 채널 정보를 의미하며, W는 상기 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 의미하고, D는 상기 기지국으로부터 상기 아날로그 빔들을 통해 송출되는 기준 신호로부터 상기 단말에 의해 측정된 빔 채널 품질 지시자(CQI) 정보 및 상기 아날로그 빔들이 선호 빔으로 선택된 횟수를 나타내는 빔 선호도 정보 중 하나를 지시하며, G(.)은 그람-슈미츠 직교화 연산을 의미함.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 적응적 코드북을 구성하는 과정은,
    상기 통계적 채널 정보에 상기 사용된 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 적용하여, 적응적 채널 정보를 결정하는 과정과,
    미리 정해지는 공용 코드북에 상기 적응적 채널 정보를 적용하여 상기 적응적 코드북을 구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 적응적 코드북은,
    하기 수학식과 같이 구성됨을 특징으로 하는 통신 방법.
    Figure pat00016

    Figure pat00017

    Figure pat00018

    여기서 Cadaptive은 상기 적응적 코드북을 의미하고, Ccommon은 미리 정해지는 공용 코드북을 의미하며, cm은 m번째 벡터 코드워드로서, 길이 L의 프리코딩 벡터를 의미하고, Wused는 상기 사용된 아날로그 빔들의 빔포밍 계수들을 의미하며, fN(.)은 정규화 함수를 의미함.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 통신하는 과정은,
    상기 단말로부터 상기 적응적 코드북 중 선택된 프리코딩 벡터를 지시하는 프리코딩 행렬 지시자(PMI)를 수신하는 과정과,
    상기 PMI를 이용하여 상기 단말로 전송할 신호에 대한 디지털 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  13. 다단 빔포밍 시스템을 위한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서,
    기지국으로부터 송출되는 아날로그 빔들에 대한 채널 추정을 수행하는 채널 추정부와,
    상기 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하고, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 제어부와,
    상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 상기 기지국과 통신하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  14. 다단 빔포밍 시스템을 위한 기지국 장치에 있어서,
    기지국에서 송출되고 있는 아날로그 빔들의 우선도를 나타내는 통계적 채널 정보를 결정하고, 상기 통계적 채널 정보와 상기 아날로그 빔들 중 상기 기지국에 의해 실제 통신에 사용된 아날로그 빔들에 근거하여, 디지털 빔포밍을 위한 적응적 코드북을 구성하는 제어부와,
    상기 적응적 코드북을 기반으로 상기 디지털 빔포밍을 통해 단말과 통신하는 빔포밍부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
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