KR20140142609A - 일방향 협력 채널을 통한 빔형성 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20140142609A
KR20140142609A KR1020130064281A KR20130064281A KR20140142609A KR 20140142609 A KR20140142609 A KR 20140142609A KR 1020130064281 A KR1020130064281 A KR 1020130064281A KR 20130064281 A KR20130064281 A KR 20130064281A KR 20140142609 A KR20140142609 A KR 20140142609A
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Abstract

일방향 협력 채널로 연결된 기지국에서 빔을 형성하는 방법 및 그 기지국이 제공된다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 적은 계산량으로 빔의 방향을 결정하고 전력을 분배할 수 있어 일방향 협력 상황에서 적은 비용으로 기지국을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 기지국은 일방향 협력 채널을 통해 다른 기지국에서 전송하는 신호에 의한 간섭과 다른 단말로 전송하는 신호에 의한 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.

Description

일방향 협력 채널을 통한 빔형성 방법 및 장치 {Method and apparatus of beamforming through one-way cooperative channel}
본 발명은 다중 셀 환경의 기지국에서 일방향으로 협력된 채널을 통해 빔을 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
복수의 기지국이 복수의 단말로 신호를 전송할 때 인접 기지국은 서로 무선 채널을 공유할 수 있고, 이 경우 각 인접 기지국에 의해서 간섭이 발생할 수 있다. 이때, 전송 효율을 증대시키고 사용자의 체감 품질을 향상시키기 위해서 인접 기지국으로부터의 간섭을 극복하는 것이 중요한 문제로 인식되고 있다.
인접 기지국으로부터의 간섭을 극복하기 위해서 인접 기지국들이 서로 협력할 수 있는 협력 통신 네트워크가 대안으로 부상하고 있다. 협력 통신 네트워크에서는 각 단말은 각 기지국으로 무선채널의 채널 정보를 전달하고, 기지국들이 단말로부터 수신한 채널 정보를 인접 기지국과 공유한다. 각 기지국이 인접 기지국으로 전달된 모든 채널 정보를 공유하는 완전 협력 통신 네트워크에서는 전체 네트워크가 하나의 기지국처럼 동작되므로 이론적으로 최대 성능을 낼 수 있다. 그러나, 협력 채널의 용량 한계로 인해 완전협력은 현실적으로 구현되기 어렵다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 일방향 협력 채널로 연결된 기지국에서 빔을 형성하는 방법 및 그 기지국을 제공한다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 기지국에서 빔을 형성하는 방법이 제공된다. 상기 빔을 형성하는 방법은, 복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계, 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 선형 조합하여 제3 프리코딩 벡터를 생성하는 단계, 제3 프리코딩 벡터를 정규화하는 단계, 그리고 제1 단말로 송신할 신호에 정규화된 제3 프리코딩 벡터를 곱하여 빔을 형성하는 단계를 포함한다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계는, 최대 비 전송(maximum ratio transmission, MRT) 방법으로 제1 프리코딩 벡터를 계산하는 단계, 그리고 제로-포싱(zero-forcing, ZF) 방법으로 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법은, 상기 제3 프리코딩 벡터에 관한 정보를 일방향 협력 채널을 통해 상기 기지국의 인접 기지국으로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제3 프리코딩 벡터를 생성하는 단계는, 채널 정보를 바탕으로 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 선형 조합을 위한 선형 조합 계수(λ)를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 선형 조합 계수(λ)는 수학식
Figure pat00001
에 따라 계산될 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 단말은 기지국의 커버리지의 내부에 위치하는 단말이고, 제2 단말은 기지국의 커버리지의 외부에 위치하는 단말일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 기지국에서 빔을 형성하는 다른 방법이 제공된다. 빔을 형성하는 방법은, 복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 단계, 제1 단말 및 상기 제2 단말에 대한 전력을 분배하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 단계, 그리고 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 방향과 크기를 토대로 제1 단말 및 상기 제2 단말로 전송할 빔을 형성하는 단계를 포함한다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 단계는, 제로-포싱(zero-forcing) 방법을 이용하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 단계는, 기지국의 인접 기지국으로부터 인접 기지국에서 계산된 제3 프리코딩 벡터를 수신하는 단계, 채널 정보, 제3 프리코딩 벡터, 그리고 배경잡음의 분산값을 이용하여 제1 단말 및 제2 단말에 대한 실질 역채널 계수를 각각 계산하는 단계, 그리고 실질 역채널 계수를 이용하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계는, 실질 역채널 계수를 이용하여 워터-필링(water-filling) 기법을 통해 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 단말은 기지국의 커버리지 및 인접 기지국의 커버리지의 내부에 위치하고 있고, 제2 단말은 기지국의 커버리지의 내부 및 인접 기지국의 커버리지의 외부에 위치할 수 있다.
빔을 형성하는 방법에서 제1 단말 및 제2 단말로 전송할 빔을 형성하는 단계는, 크기와 방향이 결정된 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터를 정규화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 복수의 단말 중 적어도 하나의 단말로 전송할 빔을 형성하는 기지국이 제공된다. 상기 기지국은, 복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 벡터 방향 설정부, 제1 단말 및 제2 단말에 대한 전력을 분배하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 전력 분배부, 그리고 크기와 방향이 결정된 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터를 정규화하는 정규화부를 포함한다.
상기 기지국에서 벡터 방향 설정부는, 제로-포싱(zero-forcing) 방법을 이용하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터를 계산할 수 있다.
상기 기지국에서 전력 분배부는, 기지국의 인접 기지국으로부터 인접 기지국에서 계산된 제3 프리코딩 벡터를 수신하는 기지국 통신부, 그리고 채널 정보, 제3 프리코딩 벡터, 그리고 배경잡음의 분산값을 이용하여 제1 단말 및 제2 단말에 대한 실질 역채널 계수를 각각 계산하는 역채널 계수 계산부를 포함하고, 실질 역채널 계수를 이용하여 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당할 수 있다.
상기 기지국에서 전력 분배부는, 실질 역채널 계수를 이용하여 워터-필링(water-filling) 기법을 통해 제1 프리코딩 벡터 및 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당할 수 있다.
상기 기지국에서 제1 단말은 기지국의 커버리지 및 인접 기지국의 커버리지의 내부에 위치하고 있고, 제2 단말은 기지국의 커버리지의 내부 및 인접 기지국의 커버리지의 외부에 위치할 수 있다.
상기 기지국은, 채널 정보를 저장하고, 저장된 채널 정보를 벡터 방향 설정부 및 역채널 계수 계산부로 전달할 수 있는 채널 정보 저장부를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 적은 계산량으로 빔의 방향을 결정하고 전력을 분배할 수 있어 일방향 협력 상황에서 적은 비용으로 기지국을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 기지국은 일방향 협력 채널을 통해 다른 기지국에서 전송하는 신호에 의한 간섭과 다른 단말로 전송하는 신호에 의한 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일방향 협력 통신 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국이 적용될 수 있는 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수학식 4를 기하학적으로 설명한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 P1이 10dB이고 α와 β가 모두 0.4인 경우의 합 전송률을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른
Figure pat00002
벡터 및
Figure pat00003
벡터와, λ의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 헬퍼 기지국을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 헬피 기지국을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 헬피 기지국의 전력 분배 계획을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 합 전송률을 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일방향 협력 통신 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 1의 (A)를 참조하면, 기지국1(110) 및 기지국2(120)는 기지국1(110)에서 기지국2(120)로의 일방향 협력 채널을 통해서 협력 통신을 구현한다. (A)에 도시된 일방향 협력 통신 네트워크에서 기지국1(110)은 프리코딩 벡터 w11을 통해 단말1(130)로 신호를 송신할 수 있고, 기지국2(120)는 프리코딩 벡터 w22를 통해 단말2(140)로 신호를 송신하고 프리코딩 벡터 w21을 통해 단말1(130)로 신호를 송신할 수 있다. 즉, 기지국2(120)에서는 기지국1(110)의 정보를 일방향 협력 채널을 통해 전달 받은 후 단말1(130)로 신호를 송신할 수 있으며 이때의 프리코딩 벡터가 w-21로 표시된다.
도 1의 (B)를 참조하면, 기지국1(111)은 (A)의 기지국1(110)에 대응되고, (B)의 릴레이(121)는 도 1A의 기지국2(120)에 대응된다. 즉, (B)의 단말1(131)은 기지국1(111) 및 릴레이(121)로부터 신호를 수신할 수 있으나, 단말2(141)는 기지국1의 셀 바깥에 위치하여 릴레이(121)로부터만 신호를 수신할 수 있다.
이때, (B)의 기지국1(111)과 릴레이(121)는 계층(hierarchy) 구조이므로 기지국과 릴레이가 일방향 협력 채널로 연결되었다고 볼 수 있다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따르면 기지국1의 데이터 정보 및 채널 정보는 일방향 협력 채널을 통해 릴레이로 전달될 수 있다. 또한, 펨토셀과 같은 각 셀이 계층 구조를 이루고 있는 경우도 마찬가지로 본 발명에 따른 실시예가 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국이 적용될 수 있는 네트워크를 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)를 참조하면, (A)에 도시된 기지국은 서로 양방향 채널로 연결되지만, 기지국1(211)과 기지국2(221)는 기지국1에서 기지국2를 향한 일방향 채널로 연결되어 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 기지국1(211)은 기지국1에서 생성한 프리코딩 벡터에 대한 정보를 일방향 협력 채널을 통해 기지국2(221)로 전달할 수 있다.
도 2의 (B)를 참조하면, (B)에 도시된 기지국은 서로 양방향 채널로 연결되기도 하고, 일방향 채널로 연결되기도 한다. 이 경우에도 각 기지국이 일방향 채널로 협력하는 부분에는 본 발명의 실시예가 적용될 수 있다
본 발명의 실시예에서는 일방향 협력 채널을 통해 인접 기지국에 정보를 전달하는 기지국을 헬퍼(helper) 기지국이라 표현하고, 일방향 협력 채널을 통해 정보를 전달 받는 기지국을 헬피(Helpee) 기지국이라 표현한다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 단말1은 기지국1의 커버리지 내부에 위치하고, 단말2는 기지국1의 커버리지 외부에 위치하나 기지국2의 커버리지 내부에 위치한다. 아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 프리코딩 벡터를 통해 빔을 형성하는 방법 및 장치(기지국)에 대해서 알아본다.
본 발명의 한 실시예에 따른 일방향 협력 통신 네트워크에서 가우시안 코딩(gaussian coding)을 가정했을 때, 각 단말로 전송되는 신호의 최대 전송률(R1 및 R2)은 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005

이때, 각 기지국에 부여된 전력 조건은 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
그리고, 최대 전송률의 성능 지수는 간섭의 크기에 영향을 받을 수 있기 때문에 수학식 3과 같이 정규화된 간섭 상관계수가 정의될 수 있다.
Figure pat00008
먼저, 헬퍼 기지국에서의 빔형성을 위한 프리코딩 벡터 w11을 계산한다.
본 발명의 실시예에 따르면 헬퍼 기지국에서는 최적화된 프리코딩 벡터
Figure pat00009
를 계산하기 위하여 최대 비 전송(maximum ratio transmission, MRT) 방법과 제로-포싱(zero-forcing, ZF) 방법을 수학식 4와 같이 선형 조합할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
수학식 4를 참조하면, 최적의 프리코딩 벡터
Figure pat00014
의 크기는
Figure pat00015
이고, 방향은 MRT 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00016
의 방향과 ZF 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00017
의 방향 사이가 될 수 있다. 이때, MRT 방법과 ZF 방법의 선형 조합을 위해 0에서 1 사이의 숫자인 λ가 사용되었다.
MRT 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00018
와 ZF 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00019
는 각각 수학식 5 및 수학식 6을 최적화한 해를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00020
Figure pat00021
수학식 5 및 수학식 6을 최적화한 해는 도 3의 벡터 그림을 통해 설명될 수 있다. 즉, 도 3은 수학식 4를 기하학적으로 설명한 도면이다. 도 3을 참조하면,
Figure pat00022
는
Figure pat00023
과 수직인 평면
Figure pat00024
로
Figure pat00025
벡터가 정사영된 벡터이다.
그리고, λ에 따른 합 전송률(sum rate)의 변화를 알아보기 위하여 도 4의 그래프를 참조할 수 있다. 도 4는 본 발명의 한 실시 예에 따라 P1이 10dB이고 α와 β가 모두 0.4인 경우의 합 전송률을 나타낸 그래프이다. 도 4에 따르면 λ가 0.3에서 0.4 사이일 때 합 전송률이 최대인 것을 알 수 있고, λ가 0인 경우 최적화 프리코딩 벡터는
Figure pat00026
이 되고, λ가 1인 경우 최적화 프리코딩 벡터는
Figure pat00027
이 된다. 따라서, 최적의 프리코딩 벡터
Figure pat00028
는 λ가 0에서 1 사이의 특정 값일 때 계산될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른
Figure pat00029
벡터 및
Figure pat00030
벡터와, λ의 관계를 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시 예에서는 λ를 결정하기 위하여 수학식 5 및 6을 풀어낼 수 있는 새로운 최적화 방법을 사용한다.
수학식 7은 본 발명의 실시 예에 따른 최적화 방법을 나타낸다.
Figure pat00031
수학식 7을 참조하면,
Figure pat00032
값이 무한할 때
Figure pat00033
가
Figure pat00034
이 되고,
Figure pat00035
값이 0일 때
Figure pat00036
가
Figure pat00037
이 된다. 수학식 7에서는
Figure pat00038
값을 조절함으로써, 헬퍼 기지국에서 헬피 기지국으로 미치는 간섭량을 조절할 수 있다. 즉,
Figure pat00039
은 단말2의 전송률을 결정할 수 있는 변수이므로(수학식 1 참조),
Figure pat00040
값을 조절함으로써 단말2의 전송률(R2)을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 헬퍼 기지국을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 헬퍼 기지국에서는 프리코딩 벡터
Figure pat00041
를 계산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 헬퍼 기지국은 채널 정보 저장부(610), 프리코딩 벡터 계산부(620), 선형조합 계수 계산부(630), 벡터 조합부(640), 그리고 정규화부(650)를 포함한다.
채널 정보 저장부(610)는, 단말로부터 수신한 채널 정보를 저장하고, 저장된 채널 정보를 프리코딩 벡터 계산부(620) 및 선형 조합 계수 계산부(630)로 전달할 수 있다.
프리코딩 벡터 계산부(620)는 채널 정보를 바탕으로 MRT 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00042
와, ZF 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00043
를 계산할 수 있다. 본 발명의 한 실시예에 따른 프리코딩 벡터 계산부(620)는 수학식 4에 따라서
Figure pat00044
와
Figure pat00045
를 계산할 수 있다.
선형 조합 계수 계산부(630)에서는 헬퍼 기지국의 송신 전력, 채널 정보, 그리고
Figure pat00046
값을 바탕으로
Figure pat00047
와
Figure pat00048
의 선형 조합을 위한 계수 λ를 계산할 수 있다.
이때, 선형 조합 계수 계산부(630)에서는 수학식 8에 따라 계수 λ를 계산할 수 있다.
Figure pat00049
벡터 조합부(640)에서는 선형 조합 계수 계산부(630)에서 계산된 계수를 바탕으로 MRT 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00050
와 ZF 방법에 의한 프리코딩 벡터
Figure pat00051
를 선형 조합할 수 있다.
정규화부(650)에서는 벡터 조합부(640)에서 선형 조합된 프리코딩 벡터를 정규화한다.
이후 헬퍼 기지국은 정규화된 프리코딩 벡터가 곱해진 신호를 송신 전력에 따라 단말로 전송한다.
다음, 헬피 기지국에서의 빔형성을 위한 프리코딩 벡터 w21, w22를 계산한다.
본 발명에서 기지국2는 헬피 기지국이 되고 헬퍼 기지국에서 계산된 프리코딩 벡터 w11를 일방향 협력채널을 통해 제공받을 수 있다. 이때, 기지국2에서는 단말1 및 단말2로 동시에 신호를 송신할 수 있기 때문에 기지국2와 단말 사이의 채널은 다중 안테나 방송 채널(multi antenna broadcast channel)로 간주할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 헬피 기지국을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 헬피 기지국은 채널 정보 저장부(710), 벡터 방향 설정부(720), 역채널 계수 계산부(730), 기지국 통신부(740), 전력 분배부(750), 그리고 정규화부(760)를 포함한다.
채널 정보 저장부(710)는, 단말로부터 수신한 채널 정보를 저장하고, 저장된 채널 정보를 벡터 방향 설정부(720) 및 역채널 계수 계산부(730)로 전달할 수 있다.
벡터 방향 설정부(720)는, 프리코딩 벡터 w21, w22의 방향을 설정할 수 있다.
기지국 통신부(740)는 헬퍼 기지국으로부터 헬퍼 기지국의 프리코딩 벡터(w11)를 수신하여 역채널 계수 계산부(730)로 전달할 수 있다.
역채널 계수 계산부(730)에서는 채널 정보, 헬퍼 기지국의 프리코딩 벡터(w11), 그리고 배경잡음의 분산값(σ)을 통해 실질 역채널 계수(effective reverse channel coefficient)를 계산할 수 있다.
전력 분배부(750)에서는 단말1로 송신되는 빔의 전력(
Figure pat00052
) 및 단말2로 송신되는 빔의 전력(
Figure pat00053
)을 적절하게 분배할 수 있다. 이때, 각 빔을 형성하는데 사용된 프리코딩 벡터의 크기의 제곱은 각 빔의 전력을 의미한다. 본 발명의 실시예에서 전력 분배부(750)는 기지국 통신부(740) 및 역채널 계수 계산부(730)를 포함할 수 있다. 전력 분배부(750)에서는 크기와 방향이 결정된 프리코딩 벡터를 정규화할 수 있다.
수학식 9는 각 단말로 할당된 빔의 전력을 나타낸다.
Figure pat00054
Figure pat00055
Figure pat00056
이때, 전력 분배량과 방향을 동시에 결정하면 기지국의 성능을 최대화할 수 있지만 복잡도가 증가하기 때문에 본 발명의 실시예에서는 빔의 방향을 먼저 설정하고 이후 빔의 전력을 분배한다.
먼저, 벡터 방향 설정부(720)에서는 채널 정보 저장부(610)로부터 전달 받은 채널 정보(h11, h12, h21, h22)를 이용하여 수학식 10을 계산함으로써 각 프리코딩 벡터의 방향을 설정할 수 있다.
Figure pat00057
Figure pat00058
이때, 수학식 10의 프리코딩 벡터가 ZF 방법에 따르는 이유는 높은 SNR인 다중 안테나 방송 채널 환경에서 ZF 방법으로 형성된 프리코딩 벡터가 최적화된 프리코딩 벡터에 비하여 성능 측면에서 큰 차이가 없기 때문이다. 또한, ZF 방법으로 빔의 방향을 설정하면 전력 분배도 용이하게 할 수 있다.
그리고, 수학식 10을 수학식 1에 대입하여 구한 수학식 11은 실질 역채널 계수를 계산하고, 전력을 분배하는데 사용될 수 있다.
Figure pat00059
Figure pat00060

수학식 11은 각 단말의 최대 전송률을 표현한 것이고, P21과 P22는
Figure pat00061
를 만족시킬 수 있다.
이때, 수학식 11의 P21 및 P22에 곱해진 곱셈 인자를 N21 및 N22라 하며, N21 및 N22는 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00062
Figure pat00063
곱셈 인자 N21 및 N22를 실질 역채널 계수라 하고, 역채널 계수 계산부(630)에서는 채널 정보(h11, h12, h21, h22 ), 배경 잡음의 분산값(σ) 및 헬퍼 기지국의 프리코딩 벡터 w11를 통하여 N21 및 N22를 계산할 수 있다. 이때 배경 잡음의 분산값은 각 단말에 대해서 단말1에 대한 σ1과, 단말2에 대한 σ2로 구분될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 실질 역채널 계수를 이용하여 P21과 P22를 분배할 수 있다. 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 헬피 기지국의 전력 분배 계획을 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 수학식 12를 통해 계산된 각 프리코딩 벡터의 실질 역채널 계수(N21 및 N22) 및 전력(P21과 P22)의 합이 같다(N21+P21=N22+P22).
즉, 도 8의 전력 분배 계획에서는 N21이 N22보다 큰 경우를 도시하고 있는데, 임의의 수평 레벨 ν를 설정한 후, 수평 레벨 ν와 실질 역채널 계수의 차이를 P21 및 P22로 결정한다. 이러한 방법을 워터-필링(water-filling) 기법이라 한다.
도 8에 도시된 본 발명의 한 실시 예에 따르면, N21이 N22보다 크므로 P21은 P22보다 작고, P21과 P22의 합은 P2가 되어야 하므로, 수학식 13과 같이 P21과 P22가 계산될 수 있다.
Figure pat00064
Figure pat00065
즉, 본 발명의 한 실시 예에 따르면 도 8에 도시된 워터-필링 기법을 통하여 실질 역채널 계수로부터 각 프리코딩 벡터에 할당될 전력이 결정되고, 최종적으로 단말1 및 단말2에 대한 프리코딩 벡터의 크기와 방향이 모두 결정된다.
이후, 정규화부에서 단말1 및 단말2에 대한 프리코딩 벡터를 각각 정규화하고, 헬피 기지국에서는 정규화된 프리코딩 벡터가 곱해진 신호를 단말1 및 단말2로 각각 전송한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 합 전송률을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 합 전송률이 가장 우수한 optimal은 기지국이 양방향 협력 채널을 통해 연결된 경우이다.
Figure pat00066
가 0인 경우는 ZF 방법에 따른 결과이고,
Figure pat00067
가 -∞인 경우는 MRT 방법에 따른 결과이다. 즉,
Figure pat00068
가 1 또는 10인 그래프가 본 발명의 실시 예가 적용된 경우이다.
이때, 도 9는 α와 β가 모두 0.4인 경우로서 간섭이 적절하게 존재하는 경우를 도시하고 있고, 도 10은 α와 β가 모두 0.9인 경우로서 간섭이 많이 존재하는 경우를 도시하고 있다.
도 9 및 도 10에서 공통적으로
Figure pat00069
가 1 또는 10인 경우에 ZF 또는 MRT 방법에 의한 경우보다 더 높은 합 전송률을 나타내고 있다. 또한, 전력 레벨이 증가할수록,
Figure pat00070
가 1 또는 10의 그래프가 기지국이 양방향 협력 채널을 통해 연결된 경우를 나타낸 "Optimal" 그래프에 근접해짐을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 기지국은 소정 이상 전력 레벨이 증가하는 환경에서 기존의 ZF 또는 MRT 방법에 따른 빔형성보다 더욱 나은 성능을 보이고 있고, 전력 레벨이 증가할수록 양방향 협력 채널에 근접한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
이상, 위에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 적은 계산으로 빔의 방향을 결정하고 전력을 분배할 수 있어 일방향 협력 상황에서 적은 비용으로 기지국을 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 기지국은 일방향 협력 채널을 통해 다른 기지국에서 전송하는 신호에 의한 간섭과 다른 단말로 전송하는 신호에 의한 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 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 (18)

  1. 기지국에서 빔을 형성하는 방법으로서,
    복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 상기 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 상기 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계,
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 선형 조합하여 제3 프리코딩 벡터를 생성하는 단계,
    상기 제3 프리코딩 벡터를 정규화하는 단계, 그리고
    상기 제1 단말로 송신할 신호에 정규화된 제3 프리코딩 벡터를 곱하여 빔을 형성하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계는,
    최대 비 전송(maximum ratio transmission, MRT) 방법으로 상기 제1 프리코딩 벡터를 계산하는 단계, 그리고
    제로-포싱(zero-forcing, ZF) 방법으로 상기 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 제3 프리코딩 벡터에 관한 정보를 일방향 협력 채널을 통해 상기 기지국의 인접 기지국으로 전송하는 단계
    를 더 포함하는 빔형성 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 제3 프리코딩 벡터를 생성하는 단계는,
    상기 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 선형 조합을 위한 선형 조합 계수(λ)를 계산하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  5. 제4항에서,
    상기 선형 조합 계수(λ)는 수학식
    Figure pat00071
    에 따라 계산되는 빔형성 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 단말은 상기 기지국의 커버리지의 내부에 위치하는 단말이고, 상기 제2 단말은 상기 기지국의 커버리지의 외부에 위치하는 단말인 빔형성 방법.
  7. 기지국에서 빔을 형성하는 방법으로서,
    복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 상기 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 상기 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 단계,
    상기 제1 단말 및 상기 제2 단말에 대한 전력을 분배하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 단계, 그리고
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 방향과 크기를 토대로 상기 제1 단말 및 상기 제2 단말로 전송할 빔을 형성하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 단계는,
    제로-포싱(zero-forcing) 방법을 이용하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  9. 제7항에서,
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 단계는,
    상기 기지국의 인접 기지국으로부터 상기 인접 기지국에서 계산된 제3 프리코딩 벡터를 수신하는 단계,
    상기 채널 정보, 상기 제3 프리코딩 벡터, 그리고 배경잡음의 분산값을 이용하여 상기 제1 단말 및 상기 제2 단말에 대한 실질 역채널 계수를 각각 계산하는 단계, 그리고
    상기 실질 역채널 계수를 이용하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계는,
    상기 실질 역채널 계수를 이용하여 워터-필링(water-filling) 기법을 통해 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  11. 제7항에서,
    상기 제1 단말은 상기 기지국의 커버리지 및 상기 인접 기지국의 커버리지의 내부에 위치하고 있고, 상기 제2 단말은 상기 기지국의 커버리지의 내부 및 상기 인접 기지국의 커버리지의 외부에 위치하고 있는 빔형성 방법.
  12. 제7항에서,
    상기 제1 단말 및 상기 제2 단말로 전송할 빔을 형성하는 단계는,
    크기와 방향이 결정된 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 정규화하는 단계
    를 포함하는 빔형성 방법.
  13. 복수의 단말 중 적어도 하나의 단말로 전송할 빔을 형성하는 기지국으로서,
    상기 복수의 단말로부터 수신한 채널 정보를 바탕으로 상기 복수의 단말 중 제1 단말에 대한 제1 프리코딩 벡터 및 상기 복수의 단말 중 제2 단말에 대한 제2 프리코딩 벡터의 방향을 설정하는 벡터 방향 설정부,
    상기 제1 단말 및 상기 제2 단말에 대한 전력을 분배하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터의 크기를 설정하는 전력 분배부, 그리고
    크기와 방향이 결정된 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 정규화하는 정규화부
    를 포함하는 기지국.
  14. 제13항에서,
    상기 벡터 방향 설정부는,
    제로-포싱(zero-forcing) 방법을 이용하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터를 계산하는 기지국.
  15. 제13항에서,
    상기 전력 분배부는,
    상기 기지국의 인접 기지국으로부터 상기 인접 기지국에서 계산된 제3 프리코딩 벡터를 수신하는 기지국 통신부, 그리고
    상기 채널 정보, 상기 제3 프리코딩 벡터, 그리고 배경잡음의 분산값을 이용하여 상기 제1 단말 및 상기 제2 단말에 대한 실질 역채널 계수를 각각 계산하는 역채널 계수 계산부를 포함하고,
    상기 실질 역채널 계수를 이용하여 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 기지국.
  16. 제15항에서,
    상기 전력 분배부는,
    상기 실질 역채널 계수를 이용하여 워터-필링(water-filling) 기법을 통해 상기 제1 프리코딩 벡터 및 상기 제2 프리코딩 벡터에 전력을 할당하는 기지국.
  17. 제13항에서,
    상기 제1 단말은 상기 기지국의 커버리지 및 상기 인접 기지국의 커버리지의 내부에 위치하고 있고, 상기 제2 단말은 상기 기지국의 커버리지의 내부 및 상기 인접 기지국의 커버리지의 외부에 위치하고 있는 빔형성 방법.
  18. 제15항에서,
    상기 채널 정보를 저장하고, 저장된 채널 정보를 상기 벡터 방향 설정부 및 상기 역채널 계수 계산부로 전달할 수 있는 채널 정보 저장부
    를 더 포함하는 기지국.
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