KR20140145357A - 쌍방향 릴레이 장치 및 그에 의한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예들은 단일 안테나를 구비하는 단말과 릴레이가 존재하는 쌍방향 릴레이 시스템에서 채널 정보를 정확하게 알고 있지 못한 경우에도 채널 정보를 추정하고, 그 추정된 정보를 바탕으로 릴레이 필터를 설계할 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 쌍방향 릴레이 시스템의 릴레이 장치는: 적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신하는 수신기; 상기 수신 신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스 및 프리코더를 계산하는 제어부; 및 상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신하는 송신기를 포함한다.

Description

쌍방향 릴레이 장치 및 그에 의한 방법{TWO-WAY RELAY APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 릴레이 시스템에 관한 것으로, 특히 쌍방향 릴레이 시스템에 관한 것이다.
다중 셀 시스템 내에서 통신이 이루어지는 디바이스간 직접(device-to-device, D2D) 시스템 혹은 애드 혹(Ad-Hoc) 네트워크에는 쌍방향 릴레이(two-way relay system)가 포함될 수 있다. 이러한 쌍방향 릴레이를 포함하는 통신시스템(이하 '쌍방향 릴레이 시스템'이라 칭함)에서, 지형적으로 가까이 있는 무선 환경하의 단말들은 소위 증폭 및 전송(amplify-and-forward, AF) 프로토콜을 사용하는 쌍방향 릴레이를 통해 신호를 송수신하게 된다.
쌍방향 릴레이 시스템은 단방향 릴레이 시스템에 비해서 주파수 대역의 효율성(spectral efficiency)을 대략 2배 정도 향상시킬 수 있다. 이러한 성능 향상은 첫 번째 타임 슬롯(time slot)에서 두 개의 단말이 동시에 릴레이에 정보를 송신하고, 두 번째 타임 슬롯에서 릴레이가 그 정보를 다시 단말들에게 송신하는 과정을 거쳐서 얻을 수 있다. 이때 각 단말들은 자기가 송신한 신호가 릴레이를 거쳐 다시 수신될 때 발생하는 자기 간섭을 제거(self-interference cancellation, SIC) 할 수 있다. 하지만 쌍방향 릴레이 시스템의 경우, SIC와 릴레이 필터 디자인을 위해서 채널 정보를 정확하게 알고 있다고 가정하고 제안되는 릴레이 필터 디자인 기법들이 대부분이다. 예를 들어, 논문들 N. Lee, H. Park, and J. Chun, "Linear precoding and decoder design for two-way AF MIMO relaying system", Proc. ICC 08, 2008. 및 G. Li, Y. Wang, and P. Zhang, "Optimal linear MMSE beamforming for two-way multiantenna relay systems", IEEE Communications Letters, May, 2011.에는 채널 정보를 정확하게 알고 있다는 가정하에 반복적으로 릴레이 필터와 SIC에 상응하는 행렬을 구하는 방법들이 제안되었다.
한편, 쌍방향 릴레이 시스템이 실제 시스템에서 제대로 동작하여 효과를 보기 위해서는 채널 정보를 어떻게 추정할 수 있고, 그 추정된 정보를 바탕으로 어떻게 릴레이 필터를 설계할 수 있는지가 중요한 문제이다. 논문 G. Wang, F. Gao, Y. -C. Wu, and C. Tellambura, "Joint CFO and channel estimation for OFDM-based two-way relay networks", IEEE Transactions on Wireless Communications, Feb., 2011.은 모든 단말과 릴레이가 한 개의 안테나를 가지고 있는 상황하에서, SIC를 성공적으로 수행하기 위한 채널 추정 방법을 제안하였다. 하지만 이 채널 추정 방법은 다수개의 안테나가 존재하는 시스템으로 확장하는 것이 힘들다. 따라서 위와 같은 한계들을 해결하며, 쌍방향 릴레이의 성능을 크게 향상시킬 수 있는, 릴레이 필터 디자인과 채널 추정을 통하여 효과적으로 SIC를 수행할 수 있는 기법이 제안될 필요가 있다.
[문헌 1] N. Lee, H. Park, and J. Chun, "Linear precoding and decoder design for two-way AF MIMO relaying system", Proc. ICC 08, 2008. [문헌 2] G. Li, Y. Wang, and P. Zhang, "Optimal linear MMSE beamforming for two-way multiantenna relay systems", IEEE Communications Letters, May, 2011. [문헌 3] G. Wang, F. Gao, Y. -C. Wu, and C. Tellambura, "Joint CFO and channel estimation for OFDM-based two-way relay networks", IEEE Transactions on Wireless Communications, Feb., 2011.
따라서, 본 발명의 실시 예들은 단일 안테나를 구비하는 단말과 통신하는 다수의 안테나를 구비하는 쌍방향 릴레이 및 그에 의한 신호 처리 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예들은 쌍방향 릴레이 시스템에서 채널 정보를 정확하게 알지 못하는 경우에도 채널을 추정하고 릴레이 필터를 설계할 수 있도록 하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 실시 예들은 평균제곱에러를 최소화하는 쌍방향 릴레이 및 그에 의한 신호 처리 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 쌍방향 릴레이 시스템의 릴레이 장치는: 적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신하는 수신기; 상기 수신 신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스 및 프리코더를 계산하는 제어부; 및 상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신하는 송신기를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 쌍방향 릴레이 시스템의 릴레이에 의한 동작 방법은: 적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신하는 과정; 상기 수신 신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스 및 프리코더를 계산하는 과정; 및 상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 실시예들은 단일의 안테나를 구비하는 단말과 다수의 안테나를 구비하는 릴레이가 존재하는 쌍방향 릴레이 시스템에서 채널 정보를 정확하게 알고 있지 못한 경우에도 채널 정보를 추정하고, 그 추정된 정보를 바탕으로 릴레이 필터를 설계할 수 있도록 한다. 이때 릴레이의 수신기 필터와 송신기 필터(프리코더)가 구분되어 설계된다. 이러한 릴레이 필터의 설계와 채널 추정을 통해 단말은 효과적으로 자기간섭제거(SIC)를 수행할 수 있다.
본 개시 및 그의 효과에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부되는 도면들을 참조하여 하기의 설명들이 이루어질 것이고, 여기서 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예들이 적용되는 쌍방향 릴레이 시스템의 구성의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 쌍방향 릴레이 시스템의 간략화된 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 릴레이의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 릴레이에 의한 신호 처리 동작과 연계하는 단말에서의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 릴레이에 의한 신호 처리 동작과 연계하는 단말에서의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 실시예들에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프들이다.
이 특허문서에서 본 개시의 원리들을 기술하기 위해 사용되어지는, 하기에서 논의되는 도 1 내지 도 10c와 다양한 실시예들은 단지 실례를 보여주기 위한 것이지, 개시의 범위를 제한하는 어떠한 것으로도 해석되어져서는 아니된다. 당해 분야에서 숙련된 자는 본 개시의 원리들이 적절하게 배치된 쌍방향 릴레이 시스템에서 구현되어질 수도 있음을 이해할 것이다.
하기에서 설명될 본 발명의 실시예들은 D2D 시스템 또는 애드혹 네트워크와 같은 다중 셀 시스템에 포함될 수 있는 쌍방향 릴레이 및 그에 의한 신호 처리 방법에 관한 것이다. 하기에서는, 단말들이 한 개의 안테나를 가지고 있고, 릴레이가 다수개(예; Nr개)의 안테나를 가지고 있으며 증폭 및 전송 프로토콜에 따라 신호를 처리하는 쌍방향 AF 릴레이 시스템이 고려될 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 다수 개의 안테나를 가지는 단말에도 동일하게 적용될 것임에 유의하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 쌍방향 릴레이는 순방향 채널(forward channel)과 역방향 채널(backward channel)이 같은 경우에 적용되는 인밴드 릴레이(inband relay)일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 쌍방향 릴레이는 순방향 채널과 역방향 채널이 다른 경우에는 적용되는 아웃밴드 릴레이(outband relay)일 수 있다. 여기서, 순방향 채널은 단말에서 릴레이로의 송신 채널을 의미하며, 역방향 채널은 릴레이에서 단말로의 송신 채널을 의미한다. 그리고 하기에서 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 다음과 같은 수학 표기들 및 약어들이 사용될 것이다.

tr(
Figure pat00001
) 또는 Tr(
Figure pat00002
) : 정방 행렬의 대각합(trace)
(
Figure pat00003
)T : 행렬 또는 벡터의 전치(transpose)
(
Figure pat00004
)H : 행렬 또는 벡터의 전치(complex conjugate transpose)
(
Figure pat00005
)* : 행렬 또는 벡터의 전치(conjugate)
(
Figure pat00006
)-1 : 정방 행렬의 전치(inversion)
│ q │ : q의 절대값
∥ q ∥ : q의 놈(norm)
SIC: 자기간섭제거(Self-Interference Cancellation)
MSE : 평균제곱오차(Mean Square Error)
SRS : 사운딩 기준신호(Sounding Reference Signal)
URS : 사용자 특정 기준신호(User-specific Reference Signal)
PMI : 프리코딩 매트릭스 인덱스(Precoding Matrix Index)
도 1은 본 발명의 실시예들이 적용되는 쌍방향 릴레이 시스템의 구성의 일 예를 보여주는 도면이다. 이 도면은 셀룰라 시스템에서 쌍방향 릴레이가 사용된 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 셀룰라 시스템은 기지국 10, 단말 100 및 릴레이 200을 포함하여 구성된다. 제1 시점(1st phase)(또는 1st time slot)에서 기지국 10 및 단말 100은 릴레이 200으로 신호를 송신한다. 제2 시점(2nd phase)(또는 2nd time slot)에서 릴레이 200은 수신한 신호에 릴레이 필터 또는 행렬(filter or matrix)을 곱하여 기지국 10 및 단말 100에 송신한다. 예를 들면, 릴레이 200은 AF 프로토콜에 따라 신호를 처리하는 쌍방향 릴레이이다.
도 2는 도 1에 도시된 쌍방향 릴레이 시스템의 간략화된 구성을 보여주는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 제1 시점(1st phase)에서 릴레이 200은 제1 단말 M1 110 및 제2 단말 M2 120으로부터 신호를 수신한다. yr은 릴레이 200에서 수신되는 신호이다. h1은 제1 단말 M1 110으로부터 릴레이 200으로 송신하는 순방향 채널이고, h2는 제2 단말 M2 120으로부터 릴레이 200으로 송신하는 순방향 채널이다.
도 2의 (b)를 참조하면, 제2 시점(2nd phase)에서 릴레이 200은 수신 신호 yr에 릴레이 행렬 Q를 곱하여 제1 단말 M1 110 및 제2 단말 M2 120으로 신호를 송신한다. hb1은 릴레이 200으로부터 제1 단말 M1 110으로 송신하는 역방향 채널이고, hb2는 릴레이 200으로부터 제2 단말 M2 120으로 송신하는 역방향 채널이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단말 110에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h1과 릴레이 200에서 단말 110으로의 역방향 채널 hb1이 동일하고, 단말 120에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h2와 릴레이 200에서 단말 120으로의 역방향 채널 hb2가 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단말 110에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h1과 릴레이 200에서 단말 110으로의 역방향 채널 hb1이 서로 다르고, 단말 120에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h2와 릴레이 200에서 단말 120으로의 역방향 채널 hb2가 서로 다르다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 릴레이 200의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 릴레이 200은 수신기 210, 송신기 220 및 제어기 205를 포함한다. 수신기 210은 단말들 110,120으로부터의 신호를 수신한다. 송신기 220은 단말들 110,120으로 신호를 송신한다. 제어기 205는 릴레이 200의 전반적인 신호 처리 동작을 제어한다. 예를 들어, 제어기 205는 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 인밴드 릴레이를 위한 동작을 제어한다. 다른 예로, 제어기 205는 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 아웃밴드 릴레이를 위한 동작을 제어한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 수신기 210은 적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신한다. 제어부 205는 수신 신호를 바탕으로 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스(
Figure pat00007
) 및 프리코더(
Figure pat00008
)를 계산한다. 송신기 220은 상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어부 205는 수신 신호에 포함된 자기간섭제거(SIC) 지시자를 바탕으로 단말에서 자기간섭 제거가 가능한지 여부를 판단한다. 제어부 205는 단말에서 자기간섭 제거가 가능한 경우, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호를 프리코드화한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제어부 205는 수신 신호에 포함된 프리코딩 매트릭스 인덱스(PMI)를 바탕으로 프리코더를 계산한다. 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는 단말에 의해 계산된 후 피드백되는 제어 신호에 포함된다. 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는 단말이 릴레이 200으로부터의 역방향 채널을 추정하고 추정 결과를 바탕으로 하여 계산된다.
제어부 205는, 수신 신호에 포함된 사운딩 기준신호를 바탕으로 단말 사이의 채널을 추정한다. 제어부 205는 상기 사운딩 기준신호가 제거되고, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호를 프리코드화한다.
< 인밴드 릴레이(Inband Relay) >
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인밴드 릴레이에 의한 신호 처리 동작을 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단말 110에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h1과 릴레이 200에서 단말 110으로의 역방향 채널 hb1이 동일하고, 단말 120에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h2와 릴레이 200에서 단말 120으로의 역방향 채널 hb2가 동일하다. 이를 수식적으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00009
릴레이 200에서 수신되는 신호 yr과, 제1 단말 110에서 수신되는 신호 y1과, 제2 단말 120에서 수신되는 신호 y2는 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00010
여기서, Q는 릴레이 200이 채널 정보 등을 바탕으로 계산하는 릴레이 필터(또는 릴레이 행렬)를 나타내며, nr은 릴레이 200에서의 노이즈 벡터이고, n1,n2는 각각 제1 단말 110과 제2 단말 120에서 보이는 노이즈 값이다. 여기서, 각 노이즈 원소들은 평균이 0이고 분산은 1을 가지는 복소 가우시안(complex Gaussian)으로 가정한다. 상기 수학식 2에서
Figure pat00011
및
Figure pat00012
은 각 단말들 110,120이 릴레이 200에 송신한 자기 신호가 릴레이 200을 거쳐 다시 자신에게 들어오는 자기 간섭(self-interference)에 해당한다. 각 단말들 100,120은 자신이 보낸 데이터를 알고 있기 때문에, 릴레이 200을 통과한 유효 채널(effective channel) 정보만을 알아낼 수 있다면, 자기 간섭을 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 각 단말들 110,120은 자기간섭제거(self-interference cancellation, SIC)을 수행할 수 있다. 예를 들어, 단말 110은 유효 채널 정보
Figure pat00013
를 알아낼 수 있다면, SIC를 수행할 수 있고, 단말 120은 유효 채널 정보
Figure pat00014
를 알아낼 수 있다면, SIC를 수행할 수 있다.
이하에서는 위의 수학식 1을 이용하여, 평균제곱에러(mean square error: MSE)를 최소화하는 릴레이 필터를 디자인하는 내용이 기술될 것이다. MSE를 최소화 하는 문제는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
수학식 3에서 yd는 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있는데, 이는 수학식 2의 y1에 대한 수식 및 y2에 대한 수식을 벡터 형식으로 한꺼번에 표현한 결과에 해당한다.
Figure pat00016
수학식 4에서
Figure pat00017
,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
, B는 는 SIC에 상응하는 행렬이며
Figure pat00020
와 같이 정의되며, F는 스위칭 행렬로서
Figure pat00021
로 정의된다.
다시 수학식 3에서, Ryr는
Figure pat00022
로 정의되는 릴레이 수신 신호의 공분산(covariance) 행렬이고, 여기서
Figure pat00023
이다.
Figure pat00024
는 각 단말의 송신 전력이다.
위의 행렬 B에 대한 정의로부터 알 수 있는 바와 같이, Q와 B는 서로 상관 관계에 있다. 따라서 수학식 3을 직접적으로 푸는 문제는 매우 어려우며, 기존의 기법의 경우 반복적으로 최적화하는 방식으로 아주 높은 복잡도를 필요로 하며, 도출되는 솔루션은 시스템 이해를 위한 통찰(insight)을 제공하지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 릴레이 Q를 구하기 위하여, 먼저 B가 고정되어 있는다고 가정하고, 수학식 3에 대하여 랑그랑제(Lagrangian) 함수를 적용한다. 랑그랑제 함수를 적용하면 수학식 3은 다음의 수학식 5과 같다.
Figure pat00025
수학식 5을 최소화하는 솔루션을 찾기 위하여 KKT(Karush-Kuhn-Tucker) 조건(condition)을 이용한다. KKT 조건은 다음의 수학식 6과 같다.
Figure pat00026
수학식 6에 나타낸 4가지 조건들을 만족시키는 해는 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
로 정의되며,
Figure pat00029
는 릴레이 필터의 전력제한을 맞추기 위한 스케일링 변수이다.
수학식 7을 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 릴레이 필터 Q는 릴레이 수신필터 L과 릴레이 송신필터 P로 나눌 수가 있다.
수학식 7과 같이 구해진 필터를 이용하여, SIC에 상응하는 행렬 B를 구할 수 있다. 이를 위하여 다음의 수학식 8과 같은 에러 공분산(error covariance) 행렬을 고려한다.
Figure pat00030
수학식 8을 전개하게 되면 다음의 수학식 9가 얻어진다.
Figure pat00031
수학식 9에서, 두 번째 근사는 높은(high) 신호대잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)에서의 릴레이 수신 신호의 공분산 행렬이 단말 송신 신호의 공분산 신호로 근사되는 성질을 이용한 것이며, 이는 다음의 수학식 10과 같이 나타내진다.
Figure pat00032
수학식 9의 근사식을 이용하면 수학식 8을 최소화하는 SIC 상응 행렬 B를 구할 수 있게 된다. 수학식 9는 Rx가 대각 행렬이라는 조건하에 B에 대하여 볼록(convex) 함수이다. 따라서 수학식 9에 대하여 2차 방정식의 해를 구함으로써, 수학식 9를 최소화하는 B를 구할 수 있게 된다. 구해진 해는 다음의 수학식 11과 같다.
Figure pat00033
수학식 11에서,
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
.
여기서 중요한 점은 기존 기법과는 다르게, 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 기법에서는 릴레이 필터 Q와 SIC 상응 행렬 B가 서로 독립적이라는 사실이다. 따라서, 반복적으로 최적화하는 과정을 생략할 수 있으며, closed form 솔루션을 찾아 낼 수 있다.
지금까지 살펴본 MMSE 릴레이 디자인의 경우, 릴레이 필터 설계를 위해서는 릴레이에서 h1,h2의 정보가 필요하다. 또한, 단말에서 완벽하게 SIC를 수행하기 위해서 h1,h2의 정보가 필요하다. 하지만 단말들이 완벽하게 채널 정보를 알기 위해서는 기존의 채널 추정 알고리즘을 이용하여야 하며, 이 과정에서 많은 타임슬롯(time slot)을 필요로 하기 때문에 시스템 오버헤드(overhead)가 매우 커지게 된다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따라 제안하는 MMSE 릴레이 필터를 이용하여 SIC를 구현할 수 있는 새로운 방법을 제시하기로 한다.
도 4에 도시된 제1 단말 110에서 수신된 신호를 표현하면 다음의 수학식 12와 같다.
Figure pat00038
수학식 12에서, 3번째 수식은 수학식 7을 수학식 12에 대입하여 전개한 결과이며,
Figure pat00039
이다.
High SNR 가정하에서,
Figure pat00040
으로 근사될 수 있다면, SIC를 적용하면, 다음의 수학식 13을 얻게 된다.
Figure pat00041
수학식 13에서 알 수 있듯이, h1,h2의 정보를 각각 알 필요는 없다. 제안하는 SIC를 이용할 경우, 유효(effective) 채널 정보
Figure pat00042
만 알면 되므로, 시스템 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 따라서 이러한 유효 채널 정보를 알 수 있는 채널 획득 방법을 제안한다.
다시 도 4의 (a)를 참조하면, 이는 쌍방향 릴레이 200의 1st phase에 해당한다. 이 단계에서 각 단말들 110,120은 릴레이 200가 채널을 추정할 수 있도록, 서로 직교(orthogonal)한 사운드(sound) 시퀀스(또는 기준신호(reference signal)) s1,s2를 릴레이 200에 전송한다. 그러면 릴레이 200은 수신된 사운드 시퀀스를 바탕으로 채널 h1,h2을 추정한다. 그리고, 릴레이 200은 채널 추정 결과를 바탕으로 최소 MSE 릴레이 필터 Q를 계산한다.
도 4의 (b)를 참조하면, 2nd phase에서 릴레이 200은 릴레이 수신필터(L) 210을 통과한 단말의 송신 사운딩 신호들을 제거한다. 이 신호는 y에 해당한다. 그 후, 릴레이 200은 사용자 특정 기준신호(user-specific reference signal, URS)를 추가하여, 릴레이 필터 송신부(
Figure pat00043
) 220을 거쳐 단말들 110,120에 송신한다.
그러면, 각 단말들 110,120은 수신된 URS를 바탕으로 자신에게 수신되는 유효 채널
Figure pat00044
을 추정한다. 이와 같이 유효 채널을 추정하게 되면, 본 발명의 실시예에 따라 제안되는 SIC 방법을 구현할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 502단계에서 릴레이 200은 상향링크(uplink, UL) 승인(grant) 신호를 이동 단말들의 쌍 110,120으로 송신한다.
504단계에서, 릴레이 200은 이동 단말들 110,120이 송신하는 신호를 수신한다. 이때 수신 신호는 SRS(Sounding Reference Signal) 및 SIC(self-interference cancellation) 지시자를 포함하는 신호이다.
506단계에서, 릴레이 200은 수신된 SRS를 이용하여 단말들 100,120 사이의 채널들에 대한 채널 계수들을 추정하고, 추정된 채널 계수들을 이용하여 릴레이 수신기 L을 계산한다.
508단계에서, 릴레이 200은 수신된 SIC 지시자를 이용하여 SIC가 사용가능한지 여부를 확인한다. SIC가 사용가능한 것으로 확인된 경우, 510단계에서 릴레이 200은 P(B≠0)를 계산하고, URS(user-specific reference signal)을 삽입한다. SIC가 사용가능하지 않은 것으로 확인된 경우, 512단계에서 릴레이 200은 P(B=0)를 계산하고, URS(user-specific reference signal)을 미삽입한다.
514단계에서, 릴레이 200은 프리코드화된 신호 Py를 단말들 110,120으로 송신한다.
도 6은 도 5에 도시된 릴레이에 의한 신호 처리 동작과 연계하는 단말에서의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
602단계에서, 단말들 110,120은 SRS(Sounding Reference Signal) 및 SIC(self-interference cancellation) 지시자를 포함하는 신호를 릴레이 200으로 송신한다. 이 602단계는 도 5의 504단계에 대응한다.
604단계에서, 단말들 110,120은 유효 채널을 추정하고, SIC 지시자에 따라 SIC를 수행한다. 유효 채널은 수신된 신호에 포함된 URS를 이용하여 추정될 수 있다. 이 604단계는 도 5의 514단계에 대응한다.
606단계에서, 단말들 110,120은 수신된 신호로부터 원하는 신호를 검출한다.
< 아웃밴드 릴레이(Outband Relay) >
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작을 보여주는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단말 110에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h1과 릴레이 200에서 단말 110으로의 역방향 채널 hb1이 서로 다르고, 단말 120에서 릴레이 200으로의 순방향 채널 h2와 릴레이 200에서 단말 120으로의 역방향 채널 hb2가 서로 다르다(
Figure pat00045
). 이러한 아웃밴드 릴레이는 FDD(Frequency Division Duplex)시스템과 관련이 있다.
아웃밴드 릴레이의 경우, MMSE(minimum mean square error) 기반의 최적의 릴레이 필터 디자인을 위해서, H,G의 정보를 모두 알아야 한다. 즉 순방향 채널과 역방향 채널을 모두 알아야 한다. 이러한 H,G를 이용하면, 최적의 MMSE 필터를 다음의 수학식 14와 같이 구할 수 있다. 이는 앞서 인밴드 릴레이 필터를 구할 때와 동일한 방식으로 구할 수 있다.
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
이다.
인밴드 릴레이와 유사하게 아웃밴드 릴레이 필터를 송신필터부분
Figure pat00048
와 수신필터 부분
Figure pat00049
로 나눌 수 있다.
하지만, 모든 채널 정보를 알기 위해서 행하게 되는 채널 추정 과정은 시스템에 많은 오버헤드를 주게 되므로 실용적이라고 하기 어렵다. 통상적으로 순방향 채널의 경우, 각 단말의 사운딩 시퀀스를 가지고 추정할 수 있으며, 역방향 채널의 경우, 릴레이의 사운딩 시퀀스를 이용하여 각 단말이 추정하고 이를 다시 릴레이에 알려주는 방식으로 릴레이가 H,G의 정보를 취득할 수 있다. 따라서 본 발명의 다른 실시예는, 좀더 실용적인 측면에서 아웃밴드 릴레이의 필터 디자인을 위한 양자화 선처리 기법을 제안한다.
도 7의 (a)를 참조하면, 1st phase 단계에서 각 단말들 110,120은 릴레이 200에서 송신한 상향링크 승인(Uplink-grant, UL-grant) 신호를 바탕으로, 릴레이 200에서 각 단말들 110,120으로의 역방향 채널(
Figure pat00050
)을 추정한다. 그 후 각 단말들 110,120은 릴레이 200에 limited feedback으로 프리코딩 매트릭스 인덱스(precoding matrix index, PMI) 정보(예를 들어 B 비트)를 릴레이 200에 전송한다. 그러면 릴레이 200은 코드북(codebook) 정보를 바탕으로 릴레이 선처리 필터를 설계한다. 이제 최적의 성능을 위하여 피드백 정보를 정하는 방법을 설명하도록 한다.
제1 단말 110의 수신 신호는 다음의 수학식 15와 같다.
Figure pat00051
수학식 15의 두 번째 근사는 high SNR 근사로부터 계산되었다. SIC 과정을 거친 신호를 최대화 하기 위하여 각 단말 i는 다음의 수학식 16과 같이 PMI k를 정한다.
Figure pat00052
도 7의 (b)를 참조하면, 2nd phase에서 각 단말들 110,120은 구해진 코드북 인덱스(codebook index) k를 릴레이 200에 제한 피드백(limited feedback) 방식으로 전달한다. 릴레이 200은 수신된 코드북 인덱스(codebook index) k를 바탕으로 다음의 수학식 17과 같이 릴레이 송신 필터를 구한다.
Figure pat00053
PMI 정보는 제어(control) 시그널에 실려 릴레이 200에 보내지게 된다. 또한, 각 단말들 110,120은 SRS(sounding reference signal)을 심은 데이터 시그널을 릴레이 200에 전송한다. 릴레이 200은 수신된 PMI를 바탕으로 릴레이 송신 필터를 구성하며, SRS를 바탕으로 단말들 110,120에서 릴레이 200으로 송신하는 순방향 채널(forward 채널
Figure pat00054
)를 추정하며, 이 추정된 순방향 채널을 바탕으로 릴레이 수신필터
Figure pat00055
를 디자인한다.
도 7의 (c)를 참조하면, 3rd phase에서 릴레이 200은 인밴드 릴레이와 비슷하게, 도 4의 수신부 210을 통과한 신호에서 SRS를 제거하고 URS를 심어 릴레이 송신부 220을 거쳐 신호를 전송한다. 마지막으로 각 단말들 110,120은 수신된 URS를 바탕으로 추정된 유효 채널을 이용하여 다음의 수학식 18과 같이 SIC를 수행한다.
Figure pat00056
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 릴레이에 의한 신호 처리 동작의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 802단계에서 릴레이 200은 상향링크(uplink, UL) 승인(grant) 신호를 이동 단말들의 쌍 110,120으로 송신한다.
803단계에서, 릴레이 200은 이동 단말들 110,120이 송신하는 PMI 정보를 수신한다. 다음에 804단계에서, 릴레이 200은 이동 단말들 110,120이 송신하는 신호를 수신한다. 이때 수신 신호는 SRS(Sounding Reference Signal)를 포함하는 신호이다.
806단계에서, 릴레이 200은 수신된 SRS를 이용하여 단말들 100,120 사이의 채널들에 대한 채널 계수들을 추정하고, 추정된 채널 계수들을 이용하여 릴레이 수신기 L을 계산하고, PMI를 바탕으로 릴레이 프리코더 P를 구성한다.
808단계에서, 릴레이 200은 프리코드화된 신호 Py를 단말들 110,120으로 송신한다.
도 9는 도 8에 도시된 릴레이에 의한 신호 처리 동작과 연계하는 단말에서의 처리 흐름을 보여주는 도면이다.
902단계에서, 단말들 110,120은 역방향 채널을 추정하고, PMI를 계산한다. 계산된 PMI에 대한 정보는 릴레이 200으로 송신된다. 다음에, 903단계에서 단말들 110,120은 SRS(Sounding Reference Signal)를 포함하는 신호를 릴레이 200으로 송신한다. 이 903단계는 도 8의 804단계에 대응한다.
904단계에서, 단말들 110,120은 유효 채널을 추정하고, SIC를 수행한다. 유효 채널은 수신된 신호에 포함된 URS를 이용하여 추정될 수 있다. 이 904단계는 도 8의 808단계에 대응한다.
906단계에서, 단말들 110,120은 수신된 신호로부터 원하는 신호를 검출한다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 실시예들에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프들이다. 시뮬레이션시 채널은 레일레이 페이딩(Rayleigh fading)이 고려되었다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인밴드 릴레이 시스템의 성능을 나타낸다. 도면에서 Naive는 릴레이에서 아무런 선처리를 행하지 않은 방식을 나타낸다. Optimal은 문헌 [2]에서 제안된 반복적으로 릴레이 필터를 디자인하는 방식을 나타낸다. Opt-SIC는 단말에서 모든 채널과 릴레이 필터를 알고 있어 완벽하게 SIC를 행하는 경우를 나타내며, P-SIC는 제안하는 SIC 방식을 나타낸다. 도면에서 알 수 있듯이, 제안하는 릴레이 필터 디자인과 제안하는 SIC 신호처리 기법이 복잡한 과정을 거쳐 최적화된 필터 디자인과 모든 채널 정보를 알고 있어야 구현 가능한 SIC 방식을 이용한 방식의 성능과 거의 동일한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
각 방식의 필요한 채널 정보는 다음의 표 2와 같다.
Relay Mobile 1
Optimal
(Opt-SIC)
Figure pat00057
Figure pat00058
Proposed
(P-SIC)
Figure pat00059
Figure pat00060
도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아웃밴드 릴레이 시스템의 성능을 나타내는 도면으로, 각 단말이 자신에게 들어오는 채널 정보만 알고 있는 상황에서 시뮬레이션 한 결과이다. 피드백을 위해서 그래스매니안 코드북(Grassmannian codebook)이 사용되었다. 여기서 Optimal은 모든 채널 정보를 가지고 있는 경우에서의 최적의 성능을 나타내는 레퍼런스 커브(reference curve)이다. naive 기법의 경우 SIC를 실행할 수 없기 때문에, SNR이 증가하게 됨에 따라서 MSE가 점차 증가하게 된다. 반면에, 제안하는 양자화 릴레이 필터 기법의 경우 2비트 피드백만으로도 optimal에 근접하는 성능을 보임이 확인되었다.
도 10c는 단말이 모든 채널 정보를 가지고 있는 경우에서 시뮬레이션 한 결과이다. 제안하는 기법이 naive 기법에 비해서 여전히 더 좋은 성능을 보임이 확인되었다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들은 단일의 안테나를 구비하는 단말과 다수개의 안테나를 구비하는 릴레이가 존재하는 쌍방향 릴레이 시스템에서 채널 정보를 정확하게 알고 있지 못한 경우에도 채널 정보를 추정하고, 그 추정된 정보를 바탕으로 릴레이 필터를 설계할 수 있도록 한다. 이때 릴레이의 수신기 필터와 송신기 필터(프리코더)가 구분되어 설계된다. 이러한 릴레이 필터의 설계와 채널 추정을 통해 단말은 효과적으로 자기간섭제거(SIC)를 수행할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
110,1200: 단말
200: 릴레이
205: 제어기
210: 송신기
220: 수신기

Claims (20)

  1. 쌍방향 릴레이 시스템의 릴레이 장치에 있어서:
    적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신하는 수신기;
    상기 수신 신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스 및 프리코더를 계산하는 제어부; 및
    상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신하는 송신기를 포함하는, 릴레이 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수신 신호를 바탕으로 상기 프리코더를 계산하는, 릴레이 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수신 신호에 포함된 프리코딩 매트릭스 인덱스(PMI)를 바탕으로 상기 프리코더를 계산하는, 릴레이 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는, 상기 단말에 의해 계산된 후 피드백되는 제어 신호에 포함되는, 릴레이 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는, 상기 단말이 상기 릴레이 장치로부터의 역방향 채널을 추정하고 추정 결과를 바탕으로 하여 계산되는, 릴레이 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수신 신호에 포함된 사운딩 기준신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하는, 릴레이 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 프리코드화된 신호는, 상기 사운딩 기준신호가 제거되고, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호인, 릴레이 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제어부는, 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한지 여부를 판단하는 동작을 더 수행하는, 릴레이 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수신 신호에 포함된 자기간섭제거(SIC) 지시자를 바탕으로 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한지 여부를 판단하는, 릴레이 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한 경우, 상기 프리코드화된 신호는, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호인, 릴레이 장치.
  11. 쌍방향 릴레이 시스템의 릴레이에 의한 동작 방법에 있어서:
    적어도 하나의 단말로부터의 신호를 수신하는 과정;
    상기 수신 신호를 바탕으로 상기 단말 사이의 채널을 추정하고, 수신기 매트릭스 및 프리코더를 계산하는 과정; 및
    상기 프리코더에 의해 프리코드화된 신호를 송신하는 과정을 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 프리코더는, 상기 수신 신호를 바탕으로 계산되는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 프리코더는, 상기 수신 신호에 포함된 프리코딩 매트릭스 인덱스(PMI)를 바탕으로 계산되는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는, 상기 단말에 의해 계산된 후 피드백되는 제어 신호에 포함되는, 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 프리코딩 매트릭스 인덱스는, 상기 단말이 상기 릴레이 장치로부터의 역방향 채널을 추정하고 추정 결과를 바탕으로 하여 계산되는, 방법.
  16. 청구항 11에 있어서, 상기 단말 사이의 채널을 추정하는 과정은, 상기 수신 신호에 포함된 사운딩 기준신호를 바탕으로 수행되는, 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 프리코드화된 신호는, 상기 사운딩 기준신호가 제거되고, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호인, 방법.
  18. 청구항 11에 있어서, 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한지 여부를 판단하는 과정을 더 포함하는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한지 여부를 판단하는 과정은,
    상기 수신 신호에 포함된 자기간섭제거(SIC) 지시자를 바탕으로 수행되는, 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 단말에서 자기간섭 제거가 가능한 경우, 상기 프리코드화된 신호는, 사용자 특정 기준신호가 삽입된 신호인, 방법.
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