KR20150113475A - 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 피드백 신호 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

멀티 셀 협력 통신 시스템에서 피드백 신호 송수신 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예가 제공하는 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 피드백 신호를 송신하는 방법은, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원을 할당하는 과정과, 상기 피드백 자원 할당의 결과를 나타내는 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 과정과, 상기 복수 개의 기지국들에게 상기 생성된 피드백 할당 정보를 송신하는 과정을 포함한다.

Description

멀티 셀 협력 통신 시스템에서 피드백 신호 송수신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING A FEEDBACK SIGNAL IN MULTI CELL COOPERATION COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 피드백 신호를 송신하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
근래 스마트폰과 태블릿 PC 등의 단말기들이 보편화되고, 멀티미디어 서비스에 대한 요구가 커지면서 대용량 트래픽을 서비스하기 위하여 고속으로 데이터 송수신할 필요성이 커지고 있다. 이에 따라 하나의 단말에 대하여 대용량 고속 통신을 제공하기 위한 방안의 하나로서, 멀티 셀 협력 통신 시스템에 대한 연구가 활발하다.
멀티 셀 협력 통신 시스템은 단말이 하나의 기지국만을 통하여 데이터를 송수신하는 전통적인 셀룰러 통신 시스템과는 달리, 복수 개의 기지국들이 하나의 단말의 데이터를 공유하는 시스템이다. 즉, 멀티 셀 협력 통신 시스템(이하 "협력 통신 시스템")은 하나의 단말이 복수 개의 기지국들과 동시에 데이터를 송수신하는 시스템이다. 이러한 협력 통신 시스템은 복수 개의 기지국들이 동시에 하나의 단말에게 데이터 서비스를 제공하기 때문에 기존의 시스템보다 고속의 데이터 송수신을 제공할 수 있으므로, 대용량 멀티미디어를 서비스하는 데 적합하다. 이러한 멀티 셀 협력 통신 시스템은 4세이 이후(Beyond 4G), 및 5세대(5G) 등의 차세대 통신 시스템에서 고려하고 있는 대표적인 통신 환경이다.
본 발명의 실시예는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 통신하기 위하여 적어도 하나의 기지국을 선택하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 통신하기 위하여 적어도 하나의 기지국을 선택할 때 연산량을 최소화하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 기지국에게 피드백 자원을 적어도 하나의 기지국들에게 할당하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 기지국들에게 피드백 자원 할당 정보를 송신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예가 제공하는 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 피드백 신호를 송신하는 방법은, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원을 할당하는 과정과, 상기 피드백 자원 할당의 결과를 나타내는 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 과정과, 상기 복수 개의 기지국들에게 상기 생성된 피드백 할당 정보를 송신하는 과정을 포함한다.
상기 피드백 자원을 할당하는 과정은, 상기 복수 개의 기지국들 중 상기 단말과 통신하기 위한 적어도 하나의 기지국을 선택하는 과정과, 상기 선택된 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 자원을 할당하는 과정을 포함한다.
여기서, 상기 피드백 자원을 할당하는 과정은, 상기 선택된 기지국 중 상기 단말에 더 근접한 기지국에게 더 많은 피드백 자원을 할당함을 특징으로 한다.
한편, 상기 피드백 자원을 할당하는 과정은, 레이트 갭(rate gap)의 상한 값의 최소화를 위한 해를 결정하는 과정을 포함하며, 상기 레이트 갭은, 무제한 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과 제한된 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과의 차를 의미한다.
이때, 상기 레이트 갭의 상한 값의 최소화를 위한 해를 결정하는 과정은, 상기 상한 값을, 기지국 선택을 위한 기지국 페어링 문제와, 상기 피드백 자원 할당 문제로 분리하는 과정과, 상기 상한 값이 최소가 되도록, 상기 분리된 기지국 페어링 문제의 해를 결정하는 과정과, 상기 결정된 페어링 문제의 해를 상기 상한 값에 대입하고, 상기 상한 값이 최소가 되도록 상기 피드백 자원의 해를 결정하는 과정을 포함한다.
또한, 상기 분리하는 과정은, 상기 기지국 페어링 문제의 해가 결정되었음을 가정함을 특징으로 한다.
또한, 상기 분리된 기지국 페어링 문제의 해를 결정하는 과정은, 상기 복수 개의 기지국들을 상기 단말과의 거리 순으로 정렬하는 과정과, 상기 거리 순으로 정렬된 기지국들 중 최단 거리인 기지국들을 포함하는 모든 부분 집합들을 결정하는 과정과, 상기 부분 집합들 중 분리된 기지국 페어링 문제가 최소가 되도록 하는 부분 집합을 결정하는 과정을 포함한다.
한편, 상기 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 과정은, 상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬을 생성하는 과정을 포함한다.
또한, 상기 자원 할당 정보를 송신하는 과정은, 상기 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스를 생성하는 과정 또는 상기 피드백 자원 할당 행렬의 값을 런 길이 부호화하여 송신하는 과정을 포함한다.
또한, 상기 방법은, 상기 피드백 할당 정보에 따라 피드백 신호를 상기 적어도 하나의 기지국에게 송신하는 과정을 더 포함한다.
본 발명이 제공하는 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 기지국이 단말로부터 피드백 신호를 수신하는 방법은, 상기 단말로부터 상향 링크 신호를 수신하는 과정과, 상기 상향 링크 신호의 수신 강도 지시자를 상기 단말로 송신하는 과정과, 상기 수신 강도 지시자를 이용하여 생성된 피드백 자원 할당 정보를 수신하는 과정과, 상기 수신한 피드백 자원 할당 정보에 따라 상기 단말로부터의 피드백 신호를 수신하는 과정을 포함하며, 상기 피드백 자원 할당 정보는, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원 할당을 지시함을 특징으로 한다.
이때, 상기 피드백 자원 할당 정보는, 상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스이거나, 또는 상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬의 값이 런 길이 부호화된 것임을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예가 제공하는 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 피드백 신호를 송신하는 단말 장치는, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원을 할당하고, 상기 피드백 자원 할당의 결과를 나타내는 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 제어부와, 상기 복수 개의 기지국들에게 상기 생성된 피드백 할당 정보를 송신하는 송수신부를 포함한다.
한편, 본 발명의 실시예가 제공하는 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 기지국이 단말로부터 피드백 신호를 수신하는 기지국 장치는, 상기 단말로부터 상향 링크 신호를 수신하고, 상기 상향 링크 신호의 수신 강도 지시자를 상기 단말로 송신하고, 상기 수신 강도 지시자를 이용하여 생성된 피드백 자원 할당 정보를 수신하는 송수신부와, 상기 수신한 피드백 자원 할당 정보에 따라 상기 단말로부터의 피드백 신호를 상기 송수신부를 통하여 수신하는 제어부를 포함하며, 상기 피드백 자원 할당 정보는, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원 할당을 지시함을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 멀티 셀 협력 통신 시스템을 설명하는 도면,
도 2는 "제한된 피드백 신호" 상황에서 레이트 갭(rate gap)의 개념을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 방식을 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페어링 방식에 따른 일 예를 설명하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 단말이 피드백 비트 할당 결과를 기지국에게 알리는 개념을 설명하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 피드백 할당 정보를 송신하기 위한 방안을 설명하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피드백 비트 할당 행렬의 일 예를 설명하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 기지국과 단말 간의 전체 신호 송수신을 설명하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단말의 동작을 설명하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단말 장치의 구성을 설명하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 동작을 설명하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 기지국 장치의 구성을 설명하는 도면,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 페어링을 고려하지 않은 피드백 비트 할당 방식의 성능을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면,
도 14a, 도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 페어링을 고려한 피드백 비트 할당 방식의 성능을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 정보 송신 방식의 성능을 피드백 비트 수를 증가시키면서 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면,
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 정보 송신 방식의 성능을 기지국의 수를 증가시키면서 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면,
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 <표 1>의 A의 시스템에서의 성능 결과를 설명하는 도면,
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 <표 1>의 B의 시스템에서의 성능 결과를 설명하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 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 생략할 것이다. 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.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면들에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 설명의 편의를 위하여 분리되어 설명될 수 있지만 상호 충돌되지 않는 범위 내에서 적어도 둘 이상의 실시예는 결합되어 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예의 개본 개념에 대하여 간략히 설명한다.
본 발명의 실시예는 복수 개의 단말들 각각이 복수 개의 기지국과 통신하는 협력 통신 시스템에서, 단말이 복수 개의 기지국들에게 피드백 신호를 송신할 때 자신에게 할당된 피드백 신호를 위한 자원들을 적어도 하나의 기지국들에게 할당하는 것이다.
참고로 피드백 신호는 채널 상태 정보(Channel State Information: CSI)로 될 수 있다. 기지국은 피드백 신호(CSI)를 수신하고 그로부터 기지국과 단말 간의 채널 상태를 알 수 있고, 이를 이용하여 기지국에 포함된 복수 개의 안테나의 빔 포밍을 수행하여 단말에게 데이터를 송신할 수 있다. 다만, 이러한 예는 설명의 편의를 위한 것이 뿐이며, 피드백 신호는 CSI로만 제한되어 해석될 것은 아니다.
또한, 여기서 자원이란 피드백 신호를 송신하기 위한 시간/주파수/ 공간 자원 등과 같이 통신을 위해 필요한 자원을 말한다. 다만, 이하에서는 설명의 편의 상 피드백 "비트"는 피드백 신호 송신을 위한 "자원"과 동일한 의미로 사용된다. 동일한 취지로, "피드백 비트 할당 정보"는 "피드백 신호 자원 할당 정보"와 동일한 의미이다.
한편, 본 발명의 실시예에서 단말은 복수 개의 기지국들과의 거리를 추정하고, 추정된 거리에 기초하여 통신하기 위한 기지국들을 선택하고, 선택된 기지국들에게 피드백 신호를 할당한다. 이하에서 단말이 통신을 수행할 기지국들을 선택하는 과정을 "기지국 페어링(paring)" 또는 "페어링"으로 칭한다. 또한, 단말이 페어링된 기지국들에게 피드백 신호 비트를 할당하는 과정을 "피드백 비트 할당"으로 칭할 것이다.
예를 들어, 3개의 기지국들(기지국 1, 기지국 2, 기지국 3)이 있고 단말에게 할당된 피드백 신호의 크기가 8비트라고 할 때, 단말은 기지국들과의 거리에 기초하여 3개 또는 2개 또는 1개의 기지국을 선택할 수 있다(기지국 페어링 과정).
만일 2개의 기지국(기지국 1, 기지국 3)을 페어링하였다면 기지국은 페어링된 2개의 기지국들에게 피드백 신호의 8비트를 적절히 할당한다. 이때에도 거리가 가까운 기지국에 더 많은 피드백 비트를 할당하고, 거리가 먼 기지국에는 작은 크기의 피드백 비트를 할당한다. 일 예로, 기지국 1이 기지국 3보다 단말에게 더 근접한 위치에 있다면, 기지국 1에 6비트를 할당하고, 먼 거리에 위치한 기지국 3에 2비트를 할당할 수 있다.
이렇게 기지국 페어링을 수행하고 피드백 비트 할당을 수행한 이후, 모든 기지국들에게 기지국 페어링 및 피드백 비트 할당의 결과를 알려야 한다. 이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 나타낼 수 있는 피드백 비트 할당 행렬을 생성하고, 상기 행렬 값의 정보를 모든 기지국들에게 송신한다. 상기 예에서, 기지국 1에는 6비트, 기지국 2에는 0비트, 기지국 3에는 2비트를 할당하였기 때문에, 이러한 결과를 나타낼 수 있는 피드백 비트 할당 행렬을 생성한다.
이후, 생성된 행렬의 값들을 모든 기지국들에게 송신할 때 단말의 오버헤드를 줄이기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 행렬 값들을 런 길이 부호화하여 송신하거나 또는 행렬 인덱스 값을 송신하는 방식으로 단말의 오버헤드를 최소화한다.
이하에서 상술한 기본 개념을 바탕으로 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 멀티 셀 협력 통신 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1에서는 3개의 기지국들(101, 103, 105)과 2개의 단말들(111, 113)만을 도시하였다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 실제 시스템에서는 더 많은 개수의 기지국들과 단말들이 존재할 수 있음은 물론이다.
도 1에서 단말 1(111)은 기지국 1(101) 및 기지국 2(103)와 연결되어 데이터를 송수신하고 있으며, 단말 2(113)는 기지국(101), 기지국 2(103) 및 기지국 3(103)과 연결되어 데이터를 송수신하는 모습이 도시되어 있다. 이렇게 하나의 단말이 복수 개의 기지국들과 연결되어 데이터를 송수신하면, 하나의 기지국과 연결되는 경우보다 더 고속의 데이터 서비스를 제공받을 수 있다.
또한, 이러한 협력 통신 시스템에서 각각의 기지국이 복수 개의 안테나들을 가지고 있다면, 복수 개의 안테나에서 빔 포밍(beam forming)을 이용하여 하나의 기지국이 동일한 시간 동안 동일한 주파수 대역을 사용하여 다수의 단말에게 통신 서비스를 제공할 수 있다. 이때, 하나의 단말에게 서비스를 제공할 기지국들을 적절히 결정하면 전체 시스템의 성능을 극대화할 수 있다.
한편, 기지국은 단말로부터 피드백 신호를 수신하여 기지국과 단말 간의 채널 상태에 대한 정보를 알 수 있고, 이러한 채널 상태 정보(Channel State Information: CSI)를 이용하여 복수 개의 안테나들에 대한 빔 포밍을 수행할 수 있다. 그런데 단말이 기지국으로 송신하는 피드백 신호는 단말에게 상당한 오버헤드가 되므로 피드백 신호를 위한 자원 크기가 일정한 범위로 제한되는 것이 일반적이다. 예를 들어, 임의의 단말에 할당되는 피드백 신호는 10비트로 제한되는 경우 등이다. 다만, 이러한 경우에도 피드백 신호의 자원 크기는 적응적으로 변경될 수 있음은 물론이다. 이하에서 이렇게 피드백 신호의 자원 크기가 제한되는 환경을 "제한된 피드백 신호" 환경이라고 칭할 것이다.
상술한 바와 같이 제한된 피드백 신호를 가지는 단말이 협력 통신 시스템에서 복수의 기지국들과 통신하기 위하여, 복수 개의 기지국들 중 자신과 통신을 수행할 기지국들을 선택하고, 전체 피드백 신호를 선택된 기지국들에게 분배하여 할당하여야 한다.
예를 들어, 단말 1(111)은 3개의 기지국들 중 2개의 기지국들(101, 103)을 선택하였다(기지국 페어링). 만일 단말 1(111)에게 8비트의 피드백 신호가 할당되어 있다면, 8개의 피드백 비트 중 6비트를 기지국 1(101)에게 할당하고, 2비트를 기지국 2(103)에게 할당할 수 있다(피드백 비트 할당).
또 다른 예로, 단말 2(113)는 3개의 기지국들 중 3개의 기지국들(101, 103, 105)을 모두 선택하였다(기지국 페어링). 만일 단말 2(113)에게 9비트의 피드백 신호가 할당되어 있다면, 9개의 피드백 비트 중 3비트를 기지국 1(101)에게 할당하고, 2비트를 기지국 2(103)에게 할당하고, 4비트를 기지국 3(105)에게 할당할 수 있다(피드백 비트 할당).
한편, 3개의 기지국들(101, 103, 105)은 각각 단말 1(111) 또는 단말 2(113)과 통신을 수행해야 하는지, 통신을 수행한다면 자신에게 할당된 피드백 비트의 크기를 알아야 한다. 이를 위하여 단말 1(111)과 단말 2(113)은 각각 자신이 수행한 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 모든 기지국들(101, 103, 105)에게 알려야 한다.
본 발명의 실시예에서는 이렇게 제한된 피드백 신호를 가지는 협력 통신 시스템에서 단말이 기지국들을 선택하고(기지국 페어링), 기지국 별로 피드백 신호를 할당하고(피드백 비트 할당), 기지국들에게 할당된 피드백 신호의 크기를 알리는(피드백 비트 할당 정보 송신) 방안을 제안한다.
도 2는 "제한된 피드백 신호" 상황에서 레이트 갭(rate gap)의 개념을 설명하는 도면이다.
도 2에서 가로축은 SNR을 나타내고 세로축은 전체 시스템의 데이터 송신률을 나타내며, 또한, 도 2는 도 1과 같이 3개의 기지국과 2개의 단말을 포함한 멀티 셀 협력 통신 시스템을 가정한 것이다.
참조 번호 211은 무제한 피드백 신호 환경에서 전체 시스템의 데이터 송신률을 나타낸다. 즉, 단말의 피드백 신호의 크기가 제한되지 않은 경우의 전체 시스템의 데이터 송신률이다. 이 경우 단말의 피드백 신호의 크기가 제한되지 않기 때문에, 기지국은 정확한 채널 상태 정보를 알 수 있다. 따라서 SNR이 증가함에 따라 전체 데이터 송신률이 선형적으로 증가한다.
반면, 참조 번호 213은 제한된 피드백 신호 환경에서 전체 시스템의 데이터 송신률을 나타낸다. 즉, 단말의 피드백 신호의 크기가 제한되어 있는 경우 전체 시스템의 데이터 송신률이다. 이 경우 단말의 피드백 신호의 크기가 제한되어 있기 때문에, 기지국은 정확한 채널 상태 정보를 알 수 없다. 따라서 SNR이 증가하여도 전체 데이터 송신률은 선형적으로 증가하지 못하고 소정 값으로 제한됨을 볼 수 있다.
이때 무제한 피드백 신호 환경에서 전체 시스템의 데이터 송신률(211)과 제한된 피드백 신호 환경에서 전체 시스템의 데이터 송신률(213)과의 차이값은 "레이트 갭(215)"으로 정의한다. 한편, 상술한 레이트 갭을 최소화하면 제한된 피드백 신호 상황에서 전체 시스템의 성능을 높일 수 있다.
이하에서는 레이트 갭을 최소화하기 위한 방안을 설명한다. 이를 통하여 본 발명의 실시예에 따라 기지국 페어링 및 피드백 비트 할당을 수행하기 위한 방안이 도출될 수 있다.
이하의 설명은 제한된 피드백 신호와 하나의 안테나를 포함하는 K개의 단말과, M개의 안테나를 포함하는 기지국들이 N개가 있는 상황에서, 기지국들이 단말로부터 채널 정보를 포함하는 피드백 신호를 수신하는 것을 가정한다. 한편, 이때 각각의 기지국들은 제로 포싱(zero forcing) 방식으로 빔 포밍을 수행하는 것으로 가정한다.
먼저, 단말 k가 N개의 기지국으로부터 수신하는 신호 yk는 하기 <수학식 1>로 표현된다.
Figure pat00001
Dk는 단말 k에게 서비스를 제공하는 기지국의 집합,
Pn,k는 기지국 n과 단말 k사이에서 기지국 n의 송신 전력,
dn,k는 기지국 n과 단말 k사이의 거리,
hn,k는 기지국 n과 단말 k사이의 채널 벡터,
Figure pat00002
는 기지국 n과 단말 k사이의 빔포밍 벡터,
Sk는 단말 k의 데이터 심볼,
nk는 단말 k의 평균이 0, 분산이 1인 가우시안(Gaussain) 잡음,
α는 경로 손실 지수(pathloss exponent).
단말 k에서의 레이트 갭 기대값(expected rage gap)(ΔRk)는 하기 <수학식 2>로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Wn,k는 기지국이 무제한 피드백 신호 환경에서 정확한 채널 정보를 이용하여 계산한 빔포밍 벡터를 나타낸다.
상기 <수학식 2>에서 볼 수 있듯이, ΔRk 를 최소화하기 위한 해(solution)는 매우 복잡한 계산을 필요로 한다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 ΔRk 의 상한값을 구하고, 그 상한값을 최적화하여 계산의 복잡도를 감소시킨다.
상기 <수학식 2>에 대하여 몇 단계의 수식 전개를 하면
Figure pat00004
의 상한 값은 하기 <수학식 3>으로 구해진다.
Figure pat00005
상기 <수학식 3>에서 코시-슈바르츠(Cauchy-Schwarz) 부등식을 이용하면, ΔRk의 상한값은 최종적으로 하기 <수학식 4>로 표현된다.
Figure pat00006
상기 <수학식 4>에 하기 <수학식 5>의 관계를 이용하면, <수학식 4>는 하기 <수학식 6>으로 표현된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
상기 <수학식 6>에서 두 번째 부등식은 기지국 전력 제한
Figure pat00009
에서 계산된다.
그에 따라 계산하면, 상기 <수학식 6>은 하기 <수학식 7>로 표현된다.
Figure pat00010
P는 기지국 당 송신 전력,
Bn,k는 단말k와 기지국 n 사이의 채널을 양자화하기 위한 피드백 비트의 수.
한편, 제한된 피드백 신호를 가지는 시스템에서는 각 단말이 할당할 수 있는 최대 피드백 비트 수는 소정 크기로 제한된다. 따라서 상기 <수학식 7>에서 ΔRk 의 상한값을 최소화하는 문제는 하기 <수학식 8>로 표현할 수 있다.
Figure pat00011
여기서, Bt는 단말이 가지는 제한된 피드백 신호의 전체 비트 수를 나타낸다.
이하에서는 본 발명의 실시예에서 제안하는 피드백 신호 할당 방식을 설명한다.
상기 <수학식 8>은 기지국 페어링의 해(Dk *)와 피드백 비트 할당의 해(Bn,k *)를 얻기 위해서 양자가 결합된 해를 구해야 하기 때문에 여전히 계산의 복잡도가 높다.
따라서 <수학식 8>에서 우선 기지국 페어링 기지국 집합(Dk)이 임의로 결정되었다고 가정하고, 피드백 비트 할당에 관한 해(Bn,k *)를 구한다.
상기 <수학식 4>에서, 로그 함수 내의 두 번째 항인
Figure pat00012
를 살펴보면, Dk 값이 고정되어 있을 때 Bn,k를 적절한 값으로 결정하여 해당 값을 최소화할 수 있다. 로그 함수는 증가하는 함수이고, P, M, │Dk│ 값 각각이 상수이므로 <수학식 8>로부터 피드백 비트 할당 문제를 하기 <수학식 9>로 표현할 수 있다.
Figure pat00013
상기 <수학식 9>의 해를 얻기 위하여 KKT(Karush - Kuhn - Tucker) 조건을 이용하면 Bn ,k *는 하기 <수학식 10>과 같은 water-filling 알고리즘으로 해를 얻을 수 있다. 참고로, 상기 KKT 조건은 convex 문제의 최적의 해가 만족하는 필요충분조건으로, convex 문제인 상기 <수학식 9>의 KKT 조건을 만족하는 근을 찾으면 최적의 해를 구할 수 있다. 또한, 하기 <수학식 10>과 같은 해를 계산하는 방식으로 water-filling 알고리즘이 널리 알려져 있다.
Figure pat00014
여기서 (x)+=max(x,0)이다.
상기 <수학식 10>의 결과에 따르면 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 방식은 해당 단말로부터 가까운 거리에 있는 기지국에 더 많은 피드백 비트를 할당하며, 상대적으로 거리가 먼 기지국에게 더 적은 피드백 비트를 할당한다. 이러한 방식으로 피드백 비트를 할당하면 전체 시스템 성능을 높일 수 있다.
이러한 피드백 비트 할당의 일 예는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 방식을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 단말(301)은 <수학식 10>에 따라 기지국 별로 피드백 비트를 할당한다. 도 3에서 단말(301)은 전체 Bt 비트의 피드백 신호가 가용한대, 기지국 1(311)에 B1비트를 할당하고(321), 기지국 2(313)에 B2비트를 할당하였다(322). 여기서 B1은 B2보다 큰 값이다. 도 3에서 보듯이 단말(301)과 기지국 1(311) 간의 거리는 단말(301)과 기지국 2(313) 간의 거리보다 짧다. 따라서 단말(301)은 기지국 1(311)에 더 많은 피드백 비트를 할당함을 볼 수 있다.
이하에서는 기지국-단말 간의 페어링을 방식을 설명한다.
앞서 <수학식 10>을 이용해서 구한 피드백 비트 할당의 해를 ΔRk 의 상한값인 <수학식8>의 Uk(Bn,k, Dk) 에 대입하면 하기 <수학식 11>을 얻을 수 있다.
Figure pat00015
<수학식 11>에서, 로그 함수는 증가 함수이고 P가 Dk에 무관한 상수이므로 페어링 해를 얻기 위하여 f(Dk)를 최소화하는 방안을 제안한다. 한편, f(Dk)를 살펴보면 Bn,k에 대하여 독립적임을 확인할 수 있다. 즉, 앞에서 설명된 피드백 비트 할당의 해를 이용하면 Dk와 Bn,k의 결합 문제를 페어링의 문제(하기 <수학식 12>)와 Dk *를 가지는 피드백 비트 할당 문제(하기 <수학식 13>)로 나눌 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
이를 다시 설명하면, <수학식 12>를 이용하여 페어링의 해를 먼저 결정하고, 패어링에 따라 결정된 기지국에 대하여 할당할 피드백 비트 수를 <수학식 10>을 이용하여 계산한다. 이렇게 하면, 페어링 문제 및 피드백 비트 할당 문제가 결합된 <수학식 8>을 페어링 단계 및 피드백 비트 할당 단계로 분리할 수 있어 계산 복잡도를 크게 줄일 수 있다.
한편, 페어링의 해를 구하기 위하여 <수학식 12>를 풀기 위하여, 전체 기지국들의 집합인 {1, 2, 3, 4, … , N}의 모든 부분집합에 대해 f(Dk)를 계산하여야 한다. 이 경우의 부분 집합의 개수, 즉, 검색 크기(search size)는 2N-1이 된다. 만일 기지국의 수 N이 증가하게 되면 검색 크기가 커지므로 전체 복잡도가 지수적으로 증가한다. 따라서 페어링을 결정 시 복잡도를 줄이기 위하여 아래와 같은 방안을 제안한다.
단계 (1)d1,k -α ≥ d2,k -α ≥ … dN,k -α이 되도록 기지국의 인덱스를 정렬한다.
단계 (2) f({1}), f({1, 2}), … , f({1, 2, … , N}), 을 계산한다.
단계 (3) 총 N개의 후보 중f(Dk)를 가장 작게 만드는 Dk를 선택한다.
상기 방안을 이용하면 검색 사이즈가 N으로 감소된다.
참고로, <수학식 1>에서 언급한 바와 같이, Dk는 단말 k에게 서비스를 제공하는 기지국의 집합이고, dn,k는 기지국 n과 단말 k사이의 거리를 나타내고,
Figure pat00018
는 경로 손실 지수(pathloss exponent)를 의미하였다.
따라서 상기 단계 (1)은 전체 기지국들을 단말에서 거리가 가까운 순으로 정렬하는 것이고, 단계 (2)는 단말에 가자 인접한 기지국을 포함하는 부분집합들에 대하여, 상기 <수학식 11>의 f(Dk)를 계산하는 것이고, 단계 (3)은 f(Dk)가 최소인 기지국 집합들을 선택하는 것이다.
예를 들어 3개의 기지국들, 즉, 기지국 1, 기지국 2, 기지국 3이 있고, 단말에서 가장 가까운 기지국은 순서대로, 기지국 3, 기지국 1, 기지국 2라고 가정한다. 이러한 가정 하에서 상술한 내용을 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
(1)단말은 d1,k -α ≥ d2,k -α ≥ … dN,k -α이 되는 기지국들을 기지국 3, 기지국 1, 기지국 2로 결정하였다고 가정한다.
(2) 단말은 상기 정렬된 순서가 되도록 가능한 모든 Dk 집합들을 Dk={3}, Dk={3, 1}, Dk={3, 1 2}로 3가지 경우로 설정하고, 각각의 3가지 경우에 대하여 f(Dk)를 계산한다.
(3) 단말은 3가지 경우에 대하여 f(Dk)가 최소가 되는 Dk의 기지국을 선택하고, 해당 Dk에 속한 기지국들을 페어링 기지국으로 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 페어링 방식에 따른 일 예를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상술한 페어링 방식에 따라 단말 1(311)이 3개의 기지국들 중 2개의 기지국들(303, 305)을 페어링하였고, 단말 2(313)은 3개의 기지국들 중 1개의 기지국(301)만을 페어링한 것을 도시한 것이다. 즉, 단말 1(311)에 대해서는 f(Dk)가 최소가 되는 Dk는 Dk={3, 2}이고, 단말 2(313)에 대해서는 f(Dk)가 최소가 되는 Dk는 Dk={3, 2}이다.
이러한 페어링은 상술한 페어링 방식에 의하여 기지국을 선택한 일 예이다.
지금까지 기지국-단말의 페어링 방식과 피드백 비트 할당 방식을 설명하였다. 이하에서는 페어링 및 피드백 비트 할당 이후 단말이 기지국 별로 피드백 비트 할당을 알리기 위한 방안을 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 단말이 피드백 비트 할당 결과를 기지국에게 알리는 개념을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 단말(501)은 총 Bt비트의 피드백 신호를 송신할 수 있는데, 상술한 방안에 따라 기지국 1(511), 기지국 2(512), 기지국 3(513)에게 각각 B1비트(521), B2 비트(522), B3 비트(523)의 피드백 비트를 할당하였다. 이후, 단말(501)은 기지국 1(511), 기지국 2(512), 기지국 3(513)에게 할당된 피드백 비트 정보를 송신한다.
그런데 단말(501)이 피드백 비트를 기지국 별로 할당한 이후, 피드백 비트 할당 정보를 복수 개의 기지국들에게 송신하는 것은 단말에게 매우 큰 오버헤드가 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 피드백 비트 할당 정보를 송신 시 오버헤드를 최소화하기 위한 방안을 제안한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 피드백 할당 정보를 송신하기 위한 방안을 설명하는 도면이다.
참조 번호 601은 단말에 할당된 피드백 정보 송신 필드로 Bt비트 크기로 제한되어 있음을 가정한다. 참조 번호 610은 피드백 비트 할당 정보 송신 필드이다.
단말이 피드백 할당 정보를 기지국에게 송신하기 위하여 도 6과 같이 각각의 기지국에 할당된 피드백 비트의 크기 정보를 모든 기지국에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 전체 N(=3)개의 기지국이 있고, 단말의 피드백 비트(601)의 크기는 Bt=23=8비트가 설정되었고, 기지국 1에 2비트, 기지국 2에 3비트, 기지국 3에 3비트를 각각 할당하였다고 가정한다.
이 경우 이러한 피드백 비트 할당 정보를 N개의 기지국에게 알리기 위하여, 피드백 비트 할당 정보 송신 필드(610)은 N개의 필드들(611, 612, … , 61N)을 포함해야 한다. 또한, 각각의 필드들(611, 612, … , 61N)은 각각은 피드백 비트의 최대 크기인 8비트가 할당됨을 표시할 수 있어야 하므로 각각의 필드들(611, 612, … , 61N)의 크기는 log223=3비트가 되어야 할 것이다. 즉, 모든 피드백 비트 할당 정보는 모든 기지국들 별로 할당된 피드백 비트의 크기를 나타낼 수 있어야 하므로, 피드백 비트 할당 정보 필드(610)의 크기는 전체 3개의 기지국에 대하여 3비트씩 필요하므로 총 9비트가 된다. 그러나 이러한 방식은 기지국의 개수가 증가하면 피드백 비트 정보 송신을 위하여 소모되는 필드(즉, 자원)의 크기도 선형적으로 증가하므로 전체 시스템의 오버헤드가 매우 크다.
따라서 본 발명의 실시예에 따라 피드백 비트 할당 정보를 보다 효율적으로 송신하기 위한 방안을 제안한다.
본 발명의 실시예에서 제안하는 피드백 할당 정보를 송신하는 방식은 단말이 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 나타낼 수 있는 피드백 비트 할당 행렬을 생성하고, 그 행렬의 값을 나타내는 정보를 기지국으로 송신하는 것이다.
예를 들어, 크기가 (N-1) X Bt인 피드백 비트 할당 행렬 A를 하기 <수학식 14>로 정의한다.
Figure pat00019
만일 기지국이 상기 행렬 A를 수신하여 복호하였다면, 기지국은 해당 단말의 피드백 비트 할당 행렬을 알 수 있고, 그로부터 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 피드백 비트 할당 행렬의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 7에서 기지국은 3개이고 단말에 할당된 전체 피드백 비트의 크기는 8(즉, N=3, Bt=8)로 가정하였다. 또한, 기지국 1에는 8비트 중 6비트를 할당하였고, 기지국 2는 해당 단말을 서비스하지 않으며, 기지국 3에는 8비트 중 2비트를 할당한 것으로 가정하였다.
행렬 A(700)는 이러한 기지국 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 나타낸다. 즉, 이 피드백 비트 할당 행렬을 N개의 기지국들에게 송신하면, N개의 기지국들 각각은 피드백 비트가 어느 기지국에 몇 비트가 할당되었는지를 알 수 있다.
첫 번째 행(701)은 기지국 1에 피드백 비트 6비트가 할당되었음을 나타낸다. 이를 위하여 6번째 열만을 1로 설정하였다. 두 번째 행(702)은 기지국 2에 피드백 비트 0비트가 할당되었음을 나타낸다. 이를 위하여 모든 열을 0으로 설정하였다.
한편, 세 번째 행은 존재하지 않는데 기지국 3은 첫 번째 행(701) 및 두 번째 행(702)에 의하여 자신에 대하여 할당된 피드백 비트를 알 수 있다. 즉, 기지국 3은 (단말의 전체 피드백 비트 수 - 다른 기지국들의 할당 비트들의 합=기지국 3의 할당 비트)로 자신에게 할당된 피드백 비트의 크기를 계산할 수 있다. 도 7의 예에서 기지국 3에 할당된 피드백 비트의 크기는 8-6=2비트임을 알 수 있다(703). 이렇게 피드백 비트 할당 행렬을 이용하면 페어링 결과 및 해당 기지국에 할당된 피드백 비트의 크기를 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 도 7의 피드백 비트 할당 행렬을 송신 시 오버헤드를 최소화하기 위하여 런 길이 부호화(run-length coding)를 이용한 방식과 행렬 인덱스(matrix index)를 이용한 방식을 제안한다.
먼저 런 길이 부호화를 이용하여 피드백 비트 할당 정보를 송신하는 방식을 설명한다.
런 길이 부호화는 동일한 값이 연속하여 발생하는 경우 상기 동일한 값을 런(run)으로 처리하여 압축 부호화하는 부호화 방식이다. 행렬 A(700)는 많은 수의 0과 적은 수의 1을 포함하므로 전형적인 희소(sparse) 행렬이므로 0의 값이 연속될 확률이 높다. 이러한 희소 행렬에 대해서 런 길이 부호화는 정보를 효율적으로 압축할 수 있는 수단이 된다. 따라서 상기 행렬 A를 런 길이 부호화를 이용하여 송신하면 행렬 A의 값들을 나타내기 위한 정보가 크게 감소한다.
예를 들어, 도 7의 행렬 A(700)의 예에서, 첫 번째 1이 나오기 이전에 0이 연속해서 5번 나오므로, 정보 "5"를 압축하여 송신하면, 기지국은 아래의 복호 방식을 이용하여 행렬A를 복호할 수 있다.
단계 (1) 각각의 n개의 비트 그룹에 대하여, 0의 개수를 기록(write)한다.
단계 (2) 비트 스트링의 끝이라면 종료한다.
단계 (3) 비트 스트링의 끝이 아니고, n비트 그룹이 2n-1보다 작다면 1을 기록하고 단계 (1)로 돌아가고, n비트 그룹이 2n-1이면 단계 (1)로 돌아간다.
여기서 상기 n은 비트 그룹의 사이즈로서 오버헤드가 최소화되도록 실험적 또는 사전될 설정에 의하여 설정될 수 있다.
이하에서는 행렬 인덱스를 이용하여 피드백 비트 할당 행렬을 송신하는 방식을 설명한다.
행렬 인덱스를 이용한 방식은 기지국의 개수와 단말의 전체 피드백 비트 수에 따라 가능한 모든 피드백 비트 할당 행렬 A들 각각에 대하여 인덱스를 설정하고, 해당 피드백 비트 할당 행렬의 인덱스만을 송신하는 방식이다.
즉, 기지국의 개수 N과 단말의 피드백 비트 수 Bt가 결정되면, 기지국과 단말은 가능한 피드백 할당 비트 행렬들과 각 행렬들에 대응하는 행렬 인덱스를 미리 정의된 규칙에 의하여 알 수 있다. 또한, 기지국과 단말 각각은 이 행렬들과 행렬 인덱스의 매핑 관계를 테이블의 형태로 미리 저장할 수 있다.
단말은 페어링 및 피드백 비트 할당을 수행하고, 기지국 별 피드백 비트 할당을 나타내는 행렬 A의 인덱스 값을 기지국에게 송신한다. 행렬 A의 인덱스 값을 수신한 기지국은 수신한 인덱스 값에 대응하는 행렬 A로부터 페어링 결과 및 피드백 비트 할당 결과를 알 수 있다.
이러한 행렬 인덱스를 이용하는 방식은 전체
Figure pat00020
개의 오버헤드 비트를 필요로 하며, 이는 대략적으로 log2N으로 스케일링된다. 이는 도 7에서 설명된 것처럼 일반적인 송신 방식이 기지국 N에 대하여 오버헤드가 선형적으로 증가하는 것과 비교하면, 오버헤드가 크게 감소할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 기지국과 단말 간의 전체 신호 송수신을 설명하는 도면이다.
단말(803)은 기지국(801)에게 상향링크 신호를 송신하고(811), 기지국(801)은 수신한 신호에 대한 수신 신호 세기 지시자(Received Signal Strength Indicator: RSSI)를 단말(803)로 송신한다(813). 여기서 상향링크 신호는 대표적으로 상향링크 참조 신호(reference)가 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
단말(803)은 수신한 RSSI를 이용하여 페어링 및/또는 피드백 비트 할당을 수행한다(815). 페어링과 피드백 비트 할당은 기지국과의 거리에 기초하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 수신한 RSSI로부터 해당 기지국(801)과 단말(803) 간의 채널 상태를 추정할 수 있고, 추정된 채널 상태로부터 기지국(801)과의 거리를 추정할 수 있다. 결국 RSSI로부터 기지국(801)과의 거리를 알 수 있고 이로부터 상술한 본 발명의 실시예에 따라 페어링을 수행하고 페어링된 기지국(801)들 별로 피드백 비트를 할당할 수 있다.
이후 단말(803)은 피드백 비트 할당 정보를 송신한다(817). 즉, 도 7에서 설명된 바와 같이 피드백 비트 할당 정보는 페어링 및 피드백 비트 할당을 나타내는 피드백 비트 할당 행렬을 생성하고, 상기 행렬 값의 정보를 런 길이 부호화 방식 또는 행렬 인덱스 값의 형태로 송신한다.
지금까지 설명된 과정은 단말(803)이 기지국(801)과의 거리를 고려하여 페어링 및 피드백 비트 할당을 수행하고, 피드백 비트 할당 정보를 행렬 값을 런 길이 부호화 또는 행렬 인덱스 형태로 기지국(801)에게 송신하는 과정이었다.
이하의 821단계 내지 825단계는 단말(803)이 할당된 피드백 비트에 따라 기지국(801)에게 피드백 신호를 송신하는 과정이다.
즉, 기지국(801)이 어떠한 사유에 의하여 참조 신호를 단말(803)로 송신하여 단말(803)이 이를 수신하면(821), 단말(803)은 피드백 비트 할당 정보에 기초하여 해당 기지국(801)에 할당된 비트 크기에 해당하는 피드백 신호를 생성하여 송신한다(823). 기지국(801)은 할당된 피드백 비트의 크기 정보에 따라 피드백 신호를 수신하고, 피드백 비트 할당 정보에서 알 수 있는 페어링 정보에 기초하여 페어링된 다른 기지국들과 함께 사용자 데이터를 단말(803)로 송신한다(825).
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 단말의 동작을 설명하는 도면이다.
단말은 기지국에게 상향링크 신호를 송신하고(901), 기지국으로부터 수신 신호 세기 지시자(RSSI)를 수신한다(903). 여기서 상향링크 신호는 대표적으로 상향링크 참조 신호(reference)가 될 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 단말은 수신한 RSSI를 이용하여 페어링 및/또는 피드백 비트 할당을 수행한다(905). 페어링과 피드백 비트 할당은 기지국과의 거리에 기초하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 수신한 RSSI로부터 해당 기지국과 단말 간의 채널 상태를 추정할 수 있고, 추정된 채널 상태로부터 기지국과의 거리를 추정할 수 있다. 결국 RSSI로부터 기지국과의 거리를 알 수 있고 이로부터 상술한 본 발명의 실시예에 따라 페어링을 수행하고 페어링된 기지국들 별로 피드백 비트를 할당할 수 있다.
이후, 단말은 피드백 비트 할당 정보를 송신한다(907). 즉, 도 7에서 설명된 바와 같이 피드백 비트 할당 정보는 페어링 및 피드백 비트 할당을 나타내는 피드백 비트 할당 행렬을 생성하고, 상기 행렬 값의 정보를 런 길이 부호화 방식 또는 행렬 인덱스 값의 형태로 송신한다.
이 과정 이후, 기지국으로부터 참조 신호를 수신하면 단말은 피드백 비트 할당에 기초하여 해당 기지국에 할당된 비트 크기에 해당하는 피드백 신호를 생성하여 송신한다(909). 이후 기지국으로부터 사용자 데이터를 수신한다(911).
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단말 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
단말 장치(1000)는 송수신부(1001), 제어부(1003) 및 피드백 신호 생성부(1007)를 포함한다. 또한, 저장부(1005)를 더 포함할 수 있으며, 단말 장치(1000)는 도 9에서 설명된 동작을 수행한다. 구체적인 동작을 다음과 같다.
송수신부(1001)은 기지국에게 상향링크 신호를 송신하고, 기지국으로부터 수신 신호 세기 지시자(RSSI)를 수신한다.
제어부(1003)는 수신한 RSSI를 이용하여 페어링 및/또는 피드백 비트 할당을 수행하고, 송수신부(1001)를 통하여 피드백 비트 할당 정보를 송신한다. 즉, 도 7에서 설명된 바와 같이 페어링 및 피드백 비트 할당 결과를 나타내는 피드백 비트 할당 행렬을 생성하고, 상기 행렬 값의 정보를 런 길이 부호화 방식 또는 행렬 인덱스 값의 형태로 송신한다. 상기 피드백 비트 할당 행렬 및/또는 행렬 인덱스 값은 저장부(1005)에 미리 저장될 수 있다.
만일, 기지국으로부터 참조 신호를 수신하면 피드백 신호 생성부(1003)는 제어부(1003)의 제어부(1003)가 수행한 피드백 비트 할당에 기초하여 해당 기지국에 할당된 비트 크기에 해당하는 피드백 신호를 생성하고 이를 송수신부(1001)를 통하여 송신한다(911). 이후 송수신부(1001)는 기지국으로부터 사용자 데이터를 수신한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 동작을 설명하는 도면이다.
기지국이 단말로부터 상향 링크 신호(일 예로, 참조 신호)를 수신하면(1101), 기지국은 신호 수신 세기를 나타내는 정보(RSSI)를 단말로 송신한다(1103). 이후, 단말로부터 피드백 비트 할당 정보를 수신한다(1105). 상술한 바와 같이, 피드백 비트 할당 정보는 피드백 비트 할당 행렬의 값을 런 길이 부호화를 이용하여 수신되거나, 행렬 인덱스 값의 형태로 수신될 수 있다.
만일 기지국이 참조 신호를 단말로 송신한 이후에는(1107), 피드백 비트 할당 정보로부터 알 수 있는 피드백 비트 크기에 따라 단말로부터 피드백 신호를 수신한다(1109). 이후, 피드백 비트 할당 정보로부터 알 수 있는 페어링 정보에 기초하여 다른 기지국들과 함께 사용자 데이터를 단말로 송신한다(1111).
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 기지국 장치의 구성을 설명하는 도면이다.
기지국 장치(1200)는 송수신부(1201), 제어부(1203)를 포함한다. 또한, 저장부(1205)를 더 포함할 수 있다.
송수신부(1201)는 단말로부터 상향 링크 신호(일 예로, 참조 신호)를 수신하고, 그에 대응하여 신호 수신 세기를 나타내는 정보(RSSI)를 단말로 송신한다. 또한, 단말로부터 피드백 비트 할당 정보를 수신한다. 상술한 바와 같이, 피드백 비트 할당 정보는 피드백 비트 할당 행렬의 값을 런 길이 부호화를 이용하여 수신되거나, 행렬 인덱스 값의 형태로 수신될 수 있다. 상기 피드백 비트 할당 행렬 및/또는 행렬 인덱스 값은 저장부(1205)에 미리 저장될 수 있다.
제어부(1203)는 참조 신호를 단말로 송신된 이후, 피드백 비트 할당 정보로부터 알 수 있는 피드백 비트 크기에 따라 단말로부터의 피드백 신호를 송수신부(1201)를 통하여 수신한다(1109). 또한, 제어부(1203)는 피드백 비트 할당 정보로부터 알 수 있는 페어링 정보에 기초하여 다른 기지국들과 함께 사용자 데이터를 송수신부(1201)를 통하여 단말로 송신한다.
이하에서는 상술한 본 발명의 실시예에 의한 피드백 비트 할당 방식에 의한 성능을 설명한다. 먼저 본 발명의 실시예에 의한 시뮬레이션의 아래의 조건을 가정한 상태에서 수행되었다.
(1) 레일레이 페이딩,
(2) 경로 손실 지수 α=3.75
(3) P는 기지국 당 전체 송신 전력
(4) 에지 SNR=P
(4) 단말은 각각의 셀에 균일하게 분포되어 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 페어링을 고려하지 않은 피드백 비트 할당 방식의 성능을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면이다. 즉, 단말이 모든 기지국들과 통신을 하는 환경을 가정한 것으로 도 13의 그래프는 페어링을 고려하지 않았다.
도 13은 본 발명의 실시예에 의한 성능을 비교하기 위하여 무제한 피드백 환경의 경우와, 단말이 모든(N개) 기지국에게 동등한 비트(Bt/N)를 할당하는 균등 할당 방식에 의한 경우의 성능 결과를 포함하였다.
즉, 무제한 피드백 환경(1301), 본 발명의 실시예에서 Bt =3인 경우(1303)와 Bt=9인 경우(1307), 균등 할당 방식에서 Bt =3인 경우(1305)와 Bt =9인 경우(1309)의 성능 차이를 보면 본 발명의 실시예에 의한 피드백 비트 할당 방식이 균등 할당 방식(1305, 1307)보다 뛰어난 성능을 보임을 볼 수 있다. 또한, 전체 피드백 비트수(Bt)가 증가할수록 성능이 향상됨을 확인하였다.
도 14a, 도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 페어링을 고려한 피드백 비트 할당 방식의 성능을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면이다.
즉, 전체 기지국들 중 일부의 기지국이 단말과 통신을 하는 환경을 가정한 것으로, 페어링 문제를 고려한 것이다.
도 14(a), (b)는 무제한 피드백 신호 환경의 경우(1401, 1411), 최적의 페어링 시 비트 할당(1403, 1413), 차적(suboptimal)의 페어링 시 비트 할당(1405, 1415), 페어링 없이 비트 할당만 수행 경우(1407, 1417), 페어링만 수행한 경우(1409, 1419)에 대한 성능 결과를 도시한다.
최적의 페어링 시 비트 할당(1403, 1413)과 페어링 없이 비트 할당만 수행한 경우(1407, 1417)를 비교하면, 페어링의 효과는 전체 피드백 비트가 적을수록 그 성능 차이가 큰 것을 확인 할 수 있다. 이는 1~2 비트 정도의 작은 크기의 비트가 할당된 기지국은 해당 피드백 비트로부터 획득하는 채널 정보가 부정확하기 때문이다. 따라서 페어링을 통하여 상대적으로 먼 거리가 있는 기지국에는 피드백 비트를 할당하지 않음으로써, 전체 시스템의 성능 손실을 방지할 수 있다. 또한, 차적의(sub optimal) 페어링 시 최적의 페어링 성능에 근접한 것을 확인 할 수 있다.
이하에서는 상술한 피드백 비트 할당 정보 송신 방식에 대한 성능 실험 결과를 설명한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 정보 송신 방식의 성능을 피드백 비트 수를 증가시키면서 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면이다.
가로축은 피드백 비트의 크기(Bt)를 나타내며, 세로축은 피드백 비트 할당 정보의 송신을 위해 필요한 오버헤드 비트의 크기를 나타낸다. 또한, N=7을 가정하였다.
참조 번호 1501은 페어링만을 수행하고 피드백 비트 할당은 선택된 기지국에 대하여 균분하여 할당하는 균등 비트 할당 방식의 경우이고, 참조 번호 1503은 행렬 인덱스 방식에 의한 경우이고, 참조 번호 1505는 런 길이 부호화 방식의 경우이다. 한편, 참조 번호 1507은 도 6에서 설명한 일반적인 방식에 의한 오버헤드 비트의 크기를 나타낸다.
본 발명의 실시예에서 제안된 행렬 인덱스 방식(1503) 및 런 길이 부호화 방식(1505)이 일반적인 경우(1507)보다 필요한 오버헤드 비트의 양이 매우 작음을 볼 수 있다. 또한, 행렬 인덱스 방식(1503)의 경우 균등 비트 할당 방식(1501)과 비교하여 오버헤드 비트가 1~2비트 정도만 추가될 정도로 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 피드백 비트 할당 정보 송신 방식의 성능을 기지국의 수를 증가시키면서 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면이다.
도 16은 도 15와 유사하게, 가로축은 기지국의 개수를 나타내며, 세로축은 피드백 비트 할당 정보의 송신을 위해 필요한 오버헤드 비트의 크기를 나타낸다. 또한, Bt=4를 가정하였다.
또한, 참조 번호 1601은 페어링만을 수행하고 피드백 비트 할당은 선택된 기지국에 대하여 균분하여 할당하는 균등 비트 할당 방식의 경우이고, 참조 번호 1603은 행렬 인덱스 방식에 의한 경우이고, 참조 번호 1605는 런 길이 부호화 방식의 경우이다. 한편, 참조 번호 1607은 도 6에서 설명한 일반적인 방식에 의한 오버헤드 비트의 크기를 나타낸다.
도 16의 결과에 대한 해석은 도 15의 해석과 동일하므로 설명은 생략한다.
이하에서는 피드백 신호의 크기를 고정하였을 때, 본 발명의 실시예의 피드백 비트 할당 방식에 의한 성능 결과에 대하여 설명한다.
하기 <표 1>과 같이 인덱스 방식의 피드백 비트 할당 정보를 사용 시에 각각의 비트 할당 방식에 대응하는 오버헤드 비트와, 실제 채널 피드백에 사용되는 피드백 비트 크기를 고려한 시스템으로 시뮬레이션하였다.

Setting

Scheme		 A: Total 8 bits
Figure pat00021
 A: Total 10 bits
Figure pat00022
오버헤드
(Overhead)		 채널 피드백
(Channel feedback)		 오버헤드
(Overhead)		 채널 피드백
(Channel feedback)
페어링 없는 균등 비트 할당 X 8 X 10
패어링 시 균등 비트 할당 3 5 4 6
본 발명의 비트 할당 4 4 6 4
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 <표 1>의 A의 시스템에서의 성능 결과를 설명하는 도면이고, 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 <표 1>의 B의 시스템에서의 성능 결과를 설명하는 도면이다. 또한, 도 17에서 N=3, M=3, K=3이고, 도 18에서 N=4, M=3, K=3이다.
참조 번호 1701과 1801은 본 발명의 실시예에 의한 페어링 및 피드백 비트 할당과 행렬 인덱스 방식의 피드백 비트 할당 정보 송신의 성능을 나타낸다. 참조 번호 1703과 1803은 페어링 없는 균등 할당 방식의 성능을 나타내고, 참조 번호 1701과 1801은 페어링 시 균등 할당 방식의 성능을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 의한 방식(1701, 1801)은 피드백 비트 할당 정보 송신을 위한 추가적인 오버헤드가 발생하기는 하지만, 이를 고려하여 균등 할당 방식들(1703, 1705, 1803, 1805)보다 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서 제안하는 피드백 비트 할당 방식과, 행렬 인덱스 방식에 의한 피드백 비트 할당 정보 송신 방식을 함께 시스템에 적용하면 전체 시스템의 성능이 크게 향상됨을 확인하였다.

Claims (28)

  1. 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 피드백 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원을 할당하는 과정과,
    상기 피드백 자원 할당의 결과를 나타내는 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 과정과,
    상기 복수 개의 기지국들에게 상기 생성된 피드백 할당 정보를 송신하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 피드백 자원을 할당하는 과정은,
    상기 복수 개의 기지국들 중 상기 단말과 통신하기 위한 적어도 하나의 기지국을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 자원을 할당하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 피드백 자원을 할당하는 과정은,
    상기 선택된 기지국 중 상기 단말에 더 근접한 기지국에게 더 많은 피드백 자원을 할당함을 특징으로 하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 피드백 자원을 할당하는 과정은,
    레이트 갭(rate gap)의 상한 값의 최소화를 위한 해를 결정하는 과정을 포함하는
    상기 레이트 갭은, 무제한 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과 제한된 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과의 차를 의미하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 레이트 갭의 상한 값의 최소화를 위한 해를 결정하는 과정은,
    상기 상한 값을, 기지국 선택을 위한 기지국 페어링 문제와, 상기 피드백 자원 할당 문제로 분리하는 과정과,
    상기 상한 값이 최소가 되도록, 상기 분리된 기지국 페어링 문제의 해를 결정하는 과정과,
    상기 결정된 페어링 문제의 해를 상기 상한 값에 대입하고, 상기 상한 값이 최소가 되도록 상기 피드백 자원의 해를 결정하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 분리하는 과정은,
    상기 기지국 페어링 문제의 해가 결정되었음을 가정함을 특징으로 하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 분리된 기지국 페어링 문제의 해를 결정하는 과정은,
    상기 복수 개의 기지국들을 상기 단말과의 거리 순으로 정렬하는 과정과,
    상기 거리 순으로 정렬된 기지국들 중 최단 거리인 기지국들을 포함하는 모든 부분 집합들을 결정하는 과정과,
    상기 부분 집합들 중 분리된 기지국 페어링 문제가 최소가 되도록 하는 부분 집합을 결정하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬을 생성하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피드백 할당 정보를 송신하는 과정은,
    상기 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스를 생성하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 피드백 할당 정보를 송신하는 과정은,
    상기 피드백 자원 할당 행렬의 값을 런 길이 부호화하여 송신하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 할당 정보에 따라 피드백 신호를 상기 적어도 하나의 기지국에게 송신하는 과정을 더 포함하는 피드백 신호를 송신하는 방법.
  12. 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 기지국이 단말로부터 피드백 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    상기 단말로부터 상향 링크 신호를 수신하는 과정과,
    상기 상향 링크 신호의 수신 강도 지시자를 상기 단말로 송신하는 과정과,
    상기 수신 강도 지시자를 이용하여 생성된 피드백 자원 할당 정보를 수신하는 과정과,
    상기 수신한 피드백 자원 할당 정보에 따라 상기 단말로부터의 피드백 신호를 수신하는 과정을 포함하며,
    상기 피드백 자원 할당 정보는, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원 할당을 지시함을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 피드백 자원 할당 정보는,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스임을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 피드백 자원 할당 정보는,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬의 값이 런 길이 부호화된 것임을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 방법.
  15. 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 단말이 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 피드백 신호를 송신하는 단말 장치에 있어서,
    상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원을 할당하고, 상기 피드백 자원 할당의 결과를 나타내는 피드백 자원 할당 정보를 생성하는 제어부와,
    상기 복수 개의 기지국들에게 상기 생성된 피드백 할당 정보를 송신하는 송수신부를 포함하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수 개의 기지국들 중 상기 단말과 통신하기 위한 적어도 하나의 기지국을 선택하고, 상기 선택된 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 자원을 할당하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 선택된 기지국 중 상기 단말에 더 근접한 기지국에게 더 많은 피드백 자원을 할당함을 특징으로 하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    레이트 갭(rate gap)의 상한 값의 최소화를 위한 해를 결정하며,
    상기 레이트 갭은, 무제한 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과 제한된 피드백 신호 단말 시스템에서 데이터 송신률과의 차를 의미하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 상한 값을, 기지국 선택을 위한 기지국 페어링 문제와, 상기 피드백 자원 할당 문제로 분리하고,
    상기 상한 값이 최소가 되도록, 상기 분리된 기지국 페어링 문제의 해를 결정하고, 상기 결정된 페어링 문제의 해를 상기 상한 값에 대입하고,
    상기 상한 값이 최소가 되도록 상기 피드백 자원의 해를 결정하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 기지국 페어링 문제의 해가 결정되었음을 가정함을 특징으로 하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 복수 개의 기지국들을 상기 단말과의 거리 순으로 정렬하고,
    상기 거리 순으로 정렬된 기지국들 중 최단 거리인 기지국들을 포함하는 모든 부분 집합들을 결정하고,
    상기 부분 집합들 중 분리된 기지국 페어링 문제가 최소가 되도록 하는 부분 집합을 결정하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬을 생성하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스를 생성하는 과정을 포함하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 송수신부는,
    상기 피드백 자원 할당 행렬의 값을 런 길이 부호화하여 송신하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  25. 제 15항에 있어서,
    상기 피드백 할당 정보에 따라 피드백 신호를 상기 적어도 하나의 기지국에게 송신하는 피드백 신호 생성부를 더 포함하는 피드백 신호를 송신하는 단말 장치.
  26. 복수 개의 기지국들을 포함하는 멀티 셀 협력 통신 시스템에서 기지국이 단말로부터 피드백 신호를 수신하는 기지국 장치에 있어서,
    상기 단말로부터 상향 링크 신호를 수신하고, 상기 상향 링크 신호의 수신 강도 지시자를 상기 단말로 송신하고, 상기 수신 강도 지시자를 이용하여 생성된 피드백 자원 할당 정보를 수신하는 송수신부와,
    상기 수신한 피드백 자원 할당 정보에 따라 상기 단말로부터의 피드백 신호를 상기 송수신부를 통하여 수신하는 제어부를 포함하며,
    상기 피드백 자원 할당 정보는, 상기 복수 개의 기지국들과 상기 단말 간의 거리를 고려하여, 상기 복수 개의 기지국들 중 적어도 하나의 기지국에게 상기 피드백 신호 송신을 위한 피드백 자원 할당을 지시함을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 기지국 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 피드백 자원 할당 정보는,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬에 대응하는 행렬 인덱스임을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 기지국 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 피드백 자원 할당 정보는,
    상기 적어도 하나의 기지국에게 할당된 상기 피드백 자원을 나타내는 피드백 자원 할당 행렬의 값이 런 길이 부호화된 것임을 특징으로 하는 피드백 신호를 수신하는 기지국 장치.
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