KR20160009884A - 블라인드 간섭 정렬 기법을 이용한 신호 전송 방법 - Google Patents

Abstract

무선 접속 시스템에서 기지국이 블라인드 간섭 정렬 기법을 이용하여 신호를 전송하는 방법에 있어서, 셀의 내부 셀 영역에 위치한 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 제 1 정렬 패턴을 포함하는 제 1 송신 프리코더를 생성하고, 셀의 외부 셀 영역에 위치한 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 제 2 정렬 패턴을 포함하는 제 2 송신 프리코더를 생성하고, 제 1 송신 프리코더 및 제 2 송신 프리코더를 조합하여 소정의 시간 구간 동안 제 1 단말 및 제 2 단말로 전송할 데이터 신호를 구성하고, 데이터 신호를 제 1 단말 및 제 2 단말로 전송하는 신호 전송 방법 및 신호 전송 방법을 구현하는 기지국이 개시된다.

Description

블라인드 간섭 정렬 기법을 이용한 신호 전송 방법{METHOD FOR TRANSMITTING SIGNALS USING BLIND INTERFERENCE ALIGNMENT SCHEME}

본 발명은 단말에 복수의 기지국들이 간섭으로 인한 영향을 미치는 환경에서, 단말의 재구성 안테나(reconfigurable antenna) 구현 및 사용자들의 채널 피드백을 고려하여, 송신단이 블라인드 간섭제어(blind interference alignment)와 MIMO 빔포밍 기법을 활용한 프리코딩 행렬을 설계하도록 하는 기술이다.

FDD(Frequency Division Duplex) 기반의 무선네트워크 환경에서, N _T 개의 송신 안테나를 갖고 있는 K 개의 기지국과 N _R 개의 재구성 안테나를 갖고 있는 사용자가 네트워크 전체에 총 U _tot 명 있다고 가정한다. 모든 기지국은 동일한 주파수 자원을 공유하고 동시에 대상 단말에게 데이터를 전송한다. 즉, 다중 셀 하향링크 간섭 채널을 고려한다. 각 단말은 하나의 재구성 안테나로 2 개의 서로 다른 빔을 형성하여 수신 채널을 선택할 수 있으며, 이러한 서로 다른 빔을 '모드' 라고 정의한다.

도 1 에서, 재구성 안테나를 사용하는 단말의 등가 모델이 도시되며, 총 N _R 개의 RF 체인(RF chain)과 2N _R 개의 안테나로 구성된 단말의 안테나 스위칭 기법을 고려할 수 있다. 즉, 단말은 데이터를 수신할 때, 2 개의 N _R × N _T 채널 가운데 하나를 선택한다. 이 때, 도 1 의 RF 체인 1 과 RF 체인 2 는 둘 다 안테나 스위칭 동작을 하거나 둘 다 스위칭 동작을 하지 않고, 각각의 RF 체인은 자신에게 할당된 두 개의 물리적 안테나 중 어느 하나를 선택한다. t 시점에서 k 번째 단말의 받는 수신신호는 아래의 수학식 1 로 표현된다.

이때,

는 복소 가우시안 잡음이고, 행렬

는 k 번째 단말의 재구성 안테나의 모드 m(t) 에 대한 채널이다. 동일한 m(t) (동일한 모드)에 대해서는 채널

이 동일한 값을 갖는 블록 페이딩 채널을 가정한다.

이하에서는, 기존에 제시된 블라인드 간섭 제거(BIA, Blind Interference Alignment) 기법을 설명하기에 앞서, 송신기의 안테나 개수가 M 이고, 각 단말은 단일 RF 체인 (N _R = 1) 을 이용해서 M 개의 물리적인 안테나(모드)를 선택적으로 사용하는 환경을 고려한다. 이 경우, 단말은 단일 RF 체인만 사용하기 때문에 기지국과 k 번째 단말간의 채널은 1 X M 벡터 채널이다.

블라인드 간섭정렬은 기지국과 단말이 이미 약속된 정렬패턴 대로 함께 동작하는 방식이다. 블라인드 간섭정렬 기법에서 각 단말은 원하는 심볼벡터(즉, 선호 신호)를 받는 심볼전송 시점에 수신 모드를 변경하면서 신호를 받고, 간섭신호를 받을 때는 모드를 변경하지 않고 받음으로써 간섭신호를 특정 벡터 공간으로 정렬 시킨다.

단말은 자신이 원하는 M X 1 데이터를 수신하기 위해서 M 번의 모드 스위칭을 통해서 M 번의 서로 다른 채널로 심볼벡터를 받음으로써 디코딩 할 수 있는 공간자원(즉, 랭크)을 확보한다. 단말은 간섭 신호를 처리하는 공간자원을 최소화하기 위해서 간섭 신호를 수신할 때에는 일정한 모드를 유지함으로써 동일한 채널로 간섭 심볼벡터들을 수신한다. 따라서, 특정 사용자가 원하는 심볼벡터를 받을 때, 다른 사용자들은 간섭 신호를 하나의 공간자원으로 정렬시키기 위해서 동일한 모드로 간섭 심볼벡터를 받도록 수신 안테나 스위칭 동작을 수행한다.

이상의 내용을 도 2 내지 도 5 를 통해 자세히 설명한다. 2 명의 사용자가 존재하는 브로드캐스팅 채널(Broadcasting Channel, BC)에서 M = 2,N _R = 1 인 상황을 가정한다. 단일 RF 체인과 2 개의 모드 선택이 가능한 수신기와 안테나 2 개를 갖고 있는 송신기가 있는 시스템을 고려하며, 송신기는 RF 체인의 수와 안테나 수가 동일하다. 이 경우, 세 번의 심볼전송 구간 동안 송신기는 총 네 개의 독립적인 심볼을 전송하는데, 도 2 와 같이 첫 번째 심볼 전송구간(T=1)에는 두 단말을 위한 신호를 모두 보내고, 이후의 전송 구간(T=2, 3)에는 각 수신기만을 위한 신호를 한번씩 번갈아가며 전송한다.

송신기의 송신 심볼 패턴은 수신기의 모드 스위칭 패턴에 따라서 결정되며, 단말들은 세 번의 심볼전송 구간 동안 도 3 에 도시된 바와 같은 스위칭 패턴을 갖는다. 첫 번째 단말은 세 전송 구간 동안 계속해서 모드 스위칭을 하고, 두 번째 단말은 세 번째 전송 구간에서만 모드를 변경한다.

결과적으로 도 4 와 같이 한 단말의 채널이 첫 전송 구간에서의 채널과 달라질 때, 다른 단말의 채널은 변하지 않도록 수신 안테나를 스위칭 한다. 도 4 에서, 시간 흐름에 따른 각 전송 구간의 박스(box)는 수신기의 모드를 의미하며, 1 개의 테두리를 갖는 박스는 첫 번째 수신 모드로, 2 개의 테두리를 갖는 박스는 두 번째 수신 모드로 동작함을 의미한다.

도 4 에 도시된 패턴으로 모드를 변경할 때, 송신기에서의 송신 프리코더는 도 5 와 같이 결정된다. 도 4 와 마찬가지로, 도 5 에서의 박스의 테두리 개수는 수신기의 모드를 나타낸다. 처음 두 심볼 시간 동안 단말 1 의 채널은 변하고, 단말 2 는 모드 스위칭 없이 동일한 채널을 유지한다. 이 구간 동안 단말 1 은 원하는 신호를 서로 다른 모드로 수신함으로써 디코딩 하기 위한 공간자원을 확보하고, 단말 2 는 간섭신호를 처리하기 위해서 동일한 모드로 수신한다. 즉, 단말 2 는 첫 번째 심볼전송 구간에서 원하는 신호와 간섭신호를 같이 받았지만, 두 번째 심볼전송 구간에 동일한 채널로 간섭 신호만 받는다. 이에 따라, 단말 2 는 두 번째 심볼전송 구간에서 수신한 신호를 첫 번째 받은 신호에서 빼면 원하는 신호를 디코딩 할 수 있다.

한편, 단말 1 은 첫 번째, 두 번째 심볼전송 구간 동안 원하는 신호를 2 번(모드 M 개만큼) 서로 다른 채널로 수신했고, 단말 2 는 단말 1 의 신호를 간섭신호로 처리할 수 있도록 동일한 채널로 수신한다. 따라서 첫 번째, 두 번째 심볼 전송구간에서의 단말 1 과 단말 2 의 모드 스위칭 패턴을 단말 1 을 위한 정렬 블록(alignment block)이라고 명명한다. 마찬가지로, 도 4 의 두 번째, 세 번째 심볼 구간 동안의 두 단말의 모드 스위칭 패턴을 단말 2 를 위한 정렬 블록이라고 부른다. 도 5 에 도시된 바와 같은 세 번의 심볼확장 구간 동안 송신 심볼 패턴은 아래의 수학식 2 와 같이 표현된다.

이 때, 첫 번째 단말의 수신 신호는 다음의 수학식 3 과 같다.

위의 수학식 3 에서 두 개의 데이터 스트림으로 나타나는 간섭신호

,

는 랭크 1 인 벡터 [1 0 1] ^T 방향으로 정렬되어 있고, 선호 신호는 랭크 2 인 행렬로부터의 선형독립성이 보장된다. 따라서 첫 번째 단말은 2 개의 데이터 스트림을 모두 디코딩 할 수 있다. 잡음이 없다고 가정하면, 세 번째 심볼전송 구간에서 첫 번째 단말은 간섭 신호들만 수신하였으므로, 첫 번째 받은 신호에서 세 번째 받은 신호를 빼면 원하는 신호를 모두 디코딩 할 수 있다.

이상에서는 2 개의 모드를 스위칭 할 수 있는 2-사용자 BC 의 경우를 설명함으로써 블라인드 간섭 정렬의 기본적인 원리와 개념을 설명하였다. 한편, K 명의 사용자에게 데이터를 전송할 때, 각 단말은 총 M 개의 원하는 데이터 스트림을 수신하고, M(K - 1) 개의 간섭 신호를 받는다. 이 경우, M 개의 원하는 신호를 디코딩 하기 위해서 M 차원을 사용하고, M(K - 1) 개의 간섭 신호들은 K - 1 차원으로 정렬함으로써 제거될 수 있다. 결과적으로 블라인드 간섭 정렬 기법을 사용하는 경우, 각 단말은 다른 단말로 전송되는 하나의 M x 1 간섭 심볼벡터를 하나의 차원으로 정렬 한다. 이를 위해서 원하는 신호를 수신할 때는 모드 스위칭을 통해 각 데이터 스트림이 서로 다른 채널을 겪도록 하고, 간섭 신호들은 동일한 채널을 겪도록 하는 것이다.

블라인드 간섭정렬 기법은 CDI (Channel Direction Information) 또는 PMI(Precoding Matrix Information) 피드백이 없어도 기지국과 단말의 통합적인 동작으로 사용자 간, 셀 간 간섭을 제어할 수 있다. 특히, 서비스하는 단말의 개수를 증가시킴으로써 다중화 이득을 극대화할 수 있고, 공간 DoF(spatial Degrees of Freedom)를 각 단말에 기존의 다중안테나 기법을 적용하는 경우보다 유연하게 사용자들에게 나누어 줄 수 있는 장점이 있다. 그러나, 블라인드 간섭 정렬 기법은 서비스 하는 사용자를 증가시키면 보다 더 긴 심볼확장길이가 필요하다. 또한, 단말의 재구성 안테나의 선택 가능한 모드(M) 수( N _R = 1 인 경우)가 기지국 안테나 개수 N _T 보다 적으면, 블라인드 간섭 정렬 기법으로는 단말이 M x 1 사이즈보다 큰 심볼벡터는 디코딩할 수 없다. 따라서, 단말은 N _T 보다 작은 다중화 이득을 얻을 수 밖에 없다. 역으로 단말의 재구성 안테나의 선택 가능한 모드(M) 수( N _R = 1 인 경우)가 기지국의 안테나 개수 N _T 보다 많더라도, 적응적으로 좋은 채널을 선택하는 방법 이외에는 얻을 수 있는 이득이 제한적이다.

또한, 블라인드 간섭정렬 조건을 만족하려면 심볼전송시간 동안 유효채널이 원래 정해진 패턴대로만 변해야 하기 때문에, 기지국에서 추가적인 프리코더를 사용하려면 정해진 심볼전송시간 동안에는 변경할 수 없다는 제약 조건이 있다. 기지국이 CDI 없이 각 단말에게 송신하는 데이터의 간섭을 정렬하는 대가로 단말에서 여러 개의 모드(채널)를 선택적으로 사용한다. 따라서 단말 입장에서는 그만큼 채널 추정을 위한 오버헤드가 추가적으로 필요하게 된다. 이에 따라, 블라인드 간섭정렬 기법에 채널정보를 이용한 다중안테나 빔 형성 기법을 추가적으로 적용할 때, 기존의 방식보다 더 많은 채널 정보의 피드백을 요구하는 오버헤드가 발생한다. 따라서, 단일 셀 다중 사용자 MIMO 환경에서 블라인드 간섭정렬 원리를 적용한 MU-MIMO (Multi User-MIMO)기법을 사용할 때, 기존의 MU-MIMO 기법과 블라인드 기법의 중간 정도되는 이득을 얻기가 쉽지 않다.

예를 들어, 하나의 재구성 안테나를 이용해서 두 개의 모드를 선택적으로 사용하는 단말 2 개와 하나의 기지국이 있는 환경을 고려해보자. 두 사용자 간의 간섭은 모두 제어되어 있으므로 동일한 수신 안테나 스위칭 패턴을 사용하는 단말이 2개가 더 있다고 가정해보자. 이 경우, 4 개의 단말 가운데 2 개의 단말은 동일한 모드 스위칭 패턴을 사용하기 때문에 간섭 영향을 받는다.

이와 같은 단말 간의 간섭을 제어하기 위해서, 동일한 패턴을 사용하는 단말 간의 간섭에 대해 제로포싱 빔포밍(zero-forcing beam forming, ZF beam forming) 기법을 적용할 수 있다. 이 때, 각 단말은 심볼 수신 시점에 따라서 이미 정해진 스위칭 패턴대로 2 개의 모드(채널)를 선택해서 사용한다. 따라서 데이터 심볼을 전송하는 시점에서 두 단말이 선택하는 채널(2x1 MISO)에 따라, 기지국이 상응하는 제로포싱 프리코더를 사용하면 각 사용자 간의 간섭은 제어할 수 있다. 그러나, 단말이 선택하는 채널에 따라서 상응하는 송신 프리코더가 변경되기 때문에 간섭이 완벽하게 정렬되지 않는다. 따라서, 기지국은 두 단말의 2 개 모드에 해당되는 총 4 개의 MISO 채널을 한번에 피드백 받아서 미리 제로포싱 프리코더를 결정해두고 총 심볼전송 시간 동안 변경하지 않아야 한다. 하지만, 이를 위해서는 기지국의 공간 자원이 최소한 4 개가 필요하게 되고, 기존의 MU-MIMO 기법을 적용하면 단일 셀에서는 네 개의 데이터 스트림을 전송할 수 있는 상황이다. 결과적으로 채널 피드백 오버헤드는 기존의 MU-MIMO 기법보다 증가하는데, 기존의 MU-MIMO 기법보다는 여전히 낮은 DoF 이득을 얻게 된다. 결과적으로 일부 사용자 또는 특정 사용자가 사용하는 모드 가운데 일부 모드(채널)를 활용해서 MU-MIMO 기법의 채널 피드백 오버헤드 보다 낮으면서 기존의 블라인드 간섭제어 기법보다는 DoF 가 높은 결과를 얻을 수 있는 상황은 매우 제한적이고, 그 이득도 크게 제한적이다.

블라인드 간섭제어 기법은 단일 셀 환경에서 단말의 개수가 무한히 많아지면 CDI 를 기지국에서 완벽하게 알고 있는 것과 유사한 다중화 이득을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 이러한 블라인드 간섭제어 원리의 장점을 다중 셀 간섭 환경으로 확장하고자 한다. 이러한 경우, 셀 당 한 명의 액티브 유저가 있을 때, 셀간의 간섭 영향을 미치는 셀들이 무한히 많아지면, 셀 간의 채널정보 공유가 없더라도 기지국에서 채널정보를 완벽하게 알고 있는 경우와 유사한 다중화 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 다중 셀 환경으로 확장을 위해서는 각 셀에 많은 사용자가 있는 환경을 고려해야 한다. 또한, 간섭기지국의 개수가 무한히 증가하면 이상적인 경우와 유사한 다중화 이득을 얻을 수는 있지만, 각 셀의 입장에서 데이터를 전송하지 못하는 유휴 시간(idle time)이 많아지는 문제점이 있다.

이 때문에, 간섭 영향을 미치는 셀이 매우 많아질 때, 블라인드 간섭제어 방식의 장점을 그대로 유지하기 위해서는 각 셀에서 하나의 정렬 패턴만 사용하는 것과 같은 효과를 얻어야 한다. 또한, 이를 위해서는 동일한 패턴을 여러 단말이 사용할 수 있어야 하고, 다른 셀의 간섭 영향이 충분히 낮아 기존의 단일 셀의 블라인드 간섭제어 원리의 장점은 살릴 수 있어야 한다. 본 발명에서는 간섭 영향이 충분히 작아서 다른 기지국의 영향을 받지 않는 내부 셀(inner-cell)과 강한 간섭 영향을 받는 외부 셀(outer-cell)이 구분된 환경을 가정하고, 이러한 상황에서 블라인드 간섭제어 기법과 MU-MIMO 기법을 통합적으로 사용할 수 있는 송신 프리코더를 설계한다.

본 발명의 실시 예들에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째로, 셀 반경이 10∼30m 로 매우 작은 소형 기지국들이 높은 밀도로 설치되어 있어서 셀 간의 커버리지가 겹치는 영역이 많고 기지국의 안테나 개수가 단말의 안테나 개수의 합보다 큰 환경에서, 기존의 직교 주파수 및 시간 자원을 나누어 사용하는 것 보다 높은 다중화 이득을 얻을 수 있다. 이에 따라서 소형 셀의 높은 SNR (Signal to Noise Ratio)특성을 활용하면, 높은 전송률 이득을 함께 얻을 수 있다.

둘째로, 많은 셀들이 서로 강력한 간섭 영향을 줄 때, 하나의 기지국은 다수의 사용자에게 간섭 영향을 주게 되어 각 기지국에서는 많은 공간자원을 간섭 채널을 제거해야 한다. 따라서 셀 간 채널 정보 공유를 위한 오버헤드가 증가하더라도, 전체적인 다중화 이득은 하나의 기지국의 안테나 개수에 제한된다. 제안하는 방식은 셀 간 채널 정보를 공유하지 않고, 간섭 원이 많아질 수록 채널정보를 모두 공유하는 코디네이티드 BF(coordinated Beam Forming)기법으로 얻을 수 있는 다중화 이득과 유사한 이득을 얻을 수 있다. 따라서 스케줄링 및 제어 신호의 정보 공유로 적은 백홀 오버헤드로 간섭을 제어할 수 있는 장점이 있다.

셋째로, 각각의 단말이 요구하는 데이터 스트림의 개수가 다를 때, 단말이 사용하는 모드의 개수가 다를 수 있다. 이러한 경우, 모드의 개수가 적은 단말들의 선호 채널 정보를 피드백하여 MU-MIMO 기법과 블라인드 기법을 함께 적용함으로써, 블라인드 간섭 제거 기법만 사용하는 것 보다 전송률 및 DoF 성능을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시 예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시 예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.

이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다. 각 도면에서의 참조 번호(reference numerals)들은 구조적 구성요소(structural elements)를 의미한다.
도 1 은 본 발명과 관련된 재구성 안테나를 도시하는 도면이다.
도 2 는 본 발명과 관련된 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 기지국이 신호를 전송하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 3 은 본 발명과 관련된 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 단말이 모드를 스위칭하며 신호를 수신하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4 는 본 발명과 관련된 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 단말이 모드를 스위칭하며 신호를 수신하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5 는 본 발명과 관련된 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 기지국이 신호 전송에 적용하는 프리코더를 설명하는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실시 예가 적용되는 네트워크 환경을 도시하는 도면이다.
도 7 은 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용되는 네트워크 환경을 도시하는 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시 예와 관련된 단말 및 기지국의 구성을 도시하는 도면이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 신호 전송 방법은 셀의 내부 셀 영역에 위치한 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 제 1 정렬 패턴을 포함하는 제 1 송신 프리코더를 생성하는 단계, 셀의 외부 셀 영역에 위치한 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 제 2 정렬 패턴을 포함하는 제 2 송신 프리코더를 생성하는 단계, 제 1 송신 프리코더 및 제 2 송신 프리코더를 조합하여 소정의 시간 구간 동안 제 1 단말 및 제 2 단말로 전송할 데이터 신호를 구성하는 단계 및 데이터 신호를 제 1 단말 및 제 2 단말로 전송하는 단계를 포함하고, 내부 셀 영역과 외부 셀 영역은 기지국으로부터 단말에 수신되는 신호의 세기가 임계값 이상인지에 따라 결정된다.

복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 제 1 정렬 패턴은 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀의 내부 셀 영역에 위치한 단말들에도 동일하게 적용될 수 있다.

복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 제 2 정렬 패턴은 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성될 수 있다.

셀과 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성되는 제 2 정렬 패턴들은 인접 셀들 간의 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 구성될 수 있다.

제 2 송신 프리코더는 널 스페이스 기반의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 빔포밍 기법에 기초하여, 복수의 제 2 단말로 전송하는 데이터 신호를 구별할 수 있다.

소정의 시간 구간은 셀 및 셀에 인접한 셀들이 사용하는 총 정렬 패턴의 개수에 1 을 더한 수만큼의 타임 슬롯으로 구성되고, 총 정렬 패턴의 개수는 셀과 셀에 인접한 셀들을 포함하는 총 셀의 개수에 복수의 제 1 단말의 개수를 더한 것일 수 있다.

제 1 단말 및 제 2 단말은 모드(mode)를 변경해가며 채널을 선택적으로 스위칭할 수 있는 재구성 안테나(reconfigurable antenna)를 포함할 수 있다.

[발명의 실시를 위한 최선의 형태]

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

이하의 실시 예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시 예를 구성할 수도 있다. 본 발명의 실시 예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시 예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시 예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시 예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.

도면에 대한 설명에서, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 절차 또는 단계 등은 기술하지 않았으며, 당업자의 수준에서 이해할 수 있을 정도의 절차 또는 단계는 또한 기술하지 아니하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 어떠한 구성이 다른 구성에 "연결" 된다고 할 때, 이는 물리적 연결뿐 아니라 전기적 연결 또한 포함할 수 있으며, 나아가 논리적인 연결 관계에 있음을 의미할 수도 있다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" , "…기" , "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)" , "하나(one)" , "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.

본 명세서에서 본 발명의 실시 예들은 기지국과 이동국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 여기서, 기지국은 이동국과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미가 있다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다.

즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 이동국과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있다. 이때, '기지국' 은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 발전된 기지국(Advanced Base Station, ABS) 또는 액세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.

또한, ' 이동국(Mobile Station, MS) ' 은 UE(User Equipment), SS(Subscriber Station), MSS(Mobile Subscriber Station), 이동 단말(Mobile Terminal), 발전된 이동단말(Advanced Mobile Station, AMS) 또는 단말(Terminal) 등의 용어로 대체될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 이동국은 M2M 기기와 동일한 의미로 사용될 수 있다.

또한, 송신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 제공하는 고정 및/또는 이동 노드를 말하고, 수신단은 데이터 서비스 또는 음성 서비스를 수신하는 고정 및/또는 이동 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크에서는 이동국이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크에서는 이동국이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802.xx 시스템, 3GPP 시스템, 3GPP LTE 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들 중 설명하지 않은 자명한 단계들 또는 부분들은 상기 문서들을 참조하여 설명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시 예들은 IEEE 802.16 시스템의 표준 문서인 P802.16e-2004, P802.16e-2005, P802.16.1, P802.16p 및 P802.16.1b 표준 문서들 중 하나 이상에 의해 뒷받침될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

또한, 본 발명의 실시 예들에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

1. 기지국의 안테나 개수가 단말의 안테나 개수보다 많은 경우

도 6 은 본 발명의 실시 예가 적용되는 네트워크 환경을 도시하는 도면이다.

이하에서, 본 발명을 설명하기 위한 시스템 파라미터는 아래와 같이 정의한다.

K : 셀의 개수

U _f : 간섭의 영향이 큰 외부 셀(outer-cell) 영역에 존재하는 단말의 수

U _b : 간섭의 영향이 적은 내부 셀(inner-cell)영역에 존재하는 단말의 수

U _tot = U _f + U _b : 셀 당 한번의 스케줄링으로 데이터를 전송하는 단말의 수

N _R : 단말에서 서로 다른 2 개의 모드를 선택할 수 있는 재구성 안테나의 수

N _T = 2U _f : 기지국의 안테나 수

먼저, 도 6 에서는 셀 당 사용자수가 적어서 기지국의 안테나 개수가 단말의 안테나 개수의 합과 같거나 합보다 많은 상황을 가정한다. 모든 단말이 모든 기지국으로부터 간섭 영향을 받고 있는 네트워크 환경을 고려한다. 각 셀의 총 단말 개수는 U _tot 이고, 이 가운데 외부 셀에 U _f 개의 단말이 있고, 내부 셀에 U _b 개의 사용자 단말이 존재한다. 각 단말의 재구성 안테나는 2 개의 서로 다른 모드(채널)를 선택적으로 사용한다. 상술한 바와 같이, 재구성 안테나 또는 재구성 빔 안테나(reconfigurable beam antenna)는 모드를 스위칭해가며 통신 채널을 임의로 선택할 수 있는 안테나를 의미한다. 또한, 재구성 안테나의 모드는 재구성 안테나가 선택하는 서로 다른 채널을 의미한다. 이하에서는 블라인드 간섭제어 송신기법과 함께 제로포싱 빔포밍(ZF-BF)기법을 함께 적용하는 방법에 대해서 설명한다.

먼저, 기지국 당 액티브 단말의 개수가 기지국의 안테나 수 보다 적은 경우에 있어서 블라인드 간섭제어 원리와 MU-MIMO 기법이 함께 적용되는 실시 예를 설명한다. 본 실시 예에서, K = 7 (600, 601, 602, 603, 604, 605, 606), M = 1(N _R ), N _T = 4 , U _tot = 2 (612, 614) 이다.

본 실시 예에서, 하나의 셀에 속해 있는 모든 단말은 동일한 정렬 패턴(alignment pattern)을 사용한다. (모든 단말이 외부 셀 영역에 있는 상황과 동일하게 생각할 수 있다) 따라서, 하나의 셀에 있는 단말들은 모두 정렬 패턴을 공유하기 때문에 총 셀 수(7)만큼의 정렬 패턴이 요구된다.

동일 셀에 있는 단말들은 MU-MIMO 기법으로 각각의 신호를 구분하고, 서로 다른 셀 간에는 블라인드 간섭정렬 원리를 적용해서 간섭 신호를 제어한다. 본 실시 예에서 요구되는 심볼확장 길이는 셀 수(K) + 1 = 8 (사용되는 정렬 패턴의 개수인 7 + 1 = 8 과 동일하다)이다.

은 k 번째 셀로부터 i 번째 셀에 위치하고 m 번째 모드( m ∈ {1,2} )로 동작하는 j 번째 사용자 단말로의 벡터 채널을 의미한다. 즉,

,

는 각각 1 번째 셀의 1 번째 사용자 단말이 두 모드로 동작할 때의 채널 벡터를 의미한다.

이상에서 정의한 파라미터에 따라, 기지국 1 의 셀 내에 있는 두 단말이 사용하는 간섭정렬 패턴(벡터공간)은 아래의 수학식 4 와 같이 나타낼 수 있다.

수학식 4 에서 0 은 영벡터를 나타내며, 기지국이 유효 데이터를 전송하지 않음을 의미한다. 동일한 원리로, i 번째 기지국은 i+1 번째 타임 슬롯(time slot)과 첫 번째 타임 슬롯에 0 이 아닌 유효 데이터 신호를 보내고, 나머지 6 개의 타임 슬롯 동안에는 유효 데이터를 전송하지 않는다. 각각의 타임 슬롯은 데이터를 전송하는 시간 단위이며, 하나의 타임 슬롯에서 하나의 데이터 심볼이 전송된다. 반면, 단말은 정해진 심볼전송시간 동안 약속된 패턴대로 모드를 변경하면서 데이터를 받는다. 기지국은 자신의 셀 내에 위치한 사용자에게 각각 2 개의 데이터 스트림을 전송한다. 따라서 총 7 개의 기지국에서 총 14 명의 사용자에게 8 번의 심볼 전송구간 동안 28 개의 데이터 스트림을 전송한다. (이 때, Normalized DoF 는 28/8 = 3.5 이다)

1.1 제로포싱 빔포밍 기법과 블라인드 간섭 정렬 기법의 통합 적용

기지국 1 에 의한 셀의 두 단말에서 선택적으로 사용하는 두 개의 모드에 해당하는 채널 정보는 아래의 수학식 5 와 같다.

사용하는 모든 수신 모드에 해당되는 채널의 역 행렬을 송신 프리코더로 사용하면, 기지국 1 에서 사용하는 프리코더는 아래의 수학식 6 과 같이 표현될 수 있다.

총 8 번의 심볼 전송 시간을 통해서 기지국 1 로부터 두 단말에 전송되는 송신 심볼은 아래의 수학식 7 과 같이 나타낼 수 있다. 총 8 번의 심볼전송 시간 동안 유효 채널은 오직 단말의 모드 스위칭을 통해서 정해진 패턴대로 변해야 되기 때문에, ZF-BF 기법을 함께 적용하기 위해서 다음과 같은 송신심볼이 고려된다. 아래의 송신 심볼에서 단위 행렬과 영 행렬로 구성되는 8N _T x N _T 크기의 행렬에서 크기 N _T 의 블록 행(block row)의 개수는 총 심볼 확장 길이를 의미하고, i 번째 블록 행은 i 번째의 송신시점을 의미한다.

수학식 7 로부터, 기지국 1 에서 사용자 1 의 첫 번째, 두 번째 심볼수신 시점에서 받은 신호는 (첫 번째 모드, 두 번째 모드를 통해서) 수학식 8 과 같이 나타난다.

유사하게, 기지국 1 에서 사용자 2 의 수신신호는 수학식 9 와 같이 나타낼 수 있다.

다른 기지국도 위와 같은 제로포싱 프리코더를 써서 데이터를 전송한다. 이 때, 제로포싱 빔포밍에 의해서 데이터 스트림 별 간섭은 모두 제거되었다고 가정하고, 다른 셀들로부터 들어오는 간섭신호만을 고려하면, t=1, 2, 3, 4, … , 8 까지의 수신 신호는 아래 수학식 10 내지 수학식 14 와 같이 표현된다.

수학식 10 은 t=1 에서, 수학식 11 은 t=2 에서 수신되는 선호 신호를 의미하고, 수학식 12 내지 수학식 14 는 각각 t=3, 4, 8 에서 2 번째 셀, 3 번째 셀, 7 번째 셀로부터 수신되는 간섭 신호를 의미한다.

t=3 ∼ t=8 에서 받은 심볼을 수학식 10 으로부터 제거하면, 단말은 원하는 데이터 스트림을 2 개씩 검파 할 수 있다. 그러나, 위와 같은 방식은 4×4 제로포싱 프리코더 사용으로 인하여 잡음 증가 효과(noise enhancement effect)가 크기 때문에 성능 열화가 크다.

기존의 멀티유저 MIMO 제로포싱 빔포밍 기법에서는, 사용자 2 명에게 각각 한 개의 데이터 스트림을 전송할 때, 두 사용자의 MISO 채널을 고려한 유사-역 행렬 (pseudo-inverse matrix) 형태의 4X2 크기의 프리코더를 사용한다. (수학식 15)

반면에, 제안하는 방식은 아래의 수학식 16 과 같다.

수학식 15 와 16 에서 역행렬 형태에 대한 프로베니우스 평균의 제곱의 크기 차이는

로 나타난다. 따라서, 종래의 MU-MIMO 기법의 데이터 스트림 당 SNR 이 제안하는 방식보다 평균적으로 약 3 배 가량 높다. 또한, 단말은 t=3 ∼ t=8 에서 받은 간섭신호를 t=1 에서 받은 수신신호에서 제거함으로써 원하는 신호만 남길 수 있다. 따라서, t=1 에 데이터 스트림 x ₁₂,x ₁₄ 은 기지국 1 에 있는 단말들에 수신되지는 않지만, 다른 셀에 있는 사용자들이 t=2 에서 받은 x ^[1] 을 제거 해야 되기 때문에 기지국 1 은 반드시 데이터 스트림 x ₁₂,x ₁₄ 를 t=1 에서도 전송해야 한다.

이상에서 제안한 방법에서, 셀 마다 두 개의 단말이 있고, 각 셀의 기지국은 두 단말의 재구성 안테나의 개수( N _R = 1 ) x 사용하는 모드 수(2)만큼의 송신 안테나( N _T = 4 )를 갖는다. 따라서, 채널 피드백 정보가 완벽하고 단일 모드만 사용하는 단말이 기지국의 안테나 개수 ( N _T = 4 )만큼 있는 경우, 단일 셀 MU-MIMO 환경에서는 총 4 개의 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있다 (다중화 이득 4). 반면에, 제안하는 방식은 다중화 이득 2 를 얻기 위해 총 4 개의 MISO 채널에 대한 피드백이 필요하다. 따라서, 기지국에서 채널 정보를 완벽하게 알고 있기 때문에 풀 랭크(full rank) 데이터 전송이 이루어지는 단일 셀 MU-MIMO 환경에서 사용하기에는 적합하지 않다.

한편, 셀 간 간섭이 없는 단일 셀 환경에서 코드북 기반의 MU-MIMO 빔 형성 기법을 사용하는 경우, 코드북 사이즈가 굉장히 크더라도 고 SNR(high SNR) 영역으로 갈 수록 단일 데이터 스트림을 전송하는 것이 여러 데이터 스트림을 보내는 것 보다 높은 전송률 성능을 보인다. 따라서, 전체 데이터 스트림을 전송하는 것은 드물게 수행된다. 더욱이 여러 개의 셀 들이 간섭 영향을 주고 있는 경우, 기지국의 모든 공간자원을 데이터를 전송하는데 사용할 수 없고, 간섭 채널에 대한 피드백 오버헤드가 급격하게 증가한다.

반면에, 제안하는 방식은 각 단말은 자신이 속한 기지국에 대한 CDI 만 피드백 하기 때문에, 재구성 안테나의 사용으로 인한 채널 피드백 오버헤드가 기존 단말을 사용하는 것에 비해 높다고 할지라도, 간섭 원이 2 개 이상 증가하면 코디네이티드 빔포밍(coordinated BF) 기법을 적용할 때 필요한 채널 피드백 오버헤드 보다 적은 오버헤드가 발생한다. 간섭 원이 크게 증가할 수록 제안하는 방식의 피드백 오버헤드는 코디네이티드 빔포밍 기법을 적용할 때와 비교하여 상대적으로 크게 줄어들게 된다.

이렇다 할지라도, 이상에서 제안한 방식은 앞서 설명한 바와 같이 채널 벡터의 역행렬화에 따른 수신 SNR 이 감소하는 단점이 있기 때문에, 이를 개선하기 위해서 아래와 같은 널 스페이스 (null-space) 기반의 프리코더를 사용한다.

1.2 널 스페이스 빔포밍 기법과 블라인드 간섭 정렬 기법의 통합 적용

기지국은 선호 채널에 대하여 단말로부터 수신한 피드백에 포함된 채널 정보를 이용해서 널 스페이스 기반의 프리코더를 생성한다. 기지국은 사용자 1 에게 전송하는 심볼벡터에, 사용자 2 채널의 널 스페이스 방향 프리코더를 사용한다. 이와 유사하게, 기지국은 사용자 2 에게 전송하는 심볼벡터에 사용자 1 의 채널의 널 스페이스 방향 프리코더를 사용한다. 기지국 1 의 사용자 1 및 사용자 2 를 위한 송신 프리코더는 아래의 수학식 17 과 같다.

,

는 각각 기지국 1 의 사용자 1 과 사용자 2 를 위한 널 스페이스 방향의 4x2 유니터리 (unitary) 행렬이다. 총 심볼확장길이 8 을 고려해서 기지국 1 의 송신 심볼은 수학식 18 과 같이 표현할 수 있다.

다른 기지국의 사용자들도 동일한 방식으로 신호를 전송한다. 잡음 영향을 무시하면, 기지국 1 의 사용자 1 의 수신신호는 아래의 수학식 19 와 같이 나타낼 수 있다.

총 심볼확장길이 동안 기지국 1, 사용자 1 의 원하는 심볼에 대한 수신신호는 다음의 수학식 20 과 같다.

유효 채널의 랭크가 2 이므로 각 단말은 2 개의 데이터 스트림을 검파할 수 있다. 결과적으로 제로포싱 기준(zero-forcing criterion)을 이용해서 수신 심볼의 두 개의 데이터 스트림을 디코딩 하면, 잡음 증가는 2x4 채널 역 행렬로 인한 영향을 받는다. 따라서 제로포싱 기법으로 인한 4x4 채널의 역 행렬로 인한 잡음 증가 효과 보다 성능열화가 작다. 7 개의 셀을 모두 고려한 수신신호 벡터는 아래의 수학식 21 과 같다.

위의 수학식 21 은 아래의 수학식 22 와 같이 정리할 수 있다.

y ₁ 은 사용자 1 의 8x1 수신심볼 벡터이다. 이는 8 의 타임 슬롯을 갖는 심볼 전송시간을 모두 고려하여 벡터 공간으로 나타낸 것이다. 위의 수식을 통해서 원하는 심볼벡터는 랭크 2 로 수신되고, 다른 기지국으로부터 받는 간섭 신호는 총 랭크 6 (6 개의 공간자원)으로 정렬된다. 하나의 간섭 기지국으로부터 받는 4 개의 데이터 스트림(2x1 심볼벡터 2 개)은 동일한 정렬 패턴을 사용하기 때문에, 랭크 1 을 사용해서 정렬된다. 이는 블라인드 간섭정렬 기법의 특성상 정렬 패턴 하나 당 1 의 랭크를 사용해서 정렬하기 때문이다.

결과적으로, 단말은 기지국이 8 번의 심볼확장길이를 통해 생성한 8 개의 공간자원 중에서, 원하는 데이터 스트림 2 개를 위해서 공간자원 2 개를 사용하고, 간섭 데이터 스트림 24 개를 공간자원 6 개를 이용하여 정렬한다. 모든 사용자는 동일한 원리로 원하는 신호 및 간섭 신호를 수신하고 정렬한다. 많은 데이터 스트림을 적은 벡터공간으로 정렬시켜서 제거할 수 있지만, 이는 본질적으로 간섭 영향을 주지 않는 기존의 직교 자원을 나누어 쓰는 것과 다르기 때문에, 정렬된 간섭을 6 번 제거하면서 이에 상응하는 잡음 증가의 영향을 받는다.

2. 단말의 안테나 개수가 기지국의 안테나 개수 보다 많은 경우

도 7 은 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용되는 네트워크 환경을 도시하는 도면이다. 도 7 에서는 사용자 단말의 수가 기지국의 안테나 개수보다 많은 환경을 도시한다. 도 7 에서는 K = 7 , N _R = 1, N _T = 4 , U _f = 2, U _b = 2 인 경우를 설명하며, 설명의 편의를 위해 2 개의 셀만을 도시하였다. 총 간섭 원의 수: K-1 이며, 셀 당 총 사용자 수는 U _tot = U _f + U _b = 4 이다.

기지국의 공간자원이 제한되어 있고 셀 내에는 많은 단말이 있더라도, 스케줄링을 통해서 앞서 도 6 에서 설명한 기법을 적용할 수 있다. 하지만, 추가적인 기지국의 안테나 자원 및 채널 피드백 자원이 필요하게 된다. 따라서 상술한 도 6 에서의 실시 예에 추가적으로, 기지국 안테나 개수와 무관하게 더 많은 사용자에게 동시에 데이터를 전송할 수 있는 블라인드 간섭 정렬 방식의 활용을 제안한다.

본 실시 예에 있어서, 도 7 에서 셀 내부의 영역은 내부 셀 영역과 외부 셀 영역으로 구별되며, 도 7 에 도시된 원형의 점선이 내부 셀과 외부 셀을 구분하는 경계를 나타낸다. 내부 셀과 외부 셀은 기지국으로부터의 물리적 거리에 따라 구분될 수 있으며, 기지국으로부터 수신되는 신호의 세기가 소정의 임계값보다 크거나 작은지 여부에 따라 구분될 수 있다.

내부 셀 영역에 위치한 단말들은 각각 서로 다른 정렬 패턴으로 간섭을 제어한다. 그러나, 서로 다른 셀들의 내부 셀 영역에 위치한 사용자들은 정렬 패턴을 공유한다. 외부 셀 영역에 위치한 단말들은 셀 당 하나의 정렬 패턴을 할당받는다. 외부 셀 영역에 할당된 정렬 패턴은 해당 셀의 외부 셀 영역에 위치한 단말들끼리만 공유된다.

따라서, 총 사용되는 정렬 패턴의 개수는 내부 셀 영역에 위치한 사용자 수와 전체 셀의 총 개수의 합과 같다. 또한, 필요한 심볼 확장 길이는 사용되는 정렬 패턴의 개수에 1 을 더한 수와 같다. 본 실시 예에서, 7 개의 셀의 외부 셀 영역에서 사용하는 정렬 패턴의 개수가 총 7 개 이고, 7 개 셀의 내부 셀 영역에 위치한 단말 2 개를 위해서 정렬 패턴을 2 개 사용한다. 따라서 총 사용하는 패턴의 개수는 9 개 이다. 필요한 심볼 확장길이(사용하는 정렬 패턴의 개수 + 1)는 10 이다.

따라서, 기지국 1 은 총 심볼전송시간인 10 타임 슬롯 동안 대상 단말 4 개에 각각 2x1 벡터심볼을 하나씩 전송해서 총 8 개의 데이터 스트림을 보낸다. 전체 7 개의 셀에 대해서 고려하면, 10 타임 슬롯 동안 56 개의 데이터 스트림을 보내는 상황이다. 외부 셀 영역에 위치한 두 단말은 채널 피드백을 이용해서 동일한 정렬패턴을 사용하고, 내부 셀 영역에 위치한 두 단말은 서로 다른 정렬패턴으로 데이터를 받는다. 심볼전송시간 10 타임 슬롯 동안 기지국 1 이 전송하는 심볼벡터들은 아래의 수학식 23 과 같다. 수학식 23 에서도 마찬가지로, N _T × N _T 블록 행(또는 N _T × N _T 블록 행렬)은 하나의 심볼송신 시점을 의미한다.

상기 수학식 23 에서, x ₃ ,x ₄ 는 각각 사용자 3, 사용자 4 에게 전송하는 2x1 심볼벡터이다. 사용자 3 과 사용자 4 는 내부 셀 영역에 위치하는 단말이고, 서로 다른 정렬 패턴으로 구분된다. x ₁ ,x ₂ 는 사용자 1 및 사용자 2 에게 전송하는 2x1 심볼벡터이다. 사용자 1 과 사용자 2 는 외부 셀 영역에 위치하는 단말로, 동일한 정렬 패턴이 할당되고, 앞서 도 6 에서 설명한 두 번째 실시 예인 널 스페이스 기반의 MIMO 빔포밍 기법이 적용된다.

사용자 3 와 사용자 4 는 하나의 재구성 안테나를 이용해서 2 개의 모드만 사용하는 단말이기 때문에, 채널 피드백을 이용한 4x2 프리코딩 행렬을 추가적으로 적용하지 않는다. 따라서, 사용자 3, 4 는 기지국의 4 개의 송신 안테나 가운데 2 개만을 선택해서 2x1 심볼벡터를 받는다. 위의 수학식에서는 기지국의 첫 번째, 두 번째 송신 안테나를 선택하는 실시 예를 설명하였다. 수학식 23 을 기반으로, 기지국 1 에서 단말 4 개 ( U _f = 2, U _b = 2 ) 각각을 위해 생성하는 프리코딩 행렬은 아래의 수학식 24 와 같이 표현된다.

서로 다른 셀에 속해있는 내부 셀 영역의 사용자들은 정렬 패턴을 모두 공유하기 때문에 이들을 위한 프리코딩 행렬 구조는 각 셀에서 동일하다. 따라서 동일한 원리로, 기지국 2 ∼ 기지국 7 에서 사용하는 프리코딩 행렬을 아래의 수학식 25 내지 수학식 30 과 같이 정리할 수 있다.

상술한 실시 예는 내부 셀 영역에 2 명의 사용자 단말이 위치하는 경우에 대한 것이다. 그러나, 심볼확장길이만 허용 된다면 기지국의 송신 안테나 개수와 관계없이 내부 셀 영역에 있는 더 많은 수의 단말들을 스케줄링 함으로써 단위시간 동안 더 많은 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 본 실시 예는 셀이 7 개인 경우에 국한되지 않고, 더 많거나 적은 셀의 개수에 대해서도 적용될 수 있다.

본 실시 예에서 내부 셀 영역에 위치한 사용자(사용자 3, 사용자 4)에 대해서는 MIMO-BF 기법을 적용하지 않는다. 따라서, 내부 셀 영역에 위치한 사용자들은 2x1 심볼벡터 x ₃ ,x ₄ 대신, 기지국의 안테나 개수( N _T = 4 )만큼 데이터 스트림을 (4x1 심볼벡터) 받을 수 있다. 즉, 내부 셀 사용자(사용자 3, 사용자 4)의 재구성 안테나가 2 개(N _R = 2) 인 경우, 수학식 23 은 아래의 수학식 31 과 같이 표현될 수 있다.

수학식 31 에서

,

는 2x1 벡터이고,

,

는 각각 4x1 벡터이다. 수학식 23 의

는

로 변경된다.

결과적으로, 기지국 1 의 사용자 1 과 사용자 2 는 동일한 정렬 패턴을 사용하기 때문에 널 스페이스 기반의 프리코딩 기법으로 사용자간 간섭을 제어했다. 따라서, 사용자 3, 사용자 4 에게 전송한 신호들이 서로 다른 벡터공간(정렬패턴)으로 정렬됨으로써 사용자간 간섭을 제어했다. 또한, 사용자 3 과 사용자 4 에 대해서는 사용자 1 과 사용자 2 가 사용하는 정렬 패턴과는 다른 패턴이 적용되기 때문에 사용자 3 과 사용자 4 의 선호 신호는 사용자 1, 2 의 선호 신호와 다른 벡터 공간으로 정렬된다. 마지막으로, 사용자 1, 사용자 2 가 다른 기지국으로부터 영향을 받는 간섭 신호는 셀 간의 다른 정렬패턴을 이용해서 제어된다. 마지막으로, 사용자 3, 4 는 내부 셀 영역에 위치하므로 다른 기지국으로부터의 간섭을 무시할 수 있고, 동일 기지국내의 사용자 1 과 사용자 2 와는 셀 마다 다른 정렬패턴으로 신호가 구분되어 간섭의 영향이 제거된다.

정리하면, 기지국의 안테나 개수 4 개, 단말의 재구성 안테나가 1 개 또는 2 개이고, 하나의 재구성 안테나로 생성할 수 있는 모드가 2 개 이상인 경우, 각 단말들의 지리적인 위치는 내부 셀 영역 또는 외부 셀 영역으로 구분되고, 단말들은 아래와 같은 방식으로 피드백 데이터를 기지국에 전송한다.

먼저, 외부 셀 영역에 위치하는 단말들의 재구성 안테나가 1 개인 경우, 멀티 유저 전송(multi-user transmission)이 이루어지고 2 개의 모드를 사용하여 2 개의 단말에 동일한 정렬 패턴을 적용하는 널 스페이스 기반의 MIMO 빔포밍 방식이 수행된다. 아울러, 각 단말은 기지국으로 채널 피드백을 수행한다.

다음으로, 외부 셀 영역에 위치하는 단말들의 재구성 안테나가 2 개인 경우, 단일 유저 전송(single-user transmission) 이 이루어지고 마찬가지로 2 개의 모드를 사용하는 빔포밍 방식이 수행된다. 반면에, 각 단말은 기지국으로 채널 피드백을 수행하지 않는다.

내부 셀 영역에 위치하는 단말들의 재구성 안테나가 1 개인 경우, 시스템상 허용되는 심볼 확장길이에 따라서 사용하는 모드의 개수를 2 개 내지 4 개까지 고려할 수 있다. 이때, 모드의 개수가 서로 다른 경우에 있어서 각각 정렬 패턴을 다르게 설정할 수 있으며, 각 모드에 해당하는 정렬 패턴의 개수에 따라 심볼 확장 길이 또한 달라 질 수 있다. 반면에, 내부 셀 영역에 위치하는 단말들의 재구성 안테나가 2 개인 경우, 2 개의 모드만 사용 가능하다. 내부 셀 영역에 위치하는 단말들은 채널 정보를 피드백하지 않는다.

3. 단말 안테나 및 내부/외부 셀의 단말 개수에 대한 프리코딩 설계 방식

이하에서는 앞서 도 7 에서 설명한 실시 예를 일반화하여 설명하며, 설명에 앞서 관련 파라미터들에 대해 다시 한번 정리한다.

N _R 은 단말의 재구성 안테나의 개수를 나타내고, M 개 이상이 될 수 있다. U _f 는 외부 셀 영역에 위치하는 단말의 개수로, 동일한 정렬 패턴을 사용하고 기지국으로부터 MIMO 빔포밍 기법에 따라 동시에 데이터를 전송하는 단말의 개수를 나타낸다 (재구성 안테나 개수가 M 개인 단말들). U _b 는 내부 셀 영역의 사용자들 중에서 기지국이 동시에 데이터를 전송하기 위해 스케줄링한 단말의 개수를 나타낸다. 기지국 안테나 개수는 N _T = 2MU _f 로 표현되며, 간섭 영향을 미치는 총 셀의 개수는 K 로 표현된다. 이에 따라, 외부 셀 영역의 사용자들을 위한 정렬 패턴은 K 개, 내부 셀 영역의 사용자들을 위한 패턴은 U _b 개 필요하며, 총 요구되는 심볼확장길이(한번의 스케줄링으로 전송하는 타임 슬롯의 길이)는 K + U _b + 1 가 된다. 또한, 모든 단말이 적응적으로 선택해서 사용하는 총 모드의 개수는 2 개이다.

외부 셀 영역에 위치한 단말들에 대해 먼저 설명한다. 단말의 재구성 안테나 개수가 M 개인 경우, 다중 사용자 전송이 수행되고 2 개의 모드를 사용하여 U _f 개의 단말에 동일한 정렬 패턴을 사용하는 MIMO 빔포밍 방식이 사용된다. 널 스페이스 기반의 빔포밍 방식이 사용되며, 각 단말은 채널 피드백을 수행한다.

반면에, 단말의 재구성 안테나 개수가 2M 개인 경우, 단일 사용자 전송이 수행되고 마찬가지로 2 개의 모드만 사용한다. 반면에, 채널 피드백은 수행되지 않는다.

내부 셀 영역에 위치한 단말들은 시스템 상 허용되는 심볼 확장길이에 따라 모드의 개수를 2 개에서 4 개까지 사용할 수 있다. 모드의 개수가 서로 다른 경우에 있어서 각각 정렬 패턴을 다르게 설정할 수 있으며, 각 모드에 해당하는 정렬 패턴의 개수에 따라 심볼 확장 길이 또한 달라 질 수 있다. 반면에, 내부 셀 영역에 위치하는 단말들의 재구성 안테나가 2 개인 경우, 2 개의 모드만 사용 가능하다. 내부 셀 영역에 위치하는 단말들은 채널 정보를 피드백하지 않는다.

외부 셀 영역에 위치한 단말들에 대하여 기지국이 프리코더를 설계하는 실시 예를 설명한다. 다른 셀로부터 비교적 강한 간섭영향을 받는 외부 셀 영역에 위치한 단말 중에서, M 개의 안테나를 갖고 있는 단말은 U _f (2MU _f = N _T ) 개씩 묶어 동일한 간섭정렬 패턴을 사용한다. 외부 셀 영역에 위치한 단말들에 대해서는 널 스페이스 기반의 MU-MIMO 프리코더를 적용하여 데이터를 전송한다.

외부 셀 영역에 위치하는 단말 가운데 재구성 안테나가 2M 개인 단말은 단말 당 독립적인 정렬패턴을 사용하고, 외부 셀 영역에서는 멀티 사용자 데이터 전송을 수행하지 않는다. k ∈ {1,2,3,...,K} 번째 기지국이 스케줄링한 단말들에게 동시에 데이터를 전송하기 위해 설계되는 프리코더는 K + U _b + 1 개의 블록행렬로 구성된 톨 매트릭스(tall matrix) 형태를 갖는다. 송신 프리코더는 아래의 수학식 32 에 나타낸 바와 같이 첫 번째, k 번째 블록 열(block row)가 단위 행렬이고, 나머지 원소들이 0 인 크기 (K + U _b + 1) N _T × N _T 의 행렬이다.

기지국 k ∈ {1,2,3,...,K} 에서 채널 정보를 피드백 받는 단말(인덱스: j ∈ {1,2,3,...,U _f } )에게 데이터를 전송하기 위해 사용하는 프리코딩 행렬에 대해 설명한다. 먼저, M 개의 재구성 안테나로 2 개 모드를 선택적으로 사용하는 단말 j ∈ {1,2,3,...,U _f } 의 채널은 2M × N _T 행렬

로 나타낸다. 따라서 기지국 k 에서 데이터를 전송하기 위해서 사용하는 채널 정보는 수학식 33 과 같다.

기지국 k 가 사용자 1 에게 전송하는 심볼벡터

는 사용자 2 ∼ 사용자 U _f 채널의 널 스페이스 방향으로 전송된다. 마찬가지로 사용자 2 에게 전송하는 심볼벡터

는 사용자 1, 사용자 3 ∼ 사용자 U _f 의 널 스페이스 방향으로 전송된다. 따라서 채널정보를 이용해서 정의되는 행렬

는 수학식 34 와 같다.

기지국 k ∈ {1,2,3,...,K} 에서 단말 j ∈ {1,2,3,...,U _f } 에게 사용하는 블라인드 간섭정렬 패턴을 함께 고려하면, 결과적으로 송신 프리코더는 수학식 35 와 같이 표현된다.

따라서 피드백을 전송하는 U _f 개의 단말에 기지국 k 가 전송하는 데이터는 수학식 36 과 같은 정렬패턴이 적용되어 전송된다.

다음으로, 내부 셀 영역에 위치한 U _b 개의 단말들에 대하여 기지국이 프리코더를 설계하는 실시 예를 설명한다. 기지국은 각 셀에 이미 할당한 K 개의 정렬패턴은 다시 사용하지 않고, 독립적으로 U _b 개의 패턴을 사용한다. U _b 개의 단말들 가운데 단말 J' 은 수학식 37 과 같이 첫 번째와 K + j'+ 1 번째 블록 열이

인 톨 매트릭스를 사용하는데, 단말의 안테나 개수가 M, 2M 인 경우에 따라서

또는 단위행렬 I 가 될 수 있다.

결과적으로, 총 K + U _b + 1 심볼전송시간 동안 전송되는 기지국 k 의 송신 심볼은 아래의 수학식 38 과 같다. 각각의 톨 매트릭스는 모두 K + U _b + 1 개의 블록 매트릭스로 구성된다.

이상에서 설명한 실시 예는 각 단말이 사용하는 모드의 개수가 2 개가 아닌 다른 경우에도 적용될 수 있다. 즉, 제안한 방식은 심볼 확장 길이가 길어질 수는 있겠으나, 모드 수가 2 인 재구성 안테나의 실시 예에 한정되는 것은 아니다.

도 8 은 본 발명의 일 실시 예와 관련된 단말 및 기지국의 구성을 도시하는 도면이다.

도 8 에서 단말(100) 및 기지국(200)은 각각 무선 주파수(RF) 유닛 (110, 210), 프로세서(120, 220) 및 메모리(130, 230)를 포함할 수 있다. 도 8 에서는 단말(100)과 기지국(200) 간의 1:1 통신 환경을 도시하였으나, 다수의 단말과 기지국(200) 간에도 통신 환경이 구축될 수 있다. 또한, 도 8 에 도시된 기지국(200)은 매크로 셀 기지국과 스몰 셀 기지국에 모두 적용될 수 있다.

각 RF 유닛(110, 210)은 각각 송신부(112, 212) 및 수신부(114, 214)를 포함할 수 있다. 단말(100)의 송신부(112) 및 수신부(114)는 기지국(200) 및 다른 단말들과 신호를 송신 및 수신하도록 구성되며, 프로세서(120)는 송신부(112) 및 수신부(114)와 기능적으로 연결되어 송신부(112) 및 수신부(114)가 다른 기기들과 신호를 송수신하는 과정을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 전송할 신호에 대한 각종 처리를 수행한 후 송신부(112)로 전송하며, 수신부(114)가 수신한 신호에 대한 처리를 수행한다.

필요한 경우 프로세서(120)는 교환된 메시지에 포함된 정보를 메모리(130)에 저장할 수 있다. 이와 같은 구조를 가지고 단말(100)은 이상에서 설명한 본 발명의 다양한 실시 형태의 방법을 수행할 수 있다.

기지국(200)의 송신부(212) 및 수신부(214)는 다른 기지국 및 단말들과 신호를 송신 및 수신하도록 구성되며, 프로세서(220)는 송신부(212) 및 수신부(214)와 기능적으로 연결되어 송신부(212) 및 수신부(214)가 다른 기기들과 신호를 송수신하는 과정을 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 프로세서(220)는 전송할 신호에 대한 각종 처리를 수행한 후 송신부(212)로 전송하며 수신부(214)가 수신한 신호에 대한 처리를 수행할 수 있다. 필요한 경우 프로세서(220)는 교환된 메시지에 포함된 정보를 메모리(230)에 저장할 수 있다. 이와 같은 구조를 가지고 기지국(200)은 앞서 설명한 다양한 실시 형태의 방법을 수행할 수 있다.

단말(100) 및 기지국(200) 각각의 프로세서(120, 220)는 각각 단말(100) 및 기지국(200)에서의 동작을 지시(예를 들어, 제어, 조정, 관리 등)한다. 각각의 프로세서들(120, 220)은 프로그램 코드들 및 데이터를 저장하는 메모리(130, 230)들과 연결될 수 있다. 메모리(130, 230)는 프로세서(120, 220)에 연결되어 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 및 일반 파일(general files)들을 저장한다.

본 발명의 프로세서(120, 220)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 한편, 프로세서(120, 220)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어를 이용하여 본 발명의 실시 예를 구현하는 경우에는, 본 발명을 수행하도록 구성된 ASICs(application specific integrated circuits) 또는 DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays) 등이 프로세서(120, 220)에 구비될 수 있다.

한편, 상술한 방법은, 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터 판독 가능 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터 판독 가능 매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 본 발명의 다양한 방법들을 수행하기 위한 실행 가능한 컴퓨터 코드를 포함하는 저장 디바이스를 설명하기 위해 사용될 수 있는 프로그램 저장 디바이스들은, 반송파(carrier waves)나 신호들과 같이 일시적인 대상들은 포함하는 것으로 이해되지는 않아야 한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, DVD 등)와 같은 저장 매체를 포함한다.

본원 발명의 실시 예 들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아닌 설명적 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명이 아닌 특허청구 범위에 나타나며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

1. 무선 접속 시스템에서 기지국이 블라인드 간섭 정렬(Blind Interference Alignment, BIA) 기법을 이용하여 신호를 전송하는 방법에 있어서,
   셀의 내부 셀 영역에 위치한 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 제 1 정렬 패턴을 포함하는 제 1 송신 프리코더를 생성하는 단계;
   상기 셀의 외부 셀 영역에 위치한 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 제 2 정렬 패턴을 포함하는 제 2 송신 프리코더를 생성하는 단계;
   상기 제 1 송신 프리코더 및 상기 제 2 송신 프리코더를 조합하여 소정의 시간 구간 동안 상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말로 전송할 데이터 신호를 구성하는 단계; 및
   상기 데이터 신호를 상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말로 전송하는 단계를 포함하고,
   상기 내부 셀 영역과 상기 외부 셀 영역은 상기 기지국으로부터 단말에 수신되는 신호의 세기가 임계값 이상인지에 따라 결정되는 것인, 신호 전송 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 상기 제 1 정렬 패턴은 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀의 내부 셀 영역에 위치한 단말들에도 동일하게 적용되는 것인, 신호 전송 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 상기 제 2 정렬 패턴은 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성되는 것인, 신호 전송 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 셀과 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성되는 제 2 정렬 패턴들은 인접 셀들 간의 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 구성되는 것인, 신호 전송 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 송신 프리코더는 널 스페이스 기반의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 빔포밍 기법에 기초하여, 상기 복수의 제 2 단말로 전송하는 데이터 신호를 구별하는 것인, 신호 전송 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 시간 구간은 상기 셀 및 상기 셀에 인접한 셀들이 사용하는 총 정렬 패턴의 개수에 1 을 더한 수만큼의 타임 슬롯으로 구성되고,
   상기 총 정렬 패턴의 개수는 상기 셀과 상기 셀에 인접한 셀들을 포함하는 총 셀의 개수에 상기 복수의 제 1 단말의 개수를 더한 것인, 신호 전송 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말은 모드(mode)를 변경해가며 채널을 선택적으로 스위칭할 수 있는 재구성 안테나(reconfigurable antenna)를 포함하는, 신호 전송 방법.
8. 무선 접속 시스템에서 블라인드 간섭 정렬(Blind Interference Alignment, BIA) 기법을 이용하여 신호를 전송하는 기지국에 있어서,
   송신부;
   수신부; 및
   상기 송신부 및 상기 수신부와 연결되어 신호를 전송하도록 구현되는 프로세서를 포함하고,
   상기 프로세서는
   셀의 내부 셀 영역에 위치한 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 제 1 정렬 패턴을 포함하는 제 1 송신 프리코더를 생성하고,
   상기 셀의 외부 셀 영역에 위치한 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 제 2 정렬 패턴을 포함하는 제 2 송신 프리코더를 생성하고,
   상기 제 1 송신 프리코더 및 상기 제 2 송신 프리코더를 조합하여 소정의 시간 구간 동안 상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말로 전송할 데이터 신호를 구성하고,
   상기 데이터 신호를 상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말로 전송하도록 상기 송신부를 제어하도록 구현되되,
   상기 내부 셀 영역과 상기 외부 셀 영역은 상기 기지국으로부터 단말에 수신되는 신호의 세기가 임계값 이상인지에 따라 결정되는 것인, 기지국.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 복수의 제 1 단말 각각에 서로 다르게 적용되는 상기 제 1 정렬 패턴은 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀의 내부 셀 영역에 위치한 단말들에도 동일하게 적용되는 것인, 기지국.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 제 2 단말에 공통적으로 적용되는 상기 제 2 정렬 패턴은 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성되는 것인, 기지국.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 셀과 상기 셀에 인접한 하나 이상의 다른 셀 각각 마다 다르게 구성되는 제 2 정렬 패턴들은 인접 셀들 간의 블라인드 간섭 정렬 기법에 따라 구성되는 것인, 기지국.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 송신 프리코더는 널 스페이스 기반의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 빔포밍 기법에 기초하여, 상기 복수의 제 2 단말로 전송하는 데이터 신호를 구별하는 것인, 기지국.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 소정의 시간 구간은 상기 셀 및 상기 셀에 인접한 셀들이 사용하는 총 정렬 패턴의 개수에 1 을 더한 수만큼의 타임 슬롯으로 구성되고,
    상기 총 정렬 패턴의 개수는 상기 셀과 상기 셀에 인접한 셀들을 포함하는 총 셀의 개수에 상기 복수의 제 1 단말의 개수를 더한 것인, 기지국.
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 단말 및 상기 제 2 단말은 모드(mode)를 변경해가며 채널을 선택적으로 스위칭할 수 있는 재구성 안테나(reconfigurable antenna)를 포함하는, 기지국.

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