WO2010077085A2 - 다중사용자 ｍｉｍｏ 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법 - Google Patents

다중사용자 ｍｉｍｏ 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법 Download PDF

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WO2010077085A2
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이정우
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0452—Multi-user MIMO systems

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for selecting a user in a multiuser multiple input multiple output (MIMO) system, and more particularly, to a BER (Bit) in a multiuser MIMO system supporting an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) scheme.
  • An apparatus and method for selecting a user based on an error rate may be used.
  • MIMO Multiple Input Multiple Output
  • Such a MIMO system can be largely divided into an open loop MIMO and a closed loop MIMO.
  • the open loop MIMO is a method in which a transmitting end communicates without knowing a channel condition, and in a closed loop MIMO, a transmitting end is a receiving end. This is a method of communicating with reference to channel information fed back from.
  • a complex coding technique applied in the time domain and the spatial domain must be used to reach the theoretical transmission capacity.
  • the complexity of detection increases significantly. Accordingly, in a real system, closed loop MIMO is preferred, which is close to the theoretical capacity of the open loop method by applying independent modulation and coding schemes according to channel conditions for each transmit antenna.
  • the most accurate method is a method of measuring the sum of channel capacities in consideration of the set of all combinable user terminals, which is difficult to use in an actual system because the computational complexity becomes very large when the total number of user terminals is large.
  • the user selection technique based on the channel capacity mainly used in the prior art is calculated assuming an ideal environment (situation) and does not necessarily match the actual system.
  • channel capacity which is a criterion for user selection, means a data transmission amount that can be obtained in an ideal environment, a large channel capacity does not necessarily show good performance in an actual system. Therefore, a user selection technique with better performance that can be applied to a real system is required.
  • the present invention was devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting a user using a bit error rate (BER) in a multi-user MIMO system.
  • BER bit error rate
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting a user using fast BER in a multi-user MIMO system.
  • a user selection device in a multi-user MIMO system of one embodiment of the present invention includes a channel information receiving unit for receiving channel information from a plurality of user terminals; And a user selector for selecting a MIMO user terminal based on a bit error rate (BER) using the received channel information.
  • BER bit error rate
  • a user selection method includes: a) receiving channel information from a plurality of user terminals; b) obtaining a precoding matrix for each user terminal using the received channel information; c) calculating, for each of the user terminals, a minimum value of singular values of the obtained precoding matrix; And d) selecting a user terminal having the largest minimum value among the minimum values calculated for each user terminal.
  • a user selection method includes: a) receiving channel information from a plurality of user terminals; b) using the received channel information, obtaining a channel matrix set of already selected user terminals and preselected user terminals; c) calculating a minimum value among singular values of the obtained channel matrix set; And d) selecting a preselected user terminal corresponding to the channel matrix set having the largest minimum value among the calculated minimum values.
  • the system performance can be improved compared to the case of using channel capacity.
  • the system performance is improved by allocating power based on BER or fast BER in a multi-user MIMO system.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a multi-user MIMO system model to which the present invention can be applied.
  • FIG. 2 is a block diagram of a user selection apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a detailed configuration diagram of the user selection unit of FIG. 2.
  • FIG. 6 is a detailed block diagram of the precoding matrix generator of FIG. 2.
  • FIG. 7 is a flowchart of a user selection method according to the present invention.
  • 8 to 10 are graphs comparing BER of various user selection schemes according to the change in the number of antennas.
  • Figure 1 illustrates a model of a multi-user MIMO system to which the present invention can be applied.
  • a channel is a downlink channel, which may be applied to both time division duplex (TDD) and frequency division duplex (FDD).
  • TDD time division duplex
  • FDD frequency division duplex
  • M is an integer of 2 or more
  • N i is an integer of 2 or more
  • i 1,2,3, ...
  • Equation 1 the relationship between the transmission and reception signals in the system model may be expressed by Equation 1 below.
  • I is the user terminal index, Is a transmission signal to the i th user terminal, Is the received signal of the i th user terminal, Is the precoding matrix for the i th user terminal, Is the channel matrix for the i th user terminal, Is the power allocated to the i th user terminal, Is noise for the i-th user terminal.
  • Wow Are assumed to be independent and identically distributed (iid) and follow a normal distribution N (0,1) with a mean of 0 and a standard deviation of 1.
  • Equation 2 assuming that the transmitting end knows the complete channel
  • FIG. 2 is a block diagram of a user selection device according to an embodiment of the present invention.
  • the user selection apparatus includes a channel information receiver 210, a user selector 220, a precoding matrix generator 230, a modulation level allocator 240, and a power allocator 250. ), The data transmission unit 260 and the like.
  • the channel information receiver 210 receives channel information fed back from a plurality of K t user terminals, respectively.
  • the user selector 220 selects the user terminal by a user selection technique using the channel information fed back from each user terminal.
  • FIG. 4 illustrates a first algorithm, hereinafter referred to as a BER based multiuser MIMO User Selection Algorithm
  • FIG. 5 illustrates a second algorithm, hereinafter, referred to as a fast BER based user selection scheme.
  • BER based User Selection Algorithm the user selector 220 selects the user terminal by the BER-based user selector 222 that selects the user terminal by the BER-based user selection scheme and the fast BER-based user selection technique, as shown in FIG. 3. It may be implemented to include at least one of the fast BER-based user selector 224.
  • Step 1 is an initialization step.
  • T represents a set of selectable user terminals
  • S represents a set of selected user terminals.
  • Step 2 is a step of selecting a user terminal.
  • step 3 the finally selected K user terminals remain.
  • Step 1 is an initialization step.
  • T represents a set of selectable user terminals
  • S represents a set of selected user terminals.
  • A is a channel matrix set of the temporarily selected user terminal.
  • Step 2 is a step of selecting a user terminal.
  • the criterion for selecting the user terminal is a set of channel matrices of the temporarily selected user terminal (that is, already selected user terminals and preselected user terminals).
  • Is the minimum of the singular values Is obtained from among user terminals belonging to T (that is, among preselected terminals). This largest user terminal is selected. Then, the selected user terminal is deleted from T and belongs to S.
  • step 3 the finally selected K user terminals remain.
  • the second algorithm fast BER, does not obtain a precoding matrix, and thus greatly reduces the computational amount and provides almost the same system performance as the first algorithm. It is very effective because it is shown (see FIGS. 8 to 10).
  • channel information about the K user terminals selected by the user selector 220 may be expressed as in Equation 3 below.
  • the precoding matrix generator 230 generates a precoding matrix for the user terminals selected by the user selector 220.
  • the precoding matrix generator 230 includes a first precoding matrix generator 232 and a second precoding matrix generator 234 as shown in FIG.
  • the first precoding matrix generator 232 may include a first precoding matrix for removing inter-user interference. ( Matrices). Where the first precoding matrix Can be generated using the Block Diagonalization (BD) precoding technique, Consisting of Is the first precoding matrix of the i th user terminal ( procession, )to be. Thus the first precoding matrix Satisfies Equation 4.
  • BD Block Diagonalization
  • the second precoding matrix generator 234 is a second precoding matrix for separating each user terminal into an eigenmode. (n i ⁇ M i matrix) Where the second precoding matrix Is It can be obtained by decomposing the singular value, which will be described below.
  • Equation 5 Decompose the singular values.
  • Equation 6 the final precoding matrix is given by Equation 6.
  • the first precoding matrix I is a matrix that eliminates interference between users and decomposes the entire system into K independent multi-antenna systems, and a second precoding matrix.
  • K independent multi-antenna systems into eigenmodes, i.e., MIMO into a single input single output (SISO).
  • SISO single input single output
  • the received signal of each selected user terminal may be expressed as shown in Equation 7 below.
  • Is the (k, k) component of S i Is a received signal of the k-th SISO channel of the i-th user terminal.
  • the modulation level allocator 240 allocates a modulation level to the selected user terminal, and the power allocator 250 allocates power to the selected user terminal. This will be described below in detail.
  • an equal minimum distance function In the set S of the selected user terminal appropriately allocates power (power) in the following manner, and returns an equal minimum distance level (a).
  • D i is a minimum distance of a modulation level with respect to the i th user terminal and has a value as shown in Table 1 below.
  • each user terminal having N antennas receives N streams, and that antennas of the user terminals receive signals of the same modulation level.
  • Equation 12 the power allocated in the k-th channel of the user terminal i is expressed by Equation 12 below.
  • the data transmitter 260 transmits a final signal (data) in which precoding, modulation, power allocation, etc., are performed on data to be transmitted to each user terminal.
  • a user selection method according to the present invention will be described with reference to FIG. 7.
  • a detailed process or operation principle of the user selection method according to the present invention may refer to the description of the user selection device described above, and thus redundant description will be omitted and briefly described.
  • step S710 the base station (transmitter) receives channel information fed back from a plurality of K t user terminals (receiver), respectively.
  • the channel information fed back from the user terminal is a channel vector Becomes
  • step S720 the base station selects the user terminal by a user selection technique using the channel information fed back from each user terminal.
  • the user selection scheme may use the above-described BER based user selection scheme or fast BER based user selection scheme.
  • the base station In step S730, the base station generates a precoding matrix for the selected user terminal.
  • the precoding matrix is a first precoding matrix for removing inter-user interference.
  • a second precoding matrix for separating each user terminal into an eigenmode. Create And multiplying the first precoding matrix by the second precoding matrix to obtain a final precoding matrix.
  • step S740 the base station assigns a modulation level for the selected user terminal.
  • the modulation level to be assigned to each user terminal is the number of user terminals selected as described above, Rate (BPCU), symbol allocation function. Or the like (see Table 1 and Table 2).
  • step S750 the base station allocates power for the selected user terminal.
  • the power to be allocated to the user terminal is a symbol assignment function as described above.
  • Minimum distance function The minimum distance level a, etc. (see Equations 9 to 12).
  • step S760 the base station transmits the signal (data) thus generated to each user terminal.
  • 8 to 10 are graphs comparing BERs of various user selection schemes according to the change in the number of antennas.
  • 9 is a graph illustrating BER

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법은, 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 BER(Bit Error Rate) 또는 패스트(fast) BER에 기반하여 MIMO를 위한 사용자 단말을 선택한다.

Description

다중사용자 ＭＩＭＯ 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법
본 발명은 다중사용자(Multiuser) MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서 사용자 선택 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식을 지원하는 다중사용자 MIMO 시스템에서 BER(Bit Error Rate)에 기반하여 사용자를 선택하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 무선통신의 전송용량을 높이기 위하여 송신단과 수신단이 다수의 안테나를 사용하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템이 큰 각광을 받으며 연구되고 있다.
이러한 MIMO 시스템은 크게 개루프(open loop) MIMO와 폐루프(closed loop) MIMO로 구분될 수 있는데, 개루프 MIMO는 송신단이 채널 상황을 모르는 상태로 통신하는 방식이고, 폐루프 MIMO는 송신단이 수신단으로부터 피드백된 채널 정보를 참조하여 통신하는 방식이다. 개루프 MIMO의 경우 이론적 전송용량에 이르기 위해서는 시간영역과 공간영역에서 동시에 적용된 복잡한 코딩 기법을 이용해야 하고 이는 또한 안테나의 수가 증가할수록 검출의 복잡도가 크게 증가하는 단점이 있다. 이에 따라, 실제 시스템에서는 각 송신 안테나별로 채널 상태에 따라 독립적인 변조 및 코딩 기법을 적용함으로써 개루프 방식의 이론적 용량에 근접하는 폐루프 MIMO가 선호된다.
한편, 다중사용자 MIMO 시스템의 경우 MIMO를 적용할 사용자 단말들의 선택이 시스템 성능의 중요한 요소가 되는데, 종래 기술에서는 채널 용량을 기준으로 하여 이를 최대화하는 사용자 단말들의 집합을 찾는 방식을 사용해 왔다. 이 경우, 가장 정확한 방법은 조합가능한 모든 사용자 단말들의 집합을 고려해서 채널 용량의 합을 측정하는 방법인데, 이는 전체 사용자 단말의 수가 많으면 계산 복잡도가 매우 커지기 때문에 실제 시스템에는 사용하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 낮은 복잡도를 갖는 사용자 선택 기법들이 많이 개발되었는데, 이 방법들은 주로 그리디(greedy) 방법을 기반으로 한 것으로서, 처음에 가장 큰 채널 용량을 가지는 사용자 단말을 선택하고 선택되지 않은 나머지 사용자 단말 중에 먼저 선택된 사용자 단말과 가장 좋은 성능을 보이는 사용자 단말을 선택해 나가는 방식을 사용한다.
그러나, 종래 기술에서 주로 사용한 채널 용량에 기반한 사용자 선택 기법은 이상적인 환경(상황)을 가정하여 계산된 것으로 반드시 실제 시스템과 일치하는 것이 아니다. 다시 말해, 종래 기술에서 사용자 선택의 기준이 되는 채널 용량은 이상적인 환경에서 획득할 수 있는 데이터 전송량을 의미하기 때문에, 실제 시스템에서는 채널 용량이 큰 것이 반드시 좋은 성능을 나타내는 것은 아니었다. 따라서 실제 시스템에 적용될 수 있는 보다 나은 성능을 가지는 사용자 선택 기법이 요구된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 다중사용자 MIMO 시스템에서 BER(Bit Error Rate)을 이용하여 사용자를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다중사용자 MIMO 시스템에서 패스트 BER(Fast BER)을 이용하여 사용자를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중사용자 MIMO 시스템에서 BER 또는 패스트 BER에 기초하여 효과적으로 전력을 할당하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 장치는, 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 채널 정보 수신부; 및 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 BER(Bit Error Rate)에 기반한 MIMO 사용자 단말을 선택하는 사용자 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 일 형태에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 방법은, a) 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 단계; b) 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 사용자 단말에 대한 프리코딩 행렬을 구하는 단계; c) 상기 각 사용자 단말에 대하여, 상기 구해진 프리코딩 행렬의 특이값(singular value) 중 최소값을 산출하는 단계; 및 d) 상기 각 사용자 단말에 대하여 산출된 최소값들 중 가장 큰 최소값을 갖는 사용자 단말을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 형태에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 방법은, a) 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 단계; b) 상기 수신된 채널 정보를 이용하여, 이미 선택된 사용자 단말과 예비적으로 선택된 사용자 단말들의 채널 행렬 집합을 구하는 단계; c) 상기 구해진 채널 행렬 집합의 특이값(singular value) 중 최소값을 산출하는 단계; 및 d) 상기 산출된 최소값들 중 가장 큰 최소값을 갖는 채널 행렬 집합에 해당하는 예비적으로 선택된 사용자 단말을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징을 한다.
본 발명에 따르면, 다중사용자 MIMO 시스템에서 BER 또는 패스트 BER에 기반하여 사용자를 선택함으로써 채널 용량을 이용하는 경우보다 시스템 성능을 높일 수 있는 효과를 가진다.
그리고, 본 발명에 따르면, 다중사용자 MIMO 시스템에서 BER 또는 패스트 BER에 기초하여 전력을 할당함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 다중사용자 MIMO 시스템 모델을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 사용자 선택 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 사용자 선택부의 상세 구성도이다.
도 4는 BER 기반 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 5는 패스트 BER 기반 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 6은 도 2의 프리코딩 행렬 생성부의 상세 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 사용자 선택 방법의 흐름도이다.
도 8 내지 도 10은 안테나 개수의 변화에 따른 다양한 사용자 선택 기법의 BER을 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 다중사용자 MIMO 시스템의 모델을 예시한 것이다. 참고로, 본 시스템 모델에서 채널은 다운링크(Downlink) 채널이며, 이는 TDD(Time Division Duplex) 및 FDD(Frequency Division Duplex)에 모두 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 시스템 모델에서는 M(M은 2 이상의 정수)개의 안테나를 구비한 기지국(송신단)과 각각 Ni(Ni는 2 이상의 정수; i=1,2,3,...,Kt)개의 안테나를 구비한 사용자 단말(수신단)을 가정하며, 기지국은 총 Kt(Kt는 2 이상의 정수)개의 사용자 단말들 중에서 K(K는 1 이상의 정수)개의 사용자 단말을 선택하여 통신한다.
그리고, 상기 시스템 모델에서 송수신 신호의 관계는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000001
여기서, i는 사용자 단말 인덱스이며,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000002
는 i번째 사용자 단말로의 송신 신호,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000003
는 i번째 사용자 단말의 수신 신호,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000004
는 i번째 사용자 단말에 대한 프리코딩 행렬,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000005
는 i번째 사용자 단말에 대한 채널 행렬,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000006
는 i번째 사용자 단말에 할당된 전력,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000007
는 i번째 사용자 단말에 대한 노이즈(noise)이다. 그리고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000008
와
Figure PCTKR2009007947-appb-I000009
는 각각 독립적이고 동일한 분포(i.i.d.; independently and identically distributed)를 가지며, 평균이 0이고 표준편차가 1인 정규분포 N(0,1)을 따른다고 가정한다.
이 경우, 송신단이 완전한 채널을 안다고 가정하면 하기 수학식 2가 성립한다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000010
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 선택 장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 사용자 선택 장치는 채널 정보 수신부(210), 사용자 선택부(220), 프리코딩 행렬 생성부(230), 변조 레벨 할당부(240), 전력 할당부(250), 데이터 전송부(260) 등을 포함한다.
채널 정보 수신부(210)는 복수(Kt)개의 사용자 단말로부터 각각 피드백된 채널 정보를 수신한다.
그러면, 사용자 선택부(220)는 각 사용자 단말로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 사용자 선택 기법에 의해 사용자 단말을 선택한다.
본 발명에서는 BER(Bit Error Rate)을 기반으로 하는 사용자 선택 기법으로 2가지 알고리즘을 제안한다. 도 4는 제1 알고리즘을 나타낸 것으로 이하 이를 'BER 기반 사용자 선택 기법(BER based multiuser MIMO User Selection Algorithm)'이라 칭하며, 도 5는 제2 알고리즘을 나타낸 것으로 이하 이를 '패스트 BER 기반 사용자 선택 기법(Fast BER based User Selection Algorithm)'이라 칭한다. 참고로, 사용자 선택부(220)는 도 3에 도시된 바와 같이 BER 기반 사용자 선택 기법에 의해 사용자 단말을 선택하는 BER 기반 사용자 선택부(222)와 패스트 BER 기반 사용자 선택 기법에 의해 사용자 단말을 선택하는 패스트 BER 기반 사용자 선택부(224) 중 적어도 하나를 포함하도록 구현될 수 있다.
먼저, 도 4를 참조하여 BER 기반 사용자 선택 기법을 설명한다.
단계 1(Step 1)은 초기화 단계이다. 여기서, T는 선택 가능한 사용자 단말의 집합을 나타내고, S는 선택된 사용자 단말의 집합을 나타낸다. 그리고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000011
은 n번째 사용자 단말의 채널 행렬을 나타내고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000012
는 채널 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000013
의 특이값(singular value) 중 최소값이며, p는 T에 속하는 사용자 단말들에 해당하는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000014
중에서 최대값을 나타내는 변수이다.
Figure PCTKR2009007947-appb-I000015
는 심볼 할당 함수(symbol allocation function)이며, 여기서 R은 총 전송 비트(total transmit bits) 수이고, i는 사용자 단말 인덱스이다. 그리고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000016
는 등최소거리함수(equal minimum distance function)이다.
참고로, 초기화 단계에서 T는 모든 사용자 단말을 포함하게 되며, 즉T={1,2,...,Kt}, S는 아직 선택된 단말이 없으므로 공집합이 된다. 그리고, d1 및 G1이 설정된다.
단계 2(Step 2)는 사용자 단말을 선택하는 단계이다.
초기화 단계에서 d1 및 G1이 설정되어 있으므로, i=2 부터 시작하여 K개의 사용자 단말이 선택될 때까지 루프(Loop)가 계속된다. 이 경우, 사용자 단말을 선택하는 기준은 각 사용자 단말에 대한 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000017
을 구하여 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000018
=
Figure PCTKR2009007947-appb-I000019
를 구한 후, 다시
Figure PCTKR2009007947-appb-I000020
의 특이값(singular value) 중 최소값을 구하고, T에 속하는 사용자 단말들 중
Figure PCTKR2009007947-appb-I000021
이 가장 큰 사용자 단말을 선택한다. 그러면, 선택된 사용자 단말은 T에서 삭제되고, S에 속하게 된다.
그리고, 이와 같은 과정을 반복하여 K개의 사용자 단말을 선택하면, 사용자 선택 과정이 완료되며, 단계 3(Sept 3)에서는 최종적으로 선택된 K개의 사용자 단말이 남게 된다.
이하, 도 5를 참조하여 패스트 BER 기반 사용자 선택 기법을 설명한다.
단계 1(Step 1)은 초기화 단계이다. 여기서, T는 선택 가능한 사용자 단말의 집합을 나타내고, S는 선택된 사용자 단말의 집합을 나타낸다. 그리고, A는 임시 선택된 사용자 단말의 채널 행렬 집합이다.
참고로, 초기화 단계에서 T는 모든 사용자 단말을 포함하게 되며, 즉T={1,2,...,Kt}, S와 A는 아직 선택된 단말이 없으므로 공집합이 된다.
단계 2(Step 2)는 사용자 단말을 선택하는 단계이다.
여기서,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000022
은 n번째 사용자 단말의 채널 행렬을 나타내고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000023
는 임시 선택된 사용자 단말의 채널 행렬 집합
Figure PCTKR2009007947-appb-I000024
의 특이값(singular value) 중 최소값이며, p는 T에 속하는 사용자 단말들에 해당하는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000025
중에서 최대값을 나타내는 변수이다.
Figure PCTKR2009007947-appb-I000026
는 심볼 할당 함수(symbol allocation function)이며, 여기서 R은 총 전송 비트의 수이고, i는 사용자 단말 인덱스이다. 그리고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000027
는 등최소거리함수(equal minimum distance function)이다.
제2 알고리즘은 제1 알고리즘과 달리, i=1 부터 시작하여 K개의 사용자 단말이 선택될 때까지 루프(Loop)가 계속된다. 이 경우, 사용자 단말을 선택하는 기준은 임시 선택된 사용자 단말(즉, 이미 선택된 사용자 단말들과 예비적으로 선택된 사용자 단말)의 채널 행렬 집합
Figure PCTKR2009007947-appb-I000028
(
Figure PCTKR2009007947-appb-I000029
는 물론 행렬임)의 특이값(singular value) 중 최소값
Figure PCTKR2009007947-appb-I000030
을 구하고, T에 속하는 사용자 단말들 중에서(즉, 예비적으로 선택된 단말들 중에서)
Figure PCTKR2009007947-appb-I000031
이 가장 큰 사용자 단말을 선택한다. 그러면, 선택된 사용자 단말은 T에서 삭제되고, S에 속하게 된다.
그리고, 이와 같은 과정을 반복하여 K개의 사용자 단말을 선택하면, 사용자 선택 과정이 완료되며, 단계 3(Sept 3)에서는 최종적으로 선택된 K개의 사용자 단말이 남게 된다.
참고로, 제2 알고리즘인 패스트 BER 기반 사용자 선택 기법은 제1 알고리즘(BER 기반 사용자 선택 기법)과는 달리 프리코딩 행렬를 구하지 않기 때문에 계산량을 크게 줄일 수 있으며, 또한 제1 알고리즘과 거의 동일한 시스템 성능을 나타내기 때문에 매우 효과적이다(도 8 내지 도 10 참조).
한편, 사용자 선택부(220)에 의해 선택된 K개의 사용자 단말에 대한 채널 정보
Figure PCTKR2009007947-appb-I000032
(K×M 행렬)는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 참고로, 하기 수학식 3에서
Figure PCTKR2009007947-appb-I000033
(i=1,2,...,K)는 i번째 사용자 단말의 채널 정보(1×M 행렬)이다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000034
프리코딩 행렬 생성부(230)는 사용자 선택부(220)에서 선택된 사용자 단말들에 대한 프리코딩 행렬을 생성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 프리코딩 행렬 생성부(230)는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 프리코딩 행렬 생성부(232) 및 제2 프리코딩 행렬 생성부(234)를 포함한다.
제1 프리코딩 행렬 생성부(232)는 사용자간 간섭(inter-user interference)을 없애기 위한 제1 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000035
(
Figure PCTKR2009007947-appb-I000036
행렬)를 생성한다. 여기서, 제1 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000037
는 블록 대각화(BD; Block Diagonalization) 프리코딩 기법을 이용하여 생성할 수 있으며,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000038
으로 이루어져 있으며, 이때
Figure PCTKR2009007947-appb-I000039
는 i번째 사용자 단말의 제1 프리코딩 행렬(
Figure PCTKR2009007947-appb-I000040
행렬,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000041
)이다. 따라서 제1 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000042
는 수학식 4를 만족한다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000043
제2 프리코딩 행렬 생성부(234)는 각 사용자 단말을 고유모드(eigenmode)로 분리하기 위한 제2 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000044
(ni×Mi 행렬)를 생성한다. 여기서, 제2 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000045
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000046
를 특이값 분해하여 얻을 수 있으며, 이를 상술하면 다음과 같다.
먼저, 하기 수학식 5와 같이
Figure PCTKR2009007947-appb-I000047
를 특이값 분해한다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000048
여기서,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000049
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000050
의 좌측 유니터리 행렬이며,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000051
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000052
의 대각선 행렬이며,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000053
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000054
의 우측 유니터리 행렬이다. 그리고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000055
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000056
의 왼쪽의 첫번째부터 Ni번째까지 열이며이며
Figure PCTKR2009007947-appb-I000057
는
Figure PCTKR2009007947-appb-I000058
의 나머지 열에 해당하는 행렬이다.
그러면, 최종적인 프리코딩 행렬은 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000059
이에 따라, 제1 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000060
는 사용자간의 갑섭을 제거시키는 행렬로서 전체 시스템을 K개의 독립적인 다중 안테나 시스템으로 분해시키고, 제2 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000061
는 K개의 독립적인 다중 안테나 시스템을 고유모드(eigenmode)로, 즉 MIMO를 SISO(Single Input Single Output)로 분해시킨다.
참고로, 각 선택된 사용자 단말의 수신 신호는 하기 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000062
여기서,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000063
는 Si의 (k,k)성분이고,
Figure PCTKR2009007947-appb-I000064
는 i번째 사용자 단말의 k번째 SISO 채널의 수신 신호이다.
그리고, 전력 P에 대하여는 하기 수학식 8과 같은 방정식이 만족된다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000065
다시 도 2를 참조하면, 변조 레벨 할당부(240)는 선택된 사용자 단말에 대하여 변조 레벨(Modulation level)을 할당하고, 전력 할당부(250)는 선택된 사용자 단말에 대하여 전력(power)을 할당하는데, 이하에서는 이를 상술한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 등최소거리함수(equal minimum distance function)
Figure PCTKR2009007947-appb-I000066
는 선택된 사용자 단말의 집합 S에서 다음과 같은 방식으로 전력(power)을 적절히 할당해 주고, 등최소거리레벨(equal minimum distance level) a 값을 리턴(return)한다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000067
여기서 Di는 i번째 사용자 단말에 대한 변조 레벨(modulation level)의 최소 거리(minimum distance)로써 하기 표 1과 같은 값을 가진다.
[표 1]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000068
그러면, 하기 수학식 10과 같이 전력이 할당된다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000069
여기서, N개의 안테나를 가지는 각 사용자 단말이 N개의 스트림(stream)을 받는다고 가정하고, 사용자 단말의 안테나끼리는 같은 변조 레벨(modulation level)의 신호를 받는다고 가정한다.
그러면, 하기 수학식 11과 같이 전력이 할당된다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000070
그리고, 최종적으로 사용자 단말 i의 k번째 채널에서 할당된 전력은 하기 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000071
그리고, 예컨대 N=2일 경우 심볼 할당 함수(symbol allocation function)
Figure PCTKR2009007947-appb-I000072
는 하기 표 2와 같은 값을 가진다.
[표 2]
Figure PCTKR2009007947-appb-I000073
표 2에 대해 상술하면, Rate 또는 BPCU(Bit Per Channel Use)가 8이고 i=1(선택된 사용자 단말이 1개)인 경우
Figure PCTKR2009007947-appb-I000074
는 4가 되며, 따라서 4비트씩 변조하는 변조 레벨인 16QAM(표 1 참조)을 하나의 선택된 사용자 단말에 대하여 할당한다. 그리고, Rate(BPCU)가 8이고 i=3인 경우
Figure PCTKR2009007947-appb-I000075
는 (2,1,1)이 되는데, 이는 3개의 선택된 사용자 단말에 대하여 하나의 단말에는 QPSK(2비트씩 변조)를 할당하고 나머지 2개의 단말에는 BPSK(1비트씩 변조)를 할당한다
그리고, 이와 같은 방식으로
Figure PCTKR2009007947-appb-I000076
을 구하면 각 사용자 단말에 할당할 전력이 결정된다.
마지막으로, 데이터 전송부(260)는 각 사용자 단말로 전송할 데이터에 대해 프리코딩, 변조, 전력 할당 등이 수행된 최종적인 신호(데이터)를 송신한다.
이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 사용자 선택 방법을 설명한다. 참고로, 본 발명에 따른 사용자 선택 방법에 대한 구체적 과정 또는 동작 원리는 전술한 사용자 선택 장치에 대한 설명을 참조할 수 있으므로 중복적인 설명은 생략하고 간단히 설명한다.
단계 S710에서, 기지국(송신단)은 복수(Kt)개의 사용자 단말(수신단)로부터 각각 피드백된 채널 정보를 수신한다. 참고로, 사용자 단말로부터 피드백된 채널 정보는 채널 벡터
Figure PCTKR2009007947-appb-I000077
가 된다.
단계 S720에서, 기지국은 각 사용자 단말로부터 피드백된 채널 정보를 이용하여 사용자 선택 기법에 의해 사용자 단말을 선택한다. 이 때, 사용자 선택 기법은 전술한 BER 기반 사용자 선택 기법 또는 패스트 BER 기반 사용자 선택 기법을 이용할 수 있다.
단계 S730에서, 기지국은 선택된 사용자 단말에 대한 프리코딩 행렬을 생성한다. 이 경우, 프리코딩 행렬은 사용자간 간섭(inter-user interference)을 제거하기 위한 제1 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000078
및 각 사용자 단말을 고유모드(eigenmode)로 분리하기 위한 제2 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000079
를 생성한다. 그리고, 상기 제1 프리코딩 행렬과 제2 프리코딩 행렬을 곱하여 최종 프리코딩 행렬
Figure PCTKR2009007947-appb-I000080
을 생성한다.
단계 S740에서, 기지국은 선택된 사용자 단말에 대한 변조 레벨을 할당한다. 이 경우, 각 사용자 단말에 할당할 변조 레벨은 전술한 바와 같이 선택된 사용자 단말의 수, Rate(BPCU), 심볼 할당 함수
Figure PCTKR2009007947-appb-I000081
등에 의해 구할 수 있다(표 1 및 표 2 참조).
단계 S750에서, 기지국은 선택된 사용자 단말에 대한 전력을 할당한다. 이 경우, 사용자 단말에 할당할 전력은 전술한 바와 같이 심볼 할당 함수
Figure PCTKR2009007947-appb-I000082
, 등최소거리함수
Figure PCTKR2009007947-appb-I000083
, 등최소거리레벨 a 등에 의해 구할 수 있다(수학식 9 내지 12 참조).
마지막으로, 단계 S760에서, 기지국은 이와 같이 생성된 신호(데이터)를 각 사용자 단말로 송신한다
한편, 도 8 내지 도 10은 안테나 개수의 변화에 따른 다양한 사용자 선택 기법의 BER을 비교한 그래프이다.
구체적으로, 도 8은 M=4, N=2, Kt=30, BPCU=8일 때 BER 기반, 패스트 BER 기반, 채널 용량 기반, TDMA(즉, 단일 사용자 MIMO) 기반 사용자 선택 기법에 대한 SNR 대 BER을 나타낸 그래프이고, 도 9는 M=8, N=2, Kt=30, BPCU=8일 때 BER 기반, 패스트 BER 기반, 채널 용량 기반, TDMA 기반 사용자 선택 기법에 대한 SNR 대 BER을 나타낸 그래프이며, 도 10은 M=4, N=1, Kt=30, BPCU=8일 때 BER 기반, 패스트 BER 기반, 채널 용량 기반, TDMA 기반 사용자 선택 기법에 대한 SNR 대 BER을 나타낸 그래프이다(여기서, M은 송신 안테나의 수, N은 수신 안테나의 수, Kt는 셀(cell) 내의 전체 사용자 단말의 수이다).
그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 BER 기반 사용자 선택 기법과 패스트 BER 기반 사용자 선택 기법이 기존의 채널 용량 기반 사용자 선택 기법이나 TDMA 기반 사용자 선택 기법보다 BER이 훨씬 좋은 것을 알 수 있다. 그리고, BER 기반 사용자 선택 기법과 BER 기반 사용자 선택 기법은 둘 다 비슷한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징들을 변경하지 않고서 다른 구체적인 다양한 형태로 실시할 수 있는 것이므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 장치로서,
    복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 채널 정보 수신부; 및
    상기 수신된 채널 정보를 이용하여 BER(Bit Error Rate)에 기반한 MIMO 사용자 단말을 선택하는 사용자 선택부를 포함하는 사용자 선택 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사용자 선택부는,
    각 사용자 단말의 채널 행렬을 이용하여 프리코딩 행렬을 구한 후, 상기 프리코딩 행렬의 특이값(singular value) 중 최소값을 기준으로 사용자 단말을 선택하는 BER 기반 사용자 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 사용자 선택부는,
    각 사용자 단말의 채널 행렬을 이용하여 임시 선택된 사용자 단말의 채널 행렬 집합을 구한 후, 상기 채널 행렬 집합의 특이값(singular value) 중 최소값을 기준으로 사용자 단말을 선택하는 패스트(fast) BER 기반 사용자 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말 각각에 대한 채널 벡터를 합성하여 상기 선택된 사용자 단말 전체에 대한 채널 행렬을 생성하고, 상기 채널 행렬을 이용하여 프리코딩(precoding) 행렬을 생성하는 프리코딩 행렬 생성부를 더 포함하는 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프리코딩 행렬 생성부는,
    상기 채널 행렬을 이용하여, 사용자간 간섭(inter-user interference) 제거를 위한 제1 프리코딩 행렬을 생성하는 제1 프리코딩 행렬 생성부; 및
    상기 채널 행렬과 제1 프리코딩 행렬을 이용하여, 각 사용자 단말을 고유모드(eigenmode)로 분리하기 위한 제2 프리코딩 행렬을 생성하는 제2 프리코딩 행렬 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대하여 변조 레벨을 할당하는 변조 레벨 할당부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 변조 레벨은 선택된 사용자 단말의 수, BPCU(Bit Per Channel Use), 및 심볼 할당 함수(symbol allocation function)에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대하여 상기 할당된 변조 레벨에 상응하여 전력을 할당하는 전력 할당부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전력은 심볼 할당 함수, 등최소거리함수(equal minimum distance function), 및 등최소거리레벨(equal minimum distance level)에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말로 해당 데이터를 전송하는 데이터 전송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 장치.
  11. 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 방법으로서,
    a) 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 단계;
    b) 상기 수신된 채널 정보를 이용하여 각 사용자 단말에 대한 프리코딩 행렬을 구하는 단계;
    c) 상기 각 사용자 단말에 대하여, 상기 구해진 프리코딩 행렬의 특이값(singular value) 중 최소값을 산출하는 단계; 및
    d) 상기 각 사용자 단말에 대하여 산출된 최소값들 중 가장 큰 최소값을 갖는 사용자 단말을 선택하는 단계를 포함하는 사용자 선택 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 d)에서 선택된 사용자 단말을 제외한 나머지 사용자 단말들에 대하여, 상기 단계 b) 내지 d)를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대해 선택된 사용자 단말의 수, BPCU(Bit Per Channel Use), 및 심볼 할당 함수(symbol allocation function)에 기초하여 변조 레벨을 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대해 심볼 할당 함수, 등최소거리함수(equal minimum distance function), 및 등최소거리레벨(equal minimum distance level)에 기초하여 전력을 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
  15. 다중사용자 MIMO 시스템에서 사용자 선택 방법으로서,
    a) 복수개의 사용자 단말로부터 채널 정보를 수신하는 단계;
    b) 상기 수신된 채널 정보를 이용하여, 이미 선택된 사용자 단말과 예비적으로 선택된 사용자 단말들의 채널 행렬 집합을 구하는 단계;
    c) 상기 구해진 채널 행렬 집합의 특이값(singular value) 중 최소값을 산출하는 단계; 및
    d) 상기 산출된 최소값들 중 가장 큰 최소값을 갖는 채널 행렬 집합에 해당하는 예비적으로 선택된 사용자 단말을 선택하는 단계를 포함하는 사용자 선택 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단계 d)에서 선택된 사용자 단말을 제외한 나머지 사용자 단말들에 대하여, 상기 단계 b) 내지 d)를 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대해 선택된 사용자 단말의 수, BPCU(Bit Per Channel Use), 및 심볼 할당 함수(symbol allocation function)에 기초하여 변조 레벨을 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말에 대해 심볼 할당 함수, 등최소거리함수(equal minimum distance function), 및 등최소거리레벨(equal minimum distance level)에 기초하여 전력을 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 선택 방법.
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