WO2015037936A1 - Method and apparatus for grouping antennas in multiple-input multiple-output antenna system - Google Patents

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WO2015037936A1
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pattern
codebook
antenna grouping
antennas
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심병효
이병주
김태영
설지윤
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삼성전자 주식회사
고려대학교 산학협력단
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    • H04B7/0686Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
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    • H04B7/0613Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for grouping antennas in a communication system having multiple input and output antennas.
  • a full dimension multiple input multiple output (FD-MIMO) system may be implemented in a frequency division duplexing (FDD) system and a time division duplexing (TDD) system. Since the TDD type system utilizes channel reciprocity of uplink and downlink, the burden on channel feedback is not large. However, when a large capacity MIMO technology is applied to an FDD-based system used in many cellular networks, feedback of channel state information for supporting beamforming of a transmitter is required.
  • FDD frequency division duplexing
  • TDD time division duplexing
  • Channel feedback is typically represented by a finite number of feedback bits. If the feedback information is incomplete, beamforming at the transmitter may also be inaccurate. In fact, if beamforming is not performed correctly in a multiuser MIMO system, the interference between users is not completely eliminated, and as a result, the signal to interference and noise ratio (SINR) of the receiver is degraded.
  • SINR signal to interference and noise ratio
  • the accuracy of channel state information directly affects the downlink multiplexing gain in a multiuser MIMO system.
  • the number of feedback bits for quantizing a channel should be set in proportion to the number of base station antennas and the signal-to-noise ratio in order to maintain a difference in sum rate between perfect channel state information and inaccurate channel state information within a certain range.
  • the FD-MIMO system is a technique for obtaining a high data rate by utilizing a very large number of antennas from dozens to hundreds at a base station, and the feedback load is inevitably increased in proportion to the number of antennas.
  • the performance of finite channel feedback depends on the accuracy of the channel vector quantization.
  • accuracy of the channel vector quantization When beamforming using an inaccurate quantized channel vector, it is difficult to expect an increase in total capacity because it becomes an interference limiting system in which interference between users is not completely eliminated.
  • the dimension of the channel vector increases linearly. Therefore, as the number of transmit antennas increases, the amount of feedback for channel vector quantization increases.
  • the channel feedback should be expressed with as few bits as possible, which may cause a problem that the accuracy of channel vector quantization is reduced and it is difficult to obtain an increase in performance through beamforming.
  • the present invention provides a method and apparatus for transmitting and receiving feedback information on a channel state in a communication system.
  • the present invention provides a method and apparatus for performing antenna grouping for uplink feedback.
  • the present invention provides a method and apparatus for feeding back channel state information at a receiving end to perform beamforming at a transmitting end of a large-capacity multiple input / output antenna system.
  • the present invention provides a method and apparatus for reducing the dimension of a vector for channel quantization and reducing system feedback load by performing antenna grouping.
  • the present invention provides a method and apparatus for performing antenna grouping to reduce feedback load on the uplink of a large capacity multiple input and output antenna (FD-MIMO) system.
  • FD-MIMO multiple input and output antenna
  • An antenna grouping method of a multiple input / output antenna system comprising: measuring channel vectors for a plurality of antennas of a base station, grouping channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns, and grouping the channel coefficients Determining grouped codebook vectors corresponding to the plurality of antennas; selecting an antenna grouping pattern of one of the antenna grouping patterns by using grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns; and selecting the selected antenna grouping pattern And feeding back a pattern index indicating a and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
  • An antenna grouping method of a multiple input / output antenna system comprising: receiving a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns, a codebook index indicating a grouped codebook vector from a user terminal, and receiving the grouped codebook vector. Determining a codebook vector for the plurality of antennas by expanding according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index, constructing a beamforming matrix using the determined codebook vector, and forming the beamforming matrix Precoding the data using the data and transmitting the precoded data to the user terminal.
  • a terminal device supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system comprising: a channel measuring unit measuring a channel vector of a plurality of antennas of a base station, and grouping channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns
  • a control unit for determining grouped codebook vectors corresponding to the grouped channel coefficients and selecting one antenna grouping pattern of the antenna grouping patterns using the grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns;
  • a transmitter for feeding back a pattern index indicating an antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
  • An apparatus is a base station apparatus supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system, comprising: a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns and a codebook index indicating a grouped codebook vector And a receiver for receiving from the user terminal, and extending the grouped codebook vector according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index to determine codebook vectors for the plurality of antennas, and using the determined codebook vector to beam And a transmitter configured to preform data using the beamforming matrix, and to transmit data precoded to the user terminal.
  • FD-MIMO large capacity multiple input / output communication
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a structure of a beamforming system based on antenna grouping according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an antenna group pattern extension procedure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a pattern selection unit 228 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 illustrates antenna grouping patterns according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation of a user terminal according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure of determining a pattern index in a user terminal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of a base station according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 illustrates an antenna array according to an embodiment of the present invention.
  • 10, 11, 12 and 13 are graphs showing the total capacity performance of antenna grouping according to embodiments of the present invention.
  • FD-MIMO large capacity multiple input / output communication
  • the transmitter 110 has an antenna array 120 composed of N t antennas, and generates signals for the K receiver devices 130, 132, and 134 to transmit through the antennas 120. It is provided with a beam forming unit 115 that can be.
  • a beam forming unit 115 that can be.
  • the receiving devices 130, 132, and 134 may include an antenna array including one or more antennas, and the antennas of the transmitting end 110 ( A signal transmitted from 120 is received through the channel 100.
  • Each receiver 130, 132, 134 performs channel vector quantization to select a codebook index that maximizes SINR.
  • the received signal of the k-th receiving device may be represented by Equation 1 below.
  • h k denotes a channel vector from the antenna array 120 of the transmitter 110 to the k-th receiver
  • x denotes a transmission signal vector having an average power limit of ⁇
  • z k denotes k Gaussian noise in the first receiver.
  • w i is a beamforming vector applied by the transmitting end 110 for the i-th receiving device
  • s i represents a data symbol to be transmitted to the i-th receiving device.
  • the received signal at the k-th receiver may be represented again as in Equation 2 below.
  • the sum rate of the receiving devices may be expressed by Equation 3 below.
  • p denotes a sum transmission power predetermined at the transmitter, and the transmitter may uniformly or non-uniformly distribute the power to the receiving devices within the predetermined sum transmission power.
  • the receiving apparatus calculates channel direction information (CDI) as shown in Equation 4 below and quantizes the calculated channel direction information.
  • CDI channel direction information
  • the receiving device is a codebook according to a predetermined number of feedback bits B.
  • the codebook index j for maximizing the received signal-to-noise ratio is selected based on the channel direction information.
  • the codebook is a set containing 2 B N t ⁇ 1 codebook vectors c i . That is, the index j corresponding to the codebook vector c j most similar to the original channel among 1 to 2 B is determined. Equation 5 below shows an example of a formula for determining the codebook index j.
  • the selected codebook index is composed of B bits and is fed back from each receiving apparatus to the transmitting end 110.
  • the transmitter 110 receives a codebook index from the K receivers 130, 132, and 134, and configures a composite channel matrix as shown in Equation 6 below.
  • the transmitter 110 determines the codebook vector c j from the codebook C given in advance based on the codebook index j fed back from the k-th receiving device, and selects the codebook vector c j .
  • the zero forcing (ZF) beamforming matrix obtained with the composite channel matrix may be expressed as Equation 7 below.
  • the beamforming vector for the k-th receiving device may be obtained as shown in Equation 8 by normalizing the k-th column vector of the zero forcing beamforming matrix to satisfy the power limitation of the transmission signal.
  • downlink performance can be increased through feedback of channel state information and proper transmission beamforming using the fed back information.
  • the amount of channel state information fed back increases in proportion to the number of antennas of the transmitting end. In an actual system, the amount of channel state information fed back is limited.
  • the amount of feedback for quantizing the channel should be set in proportion to the number of antennas and the signal to noise ratio of the transmitter.
  • the number of feedback bits required when using the random vector quantization technique may be expressed as in Equation 9 below.
  • ⁇ dB 10log 10 ⁇
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a structure of a beamforming system based on antenna grouping according to an embodiment of the present invention. Although only one receiving device 220 is shown here, it will be apparent that there may be one or more receiving devices that operate similarly in an actual communication environment.
  • the transmitter 210 includes an antenna group pattern extension unit 212 that receives a data symbol s to be transmitted, a beamformer 214 having a beamforming matrix W, and N t antennas. It is configured to include a configured antenna array 216.
  • the antenna group pattern extension unit 212 and the beamforming unit 214 are shown as separate entities, they may be implemented as one or more controllers or processors, depending on the implementation.
  • the receiving device 220 includes one or more receiving antennas 232, a channel measuring unit 222, an antenna grouping unit 224, a vector quantization and group pattern extension unit 226, and a pattern selecting unit 228. ) And a feedback transmitter 230.
  • the antenna grouping unit 224, the vector quantization and group pattern extension unit 226, and the pattern selection unit 228 are illustrated as separate entities, they may be implemented as one or more controllers or processors, depending on the implementation. have.
  • the antenna group pattern extension unit 212 at the transmitting end 210 groups antennas grouped according to the antenna grouping pattern selected by the receiving device 220 among the predetermined antenna grouping patterns based on a pattern index fed back from each receiving device. Determine channel state information corresponding to the channel information, that is, the channel vector h.
  • the beamforming unit 214 determines a beamforming matrix W based on the determined channel vector, precodes the input data symbol stream s according to the beamforming matrix W, and transmits the same through the plurality of antennas 216. do.
  • the channel measuring unit 222 of the receiving device 220 is a channel vector for the antennas 216 of the transmitting end 210 based on the signal received by the receiving antenna 232.
  • the antenna grouping mapping unit 224 maps the channel vector to antenna groups according to predetermined antenna grouping patterns, thereby channeling the channel vectors grouped by antenna grouping pattern.
  • Calculate The grouped channel vector includes channel coefficients corresponding to the antenna groups, each channel coefficient being calculated using the channel coefficients measured for the antennas belonging to one antenna group.
  • the vector quantization and group pattern extension unit 226 quantizes the grouped channel vectors to group the codebook vector for each antenna group according to the antenna grouping pattern. And expand the grouped codebook indices according to the corresponding antenna grouping pattern to expand the codebook vector for each antenna 216.
  • the codebook coefficients of the grouped codebook vector are determined from channel coefficients corresponding to the antenna groups, and the codebook coefficients of the demapped codebook vector are calculated by extending the grouped codebook coefficients belonging to the same antenna group according to the antenna group size. .
  • the pattern selector 228 obtains extended codebook vectors corresponding to the plurality of antenna grouping patterns, and determines one antenna grouping pattern that maximizes a received signal-to-noise ratio using the original channel vector and the extended codebook vectors.
  • the pattern index indicating the determined antenna grouping pattern is transmitted to the vector quantization and group pattern extension unit 226.
  • the vector quantization and group pattern extension unit 226 transmits a pattern index for identifying the determined antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the determined antenna grouping pattern to the feedback transmitter 230.
  • the feedback transmitter 230 configures the pattern index and the codebook index into a message or a packet according to a predetermined signaling method, and feeds back the transmitter 210.
  • the system according to the embodiment of the present invention groups the antennas according to a predetermined antenna grouping pattern, quantizes the grouped channel vectors, expands according to the antenna grouping pattern, and maximizes the received signal-to-noise ratio. Select the indexes at the same time.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an antenna group pattern extension procedure according to an embodiment of the present invention. Herein, an extension of one specific antenna grouping pattern is illustrated. In the following description, the index k of the receiving device will be omitted.
  • the receiving apparatus performs antenna grouping 315, that is, antenna group mapping on the channel vector 310, using a specific antenna grouping pattern known to both the transmitting end and the receiving apparatus.
  • the channel coefficients measured for the eight antennas of the transmitting end are h 1 , h 2 ,..., H 8 , and a specific antenna grouping pattern groups each of two adjacent antennas. That is, antennas 1 and 2 become antenna group 1, antennas 3 and 4 become antenna group 2, antennas 5 and 6 become antenna group 3, and antennas 7, 8 become antenna group 4.
  • Antenna group mapping 315 generates grouped channel coefficients g 1 , g 2 , g 3 , g 4 corresponding to four antenna groups, respectively.
  • the receiving device quantizes the grouped channel vector 325 to determine grouped codebook coefficients v 1 , v 2 , v 3 , v 4 330 corresponding to four antenna groups.
  • the codebook vector v i is selected from a codebook given in advance using the grouped channel vector g i .
  • the codebook is configured to be common to all antenna grouping patterns.
  • the codebook may be configured for each antenna grouping pattern or may be configured for each antenna group size or antenna group number.
  • the grouped channel vectors are extended codebook coefficients corresponding to eight antennas through antenna group demapping 335 according to the corresponding antenna grouping pattern v 1 , v 1 , v 2 , v 2 , v 3 , v 3 is extended to an extended codebook vector 340 comprising v 4 , v 4 .
  • the receiving apparatus obtains extended codebook vectors corresponding to the plurality of antenna grouping patterns, respectively, and obtains a difference from coefficients h 1 , h 2 ,..., H 8 of the original channel vector among the extended codebook vectors.
  • An extended codebook vector to minimize and an antenna grouping pattern corresponding thereto are determined, and a pattern index indicating the determined antenna grouping pattern is determined to be fed back.
  • Equation 10 below represents a grouped channel vector generated through the antenna group mapping 315.
  • g i is Is the vector grouped by the i th antenna grouping pattern
  • G i is the i th antenna grouping pattern
  • group mapping matrix P N is the number of antenna grouping pattern.
  • the group mapping matrix G i determines a representative value of channel coefficients to be grouped by antenna group. Representative values may be determined by linear combining and averaging. In the example of FIG. 3, the antenna group mapping by averaging is illustrated. For example, g 1 corresponding to antenna group 1 including antennas 1 and 2 becomes (h 1 + h 2 ) / 2.
  • the dimension of the grouped channel vector g i is N g , which is smaller than the dimension N t of the original channel vector h.
  • N g may be obtained as N t / K, where K is the antenna group size, that is, the number of antennas included in one antenna group.
  • the antenna group size is 2, and thus the dimension of the grouped channel vectors is 4.
  • the number of feedback bits required for channel vector quantization is B
  • the number of feedback bits in the antenna grouping technique is divided into the number of bits B p for selecting an antenna grouping pattern and the number of bits BB p for quantizing each grouped channel vector. Lose. That is, the feedback bit number B p, which is part of the overall feedback load, is used to obtain the pattern diversification gain.
  • B p is the number of bits needed to quantize the pattern index, and is related to the number of antenna grouping patterns given.
  • the feedback amount per channel entry of the antenna grouping technique and the conventional beamforming technique according to the embodiment of the present invention is represented by (BB p ) / N g and B / N t , respectively.
  • the feedback amount per channel entry in the antenna grouping scheme is larger than the feedback amount per channel entry in the conventional beamforming scheme when the number of bits B p for the selection of the antenna grouping pattern satisfies the following Equation (11).
  • B p may be determined to satisfy the condition of Equation 11 above.
  • the transmit antennas of a large-capacity multiple input / output communication system have a high correlation, and among them, the correlation between adjacent antennas is higher. Therefore, B p is relatively smaller than B because adjacent antennas are mainly grouped, and the feedback amount per channel entry of the antenna grouping technique is increased, thereby increasing the quantization accuracy of the grouped channel vectors.
  • the reception apparatus quantizes the grouped channel vector to determine the grouped codebook vector, and extends the antenna grouping pattern.
  • the receiving device selects a pattern index that maximizes the received signal-to-interference noise ratio based on the grouped codebook vector for each antenna grouping pattern.
  • Equation 12 A formula for selecting a pattern index and a codebook index at the receiving device may be expressed as Equation 12 below.
  • the receiving device firstly codes a code vector of the channel vector g i grouped by the i th antenna grouping pattern and a given number of feedback bits BB p . Then, as shown in Equation 13 below, a grouped codebook vector that minimizes quantization error with g i is determined.
  • Equation 14 Denotes channel direction information of the grouped channel vector according to the i th antenna grouping pattern.
  • E i is an extension matrix for the i th antenna grouping pattern
  • N p is the number of antenna grouping patterns.
  • the extension matrix may perform an operation of copying one beamforming coefficient to beamforming coefficients of the same antenna group according to the grouping characteristic.
  • the extended codebook vector has the same dimension as the original channel vector, so that the receiver uses the original channel vector and the extended codebook vector to maximize the signal-to-noise ratio of the receiver, as shown in Equation 15 below.
  • FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a pattern selection unit 228 according to an embodiment of the present invention.
  • the pattern selector 228 includes a multiplier 410 and a comparator 420.
  • the multiplier 410 is a channel vector h measured for the signal received from the base station and an extended codebook vector for each antenna grouping pattern. With h as Calculate the product of.
  • the comparator 420 is used for h and antenna grouping patterns. Comparing the products of with each other to determine the antenna grouping pattern corresponding to the maximum product, and outputs a pattern index p * identifying the antenna grouping pattern.
  • the receiving device transmits the determined pattern index p * and the corresponding codebook index c * to the transmitting end.
  • codebook index c * is the codeword Determined by the index of.
  • the antenna grouping technique can maintain the channel vector quantization performance while reducing the amount of feedback per channel entry because the grouping can reduce the dimension of the actual beamforming vector and obtain the diversification gain due to the antenna grouping patterns.
  • FIG 5 illustrates antenna grouping patterns according to an embodiment of the present invention.
  • the channel vector h i denotes a channel coefficient corresponding to the i th antenna
  • the antenna array indicates a configuration of antennas arranged in a grid shape of 4 ⁇ 4.
  • Antenna grouping pattern 1 groups two adjacent antennas in a horizontal direction into one antenna group, and the first two antennas become one antenna group.
  • Antenna grouping pattern 2 groups two adjacent antennas in a vertical direction into one antenna group.
  • an antenna that is diagonal to the first antenna becomes one antenna group, and two adjacent antennas among the other antennas are grouped into one antenna group. The remaining antennas are grouped in a similar manner.
  • the antenna group mapping matrix corresponding to the antenna grouping pattern is given by Equation 16 below.
  • the antenna grouping pattern P 1 ( ⁇ 1,2 ⁇ , ⁇ 3,4 ⁇ ) means that the first antenna and the second antenna are grouped into one antenna group, and the third and fourth antennas are grouped into one antenna group.
  • the grouped vector by the antenna group mapping matrix of Equation 16 is Appears. Vectors obtained by performing vector quantization of grouped vectors Is expanded through Equation 17 below.
  • Equation 18 the antenna group mapping matrix according to this is given by Equation 18 below.
  • the quantized vector for antenna grouping pattern P 2 is Antenna pattern expansion matrix
  • the extended codebook vector can be obtained as shown in the following equation.
  • the correlation between the antennas of the transmitting end is high, so it is effective to group the adjacent antennas as much as possible. In general, the closer the antennas are physically, the higher the correlation.
  • the beamforming vector should be configured in consideration of the phase of the base station and the user. If the amount of uplink feedback per user is B bits in a large-capacity multiple input / output communication system, in the antenna grouping scheme, B p bits among the B bits are used to obtain diversified gains of the antenna grouping patterns, and BB p bits are used for vector quantization. Used.
  • B p is also finite. The closer the antenna is, the higher the correlation and thus the higher the correlation coefficient. Therefore, B p may be determined to obtain diversification gains of the antenna grouping patterns according to the correlation coefficient. If B p is determined, the shifting property is used to shift one or two squares from adjacent antennas. Can be grouped according to finite antenna grouping patterns.
  • the scenario of the feedback operation aspect in the receiving device i.e., the user terminal may appear as follows.
  • B p and BB p may be determined at each user terminal.
  • Each user terminal selects a codebook index of a codebook vector closest to the original channel and a pattern index corresponding thereto through allocation of feedback resources.
  • a maximum B p is predetermined, and antenna grouping patterns accordingly are also known to the base station and the user terminals.
  • the antenna group size may be determined in addition to the diversity gain of the antenna grouping patterns and resource allocation for vector quantization in the user terminal. In this case, a diversification gain for the antenna grouping patterns can be obtained, but a memory space for storing a large number of antenna grouping patterns according to the antenna group size is needed at the user terminal.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation of a user terminal according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a user terminal performs channel measurement using a pilot signal transmitted from a base station to obtain channel vectors for antennas of the base station.
  • the user terminal performs antenna group mapping according to each of the given antenna grouping patterns, and determines the grouped codebook vector.
  • the user terminal demaps the codebook vectors grouped according to the plurality of antenna grouping patterns and selects a pattern index indicating an antenna grouping pattern having optimal performance.
  • the user terminal determines a grouped codebook vector corresponding to the antenna grouping pattern of the selected pattern index, and feeds back the codebook index and the pattern index of the grouped codebook vector to the base station.
  • the user terminal demodulates the data received through the precoded signal of the base station according to the scheduling of the base station.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure of determining a pattern index in a user terminal according to an embodiment of the present invention.
  • step 710 the user terminal sets the pattern index i to 1 and determines the grouped channel vector by performing antenna group mapping on the channel vector according to the i-th antenna grouping pattern in step 715.
  • step 720 the user terminal performs quantization on the grouped channel vector to select a grouped codebook vector, and determines a codebook index for identifying the grouped codebook vector.
  • step 725 the user terminal determines the extended codebook vector by extending the grouped codebook vector according to the i th antenna grouping pattern.
  • step 730 the user terminal increases the pattern index i by 1, and then in step 735, the user terminal determines whether i is greater than the number N p of the given antenna grouping patterns. If i is not greater than N p , the user terminal returns to step 715 and repeats operations 715 to 735 for the next antenna grouping pattern.
  • step 740 the user terminal selects the codebook vector most similar to the original channel vector and the pattern index of the corresponding antenna grouping pattern using the codebook vectors determined for all the antenna grouping patterns.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of a base station according to an embodiment of the present invention.
  • the base station transmits a pilot signal using a predetermined resource.
  • the base station receives feedback information including a pattern index and a codebook index from each user terminal through a predetermined resource.
  • the base station determines a grouped codebook vector corresponding to the codebook index, an extended codebook vector according to the antenna grouping pattern of the pattern index, and connects extended codebook vectors for a plurality of user terminals to form a beamforming matrix. Configure W.
  • the base station precodes data using the beamforming matrix and transmits the data to user terminals in step 830.
  • the antenna grouping patterns may be defined in consideration of the correlation between the antennas. Constructing the antenna grouping patterns is the same as constructing the group mapping matrix G i or inversely related group pattern extension matrix E i .
  • One easy way to construct a pattern set is to group highly correlated antennas. In general, close antennas can be grouped because they have a high correlation. An embodiment is shown in which antennas close to FIG. 5 are grouped.
  • a pattern set of antenna grouping patterns may be configured by using information of a transmitter correlation matrix and a subspace packing technique. Since the number of possible patterns also increases as the number of transmitting antennas increases, patterns that represent subspaces of all possible patterns need to be selected. To this end, the pattern set S may be obtained by applying the modified subspace packing scheme through the following procedure.
  • step 1 when the number of transmit antennas and the number of antenna groups are given, the total number of possible patterns is defined.
  • T ⁇ 1, 2, ..., N possible ⁇
  • Equation 19 the total number of possible patterns is represented by Equation 19 below.
  • an effective transmitter correlation matrix is defined and Frobenius norm values are calculated for each pattern candidate.
  • An effective sender correlation matrix If defined as, each pattern candidate Effective Source Correlation Matrix for Frobenius norm is calculated by Equation 20.
  • the subsets can be expressed as in Equation 21 below.
  • the final pattern set S is obtained by using a modified subspace packing technique.
  • a relative distance value between antenna group patterns is required.
  • the relative distance value is calculated through the correlation matrix distance, which indicates the degree of orthogonality of the correlation matrices.
  • the correlation matrix distance can be calculated as shown in Equation 22 below.
  • tr (.) Is the trace function to represent the sum of the diagonal elements.
  • d corr is a value representing the similarity between two matrices. The smaller the d corr value, the more similar the two matrices and the larger the two matrices.
  • the final pattern set S may be determined as in Equation 24 below.
  • a set of maximized minimum correlation matrix distances is selected as the final pattern set S as in the subspace packing technique.
  • Equation 25 The channel vector of the k-th receiving device considering the transmitter correlation matrix is represented by Equation 25 below.
  • Equation 25 Is the source correlation matrix, Each element of is a channel vector following iid (independent and identical distribution). If a general exponential model is applied to determine the effect of the correlation coefficient on the transmitter correlation matrix R t, k , the correlation matrix R t, k can be expressed as Equation 26.
  • is the correlation coefficient
  • ⁇ k is the phase of the k-th receiving device, the phase between the receiving devices is independent.
  • the antenna grouping scheme proposed in the embodiments of the present invention can be modified in a way of effectively allocating feedback resources.
  • the total number of possible patterns N possible increases exponentially with the number of transmit antennas and the number of antenna groups.
  • the modified embodiment divides the antenna array into a predetermined number of zones and applies the antenna grouping technique to only one or more selected zones.
  • zone information indicating the selected one or more zones may be additionally fed back.
  • the feedback of the zone information may be omitted.
  • FIG. 9 illustrates zone separation of a two-dimensional antenna array in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the original channel vector h is partial vectors corresponding to N R regions. Divided into Where r i is The vector represents the channel vector representing the i th region and N R represents the number of divided regions. And, beamforming gain value for each zone This is calculated.
  • the receiving apparatus assumes that the beamforming gain values for each zone are arranged in ascending order ( Apply the antenna grouping technique to a specific zone.
  • an area having a low beamforming gain value as an example
  • An antenna grouping technique may be applied to the in-zone.
  • the length N g of the grouped channel vectors becomes as follows.
  • N ' R, g represents the number of antenna groups in the selected zone.
  • An advantage of the embodiment shown in FIG. 9 is that by applying antenna grouping techniques to specific areas, the total number of possible patterns can be significantly reduced.
  • the number of possible patterns in each zone is shown in Equation 28 below.
  • the antenna grouping technique is applied to a region having a low beamforming gain value, so that a larger number of feedback bits is allocated to a region of N R -N ' R.
  • N q is the number of feedback bits for vector quantization
  • the number of feedback bits B e per antenna is Is given by In this case, N ' R, g B e bits are allocated to the zone to which antenna grouping is applied and to the remaining zone. The number of bits is allocated. Because of this, more feedback resources are allocated to the areas with high beamforming gains and less feedback resources are allocated to the areas with low beamforming gains.
  • 10, 11, 12 and 13 are graphs showing the total capacity performance of antenna grouping according to embodiments of the present invention.
  • antennas when N t antennas are used (Conventional beamforming) 1010 and N g antennas to be randomly selected (Random selection with N g ) 1020 according to the number N g of antenna groups, antennas
  • the total capacity according to the number of bitback bits B is shown.
  • the total capacitance 1030 in the case of applying the antenna grouping patterns according to the embodiment of the present invention is superior to other cases 1010 and 1020.
  • the total capacitance 1120 in the case of applying the antenna grouping patterns according to the exemplary embodiment of the present invention is superior to that in the other cases (1130 and 1140), and the performance in the case of using more feedback bits (1110) considerably. It can be seen that the proximity.
  • the antenna grouping method according to the correlation coefficient ⁇ is not applied (Conventional beamforming) 1220 and 1240 and the antenna grouping method according to the embodiment of FIG. 9 is applied.
  • the combined dose for the case (Antenna grouping) (1210, 1230) is shown.
  • the correlation coefficient is high, it can be seen that the case where the antenna grouping method having a small number of transmitting antennas is applied is higher than the case where the antenna grouping method having a large number of transmitting antennas is not applied.
  • Embodiments of the present invention that operate as described above by reducing the amount of feedback for channel vector quantization at the receiving end of a large-capacity multiple input and output antenna communication system, by grouping the antennas using a high correlation between the antennas of the large-capacity MIMO system, By increasing the channel quantization performance, the same performance as the prior art can be obtained with a smaller number of feedback bits.

Abstract

Disclosed are a method and an apparatus for grouping antennas in a multiple-input multiple-output antenna system. The method of the present invention comprises the steps of: measuring a channel vector for a plurality of antennas of a base station; grouping channel coefficients of the channel vector in accordance with a plurality of antenna grouping patterns and determining grouped codebook vectors corresponding to the grouped channel coefficients; selecting one of the antenna grouping patterns using the grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns; and feeding back, to the base station, a pattern index indicating the selected antenna grouping pattern and a codebook index indicating the grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern.

Description

다중입출력 안테나 시스템의 안테나 그룹화 방법 및 장치Method and device for antenna grouping in multi-input / output antenna system
본 발명은 다중입출력 안테나를 가지는 통신 시스템에서 안테나들을 그룹화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for grouping antennas in a communication system having multiple input and output antennas.
대용량 다중 입출력 통신(Full Dimension Multiple Input Multiple Output: FD-MIMO) 시스템은 FDD(Frequency Division Duplexing) 방식과 TDD(Time Division Duplexing) 방식으로 구현될 수 있다. TDD 방식의 시스템은 상향링크와 하향링크의 채널 가역성(channel reciprocity)을 활용하기 때문에 채널 피드백에 대한 부담이 크지 않다. 그러나 많은 셀룰러 네트워크에서 사용되고 있는 FDD 방식의 시스템에 대용량 MIMO 기술을 적용하는 경우, 송신단의 빔포밍을 지원하기 위한 채널상태 정보의 피드백이 필요하게 된다. A full dimension multiple input multiple output (FD-MIMO) system may be implemented in a frequency division duplexing (FDD) system and a time division duplexing (TDD) system. Since the TDD type system utilizes channel reciprocity of uplink and downlink, the burden on channel feedback is not large. However, when a large capacity MIMO technology is applied to an FDD-based system used in many cellular networks, feedback of channel state information for supporting beamforming of a transmitter is required.
채널 피드백은 일반적으로 유한한 피드백 비트 수로 표현된다. 피드백 정보가 불완전하다면 송신단에서의 빔포밍 역시 부정확해질 수 밖에 없다. 실제로 다중사용자 MIMO 시스템에서 빔포밍이 정확하게 수행되지 않는 경우 사용자간 간섭이 완벽하게 제거되지 않으며 결과적으로 수신기의 신호 대 간섭 잡음비 (Signal to Interference and Noise Ratio; SINR)가 열화된다. 채널상태 정보의 정확도는 다중사용자 MIMO 시스템에서 하향링크의 다중화 이득에 직접적인 영향을 미친다. 특히, 완벽한 채널상태 정보와 부정확한 채널상태 정보의 합용량(Sum Rate) 차이를 일정한 범위 이내로 유지하기 위해서는 채널을 양자화하기 위한 피드백 비트수가 기지국 안테나 개수 및 신호대잡음비에 비례해서 설정되어야 한다. FD-MIMO 시스템은 기지국에서 수십에서 수백개의 매우 많은 안테나를 활용하여 높은 전송률을 얻고자 하는 기술로서, 피드백 부하는 안테나 개수에 비례하여 크게 증가할 수 밖에 없다.Channel feedback is typically represented by a finite number of feedback bits. If the feedback information is incomplete, beamforming at the transmitter may also be inaccurate. In fact, if beamforming is not performed correctly in a multiuser MIMO system, the interference between users is not completely eliminated, and as a result, the signal to interference and noise ratio (SINR) of the receiver is degraded. The accuracy of channel state information directly affects the downlink multiplexing gain in a multiuser MIMO system. In particular, the number of feedback bits for quantizing a channel should be set in proportion to the number of base station antennas and the signal-to-noise ratio in order to maintain a difference in sum rate between perfect channel state information and inaccurate channel state information within a certain range. The FD-MIMO system is a technique for obtaining a high data rate by utilizing a very large number of antennas from dozens to hundreds at a base station, and the feedback load is inevitably increased in proportion to the number of antennas.
유한 채널 피드백의 성능은 채널 벡터 양자화의 정확성에 의존한다. 정확하지 않은 양자화된 채널 벡터를 이용하여 빔포밍을 하게 되면 사용자간 간섭이 완벽하게 제거되지 않은 간섭 제한 시스템이 되어 합용량의 증가를 기대하기 어렵다. 특히, 대용량 MIMO 통신 시스템의 경우 송신 안테나 수가 증가함에 따라 채널 벡터의 차원이 선형적으로 늘어나게 된다. 따라서 송신 안테나 수가 증가함에 따라 채널 벡터 양자화를 위한 피드백 양이 늘어날 수 밖에 없다. 하지만 상향링크의 오버헤드를 증가시키지 않기 위해서, 채널 피드백은 가능한 적은 비트 수로 표현되어야 하며 이로 인해 채널 벡터 양자화의 정확도가 감소하여 빔포밍을 통한 성능 증가를 얻기 어렵게 된다는 문제점이 발생할 수 있었다.The performance of finite channel feedback depends on the accuracy of the channel vector quantization. When beamforming using an inaccurate quantized channel vector, it is difficult to expect an increase in total capacity because it becomes an interference limiting system in which interference between users is not completely eliminated. In particular, in the case of a large capacity MIMO communication system, as the number of transmit antennas increases, the dimension of the channel vector increases linearly. Therefore, as the number of transmit antennas increases, the amount of feedback for channel vector quantization increases. However, in order not to increase the overhead of the uplink, the channel feedback should be expressed with as few bits as possible, which may cause a problem that the accuracy of channel vector quantization is reduced and it is difficult to obtain an increase in performance through beamforming.
본 발명은 통신 시스템에서 채널상태에 대한 피드백 정보를 송수신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. The present invention provides a method and apparatus for transmitting and receiving feedback information on a channel state in a communication system.
본 발명은 상향링크의 피드백을 위해 안테나 그룹화를 수행하는 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for performing antenna grouping for uplink feedback.
본 발명은 대용량 다중입출력 안테나 시스템의 송신단에서 빔포밍을 수행하도록 하기 위해서 수신단에서 채널상태 정보를 피드백하는 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for feeding back channel state information at a receiving end to perform beamforming at a transmitting end of a large-capacity multiple input / output antenna system.
본 발명은 안테나 그룹화를 수행함으로써 채널 양자화를 위한 벡터의 차원을 줄이고, 시스템 피드백 부하를 감소시키는 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for reducing the dimension of a vector for channel quantization and reducing system feedback load by performing antenna grouping.
본 발명은 대용량 다중입출력 안테나(FD-MIMO) 시스템의 상향링크 상에서 피드백 부하를 감소시키기 위한 안테나 그룹화를 수행하는 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a method and apparatus for performing antenna grouping to reduce feedback load on the uplink of a large capacity multiple input and output antenna (FD-MIMO) system.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법은; 다중입출력 안테나 시스템의 안테나 그룹화 방법에 있어서, 기지국의 복수의 안테나들에 대한 채널 벡터를 측정하는 과정과, 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 상기 채널 벡터의 채널 계수들을 그룹화하고, 상기 그룹화된 채널 계수들에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터들을 결정하는 과정과, 상기 안테나 그룹화 패턴들에 대한 그룹화된 코드북 벡터들을 이용하여 상기 안테나 그룹화 패턴들 중 하나의 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 과정과, 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스와 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 과정을 포함한다.Method according to a preferred embodiment of the present invention; An antenna grouping method of a multiple input / output antenna system, comprising: measuring channel vectors for a plurality of antennas of a base station, grouping channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns, and grouping the channel coefficients Determining grouped codebook vectors corresponding to the plurality of antennas; selecting an antenna grouping pattern of one of the antenna grouping patterns by using grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns; and selecting the selected antenna grouping pattern And feeding back a pattern index indicating a and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은; 다중입출력 안테나 시스템의 안테나 그룹화 방법에 있어서, 복수의 안테나 그룹화 패턴들 중 하나를 지시하는 패턴 인덱스와, 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 사용자 단말로부터 수신하는 과정과, 상기 그룹화된 코드북 벡터를 상기 패턴 인덱스에 의해 지시된 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하여 상기 복수의 안테나들에 대한 코드북 벡터를 결정하는 과정과, 상기 결정된 코드북 벡터를 이용하여 빔포밍 행렬을 구성하는 과정과, 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 데이터를 프리코딩하고 상기 사용자 단말로 프리코딩된 데이터를 전송하는 과정을 포함한다.Method according to an embodiment of the present invention; An antenna grouping method of a multiple input / output antenna system, the method comprising: receiving a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns, a codebook index indicating a grouped codebook vector from a user terminal, and receiving the grouped codebook vector. Determining a codebook vector for the plurality of antennas by expanding according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index, constructing a beamforming matrix using the determined codebook vector, and forming the beamforming matrix Precoding the data using the data and transmitting the precoded data to the user terminal.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는; 다중입출력 안테나 시스템에서 안테나 그룹화를 지원하는 단말 장치에 있어서, 기지국의 복수의 안테나들에 대한 채널 벡터를 측정하는 채널 측정부와, 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 상기 채널 벡터의 채널 계수들을 그룹화하여 상기 그룹화된 채널 계수들에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터들을 결정하고, 상기 안테나 그룹화 패턴들에 대한 그룹화된 코드북 벡터들을 이용하여 상기 안테나 그룹화 패턴들 중 하나의 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 제어부와, 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스와 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 송신부를 포함한다.Apparatus according to an embodiment of the present invention; A terminal device supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system, comprising: a channel measuring unit measuring a channel vector of a plurality of antennas of a base station, and grouping channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns A control unit for determining grouped codebook vectors corresponding to the grouped channel coefficients and selecting one antenna grouping pattern of the antenna grouping patterns using the grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns; And a transmitter for feeding back a pattern index indicating an antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 다중입출력 안테나 시스템에서 안테나 그룹화를 지원하는 기지국 장치에 있어서, 복수의 안테나 그룹화 패턴들 중 하나를 지시하는 패턴 인덱스와, 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 사용자 단말로부터 수신하는 수신부와, 상기 그룹화된 코드북 벡터를 상기 패턴 인덱스에 의해 지시된 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하여 상기 복수의 안테나들에 대한 코드북 벡터를 결정하고, 상기 결정된 코드북 벡터를 이용하여 빔포밍 행렬을 구성하는 제어부와, 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 데이터를 프리코딩하고 상기 사용자 단말로 프리코딩된 데이터를 전송하는 송신부를 포함한다.An apparatus according to an embodiment of the present invention is a base station apparatus supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system, comprising: a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns and a codebook index indicating a grouped codebook vector And a receiver for receiving from the user terminal, and extending the grouped codebook vector according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index to determine codebook vectors for the plurality of antennas, and using the determined codebook vector to beam And a transmitter configured to preform data using the beamforming matrix, and to transmit data precoded to the user terminal.
도 1은 빔포밍을 포함하는 대용량 다중 입출력 통신(FD-MIMO) 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.1 illustrates a schematic structure of a large capacity multiple input / output communication (FD-MIMO) system including beamforming.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹화에 기반한 빔포밍 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다.2 is a block diagram illustrating a structure of a beamforming system based on antenna grouping according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹 패턴 확장 절차를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram illustrating an antenna group pattern extension procedure according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 선택부(228)의 구성을 나타낸 블록도이다.4 is a block diagram showing the configuration of a pattern selection unit 228 according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹화 패턴들을 예시한 것이다.5 illustrates antenna grouping patterns according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating an operation of a user terminal according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 일시예에 따라 사용자 단말에서 패턴 인덱스를 결정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a procedure of determining a pattern index in a user terminal according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 동작을 나타낸 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating the operation of a base station according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 어레이를 나타낸 도면이다.9 illustrates an antenna array according to an embodiment of the present invention.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 그룹화의 합용량 성능을 나타낸 그래프들이다.10, 11, 12 and 13 are graphs showing the total capacity performance of antenna grouping according to embodiments of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 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 생략한다. 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.
도 1은 빔포밍을 포함하는 대용량 다중 입출력 통신(FD-MIMO) 시스템의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.1 illustrates a schematic structure of a large capacity multiple input / output communication (FD-MIMO) system including beamforming.
도 1을 참조하면, 송신단(110)은 Nt개의 안테나들로 구성된 안테나 어레이(120)를 가지고 있으며, K개의 수신 장치들(130,132,134)을 위한 신호들을 생성하여 안테나들(120)을 통해 송신할 수 있는 빔포밍부(115)를 구비한다. 여기에서는 각 수신 장치(130,132,134)가 1개의 안테나를 가지고 있는 경우를 예시하였으나, 수신 장치(130,132,134)는 하나 혹은 그 이상의 안테나들로 구성된 안테나 어레이를 구비할 수 있으며, 송신단(110)의 안테나들(120)로부터 송신되는 신호를 채널(100)을 통해 수신한다. Referring to FIG. 1, the transmitter 110 has an antenna array 120 composed of N t antennas, and generates signals for the K receiver devices 130, 132, and 134 to transmit through the antennas 120. It is provided with a beam forming unit 115 that can be. Herein, a case in which each of the receiving devices 130, 132, and 134 has one antenna is illustrated, but the receiving devices 130, 132, and 134 may include an antenna array including one or more antennas, and the antennas of the transmitting end 110 ( A signal transmitted from 120 is received through the channel 100.
각 수신 장치(130,132,134)는 SINR을 최대화하는 코드북 인덱스를 선택하기 위해 채널 벡터 양자화를 수행하게 된다. 일반적으로 k번째 수신 장치의 수신된 신호는 하기의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.Each receiver 130, 132, 134 performs channel vector quantization to select a codebook index that maximizes SINR. In general, the received signal of the k-th receiving device may be represented by Equation 1 below.
수학식 1
Figure PCTKR2014008513-appb-M000001
Equation 1
Figure PCTKR2014008513-appb-M000001
여기에서 각각 hk는 송신단(110)의 안테나 어레이(120)로부터 k번째 수신 장치로의 채널 벡터를 의미하고, x는 ρ의 평균 파워 제한을 갖고 있는 전송 신호 벡터를 의미하며, zk은 k번째 수신 장치에서의 가우시안 잡음을 의미한다. 여기에서 wi는 i번째 수신 장치를 위해 송신단(110)에서 적용된 빔포밍 벡터이고, si는 i번째 수신 장치로 송신하고자 하는 데이터 심볼을 나타낸다. Where h k denotes a channel vector from the antenna array 120 of the transmitter 110 to the k-th receiver, x denotes a transmission signal vector having an average power limit of ρ, and z k denotes k Gaussian noise in the first receiver. Here, w i is a beamforming vector applied by the transmitting end 110 for the i-th receiving device, and s i represents a data symbol to be transmitted to the i-th receiving device.
송신단(110)에서 선형 빔포밍을 적용하였을 경우, k번째 수신 장치에서의 수신된 신호는 다음 <수학식 2>과 같이 다시 나타낼 수 있다.When linear beamforming is applied at the transmitter 110, the received signal at the k-th receiver may be represented again as in Equation 2 below.
수학식 2
Figure PCTKR2014008513-appb-M000002
Equation 2
Figure PCTKR2014008513-appb-M000002
k번째 수신 장치를 제외한 다른 수신 장치들, 즉 j번째 수신 장치들에 의한 간섭을 잡음으로 간주하게 되면, 수신 장치들의 합용량(Sum Rate)은 다음 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.When the interference by other receiving devices other than the k-th receiving device, that is, the j-th receiving device, is regarded as noise, the sum rate of the receiving devices may be expressed by Equation 3 below.
수학식 3
Figure PCTKR2014008513-appb-M000003
Equation 3
Figure PCTKR2014008513-appb-M000003
여기서 ρ는 송신단에서 미리 정해지는 합 전송 파워를 의미하며, 송신단은 정해진 합 전송 파워 내에서 수신 장치들에게 파워를 균일하게 혹은 불균일하게 배분할 수 있다. Here, p denotes a sum transmission power predetermined at the transmitter, and the transmitter may uniformly or non-uniformly distribute the power to the receiving devices within the predetermined sum transmission power.
유한 채널 피드백 시스템에서 수신 장치는 하기 <수학식 4>와 같이 채널 방향 정보(channel direction information: CDI)를 계산하고, 상기 계산된 채널 방향 정보를 양자화한다. In the finite channel feedback system, the receiving apparatus calculates channel direction information (CDI) as shown in Equation 4 below and quantizes the calculated channel direction information.
수학식 4
Figure PCTKR2014008513-appb-M000004
Equation 4
Figure PCTKR2014008513-appb-M000004
수신 장치는 미리 지정된 피드백 비트수 B에 따른 코드북
Figure PCTKR2014008513-appb-I000001
을 가지고 있으며, 상기 채널 방향 정보에 근거하여 수신 신호대잡음비를 최대화하는 코드북 인덱스 j를 고른다. 여기서 코드북은 2B개의 Nt×1 코드북 벡터들 ci를 포함하는 집합이다. 즉 1 내지 2B 중 원래 채널과 가장 유사한 코드북 벡터 cj에 해당하는 인덱스 j가 결정된다. 하기 <수학식 5>는 코드북 인덱스 j를 결정하기 위한 공식의 일 예를 나타낸 것이다.
The receiving device is a codebook according to a predetermined number of feedback bits B.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000001
The codebook index j for maximizing the received signal-to-noise ratio is selected based on the channel direction information. Here, the codebook is a set containing 2 B N t × 1 codebook vectors c i . That is, the index j corresponding to the codebook vector c j most similar to the original channel among 1 to 2 B is determined. Equation 5 below shows an example of a formula for determining the codebook index j.
수학식 5
Figure PCTKR2014008513-appb-M000005
Equation 5
Figure PCTKR2014008513-appb-M000005
상기 선택된 코드북 인덱스는 B 비트로 구성되어 각 수신 장치로부터 송신단(110)으로 피드백된다.The selected codebook index is composed of B bits and is fed back from each receiving apparatus to the transmitting end 110.
송신단(110)에서는 K개의 수신 장치들(130,132,134)로부터 코드북 인덱스를 받아 하기의 <수학식 6>과 같은 합성 채널 행렬을 구성한다. The transmitter 110 receives a codebook index from the K receivers 130, 132, and 134, and configures a composite channel matrix as shown in Equation 6 below.
수학식 6
Figure PCTKR2014008513-appb-M000006
Equation 6
Figure PCTKR2014008513-appb-M000006
즉 송신단(110)은 k번째 수신 장치로부터 피드백된 코드북 인덱스 j에 근거하여, 미리 주어진 코드북 C로부터 코드북 벡터 cj를 결정하고, 코드북 벡터 cj
Figure PCTKR2014008513-appb-I000002
에 매핑시킨다. 즉 k번째 수신 장치의 채널상태 정보는
Figure PCTKR2014008513-appb-I000003
가 된다. 합성 채널 행렬은 K개의 수신 장치들에 대해 피드백된 K개의 코드북 인덱스들에 근거하여 구해진 채널상태 정보
Figure PCTKR2014008513-appb-I000004
를 연결함으로써 구성된다.
That is, the transmitter 110 determines the codebook vector c j from the codebook C given in advance based on the codebook index j fed back from the k-th receiving device, and selects the codebook vector c j .
Figure PCTKR2014008513-appb-I000002
Map to. That is, the channel state information of the kth receiver is
Figure PCTKR2014008513-appb-I000003
Becomes The channel matrix information is obtained based on the K codebook indices fed back for the K receivers.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000004
It is configured by connecting.
상기의 합성 채널 행렬을 가지고 구해진 제로 포싱(Zero Forcing: ZF) 빔포밍 행렬은 다음의 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.The zero forcing (ZF) beamforming matrix obtained with the composite channel matrix may be expressed as Equation 7 below.
수학식 7
Figure PCTKR2014008513-appb-M000007
Equation 7
Figure PCTKR2014008513-appb-M000007
k번째 수신 장치를 위한 빔포밍 벡터는 전송 신호의 파워 제한을 만족시키기 위해 상기 제로 포싱 빔포밍 행렬의 k번째 열 벡터를 정규화함으로써 하기의 <수학식 8>과 같이 구할 수 있다.The beamforming vector for the k-th receiving device may be obtained as shown in Equation 8 by normalizing the k-th column vector of the zero forcing beamforming matrix to satisfy the power limitation of the transmission signal.
수학식 8
Figure PCTKR2014008513-appb-M000008
Equation 8
Figure PCTKR2014008513-appb-M000008
빔포밍을 지원하는 FD-MIMO 시스템에서는 채널상태 정보의 피드백과, 피드백된 정보를 이용한 적절한 송신 빔포밍을 통하여 하향링크의 성능을 증가시킬 수 있다. 피드백되는 채널상태 정보의 양은 송신단의 안테나 개수에 비례하여 증가하는데, 실제 시스템에서는 피드백 되는 채널상태 정보의 양이 제한될 수 밖에 없다. In a FD-MIMO system supporting beamforming, downlink performance can be increased through feedback of channel state information and proper transmission beamforming using the fed back information. The amount of channel state information fed back increases in proportion to the number of antennas of the transmitting end. In an actual system, the amount of channel state information fed back is limited.
특히, 다중사용자 MIMO 시스템에서는 빔포밍이 정확하게 이루어지지 않는 경우 사용자간 간섭이 완벽하게 제거되지 않으며 단일사용자 MIMO 시스템에 비해 유한한 피드백 비트 수에 훨씬 더 큰 영향을 받는다. 단일사용자 MIMO 시스템의 경우, 채널상태 정보의 정확도는 성능에 영향을 미치지만 다중화 이득을 변화시키지는 않는다. 이에 반해, 다중사용자 MIMO 시스템은 유한 피드백 조건 하에서 간섭으로 인해 성능향상이 더 이상 이루어지지 않기 때문에, 채널상태 정보의 정확도는 다중사용자 MIMO 하향링크의 다중화 이득에 직접적인 영향을 미친다. In particular, in a multi-user MIMO system, if beamforming is not performed correctly, inter-user interference is not completely eliminated and is much more affected by a finite number of feedback bits than a single-user MIMO system. For single-user MIMO systems, the accuracy of channel state information affects performance but does not change the multiplexing gain. On the contrary, since the multi-user MIMO system no longer improves performance due to interference under finite feedback conditions, the accuracy of the channel state information directly affects the multiplexing gain of the multi-user MIMO downlink.
완벽한 채널상태 정보가 피드백되는 경우와 비슷한 합용량을 얻기 위해서는, 채널을 양자화하기 위한 피드백 양이 송신단의 안테나 수 및 신호대잡음비에 비례해서 설정되어야 한다. 일 실시예로서 랜덤 벡터 양자화 기법을 사용할 때 필요한 피드백 비트수는 다음 <수학식 9>와 같이 표현될 수 있다.In order to obtain a total capacity similar to that in which perfect channel state information is fed back, the amount of feedback for quantizing the channel should be set in proportion to the number of antennas and the signal to noise ratio of the transmitter. As an example, the number of feedback bits required when using the random vector quantization technique may be expressed as in Equation 9 below.
수학식 9
Figure PCTKR2014008513-appb-M000009
Equation 9
Figure PCTKR2014008513-appb-M000009
여기서 ρdB는 송신단에서 미리 정해지는 합 전송 파워를 dB로 나타낸 것이다 (ρdB = 10log10ρ). 대용량 MIMO 시스템에서는 송신단이 많은 수의 안테나들을 운용하기 때문에 피드백 비트수를 단순히 확장하는 것은 불가능하다. 후술되는 실시예에서는 성능 열화를 최소화하면서 피드백 부하를 줄일 수 있는 피드백 방식을 제안한다. Where ρ dB is the sum of the predetermined transmit powers in dB at the transmitter (ρ dB = 10log 10 ρ). In a large-scale MIMO system, since the transmitter operates a large number of antennas, it is impossible to simply extend the number of feedback bits. In the following embodiment, a feedback scheme capable of reducing a feedback load while minimizing performance degradation is proposed.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹화에 기반한 빔포밍 시스템의 구조를 나타낸 블록도이다. 여기에서는 하나의 수신 장치(220)만을 도시하였으나, 실제 통신 환경에서 유사하게 동작하는 하나 혹은 그 이상의 수신 장치들이 존재할 수 있음은 자명하다.2 is a block diagram illustrating a structure of a beamforming system based on antenna grouping according to an embodiment of the present invention. Although only one receiving device 220 is shown here, it will be apparent that there may be one or more receiving devices that operate similarly in an actual communication environment.
도 2를 참조하면, 송신단(210)은 전송하고자 하는 데이터 심볼 s를 입력으로 하는 안테나 그룹 패턴 확장부(212)와, 빔포밍 행렬 W를 가지는 빔포밍부(214) 및 Nt개의 안테나들로 구성된 안테나 어레이(216)를 포함하여 구성된다. 여기에서는 안테나 그룹 패턴 확장부(212)와 빔포밍부(214)를 각각 별도의 개체로서 도시하였으나 구현에 따라 이들은 하나 혹은 그 이상의 제어부 혹은 프로세서로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 2, the transmitter 210 includes an antenna group pattern extension unit 212 that receives a data symbol s to be transmitted, a beamformer 214 having a beamforming matrix W, and N t antennas. It is configured to include a configured antenna array 216. Although the antenna group pattern extension unit 212 and the beamforming unit 214 are shown as separate entities, they may be implemented as one or more controllers or processors, depending on the implementation.
수신 장치(220)는 하나 혹은 그 이상의 수신 안테나(232)와, 채널 측정부(222)와, 안테나 그룹화부(224)와, 벡터 양자화 및 그룹 패턴 확장부(226)와, 패턴 선택부(228) 및 피드백 송신부(230)를 포함하여 구성된다. 여기에서는 안테나 그룹화부(224)와, 벡터 양자화 및 그룹 패턴 확장부(226) 및 패턴 선택부(228)를 각각 별도의 개체로서 도시하였으나 구현에 따라 이들은 하나 혹은 그 이상의 제어부 혹은 프로세서로 구현될 수 있다.The receiving device 220 includes one or more receiving antennas 232, a channel measuring unit 222, an antenna grouping unit 224, a vector quantization and group pattern extension unit 226, and a pattern selecting unit 228. ) And a feedback transmitter 230. Although the antenna grouping unit 224, the vector quantization and group pattern extension unit 226, and the pattern selection unit 228 are illustrated as separate entities, they may be implemented as one or more controllers or processors, depending on the implementation. have.
송신단(210)에서 안테나 그룹 패턴 확장부(212)는 각 수신 장치로부터 피드백되는 패턴 인덱스를 기반으로, 미리 정해지는 안테나 그룹화 패턴들 중 수신 장치(220)에 의해 선택된 안테나 그룹화 패턴에 따라 그룹화된 안테나들에 대응하는 채널상태 정보, 즉 채널 벡터 h를 결정한다. 빔포밍부(214)는 상기 결정된 채널 벡터를 기반으로 빔포밍 행렬 W를 결정하고, 상기 입력된 데이터 심볼 스트림 s를 상기 빔포밍 행렬 W에 따라 프리코딩하여 복수의 안테나들(216)을 통해 전송한다.The antenna group pattern extension unit 212 at the transmitting end 210 groups antennas grouped according to the antenna grouping pattern selected by the receiving device 220 among the predetermined antenna grouping patterns based on a pattern index fed back from each receiving device. Determine channel state information corresponding to the channel information, that is, the channel vector h. The beamforming unit 214 determines a beamforming matrix W based on the determined channel vector, precodes the input data symbol stream s according to the beamforming matrix W, and transmits the same through the plurality of antennas 216. do.
수신 장치(220)의 채널 측정부(222)는 수신 안테나(232)에 의해 수신된 신호를 기반으로 송신단(210)의 안테나들(216)에 대한 채널 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000005
를 측정하며, 안테나 그룹화 매핑부(224)는 상기 채널 벡터를 미리 정해지는 안테나 그룹화 패턴들에 따른 안테나 그룹들에 매핑시켜 안테나 그룹화 패턴별로 그룹화된 채널 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000006
를 계산한다. 그룹화된 채널 벡터는 안테나 그룹들에 대응하는 채널 계수들을 포함하며, 각 채널 계수는 하나의 안테나 그룹에 속한 안테나들에 대해 측정된 채널 계수들을 이용하여 계산된다. 벡터 양자화 및 그룹 패턴 확장부(226)는 그룹화된 채널 벡터를 양자화하여 안테나 그룹화 패턴별로 각 안테나 그룹에 대한 그룹화된 코드북 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000007
를 결정하고, 그룹화된 코드북 인덱스들을 해당 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하여 각 안테나(216)에 대한 확장된 코드북 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000008
를 계산한다. 여기서 그룹화된 코드북 벡터의 코드북 계수들은 안테나 그룹들에 대응하는 채널 계수들로부터 결정되며, 디매핑된 코드북 벡터의 코드북 계수들은 동일한 안테나 그룹에 속한 그룹화된 코드북 계수들을 안테나 그룹 크기에 따라 확장함으로써 계산된다.
The channel measuring unit 222 of the receiving device 220 is a channel vector for the antennas 216 of the transmitting end 210 based on the signal received by the receiving antenna 232.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000005
The antenna grouping mapping unit 224 maps the channel vector to antenna groups according to predetermined antenna grouping patterns, thereby channeling the channel vectors grouped by antenna grouping pattern.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000006
Calculate The grouped channel vector includes channel coefficients corresponding to the antenna groups, each channel coefficient being calculated using the channel coefficients measured for the antennas belonging to one antenna group. The vector quantization and group pattern extension unit 226 quantizes the grouped channel vectors to group the codebook vector for each antenna group according to the antenna grouping pattern.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000007
And expand the grouped codebook indices according to the corresponding antenna grouping pattern to expand the codebook vector for each antenna 216.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000008
Calculate Here, the codebook coefficients of the grouped codebook vector are determined from channel coefficients corresponding to the antenna groups, and the codebook coefficients of the demapped codebook vector are calculated by extending the grouped codebook coefficients belonging to the same antenna group according to the antenna group size. .
패턴 선택부(228)는 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 대응하는 확장된된 코드북 벡터들을 획득하며, 원래 채널 벡터와 상기 확장된 코드북 벡터들을 이용하여 수신 신호대잡음비를 최대화하는 하나의 안테나 그룹화 패턴을 결정하고, 상기 결정된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스를 벡터 양자화 및 그룹 패턴 확장부(226)로 전달한다. The pattern selector 228 obtains extended codebook vectors corresponding to the plurality of antenna grouping patterns, and determines one antenna grouping pattern that maximizes a received signal-to-noise ratio using the original channel vector and the extended codebook vectors. The pattern index indicating the determined antenna grouping pattern is transmitted to the vector quantization and group pattern extension unit 226.
벡터 양자화 및 그룹 패턴 확장부(226)는 상기 결정된 안테나 그룹화 패턴을 식별하는 패턴 인덱스와, 상기 결정된 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 나타내는 코드북 인덱스를 피드백 송신부(230)로 전달한다. 피드백 송신부(230)는 상기 패턴 인덱스 및 코드북 인덱스를 정해진 시그널링 방식에 따라 메시지 혹은 패킷으로 구성하여, 송신단(210)으로 피드백한다.The vector quantization and group pattern extension unit 226 transmits a pattern index for identifying the determined antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the determined antenna grouping pattern to the feedback transmitter 230. The feedback transmitter 230 configures the pattern index and the codebook index into a message or a packet according to a predetermined signaling method, and feeds back the transmitter 210.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 따른 시스템은, 미리 정해진 안테나 그룹화 패턴에 따라 안테나들을 그룹화하며, 그룹화된 채널 벡터를 양자화하고 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하며, 수신 신호대잡음비를 최대화하는 코드북 인덱스와 패턴 인덱스를 동시에 선택한다. As described above, the system according to the embodiment of the present invention groups the antennas according to a predetermined antenna grouping pattern, quantizes the grouped channel vectors, expands according to the antenna grouping pattern, and maximizes the received signal-to-noise ratio. Select the indexes at the same time.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹 패턴 확장 절차를 설명하기 위한 도면이다. 여기에서는 특정한 하나의 안테나 그룹화 패턴에 대한 확장을 도시하였으며, 이하 설명에서 수신 장치의 인덱스 k는 생략하기로 한다.3 is a diagram illustrating an antenna group pattern extension procedure according to an embodiment of the present invention. Herein, an extension of one specific antenna grouping pattern is illustrated. In the following description, the index k of the receiving device will be omitted.
도 3을 참조하면, 수신 장치는 송신단과 수신 장치 모두에게 알려진 특정 안테나 그룹화 패턴을 이용하여 채널 벡터(310)에 대한 안테나 그룹화(315), 다시 말해서 안테나 그룹 매핑을 수행한다. 도시된 예에서 송신단의 8개의 안테나들에 대해 측정된 채널 계수들은 h1, h2, ..., h8이며, 특정 안테나 그룹화 패턴은 인접한 각 2개의 안테나들을 그룹화한다. 즉 안테나 1,2가 안테나 그룹 1이 되고, 안테나 3,4가 안테나 그룹 2가 되고, 안테나 5,6이 안테나 그룹 3이 되고, 안테나 7,8이 안테나 그룹 4가 된다. 안테나 그룹 매핑(315)를 통해 4개의 안테나 그룹들에 각각 대응하는 그룹화된 채널 계수들 g1, g2, g3, g4가 생성된다.Referring to FIG. 3, the receiving apparatus performs antenna grouping 315, that is, antenna group mapping on the channel vector 310, using a specific antenna grouping pattern known to both the transmitting end and the receiving apparatus. In the illustrated example, the channel coefficients measured for the eight antennas of the transmitting end are h 1 , h 2 ,..., H 8 , and a specific antenna grouping pattern groups each of two adjacent antennas. That is, antennas 1 and 2 become antenna group 1, antennas 3 and 4 become antenna group 2, antennas 5 and 6 become antenna group 3, and antennas 7, 8 become antenna group 4. Antenna group mapping 315 generates grouped channel coefficients g 1 , g 2 , g 3 , g 4 corresponding to four antenna groups, respectively.
수신 장치는 상기 그룹화된 채널 벡터를 양자화(325)하여 4개의 안테나 그룹들에 대응하는 그룹화된 코드북 계수들 v1, v2, v3, v4 (330)를 결정한다. 구체적으로 코드북 벡터 vi는 그룹화된 채널 벡터 gi를 이용하여 미리 주어진 코드북으로부터 선택된다. 일 실시예로서 코드북은 모든 안테나 그룹화 패턴들에 대해 공통으로 사용될 수 있도록 구성된다. 다른 실시예로서 코드북은 안테나 그룹화 패턴 별로 각각 구성되거나, 안테나 그룹 크기 혹은 안테나 그룹 개수별로 각각 구성될 수 있다.The receiving device quantizes the grouped channel vector 325 to determine grouped codebook coefficients v 1 , v 2 , v 3 , v 4 330 corresponding to four antenna groups. In particular, the codebook vector v i is selected from a codebook given in advance using the grouped channel vector g i . In one embodiment, the codebook is configured to be common to all antenna grouping patterns. In another embodiment, the codebook may be configured for each antenna grouping pattern or may be configured for each antenna group size or antenna group number.
그룹화된 채널 벡터들은 해당하는 안테나 그룹화 패턴에 따른 안테나 그룹 디매핑(335)을 통해 8개의 안테나들에 대응하는 확장된 코드북 계수들 v1, v1, v2, v2, v3, v3, v4, v4을 포함하는 확장된 코드북 벡터(340)로 확장된다. The grouped channel vectors are extended codebook coefficients corresponding to eight antennas through antenna group demapping 335 according to the corresponding antenna grouping pattern v 1 , v 1 , v 2 , v 2 , v 3 , v 3 is extended to an extended codebook vector 340 comprising v 4 , v 4 .
수신 장치는 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 각각 대응하는 확장된 코드북 벡터들을 획득하고, 상기 확장된 코드북 벡터들 중 원래 채널 벡터의 계수들 h1, h2,..., h8과의 차이를 최소화하는 확장된 코드북 벡터와, 그에 대응하는 안테나 그룹화 패턴을 결정하며, 상기 결정된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스를 피드백하기로 결정한다.The receiving apparatus obtains extended codebook vectors corresponding to the plurality of antenna grouping patterns, respectively, and obtains a difference from coefficients h 1 , h 2 ,..., H 8 of the original channel vector among the extended codebook vectors. An extended codebook vector to minimize and an antenna grouping pattern corresponding thereto are determined, and a pattern index indicating the determined antenna grouping pattern is determined to be fed back.
하기에서는 수신 장치에서 이루어지는 안테나 그룹 패턴 확장 및 패턴 인덱스의 결정 절차를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a procedure of determining an antenna group pattern extension and a pattern index performed in a receiving apparatus will be described in more detail.
하기 <수학식 10>은 안테나 그룹 매핑(315)을 통해 생성된 그룹화된 채널 벡터를 의미한다. Equation 10 below represents a grouped channel vector generated through the antenna group mapping 315.
수학식 10
Figure PCTKR2014008513-appb-M000010
Equation 10
Figure PCTKR2014008513-appb-M000010
여기서 gi는 i번째 안테나 그룹화 패턴에 의해 그룹화된 벡터이고, Gi은 i번째 안테나 그룹화 패턴에 대한
Figure PCTKR2014008513-appb-I000010
그룹 매핑 행렬이고, NP는 안테나 그룹화 패턴들의 개수이다.
Where g i is Is the vector grouped by the i th antenna grouping pattern, and G i is the i th antenna grouping pattern
Figure PCTKR2014008513-appb-I000010
And group mapping matrix, P N is the number of antenna grouping pattern.
그룹 매핑 행렬 Gi은 안테나 그룹별로 그룹화하고자 하는 채널 계수들의 대표 값을 정한다. 대표 값을 정하는 방법에는 선형 결합(linear combining)과 평균을 취하는 방법 등이 있을 수 있다. 도 3의 예에서는 평균화에 의한 안테나 그룹 매핑을 나타내었으며, 일 예로 안테나 1,2를 포함하는 안테나 그룹 1에 대응하는 g1은 (h1+h2)/2가 된다.The group mapping matrix G i determines a representative value of channel coefficients to be grouped by antenna group. Representative values may be determined by linear combining and averaging. In the example of FIG. 3, the antenna group mapping by averaging is illustrated. For example, g 1 corresponding to antenna group 1 including antennas 1 and 2 becomes (h 1 + h 2 ) / 2.
그룹화된 채널 벡터 gi의 차원은 Ng로서, 원래 채널 벡터 h의 차원 Nt에 비하여 작아진다. 여기서 Ng는 Nt/K로 구해질 수 있으며, K는 안테나 그룹 크기, 즉 하나의 안테나 그룹에 포함되는 안테나들의 개수이다. 도 3의 예에서 안테나 그룹 크기는 2이며, 따라서 그룹화된 채널 벡터의 차원은 4이다.The dimension of the grouped channel vector g i is N g , which is smaller than the dimension N t of the original channel vector h. Here, N g may be obtained as N t / K, where K is the antenna group size, that is, the number of antennas included in one antenna group. In the example of FIG. 3, the antenna group size is 2, and thus the dimension of the grouped channel vectors is 4.
채널 벡터 양자화를 위해 요구되는 피드백 비트 수를 B라 하면, 안테나 그룹화 기법에서 피드백 비트 수는 안테나 그룹화 패턴의 선택을 위한 비트수 Bp와 각 그룹화된 채널 벡터를 양자화하기 위한 비트수 B-Bp로 나뉘어진다. 즉, 전체 피드백 부하의 일부인 피드백 비트수 Bp가 패턴 다양화 이득을 얻는 데 사용된다. Bp는 패턴 인덱스를 양자화하는데 필요한 비트수로서, 주어지는 안테나 그룹화 패턴들의 개수와 관련된다.When the number of feedback bits required for channel vector quantization is B, the number of feedback bits in the antenna grouping technique is divided into the number of bits B p for selecting an antenna grouping pattern and the number of bits BB p for quantizing each grouped channel vector. Lose. That is, the feedback bit number B p, which is part of the overall feedback load, is used to obtain the pattern diversification gain. B p is the number of bits needed to quantize the pattern index, and is related to the number of antenna grouping patterns given.
본 발명의 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법과 종래의 빔포밍 기법의 채널 엔트리당 피드백 양은 각각 (B-Bp)/Ng와 B/Nt로 나타난다. 안테나 그룹화 기법에서의 채널 엔트리당 피드백 양은 안테나 그룹화 패턴의 선택을 위한 비트수 Bp가 다음 <수학식 11>의 조건을 만족할 때 종래의 빔포밍 기법의 채널 엔트리당 피드백 양에 비해 커진다.The feedback amount per channel entry of the antenna grouping technique and the conventional beamforming technique according to the embodiment of the present invention is represented by (BB p ) / N g and B / N t , respectively. The feedback amount per channel entry in the antenna grouping scheme is larger than the feedback amount per channel entry in the conventional beamforming scheme when the number of bits B p for the selection of the antenna grouping pattern satisfies the following Equation (11).
수학식 11
Figure PCTKR2014008513-appb-M000011
Equation 11
Figure PCTKR2014008513-appb-M000011
즉 Bp는 상기 <수학식 11>의 조건을 만족하도록 정해질 수 있다.That is, B p may be determined to satisfy the condition of Equation 11 above.
통상적으로 대용량 다중입출력 통신시스템의 송신단 안테나들은 상관관계가 높고 그 중에서도 인접한 안테나들끼리의 상관관계가 더욱 높다. 따라서 인접한 안테나들이 주로 그룹화되기 때문에 Bp는 B에 비해 상대적으로 작으며, 안테나 그룹화 기법의 채널 엔트리당 피드백 양이 증가하여 그룹화된 채널 벡터의 양자화 정확도가 높아지게 된다. In general, the transmit antennas of a large-capacity multiple input / output communication system have a high correlation, and among them, the correlation between adjacent antennas is higher. Therefore, B p is relatively smaller than B because adjacent antennas are mainly grouped, and the feedback amount per channel entry of the antenna grouping technique is increased, thereby increasing the quantization accuracy of the grouped channel vectors.
앞서 설명한 바와 같이 수신 장치는 그룹화된 채널 벡터를 양자화하여 그룹화된 코드북 벡터를 결정하고, 안테나 그룹화 패턴에 맞게 확장한다. 이후 수신 장치는 각 안테나 그룹화 패턴에 대한 그룹화된 코드북 벡터를 기반으로 수신 신호대간섭잡음비를 최대화하는 패턴 인덱스를 선택한다. As described above, the reception apparatus quantizes the grouped channel vector to determine the grouped codebook vector, and extends the antenna grouping pattern. The receiving device then selects a pattern index that maximizes the received signal-to-interference noise ratio based on the grouped codebook vector for each antenna grouping pattern.
수신 장치에서 패턴 인덱스와 코드북 인덱스를 고르는 공식은 다음 <수학식 12>과 같이 나타낼 수 있다.A formula for selecting a pattern index and a codebook index at the receiving device may be expressed as Equation 12 below.
수학식 12
Figure PCTKR2014008513-appb-M000012
Equation 12
Figure PCTKR2014008513-appb-M000012
여기서 p*는 패턴 인덱스를 의미하고, c*는 코드북 인덱스를 의미한다. 또한, 여기서 E는 확장 행렬로서, <수학식 10>의 그룹 매핑 행렬 Gi와 역관계 (Ei=(Gi)T)가 있고, c는 B-Bp의 코드북
Figure PCTKR2014008513-appb-I000011
의 코드북 벡터이다.
Here p * means a pattern index and c * means a codebook index. In addition, E is an extension matrix, and there is an inverse relationship (E i = (G i ) T ) with the group mapping matrix G i of Equation 10, and c is a codebook of BB p .
Figure PCTKR2014008513-appb-I000011
Is the codebook vector of.
패턴 인덱스의 선택 절차를 보다 상세히 설명하면 하기와 같다.The procedure of selecting a pattern index will be described in detail below.
수신 장치는 먼저, i번째 안테나 그룹화 패턴에 의해 그룹화된 채널 벡터 gi와 주어진 피드백 비트수 B-Bp의 코드북
Figure PCTKR2014008513-appb-I000012
을 가지고, 하기의 <수학식 13>과 같이 gi와의 양자화 오류를 최소화하는 그룹화된 코드북 벡터를 결정한다.
The receiving device firstly codes a code vector of the channel vector g i grouped by the i th antenna grouping pattern and a given number of feedback bits BB p .
Figure PCTKR2014008513-appb-I000012
Then, as shown in Equation 13 below, a grouped codebook vector that minimizes quantization error with g i is determined.
수학식 13
Figure PCTKR2014008513-appb-M000013
Equation 13
Figure PCTKR2014008513-appb-M000013
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000013
는 i번째 안테나 그룹화 패턴에 따른 그룹화된 채널 벡터의 채널 방향 정보를 의미한다. 그룹화된 코드북 벡터들 vi는 해당하는 안테나 그룹화 패턴에 따라 다음 <수학식 14>와 같이 확장된다.
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000013
Denotes channel direction information of the grouped channel vector according to the i th antenna grouping pattern. The grouped codebook vectors v i are extended as shown in Equation 14 according to the corresponding antenna grouping pattern.
수학식 14
Figure PCTKR2014008513-appb-M000014
Equation 14
Figure PCTKR2014008513-appb-M000014
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000014
는 i번째 안테나 그룹화 패턴에 근거하여 확장된 코드북 벡터이며, Ei은 i번째 안테나 그룹화 패턴에 대한 확장 행렬이고, Np는 안테나 그룹화 패턴들의 개수이다. 일 예로서 확장 행렬은 그룹화 특성에 따라 하나의 빔포밍 계수를 같은 안테나 그룹의 빔포밍 계수들로 복사하는 동작을 수행할 수 있다.
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000014
Is an extended codebook vector based on the i th antenna grouping pattern, E i is an extension matrix for the i th antenna grouping pattern, and N p is the number of antenna grouping patterns. As an example, the extension matrix may perform an operation of copying one beamforming coefficient to beamforming coefficients of the same antenna group according to the grouping characteristic.
확장된 코드북 벡터는 원래의 채널 벡터와 동일한 차원을 가지게 되며, 따라서 수신 장치는 원래의 채널 벡터와 확장된 코드북 벡터를 이용하여, 하기 <수학식 15>과 같이, 수신 장치의 신호대잡음비를 최대화하는 패턴 인덱스 p * 를 결정한다. The extended codebook vector has the same dimension as the original channel vector, so that the receiver uses the original channel vector and the extended codebook vector to maximize the signal-to-noise ratio of the receiver, as shown in Equation 15 below. Determine the pattern index p * .
수학식 15
Figure PCTKR2014008513-appb-M000015
Equation 15
Figure PCTKR2014008513-appb-M000015
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 선택부(228)의 구성을 나타낸 블록도이다.4 is a block diagram showing the configuration of a pattern selection unit 228 according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 패턴 선택부(228)는 곱셈기(410)와 비교기(420)로 구성된다. 곱셈기(410)는 기지국으로부터 수신된 신호에 대해 측정된 채널 벡터 h와 각 안테나 그룹화 패턴에 대해 확장된 코드북 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000015
를 입력으로 하여 h와
Figure PCTKR2014008513-appb-I000016
의 곱을 계산한다. 비교기(420)는 안테나 그룹화 패턴들에 대한 h와
Figure PCTKR2014008513-appb-I000017
의 곱들을 상호 비교하여 최대의 곱에 해당하는 안테나 그룹화 패턴을 결정하고, 상기 안테나 그룹화 패턴을 식별하는 패턴 인덱스 p*를 출력한다.
Referring to FIG. 4, the pattern selector 228 includes a multiplier 410 and a comparator 420. The multiplier 410 is a channel vector h measured for the signal received from the base station and an extended codebook vector for each antenna grouping pattern.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000015
With h as
Figure PCTKR2014008513-appb-I000016
Calculate the product of. The comparator 420 is used for h and antenna grouping patterns.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000017
Comparing the products of with each other to determine the antenna grouping pattern corresponding to the maximum product, and outputs a pattern index p * identifying the antenna grouping pattern.
수신 장치는 상기 결정된 패턴 인덱스 p*와 그에 대응하는 코드북 인덱스 c*를 송신단으로 전송한다. 여기서 코드북 인덱스 c*는 코드워드
Figure PCTKR2014008513-appb-I000018
의 인덱스로 정해진다.
The receiving device transmits the determined pattern index p * and the corresponding codebook index c * to the transmitting end. Where codebook index c * is the codeword
Figure PCTKR2014008513-appb-I000018
Determined by the index of.
안테나 그룹화 기법은 그룹화를 통해 실제적인 빔포밍 벡터의 차원을 줄이면서, 안테나 그룹화 패턴들에 의한 다양화 이득을 얻을 수 있기 때문에 채널 엔트리당 피드백 양을 감소시키면서 채널 벡터 양자화 성능을 유지할 수 있다.The antenna grouping technique can maintain the channel vector quantization performance while reducing the amount of feedback per channel entry because the grouping can reduce the dimension of the actual beamforming vector and obtain the diversification gain due to the antenna grouping patterns.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹화 패턴들을 예시한 것이다. 5 illustrates antenna grouping patterns according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 채널 벡터 hi는 i번째 안테나에 대응하는 채널 계수를 의미하며, 도시된 예에서 안테나 어레이는 4×4의 격자 형태로 배열된 안테나들의 구성을 나타낸다. 안테나 그룹화 패턴 1은 수평방향으로 인접한 2개의 안테나들을 하나의 안테나 그룹으로 그룹화하며, 처음 두개의 안테나들이 하나의 안테나 그룹이 된다. 안테나 그룹화 패턴 2는 수직방향으로 인접한 2개의 안테나들을 하나의 안테나 그룹으로 그룹화한다. 안테나 그룹화 패턴 3에서는 첫번째 안테나와 대각선 방향인 안테나가 하나의 안테나 그룹이 되며, 나머지 안테나들 중 인접한 2개의 안테나들이 하나의 안테나 그룹으로 그룹화된다. 나머지 안테나들도 유사한 방식으로 그룹화된다. Referring to FIG. 5, the channel vector h i denotes a channel coefficient corresponding to the i th antenna, and in the illustrated example, the antenna array indicates a configuration of antennas arranged in a grid shape of 4 × 4. Antenna grouping pattern 1 groups two adjacent antennas in a horizontal direction into one antenna group, and the first two antennas become one antenna group. Antenna grouping pattern 2 groups two adjacent antennas in a vertical direction into one antenna group. In the antenna grouping pattern 3, an antenna that is diagonal to the first antenna becomes one antenna group, and two adjacent antennas among the other antennas are grouped into one antenna group. The remaining antennas are grouped in a similar manner.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법을 설명하면 다음과 같다. 예를 들어, 안테나 그룹화 패턴 P1 =({1,2},{3,4})이 주어졌을 때, 상기 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 안테나 그룹 매핑 행렬은 다음 <수학식 16>과 같이 주어진다.Referring to the antenna grouping technique according to an embodiment of the present invention. For example, given the antenna grouping pattern P 1 = ({1,2}, {3,4}), the antenna group mapping matrix corresponding to the antenna grouping pattern is given by Equation 16 below.
수학식 16
Figure PCTKR2014008513-appb-M000016
Equation 16
Figure PCTKR2014008513-appb-M000016
여기서 안테나 그룹화 패턴 P1 =({1,2},{3,4})은 첫번째 안테나와 두번째 안테나가 하나의 안테나 그룹으로 그룹화되고 세번째 안테나와 네번째 안테나가 하나의 안테나 그룹으로 그룹화되는 것을 의미한다. <수학식 16>의 안테나 그룹 매핑 행렬에 의한 그룹화된 벡터는
Figure PCTKR2014008513-appb-I000019
로 나타난다. 그룹화된 벡터의 벡터 양자화를 수행하여 얻어진 벡터
Figure PCTKR2014008513-appb-I000020
는 다음의 <수학식 17>을 통하여 확장된다.
Here, the antenna grouping pattern P 1 = ({1,2}, {3,4}) means that the first antenna and the second antenna are grouped into one antenna group, and the third and fourth antennas are grouped into one antenna group. . The grouped vector by the antenna group mapping matrix of Equation 16 is
Figure PCTKR2014008513-appb-I000019
Appears. Vectors obtained by performing vector quantization of grouped vectors
Figure PCTKR2014008513-appb-I000020
Is expanded through Equation 17 below.
수학식 17
Figure PCTKR2014008513-appb-M000017
Equation 17
Figure PCTKR2014008513-appb-M000017
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000021
은 안테나 그룹화 패턴 P1 = ({1,2}, {3,4})에 따른 확장 행렬로 앞서 말한 것처럼 안테나 그룹 매핑 행렬과 역관계가 있다 (
Figure PCTKR2014008513-appb-I000022
).
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000021
Is an extension matrix according to the antenna grouping pattern P 1 = ({1,2}, {3,4}) and is inversely related to the antenna group mapping matrix (
Figure PCTKR2014008513-appb-I000022
).
반면에, 안테나 그룹화 패턴 P2 = ({1,3}, {2,4})가 주어질 때, 이에 따른 안테나 그룹 매핑 행렬은 다음의 <수학식 18>과 같이 주어진다.On the other hand, when the antenna grouping pattern P 2 = ({1,3}, {2,4}), the antenna group mapping matrix according to this is given by Equation 18 below.
수학식 18
Figure PCTKR2014008513-appb-M000018
Equation 18
Figure PCTKR2014008513-appb-M000018
안테나 그룹화 패턴 P1의 경우와 유사하게, 안테나 그룹화 패턴 P2 = ({1,3}, {2,4})을 이용하여 얻어지는 그룹화된 벡터는
Figure PCTKR2014008513-appb-I000023
로 나타난다. 안테나 그룹화 패턴 P2에 대한 양자화된 벡터는
Figure PCTKR2014008513-appb-I000024
가 되고 안테나 그룹 패턴 확장 행렬
Figure PCTKR2014008513-appb-I000025
을 통해 다음 수식과 같이 확장된 코드북 벡터를 얻을 수 있다.
Similar to the case of antenna grouping pattern P 1, the grouped vector obtained using antenna grouping pattern P 2 = ({1,3}, {2,4})
Figure PCTKR2014008513-appb-I000023
Appears. The quantized vector for antenna grouping pattern P 2 is
Figure PCTKR2014008513-appb-I000024
Antenna pattern expansion matrix
Figure PCTKR2014008513-appb-I000025
The extended codebook vector can be obtained as shown in the following equation.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000026
Figure PCTKR2014008513-appb-I000026
대용량 다중입출력 통신시스템에서는 송신단의 안테나들 간 상관관계가 높고 따라서 가능한 한 인접한 안테나들부터 그룹화하는 것이 효과적이다. 일반적으로 안테나들은 물리적으로 가까울수록 상관관계가 높다. 또한, 빔포밍 벡터는 기지국과 사용자의 위상을 고려하여 구성되어야 한다. 대용량 다중입출력 통신시스템에서 사용자당 상향링크의 피드백 양이 B 비트라 하면, 안테나 그룹화 기법에서는 B 비트 중에서 Bp 비트가 안테나 그룹화 패턴들의 다양화 이득을 얻기 위해 사용되고, B-Bp 비트는 벡터 양자화를 위해 사용된다. In high-capacity multi-input and output communication systems, the correlation between the antennas of the transmitting end is high, so it is effective to group the adjacent antennas as much as possible. In general, the closer the antennas are physically, the higher the correlation. In addition, the beamforming vector should be configured in consideration of the phase of the base station and the user. If the amount of uplink feedback per user is B bits in a large-capacity multiple input / output communication system, in the antenna grouping scheme, B p bits among the B bits are used to obtain diversified gains of the antenna grouping patterns, and BB p bits are used for vector quantization. Used.
유한 채널 피드백 시스템에서는 Bp 또한 유한하다. 안테나가 근접할수록 상관도가 높고 따라서 상관관계를 표현하는 상관계수도 높게 된다. 따라서 상관계수에 따라 안테나 그룹화 패턴들의 다양화 이득을 얻기 위한 Bp를 정할 수 있다. Bp가 정해지면 인접한 안테나들끼리부터 한 칸 혹은 두 칸씩 이동하는 특성(shifting property)을 이용하면 안테나들은
Figure PCTKR2014008513-appb-I000027
개의 유한한 안테나 그룹화 패턴들에 따라 그룹화될 수 있다.
In a finite channel feedback system, B p is also finite. The closer the antenna is, the higher the correlation and thus the higher the correlation coefficient. Therefore, B p may be determined to obtain diversification gains of the antenna grouping patterns according to the correlation coefficient. If B p is determined, the shifting property is used to shift one or two squares from adjacent antennas.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000027
Can be grouped according to finite antenna grouping patterns.
일 실시예로서, 수신 장치, 즉 사용자 단말에서 피드백 운용 측면의 시나리오는 다음과 같이 나타날 수 있다. As one embodiment, the scenario of the feedback operation aspect in the receiving device, i.e., the user terminal may appear as follows.
첫째로, 각 사용자 단말에서 Bp와 B-Bp를 정할 수 있다. 각 사용자 단말은 피드백 자원 할당을 통해 원래 채널과 가장 근접한 코드북 벡터의 코드북 인덱스와 그에 대응하는 패턴 인덱스를 선택한다. 이를 위해서 최대의 Bp가 미리 정해져 있으며, 그에 따른 안테나 그룹화 패턴들 또한 기지국과 사용자 단말들에게 알려져 있다. First, B p and BB p may be determined at each user terminal. Each user terminal selects a codebook index of a codebook vector closest to the original channel and a pattern index corresponding thereto through allocation of feedback resources. To this end, a maximum B p is predetermined, and antenna grouping patterns accordingly are also known to the base station and the user terminals.
둘째로, 사용자 단말에서 안테나 그룹화 패턴들의 다양화 이득과 벡터 양자화를 위한 자원 할당 이외에 안테나 그룹 크기를 정할 수 있다. 이 경우 안테나 그룹화 패턴들에 대한 다양화 이득을 얻을 수 있지만 사용자 단말에서 안테나 그룹 크기에 따른 매우 많은 안테나 그룹화 패턴들을 저장하기 위한 메모리 공간이 더 필요하게 된다.Second, the antenna group size may be determined in addition to the diversity gain of the antenna grouping patterns and resource allocation for vector quantization in the user terminal. In this case, a diversification gain for the antenna grouping patterns can be obtained, but a memory space for storing a large number of antenna grouping patterns according to the antenna group size is needed at the user terminal.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 단말의 동작을 나타낸 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating an operation of a user terminal according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 과정 610에서 사용자 단말은 기지국으로부터 송신되는 파일럿 신호를 이용하여 채널 측정을 수행하여, 기지국의 안테나들에 대한 채널 벡터를 획득한다. 과정 615에서 사용자 단말은 주어진 안테나 그룹화 패턴들 각각에 따라 안테나 그룹 매핑을 수행하고, 그룹화된 코드북 벡터를 결정한다. 과정 620에서 사용자 단말은 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 그룹화된 코드북 벡터들을 디매핑하여 최적의 성능을 보이는 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스를 선택한다. 과정 625에서 사용자 단말은 상기 선택된 패턴 인덱스의 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 결정하고, 상기 그룹화된 코드북 벡터의 코드북 인덱스와 상기 패턴 인덱스를 기지국으로 피드백한다. 과정 630에서 사용자 단말은 기지국의 스케줄링에 따라 기지국의 프리코딩된 신호를 통해 수신된 데이터를 복조한다.Referring to FIG. 6, in step 610, a user terminal performs channel measurement using a pilot signal transmitted from a base station to obtain channel vectors for antennas of the base station. In step 615, the user terminal performs antenna group mapping according to each of the given antenna grouping patterns, and determines the grouped codebook vector. In operation 620, the user terminal demaps the codebook vectors grouped according to the plurality of antenna grouping patterns and selects a pattern index indicating an antenna grouping pattern having optimal performance. In step 625, the user terminal determines a grouped codebook vector corresponding to the antenna grouping pattern of the selected pattern index, and feeds back the codebook index and the pattern index of the grouped codebook vector to the base station. In step 630, the user terminal demodulates the data received through the precoded signal of the base station according to the scheduling of the base station.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 사용자 단말에서 패턴 인덱스를 결정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a procedure of determining a pattern index in a user terminal according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 과정 710에서 사용자 단말은 패턴 인덱스 i를 1로 설정하고, 과정 715에서 i번째 안테나 그룹화 패턴에 따라 채널 벡터에 대한 안테나 그룹 매핑을 수행하여 그룹화된 채널 벡터를 결정한다. 과정 720에서 사용자 단말은 그룹화된 채널 벡터에 대해 양자화를 수행하여 그룹화된 코드북 벡터를 선택하고, 상기 그룹화된 코드북 벡터를 식별하는 코드북 인덱스를 결정한다. 과정 725에서 사용자 단말은 i번째 안테나 그룹화 패턴에 따라 상기 그룹화된 코드북 벡터를 확장하여 확장된 코드북 벡터를 결정한다.Referring to FIG. 7, in step 710, the user terminal sets the pattern index i to 1 and determines the grouped channel vector by performing antenna group mapping on the channel vector according to the i-th antenna grouping pattern in step 715. In step 720, the user terminal performs quantization on the grouped channel vector to select a grouped codebook vector, and determines a codebook index for identifying the grouped codebook vector. In step 725, the user terminal determines the extended codebook vector by extending the grouped codebook vector according to the i th antenna grouping pattern.
과정 730에서 사용자 단말은 패턴 인덱스 i를 1만큼 증가시킨 후, 과정 735에서 i가 주어진 안테나 그룹화 패턴들의 개수 Np보다 큰지를 판단한다. 만일 i가 Np 보다 크지 않으면 사용자 단말은 과정 715로 복귀하여 다음 안테나 그룹화 패턴에 대해 과정 715 내지 735의 동작을 반복한다.In step 730, the user terminal increases the pattern index i by 1, and then in step 735, the user terminal determines whether i is greater than the number N p of the given antenna grouping patterns. If i is not greater than N p , the user terminal returns to step 715 and repeats operations 715 to 735 for the next antenna grouping pattern.
과정 740에서 사용자 단말은 모든 안테나 그룹화 패턴들에 대해 결정된 코드북 벡터들을 이용하여 원래의 채널 벡터와 가장 유사한 코드북 벡터와, 그에 상응하는 안테나 그룹화 패턴의 패턴 인덱스를 선택한다. In step 740, the user terminal selects the codebook vector most similar to the original channel vector and the pattern index of the corresponding antenna grouping pattern using the codebook vectors determined for all the antenna grouping patterns.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 동작을 나타낸 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating the operation of a base station according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 과정 810에서 기지국은 미리 정해지는 자원을 사용하여 파일럿 신호를 전송한다. 과정 815에서 기지국은 미리 정해지는 자원을 통해 각 사용자 단말로부터 패턴 인덱스와 코드북 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 수신한다. 과정 820에서 기지국은 상기 코드북 인덱스에 해당하는 그룹화된 코드북 벡터를, 상기 패턴 인덱스의 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장된 코드북 벡터를 결정하고, 복수의 사용자 단말에 대한 확장된 코드북 벡터들을 연결하여 빔포밍 행렬 W를 구성한다. 과정 825에서 기지국은 상기 빔포밍 행렬을 이용하여 데이터를 프리코딩한 후 과정 830에서 사용자 단말들에게로 전송한다.Referring to FIG. 8, in step 810, the base station transmits a pilot signal using a predetermined resource. In step 815, the base station receives feedback information including a pattern index and a codebook index from each user terminal through a predetermined resource. In step 820, the base station determines a grouped codebook vector corresponding to the codebook index, an extended codebook vector according to the antenna grouping pattern of the pattern index, and connects extended codebook vectors for a plurality of user terminals to form a beamforming matrix. Configure W. In step 825, the base station precodes data using the beamforming matrix and transmits the data to user terminals in step 830.
본 발명의 일 실시예에서 안테나 그룹화 패턴들은 안테나들간의 상관도를 고려하여 정의될 수 있다. 안테나 그룹화 패턴들을 구성하는 것은 그룹 매핑 행렬 Gi 혹은 이와 역관계인 그룹 패턴 확장 행렬 Ei을 구성하는 것과 동일하다. 패턴 집합을 구성하기에 쉬운 방법 중 하나는 상관관계가 높은 안테나들을 그룹화 하는 것이다. 일반적으로, 근접한 안테나들이 높은 상관관계를 가지기 때문에 근접한 안테나들이 그룹화될 수 있다. 도 5에 근접한 안테나들이 그룹화 된 실시예가 나타나 있다. In one embodiment of the present invention, the antenna grouping patterns may be defined in consideration of the correlation between the antennas. Constructing the antenna grouping patterns is the same as constructing the group mapping matrix G i or inversely related group pattern extension matrix E i . One easy way to construct a pattern set is to group highly correlated antennas. In general, close antennas can be grouped because they have a high correlation. An embodiment is shown in which antennas close to FIG. 5 are grouped.
다른 실시예로서, 송신단 상관 행렬의 정보와 부분 공간 패킹(subspace packing) 기법을 이용하여 안테나 그룹화 패턴들의 패턴 집합이 구성될 수 있다. 송신단 안테나 개수가 증가함에 따라 가능한 패턴들의 개수도 증가하기 때문에, 모든 가능한 패턴들의 부분 공간을 잘 나타내는 패턴들이 선택될 필요가 있다. 이를 위해 하기와 같은 절차를 통해, 수정된 부분 공간 패킹 기법을 적용하여 패턴 집합 S가 구해질 수 있다. As another embodiment, a pattern set of antenna grouping patterns may be configured by using information of a transmitter correlation matrix and a subspace packing technique. Since the number of possible patterns also increases as the number of transmitting antennas increases, patterns that represent subspaces of all possible patterns need to be selected. To this end, the pattern set S may be obtained by applying the modified subspace packing scheme through the following procedure.
1단계에서는 송신단 안테나 수와 안테나 그룹의 개수가 주어질 때, 전체 가능한 패턴들의 수가 정의된다. 최초의 전체 가능한 패턴 집합을 T = {1, 2, ..., Npossible}로 나타낼 때, 전체 가능한 패턴들의 수는 다음 <수학식 19>과 같다.In step 1, when the number of transmit antennas and the number of antenna groups are given, the total number of possible patterns is defined. When the first total set of possible patterns is represented by T = {1, 2, ..., N possible }, the total number of possible patterns is represented by Equation 19 below.
수학식 19
Figure PCTKR2014008513-appb-M000019
Equation 19
Figure PCTKR2014008513-appb-M000019
여기서 K는 Nt/Ng로 각 안테나 그룹 당 안테나 수를 나타낸다. 만약 Npossible이 상당히 커진다면, 높은 계산 비용으로 인해 하드웨어 구현에 제한을 줄 것이다. 예를 들어, Nt=32, Ng=16일 때, 전체 가능한 패턴의 수는 대략
Figure PCTKR2014008513-appb-I000028
이 되고 이 경우 패턴 선택을 위해 Bp = 58의 피드백 비트 수가 필요하게 된다.
Where K is N t / N g and represents the number of antennas per antenna group. If N possible becomes quite large, the high computational cost will limit the hardware implementation. For example, when N t = 32 and N g = 16, the total number of possible patterns is approximately
Figure PCTKR2014008513-appb-I000028
In this case, the number of feedback bits of B p = 58 is required for pattern selection.
2단계에서는 효과적인 송신단 상관 행렬이 정의되고 각 패턴 후보들에 대하여 Frobenius norm 값이 계산된다. 효과적인 송신단 상관 행렬을
Figure PCTKR2014008513-appb-I000029
로 정의하면, 각 패턴 후보
Figure PCTKR2014008513-appb-I000030
에 대하여 효과적인 송신단 상관 행렬
Figure PCTKR2014008513-appb-I000031
의 Frobenius norm 값은 다음 <수학식 20>을 통해 계산된다.
In the second step, an effective transmitter correlation matrix is defined and Frobenius norm values are calculated for each pattern candidate. An effective sender correlation matrix
Figure PCTKR2014008513-appb-I000029
If defined as, each pattern candidate
Figure PCTKR2014008513-appb-I000030
Effective Source Correlation Matrix for
Figure PCTKR2014008513-appb-I000031
Frobenius norm is calculated by Equation 20.
수학식 20
Figure PCTKR2014008513-appb-M000020
Equation 20
Figure PCTKR2014008513-appb-M000020
3단계에서는 Frobenius norm 값이 큰 순서대로 L = 2B+1 패턴들의 부분 집합들이 구성된다. 부분 집합들은 다음 <수학식 21>과 같이 나타낼 수 있다.In step 3, subsets of L = 2 B + 1 patterns are constructed in ascending Frobenius norm values. The subsets can be expressed as in Equation 21 below.
수학식 21
Figure PCTKR2014008513-appb-M000021
Equation 21
Figure PCTKR2014008513-appb-M000021
여기서 rL+1은 L+1번째로 큰 Frobenius norm 값을 나타낸다.마지막 단계에서는 수정된 형태의 부분 공간 패킹 기법을 이용하여 최종 패턴 집합 S가 구해진다. 부분 공간 패킹 기법을 적용하기 위해서는 안테나 그룹 패턴들간의 상대적 거리값이 필요하다. 상대적 거리 값은 상관 행렬들의 직교성 정도를 나타내는 상관 행렬 거리를 통해 계산된다. 두 행렬 X와 Y가 있을 때, 상관 행렬 거리는 다음 <수학식 22>과 같이 계산될 수 있다.Where r L + 1 represents the L + 1 th largest Frobenius norm value. In the last step, the final pattern set S is obtained by using a modified subspace packing technique. In order to apply the subspace packing scheme, a relative distance value between antenna group patterns is required. The relative distance value is calculated through the correlation matrix distance, which indicates the degree of orthogonality of the correlation matrices. When there are two matrices X and Y, the correlation matrix distance can be calculated as shown in Equation 22 below.
수학식 22
Figure PCTKR2014008513-appb-M000022
Equation 22
Figure PCTKR2014008513-appb-M000022
여기서 tr(.)는 trace 함수로 대각선 요소들의 합을 나타낸다. dcorr 은 두 행렬 간의 유사도를 나타내는 값으로서, dcorr 값이 작을수록 두 행렬이 비슷하고 클수록 두 행렬이 다르다. Where tr (.) Is the trace function to represent the sum of the diagonal elements. d corr is a value representing the similarity between two matrices. The smaller the d corr value, the more similar the two matrices and the larger the two matrices.
최종 패턴 집합 S를 구하기 위해
Figure PCTKR2014008513-appb-I000032
개의 후보 집합들
Figure PCTKR2014008513-appb-I000033
이 구해진다. 그리고 각 후보 집합
Figure PCTKR2014008513-appb-I000034
의 최소 상관 행렬 거리값은 다음 <수학식 23>을 통해 구해진다.
To find the final pattern set S
Figure PCTKR2014008513-appb-I000032
Candidate sets
Figure PCTKR2014008513-appb-I000033
Is obtained. And each candidate set
Figure PCTKR2014008513-appb-I000034
The minimum correlation matrix distance of is obtained by the following Equation 23.
수학식 23
Figure PCTKR2014008513-appb-M000023
Equation 23
Figure PCTKR2014008513-appb-M000023
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000035
는 k번째 후보 집합의 i번째 효과적인 상관 행렬이다. 결국, 최종 패턴 집합 S는 다음 <수학식 24>과 같이 정해질 수 있다.
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000035
Is the i th effective correlation matrix of the k th candidate set. As a result, the final pattern set S may be determined as in Equation 24 below.
수학식 24
Figure PCTKR2014008513-appb-M000024
Equation 24
Figure PCTKR2014008513-appb-M000024
즉, 부분 공간 패킹 기법과 같이 최소 상관 행렬 거리를 최대화하는 집합이 최종 패턴 집합 S로 선택된다.That is, a set of maximized minimum correlation matrix distances is selected as the final pattern set S as in the subspace packing technique.
송신단 상관행렬이 고려된 k번째 수신 장치의 채널 벡터는 다음 <수학식 25>과 같다.The channel vector of the k-th receiving device considering the transmitter correlation matrix is represented by Equation 25 below.
수학식 25
Figure PCTKR2014008513-appb-M000025
Equation 25
Figure PCTKR2014008513-appb-M000025
상기 <수학식 25>에서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000036
는 송신단 상관행렬이고,
Figure PCTKR2014008513-appb-I000037
의 각 요소들은 i.i.d.(independent and identical distribution)을 따르는 채널 벡터이다. 송신단 상관행렬 Rt,k에 상관계수가 미치는 영향을 알기 위해 일반적인 지수 모델(exponential model)을 적용하면, 상관행렬 Rt,k는 다음 <수학식 26>과 같이 나타낼 수 있다.
In Equation 25 above
Figure PCTKR2014008513-appb-I000036
Is the source correlation matrix,
Figure PCTKR2014008513-appb-I000037
Each element of is a channel vector following iid (independent and identical distribution). If a general exponential model is applied to determine the effect of the correlation coefficient on the transmitter correlation matrix R t, k , the correlation matrix R t, k can be expressed as Equation 26.
수학식 26
Figure PCTKR2014008513-appb-M000026
Equation 26
Figure PCTKR2014008513-appb-M000026
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000038
, α는 상관계수, 그리고 θk는 k번째 수신 장치의 위상으로서, 수신 장치 간의 위상은 독립적이다.
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000038
, α is the correlation coefficient, and θ k is the phase of the k-th receiving device, the phase between the receiving devices is independent.
본 발명의 실시예들에서 제안하는 안테나 그룹화 기법은 피드백 자원을 효과적으로 배분하는 방향으로 변형이 가능하다. 앞서 말한 것처럼, 전체 가능한 패턴 수 Npossible는 송신단 안테나 수와 안테나 그룹 수에 따라 지수적으로 증가한다. 패턴 복잡도를 제어하기 위해, 변형된 실시예에서는 안테나 어레이를 소정 개수의 구역들로 나누고, 안테나 그룹화 기법을 선택된 하나 혹은 그 이상의 구역에만 적용한다. 이때 상기 선택된 하나 혹은 그 이상의 구역을 가리키는 구역 정보가 추가적으로 피드백될 수 있다. 다른 실시예로서 구역의 선택 기준이 송신 장치와 수신 장치 간에 미리 약속된 경우, 구역 정보의 피드백은 생략될 수 있다.The antenna grouping scheme proposed in the embodiments of the present invention can be modified in a way of effectively allocating feedback resources. As mentioned above, the total number of possible patterns N possible increases exponentially with the number of transmit antennas and the number of antenna groups. To control the pattern complexity, the modified embodiment divides the antenna array into a predetermined number of zones and applies the antenna grouping technique to only one or more selected zones. In this case, zone information indicating the selected one or more zones may be additionally fed back. As another example, when the selection criteria of the zone is previously promised between the transmitting device and the receiving device, the feedback of the zone information may be omitted.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 이차원 안테나 어레이의 구역 분리를 나타낸 것이다. 9 illustrates zone separation of a two-dimensional antenna array in accordance with an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 원래의 채널 벡터 h는 NR개의 구역에 대응하는 부분 벡터들
Figure PCTKR2014008513-appb-I000039
로 나뉘어진다. 여기서 ri
Figure PCTKR2014008513-appb-I000040
벡터로 i번째 구역을 대표하는 채널 벡터를 나타내고 NR은 나누어진 구역의 수를 나타낸다. 그리고, 각 구역에 대한 빔포밍 이득값
Figure PCTKR2014008513-appb-I000041
이 계산된다.
Referring to FIG. 9, the original channel vector h is partial vectors corresponding to N R regions.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000039
Divided into Where r i is
Figure PCTKR2014008513-appb-I000040
The vector represents the channel vector representing the i th region and N R represents the number of divided regions. And, beamforming gain value for each zone
Figure PCTKR2014008513-appb-I000041
This is calculated.
다음으로 수신 장치는, 각 구역에 대한 빔포밍 이득값들이 오름차순으로 정렬되었다는 가정 (
Figure PCTKR2014008513-appb-I000042
) 하에 특정 구역에 대해 안테나 그룹화 기법을 적용한다. 일 실시예로서, 빔포밍 이득값이 적은 구역, 일 예로서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000043
인 구역에 안테나 그룹화 기법이 적용될 수 있다. 이 경우에, 그룹화된 채널 벡터의 길이 Ng는 다음 <수학식 27>과 같게 된다.
Next, the receiving apparatus assumes that the beamforming gain values for each zone are arranged in ascending order (
Figure PCTKR2014008513-appb-I000042
Apply the antenna grouping technique to a specific zone. In one embodiment, an area having a low beamforming gain value, as an example
Figure PCTKR2014008513-appb-I000043
An antenna grouping technique may be applied to the in-zone. In this case, the length N g of the grouped channel vectors becomes as follows.
수학식 27
Figure PCTKR2014008513-appb-M000027
Equation 27
Figure PCTKR2014008513-appb-M000027
여기서 N'R,g는 선택된 구역의 안테나 그룹 수를 나타낸다. Where N ' R, g represents the number of antenna groups in the selected zone.
도 9에 나타낸 실시예의 장점은 특정 구역에 한정하여 안테나 그룹화 기법을 적용함으로써 전체 가능한 패턴의 수를 상당히 줄일 수 있다는 것이다. 각 구역의 가능한 패턴들의 수는 다음 <수학식 28>과 같다.An advantage of the embodiment shown in FIG. 9 is that by applying antenna grouping techniques to specific areas, the total number of possible patterns can be significantly reduced. The number of possible patterns in each zone is shown in Equation 28 below.
수학식 28
Figure PCTKR2014008513-appb-M000028
Equation 28
Figure PCTKR2014008513-appb-M000028
여기서
Figure PCTKR2014008513-appb-I000044
는 각 구역의 안테나 수를 나타낸다. 예를 들어, Nt=32, NR=4, 그리고 N'R,g=4로 주어질 때, N'possible=105가 되고 이 구역의 패턴 후보들을 나타내기 위한 패턴 피드백 비트수는 B'p==7이 된다. N'R 구역이 선택 되기 때문에 최종 패턴 피드백 비트수는 Bp = N'R B'p가 된다. 즉 다른 실시예들에 비하여 피드백 복잡도가 상당히 줄어듦을 확인할 수 있다.
here
Figure PCTKR2014008513-appb-I000044
Represents the number of antennas in each zone. For example, given N t = 32, N R = 4, and N ' R, g = 4, N' possible = 105 and the number of pattern feedback bits to represent pattern candidates in this region is B ' p. == 7 Since the N ' R zone is selected, the final number of pattern feedback bits is B p = N' R B ' p . That is, it can be seen that the feedback complexity is significantly reduced compared to other embodiments.
또한, 도 9의 실시예에서는 안테나 그룹화 기법이 빔포밍 이득값이 낮은 구역에 적용됨으로써 더 많은 피드백 비트수가 NR-N'R의 구역에 할당된다. 예를 들어, Bq가 벡터 양자화를 위한 피드백 비트수 일 때, 안테나 당 피드백 비트수 Be
Figure PCTKR2014008513-appb-I000045
로 주어진다. 이 경우, 안테나 그룹화가 적용된 구역에는 N'R,gBe 비트수가 할당되고 나머지 구역에는
Figure PCTKR2014008513-appb-I000046
비트수가 할당된다.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000047
이기 때문에 더 많은 피드백 자원이 빔포밍 이득이 높은 구역에 더 적은 피드백 자원이 빔포밍 이득이 낮은 구역에 할당된다.
In addition, in the embodiment of FIG. 9, the antenna grouping technique is applied to a region having a low beamforming gain value, so that a larger number of feedback bits is allocated to a region of N R -N ' R. For example, when B q is the number of feedback bits for vector quantization, the number of feedback bits B e per antenna is
Figure PCTKR2014008513-appb-I000045
Is given by In this case, N ' R, g B e bits are allocated to the zone to which antenna grouping is applied and to the remaining zone.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000046
The number of bits is allocated.
Figure PCTKR2014008513-appb-I000047
Because of this, more feedback resources are allocated to the areas with high beamforming gains and less feedback resources are allocated to the areas with low beamforming gains.
도 10, 도 11, 도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 안테나 그룹화의 합용량 성능을 나타낸 그래프들이다.10, 11, 12 and 13 are graphs showing the total capacity performance of antenna grouping according to embodiments of the present invention.
도 10에서는 안테나 그룹들의 개수 Ng에 따라, Nt개의 안테나를 사용하는 경우(Conventional beamforming)(1010), Ng개의 사용될 안테나들을 임의로 선택한 경우(Random selection with Ng)(1020), 안테나들 간의 상관도를 고려하여 결정된 안테나 그룹화 패턴들이 적용된 경우 (Antenna grouping with Ng)(1030)에 대해 비트백 비트 수 B에 따른 합용량을 나타내었다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 안테나 그룹화 패턴들을 적용한 경우의 합용량(1030)이 다른 경우(1010,1020)에 비하여 우수한 것을 알 수 있다.In FIG. 10, when N t antennas are used (Conventional beamforming) 1010 and N g antennas to be randomly selected (Random selection with N g ) 1020 according to the number N g of antenna groups, antennas In the case of applying antenna grouping patterns determined in consideration of the correlation between (Anntenna grouping with N g ) 1030, the total capacity according to the number of bitback bits B is shown. As shown, it can be seen that the total capacitance 1030 in the case of applying the antenna grouping patterns according to the embodiment of the present invention is superior to other cases 1010 and 1020.
도 11에서는 상관계수 α에 따라, Nt개의 안테나를 모두 사용하고 보다 많은 피드백 비트수를 사용한 경우(Conventional beamforming (B=32))(1110), Nt개의 안테나들을 사용하고 동일한 피드백 비트수를 사용하는 경우(Conventional beamforming (B=16))(1140), Ng개의 안테나들을 임의로 선택한 경우(Random selection with Ng)(1130), 안테나들 간의 상관도를 고려하여 결정된 안테나 그룹화 패턴들이 적용된 경우(Antenna grouping with Ng)(1120)에 대한 합용량을 나타내었다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 안테나 그룹화 패턴들을 적용한 경우의 합용량(1120)이 다른 경우(1130,1140)에 비하여 우수하고 피드백 비트수를 더 많이 사용한 경우(1110)의 성능에 상당히 근접한 것을 알 수 있다.In FIG. 11, when all N t antennas are used and more feedback bits are used (Conventional beamforming (B = 32)) according to the correlation coefficient α, 1110, N t antennas are used and the same feedback bit number is used. When using (Conventional beamforming (B = 16)) (1140), when randomly selected N g antennas (Random selection with N g ) (1130), when the antenna grouping patterns determined in consideration of the correlation between the antennas are applied The total dose for (Antenna grouping with N g ) (1120) is shown. As shown, the total capacitance 1120 in the case of applying the antenna grouping patterns according to the exemplary embodiment of the present invention is superior to that in the other cases (1130 and 1140), and the performance in the case of using more feedback bits (1110) considerably. It can be seen that the proximity.
도 12에서는 Nt ∈ {32,64}개의 안테나일 때 상관계수 α에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용되지 않은 경우(Conventional beamforming)(1220,1240)와 도 9의 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우(Antenna grouping)(1210,1230)에 대한 합용량을 나타내었다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우의 합용량이 다른 경우에 비해 상관관계가 높아질수록 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 상관계수가 높을 때에는, 송신단 안테나 수가 적은 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우가 송신단 안테나수가 많은 안테나 그룹화 기법이 적용되지 않은 경우에 비해서도 합용량이 높은 것을 알 수 있다.In FIG. 12, when N t ∈ {32,64} antennas are used, the antenna grouping method according to the correlation coefficient α is not applied (Conventional beamforming) 1220 and 1240 and the antenna grouping method according to the embodiment of FIG. 9 is applied. The combined dose for the case (Antenna grouping) (1210, 1230) is shown. As shown, it can be seen that the higher the total capacitance when the antenna grouping technique according to the embodiment of the present invention is applied, the higher the correlation is. In particular, when the correlation coefficient is high, it can be seen that the case where the antenna grouping method having a small number of transmitting antennas is applied is higher than the case where the antenna grouping method having a large number of transmitting antennas is not applied.
도 13에서는 상관계수 α ∈ {0.6, 0.9}일 때, 피드백 비트 수 B에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용되지 않은 경우(Conventional beamforming)(1330,1340)와 도 9의 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우(Antenna grouping)(1310,1320)에 대해 비트백 비트수 B에 따른 합용량을 나타내었다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우의 합용량과 다른 경우의 합용량과의 차이가 상관계수가 높을수록 더욱 많이 나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 상관계수가 적은 안테나 그룹화 기법이 적용된 경우가 상관계수가 높은 안테나 그룹화 기법이 적용되지 않은 경우에 비해서도 합용량이 높은 것을 알 수 있다.In FIG. 13, when the correlation coefficient α ∈ {0.6, 0.9}, when the antenna grouping technique according to the feedback bit number B is not applied (Conventional beamforming) 1330 and 1340 and the antenna grouping technique according to the embodiment of FIG. For the applied group (Antenna grouping) (1310, 1320), the total capacity according to the number of bits of bitback B is shown. As shown, it can be seen that the difference between the total capacitance when the antenna grouping technique according to the embodiment of the present invention is applied and the total capacitance when different is higher as the correlation coefficient increases. In particular, it can be seen that the case where the antenna grouping technique having a small correlation coefficient is applied is higher than the case where the antenna grouping technique having a high correlation coefficient is not applied.
이상과 같이 동작하는 본 발명의 실시예들은 대용량 다중입출력 안테나 통신시스템의 수신단에서 채널 벡터 양자화를 위한 피드백 양을 감소시키고, 대용량 MIMO시스템 안테나들간의 상관관계가 높은 특성을 이용하여 안테나를 그룹화함으로써, 채널 양자화 성능을 증대시켜 더 적은 피드백 비트수로도 종래 기술과 동일한 성능을 얻을 수 있다.Embodiments of the present invention that operate as described above by reducing the amount of feedback for channel vector quantization at the receiving end of a large-capacity multiple input and output antenna communication system, by grouping the antennas using a high correlation between the antennas of the large-capacity MIMO system, By increasing the channel quantization performance, the same performance as the prior art can be obtained with a smaller number of feedback bits.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, in the detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the scope of the following claims, but also by those equivalent to the scope of the claims.

Claims (14)

  1. 다중입출력 안테나 시스템의 안테나 그룹화 방법에 있어서,In the antenna grouping method of a multiple input and output antenna system,
    기지국의 복수의 안테나들에 대한 채널 벡터를 측정하는 과정과,Measuring a channel vector for a plurality of antennas of the base station;
    복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 상기 채널 벡터의 채널 계수들을 그룹화하고, 상기 그룹화된 채널 계수들에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터들을 결정하는 과정과, Grouping channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns, and determining grouped codebook vectors corresponding to the grouped channel coefficients;
    상기 안테나 그룹화 패턴들에 대한 그룹화된 코드북 벡터들을 이용하여 상기 안테나 그룹화 패턴들 중 하나의 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 과정과,Selecting an antenna grouping pattern of one of the antenna grouping patterns by using grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns;
    상기 선택된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스와 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And feeding back a pattern index indicating the selected antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 그룹화된 코드북 벡터들 각각은,The method of claim 1, wherein each of the grouped codebook vectors is:
    해당하는 안테나 그룹화 패턴에 따른 안테나 그룹들에 대응하는 코드북 벡터 계수들을 포함하며, 상기 코드북 벡터 계수들 각각은 해당하는 안테나 그룹의 안테나들에 대한 채널 계수들의 선형 결합 혹은 평균으로서 계산됨을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And codebook vector coefficients corresponding to antenna groups according to the corresponding antenna grouping pattern, wherein each of the codebook vector coefficients is calculated as a linear combination or average of channel coefficients for the antennas of the corresponding antenna group. Grouping method.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 과정은,The method of claim 1, wherein the selecting of the antenna grouping pattern comprises:
    상기 그룹화된 코드북 벡터들을 상기 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 확장하여 상기 안테나 그룹화 패턴들에 대응하는 확장된 코드북 벡터들을 결정하는 과정과, 상기 확장된 코드북 벡터들 각각은 상기 복수의 안테나들에 대응하는 코드북 벡터 계수들을 포함하며,Expanding the grouped codebook vectors according to the plurality of antenna grouping patterns to determine extended codebook vectors corresponding to the antenna grouping patterns, wherein each of the extended codebook vectors corresponds to the plurality of antennas Codebook vector coefficients,
    상기 확장된 코드북 벡터들 중 상기 채널 벡터와 가장 근접한 확장된 코드북 벡터를 선택하는 과정과,Selecting an extended codebook vector closest to the channel vector among the extended codebook vectors;
    상기 선택된 확장된 코드북 벡터에 해당하는 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And selecting an antenna grouping pattern corresponding to the selected extended codebook vector.
  4. 다중입출력 안테나 시스템의 안테나 그룹화 방법에 있어서,In the antenna grouping method of a multiple input and output antenna system,
    복수의 안테나 그룹화 패턴들 중 하나를 지시하는 패턴 인덱스와, 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 사용자 단말로부터 수신하는 과정과,Receiving a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns and a codebook index indicating a grouped codebook vector from a user terminal;
    상기 그룹화된 코드북 벡터를 상기 패턴 인덱스에 의해 지시된 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하여 상기 복수의 안테나들에 대한 코드북 벡터를 결정하는 과정과,Determining the codebook vectors for the plurality of antennas by extending the grouped codebook vectors according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index;
    상기 결정된 코드북 벡터를 이용하여 빔포밍 행렬을 구성하는 과정과,Constructing a beamforming matrix using the determined codebook vector;
    상기 빔포밍 행렬을 이용하여 데이터를 프리코딩하고 상기 사용자 단말로 프리코딩된 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And precoding data using the beamforming matrix and transmitting the precoded data to the user terminal.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 그룹화된 코드북 벡터는,The method of claim 4, wherein the grouped codebook vector,
    상기 패턴 인덱스에 의해 지시된 안테나 그룹화 패턴에 따른 안테나 그룹들에 대응하는 코드북 벡터 계수들을 포함하며, 상기 코드북 벡터 계수들 각각은 해당하는 안테나 그룹의 안테나들에 대한 채널 계수들의 선형 결합 혹은 평균으로서 계산됨을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.Codebook vector coefficients corresponding to antenna groups according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index, wherein each of the codebook vector coefficients is calculated as a linear combination or average of channel coefficients for the antennas of the corresponding antenna group. And antenna grouping method.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 패턴 인덱스에 의해 지시되는 안테나 그룹화 패턴은,The method of claim 4, wherein the antenna grouping pattern indicated by the pattern index,
    상기 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터들을 상기 복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 확장하여 상기 안테나 그룹화 패턴들에 대응하는 확장된 코드북 벡터들을 결정하는 과정과, 여기서 상기 확장된 코드북 벡터들 각각은 상기 복수의 안테나들에 대응하는 코드북 벡터 계수들을 포함하며,Determining extended codebook vectors corresponding to the antenna grouping patterns by extending grouped codebook vectors corresponding to the plurality of antenna grouping patterns according to the plurality of antenna grouping patterns, wherein the extended codebook vectors Each of which includes codebook vector coefficients corresponding to the plurality of antennas,
    상기 확장된 코드북 벡터들 중 상기 채널 벡터와 가장 근접한 확장된 코드북 벡터를 선택하는 과정과, Selecting an extended codebook vector closest to the channel vector among the extended codebook vectors;
    상기 선택된 확장된 코드북 벡터에 해당하는 안테나 그룹화 패턴으로서 선택하는 과정을 통해 정해짐을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And selecting the antenna grouping pattern corresponding to the selected extended codebook vector.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 확장된 코드북 벡터를 선택하는 과정은,The method of claim 1 or 6, wherein the selecting of the extended codebook vector comprises:
    상기 확장된 코드북 벡터들과 상기 채널 벡터의 곱들을 계산하는 과정과,Calculating products of the extended codebook vectors and the channel vector;
    상기 곱들을 상호 비교하여 최대의 곱에 해당하는 확장된 코드북 벡터를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And comparing the products with each other to select an extended codebook vector corresponding to the maximum product.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 그룹화 패턴들은,The method of claim 1, wherein the plurality of antenna grouping patterns include:
    상호간에 상대적으로 높은 상관관계를 가지는 복수의 안테나들을 동일한 안테나 그룹으로 그룹화하는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And a plurality of antennas having a relatively high correlation with each other are grouped into the same antenna group.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 패턴 인덱스의 비트 수는,The method of claim 1 or 4, wherein the number of bits of the pattern index is
    피드백을 위한 총 비트수와 상기 복수의 안테나들의 개수와 각 안테나 그룹화 패턴의 안테나 그룹들의 개수 중 적어도 하나에 따라 정해짐을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And at least one of a total number of bits for feedback, a number of the plurality of antennas, and a number of antenna groups of each antenna grouping pattern.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 그룹화 패턴들의 개수는,The method of claim 1 or 4, wherein the number of antenna grouping patterns is:
    상기 패턴 인덱스의 비트 수와, 상기 복수의 안테나들의 개수와, 각 안테나 그룹화 패턴의 안테나 그룹들의 개수 중 적어도 하나에 따라 정해짐을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And the number of bits of the pattern index, the number of the plurality of antennas, and the number of antenna groups of each antenna grouping pattern.
  11. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 각 안테나 그룹화 패턴은,The method of claim 1 or 4, wherein each antenna grouping pattern,
    상기 복수의 안테나들 중, 수평방향, 수직방향 및 대각선 방향 중 어느 하나의 방향으로 인접한 안테나들을 하나의 안테나 그룹으로 그룹화하도록 구성되거나,Configured to group adjacent antennas in one of the plurality of antennas in any one of a horizontal direction, a vertical direction, and a diagonal direction into one antenna group, or
    송신단 상관 행렬과 부분 공간 패킹 기법을 적용한 복수의 안테나들을 동일한 안테나 그룹으로 그룹화하도록 구성되거나,Is configured to group a plurality of antennas to which the transmit end correlation matrix and the subspace packing scheme are applied to the same antenna group, or
    상기 복수의 안테나들은 소정 개수의 구역들로 나뉘어지며, 상기 구역들 중 선택된 하나 혹은 그 이상의 구역에 포함되는 안테나들을 하나의 안테나 그룹으로 그룹화하도록 구성되거나,The plurality of antennas are divided into a predetermined number of zones, and configured to group antennas included in one or more selected ones of the zones into one antenna group,
    상기 복수의 안테나들은 소정 개수의 구역들로 나뉘어지며, 상기 구역들 중 빔포밍 이득값이 소정 기준값 이하인 하나 혹은 그 이상의 선택된 구역에 포함되는 안테나들을 하나의 안테나 그룹으로 그룹화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.The antennas are divided into a predetermined number of zones, and the antennas included in one or more selected zones whose beamforming gain values are below a predetermined reference value are configured to group into one antenna group. Antenna grouping method.
  12. 제 11 항에 있어서, The method of claim 11,
    상기 선택된 하나 혹은 그 이상의 구역을 지시하는 구역 정보에 대한 정보가 상기 사용자 단말로부터 전송되는 것을 특징으로 하는 안테나 그룹화 방법.And information on zone information indicating the selected one or more zones is transmitted from the user terminal.
  13. 다중입출력 안테나 시스템에서 안테나 그룹화를 지원하는 단말 장치에 있어서,A terminal device supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system,
    기지국의 복수의 안테나들에 대한 채널 벡터를 측정하는 채널 측정부와,A channel measuring unit measuring a channel vector of the plurality of antennas of the base station;
    복수의 안테나 그룹화 패턴들에 따라 상기 채널 벡터의 채널 계수들을 그룹화하여 상기 그룹화된 채널 계수들에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터들을 결정하고, 상기 안테나 그룹화 패턴들에 대한 그룹화된 코드북 벡터들을 이용하여 상기 안테나 그룹화 패턴들 중 하나의 안테나 그룹화 패턴을 선택하는 제어부와,Group channel coefficients of the channel vector according to a plurality of antenna grouping patterns to determine grouped codebook vectors corresponding to the grouped channel coefficients, and use the grouped codebook vectors for the antenna grouping patterns to perform the antenna A controller for selecting one antenna grouping pattern among the grouping patterns;
    상기 선택된 안테나 그룹화 패턴을 지시하는 패턴 인덱스와 상기 선택된 안테나 그룹화 패턴에 대응하는 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 상기 기지국으로 피드백하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.And a transmitter for feeding back a pattern index indicating the selected antenna grouping pattern and a codebook index indicating a grouped codebook vector corresponding to the selected antenna grouping pattern to the base station.
  14. 다중입출력 안테나 시스템에서 안테나 그룹화를 지원하는 기지국 장치에 있어서,A base station apparatus supporting antenna grouping in a multiple input / output antenna system,
    복수의 안테나 그룹화 패턴들 중 하나를 지시하는 패턴 인덱스와, 그룹화된 코드북 벡터를 지시하는 코드북 인덱스를 사용자 단말로부터 수신하는 수신부와,A receiver configured to receive a pattern index indicating one of a plurality of antenna grouping patterns and a codebook index indicating a grouped codebook vector from a user terminal;
    상기 그룹화된 코드북 벡터를 상기 패턴 인덱스에 의해 지시된 안테나 그룹화 패턴에 따라 확장하여 상기 복수의 안테나들에 대한 코드북 벡터를 결정하고, 상기 결정된 코드북 벡터를 이용하여 빔포밍 행렬을 구성하는 제어부와,A control unit configured to extend the grouped codebook vectors according to the antenna grouping pattern indicated by the pattern index to determine codebook vectors for the plurality of antennas, and to configure a beamforming matrix using the determined codebook vectors;
    상기 빔포밍 행렬을 이용하여 데이터를 프리코딩하고 상기 사용자 단말로 프리코딩된 데이터를 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.And a transmitter configured to precode data using the beamforming matrix and to transmit the precoded data to the user terminal.
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