KR100965687B1

KR100965687B1 - 통신 시스템에서 빔 형성 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 시스템

Info

Publication number: KR100965687B1
Application number: KR1020060109418A
Authority: KR
Inventors: 윤은철; 이민수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2010-06-24
Also published as: US20080108390A1; KR20080041385A; US8000744B2

Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하는 과정과, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하는 과정과, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하는 과정과, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

간섭 신호 제거, 빔 형성, 가중치 벡터, 채널 정보

Description

통신 시스템에서 빔 형성 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 시스템{APPARATUS AND METHOD FOR BEAM FORMING IN A COMMUNICATION SYSTEM, AND SYSTEM THEREOF}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 빔 형성에 따른 파라미터를 포함한 시스템 구성을 개략적으로 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 고정 상수 선택 방식을 개략적으로 도시한 순서도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 계산하는 것을 개략적으로 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 성능 그래프.

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 통신 시스템에서 빔 형성(beam forming)하는 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 시스템에 관한 것이다.

차세대 통신 시스템인 4세대(4G: 4th Generation, 이하 '4G'라 칭하기로 한다) 통신 시스템에서는 고속의 다양한 서비스 품질(Quality of Service: 이하 'QoS' 칭하기로 한다)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 특히, 현재 4G 통신 시스템에서는 무선 근거리 통신 네트워크(LAN: Local Area Network, 이하 'LAN'이라 칭하기로 한다) 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크(MAN: Metropolitan Area Network, 이하 'MAN'이라 칭하기로 한다) 시스템과 같은 광대역 무선 접속 통신 시스템에 이동성(mobility)과 서비스 품질(QoS: Quality of Service)을 보장하는 형태로 고속 서비스를 지원하도록 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

상기 통신 시스템에서 송신기가 수신기로 신호를 송신하는 경우, 일예로 기지국(BS: Base Station)이 단말기(MS: Mobile Station)로 신호를 송신하는 경우를 살펴보기로 한다. 상기 채널 품질 정보를 사용하여 신호에 가중치를 주어 기지국이 단말기로 신호를 송신하는 송신 최대 비 결합(Tx-MRC: Transmitter Maximal Ratio Combining) 방식이 있다. 상기 송신 최대 비 결합 방식은 단일 셀(single cell) 환경에서두 지점 사이에서 신호를 송신하는 포인트 투 포인트(point-to-point) 통신에서는 효율적이었다. 하지만, 다중 셀(multi cell) 환경에서 인접한 외부 셀들로부터 유입되는 간섭 신호의 영향으로 전체 시스템 성능이 저하되었다.

이를 방지하기 위해 현재 통신 시스템은 상기한 간섭 신호를 제거하기 위한 빔 형성(beam forming) 방식을 사용하고 있다. 상기 빔 형성 방식은 빔 형성을 위한 가중치 벡터(weight vector)를 사용하여 신호를 송신하는 방식이다. 기지국이 단말기에 신호를 송신하는 경우에는 상기 기지국은 상기 단말기로부터 신호를 수신하기 위해 사용하던 상기 가중치 벡터를 사용하여 신호를 송신한다.

이와 같은 신호 송수신 방식은 상기 기지국과 상기 단말기간의 신호 송수신을 위해 사용하는 채널 즉, 상향 링크(uplink)와 하향 링크(downlink)가 서로 대칭(symmetric)한다는 것에 근거한 것이다. 간섭을 제거하는 상기한 빔 형성 방식은 수신하기 원하는 목적 신호와 수신하기 원치 않는 목적 신호가 공간상에서 빔(beam)으로 완전히 분리된다는 결정적인 채널 모델(deterministic channel model)을 통해 DOA(degree of angle) 등의 정보를 사용하여 스마트 안테나(smart antenna) 등을 사용하여 구현된다.

상기 빔 형성 방식은 상기한 바와 같이 결정적인 채널 모델에서 구현된다. 일예로 시간 분할 듀플렉싱(TDD: Time Division Duplexing) 통신 시스템에서 상향링크에서 사용한 빔 형성 가중치 벡터 즉, 빔 패턴(beam pattern)을 하향링크에 그대로 사용하는 것은 채널 환경이 안정적이어서 목적 신호와 간섭 신호가 서로 다른 각(angle)으로 들어오고 나갈 때 적용될 수 있다. 그러나 복잡한 채널 환경, 일예로 복잡한 산란(scattering) 환경에서는 목적 신호와 간섭 신호가 공간상에서 완전히 분리되지 못한다. 따라서 이러한 경우에는 상기 결정적인 채널 모델 보다는 통계적 채널 모델(statistical)을 사용하여야 한다. 이를 위해 상기 기지국은 배열 안테나(array antenna)로부터 단말기의 단일 안테나 사이의 채널을 하나의 벡터로 표현해야 한다. 이때, 상기 벡터 즉, 채널 벡터는 하나의 DOA에 대한 함수로 주어지지 않으며, 보통 가우시안(Gaussian) 특성을 갖는다. 또한 상기 산란 환경에서는 상향 링크와 하향링크가 노이즈의 상태 등을 포함하고 있으므로 링크 특성이 서로 다르다. 그러므로 상향링크에서 사용되던 가중치 벡터를 그대로 적용하게 되면 성능이 저하된다는 문제점이 있었다.

그리고 상기 빔 형성 방식은 기지국이 정확한 채널 정보에 기반하여 획득한 가중치 벡터를 사용한다고 가정한 것이다. 이에 상기 기지국이 채널 정보를 획득하는 방법은 단말기로부터 하향링크의 채널 추정 결과의 피드백(feedback)을 통해서 획득한다. 하지만 상기 단말기의 채널 추정의 부정확성, 상기 피드백 지연(feedback delay), 상기 기지국의 프로세싱 지연(processing delay) 등으로 인한 채널 추정 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 기지국이 채널 정보를 획득하는 방법으로 상기 기지국이 하향 링크에서 사용할 채널 정보를 위해 상향 링크로부터 추정한 채널 정보를 사용하는 사운딩 방법을 사용한다. 하지만 상기 사운딩 방식을 사용한 채널 추정에도 채널 추정의 부정확성과 상향 링크와 하향 링크의 채널 특성이 서로 상이함으로 인해 발생하는 채널 추정 오차의 문제점이 있었다.

결국, 상기한 빔 포밍 방식은 통신 시스템에서 상하향링크 간의 상이한 채널 특성과 채널 특성으로 인한 채널 추정 오차까지 고려하여 빔 형성을 수행해야 할 필요성이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 통신 시스템에서 간섭 신호로 인한 영향을 감소하는 빔 형성 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상향 링크와 하향 링크의 서로 상이한 채널 환경에 적용 가능한 빔 형성 장치 및 방법, 그리고 그에 따른 시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 통신 시스템에서 빔 형성 시스템에 있어서, 각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하고, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 기지국을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 통신 시스템에서 빔 형성 방법에 있어서, 각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하는 과정과, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하는 과정과, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하는 과정과, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은 통신 시스템에서 빔 형성 시스템에 있어서, 적어도 하나의 단말기들과, 상기 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하고, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 기지국을 포함한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 통신 시스템에서 빔 형성 장치에 있어서, 각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하고, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 기지국을 포함하는 빔 형성 장치.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명에서는 통신 시스템에서 간섭 신호를 제거하는 빔 형성 시스템 및 방법을 제안한다. 본 발명에서는 기지국이 상기 빔 형성을 위해 각 단말기들로부터 채널 벡터를 수신하고, 상기 수신된 채널 벡터를 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 상기 상향링크 채널 행렬과 채널 에러율을 최소로 하는 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성한 후, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔 형성을 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 다중셀 환경의 통신 시스템 구조가 도시되어 있으며, 상기 통신 시스템에서 각 셀은 제 1 기지국(BS: Base Station)(100), 제 2 기지국(120), 제 3 기지국(140), 제 4 기지국(160)이 관장한다. 그리고 상기 기지국들의 서비스 영역 즉, 셀에는 각 기지국과 통신하는 단말기(MS: Mobile Station)들(101, 121, 131, 141)을 포함한다. 이때 상기 기지국들(100, 120, 140, 160)은 빔 포밍을 위해 다수개의 송신 안테나, 일예로 4개의 송신 안테나를 구비한다고 가정한다. 또한 상기 단말기들은 각각 1개의 안테나를 구비한다고 가정한다. 각 셀은 같은 주파수 대역, 일예로 직교 주파수 분할 다중 접속 방식(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'라 칭하기로 한다)의 부채널(subchannel)을 사용한다고 가정하고, 같은 셀에 포함된 여러 단말기는 할당된 주파수 대역을 나누어서 사용 즉, 서로 다른 부반송파(subcarrier)들을 사용한다고 가정한다.

이때 상기 제 1 기지국(100)이 상기 제 1 기지국(100)의 셀 내에 존재하는 제 1 단말기(101)에게 신호를 송신하는 경우, 상기 제 1 기지국(100)이 상기 제 1 단말기(101)로 송신하는 신호는 a(실선 화살표)로 도시되어 있다. 상기 제 1 기지국(100)이 송신하는 신호는 현재 셀에 존재하는 단말기들에게 영향을 주지는 않지만, 주파수 대역이 동일한 인접 셀의 단말기 즉, 제 2 단말기(121), 제 3 단말기(141), 제 4 단말기(161)에게 간섭 신호 즉, b, c, d(점선 화살표)로 작용한다. 이와 같은 간섭 신호의 영향 즉, 공통 채널 간섭(co-channel interference)의 영향을 감소하기 위해 각 송신 안테나를 통해 송신되는 송신 신호에 본 발명에서 제안하는 빔 포밍 가중치 벡터를 곱하여 신호를 송신한다. 이에 상기 제 1 기지국(100)에서 빔 포밍 가중치 벡터가 곱해진 송신 신호는 자기 셀의 제 1 단말기(101)에게 가능한 최대의 수신 전력으로 전달된다. 그리고 상기 송신 신호는 인접 셀의 각 단말기들(121, 141, 161)에게 간섭 신호로 인한 영향을 최소화시킨다. 그러면 다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 송신기의 구조를 하기에 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 송신기는 부호기(encoder)(211), 심벌 매핑 기(symbol mapper)(213), 부채널 매핑기(subchannel mapper)(215), 채널 추정기(channel estimator)(217), 빔 형성부(219), 역고속 푸리에 변환(IFFT: Inverse Fast Fourier Transform)기(225), 보호 구간(CP: Cyclic Prefix, 이하 'CP'라 칭하기로 한다) 삽입기(227), 무선(RF: Radio Frequency, 이하 'RF'라 칭하기로 한다) 처리기(229)를 포함한다.

먼저, 전송하고자 하는 사용자 데이터 즉, 정보 비트(information bits)가 발생하면, 상기 사용자 데이터는 부호기(211)로 입력된다.

상기 부호화기(211)는 상기 정보 데이터 비트를 수신하여 부호화기에 미리 적용된 설정 코딩(Coding) 방식으로 코딩한 후 심벌 매핑기(213)로 출력한다.

상기 심벌 매핑기(213)는 상기 부호화기(211)에서 출력한 코딩된 비트(coded bits)를 미리 설정되어 있는 설정 변조 방식으로 변조하여 변조 심벌로 생성한 후 부채널 매핑기(215)로 출력한다. 여기서, 상기 변조 방식으로는 일예로, BPSK(Binary Shift Keying) 방식, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식 그리고 64QAM(Quadrature Phase Shift Keying) 방식 등이 사용된다.

상기 부채널 매핑기(215)는 상기 심벌 매핑기(213)에서 출력하는 변조 심벌들을 입력하여 주파수 톤(frequency tone)에 매핑 즉, 부채널에 매핑하고, 상기 부채널에 매핑된 신호를 상기 빔 형성부(219)로 출력한다. 이때 상기 부채널 매핑기(215)는 셀 내에 존재하는 단말기들이 서로 다른 주파수 및 서로 다른 시간 자원을 사용하도록 함으로서 셀 내 간섭을 제거한다.

상기 채널 추정부(217)는 상기 송신기의 채널을 추정하고, 상기 채널 추정 정보를 상기 빔 형성부(219)로 출력한다.

상기 빔 형성부(219)는 상기 채널 추정부(217)의 채널 추정 정보를 수신하고, 본 발명에 상응하여 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 생성하고, 상기 부채널 매핑기에서 출력하는 신호에 상기 가중치 벡터를 곱하여 역고속 푸리에 변환기(225)로 출력한다. 그리고 상기 빔 형성부의 빔 형성 동작은 하기에서 상세히 설명하기로 하며 여기서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 역고속 푸리에 변환기(225)는 상기 빔 형성부(219)에서 출력한 신호를 수신하고 역고속 푸리에 변환을 수행한 후 상기 역고속 푸리에 변환된 신호를 보호구간 삽입기(227)로 출력한다.

상기 RF 처리기(229)는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등의 구성들을 포함하며, 상기 보호 구간 삽입기(227)에서 출력한 신호를 실제 에어(air)상에서 전송 가능하도록 RF 처리한 후 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 에어(air)상으로 전송한다.

상기 송신기의 빔 형성부(219)는 상기 채널 추정기의 채널 추정 정보를 수신하여 가중치 벡터를 생성하는 가중치 벡터 생성기(223)와 상기 가중치 벡터 생성기(223)에서 생성된 가중치 벡터를 곱하는 가중치 벡터 곱셈기(221)를 포함한다. 이때 상기 가중치 벡터 생성기(223)는 채널 정보에 오차가 있는 경우와 채널 정보에 오차가 없는 경우에 상응한 각각의 가중치 벡터를 생성하는 것이 가능하며, 상기한 각각의 경우의 가중치 벡터를 생성하는 것은 하기에서 상세히 설명하기로 한 다.

그러면 다음으로 하기에 도 3를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수신기의 구조를 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 수신기는 RF 처리기(311), 보호 구간 제거기(313), 부채널 디매핑기(315), 고속 푸리에 변환기(FFT: Fast Fourier Transform)(317), 심벌 디매핑기(319), 복호기(321)를 포함한다.

상기 RF 처리기(311)는 수신 안테나를 통해 상기 송신기에서 송신한 신호를 수신하고, 상기 수신되는 신호를 무선 처리하여 상기 보호 구간 제어기(313)로 출력한다.

상기 보호 구간 제거기(313)는 RF 처리기에서 무선 처리된 신호에서 보호 구간을 제거하고, 상기 보호구간이 제거된 신호를 상기 부채널 디매핑기(315)로 출력한다.

상기 부채널 디매핑기(315)는 상기 부채널 매핑기에 상응하는 부채널 디매핑을 수행하고, 상기 부채널 디 매핑을 수행한 신호를 상기 고속 푸리에 변환기(317)로 출력한다.

상기 고속 푸리에 변환기(317)는 고속 푸리에 변환을 수행한 뒤 심벌 디매핑기(319)로 출력한다.

상기 심벌 디매핑기(319)는 상기 고속 푸리에 변환기에서 출력한 신호를 상 기 심벌 디매핑기에 설정된 복조 방식으로 복조한 후 상기 복호기(321)로 출력한다.

상기 복호기(321)는 상기 심벌 디매핑기(319)에서 출력한 신호를 상기 복호기에 설정된 복호방식으로 복호, 즉 디코딩을 수행하여 상기 송신기에서 송신한 데이터를 검출한다. 여기서, 상기 복조 방식 및 복호 방식은 상기 송신기가 적용한 변조 방식 및 코딩 방식과 대응되는 복조 방식 및 복호 방식이다.

본 발명의 빔 형성을 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명은

개의 셀이 존재하고, 각 기지국 별로

개의 송신 안테나가 존재한다고 가정한다. 또한, 상기 기지국의 신호를 수신하는 각 단말기는 일예로 한 개의 수신 안테나를 구비한다고 가정한다.

그리고 상기 도 1에 도시한 바와 같이 한 셀에 속한 한 단말기와 동일한 주파수 대역을 사용하는 단말기는 각 인접 셀에 각각 한 개씩만 존재한다고 가정한다. 다시 말해, 모두

개의 기지국과

개의 단말기가 존재한다고 가정한다. 각 셀의 인덱스를 1 내지

라 하면, 상기 셀을 관장하는 기지국과 상기 셀에 포함된 단말기의 각각의 인덱스 또한 상기 1 내지

라 나타낼 수 있다.

여기서 상기 기지국 i가 단말기 j로 신호를 송신할 때 사용되는 채널은 기지국의 송신 안테나 개수가

개, 단말기의 수신 안테나가 한 개이므로

개의 복소수로 나타낼 수 있다. 상기

개의 복소수를 가로로 정렬한 행(row) 벡터를 채널 벡터

라 나타낼 수 있다. 만약, 상기 안테나 개수 보다 기지국, 즉 셀이 많은 경우에는 안테나 개수보다 작은 개수의 기지국을 선택하여 사용한다. 상기 기지국의 선택을 일예로 설명하면 다음과 같다. 특정 기지국은 주변 기지국들의 셀에 포함된 각 단말기들로부터 일예로, 사운딩 신호 등을 수신하여 채널을 추정한다. 그리고, 상기 채널 추정에 기반하여 특정 기지국이 단말기에게 미치는 간섭의 크기 순서대로 타 기지국의 단말기들을 선택하고, 상기 선택된 단말기를 포함한 기지국을 선택한다. 하지만, 상기 안테나 개수보다 기지국, 즉 셀이 적은 경우에는 특정 기지국에서 주변의 모든 기지국에 포함된 각 단말기들의 간섭을 제거하는 것이 가능하므로 별도의 기지국을 선택할 필요가 없다.

또한, 상기 기지국 i의 각 안테나에 적용되는 가중치(weight)는 크기와 위상을 갖는 복소수로 나타낼 수 있으며, 일반적으로 최적의 성능을 보이는 가중치는 안테나별로 다르다. 상기

개의 복소수를 세로로 늘어놓은 열(column) 벡터 즉, 가중치 벡터

로 나타낼 수 있다. 이때 상기 가중치 벡터는 정규화(normalize)되어 있다고 가정한다. 즉, 상기 가중치 벡터를 형성하는

개의 각 복소수의 놈(norm)은 1이 된다.

또한,

는 기지국의 송신 전력으로 모든 셀의 각 기지국에 동일하게 적용되어 있다고 가정하고, 단말기 i의 잡음 분산을

라 나타내기로 가정한다. 상기한 빔 형성을 위한 파라미터들에 상응하는 시스템 구성을 하기에 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성을 위한 파라미터에 상응한 시스템 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 일예로, 상기

가 4인 경우의 다중 셀(multi-cell)을 도시한 것이며, 네 개의 셀이 도시되어 있다. 각 셀에는 각 셀을 관장하는 기지국들(400, 420, 440, 460)이 도시되어 있고, 각 기지국들과 통신하는 단말기들(401, 421, 441, 461)이 도시되어 있다.

상기 각 단말기들(401, 421, 441, 461)은 상기 단말기들(401, 421, 441, 461)의 잡음 분산(noise variance)이 도시되어 있으며, 제 1 단말기(401)의 잡음 분산은

이고, 제 2 단말기의 잡음 분산은

이고, 제 3 단말기의 잡음 분산은

이고, 제 4 단말기의 잡음 분산은

이다. 상술한 바와 같이 본 발명에서 각 단말기의 잡음 분산은

이며, 상기 i는 각 단말기의 인덱스를 의미한다. 그리고 상기 제 1 기지국(400)의 송신 신호에 따른 채널 벡터들이 도시되어 있으며, 상기 제 1 기지국(400)과 제 1 단말기(401)의 채널 벡터는

으로, 상기 제 1 기지국과 제 2 단말기(421)의 채널 벡터는

으로, 상기 제 1 기지국과 제 3 단말기(441)의 채널 벡터는

으로, 상기 제 1 기지국과 제 4 단말기(461)의 채널 벡터는

로 나타내었다. 이때 상기 채널 벡터, 즉

는 편의상 i가 1인 경우만 나타내었다.

본 발명에서는 채널 추정에 따른 오차가 발생할 수 있다. 이에 본원발명에서는 채널 추정에 따른 오차를 방지하기 위해 고정된 상수 값을 사용하여 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 생성한다. 그러면 다음으로 송신기, 일예로 기지국이 가중치 벡터 생성을 위한 고정 상수 값을 계산하는 것을 하기에 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 고정 상수 선택 방식을 개략적으로 도시한 순서도이다.

상기 도 5를 참조하면, 511단계에서 기지국은 본 발명에 따른 고정 상수 값을 계산하기 위해 초기화를 수행하고 513단계로 진행한다. 상기 기지국은 본 발명에 따른 고정 상수 값, 즉

를 0으로 설정하고, 본 발명에 상응하는 최적의 고정 상수 값을 획득하기 위한 단계별 크기 값, 즉Stepsize와 상기 고정 상수 값의 범위를 한정하기 위한 최대 크기값, 즉 Endsize를 설정한다. 상기 Stepsize와 Endsize는 시스템 상황이나 특성에 따라서 얼마든지 가변적으로 설정이 가능하다.

상기 513단계에서 상기 기지국은 하향링크에 대하여 빔 형성을 수행하고 515단계로 진행한다.

상기 515단계에서 상기 기지국은 상기 빔 형성에 따른 프레임 에러율을 측정하고 517단계로 진행한다.

상기 517단계에서 상기 기지국은 상기 고정 상수 값

를 상기 단계별 크기 값(즉, Stepsize)만큼 증가시키고 519단계로 진행한다.

상기 519단계에서 상기 기지국은 상기 고정 상수 값

이 최대 크기 값(즉, Endsize)인지 확인한다. 상기 확인결과 상기 고정 상수 값이 최대 크기 값(즉, Endsize)이 아닌 경우에는 상기 513단계로 진행한다.

그러나 상기 확인결과 상기 고정 상수 값이 최대 크기 값(즉, Endsize)인 경우에는 상기 521단계로 진행한다.

상기 521단계에서 상기 기지국은 상기 고정 상수 값들 중에서 최소의 프레임 에러율에 해당하는 고정 상수 값을 선택한다.

여기서 상기 선택된 고정 상수 값은 가중치 벡터 생성을 위해 사용되는 값이다. 상기 고정 상수는 최소 에러율을 갖도록 하는 상수이다. 또한, 상기 고정 상수는 채널의 변화(variance)가 반영된다. 그리고 상기 고정 상수 값을 선택하는 것은 일예로 상기 기지국의 가중치 벡터 생성부 등에서 수행할 수 있다. 상기 고정 상수를 계산하기 위해서 일예로, 특정 채널(channel) 및 특정 변조 및 코딩 기법(MCS: Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하고, 송신 전력을 고정한 상태에서 상기 프레임 에러율을 측정한다. 이와 같은 절차를 통해 특정 채널 및 특정 MCS을 기준으로 고정 상수를 획득할 수 있다. 상기 고정 상수는 시뮬레이션 결과를 통해 획득할 수도 있고, 실제 측정된 값으로부터 획득할 수 있다.

그러면 다음으로 본 발명에 따른 가중치 벡터를 생성하는 것을 하기에 도 6을 참조하여 살펴보기로 한다.

상기 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템에서 빔 형성을 위한 가중치 벡터를 계산하는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 6을 참조하면, 601단계에서 기지국은 각 단말기들로부터 채널 정보 일예로 채널 벡터를 수신하고 613단계로 진행한다. 여기서 상기 기지국은 각 단말기들의 채널 벡터를 피드백(feedback)받거나 사운딩(sounding) 방식을 통해 획득할 수 있다. 상기 기지국의 인덱스를 u라 하면, 상기 기지국이

개 단말기의 채널 정보, 즉

(for i=1,2, ...,

)를 획득한다.

상기 613단계에서 상기 기지국은 수신된 채널 벡터를 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고 615단계로 진행한다. 상기 열 벡터(row vector)

(for i=1,2,...,

)를 순서대로 세로로 쌓아서(stack)

x

인 행렬

를 생성한다. 이때 상기 채널 행렬

은 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서 상기 u는 기지국 인덱스이고, 상기

는 서로 다른 셀에 포함된 단말기 인덱스이고, T는 전치 행렬이다.

상기 615단계에서 상기 기지국은 가중치 벡터를 생성하고 617단계로 진행한다. 이때 상기 기지국은 상기 도 5에서 획득한 고정 상수

를 사용하여

x1 가중치 벡터 생성한다. 이때 생성된 가중치 벡터는 하기의 수학식 2에 나타낸 바와 같다.

이때 상기

는 가중치 벡터의 놈을 1로 만들어주는 정규화 상수이고, 상기 I는 단위 행렬이고,

는 기지국 u와 상기 기지국 u의 셀 내에 존재하는 단말기 u의 채널 벡터이다. 상기

는 고정 상수로 보정된 상관 행렬(correlation matrix)을 나타낸 것이다. 본 발명에서는 상기한 고정 상수를 사용함으로서, 프레임 에러율이 신호 대 간섭비(SNR: Signal to Noise Ratio) 가 증가함에 따라 악화되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 617단계에서 상기 기지국은 상기 생성된 가중치 벡터를 상기 기지국의 송신 신호에 적용하여 빔 형성을 한다. 따라서, 상기 가중치 벡터를 생성하는 611단계 내지 615 단계는 상기 기지국의 가중치 벡터 생성부 등에서 수행할 수 있으며, 상기 송신 신호에 상기 가중치 벡터를 적용하는 것은 상기 가중치 벡터 적용부 등을 통해서 구현하는 것이 가능하다.

상기 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔 형성 성능 그래프이다.

상기 도 7을 참조하면, 고정된 상수 값을 사용한 가중치 벡터를 생성하고, 상기 가중치 벡터를 사용하여 빔 형성을 한 경우의 프레임 에러율이 도시되어 있다. 그리고 단말기의 수신 SNR을 사용한 가중치 벡터를 생성하고, 상기 가중치 벡터를 사용하여 빔 형성을 한 경우의 프레임 에러율이 도시되어 있다. 이에 상기 도 7을 참조하여 본 발명의 고정 상수 값을 사용한 빔 형성을 통해 시스템 성능이 증가한 것을 확인하는 것이 가능하다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 고정 상수 값을 사용하여 빔 형성을 함으로서 간섭 신호로 인한 영향을 감소하는 것이 가능하다는 이점을 갖는다. 또한 채널 추정 값 대신 고정 상수값을 사용하여 채널 추정 오차 혹은 처리 지연(process delay)의 영향을 덜 받는 빔 형성이 가능하고, 상향 링크와 하향 링크의 서로 상이한 채널 환경에서도 적용이 가능하다는 이점을 갖는다. 이에 전체 통신 시스템 성능을 향상하는 것이 가능하다는 이점을 갖는다.

Claims

통신 시스템에서 빔 형성 장치에 있어서,

각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하고, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 적어도 하나의 고정 상수에 대하여 하향링크 빔을 형성하고 상기 빔 형성에 따른 프레임 에러율을 측정하여 최소의 프레임 에러율에 해당하는 고정 상수를 선택하고, 상기 상향링크 채널 행렬 및 상기 선택된 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 기지국을 포함하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

기지국으로부터 수신되는 신호를 사용하여 채널 벡터를 획득하고, 상기 채널 벡터를 상기 기지국으로 송신하는 단말기를 더 포함하는 빔 형성 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 상향링크 채널 행렬은 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 장치.

[수학식]

상기 u는 기지국 인덱스이고, 상기
는 서로 다른 셀에 포함된 단말기 인덱스이고, T는 전치 행렬임.
제 3 항에 있어서,

상기 가중치 벡터는 고정 상수
를 사용하여 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 장치.

[수학식]

상기
는 가중치 벡터의 놈을 1로 만들어주는 정규화 상수이고, 상기 I는 단위 행렬이고, 상기
는 고정 상수로 보정된 상관 행렬이고, 상기
는 기지국 u와 상기 기지국 u의 셀 내에 존재하는 단말기 u의 채널 벡터임.
제 1 항에 있어서,

상기 기지국은 각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하는 채널 추정부와,

상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상기 상향 링크 채널 행렬을 생성하고, 상기 상향링크 채널 행렬과 상기 고정 상수를 사용하여 상기 가중치 벡터를 생성하는 가중치 벡터 생성부와,

상기 가중치 벡터를 송신 신호에 적용하여 빔을 형성하는 가중치 벡터 곱셈기를 포함하는 빔 형성 장치.
통신 시스템에서 기지국의 빔 형성 방법에 있어서,

각 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하는 과정과,

상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하는 과정과,

적어도 하나의 고정 상수에 대하여 하향링크 빔을 형성하고 상기 빔 형성에 따른 프레임 에러율을 측정하여 최소의 프레임 에러율에 해당하는 고정 상수를 선택하는 과정과,

상기 상향링크 채널 행렬 및 상기 선택된 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하는 과정과,

상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 과정을 포함하는 빔 형성 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 상향링크 채널 행렬은 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 방법.

[수학식]

상기 u는 기지국 인덱스이고, 상기
는 서로 다른 셀에 포함된 단말기 인덱스이고, T는 전치 행렬임.
제 7 항에 있어서,

상기 생성된 가중치 벡터는 고정 상수
를 사용하여 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 방법.

[수학식]

상기
는 가중치 벡터의 놈을 1로 만들어주는 정규화 상수이고, 상기 I는 단위 행렬이고, 상기
는 고정 상수로 보정된 상관 행렬이고, 상기
는 기지국 u와 상기 기지국 u의 셀 내에 존재하는 단말기 u의 채널 벡터임.
통신 시스템에서 빔 형성 시스템에 있어서,

적어도 하나의 단말기들과,

상기 단말기들로부터 적어도 하나의 채널 벡터들을 수신하고, 상기 적어도 하나의 채널 벡터들을 사용하여 상향링크 채널 행렬을 생성하고, 적어도 하나의 고정 상수에 대하여 하향링크 빔을 형성하고 상기 빔 형성에 따른 프레임 에러율을 측정하여 최소의 프레임 에러율에 해당하는 고정 상수를 선택하고, 상기 상향링크 채널 행렬 및 상기 선택된 고정 상수를 사용하여 가중치 벡터를 생성하고, 상기 생성된 가중치 벡터를 사용하여 빔을 형성하는 기지국을 포함하는 빔 형성 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 단말기들 각각은 상기 기지국으로부터 수신되는 신호를 사용하여 채널 벡터를 획득하고, 상기 채널 벡터를 상기 기지국으로 송신함을 특징으로 하는 빔 형성 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 상향링크 채널 행렬은 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 시스템.

[수학식]

상기 u는 기지국 인덱스이고, 상기
는 서로 다른 셀에 포함된 단말기 인덱스이고, T는 전치 행렬임.
제 11 항에 있어서,

상기 생성된 가중치 벡터는 고정 상수
를 사용하여 하기의 수학식과 같이 표현됨을 특징으로 하는 빔 형성 시스템.

[수학식]

상기
는 가중치 벡터의 놈을 1로 만들어주는 정규화 상수이고, 상기 I는 단위 행렬이고, 상기
는 고정 상수로 보정된 상관 행렬이고, 상기
는 기지국 u와 상기 기지국 u의 셀 내에 존재하는 단말기 u의 채널 벡터임.