KR101202499B1

KR101202499B1 - 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 공간 다중화 신호 전송 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101202499B1
Application number: KR1020100114766A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 이건욱
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-11-20
Also published as: KR20120053583A

Abstract

본 발명은 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 제한된 채널 정보량과 채널 정보 양자화 오류가 존재하는 환경에서 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법을 사용하여 다중 빔(multi-beam)을 발생하여 다수의 사용자에게 신호를 전송하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 채널 환경에 따라 하향링크의 채널 용량(downlink channel capacity)을 최대화하는 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수, 채널 정보의 양자화 비트(bit)수와 같은 시스템 변수를 도출하는 과정과, 상/하향 링크 성능을 모두 고려한 유효 채널 용량(network channel capacity)이 최대가 되도록 상기 시스템 변수를 최종 결정하는 과정과, 상기 최종 결정된 시스템 변수에 따라 사용자들을 선택(즉, 스케줄링)하고 다중 빔을 생성하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 모든 사용자가 채널 정보를 궤환하게 함으로써 야기되는 상향링크의 채널 정보 궤환량 증가로 망 전체의 유효 채널 용량이 저하되는 종래 기술의 문제점을 완화하고, 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 평균 사용자의 수 및 채널 양자화 비트수를 운용 환경에 따라 적응적으로 결정함으로써 시스템의 유효 채널 용량 성능을 크게 향상 시킬 수 있다.

Description

다중 안테나 무선 통신 시스템에서 공간 다중화 신호 전송 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SPATIAL MULTIPLEXING TRANSMISSION IN MULTI-ANTENNA WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 채널 정보가 제한된 환경에서 기지국이 다중 안테나 기법으로 다수의 사용자에게 신호를 동시에 전송하기 위한 무선 통신 시스템의 기지국과 사용자 사이의 신호 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.

다수의 송신 안테나를 사용하는 무선 통신시스템에서는 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법을 사용하여 다수의 신호를 동시에 전송함으로써 채널 용량(channel capacity)을 공간 다중화 빔(beam)수에 비례하여 증가시킬 수 있고, 사용자의 수신안테나 수에 무관하게 기지국의 송신 안테나 수만큼 사용자를 동시에 선택하여 서비스가 가능하다. 그러나 상기 종래의 기법을 위해서는 기지국에서 사용자에 대한 채널 정보를 필요로 한다는 문제가 있다. 특히 주파수 분할 이중화(frequency division duplexing) 시스템과 같이 하향링크(downlink)와 상향링크(uplink)의 채널 환경이 다른 경우에는 기지국이 사용자들로부터 채널 정보를 얻을 수 있으나, 한정된 무선 자원 때문에 채널 정보는 작은 비트(bit) 크기로 불완전하게 양자화되어 송신단에 전달되는, 소위 제한된 채널 정보 궤환(limited feedback) 환경에서 송신빔을 생성하게 된다.

불완전한 채널 정보를 이용하여 다중 빔 생성할 때 가장 큰 문제는 채널 정보의 양자화 오류로 인하여 사용자간에 간섭이 발생한다는 것이다. 이러한 사용자간 간섭은 신호대잡음비(signal-to-noise power ratio; 이하 SNR)가 높아질수록 잡음에 비하여 상대적으로 더 커지기 때문에 더욱 더 정확한 채널 정보가 요구되게 된다. 이에 따라 종래의 기법은 SNR이 높아질수록 채널 양자화 비트 수를 증가시켜 양자화 오류를 감소시키거나, 채널 정보를 궤환하는 사용자 수를 늘려 스케줄링 이득을 증가시켜 성능을 향상시키는 방법을 고려하고 있다. 그러나 이러한 종래 기법들은 하향링크 성능 최대화만을 생각하여 상향링크를 통한 채널 정보 궤환량(overhead)을 고려하지 않은 단점이 있다. 즉, 양자화 오류로 인한 성능 저하를 줄이기 위해서 채널 양자화 비트 수를 증가시키거나 스케줄링 이득을 얻기 위해 모든 사용자가 채널 정보를 궤환하는 경우, 상향링크를 통한 상기 채널 정보 궤환량이 매우 커져 전체 시스템의 성능이 오히려 저하될 수 있기 때문이다. 또한 채널 정보가 불완전한 환경에서 송신 안테나 수만큼 최대로 공간 다중화를 할 경우에는 다중 신호간 상호간섭 영향이 커지게 되어, 채널 환경에 따라 공간 다중화 빔 수를 적절하게 결정하는 것이 필요하다.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 발명들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제한된 채널 정보 궤환 조건에서 운용 환경(일례로, 송신 안테나 수, 전체 사용자 수, 사용자들의 SNR 등)에 따라 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수, 채널 양자화 비트 수 등의 시스템 변수를 적응적으로 결정함으로써 전체 시스템 성능을 최대화할 수 있는 공간다중화 기법에 관한 기지국 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 채널 정보 궤환을 함에 있어채널 상태가 상대적으로 좋은(일례로 순시 SNR이 평균 SNR보다 일정 값 이상 큰) 사용자만 채널 정보를 궤환하도록 하여, 채널 상태가 좋지 않은 사용자들의 불필요한 채널 정보 궤환을 방지하여 상향링크의 채널 정보 궤환량을 감소시키고 형평성(fairness)를 보장받는 채널 정보 궤환 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2견지에 따르면, 시스템의 유효 채널 용량 성능을 최대화하기 위한 상기 시스템 변수를 결정함에 있어 채널 정보량에 따른 하향링크의 채널 용량(downlink channel capacity)을 최대화하는 시스템 변수를 도출하는 과정과, 상기 채널 정보량을 변화시키면서 상/하향 링크 성능을 모두 고려한 유효 채널 용량이 최대가 되는 상기 시스템 변수를 최종 결정하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명은 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템에서 다수의 사용자에게 공간 다중화를 통하여 동시에 신호를 전송함에 있어 채널 정보량과 양자화 오류에 따른 사용자간 상호간섭 영향을 분석하여 유효 채널 용량이 최대가 되는 최적의 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 평균 사용자의 수, 채널 정보를 양자화하는 비트 수 등의 시스템 변수를 결정하고 상기 시스템 변수에 따라 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 기지국의 장치로 운용 환경에 따라 상기 시스템 변수들이 적응적으로 결정됨으로써 전체 시스템 성능을 향상 시킬 수 있다.

도 1은 다수의 안테나를 구비한 기지국과 복수의 사용자가 존재하는 시스템 모델을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명을 위한 기지국의 환경에 따라 시스템 변수를 결정하는 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명을 위한 기지국의 공간 다중화 송신 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명을 위한 사용자의 채널 정보 궤환 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기지국이 환경에 따라 최적의 시스템 변수를 적응적으로 결정하는 방법을 나타낸 도면이다,
도 6는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기지국이 양자화된 채널 정보를 바탕으로 최적의 사용자를 스케줄링하고 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 방법을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자가 채널 정보를 궤환하는 방법을 나타낸 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

도 1은 본 발명에서 고려하는 시스템 모델이다. 도 1을 참조하면, 기지국(101) 및 복수의 사용자(103)을 포함한다. 기지국(101)은

개 송신 안테나(ANT)를 사용하여

개의 공간 다중화 빔을 발생하여 전체

명의 사용자(103) 중

명의 사용자를 선택하여 동시에 신호를 전송하게 된다. 이 때 상기 기지국(101)은 공간 다중화 송신되는 신호간의 상호간섭을 없애기 위하여 Zero-Forcing (ZF) 빔포밍 송신 기법을 사용한다. 상기 사용자(103)는 상기 기지국(101)으로부터 전송된 이미 알고 있는 신호(일례로, 파일롯(pilot) 신호)를 이용하여 채널 정보를 추정할 수 있다. 상기 사용자(103)는 추정된 채널 정보를

비트로 양자화한 후 상향링크 채널을 통하여 기지국에 궤환한다. 본 발명은 궤환되는 채널 정보량을 감소시키기 위해서 채널 상태가 좋지 않은 사용자들의 불필요한 정보 궤환을 방지하는 방식을 고려한다. 일례로 사용자

는 하기 [수 1] 또는 [수 2]의 조건을 만족할 때 채널 정보를 궤환 하게 된다.

여기서

와

는 각각 사용자

의 순시 SNR 및 평균 SNR을 나타내며

는 기준 임계값을 나타낸다. 이 경우 상기 [수 1] 또는 [수 2]에 따라 궤환하는 사용자의 수

는 각 사용자의 채널 페이딩(fading) 환경에 따라 매 순간 변할 수 있으므로 채널 정보 궤환량은 하기 [수 3]와 같이 평균값을 고려한다.

여기서

는 평균 채널 정보량을 나타내고,

는 상기 임계값

에 따른 평균 궤환 사용자의 수를 나타내며, 일례로 [수 1]의 방식으로 선택하는 경우에는 하기 [수 4]과 같이 결정할 수 있으며 [수 2]의 방식으로 선택하는 경우에는 하기 [수 5]와 같이 결정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 환경에 따라 시스템 변수

를 결정하는 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 기지국(200)은 하향링크 채널 용량 계산부(201)와 유효 채널 용량 계산부(203) 및 시스템 변수 결정부(205)를 포함한다. 먼저 하향링크 채널 용량 계산부(201)에서는 하기 [수 6]에 따라 평균 채널 정보량

에 대해서 가능한 모든

조합에 따른 하향링크 채널 용량을 계산한 후, 상기 하향링크 채널 용량이 최대가 되는

와 그에 따른 최대 하향링크 채널 용량

을 도출한다.

일례로 변수

에 따른 상기 하향링크 채널 용량은 하기 [수 7]와 같이 계산할 수 있다.

여기서

는 전체 사용자의 평균 SNR를 나타내며

는

명의 사용자 중 순시 채널 파워가

번째로 큰 사용자의 평균 SNR로 하기 [수 8]에 따라 계산할 수 있다.

여기서

는 하기 [수 9]에 따라 계산할 수 있다.

여기서

을 의미한다. 유효 채널 용량 계산부(203)는 상기 하향링크 채널 용량 계산부(201)에서 전달받은

를 이용하여 하기 [수 10]과 같이 유효 채널 용량

을 계산한다.

\여기서

는 단위 시간(sec) 및 주파수(Hz) 당 할당된 하향링크 자원 크기를 나타내며

는 상향링크의 채널 부호화율(code rate)을 나타내며

은 전송방식에 따른 상향링크의 송신 주파수 효율을 나타낸다. 일례로

비트 채널 정보를 1/12 채널 부호화율로 QPSK 변조하여 전송할 경우

,

가 된다. 시스템 변수 결정부(205)는

를 증가시키면서 하기 도 5와 같이 반복되는 과정을 통해 상기 유효 채널 용량 계산부(203)에서 계산된

를 최대로 하는 최적의 시스템 변수

를 결정한다.

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 공간 다중화 송신 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 기지국(300)은 수신부(301)와 사용자 스케줄링부(303)와 빔가중치 생성부(305) 및 신호 전송부(307)을 포함한다. 먼저 수신부(301)에서는 채널 정보를 궤환한 사용자 집합과 상기 사용자 집합으로부터 전달받은

비트로 양자화된 채널 정보를 사용자 스케줄링부(303) 및 빔가중치 생성부(305)에 전달한다. 이 경우 채널 정보 궤환 사용자 지수(index) 집합

는 하기 [수 11]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 상기 [수 4] 또는 [수 5]에 따라 정해지는 최적 임계값

을 기준으로 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수이다. 사용자 스케줄링부(303)는 상기 수신부(301)로부터 전달받은

명의 사용자의 채널 정보를 바탕으로 하기 [수 12]에 따라 사용자간 채널의 직교성(orthogonality)이 최대가 되는

명의 최적 사용자 집합

를 선택한다.

여기서

는

의 부분 집합으로 선택된 사용자 집합을 나타내고

은 행렬

의 대각합(trace)을 나타내고

는 선택된 사용자 집합

의 양자화 된 채널 정보로 하기 [수 13]과 같이 정의된다.

여기서

는

비트로 양자화된 사용자

의 채널 정보를 나타낸다. 빔가중치 생성부(305)는 상기 사용자 스케줄링부(303)로부터 전달받은 선택된 사용자 집합

와 상기 수신부(301)에서 전달받은 채널 정보를 바탕으로 공간 다중화 빔 가중치

를 생성하며, 일례로 zero-forcing기법을 사용하는 경우, 하기 [수 14]과 같이

를 생성할 수 있다.

신호 전송부(307)는 선택된 사용자

의 데이터를 상기 빔가중치 생성부(305)로부터 생성된 빔 가중치

로 공간 다중화하여 신호를 전송한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 채널 정보 궤환 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 사용자(400)은 수신부(401)와 채널 추정부(403)와 양자화부(405) 및 궤환부(407)를 포함한다. 수신부(401)는 기지국으로부터 전송된 파일롯 신호와 같이 서로가 알고 있는 신호를 채널 추정부(403)에 전달한다. 채널 추정부(403)은 상기 수신부(401)로부터 전달받은 신호를 이용하여 채널을 추정하고 순시 및 평균 SNR를 계산하여 상기 [수 1] 또는 [수 2]의 조건을 만족할 경우 상기 추정한 채널 정보를 양자화부(405)에 전달한다. 양자화부(405)는 상기 채널 추정부(403)로부터 전달받은 채널 정보를 하기 [수 15]에 따라 결정된 코드북의 지수

를 궤환부(407)에 전달한다.

여기서

는 사용자

의 채널을,

는

비트의 크기로 양자화된 코드북의

번째 행벡터를 나타낸다. 즉, 상기 [수 15]에 따라 사용자의 양자화된 채널은

로 나타낼 수 있다. 궤환부(407)는 상기 양자화부(405)에서 결정한 상기 코드북의 지수

를 상향 채널을 통해 기지국으로 궤환한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국이 환경에 따라 최적의 시스템 변수

를 적응적으로 결정하는 방법을 나타낸 도면이다. 기지국은 501단계에서 상기 [수 6]에 따라 평균 채널 정보량

에 대해서 가능한 모든

경우에 따른 하향링크의 채널 용량을 계산한 후 상기 하향링크 채널 용량이 최대가 되는

와 하향링크 채널 용량

을 도출한다. 이후 기지국은 503단계에서 상기 501단계에서 도출한

를 기반으로 상기 [수 10]과 같이 유효 채널 용량

을 계산한다. 이후 기지국은 505단계에서 상기 503단계에서 도출한 유효 채널 용량

를 기존의 유효 채널 용량

와 비교하여

인 경우 시스템 변수를

로 최종 결정하고, 그렇지 않은 경우

를 증가시킨 후 상기 501단계로 돌아가서 상기 과정을 반복한다.

도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국이 양자화된 채널 정보를 바탕으로 최적의 사용자를 스케줄링하고 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 방법을 나타낸 도면이다. 기지국은 601단계에서 사용자로부터 궤환받은

개의 채널 정보를 바탕으로 상기 [수 12]과 같이 사용자간 채널의 직교성이 최대가 되는

명의 사용자 집합

를 결정한다. 이후 기지국은 603단계에서 상기 [수 14]와 같이 공간 다중화 빔 가중치

를 생성한다. 이후 기지국은 605단계에서

에 포함된 사용자들의 신호를 상기

로 변환한 후에 전송한다.

도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자가 채널 정보를 궤환하는 방법을 나타낸 도면이다. 사용자는 701단계에서 파일럿 신호와 같이 서로가 알고 있는 신호를 이용하여 채널을 추정한다. 이후 사용자는 703단계에서 상기 [수 1] 또는 [수 2]에 따라 채널 정보 궤환 여부를 판단한다. 채널 궤환을 할 경우에는 705단계로 진행하여 상기 [수 15]을 이용하여 채널 정보를 양자화하여 궤환하고 그렇지 않을 경우 상기 701단계로 돌아가서 상기 과정을 반복한다.

Claims

다중 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 다중 사용자의 신호를 공간 다중화하여 전송하는 기지국의 장치에 있어서,
양자화된 채널 정보를 이용하여 망의 유효 채널 용량이 최대가 되도록 시스템 변수를 결정하는 결정부와,
상기 결정부에서 정해진 시스템 변수에 따라 결정된 사용자로부터 궤환 받은 채널 정보를 이용하여 다중 송신빔을 생성하여 신호를 전송하는 전송부를 포함하고,
상기 양자화된 채널 정보를 이용하여 망의 유효 채널 용량이 최대가 되도록 시스템 변수를 결정하는 결정부는,

을 다중 송신빔 수,
를 채널 정보를 궤환하는 평균 사용자의 평균수, 그리고
를 채널 정보 양자화 비트 수라 할때,
를 시스템 변수로 정의하고,
상향 링크를 통해 궤환되는 평균 채널 정보량
에 따라 하향 링크의 채널 용량이 최대가 되는 상시 시스템 변수를 결정하고, 이에 따른 유효 채널 용량을 계산하는 과정과,
상기 평균 채널 정보량을 변화시키면서 상기 유효 채널 용량이 최대가 되는 시스템 변수를 결정하는 과정을 포함하고,
상기 결정된 시스템 변수에 따른 상기 유효 채널 용량을 하기 [수 20]에 따라 계산함으로써 상기 유효 채널 용량이 상/하향 링크 성능을 모두 고려한 것을 특징으로 하는 장치.
[수 20]

여기서
는 단위 시간(sec) 및 주파수(Hz) 당 할당된 하향링크 자원 크기를 나타내며
는 상향링크의 채널 부호화율(code rate)을 나타내며
은 상향링크의 주파수 효율을 나타낸다.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 상향 링크를 통해 궤환되는 평균 채널 정보량
에 따라 하향링크의 채널 용량이 최대가 되는 상기 시스템 변수를 결정하고, 이에 따른 유효 채널 용량을 계산하는 과정은,
주어진 평균 채널 정보량
에 대해
를 만족시키는
와
의 모든 값과
을 변화시키면서 이에 따른 하향링크의 채널 용량
를 하기 [수 16]에 따라 계산하고,
[수 16]

여기서
는 송신단의 안테나 수를,
는 사용자의 평균 SNR를 나타내며,
는
명의 사용자 중 순시 SNR이
번째로 큰 사용자의 평균 SNR로 하기 [수 17]과 같이 계산할 수 있으며,
[수 17]

여기서
는 하기 [수 18]과 같이 계산할 수 있으며,
[수 18]

여기서
을 의미한다.
이들 중 상기 하향링크의 채널 용량을 최대로 하는 시스템 변수를
를 하기 [수 19]에 따라 결정하고,
[수 19]

상기 결정된 시스템 변수에 따른 유효 채널 용량을 상기 [수 20]에 따라 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 평균 채널 정보량을 변화시키면서 유효 채널 용량이 최대가 되는 시스템 변수를 결정하는 과정은,
증가된 평균 채널 정보량
을 사용하여 얻을 수 있는 유효 채널 용량
이
보다 적은 평균 채널 정보량
을 사용하여 얻을 수 있는 유효 채널 용량
보다 적은 시스템 변수를
로 최종 결정하고, 그렇지 않은 경우 평균 채널 정보량을 증가시킨 후 상기 시스템 변수가 결정될 때까지 상기 과정을 반복하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 결정부에서 정해진 시스템 변수에 따라 결정된 사용자로부터 궤환 받은 채널 정보를 이용하여 다중 송신빔을 생성하여 신호를 전송하는 전송부는,
상기 결정된 시스템 변수 값
에 따라 전체 사용자 K명 중
명의 사용자로부터 채널 정보를 궤환 받는 과정과,
상기 궤환받은
명 사용자 채널 정보로부터 채널 조건이 가장 좋은
명의 사용자를 결정하는 과정과,
상기 결정된
명의 사용자 신호를
개의 다중 송신빔을 사용하여 공간 다중화하여 전송하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 정해진 시스템 변수 값
에 따라 전체 사용자 K명 중
명의 사용자로부터 채널 정보를 궤환 받는 과정은,
상기 결정된
에 따라 하기 [수 21] 또는 [수 22]를 만족시키는 임계값
을 결정하고,
[수 21]

[수 22]

여기서
과
는 각각 사용자
의 순시 SNR과 평균 SNR을 나타내며,
상기 [수 21]에 따라 임계값을 결정하였을 경우 하기 [수 23]를 만족하는 사용자가,
상기 [수 22]에 따라 임계값을 결정하였을 경우 하기 [수 24]를 만족하는 사용자가
비트 크기로 채널 정보를 양자화하여 기지국으로 궤환하는 것을 특징으로 하는 장치.
[수 23]

[수 24]
삭제