KR100533018B1 - 송신 다이버시티 최적화 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 송신 다이버시티 최적화 방법 및 시스템에 관한 것으로 특히, 송신 다이버시티에 적용하기 위한 신호 처리에 있어서, 각 경로의 특성을 송신 다이버시티에 적용하는 웨이트 벡터에 반영함으로써 송신 다이버시티의 성능을 향상시키도록 함을 목적으로 한다. 이러한 목적의 본 발명은 다중 경로의 각 경로에 대해 각각의 채널 행렬을 계산하는 제1 단계와, 상기 각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치들을 산출하는 제2 단계와, 각 경로의 채널 행렬에 대해 상기에서 산출된 고유치들 중 최대 고유치에 해당하는 고유벡터만을 송신 다이버시티 적용을 위한 long-term 웨이트 벡터로 기지국에 귀환시키는 제3 단계와, 상기 귀환된 웨이트 벡터 중 어떤 벡터를 송신 다이버시티 적용할 것인지를 short-term으로 기지국에 알리는 제4 단계를 수행하여 각 경로의 특성을 송신 다이버시티에 적용하도록 구성함을 특징으로 한다.

Description

송신 다이버시티 최적화 방법 및 시스템{METHOD FOR OPTIMUM TRANSMIT DIVERSITY AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로 특히, 송신 다이버시티 최적화 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 폐루프 송신 다이버시티 시스템은 기지국과 이동통신 단말기 간의 무선 채널 연결로 이루어진다.

이동통신 단말기는 기지국의 각 송신 안테나에서 전송된 신호가 겪는 채널을 상기 각 송신 안테나에서 다르게 송신되는 파일롯(pilot) 채널을 통해 추정하고 그 추정된 채널을 행렬로 구성하여 그 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유 벡터들을 기지국으로 귀환시키며 기지국은 이동통신 단말기에서 귀환된 고유 벡터들을 각 송신 안테나에 곱해서 전송하게 된다.

이러한 폐루프 송신 다이버시티 방법을 "Eigenbeamformer"라 한다.

그런데, 각 안테나에 적용할 웨이트를 이동통신 단말기에서 귀환시켜 주는 방법이므로 귀환되는 정보가 실리는 양에 한계가 있기 때문에 가급적 귀환되는 정보를 줄이는 것이 폐루프 송신 다이버시티의 관건이라고 할 수 있다.

따라서, Eigenbeamformer는 귀환 정보를 줄이기 위해 추정된 채널행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유벡터들을 long-term 웨이트 벡터로 천천히 귀환시킨 다음 이동통신 단말기에서 다시 그 고유벡터들 중 어떤 것을 사용할지를 short-term 귀환 정보로 알려주는 방법을 사용하고 있다.

즉, Eigenbeamformer은 안테나 간의 상관성 및 채널로부터 유기되는 상관성 등으로 인해 실제 기지국의 각 송신 안테나에서 이동통신 단말기까지의 각 채널에는 어느 정도의 상관이 존재하게 되고 이러한 채널 환경에서는 채널 행렬의 고유벡터들은 비교적 천천히 변한다는 성질을 이용하여 채널 행렬의 고유 벡터들을 long-term으로 천천히 전송하고 그 고유벡터들이 모두 전송되면 그 고유벡터들 중 어떤 것을 실제 전송시에 웨이트로 사용할지를 이동통신 단말기에서 short-term으로 알려주는 방법이다.

그리고, 이동통신 단말기는 상기 과정에서 어느 정도의 시간 간격을 가지고 long-term 고유 벡터들을 다시 갱신하고 다시 일정된 시간 간격 내에 그 갱신된 long-term 고유벡터들을 기지국으로 전송하여야 한다.

이때, 각 송신 안테나에서 이동통신 단말기까지의 각 채널에는 어느 정도의 상관이 크면 클수록 실제 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 얻은 고유 벡터들 중 실제 송신 다이버시티에 적용할 수 있는 고유 벡터의 수가 작아지므로 long-term으로 귀환시켜야 하는 고유벡터의 수도 작아지게 된다.

한편, 상기에서 송신 안테나 수를 'M'으로 가정할 때 이동통신 단말기에서 송신 다이버시티에 사용할 웨이트를 계산하는 과정은 다음과 같다.

우선, long-term 웨이트를 계산하는 과정을 설명하기로 한다.

일단, 기지국의 각 송신 안테나에서 다르게 전송되는 파일롯(pilot) 채널을 이용하여 각 송신 안테나에서 단말기까지의 채널을 아래의 [수학식 1]과 같이 벡터로 구성할 수 있다.

이때, n은 기지국과 단말기 간에 존재하는 다중 경로 (multipath)의 수이다.

이후, 상기에서 추정된 채널 벡터를 통해 아래의 [수학식 2]와 같이 short-term 채널 행렬을 추정하며 long-term 채널 행렬은 아래의 [수학식 3]과 같이 추정한다.

이때, 는 long-term 채널 행렬을 갱신하는 인덱스(index)이고 는 '0'과 '1' 사이의 값을 가지는 망각인자 (forgetting factor)이다.

이후, 고유치 분리를 아래의 [수학식 4]와 같이 실시한다.

이때, 는 각 고유벡터를 열로 가지는 고유벡터의 행렬이고 는 각 고유치들을 diagonal 성분으로 가지고 나머지 행렬 성분은 모두 0인 행렬을 나타낸다.

따라서, 상기와 같은 과정으로 구한 long-term 고유벡터들을 기지국으로 귀환시키게 된다.

또한, 상기와 같은 과정으로 long-term 고유벡터들을 기지국으로 귀환시킨 후 이동통신 단말기에서는 long-term 고유벡터를 이용하여 기지국에서 송신 다이버시티에 실제로 어떤 웨이트 벡터를 사용할 것인지를 아래의 과정을 실행하여 short-term으로 알려준다.

Short-term 웨이트를 계산하는 방법은 아래와 같이 2가지로 사용할 수 있다.

(1). 선택에 의한 Eigenbeamformer 방법을 설명하기로 한다.

long-term 고유벡터들 중 아래의 [수학식 5]와 같은 연산을 통해 어떤 고유벡터를 송신 다이버시티 웨이트 벡터로 사용할지를 알려준다.

즉, 이동통신 단말기에서 이미 long-term으로 귀환시킨 long-term 고유벡터 모두에 대해 상기 [수학식 5]의 연산을 수행하고 가장 연산값이 큰 고유벡터를 선택하여 그 고유벡터의 인덱스(index)를 전송한다.

예를 들어, Eigenbeamformer를 위해 사용하는 송신 안테나 수가 4개일 경우 최대 4개의 고유벡터가 존재할 수 있고 이들을 순차적으로 단말기에서 기지국으로 귀환시킨 순서대로 인덱스(index)를 알고 있다가 그 인덱스(index)만을 전송 하는 것이다.

이때, 4개의 안테나를 사용하는 경우에는 최대 4개의 고유벡터가 존재할 수 있기 때문에 2bit로 충분히 short-term 정보를 알려줄 수 있다.

(2). weighted combining를 이용한 Eigenbeamformer 방법을 설명하기로 한다.

4개 안테나를 사용하는 경우 long-term 고유벡터 들 중에서 고유치 값 중 최대값 및 2번째 최대값에 각각 해당하는 고유벡터 및 그 2개의 고유치를 long-term 고유벡터로 전송하고 이동통신 단말기에서 아래의 [수학식 6]과 같이 송신 다이버시티에 실제로 사용할 short-term 웨이트 벡터를 그 2개의 long-term 고유벡터의 조합으로 새로 만들어서 구성한다.

이때, 과 는 고유치 값 중 최대값 및 2번째 최대값을 나타내고 은 순시적으로 선택하는 위상정보이다.

따라서, 순시적인 위상 정보의 세트(set)를 이루는 각각의 정보를 하나씩 아래의 [수학식 7]에 대입하여 그 [수학식 7]의 연산값이 최대가 되는 순시값을 찾아 그 인덱스(index)를 귀환시키면 된다.

또는, long-term 고유 벡터들 중에서 고유치 중 최대값, 2번째 최대값 및 3번째 최대값에 해당하는 각각의 고유벡터 및 그 3개의 고유치를 long-term 고유벡터로 전송하고 아래의 [수학식 8]과 같이 단말기에서 송신 다이버시티에 실제로 사용할 short-term 웨이트 벡터를 그 3개의 long-term 고유 벡터의 조합으로 새로 만들어서 구성할 수도 있다.

이때, , 및 는 고유치 중 최대값, 2번째 최대값 및 3번째 최대값을 나타내고 는 순시적으로 선택하는 위상정보이다.

따라서, 순시적인 위상 정보의 세트(set)를 이루는 각각의 정보를 하나씩 아래의 [수학식 9]에 대입하여 그 [수학식 9]의 연산값이 최대가 되는 순시값을 찾아 그 인덱스(index)를 귀환시키게 된다.

그러나, 종래 기술은 eigenbeamformer 송신 다이버시티 적용을 위해 long-term 채널 행렬을 계산할 때 다중경로의 채널을 모두 합하여 하나의 long-term 채널 행렬을 계산하고 그 채널 행렬의 고유치 분리를 통해 고유 벡터를 계산하여 long-term 웨이트 벡터로 사용함으로 인해 각 경로의 특성을 독립적으로 반영할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위하여 송신 다이버시티에 적용하기 위한 신호 처리에 있어서, 각 경로의 특성을 송신 다이버시티에 적용하는 웨이트 벡터에 반영함으로써 송신 다이버시티의 성능을 향상시키도록 창안한 송신 다이버시티 최적화 방법 및 시스템을 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 다중 경로의 각 경로에 대해 각각의 채널 행렬을 계산하는 제1 단계와, 상기 각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치들을 산출하는 제2 단계와, 각 경로의 채널 행렬에 대해 상기에서 산출된 고유치들 중 최대 고유치 또는 일정레벨 이상의 고유치에 해당하는 고유벡터만을 각 경로의 채널 행렬에 대한 고유벡터로 결정하여 송신 다이버시티 적용을 위한 long-term 웨이트 벡터로 기지국에 귀환시키는 제3 단계와, 상기 귀환된 웨이트 벡터 중 어떤 벡터를 송신 다이버시티 적용할 것인지를 short-term으로 기지국에 알리는 제4 단계를 수행하여 각 경로의 특성을 송신 다이버시티에 적용하도록 구성함을 특징으로 한다.

상기 제1 단계는 각 경로의 채널을 추정하여 그 추정된 각 채널 벡터로부터 각 경로의 채널 행렬을 계산하거나 각각의 경로마다 소정 시간 간격으로 채널을 추정하여 다수의 채널 행렬을 계산한 후 각각의 경로에 대해 다수의 채널 행렬을 합하여 일정 시간의 평균을 통해 최종적으로 각 경로의 채널 행렬을 계산하도록 구성함을 특징으로 한다.

상기 제3 단계는 각 경로의 채널 행렬에 대해 최대 고유치 및 그에 해당하는 고유 벡터를 계산하여 long-term 웨이트 벡터로 귀환시키거나, 각 경로의 채널 행렬에 대해 일정레벨 이상의 고유치 및 그에 대항하는 고유 벡터를 계산하여 long-term 웨이트 벡터를 기지국에 귀환시키는 과정으로 구성함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예를 위한 시스템은 도1 및 도2의 구성도와 동일하게 구성한다.

본 발명의 실시예를 위한 기지국은 도1의 구성도에 도시된 바와 같이, 4개의 안테나(Ant1~Ant4)로 서로 다른 파일롯 신호(CPICH : Common Pilot Channel)를 전송하기 위한 송신 블록(110)과, 상기 송신 블록(110)에서 파일롯 신호를 전송한 후 이동통신 단말기로부터 귀환된 다중경로에 대한 고유벡터를 처리하여 상기 4개의 안테나(Ant1~Ant4)에 적용할 각각의 웨이트를 생성하는 웨이트 산출 블록(120)을 구비하여 구성한다.

상기 송신 블록(110)은 각 안테나(Ant1~Ant4)에 송신 다이버시티 적용을 위한 웨이트를 곱하기 위한 회로 부분을 구비하여 구성한다.

본 발명의 실시예를 위한 이동통신 단말기는 도2의 구성도에 도시한 바와 같이, 기지국으로부터 전송된 파일롯 신호를 수신하여 다중 경로 각각의 채널 행렬을 따로 추정하여 각각의 고유치를 분리하고 각 경로의 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 최대 고유벡터만을 기지국으로 귀환시키기 위한 고유벡터 귀환 블록(200)을 구비하여 구성한다.

여기서, 귀환 정보를 실어 나르기 위한 FBI 필드는 항상 일정한 크기의 파워로 전송된다

이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서 고유벡터 귀환 블록(200)은 각 다중 경로에 대해 따로 고유치 분리를 실시하여 각 다중 경로 각각에 대해 고유 벡터를 구성하여 long-term 고유 벡터로 사용하고 그 long-term 고유벡터들 자체 또는 그 고유벡터들의 조합으로 short-term 웨이트 벡터를 구성하게 된다.

즉, 고유벡터 귀환 블록(200)은 다중 경로 각각에 대하여 long-term 채널 행렬을 추정한 후 각 경로의 long-term 채널 행렬 각각에 대해 고유치 분리를 실시하여 판별한 각 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유벡터를 각 경로의 long-term 고유벡터로서 기지국의 웨이트 산출 블록(120)으로 귀환시키게 된다.

우선, 본 발명의 실시예에서 long-term 웨이트를 계산하는 과정을 설명하기로 한다.

일단, N개의 경로라고 가정할 때 각각의 경로에 대하여 아래의 [수학식 10]과 같이 short-term 채널 행렬을 계산한다.

또는, 각 경로의 short-term 채널 행렬을 일정 시간동안의 평균을 통해 아래의 [수학식 11]과 같이 구성할 수도 있다. 이 때, K는 평균을 취하는 시간 간격을 k는 snapshot을 나타낸다.

이후, 상기와 같은 과정으로 short-term 채널 행렬을 구한 다음 아래의 [수학식 12]와 같은 연산에 의해 각 경로에 대한 각각의 long-term 채널 행렬을 구한다.

따라서, 상기와 같은 과정으로 long-term 채널 행렬을 구한 다음 그 각각의 채널 행렬에 대해 고유치 분리를 실시해서 각 채널 행렬의 고유치 값들 중 최대값에 해당하는 고유벡터만을 각 경로의 채널 행렬의 long-term 고유벡터로 사용한다.

즉, 각 채널 행렬의 최대 고유치들을 라 하고 그 최대 고유치들에 해당하는 고유벡터들을 라 하면 각 경로에 대해 최대값을 갖는 채널 행렬의 고유벡터는 아래의 [수학식 13]과 같이 표현할 수 있다.

이에 따라, 상기와 같이 계산된 고유벡터들()을 모두 송신 다이버시티 적용을 위한 long-term 웨이트 벡터로 귀환시키거나 고유치들 중 특정 값 이상이 되는 고유치에 해당하는 고유벡터만을 귀환시킬 수도 있다.

또한, 상기와 같은 과정으로 long-term 고유벡터들을 기지국으로 귀환시킨 후 이동통신 단말기에서는 long-term 고유벡터를 이용하여 기지국에서 송신 다이버시티에 실제로 어떤 웨이트 벡터를 사용할 것인지를 아래의 과정을 실행하여 short-term으로 알려준다.

본 발명의 실시예에서 short-term 웨이트를 선택하는 방법은 종래와 마찬가지로 2가지 방법을 사용할 수 있다.

(1). 선택에 의한 Eigenbeamformer 방법을 설명하기로 한다.

실제 송신 다이버시티에 적용할 short-term 웨이트는 long-term으로 귀환된 고유벡터들 중 아래의 [수학식 14]와 같은 연산에 의해 그 값이 최대가 되는 고유벡터를 선택하여 그 인덱스(index)만을 전송한다.

(2). weighted combining를 이용한 Eigenbeamformer 방법을 설명하기로 한다.

4개 안테나를 사용하는 경우 long-term 고유벡터 들 중에서 고유치 값 중 최대값 및 2번째 최대값에 해당하는 각각의 고유벡터 및 그 2개의 고유치를 long-term 고유벡터로 전송하고 이동통신 단말기에서 아래의 [수학식 15]와 같이 송신 다이버시티에 실제로 사용할 short-term 웨이트 벡터를 그 2개의 long-term 고유벡터의 조합으로 새로 만들어서 기지국으로 귀환시키게 된다.

이때, 과 는 고유치 값 중 최대값 및 2번째 최대값을 나타내고 은 순시적으로 선택하는 위상정보이다.

따라서, 순시적인 위상 정보의 세트(set)를 이루는 각각의 정보를 하나씩 아래의 [수학식 7]에 대입하여 그 [수학식 16]의 연산값이 최대가 되는 순시값을 찾아 그 인덱스(index)를 귀환시키게 된다.

또는, long-term 고유 벡터들 중에서 고유치 값 중 최대값, 2번째 최대값 및 3번째 최대값에 각각 해당하는 고유벡터 및 그 3개의 고유치를 long-term 고유벡터로 전송하고 이동통신 단말기에서 아래의 [수학식 17]과 같이 송신 다이버시티에 실제로 사용할 short-term 웨이트 벡터를 그 3개의 long-term 고유 벡터의 조합으로 새로 만들어서 구성할 수도 있다.

이때, , 및 는 고유치 중 최대값, 2번째 최대값 및 3번째 최대값을 나타내고 는 순시적으로 선택하는 위상정보이다.

따라서, 순시적인 위상 정보의 세트(set)를 이루는 각각의 정보를 하나씩 아래의 [수학식 9]에 대입하여 그 [수학식 18]의 연산값이 최대가 되는 순시값을 찾아 그 인덱스(index)를 귀환시키게 된다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 각 경로의 long-term 채널 행렬을 따로 구하여 각 경로의 채널 행렬들의 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터를 long-term 웨이트 벡터로 사용함으로써 각 경로의 특성을 독립적으로 반영하여 송신 다이버시티 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 실시예를 위한 기지국의 구성도.

도2는 본 발명의 실시예를 위한 이동통신 단말기의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

110 : 송신 블록 120 : 웨이트 산출 블록

200 : 고유벡터 귀환 블록

Claims (8)

1. 다중 경로의 각 경로에 대해 각각의 채널 행렬을 계산하는 제1 단계와,

   상기 각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치들을 산출하는 제2 단계와,

   각 경로의 채널 행렬에 대해 상기에서 산출된 고유치들 중 특정 고유치에 해당하는 고유벡터만을 long-term 웨이트 벡터로 선택하여 그 고유벡터의 인덱스와 함께 기지국에 귀환시키는 제3 단계를 수행하여

   각 경로의 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유벡터만을 송신 다이버시티에 적용하도록 구성함을 특징으로 하는 송신 다이버시티 최적화 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 제3 단계는

   각 경로의 채널 행렬에 대해 최대 고유치 및 그에 해당하는 고유 벡터를 계산하는 제1 과정과,

   각 채널 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유 벡터를 long-term 웨이트 벡터로 계산하여 귀환시키는 제2 과정과,

   상기에서 귀환된 고유벡터들 중 최대 고유치에 해당하는 고유벡터의 인덱스를 기지국으로 귀환시키는 제3 과정을 수행하여

   상기 인덱스에 해당하는 웨이트 벡터를 실제 송신 다이버시티 적용을 위한 웨이트 벡터로 사용하도록 구성함을 특징으로 하는 송신 다이버시티 최적화 방법.
6. 제1항에 있어서, 제3 단계는

   각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치 및 그에 해당하는 고유 벡터를 계산하는 제1 과정과,

   각 채널 행렬의 특정 레벨 이상의 고유치에 해당하는 고유 벡터를 long-term 웨이트 벡터로 계산하여 귀환시키는 제2 과정과,

   상기에서 귀환시킨 long-term 웨이트 벡터의 조합하여 웨이트 벡터를 생성하고 그 웨이트 벡터가 최대가 되는 인덱스를 기지국으로 귀환시키는 제3 과정을 수행하여

   상기 인덱스에 해당하는 웨이트 벡터를 실제 송신 다이버시티 적용을 위한 웨이트 벡터로 사용하도록 구성함을 특징으로 하는 송신 다이버시티 최적화 방법.
7. 다수의 전송 신호에 각각의 고유 벡터를 곱하여 다수의 안테나 각각으로 전송하는 송신단과,

   다중 경로의 각 경로에 대해 각각의 채널 행렬을 계산하는 수단과, 상기 각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치들을 산출하는 수단과, 각 경로의 채널 행렬에 대해 상기에서 산출된 고유치들 중 최대 고유치에 해당하는 고유벡터를 각 경로의 채널 행렬의 long-term 웨이트 벡터로 결정하여 이를 지시하는 인덱스와 함께 송신단으로 귀환시키는 수단으로 이루어지는 수신단을 구비하여 구성함을 특징으로 하는 송신 다이버시티 최적화 시스템.
8. 다수의 전송 신호에 각각의 고유 벡터를 곱하여 다수의 안테나 각각으로 전송하는 송신단과,

   다중 경로의 각 경로에 대해 각각의 채널 행렬을 계산하는 수단과, 상기 각 경로의 채널 행렬에 대해 고유치들을 산출하는 수단과, 상기에서 산출된 고유치들 중 특정레벨 이상의 고유치에 해당하는 고유벡터만을 송신 다이버시티에 적용하기 위한 long-term 웨이트 벡터로 결정하여 상기 결정된 웨이트 벡터의 조합에 따른 웨이트 벡터가 최대가 되는 인덱스와 함께 송신단으로 귀환시키는 수단으로 이루어지는 수신단을 구비하여 구성함을 특징으로 하는 송신 다이버시티 최적화 시스템.