KR100846342B1 - 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송ㆍ수신기 및송ㆍ수신방법 - Google Patents

다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송ㆍ수신기 및송ㆍ수신방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송ㆍ수신기 및 송ㆍ수신방법에 관한 것이며, 특히 송신기에서 송신기 필터를 개선된 방법으로 계산하고, 계산한 송신기 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 수신기로 전송하는 송신 장치 및 방법과 상기 송신기 필터를 채널을 통하여(through) 수신하고 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용하는 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
다중 안테나, 다중 사용자, 공간 다중화, 송신기 필터, 수신기 필터

Description

다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송ㆍ수신기 및 송ㆍ수신방법 {APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING IN MULTIUSER MULTIPLE ANTENNA COMMUNICATION SYSTEMS}
도 1은 다수개의 송신안테나를 가지는 송신기와 다수개의 수신안테나를 가지는 다수의 수신기 사이의 통신을 나타내는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 다수개의 송신안테나를 가지는 송신기와 다수개의 수신안테나를 가지는 다수의 수신기 사이의 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템에서 송신기가 송신 기 필터를 사용하고, 수신기가 수신기 필터를 사용하는 구성을 나타내는 도면.
도 3은 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 알고리즘에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프.
도 4 및 도 4B는 본 발명에 따른 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신기와 수신기 사이의 통신과정을 나타내는 흐름도.
도 5A 및 도 5B는 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신절차를 나타내는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 안테나 수에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 신호대잡음비(SNR)에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송ㆍ수신기 및 송ㆍ수신 방법에 관한 것이며, 특히 송신기에서 송신기 필터를 개선된 방법으로 계산하고, 계산한 송신기 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 수신기로 전송하는 송신 장치 및 방법과 상기 송신기 필터를 채널을 통하여 수신하고 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용하는 수신 장치 및 방법에 관한 것이다.
다중 송신 다중 수신(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 채널에 대하여는 10년 이상 연구되어 왔으며, 최근에는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템에 대한 연구도 진행되고 있다. 다중 사용자 다중 안테나 통신에 대한 연구들은 송신기에 다중 안테나들을 사용하는 경우에 주파수 효율(spectral efficiency)이 증가하며, 수신기들에도 다중 안테나들을 갖출 때는 주파수 효율이 더욱 증가하는 점을 다중 사용자 통신시스템에 이용하고자 하는 것이다.
MIMO 통신 시스템은 송신기와 단일 사용자(single-user)사이에서 멀티 링크(link)가 형성되어 주파수 효율(spectral efficiency)이 증가되는 기술이다. 즉, MIMO 통신에서는 채널의 자원{부반송파(subcarrier), 확장 부호(spreading code), 셀 섹터(cell sector) 등}에 대해, 동시에 주어진 자원을 할당받는 것은 하나의 사용자인 경우이다. 즉, 일정시점에서(at a time) 독립적인 데이터 흐름 (independent data streams)인 MIMO 링크는 송신기와 하나의 수신기 사이에만 존재한다. 그러나 다중 사용자 다중 안테나 통신은 여러 사용자들(단말기들)이 동시에(simultaneously) 같은 자원(same resource)에 접근하는 것을 허용하는 것이며, 일정시점에서 독립적인 데이터 흐름이 송신기와 다수의 수신기 사이에서 이루어진다. 여기서 사용하는 다중처리 방식을 다중 사용자 공간 다중화(multiuser spatial multiplexing)라고 한다.
도 1은 다수개의 송신안테나를 가지는 송신기와 다수개의 수신안테나를 가지는 다수의 수신기 사이의 통신을 나타내는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템을 나타내는 도면이다. 즉, 기지국의 송신기(110)가 N개의 안테나를 갖추고, 다수 개의 안테나들을 갖춘 K명의 사용자 수신기(110, 120, 130)와 통신하는 시스템을 보여준다. 송신기는 동시에(simultaneously) 이들 사용자 다수에게 다중사용자 공간 다중화 방식에 의해 독립적인 데이터 흐름을 전송한다.
다중 사용자 다중 안테나 통신의 일예인 MIMO 방송 채널(broadcast channel)은 기지국(송신기)이 다중 송신 안테나를 갖춘 셀룰러 네트워크의 다운링크(downlink) 채널이다. 셀룰러 시스템에서 MIMO 방송 채널에 대한 이론적 연구(M. Costa, "Writing on dirty paper," IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 29, No. 3; pp. 439??441, May 1983)가 있으나, 이러한 연구는 송신기와 모든 사용자의 수신기가 모든 사용자들의 채널을 정확히 알고 있다는 것을 가정하는 것으로 현실적이지 못하다. 또한, 비선형 선부호화(non-linear precoding) 기술들을 사용하여야 하는데 복잡도가 지나치게 크다는 문제가 있다.
도 2는 다수개의 송신안테나를 가지는 송신기와 다수개의 수신안테나를 가지는 다수의 수신기 사이의 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템에서 송신기가 송신 기 필터를 사용하고, 수신기가 수신기 필터를 사용하는 구성을 나타내는 도면이다. 실제 통신에서는 송신기는 송신기 필터를 가지며, 수신기들은 수신기 필터를 사용한다. 송신기의 공간 다중 송신 필터부(210, 220, 230)는 송신기 필터(M1,Mk...Mn)를 포함하며, 수신기들 각각은 수신기 필터(W1,Wk...Wn)를 포함하는 공간 다중 수신 필터부(240, 250, 260)를 가진다.
Choi 등이 제안한 다중사용자 공간 다중화 방식은 누군가가(some entity)(어느 단말기가) 모든 사용자(단말기)의 채널 매트릭스들을 알고, 이들을 이용하여 통신을 최적화하는 송신기 필터와 수신기 필터의 계산(computation)을 수행할 수 있다고 가정하며, 계산한 다음에 송신기가 모든 사용자들과 데이터 전송을 시작할 수 있다고 가정 한다 ( Lai-U Choi and Ross D. Murch, "A Transmit Preprocessing Technique for Multiuser MIMO Systems Using a Decomposition Approach", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2, No. 4, pp. 773-786, July 2003 ).
그러나 이 제안은 어디에서 이러한 계산이 수행될 수 있는지, 또한 어떻게 필터들의 정보(knowledge)가 송신기와 수신기들에게 전송될 수 있는지에 대해 언급이 없다. 여기에서 송신기와 수신기들 사이의 각각의 채널 매트릭스들 모두에 대한 정보(knowledge)를 수신기가 이용 가능한(available) 경우를 포괄 채널 정보(global channel knowledge)라 하는데, 이 또한 실제 시스템에서는 가능하지 않다는 문제가 있다.
도 3은 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 알고리즘에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프이다. 여기에서 로컬(local) 채널상태정보(CSI; Channel State Information)는 수신기들이 자신의 채널(매트릭스)만을 알고 있는 경우이며(현실적인 경우임), 포괄(global) 채널상태정보(CSI; Channel State Information)는 수신기들이 수신기들 전체의 채널 매트릭스를 인지하는 경우(비현실적인 경우임)를 의미한다. 일부 채널 상태 정보(partial channel state information)는 송신기가 신호대잡음비(SNR)와 같이 채널 상태정보를 나타내는 일정한 측정값(some measure of channel quality)을 사용하는 경우이고, 완전 채널 상태 정보(complete channel state information)는 송신기가 채널 상태 정보의 복소(complex) 엔트리 자체를 사용하는 경우를 의미한다.
도 3을 참조하여 보면, 단일 사용자(single-user closed loop: local CSI, complete CSI인 경우)에 전송하는 방법은 4개의 송신 안테나, 4명의 사용자 및 4개의 수신 안테나를 가진 다중 사용자 통신 시스템의 이론적 최대 전송율인 섬-캐퍼시티(Sum-capacity: 비선형 선부호화 방법을 사용하고, global CSI, complete CSI인 경우)로부터 4.6 bits/sec/Hz 만큼 떨어져 있음을 알 수 있다. 또한, 도시하지 는 않자만 사용자들에게 다중으로 전송하지만 송신기에서 일부(partial) 채널 상태 정보를 사용하거나 수신기에서 로컬(local) 채널 정보를 사용하는 경우에는 주파수 효율이 떨어진다.
도 3에 나타나 있는 또 다른 제안으로 공동 빔형성 알고리즘(Coordinated Beamforming algorithm; global CSI, complete CSI 인 경우)이 있다. 이 방법은 섬-캐퍼시티로부터 0.7 bits/sec/Hz 만큼 떨어져 있다. 공동 빔 형성(Coordinated Beamforming)에서 각각의 사용자에게 하나의 레이어를 보내는 경우는 단지 하나의 레이어를 각각의 사용자에 보냄으로써, 수신기 필터들에 대한 정보를 사용자들에게 전달하는 효과적인 방법을 설계할 수 있다 (B. Farhang-Boroujeny, Q. Spencer and L. Swindlehurst, "Layering Techniques for Space-Time Communication in Multi-User Networks,"in Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference (VTC'03 Fall), Orlando, FL, October 6 - 9, 2003, Vol. 2, pp. 1339-1343).
이하에서 이 공동 빔형성 알고리즘에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 송신기와 수신기 필터들을 계산하는 알고리즘은 아래와 같다.
계산 단계
행렬 A에서, Ai는 A의 i번째 열(column)이다. 행렬 A를 단일 값 분해(SVD: singular value decomposition)하면 A=UDV * 이다. 여기서 U와 V는 단일(unitary) 행렬들이고 D는 대각선 요소들이 내림차순으로 정렬된 A의 단일 값이다. 행렬 A의 주된(principal) 좌측(left) 단일 벡터는 U1로 표시되며 행렬 U의 첫 번째 열이다.
여기에서는 기지국이 완전(complete) 채널 상태 정보를 가지고 있다고 가정하고 다음의 계산을 수행한다.
초기화(initialization)
Figure 112006074694853-pat00001
반복(Repeat times):
효율적인 채널 백터 계산
Figure 112006074694853-pat00002
송신기와 수신기 필터의 갱신
Figure 112006074694853-pat00003
반복 종료(end of iterations)
여기에서 SVD는 단일 값 분해(Singular Value Decomposition), D는 다이어고널(diagonal) 매트릭스, U와 V는 유니터리(unitary) 매트릭스를 나타낸다. Heff,k 는 k 사용자의 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Hstacked,k 는 k 사용자이외의 다른 모든 사용자 수신기들의 유효채널을 나타낸다. Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 필터 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 필터 매트릭스, Vk,n 은 Hstacked,k 의 널 스페이스(null space)에 위치하는 싱귤러 벡터(singular vector)이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
이 알고리즘이 반복되어 수렴(convergence)되면, 수신기 필터가 채널에 포함되어 있는 유효 채널 매트릭스(effective channel matrix)를 기반으로 송신기에서 각각의 사용자에 대하여 제로-포싱(zero-forcing) 빔형성(beamforming)을 수행한다.
위 알고리즘에서 표시하지는 않았지만 Mk로부터 Wk 를 구하는 과정에 SVD가 또 한 번 사용된다. 따라서 이 알고리즘은 송신기 필터와 수신기 필터를 계산하는 단계에서 각각의 사용자에 대해 단일 값 분해(SVD)를 두 번 수행하고, 초기화 단계에서 SVD를 한 번 수행하므로 복잡도가 문제가 된다.
또한, 이 알고리즘에서 기지국은 N 명의 사용자들 각각을 위한 최적의 송신기 필터와 수신기 필터들을 알고 있으나 사용자들은 이들 필터들을 알지 못한다. 그러나 이 알고리즘은 수신기들에게 최적 수신기 필터를 알 수 있게 하는 기술에 대한 언급이 없으므로, 수신기에게 수신 필터를 알려주는 방법을 제공할 필요가 있다.
따라서 송신기 필터를 계산하는 개선된 단순한 방법을 제공하고, 수신기가 수신기 필터를 용이하게 구할 수 있도록 하는 개선된 방법을 제공하는 다중 안테나 통신 시스템의 송신 장치 및 방법의 제공이 필요하다. 또한, 송신기에서 개선된 방법으로 계산한 송신필터를 효율적으로 전송받는 다중 안테나 통신 시스템의 수신 장치 및 방법의 제공이 필요하다. 결국, 수신기가 다른 수신기들의 채널을 알지 못하는 경우에도 실현 가능하고, 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있는 주파수 효율이 높은 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신 장치 및 방법과 수신 장치 및 방법이 요구된다.
따라서 본 발명의 목적은 개선된 방법으로 송신기 필터 계산하는 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 및 송신 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 방법으로 계산한 송신기 필터를 개선된 방법으로 수신기로 전송하는 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 및 송신 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 또 다른 목적은 송신기가 개선된 방법으로 계산한 송신기 필터를 송신기로부터 수신하고, 이를 이용하여 수신기 필터를 계산하는 다중 안테나 통신 시스템의 수신기 및 수신 방법을 제공하고자 한다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 송신기 필터를 계산하고 계산한 상기 송신기 필터를 출력하는 공간 다중 송신 필터부 및 상기 공간 다중 송신 필터부로부터의 송신기 필터를 전송하는 다수의 안테나를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 송신기로부터의 송신기 필터를 수신하는 하나 이상의 안테나 및 상기 안테나를 통하여 수신한 상기 송신기 필터를 이용하여 수신기 필터를 계산하여 상기 송신기와의 데이터 통신에 사용하게 하는 공간 다중 수신 필터부를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신기를 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 송신기 필터를 계산하고, 계산한 상기 송신기 필터를 출력하는 공간 다중 송신 필터부 동작단계 및 상기 송신기 필터를 전송하는 다수의 안테나를 통하여 전송하는 단계를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 송신기로부터의 송신기 필터를 하나 이상의 안테나를 통해 수신하는 단계 및 상기 안테나를 통하여 수신한 상기 송신기 필터를 이용하여 수신기 필터를 계산하여 상기 송신기와의 데이터 통신에 사용하게 하는 공간 다중 수신 필터 단계를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법을 제공한다.
이외에 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다양한 실시 예들의 구현이 가능하 다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 송신기에서 송신기 필터를 개선된 방법으로 계산하고, 계산한 송신기 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 수신기로 전송하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기 및 송신 방법과 상기 송신기 필터를 를 채널을 통하여(through) 수신하고 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신기 및 수신 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 송신기가 수신기로의 다운링크 채널 상태 정보를 알고 있는 통신 시스템을 전제로 한다. 구체적으로는 기지국 송신기가 업링크(uplink) 채널을 추정하여 다운링크(downlink) 채널의 정보를 얻을 수 있는 시간 분할 듀플렉싱(TDD: Time-Division Duplexing) 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템을 예로 들어 설명한다.
도 1에 나타나는 바와 같이, 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템에서 기지국의 송신기가 N 개의 송신 안테나를 가지고, 다수의 사용자 중에서 사용자 k(130)의 수신기가 안테나 N k 개를 가지는 경우를 고려한다. 송신기와 사용자 k 사이의 채널은 N k X N 의 복소 엔트리(complex entries)를 가지는 행렬(매트릭스) H k 로 표현된다. 다운링크와 업링크 프레임 기간에 비하여 채널의 변화가 느린 경우에는 채널은 몇 프레임 동안에 일정하며 다운 링크와 업 링크에서 동일하다고 할 수 있다. 이 경우 기지국과 사용자들은 동일한 채널을 추정한다. 기지국은 사용자 수신기가 전송한 데이터 또는 업링크 사운딩 파일럿을 사용하여 기지국 송신기와 수신기들 사이의 모든 채널 행렬들 H k , k=1,... k, 를 추정할 수 있다. 다른 방법으로는 사용자 수신기 k는 행렬 H k 를 추정할 수 있고, 추정한 H k 를 기지국 송신기에 전송한다. 송신기와 수신기에서 채널 추정은 공지의 방법에 따라 수행한다.
기지국으로부터 하나의 레이어(layer)가 송신기 안테나 수와 동일한 N 개의 사용자 각각에게 보내진다. 이러한 송신 모형은 도 2에서 보여 진다. 사용자를 선택하는 것은 스케쥴링 알고리즘에 의해 선택된다. 주파수, 시간, 공간을 할당하는 스케쥴링 알고리즘은 작업량, 지연, QoS(Quality of Service) 등과 같은 요소를 고려하며, 전송효율을 최대화하기 위한 방법을 사용한다. 이러한 스케쥴링 알고리즘은 기존에 알져진 방법을 사용할 수 있으며, 이 알고리즘을 구현하는 스케쥴러(scheduler)는 도 1의 공간 다중 송신 필터부(210, 220, 230) 이전에 위치한다.
N 명의 사용자에 대한 스케쥴링이 수행된 다음에는 송신기에서 계산 단계가 수행된다.
계산 단계(computation phase)
사용자 각각에 하나의 레이어를 전송하는 경우에 복잡도를 감소시키기 위하여 간단하게 송신기 필터 M k ,를 계산하는 방법을 사용한다. 본 발명은 유효(effective) 채널 매트릭스의 의사반전(pseudo-inversion)에 의해 N 사용자에 대해 N 개의 송신기 필터들을 동시에 얻을 수 있다. 이렇게 함으로써 수신기마다 각 반복(iteration) 단계에서 2번씩 있어야 하는 디지털 신호 프로세서 상에(on) 구현되는 복잡한 작업인 단일 값 분해(SVD)를 피할 수 있어 계산을 단순화할 수 있다.
또한, 각 수신기마다 초기화에 필요한 SVD는 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vector)로 설정(setting)함으로써 피할 수 있다.
알고리즘의 복잡도 감소는 다음의 두 방법을 사용함으로써 가능하다 . 첫 번째 방법은 K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vector)로 설정하는 방법이다. 두 번째는 현재의 수신기 필터를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 현재의 수신기 필터와 채널 매트릭스를 이용하여 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계, k 사용자 각각에 대한 수신기 필터를 각각의 사용자의 채널 매트릭스와 현재의 송신기 필터를 곱하여 구하는 단계 및 이의 정규화 단계를 Ni번 반복함으로써 가능하다.
본 발명에 따라 복잡도를 감소시킨 알고리즘은 아래와 같다.
초기화(Initialization)
Figure 112006074694853-pat00004
반복회수 Ni (Repeat times):
Define
Figure 112006074694853-pat00005
Compute
Figure 112006074694853-pat00006
Figure 112006074694853-pat00007
반복 종료(end of iterations)
여기에서 Hk 는 k 수신기의 채널 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스, H† eff 는 유효(effective) 채널 매트릭스 Heff 의 의사반전(pseudo-inversion) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, 여기에서 T는 트랜스포 즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
다른 계산 방법도 있다. 이 방법은 송신기 필터의 초기 값을
Figure 112006074694853-pat00008
로 설정한다. 여기에서
Figure 112006074694853-pat00009
은 모든 엔트리가 1인 길이 N의 열 벡터(column vector)이다. 초기 값은 최적화되지 않았지만, 성능은 임의의 초기 값과 동일하기 때문에 고정된 초기 값을 설정하는 것이 더 용이하고 성능은 이전의 방법과 동등하다. 이 알고리즘은 아래에 요약된다.
이 알고리즘의 복잡도 감소는 다음의 방법들을 사용함으로써 가능하다 . 첫 번째 방법은 K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를
Figure 112006074694853-pat00010
설정하고, K 사용자 각각에 대해, 사용자 k의 채널 매트릭스의 트랜스포즈 컨주게이트 매트릭스를 채널 매트릭스에 곱한 초기화 매트릭스를 구한다. 두 번째로는 현재의 송신기 필터와 초기화 매트릭스를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계를 Ni번 반복한다.
세 번째로는 k 사용자 각각에 대한 송신기 필터를 정규화하고, 각각의 사용자 k에 대하여 사용자의 채널 매트릭스와 송신기 필터를 곱하여 수신기 필터를 계산하고, 이를 정규화한다.
초기화(Initialization)
Figure 112006074694853-pat00011
Figure 112006074694853-pat00012
번 반복(Repeat
Figure 112006074694853-pat00013
times):
Figure 112006074694853-pat00014
Figure 112006074694853-pat00015
반복 종료(end of iterations)
마지막으로 수신기 필터들을 정규화한다.
Figure 112006074694853-pat00016
종료(end)
여기에서 Hk 는 채널 매트릭스,
Figure 112006074694853-pat00017
는 수정된 매치 채널(modified matched channel) 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
채널 행렬들이 시간에 따라 변화하기 때문에 이 알고리즘을 송신기 필터들을 일정하게 갱신하는 절차로 사용할 수 있다. 초기화에 대한 계산이 간편한 것은 장점이며, 채널 변화가 충분히 느리다면 단지 몇 번의 반복만으로 시간에 따른 성능 유지가 가능하다. 이 알고리즘은 송신기 필터 계산뿐만 아니라 수신기 필터 계산에도 단일 값 분해(SVD)를 필요로 하지 않는다는 점에서 주목할 만하며, 단일 사용자 폐쇄 루프(closed loop) MIMO 전송보다도 필터 계산 복잡도가 낮다. 더욱이, 단일 사용자 개방 루프(open loop) 레이어 전송에 비하여, 수신기 구조가 모든 사용자에 대해 더욱 단순하다. 전송 효율은 단일 사용자의 경우보다 훨씬 더 크다.
트레이닝 단계(training phase)
본 발명은 위와 같이 송신기에서 계산한 송신기 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 수신기로 전송하여, 수신기가 채널을 통하여(through) 상기 송신기 필터를 수신하고 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용한다(송신기에서 계산한 수신기 필터를 수신기로 전송하는 것이 아니라). 따라서 수신기에서는 수신기 필터를 구하기 위한 채널추정이 필요하지 않다. 여기에서 원-웨이 채널 사운딩(one-way channel sounding) 방법[으]을 사용하여 송신기 필터를 수신기로 전송한다. 원-웨이 채널 사운딩(one-way channel sounding) 방법은 기지국 송신기에서 수신기로의 다운링크(downlink)의 심볼(에를 들어 파일럿 신호)을 사용하여 송신기와 수신기 사이에 약속된 시퀀스(예를 들어 [1111])(신호)에 송신기 필터를 곱하여 수신기로 전송하는 방법이다. 다른 방법으로, 송신기는 이미 알고 있는 열(known-sequence)(예를 들어 파일럿 신호)를 송신기의 송신기 필터를 통하여 전송하며, 수신기는 송신기 필터 및 다운링크 채널를 통하여 전달된 이미 알고 있는 열을 수신한다(송신기 필터와 다운링크 채널의 곱).
본 발명은 위에서 언급한 바와 같이 사용자들의 수신기에 수신기 필터를 전달하는 대신에, 송신기 필터를 전송하고, 채널을 통과한 이후에 수신기가 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용하여 수신한 데이터들을 디코딩한다.
본 발명에서는 아래에 나타나는 사용자 k에 대한 최적의 송신기 필터와 수신기 필터의 연관 특성을 이용하여 정규화 한다.
Figure 112006074694853-pat00018
여기에서 a k 는 정규화(normalization) 변수(parameter)이다.
사용자 k에 대한 파일럿 신호가 부반송파 k로(on) 전송되고, 이 때 채널 행렬이 몇 개의 부반송파들에 대해(over several subcarriers) 일정하다. 이는 부반 송파에 의해 전달된 주파수 대역이 채널의 코히런스 대역폭(coherence bandwidth)보다 더 작은 경우이다. 기지국에 의해 전송된 파일럿 신호는 사용자 k와 약속된 시퀀스(신호)를 빔형성 함으로써 보여 질 수 있다. 여기에서는 예를 들어 약속된 시퀀스(신호)는 전력 Pt 를 가지고 전송된 [1]이다. 물론, 약속된 시퀀스는 다른 것도 가능하다. 송신기 빔형성 벡터는 사용자 k를 위한 송신기 필터이다.
즉, 부반송파 k로(on) 사용자 k에 보낸 파일럿 신호는,
Figure 112006074694853-pat00019
부반송파 k로(on) 사용자 k에 의해 수신된 신호는,
Figure 112006074694853-pat00020
여기에서 w k 는 N k X 1 의 백색잡음(AWGN; Additive White Gaussian Noise) 벡터이다.
수신된 신호를 다시 쓰면
Figure 112006074694853-pat00021
로 쓸 수 있다.
다음에는
Figure 112006074694853-pat00022
이다.
이 수신된 벡터를 정규화하고 수신기 필터의 추정으로써 사용한다.
Figure 112006074694853-pat00023
다시 쓰면,
Figure 112006074694853-pat00024
로 쓸 수 있다.
여기에서 Hk 는 k 사용자의 수신기와 송신기 사이의 채널, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, Pt 는 송신전력, Vk,n 은 Hstacked,k 의 널 스페이스(null space)에 위치하는 싱귤러 벡터(singular vector)이다.
잡음이 없는 경우 또는 파일럿 신호의 전력이 큰 값으로 증가할 때는
Figure 112006074694853-pat00025
이 된다.
파일럿 트레이닝 절차의 성격(nature)상 사용자들은 실제로
Figure 112006074694853-pat00026
복소 계수(complex coefficients)로 구성하는 자신의 채널 행렬을 추정하는 것이 필요하지 않다. 대신에
Figure 112006074694853-pat00027
(수신기 안테나 수) 복소 계수 각각을 추정하는 것만이 필요하다. 이러한 특징들은 채널 추정에 있어 적은 파일럿이 필요하기 때문에 수신기의 복잡도를 감소하도록 하고 시스템의 대역폭 효용을 증가하도록 한다.
이들 파일럿 신호들은 데이터 패킷의 일부로써 프레임의 프리앰블로 또는 데이터 패킷의 일부로 사용자들에게 전송될 수 있다. 파일럿 신호들은 전용(dedicated) 채널 또는 공용 제어(common control) 채널들을 통하여 전송하는 것이 가능하다.
이러한 본 발명은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) TDD(Time Division Duplexing) 기반의 다중사용자 MIMO 채널 시스템에 용이하게 적용가능하다.
도 4A와 도4B는 본 발명에 따른 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신기와 수신기 사이의 통신과정을 나타내는 흐름도이다. 도4A를 보면, 먼저 송신기에서 어느 사용자에게 데이터를 전송할 것인 가를 결정하는 스케쥴링과 필요한 적응적 변조 및 부호화(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 등을 수행한다(410). 다음에는 송신기는 본 발명에 따라 개선된 방법으로 송신기 필터를 계산한다(420). 송신기는 계산한 송신기 필터를 수신기로 본 발명에 따른 원-웨이 사운딩(one-way sounding) 방법으로 전송한다(430). 구체적으로는 송신기의 공간 다중 송신 필터부(210, 220, 230)에서 송신기 필터를 계산한다. 이 단계는 표시하지 않았지만 수신기들(240, 250, 260, 270)에서는 전송받은 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용한다. 수신기는 아래의 <수학식>에 의해 수신기 필터를 정규화 하여 사용한다. 구체적으로는 수신기들 각각이 구비하는 공간 다중 수신 필터부(240, 250, 260)에서 이러한 정규화가 이루어진다.
Figure 112006074694853-pat00028
다음에는 송신기로부터 수신기로 데이터 통신이 이루어진다(440). 수신기는 수신한 데이터를 위의 수신기필터를 사용하여 디코딩한다. 일정한 시간이 경과된 후에는 송신기에서는 송신기 필터에 대한 업데이트(update)가 이루어지고 원-웨이 사운딩(one-way sounding) 방법으로 업데이트한 송신기 필터를 수신기로 전송한다(450). 수신기에서는 전송받은 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 정규화 하여 수신기 필터로 사용한다. 다음에는 송신기로부터 수신기로 다운링크 데이터 통신이 이루어진다(460). 수신기는 수신한 데이터를 정규화한 수신기필터를 사용하여 디코딩한다.
도4B를 보면, 먼저 송신기에서 어느 사용자에게 데이터를 전송할 것인 가를 결정하는 스케쥴링과 필요한 적응적 변조 및 부호화(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 등을 수행한다(470). 다음에는 송신기는 본 발명에 따라 개선된 방법으로 송신기 필터를 계산한다(471). 송신기의 공간 다중 송신 필터부(210, 220, 230)에서 계산한 송신기 필터를 원-웨이 사운딩(one-way sounding) 방법으로 수신기로 전송한다(480). 이러한 전송은 다운링크 데이터 전송(490)과 동시에 이루어진다. 수신기들(240, 250, 260, 270)에서는 전송받은 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용하는데, 공간 다중 수신 필터부(240, 250, 260)에서 정규화를 수행하여 사용한다. 일정한 시간이 경과한 후 송신기에서 송신기 필터를 업데이트하면, 다시 다음 번 다운링크 데이터 전송(491)과 동시에 업데이트한 송신기 필터 전송(481)이 이루어진다.
OFDMA 시스템에서 실제로 설계할 때에는 다음의 변수들을 고려한다. 사용자 당 보낼 수 있는 파일럿의 수를 알아내어 최적의 수신기 벡터들을 얼마나 신뢰성 있게 추정할 수 있는지를 알아내는 것이 필요하다. 여기에서는 제어 신호를 위해 필요한 자원의 수를 얻기 위해 벡터 양자화 기반의 방법을 고려한다. N 사용자들은 채널의 코히런스 대역폭을 스팬하는(span) 부대역(subband)에 걸쳐 부반송파(subcarrier) 각각에 동시에 서브된다(served).
■부반송파의 수 : 1024
■코히런스(coherence) 대역폭 : 256 부반송파
■코히런스 대역폭 당 사용자의 수 = 전송 안테나 수(N) = 4
■제어 비트의 부호율 : R = 1/20에서 1/8
■벡터 양자화 기반 설계를 위한 제어 비트 수 : B = 6
■제어 비트에 사용되는 콘스텔레이션(constellation) : QPSK
제어비트의 부호율 R과 사용자 N명 시스템에서 코히런스 대역폭 당 사용자 당 B 비트를 전송하기 위해서는 BN/R, 즉 BN/(2R) QPSK 심볼들을 보낼 필요가 있다. 만약 BN/(2R) < 256 이라면 OFDM 심볼 당 BN/(2R) 부반송파들을 사용하는 1 OFDM 심볼 상(over)에 수행 가능하다. 동일한 수의 사용자들과 동일한 코히런스 대역폭을 가지는 경우에는 코히런스 대역폭 당, 사용자 당 데이터 신호와 동일한 평균 전력을 가지는 파일럿 신호를 보내는 하나의 부반송파만이 필요하다. 그러므로 1 OFDM 심볼 상에 동작하는 N 개의 부반송파가 필요하다.
만약 이전의 경우처럼 같은 수의 부반송파들을 사용하기로 결정한다면 각각의 파일럿 신호를 BN/(2R)/N = B/(2R) 번 보낼 수 있기에, B/(2R) 배 만큼 파일럿 송신 전력을 올린다. 수신기에서 파일럿에 LMMSE를 하면, 파일럿의 평균 SNR은 데이터 신호들의 평균 SNR에 대해 10log10(B/2R) dB 까지 증가될 수 있다. 또한 파일럿을 2.5 dB까지 올릴 수 있기 때문에 전체 증가는 약 2.5 + 10log10(B/2R) dB까지 가능하다. 위에서 주어진 변수들을 가지고 이것은 각각 1/8과 1/20의 부호율인 경우에 각각 16.3 dB과 20.3 dB 사이에 효율적인 파일럿 전압이 증가하게 된다.
데이터 송신 단계(data transmission phase)
다음에는 데이터 송신 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
기지국 송신기는 변조 심볼 s의 벡터를 송신기 필터를 곱하여 전송한다(여기서
Figure 112006074694853-pat00029
는 사용자 k에 보내지는 심볼이다). 여기서 이 심볼들은 전체 송신 전력 P0 하에서 채널을 통하여 전송된다.
전체 송신 전력은 N 개의 레이어(송신 안테나 N개로부터 각각의 사용자 수신기들 각각 1개씩 N개의 레이어)에 균등하게 할당된다.
전송된 벡터는
Figure 112006074694853-pat00030
이고,
사용자 k가 수신한 신호는
Figure 112006074694853-pat00031
이다.
사용자 k는 수신한 신호에 그의 수신기 필터를 곱하여
Figure 112006074694853-pat00032
Figure 112006074694853-pat00033
Figure 112006074694853-pat00034
를 구한다.
이론상으로는, 만약
Figure 112006074694853-pat00035
이면,
Figure 112006074694853-pat00036
이다.
그러므로 이론상으로는,
Figure 112006074694853-pat00037
이다.
여기에서 Hk 는 k 사용자의 수신기와 송신기 사이의 채널, Mn 는 n 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, P0 는 전체 송신전력, wk 와 wn 은 백색잡음이다.
기지국은 사용자들이 최적의 수신기 필터들을 완벽하게 추정할 수 있다는 전제에서 균등(uniform) 전력 할당 방법 대신에 기존에 알려진 워터필링(waterfilling) 방법을 사용하여 각각의 레이어(layer)에 할당되는 전력을 적응적으로(adapting) 하여 전송 효율을 증가시키는 것도 가능하다.
도 5A와 도5B는 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신절차를 나타내는 흐름도이다. 먼저 도 5A를 보면, 송신기가 어느 수신기(사용자)에게 데이터를 전송할 것인 가를 결정하는 스케쥴링을 수행한다(520 510). 여기에서 필요한 적응적 변조 및 부호화(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 등의 수행이 이루어지기도 한다. 다음에는 송신기는 본 발명에 따라 개선된 방법으로 송신기 필터를 계산한다(520). 송신기는 계산한 송신기 필터를 수신기로 본 발명에 따른 원-웨이 사운딩(one-way sounding) 방법으로 전송한다(530). 다음에는 송신기로부터 수신기로 데이터를 전송한다(540).
수신기는 수신한 송신기 필터에 채널 매트릭스를 곱하여 수신기필터를 구하고 아래의 <수학식>을 이용하여 수신기 필터를 정규화한다.
Figure 112006074694853-pat00038
수신기는 정규화한 수신기필터를 사용하여 수신한 데이터를 디코딩한다(550).
도 5B를 보면, 먼저 송신기가 어느 수신기(사용자)에게 데이터를 전송할 것인 가를 결정하는 스케쥴링을 수행한다(560). 여기에서 필요한 적응적 변조 및 부호화(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 등의 수행이 이루어지기도 한다. 다음에는 송신기는 본 발명에 따라 개선된 방법으로 송신기 필터를 계산한다(570). 송신기는 계산한 송신기 필터를 수신기로 본 발명에 따른 원-웨이 사운딩(one-way sounding) 방법으로 데이터 전송과 동시에 전송한다(580).
수신기는 수신한 송신기 필터에 채널 매트릭스를 곱하여 수신기필터를 구하고 정규화하며, 정규화한 수신기필터를 사용하여 수신한 데이터를 디코딩한다(590).
시뮬레이션 결과
본 발명의 성능을 Monte-Carlo 시뮬레이션에 의해 주파수 효율의 측면에서 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 송신기 안테나 수에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프이다. 도 6은 도 3에서와 같은 조건으로 살펴 본 것이다. 실제의 시스템에서 구현될 수 있는 본 발 명에 따른 방법이 이론적 한계인 Dirty Paper Coding 에 매우 가깝다는 것을 알 수 있으며, 현실적이지 않은 공동 빔형성(Coordinated beamforming)과도 성능이 매우 유사함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 알고리즘을 사용하는 다중 사용자 다중 안테나 통신 시스템의 신호대잡음비(SNR)에 따른 주파수 효율을 나타내는 그래프이다. 송신기의 송신 안테나 4개, 수신기의 수신안테나 4개, 수신기 4개인 경우에 대한 것이다. 여기에서도 실제의 시스템에서 구현될 수 있는 본 발명에 따른 방법이 이론적 한계인 Dirty Paper Coding 에 매우 가깝다는 것을 알 수 있으며, 현실적이지 않은 공동 빔형성(Coordinated beamforming)과도 성능이 매우 유사함을 알 수 있다.
본 발명은 송신기에서 송신 필터와 수신필터를 개선된 방법으로 계산하고, 계산한 송신 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 수신기로 전송하는 송신 장치 및 방법과 상기 송신기 필터를 채널을 통하여 수신하고 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 값을 수신기 필터로 사용함으로써 시스템의 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 수신기는 채널 추정이 필요하지 않고 복잡도를 감소시킬 수 있다.

Claims (44)

  1. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기에 있어서,
    수신기 필터로부터 유효(effective) 채널행렬을 계산하고, 상기 유효 채널행렬의 의사반전(pseudo-inversion) 행렬로 각각의 사용자에 대한 송신기 필터를 계산하고, 계산한 상기 송신기 필터를 출력하는 공간 다중 송신 필터부 및;
    상기 공간 다중 송신 필터부로부터의 상기 송신기 필터를 대응하는 각각의 사용자에게 전송하는 다수의 안테나를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공간 다중 송신 필터부에서 수신기 필터를 계산하는 경우에 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vectors)로 설정(setting)하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 송신기는 다수의 사용자들에 대한 데이터 전송 스케쥴을 결정하고, 결절한 상기 전송 스케쥴을 상기 공간 다중 송신 필터부로 전달하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 필터는 송신기와 사용자 수신기 사이의 채널 매트릭스를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 채널 매트릭스는 사용자 수신기로부터의 업링크 사운딩 파일럿을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 채널 매트릭스는 사용자 수신기로부터 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00039
    반복회수 Ni (Repeat
    Figure 112006074694853-pat00040
    times):
    Define
    Figure 112006074694853-pat00041
    Compute
    Figure 112006074694853-pat00042
    Figure 112006074694853-pat00043
    반복 종료(end of iterations)
    여기에서 Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스, H† eff 는 유효(effective) 채널 매트릭스 Heff 의 의사반전(pseudo-inversion) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00044
    Figure 112006074694853-pat00045
    번 반복(Repeat
    Figure 112006074694853-pat00046
    times):
    Figure 112006074694853-pat00047
    Figure 112006074694853-pat00048
    반복 종료(end of iterations)
    마지막으로 수신기 필터들을 정규화하고 계산한다.
    Figure 112006074694853-pat00049
    종료(end)
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스,
    Figure 112006074694853-pat00050
    는 수정된 매치 채널(modified matched channel) 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  10. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기에 있어서,
    수신기 필터로부터 유효(effective) 채널행렬을 계산하고, 상기 유효 채널행렬의 의사반전(pseudo-inversion) 행렬로 각각의 사용자에 대한 송신기 필터를 계산하고 계산한 상기 송신기 필터가 적용된 다수의 안테나를 통하여 트레이닝 시퀀스(sequence)를 대응하는 각각의 사용자에게 전송하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 송신기가 수신기 필터를 함께 계산하는 경우에 상기 수신기 필터의 계산에서 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vectors)로 설정(setting)하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 송신기는 다수의 사용자들에 대한 데이터 전송 스케쥴을 결정하고, 결절한 상기 전송 스케쥴을 상기 공간 다중 송신 필터부로 전달하는 기능을 더 가지는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 송신기 필터는 상기 송신기와 사용자 수신기 사이의 채널 매트릭스를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00051
    반복회수 Ni(Repeat
    Figure 112006074694853-pat00052
    times):
    Define
    Figure 112006074694853-pat00053
    Compute
    Figure 112006074694853-pat00054
    Figure 112006074694853-pat00055
    반복 종료(end of iterations)
    여기에서 Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스, H† eff 는 유효(effective) 채널 매트릭스 Heff 의 의사반전(pseudo-inversion) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00056
    Figure 112006074694853-pat00057
    번 반복(Repeat
    Figure 112006074694853-pat00058
    times):
    Figure 112006074694853-pat00059
    Figure 112006074694853-pat00060
    반복 종료(end of iterations)
    마지막으로 수신기 필터들을 정규화하고 계산한다.
    Figure 112006074694853-pat00061
    종료(end)
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스,
    Figure 112006074694853-pat00062
    는 수정된 매치 채널(modified matched channel) 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  17. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신기에 있어서,
    송신기로부터의 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 전송되는 송신기 필터를 수신하는 하나 이상의 안테나 및;
    상기 안테나를 통하여 수신한 상기 송신기 필터와 채널 매트릭스를 곱한 후 정규화하여 수신기 필터를 구하는 공간 다중 수신 필터 부를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신기.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 수신기가 상기 수신기 필터를 구하는 방법은 아래의 <수학식>을 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신기.
    Figure 112006074694853-pat00063
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다.
  20. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법에 있어서,
    수신기 필터로부터 유효(effective) 채널행렬을 계산하고, 상기 유효 채널행렬의 의사반전(pseudo-inversion) 행렬로 각각의 사용자에 대한 송신기 필터를 계산하는 단계;
    계산한 상기 송신기 필터를 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 대응하는 각각의 사용자에게 다수의 안테나를 통하여 전송하는 단계; 및
    각각의 사용자에게 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  21. 삭제
  22. 제20항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 단계에서 수신기 필터를 함께 계산하는 경우에 상기 수신기 필터의 계산에서 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vectors)로 설정(setting)하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 송신방법에서 다수의 사용자들에 대한 데이터 전송 스케쥴을 결정하고, 결절한 상기 전송 스케쥴을 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 송신기 필터는 송신기와 사용자 수신기 사이의 채널 매트릭스를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 채널 매트릭스는 사용자 수신기로부터의 업링크 사운딩 파일럿을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 채널 매트릭스는 사용자 수신기로부터 전송받는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00064
    반복회수 Ni (Repeat
    Figure 112006074694853-pat00065
    times):
    Define
    Figure 112006074694853-pat00066
    Compute
    Figure 112006074694853-pat00067
    Figure 112006074694853-pat00068
    반복 종료(end of iterations)
    여기에서 Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스, H† eff 는 유효(effective) 채널 매트릭스 Heff 의 의사반전(pseudo-inversion) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00069
    Figure 112006074694853-pat00070
    번 반복(Repeat
    Figure 112006074694853-pat00071
    times):
    Figure 112006074694853-pat00072
    Figure 112006074694853-pat00073
    반복 종료(end of iterations)
    마지막으로 수신기 필터들을 정규화하고 계산한다.
    Figure 112006074694853-pat00074
    종료(end)
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스,
    Figure 112006074694853-pat00075
    는 수정된 매치 채널(modified matched channel) 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  29. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법에 있어서,
    수신기 필터로부터 유효(effective) 채널행렬을 계산하고, 상기 유효 채널행렬의 의사반전(pseudo-inversion) 행렬로 각각의 사용자에 대한 송신기 필터를 계산하는 단계;
    계산한 상기 송신기 필터가 적용된 다수의 안테나를 통하여 트레이닝 시퀀스(sequence)를 대응하는 각각의 사용자에게 전송하는 단계를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  30. 삭제
  31. 제29항에 있어서,
    상기 송신기 필터 계산에서 수신기 필터를 함께 계산하는 경우에 상기 수신기 필터의 계산에서 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vectors)로 설정(setting)하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 송신방법은 다수의 사용자들에 대한 데이터 전송 스케쥴을 결정하고, 결절한 상기 전송 스케쥴을 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 송신기 필터는 상기 송신기와 사용자 수신기 사이의 채널 매트릭스를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00076
    반복회수 Ni (Repeat
    Figure 112006074694853-pat00077
    times):
    Define
    Figure 112006074694853-pat00078
    Compute
    Figure 112006074694853-pat00079
    Figure 112006074694853-pat00080
    반복 종료(end of iterations)
    여기에서 Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스, H† eff 는 유효(effective) 채널 매트릭스 Heff 의 의사반전(pseudo-inversion) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스, 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 송신기 필터를 계산하는 알고리즘은 아래와 같음을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신방법.
    <알고리즘>
    초기화(Initialization)
    Figure 112006074694853-pat00081
    Figure 112006074694853-pat00082
    번 반복(Repeat
    Figure 112006074694853-pat00083
    times):
    Figure 112006074694853-pat00084
    Figure 112006074694853-pat00085
    반복 종료(end of iterations)
    마지막으로 수신기 필터들을 정규화하고 계산한다.
    Figure 112006074694853-pat00086
    종료(end)
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스,
    Figure 112006074694853-pat00087
    는 수정된 매치 채널(modified matched channel) 매트릭스, Heff 는 유효채널(effective channel: 수신기가 실제로 겪는 채널) 매트릭스를 나타내며, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다. 여기에서 T는 트랜스포즈(transpose)를 , *는 복소 컨주게이트 트랜스포즈(complex conjugate transpose)를 나타낸다.
  36. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법에 있어서,
    송신기로부터의 송신기 필터를 하나 이상의 안테나를 통해 수신하는 단계 및;
    상기 안테나를 통하여 수신한 상기 송신기 필터를 채널 매트릭스를 곱한 후 정규화하여 수신기 필터를 구하는 단계; 및
    수신한 데이터를 상기 수신기 필터를 이용하여 디코딩하는 단계를 포함하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 송신기 필터는 상기 송신기로부터 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 전송된 것임을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 원-웨이 채널 사운딩 방법은 상기 송신기 필터가 적용된 송신기 안테나들을 통하여 트레이닝 시퀀스를 전송하는 것임을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 수신기 필터를 구하는 방법은 아래의 <수학식 4>을 이용하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 수신방법.
    Figure 112007068096493-pat00088
    여기에서 Hk 는 채널 매트릭스, Mk 는 k 사용자에 대한 송신기 매트릭스, Wk 는 k 사용자의 수신기 매트릭스이다.
  40. 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기에 있어서,
    각각의 사용자에 대한 송신기 필터를 계산하고 계산한 상기 송신기 필터가 적용된 다수의 안테나를 통하여 파일럿 톤을 원-웨이 채널 사운딩 방법으로 대응하는 각각의 사용자에게 데이터 전송과 동시에 전송하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 송신기 필터의 계산은,
    K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vector)로 설정하는 방법과,
    현재의 수신기 필터를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 현재의 수신기 필터와 채널 매트릭스를 이용하여 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계, k 사용자 각각에 대한 수신기 필터를 각각의 사용자의 채널 매트릭스와 현재의 송신기 필터를 곱하여 구하는 단계 및 이의 정규화 단계를 Ni번 반복하는 방법을 사용하여 하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  42. 제40항에 있어서,
    상기 송신기 필터의 계산은,
    K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를 랜덤 유니터리 벡터(random unitary vector)로 설정하는 방법과,
    현재의 수신기 필터를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 현재의 수신기 필터와 채널 매트릭스를 이용하여 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계, k 사용자 각각에 대한 수신기 필터를 각각의 사용자의 채널 매트릭스와 현재의 송신기 필터를 곱하여 구하는 단계 및 이의 정규화 단계를 Ni번 반복하는 방법을 사용하여 하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  43. 제40항에 있어서,
    상기 송신기 필터의 계산은,
    K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를
    Figure 112008017466455-pat00089
    설정하고, K 사용자 각각에 대해, 사용자 k의 채널 매트릭스의 트랜스포즈 컨주게이트 매트릭스를 채널 매트릭스에 곱한 초기화 매트릭스를 구하는 방법과,
    현재의 송신기 필터와 초기화 매트릭스를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계를 Ni번 반복하는 방법과,
    k 사용자 각각에 대한 송신기 필터를 정규화하고, 각각의 사용자 k에 대하여 사용자의 채널 매트릭스와 송신기 필터를 곱하여 수신기 필터를 계산하고, 이를 정규화하는 방법을 사용하여 하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
  44. 제40항에 있어서,
    상기 송신기 필터의 계산은,
    K 사용자 각각의 초기 수신기 필터를
    Figure 112008017466455-pat00090
    설정하고, K 사용자 각각에 대해, 사용자 k의 채널 매트릭스의 트랜스포즈 컨주게이트 매트릭스를 채널 매트릭스에 곱한 초기화 매트릭스를 구하는 방법과,
    현재의 송신기 필터와 초기화 매트릭스를 사용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 유효채널 매트릭스의 의사반전 매트릭스를 계산하는 단계, 다음에는 K 사용자 각각에 대하여 현재의 송신기 필터를 반전된 유효 채널 매트릭스의 정규화된 k 번째 열(column)으로 업데이트하는(update) 단계를 Ni번 반복하는 방법과,
    k 사용자 각각에 대한 송신기 필터를 정규화하고, 각각의 사용자 k에 대하여 사용자의 채널 매트릭스와 송신기 필터를 곱하여 수신기 필터를 계산하고, 이를 정규화하는 방법을 사용하여 하는 것을 특징으로 하는 다중 사용자 다중 안테나 통신시스템의 송신기.
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