KR100930717B1 - 무선 통신 시스템의 채널 추정 및 피드백 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 임펄스(Impulse)를 활용하여 송신 안테나 별 채널을 추정하도록 한 무선 통신 시스템의 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것이다. 본 발명은 무선 통신 시스템에서 채널을 추정하는 방법에 있어서, 기지국은 송신 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 생성시켜 단말들에게 전송하며, 단말들은 기지국으로부터 수신받은 훈련 신호를 이용하여 기지국의 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하며, 단말은 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 기지국의 송신 안테나 별 다운링크 채널 특성을 획득하며, 단말이 획득한 다운링크 채널 특성 정보를 기지국으로 피드백하며, 기지국이 단말로부터 수신받은 다운링크 채널 정보를 FFT(Fast Fourier Transform)하여 전체 CSI(Channel Status Information)를 간접적으로 획득하도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의해 단말의 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있으며, MIMO 적용 및 스케쥴링에 활용할 수 있고 다운링크 채널 피드백 전송에 요구되는 업링크 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
MU-MIMO, 다운링크, CSI, 피드백, 채널 임펄스 응답

Description

무선 통신 시스템의 채널 추정 및 피드백 방법{METHOD FOR ESTIMATING CHANNEL AND FEEDBACK IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템의 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것으로, 특히 송신 안테나 별 채널 추정을 위하여 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 임펄스(Impulse)를 활용하도록 한 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다운링크(Down-link, DL) 폐루프(Closed Loop, CL) MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술에서는, 기지국(Base Station, BS)이 송신 채널 정보를 알아야 한다. 이를 위하여 기지국은 이동국(Mobile Station, MS)들이 기지국 송신 안테나 별로 다운링크 채널을 측정할 수 있도록 지원해야 하며, 이동국들은 측정한 채널을 기지국에 알려야 한다.
이때, 송신 채널 정보를 필요로 하는 폐루프 MU-MIMO(Multiuser MIMO)에 있어서, 송신기가 전체(Full) CSI(Channel Status Information)를 획득할 경우가 부분(Partial) CSI를 획득할 때보다 더 좋은 성능을 얻을 수 있다.
그러나 모든 이동국들이 기지국의 송신 안테나 별로 다운링크 채널을 측정하고, 해당 측정한 결과를 모두 기지국 측으로 피드백(Feedback)하려면, 다운링크 및 업링크(Up-link, UL)에 과중한 오버헤드(Overhead)가 요구된다. 따라서 성능 열화를 감수하더라도 부분 CSI 방식의 폐루프 MU-MIMO가 많이 적용되고 있다.
부분 CSI의 경우, 이동국은, 전체 CSI를 피드백하지 않는 대신에, 기지국이 사용할 수 있는 빔(Beam)들 중에서 이동국 자신에게 가장 적합한 빔의 인덱스(Index), 이에 해당되는 SNR(Signal to Noise Ratio) 등을 기지국 측으로 피드백한다.
동일 스펙트럼 자원을 다수 개의 이동국에게 중복 할당하는 SDMA(Space Division Multiple Access)의 경우에는 피드백이 훨씬 복잡해진다. SDMA 스케쥴링(Scheduling)을 위해서, 기지국은 동일 스펙트럼 자원이 할당되는 상이한 이동국들이 사용하는 빔 간의 간섭도 알아야 하기 때문이다. 특히, 광대역 통신 방식인 OFDM의 경우, 부반송파 별로 채널 특성이 다르므로 더욱 과중한 오버헤드가 요구된다.
그러면, 종래 기술에 있어서 폐루프 MU-MIMO에 필요한 CSI 측정 및 피드백에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
첫 번째로, MIMO 미드앰블(Midamble)은, IEEE 802.16e 등에서 채택하고 있으며 가장 많이 활용되는 방법이다.
이러한 방법은, 이동국이 빔 인덱스(Beam Index) 등의 피드백 파라미터(Feedback Parameter)를 결정할 수 있도록, 기지국이 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 다운링크 OFDM 심볼(Symbol)을 MIMO 미드앰블로 전송하도록 한다. 여기서, 도 1은 종래 기술에서 MIMO 미드앰블의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
OFDM에서 사용된 부반송파 인덱스(Used Sub-carrier Index)를 'i(i=0,...,N-1)'라고 하고, 송신 안테나 수를 4 개라고 하면, 아래의 수학식 1에 의해 'i' 번째 부반송파는 'k' 번째 송신 안테나와 관련된 채널 측정을 위한 파일럿(Pilot) 전송에 사용된다.
i%4 = k (k=0,1,2,3)
이동국은 송신 안테나 별로 할당된 파일럿을 이용하여 송신 안테나 별 채널을 측정하고, 인터폴레이션(Interpolation)을 이용하여 전체 부반송파 채널을 획득하고, 해당 획득한 채널 정보를 이용하여 빔 인덱스 등을 결정한다.
상술한 방법은, 이동국이 전체 CSI를 획득하지만 부분 CSI를 기지국에 피드백하는 방법으로 항상 하나의 OFDM 심볼을 필요로 하는 단점을 가지고 있다.
두 번째로, 임펄스 심볼(Impulse Symbol)에 기반을 둔 채널 추정 방법이 있다.
이러한 방법은, MIMO를 위한 것이 아니라 복조를 위한 채널 추정을 위한 것으로, 파일럿 오버헤드(Pilot Overhead) 측면과 고속 이동 환경에서 유효한 것으로 알려져 있다.
그리고 이러한 방법은, CP(Cyclic Prefix)를 사용하지 않는 OFDM 방식으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 송신기가 두 개의 유효 OFDM 심볼(210, 211) 사이에 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response) 길이의 2배에 해당하는 공백(Null) 구간을 삽입하고, 그 중앙에 임펄스 신호(213, 214)를 삽입하여 송신하도록 한다. 여 기서, 도 2는 종래 기술에서 임펄스 심볼(Impulse Symbol) 기반의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다중경로(Multipath) 전송 효과에 의하여 유효 OFDM 심볼(210, 211, 212)은 채널 통과 후의 유효 OFDM 심볼 수신 신호(251, 252, 253)와 같은 모양으로 수신되며, 임펄스 심볼(213, 214)은 각각 제1 임펄스 수신 신호(260, 261, 262) 및 제2 임펄스 수신 신호(263, 264, 265)와 같은 모양으로 수신된다.
이러한 방법에서는 임펄스 심볼 전송 전력을 유효 OFDM 심볼 전송 전력보다 크게 함으로써, 이동국에서 쉽게 채널 임펄스 응답을 측정하도록 지원하며, 이동국에서는 채널 임펄스 응답을 FFT(Fast Fourier Transform)하여 부반송파 별 채널 추정 값을 획득하도록 한다.
그러나 상술한 방법은, 데이터 전송을 위한 유효 OFDM 심볼(도 2에 도시된 210, 211, 212)보다 큰 전력으로 임펄스를 송신할 경우에 PAPR(Peak to Average Power Ratio) 값이 증대되어 용량이 큰 전력증폭기를 사용하여야 하고 비용이 증가하는 단점이 있다.
그리고 대부분의 무선 통신 시스템은 타 무선 통신 시스템 또는 인접 무선 채널에 간섭을 미치지 않도록 규정한 전파 방사에 관한 법규 준수를 위하여 대역통과 필터(Band Pass Filter)를 사용하고 있다. 임펄스 신호는 전력이 전체 대역에 분포하므로, 임펄스는 대역통과 필터를 사용하지 않을 경우에 임펄스는 타 무선 통신 시스템은 물론 인접 통신 채널에 강력한 간섭원으로 작용한다. 그렇다고 대역통 과 필터를 사용하면, 임펄스는 채널 대역 이외의 다른 대역에 분포하는 전력을 상실하므로, 임펄스의 형태가 왜곡되어 사실상 이동국이 이 신호를 이용하여 채널 임펄스 응답을 측정한다는 것이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
상술한 바와 같은 두 가지의 이유로 임펄스 채널을 이용한 채널 추정 방법은 사실상 실제 시스템에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이와 같이, 종래 기술에서는 OFDM 기술이 도입되던 초기에, 심볼 간 간섭(Inter Symbol Interference, ISI) 제거를 위하여 유효 OFDM 심볼 사이에 공백으로 구성된 GI(Guard Interval)을 삽입하는 기법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 OFDM 심볼 타이밍 회복(Symbol Timing Recovery)의 어려움과 OFDM 심볼 내에서 부반송파 간 간섭(Inter Carrier Interference, ICI) 발생에 의한 성능 열화를 수반하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 단점 내지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무선 통신 시스템에서 OFDM 임펄스를 활용하여 송신 안테나 별 채널을 추정하도록 하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 종래 기술의 임펄스 심볼에 기반을 둔 채널 추정 방법에서 공백으로 구성된 GI를 사용하는 대신에, 유효 OFDM 심볼의 뒤 일부분을 GI 영역을 이용하여 전송함으로써, ICI에 의한 성능 열화와 OFDM 심볼 타이밍 회복 어려움을 극복하도록 하는데, 그 목적이 있다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, OFDM 폐루프 MU-MIMO에서 CSIT(Channel Status Information at the Transmitter)를 효과적으로 측정하고 보고하기 위한 훈련 신호 전송 및 채널 임펄스 응답 측정 방법을 구현한다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 무선 통신 시스템의 기지국에서 단말이 채널을 추정하도록 하는 방법에 있어서, 상기 단말이 다운링크 채널을 측정할 수 있도록 송신 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 생성시켜 해당 훈련 신호를 상기 단말로 전송하는 단계, 그리고 상기 단말로부터 다운링크 채널 정보를 수신받아 FFT(Fast Fourier Transform)하여 전체 CSI(Channel Status Information)를 간접적으로 획득하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 훈련 신호는, 유효 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호 및 CP(Cyclic Prefix)로 구성된 OFDM 임펄스 신호이다. 이때, 상기 CP는, 상기 채널의 임펄스 응답 길이가 상기 유효 OFDM 임펄스보다 짧은 경우, 상기 유효 OFDM 임펄스의 뒤 일부를 복사하여 사용하며, 상기 채널의 임펄스 응답 길이가 상기 유효 OFDM 임펄스보다 긴 경우, 상기 유효 OFDM 임펄스를 반복하여 사용한다.
상기 OFDM 임펄스 신호는, 상기 각 송신 안테나에 의해 동일 시간 자원을 이용하여 전송될 경우에 상기 각 송신 안테나를 구분 가능하도록 한 직교 특성을 갖는다. 또한, 상기 CP는, 상기 채널의 임펄스 응답 길이에 따라 정해진다. 또한, 상기 다운링크 채널 정보는, 상기 단말 측에서 OFDM 임펄스를 이용하여 측정한 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 포함한다.
그리고 이러한 기지국의 채널 추정 방법은, 상기 단말로부터 피드백받은 다운링크 채널 정보를 FFT하여 다운링크 전체 CSI 및 예상 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 직접 계산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 무선 통신 시스템의 단말에서 채널을 추정하고 피드백하는 방법에 있어서, 기지국으로부터 특정 파형의 훈련 신호를 수신받아 기지국의 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계, 그리고 상기 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 상기 송신 안테나 별로 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
여기서, 상기 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계는, 파형 상관기를 통해 최고치 신호를 확인하고 해당 확인된 최고치 신호 사이의 시간 간격을 이용하 여 각 경로 간 지연을 획득하는 단계, 그리고 상기 최고치 신호를 확인할 때에 출력되는 각 경로의 채널 값을 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계는, 상기 획득한 각 경로 간 지연과 각 경로의 채널 값을 상기 기지국이 상기 단말로부터 피드백받아 이를 FFT하여 상기 송신 안테나 별로 전체 부반송파의 채널을 추정하는 것이다.
그리고 이러한 채널 추정 방법은, 상기 획득한 다운링크 채널 특성 정보를 상기 기지국으로 피드백하는 단계를 더 포함한다.
여기서, 상기 기지국으로 피드백하는 단계는, 파형 상관기를 통해 얻은 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 상기 기지국에 보고하는 것이다. 즉, 상기 단말은 파형 상관기를 통해 얻은 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 그 상태로 상기 기지국에 보고하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 무선 통신 시스템에서 채널을 추정하고 피드백하는 방법에 있어서, 기지국이 송신 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 생성시켜 해당 훈련 신호를 단말로 전송하는 단계, 상기 단말이 상기 기지국으로부터 수신받은 훈련 신호를 이용하여 상기 기지국의 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계, 상기 단말이 상기 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 상기 기지국의 송신 안테나 별로 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계, 상기 단말이 상기 획득한 다운링크 채널 특성 정보를 상기 기지국으로 피드백하는 단계, 그리고 상기 기지국이 상기 단말로부터 수신받은 다운링크 채널 정보를 FFT하여 전체 CSI를 간접적으로 획득하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 긴 유효 OFDM 임펄스 신호를 사용하여 단말의 채널 추정 성능을 향상시킬 수 있으며, 단말이 수집한 경로 별 채널 값및 경로 간 전파 지연 값을 직접 기지국에 보고하고 기지국이 이를 FFT하여 전체 CSI 및 예상 CINR을 직접 계산하여 MIMO 적용 및 스케쥴링에 활용할 수 있고 다운링크 채널 피드백 전송에 요구되는 업링크 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 이동국(Mobile Station, MS)은 단말(terminal), 이동 단 말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 기지국(Base Station, BS)은 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법은, 종래 기술에서의 임펄스 심볼에 기반을 둔 채널 추정 방법 대신에, 약속된 파형(Waveform)의 짧은 OFDM 심볼(이하, 'OFDM 임펄스'라고 명명함)을 이용하여, 종래 기술에서의 임펄스를 이용한 채널 추정 방법이 내포한 모든 문제점을 해결할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스 신호의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스는, 도 3에 도시된 바와 같이, CP(311 또는 351), 유효 OFDM 임펄스(312 또는 352)로 구성되며, OFDM 신호가 가지는 모든 특성을 상속하는 일반적 OFDM 신호이다.
도 3에 도시된 바와 같이, '310'은 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response)의 길이가 유효(Effective) OFDM 임펄스보다 짧은 경우 OFDM 임펄스 신호의 구성을 나타낸 블록이며, '350'은 채널 임펄스 응답의 길이가 유효 OFDM 임펄스보다 긴 경우 OFDM 임펄스 신호의 구성을 나타낸 블록이다.
이때, '311'은 채널 임펄스 응답의 길이가 유효 OFDM 임펄스보다 짧은 경우 CP의 구성을 나타낸 블록이다. 해당 CP(311)는 유효 OFDM 임펄스(312)의 뒤 일부 복사에 의한 CP의 구성이다.
그리고 '351'은 채널 임펄스 응답의 길이가 유효 OFDM 임펄스보다 긴 경우 반복 복사에 의한 CP의 구성을 나타낸 블록이다. 즉, 유효 OFDM 심볼의 길이가 채널 임펄스 응답의 길이보다 짧으면 도 3에 도시된 바와 같이, 유효 OFDM 임펄스(352)를 반복하여 CP(351)로 사용하도록 한다.
단말은 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스를 활용하여 송신 안테나 별 채널을 측정할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스는 약속된 파형이므로, 모든 단말이 인지하고 있다.
도 4는 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 유효 OFDM 임펄스(312, 352)의 파형을 나타낸 도면이다.
여기서, 도 4는 송신기(즉, 기지국)가 전송하는 유효 OFDM 임펄스를 도식화한 것으로, 약속된 파형이므로 모든 수신기(즉, 단말)들이 파형을 인지하게 된다. 이때, 수신기들이 '{Si; i = 0, 1, 2, ..., N-1}'을 인지하게 된다. 이때, 'Si'는 모든 단말이 인지하고 있는 시간 변화에 따른 유효 OFDM 임펄스 파형을 나타낸 것이다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스가 i 번째 경로로 수신기에 도달할 경우, i 번째 경로의 채널을 'hi'라고 하면, 도 5에 도시된 바와 같은 파형(511)이 수신기로 입력된다. 해당 파형(511)은 채널 특성이 'hi'인 i 번째 전파 경로로 수신된 유효 OFDM 임펄스 파형을 나타낸다.
여기서, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단말이 보유하고 있는 파형 상관기(Waveform Correlator)를 나타낸 도면이다. 이때, 파형 상관기는 송신 안테나 별 다운링크 임펄스 응답(Down-link Impulse Response) 측정을 위한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 파형 상관기의 구성은, 도 5에 도시된 바와 같이, 다수 개의 지연 소자(Delay Element)(512, 513, 514), 다수 개의 복소수 곱셈장치(521, 522, 523, 524), 복소수 덧셈장치(525), 절대치 계산장치(526), 파형 샘플(Waveform Sample)로 구성된 벡터(Vector)의 놈(Norm)으로 나누는 장치(527)를 포함한다. 여기서, 'T'는 샘플링 주기(Sampling Period)를 나타낸다.
수신기(즉, 단말)는, 송신 파형을 인지하고 있으므로, 도 5와 같은 파형 상관기를 이용하여 채널 임펄스 응답을 측정할 수 있다.
파형이 i 번째 경로로 수신되는 신호와 상관(Correlation)되면, 도 5에 도시된 바와 같은 절대치 계산장치(526)의 출력에 최고치(Peak)가 관찰되며, 이때 도 5에 도시된 바와 같은 나눗셈장치(527)의 출력이 해당 경로에 해당되는 채널 값이 다.
도 6은 전파경로가 3개 있을 경우에 도 5에 도시된 바와 같은 절대치 계산장치(526)의 출력 파형을 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같은 'Peak 1, Peak 2, Peak 3'이 출력되는 시간에 도 5에 도시된 나눗셈장치(527)에서 해당 경로의 채널 값들이 출력된다. 또한, 도 6에서 최고치 사이의 거리로 경로 간의 지연을 얻을 수 있다.
따라서 단말은 각 경로의 지연 및 채널 값을 얻을 수 있으므로, 해당 얻은 지연 및 채널 값을 FFT하여 전체 부반송파의 채널 값들을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 지연 및 채널 값을 기지국 측으로 피드백하여 기지국이 FFT를 이용하여 직접 전체 CSI를 획득하도록 도울 수 있다. 이 경우 피드백 오버헤드를 크게 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법을 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 우선 기지국에서는 단말이 기지국 송신 안테나 별로 다운링크 채널을 측정할 수 있도록 하기 위한 특정 훈련 신호를 생성시켜 준다(S710).
상술한 단계 S710은 OFDM 방식을 사용하는 통신 시스템에서 단말이 채널 임펄스 응답을 기반으로 FFT를 활용하여 다운링크 채널을 측정하는 경우 기지국이 이를 지원하기 위해 도 3에 도시된 바와 같은 OFDM 임펄스 신호를 생성시켜 주는 것 이다.
이때, OFDM 임펄스 신호는, 도 3에 도시된 바와 같이, 채널의 임펄스 응답 길이와 단말의 채널 임펄스 응답의 측정 성능 개선을 위하여 가변적 길이로 구성할 수 있는 유효 OFDM 임펄스로 구성된다. 또한, OFDM 임펄스 신호는, 다운링크 폐루프 MIMO에서 기지국의 다수 송신 안테나가 각각 OFDM 임펄스 신호를 동일 시간 자원을 이용하여 전송할 경우 각 안테나를 구분 가능하도록 한 직교 특성을 갖는다.
그리고 기지국은 상술한 단계 S710에서 생성된 OFDM 임펄스 신호를 단말로 전송한다(S720). 즉, 단말이 기지국 송신 안테나 별로 다운링크 채널을 측정할 수 있도록 기지국이 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 전송하도록 한다.
이때, 기지국은, 도 3에 도시된 바와 같이, 채널 임펄스 응답 길이를 고려하여 OFDM 임펄스 신호의 CP를 정한다. 도 3에서 유효 OFDM 임펄스의 길이는 채널 추정 성능과 관련이 있으며, 유효 OFDM 임펄스의 길이를 길게 하면 단말의 채널 추정 성능이 향상된다.
그리고 기지국 송신 안테나가 동일 시간 자원을 이용하여 OFDM 임펄스 신호를 전송할 경우, 각 안테나는 가능한 한 직교 특성을 갖는 훈련 신호를 사용하여 단말이 도 5에 도시된 파형 상관기를 사용하여 기지국 송신 안테나를 구분할 수 있도록 해 준다. 이때, 동일 시간 자원을 다수 송신 안테나가 공유할 경우, 단말의 채널 추정 성능 개선을 위해 긴 유효 OFDM 임펄스 신호를 사용할 필요가 있다.
이에, 단말은 기지국이 전송하는 특정 훈련 신호를 수신받아(S730) 이를 이용하여 기지국 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득한다(S740). 이 때, 단말이 기지국이 전송하는 도 3의 OFDM 임펄스 신호를 이용하여 채널 임펄스 응답을 획득할 때, 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 파형 상관기를 이용한다.
이때, 파형 상관기는, 도 5에 도시된 절대치 계산장치(526)에서 출력되는 최고치 신호 사이의 시간 간격을 이용하여 채널 경로 지연을 획득하도록 하며, 도 5에 도시된 절대치 계산장치(526)에서 최고치가 출력되는 시각에 도 5에 도시된 나눗셈장치(527)의 '1/||c||2' 함수를 이용하여 각 경로에 해당하는 채널 값을 획득하도록 한다.
그리고 단말은 상술한 단계 S740에서 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 기지국 송신 안테나 별로 다운링크 채널 특성을 획득하게 된다(S750). 즉, 단말은 도 5에 도시된 절대치 계산장치(526)에서 출력되는 최고치 신호 사이의 시간 간격을 추정하게 된다.
그런 후에, 단말은 획득한 다운링크 채널 특성에 관한 정보를 기지국 측으로 피드백(Feedback)하여 보고하게 된다(S760). 이때, 피드백 오버헤드를 감소시키기 위하여 단말은 도 5의 파형 상관기를 이용하여 수집한 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 직접 기지국에 보고하게 된다.
다시 말해서, 단말이 부반송파 별 측정된 채널 값을 직접 기지국 측으로 피드백하는 것은, 단말이 도 5의 파형 상관기에서 수집한 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 직접 기지국에 보고하는 것을 의미한다.
이에 따라, 기지국은 단말로부터 피드백되는 다운링크 채널 정보를 수신하게 된다(S770). 이때, 상술한 단계 S760에서 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 직접 기지국에 보고할 경우, 기지국이 해당 보고받은 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 FFT하여 훨씬 적은 피드백 오버헤드(Feedback Overhead)로 전체 CSI를 간접적으로 획득할 수 있다(S780).
또한, 기지국은 해당 보고받은 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 FFT하여 다운링크 전체 CSI 및 예상 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 직접 계산함으로써, MIMO 적용 및 스케쥴링(Scheduling)에 활용할 수 있으며, 다운링크 채널 피드백 전송에 요구되는 업링크 오버헤드(Up-link Overhead)를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예는 OFDM 신호 방식의 모든 장점을 유지하면서 단말이 채널 임펄스 응답을 측정할 수 있도록 기지국이 전송해야 할 OFDM 임펄스 신호를 도 3과 같이 구현하였으며, 단말이 이를 이용하여 채널 임펄스 응답을 측정할 수 있는 도 5에 도시된 바와 같은 파형 상관기를 구현하였다.
그리고 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법에 의해서 효과적인 채널 CSI 피드백을 제공할 수 있게 된다.
다운링크 폐루프 MIMO를 실시하기 위하여 기지국은 다운링크 채널 정보를 필요로 한다. 이 경우 단말은 측정한 다운링크 채널 정보를 기지국에 업링크 피드백 채널을 이용하여 전송한다. 이에, 단말은 부분(Partial) 또는 전체(Full) CSI를 기지국에 보고할 수 있다.
전체 CSI를 이용할 경우 다운링크 폐루프 MIMO 성능을 향상시킬 수 있으나, 피드백 오버헤드가 증가한다. 부분 피드백 채널 정보로는 빔 인덱스, CINR 등이 있다. 그러나 부분 CSI라 하더라도 대역 선택(Band Selection) 개념이 적용되는 OFDM의 경우는 대역 별로 독립적인 부분 CSI가 필요하므로, 피드백 오버헤드가 다시 증가하게 된다. 특히, SDMA가 적용될 경우 피드백이 훨씬 복잡해진다. SDMA 스케쥴링을 위해서 기지국은 동일 스펙트럼 자원이 할당되는 상이한 단말들이 사용하는 빔 간의 간섭도 알아야 하기 때문이다.
수신기가 채널 임펄스 응답을 측정하고 이것을 스펙트럼 분석(Spectral Analysis)하여 채널을 추정하는 방법은 알려져 있다. 그러나 수신기가 측정한 채널 임펄스 응답을 송신기 측으로 피드백하고 이것을 송신기가 스펙트럼 분석하여 풀 CSIT를 획득한 다음에 폐루프 MIMO에 활용하는 것은 알려져 있지 않다. 또한, IEEE 802.16e의 경우도 개별적 채널 값을 직접 피드백하는 방법은 규격에 명시되어 있지만, 시간 지연을 포함한 채널 임펄스 응답을 피드백하는 것은 규격에 명시되어 있지 않다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 채널 값 피드백 방법 중에서 IEEE 802.16e의 경우에 폐루프 MIMO를 위해 단말이 직접 채널 값을 기지국으로 피드백하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
IEEE 802.16e의 경우, 기지국이 도 8에 도시된 바와 같은 업링크 사운딩 명령어(801)(예를 들어, UL_Sounding_Command_IE)를 이용하여 단말에게 채널 계수(Channel Coefficient)를 직접 전송하도록 명령할 수 있다. 이때, 업링크 사운딩 명령어(801)에는 채널 계수를 포함한다.
이것은 채널 상호관계(Channel Reciprocity) 성질을 이용할 수 없는 FDD(Frequency Division Duplex)에서 단말에 측정(Calibration) 기능이 없을 경우 사용 가능하다.
이 경우, 단말은 도 8에 도시된 바와 같은 사운딩 존(Sounding Zone)(802)을 이용하여 도 8에 도시된 바와 같은 사운딩 신호(Sounding Signal)(803)에 뒤이어 자신이 추정한 다운링크 채널 계수(도 8의 804)를 직접적으로 기지국에게 전송한다. 이때, 사운딩 신호(803)는, 기지국이 폐루프 MIMO 용도로 사용하는 것이 아니라, 단말이 전송하는 채널 계수(804)를 코히어런트 복조(Coherent Demodulation)하기 위해 사용한다.
그러나 단말이 도 5의 파형 상관기에서 수집한 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 직접 기지국에 보고하며, 기지국이 이를 FFT할 경우 훨씬 적은 피드백 오버헤드로 기지국은 전체 CSI를 간접적으로 획득할 수 있고 CINR을 직접 계산하여 스케쥴링에 활용할 수 있음을 잘 이해할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예는 OFDM 폐루프 MU-MIMO에서 CSIT를 효과적으로 측정하고 보고하기 위한 훈련 신호 전송 및 채널 임펄스 응답 측정 방법에 대해서 설명하였다.
그러나 본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전 문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 종래 기술에서 MIMO 미드앰블(Midamble)의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 기술에서 임펄스 심볼(Impulse Symbol) 기반의 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDM 임펄스 신호의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 유효(Effective) OFDM 임펄스(Impulse)의 파형(Waveform)을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 파형 상관기(Waveform Correlator)를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 파형 상관기 내 절대치 계산장치의 출력 파형을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 채널 추정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 채널 값 피드백 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (13)

  1. 무선 통신 시스템의 기지국에서 단말이 채널을 추정하도록 하는 방법에 있어서,
    상기 단말이 다운링크 채널을 측정할 수 있도록 기지국 송신 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 생성시켜 해당 훈련 신호를 상기 단말로 전송하는 단계, 그리고
    상기 기지국이 상기 단말로부터 다운링크 채널 정보를 수신받아 FFT(Fast Fourier Transform)하여 전체 CSI(Channel Status Information)를 간접적으로 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 훈련 신호는,
    유효 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호 및 CP(Cyclic Prefix)로 구성된 OFDM 임펄스 신호로 구성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 OFDM 임펄스 신호는,
    상기 각 송신 안테나에 의해 동일 시간 자원을 이용하여 전송될 경우에 상기 각 송신 안테나를 구분 가능하도록 한 직교 특성을 갖는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 CP는,
    상기 채널의 임펄스 응답 길이가 상기 유효 OFDM 임펄스보다 짧은 경우, 상기 유효 OFDM 임펄스의 뒤 일부를 복사하여 사용하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 CP는,
    상기 채널의 임펄스 응답 길이가 상기 유효 OFDM 임펄스보다 긴 경우, 상기 유효 OFDM 임펄스를 반복하여 사용하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다운링크 채널 정보는,
    상기 단말 측에서 OFDM 일펄스를 이용하여 측정한 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값으로 구성하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단말로부터 피드백받은 다운링크 채널 정보를 FFT하여 다운링크 전체 CSI 및 예상 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 직접 계산하는 단 계를 더 포함하는 방법.
  8. 무선 통신 시스템의 단말에서 채널을 추정하고 피드백하는 방법에 있어서,
    기지국으로부터 복수의 송신 안테나 별로 생성된 특정 파형의 훈련 신호를 수신하고, 수신한 상기 특정 파형의 훈련 신호를 이용하여 상기 복수의 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계, 그리고
    상기 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 상기 송신 안테나 별로 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계는,
    파형 상관기를 통해 최고치 신호를 확인하고 해당 확인된 최고치 신호 사이의 시간 간격을 이용하여 각 경로 간 지연을 획득하는 단계, 그리고
    상기 최고치 신호를 확인할 때에 출력되는 각 경로의 채널 값을 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계는,
    상기 획득한 각 경로 간 지연과 각 경로의 채널 값을 상기 기지국이 상기 단 말로부터 피드백받아 이를 FFT하여 상기 송신 안테나 별로 전체 부반송파의 채널을 추정하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 획득한 다운링크 채널 특성 정보를 상기 기지국으로 피드백하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기지국으로 피드백하는 단계는,
    파형 상관기를 통해 얻은 경로 별 채널 값 및 경로 간 전파 지연 값을 그 상태로 상기 기지국에 보고하는 방법.
  13. 무선 통신 시스템에서 채널을 추정하고 피드백하는 방법에 있어서,
    기지국이 송신 안테나 별로 특정 파형의 훈련 신호를 생성시켜 해당 훈련 신호를 단말로 전송하는 단계,
    상기 단말이 상기 기지국으로부터 수신받은 훈련 신호를 이용하여 상기 기지국의 송신 안테나 별 다운링크 채널 임펄스 응답을 획득하는 단계,
    상기 단말이 상기 획득한 채널 임펄스 응답을 이용하여 상기 기지국의 송신 안테나 별로 다운링크 채널 특성을 획득하는 단계,
    상기 단말이 상기 획득한 다운링크 채널 특성 정보를 상기 기지국으로 피드 백하는 단계, 그리고
    상기 기지국이 상기 단말로부터 수신받은 다운링크 채널 정보를 FFT하여 전체 CSI를 간접적으로 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
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