KR101009817B1 - 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

통신 시스템내에서 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치가 여기에 제공된다. 동작 동안에, 노드는 그 채널 서브스페이스 정보와 함께 널 서브스페이스 정보를 리턴할 것이다. 널 서브스페이스가 결과적으로 노드에서 수신되는 최저 전력으로 나타나게 되는 미리 정의된 코드북의 매트릭스에 기지국을 지향하는 것을 제외하고는, 널 서브스페이스는 채널 서브스페이스와 유사하다. 각 노드에 대한 널 서브스페이스는 특정 노드와 통신할 때 고려된다.
통신 시스템, 공간분할 다중 액세스, 널 서브스페이스, 채널 서브스페이스, 코드북

Description

공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING SPATIAL-DIVISION MULTIPLE ACCESS}
본 발명은 일반적으로는 공간-분할 다중 액세스에 관한 것으로, 특히 다수의 노드를 채용하는 통신 시스템에서 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
송신 빔형성(종종 송신 적응형 어레이(TXAA) 송신으로 지칭됨)은 본질적으로 방향성인 경향이 있는(즉, 일정하게 브로드캐스팅되지 않는) 커버리지 패턴을 생성함으로써 수신기 디바이스에 의해 보여지는 효율적인 신호-대-잡음을 증가시킨다. 이것은 송신 사이트에서 다수의 안테나를 채용하고 조합된 송신이 수신기에 최대 전력/에너지를 전달하는 빔형성된 패턴으로 나타나도록 각 안테나를 가중함으로써 달성된다. 다수의 스트림을 다수의 수신기에 송신하는 경우에(즉, 송신 공간 분할 다중 액세스 또는 SDMA), 사용자간 최소 누화 또는 간섭이 달성되도록 안테나 가중을 계산하는 것이 유리하다. 환언하면, 원하는 수신기로의 전력을 최대로 하는 안테나 매트릭스(즉, 각 안테나에 대한 가중)를 선택할 뿐만 아니라, 요구되지 않는 수신기로의 전력을 최소로 하는 것이 유리할 것이다. 그러나, 이를 달성하는 것은 전체 채널 지식을 획득하는데 요구되는 대량의 피드백으로 인해 실제 통신에서는 얻기 힘든 송신기에서의 전체 채널 지식을 요구한다. 그러므로, 실제적인 피드백 방법을 채용하면서도 요구되지 않는 수신기에 대한 누화 또는 간섭을 최소화시키는 다수의 노드를 채용하는 통신 시스템에서 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.
도 1은 공간-분할 다중 액세스를 채용하는 통신 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 통신 시스템에 의해 이용되는 노드의 블록도이다.
도 3은 송신 동안에 도 2의 노드의 동작을 도시하는 플로우차트이다.
도 4는 노드의 블록도이다.
도 5는 채널 서브스페이스 및 널 서브스페이스의 계산 동안에 도 4의 노드의 동작을 도시하는 플로우차트이다.
상기 언급된 요구를 충족하기 위해, 통신 시스템 내에서 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치가 본 명세서에 제공된다. 동작 동안에, 노드는 그 채널 서브스페이스 정보와 함께 널 서브스페이스 정보를 리턴할 것이다. 널(null) 서브스페이스가 결과적으로 노드에서 수신되는 최저 전력으로 나타나게 되는 미리 정의된 코드북의 매트릭스에 기지국을 지향하는 것을 제외하고는, 널 서브스페이스는 채널 서브스페이스와 유사하다. 각 노드에 대한 널 서브스페이스는 특정 노드와 통신할 때 고려된다.
본 발명은 다수의 안테나로부터 제1 및 제2 노드에 파일럿 데이터를 송신하 는 단계, 송신에 응답하여 제1 및 제2 노드로부터 제1 및 제2 채널 서브스페이스 정보를 수신하는 단계, 및 송신에 응답하여 노드로부터 제1 및 제2 널 서브스페이스 정보를 수신하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다. 제1 채널 서브스페이스 정보는 제2 널 서브스페이스 정보와 함께 제1 노드에 대한 안테나 가중을 결정하기 위해 활용된다. 추가적으로, 제2 채널 서브스페이스 정보는 제1 널 서브스페이스 정보와 함께 제2 노드에 대한 안테나 가중을 결정하기 위해 활용된다. 마지막으로, 데이터는 제1 및 제2 안테나 가중을 각각 활용하여 제1 및 제2 노드에 동시에 송신된다.
본 발명은 또한 다수의 안테나로부터 송신된 기지국으로부터의 파일럿 데이터를 수신하는 단계, 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 채널 서브스페이스 정보를 결정하는 단계, 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 널 서브스페이스 정보를 결정하는 단계, 및 안테나 가중을 결정할 때 기지국에 의해 이용하기 위한 채널 서브스페이스 정보 및 널 서브스페이스 정보를 송신하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
본 발명은 파일럿 데이터를 송신하는 송신기, 제1 및 제2 노드로부터 제1 및 제2 채널 서브스페이스 정보, 및 제1 및 제2 노드로부터 제1 및 제2 널 서브스페이스 정보를 수신하는 수신기, 및 제1 노드에 대한 제1 안테나/스트림 가중을 결정하기 위해 제1 채널 서브스페이스 정보 및 제2 널 서브스페이스 정보를 활용하고, 제2 노드에 대한 제2 안테나/스트림 가중을 결정하기 위해 제2 채널 서브스페이스 정보 및 제1 널 서브스페이스 정보를 활용하는 스트림 가중 회로를 포함하는 장치를 또한 포함한다.
본 발명은 다수의 안테나로부터 송신된 기지국으로부터의 파일럿 데이터를 수신하는 수신기, 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 채널 서브스페이스 정보를 결정하고 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 널 서브스페이스 정보를 결정하는 로직 회로, 및 안테나 가중을 결정할 때 기지국에 의해 이용하기 위한 채널 서브스페이스 정보 및 널 서브스페이스 정보를 송신하는 송신 회로를 포함하는 장치를 또한 포함한다.
공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법 및 장치를 설명하기에 앞서서, 본 발명의 양호한 실시예의 활용을 위한 필요한 예비 지식을 확정하도록 이하의 정의들이 제공된다.
● 벡터 스페이스 - 벡터들의 특정 컬렉션의 모든 선형 조합으로 구성된 세트
● 서브스페이스 - 더 큰 벡터 스페이스의 일부인 벡터 스페이스.
● 널 서브스페이스 - 기지국에 의해 송신 가중을 계산하는데 이용되는 경우에 결과적으로 제로 전력/에너지가 노드에서 수신되게 되는 특정 수신 노드에 대한 서브스페이스. 수학적 용어에서는, 채널 응답 매트릭스의 "널 스페이스"이고, 여기에서 용어 "널 스페이스"는 매트릭스 이론에서 잘 정의된다. 채널 응답 매트릭스는 각 송신 안테나와 각 수신 안테나간의 채널 응답을 포함한다.
● 채널 서브스페이스 - 기지국에 의해 송신 가중을 계산하는데 이용되는 경우에 결과적으로 최대 전력/에너지가 노드에서 수신되게 되는 특정 노드에 대한 서브스페이스. 수학적 용어에서는, 채널 응답 매트릭스의 "범위(range)"이고, 여기 에서 용어 "범위"는 매트릭스 이론에서 잘 정의된다. 채널 응답 매트릭스는 각 송신 안테나와 각 수신 안테나간의 채널 응답을 포함한다.
이제, 유사한 참조부호는 유사한 컴포넌트를 나타내는 도면들을 참조하면, 도 1은 통신 시스템(100)의 블록도이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 통신 시스템(100)은 직교 주파수 분할 멀티플렉싱된(OFDM) 또는 멀티캐리어 기반 아키텍쳐를 활용한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 아키텍쳐는 멀티캐리어 CDMA(MC-CDMA), 멀티캐리어 다이렉트 시퀀스 CDMA(MC-DS-CDMA), 1 또는 2 차원 확산을 가지는 직교 주파수 및 코드 분할 멀티플렉싱(OFCDM)과 같은 확산 기술의 이용을 포함하거나, 더 단순한 시간 및/또는 주파수 분할 멀티플렉싱/다중 액세스 기술, 또는 이들 다양한 기술들의 조합에 기초할 수 있다.
도시된 바와 같이, 통신 시스템(100)은 기지국(101) 및 다수의 모바일 또는 정지형(stationary) 노드(102-103)를 포함한다. 단지 하나의 기지국 및 2개의 노드들만이 도시되어 있지만, 당업자라면, 그러한 통신 시스템이 일반적으로 다수의 노드(102-103)와 통신하는 다수의 기지국(101)을 포함한다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 동작 동안에, 통신 시스템(100)은 SDMA를 이용하여 기지국(101)과 노드(102-103)간의 송신을 빔형성한다(beamform). 상술한 바와 같이, 빔형성은 송신 사이트에서 다수의 안테나를 채용하고 조합된 송신이 결과적으로 사용자들간의 최소 누화(cross talk) 또는 간섭을 가지고서 수신기에서 수신된 최대 전력을 가지는 빔형성된 패턴으로 나타나도록 각 안테나를 가중함으로써 달성된다. 누화를 최소화시키는 것은 SDMA에 매우 유익한데, 이는 SDMA가 동일한 채널 리소스(예를 들면, 시간 슬롯, 서브캐리어, 서브채널, 등) 상에서 2개 이상의 노드에 동시에 송신하는 것과 관련되기 때문이다.
사용자에 대한 적절한 안테나 가중을 결정하기 위해, 본 발명의 양호한 실시예에서, 기지국(101)은 노드(102-103)에 의해 수신된 그 각각의 안테나로부터 파일럿을 브로드캐스팅한다. 노드(102-103)는 수신된 파일럿에 기초하여 채널 추정을 수행하고, 기지국이 채널 서브스페이스를 이용하여 송신 가중을 계산할 때 개별적인 모바일에서 최대 수신된 전력으로 나타나게 되는 채널 서브스페이스를 결정한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 채널 서브스페이스는 기지국과 노드간에 공유된 소정 코드북 내에서 기지국에 적절한 안테나 매트릭스로 지향시키는 코드북 인덱스를 포함한다. 그러나, 본 발명의 대안적인 실시예들에서, 채널 서브스페이스는 실제 채널 매트릭스 자체를 포함할 수 있다. 일단 노드가 적절한 채널 서브스페이스를 결정하면, 채널 서브스페이스 정보가 (다른 정보와 함께) 특정 노드에 대한 적절한 안테나 가중을 결정하는데 활용되는 기지국(101)에 송신된다.
상술한 바와 같이, 기지국(101)이 사용자들간의 최소 누화 또는 간섭이 달성되도록 안테나 가중을 계산하는 것이 유리할 것이다. 환언하면, 원하는 수신기에 전력을 최대로 하는 안테나 매트릭스(즉, 각 안테나에 대한 가중)를 선택할 뿐만 아니라, 추가적으로 원하지 않는 수신기에 전력을 최소로 하는 것이 유리할 것이다. 그러므로, 예를 들면, 노드(102)에 송신할 때, 노드(102)에서 전력을 최대로 하는 것과 함께, 특히 SDMA 송신의 경우에, 노드(102)에 송신하기 위한 안테나 가중이 노드(103)에서 수신된 전력을 추가적으로 최소화시킨다면 유리할 것이다.
이러한 이슈를 다루기 위해, 본 발명의 양호한 실시예에서, 다수의 노드들은 그 채널 서브스페이스 정보와 함께 널 서브스페이스 정보를 리턴할 것이다. 널 스페이스 정보가 노드에서 최소 전력으로 수신되는 결과를 가져오는 미리 결정된 코드북의 매트릭스로 기지국(101)을 향하게 하는 것을 제외하고, 널 서브스페이스는 채널 서브스페이스와 유사하다. 각 노드에 대한 널 서브스페이스가 특정 노드와 통신할 때 고려된다. 그러므로, 예를 들면, 양쪽 노드(102, 103)가 그 채널 서브스페이스 및 널 서브스페이스 정보를 기지국(101)에 통신하고 있는 경우에, 기지국(101)은 모바일(102)에 의해 리턴된 채널 서브스페이스 및 모바일(103)에 의해 리턴되는 널 서브스페이스 양쪽에 기초하여 모바일(102)로의 통신에 활용되는 안테나 가중을 계산할 것이다. 이것은 모바일(103)로의 전력을 최소화시키면서 모바일(102)로의 전력을 최대로 하는 효과를 가질 것이다. 보다 구체적으로, 모바일(103)로의 널 서브스페이스는 매트릭스(또는 벡터)를 모바일(103)과 연관된 널 서브스페이스 상으로 프로젝팅하는 프로젝션 매트릭스를 생성하는데 이용된다. 이러한 프로젝션 매트릭스는 모바일(102)의 채널 서브스페이스에 적용되어, 모바일(102)에 대해 프로젝팅된 채널 서브스페이스를 생성한다. 그 후, 모바일(102)에 대한 송신 SDMA 가중(즉, 안테나 가중)은 이러한 프로젝팅된 채널 서브스페이스를 이용하여 계산된다. 참조번호 102에 대한 채널 서브스페이스에 프로젝션 매트릭스의 적용을 통해 모바일(103)로의 전력이 최소로 된다. 모바일(102)에 대한 프로젝팅된 채널 서브스페이스의 최대 고유벡터와 연관된 고유 벡터인 가중을 설계함으로써 모바일(102)로의 전력이 최대로 된다. 이것이 달성되는 방법의 상세한 설명은 이하에 기재된다.
공간 분할 다중 액세스(SDMA) 전략은 각 사용자에 대한 송신 필터(또는 안테나 가중)의 설계를 포함한다. K명의 사용자들(노드들), 베이스에서의 Mt 송신 안테나, 각 모바일(사용자 또는 노드)에서의 Mr 수신 안테나, 및 각 모바일에 송신될 Ms 데이터 스트림을 가지는 시스템을 고려하면, 시스템은 이하와 같이 K의 등식에 의해 기술될 수 있다.
Figure 112008063221118-pct00001
여기에서, H k 는 사용자 k에 대한 Mr x Mt 채널 매트릭스이고, W i 는 모바일 i(모바일 i로의 신호 전력을 최대로 하면서도 다른 모바일로의 누화를 최소화시키도록 설계됨)에 대한 Mt × Ms SDMA 송신 필터(즉, 안테나 가중)이며, x i 는 모바일 i에 대한 Ms × 1 심볼 벡터(예를 들면, QPSK 심볼의 벡터)이고, n k 는 k번째 사용자에 대한 부가적 잡음이다. 목표는 K 사용자들의 평균 BER이 최소로 되도록 W i (i=1, ..., K)를 설계하는 것이다.
유의할 점은, 각 모바일이 Mr 수신 안테나를 가지고 있다는 가정이 단지 예시에 불과하고 각 모바일이 다른 개수의 수신 안테나를 가질 수 있다는 점이다.
널 및 채널 서브스페이스가 제공되는 서브스페이스 평균 기반 SDMA
이하의 텍스트에서, 기지국은 모든 모바일에 대한 완전한 채널 지식을 가지고 있고(즉, 기지국은 모든 채널 상태 정보(CSI)를 가지고 있다) 송신 SDMA 가중을 설계하고 있다고 가정된다. 이제 설명되는 송신 SDMA 가중의 주 목적은 기지국이 모바일(102)로의 채널 서브스페이스 및 모바일(103)로의 널 서브스페이스(양쪽에 대한 완전한 채널 지식 대신에)를 가지고 있는 경우에 기지국에 의해 송신 SDMA 가중을 계산하는데 이용될 수 있는 서브스페이스 평균화의 개념을 소개하는 것이다. 서브스페이스 평균화 이면의 하이-레벨 아이디어는 모바일(103)에서 잡음 전력이 주어지는 경우에 중요하지 않은 일정 레벨의 누화(즉, 모바일(103)에 의해 수신되고 있는 모바일(102)에 대해 의도된 송신으로부터의 간섭)를 허용함으로써 송신 SDMA 가중을 개선하는 것이다. 이러한 누화를 허용함으로써, 수신된 전력은 모바일(102)에서 어떠한 누화도 허용하지 않는 송신 SDMA 가중을 통해 증가될 수 있다.
이하에서, 안테나-가중 접근법은 서브스페이스 평균화에 기초하여 도입된다. 채널 H 1 , ..., H K 를 가지는 SDMA에 대해 K 사용자들을 고려하고 Ms 데이터 스트림이 각 사용자에게 송신되는 것으로 가정해 보자. 목적은 대응하는 SDMA 가중 W 1 , ..., W K 를 결정하는 것이다. 베이스가 채널 스페이스 정보(예를 들면, 채널 사운딩 또는 채널 피드백을 통해 얻어진 널 및 채널 서브스페이스)를 가지고 있고 Mt > KMs이라고 가정하는 경우, W k 의 계산은 이하의 단계들로 얻어진다.
서브스페이스 평균 SDMA
1) null{H 1 , ..., H k }을 정의한다. Mt>KMs 가정하고, H 1 , ..., H k 는 복소 엔트리를 가지고 각 크기가 Mr × Mt인 각 모바일에 대해 K 채널 매트릭스이라고 한다. KMr × Mt 매트릭스
Figure 112008063221118-pct00002
를 정의한다. 제로 고유값에 대응하는 J의 (Mt-KMs) 우측 고유 벡터들이 칼럼에 스택되어 null{H 1 , ..., H k }로 정의된 Mt × (Mt-KMs) 정규직교 매트릭스를 형성한다.
2) V=avg(V 1 , V 2 )를 정의한다. V 1 , V 2 가 Mt x Ms 정규직교 매트릭스로 가정하고 정규직교 매트릭스 V 1 및 V 2 에 의해 걸치는 서브스페이스들간의 "서브스페이스 거리"를
Figure 112008063221118-pct00003
로서 정의하며, 여기에서 ∥*∥2는 매트릭스 이론에서 잘 정의되는 매트릭스 2-기준이다. 정규직교 매트릭스 V=avg(V 1 , V 2 )는 정규직교 매트릭스 V에 의해 걸치는 서브스페이스가 V 1 및 V 2 에 의해 걸치는 서브스페이스로의 동일한 거리를 가지고 있다는 것을 나타낸다. 매트릭스 V는 이하에서와 같이 계산될 수 있다. Mt x Ms 매트릭스의 칼럼에 스택되는 (V 1 V 1 H + V 2 V 2 H )의 Ms 도미넌트 고유벡터(eigenvector)는 avg(V 1 , V 2 )를 구성한다. 유의할 점은, 이러한 서브스페이스 평균이 V 1 , V 2 , ...에 의해 표현된 임의의 개수의 서브스페이스의 평균으로 확장될 수도 있고 가중된 평균으로도 확장될 수 있다는 점이다.
3) 사용자 k에 대해, N k =null(H 1 , ..., H k-1 , H k+1 , ..., H K ) 및 직교 프로젝션 매트릭스 P k =N k N k H 를 얻는다.
4) 사용자 k에 대해, V k 가 H k 의 Ms 도미넌트 우측 고유벡터에 의해 형성된 Mt x Ms 정규직교 매트릭스가 되게 한다.
5) W k = avg(V k , P k V k )를 계산한다.
유의할 점은, W k = V k 는 간섭이 무시된다는 것을 함축하고, W k=P k V k 는 간섭 제거 또는 널형성(nullforming)(즉, 사용자 k가 모바일(102)인 경우에 모바일(103)에서 제로 누화)을 함축한다는 점이다. 서브스페이스 평균화를 이용함으로써, 모바일(103)에서 일정 레벨의 누화가 제공되지만, 모바일(102)에 전달되는 전력이 증가된다. 모바일(103)에서의 누화의 레벨이 잡음 전력 이하인 한, 모바일(103)에서 성능이 영향을 받지 않는다.
양자화된 CSI(즉, 코드북-기반 CSI)를 가지는 서브스페이스 평균 기반 SDMA
서브스페이스 평균화의 개념이 소개되었으므로, 각 모바일에 대해 채널 및 널 서브스페이스만이 기지국에 의해 알려져 있는 경우에, 기지국에서 송신 SDMA 가중을 설계하는데 이용될 것이다. 기지국에서 Mt 송신 안테나의 각각으로부터 송신된 파일럿 신호로부터 모바일에 의해 측정된 Mr x Mt 다운링크 채널 H 1 , ..., H K 를 가지는 K 모바일(각각이 Mr 수신 안테나를 가짐)이 있다고 가정한다. 아이디어는 모바일이 그 널 및 채널 서브스페이스를 기지국에 피드백하는 실제적인 방법을 가능하게 하는 코드북 기반 양자화 전략을 고안하는 것이다. 각 사용자에 대해, 피드백은 이하의 알고리즘에 의해 결정된 양자화된 널 서브스페이스 Q(N k) 및 양자화된 채널 서브스페이스 Q(V k)로 구성된다. 유의할 점은, 양자화가 B 매트릭스(매트릭스의 차원은 이하에 주어진다)의 코드북으로부터 엔트리를 선택함으로써 수행될 수 있다는 점이다. 코드북은 본 기술분야에서, D.J. Love, R.W. Heath, Jr., 및 T. Strohmer, "Grassmannian Beamforming for Multiple-Input Multiple-Output Wireless Systems," IEEE Transactions on Information Theory, October 2003으로서 공지된 바와 같이 설계될 수 있다.
협대역 SDMA를 지원하는 K 모바일 사용자에 대한 코드북 양자화
각 모바일에 대한 채널 서브스페이스 양자화,
Figure 112008063221118-pct00004
내지
Figure 112008063221118-pct00005
를 정의하고, 여기에서 C는
Figure 112008063221118-pct00006
의 Ms 차원 서브스페이스의 코드북이다.
각 모바일에 대한 널 서브스페이스 양자화,
Figure 112008063221118-pct00007
,
Figure 112008063221118-pct00008
를 정의하고, C'는
Figure 112008063221118-pct00009
의 (Mt-Mr) 차원 서브스페이스의 코드북이다.
모바일 u는
Figure 112008063221118-pct00010
(여기에서 V∈C)을 최대로 하는 코드북 매트릭스의 인덱스 를 피드백함으로써 기지국에 그 양자화된 채널 서브스페이스를 통신한다. 모바일 u는
Figure 112008063221118-pct00011
(여기에서 V∈C')을 최소로 하는 코드북 매트릭스의 인덱스를 피드백함으로써 기지국에 그 양자화된 널 서브스페이스를 통신한다.
코드북 C 및 C'는 본 기술분야의 임의의 가용한 알고리즘을 이용하여 그라스만 매니폴드(Grassmann manifold) 상의 포인트들을 일정하게 간격을 둠으로써 설계될 수 있다. 송신 SDMA 가중은 기지국에서 이하의 단계들로 계산될 수 있다.
양자화로 서브스페이스 평균 SDMA 가중 계산
이러한 알고리즘은 기지국이 K 모바일들에게 동시에 송신할 것이라고 가정한다. 이하의 단계들은 송신 SDMA 가중을 계산하는데 이용된다.
1) 모바일 u에 대한 직교 프로젝션 매트릭스를
Figure 112008063221118-pct00012
로서 계산한다.
2) 모바일 u에 대한 SDMA 가중을 W u =avg(Q(V u ), P u Q(V u ))로서 계산한다.
기지국은 송신 가중(즉, 안테나 가중) W u 를 이용하여 모바일 u에 데이터를 빔형성하고 이들 가중은 나머지 K-1 모바일들에게는 거의 간섭을 제공하지 않으면서 하나의 모바일에 전력을 최대로 할 것이다.
완벽한 채널 상태 정보(CSI)를 가지는 MIMO-OFDM에 대한 SDMA
다음 단계는 플랫-페이딩된(flat-faded) MIMO를 위해 개발된 상기 알고리즘을 광대역(예를들면, OFDM) MIMO 시스템에 적용하는 것이다. 이하에서, MIMO-OFDM 시스템이 고려되고, 전체 대역폭이 모든 사용자에게 할당되며 평균 BER이 성능 매트릭스로서 선택된다. 송신기에서 완벽한 채널 지식(즉, 완벽한 CSI)으로, SDMA 가중은 서브스페이스 평균 솔루션을 이용하여 각 서브캐리어에 대해 독립적으로 계산될 수 있다.
양자화된 CSI를 가지는 MIMO-OFDM에 대한 SDMA
플랫 페이딩 채널의 경우에서와 같이, H 1(f) 내지 H K(f)(f=1, ..., N이고, f는 서브캐리어 인덱스이며 N은 전체 서브캐리어 개수이다)에 의해 표현되는 채널을 가지는 K의 사용자들이 있다고 가정할 것이다. 이후, 각 서브캐리어에 대한 널 서브스페이스 및 채널 서브스페이스 정보가 양자화되고, 특히 Q(N 1(f)), Q(V 1(f)), ..., Q(N K(f)), Q(V K(f))이 되며, 상기 주어진 서브스페이스 평균 기반 SDMA 솔루션이 각 서브캐리어에 독립적으로 적용된다. 이 경우에, 피드백 부하는 플랫 페이딩 MIMO 채널과 비교할 때 N-배만큼 증가한다. 그러나, 인접하는 서브캐리어들 상의 채널간에 상관이 통상적으로 존재하므로, 피드백의 양은 이하와 같이 감소될 수 있다.
해결가능한 다중경로 컴포넌트의 개수가 통상 서브캐리어의 개수보다 작다는 사실로 인해, 인접하는 서브캐리어 채널들이 상관되고, 이러한 사실이 활용되어 피드백 정보를 감소시킨다. 인접한 서브캐리어들이 그룹화되어 공통 SDMA 가중을 공유하는 클러스터를 형성하고 채널 서브스페이스 및 널 서브스페이스에 대한 공통 피드백을 제공한다. F 서브캐리어들(F≤N)의 임의의 클러스터를 고려하고 그 클러 스터내의 서브캐리어들을 1, ..., F에 의해 나타내면, 공통 피드백 정보가 이하와 같이 결정될 수 있다.
OFDM SDMA에 대한 k 모바일 사용자에 대한 클러스터링 기반 코드북 양자화
1) 모바일 u에 대한 "클러스터 채널 서브스페이스"를
Figure 112008063221118-pct00013
로 정의하고, 여기에서 C는
Figure 112008063221118-pct00014
(즉, 모든 Mt-차원 복소-값으로 된 벡터에 의해 형성된 스페이스)에서 Ms-차원 서브스페이스의 코드북이다.
2) 모바일 u에 대한 "클러스터 널 서브스페이스"를
Figure 112008063221118-pct00015
로 정의하고, 여기에서 C'는
Figure 112008063221118-pct00016
에서 (Mt-Mr) 차원 서브스페이스의 코드북이다.
코드북은 상기 제공된 플랫 페이딩된 경우에서와 같이 설계될 수 있다. 유의할 점은, 상기 정의에서는, 하나의 클러스터 내의 서브캐리어들이 1 내지 F이지만 일반적으로는 그 클러스터는 N 데이터-수반 서브캐리어로부터 F 서브캐리어의 임의의 그룹일 수 있다는 점이다.
모바일 u는
Figure 112008063221118-pct00017
(V∈C)를 최대로 하는 코드북 매트릭스의 인덱스를 피드백함으로써 기지국에 그 양자화된 클러스터 채널 서브스페이스를 통신한다. 모바일 u는
Figure 112008063221118-pct00018
(V∈C')를 최소로 하는 코드북 매트릭스의 인덱스를 피드백함으로써 기지국에 그 양자화된 클러스터 널 서브스페이스를 통신한다. 각 모바일 은 기지국이 피드백을 요구하는 N 데이터-운반 서브캐리어의 각 클러스터에 대해 양자화된 클러스터 채널 및 널 서브스페이스를 피드백할 것이다.
클러스터링의 특별한 경우는 1(즉, F=1)의 클러스터 크기를 포함하고, 각 서브캐리어가 독립적으로 다루어지는 것을 의미하며, 단지 하나의 SDMA 가중이 모든 서브캐리어에 대해 이용되는 경우에 F=N인 클러스터 크기도 포함한다. Ms=Mr의 경우에, 2개의 서브스페이스 중 하나가 나머지 하나로부터 도출될 수 있으므로 채널 서브스페이스 또는 널 서브스페이스 정보 중 어느 하나로 충분하다.
도 2는 기지국(101)의 블록도이다. 기지국(101)은 스트림 가중 회로(201), 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 회로(203), 선택적인 사이클릭 프리픽스 회로(207) 및 송신기(209)를 포함한다. 동작 동안에, 데이터 스트림 s(f)(f=1, 2, ..., N)는 스트림 가중 회로(201)에 입력된다(N은 서브캐리어의 개수이다). 유의할 점은, 스트림 가중 회로에 의해 수행되는 가중 동작이 K 노드들(모바일들) 각각에서 Ms 데이터 스트림의 각각에 대해 반복된다는 점이다. 스트림 가중 회로(201)는 복수의 가중된 데이터 스트림을 출력하고, 특히 안테나 당 하나의 가중된 데이터 스트림을 출력한다. 각 가중된 데이터 스트림(다르게는 "안테나 스트림"으로도 지칭됨)은 주파수 도메인에서 안테나-특정 가중 vn(f)에 의해 적절하게 가중된다(여기에서 n=1, 2, ..., Mt이고, Mt는 안테나(211)의 개수이다). 유의할 점은, 각 빔형성된 서브캐리어 상에서 상이하거나 그렇지 않을 수도 있다는 점이다. vm(f)가 안테나 m 및 서 브캐리어 f에 대한 가중이라고 가정하면, 스트림 가중 회로(201)는 안테나 m에 대해 가중된 데이터/안테나 스트림 xm(f)=vm(f)s(f)를 출력한다. 일부 서브캐리어 상의 데이터가 빔형성되지 않는 경우, 이들 서브캐리어들에 대한 데이터/안테나 스트림 s(f)는 IFFT로의 입력으로서 f번째 서브캐리어에 직접 피딩된다. 환언하면, 이들 서브캐리어 상에서, vm(f)가 효율적으로 1로 설정된다.
IFFT 회로(203)는 각 가중된 데이터 스트림에 대해 역 고속 푸리에 변환을 수행하고, 주파수-도메인 데이터 스트림을 시간-도메인 데이터 스트림으로 변환시킨다. 이후, 선택적인 사이클릭 확장 동작은 순환적으로-시프트된 안테나 스트림 상에서 사이클릭 확장 회로(207)를 통해 수행된다. 특히, 사이클릭 프리픽스 또는 가드 인터벌이 부가된다. 사이클릭 프리픽스는 통상 채널의 예상되는 최대 지연 확산보다 길다. 당업자들이 잘 알고 있는 바와 같이, 사이클릭 확장은 프리픽스(prefix), 포스트픽스(postfix), 또는 프리픽스 및 포스트픽스의 조합을 포함할 수 있다. 사이클릭 확장은 OFDM 통신 시스템의 본질적인 부분이다. 삽입된 사이클릭 프리픽스는, 채널의 임펄스 응답이 0 내지 LCP의 범위에 있는 경우에(여기에서, LCP는 사이클릭 확장의 길이이다), 다중경로 채널과 송신된 신호의 보통의 컨볼루션이 사이클릭 컨볼루션(convolution)으로 나타나게 한다. 마지막으로, 적절하게 가중되고 순환적으로-시프트된 안테나 데이터 스트림은 OFDM 변조되어, 송신기(209)에 의해 안테나(211)로부터 송신된다.
명백한 바와 같이, 기지국(101)은 노드에 의해 송신된 채널 및 널 서브스페 이스 정보를 수신하기 위한 수신기(213)를 더 포함한다. 예를 들면, 노드(102)는 서브스페이스 정보(105)를 송신하고 노드(103)는 서브스페이스 정보(106)를 송신할 것이며, 이는 수신기(213)에 의해 수신된다. 이러한 정보는 특정 노드와 통신할 때 이용할 적절한 안테나/스트림 가중을 결정하기 위해 스트림 가중 회로(201)로 패싱될 것이다.
도 3은 도 2의 기지국의 동작을 도시하는 플로우차트이다. 로직 플로우는 파일럿 데이터가 적어도 제1 및 제2 노드에 송신되는 단계 301에서 시작한다. 파일럿 데이터의 송신은 복수의 안테나(211)의 각각으로부터 주지된 시퀀스의 송신을 단순히 포함한다. 주지된 시퀀스는 각 안테나에 대해 다를 수 있고, 또는 각 안테나로부터 다른 채널 리소스 상에서 송신될 수 있다. 이에 응답하여, 수신기(213)는 단계 303에서 제1 및 제2 노드로부터 제1 및 제2 채널 서브스페이스 정보를 수신한다. 상술한 바와 같이, 채널 서브스페이스 정보는 모바일로의 전력을 최대로 하는 안테나 가중이 계산되는 정보를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 정보는 기지국(101) 및 모바일(102-103)에 의해 공유된 코드북(215)으로의 인덱스를 포함한다.
이어서, 단계 305에서, 제1 및 제2 널 서브스페이스 정보는 수신기(213)에 의해 제1 및 제2 노드로부터 수신된다. 상술한 바와 같이, 파일럿 데이터가 송신되는 것에 응답하여 널 서브스페이스 정보가 수신되고, 널 서브스페이스 정보는 모바일로의 전력을 최소로 하는 안테나 가중이 계산되는 정보를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이러한 정보는 기지국(101) 및 모바일(102-103)에 의해 공유되는 코드북(215)으로의 인덱스를 포함한다.
단계 307에서, 제1 채널 서브스페이스 정보 및 제2 널 서브스페이스 정보가 스트림 가중 회로(201)에 의해 활용되어, 제1 노드에 대한 제1 안테나/스트림 가중을 결정하고, 단계 309에서, 제2 채널 서브스페이스 정보 및 제1 널 서브스페이스 정보는 스트림 가중 회로(201)에 의해 이용되어 제2 노드에 대한 제2 안테나/스트림 가중을 결정한다. 상술한 바와 같이, 제1 스트림 가중은 제2 노드로의 전력을 최소로 하면서(또는 제한하면서) 제1 노드로의 전력을 최대로 하고, 한편 제2 스트림 가중은 제1 노드로의 전력을 최소로 하면서(또는 제한하면서) 제2 노드로의 전력을 최대로 할 것이다. 마지막으로, 단계 311에서, 제1 및 제2 스트림 가중을 각각 이용하여, 제1 및 제2 노드에 정보 또는 데이터가 송신된다. 제1 및 제2 스트림 가중을 이용한 제1 및 제2 노드로의 송신은 동시에(예를들면, SDMA 방식으로) 발생한다.
도 4는 노드(400)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 노드(400)는 로직 회로(401), 수신기(403), 송신기(405) 및 코드북(215)을 포함한다. 로직 회로(401)는 양호하게는 마이크로프로세서/컨트롤러를 포함하고, 기지국으로부터 수신된 파일럿 데이터(수신된 파일럿 데이터는 로직 회로(401)에 의해 수신기(403)로부터 얻어진다)에 기초하여 노드의 채널 서브스페이스 및 노드의 널 서브스페이스를 나타내는 코드북(215)으로부터 최상의 코드북 인덱스들을 결정하는 기능을 한다. 로직 회로는 인덱스들을 기지국에 피드백하기 위해 송신기(405)에 코드북 인덱스들을 제공한다.
도 5는 채널 서브스페이스 및 널 서브스페이스의 계산 동안에 노드(400)의 동작을 도시하는 플로우차트이다. 로직 회로는 단계 501에서 시작하여 파일럿 신호(파일럿 데이터)가 수신기(403)에 의해 수신된다. 본 업계에 주지된 바와 같이, 파일럿 신호는 베이스에서 Mt 송신 안테나의 각각에 의해 알려진 시간에 송신된, 주지된 시퀀스를 포함한다. 수신기(403)는 채널 추정을 계산하고 채널 추정을 로직 회로(401)에 패싱한다(단계 503). 일단 채널 추정이 알려지면, 로직 회로(401)는 결과적으로 최대 전력 및 최소 전력이 되는 서브스페이스를 결정한다(단계 505). 채널 추정에 기초하여 양쪽이 결정된다. 코드북(215)은 로직 회로(401)에 의해 액세스되고, 채널 추정에 대한 적절한 인덱스가 결정된다(단계 507). 단계 509에서, 채널 서브스페이스 정보 및 널 서브스페이스 정보는 코드북 엔트리로서 송신기(405)를 통해 송신된다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었다. 예를 들면, 매트릭스 2-기준(∥A∥2)이 독점적으로 이용되었다. 그러나, 프로베니우스(Frobenius) 기준과 같은 다른 매트릭스 기준들이 이용될 수 있다. 당업자들이라면, 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않고서 형태 및 세부사항에서 다양한 변경이 가해질 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 그러한 변경들은 이하의 청구의 범위의 범주 내에 있다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 공간-분할 다중 액세스(spatial-division multiple access)를 수행하기 위한 방법으로서,
    다중 안테나로부터 제1 및 제2 노드에게 파일럿 데이터를 송신하는 단계와,
    상기 송신에 응답하여 상기 제1 및 제2 노드로부터 제1 및 제2 채널 서브스페이스 정보를 수신하는 단계와,
    상기 송신에 응답하여 노드로부터 제1 및 제2 널(null) 서브스페이스 정보를 수신하는 단계와,
    상기 제1 노드에 대한 안테나 가중들을 결정하도록 상기 제1 채널 서브스페이스 정보 및 상기 제2 널 서브스페이스 정보를 이용하는 단계와,
    상기 제2 노드에 대한 안테나 가중들을 결정하도록 상기 제2 채널 서브스페이스 정보 및 상기 제1 널 서브스페이스 정보를 이용하는 단계와,
    상기 제1 및 제2 안테나 가중들을 각각 이용하여 상기 제1 및 제2 노드에게 데이터를 동시에 송신하는 단계
    를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 채널 서브스페이스 정보는 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 널 서브스페이스 정보는 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 채널 서브스페이스 정보는 상기 제1 노드로의 송신 에너지를 최대화하는 코드북 엔트리를 포함하고, 상기 제2 채널 서브스페이스 정보는 상기 제2 노드로의 에너지를 최대화하는 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 널 서브스페이스 정보는 상기 제1 노드로의 송신 에너지를 최소화하는데 이용되는 코드북 엔트리를 포함하고, 상기 제2 널 서브스페이스 정보는 상기 제2 노드로의 에너지를 최소화하는데 이용되는 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  6. 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 방법으로서,
    다중 안테나로부터 송신되는 파일럿 데이터를 기지국으로부터 수신하는 단계와,
    상기 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 채널 서브스페이스 정보를 결정하는 단계와,
    상기 수신된 파일럿 데이터에 기초하여 널 서브스페이스 정보를 결정하는 단계와,
    안테나 가중들을 결정할 때 상기 기지국이 이용하기 위해 상기 채널 서브스페이스 정보 및 상기 널 서브스페이스 정보를 송신하는 단계
    를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 방법.
  7. 공간-분할 다중 액세스를 수행하기 위한 장치로서,
    파일럿 데이터를 송신하는 송신기와,
    제1 및 제2 노드로부터의 제1 및 제2 채널 서브스페이스 정보, 및 상기 제1 및 제2 노드로부터의 제1 및 제2 널 서브스페이스 정보를 수신하는 수신기와,
    상기 제1 노드에 대한 제1 안테나/스트림 가중들을 결정하기 위해 상기 제1 채널 서브스페이스 정보 및 제2 널 서브스페이스 정보를 이용하고, 또한 상기 제2 노드에 대한 제2 안테나/스트림 가중들을 결정하기 위해 상기 제2 채널 서브스페이스 정보 및 상기 제1 널 서브스페이스 정보를 이용하는 스트림 가중 회로
    를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 송신기는 또한 상기 제1 및 제2 안테나/스트림 가중들을 이용하여 상기 제1 및 제2 노드에게 정보를 동시에 송신하는 공간-분할 다중 액세스 수행 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 채널 서브스페이스 정보는 제1 및 제2 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 널 서브스페이스 정보는 제1 및 제2 코드북 엔트리를 포함하는 공간-분할 다중 액세스 수행 장치.
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