KR101085627B1 - Data transmission method for multiuser mimo communication system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 사용자 다중입출력통신 시스템에서 기지국이 데이터를 전송하는 방법에 관한 것으로, 단말들로부터 채널 정보를 수신하고, 상기 수신한 채널 정보를 이용하여 스케줄링될 단말의 개수를 계산하고, 상기 계산한 단말의 개수에 따라 스케줄링 방식을 결정하고, 상기 결정된 스케줄링 방식 및 상기 수신한 채널 정보에 따라 데이터를 변조 및 부호화 하여 전송한다.

Figure R1020040054563

송신 다이버시티, 빔포밍, PARC, S-PARC, MIMO

The present invention relates to a method for transmitting data by a base station in a multi-user multi-input and output communication system, receiving channel information from terminals, calculating the number of terminals to be scheduled using the received channel information, and calculating A scheduling scheme is determined according to the number of terminals, and data is modulated and encoded according to the determined scheduling scheme and the received channel information and transmitted.

Figure R1020040054563

Transmit Diversity, Beamforming, PARC, S-PARC, MIMO

Description

다중 사용자 다중 입출력 통신 시스템의 데이터 전송 방법{DATA TRANSMISSION METHOD FOR MULTIUSER MIMO COMMUNICATION SYSTEM} DATA TRANSMISSION METHOD FOR MULTIUSER MIMO COMMUNICATION SYSTEM}             

도 1은 종래의 MIMO 시스템 중 하나인 PARC의 송신기의 구조를 보인 블록도;1 is a block diagram showing the structure of a transmitter of a PARC, which is one of the conventional MIMO systems;

도 2는 종래의 MIMO 시스템 중 하나인 S-PARC의 송신기 구조를 보인 블록도;2 is a block diagram showing a transmitter structure of an S-PARC, which is one of the conventional MIMO systems;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템의 기지국 송신기를 보인 블록도;3 is a block diagram showing a base station transmitter of a multi-user MIMO system in accordance with a preferred embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 MIMO 시스템 (PU2RC)와 종래의 PARC-MMSE 의 출력 성능 비교 테스트 결과를 그래프;4 is a graph of output performance comparison test results of a multi-user MIMO system (PU2RC) and a conventional PARC-MMSE according to a preferred embodiment of the present invention;

도 5는 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PU2RC와 종래의 PARC-MMSE, 그리고 SPAEC의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프 그리고5 is a graph showing the results of the performance comparison experiments of PU2RC, PARC-MMSE, and SPAEC according to a preferred embodiment of the present invention and

도 6은 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 하이브리드 스케줄링을 적용할 경우의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프이다.
6 is a graph illustrating a result of a performance comparison experiment when hybrid scheduling is applied in a multiuser MIMO system according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명은 무선통신시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다중사용자 다중입출력 통신 시스템에서의 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 개선된 데이터 전송 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless communication system, and more particularly, to an improved data transmission method capable of improving system performance in a multi-user multi-input and output communication system.

3세대 이동통신 시스템에의 표준화와 더불어 다양한 무선 멀티미디어 서비스를 지원할 수 있는 고속의 데이터전송 기법들이 연구 개발되고 있다. 고속하향링크 패킷전송(High Speed Downlink Packet Access: HSDPA)은 광대역코드분할다중접속(wideband code division multiple access: WCDMA)의 하향링크 데이터 전송 규격으로 10Mbps의 비트 전송율을 지원한다. HSDPA 시스템은 적응 변조 및 코딩 (adaptive modulation and coding: AMC), 하이브리드 자동 재전송 (hybrid automatic repeat request: HARQ), 패스트 셀 선택 (fast cell selection), 및 다중입출력(multiple input multiple output: MIMO) 안테나 처리 등 다양한 기술들을 포함한다. MIMO 시스템에서는 다수의 데이터 스트림이 다중 안테나를 통해 병렬로 전송되므로 스펙트럼 효율은 물론 데이터 전송율을 증가시킨다. 시공간블록부호화는 완전전송 다이버시티를 달성하기 위한 중요한 기술 중 하나이다. 빔포밍은 간섭 제거 및 선형 결합에 의해 링크 신뢰도를 증진시키는 또 다른 방법이다. 송수신 다이버시티는 패이딩을 변화를 줄일 수 있는 잘 알려진 방법으로 잘 알려져 있는 기술이며 이를 통해 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 공간 다중화 (spatial multiplexing) 는 다중 송신 안테나를 통해 서로 다른 데이터 심볼을 동시에 전송함으로써 다중화 이득을 얻기 위해 이용된다. In addition to the standardization to the third generation mobile communication system, high-speed data transmission techniques capable of supporting various wireless multimedia services have been researched and developed. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) is a downlink data transmission standard of wideband code division multiple access (WCDMA) and supports a bit rate of 10Mbps. The HSDPA system handles adaptive modulation and coding (AMC), hybrid automatic repeat request (HARQ), fast cell selection, and multiple input multiple output (MIMO) antenna processing. And various other technologies. In a MIMO system, multiple data streams are transmitted in parallel through multiple antennas, increasing spectral efficiency as well as data rate. Space-time block coding is one of the important techniques for achieving full transmission diversity. Beamforming is another way to improve link reliability by interference cancellation and linear coupling. Transmit / receive diversity is a well-known technique for reducing fading variation, and diversity gain can be obtained. Spatial multiplexing is used to obtain multiplexing gains by simultaneously transmitting different data symbols via multiple transmit antennas.

최근들어, MIMO는 3GPP의 WCDMA/HSDPA에 적용하기 위해 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 기술이다. 3GPP에 제안된 기법들은 빔포밍(beamforming), 시공간블록부호화, 송신다이버시티, 및 변조방식과 같은 다양한 MIMO 기술들의 조합을 기반으로 하고 있다. 3GPP MIMO 의 중요한 요소 중의 하나는 채널 품질 지시자 (channel quality indicator: CQI) 시그널링 이다. 다양한 형태의 전송 기법에 따라 링크 품질 추정 알고리즘은 물룐 요구되는 CQI 정보 또한 변할 수 있다. 따라서, CQI 정보의 궤환 시그널링은, 특히 링크 용량을 최대화 하고 오류율을 줄이기 위해 적응 변조 및 부호화 (AMC), 및/또는 선부호화(precoding) 기법을 이용하는, 다중 송신 안테나를 가지는 송신기에서 최적의 방법으로 설계되어야 한다. 실제 채널 환경에서 다중사용자 시그널링은 시스템 설계의 중요한 관심사 주의 하나이다. 스케줄링 알고리즘은, 단일사용자 MIMO의 점대점(point-to-point) 링크 용량을 증가를 위해 설계되다면, 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 전체 시스템 용량 증가를 고려하여야 한다.Recently, MIMO is the most actively researched technology for applying to 3GPP's WCDMA / HSDPA. The techniques proposed in 3GPP are based on a combination of various MIMO techniques, such as beamforming, space-time block coding, transmit diversity, and modulation. One important element of 3GPP MIMO is channel quality indicator (CQI) signaling. According to various types of transmission schemes, the link quality estimation algorithm may also change required CQI information. Thus, feedback signaling of CQI information is an optimal method for transmitters with multiple transmit antennas, in particular using adaptive modulation and coding (AMC), and / or precoding techniques to maximize link capacity and reduce error rates. It must be designed. In a real channel environment, multiuser signaling is one of the major concerns of system design. If the scheduling algorithm is designed to increase the point-to-point link capacity of a single user MIMO, then the multi-system MIMO system should consider increasing the overall system capacity.

3GPP MIMO 기술 보고서에서 루슨트 테크놀로지(lucent technologies)는 안테나별 전송율 제어 (per-antenna rate control: PARC)라 불리는 다중 안테나 기법을 제안하였다. 도 1은 PARC의 송신 안테나 구조를 보인 블록도로서, 입력된 데이터 스트림은 역다중화기(11)에 의해 역다중화되어 병렬로 배치된 부호화및변조기(13)에 전달되고 상기 부호화및변조기(13)를 구성하는 각각의 부호/변조 모듈(13-1 ~ 13-k)에 의해 부호화 및 변조되어 확산기(15)로 입력된다. 상기 확산기(15)에 입력된 각각의 병렬 신호는 확산코드와 곱해진 후 스크램블러(17)에 의해 혼합되어 대 응하는 송신 안테나(19-1~19-k)를 통해 송신된다.In 3GPP MIMO technology report, lucent technologies proposed a multi-antenna technique called per-antenna rate control (PARC). FIG. 1 is a block diagram showing a transmission antenna structure of a PARC, in which an input data stream is demultiplexed by a demultiplexer 11 and transmitted to an encoder and modulator 13 arranged in parallel, and the encoder and modulator 13 is transferred. Coded and modulated by the respective code / modulation modules 13-1 to 13-k constituting the same, they are input to the spreader 15. Each parallel signal input to the spreader 15 is multiplied by a spreading code and then mixed by the scrambler 17 and transmitted through corresponding transmission antennas 19-1 to 19-k.

PARC 에서는 개별적으로 부호화된 데이터 스트림들이 각 안테나를 통해 동일한 전력으로 그러나 다른 데이터율로 전송되며 모든 스트림에 대해 확산 코드가 재사용된다. 각 안테나에 대한 데이터 양 (data rate) 은 변조차수, 부호율, 확산코드의 수와 같은 전송자원을 적응적으로 할당 함으로써 제어된다. 각 송신 안테나의 복호 후 신호대간섭및잡음비 (signal-to-interference-plus-noise ratio: SINR)는 수신기에서 추정되어 송신기로 궤환 되며 이는 각 안테나의 데이터 량을 결정하는데 이용된다. PARC 에서는 링크 적응(link adaptation)을 위해 종래의 스칼라 시그널링보다 더 많은 궤환 오버헤드를 가지는 벡터 시그널링이 요구된다.In PARC, individually coded data streams are transmitted through each antenna at the same power but at different data rates, and spreading codes are reused for all streams. The data rate for each antenna is controlled by adaptively allocating transmission resources such as modulation order, code rate and number of spreading codes. The signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) after decoding of each transmitting antenna is estimated at the receiver and fed back to the transmitter, which is used to determine the amount of data of each antenna. In PARC, vector signaling with more feedback overhead than conventional scalar signaling is required for link adaptation.

PARC 시스템에서, 송신 및 수신 안테나의 수를 각각 Mt 와 Mr, Hk(t)를 Mr X Mt MIMO 채널 행렬, nk(t)를 분산

Figure 112004030992360-pat00001
을 가지는 Mr X 1 백색가우시안잡음(AWGN) 벡터, 그리고 Es 을 전체 송신 에너지 (t는 타임슬롯 인덱스)라 가정할 때, 다중 사용자 MIMO 시스템에서 k번째 사용자를 위한 Mr X 1 수신신호 벡터는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.In the PARC system, the number of transmit and receive antennas is distributed Mt, Mr, Hk (t), and Mr X Mt MIMO channel matrix, nk (t), respectively.
Figure 112004030992360-pat00001
Assuming that the Mr X 1 white Gaussian noise (AWGN) vector with, and E s is the total transmit energy (t is the timeslot index), the Mr X 1 received signal vector for the k th user in a multi-user MIMO system is It is expressed as Equation 1.

Figure 112004030992360-pat00002
Figure 112004030992360-pat00002

여기서,

Figure 112004030992360-pat00003
이고
Figure 112004030992360-pat00004
는
Figure 112004030992360-pat00005
를 만족시키는 제한 전 력을 가지는 k번째 사용자를 위한
Figure 112004030992360-pat00006
송신 심볼 벡터이다. 따라서 PARC 시스템에서는 특정 시점에서 오직 한 명의 사용자만이 서비스를 제공 받게 된다.here,
Figure 112004030992360-pat00003
ego
Figure 112004030992360-pat00004
Is
Figure 112004030992360-pat00005
For the k-th user with the limit power to satisfy
Figure 112004030992360-pat00006
Transmission symbol vector. Therefore, in the PARC system, only one user is provided with a service at any given time.

수신기에 최소 평균 제곱 오차 (minimum mean squared error: MMSE) 필터링과 연속간섭제거(successive interference cancellation: SIC)가 적용될 때, 수신 SINR, 즉, 복호후 SINR과 PARC의 용량 성능을 나타내기 위해, 선부호화를 위한 궤환벡터는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.When the receiver is subjected to minimum mean squared error (MMSE) filtering and successive interference cancellation (SIC), precoding is performed to indicate the capacity performance of the received SINR, i.e., the SINR and PARC after decoding. The feedback vector for can be expressed by Equation 2 below.

Figure 112004030992360-pat00007
Figure 112004030992360-pat00007

여기서

Figure 112004030992360-pat00008
는
Figure 112004030992360-pat00009
차원 제곱 단위 행렬이고
Figure 112004030992360-pat00010
는
Figure 112004030992360-pat00011
번째 열이 0으로 채워진
Figure 112004030992360-pat00012
의 수축된 행렬이다. m번째 스트림의 수신 SINR은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. here
Figure 112004030992360-pat00008
Is
Figure 112004030992360-pat00009
Is the dimension squared matrix
Figure 112004030992360-pat00010
Is
Figure 112004030992360-pat00011
Column is filled with zeros
Figure 112004030992360-pat00012
Is the contracted matrix of. The received SINR of the m th stream may be expressed by Equation 3 below.

Figure 112004030992360-pat00013
Figure 112004030992360-pat00013

따라서, 용량은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the capacity can be expressed as Equation 4.

Figure 112004030992360-pat00014
Figure 112004030992360-pat00014

여기서

Figure 112004030992360-pat00015
이다. 수학식 2에서
Figure 112004030992360-pat00016
를
Figure 112004030992360-pat00017
로 대체하면,
Figure 112004030992360-pat00018
표시되는 수신SINR 과 용량을 MMSE 수신을 위해 유도할 수 있다. here
Figure 112004030992360-pat00015
to be. In Equation 2,
Figure 112004030992360-pat00016
To
Figure 112004030992360-pat00017
If replaced with
Figure 112004030992360-pat00018
The indicated reception SINR and capacity can be derived for MMSE reception.

PARC 의 경우 플랫 패이딩 MIMO 채널에서 완전 개루프 용량을 달성할 수 있지만 SNR이 낮고 수신 안테나의 수가 송신 안테나의 수보다 적을 경우 개루프 용량과 폐루프 용량에 심각한 차이를 보이는 단점이 있다. 폐루프 MIMO 의 근접 용량을 얻기 위한 방법으로 에릭슨 사에 의해 제안된 선택적 PARC (selective PARC: SPARC) 기법이 있다. SPARC 는 안테나 선택 이득으로 용량 손실을 보상한다. 도 2는 종래의 MIMO 시스템 중의 하나인 SPARC의 송신기 구조를 보인 블록도이다.In case of PARC, full open loop capacity can be achieved in flat fading MIMO channel. However, when the SNR is low and the number of receive antennas is smaller than the number of transmit antennas, there is a disadvantage in that the open loop capacity and the closed loop capacity are significantly different. As a method for obtaining the close capacity of the closed loop MIMO, there is a selective PARC (SPARC) technique proposed by Ericsson. SPARC compensates for capacity loss with antenna select gain. 2 is a block diagram showing the structure of a transmitter of one of the conventional MIMO system.

도 2에서, AMC 제어기 (27)는 안테나 스위치(23)와 부호화/변조기 (21)를 통해 안테나들 (29-1 ~ 29-k)과 변조 및 부호화의 적응 모드를 제어한다. 적응 모드의 정보를 기바니으로 모든 송신 파라미터들이 결정되고 선택된 안테나 (29-1 ~ 29-k)에 매핑된다. 모든 송신 안테나에 대한 적절한 전력 분배는 안테나 처리기(25)에 의해 이루어진다. In FIG. 2, the AMC controller 27 controls the antennas 29-1 to 29-k and the adaptive mode of modulation and coding through the antenna switch 23 and the encoder / modulator 21. Based on the information of the adaptive mode, all transmission parameters are determined and mapped to the selected antennas 29-1 to 29-k. Proper power distribution for all transmit antennas is made by the antenna processor 25.

그러나 SPARC는 한번에 하나의 송신 안테나만을 이용하므로 사용자의 수에 대해 용량이득이 제한적인 단점을 가지고 있다.
However, SPARC uses only one transmit antenna at a time, which has a disadvantage in that capacity gain is limited for the number of users.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 사용자 스케줄링을 위해 사용자 다이버시티를 이용하고 피드백 정보를 기반으로 하는 송신 빔포밍을 적용하는 새로운 다중 사용자 MIMO 전송 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a new multi-user MIMO transmission method using user diversity for user scheduling and applying transmission beamforming based on feedback information. .

본 발명의 또 다른 목적은 채널 환경에 따라 사용자 스케줄링 방법을 적응적으로 선택함으로써 효율적인 자원 할당이 가능한 다중 사용자 MIMO 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a data transmission method in a multi-user MIMO communication system capable of efficient resource allocation by adaptively selecting a user scheduling method according to a channel environment.

본 발명의 또 다른 목적은 단말의 수신구조에 따라 최적의 피드백 알고리즘을 적응적을 선택함으로써 통신 환경에 따른 시스템 용량을 최대화 할 수 있는 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a data transmission method capable of maximizing system capacity according to a communication environment by adaptively selecting an optimal feedback algorithm according to a reception structure of a terminal.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 다중입출력통신스템을 위한 데이터 전송 방법에서는 기지국이 단말들로부터 채널 정보를 수신하고, 상기 수신한 채널 정보를 이용하여 스케줄링될 단말의 개수를 계산하고, 상기 계산한 단말의 개수에 따라 스케줄링 방식을 결정하고, 상기 결정된 스케줄링 방식 및 상기 수신한 채널 정보에 따라 데이터를 변조 및 부호화 하여 전송한다.In order to achieve the above object, in the data transmission method for a multi-user multi-input and output communication system according to a preferred embodiment of the present invention, the base station receives channel information from the terminals, and uses the received channel information of the terminal to be scheduled. The number is calculated, a scheduling method is determined according to the calculated number of terminals, and data is modulated and encoded according to the determined scheduling method and the received channel information and transmitted.

상기 채널 정보는 각 채널에 대한 빔형성 벡터와 채널 품질 지시자인 것을 특징으로 한다.The channel information is a beamforming vector and a channel quality indicator for each channel.

상기 사용자 스케줄링 방식은 단일 사용자 단말에 모든 송신 안테나를 할당 하는 단일 사용자 할당 방식과 모든 사용자 단말이 각각의 송신 안테나를 점유하기 위해 경쟁하는 경쟁 할당 방식을 포함한다. The user scheduling scheme includes a single user allocation scheme for allocating all transmit antennas to a single user terminal and a competitive allocation scheme in which all user terminals compete to occupy each transmit antenna.                         

상기 스케줄링 방식을 결정하는 단계는 상기 스케줄링 방식의 스위칭을 위한 임계값을 설정하고, 현재 시점의 단말의 수가 상기 임계값 보다 큰지를 판단하고, 상기 단말의 수가 임계값보다 작거나 같으면 상기 단일 사용자 할당 스케줄링방식을 선택하고, 상기 단말의 수가 임계값보다 크면 경쟁 할당 스케줄링 방식을 선택하는 것을 포함한다.The determining of the scheduling method may include setting a threshold value for switching the scheduling method, determining whether the number of terminals at the present time is greater than the threshold value, and if the number of terminals is less than or equal to the threshold value, assigning the single user. Selecting a scheduling scheme, and selecting a contention allocation scheduling scheme if the number of terminals is greater than a threshold.

상기 경쟁 할당 방식은 사용자 단말들의 수신기 구조에 따라 다른 용량 매트릭을 사용한다.The contention allocation scheme uses different capacity metrics according to the receiver structure of user terminals.

상기 단말의 수신기 구조는 선형(linear) 수신기 또는 비선형 (non-linera) 수신기인 것을 특징으로 한다. The receiver structure of the terminal is characterized in that the linear (linear) receiver or non-linear (non-linera) receiver.

상기 비선형 수신기는 연속간섭제거(SIC) 수신기인 것을 특징으로 한다.The nonlinear receiver is a continuous interference cancellation (SIC) receiver.

상기 수신기 구조가 비선형 수신기일 경우 상기 매트릭은 다음 수학식:If the receiver structure is a nonlinear receiver, the metric is

Figure 112004030992360-pat00019
,
Figure 112004030992360-pat00019
,

여기서 Q는 모든 사용자 단말 중 가능한 부분 세트, k는 사용자 인텍스, 아이겐 인덱스

Figure 112004030992360-pat00020
은 신호대잡음및간섭비(SINR)를 나타낸다.Where Q is the possible subset of all user terminals, k is the user index, and the eigen index
Figure 112004030992360-pat00020
Represents signal to noise and interference ratio (SINR).

상기 수신기 구조가 선형 수신기일 경우 상기 매트릭은 다음 수학식:If the receiver structure is a linear receiver, then the metric is:

Figure 112004030992360-pat00021
에 의해 표현되며, 여기서 k는 사용자 인덱스, m은 아이겐벡터 인텍스,
Figure 112004030992360-pat00022
은 신호대잡음및간섭 비(SINR)를 나타낸다.
Figure 112004030992360-pat00021
Where k is the user index, m is the eigenvector index,
Figure 112004030992360-pat00022
Denotes the signal-to-noise and interference ratio (SINR).

본 발명의 데이터 전송 방법은 단말의 수에 따라 피드백 방식을 결정하는 것을 더욱 포함한다. The data transmission method of the present invention further includes determining a feedback scheme according to the number of terminals.

상기 피드백 방식은 완전 피드백, 부분 피드백, 또는 하이브리드 피드백 방식인 것을 특징으로 한다. The feedback method is characterized in that the complete feedback, partial feedback, or a hybrid feedback method.

상기 완전 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식:The feedback information of the full feedback method is the following equation:

Figure 112004030992360-pat00023
Figure 112004030992360-pat00023

로 나타내며, 여기서

Figure 112004030992360-pat00024
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112004030992360-pat00025
은
Figure 112004030992360-pat00026
을 기반으로 수신기에서 추정된 수신 SINR들인 것을 특징으로 한다. , Where
Figure 112004030992360-pat00024
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112004030992360-pat00025
silver
Figure 112004030992360-pat00026
It is characterized in that the received SINRs estimated at the receiver based on.

상기 부분 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식:The feedback information of the partial feedback scheme is represented by the following equation:

Figure 112004030992360-pat00027
으로 나타내며, 여기서
Figure 112004030992360-pat00028
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112004030992360-pat00029
은
Figure 112004030992360-pat00030
을 기반으로 수신기에서 추정된 수신 SINR들인 것을 특징으로 한다.
Figure 112004030992360-pat00027
, Where
Figure 112004030992360-pat00028
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112004030992360-pat00029
silver
Figure 112004030992360-pat00030
It is characterized in that the received SINRs estimated at the receiver based on.

상기 하이브리드 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식: Feedback information of the hybrid feedback method is the following equation:                         

Figure 112004030992360-pat00031
로 나타내며, 여기서
Figure 112004030992360-pat00032
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112004030992360-pat00033
은
Figure 112004030992360-pat00034
을 기반으로 MMSE 수신기에서 추정된 수신 SINR이고
Figure 112004030992360-pat00035
은 SIC 수신기에서 추정된 SINR 인 것을 특징으로 한다.
Figure 112004030992360-pat00031
, Where
Figure 112004030992360-pat00032
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112004030992360-pat00033
silver
Figure 112004030992360-pat00034
Is the received SINR estimated at the MMSE receiver based on
Figure 112004030992360-pat00035
Is the estimated SINR at the SIC receiver.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 MIMO 전송 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a multi-user MIMO transmission method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 폐루프 MIMO 와 하향링크 사용자 다이버시티라는 두 가지 중요한 특징을 가진다. 다시 말해, 송신 안테나 어레이 이득은 궤환 시그널링을 통해 달성되고 그에 따라 용량/오차 비가 개선된다. 시공간 영역에서 사용자 다이버시티를 이용함으로써 모든사용자들에 대한 벡터 채널들의 총 용량이 최대화 된다. 수신 SINR, 채널 행렬의 부공간 (subspace) 구조, 그리고 수신기 구조와 같은 파라미터들은 링크 출력 성능을 결정하는 중요한 요소들이다. 더욱이, 다중사용자 MIMO 시스템은 송신 안테나의 수가 수신 안테나의 수보다 많은 경우 시스템 용량을 보상할 수 있다.The present invention has two important features: closed loop MIMO and downlink user diversity. In other words, the transmit antenna array gain is achieved through feedback signaling and thus the capacity / error ratio is improved. By using user diversity in the space-time domain, the total capacity of the vector channels for all users is maximized. Parameters such as receive SINR, subspace structure of the channel matrix, and receiver structure are important factors in determining link output performance. Furthermore, a multiuser MIMO system can compensate for system capacity when the number of transmit antennas is greater than the number of receive antennas.

본 발명의 단위 기저 행렬 (unitary basis matrix)을 이용한 다중 사용자 MIMO 방법을 사용자별 단위 전송량 제어(per-user unitary rate control: PU2RC)로 부르기로 한다. The multi-user MIMO method using the unitary basis matrix of the present invention will be referred to as per-user unitary rate control (PU2RC).                     

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템의 기지국 송신기를 보인 개략도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기지국 송신기는 단말로부터 수신되는 채널 상태 정보를 분석하여 k 사용자들의 우선순위를 결정하고 각 사용자별 데이터에 대한 변조 및 부호화 수준을 결정하는 AMC 제어기 (35), 상기 AMC 제어기 (35)에 의해 결정된 우선 순위 정보와 변조 및 부호화 수준 정보를 이용하여 입력되는 각 사용자들의 데이터와 해당 사용자 데이터의 전송율을 선택하는 사용자/전송율 선택기 (31), 상기 사용자/전송율 선택기 (31)로부터 출력되는 사용자별 변조및 부호화 정보를 이용하여 해당 사용자별 데이터를 변조 및 부호화하는 다수의 부호기/변조기 (33-1 ~ 33-k), 그리고 상기 부호기/변조기들 (33-1 ~ 33-k)로부터 출력되는 신호를 상기 AMC 제어기(35)에서 제공되는 채널정보를 이용하여 변환하여 단위 기저 행렬로 변환하여 다수의 안테나들 (39-1~39-k)을 통해 전송하는 단위기저변환기(37)로 이루어진다.3 is a schematic diagram illustrating a base station transmitter of a multi-user MIMO system according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the base station transmitter according to the preferred embodiment of the present invention analyzes the channel state information received from the terminal to determine the priority of k users and to determine the modulation and coding level for data for each user. A controller 35, a user / rate selector 31 for selecting data of respective users and a transmission rate of the corresponding user data using priority information determined by the AMC controller 35 and modulation and encoding level information; A plurality of encoders / modulators 33-1 to 33-k for modulating and encoding data for each user using user-specific modulation and encoding information output from the user / rate selector 31, and the encoders / modulators ( 33-1 to 33-k) is converted into a unit basis matrix by converting the signal output from the channel information provided from the AMC controller 35 Ring consists of a base unit transducer 37 is sent through a plurality of antennas (39-1 ~ 39-k).

본 발명에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템에서 수학식 1에 사용된 가정을 동일하게 적용하면 수신 신호 벡터는 수학식 5와 같이 표현할 수 있다. In the multi-user MIMO system according to the present invention, if the assumptions used in Equation 1 are equally applied, the received signal vector may be expressed as Equation 5.

Figure 112004030992360-pat00036
Figure 112004030992360-pat00036

여기서

Figure 112004030992360-pat00037
는 총 송신 스트림의 수이고,
Figure 112004030992360-pat00038
,
Figure 112004030992360-pat00039
는 빔포밍 행렬, 그리고
Figure 112004030992360-pat00040
는
Figure 112004030992360-pat00041
를 만족하는 전력 제약조건을 가진 송신 신호 벡터이다. 본 발명의 PU2RC는 다중 사용자 MIMO 방법이므로 각
Figure 112004030992360-pat00042
가 다른 사용자에게 독립적으로 할당 될 수 있다. here
Figure 112004030992360-pat00037
Is the total number of transmission streams,
Figure 112004030992360-pat00038
,
Figure 112004030992360-pat00039
Is the beamforming matrix, and
Figure 112004030992360-pat00040
Is
Figure 112004030992360-pat00041
A transmission signal vector with a power constraint satisfying PU2RC of the present invention is a multi-user MIMO method, so
Figure 112004030992360-pat00042
Can be assigned independently to other users.

수학식 5에서 빔포밍 행렬

Figure 112004030992360-pat00043
이 단위 행렬, 즉,
Figure 112004030992360-pat00044
이라고 가정하면 매치 필터 빔포밍(matched filter beamforming: MF-BF)에 의해 얻어진 용량을 개선할 수 있다. MF-BF은 더티 페이퍼 부호화 (dirty-paper coding: DPC)와 같은 다른 송신 사전 부호화 방법들에 비해 간단하게 구현될 수 있지만 공간 영역 사용자 다이버시티와 조합된 MF-BF는 상당한 용량 성능 증가를 가져온다. 시공간 영역에서의 사용자 다이버시티를 이용하기 위해
Figure 112004030992360-pat00045
는 다음 수학식 6에 의해 표현된다.Beamforming Matrix in Equation 5
Figure 112004030992360-pat00043
This identity matrix,
Figure 112004030992360-pat00044
If it is assumed that the capacity obtained by matched filter beamforming (MF-BF) can be improved. MF-BF can be implemented simply compared to other transmission precoding methods such as dirty-paper coding (DPC), but MF-BF combined with spatial domain user diversity results in a significant capacity performance increase. To take advantage of user diversity in the space-time domain
Figure 112004030992360-pat00045
Is expressed by the following equation (6).

Figure 112004030992360-pat00046
Figure 112004030992360-pat00046

조건:

Figure 112004030992360-pat00047
Condition:
Figure 112004030992360-pat00047

여기서

Figure 112004030992360-pat00048
은 그라스마니안 라인 팩킹 (Grassmannian line packing)과 같은 부분공간 패킹을 이용하여 얻어진
Figure 112004030992360-pat00049
의 m 번째 아이겐벡터의 양자화 된 버전이고,
Figure 112004030992360-pat00050
은 k번째 사용자를 위한 vk,m(t) 의 수신 SINR 함수 이다.
Figure 112004030992360-pat00051
은 다음 수학식 7과 같이 표현될 수 있다. here
Figure 112004030992360-pat00048
Is obtained using subspace packing such as Grassmannian line packing.
Figure 112004030992360-pat00049
Is the quantized version of the m th eigenvector of
Figure 112004030992360-pat00050
Is the received SINR function of v k, m (t) for the k th user.
Figure 112004030992360-pat00051
May be expressed as Equation 7 below.

Figure 112004030992360-pat00052
Figure 112004030992360-pat00052

여기서 b는 k번째 사용자와 t l 위한 수신 빔포밍 벡터이고, L=Mt이면 품질은 유지된다. 다른 송신 빔포밍 벡터들, 즉 {tm}m≠1은 T(t)의 단위 특성상 L→Mt일 때 쉽게 무익해지므로, 수학식 7에서 이용되지 않는다.Where b is the received beamforming vector for the k-th user and t l , and quality is maintained if L = M t . The other transmission beamforming vectors, i.e., {t m } m ≠ 1, are easily unprofitable when L → M t due to the unit characteristic of T (t), and thus are not used in Equation 7.

따라서, 송신기에서 본 발명에 따른 PU2RC의 단위 빔포밍은 공간 영역에서의 단순화된 사용자 다이버시티와 수신 SINR의 효과적 계산이라는 두 가지 장점을 가진다. Therefore, the unit beamforming of the PU2RC according to the present invention at the transmitter has two advantages: simplified user diversity in the spatial domain and effective calculation of the received SINR.

폐루프 MIMO 에서는 궤환 채널을 통해 사용자 단말로부터 채널 정보를 얻는다. In closed loop MIMO, channel information is obtained from a user terminal through a feedback channel.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 두 가지 종류의 채널 정보가 기지국으로 피드백 되며, 이는 빔포밍 벡터와 이에 대응하는 채널 품질이다. 다시 말해, 빔포밍 벡터와 채널 품질은 상기한 각 유저의 양자화된 아이겐벡터, 즉 {vk,m(t)}m와 수신 SINR, 즉 {ρ k (v k,m(t))}m 을 말한다. In a multi-user MIMO system according to a preferred embodiment of the present invention, two types of channel information are fed back to a base station, which is a beamforming vector and corresponding channel quality. In other words, the beamforming vector and the channel quality are the quantized eigenvectors of each user, i.e., {v k, m (t)} m and the received SINR, i.e. { ρ k (v k, m (t))} m Say

본 발명에서는 부분 공간(subspace) 패킹에 의해 미리 결정된 세트로부터 양자화된 벡터를 고려한다. 실제 구현상 어려움이 있는 아이겐 분해를 위해 선택이 바람직하다. 더욱이, 궤환 시그널링을 기반으로 하는 AMC가 이용된다면 양자화된 정보가 적응 수준의 수에 따라 궤환되어야 한다. 최상의 벡터들로 구성된 세트가 선택되고 이 벡터 세트는 수신기의 최대 합 양(sum rate)에 대응하고 서로 정규 직교되도록 선택적으로 제한된다. The present invention contemplates vectors quantized from a set predetermined by subspace packing. The choice is preferred for eigen degradation, which is difficult to implement in practice. Moreover, if AMC based feedback feedback is used, the quantized information must be fed back according to the number of adaptation levels. The set of best vectors is selected and the vector set is optionally limited to correspond to the maximum sum rate of the receiver and to be orthogonal to one another.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 상술한 피드백 정보의 특성에 따라 세가지 피드백 프로토콜, 즉, 완전 피드백, 부분 피드백, 그리고 하이브리드 피드백을 고려한다. In the multi-user MIMO system according to the preferred embodiment of the present invention, three feedback protocols, that is, full feedback, partial feedback, and hybrid feedback, are considered according to the characteristics of the above-described feedback information.

피드백 시그널링을 위한 k번째 사용자의 정보는 다음 수학식 8및 수학식 9로 주어진다.Information of the k-th user for feedback signaling is given by Equations 8 and 9 below.

Figure 112004030992360-pat00053
Figure 112004030992360-pat00053

Figure 112004030992360-pat00054
Figure 112004030992360-pat00054

상기 수학식 8과 수학식 9는 완전 피드백과 부분 피드백 프로토콜을 각각 나타내며, 여기서

Figure 112011010502442-pat00055
는 선택된 벡터들의 세트 인덱스이고,
Figure 112011010502442-pat00056
은
Figure 112011010502442-pat00057
을 기반으로 수신기에서 추정된 수신 SINR들이다. 모든
Figure 112011010502442-pat00058
은 MMSE 수신을 기반으로 하는 복호 후 SINR 을 나타낸다. 피드백 부하를 줄이기 위해, 수학식 9의
Figure 112011010502442-pat00059
는 수학식 8에서와 같은 모든 벡터들에 대한 SINR 대신 최대 SINR
Figure 112011010502442-pat00115
과 상기 최대 SINR의 인덱스
Figure 112011010502442-pat00061
를 포함한다. 최대 SINR
Figure 112011010502442-pat00062
은 다음 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.Equations 8 and 9 represent full feedback and partial feedback protocols, respectively.
Figure 112011010502442-pat00055
Is the set index of the selected vectors,
Figure 112011010502442-pat00056
silver
Figure 112011010502442-pat00057
Based on the received SINRs estimated at the receiver. all
Figure 112011010502442-pat00058
Denotes SINR after decoding based on MMSE reception. In order to reduce the feedback load,
Figure 112011010502442-pat00059
Is the maximum SINR instead of the SINR for all the vectors as in equation (8)
Figure 112011010502442-pat00115
And index of the maximum SINR
Figure 112011010502442-pat00061
It includes. SINR max
Figure 112011010502442-pat00062
Can be expressed as Equation 10 below.

Figure 112004030992360-pat00063
Figure 112004030992360-pat00063

실제로, 피드백 전송은 다음과 같이 재구성될 수 있다. 수학식 9의

Figure 112004030992360-pat00064
를 이용하여 상기 벡터들의 세트를 정의하기 위해 1 비트가 사용되고, 2 비트로 최대 SINR의 인덱스를 나타내고, 현재 HSDPA 규격의 SINR 피드백 시그널링을 위한 비트 수와 동일한 5 비트가 최대 SINR에 대해 할당되도록 구현될 수 있다. In practice, the feedback transmission can be reconfigured as follows. Of equation (9)
Figure 112004030992360-pat00064
1 bit is used to define the set of vectors using A, denotes the index of the maximum SINR with 2 bits, and 5 bits equal to the number of bits for SINR feedback signaling of the current HSDPA standard can be implemented to be allocated for the maximum SINR. have.

마지막으로, 하이브리드 피드백을 위한 프로토콜은 다음 수학식 11과 같이 표현된다. Finally, the protocol for hybrid feedback is expressed as in Equation 11 below.

Figure 112004030992360-pat00065
Figure 112004030992360-pat00065

여기서 SINR 은 MMSE와 SIC 수신기 구조 (

Figure 112004030992360-pat00066
와
Figure 112004030992360-pat00067
)를 포함하 고, 반면 수학식 11과 수학식 8에서의 SINR 의 수는 동일하다.Where SINR is the MMSE and SIC receiver architecture (
Figure 112004030992360-pat00066
Wow
Figure 112004030992360-pat00067
), While the number of SINRs in Equations 11 and 8 is the same.

MIMO 시스템에서는 두 개의 기본 스케줄링 방법이 고려된다. 이중 하나는 모든 송신 안테나가 단일 사용자 다중화 방식을 기반으로 선택된 단일 사용자에게 할당되는 것으로 PARC 방식에 적용된다. 수신기 구조에 관계없이 수신기 용량은 수학식 12와 같이 표현된다. In the MIMO system, two basic scheduling methods are considered. One of these is applied to the PARC scheme in which all transmit antennas are assigned to a single user selected based on the single user multiplexing scheme. Regardless of the receiver structure, the receiver capacity is expressed by Equation 12.

Figure 112004030992360-pat00068
Figure 112004030992360-pat00068

여기서

Figure 112004030992360-pat00069
는
Figure 112004030992360-pat00070
이거나 혹은
Figure 112004030992360-pat00071
일 수 있다. 나머지 하나는 모든 사용자들이 성능 향상을 위해 각 송신 안테나에 대해 독립적으로 경쟁하는 것이다. 이 방식의 용량은 특정 수신기 구조에 따라 다르므로 SIC 수신기와 선형 수신기 각각에 대해 수학식 13 및 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.here
Figure 112004030992360-pat00069
Is
Figure 112004030992360-pat00070
Or
Figure 112004030992360-pat00071
Can be. The other is that all users compete independently for each transmit antenna to improve performance. Since the capacity of this scheme depends on the specific receiver structure, it can be expressed as Equation 13 and Equation 14 for each of the SIC receiver and the linear receiver.

Figure 112004030992360-pat00072
Figure 112004030992360-pat00072

Figure 112004030992360-pat00073
Figure 112004030992360-pat00073

여기서 Q는 모든 사용자들에 대한 가능한 부분 세트이고, Qm+1은 m번째 계층에서 복호화 후 사용자가 제로화 되고

Figure 112004030992360-pat00074
인 Qm의 수축된 버전이다. Where Q is the set of possible subsets for all users, Q m + 1 is the user zero after decryption in the mth layer
Figure 112004030992360-pat00074
Is a constricted version of Q m .

수학식 13의 용량이 수학식 12의 용량과 명백히 같다는 사실, 즉

Figure 112004030992360-pat00075
로부터, 진보된 수신기들을 사용할 때, 단순화를 위해 수학식 12의 스케줄러를 사용할 수도 있다. The fact that the dose of Equation 13 is clearly equal to the dose of Equation 12, i.e.
Figure 112004030992360-pat00075
From, when using advanced receivers, the scheduler of equation (12) may be used for simplicity.

진보된 수신기들을 통해 최대 용량을 달성하기 위해, 하이브리드 스케줄러가 사용될 수도 있다. 하이브리드 스케줄러는 수학식 15와 같이 표현할 수 있다.To achieve maximum capacity through advanced receivers, a hybrid scheduler may be used. The hybrid scheduler can be expressed as Equation 15.

Figure 112004030992360-pat00076
Figure 112004030992360-pat00076

여기서 SIC 수신기를 위한

Figure 112004030992360-pat00077
와 선형 수신기를 위한
Figure 112004030992360-pat00078
의 두 개의 매트릭(metrics)이 적당한 사용자를 선택하기 위해 사용된다. 여기서 스케줄링 될 사용자들의 수에 의해 임계점이 결정된 후
Figure 112004030992360-pat00079
와
Figure 112004030992360-pat00080
사이에서 스케줄링 방식을 간단하게 스위칭함으로써 하이브리드 스케줄링을 위해 하나의 매트릭 만이 사용된다. Where for the SIC receiver
Figure 112004030992360-pat00077
For and linear receiver
Figure 112004030992360-pat00078
Two metrics are used to select the appropriate user. Where the threshold is determined by the number of users to be scheduled
Figure 112004030992360-pat00079
Wow
Figure 112004030992360-pat00080
By simply switching the scheduling scheme between, only one metric is used for hybrid scheduling.

실제로,

Figure 112004030992360-pat00081
을 만족하는 임계점
Figure 112004030992360-pat00082
을 선택하는 것이 요구되므로 하이브리드 스케줄러의 조건은 수학식 16과 같이 수정된다.in reality,
Figure 112004030992360-pat00081
Thresholds That Meet
Figure 112004030992360-pat00082
Since it is required to select the condition of the hybrid scheduler is modified as in Equation 16.

Figure 112004030992360-pat00083
Figure 112004030992360-pat00083

Figure 112004030992360-pat00084
Figure 112004030992360-pat00084

스케줄링 방법이 활성화 되기 전에는 스케줄링 할 사용자가 얼마나 많은지 확실하게 알기 어려우므로 수신을 단일 사용자 SIC (SU-SIC)로 제약하는 하이브리드 방식을 사용할 수 있으며 이는 수학식 17과 같이 표현할 수 있다.Since it is difficult to know for sure how many users are scheduled before the scheduling method is activated, a hybrid method of restricting reception to a single user SIC (SU-SIC) may be used.

Figure 112004030992360-pat00085
Figure 112004030992360-pat00085

여기서

Figure 112004030992360-pat00086
는 수학식 11의 SINR 들의 요소이고,
Figure 112004030992360-pat00087
는 제한 조건
Figure 112004030992360-pat00088
와
Figure 112004030992360-pat00089
를 만족하는 송신 안테나들의 j번째 부분그룹을 나타낸다.here
Figure 112004030992360-pat00086
Is an element of SINRs of Equation 11,
Figure 112004030992360-pat00087
Is a constraint
Figure 112004030992360-pat00088
Wow
Figure 112004030992360-pat00089
Represents the jth subgroup of transmit antennas that satisfy.

종래의 SIC 수신기들이 송신 안테나들로부터 수신되는 모든간섭들을 제거하려고 시도하는데 반해, SU-SIC 수신기들은 자신에 의한 간섭 (self interference)만을 제거할 뿐 다른 사용자에 대한 간섭은 제거하지 않는다.While conventional SIC receivers attempt to eliminate all interference received from transmit antennas, SU-SIC receivers only remove self interference but not interference to other users.

네트워크의 관점에서, 수학식 17의 스케줄링 알고리즘은 송신기가 수학식 12 내지 수학식 14의 알고리즘들 중 하나를 선택하여 융통성 있게 적용함으로써 최적 의 스케줄링이 가능하다. 수학식 17의 복잡도는 용량 성능의 희생 없이 수학식 12의 CQI 피드백과 거의 동일한 양을 사용함으로써, 즉 수학식 11의 피드백 프로토콜

Figure 112004030992360-pat00090
를 이용함으로써 단순화가 가능하다. From the network point of view, the scheduling algorithm of Equation 17 enables optimal scheduling by allowing the transmitter to flexibly apply one of the algorithms of Equations 12-14. The complexity of equation (17) is approximately equal to the CQI feedback of equation (12) without sacrificing capacity performance, i.e. the feedback protocol of equation (11).
Figure 112004030992360-pat00090
Simplification is possible by using.

도 4 내지 도 6은 상기한 다중 사용자 MIMO 시스템에 대한 컴퓨터 모의 실험결과를 보인 도면들이다.4 to 6 illustrate computer simulation results of the multi-user MIMO system.

모든 모의 실험에서,

Figure 112004030992360-pat00091
이고 PU2RC, MMSE 선형 수신기를 채택한 PARC(PAEC-MMSE), 그리고 SIC 수신기들이 PARC를 위해 사용되었다.In all simulations,
Figure 112004030992360-pat00091
And PA2 (PAEC-MMSE) employing PU2RC, MMSE linear receiver, and SIC receivers were used for PARC.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 MIMO 시스템 (PU2RC)와 종래의 PARC-MMSE 의 출력 성능 비교 테스트 결과를 그래프이다.4 is a graph of output performance comparison test results of a multi-user MIMO system (PU2RC) and a conventional PARC-MMSE according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4에서, 본 발명의 PU2RC 방식이 빔포밍을 적용하지 않는 PU2RC 시스템에 비해 4비트의 피드백으로 약 2dB의 송신 빔포밍이득을 가지기 때문에 PARC-MMSE 성능을 능가하고 사용자 다이버시트가 적용된 경우와 적용되지 않은 경우의 PARC-MMSE 에 비해 각각 약 3.5dB와 7dB 만큼 추가의 사용자 다이버시트 이득을 얻는 것을 알 수 있다. 사용자 다이버시트가 적용되는 PARC-MMSE에 대한 추가적인 이득은 PARC 방식에서는 이용될 수 없는 공간 영역에서의 사용자 다이버시티 이득이다. 사용자 수는 K=10으로 가정한다.In FIG. 4, the PU2RC scheme of the present invention has a transmission beamforming gain of about 2 dB with a 4-bit feedback compared to a PU2RC system that does not apply beamforming, thereby surpassing PARC-MMSE performance and applying to a user diver sheet. It can be seen that additional user diversity gain is obtained by about 3.5dB and 7dB, respectively, compared to the PARC-MMSE. An additional gain for PARC-MMSE to which user diversity is applied is the user diversity gain in the spatial domain that cannot be used in the PARC scheme. The number of users is assumed to be K = 10.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PU2RC와 종래의 PARC-MMSE, 그리고 SPAEC의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프이다. 실험을 위해 평균 SNR=10dB에서 송신 빔포밍을 위해 PU2RC에 1비트의 피드백이 적용되었다. 도 5에서 보는 바와 같이, 모든 송신 안테나들에 대한 피드백 정보가 사용자 단말들로부터 기지국으로 전송될 경우 PU2RC가 PARC-MMSE보다 월등한 성능을 보이고 있으며, 부분 피드백, 즉, 선택된 기저 혹은 안테나 벡터의 SINR 의 가정하에서도 PU2RC가 S-PARC와 같은 PAEC 기법에 대해 상당한 이득을 가짐을 알 수 있다. 이는 부분 피드백을 적용할 경우 SPARC는 하나의 송신 안테나 만을 이용하기 때문이고, 결과적으로 사용자 수와 관련하여 제한된 용량 이득을 가지기 때문이다. 반면 PU2RC의 경우 최대 송신 안테나 수 만큼의 데이터 스트림을 전송할 수 있다.5 is a graph showing the results of performance comparison experiments of the PU2RC, the conventional PARC-MMSE, and the SPAEC according to a preferred embodiment of the present invention. For the experiment, 1-bit feedback was applied to PU2RC for transmit beamforming at an average SNR of 10dB. As shown in FIG. 5, when feedback information for all transmission antennas is transmitted from user terminals to a base station, PU2RC performs better than PARC-MMSE, and partial feedback, that is, SINR of a selected base or antenna vector It can be seen that the PU2RC has significant benefits for PAEC techniques such as S-PARC even under the assumption of. This is because SPARC uses only one transmit antenna when applying partial feedback, and as a result has a limited capacity gain with respect to the number of users. On the other hand, PU2RC can transmit as many data streams as the maximum number of transmit antennas.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중사용자 MIMO 시스템에서 하이브리드 스케줄링을 적용할 경우의 성능 비교 실험 결과를 보인 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 사용자 수가 7 이하인 경우 SIC 수신기를 이용하는 PARC의 성능은 PU2RC의 성능보다 우수하지만, 사용자의 수가 증가하면 선형 수신기를 사용하는 PU2RC는 가 PARC보다 우수한 성능을 보이고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 PU2RC 와 PARC 의 하이브리드 스케줄링 기법은 사용자 수와 관계 없이 각각의 기법보다 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. 모든 기법들의 성능은 최적 빔포밍을 이용한 PU2RC에 의해 상한이 결정된다. 6 is a graph illustrating a result of a performance comparison experiment when hybrid scheduling is applied in a multiuser MIMO system according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, when the number of users is 7 or less, the performance of the PARC using the SIC receiver is better than that of the PU2RC. However, when the number of users increases, the PU2RC using the linear receiver shows better performance than the PARC. have. From these results, it can be seen that the hybrid scheduling schemes of PU2RC and PARC perform better than the respective schemes regardless of the number of users. The performance of all techniques is capped by PU2RC with optimal beamforming.

본 발명의 다중 사용자 MIMO 시스템의 이득은 시공간 사용자 다이버시티와 송신 단위 빔형성을 적용함으로써 달성된다.
The gain of the multi-user MIMO system of the present invention is achieved by applying space-time user diversity and transmission unit beamforming.

상기한 바와 같이, 본 발명의 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 사용자의 수에 비례하여 다중 사용자 이득을 얻을 수 있으며 송신기에서 수신기로부터 피드백 되는 단위 기저 변환을 이용하여 빔형성 이득을 얻을 수 있다.As described above, in the multi-user MIMO system of the present invention, a multi-user gain can be obtained in proportion to the number of users, and the beamforming gain can be obtained by using a unit basis transform fed back from the receiver at the transmitter.

또한, 본 발명의 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 사용자 스케줄링을 진보된 수신기와 조합함으로써 단일 사용자 다중화 전송 방식에 비해 용량 성능의 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.In addition, in the multi-user MIMO system of the present invention, by combining user scheduling with an advanced receiver, the capacity performance can be increased compared to the single-user multiplexed transmission scheme.

또한, 본 발명의 다중 사용자 MIMO 시스템에서는 개선된 피드백 시그널링을 통해 빔포밍 행렬과 SINR에서의 양자화 오차를 줄일 수 있기 때문에 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하다.In addition, the multi-user MIMO system of the present invention can reduce the quantization error in the beamforming matrix and SINR through improved feedback signaling, thereby enabling reliable data transmission.

Claims (15)

다중 사용자 다중입출력(MIMO)통신 시스템에서 기지국이 데이터를 전송하는 방법에 있어서, In the multi-user multiple input and output (MIMO) communication system, the base station transmits data, 단말들로부터 각 채널에 대한 빔형성 벡터와 채널 품질 지시자를 포함하는 채널 정보를 수신하는 과정과, Receiving channel information including a beamforming vector and a channel quality indicator for each channel from the terminals; 상기 수신한 채널 정보를 이용하여 스케줄링될 단말의 개수를 계산하는 과정과, Calculating the number of terminals to be scheduled using the received channel information; 상기 계산한 단말의 개수에 따라 스케줄링 방식을 결정하는 과정과, Determining a scheduling method according to the calculated number of terminals; 상기 결정된 스케줄링 방식 및 상기 수신한 채널 정보에 따라 데이터를 변조 및 부호화하는 과정과,Modulating and encoding data according to the determined scheduling scheme and the received channel information; 상기 빔형성 벡터를 이용하여 상기 기지국의 복수의 송신 안테나들을 빔형성하는 과정과,Beamforming a plurality of transmit antennas of the base station using the beamforming vector; 상기 빔형성된 송신 안테나들을 통해 상기 부호화된 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.And transmitting the encoded data through the beamformed transmit antennas. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 스케줄링 방식은 단일 사용자 단말에 모든 송신 안테나를 할당하는 단일 사용자 할당 방식과 모든 사용자 단말이 각각의 송신 안테나를 점유하기 위해 경쟁하는 경쟁 할당 방식 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.2. The method of claim 1, wherein the scheduling scheme comprises at least one of a single user assignment scheme for allocating all transmit antennas to a single user terminal and a contention allocation scheme in which all user terminals compete to occupy each transmit antenna. The data transmission method. 제 3항에 있어서, 상기 스케줄링 방식을 결정하는 과정은,The method of claim 3, wherein the determining of the scheduling scheme comprises: 상기 스케줄링 방식의 스위칭을 위한 임계값을 설정하는 과정과,Setting a threshold for switching the scheduling scheme; 상기 단말의 개수가 상기 설정한 임계값 보다 큰지를 판단하는 과정과,Determining whether the number of terminals is greater than the set threshold value; 상기 단말의 개수가 상기 임계값보다 작거나 같으면 상기 단일 사용자 할당 방식을 선택하고, 상기 단말의 개수가 상기 임계값보다 크면 상기 경쟁 할당 방식을 선택하는 과정을 포함하는 데이터 전송 방법.Selecting the single user allocation scheme when the number of terminals is less than or equal to the threshold, and selecting the contention allocation scheme when the number of terminals is greater than the threshold. 제 4항에 있어서, 상기 경쟁 할당 방식은 상기 사용자 단말들의 수신기 구조에 따라 다른 용량 매트릭을 사용함을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.5. The method of claim 4, wherein the contention allocation scheme uses different capacity metrics according to receiver structures of the user terminals. 제 5항에 있어서, 상기 수신기 구조는 선형(linear) 구조 및 비선형 (non-linear) 구조 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.6. The method of claim 5, wherein the receiver structure is at least one of a linear structure and a non-linear structure. 제 6항에 있어서, 상기 비선형 구조의 비선형 수신기는 연속간섭제거(SIC) 수신기임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.7. The method of claim 6, wherein the nonlinear receiver of the nonlinear structure is a continuous interference cancellation (SIC) receiver. 제 6항에 있어서, 상기 수신기 구조가 상기 비선형 구조일 경우 상기 용량 매트릭은 다음 수학식:7. The method of claim 6, wherein when the receiver structure is the non-linear structure, the capacity metric is:
Figure 112009036983710-pat00092
Figure 112009036983710-pat00092
 에 의해 표현되며, 여기서 Q는 상기 모든 사용자 단말 중 가능한 부분 세트를 나타내고, k는 사용자 인덱스를 나타내고, 아이겐벡터 인덱스
Figure 112009036983710-pat00093
은 신호대잡음및간섭비(SINR)를 나타냄을 특징으로 하는 데이터 전송방법.Where Q represents a possible subset of all the user terminals, k represents a user index, and an eigenvector index.
Figure 112009036983710-pat00093
Is a signal-to-noise and interference ratio (SINR). 제 6항에 있어서, 상기 수신기 구조가 상기 선형 구조일 경우 상기 용량 매트릭은 다음 수학식:7. The method of claim 6, wherein when the receiver structure is the linear structure, the capacity metric is:
Figure 112009036983710-pat00094
Figure 112009036983710-pat00094
 에 의해 표현되며, 여기서 k는 사용자 인덱스를 나타내고, 아이겐벡터 인덱스
Figure 112009036983710-pat00095
은 신호대잡음및간섭비(SINR)를 나타냄을 특징으로 하는 데이터 전송방법.Where k represents the user index and the eigenvector index
Figure 112009036983710-pat00095
Is a signal-to-noise and interference ratio (SINR). 제 1항에 있어서, 상기 단말의 개수에 따라 피드백 방식을 결정하는 과정을을 더 포함하는 데이터 전송 방법.The data transmission method of claim 1, further comprising determining a feedback scheme according to the number of terminals. 제 10항에 있어서, 상기 피드백 방식은 완전 피드백 방식, 부분 피드백 방식 및 하이브리드 피드백 방식 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.The method of claim 10, wherein the feedback scheme is at least one of a full feedback scheme, a partial feedback scheme, and a hybrid feedback scheme. 제 11항에 있어서, 상기 완전 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식:The method of claim 11, wherein the feedback information of the full feedback method is the following equation:
Figure 112009036983710-pat00096
로 나타내며, 여기서
Figure 112009036983710-pat00097
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112009036983710-pat00098
은
Figure 112009036983710-pat00099
을 기반으로 수신기에서 추정된 수신 신호대잡음및간섭비(SINR)들인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
Figure 112009036983710-pat00096
, Where
Figure 112009036983710-pat00097
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112009036983710-pat00098
silver
Figure 112009036983710-pat00099
The received signal-to-noise and interference ratios (SINRs) estimated by the receiver based on the data transmission method. 제 11항에 있어서, 상기 부분 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식:The method of claim 11, wherein the feedback information of the partial feedback scheme is the following equation:
Figure 112011010502442-pat00100
로 나타내며, 여기서
Figure 112011010502442-pat00101
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112011010502442-pat00116
은
Figure 112011010502442-pat00103
을 기반으로 수신기에서 추정된 수신 신호대잡음및간섭비(SINR)들 중에서 최대 SINR이고,
Figure 112011010502442-pat00117
는 상기 최대 SINR의 지시자인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
Figure 112011010502442-pat00100
, Where
Figure 112011010502442-pat00101
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112011010502442-pat00116
silver
Figure 112011010502442-pat00103
Is the maximum SINR among the received signal-to-noise and interference ratios (SINRs) estimated at the receiver,
Figure 112011010502442-pat00117
Is an indicator of the maximum SINR. 제 11항에 있어서, 상기 하이브리드 피드백 방식의 피드백 정보는 다음 수학식:
Figure 112011010502442-pat00104
로 나타내며, 여기서
Figure 112011010502442-pat00105
는 선택된 벡터들의 집합을 나타내는 지시자이고,
Figure 112011010502442-pat00118
은
Figure 112011010502442-pat00107
을 기반으로 최소 평균 제곱 오차 (MMSE) 수신기에서 추정된 수신 신호대잡음및간섭비(SINR)들 중에서 최대 SINR이고,
Figure 112011010502442-pat00119
는 상기 최대 SINR의 지시자이고,
Figure 112011010502442-pat00108
은 연속간섭제거(SIC) 수신기에서 추정된 SINR 인 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.The method of claim 11, wherein the feedback information of the hybrid feedback scheme is:
Figure 112011010502442-pat00104
, Where
Figure 112011010502442-pat00105
Is an indicator representing the set of selected vectors,
Figure 112011010502442-pat00118
silver
Figure 112011010502442-pat00107
Is the maximum SINR among the received signal-to-noise and interference ratios (SINRs) estimated at the minimum mean square error (MMSE) receiver,
Figure 112011010502442-pat00119
Is an indicator of the maximum SINR,
Figure 112011010502442-pat00108
Is an SINR estimated by a continuous interference cancellation (SIC) receiver. 삭제delete
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