KR101115785B1

KR101115785B1 - 다중 안테나를 사용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템에서 릴레이 간섭 제어와 자원 관리 기법 및 장치

Info

Publication number: KR101115785B1
Application number: KR1020090077929A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 조희남
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2012-02-20
Also published as: KR20110020352A

Abstract

본 발명은 다중 안테나(multiple-input multiple-output: 이하 MIMO)를 사용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템(wireless dual-hop relay systems: 이하 MIMO 릴레이)의 하향링크(downlink)에서 다중 안테나의 송신 채널 상관(transmit channel correlation) 정보만을 이용하여 릴레이로 인해 발생하는 기지국 셀 내에 있는 사용자에게 간섭 영향을 줄이기 위한 기지국과 릴레이 간 협력 송신 빔형성(cooperative transmit beamforming) 기법과 그와 연동된 송신 전력 할당(transmit power allocation) 기법 및 장치에 관한 것이다. 실제적으로 셀룰러 시스템의 하향링크는 릴레이 간섭에 의해 성능이 크게 제한되며, 이러한 간섭 특성은 릴레이 간섭 채널의 채널 특성 뿐 만 아니라 릴레이의 송신 빔형성 방식, 기지국과 릴레이에 할당된 송신 전력에 따라 달라지게 된다. 본 발명에서는 다중 사용자의 송신 채널 상관 정보가 물리적으로 서로 독립적인 특성을 갖는다는 사실을 이용하여 기지국과 릴레이 간 송신 채널 상관 정보를 공유함으로써 릴레이 채널과 간섭 채널의 상관도 특성이 서로 직교적인(orthogonal) 사용자 조합을 선택하고 선택된 사용자의 송신 채널 상관도의 최대 고유치(eigenvalue)에 해당하는 고유 벡터(eigenvector)를 송신 빔의 가중치로 사용하여 릴레이 간섭을 회피하는 협력방식의 고유 빔형성 기법과 장치를 제안한다. 또한 제안된 빔형성 기법을 간섭 특성에 따라 기지국과 릴레이의 송신 전력을 적응적으로 할당하는 기법과 연동하여 성능을 최적화한다.

협력통신(cooperative transmission), 빔포밍(beamforming), 릴레이 간섭(relay interference), 분산 자원 관리(distributed resource management), 공간 상관도(spatial correlation)

Description

다중 안테나를 사용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템에서 릴레이 간섭 제어와 자원 관리 기법 및 장치 {APPARATUS AND METHOD OF COOPERATIVE INTERFERENCE MITIGATION AND RESOURCE MANAGEMENT IN WIRELESS DUAL-HOP RELAY SYSTEMS WITH MULTIPLE ANTENNAS}

셀룰러 환경에서 릴레이는 음영 지역(coverage hole) 해소 및 셀 영역(cell coverage) 확장 등의 목적을 위해 사용된다. 최근에는 다중 안테나(multiple input multiple output: 이하 MIMO)가 장착된 릴레이(이하 MIMO 릴레이)를 사용하여 공간 자원을 늘림으로써 시스템 용량을 증가시킬 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 주파수 재사용률(frequency reuse factor)이 1인 다중 셀 환경에서 MIMO 릴레이를 설치하는 경우, 인접 셀에 의한 간섭 신호(other-cell interference: 이하 OCI) 뿐 만 아니라 설치된 MIMO 릴레이로 인해 발생하는 간섭, 인접 릴레이에서 발생되는 간섭 신호 때문에 실질적으로 MIMO 릴레이의 시스템 용량은 크게 제한된다.

이 같은 간섭 문제를 해결하기 위해 기존에는 기지국과 기지국, 또는 기지국과 릴레이 간 협력 자원 관리(coordinated resource management) 기법을 통해 간섭 을 회피하는 방안이 제안되었다. 특히, 사용자의 서로 다른 채널 특성을 고려하여 결정된 자원 할당(resource allocation) 정보를 백본 망(back-bone network)을 통해 실시간으로 교환함으로써 셀 내 간섭(intra-cell interference)과 OCI를 제어하는 기지국 간 협력 자원관리 기법이 제안되었다. 유사한 방식으로, 릴레이 사용자의 채널 정보를 기지국으로 전달하여 기지국이 자기 사용자뿐 만 아니라 릴레이 사용자의 자원을 같이 할당함으로써 셀 내 간섭을 제어하는 중앙 집중식 자원 관리 기법이 제안되었다. 그러나, 이러한 협력 자원 관리 기법을 통한 간섭 회피는 자원 할당 정보의 실시간 교환으로 인한 시스템 오버헤드(overhead) 증가, 채널 시변(time-varying) 특성에 의한 채널 불일치(channel mismatch) 문제, 부분적인 대역폭 사용으로 인한 시스템 용량 감소 때문에 실질적으로 큰 성능 이득을 얻는 것이 용이하지 않다.

최근에는 이러한 간섭 문제를 해결하기 위해 MIMO 전송 기법을 이용한 협력 전송 연구가 이루어지고 있으나 MIMO 릴레이로 인한 간섭 문제보다는 OCI 문제를 해결하기 위한 연구가 많이 진행되어왔다. 특히, 종래의 dirty-paper coding (DPC) 기반의 기지국 간 협력 전송 기법은 신호 전송 전에 OCI를 미리 제거함으로써 최적의 성능을 제공하나, 모든 사용자의 순시 채널 정보를 정확하게 알고 있어야 하기 때문에 사용자 수가 많아질수록 채널 정보의 궤환 부담과 실장 복잡도가 증가해서 구현이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 시스템 복잡도를 줄이기 위해 한번의 스케줄링 시간에 최대 사용자 수를 시스템의 이용 가능한 자유도(즉, 기지국의 송신 안테나 수)까지 제한하는 선형 프리코딩(linear precoding) 기반의 zero- forcing (이하 ZF) 또는 최소자승오차(minimum mean square error: 이하 MMSE) 빔형성 기법이 제안되었다. 그러나, 이들 기법도 모든 사용자의 순시 채널 정보가 필요하고, 이를 이용하여 직교적인 사용자 집합을 선택해야 하는 스케줄링 부담이 존재한다. 무엇보다도 이러한 순시 채널 정보를 이용하는 협력 전송 기법은 채널의 시변 특성 및 채널 정보 궤환 지연(feedback delay)으로 인해 발생하는 채널 불일치 문제로 인해 현실적으로 사용되기 어렵다. 이를 보완하기 위하여 순시 채널 정보보다 상대적으로 채널의 시변 특성에 덜 민감한 평균 채널 정보를 이용한 협력 전송 기법이 제안되었다.

MIMO 릴레이로 인한 간섭 문제를 완화하기 위해 종래의 기지국 간 협력 전송 기법을 고려할 수 있으나, MIMO 릴레이 전송은 다중-홉 전송으로 인한 추가적인 시간 지연 및 궤환 신호 오버헤드 증가, 홉 간 채널 용량의 균형 문제를 동시에 고려해야 한다는 점에서 종래의 기지국 간 협력 전송 기법을 그대로 사용할 수 없다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 시간 지연에 강인한 평균 채널 정보 특성을 이용하여 홉 간 채널 용량의 균형을 위한 분산 자원 관리(distributed resource management) 기법과 연동된 기지국과 릴레이 간 협력 전송 기법을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 간섭 채널을 신호 전송에 이용하는 공간 다중화 기반의 협력 전송보다는 간섭을 회피할 수 있는 협력 전송 기법을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 사용자의 송신 채널 상관도가 존재하는 이중-홉 MIMO 릴레이 무선통신 시스템의 하향링크에서 다중 사용자의 송신 채널 상관 정보를 기지국과 릴레이가 공유하여 MIMO 릴레이로 인한 간섭을 회피할 수 있는 기지국과 릴레이 간의 협력 송신 빔형성(cooperative transmit beamforming) 기법과 장치에 관한 것이다. 또한, 릴레이 간섭 제거와 함께, 간섭 환경에 적응적으로 기지국과 릴레이의 송신 전력 값을 결정한다.

이중-홉 MIMO 릴레이가 설치된 셀룰러 환경에서 시스템 용량을 제한하는 원인은 한정된 주파수 및 전력 자원의 분산 할당과 릴레이 설치로 인한 기지국 셀 내로의 간섭, 인접 셀 또는 인접 릴레이로의 간섭 현상이 발생하여 실질적으로 신호대간섭잡음비(Signal-to-Interference plus Noise Ratio: 이하 SINR)가 낮아지기 때문이다. 이러한 간섭 문제를 기지국과 릴레이 간 협력 자원관리 기법을 통해 해결할 수 있으나, 자원 할당 정보의 실시간 교환에 필요한 시스템 오버헤드 증가, 채널 시변 특성에 의한 채널 불일치 문제, 부분적인 대역폭 사용으로 인한 시스템 용량 감소로 인해 현실적으로 적용이 쉽지 않다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 전 대역의 주파수를 사용하면서 동시에 릴레이로 인한 간섭을 공간 자원을 이용하여 제어할 수 있는 다중 안테나 기법의 사용이 바람직하다. 기지국과 릴레이 간 협력을 통해 모든 사용자의 순시 채널 정보를 이용하여 릴레이 간섭을 최소화시키는 최소자승오차(MMSE) 빔형성 기법이 효과적이나, 사용자 이동 속도가 빠른 환경에서의 채널 불일치 문제 등으로 인해 실질적으로 향상된 성능을 기대하기 힘들다. 또 송신단에서 채널 정보를 이용하지 않는 랜덤 빔형성(random beamforming) 기법은 빔형성 이득(beamforming gain)의 손실이 발생하고 효율적인 간섭 제어가 되지 않아 높은 시스템 용량을 얻을 수 없다. 본 발명은 사용자의 송신 채널 상관도 정보를 이용하여, 릴레이 간섭을 제어함으로써 MIMO 릴레이 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 기지국과 릴레이 간의 협력 송신 빔형성 기법 및 장치에 관한 것이며 기본 개념은 다음과 같다.

일반적으로 하향링크에서 다중 사용자의 송신 채널 상관도 정보가 물리적으로 독립적이고 송신 채널 상관도가 큰 경우 채널 이득이 소수의 채널 고유 벡터(eigenvector) 방향으로 집중된다. 이 사실을 이용하여 릴레이 채널과 간섭 채널의 송신 채널 상관도가 서로 직교적인 특성을 갖는 사용자 집합을 선택하고, 선택된 사용자의 릴레이 채널의 주요한 고유 벡터 방향으로 송신 빔을 형성함으로써 릴레이 간섭을 회피하도록 한다. 또한, 릴레이로부터의 간섭 특성이 간섭 채널 및 송신 빔형성 방식뿐 만 아니라 릴레이에 할당된 송신 전력에 의해 변한다는 사실을 이용하여, 간섭 특성에 따라 기지국과 릴레이의 송신 전력을 조정하여 성능을 최적화한다.

설명의 편의를 위해 도 1과 같이, 기지국은 첫 번째 슬롯 기간 동안

개의 안테나를 이용하여 릴레이로 신호를 전송하고, 릴레이는 두 번째 슬롯 기간 동안

개의 안테나로 신호를 수신하여 복조 후 전송하는(decoding-and-forward: 이하 DF) 방식으로 릴레이 사용자

에게 신호를 전송하며 이와 같은 경로를 릴레이 링크라 명한다. 두 번째 슬롯 기간 동안, 기지국은 릴레이와 같은 주파수 자원을 이용하여 기지국 사용자

에게 신호를 전송하며 이와 같은 경로를 엑세스 링크라 명한다. 편의를 위해 슬롯 기간과 연관이 있는 변수들은 각각 윗 첨자

와

를 사용하여 슬롯 기간을 구분한다. 기지국과 릴레이는 각각

와

로 주어지 는 최대 송신 전력 조건을 갖는다고 가정한다.

는 릴레이 경로의 첫 번째 홉인

MIMO 채널 행렬을,

는 릴레이 경로의 두 번째 홉인

MISO (multiple-input single-output) 채널 벡터를 의미한다. 이 때, 릴레이 경로의 첫 번째 홉을 통해 첫 번째 슬롯 기간 동안 릴레이에 수신되는 수신 신호

는 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 첫 번째 홉의 경로 손실을,

은 평균이 0이고, 공분산 행렬이

인 복소 가우시안 분포(complex Gaussian random variable)를 갖는 백색잡음이다. 송신 신호 벡터는

이며,

와

는 각각 첫 번째 슬롯 기간에서 기지국의 송신 빔포밍 벡터와 송신 심볼을 의미한다. 두 번째 슬롯 기간 동안, 릴레이 경로의 두 번째 홉을 통해 릴레이 사용자

에게 수신되는 수신 신호

와 엑세스 경로를 통해 기지국 사용자

에게 수신되는 수신 신호

는 각각 <수학식 2>와 <수학식 3>으로 나타낼 수 있다.

여기서,

와

는 각각 기지국과 기지국 사용자

사이의 채널을, 릴레이와 기지국 사용자

사이의 간섭 채널을 나타낸다. 만약, 릴레이 경로의 첫 번째 홉에 공간 채널 상관도가 존재하는 경우,

는 <수학식 4>와 같이 표현할 수 있다.

여기서,

는 공간적으로 상관도가 없는 (즉, 평균이 0이고 분산이 1인 독립적이고 동일한 분포를 갖는(independent and identically distributed: IID) 복소 가우시안) 채널 행렬이고,

와

는 송신과 수신 채널 상관도 행렬로 각각 다음과 같이 표현된다.

여기서,

는

는 복소전치 행렬(Hermitian matrix)이고,

는

의 기대값 연산자(expectation operator)를 나타내며,

와

는 각각 송신과 수신 채널 상관 계수를 의미한다. 이때,

,

와

,

는 각각 채널 상관 계수의 크기와 각도를 의마한다. 유사하게,

는 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.

이 때,

는 양의 준정부호(positive semi-definite) 특성을 갖는 복소 전치 행렬이므로 다음과 같이 특이치 분해(singular-value decomposition: SVD)가 가능하다.

여기서,

와

는 각각 유니터리(unitary) 행렬과 대각(diagonal) 행렬이고,

의 열(column)은

의 정규화된 고유 벡터(eigenvectors)들이고,

의 대각 원소들은 내림 차순된 음이 아닌 실수(descending ordered non-negative real values) 값을 갖는 고유치(eigenvalues)이다. 이 때, 가장 큰 고유치(

)에 해당하는 주요한 고유벡터를

라 정의한다 (즉,

).

일반적으로 MIMO 채널에서 채널 상관도가 존재하며, 채널 상관도가 큰 경우 채널 이득은 채널 상관도 행렬의 소수의 고유 벡터 방향으로 집중된다. 이러한 경우, 채널은 소수의 주요한 고유치와 이에 해당하는 고유 벡터의 선형 조합으로 표현될 수 있다. 이와 같이, 채널 상관 정보의 물리적인 특성을 이용하면 MIMO 릴레이가 유발하는 간섭을 채널의 고유 공간(eigen-space)에서 제어할 수 있다. 도 2는 채널의 고유 공간에서 MIMO 릴레이가 유발하는 간섭을 송신 채널 상관 정보를 이용하여 제어할 수 있는 기지국과 릴레이 간의 협력 송신 빔형성 기법의 기하학적인 개념을 나타낸 것이다. 두 번째 슬롯 기간 동안, 기지국과 릴레이는 각각의 송신 채널 상관 행렬

와

의 최대 고유 벡터

와

를 이용하여 송신 빔을 발생시킨다. 이러한 경우, MIMO 릴레이가 기지국 사용자

에게 유발하는 간섭은 <수학식 9>와 같이 송신 채널 상관도 행렬

의

번째 고유치

, 그에 해당하는 고유 벡터

와 릴레이의 송신 빔

의 내적으로 표현할 수 있다.

채널 상관 크기가 큰 환경에서

이기 때문에, <수학식 9>는 <수학식 10>과 같이 근사화하여 표현할 수 있다.

<수학식 10>에서 MIMO 릴레이가 유발하는 간섭은

와

의 최대 고유 벡터들이 서로 직교하는 경우(즉,

) 최소가 된다는 것을 알 수 있다. 이것은 두 개의 최대 고유 벡터

와

의 상대적인 각도 차이(angle difference) _가 _인 경우이다. 여기서, _는 두 벡터 _와 _간 상대적인 방향각 차이를 나타낸다.

이와 같은 물리적 사실을 바탕으로, 송신 채널 상관 정보를 이용하여 기지국과 릴레이가 협력적으로 빔을 생성함으로써 릴레이 간섭을 제어 할 수 있으며, 이를 협력 고유 빔형성(cooperative eigen-beamforming) 기법이라고 명한다. 제안된 협력 고유 빔형성 기법을 통해 데이터를 전송하는 경우 엑세스 링크와 릴레이 링크의 채널 용량 합 _은 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다

여기서,

와

는 각각 엑세스 링크와 릴레이 링크의 채널 용량을 나타내며,

는 릴레이의 수신 신호 결합 벡터를 나타낸다. Jensen's 부등식으로부터

의 최대값은 <수학식 12>로 주어진다.

이때,

인 경우, 엑세스 링크의 채널 용량

는 <수학식 13>과 같이 근사화된다.

기지국과 릴레이에서 송신 채널 상관 정보를 알고 있는 경우, 송신 빔 가중치는 각각

와

이므로,

가 되며,

특성을 이용하면, <수학식 15>와 같이 표현된다.

,

이므로, <수학식 15>는 다음과 같이 표현된다.

채널 상관 크기가 큰 환경에서

이기 때문에, <수학식 16>은 다음과 같다.

이와 유사하게, 릴레이 링크의 채널 용량

는 Jensen's 부등식에 의해 <수학식 18>과 같이 표현된다.

릴레이 링크의 각 홉에서 송신 빔 가중치는

와

이며, 첫 번째 홉에서의 수신 신호 결합 벡터는 릴레이 수신단에서 순시 채널 정보를 알고 있기 때문에

이다. 여기서,

이다. 따라서, 릴레이 링크의 첫 번째 홉 채널 용량 채널

는 <수학식 19>와 같고

와

이기 때문에, <수학식 20>과 같이 표현된다.

와

이기 때문에,

는 <수학식 21>과 같이 나타낼 수 있다.

같은 원리로, 릴레이 링크의 두 번째 홉 채널 용량

는

와

로부터 <수학식 22>와 같이 표현되며,

이기 때문에,

는 <수학식 23>과 같다.

<수학식 21>과 <수학식 23>으로부터, 릴레이 링크의 채널 용량

는 <수학식 24>와 같다.

여기서, 상수

는 릴레이 전송으로 인해 2번의 슬롯 기간을 사용하기 때문에 발생하는 상수이다. 따라서, <수학식 17>과 <수학식 24>로부터 송신 채널 상관도 기반의 기지국과 릴레이 간 협력 고유 빔형성 기법의 채널 용량

은 <수학식 25>와 같이 표현할 수 있다.

<수학식 25>로부터 제안된 협력 고유 빔형성 기법의 채널 용량

은 최대 고유값(

,

)과

와

의 각도 차이(

)에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 특히,

은 채 널 상관 크기가 큰 환경에서 각도 차이

가

가 될 때 최대가 된다. 이는 두 최대 고유 벡터

와

가 서로 직교가 될 때(즉,

), 릴레이 간섭이 최소가 되어 용량이 최대화되는 것을 의미한다.

특별한 경우로,

일 때 제안된 협력 고유 빔형성 기법의 채널 용량

에 대해 알아본다. 이때, 두 번째 슬롯 기간에서 기지국과 릴레이의 송신 빔 가중치는 각각 다음과 같다.

,

따라서, <수학식 15>는 다음과 같다.

와

이므로, 엑세스 링크의 채널 용량

는 <수학식 28>과 같이 표현할 수 있다.

이와 유사하게,

인 경우

,

이므로, <수학식 24>는 다음과 같다.

따라서, <수학식 28>과 <수학식 29>로부터

인 경우 제안된 기지국과 릴레이 간 협력 고유 빔형성 기법의 채널 용량

은 <수학식 30>과 같이 표현할 수 있다.

인 경우, 제안된 협력 고유 빔형성 기법의 채널 용량

은 채널 상관 크기(

,

)와

와

의 송신 채널 상관 계수의 각도 차이(

)에 의해 영향을 받는다. 특히,

가

일 때 릴레이 간섭이 최소가 되며, 이때 두 개의 최대 고유 벡터

와

가 직교가 된다는 것을 의미한다.

제안된 협력 고유 빔형성 기법의 성능 비교를 위해 종래의 비협력 고유 빔형성 기법(non-cooperative eigen-beamforming)과 비교한다. 비협력 고유 빔형성 기법은 릴레이 간섭 고려 없이 임의의 사용자 집합을 선택하여 선택된 사용자에게 최대 고유 벡터로 송신 빔을 결정하며, 이 기법의 채널 용량

은 <수학식 31>과 같이 표현된다.

여기서,

는 릴레이로부터의 평균 간섭량을 나타낸다. <수학식 25>와 <수학식 31>로부터 릴레이 링크의 채널 용량은 협력 여부에 관계없이 같음을 알 수 있다. 따라서, 두 기법 간 채널 용량의 차이는 <수학식 32>와 같이 엑세스 링크의 채널 용량 차이와 같다.

따라서 <수학식 33>과 같은 조건 일 때

이 된다.

즉, 채널 상관이 크고

가

에 가까울수록 제안된 협력 고유 빔형성 기법이 비협력 고유 빔형성 기법보다 큰 채널 용량을 갖는다.

제안된 협력 고유 빔형성 기법이 송신 채널 상관 정보를 이용하여 릴레이 간섭을 평균적으로 최소화할 수 있더라도, 순시적으로는 최소화할 수 없다. 이러한 문제를 완화시키기 위해서, 릴레이는 가능한 작은 전력으로 신호를 송신해야만 한다. 이는 릴레이 간섭이 송신 전력 크기에 비례적으로 증가하기 때문이다. 그러나, 릴레이 링크의 채널 용량은 홉 채널 용량 중 가장 작은 홉에 의해 결정되기 때문에 홉 간 채널 용량의 균형을 이루기 위한 전력 할당도 필요하다. 따라서, 릴레이의 송신 전력은 릴레이 링크의 채널 용량을 최대화하면서 간섭을 최소화할 수 있도록 릴레이 간섭 제어 기법과 연동되어 할당되어야 한다.

도 3은 릴레이 간섭 제어 기법과 연동되어 릴레이 송신 전력을 결정하기 위한 개념도를 나타낸 것이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 송신 전력과 릴레이 링크의 채널 용량은 채널 용량 영역(achievable sum-rate region)과 관련이 있다. 채널 용량 영역은 홉 간 채널 상태 뿐 만 아니라 기지국과 릴레이 송신 전력 값에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 기지국의 송신 전력이

으로 정해진 경우, 첫 번째 홉을 통해 전달된 채널 용량

을 두 번째 홉을 통해 릴레이 사용자에게 오 류 없이 전달하기 위한 릴레이의 최소 송신 전력 값을 결정하는 것이 중요하다. 이러한 상황을 표현하기 위해, <수학식 34>와 같이 릴레이 채널 용량 _을 기지국과 릴레이 간 송신 전력 비율의 함수로 표현한다.

여기서,

는 기지국과 릴레이 간 송신 전력 비율을 나타낸다. <수학식 34>는

조건 하에서 릴레이 채널 용량

을 최대화하면서 가장 작은 송신 전력 비율

를 결정해야 하는 것을 의미한다. 따라서, 릴레이 간섭 제어 기법과 연동된 전력 할당 기법은 <수학식 35>와 같이 공식화할 수 있다.

<수학식 24>와 <수학식 34>로부터, 릴레이 링크의 채널 용량

은 다음과 같이 표현된다.

최대-최소 최적화 기법(max-min optimization)에 의해, 릴레이 채널 용량

은 <수학식 37>과 같은 조건 일 때 최대가 되며,

이는 <수학식 38>과 같다.

이기 때문에, 릴레이 간섭 제어 기법과 연동하여 릴레이 송신 전력은 다음과 같이 결정할 수 있다.

<수학식 39>는 기지국과 릴레이의 최적 송신 전력 비율

는 홉 간 평균 신호대잡음비(

,

)와 최대 고유값(

,

)에 의해 결정된다는 것을 보여준다. 실제로 최적 송신 전력 비율

는 홉의 채널 용량에 반비례한다. 즉,

가 증가함에 따라 두 번째 홉의 빔포밍 이득이 커지기 때문에

는 증가하게 되고, 이러한 경우

는 첫 번째 홉의 채널 용량

와 균형을 유지하기 위해 감소한다. 반대의 경우도 마찬가지이다. 만약 기지국의 정해진 송신 전력

에서 첫 번째 홉의 채널 용량

이 릴레이 송신 전력 값에 상관없이 두 번째 홉의 채널 용량

보다 항상 큰 경우(즉,

), 릴레이 전송 시 오류가 발생한다. 이러 한 현상을 완화시키기 위해, 비록 첫 번째 홉에 전달되는 데이터 량이 감소하더라도 제안된 최적 송신 전력 비율 할당 기법에 따라 기지국 송신 전력을 줄이는 것이 필요하다.

도 7, 8, 9는 제안된 협력 고유 빔형성 기법과 송신 전력 할당 기법이 연동된 단말, 기지국, 릴레이의 동작 절차를 나타낸 것이다.

도 7에서 단말은 701과 702단계에서 기지국 또는 릴레이로부터 하향링크 동기 획득 신호(프리앰블)을 추출하여 하향 링크 동기를 획득한다. 703과 704단계에서 공통 파일럿 신호를 이용하여 기지국과 릴레이와의 송신 채널 상관 정보(최대 고유 벡터, 상관 크기)와 평균 신호대잡음비를 측정하여 이를 상향링크 제어 채널을 통해 기지국으로 궤환한다. 그 후에 705단계에서 기지국 또는 릴레이로부터 상기 단말의 데이터가 스케줄링 되었는지를 판단하고 상기 단말의 데이터가 전송되는 경우 706단계에서 데이터를 복조한다.

도 8에서 기지국은 801단계에서 단말에서 전송된 상향링크 제어 채널을 획득하여 802와 803단계에서 각각 신호대잡음비와 송신 채널 상관 정보(최대 고유 벡터, 상관 크기)를 추출한다. 그 후에 804단계에서 최대 고유 벡터를 이용하여 릴레이 채널과 간섭 채널의 최대 고유 벡터가 가장 직교에 가까운 기지국 사용자와 릴레이 사용자

를 선택하고, 805단계에서 선택된 사용자를 위한 송신 빔 가중치를

와

로 결정한다. 806단계에서는 804와 805단계에서 결정한 사용자 정보와 송신 빔 가중치를 이용하여 기지국과 릴레이 최적 송신 전력 비율

을 <수 학식 39>와 같이 결정한다. 807단계에서 제안 기법의 성능 향상 여부를 판단하기 위해서 <수학식 33>과 같은 조건과 비교하여 제안된 연동 기법의 성능 향상 여부를 판단한다. 만약, 807단계에서 성능 향상이 없는 경우 종래의 비협력 고유 빔형성 기법으로 데이터를 전송하고, 성능 향상이 있는 경우 808 단계에서 사용자 선택 결과, 전력 할당 정보와 데이터를 릴레이에게 전송한다.

도 9에서 릴레이는 901단계에서 상기 기지국으로부터 전달된 사용자 선택 정보

를 추출하고 902단계에서 릴레이 사용자

의 최대 고유 벡터를 송신 빔 가중치로 결정한다. 그런 후에 903단계에서 릴레이 사용자

에게 데이터를 전송한다.

표 1과 같은 실험 환경에서 제안된 협력 고유 빔형성 기법과 송신 전력 할당 기법을 연동하여 성능을 평가하였다. 3섹터 구조의 19셀 환경에서 이중-홉

릴레이 시스템을 고려하였다. 단, 릴레이 간에는 지리적으로 떨어져 있어 서로 영향을 받지 않는 환경을 가정하였고 인접 셀 간섭은 백색 잡음으로 모델링 하였다. 성능 비교를 위해, 순시 채널 정보를 이용한 송신 전력 할당 기법과 연동된 MMSE 빔형성 기법, 최대 전력 할당 기법과 연동된 비협력 고유 빔형성 기법을 고려하였고, 성능 평가 지수는 주파수 효율(spectral efficiency)과 시스템 주파수 효율(net spectral efficiency)를 고려하였다.

파라미터	값
셀 구조	19셀 (3섹터 구조)
셀 반경	1 km
주파수 재사용률	1
릴레이 동작 방식	복조 후 전송 방식(DF)
안테나 구성	기지국(2TX), 릴레이(2TX/RX), 단말(1RX)
송신 전력 조건	,
시스템 대역폭	8.75 MHz
FFT 크기	1024
부반송파 간격	9.77 KHz
부채널 내 부반송파 개수	54개 (48개 데이터, 6개 파일럿)
심볼 길이	102.4 us + 12.8 us
프레임 길이	5 ms
순시 채널 궤환 주기/비트	5 ms / 4 bits
평균 채널 궤환 주기/비트	2 sec / 10 bits
궤환 채널 구조	QPSK 1/12
채널	채널 상관도가 존재하는 레일레이 채널
경로 손실 지수	4
링크 적응 기법	Shannon's capacity formula
비교 대상	Case 1: 순시 채널 기반 전력 할당 기법 + MMSE 빔형성 기법
	Case 2: 평균 채널 기반 전력 할당 기법 + 제안된 협력 고유 빔형성 기법
	Case 3: 최대 전력 할당 기법 + 제안된 협력 고유 빔형성 기법
	Case 4: 최대 전력 할당 기법 + 비협력 고유 빔형성 기법

도 10은

km,

,

dB 일 때, 송신 채널 상관 계수의 각도 차이(

)에 따른 제안된 연동 기법의 주파수 효율을 나타낸 것이다. 평균 채널 정보 기반의 송신 전력 할당 기법과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 2)의 성능은

와

의 최대 고유 벡터가 서로 직교할 때(즉,

), 순시 채널 정보 기반의 송신 전력 할당과 연동된 MMSE 빔형성 기법(Case 1)의 성능에 가까워진다는 것을 알 수 있다. 이것은 제안된 연동 기법(Case 2)이 채널 상관도가 크고

인 환경에서 간섭 회피와 릴레이 전력 최소화를 통해 간섭을 최소화할 수 있다는 것을 의미한다. 반면, 최대 전력 할당 기법과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 3)은 <수학식 33> 조건을 만족하는 범위 내에서 최대 전력 할당 기법과 연동된 비협력 고유 빔형성 기법(Case 4)보다 큰 성능을 갖는다. 이것은 비협력 고유 빔형성 기법의 경우, 릴레이 간섭 고려 없이 임의의 기지국 사용자와 릴레이 사용자를 선택하기 때문이다. 비록 이론적 성능과 실험 결과가 최대 용량 분석 기법으로 인해 다소 일치하지 않지만, 이론적 성능 분석 결과가 실제 실험 결과와 같은 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

도 11은

km,

,

명,

dB 일 때, 송신 채널 상관 계수의 크기(

가 커질수록, 순시 채널 정보 기반의 송신 전력 할당과 연동된 MMSE 빔형성 기법(Case 1)의 성능에 가까워진다는 것을 알 수 있다. 이것은

가 커질수록 릴레이 간섭 채널 이득이

의 최대 고유 벡터 방향으로 대부분 집중되기 때문에 제안된 연동 기법의 성능 향상이 증가되기 때문이다. 또한,

가 작은 환경에서도 평균 채널 정보 기반의 송신 전력 할당 기법과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 2)은 최대 전력 할당 기법과 연동된 비협력 고유 빔형성 기법(Case 4)보다는 훨씬 큰 성능 향상이 있는 반면, 최대 전력 할당 기법과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 3)은 최대 전력 할당 기법과 연동된 비협력 고유 빔형성 기법(Case 4)과 거의 같은 성능을 갖는다. 이것은

가 작아서 릴레이 간섭을 제어할 수 없는 환경일지라도 릴레이 송신 전력을 최소화함으로써 상대적으로 간섭 크기를 줄이는 효과가 발생하기 때문이다.

도 12는

km,

,

dB 일 때, 기지국 사용자 수(

)에 따른 제안된 연동 기법의 주파수 효율을 나타낸 것이다. 기지국 스케줄러는

와

의 최대 고유 벡터의 각도 차이가 가장 직교에 가까운 사용자를 선택하고, MMSE 빔형성 기법과 비협력 고유 빔형성 기법은 각각 순시 채널 정보를 이용하여 직교 사용자를, 채널 정보 없이 임의의 사용자를 선택한다. MMSE 빔형성 기법과 제안된 협력 고유 빔형성 기법은

가 증가할수록 다중사용자 다이버시티 이득을 얻어 성능 향상이 있다는 것을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 평균 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 2)의 성능은 순시 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 MMSE 빔형성 기법(Case 1)보다 작다는 것을 알 수 있다. 이것은 순시 채널과 평균 채널 간 불일치 문제로 인해 발생하는 평균 신호대간섭및잡음비(SINR) 손실 때문이다.

궤환 오버헤드를 고려하여 제안된 연동 기법의 시스템 주파수 효율을 알아보기 위해, 표 2와 같이 궤환되는 채널 정보에 따라 다른 궤환 주기와 궤환 비트를 가정하였다. 링크 적응을 위한 순시 CQI는

주기마다

비트를, 순시적인 빔형성을 위한 채널 정보는

주기마다

비트를, 평균적인 빔형성을 위한 채널 정보는

주기마다

비트를 궤환한다. 이러한 경우, MMSE 빔형성 기법, 협력 고유 빔형성 기법, 비협력 고유 빔형성 기법을 동작시키기 위한 상향링크 궤환 채널의 데이터 양은 표 3과 같다.

궤환 채널 종류	궤환 채널 구조
순시 CQI
순시 채널 기반의 빔형성 정보
평균 채널 기반의 빔형성 정보

	MMSE 빔형성 기법	협력 고유 빔형성 기법	비협력 고유 빔형성 기법
궤환채널 데이터 양

예를 들어,

인 경우 순시 CQI는

ms마다

비트를, 순시적인 빔형성 정보는

ms마다

비트를, 평균적인 빔형성 정보는

sec마다

비트를 궤환한다고 가정하면, 빔형성 기법에 따른 궤환 채널의 데이터양은 각각

Kbps,

Kbps가 된다. 제안된 협력 고유 빔형성 기법을 동작시키기 위해 필요한 궤환 채널의 데이터양은 비협력 고유 빔형성 기법에 비해 1 % 내의 증가된 궤환 채널 정보량이 필요하나, MMSE_BF 기법은 148.4 %의 증가된 궤환 정보량이 필요하다. 이와 같은 궤환 채널 정보량을 바탕으로, 시스템 주파수 효율을 구하면 표 4와 같다.

비교 대상		시스템 주파수 효율 [bps/Hz]
Case 1: 순시 채널 기반 전력 할당 기법 + MMSSE 빔형성 기법		1.8646
Case 2: 평균 채널 기반 전력 할당 기법 + 제안된 협력 고유 빔형성 기법		3.2168
Case 3: 최대 전력 할당 기법 + 제안된 협력 고유 빔형성 기법		3.1641
Case 4: 최대 전력 할당 기법 + 비협력 고유 빔형성 기법		2.1833
성능 향상	Case 2 over Case 1	+ 72.52 %
성능 향상	Case 2 over Case 4	+ 40.85 %

표 4에서 보는 바와 같이, 평균 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 2)이 순시 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 MMSE 빔형성 기법(Case 1)에 비해 시스템 주파수 효율 측면에서 + 72.52 % 성능 이득이 있는 것을 알 수 있다. 이것은 순시 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 MMSE 빔형성 기법(Case 1)의 경우, 릴레이 간섭을 순시적으로 제거하면서 최적의 전력 할당을 하기 위해 매 프레임마다 많은 양의 채널 정보를 궤환해야 하지만, 평균 채널 정보 기반의 송신 전력과 연동된 협력 고유 빔형성 기법(Case 2)의 경우, 평균 채널 정보가 시간 변화에 강인한 특성을 이용하여 보다 긴 주기로 채널 정보를 궤환해서 상대적으로 큰 궤환 오버헤드 증가 없이 릴레이 간섭 제어와 송신 전력 최소화를 할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 최대 송신 전력 할당과 연동된 비협력 고유 빔형성 기법(Case 4)에 비해 작은 궤환 오버헤드 증가로 + 40.85 %의 시스템 주파수 효율 향상 이득을 얻을 수 있다.

본 발명은 주파수 재사용률이 1이고 이중-홉 다중안테나 릴레이가 설치된 다중 셀 환경에서 셀 내의 음영 지역 주변 또는 셀 경계 부근에 위치한 단말에게 미 치는 상당한 양의 릴레이 간섭 신호를 기지국과 릴레이 간 협력을 통해 회피하는 기법이다. 제안된 협력 고유 빔형성 기법은 평균 채널 정보만을 이용하여 서로 간섭 영향이 최소가 되는 기지국 사용자와 릴레이 사용자를 확률적인 관점에서 선택하고 고유 빔을 형성함으로써 릴레이 간섭을 최소화한다. 또한, 제안된 협력 고유 빔형성 기법을 고려하여 릴레이 사용자의 채널 용량을 최대화하면서 릴레이 간섭을 최소로 유발하는 송신 전력을 결정함으로써 릴레이 간섭 제어와 송신 전력 할당 기법 간 연동 최적화한다. 이를 통해 종래의 순시 채널 정보 기반의 협력 최소자승오차(MMSE) 빔형성 기법에 비해 상대적으로 적은 궤환 부담으로 동작 가능하면서 시스템 주파수 효율 측면에서 우수한 성능을 보일 수 있다.

본 발명에 의한, 셀 내 열악한 환경(음영 지역, 셀 경계)에 위차한 사용자에게 끊김 없는 서비스를 제공하는 다중 안테나를 사용하는 무선 멀티-홉 릴레이 통신 시스템 및 장치는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위 와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

도 1은 다중-사용자 이중-홉 MIMO 릴레이 시스템 모델

도 2는 제안된 채널 상관도 기반의 릴레이 간섭 제어 기법의 개념도

도 3은 제안된 채널 상관도 기반의 릴레이 간섭 제어 및 송신 전력 연동 최적화 방안의 개념도

도 4는 제안된 연동 최적화 기법에 따른 단말의 블록 구성을 도시하는 도면

도 5는 제안된 연동 최적화 기법에 따른 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면

도 6는 제안된 연동 최적화 기법에 따른 릴레이의 블록 구성을 도시하는 도면

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 단말기에서 데이터 수신 절차를 도시하는 도면

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국에서 스케줄링 절차를 도시하는 도면

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 릴레이에서 송신 빔 가중치 결정 절차를 도시하는 도면

도 10은 송신 채널 상관 계수의 각도 차이에 따른 제안된 연동 최적화 기법의 성능 그래프를 도시하는 도면

도 11은 송신 채널 상관 계수의 크기에 따른 제안된 연동 최적화 기법의 성능 그래프를 도시하는 도면

도 12는 기지국 사용자 수에 따른 제안된 연동 최적화 기법의 성능 그래프를 도시하는 도면

Claims

다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치에 있어서,

사용자의 다중 수신 안테나로부터 상기 릴레이 통신 시스템의 평균 채널 정보(최대 고유 벡터, 상관 크기)를 수신하는 평균 채널 정보 수신부와,

상기 평균 채널 정보 수신부로부터 얻어진 최대 고유 벡터를 이용하여 직교 사용자를 선택하는 직교 사용자 선택부와,

상기 직교 사용자 선택부의 직교 사용자 선택에 따라 기지국과 상기 릴레이통신 시스템의 빔 가중치를 생성하는 빔 가중치 생성부와,

상기 직교 사용자 선택부 및 상기 빔 가중치 생성부로부터 얻어진 정보에 따라 기지국과 상기 릴레이 통신 시스템의 송신 전력을 결정하는 송신 전력 결정부와,

상기 직교 사용자 선택부, 상기 빔 가중치 생성부와 상기 송신 전력 결정부로부터 계산된 정보를 이용하여 상기 릴레이 통신 시스템의 예측 용량을 계산하는 예측 용량 계산부와,

상기 예측 용량 계산부로부터 계산된 릴레이 통신 시스템의 예측 용량을 이용하여 상기 릴레이 통신 시스템의 성능 향상 여부를 판단하는 성능 향상 판단부와,

상기 성능 향상 판단부에 의해 검증된 사용자 선택 정보와 송신 전력 할당 정보를 상기 릴레이 통신 시스템으로 송신하는 정보 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.
제 1항에 있어서, 상기 릴레이 통신 시스템의 다중 송신 안테나의 채널 상관도 정보는 상기 릴레이 통신 시스템으로부터 송신되는 하향링크 동기 획득 신호(프리앰블) 또는 파일럿 신호를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

를 동기 획득 신호(프리앰블) 또는 파일럿 신호를 통해서 단말이 측정한 간섭신호의 순시 채널 정보라 할 때, 단말은

과 같이 송신 채널 상관 행렬을 추정하고, 이를 다음과 같이 특이치 분해한다.

여기서,
,
를 나타낸다. 이때 단말은 최대 고유치
에 해당하는 최대 고유 벡터
를 기지국으로 전달한다.
제 1항에 있어서, 상기 직교 사용자 선택부는,

상기 얻어진 모든 사용자의 최대 고유 벡터 방향 정보를 이용하여 릴레이 채널과 간섭 채널의 최대 고유 벡터 간 내적 값이 최소가 되는 사용자를 하기식과 같이 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

여기서,
는 두 개의 최대 고유 벡터
와
의 내적이 가장 작은 값을 갖는 사용자 집합을 나타낸다. 즉,

여기서,
는 두 벡터
와
사이의 상대적인 방향 각 차이(angle difference)를 나타내며,
가
인 경우 내적이 0이 된다.
제 1항에 있어서, 상기 빔 가중치 생성부는,

상기 선택된 직교 사용자의 최대 고유 벡터를 이용하여 하기식과 같이 기지국과 상기 릴레이 통신 시스템의 빔 가중치를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

여기서,
와
는 릴레이 채널과 간섭 채널이 가장 직교에 가까운 사용자 지수이며,
와
는 각각 상기 릴레이 통신 시스템과 기지국의 송신 빔 가중치를 나타낸다. 이 때,
와
는 각각 송신 채널 상관도 행렬
와
의 가장 큰 고유치에 해당하는 고유 벡터를 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 송신 전력 결정부는,

상기 선택된 사용자 정보와 상기 릴레이 통신 시스템과 기지국의 송신 빔 가중치를 이용하여 홉 간 채널 용량의 균형을 유지하기 위해 기지국과 상기 릴레이 통신 시스템의 송신 전력을 하기식과 같은 비율로 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

여기서,
와
는 각각 릴레이 링크의 첫 번째 홉과 두 번째 홉의 경로 손실을,
와
는 각각 릴레이 링크의 첫 번째 홉과 두 번째 홉의 최대 고유값을 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 예측 용량 계산부는,

상기 계산된 송신 전력, 고유 빔형성 벡터를 이용하여 릴레이 시스템의 최대 예측 용량을 하기식과 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

여기서,
와
는 각각 엑세스 링크와 릴레이 링크의 채널 측정 용량을 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 성능 향상 판단부는,

상기 계산된 시스템 최대 예측 용량과 상기 릴레이 통신 시스템으로부터 수신된 신호의 간섭대잡음비를 이용하여 성능향상 여부를 결정할 수 있는 임계치를 하기식과 같이 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.

여기서,
는 제안된 협력 고유 빔형성 기법의 시스템 측정 용량의 향상 여부를 판단할 수 있는 임계치로 하기식과 같이 결정할 수 있다.

여기서,
는 상기 릴레이 통신 시스템으로부터의 평균 릴레이 간섭 크기를 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 정보 송신부는,

상기 성능 향상이 검증된 릴레이 사용자 선택 정보
, 릴레이 송신 전력 할당 정보
를 하향링크 제어 채널을 통해 릴레이로 송신하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.
제 1항에 있어서,

기지국 사용자로의 간섭 회피뿐만 아니라 기존 셀룰러 환경에서 인접 셀 간섭을 회피하기 위해 제안된 협력 고유 빔형성 기법을 적용하는 기지국 간 협력 기반의 송신 빔형성 기법을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 아테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.
제 1항에 있어서,

기지국 사용자로의 간섭, 인접 셀 간섭 회피뿐만 아니라 다중 릴레이 간 간섭을 회피하기 위해 제안된 협력 고유 빔형성 기법과 송신 전력 간 연동 기법을 적용하는 기지국과 다중 릴레이 간 협력 전송 기법을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.
제 1항에 있어서,

기지국 사용자로의 간섭, 인접 셀 간섭, 다중 릴레이 간 간섭을 회피뿐만 아니라 다중 셀 환경에서 셀 경계에 설치된 상기 릴레이 통신 시스템으로 인해 발생하는 인접 셀로의 간섭을 회피하기 위해 제안된 협력 고유 빔형성 기법과 송신 전력 간 연동 기법을 적용하는 인접 기지국과 릴레이 간 협력 전송 기법을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나를 이용하는 무선 이중-홉 릴레이 통신 시스템의 하향링크 통신 장치.