KR101527009B1 - 다중 셀 기반에서 멀티-셀 ｍｉｍｏ 적용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동 통신 시스템에서 데이터를 송수신하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다중 입력 다중 출력(MIMO: multi input multi out)을 지원하는 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말이 데이터를 수신하는 방법에 있어서, 다중 전송 안테나에 의해 전송된 제1 데이터 스트림을 서빙 기지국으로부터수신하는 단계와, 상기 제1 데이터 스트림과 동일한 소스 데이터에 기초하여 시간 딜레이가 다르도록 프리코딩되고 다중 전송 안테나에 의해 전송된 제2 데이터 스트림을 협력 기지국으로부터 수신하는 단계와, 상기 제1 및 제2 데이터 스트림을 이용하여 상기 데이터를 복원하는 단계를 포함하는 데이터 수신 방법에 관한 것이다.
이동통신, 다중 셀, MIMO, 셀 경계, 데이터 송수신

Description

다중 셀 기반에서 멀티-셀 ＭＩＭＯ 적용 방법{A METHOD FOR MULTI-CELL MIMO UNDER MULTI CELL ENVIRONMENT}
본 발명은 이동 통신 시스템에서의 데이터 송수신에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 다중 셀 기반에서 MIMO 기술을 이용하여 데이터를 송수신하는 방법에 관한 것이다.
최근 광대역 무선이동통신 기술로서 MIMO(multi-input multi-output) 시스템이 각광받고 있다. MIMO 시스템은 기존의 SISO(single-input single-output) 시스템에서 개선이 어려웠던 스펙트럼 효율을 안테나 수에 비례하여 높일 수 있다.
MIMO 기술은 복수의 송신 및 복수의 수신안테나를 사용하여 고속 통신을 이루려는 다중 안테나 기술을 말한다. MIMO 기술은 각각의 안테나를 통해 전송되는 데이터의 동일한지에 따라 공간 다중화 기법(Spatial Multiplexing)과 공간 다이버시티 기법(Spatial Diversity)으로 나눌 수 있다.
공간 다중화 기법은 서로 다른 데이터를 여러 전송 안테나를 통해 동시에 전송하는 방법이다. 송신측에서는 각 전송 안테나를 통해 서로 다른 데이터를 전송하고, 수신측에서는 적절한 간섭제거 및 신호처리를 통하여 여러 송신 데이터를 구분 한다. 따라서, 데이터 전송률을 전송 안테나 수에 비례하여 향상시킬 수 있다.
공간 다이버시티 기법은 동일한 데이터를 여러 전송 안테나를 통해 전송함으로써 송신 다이버시티 이득을 얻는 방법이다. 공간 다이버시티 기법은 공간-시간 채널 코딩(Space Time Channel Coding) 기법의 일종이다. 다만, 공간 다이버시티 기법은 전송률을 향상시키는 것은 아니며 전송 신뢰도를 높이는 기술이다.
또한, MIMO 기술은 수신측에서 송신측으로 채널 상태에 관한 피드백 정보를 송신하느냐에 따라 개루프 방식(예, BLAST, STTC 방식 등)과 폐루프 방식(예, TxAA 등)으로 구분된다.
협력적 MIMO는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭(Inter-Cell Interference)을 줄이기 위해 제안된 것이다. 협력적 MIMO 시스템을 이용하면, 단말은 다중 기지국(Multi-cell base-station)으로부터 공동으로 데이터를 지원받을 수 있다. 즉, 다중 셀 환경하에서 협력적 MIMO를 이용하여 셀 경계 단말의 통신 성능을 개선시킬 수 있다. 이와 관련하여, 협력적 MIMO를 이용한 데이터 송수신 방법에 관해 여러 논의가 진행되고 있다. 특히, 종래의 단일 셀 중심의 MIMO 시스템과 상호 호환성을 유지하면서 다중 셀 MIMO를 수행하기 위한 방법에 관한 논의가 진행되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말에게 높은 신뢰도로 데이터를 전송하는 다중 셀 MIMO를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MIMO를 이용하여 다중 셀로부터 전송된 데이터 스트림들에 대해 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래의 단일 셀 MIMO로부터 손쉽게 구현되며, 상기 단일 셀 MIMO를 지원할 수 있는 다중 셀 MIMO를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상으로, 다중 입력 다중 출력(MIMO: multi input multi out)을 지원하는 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말이 데이터를 수신하는 방법에 있어서, 다중 전송 안테나에 의해 전송된 제1 데이터 스트림을 서빙 기지국으로부터수신하는 단계와, 상기 제1 데이터 스트림과 동일한 소스 데이터에 기초하여 시간 딜레이가 다르도록 프리코딩되고 다중 전송 안테나에 의해 전송된 제2 데이터 스트림을 협력 기지국으로부터 수신하는 단계와, 상기 제1 및 제2 데이터 스트림을 이용하여 상기 데이터를 복원하는 단계를 포함하는 데이터 수신 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양상으로, 다중 입력 다중 출력(MIMO: multi input multi out)을 지원하는 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말로 데이터를 전송하는 방법에 있어서, 서빙 기지국에서 제1 데이터 스트림을 다중 전송 안테나를 통하여 상기 단말로 전송하는 단계와, 협력 기지국에서 상기 제1 데이터 스트림과 동일한 소스 데이터에 기초하여 시간 딜레이가 다르도록 프리코딩된 제2 데이터 스트림을 다중 전송 안테나를 통하여 상기 단말로 전송하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예들에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 높은 신뢰도로 데이터를 전송하는 다중 셀 MIMO를 제공할 수 있다.
둘째, MIMO를 이용하여 다중 셀로부터 전송된 데이터 스트림들에 대해 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
셋째, 단일 셀 MIMO를 지원하며, 그로부터 용이하게 구현되는 다중 셀 MIMO 를 제공할 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적 특징들이 MIMO를 지원하는 다중 셀 이동 통신 시스템에 적용된 예들이다.
도 1은 단일 셀에서 하향링크 MIMO를 운영하는데 사용되는 송신 시스템의 일 예를 나타내는 블록 구성도이다. 먼저, 상기 송신 시스템의 각 구성에 대해 간단히 설명한 뒤, 단일 셀 MIMO를 위한 프리코딩에 대해 설명하도록 한다.
피드백 블록은 기지국으로부터의 CQI (channel quality information), CSI (channel status information) 등과 같은 피드백 정보를 스케줄러 블록에 제공한다. 상기 피드백 정보등을 고려하여 스케줄러 블록은 사용자들을 자원블록에 스케줄링하고, 이들의 MCS (Modulation & Coding Scheme), MIMO 파라미터 (MIMO 모드, 랭크(rank)) 등을 결정한다. SU-MIMO(single user MIMO)에서는 한명의 사용자가 자원유닛(RU: Resource Unit)에 스케줄링된다. 상기 자원유닛은 소정 개수의 부반송파 및 소정 개수의 OFDMA 심볼로 구성된 자원 할당 단위이다. 예를 들어, 상기 자원 유닛은 18개의 부반송파 및 6개의 OFDMA 심볼로 구성될 수 있다. MU-MIMO(multi user MIMO)에서는 여러 사용자가 하나의 자원유닛에 스케줄링될 수 있다.
사용자로부터의 데이터는 스케줄링된 이후에 인코더 블록에 입력된다. 상기 인코더 블록은 입력된 데이터에 대한 채널 인코더, 인터리버, 레이트-매쳐(rate-matcher) 및 변조기를 포함하고, 입력된 데이터에 대해 채널 코딩, 변조 등을 수행한다. 채널 코딩은 데이터가 채널을 통해 전송되는 도중에 발생하는 에러를 수신측에서 정정할 수 있도록, 예를 들어, 시스템 비트들(system bits)에 패리티 비트들(parity bits)을 추가한다. 채널 코딩 방법으로서 콘볼루션 코딩, 터보 코딩 또는 LDPC(Low Density Parity Check) 코딩 방법 등이 사용될 수 있다. 상기 채널 코딩된 이진 데이터는 QPSK 또는 QAM 등의 디지털 변조 방식에 의해 심볼 매핑이 수행된다. 그 후, 자원 매핑 블록(resource mapping block)은 변조 심볼을 할당된 자원유닛의 상응하는 시간-주파수 자원에 매핑한다.
MIMO 인코더 블록은 L (≥1) 레이어를 NS (≥L) 스트림으로 매핑하고, 상기 NS 스트림은 빔포머/프리코더 블록에 입력된다. 본 명세서에서, "레이어"는 MIMO 인코더로 입력되는 코딩/변조 경로를 의미한다. "스트림"은 MIMO 인코더로부터의 출력을 의미하며, 빔포머(beamformer)/프리코더에 입력된다. 또한, "데이터 스트림"은 프리코딩된 뒤 안테나를 통해 공중으로 전파되는 출력을 의미한다. MIMO 인코더는 데이터 심볼들을 복수의 전송 안테나를 통해 전송하는 경우, 시스템의 용량, 쓰루풋(throughput) 및 커버리지 등을 증대시키기 위해 상기 데이터 심볼들을 미리 약속된 방법으로 처리한다. MIMO 인코딩 방법으로는 크게 공간 분할 다중화(SDM: Spatial Division Multiplexing) 기법, 시간 및 공간 블록 코딩(STBC: Spatial Time Block Coding) 기법, 공간 및 주파수 블록 코딩(SFBC:Spatial Frequency Block Coding) 기법 등이 있다. SDM 기법은 송신측에서 각 안테나에 각각 독립적인 데이터를 보냄으로써 송신율을 극대화시키는 방법이다. STBC 기법은 안테나, 즉 공간 영역과 시간 영역에 걸쳐서 심볼 레벨에서 코딩을 걸어줌으로써 안테나 다이버시티 이득과 코딩 이득을 얻어 링크 레벨 성능을 향상시키는 기술이다. SFBC 기법은 안테나, 즉 공간 영역과 주파수 영역에 걸쳐서 심볼 레벨에서 코딩을 걸어줌으로써 안테나 다이버시티 이득과 코딩 이득을 얻어 링크 레벨 성능을 향상시키는 기술이다. 선형 분산 코딩(Linear Dispersion Coding, LDC)은 SDM 기법과 STBC 기법을 조합하여 일반화한 것이다. MIMO 기술은 다중 안테나 인코딩과 디코딩에 쓰이는 LDC 매트릭스로 표현될 수 있다. MIMO 인코딩에 의해 각 전송 안테나를 통해 전송 될 데이터 심볼들이 구분될 수 있다. 예를 들어, 전송 안테나의 개수가 네 개인 경우 변조된 데이터 심볼열은 MIMO 인코더에 의해 다중 안테나 인코딩되어 네 개의 데이터 심볼열로 출력된다. MIMO 모드는 개-루프 MIMO (open-loop MIMO)와 폐-루프 MIMO (closed-loop MIMO)가 있다. 이는 기지국으로부터의 피드백 정보를 이용 여부에 따른 것으로서, 일반적으로 개-루프 MIMO는 피드백 정보를 이용하지 않는 반면, 폐-루프 MIMO는 피드백 정보를 이용한다.
빔포머/프리코더 블록은 선택된 MIMO 모드에 따라 안테나-특정 데이타(antenna-specific data)를 생성함으로써 NS 스트림을 복수의 전송 안테나로 매핑한다. 상기 빔포머/프리코더 블록으로부터 출력된 NS 스트림은 OFDM 심볼 구성 블록으로 입력된다. 상기 OFDM 심볼 구성 블록에서는 퍼뮤테이션에 의해 데이터가 분산되거나 편재(distributed or localized)되도록 할당된다. 또한, 프리앰블 등을 구성하고 채널 추정을 위한 파일롯 등을 할당한다. 또한, 단말로부터의 피드백 정보 등을 이용하여 특정 신호에 대해 전력 부스팅 등을 수행한다. 상기 OFDM 심볼 구성 블록에서 출력된 데이터 신호는 IFFT 프로세스에 의해 시간 영역의 신호로 변경된 뒤, 각 전송 안테나를 통해 공중으로 전파된다.
기지국은 최소 두 개의 전송 안테나를 사용하고, 단말은 최소 한 개 이상의 수신 안테나를 사용한다. 예를 들어, 안테나 설정(configuration)은 (NT,NR) = (2,2), (4,2), (4,4), (8,2) 및 (8,4)일 수 있다. 여기에서, NT는 기지국의 전송 안 테나 개수를 의미하고, NR은 단말의 수신 안테나 개수를 의미한다. 개-루프 SU-MIMO, 폐-루프 SU-MIMO, MU-MIMO에서 자원 매핑은 편재(localized)되거나 분산(distributed)될 수 있다.
개-루프 MIMO에서, 공간 멀티플렉싱 및 전송 다이버시티 기법이 사용될 수 있다. 개-루프 MIMO의 경우에도, 기지국이 랭크 적응(adaptation), 전송 모드 스위칭, 레이트 적응(rate adaptation)를 결정하는데 CQI 및 랭크 피드백이 사용될 수 있다. CQI 및 랭크 피드백은 주파수 의존적이거나 그렇지 않을 수 있다.
폐-루프 MIMO에서, 유니터리 코드북에 기반한 프리코딩이 TDD (time-division duplex) 및 FDD (frequency-division duplex)에 사용될 수 있다. CQI, PMI (precoding matrix indicator) 및 랭크 피드백이 단말로부터 전송되어 기지국의 스케줄링, 자원 할당 및 레이트 적응 등을 결정하는데 사용될 수 있다. TDD의 경우, 사운딩(sounding)에 기반한 프리코딩이 지원될 수 있다.
이하, MIMO 인코더 블록 및 프리코더 블록에서의 프로세스를 보다 자세히 설명하도록 한다. MIMO 인코더는 M개의 입력 심볼을 동시에 처리하는 배치 프로세서이다. MIMO 인코더의 입력은 하기와 같이 M×1 벡터로 표현될 수 있다.
Figure 112008075764214-pat00001
여기에서, si는 i번째 입력 심볼을 나타낸다. MIMO 인코더의 출력은 NS×NF MIMO STC/SFC 행렬 z = S(x)이고 프리코더로 입력된다. 프리코더의 출력은 하기와 같은 NT×NF 행렬로 표현될 수 있다.
Figure 112008075764214-pat00002
여기에서, yi,j는 i번째 물리 안테나를 통해 전송되는 j번째 부반송파/심볼에 대한 출력 심볼을 나타낸다. NF는 입력 벡터 x로부터 유도된 MIMO 시그널을 전송하는데 사용되는 부반송파 또는 심볼의 개수이다. 예를 들어, 전송 안테나의 수에 따른 MIMO 인코더의 출력은 다음과 같을 수 있다.
Figure 112008075764214-pat00003
프리코더에서는 상기 MIMO 인코더의 출력에 대해 프리코딩을 수행한다. 소정 의 주파수 자원 k에 대해, 프리코딩 행렬 P는 하기 식으로 정의된다.
P(k) = D(k) × W(k)
상기 프리코딩 행렬 P는 두 개의 행렬로 구성된다. 행렬 W(k)는 NT×NS 행렬이고, 여기에서 NT는 전송 안테나의 수이며 NS는 스트림의 수이다. 상기 행렬 W(k)는 프리코딩을 위해 미리 설정된 행렬이다. 상기 행렬 W(k)는 무선 환경, 전송 안테나 개수 등을 고려하여 다양하게 설정될 수 있다. 일 구현예로, 상기 행렬 W(k)는 유니터리 코드북에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 전송 안테나가 두 개인 경우의 코드북은 다음과 같을 수 있다. 이하, 상기 W(k) 행렬을 프리코더 행렬로 지칭한다.
표 1. 코드북
Figure 112008075764214-pat00004
행렬 D(k)는 안테나간 스트림의 위상 천이를 위한 NT×NT 대각 행렬로서 다음과 같다:
Figure 112008075764214-pat00005
여기에서, NT는 전송 안테나의 개수이고, k는 주파수 자원 인덱스를 나타내며, θi (i=0, 1, 2, ..., NT-1)는 i 번째 전송 안테나의 위상 천이를 나타낸다. 예를 들어, 4Tx 기지국의 D(k) 행렬은 다음과 같을 수 있다.
Figure 112008075764214-pat00006
상기의 프리코딩 행렬 P(k)는 D(k) 매트릭스의 θi 값을 0으로 설정하여
P(k) = W(k)와 같이 사용 하는 것도 가능하다.
이하, 단일 셀에서의 MIMO 적용에 대해 케이스별로 나누어 설명하도록 한다.
전송 다이버시티를 얻기 위해 MIMO를 사용하는 경우, 일 구현예로서 MIMO 인코더는 2Tx STBC/SFBC를 적용하여 2×2 행렬을 생성하고, 상기 2×2 행렬에 2×2 프리코더 행렬 및 위상천이를 위한 NT×NT 행렬을 순차적으로 곱할 수 있다.
먼저, 2Tx 레이트-1 STBC/SFBC가 적용된 경우를 가정하면, MIMO 인코더의 입력은 2×1 벡터로서 다음과 같이 표현될 수 있다. s1 및 s2는 심볼 벡터이다.
Figure 112008075764214-pat00007
이 경우, MIMO 인코더의 출력은 2×2 벡터로서 다음과 같이 표현된다.
Figure 112008075764214-pat00008
만일 2Tx 레이트-1에서 프리코딩이 적용되지 않는다면, y = z가 된다.
공간 멀티플렉싱(SM: spatial multiplexing)에 MIMO를 사용하는 경우, 전송 안테나의 수에 따라 다음과 같은 경우를 생각할 수 있다.
- 레이트-2 공간 멀티플렉싱 모드: 2Tx, 4Tx, 8Tx
- 레이트-3 공간 멀티플렉싱 모드: 4Tx, 8Tx
- 레이트-4 공간 멀티플렉싱 모드: 4Tx, 8Tx
일 구현예로서, 레이트-2 공간 멀리플렉싱을 적용하는 경우, MIMO 인코더의 입력은 2×1 벡터로서 다음과 같이 표현될 수 있다. s1 및 s2는 심볼 벡터이다.
Figure 112008075764214-pat00009
이 경우, MIMO 인코더의 출력은 2×1 벡터로서, z = x가 된다. 만일 프리코딩이 적용되지 않는다면, 프리코더의 출력은 y = z가 된다.
만일 Tx안테나의 수가 NT로 증가되고 계속 레이트-2를 이용한다면, 성능을 보다 효율적으로 하기 위해 프리코딩을 적용할 수 있다. 이 경우, 프리코더의 출력은 NT×1 행렬로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
Y= Pz
여기에서, P는 프리코딩 행렬로서, W 또는 DW 매트릭스로 표현되며, D는 안테나간 스트림의 위상 천이를 위한 NT×NT 대각 행렬이고, W는 프리코딩을 위해 미리 설정된 NT×2 행렬이다.
레이트-3 공간 멀리플렉싱을 적용하는 경우, MIMO 인코더의 입력은 3×1 벡터로서 다음과 같이 표현될 수 있다. s1 ~ s3은 심볼 벡터이다.
Figure 112008075764214-pat00010
MIMO 인코더의 출력은 3×1 벡터로서, z = x가 된다. 프리코더의 출력은 NT×1 행렬로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
Y= Pz
여기에서, P는 프리코딩 행렬로서, W 또는 DW 매트릭스로 표현되며, D는 안테나간 스트림의 위상 천이를 위한 NT×NT 대각 행렬이고, W는 프리코딩을 위해 미리 설정된 NT×3 행렬이다.
레이트-4 공간 멀리플렉싱을 적용하는 경우, MIMO 인코더의 입력은 4×1 벡터로서 다음과 같이 표현될 수 있다. s1 ~ s4는 심볼 벡터이다.
Figure 112008075764214-pat00011
MIMO 인코더의 출력은 4×1 벡터로서, z = x가 된다. 프리코더의 출력은 NT×1 행렬로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
Y= Pz
여기에서, P는 프리코딩 행렬로서, W 또는 DW 매트릭스로 표현되며, D는 안 테나간 스트림의 위상 천이를 위한 NT×NT 대각 행렬이고, W는 프리코딩을 위해 미리 설정된 NT×4 행렬이다.
단일 셀 MIMO에서 다중 셀 MIMO로의 확장
셀 경계 단말에게 서빙 기지국과 적어도 하나 이상의 인접 기지국 (또는 '협력 기지국')이 동일한 데이터를 전송하고, 상기 단말은 여러 기지국으로부터 수신한 데이터를 결합하여 데이터 신뢰도를 높일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 셀 경계 단말이 복수의 기지국과 데이터를 송수신하는 일 예를 도 2 에 나타냈다.
도 2를 참조하면, 세 개의 셀이 인접하고 있고, 상기 세 개의 셀은 각각 BS1(200), BS2(210) 및 BS3(220)에 의해 서비스된다. 도 2에서 상기 BS들은 네 개의 전송 안테나를 갖고 있는 것으로 도시되었다. 상기 BS들은 백본(270)을 통해 연결되고, 네트워크의 스케줄러(270)에 의해 전반적인 데이터 통신이 제어된다. 도 2에서 셀 경계에는 세 개의 단말, 즉, MS1(230), MS2(240) 및 MS3(250)이 존재하고, 각각 BS1(200), BS2(210) 및 BS3(220)에 의해 서비스된다. 도 2에서 MS들은 각각 두 개의 수신 안테나를 갖는 것으로 도시되었다. 셀 경계에 있는 각 단말은 다중 셀 MIMO에 의해 서빙 기지국 및 협력 기지국으로부터 동시에 서비스를 제공받을 수 있다. MS1(230)에 대해 서빙 기지국은 BS1(200)이고, 다중 셀 MIMO를 위한 협력 기지국은 BS3(220)이다. 유사하게, MS2(240) 및 MS3(250)에 대한 서빙 기지국은 각각 BS2(210) 및 BS3(220)이고, 협력 기지국은 각각 BS1(200) 및 BS2(210)이다. 도 2에 서, MS1(230)은 BS1(200) 및 BS3(220)으로부터 동시에 서비스를 제공받는다(201, 221). 또한, MS2(240)는 BS1(200) 및 BS2(210)으로부터 동시에 서비스를 제공받는다(202, 212). 또한, MS3(250)은 BS2(210) 및 BS3(220)으로부터 동시에 서비스를 제공받는다(213, 223).
본 발명의 일 실시예에 따른 단일 셀 MIMO에서 다중 셀 MIMO로의 확장은, 여러 기지국이 동일한 데이터에 기초하여 프리코딩을 수행하되, 단일 셀 MIMO의 프리코딩에 다음 중 적어도 하나를 추가로 적용하여 이뤄질 수 있다. 프리코딩 이전에, 상기 데이터는 여러 기지국에서 동일한 MIMO 인코더에 의해 인코딩될 수 있다.
- 기지국에 따라 데이터 스트림에 대한 '시간 딜레이'를 다르게 함.
- 기지국에 따라 데이터 스트림에 대한 '안테나 퍼뮤테이션'을 다르게 함.
- 기지국에 따라 데이터 스트림에 대한 '스트림 퍼뮤테이션'을 다르게 함.
채널 환경, 시스템 구현 등을 고려하여, 상기 기지국에 따른 데이터 스트림에 대한 '시간 딜레이', '안테나 퍼뮤테이션' 및 '스트림 퍼뮤테이션' 중 어느 하나 만을 적용하거나, 이들의 다양하게 조합하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 여러 기지국에서 전송되는 데이터 스트림들을 기지국에 따라 시간 딜레이를 다르게 하는 것이 좋다. 이 경우, 상기 데이터 스트림들에 대해 안테나 퍼뮤테이션 및 스트림 퍼뮤테이션 중 적어도 하나를 기지국에 따라 추가적으로 적용할 수 있다.
상기 '시간 딜레이'는 셀 경계 단말이 서빙 기지국과 협력 기지국에서 전송되는 데이터 스트림을 서로 다른 시점에 수신하게 하기 위한 것이다. 상기 셀 경계 단말이 서로 다른 시점에 관련 데이터 스트림들을 여러 기지국으로부터 수신함으로써 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 "시간 딜레이"는 다이버시티 이득을 보장하는 범위 내에서 자유롭게 설정될 수 있다. 또한, 다중 셀 MIMO에서의 성능은 서빙 기지국의 '시간 딜레이'와 협력 기지국의 '시간 딜레이' 자체보다는, 이들의 차에 의해 더 많은 영향을 받을 수 있으므로, 어떤 기지국의 '시간 딜레이'는 '0'을 가질 수도 있다. 상기 '시간 딜레이'는 단일 셀 MIMO에서 각 안테나로부터 전송되는 스트림간의 위상천이를 위해 사용되는 대각 행렬과 유사한 형태를 가지는 NT×NT 딜레이 행렬에 의해 구현될 수 있다. 다만, 상술한 바와 같이, 상기 딜레이 행렬은 데이터 스트림의 시간 딜레이를 기지국 단위로 다르게 하여 셀 경계 단말이 다이버시티 이득을 얻도록 하기 위한 것이다.
상기 '시간 딜레이'는 네트워크의 RNC(radio network controller)에 의해 지시되거나 미리 설정되어 있을 수 있다. 예를 들어, 각각의 기지국은 기지국 고유의 파라미터를 이용하여 '시간 딜레이'를 계산할 수 있다. 상기 기지국 고유의 파라미터는 각각의 기지국을 식별하는데 사용되는 기지국 식별자일 수 있다. 또한, 상기 '시간 딜레이'는 다중 셀 MIMO가 동작하는 중에도 단말에서 최적의 성능을 보이기 위해 가변될 수 있다. 예를 들어, 상기 '시간 딜레이'는 단말로부터의 피드백 정보를 이용하여 조정될 수도 있다. 구체적으로, 단말은 '시간 딜레이'에 대한 값을 추정하여 기지국으로 피드백할 수도 있다. 또한, 단말이 채널 상태/수신 신호에 대한 정보(예, CQI, CSI, ACK/NAK 등)를 전송하면, 서빙 기지국은 이를 이용하여 '시간 딜레이'를 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 또한, 서빙 기지국은 먼저 상기 피드백 정보를, 예를 들어, 네트워크의 RNC로 전송하고, 상기 네트워크의 RNC는 다중 셀 MIMO를 수행하고 있는 여러 기지국들을 고려하여, 서빙 기지국과 협력 기지국의 시간 딜레이를 새롭게 지시할 수 있다.
상기 '안테나 퍼뮤테이션'은 프리코더로부터 출력된 복수의 스트림들을 복수의 전송 안테나로 전달하는 과정에서, 상기 스트림과 전송 안테나의 대응 관계를 변경하는 것을 의미한다. 유사하게, 상기 '스트림 퍼뮤테이션'은 상기 MIMO 인코더로부터의 출력이 프리코더에 입력되는 경로를 변경하는 것을 의미한다. 상기 '안테나 퍼뮤테이션' 및 '스트림 퍼뮤테이션'은 각각 안테나 또는 프리코더로의 경로를 변경하도록 설정된 NT×NT 및 NS×NS 행렬에 의해 수행될 수 있다. NT는 전송 안테나의 개수이고, NS는 스트림의 개수이다. 상기 행렬들은 퍼뮤테이션의 목적에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 행렬들은 각 열에서 한 원소만이 1이고 나머지 원소는 0인 유니터리 행렬들의 모임일 수 있다. 기지국 및 단말은 상기 유니터리 행렬들 중 일부만을 선택할 수 있다. 또한, 상기 행렬들에 대한 인덱스를 사용할 수 있다. 스트림 퍼뮤테이션은 기지국에서 사용하고 있는 코드북의 순환선정으로 확장 가능하다. 예를 들어 각 기지국에서 사용하는 W 매트릭스를 표 1에서 선택하여 사용하는 경우(스트림 2를 가정), 각 기지국은 특정 주기(Tw)로 코드북을 변경하고 이 변경된 코드북을 이용하는 프리코더의 입력경로를 바꾸는 퍼뮤테이션을 추가로 적용하여 스트림 퍼뮤테이션을 확장할 수 있다.
상기 '안테나 퍼뮤테이션' 및/또는 '스트림 퍼뮤테이션'에 관한 정보(예, 퍼뮤테이션에 관한 행렬 인덱스, 퍼뮤테이션 모드 등)는 네트워크의 RNC에 의해 지시되거나, 미리 설정될 수 있다. 또한, 상기 정보는 단말로부터의 피드백 정보를 이용하여 조정될 수도 있다. 예를 들어, 단말이 채널 상태/수신 신호에 대한 정보(예, CQI, CSI, ACK/NAK 등)를 전송하면, 서빙 기지국은 이를 이용하여 '안테나 퍼뮤테이션' 및/또는 '스트림 퍼뮤테이션'에 관한 정보를 변경할 수 있다. 또한, 서빙 기지국은, 예를 들어, 상기 정보를 네트워크의 RNC로 전송하고, 상기 네트워크의 RNC는 다중 셀 MIMO를 수행하고 있는 여러 기지국들을 고려하여, 서빙 기지국과 협력 기지국의 '안테나 퍼뮤테이션' 및/또는 '스트림 퍼뮤테이션'을 새롭게 지시할 수 있다. 다중 셀 MIMO를 수행하는 기지국 및 단말은 상기 '안테나 퍼뮤테이션' 및/또는 '스트림 퍼뮤테이션'에 관한 정보를 공유할 필요성이 있을 수도 있다. 따라서, 상기 정보의 설정 및/또는 변경이 있을 경우에, 기지국과 단말은 상기 정보에 관한 시그널링을 수행할 수 있다.
제1 실시예
서빙 기지국과 협력 기지국은 동일한 MIMO 인코더를 이용하여 데이터를 처리한 후, 상기 MIMO 인코더로부터 출력된 스트림에 대해 프리코딩을 수행한다. 상기 과정에서, 기지국들은 프리코딩에 사용되는 D 및 W 행렬의 형태를 변화시킨다.
서빙 기지국이 DS 및 WS를, 협력 기지국이 DC 및 WC를 사용한다고 가정하면, 서빙 기지국과 협력 기지국의 프리코더 출력 yS 및 yC는 각각 다음과 같게 된다.
yS = DS × WS × z
yC = DC × WC × z
여기에서, D는 기지국에 따라 시간 딜레이를 다르게 하기 위한 NT×NT 대각 행렬이며, W는 NT×NS 프리코더 행렬이고, z는 프리코딩되는 스트림 벡터를 나타내며, 하첨자 s는 서빙 기지국을 지시하고, 하첨자 c는 협력 기지국을 지시하며, NT는 전송 안테나의 개수이고, NS는 스트림의 개수이다.
즉, 다중 셀 MIMO에서의 각 기지국으로터 출력된 신호는 다음과 같다.
Figure 112008075764214-pat00012
여기에서, DS = D'S × DOS, DC = D'C × DOC, WS = WOS × LS, WC = WOC × LC일 수 있다. 여기에서, DOS 및 DOC는 단일 셀 MIMO 동작시 안테나별로 스트림간에 위상을 천이시키기 위해 적용되는 NT×NT 대각 행렬이고, WOS 및 WOC는 단일 셀 MIMO 동작시 적용되는 NT×NS 프리코더 행렬이다. DOS 및 DOC는 MIMO 모드에 따라 동일할 수도 다를 수도 있다. 또한, WOS 및 WOC도 MIMO 모드에 따라 동일할 수도 다를 수도 있다.
한편, D'S 및 D'C는 다중 셀 MIMO를 적용하면서 추가적인 이득을 얻고자 서 빙 기지국과 협력 기지국에 적용되는 딜레이 행렬로서 NT×NT 대각 행렬이다. 상기 딜레이 행렬은 기지국에 따라 데이터 스트림의 '시간 딜레이'를 다르게 하기 위해 다중 셀 MIMO에서 새롭게 적용되는 행렬로서, 단일 셀 MIMO에서의 DOS 및 DOC와 유사한 형태를 가진다.
LS 및 LC는 다중 셀 MIMO를 적용시 '스트림 퍼뮤테이션'을 위한 NS×NS 행렬이다. 이하, 상기 L 행렬을 생성하는 방법에 대해 예시한다. 상기 스트림의 개수의 NS이라 하면, 먼저 2Ns개의 컬럼 벡터를 생성한다. 예를 들어, 두 개의 기지국이 두 개의 스트림을 사용한다고 가정하면, 상기 컬럼 백터는 다음과 같이 생성된다.
컬럼 벡터 세트 = {
Figure 112008075764214-pat00013
}
상기 컬럼 벡터 세트로부터 임의의 엘리멘트를 NS개 조합하여 L 행렬을 생성한다. 예를 들어, 상기 L 행렬은 다음과 같을 수 있다.
L = {
Figure 112008075764214-pat00014
}
실제 사용에 있어서는, 이들 세트 중에서 임의의 서브 세트로 사용을 한정할 수도 있다. 예를 들어,
Lsubset = {
Figure 112008075764214-pat00015
}로 할 경우, 각 기지국에서 스트림 1 및 스트림 2를 프리코더에 입력하게 되면, '스트림 퍼뮤테이션'에 의해 실제로 프리코딩되는 스트림의 순서는 (스트림 1, 스트림 2) 및 (스트림 2, 스트림 1)로 한정된다. 두 개의 기지국이 다중 셀 MIMO로 동작한다고 하면 다음과 같은 조합이 가능하다.
[BS1(스트림 1, 스트림 2), BS2(스트림 1, 스트림 2)]
[BS1(스트림 1, 스트림 2), BS2(스트림 2, 스트림 1)]
[BS1(스트림 2, 스트림 1), BS2(스트림 1, 스트림 2)]
[BS1(스트림 2, 스트림 1), BS2(스트림 2, 스트림 1)]
별도의 방식으로서, WS = SS × WOS 및 WC = SC × WOC일 수 있다. 여기에서, SS 및 SC는 각 기지국에서 데이터 스트림 전송에 사용되는 안테나 선택, 이들의 조합 또는 안테나 퍼뮤테이션을 위해 사용되는 NT×NT 행렬이다.
이하, S 행렬을 생성하는 것에 대해 예시한다. 전송 안테나의 개수를 n이라면, 먼저 2n개의 컬럼 벡터를 생성한다. 예를 들어, 두 개의 기지국이 두 개의 전송 안테나를 사용한다고 가정하면, 상기 컬럼 백터는 다음과 같이 생성된다.
컬럼 벡터 세트 = {
Figure 112008075764214-pat00016
}
상기 컬럼 벡터 세트로부터 임의의 엘리멘트를 n개 조합하여 S 행렬을 생성 한다. 예를 들어, 상기 S 행렬은 다음과 같을 수 있다.
S = {
Figure 112008075764214-pat00017
}
실제 사용에 있어서는, 이들 세트 중에서 임의의 서브 세트로 사용을 한정할 수도 있다. 예를 들어,
Ssubset = {
Figure 112008075764214-pat00018
}로 할 경우, 각 기지국에서 프리코딩에 의해 생성된 두 개의 출력을 각각의 전송 안테나에 대응시키는 방법은 (안테나 1, 안테나 2) 또는 (안테나 2, 안테나 1)로 한정된다. 두 개의 기지국이 다중 셀 MIMO로 동작한다고 하면 다음과 같은 조합이 가능하다.
[BS1(안테나 1, 안테나 2), BS2(안테나 1, 안테나 2)]
[BS1(안테나 1, 안테나 2), BS2(안테나 2, 안테나 1)]
[BS1(안테나 2, 안테나 1), BS2(안테나 1, 안테나 2)]
[BS1(안테나 2, 안테나 1), BS2(안테나 2, 안테나 1)]
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결 합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 문서에서 본 발명의 실시예들은 주로 단말과 기지국 간의 데이터 송수신 관계를 중심으로 설명되었다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행된다고 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 그 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수 있다. 즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 단말과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있음은 자명하다. '기지국'은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 또한, '단말'은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MSS(Mobile Subscriber Station) 등의 용어로 대체될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 단일 셀에서 하향링크 MIMO를 운영하는데 사용되는 송신 시스템의 일 예를 나타내는 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 다중 셀의 경계에 있는 단말이 복수의 기지국과 데이터를 송수신하는 일 예를 나타내는 도면이다.

Claims (14)

  1. 다중 입력 다중 출력(MIMO: multi input multi out)을 지원하는 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말이 데이터를 수신하는 방법에 있어서,
    다중 전송 안테나에 의해 전송된 제1 데이터 스트림을 서빙 기지국으로부터수신하는 단계;
    상기 제1 데이터 스트림과 동일한 소스 데이터에 기초하여 시간 딜레이, 안테나 퍼뮤테이션 및 스트림 퍼뮤테이션 중 적어도 하나가 다르도록 프리코딩되고 다중 전송 안테나에 의해 전송된 제2 데이터 스트림을 협력 기지국으로부터 수신하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 데이터 스트림을 이용하여 상기 소스 데이터를 복원하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 데이터 스트림 및 상기 제2 데이터 스트림은 하기 수학식 1 및 2에 의해 프리코딩 되며,
    yS = D'S × DOS × WS × z [수학식 1]
    yC = D'C × DOC × WC × z [수학식 2]
    여기에서, yS는 상기 제1 데이터 스트림을 나타내고, yC는 상기 제2 데이터 스트림을 나타내며, DOS 및 DOC는 단일 셀 MIMO에서 복수의 전송 안테나를 통한 데이터 스트림들 사이에 위상 천이를 발생시키기 위한 NT×NT 대각 행렬이고, D'S 및 D'C는 기지국에 따라 시간 딜레이를 다르게 하기 위해 추가로 적용되는 NT×NT 딜레이 대각 행렬이며, WS는 상기 서빙 기지국의 NT×NS 프리코더 행렬이고, WC는 상기 협력 기지국의 NT×NS 프리코더 행렬이며, z는 프리코딩 되는 스트림 벡터이고, NT는 전송 안테나의 개수이며, NS는 스트림의 개수인, 데이터 수신 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 WS 및 WC는 하기 수학식 5 및 6에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 데이터 수신 방법:
    WS = WOS × LS × z [수학식 5]
    WC = WOC × LC × z [수학식 6]
    여기에서, WOS는 상기 서빙 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이며, WOC는 상기 협력 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이고, LS 및 LC는 기지국에 따라 스트림 퍼뮤테이션을 다르게 하기 위해 적용되는 Ns×Ns행렬이다.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 WS 및 WC는 하기 수학식 7 및 8에 의해 프리코딩된 것을 특징으로 하는, 데이터 수신 방법:
    WS = SS × WOS ×z [수학식 7]
    WC = SC × WOC ×z [수학식 8]
    여기에서, WOS는 상기 서빙 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이며, WOC는 상기 협력 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이고, SS 및 SC는 기지국에 따라 안테나 퍼뮤테이션을 위해 적용되는 NT×NT 행렬이다.
  8. 다중 입력 다중 출력(MIMO: multi input multi out)을 지원하는 이동 통신 시스템에서 셀 경계의 단말로 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    서빙 기지국에서 제1 데이터 스트림을 다중 전송 안테나를 통하여 상기 단말로 전송하는 단계; 및
    협력 기지국에서 상기 제1 데이터 스트림과 동일한 소스 데이터에 기초하여 시간 딜레이, 안테나 퍼뮤테이션 및 스트림 퍼뮤테이션 중 적어도 하나가 다르도록 프리코딩된 제2 데이터 스트림을 다중 전송 안테나를 통하여 상기 단말로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 데이터 스트림 및 상기 제2 데이터 스트림은 하기 수학식 1 및 2에 의해 프리코딩 되며,
    yS = D'S × DOS × WS × z [수학식 1]
    yC = D'C × DOC × WC × z [수학식 2]
    여기에서, yS는 상기 제1 데이터 스트림을 나타내고, yC는 상기 제2 데이터 스트림을 나타내며, DOS 및 DOC는 단일 셀 MIMO에서 복수의 전송 안테나를 통한 데이터 스트림들 사이에 위상 천이를 발생시키기 위한 NT×NT 대각 행렬이고, D'S 및 D'C는 기지국에 따라 시간 딜레이를 다르게 하기 위해 추가로 적용되는 NT×NT 딜레이 대각 행렬이며, WS는 상기 서빙 기지국의 NT×NS 프리코더 행렬이고, WC는 상기 협력 기지국의 NT×NS 프리코더 행렬이며, z는 프리코딩 되는 스트림 벡터이고, NT는 전송 안테나의 개수이며, NS는 스트림의 개수인, 데이터 전송 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에 있어서,
    상기 WS 및 WC는 하기 수학식 5 및 6에 의해 프리코딩된 것을 특징으로 하는, 데이터 전송 방법:
    WS = WOS × LS × z [수학식 5]
    WC = WOC × LC × z [수학식 6]
    여기에서, WOS는 상기 서빙 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이며, WOC는 상기 협력 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이고, LS 및 LC는 기지국에 따라 스트림 퍼뮤테이션을 다르게 하기 위해 적용되는 Ns×Ns행렬이다.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 WS 및 WC는 하기 수학식 7 및 8에 의해 프리코딩된 것을 특징으로 하는, 데이터 전송 방법:
    WS = SS × WOS ×z [수학식 7]
    WC = SC × WOC ×z [수학식 8]
    여기에서, WOS는 상기 서빙 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이며, WOC는 상기 협력 기지국의 단일 셀 MIMO에 적용되는 NT×Ns 프리코더 행렬이고, SS 및 SC는 기지국에 따라 안테나 퍼뮤테이션을 위해 적용되는 NT×NT 행렬이다.
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