KR101584689B1 - 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치 - Google Patents

다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치에 관한 것으로서, 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 기지국의 방법은, 특정 단말에 간섭을 미치는 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 특정 단말에 대한 전송 전력 비 정보를 확인하는 과정과, 상기 확인된 정보를 포함하는 제어 신호를 상기 특정 단말로 전송하는 과정을 포함하여, 다른 단말의 간섭을 백색화하여 양자화 잡음에 의한 영향을 제거할 수 있다.
프리코딩, 양자화 오차, MU-MIMO(Multi Use - Multiple Input Multiple Output), 백색화

Description

다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR INTERFERENCE CANCELLATION OF MULTI USER IN MULTI-ANTENNA SYSTEM}
본 발명은 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 양자화 잡음 및 고속 페이딩(fast fading) 환경에 강인한 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선 이동통신 시장의 급성장으로 인하여 무선 환경에서 다양한 멀티미디어 서비스가 요구됨에 따라, 최근에는 상기 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되고 있으며, 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(예 : MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 진행되고 있다.
상기 다중 안테나 시스템은 안테나 별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송함으로써 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스 템에 비해 높은 전송 신뢰도와 전송률을 획득할 수 있다. 즉, 상기 다중안테나 시스템은 다이버시티(Diversity) 이득을 통해 시스템 성능을 향상시킬 수 있고, 다중화(Multiplexing) 이득을 통해 전송률을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 다중 안테나 시스템은 다중 사용자를 지원하는 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템으로 확장할 수 있다.
상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 상기 다중 안테나를 통해 확보한 공간자원을 동시에 여러 명의 사용자가 공유하여 주파수 효율을 더욱 높일 수 있다.
상기 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국은 하향링크의 경우 사용자들 간 서로 간섭을 일으키지 않도록 신호를 프리코딩(precoding)하여 각각의 사용자들로 송신한다. 이후, 상기 사용자들은 각자의 채널을 통해서 수신된 신호로부터 자신의 정보를 획득한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 다중 사용자들의 간섭을 줄이기 위한 프리코딩 방식으로 제로 포싱(Zero forcing) 기법이나 최소 제곱 오차 추정(MMSE : Minimum Mean Square Error)기법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 기지국은 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding) 기법이나 블록 대각화(Block Diagonalization) 기법을 이용한 프리코딩을 통해 상기 시스템의 채널 용량을 만족시키면서 상기 다중 사용자들의 신호에 의한 간섭을 줄일 수 있다. 상술한 바와 같이 상기 기지국은 전송 신호를 프리코딩하여 동일 서브채널을 사용하는 사용자들 간의 간섭을 제거한다.
최근에는, 상기 다중 사용자를 위한 프리코딩 수행 시, 양자화 오차에 의한 성능 저하 현상을 극복하기 위한 기법이 중요하게 논의되고 있다. 이에 따라, 최근에는 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 양자화 오차를 고려한 프리코딩 기법이 제공되고 있다. 하지만, 종래에 제공되는 대부분의 양자화 프리코딩 기법은 대부분 저속 페이딩(slow fading) 혹은 플랫 페이딩(flat fading)을 가정하고 있기 때문에, 이동국에 의한 고속 페이딩(fast fading) 환경에서 이용할 경우, 양자화 코드북과 채널 간의 불일치(mismatching)로 인한 양자화 오차에 의해 성능 열화가 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 양자화 잡음 및 고속 페이딩(fast fading) 환경에 강인한 다중 사용자 간섭 제거 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말이 다른 사용자의 간섭을 백색화하여 양자화 잡음에 의한 영향을 제거하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말이 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬 정보와 기지국의 총 전송 전력 대 자기신호 전송 전력 비를 이용하여 상기 다른 사용자 단말들의 간섭 상관 행렬을 추정하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 기지국의 방법은, 특정 단말에 간섭을 미치는 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 특정 단말에 대한 전송 전력 비 정보를 확인하는 과정과, 상기 확인된 정보를 포함하는 제어 신호를 상기 특정 단말로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 단말의 방법은, 기지국으로부터 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어신호를 수신하는 과정과, 상기 제어신호에 포함된 정보들을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하는 과정과, 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭을 백색화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 기지국의 장치는, 특정 단말에 간섭을 미치는 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 특정 단말에 대한 전송 전력 비 정보를 확인하는 제어기와, 상기 확인된 정보를 포함하는 제어 신호를 상기 특정 단말로 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 단말의 장치는, 기지국으로부터 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어신호를 수신하는 수신기와, 상기 제어신호에 포함된 정보들을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하고, 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 간섭 단말들의 간섭을 백색화하는 수신 행렬 적용부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국이 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬 정보와 총 전송 전력 대 해당 단말의 전송 전력 비 정보를 전송하고, 단말이 이를 이용하여 상기 다른 사용자 단말들의 간섭 상관 행렬을 추정함으로써, 다른 사용자의 간섭을 백색화하여 양자화 잡음에 의한 영향을 제거할 수 있으며, 모든 간섭 사용자의 코드북 인덱스 정보를 테이블화하여 상기 프리코딩 행렬 정보 전송시에 상기 테이블 인덱스를 전송함으로써, 하향링크 제어 채널의 자원을 절약할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명에서는 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국이 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬 정보와 총 전송 전력 대 해당 단말의 전송 전 력 비 정보를 전송하고, 상기 전송된 정보를 바탕으로 단말이 상기 다른 사용자 단말들의 간섭 상관 행렬을 추정하여 상기 다른 사용자 간섭을 제거하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.
이하 본 발명에서는 하기 도 1과 같은 시스템 환경을 고려한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템 구성을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 기지국(100)이 동일한 서브 채널을 사용하는 K개의 단말들(110-1 내지 110-K)로 동시에 데이터를 전송함을 가정한다. 여기서, 상기 기지국(100)은 상기 단말들(110-1 내지 110-K) 각각에 대한 송신신호에 프리코딩 벡터를 곱하여 합산한 후, 상기 합산된 신호를 다중 안테나를 통해 각 단말들(110-1 내지 110-K)로 송신한다. 상기 기지국(100)에서 송신된 신호는 상기 기지국(100)과 단말들(110-1 내지 110-K)간의 채널을 거쳐 상기 단말들(110-1 내지 110-K)로 수신된다. 그러면, 상기 단말들(110-1 내지 110-K) 각각은 디코딩을 위한 수신 행렬(W1,k, W2,k)을 이용하여 수신된 신호로부터 기지국(100)이 송신한 신호를 획득할 수 있다.
이때, 단말k(110-k)에 수신되는 하향링크 신호 모델은 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112009013215061-pat00001
Figure 112009013215061-pat00002
여기서, 상기 yk는 단말k가 수신한 신호를 나타내고, 상기 Hk는 상기 기지국과 단말k 간의 채널을 나타내며, 상기 Mk는 상기 기지국에서 동일한 서브 채널을 사용하는 단말들 간 간섭을 제거하기 위한 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타내고, 상기 xk는 상기 기지국에서 전송한 신호를 나타낸다. 또한, 상기 ml은 단말l의 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타내고, 상기 xl은 상기 기지국에서 상기 단말l로 전송한 신호를 나타내며, 상기 nk는 상기 단말k의 백색 잡음을 나타낸다. 또한, 여기서 상기 zk는
Figure 112009013215061-pat00003
로 다른 단말들에 의한 하향링크 간섭 및 잡음을 나타낸다.
여기서, 상기 기지국(100)에서는 상기 단말들(110-1 내지 110-K)과의 채널 정보(H1, H2, ..., HK)를 완벽하게 알지 못하므로, 각 단말(110-1 내지 110-K)로부터 피드백된 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Information)에 의해 적합하다고 여겨지는 송신 벡터 혹은 행렬 Mk를 하향링크를 통해 전송한다. 그런데 양자화 프리코딩 시, 다른 단말들의 프리코딩 정보가 하향 링크 채널의 널링 스페이스에 포함되지 않기 때문에 양자화 잡음에 의한 다른 단말들의 간섭이 하향 링크에서 발생하게 되며, 이러한 간섭은 채널이 빠르게 변하는 고속 페이딩(fast fading) 채널에서 심각해지게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 양자화 잡음에 의한 채널 용량의 열화를 감소시키기 위하여 상기 단말들(110-1 내지 110-K) 각각이 양자화 잡음에 의한 간섭 상관 행렬을 추정하여 다른 사용자의 간섭을 백색화하는 수신기를 이용한다. 즉, 본 발명에서는 상기 단말들(110-1 내지 110-K) 각각이 간섭 상관 행렬을 추정한 후, 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 수신 신호 디코딩을 위한 수신 행렬을(Wk : W1,k, W2,k)을 생성하고, 이를 이용하여 수신된 신호에서 다른 사용자의 간섭을 백색화하고, 각 단말에 대한 수신 스트림의 신호대 잡음비를 최대로하여 송신 신호를 획득하는 기법을 이용한다.
여기서, 본 발명에서 간섭 상관 행렬을 이용하여 생성하는 수신 행렬은 하기 <수학식 2> 및 <수학식 3>과와 같다.
하기 <수학식 2>는 한 개의 전송 스트림을 가정하는 경우의 수신 행렬을 나타내며, 하기 <수학식 3>은 다중 전송 스트림을 가정하는 경우의 수신 행렬을 나타낸다.
Figure 112009013215061-pat00004
Figure 112009013215061-pat00005
Figure 112009013215061-pat00006
여기서, 상기 Wk는 디코딩을 위한 수신 행렬을 나타내며, Rk는 간섭 상관 행렬을 나타내고, 상기 Hk는 상기 기지국과 단말 k간의 채널을 나타내고, 상기 mk는 상기 기지국에서 단말k에 대한 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타낸다. 또한, 여기서 상기 W1,k는 백색화 필터를 나타내며, W2,k는 수신 신호의 신호대 잡음비를 최대로 하는 필터를 나타내고, LSVD(.)는 특이 값 분해(SVD: Singular value decomposition)을 통해서 얻어진 좌측 특이 행렬(left singular matrix) 중 전송 스트림 수만큼에 해당하는 좌측 특이 벡터들을 나타낸다.
여기서, 상기와 같이 송수신 벡터 혹은 행렬을 사용하는 경우에 채널 용량을 하기 <수학식 4>와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112009013215061-pat00007
여기서, 상기 PT는 기지국의 총 전송 전력을 나타내고, 상기 K는 상기 기지국으로부터 신호를 수신하는 단말의 수를 나타내고, 상기 Hk는 상기 기지국과 단말k 간의 채널을 나타내며, 상기 Mk는 상기 기지국에서 동일한 서브 채널을 사용하는 단말들 간의 간섭을 제거하기 위한 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타내고, Rk는 간섭 상관 행렬을 나타낸다.
상기 <수학식 2> 내지 <수학식 4>를 살펴보면, 본 발명에서 제안한 바와 같이, 간섭 상관 행렬을 추정하여 수신 행렬을 생성하고, 생성된 수신 행렬을 이용하여 다른 사용자들의 간섭을 백색화시킴으로써 양자화 잡음에 의한 영향에 강인해지는 것을 알 수 있다.
일반적으로, 상기 간섭 상관 행렬은 단말이 수신 신호로부터 채널 추정을 통해 본래 자기 신호를 판별하고, 궤한 루프를 통해 판별된 자기 신호를 수신 신호에서 차감한 후, 2차 통계적 추정을 통해 획득한다. 하지만, 이러한 추정 방식은 신뢰성을 얻기 위해 긴 통계적 구간을 필요로하기 때문에, 본 발명에서는 다른 사용자의 프리코딩 행렬과 기지국의 총 전송 전력 대 해당 단말에 대한 전송 전력 비를 이용하여 상기 간섭 상관 행렬을 추정하는 방식을 사용한다. 즉, 기지국에서 다른 사용자의 프리코딩 행렬과 전송 전력 비를 포함하는 하향링크 제어 정보를 각 단말로 전송하고, 상기 단말이 이를 이용하여 상기 간섭 상관 행렬을 추정하는 방식을 이용한다.
그러면, 이하에서는 상술한 설명을 바탕으로 본 발명에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 기지국은 제어기(200), 제어정보 생성기(210), 피드백 정보 수신부(220), 다수의 부호화기(230-1 내지 230-k), 다수의 변조기(240-1 내지 240-k), 프리코더(250), 다수의 RF 송신기(260-1 내지 260-k)를 포함하여 구성된다.
상기 제어기(200)는 프리코딩 벡터 선택기(202)와 전송 전력 확인기(204)를 포함함으로써, 각 단말로 전송할 하향링크 제어정보를 생성하기 위한 기능을 제어 및 처리한다. 즉, 상기 프리코딩 벡터 선택기(202)는 상기 피드백 정보 수신부(220)로부터 제공되는 채널 품질 정보(CQI)를 이용하여 각 단말들에 대한 프리코딩 벡터들을 선택하고, 특정 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 다른 단말들의 프리코딩 벡터들을 나타내는 프리코딩 행렬을 상기 제어 정보 생성기(210)로 제공한다. 이때, 상기 프리코딩 벡터 선택기(202)는 상기 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 나타내는 코드북 인덱스들을 직접 상기 제어 정보 생성기(210)로 전송할 수 도 있으나, 제한된 하향링크 자원을 절약하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 코드북 인덱스의 조합을 테이블화한 후, 테이블의 인덱스를 상기 제어 정보 생성기(210)로 전송하여 해당 단말로 전송되도록 할 수 있다. 여기서, 상기 도 7은 본 발명에 따라 코드북 인덱스의 조합을 테이블화한 실시 예를 나타낸 것으로, 서로 다른 단말들에게 같은 코드북이 인덱싱되지 않는 것을 가정하였으며, 인덱스 0, 1, 2를 갖는 코드북은 널(null) 정보를 갖는 코드북이고, 스케줄러는 4개의 계층(layer) 중 3개, 2개 혹은 1개만 전송하는 모드를 지원할 수 있도록 설계하였다. 즉, 상기 도 7은 N개의 크기를 갖는 양자화 코드북에 대해서 특정 단말의 코드북을 뺀 나머지 N-1개의 양자화 코드북에 대해서 다른 사용자가 갖는 3개의 코드북 조합을 테이블화하여 정리한 것으로, 이때 상기 테이블은 N-1C3의 크기를 갖는다.
상기와 같이, 상기 프리코딩 벡터 선택기(202)가 다른 단말들의 프리코딩 행렬을 나타내는 코드북 인덱스들을 직접 전송하지 않고, 상기 코드북 인덱스들의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 전송함으로써, 하기 표 1과 같이 전송 비트 수를 감소시킬 수 있다.
N 전송 비트 수
코드북 인덱스 전송 테이블 인덱스 전송
16 12 9
32 15 13
64 18 16
128 21 19
상기 표 1을 참조하면, 크기 16의 코드북을 살펴보면, 각 단말들의 코드북 인덱스를 전송하는 방식은 12개의 전송 비트가 필요한 반면, 본 발명에 따라 코드북 인덱스들의 조합을 테이블화하여 테이블 인덱스를 전송하는 경우, 9개의 전송 비트가 필요함으로써, 3비트가 감소된 것을 알 수 있다. 즉, 코드북 인덱스를 직접 전송하는 방식보다 코드북 인덱스들의 조합을 나타내는 테이블 인덱스를 전송하는 방식이 전송 비트 수를 감소시키는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 전송 전력 확인기(204)는 동일한 서브 채널을 사용하는 단말들에 대한 총 전송 전력(PT)과 특정 단말에 대한 전송 전력(Pd)을 확인하여 총 전송 전력 대 특정 단말의 전송 전력 비(Pd/PT)를 상기 제어 신호 생성기(210)로 제공한다.
상기 제어정보 생성기(210)는 상기 제어기(200)로부터 제공되는 정보를 이용하여 각 단말들로 전송할 제어 정보를 포함하는 제어 신호를 생성한다. 즉, 상기 제어정보 생성기(210)는 상기 다른 사용자들의 프리코딩 행렬을 나타내는 코드북 인덱스들 즉, 테이블 인덱스와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 특정 단말에 대한 전송 전력 비(Pd/PT) 정보를 포함하는 제어 신호를 생성한다.
상기 피드백 정보 수신부(220)는 각 단말들로부터 피드백되는 제어 신호를 해석하여 제어 신호에 포함된 정보를 확인하여 상기 제어기(200)로 제공한다.
상기 다수의 부호화기(230-1 내지 230-k) 각각은 자신과 대응되는 스트림을 통해 송신될 데이터를 부호화한다. 상기 다수의 변조기(240-1 내지 240-k) 각각은 자신과 대응되는 스트림을 통해 송신될 부호화된 데이터를 변조함으로써, 복소심벌(complex symbol)들로 변환한다. 상기 프리코더(250)는 각 스트림을 통해 송신되는 신호를 기 선택된 프리코딩 벡터들에 따라 처리한다. 즉, 상기 프리코더(250)는 단말들 각각의 송신 신호를 단말들 각각의 프리코딩 벡터와 곱하고, 프리코딩 벡터와 곱해진 신호들을 합산한다. 상기 다수의 RF송신기(260-1 내지 260-k) 각각은 상기 프리코더(250)로부터 제공되는 안테나별 신호들을 RF대역 신호들로 변환한 후, 다수의 송신 안테나들을 통해 송신한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 상기 단말은 다수의 RF 수신기(300-1 내지 300-N)와 수신 벡터 적용부(310)를 포함하며, 상기 수신 행렬 적용부(310)는 제어정보 처리부(312), 간섭 백색화부(314), SNR 최대화부(316)를 포함하여 구성된다.
상기 다수의 RF수신기(300-1 내지 300-N) 각각은 다수의 수신 안테나들을 통해 수신되는 RF대역 신호들을 기저대역 신호들로 변환한 후, 상기 수신 행렬 적용부(310)로 제공한다.
상기 수신 행렬 적용부(310)는 기지국으로부터 수신된 제어 정보를 이용하여 양자화 잡음에 의한 다른 단말들의 간섭 상관 행렬을 추정한 후, 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 바탕으로 수신 행렬을 생성하여 다른 단말의 간섭을 백색화하고, 각 단말에 대한 수신 스트림의 신호대 잡음비를 최대로하여 송신 신호를 획득하는 기능을 수행한다.
즉, 상기 수신 행렬 적용부(310)는 상기 제어정보 처리부(312)를 통해 기지국으로 제공될 제어 정보를 포함하는 제어 신호를 생성하고, 상기 기지국으로부터 수신된 제어 신호를 해석하여 제어 정보를 획득한다. 여기서, 상기 제어정보 처리부(312)는 상기 기지국으로부터 수신된 제어 신호를 분석하여 상기 단말과 동일한 서브채널을 사용하는 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬을 나타내는 코드북 인덱스들 즉, 테이블 인덱스와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비(Pd/PT) 정보를 획득한다. 이때, 상기 수신 행렬 적용부(310)는 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블을 미리 저장하거나 상기 기지국으로부터 수신함으로써, 상기 제어 신호에 포함된 테이블 인덱스를 통해 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 알 수 있다.
그러면, 상기 수신 행렬 적용부(310)는 상기 획득한 제어 정보를 이용하여 하기 <수학식 5>와 같이 간섭 상관 행렬을 추정하고, 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같이 수신 행렬을 생성한다.
하기 <수학식 5>는 간섭 상관 행렬 추정 방식을 나타낸다.
Figure 112009013215061-pat00008
Figure 112009013215061-pat00009
Figure 112009013215061-pat00010
Figure 112009013215061-pat00011
상기 <수학식 5>에서 상기 Rk는 단말k의 간섭 상관 행렬을 나타내고, 상기 E{}는 평균 연산자를 나타내며, 상기 zk는 간섭 및 잡음 행렬을 나타낸다. 또한, 상기 Hk는 상기 기지국과 단말k 간의 채널을 나타내며, 상기 ml은 단말l의 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타내고, 상기 xl은 상기 기지국에서 상기 단말l로 전송한 신호를 나타내며, 상기 nk는 상기 단말k의 백색 잡음을 나타낸다. 상기 PI는 간섭 단말들의 전력 합을 나타내고,
Figure 112009013215061-pat00012
는 단말k에 대한 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 나타내며, 상기 Pd는 상기 기지국이 상기 단말 자신으로 전송하는 신호의 전송 전력을 나타내고, 상기 PT는 상기 기지국의 총 전송 전력을 나타내며, ρ는 원하는 사용자 단말의 전력 대 잡음 비를 나타낸다.
즉, 상기 <수학식 5>를 살펴보면, 상기 수신 행렬 적용부(310)는 상기 기지국으로부터 수신된 제어 신호에서 상기 단말과 동일한 서브채널을 사용하는 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬(
Figure 112009013215061-pat00013
)을 나타내는 코드북 인덱스들 즉, 테이블 인덱스와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비(Pd/PT) 정보를 획득함으로써, 다른 사용자 단말들에 대한 간섭 상관 행렬을 추정할 수 있 다.
상기 수신 행렬 적용부(310)는 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같은 수신 행렬(Wk : W1,k, W2,k)을 생성하고, 상기 간섭 백색화부(314)와 상기 SNR 최대화부(316)를 통해 다른 사용자 단말들의 간섭을 백색화하고, 각 단말에 대한 수신 스트림의 신호대 잡음비를 최대로하여 송신 신호를 획득하는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국과 단말간의 신호 흐름을 나타내고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 먼저 단말(402)은 410단계에서 채널 품질 정보(CQI)를 기지국(400)으로 피드백한다. 상기 CQI를 수신한 상기 기지국(400)은 상기 단말(402)에 대한 프리코딩 벡터를 선택하고, 412단계에서 상기 단말(402)과 동일한 서브 채널을 사용하는 다른 단말들의 프리코딩 벡터를 나타내는 프리코딩 행렬(
Figure 112009013215061-pat00014
)을 확인한다. 이후, 상기 기지국(400)은 414단계에서 상기 동일한 서브 채널을 사용하는 모든 단말들에 대한 총 전송 전력 대 상기 단말(402)의 전송 전력 비(Pd/PT)를 확인하고, 416단계로 진행하여 상기 확인된 정보들을 상기 단말(402)로 전송한다. 여기서, 상기 기지국(400)은 상기 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 상기 단말로 전송하기 위해 코드북 인덱스들을 전송할 수도 있으나, 전송 비트 수의 감소를 위하여 상기 코드북 인덱스들의 조합을 테이블화하여 테이블 인덱스를 전송할 수 있다.
이후, 상기 단말(402)은 418단계에서 상기 기지국으로부터 수신된 정보들(
Figure 112009013215061-pat00015
, Pd/PT)을 바탕으로 상기 <수학식 5>와 같이 다른 단말들의 간섭 상관 행렬을 추정하고, 420단계에서 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같이 수신 행렬을 생성하여 다른 사용자 간섭을 백색화함으로써, 상기 기지국으로부터 송신된 신호를 획득한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 기지국은 501단계에서 특정 단말로부터 CQI가 수신되면, 502단계로 진행하여 상기 CQI를 전송한 특정 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 다른 단말들의 프리코딩 행렬(
Figure 112009013215061-pat00016
) 정보를 확인하고, 505단계에서 상기 동일한 서브 채널을 사용하는 모든 단말들에 대한 총 전송 전력 대 상기 특정 단말의 전송 전력 비(Pd/PT)를 확인한다.
이후, 상기 기지국은 507단계로 진행하여 상기 확인된 정보들 즉, 상기 다른 단말들의 프리코딩 행렬(
Figure 112009013215061-pat00017
) 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 특정 단말의 전송 전력 비(Pd/PT) 정보를 상기 특정 단말로 전송한다. 여기서, 상기 기지국은 상기 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 상기 단말로 전송하기 위해 코드북 인덱 스들을 전송할 수도 있으나, 전송 비트 수의 감소를 위하여 상기 코드북 인덱스들의 조합을 테이블화하여 테이블 인덱스를 전송할 수 있다.
이후, 상기 기지국은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 단말은 601단계에서 기지국으로 CQI 정보를 전송하고, 603단계에서 상기 기지국으로부터 상기 단말 자신과 동일한 서브 채널을 사용하는 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보(
Figure 112009013215061-pat00018
)와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 자기 전송 전력의 비(Pd/PT) 정보를 수신한다. 여기서, 상기 단말은 상기 기지국으로부터 코드북 인덱스를 포함하는 제어 신호를 수신하는 대신, 코드북 인덱스들의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 수신하여 상기 다른 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 획득할 수 있다. 이때, 상기 단말은 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블을 미리 저장하거나 상기 기지국으로부터 수신함으로써, 상기 제어 신호에 포함된 테이블 인덱스를 통해 다른 사용자 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 알 수 있다.
이후, 상기 단말은 605단계에서 상기 수신된 정보를 이용하여 상기 <수학식 5>와 같이 간섭 상관 행렬을 추정하고, 607단계에서 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같이 수신 행렬을 생성하여 상기 수신 신호에 곱함으로써, 다른 사용자 간섭을 백색화하여 상기 기지국으로부터 송신된 신호를 획득한다.
이후, 상기 단말은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 8은 종래 기술과 본 발명에 따른 시스템의 성능 그래프를 도시하고 있다.
상기 도 8은 본 발명에 따른 시스템과 종래 기술에 따른 시스템들의 SNR(Signal to Noise Ratio)에 따른 전송률을 측정하기 위한 모의실험의 결과 그래프이다. 여기서는 도플러 주파수를 300Hz으로, 기지국의 송신 안테나 수와 각 단말의 수신 안테나 수를 각각 4개로 가정하여 실험하였다. 여기서,
Figure 112009013215061-pat00019
는 본 발명에 따라 간섭 단말의 프리코딩 벡터를 피드백하는 경우에 대한 시스템의 성능을 나타내고,
Figure 112009013215061-pat00020
는 종래 기술에 따라 레퍼런스 신호를 이용하여 간섭 상관 행렬을 추정하는 시스템의 성능을 나타내며,
Figure 112009013215061-pat00021
는 채널과 양자화 코드북 사이의 오차를 허용하는 기존 시스템에 대한 성능을 나타낸다.
상기 도 8을 참조하면, 시스템의 피드백 비트가 7비트인 경우, SNR이 높아질 수록 본 발명에서 제안하는 시스템
Figure 112009013215061-pat00022
이 종래 시스템
Figure 112009013215061-pat00023
과
Figure 112009013215061-pat00024
에 비해 높은 성능을 나타냄을 알 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국과 단말간의 신호 흐름을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 단말의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템에서 코드북 조합을 나타내는 테이블을 도시하는 도면, 및
도 8은 종래 기술과 본 발명에 따른 시스템의 성능 그래프를 도시하는 도면.

Claims (20)

  1. 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 기지국의 방법에 있어서,
    특정 단말 및 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩 벡터 정보 및 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 특정 단말에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어 신호를 상기 특정 단말로 전송하는 과정을 포함하고,
    상기 제어 신호는, 상기 특정 단말에 의해, 상기 다른 단말의 간섭을 백색화하기 위한 상기 다른 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 단말은, 상기 특정 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 단말인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 신호는, 상기 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩 벡터를 나타내는 프리코딩 행렬에 대응되는 코드북 인덱스 혹은 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 단말의 방법에 있어서,
    기지국으로부터 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어신호를 수신하는 과정과,
    상기 제어신호에 포함된 정보들을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하는 과정과,
    상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭을 백색화하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 간섭 단말은, 상기 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 단말인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어신호는, 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터를 나타내는 프리코딩 행렬에 대응되는 코드북 인덱스 혹은 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 간섭 상관 행렬은, 하기 수학식 6을 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112014017831009-pat00033
    Figure 112014017831009-pat00034
    여기서, Rk는 단말k의 간섭 상관 행렬, E{}는 평균 연산자, zk는 간섭 단말에 의한 하향링크 간섭 및 잡음, Pd는 상기 단말 자신에 대한 전송 전력, 상기 PT는 상기 기지국의 총 전송 전력, ρ는 상기 단말의 전력 대 잡음 비, Hk는 상기 기지국과 단말k 간의 채널,
    Figure 112014017831009-pat00035
    는 단말k에 대한 적어도 하나의 간섭 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 나타냄.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭을 백색화하는 과정은,
    상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 전송 스트림의 수에 따른 수신 행렬을 생성하는 과정과,
    상기 수신 행렬을 수신 신호에 곱셈 연산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 수신 행렬은, 전송 스트림 수가 한 개인 경우 하기 수학식 7을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112014017831009-pat00036
    여기서, Wk는 디코딩을 위한 수신 행렬, Rk는 간섭 상관 행렬, Hk는 상기 기지국과 단말 k간의 채널, mk는 단말 k에 대한 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타냄.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 수신 행렬은, 전송 스트림 수가 두 개 이상인 경우 하기 수학식 8을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112014017831009-pat00037
    Figure 112014017831009-pat00038
    여기서, Wk는 디코딩을 위한 수신 행렬, W1,k는 백색화 필터, W2,k는 수신 신호의 신호대 잡음비를 최대로 하는 필터, Rk는 간섭 상관 행렬, LSVD(.)는 특이 값 분해를 통해서 얻어진 좌측 특이 행렬 중에서 전송 스트림 수 만큼에 해당하는 좌측 특이 벡터, Hk는 상기 기지국과 단말 k간의 채널을 나타냄.
  11. 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 기지국의 장치에 있어서,
    특정 단말 및 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 제어기와,
    상기 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩 벡터 정보 및 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 특정 단말에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어 신호를 상기 특정 단말로 전송하는 송신기를 포함하고,
    상기 제어 신호는, 상기 특정 단말에 의해, 상기 다른 단말의 간섭을 백색화하기 위한 상기 다른 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 단말은, 상기 특정 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 단말인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 제어 신호는, 상기 적어도 하나의 다른 단말의 프리코딩 벡터를 나타내는 프리코딩 행렬에 대응되는 코드북 인덱스 혹은 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 다중 안테나 시스템에서 다중 사용자 간섭 제거를 위한 단말의 장치에 있어서,
    기지국으로부터 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터 정보와 상기 기지국의 총 전송 전력 대 상기 단말 자신에 대한 전송 전력 비 정보를 포함하는 제어신호를 수신하는 수신기와,
    상기 제어신호에 포함된 정보들을 이용하여 상기 간섭 단말의 간섭 상관 행렬을 추정하고, 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 상기 간섭 단말들의 간섭을 백색화하는 수신 행렬 적용부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 간섭 단말은, 상기 단말과 동일한 서브 채널을 사용하는 단말인 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제어신호는, 적어도 하나의 간섭 단말의 프리코딩 벡터를 나타내는 프리코딩 행렬에 대응되는 코드북 인덱스 혹은 코드북 인덱스의 조합을 나타내는 테이블의 인덱스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 간섭 상관 행렬은, 하기 수학식 9를 이용하여 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112014017831009-pat00039
    Figure 112014017831009-pat00040
    여기서, Rk는 단말k의 간섭 상관 행렬, E{}는 평균 연산자, zk는 간섭 단말에 의한 하향링크 간섭 및 잡음, Pd는 상기 단말 자신에 대한 전송 전력, 상기 PT는 상기 기지국의 총 전송 전력, ρ는 상기 단말의 전력 대 잡음 비, Hk는 상기 기지국과 단말k 간의 채널,
    Figure 112014017831009-pat00041
    는 단말k에 대한 적어도 하나의 간섭 단말들의 프리코딩 행렬 정보를 나타냄.
  18. 제 14항에 있어서,
    수신 행렬 적용부는, 상기 추정된 간섭 상관 행렬을 이용하여 전송 스트림의 수에 따른 수신 행렬을 생성하고, 상기 수신 행렬을 수신 신호에 곱셈 연산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 수신 행렬은, 전송 스트림 수가 한 개인 경우 하기 수학식 10을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112014017831009-pat00042
    여기서, Wk는 디코딩을 위한 수신 행렬, Rk는 간섭 상관 행렬, Hk는 상기 기지국과 단말 k간의 채널, mk는 단말 k에 대한 프리코딩 벡터 혹은 행렬을 나타냄.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 수신 행렬은, 전송 스트림 수가 두 개 이상인 경우 하기 수학식 11을 이용하여 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112014017831009-pat00043
    Figure 112014017831009-pat00044
    여기서, Wk는 디코딩을 위한 수신 행렬, W1,k는 백색화 필터, W2,k는 수신 신호의 신호대 잡음비를 최대로 하는 필터, Rk는 간섭 상관 행렬, LSVD(.)는 특이 값 분해를 통해서 얻어진 좌측 특이 행렬 중에서 전송 스트림 수 만큼에 해당하는 좌측 특이 벡터, Hk는 상기 기지국과 단말 k간의 채널을 나타냄.
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