KR102175720B1 - 대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링 방법 및 그를 위한 장치를 개시한다.
대규모 다중 입출력 시스템에서 단계적 빔포밍을 위한 피드백(Feedback) 및 사용자 스케쥴링(Scheduling)에 관한 기술로써, 기지국의 1단계 빔포밍에 대한 정보가 단말기로 제공된 상태에서 채널품질정보(CQI: Channel Quality Indicator), 채널방향정보(CDI: Channel Direction Indicator), 양자화 오류 크기정보 등을 피드백하고, 피드백된 정보를 이용하여 기지국에서 신호 대 간섭 잡음비(signal-to-interference and noise ratio; SINR)를 산출하여 스케쥴링을 수행하고, 스케쥴링 결과에 근거하여 2 단계 빔포밍을 수행하는 대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.

Description

대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링 방법 및 그를 위한 장치{Method for Feedback and Scheduling for Massive MIMO System and Apparatus Therefor}

본 실시예는 대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링을 수행하는 방법 및 그를 위한 장치에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

이하에 기술되는 내용은 다중 입출력 시스템의 단계적 빔포밍에 대한 설명과, 종래기술인 피드백 및 사용자 스케쥴링 기법에 대한 설명이다.

다중 입출력 무선 통신 시스템에서 다수의 송신 안테나를 사용하는 기지국은 다중 입출력 빔포밍 또는 다중 사용자 다중 입출력 빔포밍을 통해, 사용자의 수신 신호의 SINR과 안테나 이득을 개선할 수 있다. 이를 위해, 기지국은 정확한 채널 정보를 알고 이를 바탕으로 적절한 빔포밍을 수행해야 한다. 채널 정보는 기지국에서 보낸 참조신호(Reference Signal)를 이용해 각 사용자 단에서 추정되며, 추정된 채널 정보는 피드백을 통해 기지국으로 전달된다. 이때, 사용자가 피드백으로 보낼 수 있는 정보의 양은 상향링크의 시간 및 주파수 자원에 의해 제한되기 때문에, 채널 정보는 양자화되어 전달된다.

하지만, 사용자로부터 수신된 피드백 양이 충분하지 않아서 양자화 오류가 발생할 경우, 부정확한 채널 정보가 전달되어 정확한 빔포밍을 수행할 수 없게 되고, 이로 인해 성능 손실이 야기된다. 송신 안테나 수가 증가할수록 피드백 부하 또한 증가하기 때문에, 이러한 성능 손실은 더 심화된다.

단계적 빔포밍은 많은 송신 안테나를 가진 다중 입출력 시스템에서도 피드백 부하를 효과적으로 줄이기 위해서, 채널의 공간적 상관도를 이용한 두 단계의 빔포밍을 수행한다. 채널의 공간적 상관도는 송신 안테나의 배열이나 사용자의 위치 및 산란 환경(Scattering Environment) 등에 의해 결정되는데, 이러한 요인들은 순시적인 채널 정보에 비해 상당히 천천히 변한다. 또한, 전체 채널 정보 중에서 공간적 상관도 정보를 제외한 순시적인 채널 정보는 전체 채널 정보의 일부분에 불과하다. 따라서, 단계적 빔포밍은 공간적 상관도 정보를 긴 주기를 가지고 피드백하고 순시적 채널 정보만을 매 프레임마다 피드백하는 방식으로, 전체 채널 정보를 매 프레임마다 피드백하는 기존 방식에 비해 피드백 부하를 현저히 감소시킬 수 있다.

다중 사용자 빔포밍을 사용하면 동시에 여러 명의 사용자를 지원하여 합 전송률을 상승시킬 수 있지만, 사용자 간 간섭으로 인해 성능이 저하될 수도 있다. 다중 사용자 빔포밍으로 인한 성능 개선 효과를 올바르게 얻기 위해서는 동시에 지원할 사용자를 결정하는 적절한 사용자 스케쥴링 방법이 필요하다. 이를 위해서 기지국은 빔포밍을 위한 채널방향정보(CDI: Channel Duality Information) 피드백 외에도 사용자의 SINR이나 채널 이득 등의 정보를 전달하는 채널품질정보(CQI: Channel Quality Information) 피드백이 필요하며, 이때 필요한 채널 정보는 기지국에서 사용하는 스케쥴링 기법과 연관되어 있다. 특히, 기지국에서 단계적 빔포밍을 사용할 때, 사용자들이 채널의 공간적 상관도에 따라 다수의 그룹으로 나뉘어져 있고 각 그룹에 대한 1 단계 빔포밍이 이미 결정되어 있으므로, 이러한 특성을 반영한 효과적인 스케쥴링 기법과 이에 맞는 피드백 방법이 요구된다.

본 실시예는 대규모 다중 입출력 시스템에서 단계적 빔포밍을 위한 피드백(Feedback) 및 사용자 스케쥴링(Scheduling)에 관한 기술로써, 기지국의 1단계 빔포밍에 대한 정보가 단말기로 제공된 상태에서 채널품질정보(CQI: Channel Quality Indicator), 채널방향정보(CDI: Channel Direction Indicator), 양자화 오류 크기정보 등을 피드백하고, 피드백된 정보를 이용하여 기지국에서 신호 대 간섭 잡음비(signal-to-interference and noise ratio; SINR)를 산출하여 스케쥴링을 수행하고, 스케쥴링 결과에 근거하여 2 단계 빔포밍을 수행하는 대규모 다중 입출력 시스템에서 피드백 및 스케쥴링 방법 및 그를 위한 장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 기지국으로부터 파일럿 신호(Pilot Signal)를 수신하는 경우, 추정된 공간상관행렬을 피드백하고, 상기 피드백에 근거하여 결정된 1 단계 빔포밍 신호를 수신하는 빔포밍 수신부; 상기 기지국으로부터 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하고, 상기 1 단계 빔포밍 신호 및 상기 채널을 기반으로 유효 채널을 추정하는 채널 추정부; 및 상기 유효 채널에 근거하여 유효채널 관련정보를 산출하고, 상기 유효채널 관련정보를 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기를 제공한다.

또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 파일럿 신호를 단말기로 전송하고, 상기 파일럿 신호에 근거하여 수신된 공간상관행렬을 기초로 그룹화를 수행하고, 각각의 그룹에 포함된 상기 단말기로 1 단계 빔포밍을 수행하는 1 단계 빔포밍부; 상기 단말기로 참조신호를 전송하고, 상기 참조신호에 근거하여 추정된 유효 채널에 대한 유효채널 관련정보를 획득하여 신호 대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio)를 추정하는 피드백 처리부; 상기 신호 대 간섭 잡음비를 이용하여 합 전송률(R_SUM)을 산출하고, 상기 합 전송률에 근거하여 스케쥴링을 수행하는 스케쥴링부; 및 스케쥴링된 단말기로 2 단계 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 2 단계 빔포밍부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국을 제공한다.

또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신하는 경우, 추정된 공간상관행렬을 피드백하고, 상기 피드백에 근거하여 결정된 1 단계 빔포밍 신호를 수신하는 수신과정; 상기 기지국으로부터 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하는 채널 추정과정; 상기 1 단계 빔포밍 신호 및 상기 채널을 기반으로 유효 채널을 추정하는 유효 채널 추정부; 및 상기 유효 채널을 이용하여 채널방향정보(CDI), 채널품질정보(CQI) 및 양자화 오류정보를 포함하는 유효채널 관련정보를 산출하고, 상기 유효채널 관련정보를 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 전송과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계적 빔포밍을 위한 피드백 방법을 제공한다.

또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 파일럿 신호를 단말기로 전송하고, 상기 파일럿 신호에 근거하여 수신된 공간상관행렬을 기초로 그룹화를 수행하고, 각각의 그룹에 포함된 상기 단말기로 1 단계 빔포밍을 수행하는 1 단계 빔포밍과정; 상기 단말기로 참조신호를 전송하고, 상기 참조신호에 근거하여 추정된 유효 채널에 대한 채널방향정보(CDI), 채널품질정보(CQI) 및 양자화 오류정보를 포함하는 유효채널 관련정보를 획득하는 피드백 수신과정; 상기 유효채널 관련정보에 근거하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 피드백 처리과정; 상기 신호 대 간섭 잡음비를 이용하여 합 전송률을 산출하고, 상기 합 전송률에 근거하여 스케쥴링을 수행하는 스케쥴링 과정; 및 스케쥴링된 단말기로 2 단계 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 2 단계 빔포밍과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계적 빔포밍을 위한 스케쥴링 방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 다중 입출력 안테나를 이용한 무선 통신 시스템에서 단계적 빔포밍을 사용할 때, 유효 채널을 피드백하는 방식은 채널의 공간적 상관도와 순시적 채널 부분을 각각 피드백하는 방식보다 적은 양의 피드백 부하를 가지므로, 기존의 무선 통신 시스템에서 한정되어 있는 피드백 양으로 더 많은 송신 안테나를 지원할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다중 입출력 안테나를 이용한 무선 통신 시스템에서 단계적 빔포밍을 사용할 때, 유효 채널을 피드백하는 방식은 채널의 공간적 상관도와 순시적 채널 부분을 각각 피드백하는 방식보다 양자화 오류를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 기지국이 더 정확한 채널 정보를 획득하여 정확한 빔포밍을 수행할 수 있으므로, 다중 입출력 시스템의 합 전송률이 향상되는 효과가 있다.

또한, 다중 입출력 안테나를 이용한 무선 통신 시스템에서 단계적 빔포밍을 사용할 때, 사용자가 유효 채널의 방향과 신호 대 잡음비, 그리고 양자화 오류 크기를 피드백하면, 기지국은 본 발명에서 제안한 신호 대 간섭 잡음비 추정식을 통해 실제 값에 가까운 합 전송률을 추정할 수 있다. 이렇게 추정된 합 전송률을 이용하면, 사용자 스케쥴링 기법에서 합 전송률을 높이는 사용자 집합을 더 정확히 스케쥴링 할 수 있으므로, 다중 입출력 시스템의 다중 사용자 이득이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 대규모 다중 입출력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 사용자 그룹화 및 단계적 빔포밍을 수행하는 대규모 다중 입출력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 대규모 다중 입출력 시스템에 포함된 기지국 및 단말기를 개략적 나타낸 블록 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 단계적 빔포밍 및 스케쥴링 기반의 무선 통신 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 양자화 방식 및 일반적인 양자화 방식의 정확도를 비교한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 기지국의 송신 안테나 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 전체 사용자 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 실시예에 따른 대규모 다중 입출력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.

본 실시예에 따른 대규모 다중 입출력 시스템에 대한 구체적인 설명을 위해 기지국(110)은 N_T 개의 안테나를 포함하고, 총 S 개의 단말기(120)가 각각 N_R = 1 개의 안테나를 갖는 대규모 다중 입출력 시스템을 가정한다. 이때, 기지국(110)과 단말기(120) k 사이의 채널 정보(h_k)는 공간적 상관도를 고려하여

로 표현할 수 있다. 여기서, α_k는 대규모 페이딩(Large-Scale Fading)이며, U_k ∈ C^{N _T×r_k}와 Λ_k ∈ C^{r _k×r_k}는 공간상관행렬(R_k = U_kΛ_kU^H _k)의 고유값 분해를 통해 얻어지는 고유벡터 행렬과 고유값 행렬이고, w_k ∈ C^r_k는 소규모 페이딩(Small-Scale Fading)으로 공분산의 단위행렬인 복소수 가우시안(Gaussian) 분포를 따른다. r_k는 공간상관행렬의 랭크(Rank)로 단말에서 N_T 개의 기지국(110)의 안테나 각각이 얼마나 공간적으로 구분되는지를 나타낸다. 따라서, 공간적 상관도는 기지국(110)의 안테나 간의 간격과 주위 반사체들의 분포 등 환경에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 다중 안테나 기지국(110)의 설치 시 성능 이득을 얻기 위해 기지국(110)의 안테나 간의 거리를 공간 상관을 피하기 위한 기 설정된 거리로 설치하게 됨을 고려하면 1 보다는 기지국(110)의 안테나 개수(N_T)에 가까운 값을 지닌다.

기지국(110)은 단계적 빔포밍을 수행하기 위해서 모든 단말기(120)들을 공간적 상관도에 따라 복수 개(G 개)의 그룹으로 나눈다. 기지국(110)은 그룹 형성을 위해서 총 S 개의 단말기(120)들의 공간상관행렬(R_k)을 기 설정된 평가 기준에 따라 비교하게 되며, 공간상관행렬(R_k)이 유사한 단말기(120)들을 같은 그룹으로 배정한다.

총 S 개의 단말기(120) 중 기지국(110)이 동시에 스케쥴링하는 단말기(120)의 수를 K, 스케쥴된 단말기(120)들 중에서 g 번째 그룹에 속하는 단말기(120) 수를 K_g라고 정의한다. 이때,

의 관계가 성립한다. g_k를 g 번째 그룹에서 스케쥴된 k 번째 단말기(120)로 정의할 때, 단말기(120) g_k의 수신 신호(y_{g _k})는 다음과 같다.

여기서, P는 총 전송 파워를, n_{g _k}는 σ² _n의 파워를 가진 가우시안 잡음을, x_{g_k}는 단말기(120) g_k를 위한 송신 심볼(Symbol)을, x_g = [x_{g _1}, ..., x_{g _k_g}]^T ∈ C^{K _g}는 g 번째 그룹을 위한 송신 심볼을 의미한다. 또한, P_{g _k} ∈ C^{N _T}는 단말기(120) g_k를 위한 빔포밍을, P_g = [P_{g _1}, ..., P_{g _k_g}]^T ∈ C^{N _T×K_g}는 g 번째 그룹을 위한 다중사용자 빔포밍을 나타낸다. 단계적 빔포밍에서 P_g는 P_g = B_gV_g = B_g[v_{g _1}, ..., v_{g _k_g}]의 형태로 표현이 가능하다.

여기서, B_g ∈ C^{N _T×r^*}는 g 번째 그룹을 대표하는 공간적 상관도에 의해 결정되는 1 단계 빔포밍이고, v_{g _k} ∈ C^{r ^*}는 단말기(120) g_k를 위한 2 단계 빔포밍이다. 예를 들어, N_T = 32이고, G = 8인 경우, r^* = 4의 값을 가지게 된다. 여기서, r^*는 그룹 수에 따라 결정되는 시스템 파라미터로써, 효과적인 1 단계 빔포밍을 위해 결정되며, r^*는 기 설정되거나 조정가능하다.

기지국(110)은 그룹간의 간섭 제거와 그룹 별 안테나 이득 개선을 위한 1 단계 빔포밍(B_g)을 수행하며, 1 단계 빔포밍(B_g)에 의해 각 그룹에 속한 단말기(120)에서는 기지국(110)이 r^* 개의 안테나를 가지는 것으로 보이게 된다.

기지국(110)은 1 단계 빔포밍(B_g) 이후에 형성되는 유효 채널 정보를 바탕으로 같은 그룹에서 동시에 스케쥴된 단말기(120)들 간의 간섭을 제거하기 위한 2 단계 빔포밍(v_{g_k})을 수행한다. 여기서, 1 단계 빔포밍(B_g) 및 2 단계 빔포밍(v_{g_k})은 고유 빔포밍, 제로-포싱 빔포밍, 블록 대각화 등의 다중 사용자 빔포밍 기법 중 하나의 방식을 적용하여 수행될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 사용자 그룹화 및 단계적 빔포밍을 수행하는 대규모 다중 입출력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록 구성도이다.

단계적 빔포밍을 사용할 때, 단말기(120) g_k의 수신 신호(y_{g _k})는 다음과 같다.

[수학식 2]에서 우변의 첫 번째 항은 단말기(120) g_k를 위한 전송 신호이고, 우변의 두 번째 항은 동일 그룹 내 단말기(120) 간 간섭을 의미하며, 우변의 세 번째 항은 그룹간 간섭을 의미한다. 이때, 단말기(120) g_k가 얻을 수 있는 신호대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio, 이하, SINR_{g _k}로 기재) 다음과 같다.

(P/K: 단말기별 전송파워,

: 1 단계 빔포밍에 대한 신호의 세기,

: 동일 그룹 내 간섭의 세기,

: 그룹 간 간섭의 세기, σ_n ²: 노이즈)

기지국(110)은 채널정보(h_{g _k})를 완벽하게 알 수 없으므로 단말기(120)로부터 피드백 받은 채널 정보를 이용하여 SINR_{g _k}를 추정한다. 기지국(110)은 추정된 SINR_{g _k}을 스케쥴링에 이용하기 위해, 정확한 SINR_{g _k} 추정을 위한 계산 방식과 SINR_{g _k} 추정을 위한 피드백이 요구된다.

일반적으로 채널정보(h_{g _k})를 코드북을 이용해 직접 양자화하여 피드백하는 방식이 존재하나, 이러한 방식은 송신 안테나 수의 증가에 따라 피드백 부하가 급격히 증가하므로 대규모 안테나 시스템에 적용하기에 적합하지 않다.

이를 해결하기 위해서, 채널의 공간적 상관도를 나타내는 고유벡터 행렬(U_{g _k}), 고유값 행렬(Λ_{g_k})과 순시적 채널정보(w_{g _k})로 나누어서 서로 다른 주기로 피드백하는 방식이 제안되었으나, 고유벡터 행렬(U_{g _k}) 및 고유값 행렬(Λ_{g_k})은 송신 안테나의 배열이나 사용자의 위치 및 산란 환경 등에 의해 결정되며, 이러한 요인들은 순시적인 채널정보(w_{g _k})에 비해 상당히 천천히 변한다. 따라서, 서로 다른 주기로 피드백하는 방식은 고유벡터 행렬(U_{g _k}) 및 고유값 행렬(Λ_{g_k})을 긴 주기 피드백으로 전달하고, 순시적 채널정보(w_{g _k})는 매 프레임마다 양자화하여 전달한다.

본 실시예에서는 순시적 채널정보(w_{g _k})에 관련된 정보를 전달하던 방식 대신에, 채널정보(h_{g _k})와 1 단계 빔포밍(B_g) 행렬의 곱으로 정의되는 유효 채널(g_{g _k} = B^H _gh_{g_k} ∈ C^{r ^*})에 관련된 정보를 전달하는 피드백 방식을 제안한다.

본 실시예에서 각 단말기(120) g_k는 유효 채널(g_{g _k})의 방향(

)을 양자화한 양자화 정보(

)를 포함하는 채널방향정보(CDI: Channel Duality Information)를 피드백으로 전달하며, 유효 채널(g_{g _k})의 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio,

)를 포함하는 채널품질정보(CQI: Channel Quality Information)를 피드백으로 전달한다. 또한, 기지국(110)이 양자화 오류의 영향을 반영할 수 있도록 하기 위하여,

로 정의되는 양자화 오류 크기(

)를 포함하는 양자화 오류 크기정보를 기지국(110)으로 피드백한다. 양자화 오류 크기(

)는 0 내지 1 사이의 실수값(Real Number)이기 때문에 추가적인 피드백으로 인한 단말기(120)에서의 피드백 부하 증가는 미미하다. 오히려, 단말기(120)는 r^* < r_{g _ k} 의 경우, 순시적 채널정보(w_{g _k})를 전달하는 피드백 기법보다 유효 채널정보(g_{g _k})를 전달하기 위한 피드백 부하가 더 적으므로 추가적인 피드백을 고려하더라도 단말기(120)의 전체 피드백 부하를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이를 위해, 기지국(110)은 1 단계 빔포밍(B_g) 신호를 해당하는 그룹에 속한 단말기(120)들에게 송신한다. 여기서, 1 단계 빔포밍(B_g)은 단말기(120)들의 공간적 상관도에 의해서만 결정되므로 공간적 상관도 피드백과 마찬가지로 긴 주기를 가지고 전달하는 것이 가능하다. 따라서, 기지국(110)에서 1 단계 빔포밍(B_g) 신호를 단말기(120)로 전달하는 것은 기지국(110) 입장에서 큰 부하로 작용하지 않는다. 또한, 하향 링크는 상향 링크에 비해 충분한 자원을 갖으므로 하향 링크를 통한 1 단계 빔포밍(B_g) 신호의 전달은 비교적 정확하게 수행될 수 있다.

본 실시예에 따른 기지국(110)에서 SINR_{g _k}의 추정 방식은 다음과 같다.

기지국(110)에서는 단말기(120)로부터 피드백된 양자화 정보(

)를 포함하는 채널방향정보, 유효 채널(g_{g _k})의 신호 대 잡음비(

)를 포함하는 채널품질정보 및 양자화 오류 크기(

)를 포함하는 양자화 오류 크기정보 등의 피드백 정보를 이용해서 [수학식 3]의 각 항들을 추정한다.

먼저, 기지국(110)에서 1 단계 빔포밍(B_g)에 대한 신호의 세기(

)는 [수학식 4]와 같이 추정될 수 있다.

기지국(110)에서 동일 그룹 내 사용자간 간섭의 세기(

)는 [수학식 5]와 같이 추정될 수 있다.

마지막으로 기지국(110)에서 그룹 간 간섭의 세기(

)는 [수학식 6]과 같이 추정될 수 있다.

[수학식 6]에서

는

에 대한 고유값 분해의 결과이며, σ_{g_k, i}는 ∑_{g_k}의 i 번째 대각선 원소를 의미한다.

기지국(110)은 [수학식 4] 내지 [수학식 6]으로부터 최종적인 SINR_{g _k}을 다음과 같이 추정할 수 있다.

단말기(120)로부터 전달되는 양자화 정보(

)를 포함하는 채널방향정보, 유효 채널(g_{g _k})의 신호 대 잡음비(

)를 포함하는 채널품질정보 및 양자화 오류 크기(

)를 포함하는 양자화 오류 크기정보 등의 피드백 정보와, 기지국(110)에서 스케쥴링을 수행하는 동안 결정되는 빔포밍, 그리고 단말기(120) 수에 대한 정보를 이용하여, [수학식 7]로 표현되는 SINR_{g _k} 추정이 가능하다.

본 실시예에서 합 전송률(R_sum)은

로 정의되므로, [수학식 7]을 사용하여 합 전송률을 [수학식 8]과 같이 추정할 수 있다.

본 실시예에서 기지국(110)은 도 4b에 도시된 스케쥴링 기법에 적용하기 위한 합 전송률을 추정하기 위해 [수학식 8]을 사용한다. 한편, 기지국(110)에서는 단말기(120)의 스케쥴링을 수행하는데 있어서, 도 4b에 도시된 스케쥴링 기법으로 단말기(120)의 스케쥴링을 수행할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 스케쥴링 기법들도 적용 가능하다.

도 3은 본 실시예에 따른 대규모 다중 입출력 시스템에 포함된 기지국 및 단말기를 개략적 나타낸 블록 구성도이다.

본 실시예에 따른 기지국(110)은 통신부(310), 1 단계 빔포밍 모듈(320) 및 2 단계 빔포밍 모듈(330)을 포함하고, 단말기(120)는 빔포밍 수신부(340), 채널 추정부(350) 및 피드백 제어부(360)를 포함한다. 여기서, 1 단계 빔포밍 모듈(320)은 그룹 설정부(322) 및 제1 빔포밍부(324)를 포함하고, 2 단계 빔포밍 모듈(330)은 피드백 처리부(332), 스케쥴링부(334) 및 제2 빔포밍부(336)를 포함한다.

도 3에 도시된 기지국(110) 및 단말기(120)는 일 실시예에 따른 것으로서, 도 3에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 기지국(110) 및 단말기(120)에 포함된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

통신부(310)는 단말기(120)와 연결되어 각종 데이터를 송수신한다.

통신부(310)는 채널의 공간상관행렬을 피드백 받기 위한 파일럿 신호(Pilot Singnal)을 단말기(120)로 전송하고, 파일럿 신호에 대응하는 공간상관행렬에 대한 정보를 수신한다. 여기서, 공간상관행렬에 대한 정보는 공간상관행렬의 고유값 행렬 및 고유 벡터 행렬 피드백을 의미한다. 통신부(310)는 단말기(120)로부터 수신된 공간상관행렬에 대한 정보를 1 단계 빔포밍 모듈(320)로 전송하여 1 단계 빔포밍이 수행되도록 한다.

또한, 통신부(310)는 채널 추정을 위한 참조신호를 단말기(120)로 전송하고, 단말기(120)로부터 참조신호에 근거하여 추정된 유효채널 관련정보를 피드백 받는다. 여기서, 유효채널 관련정보는 단말기(120)에서 추정된 유효 채널에 근거하여 산출된 채널방향정보, 채널품질정보 및 양자화 오류 크기정보 등을 포함한다. 통신부(310)는 단말기(120)로부터 수신된 유효채널 관련정보를 2 단계 빔포밍 모듈(330)로 전송하여 2 단계 빔포밍이 수행되도록 한다.

1 단계 빔포밍 모듈(320)은 단말기(120)로 전송된 파일럿 신호에 근거하여 수신된 공간상관행렬을 기초로 사용자 그룹화를 수행하고, 그룹화된 각각의 그룹에 포함된 하나 또는 복수의 단말기(120)로 1 단계 빔포밍을 수행한다.

그룹 설정부(322)는 단말기(110)로부터 수신된 공간상관행렬에 근거하여 공간 상관도에 따라 셀 내에 위치한 복수 개의 단말기(120)를 그룹화한다. 다시 말해, 그룹 설정부(322)는 단말기(110)로부터 수신된 공간상관행렬을 기 설정된 평가 기준과 비교하여, 비교 결과값이 유사한 단말기(120)끼리 같은 그룹으로 배정한다. 예컨대, 그룹 설정부(322)는 공간상관행렬을 기 설정된 평가 기준과 비교한 비교값이 기 설정된 오차범위 내에 포함되는 단말기(120)들을 같은 그룹으로 설정한다.

제1 빔포밍부(324)는 그룹화된 단말기(110)에 대한 1 단계 빔포밍 신호를 결정하고, 단말기(120)로 1 단계 빔포밍을 수행한다. 여기서, 제1 빔포밍부(324)는 단말기(120)의 이동이나 산란 환경의 변화에 따라 기 설정된 프레임(예: 수십 프레임 또는 수백 프레임)을 주기로 1 빔포밍을 수행할 수 있다.

2 단계 빔포밍 모듈(330)은 1 단계 빔포밍을 수행한 후 2 단계 빔포밍을 수행한다. 더 자세히 설명하자면, 2 단계 빔포밍 모듈(330)은 획득된 유효채널 관련정보에 근거하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정하여 스케쥴링을 수행하고, 스케쥴링된 단말기(120)로 2 단계 빔포밍을 수행한다.

피드백 처리부(332)는 획득된 유효채널 관련정보에 근거하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정한다. 더 자세히 설명하자면, 피드백 처리부(332)는 단말기(120)로부터 획득한 채널방향정보, 채널품질정보 및 양자화 오류 크기정보를 포함하는 유효채널 관련정보를 이용하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정한다.

피드백 처리부(332)는 유효채널 관련정보를 이용하여 1 단계 빔포밍(B_g)에 대한 신호의 세기(

), 그룹 설정부(322)에서 설정된 동일 그룹 내에 포함된 단말기(120) 간 간섭의 세기(

) 및 서로 다른 그룹 간 간섭의 세기(

)를 산출한다.

피드백 처리부(332)는 단말기(120)별 전송파워(P/K)와 신호의 세기(

)의 곱을 단말기별 전송파워(P/K)와 동일 그룹 내 간섭의 세기(

)의 곱, 상기 단말기별 전송파워(P/K)와 상기 그룹 간 간섭의 세기(

)의 곱 및 노이즈(σ_n ²)의 합으로 나눈 식(예: [수학식 3])을 이용하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정할 수 있다.

또한, 피드백 처리부(332)는 획득한 유효채널 관련정보를 이용하여 상기 신호의 세기(

)를

로 추정하고, 동일 그룹 내 단말기(120) 간 간섭의 세기(

)를

로 추정하며, 그룹 간 간섭의 세기(

)를

로 추정하고, 추정된 신호의 세기(

), 동일 그룹 내 간섭의 세기(

) 및 그룹 간 간섭의 세기(

)를 [수학식 3]에 적용하여 도출된 [수학식 7]을 이용하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정할 수 있다.

스케쥴링부(334)는 추정된 신호 대 간섭 잡음비를 기반으로 단말기(120)에 대한 스케쥴링을 수행한다. 다시 말해, 스케쥴링부(334)는 추정된 신호 대 간섭 잡음비를 이용하여 합 전송률을 산출하고, 산출된 합 전송률에 근거하여 스케쥴링을 수행한다.

스케쥴링부(334)는 추정된 신호 대 간섭 잡음비를

에 적용하여 도출된 [수학식 8]을 기반으로 산출된 합 전송률을 기반으로 스케쥴링을 수행한다. 스케쥴링부(334)는 산출된 합 전송률이 최대값을 갖도록 스케쥴링을 수행할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방식의 스케쥴링 방식이 적용 가능하다.

제2 빔포밍부(336)는 스케쥴링부(334)에서 스케쥴링된 단말기(120)로 2 단계 빔포밍을 수행한다. 제2 빔포밍부(336)는 2 단계 빔포밍을 이용하여 스케쥴링된 단말기(120)로 실질적인 데이터를 전송한다. 여기서, 제2 빔포밍부(336)는 2 단계 빔포밍만을 이용하여 데이터를 전송하는 것으로 기재하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 1 단계 빔포밍과 2 단계 빔포밍을 결합한 최종 빔포밍으로 데이터를 전송할 수 있다.

빔포밍 수신부(340)는 기지국(110)으로부터 파일럿 신호를 수신하는 경우, 공간상관행렬을 추정하여 피드백하고, 기지국(110)에서 공간상관행렬에 근거하여 전송된 1 단계 빔포밍 신호를 수신한다. 또한, 빔포밍 수신부(340)는 피드백 제어부(360)에서 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한 경우, 기지국(110)으로부터 제2 단계 빔포밍 신호를 수신한다.

채널 추정부(350)는 기지국(110)으로부터 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하고, 1 단계 빔포밍 신호와 추정된 채널을 기반으로 유효 채널을 추정한다. 채널 추정부(350)는 빔포밍 수신부(340)에서 수신된 1 단계 빔포밍 신호의 수신신호에서 참조신호를 확인하고, 참조신호 및 수신신호를 이용하여 채널을 추정하고, 추정된 상기 채널에 대응하는 채널 행렬(h_{g _k})과 1 단계 빔포밍 신호에 대응하는 1 단계 빔포밍 행렬(B_g)을 곱하여 유효 채널(g_{g _k})을 추정한다.

피드백 제어부(360)는 채널 추정부(350)에서 추정된 유효 채널에 근거하여 유효채널 관련정보를 산출하고, 산출된 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한다. 여기서, 유효채널 관련정보는 유효 채널에 근거하여 산출된 채널방향정보, 채널품질정보 및 양자화 오류 크기정보 등을 포함한다.

피드백 제어부(360)는 추정된 유효 채널에 대한 유효 채널 방향(

)을 산출하고, 유효 채널 방향을 양자화한 양자화 정보(

)를 포함하는 채널방향정보, 유효 채널 방향에 대한 양자화 오류정보(e_g_k)를 산출하고, 양자화 오류정보의 크기(

)를 포함하는 양자화 오류 크기정보 및 유효 채널(g_g_k)에 대한 신호 대 잡음비(

)를 포함하는 채널품질정보를 포함하는 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한다.

도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따른 단계적 빔포밍 및 스케쥴링 기반의 무선 통신 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4a는 본 실시예에 따른 단계적 빔포밍을 수행할 때, 기지국(110) 및 단말기(120) 간에 피드백 및 스케쥴링의 동작과정을 나타낸다.

기지국(110)과 단말기(120)는 채널의 공간상관행렬 추정을 위한 트레이닝 과정을 수행한다(S410). 여기서, 트레이닝 과정은 기지국(110)에서 단말기(120)로 파일럿 신호(Pilot Signal)를 전송하고, 단말기(120)에서 수신된 파일럿 신호의 크기, 방향 등의 차이를 확인한다. 예컨대, 기지국(110)이 단말기(120)로 '11111'의 파일럿 신호를 전송한 경우, 단말기(120)는 '11111'의 파일럿 신호를 수신하였는지 '11001'의 차이가 발생하는 파일럿 신호를 수신하였는지 확인하는 트레이닝 과정을 수행한다.

트레이닝 과정이 끝나면, 단말기(120)는 파일럿 신호의 수신차이에 근거하여 추정된 공간상관행렬을 기지국(110)으로 피드백한다(S412). 다시 말해, 단말기(120)는 추정된 공간상관행렬에 대한 고유값 행렬 및 고유 벡터 행렬을 기지국으로 피드백한다.

기지국(110)은 피드백을 통해 받은 공간상관행렬을 이용하여 사용자 즉, 단말기(120)에 대한 그룹화를 수행한다(S414). 기지국(110)은 단말기(110)로부터 수신된 공간상관행렬을 기 설정된 평가 기준과 비교하여, 비교 결과값이 유사한 단말기(120)끼리 같은 그룹으로 배정한다.

기지국(110)은 그룹화된 그룹을 이용하여 1 단계 빔포밍을 결정하여 단말기(120)로 1 단계 빔포밍 신호를 전송한다(S416). 여기서, 단계 S410 내지 단계 S416은 기지국(110)에서 1 단계 빔포밍을 수행하는 '프레임 1'로 정의될 수 있으며, 단계 S410 내지 단계 S416을 반복하는 주기는 단말기(120)의 이동이나 산란 환경의 변화에 따라 기 설정된 프레임(예: 수십 프레임 또는 수백 프레임)이 될 수 있다.

단계 S410 내지 단계 S416를 수행한 이후, 기지국(110)과 단말기(120)는 2 단계 빔포밍을 이용한 실제 데이터를 전송하기 위한 과정을 수행한다.

기지국(110)은 채널 추정을 위한 참조신호를 단말기(120)로 전송한다(S420).

단말기(120)는 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하고, 추정된 채널을 기반으로 유효 채널을 추정하여 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한다(S422). 단말기(120)는 1 단계 빔포밍 신호의 수신신호에서 참조신호를 확인하고, 참조신호 및 상기 수신신호를 이용하여 채널을 추정하고, 1 단계 빔포밍 신호에 대응하는 1 단계 빔포밍 행렬 및 추정된 채널에 대응하는 채널 행렬의 곱하여 유효 채널을 추정하여 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한다.

다시 말해, 단말기(120)는 유효 채널에 근거하여 산출된 채널방향정보, 채널품질정보 및 양자화 오류 크기정보를 포함하는 유효채널 관련정보를 기지국(110)으로 피드백한다.

기지국(110)은 단말기(120)로부터 피드백 받은 유효채널 관련정보를 이용하여 단말기(120)에 대한 스케쥴링을 수행하고, 2 단계 빔포밍을 결정한다(S424). 기지국(110)은 2 단계 빔포밍을 이용하여 스케쥴링된 단말기(120)로 데이터를 전송한다(S426). 여기서, 기지국(110)은 2 단계 빔포밍을 이용하여 데이터를 전송하는 것으로 기재하고 있으나 1 단계 빔포밍과 2 단계 빔포밍을 결합한 최종적인 빔포밍으로 데이터를 전송할 수 있다.

단계 S420 내지 단계 S426은 기지국(110)에서 2 단계 빔포밍을 수행하는 '프레임 2, 3, ..., n'으로 정의될 수 있으며, 단계 S420 내지 단계 S426을 반복하는 주기는 매 프레임이며, 단계 S410 내지 단계 S416을 반복하는 주기보다 짧다.

도 4a에서는 단계 S410 내지 단계 S426를 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 4a에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S410 내지 단계 S426 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 4a는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.

도 4b는 본 실시예에 따른 단계적 빔포밍을 수행할 때, 기지국(110)의 스케쥴링의 동작과정을 나타낸다.

기지국(110)은 각 단말기(120)의 전송률을 추정하여, 합 전송률을 최대화하기 위한 스케쥴링을 수행한다. 이때, 채널의 공간적 상관도는 긴 주기를 가지고 피드백되며, 순시적 채널 방향 및 크기는 매 프레임마다 피드백 된다. 이러한, 피드백방식은 피드백 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있지만, 제한된 피드백으로 인한 양자화 오류는 여전히 존재한다.

특히, 채널의 공간적 상관도 정보가 양자화 오류 때문에 이미 부정확성을 가지고 있는 경우에, 기지국에서 추정되는 전체 채널 정보는 양자화 오류가 전달되어 더 큰 부정확성을 가지게 된다. 또한, 일반적인 스케쥴링 기법에서 사용되는 합 전송률 계산 방식은 제한된 피드백 상황에서 발생하는 채널 정보의 부정확성이 반영되지 않으며, 부정확한 전송률 계산으로 인해 스케쥴링이 올바르게 이루어지지 않는다.

이하, 본 실시예에 따른 기지국(110)의 스케쥴링 동작과정을 설명하도록 한다.

본 실시예에 따른 피드백과 [수학식 8]로 계산되는 합 전송률 추정을 사용하면 기지국(110)은 제한된 피드백 상황에서도 채널 정보의 부정확성을 고려한 효과적인 스케쥴링을 수행할 수 있다.

이를 위해, 기지국(110)은 대기 사용자 집합 S_remain과 선택된 (스케쥴될 예정인) 사용자 집합 S_select을 정의한다.

기지국(110)은 최종 합전송률(R_sum) 및 임시 합 전송률(R_temp)을 0으로 초기 설정하고, 선택된 사용자 집합(S_select)을 공집합으로 초기 설정하며(S430), 선택된 사용자 집합(S_select)을 제외한 나머지 집합(여집합)을 대기 사용자 집합(S_remain)으로 설정한다(S432). 다시 말해, 기지국(110)은 S_select에 선택되지 않은 모든 사용자들을 S_remain으로 설정한다.

기지국(110)은 S_remain에 속하는 각 사용자에 대해서 S_select에 속하는 사용자들과 함께 스케쥴링 하였을 때 [수학식 8]로 계산되는 합 전송률이 최대인 사용자를 찾는다(S436, S440).

기지국(110)은 최종 합 전송률(R_sum)이 기존의 S_select의 사용자들이 얻는 합 전송률(R_temp)보다 크다면, 해당 사용자를 S_select에 추가하고(S442), 작다면 스케쥴링을 종료한다.

기지국(110)은 최종 합 전송률(R_sum)이 기존의 S_select의 사용자들이 얻는 합 전송률(R_temp)보다 작아질 때까지 각각의 사용자마다 기존의 S_select의 사용자들이 얻는 합 전송률(R_temp)과 최종 합 전송률(R_sum)을 비교하는 동작을 반복한다(S444, S446, S450).

기지국(110)은 최대로 스케쥴링 할 수 있는 사용자 수인 min{N_T, S}와 비교하여 S_select의 크기가 작으면, 단계 S432 내지 단계 S450의 과정을 반복하여 수행하게 된다(S460). 즉, 기지국(110)은 더 이상 [수학식 8]로 계산되는 합 전송률이 증가하지 않거나 최대 사용자 수에 도달할 때까지, 합 전송률을 최대로 증가시키는 사용자를 한 명씩 추가하게 된다.

기지국(110)은 전술한 단계 S430 내지 단계 S460 과정을 수행하는 스케쥴링 방식으로 제한된 피드백 상황에서도 합 전송률을 최대화하기 위한 효과적인 스케쥴링을 수행할 수 있다.

도 5는 본 실시예에 따른 양자화 방식 및 일반적인 양자화 방식의 정확도를 비교한 도면이고, 도 6은 본 실시예에 따른 기지국의 송신 안테나 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 실시예에 따른 전체 사용자 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 본 실시예에 따른 피드백 및 스케쥴링 기법 적용 시, 합 전송률의 증가를 확인하기 위한 컴퓨터 모의 실험 과정 및 결과에 관한 설명이다.

컴퓨터 모의 실험을 위해서 송신 전력 P는 10 dB, 대규모 페이딩 α_k와 잡음 전력 σ² _n은 1로 설정하였다. 채널 정보(h_k)는

의 모델에 따라 생성하였고, 공간상관행렬(R_k = U_kΛ_kU^H _k)은 송신 안테나를 균일한 선형 배열로 가정하여 다음 모델에 따라 생성하였다.

여기서, 안테나 간격(D)은 0.5로 설정하였고, θ_k와 Δ_k는 각각 (-60 °, 60 °)의 균등 분포와 (5 °, 15 °)의 균등 분포를 가지는 랜덤 변수로 생성하였다.

모의 실험에서 피드백을 위해 사용된 양자화 방법은 다음과 같다.

고유벡터 행렬(U_k)의 양자화를 위해, N(0, 0.5)에 대한 최적의 B_u-비트 스칼라 양자기를 이용하여 고유벡터 행렬(U_k)의 각 원소의 실수부와 허수부를 각각 양자화하였다. 이렇게 양자화 된 고유벡터 행렬(U_k)에 대한 QR 분해를 통해 생성된 직교 행렬을

로 설정한다. 고유값 행렬(Λ_k)은 실수값인 대각 성분들만 양자화하면 되므로 완벽하게 양자화가 이루어졌다고 가정하였다. 유효 채널의 크기(

)의 양자화를 위해, r^* 차원의 B_H-비트 랜덤 벡터 양자기로 생성한 코드북의 각 코드워드의 크기를 평균화하였고, 이렇게 얻어진 코드북에서 유효 채널의 크기(

)와 내적하여 크기가 가장 큰 코드워드를 양자화 정보(

)로 설정하였다. 순시적 채널의 크기(

)와 채널 정보의 크기(

)의 경우에는, 각각 r_k 차원의 B_H-비트 랜덤 벡터 양자기와 N_T 차원의 B_H-비트 랜덤 벡터 양자기를 사용하여 유효 채널의 크기(

)와 동일한 방식으로 양자화하였다.

모의 실험에 사용된 사용자 그룹화 과정은 다음과 같다.

먼저 각 단말기(120)를

로 정의된 평가 기준에 따라 평가값이 가장 높은

번째 그룹에 속하도록 배정하였다. 단말기(120)에 대한 그룹 배정이 끝나면 각 그룹에서 대표 고유벡터 행렬(U_g)을 찾기 위해서 그룹 내 단말기(120)들의 공간상관행렬(R_k)의 평균을

로 구하고, 평균 공간상관행렬에 대한 고유벡터 행렬(U_g)을 설정한다. 여기서, S_g는 직전 과정에서 그룹 g에 배정된 단말기(120)들의 집합이다.

전술한 과정을 총 평가값인

가 이전 값의 0.001배 미만이 될 때까지 반복하여, 최종적인 단말기(120) 그룹을 결정한다.

모의 실험에 사용된 빔포밍 결정 과정은 다음과 같다.

먼저, 각 그룹을 위한 1 단계 빔포밍으로는 고유 빔포밍을 사용하였다. 즉, 각 그룹의 대표 고유 벡터 행렬(U_g)의 1 내지 r^* 번째 열들을 택하여 1 단계 빔포밍(B_g)으로 설정하였다. 다음으로, 각 그룹 내 단말기(120)들을 위한 2 단계 빔포밍으로는 블록 대각화를 사용하였다. 이때 같은 그룹에서 스케쥴된 다른 단말기(120)에 대한 간섭만을 제거하였고, 전력은 균일하게 할당하였다.

도 5는 본 실시예에 따른 양자화 방식 및 일반적인 양자화 방식의 정확도를 비교한 도면이다. 도 5에서 N_T = 32, S = 50, G = 8, B_U = 2, r^* = 4 로 설정하였고, 유효 채널 양자화의 정확도를 나타내기 위해 유효 채널 방향과 양자화된 방향 사이의 내적 크기(

)를 사용하였다. 유효 채널 방향과 양자화된 방향 사이의 내적 크기(

)의 최대치는 1이며, 그 값이 높을수록 양자화된 방향이 실제 유효 채널 방향에 가까운 것을 의미한다. 도 5에서 나타난 것 같이, 본 발명에서 제안한 유효 채널의 크기(

)를 양자화하는 방식(510)은 채널 정보의 크기(

)를 양자화하는 방식(종래기술 1, 520)이나 순시적 채널의 크기(

)를 양자화하는 방식(종래기술 2, 530)에 비해 적은 피드백 부하를 가지므로, 같은 피드백 양으로 더 우수한 양자화 성능을 제공할 수 있다.

종래기술 2의 경우, 고유벡터 행렬을 양자화한

와 고유값 행렬을 양자화한

가 이미 부정확하므로 오류 전달로 인해

로 표현되는 전체 채널의 양자화가 부정확해진다. 따라서, 종래기술 2는 종래기술 1 보다 피드백 부하가 적지만 양자화의 정확성이 더 떨어지게 된다.

도 6은 본 실시예에 따른 기지국의 송신 안테나 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이며, 이때 S = 50, G = 8, B_U = 2, B_H = 10, r^* = 4 로 설정하였다. 도 7은 본 실시예에 따른 전체 사용자 수에 근거한 합 전송률의 변화를 나타내는 도면이며, 이때 N_T = 32, G = 8, B_U = 2, B_H = 10, r^* = 4 로 설정하였다.

도 6과 도 7에서 나타나듯이, 다양한 송신 안테나 수(610)와 사용자 수(710)에 대해서 본 발명이 가장 높은 합 전송률을 달성할 수 있다. 종래기술 1(620, 720)과 종래기술 2(630, 730)는 양자화 오류를 반영하지 않은 SINR 추정식에 의한 효과와 피드백에서 발생하는 부정확성으로 인해 성능이 크게 저하된다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예는 단계적 빔포밍을 수행하는 무선 통신 분야에 적용되어, 양자화 오류를 감소시키고, 정확한 빔포밍을 수행할 수 있으며, 실제 값에 가까운 합 전송률을 추정하여 정확한 스케쥴링을 통한 다중 입출력 시스템의 다중 사용자 이득이 향상되는 효과를 발생하는 유용한 발명이다.

110: 기지국 120: 단말기
310: 통신부 320: 1 단계 빔포밍 모듈
322: 그룹 설정부 324: 제1 빔포밍부
330: 1 단계 빔포밍 모듈 332: 피드백 처리부
334: 스케쥴링부 336: 제2 빔포밍부
340: 빔포밍 수신부 350: 채널 추정부
360: 피드백 제어부

Claims (14)

1. 기지국으로부터 파일럿 신호(Pilot Signal)를 수신하는 경우, 송수신한 파일럿 신호의 차이에 근거하여 상기 기지국으로부터 수신한 파일럿 신호로부터 추정된 공간상관행렬을 피드백하고, 상기 피드백에 근거하여 결정된 1 단계 빔포밍 신호를 수신하는 빔포밍 수신부;
   상기 기지국으로부터 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하고, 상기 1 단계 빔포밍 신호 및 상기 채널을 기반으로 유효 채널을 추정하는 채널 추정부; 및
   상기 유효 채널에 근거하여 양자화 오류 정보를 포함하는 유효 채널 관련정보를 산출하고, 상기 유효 채널 관련정보를 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 전송부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 피드백 전송부는,
   상기 유효 채널에 근거하여 채널방향정보(CDI: Channel Duality Information), 채널품질정보(CQI: Channel Quality Information) 및 양자화 오류 크기정보를 포함하는 상기 유효채널 관련정보를 상기 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 단말기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 피드백 전송부는,
   상기 유효 채널(g_{g _k})에 대한 유효 채널 방향(

   

   )을 산출하고, 상기 산출된 유효 채널 방향을 양자화한 양자화 정보(

   

   )를 포함하는 상기 채널방향정보(CDI)를 상기 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 단말기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 피드백 전송부는,
   상기 유효 채널 방향에 대한 양자화 오류정보(e_g_k)를 산출하고,

   

   인 상기 산출된 양자화 오류정보의 크기를 포함하는 상기 양자화 오류 크기정보를 상기 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 단말기.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 피드백 전송부는,
   상기 유효 채널(g_g_k)에 대한 신호 대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)인

   

   를 산출하고, 상기 산출된 신호 대 잡음비를 포함하는 상기 채널품질정보(CQI)를 상기 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 단말기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 채널 추정부는,
   상기 1 단계 빔포밍 신호의 수신신호(y_{g _k})에서 상기 참조신호를 확인하고, 상기 참조신호 및 상기 수신신호를 이용하여 상기 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 단말기.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 채널 추정부는,
   상기 1 단계 빔포밍 신호에 대응하는 1 단계 빔포밍 행렬(B_g) 및 추정된 상기 채널에 대응하는 채널 행렬(h_{g _k})을 산출하고, 상기 1 단계 빔포밍 행렬 및 상기 채널 행렬의 곱으로 상기 유효 채널(g_{g _k})을 추정하는 것을 특징으로 하는 단말기.
8. 파일럿 신호를 단말기로 전송하고, 송수신된 파일럿 신호의 차이에 근거하여 상기 단말기로 전송한 파일럿 신호로부터 추정된 공간상관행렬을 수신받아 그룹화를 수행하고, 각각의 그룹에 포함된 상기 단말기로 1 단계 빔포밍을 수행하는 1 단계 빔포밍부;
   상기 단말기로 참조신호를 전송하고, 상기 참조신호에 근거하여 추정된 유효 채널에 대한 유효 채널 관련정보를 획득하여 신호 대 간섭 잡음비(SINR: Signal to Interference and Noise Ratio)를 추정하는 피드백 처리부;
   상기 신호 대 간섭 잡음비를 이용하여 합 전송률(RSUM)을 산출하고, 상기 합 전송률에 근거하여 스케쥴링을 수행하는 스케쥴링부; 및
   스케쥴링된 단말기로 2 단계 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 2 단계 빔포밍부를 포함하되,
   상기 획득한 유효채널 관련정보는 양자화 오류 정보를 포함하는 것
   을 특징으로 하는 기지국.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 피드백 처리부는,
   상기 단말기로부터 상기 유효 채널에 근거하여 산출된 채널방향정보(CDI), 채널품질정보(CQI) 및 양자화 오류 크기정보를 포함하는 상기 유효채널 관련정보를 획득하여 상기 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피드백 처리부는,
    상기 유효채널 관련정보를 이용하여

    

    인 상기 1 단계 빔포밍에 대한 신호(B_g)의 세기,

    

    인 상기 그룹 중 동일 그룹 내에 포함된 상기 단말기 간 간섭의 세기 및

    

    인 서로 다른 상기 그룹 간 간섭의 세기를 산출하고, 산출된 상기 신호의 세기, 상기 동일 그룹 내 간섭의 세기 및 상기 그룹 간 간섭의 세기를 이용하여 상기 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피드백 처리부는,
    단말기별 전송파워(P/K)와 상기 신호의 세기의 곱을 상기 단말기별 전송파워(P/K)와 상기 동일 그룹 내 간섭의 세기의 곱, 상기 단말기별 전송파워(P/K)와 상기 그룹 간 간섭의 세기의 곱 및 노이즈(σ_n ²)의 합으로 나누어 상기 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 피드백 처리부는,
    상기 단말기로부터 유효 채널 방향을 양자화한 양자화 정보(

    

    )를 포함하는 상기 채널방향정보(CDI),

    

    인 상기 유효 채널(g_g_k)를 기초로 산출된 신호 대 잡음비를 포함하는 상기 채널품질정보(CQI) 및

    

    인 상기 유효 채널 방향에 대한 양자화 오류의 크기를 포함하는 상기 양자화 오류 크기정보를 포함하는 상기 유효채널 관련정보를 피드백 받는 것을 특징으로 하는 기지국.
13. 기지국으로부터 파일럿 신호를 수신하는 경우, 송수신한 파일럿 신호의 차이에 근거하여 상기 기지국으로부터 수신한 파일럿 신호로부터 추정된 공간상관행렬을 피드백하고, 상기 피드백에 근거하여 결정된 1 단계 빔포밍 신호를 수신하는 수신과정;
    상기 기지국으로부터 수신된 참조신호에 근거하여 채널을 추정하는 채널 추정과정;
    상기 1 단계 빔포밍 신호 및 상기 채널을 기반으로 유효 채널을 추정하는 유효 채널 추정부; 및
    상기 유효 채널을 이용하여 채널방향정보(CDI), 채널품질정보(CQI) 및 양자화 오류정보를 포함하는 유효 채널 관련정보를 산출하고, 상기 유효 채널 관련정보를 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 전송과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계적 빔포밍을 위한 피드백 방법.
14. 파일럿 신호를 단말기로 전송하고, 송수신된 파일럿 신호의 차이에 근거하여 상기 단말기로 전송한 파일럿 신호로부터 추정된 공간상관행렬을 수신받아 그룹화를 수행하고, 각각의 그룹에 포함된 상기 단말기로 1 단계 빔포밍을 수행하는 1 단계 빔포밍과정;
    상기 단말기로 참조신호를 전송하고, 상기 참조신호에 근거하여 추정된 유효 채널에 대한 채널방향정보(CDI), 채널품질정보(CQI) 및 양자화 오류정보를 포함하는 유효 채널 관련정보를 획득하는 피드백 수신과정;
    상기 유효 채널 관련정보에 근거하여 신호 대 간섭 잡음비를 추정하는 피드백 처리과정;
    상기 신호 대 간섭 잡음비를 이용하여 합 전송률을 산출하고, 상기 합 전송률에 근거하여 스케쥴링을 수행하는 스케쥴링 과정; 및
    스케쥴링된 단말기로 2 단계 빔포밍을 수행하여 데이터를 전송하는 2 단계 빔포밍과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 단계적 빔포밍을 위한 스케쥴링 방법.
    

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