KR20050081040A

KR20050081040A - 다중 안테나 및 랜덤 다중 빔을 이용한 다중 사용자 무선송수신 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050081040A
Application number: KR1020040009276A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 황성수
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-08-18
Also published as: EP1716646A4; US7437182B2; US20050181833A1; KR100626214B1; EP1716646B1; EP1716646A1; WO2005078958A1

Abstract

본 발명은 랜덤한 가중치를 가지는 다중 빔을 이용하여 다중 사용자 다이버시티(MUD: multi-user diversity)의 효과와 다중화(MUM: multi-user multiplexing) 효과를 동시에 얻는 것이 가능하도록 하여 통신 용량을 극대화하는 무선 송수신 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 무선 통신 방법은, M 개의 안테나 (여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나 (여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송 (여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위하여 B 개의 빔을 생성하는 무선 통신 방법이며, 상기 B 개의 신호 각각에 대하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들을 정하기 위하여, 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔 (여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]의 각각의 요소를 정하며, 여기서 상기 B 개의 빔 중 다른 빔들과의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 넘지 않도록 상기 가중치 벡터 각각의 요소를 구하는 단계; 및 상기 가중치들에 따라 상기 B 개의 수신단 각각의 채널을 통하여 상기 B 개의 빔을 생성시켜 상기 B 개의 신호를 다중 전송하는 단계를 포함한다.

Description

다중 안테나 및 랜덤 다중 빔을 이용한 다중 사용자 무선 송수신 방법 및 장치{WIRELESS TRANSMISSION METHOD AND APPARATUS FOR MULTI-USER DIVERSITY AND MULTIPLEXING USING MULTIPLE RANDOM BEAMS AND MULTIPLE ANTENNAS}

본 발명은 무선통신 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다중 사용자에 대하여 다중의 신호를 동시에 전송하기 위하여 한정된 무선 통신 자원을 효율적으로 사용하고 시스템의 용량을 극대화하며 안정된 무선 통신 환경을 제공하기 위한 다중 사용자 무선 송수신 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

기지국으로부터 많은 수의 사용자와 무선 신호를 주고받아야 하는 무선 통신 시스템에서는 통신 용량의 증대가 주요한 과제가 되고 있다. 특히, 향후의 차세대 통신망에서는 이동 중, 보행 중 또는 고정 위치 등 다양한 상태에 있는 사용자를 대상으로, 무선 인터넷, 멀티미디어 등 다양한 대용량 서비스를 제공하는 것을 목적으로 하기 때문에, 상향 링크에 비해 더 큰 용량이 특히 하향 링크에서 요구 되며, 따라서 하향 링크의 용량 증대는 서비스 사업자의 기술 수준에 대한 주요한 척도의 하나가 되고 있다.

따라서, 시스템 용량의 증대를 위한 여러 가지 기법이 연구되고 있는데, 그 중의 하나로 기회적 스케쥴링(opportunistic scheduling) 방식이 있다. 기회적 스케줄링이란 수신단으로부터 궤환(feed-back)된 각 사용자의 채널 특성을 파악하여, 송신단에 마련된 스케줄러(scheduler)를 통하여 순시적으로 SNR이 높은 사용자의 채널만 이용하여 선택적으로 전송하도록 제어하는 방식을 말한다. 이러한 기회적 스케쥴링 기법을 활용하면 특히 채널의 변화폭과 변화 속도가 다양한 상태의 다수 사용자가 존재하는 경우에 증대된 통신 용량을 확보할 수 있다. 이와 같이, 다중 사용자 간에 서로 독립적인 채널 특성을 이용하여 다이버시티 이득을 얻는 기법을 다중 사용자 다이버시티(MUD: multi-user diversity) 기법이라고 하며, 이를 활용할 경우, 페이딩(fading)이 있는 채널 조건에서 가산성 백색 가우시안 잡음 (AWGN) 채널보다도 더 높은 시스템 용량을 얻을 수 있는 것이 알려져 있다[참고문헌 1, P. Viswanath, D.N.C. Tse and R. Laroia, Opportunistic beamforming using dumb antennas, IEEE Transaction on Information Theory, Vol. 48, No. 6, pp. 1277-1294, June 2002.].

도 1은 단일 안테나를 사용하는 시스템에서 두 명의 사용자에 대해 상술한 기회적 스케쥴링을 이용한 MUD 기법을 적용한 경우를 예시한 도면으로서, 다른 사용자의 채널이 서로 독립적으로 변할 경우, 각 사용자들의 채널 품질(channel gain, SNR, rate 등) 정보를 이용하여 매 순간에 채널 품질이 가장 좋은 사용자에게 통신 리소스를 할당하는 방식을 도시하고 있다. 송신측에서 보이는 채널은 점선으로 표시된 채널을 갖는 경우와 등가적으로 되므로, 이 시스템은 각 사용자의 평균 SNR보다 더 높은 SNR을 얻게 되어, 같은 평균 SNR을 가지는 AWGN 채널보다 더 높은 시스템 용량을 갖게 된다.

그러나 이 방식을 적용할 경우에도, 고정무선접속 (FWA: fixed wireless access)이나 보행자 (nomadic user)의 경우처럼 채널의 변화 폭 (dynamic range)과 변화 속도가 작은 경우에는, MUD 기법을 적용함으로써 얻을 수 있는 이점이 감소하게 되고 용량 개선 효과가 현저히 줄어드는 한계가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하고 항상 MUD 기법의 이점을 얻을 수 있도록 하기 위해서, 최근에는 기지국에서 다중 안테나를 이용하여 채널의 변화폭과 속도를 인위적으로 증가시켜 다이버시티 이득을 얻도록 하는 random 빔포밍 기법이 제안된 바 있다[참고문헌 1][참고문헌 2, R. Goazli, R. M. Buehrer and B.D. Woerner, The impact of multiuser diversity in space-time block coding, IEEE Communications Letters, Vol. 7, pp. 420-424, May 2003.]. 이 기법은 기존의 다중 입력 다중 출력 (multi-input multi-output: MIMO) 기법이나 공간-시간 부호(STC: space-time coding)기법보다 용량 증대 면에서 더욱 효과적이라고 알려져 있다[2]. 또한, 안테나 별 채널 간의 상관도(correlation)가 높은 경우에, STC와 같은 다중 안테나 다이버시티 기법이나 BLAST(Bell laboratories layered space-time)와 같은 안테나 다중화 기법만을 적용할 경우에는 그 적용에 따른 장점이 적어지게 되나, 다중 사용자 다이버시티 기법을 적용할 경우에는 안테나 별 채널의 상관도가 높은 환경에서도 각 사용자 간의 채널은 독립적이기 때문에 채널의 상관도에 관계없이 이득을 얻게 되는 장점이 있다.

도 2에서는 송신기에 어레이 안테나 등의 다중 안테나를 도입하여 다중 입력 단일 출력 (multi-input single-output: MISO) 시스템을 구성하고 인위적으로 채널을 변화시키는 random 빔포밍 [1]의 구조를 도시하였다. 입력 신호 s(t)는 하나 이상의 신호가 중첩된 형태이거나 다중 신호 중 일부만을 대표적으로 표시한 것일 수 있다. 도 2에서 송신 신호 s(t)는 각각의 안테나에 대한 가중치 벡터 에 곱해져서 와 같이 송신된다. 여기서 위 첨자 T 는 벡터의 트랜스포우즈(transpose)를 의미한다. 가중치 벡터는 이하의 수학식 1과 같이 생성될 수 있다.

여기서 는 각기 , 영역에서 변하는 불규칙 변수 (random variable) 이다. 송신전력 정규화를 위해 로 가정한다. 이때 채널 을 거친 k번째 사용자의 수신신호는 아래 수학식 2와 같다.

여기서 윗첨자 H는 hermitian을 나타내며, 는 k번째 사용자의 잡음으로서 평균이 0이고 전력이 로 모델링 되는 AWGN이라고 가정한다. 수신기에서 인식하게 되는 채널은 수학식 3과 같이 표현된다.

이와 같이 랜덤(random)한 가중치 벡터를 가지는 다중 안테나를 이용하면 수신기에서 느껴지는 채널의 변화 속도와 변화 폭을 증가시킬 수 있어, 상술한 MUD 방식 적용에 의해 용량 증대가 가능하게 된다.

도 3에서는 상술한 랜덤 빔 형성 방법을 적용함으로써 한 사용자의 채널 변화 폭이 커진 결과를 예시하였다. 매우 느리게 변하는 채널이거나 라이시안(Rician) 분포를 갖는 채널에 대해서는 랜덤 빔의 가중치를 변화시키는 속도를 조절하여 채널 변화의 속도와 폭을 조절할 수 있다. 이 방식으로 고정 무선 채널 등에서는 다중 사용자 다이버시티 방식을 적용할 경우 용량 증대가 가능하다는 것이 보고된 바 있으나[1], 원래 큰 변화폭과 빠른 변화를 가지는 레일라이(Rayleigh) 분포의 이동 통신 채널에서는 다중 안테나로 랜덤 빔을 형성하였다고 하더라도 그에 의하여 채널의 변화폭과 속도가 더욱 증가되는 효과는 미미하므로 이 방식을 적용할 경우에 큰 효과를 얻을 수 없다.

최근, 랜덤 빔포밍 기법과 MIMO SVD (singular value decomposition) 다중화 기법을 결합하는 시도가 있었으나 [참고문헌 3, J. Chung, C.S. Hwang, K. Kim and Y. K. Kim, A random beamforming technique in MIMO systems exploiting multiuser diversity, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 21, No. 5, pp. 848-855, June 2003.], 이 경우, 단말국도 다중 안테나를 사용해야 하며, 모든 단말국에서 SVD를 수행해야 하는 연산량의 부담과 상당한 양의 채널 정보를 송신기로 다시 보내야 하는 등 매우 부담이 크다. 또, 안테나간 채널의 상관도가 높은 경우, MIMO SVD 기법의 장점인 다중화에 따른 장점이 없어지게 되므로 실용적이지 못하다.

한편, 랜덤 빔포밍 방식을 사용하면서 다중 안테나를 통하여 직교하는 다수개의 빔(orthogonal beams)을 만들어 멀티플렉싱을 수행하고, 기회적 스케쥴링을 적용하여 다중 사용자 다이버시티 기법에 따른 장점을 함께 얻으려는 시도가 있었다[1]. 이 방법에서는, 채널 정보의 피드백 양이 적어도 된다는 장점이 있지만, 사용자 수가 적을 때는 다중 빔의 상호 간섭으로 인하여 단일 빔을 사용하는 것보다 시스템 용량이 오히려 더 작아질 수가 있고, 사용자 수가 많아 질수록 시스템 용량이 점점 증가하기는 하지만 그 증가율이 매우 느려 실용적인 기법이 못 된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 것으로서, 랜덤한 가중치를 가지는 다중 빔을 이용하여 다중 사용자 다이버시티(MUD)의 효과와 다중화(MUM) 효과를 동시에 얻는 것이 가능하도록 하여 통신 용량을 극대화하는 무선 송수신 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 다중 안테나를 이용하여 랜덤 빔 포밍 방식에 의해 다중 사용자 다이버시티 효과를 얻고, 다중 빔을 형성하여 다중화 효과를 얻도록 하면서, 다중 빔 간의 상호 간섭을 조정할 수 있도록 제어하여, 다중 사용자의 신호 전송을 스케쥴링(scheduling) 함으로써, 동시에 같은 채널자원(channel resource)을 공유하는 사용자 수를 증가시켜, 고정 무선 채널과 이동 통신 채널 그리고 상관도가 높은 채널 모두에서 MUD 효과와 MUM 효과를 최대화할 수 있도록 하는 무선 송수신 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 송신기에서 다중 안테나를 사용하여 서로 직교할 필요가 없이 상호간의 간섭 제어가 가능한 다중 빔을 생성하여 MUD 효과와 MUM 효과를 동시에 얻음으로써, 사용자 수가 적은 경우에도 [1]의 방법과는 달리 시스템 용량의 증가 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, MIMO 시스템과 MISO 시스템에 모두 적용 가능한 새로운 무선 송수신 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 측면에 의한, 무선 통신 방법은, M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위하여 B 개의 빔을 생성하는 무선 통신 방법이며,

상기 B 개의 신호 각각을 발생시키기 위하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들을 정하기 위하여, 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]를 정하되, 상기 B 개의 빔 중 다른 빔들과의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 넘지 않도록 상기 가중치 벡터 각각의 요소를 결정하는 단계; 및

상기 가중치들에 따라 상기 B 개의 빔을 생성시켜 얻어진 상기 B 개의 다중 채널을 통하여 상기 B 개의 신호를 전송하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 한 측면에 의한 무선 통신 방법은, M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위한 무선 통신 방법이며,

상기 M개의 안테나를 사용하여 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]의 각각의 요소를 정하기 위하여, 상기 가중치 벡터를 구성하는 M개의 요소 중 (M-b+1) 개 이하의 가중치를 랜덤(random)하게 정하는 단계;

이미 선택된 다른 빔의 채널에 대한 b 번째 빔의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 초과하지 않도록 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하는 단계; 및

상기 b 번째 빔에 대하여 최대 신호 대 간섭-잡음비를 갖는 수신단을 정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한, 무선 통신 장치는, M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위하여 B 개의 빔을 생성하는 무선 통신 장치이며,

상기 B 개의 신호 각각을 발생시키기 위하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들을 정하기 위하여, 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]를 정하되, 상기 B 개의 빔 중 다른 빔들과의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 넘지 않도록 상기 가중치 벡터 각각의 요소를 결정하는 수단; 및

상기 가중치들에 따라 상기 B 개의 빔을 생성시켜 얻어진 상기 B 개의 다중 채널을 통하여 상기 B 개의 신호를 전송하는 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 의한 무선 통신 장치는, M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위한 무선 통신 장치이며,

상기 M개의 안테나를 사용하여 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]의 각각의 요소를 정하기 위하여, 상기 가중치 벡터를 구성하는 M개의 요소 중 (M-b+1) 개 이하의 가중치를 랜덤(random)하게 정하는 수단;

이미 선택된 다른 빔의 채널에 대한 b 번째 빔의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 초과하지 않도록 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하는 수단; 및

상기 b 번째 빔에 대하여 최대 신호 대 간섭-잡음비를 갖는 수신단을 정하는 수단을 포함한다.

여기서, 바람직하게는 상기 B 개의 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량을 단일 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량과 비교하여, 낮은 경우 단일 빔만을 사용하여 신호를 송신하도록 하는 것도 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 구성의 이해를 위하여 본 발명의 원리를 간략히 설명하면, 상호 간섭 크기를 제어할 수 있는 다수의 랜덤 빔을 형성하여 다중 사용자에게 동시에 통신 리소스를 할당함으로써 다중 사용자 영역에서 다중화 이득을 얻고자 하는 것이다. 동시에 여러 사용자에 대하여 서비스를 제공하게 되면, 사용자 수에 비례하여 각 사용자에게 할당될 수 있는 송신 전력은 줄어 수신 신호 대 잡음비(SNR)가 감소하게 된다. 따라서, 각 사용자 입장에서의 통신 용량은 그만큼 감소하지만, 전체 시스템 용량은 다중 빔의 수에 선형적으로 비례하여 증가하게 되므로, 더 큰 시스템 용량을 얻을 수가 있다.

또한, 아래에서 기술할 본 발명의 구성은 상술한 종래 기술의 직교 빔을 이용하는 다중화 기법과는 달리 빔 상호간의 간섭을 제어할 수 있기 때문에 매우 작은 수의 사용자에 대해서도 시스템 용량이 증가하는 효과가 보장될 수 있으며, 상관도가 높은 채널에서도 다중화 이득을 얻을 수 있게 된다.

도 4에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 통신 장치의 개략도를 도시하였다.

이하에서는 우선 MISO 구조를 중심으로 하여 본 발명에서 제안된 무선 통신 장치 및 방법의 구성을 상세히 설명한 후, MIMO 구조에서도 본 발명이 적용될 수 있음을 보이도록 하겠다.

도시된 송신기는 B 개의 신호 를 다중화하여 K 명의 사용자 중 B 명의 사용자에게 동시에 전송한다. 다중화에 사용되는 가중치 벡터들을 라고 하면, 임의의 k번째 사용자에게 수신되는 신호는 이하의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

스케쥴러는 K 명의 사용자 중에서 각 빔에 대해서 최대 채널 품질을 갖는 B명의 사용자를 선택한다. 따라서, 송신 신호 는 K 명의 사용자 신호 중의 한 신호가 된다. 즉, 인 관계를 만족시키게 된다.

여기서 각 신호가 모두 같은 전력 을 갖고 있다고 가정한다. 스케쥴러가 i 번째 빔에서 선택한 채널 는 , 인 관계가 있고 스케쥴러에 의해서 선택된 i 번째 빔을 통해 수신된 신호 는 다음 수학식 5와 같이 표현된다.

여기서 k는 사용자의 인덱스이고 i는 빔의 인덱스이다. 만일 스케쥴러가 i 번째 빔(즉, b=i)에서 p 번째 사용자를 선택했다면 , , 의 관계가 성립한다. 수학식 5에서 첫 번째 항은 전송되는 신호 성분을 나타내고, 두 번째 항은 다중 빔을 사용하여 다중화를 수행함에 따라 발생하는 간섭 신호들이며, 세 번째 항은 잡음을 나타낸다.

따라서 i 번째 빔에 의해서 할당되는 채널의 신호 대 간섭-잡음비(SINR)는 아래의 수학식 6과 같이 주어진다.

여기서 채널의 상태가 한 타임 슬롯(time slot) 동안에 일정하다고 가정하여, 시간을 나타내는 기호인 t는 생략한다. 따라서 수학식 7과 같이 빔 상호간의 간섭양을 조절할 수 있는 조건을 만족하는 빔 가중치를 생성하면 간섭을 최소화하면서 동시에 여러 사용자의 채널을 통해 다중 전송이 가능하므로 MUM 효과를 얻을 수 있다.

여기서 각 빔의 가중치가 수학식 7의 조건을 만족하면, 수학식 8과 같은 SINR을 얻을 수 있다.

각 빔의 가중치들로 구성된 행렬 와 각 빔에 의해 선택되는 채널들로 구성된 행렬 을 가정하면, 각각의 빔이 수학식 8로 주어지는 SINR을 갖기 위한 조건은 수학식 9와 같이 얻어진다.

여기서 조건 행렬 F 는 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.

조건 행렬을 구성하는 각각의 요소는 시스템에서 요구되는 SINR 값에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, (2 X 1) MISO 시스템에서 두 개의 다중 빔을 사용하는 경우, 다음과 같이 조건 행렬 값을 결정할 수 있다.

다중 빔 간의 간섭이 전혀 없는 이상적인 경우, SNRσ_s ²/σ_z ² = 100 = 20dB 의 채널에서 전송 전력을 반으로(즉, 3dB) 줄여 전송하게 되면, 17dB의 SNR을 갖는 채널이 두 개 생기게 된다. 그러나, 실제로는 다중 빔 간의 간섭이 있게 되므로 수학식 10에서 전체 전력이 두 개의 빔에 1/2 씩 배분된다고 가정하면, μ_i=1/√2 이고, 이 때 간섭이 배경 잡음 보다 충분히 작도록 하기 위해서, 예를 들어, 위에서 든 예와 같이 ε_i=0.01로 정하면, 위의 수학식 8에 의하여, SINR_i=(σ_s ²/2)(|0.01|²σ_s ²+σ_z ²)=16.95 dB 가 되어 위의 이상적인 경우와 별 차이가 없는 두 개의 채널을 만들 수 있다.

도 5에서는 본 발명에서 제안된 다중 빔 방식의 원리를 설명하기 위해 (2 X 1) MISO 시스템에서 두 개의 다중 빔을 사용하는 경우를 예시한다. 송신기가 과 인 가중치를 이용하여 동시에 두 신호 , 를 형태로 송신하면 k 번째 사용자의 수신 신호는 수학식 11과 같이 얻어진다.

이때, 각 사용자에 대한 각 빔에 의한 SINR은 수학식 12, 수학식 13과 같이 주어진다.

도 6은 각 사용자별 채널 h _k를 대입하여 수학식 12, 수학식 13에 의하여 구하여지는 각 사용자의 SINR값의 예를 도시하였다. 도시된 바와 같이, 첫 번째 빔에서는 p 번째 사용자가, 두 번째 빔에 대해서는 q 번째 사용자가 각각의 채널에 대하여 최대 SINR을 갖게 되므로 스케쥴러는 첫 번째 빔에 대해서는 p 번째 사용자를, 두 번째 빔에 대해서는 q 번째 사용자를 선택하게 된다. 즉, , 로 결정된다.

만일 l 번째 타임 슬롯(time slot)에서 k 번째 사용자의 SNR을 SNR_k(l)이라고 하면, 다중 사용자 다이버시티를 사용하는 시스템의 전체 용량은 수학식 14와 같이 얻어질 수 있다.

다중 빔을 사용한 다중화 기법이 사용되는 경우에는 다중 사용자 신호에 의한 간섭이 있으므로 SNR이 아니라 SINR로 채널품질이 결정되며 l 번째 타임 슬롯에서, b 번째 빔에 의한 k 번째 사용자의 SINR을 SINR_b,k(l) 이라고 하면, 시스템의 전체 용량은 수학식 15와 같이 구하여질 수 있다.

평균적으로 다중 빔이 수학식 9를 만족하도록 생성 되면, 총 송신 전력이 일정한 경우 다중 빔을 사용하는 각 채널은 수학식 16과 같이 단일 빔을 사용하는 경우에 비해 1/B 만큼 평균 전력이 작아지게 된다.

그러나 다중 빔을 사용하는 경우, 동시에 B 개의 채널을 사용하므로 B에 비례하여 시스템 용량이 증가하게 된다.

수학식 14와 수학식 15로 주어지는 시스템 용량의 차이는 다음 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.

위와 같이, 수학식 17의 최종 결과가 항상 0 이상이므로, 수학식 9를 만족하는 다중빔을 이용하면 다중화 기법을 사용하여 항상 단일 빔을 사용하는 시스템보다 용량 증대를 기대할 수 있다. 도 6은 생성된 다중 빔에 대해 수학식 9를 만족하는 사용자가 p, q 번째에 존재하는 경우이나, 도 7과 같은 경우는 생성된 다중 빔에 대해서 p, q 번째에 각 빔의 최대값이 발생되지만 q 번째 사용자의 경우는 SINR이 작아서 다중 빔으로 다중화 하는 것 보다 단일 빔에 전력을 모두 할당하는 것이 더 큰 용량을 얻을 수 있게 된다. 직교하는 다중 빔을 이용하는 종래 기술의 기법[1]을 사용하는 경우에는 도 7과 같은 경우가 발생하여 적은 수의 사용자에 대해서는 단일 빔을 이용하는 것보다 용량이 오히려 더 저하되는 경우가 발생하지만 본 발명에서 제안하는 방식은 수학식 9로 주어지는 조건을 만족시키며 다중 빔을 형성하므로 항상 용량 증대를 얻을 수가 있다.

도 8에 여러 가지 방식을 적용한 실험에 의해 얻어진 사용자 수의 증가에 따른 실제 용량 증가 예를 도시하였다. 단일 안테나를 사용하여 MUD만 사용하는 종래 기술의 경우를 'SISO'라고 표시하였고, 랜덤 빔포밍을 수행하되 단일 빔만 사용하는 종래 기술의 경우를 'Single beam' 이라고 표시하며, 직교 빔으로 다중화하는 종래 기술의 경우를 'Orthogonal beams' 라고 표시하고, 본 발명에서 제안된 다중 빔에 의한 다중화 기법을 'Proposed'라고 표시하였다. 실험은 20dB SNR에서 매 타임 슬롯(time slot)마다 채널이 변하는 빠른 레일라이(Rayleigh) 페이딩 채널에서 수행되었다. 도시된 바와 같이 본 발명에서 제안된 기법이 항상 용량 증가 효과가 현저함을 알 수 있다.

이하에서는 다중 사용자 다이버시티 효과를 얻을 수 있도록 다중 빔의 가중치 벡터를 생성시키는 방식을 설명한다. 첫 번째 빔을 수학식 18과 같이 생성한다.

여기서 , 는 을 만족하면서 각각 [0,1], [0,2π] 영역의 균일 랜덤 변수(uniform random variable)이며, 첨자 b는 빔의 인덱스를 나타낸다. 첫 번째 빔에 대하여 스케쥴러가 선택한 채널이 g ₁이라 하면, 두 번째 빔 w ₂는 위의 수학식 7의 조건을 만족시키 위해서, g ₁ ^H w ₂=ε의 조건을 만족시켜야 한다. 여기서, 조건은 1개이고 변수는 M 개인 부정 방정식이므로 (M-1) 개는 수학식 18과 같이 랜덤하게 정하고, 나머지 한 개의 변수에 대해서만 방정식을 풀면 두 번째 빔의 가중치 벡터를 수학식 19와 같이 구할 수 있다.

여기서 는 의 정규화 조건을 만족시키기 위한 상수이다.

일반적으로 b 번째 빔은 (M-b+1) 개의 가중치를 랜덤(random)하게 정하고 나머지 (b-1) 개의 가중치는 1차 연립 방정식 g _i ^H w _b=ε(i= 1,2,...,b-1)로부터 정해진다. 수학식 20에 b 번째 빔의 해를 나타내었다.

여기서 w _rand와 w _sol는 각각 수학식 21과 수학식 22로 주어진다.

도 9에 (2 X 1) MISO 시스템을 예로 들어, 본 발명의 방법을 적용하여 두 개의 랜덤 빔을 사용하는 시스템에 대한 가중치 벡터를 생성하기 위한 한 흐름도를 예시하였다. 먼저 첫 번째 빔의 가중치를 생성하여 첫 번 째 빔을 구한 후(S1), 이에 따른 SNR 값을 보고받아(S2), 최대 SNR 조건을 만족하는 첫 번째 빔의 사용자가 선택된 뒤(S3), 수학식 9를 만족하도록 수학식 20과 같이 빔을 생성하고(S4), 이 빔에 대하여 최대 SINR 조건을 갖는 두 번째 사용자를 선택(S5)한다. 이때, 선택된 사용자의 SINR 값이 수학식 17을 만족시키는지 여부를 판단하여(S6), 만족시키지 못할 경우에는 단일 빔을 사용하고(S7), 다중화에 따른 이득이 생기는 경우에만 다중 빔을 사용(S8)하도록 구성할 수도 있다.

본 발명의 방법은 도 10과 같이 (M X N) MIMO 구조에도 적용할 수 있다. 이때, 송신 신호는 수학식 23으로 표현될 수 있다.

k 번째 사용자의 수신신호 벡터는 k 번째 사용자의 (M X N) MIMO 채널 H _k(t)에 대하여 수학식 24로 주어진다.

이때, 수신기에서 최대비 결합(maximum ratio combining: MRC)과 같은 결합 기법을 사용한다고 가정하자. 수신기의 가중치 벡터를 라고 가정하면 결합한 후의 출력은 수학식 25와 같다.

여기서 이고 이다. 따라서 수학식 26과 같이 벡터 형태의 등가 채널을 사용자 별로 정의하면, 앞서 기술한 MISO 구조의 모든 기법을 MIMO 구조에 그대로 적용할 수 있다.

본 발명에 의한 무선 통신 방법 및 장치는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 실시예에서는 MISO 시스템의 경우를 중점적으로 설명하였으나, MIMO 시스템에 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있음은 자명하며, 상술한 실시예에서 예시한 수학식은 본 발명의 기술 내용을 보다 함축적으로 나타내기 위한 것으로, 등가의 다른 수학식으로 얼마든지 변형 표현될 수 있는 것이다.

또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 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 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명에 의한 무선 통신 방법 및 장치를 적용하여, 다중 안테나를 다중 사용자 영역에 이용함으로써 다이버시티 이득과 다중화 이득을 동시에 얻을 수 있어, 시스템 용량을 크게 증가 시킬 수가 있으며, 특히, 기지국에서만 다중안테나를 사용하는 MISO 시스템에서도 바로 적용 가능하기 때문에 단말국의 장치에 큰 변화 없이 적용할 수가 있다. 또한, 특히 안테나간 채널의 상관도가 높은 환경에 구애 받지 않고 다이버시티 이득과 다중화 이득을 함께 얻을 수가 있다. 아울러, 종래 기술의 직교 빔 기법과는 달리 다중 빔간의 간섭양을 제어함으로써 항상 다중화 이득을 얻을 수 있게 된다.

도 1은 단일 안테나를 사용하는 시스템에서 두 명의 사용자에 대해 상술한 기회적 스케쥴링을 이용한 MUD 기법을 적용한 경우를 예시한 도면이다.

도 2에서는 송신기에 어레이 안테나 등의 다중 안테나를 도입하여 다중 입력 단일 출력 (multi-input single-output: MISO) 시스템을 구성하고 인위적으로 채널을 변화시키는 random 빔포밍의 구조를 도시하였다.

도 3에서는 상술한 랜덤 빔 형성 방법을 적용함으로써 한 사용자의 채널 변화 폭이 커진 결과를 예시하였다.

도 5에서는 본 발명에서 제안된 다중 빔 방식의 원리를 설명하기 위해 (2 X 1) MISO 시스템에서 두 개의 다중 빔을 사용하는 경우를 예시한다.

도 6은 각 사용자별 채널 h _k를 대입하여 수학식 12, 수학식 13에 의하여 구하여지는 각 사용자의 SINR값의 예를 도시하였다.

도 7은 종래 기술의 한 방식을 적용한 경우에 다중 빔의 형성이 불리하게 되는 경우를 예시한다.

도 8에 여러 가지 방식을 적용한 실험에 의해 얻어진 사용자 수의 증가에 따른 실제 용량 증가 예를 도시하였다.

도 9에 (2 X 1) MISO 시스템을 예로 들어, 본 발명의 방법을 적용하여 두 개의 랜덤 빔을 사용하는 시스템에 대한 가중치 벡터를 생성하기 위한 한 흐름도를 예시하였다.

도 10에서는, 본 발명의 방법을 (M X N) MIMO 구조에 적용한 예를 도시하였다.

Claims

M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위하여 B 개의 빔을 생성하는 무선 통신 방법에 있어서,

상기 B 개의 신호 각각을 발생시키기 위하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들을 정하기 위하여, 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]를 정하되, 상기 B 개의 빔 중 다른 빔들과의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 넘지 않도록 상기 가중치 벡터 각각의 요소를 결정하는 단계; 및

상기 가중치들에 따라 상기 B 개의 빔을 생성시켜 얻어진 상기 B 개의 다중 채널을 통하여 상기 B 개의 신호를 전송하는 단계를 포함하는

무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 가중치 벡터 각각의 요소는

의 관계를 만족하도록 선택되며,

여기서, i는 1 이상 B 이하의 정수이며, 는 스케쥴러가 i 번째 빔에서 선택한 채널을 나타내며, 상기 ε_i, μ_i는 각각 미리 정하여진 임계값인

무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

각 빔의 가중치들로 구성된 행렬 및 각 빔에 대응하여 선택되는 수신단의 채널들로 구성된 행렬 은,

의 관계를 만족하며,

여기서, 조건 행렬 F 는

이고,

는 스케쥴러가 i 번째 빔에서 선택한 채널을 나타내는

무선 통신 방법.
제1항에 있어서,

상기 B 개의 신호 각각에 대하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들 중 적어도 일부는 다중 사용자 다이버시티 효과를 얻기 위하여 랜덤(random)하게 정하여지는 것을 특징으로 하는

무선 통신 방법.
M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위한 무선 통신 방법에 있어서,

상기 M개의 안테나를 사용하여 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]의 각각의 요소를 정하기 위하여, 상기 가중치 벡터를 구성하는 M개의 요소 중 (M-b+1) 개 이하의 가중치를 랜덤(random)하게 정하는 단계;

이미 선택된 다른 빔의 채널에 대한 b 번째 빔의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 초과하지 않도록 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하는 단계; 및

상기 b 번째 빔에 대하여 최대 신호 대 간섭-잡음비를 갖는 수신단을 정하는 단계를 포함하는

무선 통신 방법.
제5항에 있어서,

상기 (M-b+1) 개의 가중치를 랜덤하게 정하기 위하여,

의 관계를 이용하는 것을 특징으로 하며,

여기서 w _rand 는 상기 가중치 벡터 w _b중 상기 (M-b+1) 개의 가중치로 이루어진 부분을 나타내며, 상기 , 는 의 정규화 조건을 만족하면서 각각 [0,1], [0,2π] 영역에서 정해지는 랜덤 변수(random variable)이며, 상기 는 의 정규화 조건을 만족시키기 위한 상수인

무선 통신 방법.
제6항에 있어서,

상기 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하기 위하여,

1차 연립 방정식 g _i ^H w _b=ε, i= 1,2,...,b-1 의 해를 구하는 것을 특징으로 하며,

여기서, g _i는 i번 째 빔에 대하여 선택된 채널을 나타내며, 상기 ε는 미리 정하여진 임계값인

무선 통신 방법.
제7항에 있어서,

상기 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하기 위하여,

의 관계를 만족시키도록 하는 것을 특징으로 하는

무선 통신 방법.
제1항 및 제5항의 어느 한 항에 있어서,

상기 B 개의 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량을 단일 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량과 비교하여, 낮은 경우에 단일 빔만을 사용하여 신호를 송신하도록 하는 단계를 더 포함하는

무선 통신 방법.
M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위하여 B 개의 빔을 생성하는 무선 통신 장치에 있어서,

상기 B 개의 신호 각각을 발생시키기 위하여 상기 M개의 안테나 각각에 할당되는 출력값의 가중치들을 정하기 위하여, 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]를 정하되, 상기 B 개의 빔 중 다른 빔들과의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 넘지 않도록 상기 가중치 벡터 각각의 요소를 결정하는 수단; 및

상기 가중치들에 따라 상기 B 개의 빔을 생성시켜 얻어진 상기 B 개의 다중 채널을 통하여 상기 B 개의 신호를 전송하는 수단을 포함하는

무선 통신 장치.
M 개의 안테나(여기서 M은 1 이상의 정수)를 구비한 송신단에서, N 개의 안테나(여기서 N은 1 이상의 정수)를 구비한 K 개의 수신단(여기서 K는 1 이상의 정수)중에서, B 개의 수신단을 선택하여, B 개의 신호를 다중 전송(여기서 B는 1 이상의 정수)하기 위한 무선 통신 장치에 있어서,

상기 M개의 안테나를 사용하여 상기 B 개의 신호 중 b 번째의 신호에 대응되는 b 번째의 빔(여기서 b는 1이상 B 이하의 정수)을 생성하기 위한 가중치 벡터 w _b=[w_1,b,w_2,b,...,w_M,b]의 각각의 요소를 정하기 위하여, 상기 가중치 벡터를 구성하는 M개의 요소 중 (M-b+1) 개 이하의 가중치를 랜덤(random)하게 정하는 수단;

이미 선택된 다른 빔의 채널에 대한 b 번째 빔의 간섭이 미리 정하여진 임계값을 초과하지 않도록 나머지 (b-1) 개의 가중치를 정하는 수단; 및

상기 b 번째 빔에 대하여 최대 신호 대 간섭-잡음비를 갖는 수신단을 정하는 수단을 포함하는

무선 통신 장치.
제10항 및 제11항의 어느 한 항에 있어서,

상기 B 개의 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량을 단일 빔을 사용하는 경우의 시스템 전체의 순간 용량과 비교하여, 낮은 경우 단일 빔만을 사용하여 신호를 송신하도록 하는 수단을 더 포함하는

무선 통신 장치.