KR20060119143A

KR20060119143A - 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20060119143A
Application number: KR1020050041750A
Authority: KR
Inventors: 이광복; 강지웅
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-24

Abstract

본 발명은 다중 셀 환경에서 현실적으로 취할 수 있는 정보만을 이용하여 자신의 셀과 인접 셀의 성능을 모두 고려하여 송신 방식을 결정하도록 한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 각 셀별로, 다수의 안테나를 갖춘 제 1수단으로부터의 신호에서 채널 반응 정보의 추정과 잡음 및 간섭신호의 상관행렬 추정이 가능한 다수의 안테나를 갖춘 제 2수단을 구비한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치의 다중 송수신 안테나 방법으로서, 상기 각각의 제 2수단에서, 상기 추정된 채널 반응 정보와, 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 대해 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 제 1과정; 기저장되어 있는 정보를 이용하여 송신전력에 대해 각 셀의 송신 방식에 따른 인접 셀의 평균적 성능을 계산하는 제 2과정; 상기 계산된 자신의 셀의 순시적 성능의 값 및 인접 셀의 평균적 성능의 값을 고려하여 송신 방식을 선택하는 제 3과정; 및 상기 선택된 송신 방식에 대한 정보를 해당 셀의 제 1수단에게로 피드백시키는 제 4과정을 구비한다.

Description

다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법{Multiple input multiple output antenna apparatus in multi-cell environments and method thereof}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치의 블록구성도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 방법을 설명하는 플로우차트이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 고주파 처리부 12 : 채널 반응 정보 추정부

14 : 잡음 및 간섭신호 상관행렬 추정부

16 : 송신전력 결정부 18 : 자신 셀의 순시적 성능 계산부

20 : 인접 셀의 평균적 성능 계산부 22 : 송신 방식 결정부

24 : 피드백 정보 송신부 26 : 정보 복원부

50 : 피드백 정보 수신부 52 : 디멀티플렉서

54 : 송신 방식 구현부 56 : 고주파 처리부

100 : i번째 셀의 수신부 200 : i번째 셀의 송신부

본 발명은 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자신의 셀의 성능뿐 아니라 이웃한 셀의 성능을 향상시키는 송신 방식을 선택하여 전체 시스템의 성능을 향상시키도록 한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 다중 송수신 안테나를 이용한 무선 통신 시스템은 제한된 대역폭 내에서 큰 비트 전송율을 달성하기 위하여 개발된 통신 시스템으로서, 송/수신단에서 다중의 안테나를 사용하고 이에 따른 적절한 송/수신기 구조를 채택함으로써 높은 전송률을 달성할 수 있도록 한다. 이 때, 송신부에서는 전송하고자 하는 신호 벡터의 각 항목에 각각의 전력 할당치를 곱해주고, 전력 할당치가 곱해진 신호 벡터에 다시 송신 안테나 가중치 행렬을 곱해줌으로써 송신 안테나를 적절하게 활용할 수 있다.

종래에 제안된 다중 송수신 안테나 시스템은 간섭 신호를 야기시키는 다른 셀의 존재를 고려하지 않고, 한 쌍의 송/수신부로 이루어진 일대일 무선 통신 시스템을 가정한 기술이 적용되어 왔다. 이러한 일대일 통신에서 최대의 주파수 효율을 달성하기 위한 방법은 잘 알려져 있는데, 이는 채널 반응 정보 행렬을 SVD(Singular Value Decomposion)하여 송신 안테나 가중치 행렬을 구하여 이를 이 용하여 각 부 채널간의 간섭을 제거한 뒤, 각각의 부 채널에 water-filling 방법으로 송신전력을 할당하는 방법이다. 부수적으로, 전력 할당이란 이 송신 전력을 각 부 채널에 어떻게 나누는지(할당하는지)를 결정하는 것이다.

그러나, 이 방법은 송신부와 수신부 모두가 송신부와 수신부 사이의 채널 반응 정보를 알아야 한다. 따라서, 수신부에서 송신부에게로 채널 반응 정보를 피드백하거나, 채널 반응 정보로부터 계산한 송신 안테나 가중치 행렬 및 전력 할당치를 피드백하여 주는 것이 필요하다. 그러나, 수신부에서 송신부로 피드백하는 채널 반응 정보의 양은 송신 안테나와 수신 안테나의 개수의 곱에 비례하여 증가하기 때문에 채널 반응 정보를 피드백하는 것은 채널 효율성을 저하시킬 수 있다.

이러한 단점을 극복하기 위한 연구가 많이 진행되어 있으며, 그 중 차선의 방법으로 복수의 송신 안테나를 선택하는 송신 안테나 부분집합 선택(Transmit Antenna Subset Selection) 방법이 있다( R. Heath Jr. and A. Paulraj, "Antenna Selection for Spatially Multiplexing Systems based on Minimum Error Rate,"in IEEE Int. Conf. Commun., Helsinky, Finland, June 2001, pp. 2276-2280. 참조). 이 방법에서는, 수신부에서 측정된 채널 반응 정보 행렬을 이용하여 최적의 성능을 달성하는 송신 안테나의 조합을 선택한 후, 선택된 안테나의 조합을 지시하는 정보만을 송신부에 피드백하고, 송신부는 선택된 송신 안테나에 같은 송신전력을 할당하여 신호를 보낸다. (이 경우, 송신 안테나의 가중치 행렬은 N_t ㅧ N_t 단위 행렬로 고정된 값이고, 전력 할당치는 해당 부 채널, 즉 해당 송신 안테나가 선택된 부분 집합에 속할 경우에 한하여 동일한 전력을 할당하므로, 이 두 정보를 별도로 피드백해 주지 않아도 된다.)

상기와 같이 설명한 일대일 통신과 달리, 다중 셀 환경에서는 자신의 셀이 주위의 인접 셀들의 신호로부터 간섭을 받을 뿐 아니라 인접 셀에 간섭 신호를 주기 때문에, 최적의 송신 방식(이하의 명세서에서, 송신 방식은 송신 안테나 가중치 행렬 및 전력 할당에 의해 결정되어 지는 송신 안테나의 활용 방식을 의미한다.)을 결정하는 것이 어려워지는 문제가 있다. 예를 들어, 앞서 설명한 송신 안테나 부분집합 선택 방법에 있어서, 송신전력이 고정되어 있을 경우, 자신의 셀의 성능을 향상시키기 위해서는 많은 송신 안테나를 선택하는 것이 일반적으로 유리하다. 반면에, 특정 셀이 많은 송신 안테나를 선택할 경우, 인접 셀의 성능은 많이 저하된다. 그러므로, 특정 셀의 송신부가 자신의 셀의 성능만을 향상시키고자 송신 방식을 결정하면 모든 셀을 포함한 전체 시스템의 성능이 떨어지는 문제가 발생한다.

Blum은 다중 셀 환경에서 전체 시스템의 성능을 고려하여 송신 방식을 결정하였을 경우의 성능에 대해 연구하였다(S. Ye and R. S. Blum, "Optimized signaling for MIMO interference systems with feedback," IEEE Trans. Signal Processing, vol 51, no. 11, pp. 2839 - 2848, Nov. 2003. 참조). (상기 논문에서는 다중 셀 환경이 아닌 다중 링크 환경에서 연구를 진행하였으나, 다중 링크 환경에 셀룰러 시스템의 셀 구조를 적용하면 다중 셀 환경으로 간주할 수 있다.) Blum의 연구에서는 각 셀의 송신부가 자신으로부터 자기 셀의 수신부 및 인접 셀의 수신부까지의 채널 반응 정보를 모두 알고, 또 각 셀의 송신부가 인접 셀 들의 송신 방식을 알고 있다고 할 경우에, 자신의 셀과 인접 셀 들의 주파수 효율의 합을 최대화시키는 방법으로 송신 방식을 결정한다. 이 방법에서는 다른 셀의 성능까지 고려하여 송신 방식을 결정하므로, 이론적으로 전체 셀들의 평균적인 주파수 효율이 크게 향상된다.

그러나, 실제로 각각 다른 셀에 속한 송신부와 수신부 간의 채널 반응 정보를 측정하는 것은 거의 불가능하며, 측정이 가능하다고 해도 이를 송신부로 피드백하기 위해서는 채널 효율성이 크게 저하된다. 또한, 송신부에서 모든 채널 정보를 안다고 가정하더라도 시스템내의 모든 셀 들의 송신 방식을 동시에 최적화시켜야 하기 때문에 그 복잡도가 매우 크다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 다중 셀 환경에서 현실적으로 취할 수 있는 정보만을 이용하여 자신의 셀과 인접 셀의 성능을 모두 고려하여 송신 방식을 결정하도록 한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 송신 방식을 결정하는데 있어서 각 셀간에 공조(co-operation)를 하지 않고 각기 독립적으로 이를 결정함으로서 복잡도를 줄이도록 한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다 중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치는, 각 셀별로, 다수의 안테나를 갖춘 제 1수단으로부터의 신호에서 채널 반응 정보의 추정과 잡음 및 간섭신호의 상관행렬 추정이 가능한 다수의 안테나를 갖춘 제 2수단을 구비한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치로서,

상기 제 2수단은, 상기 추정된 채널 반응 정보와 상기 추정된 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 따른 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 자신 셀의 순시적 성능 계산부; 결정된 송신전력하에서 각 셀의 송신 방식으로 신호를 보낼 때 인접 셀이 가지는 평균적 성능을 기저장된 정보를 이용하여 계산하는 인접 셀의 평균적 성능 계산부; 상기 계산된 자신 셀의 순시적 성능 및 인접 셀의 평균적 성능을 고려하여 송신 방식을 채택하는 송신 방식 결정부; 및 상기 결정된 송신 방식에 대한 정보를 해당 셀의 제 1수단에게로 피드백시키는 피드백 정보 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 방법은, 각 셀별로, 다수의 안테나를 갖춘 제 1수단으로부터의 신호에서 채널 반응 정보의 추정과 잡음 및 간섭신호의 상관행렬 추정이 가능한 다수의 안테나를 갖춘 제 2수단을 구비한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치의 다중 송수신 안테나 방법으로서,

상기 각각의 제 2수단에서,

상기 추정된 채널 반응 정보와, 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 대해 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 제 1과정; 기저장되어 있는 정보를 이용하여 송신전력에 대해 각 셀의 송신 방식에 따른 인접 셀의 평균적 성능을 계산하는 제 2과정; 상기 계산된 자신의 셀의 순시적 성능의 값 및 인접 셀의 평균적 성능의 값을 고려하여 송신 방식을 선택하는 제 3과정; 및 상기 선택된 송신 방식에 대한 정보를 해당 셀의 제 1수단에게로 피드백시키는 제 4과정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치 및 그 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명을 설명하기 전에 기본적으로 다음과 같은 사항이 설정된 것으로 한다.

1) 각 셀(i번째 셀)의 수신부에는 자신의 셀의 송신전력과 송신 안테나 부분집합을 매개 변수로 하는 인접 셀들의 평균적인 주파수 효율(의 근사값)들의 합이 룩업테이블(look-up table) 또는 기타의 방법으로 저장되어 있다.

2) 각 셀(i번째 셀)의 수신부에서는 자신의 셀의 송신부로부터의 채널 반응 정보를 추정할 수 있고, 또한 수신된 신호 중의 잡음 및 간섭신호의 상관행렬을 추정할 수 있다. 이는 종래의 기술에 의해 쉽게 달성될 수 있다. 이하에 설명하는 추정 방법들은 하나의 예시이며, 이 이외에도 다양한 방법이 가능하므로 이하에서 설명하는 추정 방법으로 한정되는 것이 아니다.

( 채널 반응 정보의 추정 )

논문 < C. L. Miller, D. P. Taylor, P. T. Gough, "Estimation of co-channel signals with linear complexity," IEEE Trans. Commun., vol. 49, no. 11, pp. 1997-2005, Nov. 2001.> 에 기재되어 있다.

( 잡음 및 간섭신호의 상관행렬의 추정 )

다중셀 환경에서 수신부에서는 자기 셀의 송신부에서 송신한 신호와 다른 셀의 송신부에서 송신한 신호(이하 간섭 신호), 그리고 잡음 신호가 합해져서 수신된다. 이 때, 자기 셀의 송신부에서 사전에 정의된 파일럿 신호를 보내고, 자기 셀의 송/수신부 간의 채널 반응 정보를 상기와 같이 추정하면, 자기 셀의 송신부에서 송신한 신호는 이를 복원, 차감할 수 있으며, 따라서 수신 신호 중의 잡음 및 간섭신호의 부분만을 추출해낼 수 있다. 이와 같이 추출된 잡음 및 간섭신호를 일정 시간에 걸쳐 상호 상관시키면, 잡음 및 간섭신호의 상관행렬을 추정할 수 있다.

3) 각 셀의 수신부에서는 자신의 셀의 송신부에서 전송하는 송신전력을 알고 있다. 본 시스템에서 전력 조절을 하지 않을 경우 송신전력은 고정된 값이므로 이를 수신부에서 알 수 있으며, 전력 조절을 할 경우에 채널 감쇄를 상쇄시키기 위해서는 채널 감쇄의 역수에 해당하는 송신전력으로 보낸다고 가정하면 그 채널 감쇄를 채널 반응 정보로부터 추정할 수 있으므로 송신전력도 알 수 있다. 이하에 설명되는 송신전력 추정 방법은 하나의 예시이며, 이 이외에도 다양한 방법으로 추정가능하므로, 이하의 설명으로 한정되는 것은 아니다.

( 송신전력의 추정 )

a) 전력 조절을 하지 않을 경우에는 송신전력이 고정된 값이기 때문에, 수신 부에서 당연히 알고 있다.

b) 전력 조절을 할 경우에는 그 목적 및 방법은 다양하지만, 본 발명의 명세서에서는 채널 감쇄를 보상하는 것을 목적으로 하는 전력 조절을 예를 들어 설명한다. 본 발명에 있어서 채널 반응을 채널 감쇄와 레일리 페이딩 두 항목의 곱으로 표현한다. 이 중 채널 감쇄는 장기적인 채널 변화 요소(long-term fading)이고, 레일리 페이딩은 단기적인 채널 변화 요소(short-term fading)로 생각할 수 있다. 따라서 추정된 채널 반응 정보를 이용하여, Rayleigh fading은 변화하되, 채널 감쇄는 변화하지 않을 정도의 시간을 두고 채널 반응 정보 행렬의 각 원소의 절대값의 제곱들의 평균값을 취함으로써, 수신부에서 채널 감쇄의 추정치를 얻을 수 있다. 이렇게 수신부에서 얻어진 추정치의 역수에 비례하여(비례 상수는 고정된 값), 송신전력을 정하고 이를 송신부에 피드백하여 그 이후는 이렇게 정해진 송신전력으로 신호를 전송한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치의 블록구성도로서, 다수의 셀로 이루어지고 각 셀별로 다수의 안테나를 갖춘 송신부(200) 및 수신부(100)를 구비한다. 여기서, 이해를 돕기 위해 상기 송신부(200)를 기지국으로 보아도 되고 수신부(100)를 이동국으로 보아도 된다. 물론, 수신부(100)가 기지국이고 송신부(200)가 이동국인 것으로 보아도 된다.

이하의 설명에서는 송신부(200)를 기지국이라 가정하고 수신부(100)를 이동국이라 가정한다.

상기 수신부(100)는, 송신부(200)의 다수의 송신 안테나에서 전송된 고주파 신호를 다수의 수신 안테나를 사용하여 수신하여 기저대역 신호로 변환하는 고주파 처리부(10); 그 고주파 처리부(10)에서 출력되는 기저대역 신호에서 채널 반응 정보를 파일롯 신호 등을 이용하여 추정하는 채널 반응 정보 추정부(12); 상기 고주파 처리부(10)에서 출력되는 기저대역 신호에서 자신의 셀의 송신부(200)가 전송한 신호를 차감한 후 남은 잡음 및 간섭신호의 상관행렬을 추정하는 잡음 및 간섭신호 상관행렬 추정부(14); 상기 채널 반응 정보 추정부(12)에서 추정된 채널 반응 정보를 이용하여 송신전력을 결정하되, 전력 조절이 필요없을 경우에는 이미 알고 있는 송신전력을 이용하고 전력 조절이 필요할 경우에만 송신전력을 결정하는 송신전력 결정부(16); 상기 채널 반응 정보 추정부(12)에서 추정된 채널 반응 정보 및 상기 잡음 및 간섭신호 상관행렬 추정부(14)에서 추정된 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 따른 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18); 상기 송신전력 결정부(16)에서 결정된 송신전력하에서 각 셀의 송신 방식으로 신호를 보낼 때 인접 셀이 가지는 평균적 성능을 기저장된 정보(예컨대, 룩업테이블에 저장된 정보)를 이용하여 계산하는 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20); 상기 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18)에서 계산된 자신 셀의 순시적 성능의 값 및 상기 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20)에서 계산된 인접 셀의 평균적 성능의 값을 고려하여 송신 방식을 결정하는 송신 방식 결정부(22); 상기 결정된 송신 방식 및 송신전력에 대한 정보를 피드백 정보로 하여 해당 셀의 송신부(200)에게로 무선으로 피드백시키는 피드백 정보 송신부(24); 및 상기 고주파 처리부(10)에서 출력되는 기저대역 신호로부터 정보를 복원하되 상기 송신 방식 결정부(22)에서 결정된 송신 방식을 고려하여 복원하는 정보 복원부(26)를 구비한다.

상기 송신부(200)는, 상기 수신부(100)의 피드백 정보 송신부(22)에서 무선 전송된 피드백 정보를 수신 안테나를 사용하여 수신하는 피드백 정보 수신부(50); 송신하고자 하는 정보신호를 여러개의 신호 스트림(signal stream)으로 나누는 디멀티플렉서(52); 그 디멀티플렉서(52)로부터 다수개의 신호 스트림을 입력받고 상기 피드백 정보 수신부(50)에서 수신된 피드백 정보(송신 방식 및 송신전력을 지시하는 정보)에 의거하여 각 송신 안테나의 가중치 행렬과 전력 할당치를 각 신호 스트림에 곱해주는 송신 방식 구현부(54); 및 그 송신 방식 구현부(54)에서 출력되는 기저대역 신호를 고주파 신호로 변환한 후에 다수의 송신 안테나를 이용하여 고주파 신호를 무선 전송하는 고주파 처리부(56)를 구비한다.

상기 송신 방식 구현부(54)에서 송신 안테나 부분집합 선택방식으로 전송방식을 구현할 경우에는 상기 송신 안테나 가중치 행렬은 단위 행렬이고, 전력 할당치는 선택된 안테나에 대해서는 1/K _i 이며, 그 밖의 안테나에 대해서는 0이 되고, 이 때 K _i 는 선택된 부분집합에 속한 송신 안테나의 개수이다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18)와 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20) 및 송신 방식 결정부(22)를 수신부(예컨대, 이동국)(100)에 설치한 것으로 하였는데, 송신부(예컨대, 기지국)(200)에 설치되는 것으 로 하여도 된다.

이어, 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 방법에 대하여 도 2의 플로우차트를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

각 수신부(100)의 고주파 처리부(10)에서는 각 송신부(200)에서 무선 전송되는 고주파 신호를 수신하여 기저대역 신호로 변환한 후에 출력시킨다. 그 출력되는 기저대역 신호는 해당 수신부(100)의 채널 반응 정보 추정부(12)와 잡음 및 간섭신호 상관행렬 추정부(14) 및 정보 복원부(26)에게로 보내진다.

그 채널 반응 정보 추정부(12)는 파일롯 신호 등을 이용하여 그 입력된 기저대역 신호에서 채널 반응 정보를 추정해 내고, 그 잡음 및 간섭신호 상관행렬 추정부(14)는 입력된 기저대역 신호에서 자신의 셀의 송신부(200)가 전송한 신호를 차감한 후 남은 잡음 및 간섭신호의 상관행렬을 추정한다(S10).

그 추정된 채널 반응 정보, 잡음 및 간섭신호의 상관행렬은 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18)에게로 전해지고, 그 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18)는 그 입력된 정보 즉, 추정된 채널 반응 정보, 잡음 및 간섭신호의 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 대해 자신의 셀의 순시적 성능을 계산한다(S12).

한편, 상기 추정된 채널 반응 정보는 송신전력 결정부(16)에게로도 전송되고, 그 송신전력 결정부(16)는 입력된 채널 반응 정보를 이용하여 송신전력을 결정한 후 그 결정된 송신전력의 값을 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20)에게로 전송시킨다. 그에 따라, 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20)는 이미 저장되어 있는 정보를 이용하여 송신전력에 대해 각 셀의 송신 방식에 따른 인접 셀의 평균적 성능을 계산한다(S14).

상기 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18) 및 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20)에서 계산된 두 값은 송신 방식 결정부(22)에게로 전해지고, 그 송신 방식 결정부(22)는 그 입력된 두 값을 고려하여 송신 방식을 결정한다(S16). 상기 송신 방식 결정동작은 후술하는 수학식들을 토대로 한 설명에 의해 행해진다.

그 결정된 송신 방식은 피드백 정보 송신부(24)에게로 전해지고, 그 피드백 정보 송신부(24)는 송신전력 결정부(16)로부터 전해진 송신전력 및 상기 결정된 송신 방식에 대한 정보를 자신의 셀의 송신부(200)에게로 피드백시킨다(S18).

그에 따라, 각 셀의 송신부(200)에서는 그 피드백되어 입력된 정보에 의거한 송신 방식을 통해 신호를 전송하게 된다(단계 S20). 즉, 각 셀의 송신부(200)의 피드백 정보 수신부(50)는 각각의 셀의 수신부(100)에서 무선 전송된 피드백 정보를 수신 안테나를 통해 수신하여 송신 방식 구현부(54)에게로 보내고, 그 송신 방식 구현부(54)는 디멀티플렉서(52)로부터 다수개의 신호 스트림을 입력받고 상기 피드백 정보 수신부(50)로부터의 피드백 정보(송신 방식 및 송신전력을 지시하는 정보)에 의거하여 각 송신 안테나의 가중치 행렬과 전력 할당치를 각 신호 스트림에 곱하여 출력하며, 고주파 처리부(56)에서는 그 송신 방식 구현부(54)에서의 출력치(기저대역 신호)를 고주파 신호로 변환한 후에 다수의 송신 안테나를 이용하여 고주파 신호를 무선 전송한다(S20).

주변의 셀들이 각각 상술한 S10∼S16의 동작을 거쳐 송신 방식을 선택하게 되면, 이에 따라 각각의 셀들이 수신하는 잡음 및 간섭신호의 상관행렬이 변화하게 된다. 따라서, 각 셀은 상술한 S10∼S20에 해당하는 과정을 반복한다. 실험결과에 따르면, 주변의 셀들이 반복과정을 거친 경우와 거치지 않은 경우의 성능차가 크지 않기 때문에 그 반복 과정을 생략하여도 된다.

보다 상세히 수학식을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

각각 N_t개의 송신 안테나가 구비된 송신부(200) 및 N_r개의 수신 안테나가 구비된 수신부(100)가 있는 다중 셀 시스템에서, 각 셀의 수신부에서 수신된 신호는 하기의 수학식 1과 같이 모델링할 수 있다.

[수학식 1]

여기서, r _i 는 i번째 셀의 수신부(100)에서 수신된 신호 벡터 (N_r×1), P _i 는 i번째 셀의 송신부(200)에서의 송신전력, H _i,i 는 i번째 셀의 송신부(200)와 i번째 셀의 수신부(100) 사이의 채널 반응 정보 행렬 (N_r×N_t), x _i 는 i번째 셀의 송신부에서 전송한 신호 벡터 (N_t×1), P _j 는 j번째 셀의 송신부에서의 송신전력이며, H _i,j 는 j번째 셀의 송신부와 i번째 셀의 수신부(100) 사이의 채널 반응 정보 행렬 (N_r×N_t), x _j 는 j번째 셀의 송신부에서 전송한 신호 벡터 (N_t×1), n _i 는 i번째 셀의 수신부 (100)에 인가된 표준편차가 σ인 잡음 신호 벡터 (N_r×1), J _i 는 i번째 셀에 간섭 신호를 주는 셀들의 인덱스(index)의 집합이다. 이 때, H _i,j 는 j번째 셀의 송신부와 i번째 셀의 수신부(100) 사이의 채널 감쇄

와 각 원소의 표준편차가 1인 확률 변수 행렬 G _i,j, 의 곱으로 표현된다(

). 이 때, i번째 셀의 송/수신부(100, 200) 간의 주파수 효율(즉, 성능)은 하기의 수학식 2와 같이 구할 수 있다. 하기의 수학식 2는 자신 셀의 순시적 성능 계산부(18)에서 사용된다.

[수학식 2]

여기서, I 는 N_r×N_r 단위행렬이며, R _i 는 i번째 셀의 송신부(200)에서 전송한 신호 벡터의 상관행렬(=E{x _i x _i ^H } )으로 W _i · Q _i · Q _i ^H · W _i ^H ( W _i 는 i번째 셀의 송신 안테나 가중치 행렬이고, Q _i 는 i번째 셀의 전력 할당치의 제곱근을 대각 성분으로 가지는 대각 행렬이다.)로 표현될 수 있다. 따라서, i번째 셀의 송식 방식(즉, 송신 안테나 가중치 행렬 및 전력 할당)을 결정하는 것은 R _i 를 결정하는 것과 동일하며, R _i 를 변화시킴에 따라 i번째 셀의 주파수 효율(즉, 성능)뿐만 아니라 인접 j번째 셀(j∈ J _i )의 주파수 효율(즉, 성능)도 변하게 된다. 따라서, i번째 셀의 송신 방식을 변화시켜 전체 셀의 평균적인 주파수 효율을 높이기 위해서는 i번째 셀의 주파수 효율과 j번째 셀들(j∈ J _i )의 주파수 효율의 합을 목적함수로 하여, 이를 최대화시키는 송신 방식을 찾아야 한다. 이는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

여기서, argmax a {f}는 f라는 함수를 최대화시키는 매개변수 a를 의미한다. 앞서 설명한 Blum의 연구는 위의 수식에서 순시적인 주파수 효율(성능) C _i 와 C _j 들의 합을 최대화시키는 방법으로 전체 셀의 주파수 효율(성능)을 높였다.

그러나, R _i 와 인접 j번째 셀의 순시적인 주파수 효율(성능) C _j 와의 관계를 알기 위해서는 상기 수학식 2에서 볼 수 있듯이 i번째 셀의 송신부(200)에서 j번째 셀의 수신부까지의 채널 반응 정보를 알아야 하며, 이것은 실제 환경에서는 거의 불가능하다. 본 발명에서는 순시적인 주파수 효율 C _j 의 값을 이용하지 않고, 평균적인 주파수 효율 C _j 의 값을 이용하여 특정 송신부에서 다른 셀의 수신부까지의 채널 반응 정보를 알지 못하는 경우에도 알고리즘이 동작하도록 한다.

다시 말해서, 채널 반응은 시간에 따라 계속적으로 변화되는데, 이 때 순시적인 주파수 효율(C _j 라 함)라 함은 어떤 특정 시간의 채널 반응에 대한 함수로 상기의 수학식 2로 계산할 수 있다. 이에 반해, 평균적인 주파수 효율(E(C _j )라 함)는 C _j 를 채널 반응의 확률 분포 함수에 따라 평균한 것이다. 따라서, E(C _j )는 순간순간의 채널 반응에 대한 함수가 아닌 채널 반응의 통계적 특성에 대한 함수가 되므로, 순간적인 채널 반응 정보를 필요로 하지 않게 된다. 일반적으로, 이러한 통계적 특성값들은 시간에 따라 급격하게 변화하지 않는다고 볼 수 있으며, 채널 모델에 의거해 이를 추정할 수 있다.

즉, 본 발명에서 각 송신부가 자신의 송신 방식을 결정하는 것은 하기의 수학식 4를 만족하는 R _i 를 구하는 것과 같다. 다시 말해서, 본 발명의 송신 방식 결정부(22)는 하기의 수학식 4를 만족하는 R _i 를 구하여 송신 방식을 결정한다.

[수학식 4]

이 경우에도 자신의 셀의 주파수 효율은 순시적인 값을 사용하기 때문에 자신의 셀의 송/수신부 간의 채널 반응 정보(또는 이에 해당하는 송신 안테나 가중치 행렬 및 전력 할당 정보)를 송신부에서 알아야만 이 방법을 수행할 수 있다. 이는 매우 큰 피드백 정보를 필요하므로 이를 피하기 위해, 본 발명에서는 송신 안테나 부분집합 선택을 이용한다. 이 경우에는 수신부에서 측정된 채널 반응 정보를 이용하여 적합한 송신 안테나 부분집합을 선택하고, 이 부분집합을 지시하는 정보만을 송신부에 피드백하면 됨으로써 피드백을 크게 줄일 수 있다. 여기서, 상기 적합한 송신 안테나 부분집합을 선택한다라는 것은 기존의 기술을 설명한 말로서, 구체적으로 어떻게 선택하는지는 시스템이 요구하는 사항(예를 들어, 오류율(error rate) 의 최소화, 주파수 효율의 최대화 등)에 따라 달라질 수 있다. 본 발명에서는 자신의 셀의 순시적인 주파수 효율과 인접 셀 들의 평균적인 주파수 효율들의 합을 최대화하는 방법을 취하고 있으며, 이는 모든 가능한 송신 안테나 부분집합에 대해 자신의 셀의 순시적인 주파수 효율과 인접 셀 들의 평균적인 주파수 효율들의 합을 계산하고, 이 중에 최대값을 가지는 부분집합을 선택하는 것이다. 이는 상기 수학식 4 및 근사적으로 하기의 수학식 10으로 표현될 수 있다.

송신 방식을 송신 안테나 부분집합 선택방법에 따라 택할 경우, R _i 는 대각 행렬로 표현될 수 있으며, 각 대각원소는 해당 송신 안테나가 부분집합에 속할 경우에 1/K _i , 속하지 않을 경우에 0이 되며, 이 때 K _i 는 부분집합에 속한 송신 안테나의 개수이다. 예를 들어, 송신 안테나가 각각 4개인 경우에 있어서, 1, 3번째 송신 안테나를 포함하는 부분집합을 나타내는 R _i 는 다음과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 5]

이러한 경우, 상기 수학식 2와 수학식 5를 사용하면 C _j 는 하기의 수학식 6과 같이 표현된다. 하기의 수학식 6은 인접 셀의 평균적 성능 계산부(20)에서 사용된다.

[수학식 6]

위의 식에서 [H _i,j ] _sub 는 j번째 셀의 송신부에 선택된 안테나 부분집합에 속하는 송신 안테나에 해당하는 H _i,j 의 행으로 구성되는 H _i,j 의 부분행렬이다. 수식을 간단히 정리하기 위해서 i번째 셀을 제외한 나머지 셀의 선택된 송신 안테나의 개수가 충분히 많다는 가정을 하면, 수학식 6은 하기의 수학식 7과 같이 근사화시킬 수 있다.

[수학식 7]

위의 식의 3,4번째 줄에 있는 4개의 항 중에서 2,4번째 항은, 각각 일대일 링크에서의 N_r × K _i 다중 안테나 시스템의 주파수 효율 식과 같으며, 일반적인 무선 환경에서 하듯이 G _i,j, 의 각 원소를 서로 독립적이고 복소 표준 분포를 따르는 확률 변수라고 가정하면, 다음과 같은 방법으로 평균값을 구할 수 있다. [H. Shin and J. Lee, "Capacity of Multiple-Input Fading Channels: Spatial Fading Correlation, Double Scattering, and Keyhole," IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, no. 10, pp. 2636-2647, Oct. 2003. 참조]

[수학식 8]

의 식에서

는 송/수신부 간의 채널 감쇄와 인접 셀에서의 송신전력에 관한 함수이고, 이 중 채널 감쇄는 그 확률 분포 함수를 채널 모델을 통해 알 수 있다. 또한 인접 셀에서의 송신전력은 전력 조절을 하지 않을 경우 고정된 값이고, 전력 조절을 할 경우 채널 감쇄를 보상시키는 값으로 하여, 역시 그 확률 분포 함수를 알 수 있다. 따라서,

의 확률 분포 함수

역시 구할 수 있다.

상기 수학식 8은 다음과 같이

에 대해 평균값을 취할 수 있다.

[수학식 9]

이와 같은 과정을 거치고, 수학식 7의

와

는 수학식 7의 정의에서 보듯이 채널 감쇄와 송신전력, 수신 안테나의 개수에 대한 함수로써 송신 방식과 무관한 항이므로 송신 방식을 결정하는데 있어서 이를 고려하지 않아도 된다. 이를 자세히 살펴보면 다음과 같다.

1) N_r 은 수신부에 장착된 수신 안테나의 개수로서 송신 방식에 따라 변화하지 않는 것은 자명하므로, 고정된 값으로 볼 수 있다.

2) 채널 감쇄는 무선 채널의 상태에 따라 주어진 것이므로 역시 송신부에서 바꿀 수 있는 것이 아니다.

3) 송신전력은 송신부에서 조절가능하나 본 발명에서는 정해진 값(전력 조절을 하지 않을 경우)이나 채널 감쇄의 역수(전력 조절을 할 경우)에 비례하는 값으로 정하고 있다. 송신 방식의 결정은 송신전력을 정한 이후에, 정해진 송신전력하에서 이루어진다고 할 수 있다. 따라서, 송신 방식에 따라 송신전력이 바뀌지는 않는다.

상기 수학식 7의

와

를 무시하게 되면, 결국 수학식 4로 최적의 전송 방식을 구하는 것은 하기의 수학식 10으로 전송 방식을 구하는 것과 근사적으로 동일하다. 하기의 수학식 10은 송신 방식 결정부(22)에서 사용된다.

[수학식 10]

본 발명은, 위의 수학식 10에서 알 수 있듯이

항 즉, 자신의 셀의 송신전력과 송신 안테나 부분집합을 매개변수로 하는 인접 셀 들의 평균적인 효율(의 근사값)들의 합을 나타내는 항을 목적함수에 둠으로써 다른 셀의 주파수 효율을 고려하여 자신의 셀의 전송 방식을 결정한다. 또한, 그

항은 자신의 셀의 송신부로부터 다른 셀의 수신부까지의 채널 반응 정보와 무관하여, 이를 송/수신부에서 알지 못하는 경우에도 본 발명을 수행할 수 있다. 아울러, 다른 셀의 전송 방식(즉, R _l , l??i)과도 무관하여, 다른 셀과의 공조(cooperation)를 할 필요없이 각각의 셀에서 독립적으로 수행이 가능하다. 하기에 제시하는 표는 송수신 안테나의 수가 각각 4개일 경우, 룩업테이블로 작성한

의 일례이며, 그 값의 상태적인 비교를 위해

를 차감해 준 값을 제시하였다. 이 표의 값에서 셀 최외각에 송신부 또는 수신부에 해당하는 이동국이 위치하였을 때의 평균적 송신 전력을 1로 하였고, 채널 감쇄는 경로 감쇄와 로그-노멀 페이딩의 곱으로 표현되며, 이 때 경로 감쇄의 지수값은 3.7, 로그-노멀 페이딩의 로그 표준 편차는 8dB로 하여 계산된 것이다.

송신전력	K _i = 1	K _i = 2	K _i = 3	K _i = 4
10^-1	0.0029	0.0012	0.0004	0
10⁰	0.0485	0.0205	0.0074	0
10¹	0.4551	0.2067	0.0767	0
10²	2.4556	1.1975	0.4532	0
10³	8.3589	4.3785	1.7106	0
10⁴	19.0181	10.7317	4.3936	0

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다중 셀 환경에서 현실적 으로 취할 수 있는 정보만을 이용하여 자신의 셀과 인접 셀의 성능을 모두 고려하여 송신 방식을 결정하게 되고, 송신 방식을 결정하는데 있어서 각 셀간에 공조(co-operation)를 하지 않고 각기 독립적으로 이를 결정함으로서 복잡도를 줄이게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims

각 셀별로, 다수의 안테나를 갖춘 제 1수단으로부터의 신호에서 채널 반응 정보의 추정과 잡음 및 간섭신호의 상관행렬 추정이 가능한 다수의 안테나를 갖춘 제 2수단을 구비한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치로서,

상기 제 2수단은, 상기 추정된 채널 반응 정보와 상기 추정된 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 따른 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 자신 셀의 순시적 성능 계산부; 결정된 송신전력하에서 각 셀의 송신 방식으로 신호를 보낼 때 인접 셀이 가지는 평균적 성능을 기저장된 정보를 이용하여 계산하는 인접 셀의 평균적 성능 계산부; 상기 계산된 자신 셀의 순시적 성능 및 인접 셀의 평균적 성능을 고려하여 송신 방식을 채택하는 송신 방식 결정부; 및 상기 결정된 송신 방식에 대한 정보를 해당 셀의 제 1수단에게로 피드백시키는 피드백 정보 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 1항에 있어서,

상기 자신 셀의 순시적 성능 계산부는 자신의 셀의 순시적 주파수 효율을 구하고, 상기 구해진 순시적 주파수 효율을 자신 셀의 순시적 성능의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 2항에 있어서,

상기 인접 셀의 평균적 성능 계산부는 인접 셀의 평균적 주파수 효율을 구하고, 상기 구해진 평균적 주파수 효율을 인접 셀의 평균적 성능의 값으로 하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 3항에 있어서,

상기 송신방식 결정부는 상기 자신의 셀의 순시적 주파수 효율과 인접 셀들의 평균적 주파수 효율들의 합을 최대화하는 송신 방식을 채택하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 4항에 있어서,

상기 자신 셀의 순시적 주파수 효율은 하기의 수학식

(여기서, P _i 는 i번째 셀의 송신수단에서의 송신전력, H _i,i 는 i번째 셀의 송신수단와 i번째 셀의 수신수단 사이의 채널 반응 정보 행렬 (N_r×N_t), R _i 는 i번째 셀의 송신수단에서 전송한 신호 벡터의 자기 상관 행렬, P _j 는 j번째 셀의 송신수단에서의 송신전력이며, H _i,j 는 j번째 셀의 송신수단와 i번째 셀의 수신수단 사이의 채 널 반응 정보 행렬 (N_r×N_t), R _j 는 j번째 셀의 송신수단에서 전송한 신호 벡터의 자기 상관 행렬, J _i 는 i번째 셀에 간섭 신호를 주는 셀들의 인덱스(index)의 집합, σ는 잡음 신호의 표준 편차이다.)

에 의해 계산되어지는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 5항에 있어서,

상기 인접 셀의 평균적 주파수 효율은 하기의 수학식

(여기서, E{x}는 x의 평균값이다.)

에 의해 계산되어지는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 3항에 있어서,

상기 송신방식 결정부는 송신 방식을 송신 안테나 가중치 행렬을 단위 행렬로 하고, 송신전력을 복수의 선택된 안테나에 한해 동일하게 할당하는 것으로 한정하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 7항에 있어서,

상기 피드백 정보 송신부는 상기 복수의 선택된 안테나를 지시하는 정보를 송신하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 8항에 있어서,

상기 인접 셀의 평균적 주파수 효율은 하기의 수학식

(여기서, g _j,l 과 g _j,j 및 g _j,i 는 각각 l번째, j번째, i번째 셀의 송신수단로부터 j번째 셀의 수신수단까지의 채널 감쇄이고, [ G _j,i ]_sub는 i번째 셀의 선택된 송신 안테나들로부터 j번째 셀의 수신수단까지의 레일리 페이딩을 나타내는 N_r×K _i 행렬이다.)

에 의해 계산되어진 값으로 하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
제 8항에 있어서,

상기 인접 셀의 평균적 주파수 효율은 하기의 수학식

(여기서,
,

이며,

이고,

는
의 확률 분포 함수이다.)

에 의해 계산되어진 값으로 하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치.
각 셀별로, 다수의 안테나를 갖춘 제 1수단으로부터의 신호에서 채널 반응 정보의 추정과 잡음 및 간섭신호의 상관행렬 추정이 가능한 다수의 안테나를 갖춘 제 2수단을 구비한 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 장치의 다중 송수신 안테나 방법으로서,

상기 각각의 제 2수단에서,

상기 추정된 채널 반응 정보와, 잡음 및 간섭신호 상관행렬을 이용하여 각 셀의 송신 방식에 대해 자신의 셀의 순시적 성능을 계산하는 제 1과정;

기저장되어 있는 정보를 이용하여 송신전력에 대해 각 셀의 송신 방식에 따른 인접 셀의 평균적 성능을 계산하는 제 2과정;

상기 계산된 자신의 셀의 순시적 성능의 값 및 인접 셀의 평균적 성능의 값을 고려하여 송신 방식을 선택하는 제 3과정; 및

상기 선택된 송신 방식에 대한 정보를 해당 셀의 제 1수단에게로 피드백시키는 제 4과정을 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서의 다중 송수신 안테나 방법.