KR20080040105A - 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 유니터리 행렬을 사용하여 프리코딩을 포함한 공간 채널 행렬을 형성하고, 공간 채널 행렬을 기초로 성능을 추정하여 최적 단말 세트 조합과 최적 빔을 추출하여 저장한 후, 최적 단말 세트 조합을 이용하여 스케줄링 기능을 수행하는 멀티유저 MIMO 시스템을 제공한다.

본 발명은 다양한 형태의 단말을 묶어 스케줄링 할 수 있으므로 MIMO에 참여하는 단말의 수를 늘이게 됨으로써 최적의 멀티유저 MIMO 시스템을 구성할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

상향링크, MIMO, 빔 전송, 프리코딩 행렬, 섹터 처리량, 공간 채널 행렬

Description

효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법{Efficient Transmission Apparatus and Method Based on Beam}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티유저 MIMO의 빔 전송 일례를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 기반 전송 장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔 기반 전송 장치를 이용하여 멀티유저(Multiuser) MIMO 방식의 빔 기반 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 상향링크에서 멀티유저(Multiuser) 다중 입출력(Multi Input Multi Output, 이하 'MIMO'라 칭함) 방식의 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 전송 기술 중에서 다중 안테나를 이용하여 섹터 처리량(Sector Throughput)을 올리는 기술들이 많이 연구되어 왔다. 스마트 안테나 기술은 다수의 안테나가 형성하는 빔으로서 신호의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 높 여 전송하거나 수신하여 이득을 얻는다.

다중 안테나를 이용하는 다이버시티(Diversity) 기술은 채널의 상관도가 낮을 경우 신호 경로를 다중화하여 신호 대 잡음비가 낮은 신호로 수신되는 확률을 낮추어 이득을 얻는다. 그리고 신호 대 잡음비가 높은 경우에는, 다수의 안테나에 각각 다른 신호를 전송하여 다중화 이득(Multiplexing Gain)을 얻는 공간 다중화(Spatial Multiplexing: SM) 기술이 사용된다. 전술한 공간 다중화, 다이버시티, 신호 대 잡음비 기술은 MIMO 시스템에서 섹터 처리량을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

상향 링크에서 전술한 무선 전송 기술을 이용하는 경우, 송신 안테나의 수가 소비 전력 및 단말기 크기로 인해 제약을 받는다. 현재의 표준화 동향을 살펴보면 IEEE 802. 16e에서 상향 링크 MIMO 기술은 송신 안테나의 수를 2개까지 고려하고 있다.

그러나 종래의 상향 링크 MIMO 기술은 다수의 안테나를 사용한 빔 형성 및 프리코딩 기술 등은 본격적으로 적용되지 않고 있다. 또한, 종래 상향 링크 MIMO 기술에서 여러 단말의 송신 안테나 수가 다른 경우의 통합적인 전송 방법은 알려져 있지 않다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 상향링크에서 멀티유저(Multiuser) MIMO 방식의 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 멀티유저(Multiuser) 다중 입출력(Multi Input Multi Output: MIMO) 방식의 빔 기반 전송 방법은, (a) 기지국의 커버리지 영역 내 하나 이상의 단말 세트 조합을 선택하는 단계; (b) 상기 선택된 단말 세트를 기초로 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 형성하여 성능을 추정하는 단계; (c) 상기 프리코딩 행렬의 조합을 변경하면서 새로운 공간 채널 행렬을 형성하여 성능을 추정하고, 상기 형성된 새로운 공간 채널 행렬과 기저장된 기존 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치를 비교하여 최적 성능 수치를 저장하고, 이에 매칭되는 최적 단말 세트를 선정하는 단계; 및 (d) 상기 선정된 최적 단말 세트로 스케줄링을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명의 특징에 따른 멀티유저(Multiuser) 다중 입출력(Multi Input Multi Output: MIMO) 방식의 빔 기반 전송 장치는, 기지국의 커버리지 영역 내 하나 이상의 단말 세트 조합을 선택하는 단말 선택부; 상기 선택된 단말 세트의 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 생성하고, 상기 프리코딩 행렬의 조합을 변경하여 새로운 프리코딩 행렬을 포함한 새로운 공간 채널 행렬을 구성하는 프리코딩 행렬 선택부; 상기 구성된 새로운 공간 채널 행렬을 기초로 성능을 추정한 결과를 수치로 계산하는 성능 추정 계산부; 및 상기 구성된 새로운 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 기저장된 기존 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 비교하여 최적 성능 추정 수치를 저장하고, 이에 매칭되는 최적 단말 세트로 스케줄링 기능을 수행하는 제어부를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 본 발명의 실시예에 따른 효율적인 빔 기반 전송 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 멀티유저 MIMO의 빔 전송 일례를 나타낸 도면이다.

기지국은 상향 링크에서 단말로부터 수신한 파일럿 신호를 통해 단말의 송신 안테나와 기지국의 수신 안테나가 이루는 공간 채널 행렬을 모두 알고 있다고 가정한다. 또한, 기지국은 각 단말에 미리 정의된 모든 조합의 빔을 할당할 수 있으며, 이때 미리 정의된 프리코딩(Precoding) 행렬을 사용한다고 가정한다.

송신 안테나가 1개인 단말의 경우 하나의 빔만 형성하지만, 2개 이상의 송신 안테나를 가지는 경우에는, 송신 신호에 가중치(Weight)를 곱함에 따라 다양한 송신 빔을 형성할 수 있다. 빔 형성은 단말에 최대의 수신 전력을 제공하기 위하여 복수의 안테나 엘리먼트에 대한 가중치(Weight)를 다르게 주어 단말의 방향으로 지향성 빔을 제공하는 기술이다.

송신 안테나에서 생성되는 빔은 송신 안테나 크기의 유니터리(Unitary) 행렬로 제한하는 경우 송신 안테나 수만큼의 빔이 가능하다. 따라서, N개의 유니터리 행렬 세트(Set)을 가정하면 N * 송신 안테나 수의 개수만큼 빔 형성이 가능하다.

그러나 수신기 입장에서는 신호를 성공적으로 수신하기 위해서 단말이 이루는 채널 행렬의 랭크(Rank)만큼의 빔이 의미가 있다. 따라서, 송신 안테나에서 형성할 수 있는 빔 수는 채널 랭크 수가 된다.

도 1에 도시된 일례는 최적의 단말 세트와 각 단말의 빔을 나타낸 것으로서, AT1은 1개, AT2는 2개, AT3는 1개의 데이터 스트림을 기지국으로 전송한다. 다음, 도 2 및 도 3을 참조하여 최적의 단말 세트와 각 단말의 빔을 찾는 스케줄링 과정을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔 기반 전송 장치(100)의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 빔 기반 전송 장치(100)는 단말 선택부(102), 프리코딩 행렬 선택부(104), 성능 추정 계산부(106), 제어부(108) 및 데이터 저장부(109)를 포함한다. 여기서, 데이터 저장부(109)는 단말 세트 조합 저장부(109c), 공간 채널 행렬 저장부(109b) 및 최적 단말 조합 저장부(109c)를 포함한다.

단말 선택부(102)는 기지국의 커버리지 영역 내 하나 이상의 단말 세트 조합을 선택하여 단말 세트 조합 저장부(109c)에 저장한다.

단말 세트를 선택한 일예(AT1, AT2, AT3)는 다음의 [표 1]과 같다.

각 단말(AT1, AT2, AT3)의 도1에 도시된 바와 같이, 각각 송신 안테나는 1, 2, 4개이고, 채널 랭크(Rank)는 각각 1, 1, 2이며, 데이터 스트림은 1, 1, 2개의 송신 데이터로 구성될 때 빔 조합을 나타낸다. 기지국 수신 안테나는 4개라고 가정한다. 채널 행렬 H는 수신 안테나 수 × 송신 안테나 수로, 프리코딩 행렬 P는 송신 안테나 수 × 데이터 스트림 수로 구성된다.

이때 기지국 수신 신호 벡터를 Y라 하면, 3개의 단말에 의한 송신 신호 벡터 X와 수신 신호 벡터 Y와의 관계는 다음의 [수학식 1]과 같다.

여기서, H_k, P_k는 각각 단말의 채널 행렬과 프리코딩 행렬이며, H는 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬이다.

기지국 수신 신호 벡터는 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 단말에 의한 송신 신호 벡터와 곱한 값이 된다. 여기서, 프리코딩 행렬은 유니터리(Unitary) 행렬을 사용하여 데이터 스트림마다 행렬의 벡터를 곱해주는 행렬이다.

표 1에 기재된 프리코딩 행렬을 참조하면, AT1은 1×1, AT2는 2×2, AT3는 4×4 유니터리 행렬이 가능하다. 각각 1개의 유니터리 행렬만 프리코딩에 사용한다고 가정하면, 유니터리 행렬의 조합은 1×2×₄C₂ = 12가지가 된다. AT3의 경우, 데이터 스트림이 2개이므로 유니터리 행렬의 4개의 열벡터 중 2개를 선택하게 된다.

프리코딩 행렬 선택부(104)는 각 단말기 안테나 수에 따른 유니터리 행렬로 가능한 빔조합 중 하나를 선택하여 선택된 단말 세트의 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 생성한다.

성능 추정 계산부(106)는 구성된 공간 채널 행렬의 성능 추정 결과를 수치로 계산하여 공간 채널 행렬 저장부(109b)에 저장한다. 성능 추정은 수신 방식에 따라 달라질 수 있다. 최소 평균 제곱 에러(Minimum Mean Squared Error: MMSE) 수신기를 가정하면, 성능 추정 계산부(106)는 최소 평균 제곱 에러 수신기에서 신호 대 간섭 및 잡음비(Signal to Interference and Noise Ratio: SINR)를 산출하고, 데이터 레이트를 나타내는 매핑 테이블과 비교하여 데이터 레이트 수치를 구한다. 성능 추정 계산부(106)는 데이터 스트림별 성능 추정을 수치로 나타낼 수 있는 것이다. 일반적인 성능 추정 수치를 구하는 방법은 공지된 기술로서 상세한 설명을 생략하기로 한다.

제어부(108)는 계산된 성능 추정 수치와 공간 채널 행렬 저장부(109b)에 기저장된 기존 단말 조합의 기존 성능 추정 수치를 비교하여 성능 기준이 더 높은 최적 성능 추정 수치를 추출하고 해당 최적 단말 세트와 함께 최적 단말 조합 저장부(109c)에 저장한다. 여기서, 성능 기준이란 각 단말의 데이터 레이트(Rate)의 총합을 의미한다.

제어부(108)는 추출한 최적 단말 세트로 스케줄링 기능을 수행한다.

단말 세트 조합 저장부(109c)는 단말 선택부(102)에 의해 선택된 단말 세트 조합을 저장한다. 공간 채널 행렬 저장부(109b)는 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치를 저장한다. 최적 단말 조합 저장부(109c)는 추출한 최적 성능 추정 수치와 이에 매칭되는 최적 단말 세트와 함께 저장한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔 기반 전송 장치(100)를 이용하여 멀티유저(Multiuser) MIMO 방식의 빔 기반 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 기지국은 커버리지 영역 내 단말의 송신 안테나와 기지국의 수신 안테나가 이루는 공간 채널 행렬 및 채널 랭크를 추정한다(S100). 이어서, 단말 선택부(102)는 기지국의 커버리지 영역 내에서 하나의 단말 세트 조합을 선택한다(S102).

프리코딩 행렬 선택부(104)는 프리코딩 행렬의 조합 중 하나를 선택하여 수 학식 1에 기재된 바와 같이 새로운 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 형성한다(S104). 성능 추정 계산부(106)는 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 이용하여 성능을 추정한 결과를 수치로 계산하여 공간 채널 행렬 저장부(109b)에 저장한다.

제어부(108)는 계산된 성능 추정 수치와 기저장된 기존 성능 추정 수치와 비교하여 성능 기준이 더 높은 최적 성능 추정 수치를 저장하고, 최적 성능 추정 수치에 매칭되는 최적 단말 조합을 최적 단말 조합 저장부(109c)에 저장한다(S106).

제어부(108)는 수학식 1에서 전술한 프리코딩 행렬 조합을 모두 바꾸어가면서 새로운 프리코딩 행렬을 형성하였는지 판단한다(S108). 이어서, 제어부(108)는 모든 프리코딩 행렬 조합을 시험하지 못하였다고 판단하는 경우, 단계 S104로 진행하여 이후 단계를 반복한다.

제어부(108)는 모든 프리코딩 행렬 조합을 시험한 경우, 기지국의 커버리지 영역 내에 모든 단말 세트 조합의 공간 채널 행렬에 대한 성능 추정 시험을 완료했는지 판단한다(S110). 다시 말해 표 1에서, 제어부(108)는 AT1, AT2, AT3의 단말 세트를 선택하여 프리코딩 행렬의 조합을 포함한 공간 채널 행렬을 기초로 성능을 추정하였는데, AT3, AT7, AT9와 같이 단말 세트 조합을 변경하면서 커버리지 영역 내에 모든 단말 세트의 성능 추정 시험이 완료될 때까지 반복하게 된다.

이어서, 제어부(108)는 기지국의 커버리지 영역 내 모든 단말 세트 조합의 공간 채널 행렬에 대한 성능 추정 시험을 완료하지 못하였다고 판단하는 경우, 단계 S102로 진행하여 이후 단계를 반복한다.

제어부(108)는 기지국의 커버리지 영역 내 모든 단말 세트 조합의 공간 채널 행렬에 대한 성능 추정 시험을 완료하였다고 판단하는 경우, 최적 단말 조합 저장부(109c)에 저장된 최적 성능 수치를 나타내는 최적 단말 조합을 이용하여 스케줄링을 수행한다(S112).

위에 언급한 [수학식 1]을 일반적인 형태로 다시 쓰면 다음의 [수학식 2]와 같다.

여기서, S는 멀티유저 MIMO에 포함된 단말의 수, D는 기지국에 수신되는 모든 데이터 스트림의 총합, H_k, P_k는 단말의 채널 행렬, 프리코딩 행렬이다.

기지국은 프리코딩 행렬을 다음의 [수학식 3]와 같이 1 또는 0으로 설정하면 전형적인 빔이 아닌 안테나를 선택하여 스케줄링할 수도 있다.

제어부(108)는 유니터리 행렬의 조합만큼 새로운 프리코딩 행렬을 형성하여 공간 채널 행렬에 대한 성능 추정 시험을 반복 수행하고, 기지국의 커버리지 영역 내 모든 단말 세트에 대한 공간 채널 행렬의 성능 추정 시험을 수행한다.

제어부(108)는 프리코딩 행렬을 변경하여 새로운 공간 채널 행렬을 형성하고, 단말 선택부(102)에서 선택한 새로운 단말 세트 조합으로 최적 성능 추정 수치와 이에 매칭되는 최적 단말 세트를 추출하는 작업을 반복한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

전술한 구성에 의하여, 본 발명은 다양한 형태의 단말을 묶어 스케줄링 할 수 있으므로 MIMO에 참여하는 단말의 수를 늘이게 됨으로써 최적의 멀티유저 MIMO 시스템을 구성할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명은 멀티유저 MIMO 시스템에 참여하는 단말의 수를 늘일 수 있어 섹터 처리량을 증가할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (7)

1. 멀티유저(Multiuser) 다중 입출력(Multi Input Multi Output: MIMO) 방식의 빔 기반 전송 방법에 있어서,

   (a) 기지국의 커버리지 영역 내 하나 이상의 단말 세트 조합을 선택하는 단계;

   (b) 상기 선택된 단말 세트를 기초로 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 형성하여 성능을 추정하는 단계;

   (c) 상기 프리코딩 행렬의 조합을 변경하면서 새로운 공간 채널 행렬을 형성하여 성능을 추정하고, 상기 형성된 새로운 공간 채널 행렬과 기저장된 기존 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치를 비교하여 최적 성능 수치를 저장하고, 이에 매칭되는 최적 단말 세트를 선정하는 단계; 및

   (d) 상기 선정된 최적 단말 세트로 스케줄링을 수행하는 단계

   를 포함하는 전송 방법.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 (c)단계에서,

   상기 형성된 새로운 공간 채널 행렬은 상기 프리코딩 행렬의 유니터리 행렬 조합 중 하나를 선택하여 새로운 프리코딩 행렬을 형성함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 (c)단계와 상기 (d)단계 사이에,

   상기 프리코딩 행렬의 유니터리 행렬 조합을 모두 바꾸어가면서 새로운 프리코딩 행렬을 형성하였는지 판단하는 단계; 및

   상기 유니터리 행렬 조합만큼 새로운 프리코딩 행렬을 형성한 경우, 상기 기지국의 커버리지 영역 내 모든 단말 세트 조합의 공간 채널 행렬을 이용하여 성능 추정을 검사하였는지 판단하는 단계

   를 더 포함하는 전송 방법.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 프리코딩 행렬이 1 또는 0으로 이루어진 경우, 안테나 선택 방식으로 공간 채널 행렬을 형성하는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
5. 멀티유저(Multiuser) 다중 입출력(Multi Input Multi Output: MIMO) 방식의 빔 기반 전송 장치에 있어서,

   기지국의 커버리지 영역 내 하나 이상의 단말 세트 조합을 선택하는 단말 선택부;

   상기 선택된 단말 세트의 프리코딩 행렬을 포함한 공간 채널 행렬을 생성하고, 상기 프리코딩 행렬의 조합을 변경하여 새로운 프리코딩 행렬을 포함한 새로운 공간 채널 행렬을 구성하는 프리코딩 행렬 선택부;

   상기 구성된 새로운 공간 채널 행렬을 기초로 성능을 추정한 결과를 수치로 계산하는 성능 추정 계산부; 및

   상기 구성된 새로운 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 기저장된 기존 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 비교하여 최적 성능 추정 수치를 저장하고, 이에 매칭되는 최적 단말 세트로 스케줄링 기능을 수행하는 제어부

   를 포함하는 전송 장치.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 프리코딩 행렬 선택부는 상기 프리코딩 행렬의 유니터리 행렬 조합 중 하나를 선택하여 상기 새로운 프리코딩 행렬을 형성하는 것을 특징으로 하는 전송 장치.
7. 제5 항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 구성된 새로운 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 기저장된 기존 공간 채널 행렬의 성능 추정 수치와 비교하는 경우, 각 단말의 데이터 레이트(Rate)의 총합을 기준으로 판단하는 것을 특징으로 하는 전송 장치.

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