KR20080091936A - 다중안테나 시스템의 데이터 전송 방법 - Google Patents

다중안테나 시스템의 데이터 전송 방법 Download PDF

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KR20080091936A
KR20080091936A KR1020070035043A KR20070035043A KR20080091936A KR 20080091936 A KR20080091936 A KR 20080091936A KR 1020070035043 A KR1020070035043 A KR 1020070035043A KR 20070035043 A KR20070035043 A KR 20070035043A KR 20080091936 A KR20080091936 A KR 20080091936A
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Abstract

다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법을 제공한다. 각 단말에 대해 특정 클러스터에 속함을 알리는 클러스터 할당 메시지를 전송하고, 상기 클러스터 할당 메시지에 대한 응답을 수신한다. 단말의 클러스터링에 기반한 MIMO 시스템을 구현함으로써, 단말의 크기를 크게 증가시키지 않고도 안테나들 사이의 작은 상관 계수가 쉽게 만족될 수 있다.

Description

다중안테나 시스템의 데이터 전송 방법{Method for transmitting data of multiple antenna system}
도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 2×2 MIMO 시스템의 모델링을 나타낸다.
도 3은 4×2 MIMO 시스템의 모델링을 나타낸다.
도 4는 고유값의 확률 함수를 나타낸 그래프이다.
도 5는 기지국에서 클러스터로의 클러스터링 요청을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 단말에서 기지국으로의 클러스터링 요청을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 MIMO 시스템의 프레임 구조의 일 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 재전송에 따른 프레임에서의 무선자원 할당을 나타낸다.
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 안테나를 이용한 시스템에서의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.
최근에 활발하게 연구되고 있는 차세대 멀티미디어 이동통신 시스템은 초기의 음성 위주의 서비스를 벗어나 영상, 무선 데이터 등의 다양한 정보를 처리하여 전송할 수 있는 시스템이 요구되고 있다.
차세대 이동통신 시스템은 제한된 주파수 자원을 이용하여 고품질, 고용량 멀티미디어 데이터를 고속으로 전송할 수 있어야 한다. 대역폭이 제한된 무선 채널에서 이를 가능하게 하기 위해서는 주파수 효율을 극대화하면서 고속 전송시 발생하는 심벌 간 간섭 및 주파수 선택적 페이딩을 극복해야만 한다. 주파수 효율을 극대화하기 위해 개발된 기술 중 가장 각광을 받고 있는 것이 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 기술이다.
MIMO 기술은 크게 두 가지 목적으로 사용될 수 있다. 첫째로는 채널의 페이딩 환경으로 인한 성능감소를 줄이기 위해 다이버시티(diversity) 이득을 높이는 목적으로 이용될 수 있다. 둘째로는 동일한 주파수 대역에서 데이터 전송률을 올리는 목적으로 이용될 수 있다. MIMO 기술은 하나의 송수신 안테나를 사용하는 SISO(Single-Input Single-Output) 시스템에 견주어 주파수 대역폭을 늘리지 않으면서 더욱 많은 데이터를 보낼 수 있는 장점이 있다. 차세대 무선 통신망은 고속 데이터 전송속도(20Mbps(bit per second)이상)를 요구하는데 제한된 대역폭(10 ~ 20MHz)으로 이를 구현하기 위해서는 MIMO 기술이 필수적으로 사용될 것이다.
그러나 MIMO 기술은 송신기 및 수신기의 복잡도가 증가한다는 단점이 있다. MIMO 시스템은 하나의 안테나만을 사용하는 시스템에 비해서 송신기 및 수신기에서 이루어지는 신호 처리량이 많아지기 때문이다. BLAST(Bell Labs Layered Space Time), STBC(Space Time Block Code), STTC(Space Time Trellis Code) 등은 시스템의 복잡도를 줄이면서도 송신기에서 채널 정보를 알 필요가 없다는 점에서 개루프(open-loop) 시스템이다. SVD(Singular Value Decomposition)을 기반으로 하는 MIMO 시스템은 좀더 효율적이나, 송신기와 수신기 모두 채널 정보를 알아야 하는 폐루프(closed-loop) 시스템이다.
MIMO 기술은 신호의 다중 경로 전파로 인해 발생되는 비상관된(de-correlated) 통신 채널을 얻는 것과 관련되어 있다. 최근에 대부분의 단말은 하나의 안테나를 갖지만, MIMO 시스템은 단말에서도 다중 안테나를 필요로 한다. 다중 안테나는 낮은 상호 상관 계수(cross-correlation coefficient)와 각 안테나에 의해 수신되는 신호들 사이에 상대적으로 동일한 신호 강도 레벨(signal strength level)이 제공되도록 설계되어야 한다. 2개의 수신 신호 사이의 상호 상관은 엔벨롭 상관 계수(envelope correlation coefficient; 이하 ECC)에 의해 특징지어질 수 있다. MIMO 시스템의 높은 효율성은 ECC가 0.5보다 작고, 각 안테나의 평균 수신 파워가 동일할 때 얻어질 수 있다.
그런데 ECC가 작아짐에 따라 안테나 간의 거리는 길어진다. MIMO 시스템의 설계에 있어서 중요한 문제점 중 하나는 단말의 크기이다. 단말의 크기는 작아야 하므로, 안테나 간의 거리를 증가시키기 어렵다. 이 상태에서 하나 이상의 안테나를 두기는 어렵다. 안테나는 단말의 가장 큰 요소 중의 하나이기 때문이다.
MIMO 시스템을 효율적으로 구성할 수 있는 기법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 클러스터링을 이용한 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 하나의 안테나를 갖는 단말을 이용한 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법을 제공한다. 각 단말에 대해 특정 클러스터에 속함을 알리는 클러스터 할당 메시지를 전송하고, 상기 클러스터 할당 메시지에 대한 응답을 수신한다.
다른 양태에 따르면, 특정 클러스터에 가입을 요청하는 클러스터 요청 메시지를 수신하고, 상기 클러스터 요청 메시지에 대한 응답을 전송한다,
또 다른 양태에 따르면, 클러스터로 가입하고, 상기 클러스터 내의 타 단말들과 데이터를 협력 수신 또는 협력 전송한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
이하의 기술은 CDMA(Code Division Multiple Access) 시스템, WCDMA(Wideband CDMA) 시스템, FDMA(Frequency Division Multiple Access) 시스템, TDMA(Time Division Multiple Access) 시스템, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반 시스템, OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템 등 다양한 통신 시스템에 사용될 수 있다. OFDM은 전체 시스템 대역폭(system bandwidth)을 다수의 직교 서브밴브(subband)로 효율적으로 분할하는 다중 반송파 변조 기술이다. 상기 서브밴브는 톤(tone), 자원블록(resource block), 빈(bin) 등으로 참조될 수 있다. 각 서브밴브는 데이터가 변조되는 각각의 부반송파와 연관된다(associate).
도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다. 무선 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.
도 1을 참조하면, 무선 통신 시스템은 다수의 단말(10; User Equipment, UE) 및 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다. 단말(10)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(Wireless Device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(20)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, 노드B(NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 하나의 기지국(20)에는 하나 이상의 셀이 존재할 수 있다.
이하에서 하향링크(downlink)는 기지국(20)에서 단말(10)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말(10)에서 기지국(20)으로의 통신을 의미한다.
기지국(20)은 자신의 영역에 속하는 단말(10)에 대해 클러스터(cluster)별로 묶을 수 있다. 또는, 단말(10)의 주변의 단말과 통신함에 따라 자신이 특정 클러스터에 속하도록 기지국(20)에 요청할 수 있다.
클러스터는 일정 영역에 속하는 단말(10)의 집합을 말한다. 도면에는 2개의 클러스터를 나타내고 있으나 클러스터의 수에는 제한이 없으며, 클러스터에 속하는 단말의 수에도 제한이 없다. 여기서는, 클러스터를 단말(10)의 집합으로 나타내고 있으나, 클러스터는 소스 송수신기(transceiver)를 두고 상기 소스 송수신기와 통신하는 복수의 타겟 송신기들의 집합을 의미하며, 반드시 단말에 한정되지는 않는다.
하향링크 전송은 기지국(20)에서 클러스터로 진행되고, 상향링크 전송은 클러스터에서 기지국(20)으로 진행된다. 기지국(20)은 다중 안테나를 가질 수 있고, 단말(10)은 적어도 하나의 안테나를 가질 수 있다. 기지국(20)에서 클러스터로 전송이 수행되는 경우, 클러스터 내의 단말(10)들이 적어도 하나의 수신 안테나 역할을 하게 된다. 각 단말(10)들은 수신한 신호를 클러스터 내의 다른 단말들에게 중계한다. 클러스터 내의 단말(10)들은 협력(cooperative) 수신한다. 클러스터에서 기지국(20)으로 전송이 수행되는 경우, 클러스터 내의 단말(10)들이 적어도 하나의 송신 안테나 역할을 하게 된다. 클러스터 내의 단말(10)들은 협력 전송을 통해 기지국(20)으로 신호를 전송한다. 따라서, '기지국-단말들의 클러스터'는 MIMO 시스템의 하향링크 전송이, '단말들의 클러스터-기지국'으로의 전송은 MIMO 시스템의 상향링크 전송과 마찬가지의 구성이 된다고 할 수 있다.
오늘날 거의 모든 사람이 적어도 하나의 단말(10)을 가진다. 따라서, 단말(10)의 밀도는 인구 밀도와 거의 같다. 단말(10)의 가장 높은 밀도는 사무실이나 수퍼마켓 등의 도시 환경 환경에서 얻어진다.
'기지국-단말들의 클러스터' 또는 '단말들의 클러스터-기지국' 형태로 전송이 이루어진다. 각 단말(10)은 적어도 하나의 안테나를 가진다. 가까이 위치한 단말들은 클러스터를 형성하여 MIMO 시스템에서의 다중 안테나 송신기 및/또는 수신 기로서 동작한다. 클러스터에 속하는 단말들은 각 단말에게 협력하여(concurrently) 동작한다. 클러스터 내에서 단말들간의 통신은 단말과 기지국간의 통신과 동일한 구성이 사용될 수 있고, 또는 다른 잘 알려진 근거리 통신 기술, 예를 들어 블루투스(bluetooth), IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11와 같은 무선랜(wireless LAN(Local Area Network))을 사용할 수 있다.
단말들간의 평균 거리는 작은 ECC(Envelope Correlation Coefficient)의 요구 조건을 충분히 만족할 정도로 크다고 할 수 있다. 클러스터 내의 단말들의 수는 충분히 클 수(일반적으로 4 이상) 있으므로 높은 성능을 얻을 수 있다. 따라서, MIMO 기법에서의 병렬 전송으로 인해 시스템 수율(throughtput)이 증가할 수 있다. 또한, 신호 페이딩의 감소로 인해 수신 신호의 품질과 신뢰성이 높아질 수 있다. 클러스터의 유효 SNR(Signal-to-Noise Ratio)는 하나의 단말의 것보다 높아져 기지국(20)의 유효 범위(coverage)가 더 넓어질 수 있다. 클러스터 내의 단말은 동일한 주파수에서 동일한 시간에 동작하므로 다른 주파수와 다른 시간 간격을 사용하는 종래 시스템에 비해 주파수 효율(spectral efficiency)이 더 높아질 수 있다. 제안된 시스템은 추가적인 전원 공급을 요구하지 않는다. 제안된 시스템은 확장된 주파수 밴드를 요구하지 않는다.
도 2는 2×2 MIMO 시스템의 모델링을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 2×2 MIMO 시스템은 기지국에서의 2개의 안테나와 2개의 단말로 구성된다. 여기서, 단말은 하나의 안테나를 갖는다고 한다. 채널 hij는 i번째 단말의 안테나에서 기지국에서의 j번째 안테나로의 채널을 나타낸다. 이때 채널 행렬(channel matrix) H는 다음 수학식 1과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00001
이제, 고유값(eigenvalue) λ1, λ2과 고유벡터(eigenvector) U1, U2를 구한다. 다음 수학식을 고려한다.
Figure 112007027436069-PAT00002
여기서, (·)H은 허미션 행렬(Hermitian matrix), (·)*은 복소 켤레(complex conjugate)이다. 수학식 2의 행렬에 대한 2개의 고유값을 구하기 위해서는 다음 수학식을 풀어야 한다.
Figure 112007027436069-PAT00003
수학식 3의 해는 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00004
얻어진 고유값으로부터, 고유벡터는 다음 수학식을 이용하여 얻을 수 있다.
Figure 112007027436069-PAT00005
수학식 5의 해는 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00006
Figure 112007027436069-PAT00007
고유벡터는 직교정규(orthonormal)이다. 즉 i=j일 때, Ui HUj = 1, i≠j일 때 Ui HUj = 0 이다.
채널을 통해 동시에 2개의 신호 c1, c2가 전송된다고 한다. 즉 2개의 단말이 각각 c1, c2를 상향링크로 전송한다. 신호 c1을 전송하기 위해 가중치 벡 터(weighting vector)
Figure 112007027436069-PAT00008
을 사용한다. 신호 c2을 전송하기 위해 가중치 벡터
Figure 112007027436069-PAT00009
을 사용한다. 2개의 가중치 벡터는 고유벡터 U1, U2와 마찬가지로 직교정규이다. 클러스터로부터 전송되는 신호 벡터 S는 다음 수학식과 같이 형성된다.
Figure 112007027436069-PAT00010
HHHUi = λiUi인 성질을 이용하면, 기지국에서 수신되는 신호 벡터 X는 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00011
이제, 기지국에서의 신호 처리를 고려한다. 신호 처리를 위해 고유벡터와 그들의 직교정규 성질을 이용한다. 즉, 수신 신호 잡음을 고려하고, 수신되는 신호 벡터에 각각 고유벡터를 곱하면 다음과 같은 안테나별 수신 신호를 얻을 수 있다.
Figure 112007027436069-PAT00012
여기서, d1, z1는 1번째 안테나에 대한 수신신호 및 잡음, d2, z2는 2번째 안테나에 대한 수신신호 및 잡음이다.
따라서, 클러스터로부터 기지국으로의 2 신호의 전송은 서로 독립적이고 동시에 이루어질 수 있다. '클러스터-기지국'의 통신은 마치 일반적인 MIMO 시스템과 동일한 방식으로 통신이 수행될 수 있다. 여기서는 '클러스터-기지국'의 상향링크 전송에 대하여 기술하고 있지만, '기지국-클러스터'의 하향링크 전송에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 3은 4×2 MIMO 시스템의 모델링을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 4×2 MIMO 시스템은 기지국에서의 2개의 안테나와 4개의 단말로 구성된다. 이때 채널 행렬(channel matrix) H는 다음 수학식 10과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00013
고유값 λ1, λ2과 고유벡터 U1, U2을 구하기 위해 다음 수학식을 고려한다.
Figure 112007027436069-PAT00014
고유값은 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00015
고유벡터는 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00016
Figure 112007027436069-PAT00017
채널을 통해 동시에 2개의 신호 c1, c2가 전송된다고 한다. 신호 c1을 전송하기 위해 가중치 벡터
Figure 112007027436069-PAT00018
을 사용한다. 신호 c2을 전송하기 위해 가중치 벡터
Figure 112007027436069-PAT00019
을 사용한다. HHHUi = λiUi인 성질과 기지국에서의 신호 처리를 고려하면, 안테나별 수신 신호는 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00020
여기서, d1, z1는 1번째 안테나에 대한 수신신호 및 잡음, d2, z2는 2번째 안테나에 대한 수신신호 및 잡음이다.
수학식 9와 14에서 전송 이득(transmission gain)은 고유값에 의해 정의된다. 이는 제안된 MIMO 시스템에서의 전송은 고유채널(eigenchannel)을 통한 전송으로 취급할 수 있음을 의미한다.
이하에서는 고유채널의 통계적 특성(statistical property)을 살펴본다.
도 4는 고유값의 확률 함수를 나타낸 그래프이다. 레일리(Reyleigh) 페이딩을 가정할 때, 2×2 MIMO와 4×2 MIMO에서의 고유값의 확률 함수(probability function)을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 4×2 MIMO의 제1 고유채널이 가장 큰 이득을 갖는다. 4×2 MIMO의 제2 고유채널은 확률 0.8에서 1보다 큰 이득을 갖는다. 2×2 MIMO의 제1 고유채널은 확률 0.8에서 2보다 큰 이득을 갖는다. 2×2 MIMO의 제2 고유채널은 확률 0.8에서 2보다 낮은 이득을 갖는다.
이제, 보다 일반화된 MIMO 시스템을 고려한다. 클러스터 내의 단말의 수를 M, 기지국에서의 안테나의 수의 N이라 하고, 클러스터에서 기지국으로의 OFDM 신호 전송을 고려한다.
주파수 영역에서, 각 주파수 부반송파에 대해 전송되는 신호는 복소 엔벨롭(complex envelope) s(f)로 주어진다. 클러스터에서 전송되는 신호 s1(f), s2(f), s3(f),..., sM(f)는 열 벡터(column vector) S(f)=[s1(f) s2(f) s3(f) ... sM(f)]T의 형태로 나타낼 수 있다. [·]T는 전치(transpose)를 말한다.
N×M 채널행렬 H(f)로부터 기지국에서 수신되는 신호 X(f)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007027436069-PAT00021
여기서, Z(f)는 시스템 잡음에 대한 벡터이다.
채널행렬 H(f)을 알고 있다고 한다. 채널행렬 H(f)의 SVD(Singular Value Decomposition)을 이용하면 상기 수학식 15는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007027436069-PAT00022
여기서, Λ0.5(f)는 그 대각 성분(diagonal entry)이 채널행렬 H(f)의 특이값(singular value)인 대각 행렬(diagonal matrix)이고, U(f)는 M×M 유니터리 행렬(unitary matrix), V(f)는 N×N 유니터리 행렬이다. Λ(f)는 그 대각 성분이 행렬 H(f)HH(f)의 특이값인 대각 행렬이다. 영이 아닌(nonzero) 특이값의 수 K는 K≤min(M,N)이다.
전송되기 전에, 벡터 S(f)는 S(f)=U(f)C(f) 변환으로부터 계산된다. 여기서, C(f)는 K 차원 벡터이다, 기지국에서 수신되는 벡터 X(f)는 D(f)=VH(f)X(f)로 변환된다. UH(f)U(f)와 VH(f)V(f)는 단위행렬이다. 결과적으로, 수학식 16으로부터 다음 식을 얻을 수 있다.
Figure 112007027436069-PAT00023
여기서, Z'(f)=VH(f)Z(f)로, Z(f)와 Z(f)의 통계적 성질은 동일하다.
수학식 17을 구성요소 별로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112007027436069-PAT00024
따라서, K개의 독립적인 등식을 얻을 수 있다. 이는 K개의 신호 c1(f), c2(f),..., cK(f)를 독립적이고 동시에(concurrently) 전송할 수 있음을 의미한다. 기지국에서 수신되는 K개의 신호 d1(f), d2(f),..., dK(f)는 신호 c1(f), c2(f),..., cK(f)와 이득 요소(gain factor)와 추가 잡음(additive noise)에 따라 다르다. 따라서, 수신 신호의 검출은 잘 알려진 방식으로 독립적으로 수행될 수 있다. 수학식 18은 직교 고유채널을 통한 정보의 전송으로 취급될 수 있음을 보여준다.
제안된 MIMO 시스템의 장점은 다음과 같다.
(1) 수학식 18은 시스템 수율이 MIMO 시스템에서의 병렬 전송으로 인해 증가될 수 있음을 보여준다. 병렬 전송되는 정보 스트림의 수는 안테나의 수와 채널 특성(채널행렬의 영이 아닌 특이값의 수)에 종속된다.
(2) 수신 정보의 품질과 신뢰성의 향상을 설명하기 위해 '단말-기지국'과 '클러스터-기지국'을 비교해보면, 후자의 경우 M개의 단말들이 신호를 동시에 그리고 독립적으로 전송하므로 평균 파워가 M배로 증가될 수 있다. 이외에도 고유채널들은 송신 및 수신 다이버시티로 인해 추가적인 이득을 가진다. 이는 제안된 MIMO 시스템에서의 평균 SNR이 더 높고, 페이딩이 완화되는 것을 의미한다.
(3) 고유채널에서의 높은 평균 SNR로 인해 유효 범위가 더 넓어진다.
(4) 고유채널이 직교하므로 클러스터 내의 단말은 동일한 주파수에서 동일한 시간에 동작할 수 있어 주파수 효율은 더 높아진다. 이에 반에 종래 시스템은 각 단말은 서로 다른 주파수 또는 서로 다른 시간 간격을 사용할 수밖에 없다.
(5) 제안된 MIMO 시스템은 단말들로부터 파워를 공급받고, 추가적인 파워를 요구하지 않는다.
(6) 제안된 MIMO 시스템은 수율이 단지 고유채널을 통해 병렬 전송을 통해 증가될 수 있으므로 확장된 주파수 밴드를 요구하지 않는다.
단말에서의 다중 안테나 구현은 그 작은 크기로 인해 안테나 사이의 전자기 커플링(electromagnetic coupling)의 완화와 관련된 중요한 기술적 문제 중 하나이 다. 이는 커다란 ECC와 작은 효율을 초래한다. 단말의 클러스터링에 기반한 MIMO 시스템에 의하면, 안테나들 사이의 작은 상관 계수가 쉽게 충족되고, 클러스터 내의 단말의 수는 클러스터가 훌륭한 성능을 제공하기에 충분히 많다.
기존의 하나의 안테나를 갖는 단말은 단말 클러스터링에 기반한 MIMO 시스템으로 용이하게 갱신될 수 있다. 단말들간의 통신은 블루투스나 IEEE 802.11 등과 같은 근거리 네트워크를 통해 이루어질 수 있다.
이하에서는 기지국과 단말 간에 클러스터 정보를 교환하기 위한 방법에 대해 기술한다.
도 5는 기지국에서 클러스터로의 클러스터링 요청을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 기지국은 클러스터로 클러스터 할당 메시지를 전송한다(S210). 클러스터 할당 메시지는 기지국이 어느 단말이 클러스터에 속하는지를 각 단말에게 알려주는 메시지이다. 클러스터는 여러 단말의 집합이라 할 수 있다. 클러스터 할당 메시지는 브로드캐스트(broadcast) 채널 또는 멀티캐스트(multicast) 채널을 통해 각 단말로 전송될 수 있다. 브로드캐스트 채널은 특정 영역(예를 들어, 셀 및/또는 섹터) 내의 모든 단말로 보내는 것이고, 멀티캐스트 채널은 단말의 특정 그룹으로 보내는 것을 말한다.
클러스터 할당 메시지를 수신한 각 단말은 클러스터 응답 메시지를 기지국으로 전송한다(S220). 클러스터 응답 메시지는 각 단말이 자신이 특정 클러스터에 속함을 기지국으로 알려준다.
도 6은 단말에서 기지국으로의 클러스터링 요청을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 단말은 기지국으로 클러스터 요청 메시지를 전송한다(S310). 클러스터 요청 메시지는 단말이 특정 클러스터에 가입하는 것을 기지국에 요청하는 메시지이다. 클러스터 요청 메시지는 상향링크 전용(dedicated) 제어채널을 통해 전송될 수 있다. 단말은 주변의 단말을 인지하여, 자신이 속하는 기지국으로 주변의 단말들과 협력 전송하기 위해 클러스터로의 가입을 기지국에 요청한다.
클러스터 요청 메시지를 수신한 기지국은 클러스터 응답 메시지를 단말로 전송한다(S320). 클러스터 응답 메시지는 단말이 요청한 특정 클러스터에 속하는 것을 승인하거나 불허하는 정보를 포함한다.
도 7은 MIMO 시스템의 프레임 구조의 일 예를 나타낸다. 프레임은 물리적 사양에 의해 사용되는 고정된 시간 동안의 데이터 시퀀스이다. 가로축은 OFDM 심벌 수를 세로축은 서브채널의 논리적인 수를 나타낸다.
도 7을 참조하면, FDMA 프레임은 하향링크 프레임과 상향링크 프레임을 포함한다. 시간 분할 이중(Time Division Duplex)은 상향링크와 하향링크 전송이 동일 주파수를 공유하지만 서로 다른 시간에 일어나는 방식이다. 하향링크 프레임은 상향링크 프레임보다 시간적으로 앞선다. 하향링크 프레임은 프리앰블(preamble), FCH(Frame Control Header), DL(Downlink)-MAP, UL(Uplink)-MAP, 버스트 영역의 순서로 시작된다.
상향링크 프레임과 하향링크 프레임을 구분하기 위한 보호시간(guard time) 이 프레임의 중간 부분(하향링크 프레임과 상향링크 프레임 사이)과 마지막 부분(상향링크 프레임 다음)에 삽입된다. TTG(transmit/receive transition gap)는 다운링크 버스트와 계속되는(subsequent) 상향링크 버스트 사이의 갭이다. RTG(receive/transmit transition gap)는 상향링크 버스트와 계속되는 하향링크 버스트 사이의 갭이다.
프리앰블은 초기 동기, 셀 탐색, 주파수 오프셋 및 채널 추정에 사용된다. FCH는 DL-MAP 메시지의 길이와 DL-MAP의 코딩 방식(coding scheme) 정보를 포함한다. DL-MAP 메시지는 레인징(ranging) 구간의 위치나 각 단말에게 할당된 자원을 포함하며, UL-MAP 메시지는 상향링크 전송에 필요한 정보를 포함한다. 하향링크에서 서브채널 할당은 일부 서브채널만 할당되는 PUSC(Partial Usage of Subchannels)와 모든 서브채널들이 할당되는 FUSC(Full Usage of the Subchannels)가 있다.
하향링크 메시지인 클러스터 할당 메시지는 DL-MAP 메시지 또는 UL-MAP 메시지에 포함되어 단말로 전송될 수 있다. 상향링크 메시지인 클러스터 요청 메시지는 상향링크 제어심벌에 포함되어 기지국으로 전송될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 전송 방법을 나타낸 흐름도이다. 여기서는, 클러스터가 3개의 단말(UE1, UE2, UE3)을 포함한다고 하나, 클러스트에 포함되는 단말의 수에는 제한이 없다.
도 8을 참조하면, 제1 단말(UE1)이 기지국으로 상향링크 데이터를 전송한다(S510). 이와 동시에 클러스터 내의 다른 단말들은 상기 상향링크 데이터를 청취 한다(listen)(S520). 제1 단말(UE1)은 기지국으로 상향링크 데이터를 전송하지만 그 주변의 제2 단말(UE2)과 제3 단말(UE3)도 상기 상향링크 데이터를 수신할 수 있다.
기지국은 상향링크 데이터에서 에러가 검출된 경우NACK(Non-Acknowledgement) 메시지를 클러스터로 전송한다(S530). 상향링크 데이터를 수신한 기지국은 에러 유무를 판단하여, 에러가 검출된 경우 NACK 메시지를 전송한다. 이 NACK 메시지는 클러스터 내의 모든 단말(UE1, UE2, UE3)이 수신할 수 있다. 기지국은 에러가 검출되지 않은 경우 ACK(Acknowledgement) 메시지를 보낼 수 있다. 여기서, NACK 메시지는 상향링크 데이터에서의 에러 발생을 가리키는 메시지이며, 또한, 클러스터로 상기 상향링크 데이터의 재전송을 요청하는 재전송 요청 메시지라 할 수 있다.
클러스터내의 모든 단말은 재전송 데이터를 기지국으로 전송한다(S540). 제1 단말(UE1)은 재전송 데이터를 기지국으로 전송하고, 제2 단말(UE2)은 재전송 데이터를 기지국으로 전송하고, 제3 단말(UE3)은 재전송 데이터를 기지국으로 전송한다. 재전송 데이터는 상기 상향링크 데이터와 동일할 수 있다. 기지국으로부터 재전송 요청이 있는 경우 클러스터 내의 단말들 사이의 협력 전송을 통해 재전송 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다. 따라서, HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request) 방식을 사용하는 경우에 있어서 신뢰성을 높일 수 있다.
비록 클러스터에 속하는 단말일지라도, 상향링크 데이터를 청취하는 데 실패할 수 있다. 예를 들어, 상향링크 데이터를 수신하고 이를 디코딩하는 데 실패한 경우이다. 청취에 실패한 단말은 비록 기지국으로부터 NACK 메시지를 수신하더라도 재전송 데이터를 보내지 않는다. 클러스터내의 단말들 중 청취에 성공한 단말이 협력 전송에 기여한다.
도 9는 재전송에 따른 프레임에서의 무선자원 할당을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 클러스터 내의 단말은 재전송시 초기 전송과 동일한 무선 자원을 통해 전송할 수도 있고, 서로 다른 무선 자원을 통해 전송할 수도 있다. 초기 전송시에 제1 단말(UE1)은 할당된 상향링크 자원을 통해 상향링크 데이터를 전송한다.
재전송시에 클러스터 내의 단말(UE1, UE2, UE3)은 초기 전송과 다른 상향링크 자원을 통해 재전송 데이터를 전송한다. 재전송시 할당되는 무선 자원은 주파수 자원뿐 아니라 시간 자원 및/또는 코드 자원을 서로 달리할 수 있다.
상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범 위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
본 발명에 의하면 단말의 클러스터링에 기반한 MIMO 시스템을 구현함으로써, 단말의 크기를 크게 증가시키지 않고도 안테나들 사이의 작은 상관 계수가 쉽게 만족될 수 있다. 또한, 기존의 적어도 하나의 안테나를 갖는 단말을 통해 MIMO 시스템을 용이하게 구현할 수 있다.

Claims (9)

  1. 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,
    각 단말에 대해 특정 클러스터에 속함을 알리는 클러스터 할당 메시지를 전송하는 단계; 및
    상기 클러스터 할당 메시지에 대한 응답을 수신하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 응답을 수신한 후에 상기 특정 클러스터에 속하는 단말들로부터 데이터를 동시에 수신하는 단계를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 응답을 수신한 후에 상기 특정 클러스터에 속하는 단말들로 데이터를 동시에 전송하는 단계를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 클러스터에는 복수의 단말이 속하는 데이터 전송 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    단말은 하나의 안테나를 포함하며, 상기 단말은 독립적인 고유채널(eigenchannel)을 구성하는 데이터 전송 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 클러스터에 속하는 특정 단말로부터 상향링크 데이터를 수신하는 단계;
    상기 상향링크 데이터에 대한 재전송 요청을 전송하는 단계; 및
    상기 클러스터에 속하는 단말들 중 상기 특정 단말을 제외한 적어도 하나의 다른 단말로부터 상기 상향링크 데이터에 대한 재전송 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하는 데이터 전송 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상향링크 데이터가 사용되는 무선 자원과 상기 재전송 데이터 사용하는 무선 자원을 서로 다른 데이터 전송 방법.
  8. 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,
    특정 클러스터에 가입을 요청하는 클러스터 요청 메시지를 수신하는 단계; 및
    상기 클러스터 요청 메시지에 대한 응답을 전송하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법.
  9. 다중 안테나 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,
    클러스터로 가입하는 단계; 및
    상기 클러스터 내의 타 단말들과 데이터를 협력 수신 또는 협력 전송하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법.
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