KR20080107783A - 다중 안테나 시스템에서 가중치 정보 전송 방법 - Google Patents

다중 안테나 시스템에서 가중치 정보 전송 방법 Download PDF

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다중 안테나 시스템에서 기지국이 단말로 프리코딩에 사용되는 가중치 정보를 전송하는 가중치 정보 전송 방법을 제공한다. 상기 방법은 가중치와 상기 가중치에 대한 가중치 인덱스를 포함하는 전용 파일럿을 생성하는 단계 및 상기 전용 파일럿을 전송하는 단계를 포함한다. 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 함께 실어 전송함으로써 수신기에서의 검출 성능을 높일 수 있다.

Description

다중 안테나 시스템에서 가중치 정보 전송 방법{Method for transmitting weight information in multiple antenna system}
도 1은 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기를 나타낸 블록도이다.
도 3은 서브프레임의 일 예를 나타낸다.
도 4는 4 송신 안테나와 랭크 1인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 4 송신 안테나와 랭크 2인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 2 송신 안테나와 랭크 1인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 2 송신 안테나와 랭크 2인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다.
** 도면의 주요부분의 부호에 대한 설명 **
110 : 다중화부
120 : 프리코딩부
130 : 부반송파 할당부
140 : OFDM 변조기
160 : 가중치 결정부
본 발명은 무선 통신에 관한 것으로 보다 상세하게는 다중 안테나 시스템에서 가중치 정보를 전송하는 방법에 관한 것이다.
정보 통신 서비스의 보편화와 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 고품질 서비스의 출현 등 통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위해 다양한 무선 통신 기술들이 여러 분야에서 연구되고 있다.
차세대 무선 통신 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 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술과 MIMO(multiple input multiple output) 기술이다.
OFDM은 다수의 직교 부반송파(subcarrier)를 이용한다. OFDM은 IFFT(inverse fast Fourier Transform)과 FFT(fast Fourier Transform) 사이의 직교성 특성을 이용한다. 송신기에서 데이터는 IFFT를 수행하여 전송한다. 수신기에서 수신신호에 대해 FFT를 수행하여 원래 데이터를 복원한다. 송신기는 다중 부반송파들을 결합하기 위해 IFFT를 사용하고, 다중 부반송파들을 분리하기 위해 수신기는 대응하는 FFT를 사용한다. OFDM에 의하면, 광대역 채널의 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading) 환경에서 수신기의 복잡도를 낮추고, 부반송파간의 상이한 채널 특성을 활용하여 주파수 영역에서의 선택적 스케줄링 등을 통해 주파수 효율(spectral efficiency)을 높일 수 있다. OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)는 OFDM을 기반으로 한 다중 접속 방식이다. OFDMA에 의하면 다중 사용자에게 상이한 부반송파를 할당함으로써 무선자원의 효율성을 높일 수 있다.
MIMO 기법은 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.
다중 안테나에 의해 제공되는 MIMO 채널은 독립 채널로 분해될(decompose) 수 있다. 송신 안테나의 수를 Nt, 수신 안테나의 수를 Nr이라 할 때, 독립 채널의 수 Ni는 Ni ≤ min{Nt, Nr}이 되고, 각각의 독립 채널은 공간 계층(spatial layer)이라고 할 수 있다. 일반적으로 랭크(rank)는 MIMO 채널 행렬의 영이 아닌 고유값(non-zero eigenvalue)의 수로 정의된다.
MIMO 시스템에서 송신기는 전송 신호에 가중치를 곱하는 프리코딩을 수행한다. 프리코딩은 가중치를 사용하여 전송 신호를 선처리하여 전송하는 기법으로, 가중치는 전송 신호가 경험할 채널을 바탕으로 선택 또는 계산된다. 일반적으로 FDD(Frequency Division Duplex) 시스템에서 수신기가 가중치를 결정하여 송신기로 전송하고, 송신기는 보고된 가중치를 바탕으로 실제 전송에 사용될 가중치를 결정한다. TDD(Time Division Duplex) 시스템에서 송신기는 사운딩 채널(sounding channel)을 통해 가중치를 결정한다.
수신기에서 프리코딩된 신호를 후처리하기 위해서는 상기 가중치를 알아야 한다. 즉 송신기는 상기 가중치에 대한 정보를 수신기로 보내주어야 한다. 그런데 일반적으로 가중치는 벡터 또는 행렬 형태로 구성되므로, 벡터 또는 행렬의 각 요소(element)에 대한 정보를 그대로 전송하는 경우 전송에 따른 오버헤드가 커서 주파수 효율이 떨어질 수 있다.
프리코딩을 이용한 다중 안테나 시스템에서 가중치 정보를 효율적으로 전송하기 위한 기법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전용 파일럿에 가중치 인덱스를 실어 보내는 가중치 정보 전송 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면 다중 안테나 시스템에서 기지국이 단말로 프리코딩에 사용되는 가중치 정보를 전송하는 가중치 정보 전송 방법을 제공한다. 상기 방법은 가중치와 상기 가중치에 대한 가중치 인덱스를 포함하는 전용 파일럿을 생성하는 단계 및 상기 전용 파일럿을 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어 신호 전송 방법을 제공한다. 상기 방법은 파일럿에 상기 MIMO 제어 신호를 다중화 하는 단계, 상기 다중화된 파일럿에 대해 프리코딩을 수행하는 단계 및 상기 프리코딩된 파일럿을 전송하는 단계를 포함한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 무선통신 시스템을 나타낸 블록도이다. 무선통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.
도 1을 참조하면, 무선통신 시스템은 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, 노드-B(Node-B), 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. 하향링크에서 송신기는 기지국(20)의 일부분일 수 있고, 수신기는 단말(10)의 일부분일 수 있다. 상향링크에서 송신기는 단말(10)의 일부분일 수 있고, 수신기는 기지국(20)의 일부분일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신기를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 송신기(100)는 다중화부(multiplexing unit, 110), 프리코 딩부(120), 부반송파 할당부(130), OFDM 변조기(140) 및 가중치 결정부(160)를 포함한다. 송신기(100)는 Nt(Nt>1)개의 송신 안테나(190-1,..,190-Nt)를 포함한다.
다중화부(110)는 파일럿에 가중치 인덱스를 다중화하여 출력한다. 파일럿은 채널 추정을 위해 송신기(100)와 수신기간에 알려진 신호로 기준신호(reference signal)이라고 한다. 가중치 인덱스는 가중치 결정부(160)로부터 전송되는 프리코딩에 사용되는 가중치에 대한 인덱스이다. 가중치 인덱스는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어신호의 하나이다.
프리코딩부(140)는 입력되는 데이터에 대해 가중치(weight)를 곱하여 프리코딩을 수행한다. 프리코딩부(140)가 사용하는 가중치에 대한 정보는 가중치 결정부(160)로부터 수신한다. 프리코딩부(140)로 다중화부(110)에서 출력되는 가중치 인덱스가 다중화된 파일럿이 입력될 수 있다. 상기 다중화된 파일럿에 대해 프리코딩을 수행하여 얻어지는 신호를 전용 파일럿(dedicated pilot)이라 한다. 전용 파일럿은 가중치와 가중치 인덱스가 함께 실린 파일럿이라 할 수 있다.
부반송파 할당부(130)는 프리코딩된 신호, 전용 파일럿 및 공용 파일럿(common pilot)에 대해 부반송파를 할당한다. 공용 파일럿은 채널 추정을 위해 전송되는 파일럿을 말하고, 전용 파일럿은 채널과 가중치가 포함된 값을 추정할 수 있도록 전송되는 파일럿을 말한다. 또한, 전용 파일럿에는 가중치 인덱스가 함께 실린다.
OFDM 변조기(140)는 입력 심벌을 OFDM 변조하여 OFDM 심벌을 출력한다. OFDM 변조기(140)는 입력 심벌에 대해 IFFT(inverse fast Fourier transform)를 수행할 수 있으며, IFFT를 수행한 후 CP(cyclic prefix)를 더 삽입할 수 있다. OFDM 심벌은 각 송신 안테나(190-1,..,190-Nt)를 통해 송신된다.
가중치 결정부(160)는 코드북(165)으로부터 가중치를 선택한다. 코드북(165)은 적어도 하나의 가중치를 포함하는 가중치의 집합이다. 다중 송신 안테나를 갖는 송신기에서 가중치는 행렬 또는 벡터 형태로 되며, 프리코딩 행렬, 프리코딩 부호 등 기타 다른 용어로 불릴 수 있다. 예를 들어, 코드북(165) B가 6가지 가중치 W를 포함한다고 하면, B={W0, W1, W2, W3, W4, W5}이 되고, 윗첨자는 가중치 인덱스를 나타낸다. 코드북(165)으로부터 가중치를 선택하는 방법에는 제한이 없으며, 수신기로부터의 귀환 정보없이 가중치를 결정하는 개루프(open-loop) 방식 또는 수신기로부터의 귀환 정보를 통해 가중치를 결정하는 폐루프(closed-loop) 방식을 적용할 수 있다. 가중치 결정부(160)는 결정된 가중치에 대한 정보를 프리코딩부(120)로 보내고, 또한 가중치 인덱스를 다중화부(110)로 보내 파일럿과 다중화시킨다.
전술한 바와 같이, 수신기가 프리코딩된 신호를 처리하기 위해서는 가중치 또는 가중치 인덱스를 알아야 한다. 가중치 정보의 전송에 따른 오버헤드를 줄이고, 수신기에서 가중치 정보의 검출 성능을 높이기 위해 제안된 기법에서는 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 동시에 실어 전송한다.
도 3은 서브프레임의 일 예를 나타낸다. 서브프레임(subframe)은 시간 영역에서 복수의 OFDM 심벌과 주파수 영역에서 복수의 부반송파를 포함한다. 서브 프레임은 각 송신 안테나별로 정의되는 하나의 자원 그리드(resource grid)이다. 전송 시간 간격(Transmission Time Interval; TTI)은 하나의 서브 프레임이 전송되는 시간을 의미한다. 무선 프레임(radio frame)은 복수의 서브 프레임을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나의 무선 프레임은 10개의 서브 프레임을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 공용 파일럿(common pilot, T1, T2, T3, T4)과 전용 파일럿(dedicated pilot, P1, P2)이 서브프레임 상에서 분산되어 배치된다. 제1 공용 파일럿(T1)은 제1 송신 안테나를 통해 전송되는 공용 파일럿이고, 제2 공용 파일럿(T2)은 제2 송신 안테나를 통해 전송되는 공용 파일럿이고, 제3 공용 파일럿(T3)은 제3 송신 안테나를 통해 전송되는 공용 파일럿이고, 제4 공용 파일럿(T4)은 제4 송신 안테나를 통해 전송되는 공용 파일럿이다. 제1 전용 파일럿(P1)은 제1 송신 안테나를 통해 전송되는 전용 파일럿이고, 제2 전용 파일럿(P2)은 제2 송신 안테나를 통해 전송되는 전용 파일럿이다.
여기서는 4개의 송신 안테나에 대한 공용 파일럿과 2개의 송신 안테나에 대한 전용 파일럿을 나타내고 있으나, 공용 파일럿 또는 전용 파일럿이 전송되는 송신 안테나의 수는 제한이 없다. 또한, 공용 파일럿과 전용 파일럿의 배치는 예시에 불과하고 기타 다양한 형태로 서브프레임 상에 배치될 수 있다.
이제 전용 파일럿을 이용한 수신 신호의 검출에 대해 기술한다.
수신 신호 벡터 y에 대한 모델을 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112007041702353-PAT00001
여기서, H는 채널 행렬, W는 가중치, S는 신호 벡터, N은 잡음 벡터이다. 가중치 W는 행렬 또는 벡터 형태가 될 수 있다. 공용 파일럿은 채널 행렬 H를 추정하는 데 사용한다. 전용 파일럿은 HW를 추정하는 데 사용한다. 즉, 수신기는 S를 검출하기 위해 전용 파일럿에서 획득되는 HW를 사용한다.
전용 파일럿은 등가 채널(equivalent channel) HW를 이용하여 직접 S를 검출할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전용 파일럿이 공용 파일럿과 함께 전송될 때, 공용 파일럿에 의해 추정된 채널은 전용 파일럿으로부터 획득한 가중치를 사용하여 등가 채널로 변환해야 하기 때문에 결국 전용 파일럿은 가중치를 전달하기 위한 신호가 된다. 전용 파일럿을 통해 전송되는 가중치는 동작 영역에서 타겟 검출 에러 확률(target detection error probability)를 만족하여야 하기 때문에 적당한 전송 방법이 고려되어야 한다.
전용 파일럿에 의할 경우 수신기는 직접적인 가중치 W는 알지 못하더라도 HW를 통해 신호 벡터 S를 검출할 수 있는 장점이 있다. 그런데, 일반적인 코드북 기반의 프리코딩 기법에서 코드북은 채널을 대표할 수 있는 값을 위주로 설계되므로, 코드북에 포함되는 가중치 간의 검출 성능은 고려되지 않는다. 따라서, 전용 파일럿에 단순히 가중치만을 실어 전송하는 경우 검출 성능을 보장할 수 없다. 본 발명에서는 전용 파일럿에 포함되는 가중치와 더불어 가중치 인덱스를 함께 실어 전송 함으로써 더 나은 검출 성능을 얻도록 한다.
이제 가중치 인덱스를 전용 파일럿에 함께 실어 보내는 방법에 대해 기술한다.
가중치 인덱스는 코드북으로부터 프리코딩을 위해 선택되는 가중치의 인덱스를 말한다. 설명을 명확히 하기 위해, 송신 안테나의 수를 Nt라 하고, 가중치 인덱스를 위해 4개의 전송 심벌(s1, s2, s3, s4)이 사용된다고 한다. QPSK 변조를 사용할 경우 4 전송 심벌은 모두 8비트의 코드워드를 나타낼 수 있다. 즉 가중치 인덱스로 8비트의 코드워드를 사용하고, 이를 4개의 전송 심벌로 맵핑하여 전송한다고 한다.
표 1은 각 랭크별로 전용 파일럿을 통해 가중치와 가중치 인덱스를 실어 전송하는 일 예를 나타낸다.
Figure 112007041702353-PAT00002
랭크 1에 있어서, 가중치 W는 Nt×1 벡터가 되고, 각 가중치에 하나씩의 전송 심벌을 싣는다. 모두 4번의 전송을 통해 하나의 가중치 인덱스를 전송할 수 있다. 랭크 2에 있어서, 가중치 W는 Nt×2 행렬이 되고, 각 열(column) 벡터 W1, W2에 전송 심벌을 싣는다. 랭크 3에 있어서, 가중치 W는 Nt×3 행렬이 되고, 각 열 벡터 W1, W2, W3에 전송 심벌을 싣는다. 랭크 4에 있어서, 가중치 W는 Nt×4 행렬이 되고, 각 열 벡터 W1, W2, W3, W4에 전송 심벌을 싣는다.
가중치 인덱스가 실린 전용 파일럿을 수신하는 수신기는 코드북으로부터 가중치와 가중치 인덱스를 곱한 결과를 하나씩 상기 전용 파일럿에 상관시켜 가면서, 가중치를 얻을 수 있다.
표 2는 공간 다중화(spatial multiplexing)에 있어서 전용 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 실어 보내는 일 예를 나타낸다.
Figure 112007041702353-PAT00003
공간 다중화의 경우 랭크의 수만큼 전송 심벌을 다중화하여 전송할 수 있다. 랭크가 2인 경우 최대 2개의 전송 심벌을 다중화하여 전송할 수 있다. 랭크가 4인 경우 4 전송 심벌을 한번에 보낼 수 있으므로, 하나의 가중치 인덱스에 대한 정보를 한번에 보낼 수 있다.
전용 파일럿은 가중치 정보를 전송해야 하기 때문에 랭크가 증가함에 따라 요구되는 자원이 증가하므로, 제한적인 자원하에서 내에서는 높은 랭크에 대한 가중치 정보를 모두 표현할 수 없을 수 있다. 제안하는 기법에 의하면 모든 랭크에 대하여 동일한 자원을 사용할 수 있다.
표 3은 전용 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 실어 보내는 일 예를 나타낸다.
Figure 112007041702353-PAT00004
랭크가 2인 경우 부반송파(또는 OFDM 심벌)별로 가중치에 곱해지는 2개의 전송 심벌의 위치를 바꿈으로써 안테나 다이버시티 이득을 얻는다. 랭크가 3보다 큰 경우 전송 심벌들을 순환 쉬프트(cyclic shift)시켜 가며 전송한다.
공간 다중화 방식에서는 전송 심벌들이 항상 동일한 송신 안테나를 통해 전송된다. 전송 심벌들은 자원에 따라 서로 다른 송신 안테나를 통해 전송함으로써 공간 다이버시티(spatial diversity)를 얻을 수 있다.
표 4는 전용 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 실어 보내는 다른 예를 나타낸다.
Figure 112007041702353-PAT00005
전송 심벌의 전송을 위해 STBC(Space-Time Block Code) 또는 SFBC(Space-Frequency Block Code) 방식을 적용한 것이다. 여기서, s1 *, s2 *, s3 *, s4 * 는 각각 s1, s2, s3, s4의 켤레 복소수(complex conjugate)이다. STBC나 SFBC 방식을 이용할 경우 수신기에서의 복잡도를 낮출 수 있다.
도 4는 4 송신 안테나와 랭크 1인 경우 검출 에러율(detection error rate)을 나타낸 그래프이다. 도 5는 4 송신 안테나와 랭크 2인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다. 도 6은 2 송신 안테나와 랭크 1인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다. 도 7은 2 송신 안테나와 랭크 2인 경우 검출 에러율을 나타낸 그래프이다.
'precoded PMI'은 제안된 기법에 의한 경우이고, 'dedicated pilot'은 파일럿에 가중치 인덱스를 제외한 가중치만을 실은 경우이고, 'SFBC'는 일반적인 SFBC 전송 방식을 적용한 경우이다. 제안된 기법에서 'SM style'은 표 2와 같은 전송 방식을, 'VAP style'은 표 3과 같은 전송 방식을, 'SFBC style'은 표 4와 같은 전송 방식을 사용한다. '8' 또는 '4'는 코드북에 포함되는 가중치의 수이다.
도 4 내지 7을 참조하면, 제안된 기법에 의한 경우가 검출 에러율이 낮다. 검출 에러율은 수신기가 수신되는 가중치 정보를 통해 올바른 가중치를 찾지 못할 확률로, 검출 에러율이 낮을수록 정확한 가중치를 찾을 확률이 높다.
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 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예를 포함한다고 할 것이다.
상기에서 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 파일럿에 가중치와 가중치 인덱스를 함께 실어 전송함으로써 수신기에서의 검출 성능을 높일 수 있다.

Claims (5)

  1. 다중 안테나 시스템에서 기지국이 단말로 프리코딩에 사용되는 가중치 정보를 전송하는 가중치 정보 전송 방법에 있어서,
    가중치와 상기 가중치에 대한 가중치 인덱스를 포함하는 전용 파일럿을 생성하는 단계; 및
    상기 전용 파일럿을 전송하는 단계를 포함하는 가중치 정보 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전용 파일럿은 상기 가중치 인덱스를 실은 파일럿에 대해 상기 가중치를 이용하여 프리코딩을 수행하여 생성되는 가중치 정보 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가중치 인덱스는 코드북으로부터 선택되는 상기 가중치에 대한 인덱스인 가중치 정보 전송 방법,
  4. MIMO(Multiple Input Multiple Output) 제어 신호 전송 방법에 있어서,
    파일럿에 상기 MIMO 제어 신호를 다중화하는 단계;
    상기 다중화된 파일럿에 대해 프리코딩을 수행하는 단계; 및
    상기 프리코딩된 파일럿을 전송하는 단계를 포함하는 MIMO 제어 신호 전송 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 MIMO 제어 신호는 상기 프리코딩을 수행하는 데 사용되는 가중치에 대한 인덱스인 MIMO 제어 신호 전송 방법.
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