KR20090117583A - 다중 안테나 시스템에서의 프리코딩 코드북 생성 방법 및 데이터 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서의 프리코딩 코드북 생성 방법 및 데이터 전송 방법은 단일 행렬과 위상 천이 행렬을 이용하여 프리코딩 코드북을 확장하여 생성하고, PMI 피드백 주기와 랭크 피드백 주기에 보내는 피드백 데이터를 최소한의 무선자원을 이용하여 전송한다. 이를 통해 다중 안테나 시스템의 복잡도 및 오버헤드를 줄일 수 있다.

Precoding, 코드북, PMI, DFT, Rank

Description

다중 안테나 시스템에서의 프리코딩 코드북 생성 방법 및 데이터 전송 방법{Methods of generating precoding codebook and transmitting data in Multi Input and Multi output antenna system}

본 발명은 무선 통신 시스템의 다중 안테나 시스템에서의 데이터 생성 및 전송 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 다중 안테나 시스템에서의 프리코딩 코드북 생성 방법 및 피드백 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

무선 채널 환경에서 전송된 신호의 반사파에 의한 다중 반사파 현상은 통신 시스템의 수신 성능을 저하시키는 주요한 요인이나 MIMO(Multi input and Multi output) 기법을 채용한 다중 안테나 시스템에서는 송수신단에 복수의 안테나를 사용하는 방법을 통해 다중 반사파로부터 전송 속도, 용량 증대, 커버리지 증대 효과를 얻을 수 있다.

MIMO 기법을 적용한 다중 안테나 시스템은 크게 수신단으로부터의 피드백 정보를 이용하지 않는 개루프 다중 안테나 시스템과 피드백 정보를 이용하는 폐루프 다중 안테나 시스템이 있다. 구체적으로는 폐루프 다중 안테나 시스템은 수신단이 채널 상태에 관한 피드백 정보를 송신단으로 전송하고 이를 통해 송신단이 채널 상 태를 파악하도록 하여 다중 안테나 시스템의 성능 향상을 도모한다.

폐루프 다중 안테나 시스템에서는 송신단의 다수의 안테나들을 그룹화하여 일부는 데이터 전송 속도 향상을 위한 공간 다중화 용도로 사용하고 일부는 데이터 전송의 신뢰성 향상을 위한 다이버시티 용도로 사용하는 안테나 그룹핑 기법, 송신단에서 수신단에서부터 피드백되는 채널 정보를 토대로 어떠한 안테나를 사용하는 것이 최적인가를 판단하여 MIMO에 관여하는 안테나를 동적으로 선택하는 안테나 선택 기법, 송신단에서 수신단으로부터 전송된 채널 환경에 관한 피드백 정보를 이용하여 전송 데이터에 소정의 처리를 하여 채널의 영향을 최소화하는 프리코딩 기법 등을 사용한다.

이중 프리코딩 기법은, 신호대잡음비(Signal to Noise raion;SNR)를 높이기 위한 방법으로 폐루프 시스템에서 피드백 정보가 유한한 경우에 이용되는 코드북 기반의 프리코딩(codebook based precoding) 방식과 채널 정보를 양자화(quantization)하여 피드백하는 프리코딩 방식이 있다.

코드북 기반의 프리코딩은 송수신단에서 이미 공유하고 있는 프리코딩 행렬의 인덱스를 수신단이 송신단으로 피드백하여 송신단에서 그 인덱스가 지시하는 성분으로 송신 데이터를 변형하는 방식이다. 즉, 채널 정보를 전부 피드백 하는 것은 시스템 오버헤드가 크므로, 피드백 하기 위한 채널 정보를 양자화하여 이들로 코드북을 구성하고, 각 코드북 성분에 인덱스를 할당하고 수신단이 이 인덱스만을 송신단으로 피드백하여 시스템의 오버헤드를 줄인다.

종래 폐루프 다중 안테나 시스템에서의 단독 사용자의 경우, 단말과 같은 수 신단에서 피드백하는 안테나 가중치의 데이터 양에 따라 그 피드백의 정확도가 달라짐으로써 다중 안테나 시스템의 성능이 좌우된다. 송신 안테나의 수가 4개 이상일 때는 이와 비례하여 코드북의 크기가 커지므로 피드백해야 되는 데이터의 양도 많아지게 된다. 또한 안테나의 구조 및 간격에 따라서 상이한 성능을 보이기도 한다.

상기 기술한 바와 같이 코드북 기반의 프리코딩 방식은 코드북을 설계하는 방식에 따라 그 성능에 큰 차이가 발생하는데 피드백하는 데이터의 양을 줄이면서 코드북 수신기의 복잡도를 줄이면서도 성능이 우수한 코드북의 설계가 필요하다.

또한 종래의 코드북 들이 상관도가 낮은 채널에서는 우수한 성능을 보이나 채널 상관도가 높을 때는 성능향상을 기대하기 어렵게 설계되어 있고, 코드북 크기 확장 및 채널 상태에 따른 코드북의 적응능력 (Adaptability)을 가지는 구조적인 (Systematic) 코드북 설계가 용이하지 않다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술에서의 필요성 및 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 전송 효율이 좋은 데이터 통신 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 코드북 기반 프리코딩 방식의 폐루프 다중 안테나 시스템에서 복잡도를 줄이면서도 확장이 용이한 코드북 설계방식을 제공하고 오버헤드가 적은 코드북의 피드백 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양상은 다중 안테나 시스템에서 프리코딩을 위한 코드북(Precoding codebook)을 생성하는 방법에 대해 제안한다. 이를 위해, 단일 행렬로 구성되는 프리코딩 행렬의 열벡터(Column vector) 조합으로 생성되는 행렬과 위상 천이 행렬에 대하여 상기 열벡터 조합마다 행렬곱(Matrix multiplication) 을 수행하고, 상기 행렬곱으로 생성된 프리코딩 행렬들을 구성원소로 하는 코드북을 생성한다.

바람직하게는, 상기 단일 행렬 및 상기 위상 천이 행렬 중 적어도 하나는 송수신 안테나에 의해 결정되는 랭크(Rank) 수에 따라 결정된다.

바람직하게는, 상기 단일 행렬은 DFT(Discrete fourier transform) 행렬이다.

본 발명의 다른 양상은 다중 안테나 시스템의 수신단에서 데이터를 전송하는 방법에 대해 제안한다. 이를 위해 송신단과 상기 수신단이 프리코딩 코드북에 대한 정보를 공유하고, 코드북 확장을 위한 위상 정보 및 랭크 정보 중 적어도 하나를 포함하는 프리코딩 행렬 인덱스(Precoding matrix index; 이하 PMI) 데이터를 소정의 PMI 피드백 주기마다 전송한다.

바람직하게는, 소정의 랭크 피드백 주기마다 코드북 확장을 위한 위상 정보 및 랭크 정보 중 적어도 하나를 전송한다.

바람직하게는, 상기 프리코딩 코드북은 위상 천이 행렬을 이용하여 크기를 확장한다.

본 발명의 실시예들의 적어도 하나에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 코드북 기반 프리코딩을 설계함에 있어 기본 DFT 행렬을 이용하므로 복잡도를 줄일 수 있다.

둘째, 코드북 기반 프리코딩을 설계함에 있어 위상 천이 행렬을 이용하여 용 이하게 코드북을 확장할 수 있다.

셋째, 랭크 어댑테이션 정보를 피드백함에 있어 별도의 시그날링 정보를 사용하지 않아 오버헤드를 줄일 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 상기 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

이하에서 설명되는 본 발명에서 제안하는 실시예들은 단말의 이동성을 고려한 다중반송파 다중접속 시스템, 일례로 OFDM을 이용하는 이동 통신 시스템(이하 'OFDM 이동 통신 시스템'으로 칭함)에 적용 가능하다. 또한 MC(Multi carrier)-CDMA, SC(Single carrier)-FDMA, WH(Walsh-Hadamard)-FDMS, DFT(Discrete Fourier Transform) 확산 OFDMA에도 적용 가능하다.

또한 이하 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적 특징들이 LTE(Long Term Evolution)이라 불리기도 하는 E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System)에 적용된 예들로서 IEEE 802.16m, 와이브로(Wibro) 시스템과 같은 유사한 다른 이동 통신 시스템에도 적용될 수 있음은 명백하다.

E-UMTS 시스템은 기존 WCDMA UMTS 시스템에서 진화한 시스템으로 현재 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. UMTS 및 E-UMTS의 기술 규격(technical specification)의 상세한 내용은 각각 "3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network"의 Release 7 과 Release 8 을 참조할 수 있다.

몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및/또는 장치는 생략될 수 있고, 각 구조 및/또는 장치의 핵심기능을 중심으로 도시한 블록도 및/또는 흐름도 형식으로 나타낼 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.

일반적으로 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다. 이 기술은 하향링크(downlink) 또는 상향링크(uplink)에 사용될 수 있다. 하향링크는 기지국에서 단말로의 통신을 의미하며, 상향링크는 단말에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 기지국은 일반적으로 단말과 통신하는 고정된 지점으로 물리 전송단 뿐만이 아니라 상위계층까지 포함하는 통신 시스템에서 단말을 제외한 네트워크를 포함한다. 그러므로 본 발명에서는 네트워크와 기지국은 단말과 대칭되는 부분으로 동일한 의미를 가진다. 단말은 고정되거나 이동성을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코드북 기반의 프리코딩을 이용하는 다중 안테나 시스템의 송수신단 구성의 일례를 도시한다.

도 1의 송신단은 기지국임을 가정한다(단말도 가능). 송신단(300)에서, 수신단(390)으로 전송될 사용자 데이터는 사용자 선택부(305)에서 단독 스트림 또는 다중 데이터 스트림 중 하나가 선택되어 채널 부호화부(310)로 입력된다. 상기 채널 부호화부(310)는 채널 부호화를 수행한다. 또한, 변조부(320)는 채널 부호화된 사용자 데이터에 대해 성상 매핑 (Constellation Mapping)을 수행하고, 이들 심볼화된 사용자 데이터들은 프리코딩부(330)에서 프리코딩 행렬(Pre-coding Matrix)에 의해 곱해지고 난 후, 각 안테나(340-1,...,340-M)로 전송된다.도 1에 도시된 실시예에서는 송신단의 안테나들과 수신단의 안테나들이 각각 M개씩 있는 다중 안테나 시스템을 가정한다.

송신단(300)의 안테나들을 통해 전송된 사용자 데이터는 무선 채널을 거쳐 수신단(390)의 안테나들(350-1,...,350-M)로 입력된다. 수신단(390)에서는 채널 상태를 파악하여 최적의 코드북 인덱스(360) 즉, 프리코딩 행렬 인덱스(Precoding matrix index;PMI)를 포함하는 피드백 정보를 송신단(300)으로 전송하고, 송신단(300)의 프리코딩부(330)에서는 피드백된 코드북 인덱스를 제어부(335)를 통해 전달받은 후 피드백된 코드북 인덱스에 해당하는 프리코딩 행렬을 사용자 데이터에 적용할 수 있다. 상기 피드백 정보는 채널품질정보(Channel quality indicator;CQI) 등을 더 포함할 수 있고 제어부(335)는 수신단으로부터의 피드백 정보를 이용하여 사용자 또는 최적의 프리코딩 행렬들에 대한 선택을 수행하여 이를 프리코딩부에 알려줄 수 있다.

E-UMTS에서는 프리코딩 방식의 폐루프 다중 안테나 시스템의 사용을 제안한다. 일례로 PARC(Per Antenna Rate Control), PSRC(Per Stream Rate Control), PU2RC(Per User Unitary Rate Control) 등을 제안하고 있다.

그 중 프리코딩 방식의 일례인 PU2RC의 경우, 수학식 1에 나타낸 바와 같이 프리코딩을 위한 단일(Unitary) 행렬로서 푸리에 기반(Fourier basis)을 사용하여 송신 안테나 수에 따라 행렬을 확장하여 단일행렬로서 사용하고 있다.

상기 수학식 1에서,

은 유니터리 프리코딩 벡터이고, M은 총 송신 안테나 개수, G는 프리코딩 행렬의 총 그룹 수이다. 또한, n과 g는 각각 n 번째 안테나 및 g 번째 그룹을 나타내며, n과 g를 이용하여 프리코딩 행렬을 특정할 수 있다. 또한, m은 m 번째 가상 빔 포밍(beam forming) 패턴을 의미한다.

그리고, S-PUSRC의 경우는 아래 수학식 2에 나타낸 바와 같이 프리코딩 행렬로서 스위칭 빔 포밍 벡터를 사용하고 있다.

여기서, N은 안테나 소자 수,

는 프리코딩 벡터, k는 파장, θ는 스티어링 방향, d는 이웃한 안테나 소자 간 거리이다.

일반적으로 다중 안테나 시스템은 각각의 전송 안테나를 통한 데이터 스트림이 전송되는 채널 간의 상관 관계가 낮을 때 우수한 공간 다중화(Spatial multiplexing;SM) 특성을 보여주나 채널 간의 상관 관계가 높을 때에는 공간 다중화 특성이 안 좋아진다. 또한 동일한 안테나 갯수를 가지는 경우 프리코딩 행렬의 갯수가 증가할수록 채널의 특성을 더욱 잘 반영할 수 있으나 이로 인해 피드백 오버헤드가 증가하게 된다. 또한 프리코딩 행렬의 갯수가 증가하면 그에 따라 송신단의 프리코딩부의 복잡도가 증가하게 된다.

그러므로 코드북을 설계함에 있어 이와 같은 점들을 고려하여 채널 간의 상관 관계가 높을 때에도 공간 다중화 특성이 좋으면서, 송신단의 프리코딩부의 복잡도를 증가시키지 않고 프리코딩 행렬의 갯수를 증가시키는 한편 수신단의 프리코딩 행렬 인덱스 피드백의 오버헤드를 감소시킬 수 있는 코드북을 설계할 필요가 있다.

이러한 점들을 고려하여 이하의 본 발명의 실시예들에서는 채널 간의 상관 관계가 높을 때에도 공간 다중화 특성이 우수한 것으로 알려진 DFT 기반 코드북(DFT based codebook)을 이용하여 프리코딩을 수행함에 있어 채널 특성을 더욱 잘 반영하기 위한 코드북을 설계하기 위해 기본 DFT 행렬로부터 간단하게 코드북을 확장하고 수신단에서의 오버헤드가 적게 코드북 인덱스를 피드백하는 방법들에 관해 설명한다.

다중 안테나 시스템의 공간 다중화를 통한 데이터 속도의 증대 효과는 수학식 3에 의해 제한된다.

다중 안테나 공간 다중화 차수 = M×N 채널 행렬 H의 랭크(rank)≤Min(M,N)

여기서 M은 송신단 안테나의 갯수이고 N은 수신단 안테나의 갯수이다. 이하의 실시예는 송신단과 수신단의 안테나 갯수가 동일한 경우를 가정한다.

랭크는 다중 안테나를 통해 1회에 송신될 수 있는 데이터 스트림의 수를 나타낸다. 송신단과 수신단 사이에는 다중 안테나를 통해 송수신되는 데이터 스트림의 랭크에 관한 정보를 공유하여야 하므로 통신 초기의 경우나 랭크의 변동이 있는 경우에 랭크에 관한 정보를 상호간에 송수신하여 공유한다.

도 2는 종래 관련 기술에서의 프리코딩 폐루프 다중 안테나 시스템을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 송신단에서는 각 송신 데이터들이 송신 안테나로 실리기 전에 프리코딩 행렬 W가 추가된다. 최적의 프리코딩 행렬 W를 구하는 데는 채널 행렬을 SVD(Singular value decomposition)에 의해 분해하여 얻는다. 수학식 4는 채널 행렬 H를 분해(decomposition)하여 표시한 것이다.

수학식 4에서 행렬 U(U^H)와 W(W^H)는 단일 행렬(Unitary matrix)이고, 중간에 있는 행렬은 대각 행렬(diagonal matrix)이 된다. 여기서 W는 프리코딩 행렬이고, U^H는 수신단에서 수행해주는 후처리(post-processing)블록의 행렬이다. 단일 행렬은 행렬을 이루는 각 열(column)의 크기가 1이 되도록 하는 전력 제약 조건과 행렬의 각 열 사이에 직교 특성을 갖도록 하는 직교 제약 조건을 동시에 만족하는 행렬을 의미한다. 대각 행렬은 대각 행렬 이외의 원소가 모두 0이므로, 이 행렬을 통과해도 입력과 출력 신호들이 서로 뒤섞이지 않고 서로의 독립적인 응답(대각 행렬 대각선의 값들)을 갖게 된다.

즉, 일반적인 다중 안테나 시스템에서는 같은 시간과 같은 주파수에 서로 다른 안테나로 서로 다른 신호를 전송하는 경우가 있으므로, 이 서로 다른 신호들이 서로 뒤섞임에 따라 수신이 힘들어 지게 된다. 그러나 위와 같은 SVD 방식을 이용하면, 즉, 송신단이 피드백된 정보를 토대로 채널 행렬 H를 분해하여 얻은 단일 행렬로 프리코딩 행렬 W를 정하게 되면, 다중 안테나 시스템에서의 채널(이하 MIMO 채널)이 서로 독립적인 채널로 분리될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서는 프리코딩 행렬인 단일 행렬로서 수학식 5에 나타낸 바와 같이 DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬을 이용할 수 있다. DFT 행렬은 기본 DFT 열벡터의 집합이다.

수학식 5에서 t는 송신 안테나의 갯수를 의미한다. DFT 행렬을 기반으로 코드북을 생성하는 방식은 MIMO 채널간에 상관관계가 높아도 공간 다중화 특성이 우수하고 또한 코드북을 생성하고 이를 이용해서 프리코딩을 적용하는 데 있어 복잡도가 적다. 그리고 OFDM 방식과 같은 다중 반송파를 이용하는 시스템에서 문제가 되는 PAPR(Peak-to-Average Power ratio) 값이 상대적으로 작은 장점을 가지고 있다.

수학식 5에서 DFT 행렬 B_t의 열행렬(column matrix)인 b_n은 t개의 송신 안테나에 적용되는 프리코딩 행렬을 생성하는 n번째 기본 DFT 행렬을 나타낸다. DFT 행렬을 기반으로 코드북을 생성하는 경우 각 기본 DFT 행렬을 랭크에 따라 하나 내지 t개를 선택하여 프리코딩 행렬을 생성할 수 있다. 즉, 수학식 5로 구해지는 t개의 송신 안테나를 이용하는 다중 안테나 시스템의 코드북의 갯수는 다음과 같다.

_tC₁(=t)+ _tC₂ + _tC₃ +...+ _tC_{t -1} + _tC_t(=1)

즉, 랭크가 1인 경우에서 하나의 기본 DFT 행렬을 그대로 이용할 때 가능한 프리코딩 행렬의 갯수인 t, 랭크가 2인 경우에서 t개의 기본 DFT 행렬 중 2 개를 순서에 상관없이 선택하는 프리코딩 행렬의 갯수인 _tC₂ 등의 방식으로 랭크에 따라 가능한 조합의 총합으로 나타낼 수 있다.

상술한 바와 같이 MIMO 채널을 더욱 자세하게 반영하여 프리코딩을 하기 위해서는 프리코딩 코드북의 크기(즉, 코드북을 구성하는 경우의 수의 갯수에 해당하는 프리코딩 행렬 인덱스의 갯수)가 커야한다. 이를 위해 본 발명의 실시예에서는 상술한 DFT 기반의 코드북의 크기를 확장하는 방법에 대해 설명한다.

본 실시예에서는 DFT 행렬을 위상천이하여 DFT 기반 코드북을 확장한다. 수학식 5에 나타내어진 DFT 열행렬의 각 원소는 크기가 1/t인 크기정보 및 위상정보로서 나타내진다. 궁극적으로 MIMO 채널에서 채널의 영향으로 인한 신호의 왜곡은 위상의 틀어짐으로 나타내어질 수 있는 바 프리코딩도 채널로 인한 위상왜곡을 사전에 보상해주는 방법이므로 코드북도 다양한 위상값을 반영할 수 있도록 하여 보다 정확하게 채널 보상 정보를 나타낼 수 있도록 할 필요가 있다. DFT 행렬을 위상천이 하는 방법으로는 수학식 7로 나타내지는 위상 천이 행렬을 DFT 행렬에 곱하는 방법을 들 수 있다.

수학식 7에서

이다. m은 위상천이 방식으로코드북 크기를 확장하기 위해 추가로 필요한 비트수를 나타낸다. 예를 들어 2비트 코드북 확장의 경우 φ_i 값은 각각

(i=0,1,2,3, M=2²=4)가 된다.

표 1은 하나부터 네 개까지의 안테나가 사용된 경우에 이용 가능한 위상 천이 행렬을 나타낸다.

안테나 수	위상천이 행렬
4
3
2
1	1

수학식 8은 위상천이 방식으로 코드북을 확장한 경우의 프리코딩 행렬을 나타낸다.

여기서 C는 수학식 5로 나타내어지는 DFT 행렬의 DFT 열행렬(열벡터를 의미)의 조합으로 생성된다. 이와 같이 DFT 열벡터 조합으로 하여 생성된 DFT 행렬과 위상 천이 행렬을 행렬곱(matrix multiplication)하여 위상 천이된 DFT 행렬을 생성한다. 그리고 모든 DFT 열벡터 조합마다 수학식 8에 의해 생성된 위상 천이된 DFT 행렬의 집합을 코드북으로 한다. 상기 실시예들에서 단일 행렬로 DFT 행렬을 적용하였으나 프리코딩을 위한 코드북 생성에 사용될 수 있은 모든 단일 행렬들이 적용가능하다.

송신 안테나 4개의 경우에서 상술한 2비트 코드북 확장된 코드북의 생성예를 수학식 9에 나타낸다.

수학식 9에서보는 바와 같이 생성된 프리코딩 행렬의 열행렬(즉, 열벡터가 보다 다양한 위상 값을 나타내도록 변경되었음을 확인할 수 있다.

또한 본 실시예는 안테나 선택 행렬을 이용하여서 심한 페이딩(Deep fading)에 빠져 있는 안테나를 먼저 제외하고 전송 채널이 양호한 안테나들을 사용하여 코드북 방식의 프리코딩을 수행하는 경우에도 적용될 수 있다.

즉 프리코딩을 수행하기 위한 프리코딩 행렬은 안테나 선택 행렬 및 DFT 행렬(위상 천이 행렬로 확장된 경우 포함)의 조합, 안테나 선택 요소에 의해 변형된 DFT 행렬, 안테나 선택 요소 및 위상 천이 행렬이 적용된 DFT 행렬 중 적어도 하나로 DFT 행렬로 구성되는 프리코딩 행렬을 포함하는 코드북에서 선택될 수 있다.

코드북을 설계함에 있어서는 용이하게 확장 가능하도록 설계하는 것 뿐만이 아니라 수신단이 코드북 인덱스를 피드백하게 되는 점을 고려하여 피드백 오버헤드 를 최소하도록 설계하여야 할 필요가 있다. 또한 수신단은 코드북 인덱스를 피드백할 뿐만 아니라 현재 MIMO 채널에 적합한 최적의 랭크에 관한 정보도 피드백하므로 이 점도 고려할 필요가 있다. 그러므로 본 발명의 다른 실시예에서는 피드백 오버헤드를 최소화하여 코드북 인덱스 및 랭크 정보를 피드백하는 방법에 대해 설명한다.

본 실시예에서는 코드북의 프리코딩 행렬 인덱스(Precoding matrix index;이하 PMI)가 랭크 적응(Rank adaptation) 정보를 포함하도록 할 수 있다. 수학식 3에 의해 나타내어 지는 바와 같이 최대 랭크는 송수신안테나에 의해 결정되고, 그 최대 랭크의 범위 내에서 MIMO 채널에 따라 최적의 랭크를 결정하여 사용할 수 있다.

본 실시예에서는 수신단이 송신단으로 피드백 하는 PMI 정보가 랭크에 관한 정보도 나타낼 수 있도록 코드북의 구성 프리코딩 행렬과 PMI를 연관시킬 수 있다. 즉 소정의 순서로 증가 또는 감소하는 랭크 별로(일례로, 최소 랭크에서부터 순차적으로 최대 랭크까지의 랭크 차수를 증가시키면서) 프리코딩 행렬을 배치하고 이에 PMI를 할당할 수 있다. 즉, 송수신단은 상호간에 사용 가능한 코드북에 대한 정보를 공유하고 있으므로 특정 PMI 범위가 특정 랭크에 대한 프리코딩 행렬을 나타냄을 알 수 있게 코드북을 생성하여 송수신단 상호간에 공유하여 사용한다. 다음의 예를 통해 구체적으로 알아본다.

일례로 송수신 안테나의 갯수가 동일하게 4로서 최대 랭크가 4인 경우에 수학식 10와 같이 DFT 기반의 코드북을 생성할 수 있다.

이때 최소 랭크 1부터 최대 랭크 4까지 순차적으로 랭크를 증가시키면서 PMI를 할당한다. 그리고 특정 랭크 내에서는 수학식 11에서와 같이 사용 가능한 송신 안테나에 대한 프리코딩 행렬에 관한 정보를 할당할 수 있다.

일례로, 수학식 11에서 15번째 원소인 b₁b₂b₃은 랭크 3인 경우에 현재 0번째 송신 안테나(4개의 송신 안테나에 0부터 3까지 송신 안테나 인덱스 부여인 경우)의 채널 상태가 좋지 않다고 추정되므로 다른 안테나에 대한 간섭 등의 영향을 줄이기 위해 1,2,3번째 송신 안테나 각각에 대해 수학식 10의 b₁ ,b₂, b₃ 의 DFT 기본 행렬로 프리코딩을 할 것을 지시한다. 이와 같은 방식을 통해 코드북 자체가 랭크에 관한 정보를 포함할 수 있고 수신단은 PMI 인덱스만의 피드백으로 랭크 정보를 피드백하는 효과를 갖는다.

또는 이와 달리 랭크에 관한 정보를 별도로 피드백하면서, 각 랭크별로 사용 가능한 PMI 정보를 미리 공유하여 PMI의 비트수를 적게 하는 방법을 사용할 수도 있다. 수학식 11의 실시예에서와 동일한 가정을 한 경우, 표 2와 같이 각 랭크 별로 필요한 PMI 인덱스를 제한한 랭크-PMI 할당표를 송수신단이 공유하여 랭크 및 PMI 피드백 비트 수를 줄일 수 있다. 랭크-PMI 할당표의 일례인 표 2에서 랭크가 1인 경우 가능한 프리코딩 행렬의 경우의 수는 4이므로 2비트의 PMI 비트로 충분하고, 랭크가 2인 경우 총 6개의 프리코딩 행렬이 가능하므로 3비트로 충분하고, 랭크가 3인 경우는 동일한 방식으로 2비트, 랭크가 4인 경우 1비트로 충분하다.

코드북 인덱스	랭크 1	랭크 2	랭크 3	랭크 4
0	[b0]	[b0b1]	[b0b1b2]	[b0b1b2b3]
1	[b1]	[b0b2]	[b0b1b3]
2	[b2]	[b0b3]	[b0b2b3]
3	[b3]	[b1b2]	[b1b2b3]
4		[b1b3]
5		[b2b3]

대신 이 방식을 이용하면 랭크에 관한 정보도 피드백 해야 하므로 최대 랭크가 4인 경우 2비트가 추가로 더 필요하다. 이 때 기대 피드백 비트의 합은

가 되어 모든 경우의 PMI 비트수와 랭크 정보를 보내는 경우(2+5=7 비트)보다 평균적으로 더 적은 무선 자원을 사용함을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 송수신단은 표 2과 같은 랭크 및 코드북 인덱스 할당표를 공유할 수 있다. 그러므로 송신단은 수신단이 피드백한 랭크 정보 비트로부터 랭크에 관한 정보를 획득하고 1에서 3비트의 코드북 인덱스 정보 비트로부터 해당 랭크에 대한 코드북 인덱스를 획득하여 이를 이용한 프리코딩을 수행할 수 있다.

다음의 실시예들은 본 발명에서 제안한 확장된 코드북 크기를 포함하여 PMI 및 랭크 정보를 피드백하는 방법들에 대해 설명한다.

위상 천이 방식으로 n 비트로 코드북을 확장하고 랭크가 t인 경우 랭크별로 DFT 코드북의 기본 크기는 ( _tC₁(=t), _tC₂ , _tC₃ ,..., _tC_{t -1} , _tC_t(=1) )이 된다. 설명의 편의를 위해 확장되기 전의 DFT 코드북의 모든 인덱스를 나타낼 수 있는 최소 비트를 p비트라 가정한다. 이 때 가능한 랭크 중 최대 DFT 코드북의 크기를 나타낼 수 있는 비트를 q 비트라 가정한다.

- 피드백 방법 1

수학식 11과 같은 방식으로 PMI 자체에 랭크정보를 포함하여 수신단의 PMI 피드백 주기마다 송신단으로 피드백을 할 수 있다. 이때 필요한 비트 수는 (n+p)비트가 된다(이와 같이 PMI의 범위가 전체 코드북을 대상으로 하는 경우를 전체 PMI라 칭한다). 이 방법을 이용하면 별도로 랭크 정보를 피드백할 필요가 없게 된다. 일례로 표 2의 경우에는 (n+4)비트만을 피드백하면 된다.

- 피드백 방법 2

일반적으로 수신단으로부터의 랭크 피드백 주기는 PMI 피드백 주기보다 느리다. 이와 같은 특성을 이용하여 랭크 피드백 주기 때는 피드백 방법 1과 같이 (n+p)비트를 전송하고, 그외 PMI 피드백 주기 때는 PMI 피드백 당시의 랭크 내에서 랭크 정보를 뺀 PMI 정보(이와 같이 PMI의 피드백을 해당 PMI라 칭한다)를 위상 정보(즉, 코드북을 확장할 때 사용한 위상에 관한 정보인 n 비트)와 함께 피드백할 수 있다. 일례로 표 2의 경우 랭크 피드백 주기 때에는 (n+5)비트를 피드백하고 랭크 피드백 주기가 아닌 때에는 (n+2,n+3,n+2,n+1) 비트만 전송하면 된다. 이 피드백 방법은 MIMO 채널 상의 AoD(Angle of Departure)의 변화를 따라 위상정보를 PMI 피드백 주기 때를 맞추어서 함께 계속해서 보내는 경우에 사용할 수 있다.

- 피드백 방법 3

랭크 피드백 주기에만 랭크 정보와 함께 위상 정보를 보내는 방법으로서, 랭크 피드백 주기에는 (n+p) 비트를 피드백하고, 그 외에는 선택된 각 랭크 내의 PMI 비트 수만 전송한다. 이를 통해 상향링크로 전송되는 피드백 비트 수를 상당히 줄일 수 있다. 일례로 표 2의 경우, 랭크 피드백 주기에는 (n+5) 비트로 피드백하고 그 외의 주기에는 피드백 되는 때의 랭크에 따라 (2,3,2,1) 비트 중 한 경우의 비트만 전송하면 된다.

- 피드백 방법 4

피드백 방법 1과 마찬가지로 PMI 피드백 주기마다 전체 (n+q) 비트를 피드백하나, 코드북 PMI 자체가 랭크 정보를 포함하지 않고, 랭크 정보를 별도로 피드백하는 방법이다. 이 방법을 이용하는 경우 PMI 피드백 주기에 따라 피드백 비트 수는 항상 n+q 비트로 고정되고, 랭크 피드백 주기마다 랭크 정보를 보내는 방법이다. 가능한 랭크 중 최대 DFT 코드북의 크기를 나타낼 수 있는 비트를 q 비트라 가정하였기 때문이다. 일례로 표 2의 경우, PMI 피드백 주기에는 (n+3) 비트를 피드백하고(랭크 정보는 불포함), 랭크 피드백 주기에는 2비트의 랭크 정보를 피드백하게 된다.

-피드백 방법 5

피드백 방법 4와 유사하나 PMI 피드백 주기에는 q비트를 피드백한다. 피드백 방법 4와 달리 위상천이 행렬의 위상 정보를 나타내기 위한 n비트는 피드백하지 않는다. 랭크 피드백 주기에는 랭크 정보 비트를 전송하게 된다. 이 랭크 피드백 주기에 위상 정보를 나타내는 n비트를 포함하여 전송할 수 있다. 일례로 표 2의 경우, PMI 피드백 주기에는 3 비트를 피드백하고(위상 정보 및 랭크 정보는 불포함), 랭크 피드백 주기에는 2비트의 랭크 정보를 피드백하게 된다. 이때 필요에 따라 2비트의 위상 정보도 같이 피드백 할 수 있다.

표 3은 위 피드백 방법들에 관해 정리한 표이다.

	PMI 피드백 주기에서 피드백 대상	랭크 정보 피드백 주기에서 피드백 대상
피드백 방법 1	위상정보,전체PMI(랭크정보함축)	피드백 안함
피드백 방법 2	해당 PMI,위상정보	랭크정보,전체PMI
피드백 방법 3	해당 PMI	랭크정보, 위상정보
피드백 방법 4	해당PMI,위상정보	랭크정보
피드백 방법 5	해당 PMI	랭크정보(위상 정보 별도 전송 가능)

송신단과 수신단 간의 통신 수행 과정을 위주로 설명하였으나 상기 송신단은 단말 또는 네트워크의 기지국 일 수 있고 상기 수신단은 네트워크의 기지국 또는 단말일 수 있다. 본 문서에서 사용된 용어는 동일한 의미를 갖는 다른 용어들로 대체될 수 있다. 예를 들어, 단말은 이동국, 이동 단말, 통신 단말, 사용자 기기 또는 장치 등으로 대체될 수 있고, 기지국은 고정국(fixed station), Node B(NB), eNB 등의 용어로 대체될 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코드북 기반의 프리코딩을 이용하는 다중 안테나 시스템의 송수신단 구성의 일례를 도시한다.

도 2는 종래 관련 기술에서의 프리코딩 폐루프 다중 안테나 시스템을 도시한다.

Claims (8)

1. 다중 안테나 시스템에서 프리코딩을 위한 코드북(Precoding codebook)을 생성하는 방법에 있어서,

   단일 행렬로 구성되는 프리코딩 행렬의 열벡터(Column vector) 조합으로 생성되는 행렬과 위상 천이 행렬에 대하여 상기 열벡터 조합마다 행렬곱(Matrix multiplication)을 수행하는 단계; 및

   상기 행렬곱으로 생성된 프리코딩 행렬들을 구성원소로 하는 코드북을 생성하는 단계를 포함하는 코드북 생성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 단일 행렬 및 상기 위상 천이 행렬 중 적어도 하나는 송수신 안테나에 의해 결정되는 랭크(Rank) 수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 단일 행렬은 DFT(Discrete fourier transform) 행렬인 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 생성된 코드북에 대한 코드북 인덱스를 특정 랭크 값에 대한 프리코딩 행렬을 연속적으로 부여하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코드북 생성 방법.
5. 다중 안테나 시스템의 수신단에서 데이터를 전송하는 방법에 있어서,

   송신단과 상기 수신단이 프리코딩 코드북에 대한 정보를 공유하는 단계; 및

   코드북 확장을 위한 위상 정보 및 랭크 정보 중 적어도 하나를 포함하는 프리코딩 행렬 인덱스(Precoding matrix index; 이하 PMI) 데이터를 소정의 PMI 피드백 주기마다 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   소정의 랭크 피드백 주기마다 코드북 확장을 위한 위상 정보 및 랭크 정보 중 적어도 하나를 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 프리코딩 코드북은 위상 천이 행렬을 이용하여 크기를 확장한 것임을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 PMI는 상기 프리코딩 코드북의 전체 프리코딩 행렬 중 하나를 지시하거나 상기 PMI 피드백하는 시기의 랭크에서 적용가능한 하나 이상의 프리코딩 행렬 중 하나를 지시하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

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