KR20100050633A - 다중 사용자 다중 입력 다중 출력 시스템의 하이브리드 자동 재전송 요청 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 사용자 다중 입력 다중 출력(Multi User-Multiple Input Multiple Output : MU-MIMO) 시스템의 하이브리드 자동 재전송 요청(Hybrid Automatic Repeat reQuest : HARQ) 장치 및 방법에 관한 것으로서, 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ 결합하여, HARQ 결합된 CINR(HARQ-combined CINR)을 계산하는 과정과, 상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK(Negative ACK) 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하여, 기지국이 HARQ 재전송 시점에서 최적의 랭크 및 사용자 조합을 결정할 수 있도록 하여 시스템 용량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output), CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio), HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest), NACK(Negative ACK)

Description

다중 사용자 다중 입력 다중 출력 시스템의 하이브리드 자동 재전송 요청 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID AUTOMATIC REPEAT REQUEST IN MULTI USER-MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT SYSTEM}
본 발명은 다중 사용자 다중 입력 다중 출력(Multi User-Multiple Input Multiple Output : MU-MIMO) 시스템의 하이브리드 자동 재전송 요청(Hybrid Automatic Repeat reQuest : HARQ) 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템의 단말에서 현재 프레임에서 수신한 신호의 CINR과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 결합하여 HARQ-combined CINR을 생성하고, 이를 ACK/NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백 전송하며, 기지국에서 단말로부터 피드백 수신된 ACK/NACK 신호와 HARQ-combined CINR을 이용하여 랭크 및 사용자들을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
하이브리드 자동 재전송 요청(Hybrid Automatic Repeat reQuest : 이하 'HARQ'라 칭함) 기법은 자동 재전송 요청(Automatic Repeat reQuest : 이하 'ARQ' 라 칭함) 기법과 순방향 에러정정부호(Forward Error Correction coding : 이하 'FEC'라 칭함) 기법을 결합한 방식이다. 여기서, 상기 ARQ 기법은, 무선 채널 상황에서 수신된 프레임에 대해 순환 리던던시 체크(Cyclic Redundancy Check : 이하 'CRC'라 칭함)를 수행하고, CRC 에러가 발생하였을 경우 피드백(feedback)을 통해 송신단으로 이 사실을 알려주어, 송신단으로 하여금 해당 프레임을 재전송하도록 함으로써, 데이터 전송시의 에러를 줄이는 기법이다. 상기 FEC 기법은, 전송하고자 하는 데이터에 부가적인 정보(redundancy)를 추가하여 수신단으로 하여금 수신된 프레임만으로 에러를 정정하도록 하는 기법이다. 이때, 부가적인 정보의 양이 많을수록 정정할 수 있는 에러의 양은 많아지나 대신 동일 자원에 대해 보낼 수 있는 데이터의 양이 작아진다.
상기 HARQ 기법은 상기 ARQ 기법과 FEC 기법의 장점을 취하여, 일정양 이하의 에러는 FEC 기법을 통해, 그 이상의 에러는 ARQ 기법을 통해 정정할 수 있다. 현재의 HARQ 전송기법은 크게 CC(Chase Combining) 기법과 IR(Incremental Redundancy) 기법으로 나눌 수 있다. 상기 CC 기법은 정보 데이터(information data)를 부호화하여 최초 전송한 후, 최초 전송이 실패한 경우, 최초 전송한 부호화된 데이터를 재전송하여, 수신단으로 하여금 최초 전송된 데이터와 재전송된 데이터를 결합하여 복호를 시도하도록 함으로써, SNR(Signal to Noise Ratio) 증가로 인한 이득을 얻을 수 있는 기법이다. 상기 IR 기법은 최초 전송시엔 부호화된 데이터 중 일부의 리던던시 비트(redundancy bit)만을 정보 데이터와 함께 전송하고, 이후 재전송시엔 최초 전송시에 전송하지 않았던 리던던시 비트만을 추가로 전송하 는 기법이다. 즉, 상기 IR 기법은 초기 전송시엔 낮은 코드율(code rate)로 전송하고 재전송을 할 때마다 코드율을 높이는 기법으로 추가적인 코딩 이득(coding gain)을 얻을 수 있다.
상기 HARQ 기법과 더불어 주파수 효율을 높일 수 있는 기술 중의 하나로 다중 입력 다중 출력(Multiple Input Multiple Output : 이하 'MIMO'라 칭함) 기법이 존재한다. 상기 MIMO 기법은 여러 사용자에게 각각의 데이터를 전송할 시 동시에 동일 자원을 사용하여 전송하는 것이 가능한지의 여부에 따라 단일 사용자 MIMO(Single User-MIMO : 이하 'SU-MIMO'라 칭함) 기법과 다중 사용자 MIMO(Multi User-MIMO : 이하 'MU-MIMO'라 칭함) 기법으로 구분될 수 있다. 동일 자원을 사용하여 동시에 여러 사용자에게 서로 다른 데이터를 전송할 수 있는 MU-MIMO 기법은, 다중 사용자 다이버시티(Diversity) 이득 및 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 이득에 의해 SU-MIMO보다 더 높은 주파수 효율을 얻을 수 있는 기술로 알려져 있다. 이와 같이 상기 MU-MIMO 기법은 SU-MIMO 기법보다 좋은 성능을 갖는 대신, 좀 더 정교하고 복잡한 여러 기법들이 필요하게 된다. 예를 들어, 기존의 SU-MIMO 기법에서의 자원 할당을 위한 스케줄링 기법은 각 사용자들의 채널 품질 정보(Channel Quality Indicator : 이하 'CQI'라 칭함)만이 필요로 하나, 상기 MU-MIMO 기법에서는 각 사용자들의 CQI 뿐만이 아니라, 사용자간의 채널상관도를 이용한 사용자 조합까지 고려하여야 한다. 이와 같은 상기 SU-MIMO 기법과 MU-MIMO 기법의 차이로 인해, 종래 HARQ 기법을 MU-MIMO 기법에 그대로 적용할 시 문제가 발생할 수 있다.
현재 LTE(Long Term Evolution)나 802.16m 표준에서 논의되고 있는 MU-MIMO 기법 중의 하나인 제로 폴싱 빔포밍(Zero-Forcing BeamForming : 이하 'ZF-BF'라 칭함) 기법을 예로 들어, 종래의 HARQ 기법을 MU-MIMO 기법에 그대로 적용할 시 발생하는 문제점에 대해 설명하기로 한다. 여기서, 상기 HARQ 기법은 동기 비적응(Synchronous non-adaptive) HARQ 기법을 예로 들어 설명하기로 한다. 여기서, 동기(Synchronous)의 의미는 데이터의 재전송을 기지국과 단말 사이에 미리 정해진 시점에서 하는 것을 의미하고, 비적응(non-adaptive)의 의미는 재전송시의 전송률(Rate), 즉 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨(level)을 최초 전송시와 동일하게 하는 것을 의미한다. 동기(Synchronous)와 비동기(asynchronous), 적응(adaptive)과 비적응(non-adaptive) 각각은 서로 장단점을 가지나, 상기 MU-MIMO 기법의 경우, 여러 사용자간에 자원 할당 영역이 동일하고 하향링크 제어 오버헤드(Downlink control overhead)가 적은 동기 비적응 HARQ 기법이 선호된다.
먼저 상기 ZF-BF 기법에 대해 간략히 설명하기로 한다. 각 단말은 파일럿(pilot)을 이용하여 하향링크 채널을 추정한 후, 채널 상태 정보(Channel State Information : 이하 'CSI'라 칭함)를 기지국으로 피드백한다. 상기 CSI는 단말과 기지국이 미리 정해 놓은 코드북(codebook)을 사용할 수도 있고, 시분할 듀플렉스(Time Division Duplex : 이하 'TDD'라 칭함) 시스템의 경우, 단말이 상향링크(uplink)로 사운딩 신호(sounding signal)를 전송한 후 기지국이 이를 추정하여 하향링크(downlink)에 대한 CSI로 사용할 수도 있다. 이와 같이 단말들이 피드백한 CSI를 이용하여 기지국은 프리코딩 가중치 매트릭스(Precoding Weight Matrix)를 계산하고 이를 이용하여 각 단말들로 데이터를 전송한다. 이때 기지국이 전송할 수 있는 최대 스트림(stream)의 수는 기지국 안테나의 수와 같으므로, 단말의 수가 작으면 동시에 모든 단말에게 데이터를 전송할 수 있으나 단말의 수가 많으면 매 전송시마다 전체 단말 중 일부의 단말을 선택하는 스케줄링 과정이 필수적으로 들어가야 한다. 단일 입력 다중 출력(Single Input Multiple Output : 이하 'SIMO'라 칭함) 기법이나 SU-MIMO 기법의 경우 각 사용자의 채널 상태에 따라 한 명의 사용자를 선택하면 되지만, 상기 MU-MIMO 기법의 경우 각 사용자의 채널 상태와 더불어 사용자간의 채널의 상관도가 작은, 즉 사용자간 채널이 직교하는(orthogonal) 사용자 조합을 선택하여야만 한다. 또한, 매 순간 항상 기지국이 최대 스트림 수로 전송하는 것이 아니라, 매 채널 상황에 맞게 전송 스트림 수를 결정하는 랭크 적응(Rank Adaptation) 기법이 스케줄링과 더불어 사용될 경우 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 초기 전송시의 스케줄링 및 랭크 적응 기법에 대해 설명하기로 한다. 최적의 스케줄링 및 랭크 적응 기법은 모든 가능한 랭크(rank)와 모든 가능한 사용자 조합에 대해 전송률 합(Sum rate)을 계산한 후, 가장 큰 전송률 합을 가지는 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 것이다. 이때 최적(optimum)의 방법인 전역 탐색(Exhaustive search) 대신 그리디 알고리듬(greedy algorithm)과 같은 부최적(sub-optimal)의 방법 등을 사용하여 복잡도를 줄이는 것이 가능하며, 또한 전송률 합 대신 가중치화된 전송률 합(Weighted sum rate)을 사용하여 공평성(fairness)을 고려하는 변형된 스케줄링 방법이 존재할 수 있다.
여기서, 상기 전송률 합을 계산하는 것은 AMC(Adaptive Modulation and Coding) 기법과 관련된다. 음성 통신과 달리 데이터 통신의 경우, 매 순간 채널의 용량(capacity), 즉 최대 전송할 수 있는 전송률에 맞도록 변조(modulation) 및 부호화(channel coding)를 적응적으로 조절하여야만 시스템의 성능을 극대화할 수 있다. 상기 변조 및 부호화를 적응적으로 조절하기 위해서는 전송률을 잘 예측해야 하고 이를 위해서는 단말이 실제로 겪는 신호 대 잡음 및 간섭 비(Carrier to Interference and Noise Ratio : 이하 'CINR'이라 칭함)를 기지국이 잘 예측해야만 한다. 상기 SIMO 기법이나 SU-MIMO 기법의 경우 단말이 CINR을 직접 측정 또는 예측하여 기지국으로 피드백하는 것이 가능하나, 상기 MU-MIMO 기법의 경우 자신외에 어떤 단말이 동시에 스케줄링되는지에 대한 정보를 알 수가 없어, 즉 간섭을 예측할 수 없어 단말이 CINR을 예측하여 피드백하는 것이 불가능하다. 따라서, 상기 MU-MIMO 기법의 경우 기지국이 단말들에게서 피드백된 불완전한 CSI 및 CQI들을 이용하여 CINR을 예측할 수 밖에 없으며, 이에 따라 기지국에서의 CINR 예측 역시 부정확할 가능성이 높다. 즉, 전송 에러가 발생하였을 경우 원인은 두 가지일 수 있다. 하나는 CINR을 정확하게 예측하였으나 채널 및 잡음의 랜덤(random)한 특성 때문에 에러가 발생했을 수도 있고, 다른 하나는 CINR을 부정확하게 예측하여 너무 높은 전송률의 변조 및 부호화를 적용했기 때문에 에러가 발생했을 수도 있다.
여기서, 종래의 HARQ 기법을 MU-MIMO 기법에 그대로 적용할 시 발생하는 문제점에 대해 다음과 같은 예를 들어 설명하기로 한다. 상기 최적의 스케줄링 및 랭크 적응 기법에 따라 특정 프레임에서 랭크를 3으로 결정하고 사용자 1, 사용자 2, 사용자 3을 결정한 후, 각 사용자에게 전체 전력(power)의 1/3씩을 할당하여 각각의 MCS 레벨로 데이터를 전송하였다고 가정하기로 한다. 이때, 사용자 1과 사용자 3이 수신한 데이터에 에러가 발생하였다면, 종래의 HARQ 기법의 경우, 사용자 1과 사용자 3은 단순히 수신 에러가 발생하였다는 것을 알리기 위하여 NACK(Negative ACK) 신호만을 기지국으로 피드백한다. 이 경우 사용자 1과 사용자 3에게 데이터를 재전송 해야 할 프레임에서, 스케줄링시 랭크를 결정할 때 문제가 발생하게 된다. 단순히 사용자 1과 사용자 3에게만 자원을 할당하여, 즉 랭크를 2로 하여 데이터를 재전송하게 되면 HARQ 기법 및 MU-MIMO 기법의 장점을 이용하지 못하게 되어 시스템 용량의 손실을 가져오게 된다. 그러므로 재전송시에도 랭크를 새로 결정해야 한다. 즉, 재전송시점의 스케줄링 역시, 랭크를 높여 새로운 사용자들에게 데이터를 더 전송해줄지, 또는 랭크를 유지 또는 낮춰서 에러가 발생한 사용자들에게 좀 더 강건(robust)한 전송을 보장해줄지에 대해 결정해야 한다. 이에 대한 결정은 CINR 예측 정확도, 매 순간 사용자들의 채널 상황 등에 따라 그때그때 최적의 선택을 해주어야 시스템 용량의 극대화가 가능하나, 기존의 HARQ 기법을 사용할 경우 이 같이 매순간 최적의 선택을 하는 것이 불가능한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 MU-MIMO 시스템의 HARQ 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템에서 기지국이 재전송시점의 스케줄링 시 최적의 랭크를 결정하는데 있어 필요한 정보를 NACK과 함께 피드백 수신하여 시스템 용량을 최대화 하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템에서 단말이 기지국으로 NACK과 함께 추가적인 정보를 피드백 전송할 시, 종래에 사용되던 NACK 신호의 변경만으로 상기 추가적인 정보를 피드백 전송하여, 피드백 자원의 오버헤드 증가없이 시스템 성능을 향상시키기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템의 단말에서 현재 프레임에서 수신한 신호의 CINR과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 결합하여 HARQ-combined CINR을 생성하고, 이를 ACK/NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백 전송하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템의 기지국에서 단말로부터 피드백 수신된 ACK/NACK 신호와 HARQ-combined CINR을 이용하여 랭크 및 사용자들을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 단말의 피드백 전송 방법은, 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합하여, HARQ 결합된 CINR(HARQ-combined CINR)을 계산하는 과정과, 상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK(Negative ACK) 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 기지국의 스케줄링 방법은, 단말들로부터 NACK(Negative ACK) 신호와 함께, HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합된 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 피드백 수신하는 과정과, 단말들로부터의 CSI(Channel State Information)와 CQI(Channel Quality Indicator) 중 적어도 하나를 피드백 수신하고, 이를 이용하여 현재 프레임에서의 CINR을 계산하는 과정과, 상기 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR과 상기 계산된 CINR의 합을 이용하여 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산하는 과정과, 상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 단말의 피드백 전송 장치는, 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합하여, HARQ 결합된 CINR(HARQ-combined CINR)을 계산하는 CINR 계산기와, 상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK(Negative ACK) 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 부호 및 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 기지국의 스케줄링 장치는, 단말들로부터 NACK(Negative ACK) 신호와 함께, HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합된 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 피드백 수신하고, 단말들로부터의 CSI(Channel State Information)와 CQI(Channel Quality Indicator) 중 적어도 하나를 피드백 수신하는 복조 및 복호기와, 상기 수신된 CSI와 CQI 중 적어도 하나를 이용하여 현재 프레임에서의 CINR을 계산하고, 상기 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR과 상기 계산된 CINR의 합을 이용하여 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산하는 CINR 계산기와, 상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 스케줄러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 HARQ 기법을 사용하는 MU-MIMO 시스템의 단말에서 현재 프레임에서 수신한 신호의 CINR과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 결합하여 HARQ-combined CINR을 생성하고, 이를 ACK/NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백 전송함으로써, 기지국이 HARQ 재전송 시점에서 이를 이용하여 최적의 랭크 및 사용자 조합을 결정할 수 있어 시스템 용량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발 명은 기존의 ACK/NACK 신호의 부호 및 변조 기법과 다른 부호 및 변조 기법을 사용함으로써, 피드백 오버헤드 없이 기존과 동일한 자원으로 기존 ACK/NACK의 복호 성능의 열화를 최소화하면서 추가적인 정보를 전송할 수 있는 이점이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명은 MU-MIMO 시스템에 최적화된 HARQ 장치 및 방법에 대해 설명한다. 그러나 본 발명은 MU-MIMO 시스템에 한정되지 않고 SU-MIMO 시스템 혹은 MIMO가 사용되지 않는 시스템에서도 적용 가능하다. 이하 본 발명은 4 X 2 시스템을 예로 들어 설명할 것이나, 일반적인 M X N 혹은 M X M 시스템에 모두 적용 가능함은 물론이다. 또한, 이하 설명에서 기지국은 송신기의 일 예이고, 단말은 수신기의 일 예이다.
기존의 HARQ 방법은 단말에서 복호 에러가 발생했을 경우 에러의 발생유무만을 나타내는 ACK/NACK 신호를 피드백하는데 반해, 본 발명에서는 NACK 신호 전송시, 단말이 측정한 HARQ-combined CINR, 즉 HARQ로 결합된 CINR을 함께 ACK/NACK 채널을 통해 피드백해주는 것을 기본으로 한다. 여기서, 상기 HARQ-combined CINR은, 최초 전송 시에는 현재 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 의미하고, 재전송 시에는 현재 프레임에서 수신한 신호와 이전 전송 프레임에서 수신한 신호를 HARQ로 결합한 신호의 CINR을 의미한다.
실제 단말이 측정한 HARQ-combined CINR과 단말에게 할당된 MCS 레벨은 복호 에러가 발생한 원인을 나타내는 좋은 지표가 된다. 예를 들어, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 코드율(code rate) 1/2의 MCS 레벨이 할당되기 위해서는 CINR이 8dB이상이 되어야 한다고 가정하기로 한다. 만약 기지국이 단말의 CINR을 9dB로 예측하여 단말에게 상기와 같은 MCS 레벨을 할당하였는데 단말에서 복호 에러가 발생하였을 경우 에러 발생 원인은 다음의 두 가지로 생각할 수 있다. 먼저, 단말이 실제로 HARQ-combined CINR을 측정한 결과 실제로 8dB이상이 나왔을 경우 잡음의 랜덤(random)한 특성으로 인해 에러가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 다음으로, 단말이 실제로 측정한 HARQ-combined CINR이 5dB일 경우 이는 잡음의 랜덤한 특성보다는 기지국에서 CINR을 잘못 예측하여 너무 높은 MCS 레벨이 할당된 것으로 판단할 수 있다. 기지국이 동일 MCS 레벨로 재전송시, 후자의 경우에는 재전송하려는 사용자들에게 HARQ 결합을 통해 최소한 3dB 이상의 추가적인 CINR이 보장되어야 하지만, 전자의 경우에는 그와 같은 제약 사항이 없다. 즉, 3dB보다 더 낮은 추가적인 CINR만으로도 HARQ 결합을 통해 충분히 복호 에러가 극복될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말의 장치 구성을 도시한 블럭 도이다.
도시된 바와 같이, 상기 단말은 검출기(Detector)(100), HARQ 결합기(HARQ Combine module)(102), 복호기(Decoder)(104), CRC 검사기(CRC Check module)(106), ACK/NACK 결정기(ACK/NACK Decision module)(108), 버퍼(Buffer)(110), CINR 계산기(CINR Calculator)(112), 부호 및 변조기(Coding and Modulation module)(114), 채널 추정기(Channel Estimator)(116), CSI 및 CQI 계산기(CSI and CQI Calculator)(118)를 포함하여 구성된다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 검출기(100)는 다수(예, 2개)의 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 해당 MIMO 검출방식에 따라 검출하여 HARQ 결합기(102)로 출력한다. 여기서, 상기 MIMO 검출 방식으로, ML(Maximum Likelihood) 방식, MML(Modified ML) 방식, ZF(Zero Forcing) 방식, MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식, SIC(Successive Interference Cancellation) 방식, V-BLAST(Vertical Bell Labs Layered Space-Time) 방식 등을 사용할 수 있다.
상기 HARQ 결합기(102)는 현재 프레임에서 상기 검출기(100)로부터 입력되는 수신 신호가 최초 전송 신호일 경우, 상기 수신 신호를 복호기(104)와 버퍼(110) 및 CINR 계산기(112)로 출력한다. 만약, 현재 프레임에서 상기 검출기(100)로부터 입력되는 수신 신호가 재전송 신호일 경우, 상기 HARQ 결합기(102)는 버퍼(110)에서 상기 재전송 신호에 대해 이전 전송 프레임에서 수신한 신호를 추출하여 HARQ 결합하고, 상기 HARQ 결합된 신호를 복호기(104)와 버퍼(110) 및 CINR 계산기(112)로 출력한다.
상기 복호기(104)는 상기 HARQ 결합기(102)로부터 입력되는 부호화된 신호를 부호화 이전의 신호로 복호하고, 즉, 기지국에서 사용한 부호 방식에 상응하는 복호 방식으로 복호화(decoding)하고, 상기 복호화된 신호를 상기 CRC 검사기(106)로 출력한다.
상기 CRC 검사기(106)는 상기 복호기(104)로부터 입력되는 복호화된 신호에 대해 CRC 검사를 수행하여 에러 발생 여부를 검사하고, 검사 결과를 ACK/NACK 결정기(108)로 출력한다.
상기 ACK/NACK 결정기(108)는 상기 CRC 검사기(106)로부터의 에러 발생 여부에 대한 검사 결과에 따라 ACK/NACK을 결정하고, 상기 결정에 따라 ACK/NACK 신호를 생성하여 버퍼(110)와 부호 및 변조기(114)로 출력한다.
상기 버퍼(110)는 상기 ACK/NACK 결정기(108)로부터 입력되는 ACK/NACK 신호에 따라 상기 HARQ 결합기(102)로부터의 신호를 저장한다. 즉, 상기 버퍼(110)는 상기 ACK/NACK 결정기(108)로부터 ACK 신호가 입력될 시, 상기 HARQ 결합기(102)로부터의 신호를 폐기하고, NACK 신호가 입력될 시, 상기 HARQ 결합기(102)로부터의 신호를 저장한다.
상기 CINR 계산기(112)는 상기 HARQ 결합기(102)로부터 입력되는 신호에 대한 CINR, 즉 HARQ-combined CINR을 계산하고, 계산된 HARQ-combined CINR을 부호 및 변조기(114)로 출력한다. 여기서, 상기 HARQ-combined CINR은, 현재 프레임에서 측정된 CINR과 이전 프레임에서 측정된 CINR을 HARQ를 이용하여 결합함으로써 계산할 수 있다.
상기 부호 및 변조기(114)는 상기 ACK/NACK 결정기(108)로부터 NACK 신호가 입력될 시, 상기 CINR 계산기(112)로부터 입력되는 HARQ-combined CINR을, NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 비트로 양자화한다. 이후, 상기 부호 및 변조기(114)는 상기 양자화된 HARQ-combined CINR을 NACK 신호에 중첩시켜, 상기 NACK 신호의 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백 전송한다. 반면, 상기 부호 및 변조기(114)는 상기 ACK/NACK 결정기(108)로부터 ACK 신호가 입력될 시, 상기 ACK 신호를 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백 전송한다. 또한, 상기 부호 및 변조기(114)는 상기 CSI 및 CQI 계산기(118)로부터 입력되는 CSI 및 CQI를 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백 전송한다.
여기서, 상기 변조 방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 신호점(복소신호)에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소신호에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소신호에 사상하는 8QAM(8ary Quadrature Amplitude Modulation), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소신호에 사상하는 16QAM, 6개의 비트(s=6)를 하나의 복소신호에 사상하는 64QAM 등이 있다.
상기 채널 추정기(116)는 다수(예, 2개)의 수신 안테나를 통해 수신된 신호의 프리앰블 신호 혹은 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하고, 추정된 채널에 대한 정보를 CSI 및 CQI 계산기(118)로 출력한다.
상기 CSI 및 CQI 계산기(118)는 상기 채널 추정기(116)로부터 입력되는 채널 정보를 이용하여 CSI 및 CQI를 계산하고, 상기 계산된 CSI 및 CQI를 상기 부호 및 변조기(114)로 출력한다.
도 2는 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 기지국의 장치 구성을 도시한 블럭도이다.
도시된 바와 같이, 상기 기지국은 스케줄러(Scheduler)(200), 다수의 부호기(Encoder)(202-1 내지 202-4), 다수의 변조기(Modulation module)(204-1 내지 204-4), 전력 할당기(Power allocator)(206), 프리코더(Precoder)(208), 복조 및 복호기(Demodulation and Decoding module)(210), CINR 계산기(CINR Calculator)(212)를 포함하여 구성된다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 스케줄러(200)는 CINR 계산기(212)로부터 입력되는 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여 이번 프레임에 데이터를 전송할 사용자들과 랭크를 스케줄링한다. 이때, 상기 스케줄러(200)는 전송률 합을 최대화하면서, 재전송이 필요한 단말들의 CINR이 기존에 할당된 MCS 레벨을 지원할 수 있도록, 랭크 및 사용자 조합을 결정한다. 여기서, 상기 결정된 사용자 조합의 단말들에는 초기 전송 단말과 재전송이 필요한 단말이 포함될 수 있다. 이후, 상기 스케줄러(200)는 상기 결정된 사용자 조합 내 단말들의 데이터를, 다수의 부호기(202-1 내지 202-4)들 중 상기 결정된 랭크에 대응하는 개수의 부호기(202-1 내지 202-4)들로 각각 출력한다. 또한, 상기 스케줄러(200)는 상기 결정된 랭크를 전력 할당기(206) 및 프리코더(208)로 출력한다. 또한, 상기 스케줄러(200)는 초기 전송 단말에 대해 해당 CINR에 대응하는 MCS 레벨을 검색하여 해당 단말의 MCS 레 벨로 결정할 수 있다.
상기 다수의 부호기(202-1 내지 202-4)는 각각 상기 스케줄링된 사용자들에게 전송할 데이터를 해당 단말의 MCS 레벨에 따라 부호화한다.
상기 다수의 변조기(204-1 내지 204-4)는 각각 상기 다수의 부호기(202-1 내지 202-4)와 일대일 대응하며, 상기 다수의 부호기(202-1 내지 202-4)로부터 입력되는 부호화된 데이터를 해당 단말의 MCS 레벨에 따라 해당 변조 방식으로 변조한 후, 전력 할당기(206)로 출력한다.
상기 전력 할당기(206)는 상기 스케줄러(200)에 의해 결정된 랭크에 따라 상기 다수의 변조기(204-1 내지 204-4)로부터 입력되는 변조된 데이터에 전력을 할당하여 출력한다.
상기 프리코더(208)는 상기 전력 할당기(206)로부터 입력되는, 동시에 전송될 사용자들의 데이터를 프리코더 매트릭스(pre-coder matrix)를 이용하여 프리코딩한 후, 다수(예, 4개)의 송신 안테나를 통해 각 사용자에게 전송한다.
상기 복조 및 복호기(210)는 단말들로부터 CSI와 CQI 및 ACK/NACK 신호, 이전 전송 신호에 대한 HARQ-combined CINR을 피드백 수신하고, 이를 복조 및 복호하여 CINR 계산기(212)로 출력한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 HARQ-combined CINR은 해당 단말에 의해 NACK 신호에 중첩되어 부호 및 변조되므로, 상기 기지국은 NACK 신호를 복조 및 복호하여 이전 전송 신호에 대한 HARQ-combined CINR을 추출함으로써 상기 이전 전송 신호에 대한 HARQ-combined CINR을 획득할 수 있다.
상기 CINR 계산기(212)는 상기 복조 및 복호기(210)로부터 입력되는 CSI와 CQI를 이용하여 현재 프레임에서의 단말별 CINR을 계산한다. 이후, 상기 CINR 계산기(212)는 상기 계산된 단말별 CINR과 이전 전송 신호에 대한 HARQ-combined CINR의 합을 이용하여 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산하고, 상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 상기 스케줄러(200)로 출력한다.
도 3은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말이 NACK 신호와 함께 HARQ-combined CINR을 피드백 전송하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
상기 도 3을 참조하면, 단말은 301단계에서 현재 프레임에서 수신한 신호를 검출하고, 303단계에서 이전 전송 프레임에서 수신한 신호와 현재 프레임에서 수신한 신호에 대해 HARQ 결합을 수행한다.
이후, 상기 단말은 305단계에서 상기 HARQ 결합된 신호에 대해 복호 및 CRC 검사를 수행한 후, 307단계에서 에러가 발생하였는지 여부를 검사한다. 상기 에러가 발생하지 않았을 시, 상기 단말은 317단계에서 ACK 신호를 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백 전송한다.
반면, 상기 에러가 발생하였을 시, 상기 단말은 309단계에서 상기 HARQ 결합된 신호를 버퍼에 저장한 후, 311단계에서 상기 HARQ 결합된 신호의 HARQ-combined CINR을 계산한다. 여기서, 상기 HARQ 결합된 신호의 HARQ-combined CINR은, 하기 <수학식 1>과 같이, 현재 프레임에서 측정한 CINR과 이전 프레임에서 측정한 CINR을 HARQ 결합함으로써 계산할 수 있다.
Figure 112008076851627-PAT00001
여기서, 상기
Figure 112008076851627-PAT00002
은 상기 HARQ 결합된 신호의 HARQ-combined CINR을 나타내고, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타낸다. 상기
Figure 112008076851627-PAT00003
은 현재 프레임에서 사용자 k가 신호 검출 후에 측정한 CINR을 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00004
은 사용자 k가 버퍼에 저장하고 있는, 이전 전송에서 계산한 HARQ-combined CINR을 나타낸다.
상기 단말은 313단계에서 상기 계산된 HARQ-combined CINR을 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 M 비트로 양자화한다. 이후, 상기 단말은 315단계에서 상기 양자화된 HARQ-combined CINR을 NACK 신호에 중첩시켜 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백 전송한다. 여기서, 상기 양자화된 HARQ-combined CINR을 NACK 신호에 중첩시켜 변조 방식에 따라 부호 및 변조하는 방법은 이후 도 5를 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
이후, 상기 단말은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 4는 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 기지국이 단말로부터 NACK 신호와 함께 HARQ-combined CINR을 피드백 수신하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
상기 도 4를 참조하면, 기지국은 401단계에서 단말들로부터 ACK/NACK 신호를 피드백 수신한 후, 403단계에서 상기 ACK/NACK 신호를 복조 및 복호한다. 여기서, 상기 ACK/NACK 신호에는 HARQ-combined CINR이 중첩되어 있으며, 상기 중첩된 신호를 복조 및 복호함으로써 ACK/NACK 신호 뿐만 아니라 HARQ-combined CINR를 획득할 수 있다. 따라서, 상기 기지국은 405단계에서 상기 복조 및 복호된 NACK 신호에서 이전 전송 신호에 대한 HARQ-combined CINR을 추출한다.
이후, 상기 기지국은 407단계에서 단말들로부터 CSI 및 CQI를 수신하고, 409단계에서 상기 수신된 CSI 및 CQI를 이용하여 현재 프레임에서의 CINR을 계산한다.
이후, 상기 기지국은 411단계에서 상기 추출된 HARQ-combined CINR과 상기 계산된 CINR의 합을 이용하여, 하기 <수학식 2>와 같이, 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산한다.
Figure 112008076851627-PAT00005
여기서, 상기 R은 랭크, 즉 전송할 스트림의 수를 나타내고, 상기 U는 사용 자 조합을 나타내며, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00006
는 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 나타낸다. 상기
Figure 112008076851627-PAT00007
는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기 P는 기지국이 사용할 수 있는 전력의 총 합을 나타내며,
Figure 112008076851627-PAT00008
는 사용자 k의 프리코딩 벡터(precoding vector)로, 전체 전력을 랭크로 나누어 각 스트림당 동일 전력을 할당하는 것을 가정하였다. 상기
Figure 112008076851627-PAT00009
는 사용자 k와 기지국의 송신 안테나들 사이의 채널 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00010
는 잡음 분산을 나타낸다. 여기서, 상기
Figure 112008076851627-PAT00011
는 단말로부터 피드백 수신한 CSI 및 CQI를 이용하여 기지국이 계산한 현재 프레임에서의 CINR을 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00012
는 단말로부터 ACK/NACK과 함께 피드백 수신한 HARQ-combined CINR을 나타낸다. 여기서, 사용자 k가
Figure 112008076851627-PAT00013
에 포함되는 경우, 즉 재전송이 필요한 단말에 대해서는, 해당 단말로부터 피드백 수신한 CSI 및 CQI를 이용하여 기지국이 계산한 현재 프레임에서의 CINR과, 해당 단말로부터 ACK/NACK과 함께 피드백 수신한 HARQ-combined CINR의 합으로, 해당 단말에 대한 랭크 및 사용자 조합에 따른 CINR을 계산한다. 반면, 사용자 k가
Figure 112008076851627-PAT00014
에 포함되지 않는 경우, 즉 최초 전송 단말에 대해서는, 해당 단말로부터 피드백 수신한 CSI 및 CQI를 이용하여 기지국이 계산한 현재 프레임에서의 CINR만으로 해당 단말에 대한 랭크 및 사용자 조합에 따른 CINR을 계산한다. 여기서, 상기 HARQ-combined CINR은 현재 단말이 가지고 있는 값으로 랭크와 스케줄링에 따라 달라지지 않지만 현재 프레임에서 기지국이 예측한 CINR은 랭크 및 스케줄링에 따라 달라진다.
이후, 상기 기지국은 413단계에서 상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여, 모든 가능한 랭크와 사용자 조합에 대해, 전송률 합을 최대화하면서 동시에 재전송이 필요한 단말들의 계산된 CINR이 기존에 할당된 MCS 레벨을 지원할 수 있는 랭크 및 사용자 조합을 결정한다. 여기서, 상기 랭크 및 사용자 조합은 하기 <수학식 3>을 이용하여 결정한다.
Figure 112008076851627-PAT00015
Figure 112008076851627-PAT00016
여기서, 상기
Figure 112008076851627-PAT00017
은 결정된 랭크를 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00018
는 결정된 사용자 조합을 나타낸다. 상기 U는 사용자 조합을 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00019
은 데이터를 전송하고자 하는 모든 사용자들의 집합을 나타내며, 상기
Figure 112008076851627-PAT00020
는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00021
는 집합 U의 원소의 개수를 나타낸다. 상기
Figure 112008076851627-PAT00022
는 랭크 R, 사용자 조합 U일 때 사용자 k에게 할당 가능한 전송률을 나타내고, 상기
Figure 112008076851627-PAT00023
는 최초 전송시 할당한 MCS 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR 값을 나타내며 이는 MCS 테이블(table)로부터 획득할 수 있다. 상기 <수학식 3>과 같이, 기지국은 재전송해야 하는 단말들로부터 피드백 수신된 HARQ-combined CINR을 통해 필요한 만큼의 자원(예를 들어, 전력)을 더 할당하여 재전송하려는 단말들을 보장해 준 후, 랭크를 높여서 남은 자원을 새로운 사용자에게 할당한다.
이후, 상기 기지국은 415단계에서 상기 결정된 사용자 조합의 단말들에게 데이터를 전송한 후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말이 HARQ-combined CINR을 NACK 신호에 중첩시켜 변조 방식에 따라 부호 및 변조하기 위한 방법을 도시한 예시도이다.
상기 도 5를 참조하면, 추가적인 정보를 NACK 신호와 더불어 피드백할 시, 추가적으로 자원, 즉 시간(time)이나 주파수(frequency)를 할당할 경우 피드백 오버헤드가 증가하게 된다. 이 같은 단점을 보완하기 위해 본 발명은 다음과 같은 방법을 제안한다. 종래 기술에서도 ACK/NACK 신호를 피드백할 시, 한정된 자원을 효율적으로 사용하고 안정된 피드백 전송을 위해 부호 및 변조 기법을 사용한다. 종래 기술에서는 부호 및 변조 기법을 사용하여 ACK/NACK 신호를 피드백할 시, 상기 도 5의 (a)와 같이 ACK과 NACK 2 가지에 대해서만 부호 및 변조 기법을 적용하는데 반해, 본 발명에서는 도 5의 (b)와 같이 NACK을 NACK1,...,NACKN(N=2M)의 서브 그룹(subgroup)으로 나누어 사용하는 것을 제안한다. 즉, 종래에는 ACK과 NACK 두 가지의 코드워드(codeword)만 존재하는데 반해, 본 발명에서는 ACK과 NACK1,...,NACKN(N=2M)의 코드워드가 존재한다. 이 경우, ACK/NACK의 검출성능이, 2 개의 코드워드만을 전송하는 것에 비해 여러 개의 코드워드를 전송할 때 더 나빠지는 것을 막기 위해, 본 발명에 따라 ACK을 전송했을 때 NACK1,...,NACKN(N=2M) 중의 하나라고 잘못 복호할 확률과, NACK1,...,NACKN(N=2M) 중의 하나를 전송했을 때 ACK로 잘못 복호할 확률이, 종래의 ACK을 전송했을 때 NACK으로 잘못 복호할 확률과, NACK을 전송했을 때 ACK로 잘못 복호할 확률이 비슷하도록 부호 및 변조 기법을 적용한다. 즉, 서브 그룹 내에서 NACK1과 NACK2를 구별하는 성능과, ACK과 NACK 그룹을 구별하는 성능에 대해 종래 기술과 차별을 두어 부호 및 변조 기법을 적용한다. 이에 대해 설명하기 위해 다음과 같은 예를 들기로 한다. 만약 기존에 ACK와 NACK을 단순히 BPSK로만 변조하여 전송했다고 가정할 경우, 본 발명에서 기존 NACK신호에 추가정보를 중첩(superposition)한 후 ACK, NACK1,...,NACK4(M=2비트를 사용할 경우)를 통해 전송한다. 여기서는 단순히 변조 기법만을 예로 들어 설명하였으나, 부호 기법으로도 확장이 가능하다. 이 경우, 상기 도 5는 코드 도메인(code domain)에서 코드워드 길이(codeword length)와 동일한 차원의 격자구조로 생각될 수 있다.
이 경우, SNR이 낮을 경우 비록 추가적인 정보는 제대로 복호하지 못하더라도 ACK, NACK 정보를 잘못 복호할 확률은 종래와 비슷하게 된다. 또한 본 발명이 목표로 하는 MU-MIMO의 경우는, SNR이 높은 경우에 시스템 용량을 크게 증가시키는 기술이므로, SNR이 낮을 경우엔 추가적인 정보를 잘못 복호할 경우라도 시스템 용량의 손실이 크지 않다. 또 하나 살펴볼 점은 종래 기술의 경우 ACK의 보로노이(Voronoi) 영역이 NACK의 보로노이 영역과 동일하나, 본 발명의 경우 ACK의 보로노이 영역이 NACK의 보로노이 영역보다 약간 더 작아지는 경우가 발생한다. HARQ 기법에서 ACK을 NACK으로 잘못 복호할 경우 PHY단에서 HARQ를 통해 재전송하면 되지만, NACK을 ACK으로 잘못 복호할 경우 MAC단에서 ARQ를 통해 재전송을 해야 된다. 그러므로 본 발명에서처럼 NACK의 보로노이 영역이 ACK의 보로노이 영역보다 큰 경우가 그 반대의 경우에 비해 레이턴시(latency)가 더 작고 시스템 용량의 성능열화 정도가 더 작을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실시 예는 NACK 신호 전송시, 단말이 측정한 HARQ-combined CINR, 즉 HARQ로 결합된 CINR을 함께 ACK/NACK 채널을 통해 피드백해주는 것을 예로 들어 설명하였으나, CQI 채널을 통해 피드백하는 방법도 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 실시 예는 NACK 신호와 함께 HARQ-combined CINR을 피드백할 시, HARQ-combined CINR을 직접 양자화하여 피드백하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 다른 방법으로 최초 전송 시 할당된 MCS 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR을 링크 테이블(Link table)에서 검색하여, 상기 검색된 최소 CINR과 상기 HARQ-combined CINR과의 차이 또는 비를 계산하고, 상기 계산된 차이 또는 비를 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 M 비트로 양자화한 후, 상기 양자화된 값을 NACK 신호에 중첩시켜 상기 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백할 수도 있다. 이 경우 피드백해야 하는 값의 범위를 0~1까지로 제한되므로, 더 적은 비트 수만으로 피드백하는 것이 가능하다. 재전송시점에서 기지국은, 단말로부터 피드백된 값과, 해당 단말에게 할당한 MCS 레벨과 링크 테이블로 검색한 CINR을 이용하여, 실제 HARQ-combined CINR을 계산한 후, 본 발명에 따른 실시 예와 동일한 방법으로 랭크 및 사용자 조합을 결정할 수 있다.
또 다른 방법으로, 단말은 HARQ-combined CINR을 계산하여 복호 에러의 발생원인을 판단하고, HARQ-combined CINR이 기준값 이상으로 충분히 커서, 잡음의 랜덤한 특성 때문에 복호 에러가 발생한 것으로 판단되면 피드백 값으로 0을 결정하 고, HARQ-combined CINR이 기준값 이하로 작아서, 기지국에서 CINR을 잘못 계산하여 복호 에러가 발생한 것으로 판단되면 피드백 값으로 1을 결정한 후, 상기 결정된 피드백 값을 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백할 수도 있다. 재전송시점에서 기지국은, 단말로부터 피드백된 값을 이용하여, 0이 피드백되면 공격적인 할당으로 랭크를 높이고 1이 피드백되면 보수적인 할당으로 랭크를 유지하거나 낮추어 전송한다.
여기서, 랭크 결정 방법으로 상기 공격적인 할당 방법은, 재전송이 필요한 단말들을 미리 선택해둔 상황에서 다른 사용자들을 추가로 선택한 후 가장 좋은 사용자 조합 및 랭크를 결정하여 전송하는 방법이다. 이와 같은 공격적인 할당방법에 따라 최초 전송보다 높은 랭크가 결정될 수도 있다. 예를 들어, 최초 전송시의 랭크가 3이고, 재전송시의 랭크가 4라면, 초기 전송시에 전체 전력의 1/3씩을 할당받았던 단말들은 재전송시에 전체 전력이 1/4씩을 할당받게 된다.
다른 랭크 결정 방법으로 상기 보수적인 할당방법으로, 재전송시점에서 재전송하려는 사용자들의 MCS 레벨을 지원할 수 있는 CINR을 보장할 수 있도록 랭크를 조절하는 방법이다. 즉, 재전송 시의 랭크를 최초 전송 시의 랭크와 동일하게 유지하여 먼저 스케줄링을 해본 후, 계산된 CINR이 재전송 단말에게 할당된 MCS 레벨을 모두 만족하는 경우 랭크를 높여 다시 스케줄링을 해보고, 계산된 CINR이 재전송 단말에게 할당된 MCS 레벨을 모두 만족하지 않는 경우 랭크를 낮추어 데이터를 전송할 수 있다. 예를 들어, 초기 전송시에 전체 전력의 1/3씩을 할당받았던 사용자 1과 사용자 3에게 데이터를 재전송 해야 할 경우, 재전송시에도 랭크 3으로 먼저 스케줄링을 해본 후, 계산된 CINR이 사용자 1과 사용자 3에 할당된 MCS 레벨을 모두 만족하는 경우 랭크 4로 스케줄링을 해보고, 그렇지 않을 경우 랭크 2로 사용자 1과 사용자 3에게 전체 전력의 1/2씩을 할당하여 데이터를 재전송한다.
한편, 본 발명을 종래 기술과 비교한 시뮬레이션 결과를 하기 <표 1>을 이용하여 살펴보면 다음과 같다. 시물레이션 환경을 살펴보면, 19 셀(cell)/57 섹터(sector) 환경의 MU-MIMO 시스템에서 기지국은 4개의 안테나, 단말은 2개의 안테나를 사용하고, 기지국은 ZF-BF을 사용하며, 최대 3번 재전송하는 HARQ 체이스 컴바잉(chase-combing) 기법을 사용하였다. 상기 시뮬레이션은 SCM Urbanmacro 8' 3km/h 채널을 모델링하였다.
PHY sector throughput(Mbps) PER
1st ReTx 2nd ReTx 3rd ReTx
종래 기법의 HARQ 사용 공격적 할당 17.17 1.475% 0.304% 0.140%
보수적 할당 16.09 0.393% 0.015% 0.002%
본 발명의 HRQ 사용(M=2bit) 17.12 0.877% 0.060% 0.005%
여기서, 종래 기법의 HARQ 기법을 사용하여, 즉 종래의 HACK 신호를 이용하여 공격적인 자원할당을 할 경우, PHY 단에서의 섹터 성능(sector throughput)은 보수적인 자원할당 혹은 본 발명의 HARQ 기법과 비교하였을 때 가장 높으나, 최대 재전송 수인 3회가 끝나더라도 에러가 복구되지 못하고 남아 있는 패킷이 0.14%로 이 역시 가장 높다. 이와 같은 PHY 단에서의 에러는 MAC단에서의 ARQ로만 극복할 수 있으므로, 비록 PHY 단에서의 성능은 크더라도 MAC 단에서의 성능은 상당히 감소하게 된다.
반면, 종래 기법의 HARQ 기법을 사용하여 보수적인 자원할당을 할 경우, 3회 재전송 후 에러가 남아 있을 확률은 0.002%로 공격적인 자원할당 혹은 본 발명의 HARQ 기법과 비교하였을 때 가장 낮으며, 따라서 MAC 단에서의 성능 감소폭이 작다. 하지만, PHY단에서의 성능 측면에서 공격적인 할당에 비해 약 6.3% 의 성능 감소를 가져온다.
반면, 본 발명의 경우, 상기 공격적인 자원할당과 보수적인 자원할당의 장점을 모두 취해, 3회 재전송 후 남아 있는 에러가 0.005%로 MAC단에서 성능의 감소도 작을 뿐 아니라 PHY 단에서도 공격적인 할당과 거의 동일한 성능을 가진다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말의 장치 구성을 도시한 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 기지국의 장치 구성을 도시한 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말이 NACK 신호와 함께 HARQ-combined CINR을 피드백 전송하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 MU-MIMO 시스템에서 기지국이 단말로부터 NACK 신호와 함께 HARQ-combined CINR을 피드백 수신하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하기 위한 방법의 절차를 도시한 흐름도, 및
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 MU-MIMO 시스템에서 단말이 HARQ-combined CINR을 NACK 신호에 중첩시켜 변조 방식에 따라 부호 및 변조하기 위한 방법을 도시한 예시도.

Claims (22)

  1. 단말의 피드백 전송 방법에 있어서,
    현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합하여, HARQ 결합된 CINR(HARQ-combined CINR)을 계산하는 과정과,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK(Negative ACK) 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 HARQ 결합된 CINR은 하기 <수학식 4>와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112008076851627-PAT00024
    여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00025
    은 상기 HARQ 결합된 CINR을 나타내고, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00026
    은 현재 프레임에서 사용자 k가 측정한 CINR을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00027
    은 사용자 k가 버퍼에 저장하고 있는, 이전 프레임에서 계산한 HARQ 결합된 CINR을 나타냄.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정은,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR을 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 비트로 양자화하는 과정과,
    상기 양자화된 값을 NACK 신호에 중첩시켜 상기 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 변조 방식은, BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8QAM(8ary Quadrature Amplitude Modulation), 16QAM, 64QAM 중 하나임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정은,
    최초 전송 시 할당된 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR을 링크 테이블(Link table)에서 검색하는 과정과,
    상기 검색된 최소 CINR과 상기 계산된 HARQ 결합된 CINR과의 차이 또는 비를 계산하는 과정과,
    상기 계산된 차이 또는 비를 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 비트로 양자화하는 과정과,
    상기 양자화된 값을 NACK 신호에 중첩시켜 상기 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정은,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR을 이용하여 복호 에러의 발생 원인을 판단하는 과정과,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR이 기준값 이상일 시, 잡음의 랜덤한 특성 때 문에 복호 에러가 발생한 것으로 판단하여, 피드백 값으로 0을 결정하는 과정과,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR이 기준값 이하일 시, 기지국에서 CINR을 잘못 계산하여 복호 에러가 발생한 것으로 판단하여, 피드백 값으로 1을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 피드백 값을 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 기지국의 스케줄링 방법에 있어서,
    단말들로부터 NACK(Negative ACK) 신호와 함께, HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합된 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 피드백 수신하는 과정과,
    단말들로부터의 CSI(Channel State Information)와 CQI(Channel Quality Indicator) 중 적어도 하나를 피드백 수신하고, 이를 이용하여 현재 프레임에서의 CINR을 계산하는 과정과,
    상기 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR과 상기 계산된 CINR의 합을 이용하여 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산하는 과정과,
    상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 HARQ 결합된 CINR은, 단말이 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR과, 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ 결합하여 계산한 CINR, 혹은 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 이용하여 계산한 CINR임을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR은, 하기 <수학식 5>를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112008076851627-PAT00028
    여기서, 상기 R은 랭크를 나타내고, 상기 U는 사용자 조합을 나타내며, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00029
    는 랭크 및 사용 자 조합에 따른 단말별 CINR을 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00030
    는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기 P는 기지국이 사용할 수 있는 전력의 총 합을 나타내며,
    Figure 112008076851627-PAT00031
    는 사용자 k의 프리코딩 벡터(precoding vector)이다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00032
    는 사용자 k와 기지국의 송신 안테나들 사이의 채널 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00033
    는 잡음 분산을 나타낸다. 여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00034
    는 단말로부터 피드백 수신한 CSI 및 CQI 중 적어도 하나를 이용하여 계산한 현재 프레임에서의 CINR을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00035
    는 단말로부터 NACK 신호와 함께 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR을 나타냄.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 과정은,
    모든 가능한 랭크와 사용자 조합에 대해, 전송률 합을 최대화하면서 동시에 재전송이 필요한 단말들의 계산된 CINR이 기존에 할당된 MCS 레벨을 지원할 수 있는 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 과정임을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 랭크 및 사용자 조합은 하기 <수학식 6>을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112008076851627-PAT00036
    Figure 112008076851627-PAT00037
    여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00038
    은 결정된 랭크를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00039
    는 결정된 사용자 조합을 나타낸다. 상기 U는 사용자 조합을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00040
    은 데이터를 전송하고자 하는 모든 사용자들의 집합을 나타내며, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00041
    는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00042
    는 집합 U의 원소의 개수를 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00043
    는 랭크 R, 사용자 조합 U일 때 사용자 k에게 할당 가능한 전송률을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00044
    는 최초 전송시 할당한 MCS 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR 값을 나타냄.
  12. 단말의 피드백 전송 장치에 있어서,
    현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)과 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합하여, HARQ 결합된 CINR(HARQ-combined CINR)을 계산하는 CINR 계산기와,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR에 관련된 정보를 NACK(Negative ACK) 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 부호 및 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 HARQ 결합된 CINR은 하기 <수학식 7>과 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112008076851627-PAT00045
    여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00046
    은 상기 HARQ 결합된 CINR을 나타내고, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00047
    은 현재 프레임에서 사용자 k가 측정한 CINR을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00048
    은 사용자 k가 버퍼에 저장하고 있는, 이전 프레임에서 계산한 HARQ 결합된 CINR을 나타냄.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 부호 및 변조기는,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR을 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 비트로 양자화하고,
    상기 양자화된 값을 NACK 신호에 중첩시켜 상기 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 변조 방식은, BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 8QAM(8ary Quadrature Amplitude Modulation), 16QAM, 64QAM 중 하나임을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 부호 및 변조기는,
    최초 전송 시 할당된 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR을 링크 테이블(Link table)에서 검색하고,
    상기 검색된 최소 CINR과 상기 계산된 HARQ 결합된 CINR과의 차이 또는 비를 계산한 후,
    상기 계산된 차이 또는 비를 NACK 신호의 변조 방식에 따른 변조 차수에 대응하는 비트로 양자화하고,
    상기 양자화된 값을 NACK 신호에 중첩시켜 상기 변조 방식에 따라 부호 및 변조한 후 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 부호 및 변조기는,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR을 이용하여 복호 에러의 발생 원인을 판단하고,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR이 기준값 이상일 시, 잡음의 랜덤한 특성 때문에 복호 에러가 발생한 것으로 판단하여, 피드백 값으로 0을 결정하며,
    상기 계산된 HARQ 결합된 CINR이 기준값 이하일 시, 기지국에서 CINR을 잘못 계산하여 복호 에러가 발생한 것으로 판단하여, 피드백 값으로 1을 결정한 후,
    상기 결정된 피드백 값을 NACK 신호와 함께 기지국으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 기지국의 스케줄링 장치에 있어서,
    단말들로부터 NACK(Negative ACK) 신호와 함께, HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 결합된 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 피드백 수신하고, 단말들로부터의 CSI(Channel State Information)와 CQI(Channel Quality Indicator) 중 적어도 하나를 피드백 수신하는 복조 및 복호기와,
    상기 수신된 CSI와 CQI 중 적어도 하나를 이용하여 현재 프레임에서의 CINR을 계산하고, 상기 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR과 상기 계산된 CINR의 합을 이용하여 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 계산하는 CINR 계산기와,
    상기 계산된 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 이용하여 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 스케줄러를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 HARQ 결합된 CINR은, 단말이 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR과, 이전 프레임에서 수신한 신호의 CINR을 HARQ 결합하여 계산한 CINR, 혹은 현재 프레임에서 수신한 신호에 대한 CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)을 이용하여 계산한 CINR임을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR은, 하기 <수학식 8>을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112008076851627-PAT00049
    여기서, 상기 R은 랭크를 나타내고, 상기 U는 사용자 조합을 나타내며, 상기 k는 사용자의 인덱스(index)를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00050
    는 랭크 및 사용자 조합에 따른 단말별 CINR을 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00051
    는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기 P는 기지국이 사용할 수 있는 전력의 총 합을 나타내며,
    Figure 112008076851627-PAT00052
    는 사용자 k의 프리코딩 벡터(precoding vector)이다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00053
    는 사용자 k와 기지국의 송신 안테나들 사이의 채널 벡터를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00054
    는 잡음 분산을 나타낸다. 여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00055
    는 단말로부터 피드백 수 신한 CSI 및 CQI 중 적어도 하나를 이용하여 계산한 현재 프레임에서의 CINR을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00056
    는 단말로부터 NACK 신호와 함께 피드백 수신한 HARQ 결합된 CINR을 나타냄.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 스케줄러는,
    모든 가능한 랭크와 사용자 조합에 대해, 전송률 합을 최대화하면서 동시에 재전송이 필요한 단말들의 계산된 CINR이 기존에 할당된 MCS 레벨을 지원할 수 있는 랭크 및 사용자 조합을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 랭크 및 사용자 조합은 하기 <수학식 9>를 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112008076851627-PAT00057
    Figure 112008076851627-PAT00058
    여기서, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00059
    은 결정된 랭크를 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00060
    는 결정된 사용자 조합을 나타낸다. 상기 U는 사용자 조합을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00061
    은 데이터를 전송하고자 하는 모든 사용자들의 집합을 나타내며, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00062
    는 재전송이 필요한 사용자들의 집합을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00063
    는 집합 U의 원소의 개수를 나타낸다. 상기
    Figure 112008076851627-PAT00064
    는 랭크 R, 사용자 조합 U일 때 사용자 k에게 할당 가능한 전송률을 나타내고, 상기
    Figure 112008076851627-PAT00065
    는 최초 전송시 할당한 MCS 레벨을 지원할 수 있는 최소 CINR 값을 나타냄.
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