KR20110004237A - 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법과 이를 이용한 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법과 이를 이용한 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신단(예; 기지국, 중계국 등)과 수신단(예; 이동국 등) 간에 선형 협력 통신(linear joint transmission)[MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식으로 협력 통신 또는 ZF(Zero-Forcing) 방식으로 협력 통신]을 수행하는데 있어, 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 고려하여 최적의 송신단 그룹을 선택하는 방법과, 이와 같이 선택된 송신단에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 수신단으로 제공해 선형 협력 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, 송신단에서의 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 있어서, 다른 송신단들과의 정보 교환을 통해 인접 송신단들과 수신단들에 관한 모든 조합의 채널 상태 정보를 획득하는 단계; 상기 획득한 채널 상태 정보를 토대로 자신의 수신단을 위해 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹을 선택하는 단계; 및 상기 선택한 송신단 그룹에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 자신의 수신단으로 전송하는 단계를 포함하며, 상기 수신단에서는, 자신의 서빙 송신단으로부터 수신받은 송신단 그룹 정보를 통해 해당 선형 협력 통신 참여 송신단들과 채널을 설정하는 것을 특징으로 한다.

선형 협력 통신, 송신단 선택, 협력 다중 안테나, 시스템 구성, MMSE, ZF, 하향링크, 전력 할당 비균등

Description

선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법과 이를 이용한 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법{The transceiver selection method for linear joint transmission and the linear cooperative MIMO system configuration method}

본 발명은 협력 통신 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신단(예; 기지국, 중계국 등)과 수신단(예; 이동국 등) 간에 선형 협력 통신(linear joint transmission)[MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식으로 협력 통신 또는 ZF(Zero-Forcing) 방식으로 협력 통신]을 수행하는데 있어, 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 고려하여 최적의 송신단 그룹을 선택하는 방법과, 이와 같이 선택된 송신단에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 수신단으로 제공해 선형 협력 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법에 관한 것이다.

무선 통신 채널에 있어 송신단[예; 기지국(BS; Base Station), 중계국(RS; Relay Station) 등]으로부터 전송된 신호는 다중 경로를 통해 수신단[예; 이동국(MS; Mobile Station) 등]에 도달되게 된다. 예컨대, 다중 경로 상에서 동일한 정보가 포함된 신호들이 시간 차이를 가지고 수신단의 안테나에서 수신되는데, 수신단에 나중에 수신된 신호가 먼저 수신된 신호에 대해 간섭 신호로서 무선 통신 시스템 성능 저하 요인으로서 작용하고 있다. 이를 다중 경로 페이딩(Multi-Path Fading)이라고 하는데, 신뢰성 있는 통신을 위해서는 반드시 다중 경로 페이딩 문제가 해결되어야 한다.

다중 경로 페이딩 문제 해결 방안으로서 다중 안테나를 이용해 다이버시티 이득을 얻는 기법이 있으며, 현재 구현된 대부분의 무선 통신 시스템에서는 다중 입력/다중 출력(MIMO; Multiple-Input Multiple-Output) 방식이 주로 사용되고 있다.

즉, 다중 안테나 시스템(MIMO system)은 다중 안테나를 이용하여 주파수 효율을 높이는 기술로서, 이론적으로 다중 안테나 시스템에서는 점대점(point-to-point) 통신 시 별도의 전력(power)이나 주파수 자원을 이용하지 않고서도 안테나의 개수에 따라 선형으로 시스템 용량(capacity)이 증가한다고 알려져 있다.

그러나, 실제 셀(cell) 기반의 무선 통신 시스템에서 여러 셀이 주파수를 공유할 경우에 셀 간의 간섭(CCI; Co-Channel Interference)이 심각해 지는 것으로 인해 셀 용량이 제한적이며, 이외에도 충분히 넓지 않은 안테나 간의 간격으로 인해 발생되는 상관(correlation)과, 통상적으로 다중 안테나 시스템에 관한 연구에서 무시되는 대규모 페이딩(large scale fading, 예; 지형에 따른 경로 손실 등) 등이 다중 안테나 시스템의 용량을 제한적으로 만들고 있다.

위와 같은 셀 간섭에 의한 문제, 다중 경로 페이딩 문제를 해결하기 위해 각 셀을 형성하는 다수의 송신단이 서로 협력하여 다이버시티 이득을 내어 다수의 수신단[즉 다중 사용자(MU; multi user)]을 지원하는 협력 다중 안테나 시스템(Cooperative MIMO system)이 제안되었다.

협력 다중 안테나 시스템에서 송신단들은 고속의 광케이블로 연결되어 있기 때문에 서로 정보 교환이 용이하며, 이를 통해 셀 간 간섭을 효율적으로 줄이고 주파수 스펙트럼 효율을 높일 수 있다. 이러한 장점으로 IEEE 802.16m[주; 기존 WiBro 및 WiMAX 시스템과 호환성을 유지하면서 IMT-Advanced 시스템 요구 사항을 만족하도록 개발 진행 중인 표준], LTE(Long Term Evolution, 3세대 이동통신 진화 기술) 등에서 셀 가장자리(cell-edge) 유저들의 용량 증대를 통한 커버리지 확장 등을 위해 이 협력 다중 안테나 시스템과 관련된 기술의 도입에 대해 활발한 논의가 이루어지고 있다.

한편, 송신단 간에 협력 통신을 수행하는데 있어 여러 송신단과 수신단 간의 채널들이 한꺼번에 고려되어 협력 전송 매트릭스가 설계(디자인)되어야 한다. 이 협력 전송 매트릭스 설계에 있어서, 협력 통신 참여 송신단들의 가용 전력을 모두 더한 값을 각 송신단이 나눠 쓸 수 있도록 하여 최적의 용량을 제공하는 'pooled-power constraint 기반 dirty paper coding(DPC) 방식'이 제안되었다.

그러나, DPC 방식의 자체 구현 복잡도가 높을 뿐만 아니라, 그 제한 조건인 pooled-power constraint는 협력 통신에 포함된 셀들의 주변 셀에 큰 간섭을 줄 위험성이 있기에 실제로 협력 다중 안테나 시스템에 적용하는데 상당한 무리가 있다.

DPC 방식 대신에 선형(linear) 협력 전송 매트릭스 설계 기법이 제안되었으 며, 이러한 기법에서는 pooled-power constraint 대신에 그 제한 조건으로 각 송신단의 가용 전력을 제한하는 per-base power constraint가 사용된다.

그런데, 'per-base power constraint 기반 선형 협력 전송 매트릭스 설계 기법'은 각 송신단의 가용 전력을 제한함으로 인해 대부분의 송신단들이 전력을 비효율적으로 사용하게 되며, 이는 pooled power constraint 대비 상당한 시스템 용량 손해를 초래하는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 송신단(예; 기지국, 중계국 등)과 수신단(예; 이동국 등) 간에 선형 협력 통신(linear joint transmission)[MMSE(Minimum Mean Square Error) 방식으로 협력 통신 또는 ZF(Zero-Forcing) 방식으로 협력 통신]을 수행하는데 있어, 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 고려하여 최적의 송신단 그룹을 선택하는 방법과, 이와 같이 선택된 송신단에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 수신단으로 제공해 선형 협력 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은, 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 있어서, 인접 송신단들과 수신단들에 관한 채널 상태 정보를 토대로 모든 조합의 송신단 그룹을 선정하는 단계; 상기 선정한 송신단 그룹을 위한 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계; 상기 결정한 선형 협력 전송 매트릭스의 채널 매트릭스를 토대로 상기 선정한 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계; 및 상기 계산한 스펙트럼 효율 중 스펙트럼 효율 최대값을 갖는 송신단 그룹을 선형 협력 통신 참여 송신단으로 선택하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 제2 방법은, 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 있어서, 인접 송신단들과 수신단들에 관한 채널 상태 정보를 토대로 모든 조합의 송신단 그룹을 선정하는 단계; 상기 선정한 송신단 그룹을 위한 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계; 소정 선형 협력 통신 방식 기반 전처리 매트릭스를 이용하여 상기 결정한 선형 협력 전송 매트릭스에서의 수신단 간섭을 제거하는 단계; 상기 수신단 간섭이 제거된 선형 협력 전송 매트릭스를 토대로 상기 선정한 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계; 및 상기 계산한 스펙트럼 효율 중 데이터 서브스트림 할당 전력 최대값을 갖는 송신단 그룹을 선형 협력 통신 참여 송신단으로 선택하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명의 제3 방법은, 송신단에서의 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 있어서, 다른 송신단들과의 정보 교환을 통해 인접 송신단들과 수신단들에 관한 모든 조합의 채널 상태 정보를 획득하는 단계; 상기 획득한 채널 상태 정보를 토대로 자신의 수신단을 위해 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹을 선택하는 단계; 및 상기 선택한 송신단 그룹에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 자신의 수신단으로 전송하는 단계를 포함하며, 상기 수신단에서는, 자신의 서빙 송신단으로부터 수신받은 송신단 그룹 정보를 통해 해당 선형 협력 통신 참여 송신단들과 채널을 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명은 선형 협력 다중 안테나 시스템에서 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 해소하는 효과[기지국 전력의 비효율적 사용을 제거], 셀 간 간섭을 효율적으로 제거하는 효과, 시스템 채널 사용 효율화 증대 및 시스템 용량 증대 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대 한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 협력 다중 안테나 시스템에 대한 일실시예 구성도이며, 예시적으로 도 1에는 3개의 기지국이 참여하는 협력 다중 안테나 시스템이 도시되어 있다.

이하, 본 발명을 설명하는데 있어 기지국(BS; Base Station)과 이동국(MS; Mobile Station)을 예로 들어 설명하기로 하며, '송신단'이라는 용어는 기지국, 예컨대 기지국의 송신 안테나를 의미하고, '수신단'이라는 용어는 이동국, 예컨대 이동국의 수신 안테나를 의미하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 선형 협력 통신(linear joint transmission) 방식으로 동작하는 협력 다중 안테나 시스템(Cooperative MIMO system)에서, 하향링크(downlink)를 통해 기지국에서 이동국으로 신호(데이터)를 전송하는데 있어 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹[BS set]을 선택하는 알고리즘을 제시한다.

즉, 본 발명에서 송신단과 수신단 간에 선형 협력 통신을 수행하는데 있어, 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 고려하여 최적의 송신단 그룹을 선택하는 방법을 제시하며, 제1 실시예에서는 MMSE(Minimum Mean Square Error, 최소 평균 제곱 오차) 방식의 선형 협력 통신을 기반으로 하며, 제2 실시예에서는 ZF(Zero-Forcing, 제로 포싱) 방식의 선형 협력 통신을 기반으로 한다.

또한, 본 발명에서는 위와 같이 선택된 송신단에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 기지국에서 이동국으로 제공해 선형 협력 다중 안테나 시스템을 구성하는 방법을 제시한다.

먼저, 본 발명의 이해를 도모하고자 협력 다중 안테나 시스템과, 선형 협력 통신 방식에 대해 설명하기로 한다.

(1) 협력 다중 안테나 시스템(Cooperative MIMO system)

도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 인접한 기지국(11, 12, 13) 간에 협력 통신을 수행하는 시스템을 기본으로 한다[N_b = 3]. 각 셀을 형성하는 기지국은 주파수 자원을 공유하며[FRF(Frequency Reuse Factor) = 1], 하나의 셀 내에서 이동국[유저](21)은 시간적 또는 주파수적 또는 코드적으로 서빙 기지국[주; 도면부호 '11'의 기지국이 이동국(21)의 서빙 기지국이라 하기로 함]으로부터 주파수 자원을 할당받음에 따라 셀 내 간섭은 없다고 가정하자.

또한, 각 기지국은 N_t개와 안테나를 구비하고, 각 이동국은 N_r개의 안테나를 구비하고 있으며, 하나의 주파수 자원을 고려한 경우에 협력 통신에 참여하는 기지국[주; 이하 기지국은 협력 통신에 참여하는 기지국을 지칭함]이 지원하는 이동국[유저]의 개수를 K라 하자.

또한, 협력 다중 안테나 시스템에서, 이동국으로 보낼 송신 신호는 N_b개의 기지국 간 협력을 통해 전송되며, 공지의 타이밍 어드밴스 기법(timing-advance mechanism) 등을 통해 각 기지국에서 하나의 이동국으로 보낸 송신 신호가 그 이동 국에서 동시에 수신되는 것으로 가정한다.

그럼, 이동국 j에서의 수신 신호는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 채널 매트릭스

이며,

는 기지국 b와 이동국 j 사이의 채널 매트릭스를 의미한다.

이며,

는 기지국 b에서 이동국 j에게 보내는 송신 신호를 의미하며, n_j는 이동국 j에 부가되는 잡음을 의미한다.

덧붙여, 하기에서 구체적으로 후술할 본 발명에서는 프리코딩(Pre-coding, 사전 부호화) 기법 또는 빔포밍(Beanforming) 기법 등을 사용하기에 각 이동국에서는 기지국들로부터 수신되는 신호 중 자신에게 오는 신호를 구분할 수 있다.

또한,

는 데이터 서브스트림(substream)

과 전체 협력 다중 안테나 시스템의 협력 전송 매트릭스

의 곱으로 표현 될 수 있으며, 각 이동국을 위한 데이터 서브스트림 개수의 합을

로 표현할 수 있다. 이를 이용하여 [수학식 1]을 다음의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.

위와 같은 협력 전송 매트릭스

는 셀 간 간섭을 줄이는 역할을 하도록 설계되며, 이러한 협력 전송 매트릭스

의 설계 시 채널 영향만 고려된다.

본 발명에서는 협력 전송 매트릭스

를 설계하는데 있어 'per-base power constraint'를 고려하였으며[각 기지국의 가용 전력을 제한하는 조건], 이러한 제한 사항은 다음의 [수학식 3]과 같다.

여기서,

는 기지국 b가 이동국 k를 지원하기 위해 데이터 서브스트림에 곱하는

의 행들을 나타내고,

는 기지국 b의 가용 전력을 나타낸다.

(2) per-base power constraint 기반 선형 협력 전송 방식(linear joint transmission with per-base power constraint)

그럼, 협력 다중 안테나 시스템의 선형 협력 전송 매트릭스 설계에 대해 살펴보기로 하자. 배경기술에서 설명한 바와 같이 DPC 방식 기반으로 협력 전송 매트릭스를 생성하는 것은 구현 복잡도가 매우 높아 어려우며, 구현 측면에서 선형 협력 전송 매트릭스가 협력 다중 안테나 시스템에 더욱 적합하다.

선형 협력 전송 매트릭스는

또는

로 나타내며, 여기서

이고,

[diagonal matrix]이다.

또한,

는 선형으로 설계되는 전처리 매트릭스(preliminary matrix)이며,

는 협력 전송 매트릭스

를 형성하기 위한 전력 할당 매트릭스(power allocation matrix)이다.

또한, 각 이동국으로 보내는 데이터 서브스트림에 곱할 전력을 모아 둔 벡터[전력 집합 벡터]는 다음의 [수학식 4]와 같다.

여기서,

이며,

는 기지국 b가 이동국 j를 지원할 때 사용되는 전처리 매트릭스(preliminary matrix)이며, 각 기지국의 가용 전력을 제한하는데 사용할 per-base power 벡터

이다.

한편, [수학식 4]의 전력 집합 벡터

가 모두 양수를 갖지 않을 경우에 어느 기지국의 통신이 불가능하기에, 전력 집합 벡터의

는 다음의 [수학식 5]와 같이 기지국의 가용 전력을 전처리 매트릭스 크기로 나눈 값 중 최소값으로 재정의된다.

여기서,

는 기지국 b에 해당되는 전처리 매트릭스

의 행들을 나타내며, 위와 같이 선형의 성질을 가지는 전처리 매트릭스

는 ZF(Zero-Forcing, 제로 포싱) 방식 또는 MMSE(Minimum Mean Square Error, 최소 평균 제곱 오차) 방식 등이 이용되어 생성된다.

(2-1) ZF 기반의 선형 협력 통신

ZF 기반의 선형 협력 통신에서는 전처리 매트릭스

를 다음의 [수학식 6]과 같이 기지국 b와 이동국 j 사이의 채널 매트릭스를 슈도 인버스(pseudo inverse, 의사 역행렬)를 취해 구한다.

여기서, 채널 매트릭스

이다.

앞서 언급한 바와 같이 선형 협력 전송 매트릭스

설계에 있어 채널 영향만 고려하며, 한편 선형 협력 전송 매트릭스

는 '전처리 매트릭스

× 전력 할당 매트릭스

'이므로 이 전처리 매트릭스

를 설계하는데 있어서도 채널 영향을 고려한다.

즉, 협력 통신에서 N_b개의 기지국이 K개의 이동국과 통신을 수행하기에, 모든 채널의 영향을 반영하여 '(이동국 안테나 개수 × 이동국 개수) × (기지국 안테나 개수 × 기지국 개수)'[

]과 같이 모든 채널 사이즈에 관한 전체 채널 매트릭스

를 이용하여 전처리 매트릭스

를 설계한다.

위와 같이 ZF 기반의 선형 협력 통신 방식에서는 모든 채널 영향을 고려해 전처리 매트릭스

와 선형 협력 전송 매트릭스

를 설계하기 때문에 협력 통신 수행 시 이동국 간 간섭을 확실하게 제거할 수 있는 이점이 있으나, 다른 한편으로는 채널 값

가 특이해(singular)를 가지는 경우, 예컨대 채널 값이 유일성이 보장되지 않는 랭크-디피션트(rank-deficient)할 경우에는 협력 통신 수행이 제한되는 단점이 있다.

따라서, 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹을 선택하는 알고리즘에 ZF 기반의 선형 협력 통신 방식은 다소 부적절할 수 있으며, 또한 ZF 기반의 선형 협력 통신 방식은 기지국의 전력 할당에 있어 가용 전력을 제한하는 것과 같은 비효율적인 시스템 구조를 가질 수 있다.

(2-2) MMSE 기반의 선형 협력 통신

MMSE 기반의 선형 협력 통신에서는 전처리 매트릭스

를 다음의 [수학식 7]과 같이 채널 매트릭스, 기지국 가용 전력(P_t), 잡음 전력(N_o) 및 단위 매트릭스(I; identity matrix)를 이용하여 구한다.

여기서, 기지국 가용 전력의 합을 나타내는

로 정의된다.

위와 같이 MMSE 기반의 선형 협력 통신에서는 협력 통신 수행에 있어 이동국 간의 간섭을 최소화시키는 방향으로 전처리 매트릭스

를 설계하며, 이동국 간섭 제거와 기지국의 전력 사용 효율성 사이에서 좋은 트레이드오프(trade-off)를 가지며, ZF 기반의 선형 협력 통신 방식 대비 전력 할당 효율이 좋은 특성을 가진다.

한편, 선형 협력 통신을 위한 전처리 매트릭스

설계에 관계없이, per-base power constraint 제한 사항을 사용할 경우에 앞서 설명한 [수학식 4] 또는 [수학식 5]를 통해 전력 할당이 이루어지게 되는데, [수학식 4]를 이용할 경우에는 N_b개의 기지국 각각에서 자신의 가용 전력을 모두 사용할 수 있으며, [수학식 5]를 이용할 경우에는 하나의 기지국만 가용 전력을 모두 사용하고 나머지 기지국은 작은 전력을 할당받게 되어 자원 사용에 있어 비효율성이 발생된다.

전술한 바와 같이 기존의 ZF 기반 선형 협력 통신 방식, 기존의 MMSE 기반 선형 협력 통신 방식은 하향링크에 관한 송신단 전력 할당 비균등 문제를 안고 있으며, 이에 본 발명에서는 선형 협력 통신 시 전력 할당 비균등 한계를 극복하면서 송신단 그룹 협력 통신 수행으로 셀 간 간섭 제거, 시스템 채널 사용 효율화 증대 및 시스템 용량 증대를 극대화하기 위한 송신단 선택 방법을 제안, 즉 '(3) 전체 써치 기반 송신단 선택 알고리즘', '(4) 단순 송신단 선택 알고리즘'을 제안한다.

이하, 본 발명에서 제시하는 제1 실시예 및 제2 실시예는 각 기지국에서 수행되며, 다른 기지국을 통해 획득한 인접한 3개의 기지국들과 K개의 이동국들 사이의 모든 조합의 채널 상태 정보를 토대로 자신의 이동국을 위해 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹[BS set]을 선택한다.

그럼, 본 발명에서 주요한 부분인 송신단 그룹 선택 과정을 중심으로 구체적으로 설명하기로 한다.

(3) 전체 써치 기반 송신단 선택 알고리즘(BS selection with full search)[제1 실시예]

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

N_b개의 송신단이 선형 협력 통신을 수행하는 경우에 가능한 송신단 그룹의 개수(

)는

개이다.

을 송신단 그룹 정보를 갖는 벡터 집합

이라고 하면, 송신단 그룹 벡터 집합

내의

길이를 가지는

벡터는 각각의 송신단 그룹을 구성하는 송신단 번호로 이루어진다. 따라서

벡터의 길이

의 최대값은

가 된다[모든 조합의 송신단 그룹 선정](201).

본 발명의 송신단 선택 방법을 MMSE 기반 선형 협력 다중 안테나 시스템에 적용하게 되면, N_b개의 모든 기지국 안테나 중 일부 기지국 안테나만이 선택되어 선형 협력 통신에 사용되기에 앞서 설명한 [수학식 2]의 협력 전송 매트릭스

가 바뀌게 된다.

즉, 송신단 그룹

가 선형 협력 통신을 수행할 경우에, '(기지국 안테나 개수 × 송신단 그룹 벡터) × (이동국을 위한 데이터 서브스트림 개수의 합)'[

]과 같은 채널 사이즈를 갖는

를 본 발명의 선형 협력 전송 매트릭스라 하자. 여기서, 본 발명의 선형 협력 전송 매트릭스

는, '(이동국 안테나 개수) × (기지국 안테나 개수 × 송신단 그룹 벡터)'[

] 사이즈를 갖는, 송신단 그룹

와 이동국 j 사이의 채널 매트릭스

의 특성에 따라 결정된다(202).

상기 이동국 j가 송신단 그룹

로부터 선형 협력 전송을 통해 신호를 수신받는 경우에 스펙트럼 효율을 다음의 [수학식 8]과 같이 선형 협력 전송 매트릭스, 전처리 매트릭스, 전력 할당 매트릭스, 채널 매트릭스, 잡음 전력, 단위 매트릭스를 이용하여 계산한다(203).

여기서,

는 송신단 그룹

가 이동국 j를 지원하기 위한 선형 협력 전송 매트릭스를 나타내며, 전처리 매트릭스(preliminary matrix)

와 전력 할당 매트릭스(power allocation matrix)

는 앞서 설명한 주지의 전처리 매트릭스

및 전력 할당 매트릭스

를 유도하는 과정으로부터 구해진다. 또한,

는

와 같이 이동국으로 보낼 데이터 서브스트림에 곱해질 할당 전력을 나타낸다.

본 발명에서 송신단 그룹

를 선형 협력 통신에 참여시킬 경우에 총 시스템 용량이

인 점을 고려하면, 송신단 그룹 선택 과정은 다음의 [수학식 9]와 같은 최적화 문제를 푸는 것으로 해결할 수 있다. 즉, [수학식 9]를 만족하는 송신단 그룹

를 찾는 것이다.

[수학식 9]와 같이 본 발명의 제1 실시예에서는, 모든 조합의 송신단 그룹

를 찾아서 각각의 송신단 그룹

에 대한 스펙트럼 효율을 모두 비교하여, 스펙트럼 효율 최대값을 갖는 송신단 그룹

를 이동국 j를 위한 선형 협력 통신 참여 기지국으로 선택한다[최적 송신단 그룹 선택](204). 다만, 모든 조합의 송신단 그룹에 대해 연산 과정을 수행해야 되기에 다소 복잡도가 높은 점은 있지만, 기존 방식[DPC 방식 등] 대비 복잡도가 증가되는 것은 아님을 밝혀둔다.

(4) 단순 송신단 선택 알고리즘(Simplified BS selection)[제2 실시예]

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

앞서 언급했지만 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹을 선택하는 알고리즘에 ZF 기반의 선형 협력 통신 방식은 다소 부적절하다고 하였다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예[(3) 전체 써치 기반 송신단 선택 알고리즘]의 [수학식 8]과 같은 복잡도를 낮추기 위해, ZF 기반의 선형 협력 통신 방식을 사용하는 것으로 가정하고서 [수학식 8]을 간단하게 정리하면 다음과 같다.

ZF 기반의 선형 협력 통신 방식에서는, 이동국 j의 전처리 매트릭스

가 자신의 채널을 완전히 등화(equalization)시키며[즉

], 그에 따라 선형 협력 전송 매트릭스, 채널 매트릭스에서의 이동국 간의 간섭은 완전히 제거된다(301). 예컨대, [수학식 8]의

부분이 소거되며, 이에 [수학식 8]을 다음의 [수학식 10]과 같이 간단하게 정리할 수 있다.

즉, 이동국 j가 송신단 그룹

로부터 선형 협력 전송을 통해 신호를 수신 받는 경우에 스펙트럼 효율을 상기 [수학식 10]과 같이 단위 매트릭스, 잡음 전력, 전력 할당 매트릭스를 이용하여 계산한다(302). 특히, [수학식 10]에서

인데[즉 전력 할당 매트릭스는 데이터 서브스트림 할당 전력 및 단위 매트릭스의 특성에 따라 결정], 이를 통해 알 수 있듯이 이동국으로 보낼 데이터 서브스트림에 곱해질 할당 전력

의 값이 시스템 용량을 구하는데 중요한 파라미터임을 확인할 수 있다.

예컨대, 선형 협력 전송 매트릭스

의 절대값 연산이 로그(log)의 지수값에 달려 있는 것을 고려하면, [수학식 10]은

를 비교하는 것으로 더욱 간단하게 해결된다.

즉, 하기의 [수학식 11]과 같이 본 발명의 제2 실시예에서는, 모든 조합의 송신단 그룹

를 찾아서 각각의 송신단 그룹

에 대한 할당 전력을 모두 비교하여, 할당 전력 최대값[가장 높은

]을 갖는 송신단 그룹

를 이동국 j를 위한 선형 협력 통신 참여 기지국으로 선택한다(303). 이와 같은 [수학식 10] 및 [수학식 11]을 통해 최적 송신단 그룹을 선택하는 과정은 [수학식 8] 및 [수학식 9]를 통해 수행하는 것보다 상당히 적은 연산량을 필요로 하며, 이렇게 ZF 기반의 선형 협력 통신 방식으로부터 유도한 송신단 선택 방법을 MMSE 기반 선형 협력 다중 안테나 시스템에 적용할 수 있다.

(5) 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 알고리즘(BS selection 기반 Cooperative MIMO system 구성 절차)

도 4는 본 발명에 따른 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예 또는 제2 실시예와 같이 각 기지국에서 이동국을 위해 자신[알고리즘 수행 기지국]과 함께 선형 협력 통신에 참여시킬 기지국을 선택한 후에 이를 해당 이동국으로 알려서 협력 다중 안테나 시스템을 구성할 수 있도록 해야 된다. 이에 본 발명에서는 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법을 제안한다.

도 1을 참조해 설명한 바와 같이 3개의 인접한 기지국(11, 12, 13) 간에 선형 협력 통신을 수행하며, K개의 이동국들이 하나의 주파수 자원을 공유한다.

먼저, 각 이동국은 자신의 서빙 기지국으로서 어느 하나의 기지국을 선정한 상태에서, 인접한 3개의 기지국 간의 각 채널을 통해 하향링크 프리앰블(downlink preamble) 및 파일럿 부반송파(pilot subcarrier)를 사용하여 채널 상태를 추정하여 각 인접 기지국 간의 각각의 채널 상태 정보(CSI; Channel State Information)[예; 신호대잡음비(SNR; Siganl-to-Noise-Ratio), 채널 이득(channel gain), 할당 전력 등]를 자신의 서빙 기지국으로 전송한다(401).

그에 따라, 각 기지국은 K개의 이동국들로부터 받은 채널 상태 정보를 고속의 광케이블 등읕 통해 상호 전달하여 인접한 3개의 기지국들과 K개의 이동국들 사이의 모든 조합의 채널 상태 정보를 획득한다(402).

그런후, 각 기지국에서는 인접한 3개의 기지국들과 K개의 이동국들 사이의 모든 조합의 채널 상태 정보를 토대로 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시예 또는 제2 실시예에 따라 자신의 이동국을 위해 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹[BS set]을 선택한다(403).

그런후, 각 기지국은 상기 선택한 송신단 그룹에 관한 정보를 하기의 [표 1]과 같은 메시지 포맷을 사용하여 자신의 이동국으로 전송한다(404).

[표 1]에서 송신단 그룹 정보 전송을 위한 메시지는, 이동국을 위해 서빙 기지국을 제외한 선형 협력 통신에 참여하는 다른 기지국의 개수[N_Cooperating_BSs]와, 이 다른 기지국의 식별정보[BS ID]를 포함한다.

송신단 그룹 정보 전송을 위한 메시지의 예로서, 서빙 기지국을 제외한 선형 협력 통신 참여 기지국 개수를 전달하는데 1비트 바이너리 또는 3비트 바이너리 등을 할당한다. 예컨대 1비트 바이너리를 할당하는 경우에 서빙 기지국과 협력하는 기지국이 1개인 경우에는 비트값에 '0'을 기록하고, 서빙 기지국과 협력하는 기지국이 2개인 경우에는 비트값에 '1'을 기록하며, 3비트 바이너리를 할당하는 경우에 서빙 기지국과 협력하는 기지국이 1개인 경우에는 비트값에 '0b001'을 기록한다. 덧붙여, 선형 협력 통신 참여 다른 기지국의 식별정보로는 기지국 아이디 등과 같은 표준에서 정의된 식별정보를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에서 송신단 그룹 정보 전송을 위한 메시지의 예로서 [표 1] 이외에도, 이동국으로 서빙 기지국에서 선택한 송신단 그룹에 관한 정보를 줄 수 있는 다른 변형된 형태의 메시지 포맷을 사용할 수도 있으므로, [표 1]의 메시지 포맷을 포함하여 협력 통신 참여 기지국들의 식별번호들을 이동국으로 전달하는 어떠한 메시지 포맷을 사용하는 것도 본 발명의 범위 안에 포함된다. 예시적으로, 서빙 기지국에서 선형 협력 통신 참여 기지국들 식별정보 리스트만을 메시지에 실어서 이동국으로 전송할 수 있으며, 이러한 경우에 이동국은 선형 협력 통신 참여 기지국들 식별정보 리스트 상의 기지국 식별정보 개수를 통해 서빙 기지국을 제외한 선형 협력 통신 참여 기지국 개수를 파악할 수 있는 것이다. 그 밖의 다양한 메시지 형태에 대해서는 당업자 수준에서 이해될 수 있기에 그 설명은 생략하기로 한다.

그러면, 각 이동국에서는 자신의 서빙 기지국으로부터 수신받은 송신단 그룹 정보가 포함된 메시지를 통해 자신[이동국]을 위해 선형 협력 통신에 참여하는 기지국들을 인지한 후에, 해당 기지국들에 적합한 디코더 가중치 벡터(decoder weight vector) 등을 결정하고서 무선 채널 링크 셋업 등의 절차를 수행해 선형 협력 다중 안테나 시스템을 구성한다(405).

전술한 바와 같은 본 발명에서 제시한 송신단 선택 방법은 여러 장단점을 함께 갖는다.

먼저 장점에 대해 설명하면, 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단을 선택함으로써 per-base power constraint 제한 사항으로 인해 발생되는 전력의 비효율적 사용이 현저히 낮아진다. 즉, 본 발명에서는 좋지 않은 채널 상태를 가지는 송신단을 선형 협력 통신에서 제외시킴으로써 선형 협력 통신 참여 기지국 사이에서 효율적인 전력 사용이 이루어진다. 또한, 송신단으로 선택된 적은 개수의 기지국 간에 선형 협력 통신을 수행하는 경우에 일반적으로 협력 통신에서 야기되는 동기 문제 등이 완화된다.

한편, 송신단 선택 방법을 통해 전체 기지국 안테나 개수가 전체 이동국 안테나 개수 보다 적어지게 되면, 예컨대

일 경우에 시스템 용량 감소가 예상될 수도 있다. 또한, 송신단 선택 방법을 통해 적은 개수의 기지국 안테나 사용으로 전체 가용 전력이 줄어드는 것으로 인해 협력 통신의 전력 이득을 다소 잃을 수도 있다. 그러나, 이러한 본 발명의 단점은 장점에 비해 그 영향이 미비한 것으로 앞서 언급한 여러 장점들이 선형 협력 통신에 보다 우수한 작용, 효과를 가져온다. 이는 [표 2] 및 도 5를 참조하여 시뮬레이션 결과를 통해 입증된다.

다음의 [표 2]는 시뮬레이션에 사용된 파라미터를 보여주고 있다.

시뮬레이션 수행에 있어 3개의 인접한 기지국 간의 선형 협력 통신을 고려했으며, 각 셀은 120°씩 나뉘어진 섹터를 이루고 있으며, 다중 기지국 안테나는 도 1의 셀 가장자리에 위치한 이동국들을 지원한다. 이 경우에 모든 조합의 송신단 그룹

[2³-1 = 7, 7개의 송신단 그룹]이 된다.

각 이동국은 셀 가장자리에 균등하게 분포되어 있다고 가정하고, 셀 간 간섭은 3개의 인접한 기지국 사이에서만 발생된다고 가정하며, 더 멀리 설치되어 있는 기지국으로부터 발생되는 간섭은 부가백색가우시안잡음(AWGN; Additive White Gaussian Noise)으로 간주한다.

채널은

로 나타낼 수 있으며, 여기서

는 채널에 상응하는 대규모 페이딩 계수(large-scale fading coefficient)를 나타내며,

이다. 경로 손실(path loss)의 영향을 나타내는

이며, 여기서

,

,

는 각각 전파 상수(propagation constant), 전파 거리(propagation distance) 및 경로 손실 지수(path loss exponent)를 의미한다. 또한,

는

의 표준편차 값에 따른 로그-정규(log-normal)의 특성을 갖는 쉐도우 페이딩(shadow fading)을 나타낸다. 한편, 모든 기지국은 '1'의 전력을 사용, 예컨대

이다.

도 5는 본 발명의 알고리즘 성능을 보여주기 위한 스펙트럼 효율 비교 그래프이다.

도 5에는 본 발명의 제1 실시예[BS selec. with(9)], 본 발명의 제2 실시예[BS selec. with(11)], 기존 DPC 방식[DPC with pooled power const.], 기존 ZF 기반 협력 통신 방식[ZF-JT(5)], 기존 MMSE 기반 협력 통신 방식[MMSE-JT(5)] 각각의 이동국별 평균 전송 신호대잡음비[Average Tx SNR per user]에 대한 평균 스펙트럼 효율[Average spectrum efficiency]을 보여주고 있다. 여기서, 기존 DPC 방식을 알고리즘 성능 평가 기준(upper bound)으로 삼았다.

도 5를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에서 제시한 송신단 선택 알고리즘이 기존 알고리즘들[ZF-JT(5), MMSE-JT(5)] 대비 매우 높은 스펙트럼 증가를 가져오는 것을 확인할 수 있다.

또한, 낮은 신호대잡음비(SNR)에서는 잡음의 영향이 시스템 성능에 큰 영향을 미치는 점을 감안하면, 본 발명의 송신단 선택으로 인한 시스템 성능 저하가 최적 성능을 보이는 것으로 알려진 기존 DPC 방식 대비 별다른 차이없이 크지 않음을 확인할 수 있다.

한편, [수학식 11]을 이용한 본 발명의 제2 실시예[BS selec. with(11)]는 제1 실시예[BS selec. with(9)]에 비해 조금 저하된 시스템 성능을 보이지만, 기존 알고리즘들[ZF-JT(5), MMSE-JT(5)] 대비 우수한 이득을 보이고 있다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 본 발명이 적용되는 협력 다중 안테나 시스템에 대한 일실시예 구성도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 대한 일실시예 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 대한 일실시예 흐름도.

도 5는 본 발명의 알고리즘 성능을 보여주기 위한 스펙트럼 효율 비교 그래프.

Claims (10)

1. 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 있어서,

   인접 송신단들과 수신단들에 관한 채널 상태 정보를 토대로 모든 조합의 송신단 그룹을 선정하는 단계;

   상기 선정한 송신단 그룹을 위한 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계;

   상기 결정한 선형 협력 전송 매트릭스의 채널 매트릭스를 토대로 상기 선정한 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계; 및

   상기 계산한 스펙트럼 효율 중 스펙트럼 효율 최대값을 갖는 송신단 그룹을 선형 협력 통신 참여 송신단으로 선택하는 단계

   를 포함하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계는,

   상기 송신단들 개수, 상기 송신단들 안테나 개수, 상기 수신단들의 데이터 서브스트림 개수를 이용하여 해당 채널 사이즈를 갖는 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 선형 협력 전송 매트릭스는 채널 매트릭스의 특성에 따라 결정되되,

   상기 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계는,

   상기 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을, 선형 협력 전송 매트릭스, 전처리 매트릭스, 전력 할당 매트릭스, 채널 매트릭스, 잡음 전력, 단위 매트릭스를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
4. 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법에 있어서,

   인접 송신단들과 수신단들에 관한 채널 상태 정보를 토대로 모든 조합의 송신단 그룹을 선정하는 단계;

   상기 선정한 송신단 그룹을 위한 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계;

   소정 선형 협력 통신 방식 기반 전처리 매트릭스를 이용하여 상기 결정한 선형 협력 전송 매트릭스에서의 수신단 간섭을 제거하는 단계;

   상기 수신단 간섭이 제거된 선형 협력 전송 매트릭스를 토대로 상기 선정한 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계; 및

   상기 계산한 스펙트럼 효율 중 데이터 서브스트림 할당 전력 최대값을 갖는 송신단 그룹을 선형 협력 통신 참여 송신단으로 선택하는 단계

   를 포함하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 단계는,

   상기 송신단들 개수, 상기 송신단들 안테나 개수, 상기 수신단들의 데이터 서브스트림 개수를 이용하여 해당 채널 사이즈를 갖는 선형 협력 전송 매트릭스를 결정하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 수신단 간섭 제거로 상기 스펙트럼 효율 계산 과정에서 상기 선형 협력 전송 매트릭스가 소거되되,

   상기 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을 계산하는 단계는,

   상기 송신단 그룹의 스펙트럼 효율을, 단위 매트릭스, 잡음 전력, 전력 할당 매트릭스를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 선형 협력 통신 참여 송신단 선택 단계는,

   상기 전력 할당 매트릭스가 데이터 서브스트림 할당 전력의 특성에 따라 결 정되는 것을 이용하여, 데이터 서브스트림 할당 전력 최대값을 갖는 송신단 그룹을 선형 협력 통신 참여 송신단으로 선택하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 수신단 간섭 제거 과정은,

   ZF(Zero-Forcing) 기반 협력 통신 방식으로부터 유도한 전처리 매트릭스를 이용하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 통신을 위한 송신단 선택 방법.
9. 송신단에서의 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법에 있어서,

   다른 송신단들과의 정보 교환을 통해 인접 송신단들과 수신단들에 관한 모든 조합의 채널 상태 정보를 획득하는 단계;

   상기 획득한 채널 상태 정보를 토대로 자신의 수신단을 위해 선형 협력 통신에 참여시킬 송신단 그룹을 선택하는 단계; 및

   상기 선택한 송신단 그룹에 관한 정보를 특정 메시지 포맷을 사용하여 자신의 수신단으로 전송하는 단계를 포함하며,

   상기 수신단에서는,

   자신의 서빙 송신단으로부터 수신받은 송신단 그룹 정보를 통해 해당 선형 협력 통신 참여 송신단들과 채널을 설정하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 송신단 그룹 정보 전송을 위한 메시지는,

    서빙 송신단을 제외한 선형 협력 통신에 참여하는 다른 송신단의 식별정보를 포함하며,

    상기 서빙 송신단을 제외한 선형 협력 통신에 참여하는 다른 송신단의 개수를 선택적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 협력 다중 안테나 시스템 구성 방법.

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