KR20140023373A - 다중 입력 다중 출력(ｍｉｍｏ)에 대한 공간 채널 상태 정보 피드백 방법 및 시스템 - Google Patents

다중 입력 다중 출력(ｍｉｍｏ)에 대한 공간 채널 상태 정보 피드백 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20140023373A
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지티이 코포레이션
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Abstract

사용자 장비에서의 수신 안테나들과 다수의 송신 안테나들을 연결시키는 공간 채널의 공간 CSI의 피드백을 위한 방법 및 시스템. 공간 구별 정보가 사용자 장비와 셀을 연결시키는 피드백으로서 송신기 및 수신기에서 제공된다. 사용자 장비가 각각의 서브채널의 송신기 및 수신기측 공간 구별 정보를 피드백으로서 제공하는 것에 의해, 송신 안테나들의 다수의 세그먼트들에 걸친 합성 공간 CSI가 결정될 수 있다. 사용자 장비는 하나 또는 다수의 수신 안테나들을 가질 수 있고, 공간 구별 정보는 단기간 서브대역일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 수신기측에서의 공간 구별 정보는 수신기 구현이 고려되면서 실제의 공간 채널로부터 도출된다. 송신기에서의 및 수신기에서의 공간 구별 정보는 MIMO 프리코딩을 위한 코드북을 사용하여 피드백으로서 제공될 수 있다.

Description

다중 입력 다중 출력(ＭＩＭＯ)에 대한 공간 채널 상태 정보 피드백 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR SPATIAL CHANNEL STATE INFORMATION FEEDBACK FOR MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT (MIMO)}
본 발명의 분야는 하향링크 MIMO 기술에 대한 공간(spatial) 채널 상태 정보(channel state information, CSI)를 피드백하는 것에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 분야는 고유 벡터(eigenvector)에 대한 요소별 양자화(element-wise quantization)를 사용하는 공간 CSI 피드백에 관한 것이다.
MIMO 기술은 링크 레벨에서, 시스템 레벨에서, 또는 링크 레벨 및 시스템 레벨 둘 다에서 데이터 처리율(data throughput)을 상당히 향상시킬 수 있다. 스펙트럼 효율 및 데이터 처리율을 향상시키기 위해, 공간 다중화(spatial multiplexing) 및 빔형성(beamforming)이 사용되어 왔다. 공간 다중화는, 병렬 채널들을 통해 동일한 사용자로의 데이터 스트림들을 다중화함으로써, 링크 레벨 처리율 및 피크 레이트(peak rate)를 직접적으로 증가시킨다. 송신 안테나 및 수신 안테나 둘 다에 대해, 안테나들 사이의 공간 상관(spatial correlation)이 낮을 때, 공간 다중화가 아주 효과적이다. 빔형성 또는 프리코딩(precoding)은 채널의 SINR(signal to interference-plus-noise ratio), 따라서 채널 레이트(channel rate)를 증가시킨다. 프리코딩은 다수의 송신 안테나에 걸쳐 전송 가중치를 적용하는 것을 말하며, 이 경우 가중치 계산은 채널 상호성(channel reciprocity) 또는 피드백으로부터의 CSI에 기초하고 있다.
송신 안테나의 수가 수신 안테나의 수보다 많을 때, 송신기에서의 추가의 공간 차원은 프리코딩에 도움을 주지만, 채널의 랭크(rank of channel)가 1 초과인 한, 공간 다중화가 여전히 수행될 수 있다. 채널 상호성이 일반적으로 유지되지 않는 FDD(frequency-division duplexing) 시스템에서, 프리코딩을 위해 공간 CSI 피드백이 필요하다. 오버헤드의 문제로 인해, CSI 피드백은 너무 많은 비트를 이용할 수 없다. 일반적으로, 비트의 수가 증가됨에 따라, 양자화 오차가 감소된다.
프리코딩된 MIMO는 2개의 시나리오, 즉 SU-MIMO(single-user MIMO) 및 MU-MIMO(multi-user MIMO)에서 동작할 수 있다. SU-MIMO에서, 공간 다중화된 스트림(spatially multiplexed stream)이 한명의 사용자로 전송되고, 프리코딩은 주로 수신기에서 SINR을 증가시키는 데 사용된다. MU-MIMO에서, 다수의 사용자의 데이터 스트림들은 동일한 시간-주파수 자원에서 동일한 세트의 송신 안테나들을 공유한다. 적절한 프리코딩 및 수신기 처리에 의해 데이터 분리(data decoupling)가 달성된다. 그렇지만, 공간 CSI 피드백에서의 양자화 오차는 SU-MIMO 및 MU-MIMO의 성능에 상당히 상이하게 영향을 미친다. SU-MIMO의 경우, 코드북의 분해능이 유한한 결과, 프리코딩이 MIMO 채널의 공간 특성과 완벽하게 일치하지 않을 때, 어떤 SINR 손실(SINR loss)이 있게 된다. 이러한 SINR 손실은, 저 SNR(low SNR) 영역 또는 고 SNR(high SNR) 영역에서의 상이한 SNR(signal-to-noise ratio) 동작 영역들에 걸쳐 거의 균일하다. 환언하면, 공간 다중화에서 손실이 없는데, 그 이유는 동일한 사용자로의 다수의 스트림들의 분리가 수신기에서만 행해지고 송신기에서의 프리코딩과 아무 관련이 없기 때문이다. 그렇지만, MU-MIMO의 경우, 도 1에서 알 수 있고 3GPP R1-093818, "Performance sensitivity to feedback types", ZTE, RAN 1#58bis, Miyazaki, Japan, Oct. 2009에 기술된 바와 같이, 양자화 오차는 SNR이 증가함에 따라 MIMO 채널 레이트를 빠르게 포화시키는 교차-사용자 간섭(cross-user interference)을 일으킨다.
송신기에 있는 안테나들이 상관되어 있을 때(예컨대, 빔형성 안테나), MIMO 채널 특성이 선형 위상 회전(linear phase rotation)으로 격하됨에 따라 코드북 설계 문제가 상당히 감소될 수 있다. 그렇지만, 비상관된 채널에 대한 코드북 설계는, CSI 피드백을 위해 제공될 수 있는 비트의 수에 의해 제약되어 있는 경우, 일반적으로 어렵다. 한가지 전형적인 구성의 비상관된 안테나는 넓은 간격의 교차 편파(widely-spaced cross-pol)이다. 산란 환경에서, 2개의 세트 사이의 간격(보통 4 파장 초과)은 그들 사이의 낮은 상관을 보장해준다. 직교 편파(orthogonal polarization)(+45/-45도)의 결과, 각각의 편파 방향(polarization direction)에서 상당히 독립적인 페이딩이 얻어진다.
정보 이론은, N. Jindal, "MIMO broadcast channels with finite-rate feedback," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 52, no. 11. Nov. 2006, pp. 5045-5060에 기술된 바와 같이, MU-MIMO에서 전체 다중화 이득(full multiplexing gain)을 달성하기 위해, 사용자마다의 CSI 양자화를 위해 필요한 비트의 수가 다음과 같이 동작중 SNR(operating SNR)(단위: dB)에 따라 선형적이어야만 한다는 것을 보여주며,
Figure pct00001
여기서 M은 송신 안테나의 수이다.
4G 무선 시스템에서, 모바일 단말은 2개의 수신 안테나를 갖는 것으로 되어 있고, 이는 효과적인 프리코딩을 위해, M이 4 이상이어야 한다는 것을 의미한다. 심지어 M=4에서, SNR 동작점이 1 dB 더 높아질 때, 필요한 비트의 수는 1 dB만큼 증가할 필요가 있다. 저 SNR(즉, 3 dB 미만)에서 B = 2 비트인 경우, B는 고 SNR(즉, 16 dB 초과)에 대해 15 비트를 초과할 수 있다. 이러한 큰 코드북(215 = 32798개 항목)의 설계 및 저장은 어려운 일이고, 코드워드 검색은 상당한 기저대역 처리(baseband processing)를 필요로 할 것이다. 이 상황 및 기타 상황은 이하에 기술되는 방법 및 시스템에 의해 극복되는 문제 및 장애를 야기한다.
본 발명은 고유 벡터에 대한 요소별 양자화를 사용하여 하향링크 MIMO 기술에 대한 공간 CSI를 제공하는 무선 통신 방법 및 시스템에 관한 것이다.
이 방법에서, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI가 사용자 장비로부터 전송 장비로의 피드백으로서 제공된다. 보다 상세하게는, 공간 CSI가 사용자 장비에서 추정되고 이어서 고유 벡터들로 분해된다. 고유 벡터들의 요소들이 양자화되고 전송 장비로의 피드백으로서 사용된다. 양자화는 진폭 및 위상의 양자화이고 사전에 정규화될 수 있다. 선택적으로, 피드백을 위해 코드북이 사용될 수 있다. 고유 벡터는 또한 피드백로부터 재구성될 수 있고, 프리코딩 행렬이 전송 장비에서 계산될 수 있다.
이 시스템은 사용자 장비에서 공간 CSI를 추정하는 수단, 공간 CSI를 고유 벡터들로 분해하는 수단, 고유 벡터들을 양자화하는 수단, 및 전송 장비로의 피드백으로서 양자화된 고유 벡터들을 제공하는 수단을 포함한다. 양자화기는 진폭 및 위상에서 양자화하도록 구성되어 있다. 더욱이, 진폭 및 위상을 정규화하는 수단이 포함되어 있을 수 있다. 선택적으로, 전송 장비는 양자화된 요소들로부터 고유 벡터들을 재구성하는 수단, 및 프리코딩 행렬을 계산하는 수단을 포함할 수 있다.
이 개선들의 부가의 측면들 및 이점들이 바람직한 실시예의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 통해 예시되어 있다.
도 1은 CSI 피드백에 대한 프리코딩된 MIMO의 성능 감도를 나타낸 도면.
도 2는 공분산 행렬을 양자화하는 것에 대한 고유 벡터들의 요소별 양자화의 성능 이점을 나타낸 도면.
도 3은 하향링크 MIMO에 대한 공간 CSI 피드백의 한 예의 블록도.
도 4는 송신 안테나 세그먼트화의 한 예를 나타낸 도면.
이하에서 기술되는 방법 및 시스템은, 특히 사용자마다의 MIMO 랭크(MIMO rank)의 수가 2 이상일 때, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI를 정확하게 피드백하는 효율적인 방식을 제공한다. 이 방법 및 시스템은 단일의 또는 다수의 수신 안테나를 갖는 모바일에 적용가능하다.
송신 안테나들의 각각의 세그먼트에 대한 수신기측에서의 공간 구별 정보는 공간 채널로부터 직접[명시적 피드백(explicit feedback)], 예를 들어, 특이값 분해(singular value decomposition, SVD)에 의해, 또는 수신기 구현을 고려함으로써[암시적 피드백(implicit feedback)] 도출될 수 있다. 암시적 피드백은 특정의 수신기 처리를 가정하며, 보통 프리코딩 행렬 표시자(precoding matrix indicator, PMI) 또는 향상된 버전의 형태를 취한다. 명시적 피드백은, 수신기 처리를 고려함이 없이, 공간 채널 특성을 "객관적으로" 포착하려고 시도한다. 공간 채널이 채널 상태 정보에 대한 참조 채널들(reference channels for channel state information, CSI-RS)로부터 측정된다. CSI-RS는 상위 계층들에 의해 구성된다.
공간 CSI는 코드북을 사용하는 피드백으로서 사용될 수 있다. 코드북은 사실상 벡터 양자화기이다. 이전의 LTE 릴리스, 예컨대, Rel-8/9/10의 코드북이 재사용될 수 있다. 공간 채널의 고유값(eigenvalue) 등의 SNR-관련 정보는 또한 Rel-8/9/10 CQI 또는 개선안들을 사용하여 피드백으로서 제공될 수 있다.
3GPP R1-094844, "Low-overhead feedback of spatial covariance matrix", Motorola, RAN 1#59, Jeju, Korea, Nov. 2009에서, 공간 CSI는 송신 공분산 행렬(transmit covariance matrix)에 의해 특징지워지고, 양자화는 요소별로 행해진다. 이와 달리, 여기에서는 공간 CSI가 고유 벡터들로 표현될 수 있고, 양자화는 고유 벡터들의 각각의 요소에 대해 행해질 수 있다. 그 결과, 도 2에서 보는 바와 같이, 보다 적은 수의 비트로 보다 정확한 CSI 피드백이 달성될 수 있다.
도 3은 고유 벡터들이 요소별로 양자화되는 피드백 설정의 한 예를 나타낸 것이다. 이 설정에서 2개의 주요 엔터티, 즉 eNB(evolved nodeB) 및 사용자 장비(UE)가 있다. eNB의 송신 안테나가 상이한 지리적 위치에 존재할 수 있고 상이한 편파를 가질 수 있다.
도 4는 기지국에 있는 넓은 간격으로 있는 교차-편파 안테나(cross-polarization antenna)의 다이버시티 안테나 구성(총 4개의 요소)을 나타낸 것이다. 모바일 단말이 2개의 수신 안테나를 갖는 것으로 가정하면, 4x2 MIMO 채널 H는 다음과 같이 세그먼트화되고,
Figure pct00002
여기서 수학식 2에서의 "h"의 제2 첨자 (1, 2)는 수신 안테나의 인덱스이다. 비상관된 채널에 대해, H에서의 각각의 요소는 균일하게 분포되어 있다.
수신기에서 H가 추정된 후에, 고유 벡터를 얻기 위해 특이값 분해(SVD)가 수행된다:
Figure pct00003
행렬 V는 프리코딩에 관련되어 있는 송신기측 공간 구별을 나타낸다. 실제로, 사용자마다 MIMO 랭크가 2인 경우, V의 처음 2개의 열만이 프리코딩에 유용하다. 그렇지만, 제2 열 벡터의 고유값이 너무 작은 경우, MIMO 랭크는 1이 되고, 제1 열 벡터만이 프리코딩에 필요하다. 다른 방법들이 송신기측 공간 구별 특성들을 포착하는 한, V에서의 고유 벡터들이 또한 그 다른 방법들을 통해 결정될 수 있다.
비상관된 채널의 경우, V의 제1 및 제2 열의 각각의 요소에 대해 균일 양자화기(uniform quantizer)가 사용된다. 그 요소들이 일반적으로 복소수이기 때문에, 양자화가 진폭 및 위상에서 개별적으로 행해진다. 양자화를 용이하게 해주기 위해, 먼저 진폭 및 위상 정규화가 수행될 수 있다. 이러한 정규화는 공간 CSI의 기본적인 성질을 변화시키지 않으며, 송신기에서의 프리코더 계산에 영향을 주지 않는다.
진폭은 가장 큰 진폭 요소에 의해 정규화된다. 진폭 정규화 후에, 8개의(3-비트) 양자화된 값 [0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.925]를 얻기 위해, 7개의 임계값, 예컨대, [0.25, 0.35, 0.45, 0.55, 0.65, 0.75, 0.85]가 사용될 수 있다. 위상의 경우, 각각의 열에 있는 요소들이 제1 행 요소의 위상에 의해 정규화될 수 있고, 따라서 제1 행 요소들은 실수가 된다. 이러한 경우에, 양자화를 위해 3 비트만이 필요하고, [-π, π] 위상이 32개의 빈(각각이 π/2임) 중 하나로 양자화될 수 있다.
방법 및 시스템의 실시예가 도시되고 기술되어 있지만, 본 명세서에서의 발명 개념을 벗어나지 않고 더 많은 수정이 가능하다는 것이 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구항들의 사상을 제외하고는 제한되어서는 안된다.

Claims (22)

  1. 비상관된(uncorrelated) MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법에 있어서,
    사용자 장비(UE)에서 공간 CSI를 추정하는 단계;
    요소들을 포함하는 고유 벡터들(eigenvectors)이 되도록 상기 공간 CSI를 분해하는 단계;
    상기 요소들을 양자화(quantize)하는 단계; 및
    상기 양자화된 요소들을 피드백으로서 제공하는 단계를 포함하는, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 요소들을 양자화하는 단계는 진폭 및 위상에서 상기 요소들을 양자화하는 단계를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진폭 및 상기 위상을 정규화(normalize)하는 단계를 더 포함하는, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 진폭 및 상기 위상을 정규화하는 단계는 상기 진폭을 가장 큰 진폭 요소에 의해 정규화하고 상기 위상을 제1 행 요소에 의해 정규화하는 단계를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공간 CSI를 분해하는 단계는 특이값 분해(singular value decomposition)를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 요소들을 양자화하는 단계는 균일 양자화기(uniform quantizer)를 사용하여 상기 요소들을 양자화하는 단계를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 UE에서의 상기 공간 CSI는 송신기측 공간 구별을 나타내는 2개 이상의 열을 가지는 행렬을 포함하고, 상기 요소들은 상기 제1 열의 요소들 또는 상기 제1 및 제2 열의 요소들 중 하나를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 공간 CSI는 수신기 구현을 고려하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 공간 CSI는 단기간 서브대역(short-term subband)인 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 양자화된 요소들을 피드백으로서 제공하는 단계는 MIMO 프리코딩을 위해 하나 이상의 코드북들을 사용하는 단계를 포함하는 것인, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    양자화된 요소들로부터 고유 벡터들을 재구성하는 단계; 및
    프리코딩 행렬을 계산하는 단계를 더 포함하는, 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 방법.
  12. 비상관된 MIMO 채널들에 대한 공간 CSI 피드백 시스템에 있어서,
    사용자 장비(UE)에서 공간 CSI를 추정하는 수단;
    요소들을 포함하는 고유 벡터들이 되도록 상기 공간 CSI를 분해하는 수단;
    상기 요소들을 양자화하는 수단; 및
    상기 양자화된 요소들을 피드백으로서 제공하는 수단을 포함하는 공간 CSI 피드백 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 요소들을 양자화하는 수단은 진폭 및 위상에서 양자화하도록 구성되어 있는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 진폭 및 상기 위상을 정규화하는 수단을 더 포함하는 공간 CSI 피드백 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 정규화하는 수단은 상기 진폭을 가장 큰 진폭 요소에 의해 정규화하고 상기 위상을 제1 행 요소에 의해 정규화하도록 구성되어 있는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 분해하는 수단은 특이값 분해를 하도록 구성되어 있는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 양자화하는 수단은 균일 양자화기인 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 UE에서의 상기 공간 CSI는 송신기측 공간 구별을 나타내는 2개 이상의 열을 가지는 행렬을 포함하고, 상기 요소들은 상기 제1 열의 요소들 또는 상기 제1 및 제2 열의 요소들 중 하나를 포함하는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  19. 제12항에 있어서, 상기 공간 CSI는 수신기 구현을 고려하는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 상기 공간 CSI는 단기간 서브대역인 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 상기 양자화된 요소들을 피드백으로서 제공하는 수단은 MIMO 프리코딩을 위해 하나 이상의 코드북들을 사용하도록 구성되어 있는 것인 공간 CSI 피드백 시스템.
  22. 제12항에 있어서,
    양자화된 요소들로부터 고유 벡터들을 재구성하는 수단; 및
    프리코딩 행렬을 계산하는 수단을 더 포함하는 공간 CSI 피드백 시스템.
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