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KR100961887B1 - 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법 Download PDF

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KR100961887B1
KR100961887B1 KR1020060050159A KR20060050159A KR100961887B1 KR 100961887 B1 KR100961887 B1 KR 100961887B1 KR 1020060050159 A KR1020060050159 A KR 1020060050159A KR 20060050159 A KR20060050159 A KR 20060050159A KR 100961887 B1 KR100961887 B1 KR 100961887B1
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antenna
channel sounding
channel
terminal
sounding signal
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황근철
박성우
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상기 단말의 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하고, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 안테나 스위칭부로 출력하는 기저대역 모뎀과, 모든 단말 안테나를 통해 상기 생성된 채널 사운딩 신호가 기지국으로 송신되도록 하나의 채널 사운딩 신호를 하나의 안테나로 스위칭하는 안테나 스위칭부를 포함하여, 하향링크 채널을 정확히 추정함으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
단말, 채널 사운딩, MIMO, 채널 정보, 다중 안테나

Description

무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CHANNEL SOUNDING OF TERMINAL IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 단일 안테나 단말기의 채널 사운딩 기법을 도시한 도면,
도 2는 일반적인 2개의 물리적 안테나를 가지는 단말의 송수신 신호 경로의 구조를 도시한 도면,
도 3은 다중 안테나 단말기의 채널 사운딩 기법을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 2개의 물리적 안테나를 가지는 단말의 송수신 신호 경로의 구조를 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 프레임 구조를 도시한 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 빔 형성(Beamforming)을 사용하는 기지국 수신부의 구조를 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 특이값 분해(SVD)를 사용하는 기지국 수신부의 구조를 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국에서 단말의 채널 사운딩 신호를 이용한 상향링크 채널 추정 및 데이터 전송 방법을 도시한 도면, 및
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 단말에서 기지국으로 채널 사운딩 신호를 전송하기 위한 방법을 도시한 도면.
본 발명은 무선통신 시스템에 관한 것으로서, 특히, 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법에 관한 것이다.
고속의 데이터 전송에 대한 요구를 만족시키기 위한 기술 중의 하나로 다수의 안테나를 사용하는 다중 입력 다중 출력(multiple input multiple ouput : 이하 'MIMO'라 칭함) 시스템이 큰 각광을 받으며 연구되고 있다.
MIMO 기술은 크게 개방 루프 MIMO(open loop MIMO)와 폐쇄 루프 MIMO(closed loop MIMO)로 구분할 수 있다. 먼저, 상기 개방 루프 MIMO는 송신단에서 채널에 대한 정보를 모르는 상태로 데이터를 전송하는 방식으로, 예를 들어, 시공간 부호화(space-time coding), V-BLAST 등이 이에 속한다. 다음으로, 상기 폐쇄 루프 MIMO는 송신단이 채널에 대한 정보를 얻은 뒤 이를 이용하여 데이터를 전송하는 방식으로, 예를 들어, 특이값 분해(Singular Value Decomposition : SVD), 공간 분할 다중 접속(Spatial Division Multiple Access : 이하 'SDMA'라 칭함)등이 이에 속한다.
여기서, 상기 송신단이 채널에 대한 정보를 획득하는 방법은 듀플렉싱(duplexing) 방법에 따라 달라진다. 예를 들어, 주파수 분할 듀플렉스(Frequency Division Duplex : FDD)의 경우, 수신단이 채널을 측정한 후, 상기 측정한 채널에 대한 정보를 피드백(feedback) 채널을 통하여 송신단으로 전송하여 줌으로써, 상기 송신단이 채널에 대한 정보를 획득할 수 있다. 반면, 시간 분할 듀플렉스(Time Division Duplex : TDD)의 경우, 수신단에서 송신단으로 채널 사운딩(channel sounding) 신호를 전송하고, 송신단이 상기 채널 사운딩 신호를 이용해 채널을 측정함으로써, 상기 채널에 대한 정보를 획득할 수 있다. 이는 송신단에서 수신단으로 가는 채널과 수신단에서 송신단으로 가는 채널이 동일하다는 채널 가역성(channel reciprocity) 성질에 기인한다.
한편, 실제 MIMO 시스템의 구현에 있어서 일반적으로 고려되어지고 있는 구성은 기지국에서 다수의 안테나를 사용하고 단말기는 단일 안테나를 사용하는 방식이다. 이는 안테나 사이의 물리적 거리의 제한, 단말기의 복잡도 및 비용 등의 이유 때문이다. 이 경우에도 다중 입력 단일 출력(multiple input single output : MISO) 시스템이라 부르지 않고 MIMO 시스템이라 부르는 이유는, SDMA 등의 기술을 사용할 경우 동시에 여러 사용자, 즉 여러 안테나와 통신이 가능하기 때문이다. 이 경우, 단말기는 기존의 단일 안테나 시스템에서와 동일한 방법으로 송수신을 수행하고 기지국은 MIMO 송수신 기법으로 송수신을 수행한다.
도 1은 단일 안테나 단말기의 채널 사운딩 기법을 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 각각의 단말기(101)는 서로를 구별할 수 있는 채널 사운딩 신호를 기지국(103)으로 전송하고, 상기 기지국(103)은 상기 채널 사운딩 신호를 이용해 해당 단말기와의 상향링크(uplink) 채널을 측정하며, 상기 측정한 상향링크 채널에 대한 정보를 하향링크(downlink) 채널에 대한 정보로 사용하여 데이터 전송에 이용한다.
실제 시스템의 구현에 고려되어지고 있는 또 하나의 구성은 단말기가 1개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나를 사용하는 방식이다. 상기 2개의 수신 안테나를 사용함으로써 얻을 수 있는 이득은 첫째, 다이버시티(diversity) 이득으로 인해 셀 커버리지(cell coverage)가 증가하고 둘째, 기지국이 하나의 단말기에게 2 스트림(stream)을 전달할 수 있으므로 단말 하나당 받을 수 있는 전송률이 증가한다는 것이다.
일반적으로, 단말기는 배터리 수명 등의 제한으로 기지국의 송신 전력에 비해 훨씬 낮은 전력으로 송신을 수행해야한다. 따라서, 수신 안테나는 비록 2개를 쓰더라도 송신 안테나는 1개만을 쓰는 단말기의 구성을 고려할 수 있다. 예를 들어, 상기 단말기는, 도 2와 같이, 1개의 물리적 안테나(207)를 수신 안테나로 사용하고, 또 다른 1개의 물리적 안테나(205)를 송신 및 수신 안테나로 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 또 다른 1개의 물리적 안테나와 기저대역 모뎀(201) 사이에는 Tx-Rx 스위칭부(203)가 연결되어 송신과 수신을 스위칭한다.
도 3은 상기와 같은 다중 안테나 단말기의 채널 사운딩 기법을 도시한 도면이다.
상기 도 3을 참조하면, 단말기(301)는 상기 송수신 안테나(205)를 통해 상기 기지국(303)으로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 상기 기지국(303)은 상기 채널 사운딩 신호를 이용해 상향링크(uplink) 채널을 측정한다. 하지만, 상기 기지국(303)이 측정한 채널 정보는 상기 송수신 안테나(205)와 상기 기지국(303) 사이의 상향링크 채널 정보일 뿐 상기 수신 안테나(207)와 상기 기지국(303) 사이의 상향링크 채널 정보는 아니다. 따라서, 상기 측정한 상향링크 채널 정보를 이용하여 하향링 크 채널 정보로서 이용하는 데는 무리가 있다.
다시 말해, 단말기가 1개의 송신 안테나와 2개의 수신 안테나를 사용하는 방식의 경우, 기지국의 안테나 개수가 Nt개라고 하면, 하향링크 채널은 2Nt개 존재하는데 반해 상향링크 채널은 Nt개만 존재하게 되므로, 일반적인 채널 사운딩 신호로는 기지국이 하향링크 채널에 대해 완전히 알 수가 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 송신할 때와 수신할 때 서로 다른 수의 안테나를 사용하는 단말이 모든 안테나를 통해 기지국으로 채널 사운딩 신호를 전송하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치는, 상기 단말의 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하고, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 안테나 스위칭부로 출력하는 기저대역 모뎀과, 모든 단말 안테나를 통해 상기 생성된 채널 사운딩 신호가 기지국으로 송신되도록 하나의 채널 사운딩 신호를 하나의 안테나로 스위칭하는 안테나 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 장치는, 단말의 안테나를 통해 채널 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 단말의 안테나와 기지국 안테나들 간의 채널을 추정하는 채널 추정기와, 상기 단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간 채널 추정을 완료하였을 시, 상기 추정한 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 계산부와, 송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하여 상기 단말의 안테나로 전송하는 프리코더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 방법은, 단말의 안테나를 통해 채널 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 단말의 안테나와 기지국 안테나들 간의 채널을 추정하는 과정과, 상기 단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간 채널 추정을 완료하였을 시, 상기 추정한 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 과정과, 송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하여 상기 단말의 안테나로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 방법은, 물리적 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하는 과정과, 상기 생성된 채널 사운딩 신호와 물리적 안테나를 일대일로 대응하여, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 모든 물리적 안테나를 통해 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다. 여기서, 상기 단말은 Nr개의 물리적 안테나를 가지고 있으며, 상기 Nr개의 안테나를 모두 사용하여 수신하고, 상기 Nr보다 작은 N개의 안테나를 사용하여 수신하는 단말을 가정한다. 이하 설명에서는 Nr=2, N=1인 경우를 예를 들어 설명할 것이나, 본 발명은 N<Nr인 모든 경우에 적용 가능함은 물론이다.
도 4는 본 발명에 따른 2개의 물리적 안테나를 가지는 단말의 송수신 신호 경로의 구조를 도시한 도면이다. 여기서, 상기 단말은 기저대역 모뎀(401), 안테나 스위칭부(403), 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405), 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407), 제 1 안테나(409), 제 2 안테나(411)를 포함하여 구성된다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 기저대역 모뎀(401)은 기지국으로 전송할 일반적인 송신 데이터 채널 신호 및 채널 사운딩 신호를 생성하고, 상기 생성된 신호를 상기 안테나 스위칭부(403)로 출력한다. 또한, 상기 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405) 및 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407)로부터 기지국의 수신 데이터 채널 신호를 입력받는다.
상기 안테나 스위칭부(403)는 상기 기저대역 모뎀(401)으로부터 일반적인 송신 데이터 채널 신호가 수신될 시, 상기 수신된 일반적인 송신 데이터 채널 신호를 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405)로 출력한다. 또한, 상기 안테나 스위칭부(403)는 상기 기저대역 모뎀(401)으로부터 채널 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 수신된 채널 사운딩 신호 중 첫 번째 채널 사운딩 신호는 상기 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405)로 출력 하고, 두 번째 채널 사운딩 신호는 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407)로 출력한다.
상기 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405)는, 송신 시, 상기 안테나 스위칭부(403)로부터 입력되는 일반적인 송신 데이터 채널 신호 또는 첫 번째 채널 사운딩 신호를 제 1 안테나(409)로 스위칭하고, 수신 시, 상기 제 1 안테나(409)로부터 입력되는 수신 데이터 채널 신호를 상기 기저대역 모뎀(401)으로 스위칭한다.
상기 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407)는, 송신 시, 상기 안테나 스위칭부(403)로부터 입력되는 두 번째 채널 사운딩 신호를 제 2 안테나(411)로 스위칭하고, 수신 시, 상기 제 2 안테나(411)로부터 입력되는 수신 데이터 채널 신호를 상기 기저대역 모뎀(401)으로 스위칭한다.
상기 제 1 안테나(409)는 상기 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405)로부터 입력되는 일반적인 송신 데이터 채널 신호 또는 첫 번째 채널 사운딩 신호를 기지국으로 전송하고, 상기 기지국으로부터 수신되는 수신 데이터 채널 신호를 상기 제 1 Tx-Rx 스위칭부(405)로 출력한다.
상기 제 2 안테나(411)는 상기 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407)로부터 입력되는 두 번째 채널 사운딩 신호를 기지국으로 전송하고, 상기 기지국으로부터 수신되는 수신 데이터 채널 신호를 상기 제 2 Tx-Rx 스위칭부(407)로 출력한다.
즉, 일반적인 데이터 채널 신호를 송신할 때는 첫 번째 안테나(409)만을 사용하여 전송하다가, 채널 사운딩 신호를 송신할 때는 두 개의 안테나(409, 411)를 스위칭하여 번갈아 가며 전송한다. 여기서, 상기 첫 번째 채널 사운딩 신호는 상기 제 1 안테나(409)를 통해 상기 기지국으로 송신하고, 두 번째 채널 사운딩 신호는 상기 제 2 안테나(411)를 통해 상기 기지국으로 송신하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 상기 두 번째 채널 사운딩 신호를 상기 제 1 안테나(409)를 통해 전송하고, 상기 첫 번째 채널 사운딩 신호를 상기 제 2 안테나(411)를 통해 전송할 수도 있다. 이때, 상기 스위칭하는 방법은 프레임 구조에 따라 달라진다.
도 5는 본 발명에 따른 프레임 구조를 도시한 예시도이다. 여기서, 상기 프레임 구조는 여러 직교 주파수 분할 다중 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하 'OFDM'이라 칭함) 심볼이 모여 하나의 프레임을 구성하고, 매 프레임마다 채널 사운딩 신호를 전송하는 TDD 기반 OFDM 시스템을 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 도 5를 참조하면, 먼저, 도 5a와 같이 하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 특정 단말의 채널 사운딩 신호가 복수의 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되어 있는 경우, 상기 단말은 상기 채널 사운딩 신호가 할당된 복수의 심볼 구간 중 첫 번째 심볼 구간(501)에 첫 번째 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 두 번째 심볼 구간(503)에 두 번째 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송한다. 이후의 심볼 구간에 대해서도 이를 되풀이한다.
다음으로, 도 5b와 같이 하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 특정 단말의 채널 사운딩 신호가 단일 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되어 있는 경우, 상기 단말은 하나의 프레임의 해당 심볼 구간(505)에 첫 번째 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 다음 프레임의 해당 심볼 구간(507)에 두 번째 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송한다. 이후의 프레임에 대해서도 이를 되풀이한다.
마지막으로, 도 5c와 같이 하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 특정 단말 의 채널 사운딩 신호가 복수의 부반송파(subcarrier)에 할당되어 있는 경우, 상기 단말은 상기 복수의 부반송파(subcarrier) 중 절반의 부반송파에 첫 번째 안테나로 전송할 채널 사운딩 신호를 할당하고 나머지 부반송파에 두 번째 안테나로 전송할 채널 사운딩 신호를 할당한다.
도 6은 본 발명에 따른 빔 형성(Beamforming)을 사용하는 기지국 수신부의 구조를 도시한 블럭도이다. 여기서, 상기 기지국 수신부는 송수신 변환기(603), 채널 추정기(605), 채널 버퍼(607), 빔 형성 가중치 계산부(609), 빔 형성기(611), 변조기(613), 채널 인코더(615)를 포함하여 구성된다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 기지국의 송수신 변환기(603)는 해당 단말의 첫 번째 안테나/두 번째 안테나로부터 수신되는 채널 사운딩 신호를 상기 채널 추정기(605)로 출력한다. 여기서, 상기 단말은 사운딩 신호 생성기(601)에서 생성한 채널 사운딩 신호를 첫 번째 안테나 및 두 번째 안테나로 스위칭하여 상기 기지국으로 전송한다.
상기 채널 추정기(605)는 상기 단말의 첫 번째 안테나/두 번째 안테나로부터 수신되는 채널 사운딩 신호를 이용하여 상기 단말의 첫 번째 안테나/두 번째 안테나와 상기 기지국의 안테나들 간의 채널을 추정하고, 상기 추정한 채널 값 hk를 상기 채널 버퍼(607)로 출력한다. 여기서, 상기 k는 상기 단말의 안테나 인덱스이다.
상기 채널 버퍼(607)는 상기 채널 추정기(605)로부터 입력되는 상기 단말의 안테나별 추정 채널 값을 버퍼링하고, 상기 단말의 안테나별 추정 채널 값이 모두 입력되었을 시, 상기 빔 형성 가중치 계산부(609)로, 하기 <수학식 1>과 같이, 상기 단말의 안테나별 추정 채널 값 H를 출력한다.
Figure 112006039415552-pat00001
상기 빔 형성 가중치 계산부(609)는 상기 채널 버퍼(607)로부터 입력되는 상기 단말의 안테나별 추정 채널 값 H를 이용하여 빔 형성 가중치를 계산하고, 상기 계산한 빔 형성 가중치 값 B를 상기 빔 형성기(611)로 출력한다.
상기 채널 인코더(615)는 상위 계층으로부터 전달되는 데이터 신호를 미리 정해진 부호율로 채널 부호화(channel coding)하고, 부호화 데이터(coded bits 또는 symbols) 신호를 상기 변조기(613)로 출력한다. 예를 들어, 상기 채널 인코더(615)는 길쌈부호기(convolution coder), 터보부호기(terbo coder), LDPC(Low Density Parity Check) 부호기, 길쌈 터보부호기(CTC : Convolution Turbo Coder) 등으로 구성될 수 있다.
상기 변조기(613)는 상기 채널 인코더(615)로부터 입력되는 부호화 데이터신호를 소정 변조 방식으로 변조하여 상기 빔 형성기(611)로 출력한다. 즉, 소정 사상방식에 따른 성상도(constellation)에 신호점 사상(mapping)하여 복소 신호를 출력한다. 예를 들어, 상기 변조 방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 복소 신호에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소 신호에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소 신호에 사상하는 8QAM(8ary Quadrature Amplitude Modulation), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소 신호에 사상하는 16QAM, 6개의 비트(s=6)를 하나의 복소 신호에 사상하는 64QAM(64ary Quadrature Amplitude Modulation) 등이 있다.
상기 빔 형성기(611)는 상기 변조기(613)로부터 입력되는 변조된 데이터 신호 s를 복수의 송신 안테나들에 대응하도록 복수 개로 복사하고, 상기 복수의 데이터 신호들과 상기 빔 형성 가중치 계산부(609)로부터 입력되는 빔 형성 가중치 값 B를 곱하여 안테나별로 빔 형성을 수행한 후, 상기 형성된 안테나별 빔을 상기 송수신 변환기(603)로 출력한다. 이때, 상기 송수신 변환기(603)는 상기 형성된 빔들을 상기 각각의 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 상기 단말로 전송한다.
도 7은 본 발명에 따른 특이값 분해(SVD)를 사용하는 기지국 수신부의 구조를 도시한 블럭도이다. 여기서, 상기 기지국 수신부는 송수신 변환기(703), 채널 추정기(705), 채널 버퍼(707), 특이값 분해부(709), 프리코더(711), 제 1~N 변조기(713-1~N), 제 1~N 채널 인코더(715-1~N)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 송수신 변환기(703), 채널 추정기(705), 채널 버퍼(707), 제 1~N 변조기(713-1~N), 제 1~N 채널 인코더(715-1~N)에 대한 설명은 상기 도 6의 송수신 변환기(603), 채널 추정기(605), 채널 버퍼(607), 변조기(613), 채널 인코더(615)의 설명과 동일하므로, 이하 설명에서는 생략하기로 한다.
상기 도 7을 참조하면, 상기 특이값 분해부(709)는 상기 채널 버퍼(707)로부 터 입력되는 상기 단말의 채널 행렬 H에 대한 특이값 분해(singular value decomposition)를 수행하여 프리코딩 행렬 V를 계산한다.
여기서, 상기 특이값 분해는 하기 <수학식 2>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112006039415552-pat00002
여기서, 상기 특이값 분해는 채널 응답 행렬 H를 2 개의 유니터리 행렬(U 및 V) 및 대각선 행렬(D)로 분해한다. 상기 행렬 U는 상기 행렬 H의 좌측 고유-벡터의 유니터리 매트릭스이고, 상기 행렬 V는 상기 행렬 H의 우측 고유-벡터의 유니터리 매트릭스이다. 상기 행렬 D는 상기 행렬 H의 고유값의 대각선 매트릭스이다.
상기 프리코더(711)는 상기 특이값 분해부(709)로부터 입력되는 상기 프리코딩 행렬 V와 상기 제 1~N 변조기(713-1~N)로부터 입력되는 변조된 데이터 신호 s들을 곱하여 복수 개의 송신 데이터 신호 x를 생성하고, 상기 생성한 송신 데이터 신호들을 복수의 송신 안테나들에 대응하도록 상기 송수신 변환기(703)로 출력한다. 이때, 상기 송수신 변환기(703)는 상기 송신 데이터 신호들을 상기 각각의 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 상기 단말로 전송한다.
한편, 상기 도 6 및 도 7에서는 빔포밍 및 특이값 분해를 예로 들어 설명하였으나, SDMA 및 기타 다른 프리코딩(precoding) 기법이 모두 적용될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국에서 단말의 채널 사운딩 신호를 이용한 상향링크 채널 추정 및 데이터 전송 방법을 도시한 도면이다. 여기서, 상기 기지국은, 먼저 빔포밍(beamforming), 특이값 분해(SVD), SDMA 등의 폐쇄 루프 MIMO(Closed loop MIMO) 방식으로 데이터를 전송할지 여부를 결정한다. 이는 단말기가 결정하여 기지국에 요청할 수도 있고, 단말기에서 전송된 정보를 보고 기지국이 결정할 수도 있다. 상기 폐쇄 루프 MIMO(Closed loop MIMO) 방식의 전송이 결정되면, 상기 기지국은 해당 프레임의 상향링크 채널 중 일부를 상기 단말기의 사운딩 채널로 할당한다. 이때, 상기 단말은 상기 할당된 채널을 통해 먼저 첫 번째 안테나로 사운딩 신호를 전송하고, 그 다음에 두 번째 안테나로 사운딩 신호를 전송하게 된다.
상기 도 8을 참조하면, 상기 기지국은 801단계에서 단말의 안테나 인덱스 M을 1로 설정하고, 803단계로 진행하여 상기 단말의 제 M 안테나로부터 사운딩 신호가 수신되는지 여부를 검사한다. 상기 단말의 제 M 안테나로부터 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 기지국은 805단계로 진행하여 상기 단말의 제 M 안테나와 기지국 안테나들 간의 채널 hM를 추정한다. 예를 들어, 상기 기지국의 안테나가 4개일 경우, h1은 1x4 벡터(vector)로 추정될 수 있다.
이후, 상기 기지국은 807단계에서 상기 M이 단말의 안테나 수와 같은지 여부를 검사한다. 상기 M이 상기 단말의 안테나 수와 같지 않을 시, 상기 기지국은 809단계로 진행하여 상기 M을 상기 M에 1을 더한 수로 갱신하고, 상기 803단계로 돌아간다. 반면, 상기 M이 상기 단말의 안테나 수와 같을 시, 상기 기지국은 811단계에서 상기 추정된 모든 채널 hM을 이용하여 채널 정보 행렬 H를 생성한 후, 상기 채널 행렬 H를 이용하여 소정 알고리즘에 따라 프리코딩 매트릭스, 즉 프리코딩 행렬을 계산한다. 이후, 상기 기지국은 813단계로 진행하여 송신 데이터 신호에 상기 프리코딩 매트릭스를 곱하여 프리코딩(proceding)한 후, 상기 기지국 안테나들을 통해 상기 단말로 전송한다. 이후, 상기 기지국은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 단말에서 기지국으로 채널 사운딩 신호를 전송하기 위한 방법을 도시한 도면이다.
상기 도 9를 참조하면, 단말은 901단계에서 단말의 안테나 인덱스 M을 1로 설정하고, 903단계로 진행하여 기지국이 할당한 사운딩 채널을 통해 상기 단말의 제 M 안테나로 사운딩 신호를 전송한다. 이후, 상기 단말은 905단계에서 상기 M이 상기 단말의 안테나 수와 같은지 여부를 검사한다. 상기 M이 상기 단말의 안테나 수와 같지 않을 시, 상기 단말은 907단계로 진행하여 상기 M을 상기 M에 1을 더한 수로 갱신하고, 상기 903단계로 돌아간다. 반면, 상기 M이 상기 단말의 안테나 수와 같을 시, 상기 단말은 모든 사운딩 신호를 기지국으로 전송하였음을 판단하고, 909단계로 진행하여 상기 기지국으로부터 데이터 신호를 수신한다. 이후, 상기 단말은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
한편, 본 발명은 하향링크 MIMO(downlink MIMO) 전송이 아닌 상향링크 MIMO(uplink MIMO) 전송에도 사용 가능하다. 예를 들어, 다수의 안테나를 가진 단말이 안테나 선택(antenna selection) 기법을 사용할 경우, 상기 기지국에서 수신된 사운딩 신호는 상기 단말 안테나 선택의 기준이 될 수 있다. 즉, 상기 기지국이 상기 사운딩 신호를 이용하여 추정한 채널 중 좋은 채널을 가진 안테나를 선택하여 그에 대한 정보를 단말로 피드백(feedback)하면, 상기 단말은 상기 선택된 안테나로 데이터 신호를 전송할 수 있다.
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.
상술한 바와 같이, 본 발명은 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치 및 방법을 제공함으로써, TDD기반의 MIMO시스템에서 기지국에게 하향링크 채널에 대한 정보를 알 수 있도록 단말기가 채널 사운딩 신호를 전송할 시, 다수의 안테나를 가진 단말기가 송신할 때와 수신할 때 서로 다른 수의 안테나를 사용함으로써 기지국이 모든 안테나 쌍의 채널을 알 수 없는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 이를 통해 하향링크 채널을 정확히 추정함으로써 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (30)

  1. 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치에 있어서,
    상기 단말의 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하고, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 안테나 스위칭부로 출력하는 기저대역 모뎀과,
    모든 단말 안테나를 통해 상기 생성된 채널 사운딩 신호가 기지국으로 송신되도록 하나의 채널 사운딩 신호를 하나의 안테나로 스위칭하는 안테나 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 데이터 신호 송수신 안테나 및 데이터 신호 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 스위칭부와 하나의 안테나 사이에 연결되어 상기 안테나 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호를 해당 안테나로 출력하고, 상기 안테나로부터 입력되는 데이터 신호를 상기 기저대역 모뎀으로 출력하는 안테나별 송수신 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호를 할당된 상향링크 구간에 기지국으로 전송하는 하나 이상의 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 기저대역 모뎀은
    데이터 신호를 상기 안테나 스위칭부로 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 안테나 스위칭부는,
    상기 데이터 신호를 상기 안테나 중 데이터 신호 송수신 안테나로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 안테나 스위칭부와 하나의 데이터 신호 송수신 안테나 사이에 연결되어 상기 안테나 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호 또는 데이터 신호를 해당 데이터 신호 송수신 안테나로 출력하고, 상기 데이터 신호 송수신 안테나로부터 입력되는 데이터 신호를 상기 기저대역 모뎀으로 출력하는 데이터 신호 송수신 안테나별 송수신 스위칭부와,
    상기 안테나 스위칭부와 하나의 데이터 신호 수신 안테나 사이에 연결되어 상기 안테나 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호를 해당 데이터 신호 수신 안테나로 출력하고, 상기 데이터 신호 수신 안테나로부터 입력되는 데이터 신호를 상기 기저대역 모뎀으로 출력하는 데이터 신호 수신 안테나별 송수신 스위칭부와,
    상기 데이터 신호 송수신 안테나별 송수신 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호 또는 데이터 신호를 할당된 상향링크 구간에 기지국으로 전송하고, 상기 기지국으로부터의 데이터 신호를 상기 데이터 신호 송수신 안테나별 송수신 스위칭부로 출력하는 상기 데이터 신호 송수신 안테나와,
    상기 데이터 신호 수신 안테나별 송수신 스위칭부로부터 입력되는 채널 사운딩 신호를 할당된 상향링크 구간에 기지국으로 전송하고, 상기 기지국으로부터의 데이터 신호를 상기 데이터 신호 수신 안테나별 송수신 스위칭부로 출력하는 상기 데이터 신호 수신 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 복수의 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 안테나 스위칭부는,
    첫 번째 심볼 구간에 하나의 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 두 번째 심볼 구간에 다른 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 다른 심볼 구간에 남아있는 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 단일 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 안테나 스위칭부는,
    하나의 프레임의 해당 심볼 구간에 하나의 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 다음 프레임의 해당 심볼 구간에 다른 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 이후 프레임의 해당 심볼 구간에 남은 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 복수의 부반송파(subcarrier)에 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 안테나 스위칭부는,
    상기 복수의 부반송파(subcarrier) 중 일부 부반송파에 하나의 안테나로 첫 번째 채널 사운딩 신호를 전송하고, 다른 일부 부반송파에 다른 안테나로 두 번째 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 또 다른 일부 부반송파에 남은 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 장치에 있어서,
    단말의 안테나를 통해 채널 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 단말의 안테나와 기지국 안테나들 간의 채널을 추정하는 채널 추정기와,
    상기 단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간 채널 추정을 완료하였을 시, 상기 추정한 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 계산부와,
    송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하여 상기 단말의 안테나로 전송하는 프리코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단말의 안테나별 추정채널 값을 저장하는 채널 버퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 소정 프리코딩 기법은 빔 형성(Beamforming), 특이값 분해(Singular Value Decomposition : SVD), 공간 분할 다중 접속(Spatial Division Multiple Access : SDMA) 중 하나 임을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 단말의 안테나는 데이터 신호 송수신 안테나 및 데이터 신호 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 방법에 있어서,
    단말의 안테나를 통해 채널 사운딩 신호가 수신될 시, 상기 단말의 안테나와 기지국 안테나들 간의 채널을 추정하는 과정과,
    상기 단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간 채널 추정을 완료하였을 시, 상기 추정한 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 과정과,
    송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하여 상기 단말의 안테나로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 소정 프리코딩 기법은 빔 형성(Beamforming), 특이값 분해(Singular Value Decomposition : SVD), 공간 분할 다중 접속(Spatial Division Multiple Access : SDMA) 중 하나 임을 특징으로 하는 방법.
  20. 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 방법에 있어서,
    물리적 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하는 과정과,
    상기 생성된 채널 사운딩 신호와 물리적 안테나를 일대일로 대응하여, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 모든 물리적 안테나를 통해 기지국으로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 물리적 안테나는 데이터 신호 송수신 안테나 및 데이터 신호 수신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 복수의 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    첫 번째 심볼 구간에 하나의 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 두 번째 심볼 구간에 다른 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 다른 심볼 구간에 남아있는 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 단일 심볼(혹은 채널) 구간에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    하나의 프레임의 해당 심볼 구간에 하나의 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하고, 다음 프레임의 해당 심볼 구간에 다른 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 이후 프레임의 해당 심볼 구간에 남은 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 채널 사운딩 신호는,
    하나의 상향링크(uplink) 프레임 내에 복수의 부반송파(subcarrier)에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 복수의 부반송파(subcarrier) 중 일부 부반송파에 하나의 안테나로 첫 번째 채널 사운딩 신호를 전송하고, 다른 일부 부반송파에 다른 안테나로 두 번째 채널 사운딩 신호를 전송하며, 같은 방법으로 또 다른 일부 반송파에 남은 안테나로 채널 사운딩 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 방법에 있어서,
    단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간에 추정된 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 과정과,
    송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 무선 통신 시스템에서 단말의 채널 사운딩 장치에 있어서,
    상기 단말의 안테나 수만큼 채널 사운딩 신호를 생성하는 수단과,
    상기 생성된 채널 사운딩 신호와 안테나를 일대일로 대응하여, 상기 생성된 채널 사운딩 신호를 대응하는 안테나로 스위칭하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 무선 통신 시스템에서 기지국의 채널 사운딩 장치에 있어서,
    단말의 모든 안테나와 기지국 안테나들 간에 추정된 채널 값을 이용하여 소정 프리코딩(precoding) 기법에 따라 프리코딩 매트릭스를 계산하는 수단과,
    송신 데이터에 상기 계산한 프리코딩 매트릭스를 곱하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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