KR101055573B1 - 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송출 시스템에서의 프리 코딩 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 안테나를 통한 무선 전송 기술에 관련되며, 특히 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송출 시스템에서 모든 사용자에게 균일한 수신 특성을 보장할 수 있는 프리코딩 기술에 관련된다.

다중 수신 단말기를 위한 다중 안테나 무선 송출 장치는 송신측 안테나와 수신측 안테나 간의 무선 전송 채널의 특성 값을 획득하는 채널특성획득부와, 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값들을 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 계수산출부와, 상기 계수 산출부에서 구해진 행렬로 입력 신호를 곱해서 출력하는 프리코딩부를 포함한다.

MU-MIMO, 신호대잡음비, 다중 사용자, 다중 안테나, 수신 특성

Description

다중 사용자, 다중 안테나 무선 송출 시스템에서의 프리 코딩 장치{precoding apparatus for a multi-user, multi-antenna, wireless transmission system}

본 발명은 다중 안테나를 통한 무선 전송 기술에 관련되며, 특히 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송출 시스템에서 모든 사용자에게 균일한 수신 특성을 보장할 수 있는 프리코딩 기술에 관련된다.

한정된 주파수 대역을 효율적으로 사용하기 위한 방안으로 다중 안테나를 사용하는 MIMO(multiple-input and multiple-output) 기술이 알려져 있다. MIMO 에서는 전송의 신뢰성을 높이기 위해 공간-시간 코딩(space-time coding) 기법을 사용한다. 이는 입력 신호를 복수의 안테나를 통해 시간, 공간적으로 중복하여 전송하거나 시간, 공간적으로 분할 전송하기 위한 사전 신호처리이다.

MIMO에서는 복수의 안테나를 통해 정보를 중복 전송함으로써 전송의 신뢰도를 높이는 공간 다이버시티(spatial diversity) 기법과, 복수의 안테나를 통해 정보를 분할해 전송함으로써 채널을 실질적으로 확장하는 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법이 알려져 있다.

본 발명은 전송단에서 다중 안테나를 통해 다수의 사용자에게 동시에 정보를 전달하고 각 사용자는 하나의 안테나를 사용하여 신호를 수신하는 MU-MIMO(multi-user multiple-input and multiple-output) 다중 사용자 전송을 지원하기 위한 프리코딩(precoding) 기술에 관한 것이다.

고속 정보 전송을 지원하기 위해 MIMO를 사용한 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법에 대한 다양한 기술들과 사용방법들이 연구되었다. MIMO을 사용한 다중 사용자 전송은 동시에 여러 사용자에게 정보 전송이 가능하여 시스템의 전송 용량을 증가시키고 보다 효과적인 대역 할당을 가능하게 한다. 그러나 수신단에 다중 안테나가 사용되지 않을 경우 신호 간 간섭에 의해 신호의 수신 및 복호 성능이 크게 저하된다는 단점이 있다.

도 1은 두 개의 전송 안테나를 사용하여 동시에 두 사용자에게 정보를 전달하는 MIMO 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한다. S₀, S₁ 은 각각 두 개의 안테나를 통해 전송되는 신호를, h_n은 각 채널의 페이딩(fading) 특성값, 그리고 r_n은 각 사용자의 수신 신호를 나타낸다. 그림에서 안테나들을 상호 연결한 실선은 정보가 의도된 사용자에게 전달되는 경로를, 점선은 다른 사용자의 신호가 간섭으로 수신되는 경로를 표현한다.

도 1에 도시된 시스템의 경우, 각 사용자는 다른 사용자의 신호를 동시에 수신하게 된다. 이때 다른 사용자의 신호가 비교적 큰 값으로 수신되는 경우 정보를 복원할 수 없다. 이를 수식으로 표현하면,

로 된다.

위 수식에서 h₀ 와 h₃ 가 각각 h₂ 또는 h₁ 보다 월등히 큰 경우 정보 전송이 효과적으로 수행되나 그렇지 않은 경우 사용자는 간섭에 의한 복원 성능 저하를 겪게 된다.

도 2는 빔 성형(beam forming)을 통해 두 사용자에게 동시에 정보를 전달하는 일 예를 도시한다. 도면에서 점선은 성형된 빔의 성상도를 나타낸다. 이 예의 경우, 신호 전송의 방향성을 이용하여 사용자들을 구분한다. 사용자들이 전송단에서 각기 다른 방향에 존재 할 경우 효과적인 정보 전송이 가능하나 도 2에 도시된 예와 같이 사용자가 기지국에서 보았을 때 동일하거나 매우 근접한 방향에 위치한 경우 도시된 바로부터 확인 할 수 있듯이 사용자들의 신호간 간섭이 발생하며 이로 인해 수신된 신호의 복원 가능성을 크게 저하시킨다.

본 발명은 다중 안테나를 통해 다수의 사용자에게 신호를 전송할 때 각 사용자들이 평균적으로 최적의 수신을 할 수 있도록 하는 프리코더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 이 같은 프리코더의 계산을 간단하게 하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 빠르게 변하는 채널 상황에 적합한 프리코드 장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위한 MU-MIMO(multi-user multiple-input and multiple-output) 방식의 무선 송출단을 위한 본 발명에 따른 프리코딩(precoding) 장치는 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값을 가진다.

각 수신 단말기 입장에서 신호대간섭비를 최대로 하는 프리코딩 행렬은 계수값이 채널 특성 계수에 대해 미분이 불가능한 형태로 주어져 연산이 대단히 복잡하다. 본 발명은 발상의 전환을 통해 신호 전송 측에서 전송신호의 수신 전력이 그 전송신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 비해 최대화되도록 프리코딩 행렬을 산출하며, 이는 확정형 해답(closed form solution)을 제시하여 빠르게 변하는 채널 상황에서도 신속한 계산으로 대응이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 다중 수신 단말기를 위한 다중 안테나 무선 송출 장치는 송신측 안테나와 수신측 안테나 간의 무선 전송 채널의 특성 값을 획득하는 채널특성획득부와, 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값들을 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 계수산출부와, 상기 계수 산출부에서 구해진 행렬로 입력 신호를 곱해서 출력하는 프리코딩부를 포함한다.

본 발명은 적절한 프리코드 설계를 통해 각 사용자의 평균 수신 성능을 개선시키며 이를 통해 시스템의 전반적 성능을 향상시킨다. 또한 본 발명은 확정형으로 주어지는 프리코드 설계를 통해 낮은 하드웨어 복잡도(hardware complexity)로 프리코드 구현이 가능하도록 한다.

나아가 본 발명은 빠르게 변하는 채널 상황에서도 고속으로 채널에 적응적으로 프리코딩을 수행하므로, 항상 수신 단말기 입장에서 최적의 수신 성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 이 같은 본 발명의 양상들을 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예들을 통해 당업자가 이해하고 재현할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 사용자들이 동일한 수신 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)을 제공 받아야 한다는 가정 하에, 각 수신 단말기의 평균적인 수신 SINR을 최대화 하는 프리코드를 설계한다. 프리코드 사용 시 각 수신 단말기의 수신 SINR은 쉽게 분석이 불가능한 복잡한 형태로 주어지는데, 본 발명은 전송 SINR 이라는 개념을 도입하여 수신 SINR을 순차적 최적화 단계를 통해 최대화 가능한 단순한 형태로 변형하며, 단계적 최적화 단계를 거쳐 수신 SINR을 최대화 하는 프리코드를 설계한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리코딩장치(100)를 포함하는 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송수신 시스템을 2x2 MU-MIMO에 대해 개략적으로 도시한다. 일 실시예에 따르면, MU-MIMO(multi-user multiple-input and multiple-output) 방식의 무선 송출단을 위한 프리코딩(precoding) 장치는 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값을 가진다. 도 3에서 s₀, s₁ 은 각각 전송할 신호를, x₀, x₁ 은 각각 두 개의 안테나를 통해 전송되는 신호를, h_n은 각 채널의 페이딩(fading) 특성값, 그리고 r_n은 각 수신 단말기의 수신 신호를 나타낸다. 채널 경로 중 원래 전송이 의도된 경로는 실선으로, 간섭에 의한 경로는 점선으로 표시하였다.

도 3에서 프리코딩부(100)를 행렬 C로 표현하면 신호의 송신과 수신은 다음과 같이 표현할 수 있다.

또는

로 표현된다.

여기서 η 성분은 잡음 성분을 나타낸다.

이때 각 수신 단말기 입장에서 SINR은 다음과 같이 표현된다.

평균 SINR 을 고려하면,

여기서 σ_n ²은 수신 단말기 n의 수신단 잡음이다.

위 수식에서, 각 수신 단말기의 수신 SINR인 SINR₀ 와 SINR₁ 은 둘 다 네 개의 복소 변수(complex variable)의 함수로 주어지며, 또한 각 사용자 SINR은 c₀~c₃ 에 대해 미분이 불가능한 형태로 주어져 있으므로, 원하는 SINR을 지원하는 c₀~c₃ 는 대단히 복잡한 연산을 통해 얻어져야 한다. 이 연산은 불가능하거나 매우 긴 시간을 소요한다.

본 발명은 빠르게 변하는 채널 상황에 적합한 프리코드 설계를 위해 수신 SINR을 최대화 하는 프리코드를 확정형 해답(closed form solution)으로 얻는 방법을 제시한다.

본 발명은 다음과 같이 전송 SINR을 정의한다.

따라서,

로 표현된다.

수신 SINR이 다음과 같이 표현된다면,

,

전송 SINR은 다음과 같이 정의된다.

,

이 되도록 전송을 제어하면,

이며, 따라서 각각

,

로 주어지는 전송 SINR을 최소화 하여

이며

을 최대화 하는 c₀~c₃ 을 구할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 2x2 MU-MIMO 의 프리코드 행렬에 적용되는 계수 산출 과정을 설명하는 도면이다. 도시된 실시예에 있어서 c_n 을 구하는 순서는 먼저 행간 곱셈 인수를 곱하고 다음으로 열 간 곱셈 인수를 곱하는 과정으로 구헌된다. 곱셈 인수 값은 채널 파라메터에 대해 확정형 해답(closed-form solution)으로 구현되어 있어 낮은 하드웨어 복잡도로 빠르게 프리코드 행렬(precode matrix) 값이 계산된다.

도 4에 의해, 전송 SINR은 다음과 같은 삼각함수로 정의된다.

위 수식은 α_n, θ_n 에 대해 미분 가능한 식이며, α_n, θ_n 에 대해 각각 편미분하여 그 식의 최대값을 구할 수 있다.

도 4에서 각 들은 다음과 같은 확정형(closed-form)으로 주어진다.

전송 SINR을 각각 에 대해 편미분하면 전송 SINR을 최대화하는 α_n, θ_n 은 다음과 같다.

여기서 φ(c)는 복소수 c의 위상이다.

또 정의에 의해 c₁=βc₀이며,

, 또는 AD=BC에 의해

이 되도록 설정하면

이 된다.

전 과정을 거쳐 프리코딩부(100)는 다음과 같이 설계된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리코딩장치(100)를 포함하는 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송수신 시스템을 보다 자세히 도시한다. 도시된 바와 같이, 다중 수신 단말기를 위한 다중 안테나 무선 송출 장치는 송신측 안테나와 수신 측 안테나 간의 무선 전송 채널의 특성 값을 획득하는 채널특성획득부(300)와, 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값들을 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 계수산출부(500)와, 상기 계수 산출부(500)에서 구해진 행렬로 입력 신호를 곱해서 출력하는 프리코딩부(100)를 포함한다.

도시된 실시예에 있어서, 계수 산출부(500)는 열간, 행간 곱셈 인수를 계산하는 곱셈인수(multiplication factor) 산출부(510)와, 제 1 계수를 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 제 1 계수 산출부(530), 상기 제 1 계수에 열간, 행간 곱셈 인수를 곱하고 그 결과값에 열간, 행간 곱셈 인수 중 하나를 곱하여 나머지 계수들을 구하는 행렬 산출부(550)를 포함한다.

채널특성획득부(300)는 각 기지국의 송출단에서 셀 내 존재하는 수신 단말기들과의 통신을 통해 빈번한 주기로 채널 특성 파라메터를 획득한다. 곱셈인수 산출부(510)는 도 4의 행간, 열간 곱셈 인수들을 구한다. 제1 계수 산출부(530)는 본 실시예에 있어서, 4개의 행렬 값 중 c₀를 구한다. 행렬 산출부(550)는 구해진 c₀ 값에 행간, 열간 곱셈인수를 곱하여 나머지 행렬 값들을 계산한다.

프리코딩부(100)는 구해진 프리코딩 행렬로 입력 신호를 처리하여 송출단으로 송출한다.

이상에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 중 심으로 설명되었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 실시예는 2개의 전송 안테나를 사용하고 2명의 사용자에게 동시 전송하는 MIMO 시스템을 중심으로 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다. 당업자라면 본 명세서에 기재된 전송 SINR의 개념을 이용하여 N개의 전송 안테나를 사용하여 1~N 명의 사용자에게 동시에 신호를 전송하는 일반적인 형태의 MIMO system에 사용하기 위한 프리코더 또한 동일한 방식으로 쉽게 구현할 수 있다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 자명하게 도출되는 변형들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의해 해석되어져야 한다.

도 1은 두 개의 전송 안테나를 사용하여 동시에 두 사용자에게 정보를 전달하는 MIMO 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한다.

도 2는 빔 성형(beam forming)을 통해 두 사용자에게 동시에 정보를 전달하는 일 예를 도시한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프리코딩장치(100)를 포함하는 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송수신 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 2x2 MU-MIMO 의 프리코드 행렬에 적용되는 계수 산출 과정을 설명하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리코딩장치(100)를 포함하는 다중 사용자, 다중 안테나 무선 송수신 시스템을 보다 자세히 도시한다.

Claims (6)

1. MIMO(multiple-input and multiple-output) 방식의 무선 송출단을 위한 프리코딩(precoding) 장치에 있어서, 신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값을 가지며,

   상기 프리코딩 장치는 2x2 MIMO에 적용되고,

   상기 프리코딩 장치의 계수는

   

   (c₁=β×c₀, c₂=α₀e^jθ0 × c₀, c₃=α₁e^jθ1 × c_1,)인 것을 특징으로 하는 프리코딩 장치.
2. 삭제
3. 다중 수신 단말기를 위한 다중 안테나 무선 송출 장치에 있어서,

   송신측 안테나와 수신측 안테나 간의 무선 전송 채널의 특성 값을 획득하는 채널특성획득부와;

   신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값들을 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 계수산출부와;

   상기 계수 산출부에서 구해진 행렬로 입력 신호를 곱해서 출력하는 프리코딩부를 포함하며,

   상기 계수 산출부는 열간, 행간을 계산하는 곱셈인수(multiplication factor) 산출부와, 제 1 계수를 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 제 1 계수 산출부, 상기 제 1 계수에 열간, 행간 곱셈 인수를 곱하고 그 결과값에 열간, 행간 곱셈 인수 중 하나를 곱하여 나머지 계수들을 구하는 행렬 산출부를 포함하는 무선 송출 장치.
4. 삭제
5. MIMO(multiple-input and multiple-output) 방식의 무선 송출단을 위한 프리코딩 행열을 구하는 방법에 있어서,

   안테나 간의 전송 채널 특성 계수를 구하는 단계와;

   신호 전송 측에서 전송 신호에 의한 간섭 및 잡음의 강도에 대한 전송 신호의 수신단 수신 전력의 비율을 최대화하는 계수 값들을 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 계수 산출 단계를 포함하며,

   상기 계수 산출 단계는 열간, 행간 곱셈 인수를 계산하는 단계와, 제 1 계수를 상기 전송 채널 특성 계수의 함수로 구하는 단계와, 상기 제 1 계수에 열간, 행간 곱셈 인수를 곱하고 그 결과값에 열간, 행간 곱셈 인수 중 하나를 곱하여 나머지 계수들을 구하는 단계를 포함하는 프리코딩 행열을 구하는 방법.
6. 삭제

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