KR101202499B1

KR101202499B1 - Apparatus and method for spatial multiplexing transmission in multi-antenna wireless communication systems

Info

Publication number: KR101202499B1
Application number: KR1020100114766A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 이건욱
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-11-20
Also published as: KR20120053583A

Abstract

본 발명은 다중 안테나 무선 통신 시스템에서 제한된 채널 정보량과 채널 정보 양자화 오류가 존재하는 환경에서 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법을 사용하여 다중 빔(multi-beam)을 발생하여 다수의 사용자에게 신호를 전송하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 채널 환경에 따라 하향링크의 채널 용량(downlink channel capacity)을 최대화하는 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수, 채널 정보의 양자화 비트(bit)수와 같은 시스템 변수를 도출하는 과정과, 상/하향 링크 성능을 모두 고려한 유효 채널 용량(network channel capacity)이 최대가 되도록 상기 시스템 변수를 최종 결정하는 과정과, 상기 최종 결정된 시스템 변수에 따라 사용자들을 선택(즉, 스케줄링)하고 다중 빔을 생성하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 모든 사용자가 채널 정보를 궤환하게 함으로써 야기되는 상향링크의 채널 정보 궤환량 증가로 망 전체의 유효 채널 용량이 저하되는 종래 기술의 문제점을 완화하고, 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 평균 사용자의 수 및 채널 양자화 비트수를 운용 환경에 따라 적응적으로 결정함으로써 시스템의 유효 채널 용량 성능을 크게 향상 시킬 수 있다.The present invention is to generate a multi-beam (multi-beam) using a spatial multiplexing technique in the environment where there is a limited amount of channel information and channel information quantization error in a multi-antenna wireless communication system to transmit a signal to a plurality of users A method and apparatus therefor. The present invention derives system variables such as the number of spatial multiplexed beams maximizing downlink channel capacity according to the channel environment, the number of users returning channel information, and the number of quantized bits of channel information. Final determining the system variable to maximize the effective channel capacity considering both uplink and downlink performance, and selecting (i.e., scheduling) and multiplexing users according to the determined system variable. And generating a beam and transmitting the beam. The present invention alleviates the problems of the prior art in which the effective channel capacity of the entire network is reduced by increasing the amount of feedback of uplink channel information caused by all users feeding back channel information, and the number of spatial multiplexed beams and channel information is reduced. By effectively determining the average number of users and the number of channel quantization bits according to the operating environment, the effective channel capacity performance of the system can be greatly improved.

Description

Spatial multiplexing signal transmission method and apparatus in a multi-antenna wireless communication system {APPARATUS AND METHOD FOR SPATIAL MULTIPLEXING TRANSMISSION IN MULTI-ANTENNA WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 채널 정보가 제한된 환경에서 기지국이 다중 안테나 기법으로 다수의 사용자에게 신호를 동시에 전송하기 위한 무선 통신 시스템의 기지국과 사용자 사이의 신호 전송 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for transmitting signals between a base station and a user in a wireless communication system for simultaneously transmitting signals to a plurality of users by a multi-antenna technique in a channel information limited environment.

다수의 송신 안테나를 사용하는 무선 통신시스템에서는 공간 다중화(spatial multiplexing) 기법을 사용하여 다수의 신호를 동시에 전송함으로써 채널 용량(channel capacity)을 공간 다중화 빔(beam)수에 비례하여 증가시킬 수 있고, 사용자의 수신안테나 수에 무관하게 기지국의 송신 안테나 수만큼 사용자를 동시에 선택하여 서비스가 가능하다. 그러나 상기 종래의 기법을 위해서는 기지국에서 사용자에 대한 채널 정보를 필요로 한다는 문제가 있다. 특히 주파수 분할 이중화(frequency division duplexing) 시스템과 같이 하향링크(downlink)와 상향링크(uplink)의 채널 환경이 다른 경우에는 기지국이 사용자들로부터 채널 정보를 얻을 수 있으나, 한정된 무선 자원 때문에 채널 정보는 작은 비트(bit) 크기로 불완전하게 양자화되어 송신단에 전달되는, 소위 제한된 채널 정보 궤환(limited feedback) 환경에서 송신빔을 생성하게 된다.In a wireless communication system using a plurality of transmit antennas, the channel capacity can be increased in proportion to the number of spatial multiplexed beams by simultaneously transmitting a plurality of signals using a spatial multiplexing technique. Regardless of the number of reception antennas of the user, the user can simultaneously select the number of transmitting antennas of the base station to provide services. However, the conventional technique has a problem that the base station needs channel information for the user. In particular, when the downlink and uplink channel environments are different, such as a frequency division duplexing system, a base station can obtain channel information from users, but channel information is small due to limited radio resources. The transmission beam is generated in a so-called limited channel information feedback environment, which is incompletely quantized to a bit size and transmitted to the transmitter.

불완전한 채널 정보를 이용하여 다중 빔 생성할 때 가장 큰 문제는 채널 정보의 양자화 오류로 인하여 사용자간에 간섭이 발생한다는 것이다. 이러한 사용자간 간섭은 신호대잡음비(signal-to-noise power ratio; 이하 SNR)가 높아질수록 잡음에 비하여 상대적으로 더 커지기 때문에 더욱 더 정확한 채널 정보가 요구되게 된다. 이에 따라 종래의 기법은 SNR이 높아질수록 채널 양자화 비트 수를 증가시켜 양자화 오류를 감소시키거나, 채널 정보를 궤환하는 사용자 수를 늘려 스케줄링 이득을 증가시켜 성능을 향상시키는 방법을 고려하고 있다. 그러나 이러한 종래 기법들은 하향링크 성능 최대화만을 생각하여 상향링크를 통한 채널 정보 궤환량(overhead)을 고려하지 않은 단점이 있다. 즉, 양자화 오류로 인한 성능 저하를 줄이기 위해서 채널 양자화 비트 수를 증가시키거나 스케줄링 이득을 얻기 위해 모든 사용자가 채널 정보를 궤환하는 경우, 상향링크를 통한 상기 채널 정보 궤환량이 매우 커져 전체 시스템의 성능이 오히려 저하될 수 있기 때문이다. 또한 채널 정보가 불완전한 환경에서 송신 안테나 수만큼 최대로 공간 다중화를 할 경우에는 다중 신호간 상호간섭 영향이 커지게 되어, 채널 환경에 따라 공간 다중화 빔 수를 적절하게 결정하는 것이 필요하다.The biggest problem when generating multiple beams using incomplete channel information is that interference occurs between users due to quantization errors of channel information. Such user-to-user interference is relatively larger than the noise as the signal-to-noise power ratio (SNR) is higher, so more accurate channel information is required. Accordingly, conventional techniques consider a method of increasing performance by reducing the quantization error by increasing the number of channel quantization bits as the SNR increases, or by increasing the scheduling gain by increasing the number of users that feed back channel information. However, these conventional techniques do not consider the channel information feedback over the uplink in consideration of maximizing downlink performance. That is, when all users return the channel information to increase the number of channel quantization bits or reduce the scheduling gain in order to reduce the performance degradation due to quantization error, the channel information feedback through the uplink becomes very large and the performance of the entire system is increased. Rather, it can be degraded. In addition, when spatial multiplexing to the maximum number of transmitting antennas is performed in an environment in which channel information is incomplete, the effect of mutual interference between multiple signals increases, and it is necessary to appropriately determine the number of spatial multiplexed beams according to the channel environment.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 발명들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제한된 채널 정보 궤환 조건에서 운용 환경(일례로, 송신 안테나 수, 전체 사용자 수, 사용자들의 SNR 등)에 따라 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수, 채널 양자화 비트 수 등의 시스템 변수를 적응적으로 결정함으로써 전체 시스템 성능을 최대화할 수 있는 공간다중화 기법에 관한 기지국 장치를 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the conventional inventions, the spatial multiplexed beam number, channel according to the operating environment (for example, the number of transmit antennas, the total number of users, the SNR of users, etc.) under the limited channel information feedback conditions The present invention provides a base station apparatus for a spatial multiplexing technique capable of maximizing overall system performance by adaptively determining system variables such as the number of users feedback and the number of channel quantization bits.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1견지에 따르면, 채널 정보 궤환을 함에 있어채널 상태가 상대적으로 좋은(일례로 순시 SNR이 평균 SNR보다 일정 값 이상 큰) 사용자만 채널 정보를 궤환하도록 하여, 채널 상태가 좋지 않은 사용자들의 불필요한 채널 정보 궤환을 방지하여 상향링크의 채널 정보 궤환량을 감소시키고 형평성(fairness)를 보장받는 채널 정보 궤환 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to the first aspect of the present invention for achieving the above object, in the channel information feedback only the user of a relatively good channel state (for example, instantaneous SNR is greater than a certain value than the average SNR) to return the channel information, It is characterized in that it comprises a channel information feedback device for reducing the channel information feedback of the uplink by preventing unnecessary channel information feedback of users with poor channel conditions and ensuring fairness.

본 발명의 제 2견지에 따르면, 시스템의 유효 채널 용량 성능을 최대화하기 위한 상기 시스템 변수를 결정함에 있어 채널 정보량에 따른 하향링크의 채널 용량(downlink channel capacity)을 최대화하는 시스템 변수를 도출하는 과정과, 상기 채널 정보량을 변화시키면서 상/하향 링크 성능을 모두 고려한 유효 채널 용량이 최대가 되는 상기 시스템 변수를 최종 결정하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, in determining the system variable for maximizing the effective channel capacity performance of the system, a process of deriving a system variable for maximizing downlink channel capacity according to channel information amount and And a device for finally determining the system variable that maximizes the effective channel capacity in consideration of both uplink and downlink performance while varying the amount of channel information.

삭제delete

본 발명은 다중 입력 다중 출력 무선 통신 시스템에서 다수의 사용자에게 공간 다중화를 통하여 동시에 신호를 전송함에 있어 채널 정보량과 양자화 오류에 따른 사용자간 상호간섭 영향을 분석하여 유효 채널 용량이 최대가 되는 최적의 공간 다중화 빔 수, 채널 정보를 궤환하는 평균 사용자의 수, 채널 정보를 양자화하는 비트 수 등의 시스템 변수를 결정하고 상기 시스템 변수에 따라 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 기지국의 장치로 운용 환경에 따라 상기 시스템 변수들이 적응적으로 결정됨으로써 전체 시스템 성능을 향상 시킬 수 있다.The present invention analyzes the effect of channel interference and the interference between users due to quantization error in transmitting signals simultaneously through multiplexing to multiple users in a multi-input multiple-output wireless communication system. System variables such as the number of multiplexed beams, the average number of users returning channel information, the number of bits quantized channel information, and the like are determined. The system variables can be adaptively determined to improve overall system performance.

도 1은 다수의 안테나를 구비한 기지국과 복수의 사용자가 존재하는 시스템 모델을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명을 위한 기지국의 환경에 따라 시스템 변수를 결정하는 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명을 위한 기지국의 공간 다중화 송신 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명을 위한 사용자의 채널 정보 궤환 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기지국이 환경에 따라 최적의 시스템 변수를 적응적으로 결정하는 방법을 나타낸 도면이다,
도 6는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기지국이 양자화된 채널 정보를 바탕으로 최적의 사용자를 스케줄링하고 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 방법을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자가 채널 정보를 궤환하는 방법을 나타낸 도면.1 is a diagram illustrating a system model in which a base station having a plurality of antennas and a plurality of users exist;
2 is a block diagram illustrating an apparatus for determining a system variable according to an environment of a base station for the present invention;
3 is a block diagram illustrating a configuration of an apparatus for spatial multiplexing of a base station for the present invention;
4 is a block diagram illustrating a configuration of a user's channel information feedback apparatus for the present invention;
5 is a diagram illustrating a method for adaptively determining an optimal system variable according to an environment by a base station according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a method for scheduling an optimal user based on quantized channel information and generating a multi-beam to transmit a signal, according to a preferred embodiment of the present invention;
7 is a diagram illustrating a method for a user to feed back channel information according to an exemplary embodiment of the present invention.

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. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. In the following description, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the operator.

도 1은 본 발명에서 고려하는 시스템 모델이다. 도 1을 참조하면, 기지국(101) 및 복수의 사용자(103)을 포함한다. 기지국(101)은

개 송신 안테나(ANT)를 사용하여

개의 공간 다중화 빔을 발생하여 전체

명의 사용자(103) 중

명의 사용자를 선택하여 동시에 신호를 전송하게 된다. 이 때 상기 기지국(101)은 공간 다중화 송신되는 신호간의 상호간섭을 없애기 위하여 Zero-Forcing (ZF) 빔포밍 송신 기법을 사용한다. 상기 사용자(103)는 상기 기지국(101)으로부터 전송된 이미 알고 있는 신호(일례로, 파일롯(pilot) 신호)를 이용하여 채널 정보를 추정할 수 있다. 상기 사용자(103)는 추정된 채널 정보를

비트로 양자화한 후 상향링크 채널을 통하여 기지국에 궤환한다. 본 발명은 궤환되는 채널 정보량을 감소시키기 위해서 채널 상태가 좋지 않은 사용자들의 불필요한 정보 궤환을 방지하는 방식을 고려한다. 일례로 사용자

는 하기 [수 1] 또는 [수 2]의 조건을 만족할 때 채널 정보를 궤환 하게 된다.1 is a system model considered in the present invention. Referring to FIG. 1, a base station 101 and a plurality of users 103 are included. Base station 101 is

Using the transmit antenna (ANT)

Generate multiple spatial multiplexed beams

Of (103) users

The two users are selected to transmit signals simultaneously. At this time, the base station 101 uses a Zero-Forcing (ZF) beamforming transmission technique to eliminate mutual interference between signals that are spatially multiplexed and transmitted. The user 103 may estimate channel information using a known signal (for example, a pilot signal) transmitted from the base station 101. The user 103 obtains the estimated channel information.

After quantization into bits, the signal is fed back to a base station through an uplink channel. In order to reduce the amount of channel information fed back, the present invention considers a method of preventing unnecessary information feedback of users with poor channel conditions. For example, user

The channel information is fed back when the condition of Equation 1 or Equation 2 is satisfied.

여기서

와

는 각각 사용자

의 순시 SNR 및 평균 SNR을 나타내며

는 기준 임계값을 나타낸다. 이 경우 상기 [수 1] 또는 [수 2]에 따라 궤환하는 사용자의 수

는 각 사용자의 채널 페이딩(fading) 환경에 따라 매 순간 변할 수 있으므로 채널 정보 궤환량은 하기 [수 3]와 같이 평균값을 고려한다.here

Wow

Is each user

Represents the instantaneous SNR and the average SNR of

Represents a reference threshold. In this case, the number of users fed back according to the above [number 1] or [number 2]

Since may change every moment according to the channel fading environment of each user, the channel information feedback amount is considered as the average value as shown in [Equation 3] below.

여기서

는 평균 채널 정보량을 나타내고,

는 상기 임계값

에 따른 평균 궤환 사용자의 수를 나타내며, 일례로 [수 1]의 방식으로 선택하는 경우에는 하기 [수 4]과 같이 결정할 수 있으며 [수 2]의 방식으로 선택하는 경우에는 하기 [수 5]와 같이 결정할 수 있다.here

Represents the average amount of channel information,

Is the threshold

It represents the average number of feedback users according to the above. For example, in the case of selecting the method of [Number 1], it can be determined as shown in [Summary 4] below. You can decide together.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 환경에 따라 시스템 변수

를 결정하는 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 기지국(200)은 하향링크 채널 용량 계산부(201)와 유효 채널 용량 계산부(203) 및 시스템 변수 결정부(205)를 포함한다. 먼저 하향링크 채널 용량 계산부(201)에서는 하기 [수 6]에 따라 평균 채널 정보량

에 대해서 가능한 모든

조합에 따른 하향링크 채널 용량을 계산한 후, 상기 하향링크 채널 용량이 최대가 되는

와 그에 따른 최대 하향링크 채널 용량

을 도출한다.2 is a system variable according to an environment of a base station according to an exemplary embodiment of the present invention.

Figure is a block diagram showing the configuration of the device for determining. Referring to FIG. 2, the base station 200 includes a downlink channel capacity calculator 201, an effective channel capacity calculator 203, and a system variable determiner 205. First, the downlink channel capacity calculator 201 average channel information amount according to the following [Equation 6]

About all possible

After calculating the downlink channel capacity according to the combination, the downlink channel capacity is maximized

And its maximum downlink channel capacity

To derive

일례로 변수

에 따른 상기 하향링크 채널 용량은 하기 [수 7]와 같이 계산할 수 있다.For example, variable

The downlink channel capacity can be calculated as shown in Equation 7 below.

여기서

는 전체 사용자의 평균 SNR를 나타내며

는

명의 사용자 중 순시 채널 파워가

번째로 큰 사용자의 평균 SNR로 하기 [수 8]에 따라 계산할 수 있다.here

Represents the average SNR of all users

The

Instantaneous channel power out of

The average SNR of the second-largest user can be calculated according to Equation 8 below.

여기서

는 하기 [수 9]에 따라 계산할 수 있다.here

Can be calculated according to the following [Equation 9].

여기서

을 의미한다. 유효 채널 용량 계산부(203)는 상기 하향링크 채널 용량 계산부(201)에서 전달받은

를 이용하여 하기 [수 10]과 같이 유효 채널 용량

을 계산한다.here

. The effective channel capacity calculator 203 receives the downlink channel capacity calculator 201.

Effective channel capacity as shown below

.

\여기서

는 단위 시간(sec) 및 주파수(Hz) 당 할당된 하향링크 자원 크기를 나타내며

는 상향링크의 채널 부호화율(code rate)을 나타내며

은 전송방식에 따른 상향링크의 송신 주파수 효율을 나타낸다. 일례로

비트 채널 정보를 1/12 채널 부호화율로 QPSK 변조하여 전송할 경우

,

가 된다. 시스템 변수 결정부(205)는

를 증가시키면서 하기 도 5와 같이 반복되는 과정을 통해 상기 유효 채널 용량 계산부(203)에서 계산된

를 최대로 하는 최적의 시스템 변수

를 결정한다.\here

Denotes the allocated downlink resource size per unit time (sec) and frequency (Hz).

Is the uplink channel code rate.

Is the transmission frequency efficiency of the uplink according to the transmission scheme. As an example

When transmitting bit channel information by QPSK modulation at 1/12 channel coding rate

,

. The system variable determiner 205

While increasing the calculated by the effective channel capacity calculation unit 203 through a repeating process as shown in FIG.

Optimal system variable to maximize

.

도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 공간 다중화 송신 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 기지국(300)은 수신부(301)와 사용자 스케줄링부(303)와 빔가중치 생성부(305) 및 신호 전송부(307)을 포함한다. 먼저 수신부(301)에서는 채널 정보를 궤환한 사용자 집합과 상기 사용자 집합으로부터 전달받은

비트로 양자화된 채널 정보를 사용자 스케줄링부(303) 및 빔가중치 생성부(305)에 전달한다. 이 경우 채널 정보 궤환 사용자 지수(index) 집합

는 하기 [수 11]와 같이 나타낼 수 있다.3 is a block diagram illustrating an apparatus for spatial multiplexing of a base station according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the base station 300 includes a receiver 301, a user scheduling unit 303, a beam weight generator 305, and a signal transmitter 307. First, the receiving unit 301 receives the user set and the user received the feedback channel information from the set

The channel information quantized into bits is transmitted to the user scheduling unit 303 and the beam weight generator 305. In this case, the channel information feedback user index set

Can be expressed as shown below.

여기서

는 상기 [수 4] 또는 [수 5]에 따라 정해지는 최적 임계값

을 기준으로 채널 정보를 궤환하는 사용자의 수이다. 사용자 스케줄링부(303)는 상기 수신부(301)로부터 전달받은

명의 사용자의 채널 정보를 바탕으로 하기 [수 12]에 따라 사용자간 채널의 직교성(orthogonality)이 최대가 되는

명의 최적 사용자 집합

를 선택한다. here

Is an optimal threshold value determined according to [Number 4] or [Number 5].

The number of users that feed back channel information. The user scheduling unit 303 is received from the receiving unit 301

Based on channel information of two users, the orthogonality of channels between users is maximized according to [Equation 12].

Set of best users

.

여기서

는

의 부분 집합으로 선택된 사용자 집합을 나타내고

은 행렬

의 대각합(trace)을 나타내고

는 선택된 사용자 집합

의 양자화 된 채널 정보로 하기 [수 13]과 같이 정의된다.here

The

Represents a set of users selected as a subset of

Silver matrix

Represents the trace of

Is the selected user set

The quantized channel information of is defined as shown below.

여기서

는

비트로 양자화된 사용자

의 채널 정보를 나타낸다. 빔가중치 생성부(305)는 상기 사용자 스케줄링부(303)로부터 전달받은 선택된 사용자 집합

와 상기 수신부(301)에서 전달받은 채널 정보를 바탕으로 공간 다중화 빔 가중치

를 생성하며, 일례로 zero-forcing기법을 사용하는 경우, 하기 [수 14]과 같이

를 생성할 수 있다.here

The

Bit quantized user

Indicates channel information. The beam weight generator 305 is a set of selected users received from the user scheduling unit 303.

And the spatial multiplexed beam weight based on the channel information received from the receiver 301.

For example, when using the zero-forcing technique, for example, as shown in [Equation 14]

Can be generated.

신호 전송부(307)는 선택된 사용자

의 데이터를 상기 빔가중치 생성부(305)로부터 생성된 빔 가중치

로 공간 다중화하여 신호를 전송한다.The signal transmitter 307 is selected user

Beam weights generated by the beam weight value generator 305

Signal is transmitted by spatial multiplexing.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 채널 정보 궤환 장치에 대한 구성 블록도를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 사용자(400)은 수신부(401)와 채널 추정부(403)와 양자화부(405) 및 궤환부(407)를 포함한다. 수신부(401)는 기지국으로부터 전송된 파일롯 신호와 같이 서로가 알고 있는 신호를 채널 추정부(403)에 전달한다. 채널 추정부(403)은 상기 수신부(401)로부터 전달받은 신호를 이용하여 채널을 추정하고 순시 및 평균 SNR를 계산하여 상기 [수 1] 또는 [수 2]의 조건을 만족할 경우 상기 추정한 채널 정보를 양자화부(405)에 전달한다. 양자화부(405)는 상기 채널 추정부(403)로부터 전달받은 채널 정보를 하기 [수 15]에 따라 결정된 코드북의 지수

를 궤환부(407)에 전달한다.4 is a block diagram illustrating a configuration of a user's channel information feedback apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the user 400 includes a receiver 401, a channel estimator 403, a quantizer 405, and a feedback unit 407. The receiver 401 transfers the signals known to each other, such as a pilot signal transmitted from the base station, to the channel estimator 403. The channel estimator 403 estimates a channel using the signal received from the receiver 401, calculates instantaneous and average SNR, and satisfies the estimated channel information when the condition of [Number 1] or [Number 2] is satisfied. Is transmitted to the quantization unit 405. The quantization unit 405 uses the channel information received from the channel estimator 403 as an index of a codebook determined according to Equation 15 below.

Is transmitted to the feedback unit 407.

여기서

는 사용자

의 채널을,

는

비트의 크기로 양자화된 코드북의

번째 행벡터를 나타낸다. 즉, 상기 [수 15]에 따라 사용자의 양자화된 채널은

로 나타낼 수 있다. 궤환부(407)는 상기 양자화부(405)에서 결정한 상기 코드북의 지수

를 상향 채널을 통해 기지국으로 궤환한다.here

Is a user

Channels,

The

Of codebook quantized to bit size

Represents the first row vector. That is, according to the number 15, the quantized channel of the user is

. The feedback unit 407 is an index of the codebook determined by the quantization unit 405

Is fed back to the base station through the uplink channel.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국이 환경에 따라 최적의 시스템 변수

를 적응적으로 결정하는 방법을 나타낸 도면이다. 기지국은 501단계에서 상기 [수 6]에 따라 평균 채널 정보량

에 대해서 가능한 모든

경우에 따른 하향링크의 채널 용량을 계산한 후 상기 하향링크 채널 용량이 최대가 되는

와 하향링크 채널 용량

을 도출한다. 이후 기지국은 503단계에서 상기 501단계에서 도출한

를 기반으로 상기 [수 10]과 같이 유효 채널 용량

을 계산한다. 이후 기지국은 505단계에서 상기 503단계에서 도출한 유효 채널 용량

를 기존의 유효 채널 용량

와 비교하여

인 경우 시스템 변수를

로 최종 결정하고, 그렇지 않은 경우

를 증가시킨 후 상기 501단계로 돌아가서 상기 과정을 반복한다.5 is an optimal system variable according to an environment of a base station according to an embodiment of the present invention.

Is a diagram illustrating a method of adaptively determining. In step 501, the base station determines the average amount of channel information according to the number [6].

About all possible

The downlink channel capacity is maximized after calculating the downlink channel capacity in some cases.

And downlink channel capacity

To derive The base station then derived in step 501 in step 503.

Effective channel capacity as shown in [Number 10] above

. The base station then determines the effective channel capacity derived in step 503 in step 505.

Existing effective channel capacity

In comparison with

If is a system variable

Final decision, if not

After increasing the number, go back to step 501 and repeat the process.

도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국이 양자화된 채널 정보를 바탕으로 최적의 사용자를 스케줄링하고 다중 빔을 생성하여 신호를 전송하는 방법을 나타낸 도면이다. 기지국은 601단계에서 사용자로부터 궤환받은

개의 채널 정보를 바탕으로 상기 [수 12]과 같이 사용자간 채널의 직교성이 최대가 되는

명의 사용자 집합

를 결정한다. 이후 기지국은 603단계에서 상기 [수 14]와 같이 공간 다중화 빔 가중치

를 생성한다. 이후 기지국은 605단계에서

에 포함된 사용자들의 신호를 상기

로 변환한 후에 전송한다.6 is a diagram illustrating a method for a base station scheduling an optimal user based on quantized channel information and generating a multi-beam to transmit a signal according to an embodiment of the present invention. The base station is fed back from the user in step 601

Based on the number of channel information, as shown in the above [Equation 12], the orthogonality of channels between users is maximized.

Set of users

. In step 603, the base station performs spatial multiplexing on the beam weights as shown in [Number 14].

. In step 605, the base station

Remind users of the signals contained in

After converting to, send it.

도 7는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자가 채널 정보를 궤환하는 방법을 나타낸 도면이다. 사용자는 701단계에서 파일럿 신호와 같이 서로가 알고 있는 신호를 이용하여 채널을 추정한다. 이후 사용자는 703단계에서 상기 [수 1] 또는 [수 2]에 따라 채널 정보 궤환 여부를 판단한다. 채널 궤환을 할 경우에는 705단계로 진행하여 상기 [수 15]을 이용하여 채널 정보를 양자화하여 궤환하고 그렇지 않을 경우 상기 701단계로 돌아가서 상기 과정을 반복한다.7 is a diagram illustrating a method for a user to feed back channel information according to an exemplary embodiment of the present invention. In step 701, the user estimates a channel using signals known to each other, such as a pilot signal. In step 703, the user determines whether the channel information is returned according to the number 1 or number 2. In the case of channel feedback, the process proceeds to step 705 where the channel information is quantized and fed back using Equation 15. Otherwise, the process returns to step 701 and the process is repeated.

Claims

An apparatus of a base station for spatially multiplexing and transmitting signals of multiple users in a wireless communication system using multiple antennas,
A determination unit for determining a system variable to maximize the effective channel capacity of the network using the quantized channel information;
And a transmitter configured to generate a multi-transmission beam using a channel information feedback from a user determined according to a system variable determined by the determination unit, and transmit a signal.
Determining unit for determining a system variable to maximize the effective channel capacity of the network using the quantized channel information,

Number of multiple transmit beams,

Means the average number of users returning channel information, and

Is the number of bits of channel information quantization,

Is defined as a system variable,
Average amount of channel information fed back via uplink

Determining a constant system variable that maximizes the channel capacity of the downlink and calculates the effective channel capacity accordingly;
Determining a system variable that maximizes the effective channel capacity while changing the average channel information amount;
And calculating the effective channel capacity according to the determined system variable according to Equation 20 below, wherein the effective channel capacity considers both uplink and downlink performance.
[Jos 20]

here

Is the uplink channel code rate.

Denotes the frequency efficiency of the uplink.

delete

The method of claim 1,
Average amount of channel information fed back through the uplink

The process of determining the system variable to maximize the channel capacity of the downlink according to, and calculating the effective channel capacity according to,
Given amount of average channel information

About

Satisfying

Wow

With all the values of

While changing channel capacity of downlink accordingly

Is calculated according to [Equation 16] below,
[Joe 16]

here

Is the number of antennas at the transmitter,

Represents the average SNR of the user,

The

Instantaneous SNR of

The average SNR of the second largest user can be calculated as [Equation 17] below.
[17]

here

Can be calculated as [Equation 18] below.
[Wed 18]

here

.
Among these, system variables for maximizing the channel capacity of the downlink

Determine according to [Joe 19]
[Jos 19]

And calculate an effective channel capacity according to the determined system variable according to the number 20.

The method of claim 1, wherein the determining of the system variable that maximizes the effective channel capacity while changing the average channel information amount comprises:
Increased average channel information amount

Channel capacity available using

this

Less average channel information

Channel capacity available using

Fewer system variables

And if not, increase the average channel information amount and repeat the process until the system variable is determined.

The transmitter of claim 1, wherein the transmitter is configured to transmit a signal by generating multiple transmission beams using channel information feedback from a user determined according to a system parameter determined by the determiner.
The determined system variable value

Of K based on

Receiving channel information back from
The feedback

The best channel condition from user channel information

The process of determining which users
Determined above

User signals

And spatially multiplexing and transmitting using multiple transmission beams.

6. The method of claim 5, wherein the predetermined system variable value

Of K based on

The process of receiving channel information back from
Determined above

Threshold that satisfies [Eq. 21] or [Eq. 22], depending on

To determine,
[Jos 21]

[Jos 22]

here

and

Is each user

Represents the instantaneous SNR and the average SNR of
When the threshold value is determined according to the above [Equation 21], the user satisfying the following [Equation 23],
When the threshold value is determined according to the above [Equation 22], the user satisfying the following [Equation 24]

And quantizing the channel information by bit size and feeding back to the base station.
[23]

[Wed 24]

delete