KR101518991B1

KR101518991B1 - 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및방법

Info

Publication number: KR101518991B1
Application number: KR1020080073590A
Authority: KR
Inventors: 김은용; 고은석; 김영수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: KR20100012283A

Abstract

본 발명은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신기는, 채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 제 1 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 제 2 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하여 전송하는 선부호기를 포함하여, 사용자간 간섭을 제거하려는 제약으로 인해 발생하는 잡음이 크게 증폭되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

다중안테나, 파일럿, 공동 빔포밍(Coordinated Beamforming), 정규화 송신 빔포빙 벡터.

Description

다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REGULARIZED COORDINATED BEAMFORMING IN MULTIPLE ANTENNA}

본 발명은 다중안테나 시스템에서 공동 빔포밍(coordinated beamforming:이하 "CBF"라 칭함)에 관한 것으로, 특히 간섭과 잡음을 최소화하는 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다중 안테나를 장착한 기지국에서 다중 사용자 단말에 동시에 데이터 스트림들을 전송하기 위한 프리코딩(precoding) 및 포스트 프로세싱(post-processing) 방법에는 선형 방식과 비선형 방식이 있다. 공동 빔포밍(coordinated beamforming:이하 "CBF"라 칭함)은 선형방식에 해당한다. 또한 선형방식은 다시 유니터리 프리코딩(unitary precoding) 방식과 넌유니터리 프리코딩(non-unitary precoding) 방식으로 구분되며, 상기 CBF는 넌유니터리 프리코딩 방식에 해당한다. 즉, 상기 CBF는 송ㆍ수신기에서 선형연산을 통해 다중 사용자 통신을 하지만, 송신기의 프리코딩 행렬이 유니터리 행렬이 아니다.

상기 CBF 방식은 송신기에서 수신기들의 하향링크 채널상태 정보를 이용하여, 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터(또는 행렬)를 계산한다. 단, 이때 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터는 수신기기에서 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 결합(combining)을 한 후에 사용자 간 간섭(inter-user interference, or Multiple-Access interference)이 전혀 발생하지 않음을 만족해야 한다. 위 성질을 만족하는 프리코딩 행렬과 수신 빔포밍 벡터는 일반적으로 반복(iteration) 특성을 통해 구할 수 있다.

상기 CBF 방식에서 기지국은 단말기에 수신 빔포밍 벡터를 전달하기 위해 다음과 같은 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 첫 번째 방법은 파일럿 빔포밍(pilot beamforming)을 이용하는 것이다. 각 단말에 중복 사용되지 않도록 전용 파일럿(dedicated pilot)을 할당한 뒤, 각 단말에 해당하는 송신 빔포밍 벡터를 사용하여 파일럿을 빔포밍하면, 단말은 유효채널(effective channel)을 추정한 뒤, 이에 정합필터(matched filter)를 형성하여 수신 빔포밍 벡터로 사용하게 된다. 이 방법은 단말마다 파일럿을 중첩되지 않게(직교하게) 할당해야 하므로 사용자 스트림수가 늘어날수록 많은 전용 파일럿이 필요하게 된다. 두 번째 방법은 각 단말의 송신 빔포밍 벡터를 양자화(quantization)하여 포워딩 채널(하향링크 제어채널)을 통해 전달하는 것이다. 이 경우 역시 단말마다 송신 빔포밍 벡터가 다르므로 포워딩 채널의 용량은 단말 수에 비례하여 증가하게 된다.

종래 기술은 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 계산함에 있어서, 사용자 간의 간섭을 제거하기 위해 제로포싱(zero-forcing) 기반의 반복적 알고리즘(iterative algorithm)을 사용한다. 즉, 초기 수신 빔포밍 벡터로부터 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 기 조건에 만족할 때까지 업데이트하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 결정하는 것이다. 따라서, 종래 기술에서 얻어진 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 사용할 경우, 이상적인 경우(채널 오류와 잡음이 없는 경우) 사용자 간의 간섭이 모두 제거된다. 하지만, 실제 환경은 이상적일 수 없으며 이로 인해 사용자간 간섭을 완전히 제거하려는 제약으로 인해 결과적으로 잡음이 크게 증폭되는 현상이 발생하게 된다. 이는 특히 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio: SNR)가 낮을수록 성능을 크게 열화 시키게 된다.

역해이론(regularized inversion) 기법은 기존의 ZF-BF(Zero-forcing Beamforming) 기법에 정규화(regularization)을 결합한 기법으로, 정규화 인자 (regularization factor)를 역연산(inverse operation)에 추가하여 나쁜 채널상태의 행렬(ill-conditioned channel matrix)의 역을 방지함으로써, 위와 같은 문제를 해결할 수 있었다.

하지만, 수신기에 다중 안테나가 있고, 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 반복적 알고리즘(iterative algorithm)을 통해 계산하는 CBF의 경우에, 정규화를 적용하는 방법이 알려져 있지 않고, 최적의 정규화 요소를 구하는 방법 또한 알려져 있지 않다.

본 발명의 목적은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated beamforming)을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 통해 간섭(interference)과 잡음(noise)을 동시에 최소화하도록 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중안테나 시스템에서 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 산출 시 파일럿을 사용하여 오버헤드(overhead)를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 LTE(Long Term Evolution) 시스템과 같은 공통 파일럿(common pilot) 기반의 무선통신 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated beamforming)을 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신기에 있어서, 채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 제 1 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 제 2 빔포밍 벡터 생성부와, 상기 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하여 전송하는 선부호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신기에 있어서, 기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 채널추정부와, 상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 유효채널 이득 계산부와, 상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하고 데이터를 수신하는 후부호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신 방법에 있어서, 채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 과정과, 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 과정과, 상기 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신 방법에 있어서, 기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 과정과, 상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 과정과, 상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하고 데이터를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행함으로 써, 사용자간 간섭을 제거하려는 제약으로 인해 발생하는 잡음이 크게 증폭되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다. 즉, 간섭과 잡음을 고려하여 공동 빔포밍을 수행할 수 있다. 따라서, 낮은 SNR 무선채널 환경에서, 종래기술보다 상당히 우수한 처리율을 얻을 수 있다.

그리고, 정규화 공동 빔포밍 기법에서도 수신 빔포밍 벡터를 수신기로 전달할 시 파일럿을 이용하여 오버헤드를 줄일 수 있으며, 공통 파일럿 기반의 LTE 시스템에도 본 발명을 적용할 수 있다.

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 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명은 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍(regularized coordinated Beamforming)을 위한 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.

특히, 간섭 제약으로 인한 잡음의 증가를 방지하는 위한 정규화 공동 빔포밍 을 수행하고, 오버헤드를 줄이기 위한 파일럿 기법이 적용되는 정규화 공동 빔포밍을 위한 장치 및 방법을 설명하기로 한다.

또한, 본 발명은 LTE(Long Term Evolution)와 같은 공통 파이롯(common pilot) 기반의 시스템에 본 발명을 적용하는 방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 동작을 수행하기 위해서 다음과 같은 가정이 요구된다. 먼저 송신기는 모든 수신기에 대한 하향링크 채널정보를 획득하기 위해, TDD(Time Division Duplexing) 방식에서는 상향링크 사운딩 채널(uplink sounding channel)을 이용하거나, 피드백 채널(feedback channel)을 통해 단말이 추정한 하향링크 채널정보를 이용할 수 있다. 마지막으로, 채널이 천천히 변하는 평탄 페이딩(flat fading) 채널을 가정한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기를 도시하고 있다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 부호기(101), 변조기(103), 역다중화기(105), 선부호기(107), RF처리기(109), 채널확인부(111), 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113), 제 2 빔포밍 벡터생성부(115) 및 빔포밍 벡터 선택부(117)를 포함하여 구성된다.

상기 부호기(101)는 송신 데이터를 해당 변조 수준(예 : MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨)에 따라 부호화하여 출력한다. 상기 변조기(103)는 상기 부호 기(101)로부터 부호화된 데이터를 해당 변조 수준에 따라 변조하여 출력한다. 상기 역다중화기(105)는 상기 변조기(103)로부터 제공받은 변조 심볼들을 송신 안테나의 개수와 동일하게 역다중화하여 복수의 데이터 스트림을 출력한다.

상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)는 상기 채널 확인부(311)로부터 제공받은 각 스트림들의 채널상태 정보를 이용하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터들을 생성하고, 상기 생성한 송신 빔포밍 벡터 값들을 모두 선부호기(107)와 상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)와 상기 빔포밍 벡터 선택부(117)로 제공한다. 종래 반복적 접근법(lterative approach)으로 상기 채널상태 정보를 이용하여 송수신 빔포밍 벡터를 생성한다. 즉, 초기 빔포밍 벡터로부터 기 조건에 만족할 때까지 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 업데이트한다.

상기 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 하기 <수학식 1>과 같이 나타내기로 한다.

여기서, M은 송신 빔포밍 벡터이고, m_k는 k 번째 안테나의 송신 빔포밍 벡터 값이고, W은 수신 빔포밍 벡터이고, w_k는 k 번째 안테나의 수신 빔포밍 벡터 값이다.

상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)는 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터의 송신 빔포밍 벡터 값들을 정규화한다. 이때 상기 제 2 빔포밍 벡터 생성부(115)로부터의 송신 빔포밍 벡터(M)를 하기 <수학식 2>와 같이 정규화함으로써, 사용자 간섭 제한으로 인한 잡음 증가를 방지할 수 있다.

여기서, M_reg는 정규화된 송신 빔포밍 벡터이고, I는 단위행렬 혹은 단위벡터, M은 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터 제공받은 송신 빔포밍 벡터이고, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 연산이고, (ㆍ)^-1은 역연산(inverse operation)이고, P는 송신전력이고, N_o은 잡음전력이고, H_k는 k 번째 단말의 채널행렬이고, m_k는 k 번째 송신 빔포밍 벡터 값이고,

는 프로베니우스놈(frobenius norm) 연산을 의미한다.

상기 채널 확인부(111)는 서비스 영역에 위치하는 수신기들로 데이터를 전송하기 위한 스트림들의 채널상태를 확인한다. 예를 들어, 상기 채널 확인부(111)는 상기 수신기들이 상향링크 채널을 통해 전송하는 사운딩 신호를 이용하여 상기 스트림들의 채널상태를 추정한다. 다른 실시 예로 상기 채널 확인부(111)는 상기 수신기들로부터 제공받은 피드백 신호에 포함된 채널상태를 확인한다.

상기 빔포밍 벡터 선택부(117)는 하기 <수학식 3> 기준에 따라 기준 송신 빔포밍 벡터(m_j) 값을 선택하여 상기 선부호기(107)로 제공한다. 즉, 수신기에서 무선채널에 대해 빔포밍 신호 세기를 크게 하는 송신 빔포밍 벡터의 값을 선택하여 기준 송신 빔포밍 벡터로 결정한다.

여기서, H_k는 k번째 단말의 채널행렬이고, m_j는 j번째 송신 빔포밍 벡터 값이다.

상기 선부호기(107)는 기준 빔(reference beam)을 형성하기 위해서, 상기 빔포밍 벡터 선택부(117)로부터의 기준 송신 빔포밍 벡터(m_j) 값을 제 1 파일럿신호에 곱해 해당 RF 처리기(109)로 출력한다. 또한, 상기 선부호기(107)는 해당 수신기에서 수신되는 신호에 대해 채널왜곡을 보상하도록, 제 2 파일럿 신호를 다음과 같이 만들어 RF 처리기(109)로 출력한다.

그리고, 상기 선부호기(107)는 상기 제 2 빔포밍 벡터생성부(115)로부터 제공받은 정규화된 송신 빔포밍 벡터 값들과 상기 역다중화기(105)로부터 제공받은 각 안테나를 통해 전송할 데이터 스트림을 선부호화하여 출력한다. 즉, 상기 선부호기(107)는 각각의 스트림에 대한 빔을 형성하기 위해 상기 제 2 빔포밍 벡터생성부(115)로부터 제공받은 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 각각의 스트림으로 전송할 데이터에 곱한다. 이는 하기 <수학식 4>와 같이 표현할 수 있다. 여기서, 상기 선부호기(107)는 첫 번째 안테나 신호를 제 1 RF처리기(109-1)로 출력되고, N_t번째 안테나 신호를 제 N_t RF처리기(109-N_t)로 출력된다.

여기서, m_k ^R은 k 번째 안테나의 정규화된 송신 빔포밍 벡터값, b_k는 k 번째 안테나를 통해 송신되는 데이터 스트림, β는 송신전력을 일반화(normalization)하기 위한 인자이다.

상기 RF처리기들(109-1 내지 109-N_t)은 상기 선부호기(107)로부터 제공받은 데이터 스트림을 아날로그 신호로 변환한다. 이후, 상기 RF처리기들(109-1 내지 109-N_t)은 상기 아날로그 신호를 실제 전송 가능한 고주파(RF : Radio Frequency)신호로 변환하여 해당 안테나를 통해 송신한다.

도 2는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기를 도시하고 있다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 수신기는 RF처리기(201), 후부호기(203), 채널 추정부(205), 유효채널 이득 계산부(209), 채널등화기(211), 복조기(213) 및 복호기(215)를 포함하여 구성된다.

상기 RF처리기(201-1 내지 201-N_R)는 각각의 안테나를 통해 수신되는 고주파(RF : Radio Frequency) 신호를 기저 대역 신호로 변환하여 출력한다. 상기 수신되는 신호에는 데이터 부반송파에 의한 신호와 파일럿 부반송파에 의한 신호를 포함한다.

상기 채널 추정부(405)는 상기 RF처리기(401-1 내지 401-N_R)로부터 제공받은 신호에 포함된 파일럿을 이용하여 송신기와의 채널을 추정하고 수신 빔포밍 벡터를 산출한다. 여기서, 상기 파일럿은 제 1 파일럿과 제 2 파일럿으로 구분되며, 상기 제 1 파일럿은 수신 빔포밍 벡터를 추정하기 위해서 송신기에서 기준 빔을 형성하는데 사용되고, 상기 제 2 파일럿은 수신기에서 채널왜곡을 보상하기 위해 사용되는 것이다. 상기 수신 빔포밍 벡터 값은 하기 <수학식 5>와 같이 계산된다.

여기서, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는

이 되고, 기준 빔을 사용하지 않는 수신기일 때(k≠j), 수신 빔포밍 벡터는 f(ㆍ)에 의한 직교 벡터로 산출된다. 상기 f(ㆍ)는 2x1 벡터에 대해서 하나의 직교 벡터를 출력하는 함수이다. 예를 들어, [p, q]^T 인 벡터에 대해 쉽게 [q*, -p*]^T 와 같은 직교 벡터를 구할 수 있다. y_k _, _pilot _-A는 제 1 파일럿을 수신한 신호이다.

상기 유효채널 이득 계산부(209)는 상기 채널추정부(205)로부터의 계산된 수신 빔포밍 벡터값을 이용하여 제 2 파일럿 신호에 대해 유효채널 이득을 계산한다. 상기 유효채널 이득은 하기 <수학식 6>과 같다.

여기서,

는 k 번째 수신 빔포밍 벡터값이고, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 연산이고, y_k _, _plot _-B은 제 2 파일럿에 의한 수신신호, β는 송신전력을 일반 화(normalization)하기 위한 인자, m_k ^R은 k 번째 안테나의 정규화된 송신 빔포밍 벡터값,

는 k 번째 단말의 수신빔포밍 벡터에서의 위상에러이다.

상기 채널등화기(211)는 상기 유효채널 이득 계산부(209)로부터의 유효채널 이득을 역수를 통해 등화(equalization)를 수행한다.

상기 후부호기(203)는 상기 채널등화기(211)로부터 제공받은 유효 채널 정보를 이용하여 수신데이터를 검출한다. 이는 하기 <수학식 7>과 같다.

여기서, 여기서,

는 k 번째 수신 빔포밍 벡터값이고, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 연산이고, y_k은 데이터 부반송파에 의한 수신신호, n_k'는 잡음이다.

상기 복조기(213)는 상기 후부호기(203)로부터 제공받은 신호를 해당 변조 수준(MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨)에 따라 복조한다.

상기 복호기(215)는 상기 복조기(213)로부터 제공받은 신호를 해당 변조 수준에 따라 복호하여 원본 데이터를 검출한다.

도 3은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작을 도시하고 있다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 301 단계에서 서비스 영역에 위치하는 수신기들로 데이터를 전송하기 위한 스트림들의 채널상태를 확인한다. 예를 들어, 상기 송신기는 상기 수신기들이 상향링크 채널을 통해 전송하는 사운딩 신호를 이용하여 상기 스트림들의 채널상태를 추정하거나, 상기 수신기들로부터 제공받은 피드백 신호에 포함된 채널상태를 확인할 수 있다.

이후, 상기 송신기는 303 단계에서 채널정보를 각 스트림들의 채널상태 정보를 이용하여 송ㆍ수신 빔포밍 벡터들을 생성한다. 상기 생성한 송신 빔포밍 벡터 값들은, 종래 반복적 접근법(lterative approach)으로 상기 채널상태 정보가 이용되어 생성된다. 즉, 초기 빔포밍 벡터로부터 반복적으로 송수신 빔포밍 벡터를 업데이트하여, 그 값이 임계값에 만족할 때까지 수행된다.

이후, 상기 송신기는 305 단계에서 생성한 송신 빔포밍 벡터값들을 정규화한다. 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화함으로써, 사용자 간섭 제한에 따른 잡음 증가를 방지할 수 있다(상기 수학식 2 참조).

이후, 상기 송신기는 307 단계에서 기준 빔포밍을 형성하기 위해 기준 송신 빔포밍 벡터를 제 1 파일럿과 곱해 선부호를 수행한다. 이때, 기준 송신 빔포밍 벡터는 상기 <수학식 3> 기준에 따라 선택된다.

이후, 상기 송신기는 309 단계에서 수신기에서 채널왜곡을 보상할 수 있도록 하기 위해 제 2 파일럿 신호를 아래와 같이 전송한다.

이후, 상기 송신기는 311 단계에서 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 사용하여 각 안테나를 통해 전송할 데이터 스트림을 전송한다.

이후, 상기 송신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.

3GPP LTE와 같은 공통 파일럿(common pilot) 기반의 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 적용하기 위한 송신기의 동작은 하기 도 4와 같다.

도 4는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작의 흐름도를 도시하고 있다.

상기 도 4를 참조하면, 상기 송신기는 401 단계에서 우선 코드북(codebook)의 모든 코드워드(codeword)(기준 송신 빔포밍 벡터)에 대해서 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 유도하고, 이중 전송률의 합(sum-rate)을 최대가 되게 하는 코드북을 찾는다.

이후, 상기 송신기는 403 단계에서 검색된 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 도 3에서와 마찬가지로 정규화 송신 빔포밍 벡터를 구한다.

이후, 상기 송신기는 405 단계에서 전용 파일럿(dedicated pilot) 용도로 사용되는 LTE의 port 5를 통해 수신기에서 채널왜곡을 보상하도록 정규화된 송신 빔포밍 벡터를 전송하고, 위에서 계산된 최적의 기준 빔 인덱스(reference beam index)를 제어채널(control channel)을 통해 수신기에 전달한다.

이후, 상기 송신기는 407 단계에서 port 0~3을 통해 정규화 송신 빔포밍 벡터로 빔포밍된 데이터를 송신한다.

이때, 수신기에서는 제어채널을 통해 받은 기준 빔포밍 인덱스를 통해 자신의 수신 빔포밍 벡터를 계산하고, port 5를 통해 받은 신호를 이용하여 유효채널이득(effective channel gain)을 구할 수 있다. 상기 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 수신한 뒤, 유효채널이득을 통해 등화(equalization)을 하면 데이터의 충분통계량(sufficient statistic)을 얻게 된다.

이후, 상기 송신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.

도 5는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기 동작의 흐름도를 도시하고 있다.

상기 도 5를 참조하면, 상기 수신기는 501 단계에서 전용 파일럿 톤을 사용하여 유효채널을 추정한다.

이후, 상기 수신기는 503 단계에서 자신이 기준 빔 사용자인지를 판단한다. 각각의 수신기는 제어정보(MAP)를 통해 자신이 기준 빔 사용자(reference beam user)(즉, 기준 송신 빔포밍 벡터를 사용하는 단말을 칭함)인지 아닌지를 알 수 있다.

이후, 상기 수신기는 제 1 파일럿의 신호에 대한 기준 송신 빔포밍 벡터로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산한다(상기 <수학식 5> 참조). 즉, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는

이후, 상기 수신기는 507 단계로 진행하여 계산한 수신 빔포밍 벡터로부터 제 2 파일럿 신호에 대한 유효채널 이득을 계산한다(상기 <수학식 6> 참조).

이후, 상기 수신기는 509 단계로 진행하여 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 수신하고 채널 등화를 수행한다(상기 <수학식 7> 참조).

이후, 상기 수신기는 정규화 공동 빔포밍 절차를 종료한다.

상술한 바와 같이, 공동 빔포밍(coordinated beamforming)을 수행하기 위한 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 구하는데 있어서, system-wide MSE(Mean Squared Error)를 최소가 되게 하는 송신 빔포밍 벡터를 구함으로써, 간섭제한에 의한 잡음 증가문제를 해결할 수 있다. 또한, 공동 빔포밍 수행시 오버헤드를 줄이기 위한 파일럿 사용 기법을 적용할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기

도 2는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기,

도 3은 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작 흐름도,

도 4는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 송신기 동작 흐름도 및,

도 5는 본 발명에 따른 다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 수행하는 수신기 동작의 흐름도.

Claims

다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신기에 있어서,

채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 빔포밍 벡터 생성부와,

기준 빔(reference beam)을 형성하기 위해 기준 송신 빔포밍 벡터를 제 1 파일럿 신호에 곱하고, 상기 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하는 선부호기와,

상기 제 1 파일럿 신호 및 상기 프리코딩된 데이터를 수신기로 송신하는 RF처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제 1항에 있어서,

상기 빔포밍 벡터 생성부는,

초기 빔포밍 벡터로부터 기 조건에 만족할 때까지 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제 1항에 있어서,

상기 빔포밍 벡터 생성부는,

system-wide MSE(Mean Squared Error)를 최소가 되게 하는 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제 3항에 있어서,

상기 송신 빔포밍 벡터는 하기 <수학식 8>를 통해 정규화되는 것을 특징으로 하는 송신기.

여기서, M_reg는 정규화된 송신 빔포밍 벡터이고, I는 단위행렬 혹은 단위벡터, M은 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터 제공받은 송신 빔포밍 벡터이고, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 연산이고, (ㆍ)^-1은 역연산(inverse operation)이고, P는 송신전력이고, N_o은 잡음전력이고, H_k는 k 번째 단말의 채널행렬이고, m_k는 k 번째 송신 빔포밍 벡터 값이고,
는 프로베니우스놈(frobenius norm) 연산을 의미한다.
제 1항에 있어서,

상기 산출된 송신 빔포밍 벡터 중 상기 기준 빔을 형성하기 위한 상기 기준 송신 빔포밍 벡터를 선택하는 빔포밍 벡터 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기.
제 1항에 있어서,

상기 선부호기는, 상기 기준 송신 빔포밍 벡터를 제 1 파일럿 신호에 곱한 후, 상기 수신기에서 수신되는 신호에 대해 채널왜곡을 보상하도록, 상기 송신 빔포밍 벡터를 제 2 파일럿 신호에 곱하고,

상기 RF처리기는, 상기 제 2 파일럿 신호를 상기 수신기로 전송하는 것을 특징으로 하는 송신기.
다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신기에 있어서,

기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 채널추정부와,

상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 유효채널 이득 계산부와,

상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하고 데이터를 수신하는 후부호기와,

상기 제 1 파일럿 신호 및 데이터를 송신기로부터 수신하는 RF처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
제 7항에 있어서,

상기 채널 추정부는, 하기 <수학식 9>를 통해 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 것을 특징으로 하는 수신기.

여기서, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는
이 되고, 기준 빔을 사용하지 않는 수신기일 때(k≠j), 수신 빔포밍 벡터는 f(·)에 의한 직교 벡터로 산출되고, 상기 f(·)는 2×1 벡터에 대해서 하나의 직교 벡터를 출력하는 함수이고, y_{k, pilot-A} 는 제1파일럿을 수신한 신호를 의미한다.
다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 송신 방법에 있어서,

채널정보를 이용하여 송신 빔포밍 벡터를 산출하는 과정과,

기준 빔(reference beam)을 형성하기 위해서, 기준 송신 빔포밍 벡터를 제 1 파일럿 신호에 곱하는 과정과,

상기 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 데이터를 프리코딩하는 과정과,

상기 제 1 파일럿 신호 및 상기 프리코딩된 데이터를 수신기로 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항에 있어서,

상기 송신 빔포밍 벡터는,

초기 빔포밍 벡터로부터 기 조건에 만족할 때까지 반복적으로 송ㆍ수신 빔포밍 벡터가 업데이트되어 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항에 있어서,

system-wide MSE(Mean Squared Error)를 최소가 되게 상기 송신 빔포밍 벡터를 정규화하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 11항에 있어서,

상기 송신 빔포밍 벡터는 하기 <수학식 10>를 통해 정규화되는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, M_reg는 정규화된 송신 빔포밍 벡터이고, I는 단위행렬 혹은 단위벡터, M은 상기 제 1 빔포밍 벡터 생성부(113)로부터 제공받은 송신 빔포밍 벡터이고, (ㆍ)^H는 허미션(Hermitian) 연산이고, (ㆍ)^-1은 역연산(inverse operation)이고, P는 송신전력이고, N_o은 잡음전력이고, H_k는 k 번째 단말의 채널행렬이고, m_k는 k 번째 송신 빔포밍 벡터 값이고,
는 프로베니우스놈(frobenius norm) 연산을 의미한다.
제 9항에 있어서,

상기 산출된 송신 빔포밍 벡터 중 상기 기준 빔을 형성하기 위한 상기 기준 송신 빔포밍 벡터를 선택하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9항에 있어서,

상기 수신기에서 수신되는 신호에 대해 채널왜곡을 보상하도록, 상기 송신 빔포밍 벡터를 제 2 파일럿 신호에 곱하는 과정과,

상기 제 2 파일럿 신호에 곱해진 상기 송신 빔포밍 벡터를 상기 수신기로 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
다중안테나 시스템에서 정규화 공동 빔포밍을 위한 수신 방법에 있어서,

기준 송신 빔포밍 벡터에 의해 빔포밍된 제 1 파일럿 신호로부터 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 과정과,

상기 계산된 수신 빔포밍 벡터로부터 유효채널 이득을 계산하는 과정과,

상기 유효채널 이득을 이용하여 채널 등화를 수행하는 과정과,

상기 제 1 파일럿 신호 및 데이터를 송신기로부터 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서,

상기 수신 빔포밍 벡터를 계산하는 과정은,

하기 <수학식 11>를 통해 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기서, 기준 빔을 사용하는 수신기일 때(j=k), 수신 빔포밍 벡터는
이 되고, 기준 빔을 사용하지 않는 수신기일 때(k≠j), 수신 빔포밍 벡터는 f(·)에 의한 직교 벡터로 산출되고, 상기 f(·)는 2×1 벡터에 대해서 하나의 직교 벡터를 출력하는 함수이고, y_{k, pilot-A} 는 제1파일럿을 수신한 신호를 의미한다.