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KR20060104200A - 다중입출력시스템을 위한 랜덤 빔포밍 방법 - Google Patents

다중입출력시스템을 위한 랜덤 빔포밍 방법 Download PDF

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KR20060104200A
KR20060104200A KR1020050026138A KR20050026138A KR20060104200A KR 20060104200 A KR20060104200 A KR 20060104200A KR 1020050026138 A KR1020050026138 A KR 1020050026138A KR 20050026138 A KR20050026138 A KR 20050026138A KR 20060104200 A KR20060104200 A KR 20060104200A
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transmission
random beamforming
mobile stations
transmission rate
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권종형
황찬수
김은용
전주환
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삼성전자주식회사
한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 랜덤 빔포밍 기반의 전송 방법에서는 기지국이 이동국들로부터 현재 상기 기지국에 의해 임의로 결정된 가중치 벡터에 대한 채널 별 전송률을 포함하는 피드백 정보를 수신하고, 상기 이동국들로부터 수신된 동일 채널에 전송률을 비교하고, 상기 전송률이 가장 큰 이동국에 해당 채널을 할당하고, 상기 할당된 채널을 통해 신호를 전송한다. 본 발명의 랜덤 빔포밍 기반의 전송 방법은 빔포밍 기법을 이용하면서도 다수의 단말에 대해 동시에 다른 채널을 할당 함으로써, 자원할당의 공평성과 효율성을 제고하는 한편 이를 통해 전체 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.
랜덤 빔포밍 (random beamforming), 다이버시티, 다중입출력(MIMO)

Description

다중입출력시스템을 위한 랜덤 빔포밍 방법{RANDOM BEAMFORMING METHOD OF MIMO SYSTEM}
도 1은 다중안테나 랜덤 빔포밍 기법이 적용되는 통신 시스템 보인 개략적인 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서의 채널 할당 방법을 설명하기 위한 개념도;
도 3은 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법의 성능 실험 결과를 보인 그래프;
도 4는 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법에서 특정 단말의 평균 대기 시간을 비교한 그래프;
도 5는 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법을 적용할 경우 전체 단말들의 평균 성능(throughput)을 비교한 결과를 보인 그래프이다.
본 발명은 다중입출력 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중입 출력 통신 시스템을 위한 랜덤 빔포밍 방법에 관한 것이다.
차세대 이동통신에서는 3세대 이동 통신에 비해 훨씬 높은 전송률이 요구되며 이러한 요구 전송률을 만족시키기 위한 방법으로 송신단인 기지국과 수신단인 단말 양쪽에 다중 안테나를 채용하는 다중입출력 (multiple-input multiple-out: MIMO) 시스템이 고려되고 있다.
MIMO 시스템은 다수의 송신 안테나와 수신 안테나를 이용하여 데이터를 송수신하는 통신 시스템으로 송수신 안테나에 의해 형성되는 MIMO 채널은 다수의 독립적인 공간 채널들로 분해된다. 각 공간 채널은 하나의 차원(dimension)에 해당하며, 다중 송수신 안테나들에 의해 생성되는 추가적인 차원들을 이용함으로써 MIMO 시스템의 성능은 더욱 향상된다.
MIMO 시스템을 이용한 데이터 전송 방식에는 송신단과 수신단의 다중 안테나를 이용하여 서로 다른 데이터를 동시에 전송함으로써 시스템의 대역폭(bandwidth) 증가 없이 고속으로 데이터를 전송하는 공간 다중화 (Spatial Multiplexing: SM) 방식과 다중 송신 안테나를 통해 동일한 데이터를 전송하여 송신 다이버시티 이득을 얻는 공간 다이버시티 (Spatial Diversity: SD) 기법이 있다.
다른 한편, MIMO 전송 방식은 송신단에서 채널이득정보를 이용하는지의 여부에 따라 개루프 (open-loop) 방식과 폐루프 (closed-loop) 방식으로 나눌 수 있으며, 개루프 방식의 경우 송신단이 채널 정보를 필요로 하지 않기 때문에 구현이 쉽고 채널 정보 피드백 과정이 없다. 개루프 방식의 전송방법으로는 잘 알려져 있는 시공간블록부호(space-time block code: S[P]TBC), VBLAST 복호 기반의 공간다중화 (spatial multiplexing) 등이 있다. 한편, 폐루프 방식은 수신단으로부터 피드백 되는 채널 정보를 이용하므로 채널 정보가 정확하면 좋은 성능을 낼 수 있으나 정확한 채널 정보를 피드백 하기 위해서는 채널 정보량이 증가할 수 있기 때문에 피드백 정보량과 시스템 성능은 트레이드 오프 관계를 갖는다.
랜덤 빔포밍 기법은 다중 사용자 다이버시티와 스케쥴링을 결합한 전송 방식으로 이론적으로 셀 내에 무한히 많은 다중 사용자가 있다고 가정할 때 적은 양의 피드백 정보만으로도 완전한 폐루프 빔포밍의 성능을 낼 수 있다.
랜덤 빔포밍 기법은 송신단에서 채널 정보를 필요로 하지 않으며 무작위로 발생된 가중치로 빔포밍하여 각 수신단들이 자신의 SINR 혹은 그에 준하는 허용가능 전송률을 제한된 피드백정보량 만으로 송신단에게 알려주고 송신단에서는 현재 가중치에 대해 가장 높은 SINR (또는 전송률)을 보이는 수신단에게 채널을 할당 한다. 단, 채널이 빠르게 변하는 고속 페이딩 환경에서는 여러 사용자에게 골고루 채널이 할당될 지 모르지만 채널이 천천히 변하는 전속 페이딩 환경에서는 가중치를 고정해 놓으면 공정성(fairness)에 문제가 생긴다. 이 경우 짧은 시간 간격으로 가중치를 새로운 임의의 값으로 변화시켜 주면 채널이 빠르게 변하는 효과를 얻을 수 있어 사용자 간의 공정성을 높일 수 있다. 순간순간 변하는 SINR 만을 이용하여 채널을 할당하는 방식보다는 그 동안 받은 데이터량을 참조하여 수신 데이터 량이 많은 사용자 보다 적은 사용자에게 우선적으로 채널을 할당함으로써 효율성과 공정성을 동시에 고려하는 확률적 공평 스케쥴링 (proportional fairness scheduling)과 같은 스케쥴링 알고리즘을 결합하여 사용될 수 있다.
빔포밍 기법은 송신단의 다중 안테나를 이용하여 송신 다이버시티 이득을 얻기 위한 방법으로 최근에는 수신단에도 다중 안테나를 채용하는 MIMO 시스템을 위한 램덤 빔포밍 기법에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 다중안테나 랜덤 빔포밍 기법이 적용되는 통신 시스템을 보인 개략적인 구성도로서, 단말들도 두 개 이상의 안테나를 갖는다. 종래의 다중 안테나 랜덤 빔포밍 기법은 단일 사용자 MIMO 시스템의 채널 용량을 최대화 할 수 있는 단일 값 분해 (singular value decomposition: SVD) 다중화에 가까운 성능을 목표로 한다. 이를 위해, 다중 안테나 랜덤 빔포밍 기법에서는 단말의 다중 안테나에 의한 수신 다이버시티와 다중 사용자 다이버시티가 동시에 이용된다.
도 1에서, 기지국(101)은 임의로 가중치 벡터 V0를 발생시켜 입력되는 신호벡터 x에 곱해서 다중 송신 안테나를 통해 V0x를 전송한다.
다수의 단말 (103, 105, 107) 중 임의의 k 번째 단말은 채널 행렬 H k 를 거친 신호를 받게 되고 이때 단말은 채널 행렬을 정확하게 알고 있다고 가정한다. 높은 채널 용량을 얻는 것으로 잘 알려져 있는 SVD 다중화를 이용하기 위하여 채널 행렬 H k 의 SVD를 취해서 left singular vector로 이루어진 행렬 Uk을 구하여 수신 신호에 곱한다. 따라서, 수신 신호는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005016661391-PAT00001
만약, 연계된 단말이 충분히 많으며
Figure 112005016661391-PAT00002
에 상당히 유사한
Figure 112005016661391-PAT00003
를 갖는 단말이 있을 확률이 높아지고,
Figure 112005016661391-PAT00004
가 되므로 SVD 다중화를 수행한 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 여기에 워터필링 (water-filling) 알고리즘을 적용하면 채널 용량을 더욱 증가시킬 수 있다.
단말은 각 데이터 심볼들의 SINR을 계산하여 전송 가능한 전체 전송률로 변환한 뒤 이 정보를 제한된 피드백 채널을 통해 기지국에 전송한다. 이 때 k번째 단말이 계산한 i번째 심볼
Figure 112005016661391-PAT00005
의 SINR을
Figure 112005016661391-PAT00006
라고 하면 전체 전송률은 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure 112005016661391-PAT00007
기지국은
Figure 112005016661391-PAT00008
번째 단말에게 채널을 모두 할당하고 일정 시간이 지난 뒤에 상기한 절차를 반복하게 된다.
그러나 종래의 랜덤 빔포밍 방법에서는 셀 내에 연계된 단말이 무한히 많다 면
Figure 112005016661391-PAT00009
에 가까운
Figure 112005016661391-PAT00010
를 갖는 단말이 존재하겠지만, 제한된 숫자의 사용자 중에서
Figure 112005016661391-PAT00011
와
Figure 112005016661391-PAT00012
가 정확히 일치하기는 어렵기 때문에
Figure 112005016661391-PAT00013
가 될 것이다. 즉
Figure 112005016661391-PAT00014
를 복원하는데 있어서 자기간섭(self interference)이 발생하게 된다. 모든 단말이 2개의 수신 안테나를 사용한다고 가정 했을 때
Figure 112005016661391-PAT00015
는 2x1 벡터가 될 것이며 이때
Figure 112005016661391-PAT00016
의 SINR은 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure 112005016661391-PAT00017
여기서,
Figure 112005016661391-PAT00018
는
Figure 112005016661391-PAT00019
의 평균 심볼 에너지이다.
수학식 3에서
Figure 112005016661391-PAT00020
부분이 간섭으로 작용하기 때문에 성능 저하가 발생하게 된다.
또한, 종래의 랜덤 빔포밍 방법에서는 여러 개의 독립된 채널을 하나의 단말에게 모두 할당해야 하기 때문에 단말마다 좋은 채널 나쁜 채널이 골고루 섞여 있을 때 어느 한 단말이 가장 좋은 채널로만 조합되어 있을 확률은 매우 작다. 따라서, 기지국이 항상 최상의 전송률로 데이터를 전송하는 것은 기대하기 어렵고 다중 사용자들에게 채널을 나누어 할당 함으로써 전송의 효율성을 개선할 여지가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 랜덤 빔포밍 방식을 이용할 때 발생하는 자기 간섭 현상을 제거함으로써 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 개선된 랜덤 빔포밍 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 빔포밍 기법을 이용하면서도 다수의 단말에 대해 동시에 다른 채널을 할당 함으로써, 자원할당의 공평성과 효율성을 제고하는 한편 이를 통해 전체 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 랜덤 빔포밍 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 두 개의 송신안테나를 이용하여 신호를 전송하는 고정국과 두 개의 수신 안테나를 이용하여 신호를 수신하는 다수의 이동국들을 포함하는 통신 시스템을 위한 전송 방식은 상기 이동국들로부터 채널 별 전송률을 포함하는 피드백 정보를 수신하고, 상기 이동국들로부터 수신된 동일 채널에 전송률을 비교하고, 상기 전송률이 가장 큰 이동국에 해당 채널을 할당하고, 상기 할당된 채널을 통해 신호를 전송한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
종래의 다중 안테나 랜덤 빔포밍 기법에서는 SVD 다중화를 위해 단말의 다중 수신 안테나를 이용하였으나, 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법에서는 간섭신호 무효화 (nulling)를 통한 간섭 제거를 위해 다중 수신 안테나가 이용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서는 먼저 기지국에서 임의로 가중치 벡터
Figure 112005016661391-PAT00021
정보 비트들로 이루어진 벡터
Figure 112005016661391-PAT00022
에 가중치 벡터
Figure 112005016661391-PAT00023
를 곱하여 얻어진 신호
Figure 112005016661391-PAT00024
를 전송한다.
단말이 채널 행렬을 정확하게 알고 있다고 가정하며, k 번째 단말은 채널
Figure 112005016661391-PAT00025
를 통해 신호를 수신하게 된다. 따라서, 단말은 수학식 4와 같이 표현되는 채널 행렬
Figure 112005016661391-PAT00026
의 MMSE 필터를 구한다.
Figure 112005016661391-PAT00027
MMSE 필터가 구해지면, 단말은 수신 신호에 MMSE 필터를 곱하여 전송 신호를 검출하게 된다. 이렇게 검출된 전송 신호는 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112005016661391-PAT00028
여기서,
Figure 112005016661391-PAT00029
이다.
이 경우, MMSE 무효화를 통해 얻어진 수신 신호로부터 최대 SINR 을 유도할 수 있다.
단말은 각 데이터 심볼의 SINR 을 계산하여 이로부터 각 채널의 전송률을 산출하고 구해진 전송률 값을 제한된 피드백 정보로 기지국에 전송한다.
k번째 단말에 의해 계산된 첫 번째 심볼
Figure 112005016661391-PAT00030
의 SINR
Figure 112005016661391-PAT00031
은 수학식 6과 같이 표현된다(수신 안테나가 2개인 경우).
Figure 112005016661391-PAT00032
여기서,
Figure 112005016661391-PAT00033
이다.
각각의 단말이 기지국에 전송하는 피드백 정보는 독립된 채널 별 전송 가능한 전송률이며 두 개의 안테나를 사용하는 경우 각 안테나에 대한 피드백 정보는 수학식 7 및 수학식 8과 같다.
Figure 112005016661391-PAT00034
Figure 112005016661391-PAT00035
기지국은 단말들로부터 수신되는 여러 개의 독립된 채널 정보 중 i 번째 채널을
Figure 112005016661391-PAT00036
번째 단말에 할당한다. 이와 같이 각각의 채널을 따로 할당했을 때 의 총 전송률의 합은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005016661391-PAT00037
본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서는 자기 간섭 성분들이 제거되기 때문에 공간 영역의 채널들을 모두 독립적으로 고려할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서의 채널 할당 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시예에서는 각 단말이 두 개의 수신 안테나를 이용하는 신호를 수신하는 경우를 예를 들어 설명한다. 단말에 할당되는 두 개의 채널은 격자무늬와 점무늬의 파이프로 구분하였으며 채널 이득은 파이프의 두께로 표현하였다. 설명의 편의상 격자무늬 파이프를 제1채널 그리고 점무늬 파이프를 제2채널이라 칭한다.
도 2에서, 기지국 (200)은 제1 내지 제4 단말들 (201, 202, 203, 204) 중 제1단말(201)에 대한 제1 및 제2 채널의 이득의 합이 가장 좋음을 알 수 있다. 이 경우 종래의 다중 안테나 랜덤 빔포밍 기법에 의해 채널을 할당한다면, 제1단말 에게 두 채널이 모두 할당된다. 그러나, 제2채널에 대한 이득 값만을 비교한다면 제2단말(202)의 제2채널 이득 값이 제1단말의 제2채널 이득 값보다 큼을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서는 각 채널에 대해 가장 큰 이득을 갖는 단말에게 채널을 할당하기 때문에 제1채널은 제1단말에 할당 되고 제2채널은 제2단말에 할당된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔포밍 방법에서 는 단말들에 대한 채널 별 이득을 비교하여 각 채널에 대해 가장 좋은 이득을 보이는 단말에 해당 채널을 할당함으로써 보다 효율적으로 자원을 할당 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법의 성능 실험 결과를 보인 그래프로서, 평균 수신 SNR이 각각 0dB, 10dB, 20dB 일 때 사용자 수에 대한 특정 단말의 출력(throughput) 곡선을 보이고 있다. 종래의 SVD 다중화 기반의 랜덤 빔포밍 방법의 성능 곡선은 실선으로 표시되어 있으며, 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법은 대쉬 라인으로 표시되어 있다. 점선은 송신단에서 채널을 정확하게 알고 있다는 가정하에서의 SVD 다중화 기반의 랜덤 빔포밍 방법의 성능 상한선을 나타낸다.
도 3에서 보는 바와 같이, 사용자의 수가 증가 함에 따라 성능 (throughput) 향상되는 것을 알 수 있다. 이는 랜덤 빔포밍 기술의 특성상 사용자가 많을수록 폐루프에 가까워지기 때문이다. 또한, 본 발명의 랜덤 빔포밍 기법의 성능 곡선이 종래의 SVD 다중화 기반의 랜덤 빔포밍 방법의 상한선보다 높은 것을 알 수 있다. 이는 동시에 가용 채널을 한 단말에 모두 할당하는 종래의 랜덤 빔포밍 방법에 비해 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법의 자유도가 높기 때문이다. 한편, SNR에 따른 성능 차이를 살펴보면, 낮은 SNR에서는 잡음이 크기 때문에 자기 간섭의 영향이 상대적으로 작아서 종래의 랜덤 빔포밍 방법과 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법의 성능 차이가 크지 않지만, SNR이 커질수록 간섭을 무효화하는 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법이 훨씬 좋은 성능을 내는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법에서 특정 단 말의 평균 대기 시간을 비교한 그래프이다. 실험을 위해, 두 개의 안테나를 갖추고 있는 기지국이 저속 페이딩 환경에서 확률적 공평 스케줄링 알고리즘을 이용하여 두 개의 수신 안테나를 이용하는 단말들에 채널을 할당 하였다. 도 4에서, 실선은 종래의 빔포밍 방법의 평균 대기 시간 곡선이며 대쉬선(dashed line)은 본 발명의 빔포밍 방법의 평균 대기 시간 곡선이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법의 평균 대기 시간이 종래의 랜덤 빔포밍 방법의 평균 대기시간 보다 1/2 정도 줄어든 것을 알 수 있다. 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법에서는 단말의 안테나의 수 (n)가 증가 함에 따라 평균 대기 시간이 1/n으로 줄어든다. 또한 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법에서는 여러 단말에게 공평하게 자원을 할당 하므로 한번에 높은 전송률로 데이터를 전송하지 못하더라도 대기 시간을 줄임으로써 단말들에 대한 공평성이 높아져 QoS를 보장할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법은 전체 시스템 측면에서 볼 때 효율성과 공정성을 동시에 향상시킨다.
도 5는 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법과 종래의 랜덤 빔포밍 방법을 적용할 경우 전체 단말들의 평균 성능(throughput)을 비교한 결과를 보인 그래프로서, 도 3과 유사한 결과를 보이고 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 랜덤 빔포밍 방법에서는 MMSE 필터링을 통해 종래의 랜덤 빔포밍 방식을 이용할 때 발생하는 자기 간섭 현상을 제거함으로써 신 호검출 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 빔포밍 기법을 이용하면서도 다수의 단말에 대해 동시에 다른 채널을 할당 함으로써, 자원할당의 공평성과 효율성을 제고하는 한편 이를 통해 전체 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 적어도 두 개의 송신안테나를 이용하여 입력 신호에 임의의 가중치 벡터를 곱하여 전송하는 고정국과 적어도 두 개의 수신 안테나를 이용하여 신호를 수신하는 다수의 이동국들을 포함하는 통신 시스템에 있어서,
    상기 이동국들로부터 채널 별 전송률을 수신하고;
    수신된 전송률을 기반으로 적어도 하나의 이동국에 단위 시간 동안 채널 단위로 자원을 할당하고;
    상기 할당된 채널 자원을 통해 신호를 전송하는 랜덤 빔포밍 기반의 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전송률은 상기 고정국으로부터 수신한 심볼들의 신호대잡음비(signal-to-interference plus noise ratio: SINR)를 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전송율은 다음 수학식:
    Figure 112005016661391-PAT00038
    (여기서,
    Figure 112005016661391-PAT00039
    는 k번째 이동국이 i번째 채널을 통해 수신 한 심볼
    Figure 112005016661391-PAT00040
    의 SINR)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 자원 할당 단계는:
    상기 다수의 이동국들로부터 수신된 피드백 정보들 중 각 채널에 대한 전송률을 비교하고;
    전송률이 가장 큰 단말에 해당 채널 자원을 할당하는 것을 포함 하는 전송 방법.
  5. 두 개의 송신안테나를 이용하여 신호를 전송하는 고정국과 두 개의 수신 안테나를 이용하여 신호를 수신하는 다수의 이동국들을 포함하는 통신 시스템에 있어서,
    상기 이동국들로부터 채널 별 전송률을 포함하는 피드백 정보를 수신하고;
    상기 이동국들로부터 수신된 동일 채널에 전송률을 비교하고;
    상기 전송률이 가장 큰 이동국에 해당 채널을 할당하고;
    상기 할당된 채널을 통해 신호를 전송하는 전송 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 전송률은 수학식
    Figure 112005016661391-PAT00041
    (여기서,
    Figure 112005016661391-PAT00042
    는 k번째 이동국이 i번째 채널을 통해 수신한 심볼
    Figure 112005016661391-PAT00043
    의 SINR)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 SINR은 수학식
    Figure 112005016661391-PAT00044
    (여기서,
    Figure 112005016661391-PAT00045
    ,
    Figure 112005016661391-PAT00046
    는 k번째 단말의 최소 평균 자승 오류(MMSE) 필터로서
    Figure 112005016661391-PAT00047
    이고,
    Figure 112005016661391-PAT00048
    는 고정국이 임의로 발생시켜 전송 벡터
    Figure 112005016661391-PAT00049
    에 곱해진 가중치 벡터,
    Figure 112005016661391-PAT00050
    는 채널행렬)에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 전송 방법.
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