KR20080041100A - 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 하나 이상의 입력 데이터들을 임의의 부호화율에 따라 부호화하고 임의의 변조방식에 따라 변조하는 단계; 임의의 공간다중화율에 기초하여, 상기 부호화되고 변조된 입력 데이터들에 가상 안테나 시그날링을 적용하는 단계; 및 상기 가상 안테나 시그날링이 적용된 입력 데이터들을 공간 처리하여 수신단으로 전송하는 단계를 포함한다.

OFDM, MIMO, Virtual Antenna, Pre-coding, Feedback

Description

무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법{A method of data transmission in wireless communication system}

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.

최근 정보통신 서비스의 보편화와 다양한 멀티미디어 서비스들의 등장, 그리고 고품질 서비스의 출현 등으로 인해 무선통신 서비스에 대한 요구가 급속히 증대되고 있다. 이에 능동적으로 대처하기 위해서는 통신 시스템의 용량을 증대시키는 한편 데이터의 전송 신뢰도를 높여야 한다.

무선통신 환경에서 통신 용량을 늘리기 위한 방안으로는 이용 가능한 주파수 대역을 새롭게 찾아내는 방법과, 주어진 자원의 효율성을 높이는 방법을 생각해 볼 수 있다. 이 중 후자의 방법으로 송수신기에 다수의 안테나를 장착하여 자원 활용을 위한 공간적인 영역을 추가로 확보하여 다이버시티 이득을 취하거나, 각각의 안테나를 통해 데이터를 병렬로 전송함으로써 전송 용량을 늘리는 이른바 다중 안테나 송수신 기술(Multiple Input Multiple Output Antenna;이하 MIMO)이 최근 큰 주목을 받으며 활발하게 개발되고 있다.

일반적으로 MIMO 기법은 통신시스템의 신뢰도를 높이거나 전송 효율을 향상시키기 위해 고려되며, 빔형성 기법(beamforming), 공간 다이버시티 기법(spatial diversity), 및 공간 다중화 기법(spatial multiplexing)으로 크게 세가지로 분류 할 수 있다.

신뢰도를 높이기 위해 여러 개의 송신안테나를 이용하는 빔형성 기법과 공간 다이버시트 기법은 일반적으로 단일 데이터 스트림을 여러 개의 송신 안테나를 통해 전송하며, 전송효율을 높이기 위해 사용되는 공간 다중화 기법은 여러 개의 데이트 스트림을 동시에 여러 개의 송신 안테나를 통해 전송한다.

공간 다중화 기법에서 동시에 전송되는 데이터 스트림의 개수를 공간 다중화율(spatial multiplexing rate)이라 하는데 공간 다중화율은 송수신 안테나의 개수와 채널 상황에 따라서 적절하게 선택되어야 한다. 일반적으로 최대로 얻을 수 있는 공간 다중화율은 송신 안테나 개수와 수신 안테나 개수 중 작은 값에 의해 제한되며, 채널의 상관도가 높아지면 작은 공간 다중화율을 사용한다.

공간 다중화 기법을 사용하는 경우 가상 안테나 시그날링 기법을 적용하면 여러 가지 이득을 얻을 수 있다.

예를 들면, 가상 안테나 시그날링 기법을 적용하게 되면 여러 개의 데이터 스트림의 채널환경을 동일하게 되므로 강인한 채널상태 정보(Channel quality information : CQI)를 제공할 수 있게 되고 나쁜 채널상황을 가진 데이터 스트림의 신뢰도를 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 가상 안테나 시그날링 기법이 적용되는 물리 안테나들에서의 송신 전 력이 거의 일정하게 유지할 수 있게 된다. 상세히 살펴보면, 물리적 송신 송신 안테나들은 세트를 이루어 복수 개의 빔들을 만드는데, 이들 각각의 빔들은 각각의 가상 안테나에 해당한다. 서로 다른 빔들은 모든 물리적인 안테나들로부터 똑같은 전력을 전송하도록 할 뿐만 아니라 채널 특성을 보존하도록 생성된다.

기본적으로, 만들어진 가상 안테나의 총 수는 이용가능한 공간 다이버시티 또는 공간 다중화율을 지칭한다. 이 수는 또한 공간 채널들을 측정하기 위해 필요한 오버헤드(overhead)의 양을 지칭한다. 이하에서 물리적 송신 안테나의 수를 Mt, 물리적 수신 안테나의 수를 Mr, 이용가능한 가상 송신 안테나의 수를 Me라 하고 동시에 송신되는 레이어들을 M으로 나타낸다. 여기서, 레이어는 독립적으로 부호화되고 변조된 송신 심볼을 의미한다.

한편, 통신시스템의 신뢰도를 높이거나 전송 효율을 향상시키기 위한 공간 처리 기법으로 프리코딩 기법이 있다. 프리코딩 기법은 다중안테나 시스템에서 공간 다중화율에 상관없이 사용할 수 있는 기법으로서 보통 채널의 신호대잡음비(signal to noise ration:SNR)의 크기를 높여주는 기법이다. 일반적으로 송신단에서 현 채널환경에 가장 적절한 행렬 또는 벡터를 데이터에 곱하여 전송하는데, 여기서 곱해지는 행렬 또는 벡터는 수신단으로부터 피드백 받아 사용하거나, 또는 송신단에서 하향링크의 채널정보를 알 수 있는 경우 알맞은 행렬 또는 벡터를 계산하여 사용할 수 있다.

이러한 프리코딩 기법은 가상 안테나 시그날링 기법과 결합하여 사용할 수 있는데, 적절한 형태로 결합하여 사용하지 않으면 프리코딩 행렬 또는 벡터의 변형 을 가져와 시스템의 성능을 크게 저하시키게 된다. 아래에서 그 예를 설명한다.

도 1은 종래의 프리코딩 기법과 가상 안테나 시그날링 기법을 동시에 적용한 방식의 구조를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 프리코딩 기법을 먼저 적용한 후 가상 안테나 시그날링 기법을 적용한 방법으로 프리코딩 행렬을 이용하여 채널의 평균 신호대 잡음비를 높인 후 전송 전에 가상 안테나 시그날링을 통해 각 스트림의 데이터 심벌을 섞어주어 데이터 스트림간에 동일한 채널을 겪도록 하여 가상 안테나 시그날링 이득을 얻도록 하였다. 그러나 이 방식은 프리코딩 후 가상 안테나 시그날링을 하게 되므로 사용된 최적의 프리코딩 행렬이 가상안테나 적용으로 인해 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법에 있어서, 가상 안테나 시그날링 기법과 프리코딩 기법을 결합하는 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 가상안테나 시그날링 기법과 위상천이 다이버시티 기반의 프리코딩 기법을 결합한 데이터 전송 방법을 개시한다.

본 발명의 일 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 하나 이상의 입력 데이터들을 임의의 부호화율에 따라 부호화하고 임의의 변조방식에 따라 변조하는 단계와, 임의의 공간 다중화율에 기초하여, 상기 부호화되고 변조된 입력 데이터들에 가상 안테나 시그날링을 적용하는 단계와, 상기 가상 안테나 시그날링이 적용된 입력 데이터들을 공간 처리하여 수신단으로 전송하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 공간다중화율, 상기 부호화율 및 상기 변조방식을 포함하는 가상안테나 관련정보 중 적어도 하나는 상기 수신단으로부터 피드백 받는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 가상 안테나 관련정보가 프리코딩 행렬을 더 포함하고, 상기 공간 처리 단계는 상기 수신단으로부터 적어도 일부를 피드백 받은 프리코딩 행렬을 이용하는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 공간 처리 단계가 상기 공간 다중화율에 따라 미리 정해져 있는 프리코딩 행렬을 이용하는 것임을 특징으로 하는 단계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 프리코딩 행렬이 위상천이 다이버시티를 얻기 위한 대각 행렬과 공간다중화를 위한 단위행렬의 곱을 포함할 수 있으며,

일 수 있고, 여기서, 상기

는 N_t개의 송신 안테나와 R의 공간 다중화율을 가지는 다중안테나 시스템에서 k번째 부 반송파에 대한 일반화된 위상천이 기반 프리코딩 행렬을 나타내며, 상기

는

를 만족하는 단위행렬이고 상기 위상각 θ_i(t), i=1,...,N_t 은 지연 값 τ_i(t), i=1,...,N_t에

이고 상기 N_fft는 OFDM 신호의 부 반송파 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 가상 안테나 관련정보가, 프리코딩 행렬 인덱스, 컬럼 서브세트 인덱스, 및 채널 상태 정보 피드백 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 단위행렬은 상기 수신단으로부터 피드백 받는 가상안테나관련정보에 포함되거나, 또는, 상기 공간 처리 단계는 상기 공간다중화율에 따라 미리 정해져 있는 단위행렬을 이용하는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은, 상기 위상천이 다이버시티를 위한 대각행렬의 각 안테나별 위상 값은 상기 수신단으로부터 피드백 받는 가상안테나 관련정보에 포함되거나, 상기 공간 처리 단계는 상기 공간다중화율에 따라 미리 정해져 있는 상기 위상천이 다이버시티를 위한 대각행렬의 각 안테나별 위상 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 것을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가상 안테나 시그날링 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서의 데이터 전송 방법은 다음과 같은 효과를 포함한 다양한 효과를 가진다.

첫째, 시변채널 환경에서 채널상태 정보의 정확성을 높여주고 채널변화에 적응적으로 대처함으로써 전반적인 성능향상을 이끌어 낼 수 있다. 가상 안테나 기법은 Mt가 아니라 Me( ≤Mt) 전송 안테나를 가진 것처럼 기지국이 상기 MIMO 사용자에게 효과적으로 나타나도록 한다. 이로 인해 채널 측정의 부정적인 영향을 감소시키는 효과를 가져온다.

둘째, 공간 처리기로서, 위상천이 기반 프리코딩을 사용하여 채널의 평균 신호대 잡음비를 높일 수 있다.

셋째, 위상천이 기반 프리코딩과 가상 안테나 시그날링 기법이 결합됨으로써 채널의 평균신호 대 잡음비를 높임과 동시에 시변채널 환경에서 채널상태 정보의 정확성을 높여주고 수신기로부터의 피드백 오버헤드 역시 줄일 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 이하 설명되는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

이하의 기술은 다중안테나를 사용하는 다양한 통신 시스템에 사용될 수 있 다. 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다. 이 기술은 하향링크(downlink) 또는 상향링크(uplink)에 사용될 수 있다. 하향링크는 기지국에서 이동국으로의 통신을 의미하며, 상향링크는 이동국에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 기지국은 일반적으로 이동국과 통신하는 고정된 지점으로 물리 전송단 뿐만이 아니라 상위계층까지 포함한다. 이동국은 고정되거나 이동성을 가질 수 있다.

본 발명은 단일 반송파 또는 다중 반송파 통신 시스템에 사용될 수 있다. 다중 반송파 시스템은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이나 다른 다중 반송파 변조 기법을 활용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 안테나 시그날링 기법과 공간처리기가 결합된 다중 안테나 시스템의 송신단의 구조를 도시한 것이다.

AMC(Adaptive Modulation and Coding)(210)부에서는 입력된 각각의 데이터 패킷에 대해 수신기(270)로부터 피드백 받은 채널상태 정보를 이용하여 가상 안테나 전처리단(250)에서 결정된 변조방식과 부호화 방식을 채널상황에 따라 적응적으로 적용하는 역할을 한다.

부호화부(212)는 일련의 정보비트들(stream of information bits)을 입력받아, 정해진 코딩 방식에 따라 인코딩하여 부호화된 데이터를 형성한다. 정보 비트들은 텍스트, 음성, 영상 또는 기타 데이터를 포함할 수 있다.

부호화부(212)는 정보 비트들에 CRC(cyclic redundancy check)와 같은 에러 검출 비트들을 추가하고, 에러 정정을 위한 여분의 코드를 추가할 수 있다. 에러 정정 코드는 터부 부호(turbo code)일 수 있다. 여기서, 터보 부호는 정보 비트들을 구조적 비트(systematic bits)로써 포함시키는 구조적 코드이다. 이 때 에러 정정 코드는 터보 부호에 한하지 않고 일반적으로 사용되고 있는 LDPC(low density parity check code), 길쌈(convolution)부호, RS 부호화 및 이들에 기반하는 어떠한 부호화 등도 포함될 수 있다. 또한 부호화부(212)는 수신기(270)로부터 피드백 받은 채널 상태 정보 및 가상안테나 전처리부(260)에서의 결정에 따라 적응적으로 다른 에러 정정 코드를 사용할 수 있다.

적응적 맵퍼(214)는 부호화된 데이터를 정해진 변조 방식(modulation scheme)에 따라 변조하여, 변조 심볼들을 제공한다. 즉, 부호화된 데이터는 적응적 맵퍼(214)에 의해 진폭과 위상 성상(constellation)에 따른 위치를 표현하는 심벌들로 맵핑된다.

이 때, 변조 방식에는 제한이 없으며, m-PSK(m-quadrature phase shift keying) 또는 m-QAM(m-quadrature amplitude modulation)일 수 있다. 예를 들어, m-PSK는 BPSK, QPSK 또는 8-PSK 일 수 있다. m-QAM은 16-QAM, 64-QAM 또는 256-QAM 일 수 있다. QPSK 방식의 경우 적응적 맵퍼(214)는 부호화된 데이터를 2비트들로 구성된 변조 심벌들로 맵핑한다. 16-QAM 방식의 경우 적응적 맵퍼(214)는 부호화된 데이터를 4비트들로 구성된 변조 심벌들로 맵핑한다.

가상 안테나 시그날링부(220)는 AMC부(210)부에서 출력되는 데이트 스트림들인 복수의 부호어(Multi Code Word;이하 MCW)내의 변조 심볼들을 서로 섞어주는 역할을 한다. 여기서, 각각의 데이터 스트림은, AMC부(210) 내의 각각의 부호화 부(210)에 대응하는 적응적 맵퍼(214)에서 출력되는 변조 심벌들의 스트림을 말한다.

도 3는 가상 안테나 시그날링부(220)의 역할을 보여주는 도면으로서 가상 안테나들의 선택 및 가상 안테나 퍼뮤테이션의 일례를 도시한다. 도 3은 복수의 데이터 스트림들에 대응하는 송신 레이어들을 가상 안테나들로 맵핑하는 방법에 대한 일례로서 3개의 레이어들{0,1,2}은 3개의 가상 안테나들인 {0,2,3}들로 맵핑되는 것을 보여주고 있으며, 이때 선택된 가상 안테나들간의 가상 안테나 퍼뮤테이션은 대칭적 퍼뮤테이션 또는 균일한 퍼뮤테이션을 위해 단순 사이클링 기법을 적용하였다.

아래 일 실시예를 통해 R개의 데이터 스트림이 동일한 채널을 가지도록 하는 가상안테나 시그날링단 (220)의 가상안테나 매핑방법을 좀 더 상세히 살펴본다.

를 K번째 부반송파의 가상 안테나 시그날링단 (220)의 입력 벡터라 가정하고,

를 K번째 부반송파의 가상 안테나 시그날링단 (220)의 출력 벡터라 가정한다. 이때

는 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기서,

는 가상안테나 시그날링 행렬이며 하나의 실시예로 공간다중화율이 2인 경우 아래의 수학식 2와 같은 행렬로 구성될 수 있다.

상기 설명에서 알 수 있듯이 가상 안테나 시그날링 기법은 각 데이터 스트림을 부반송파별로 회전하는 회전(rotation) 행렬을 곱하여 간단히 구성할 수 있다.

가상 안테나 전처리부(250)는 가상 안테나 서브세트 선택과 공간 다중화율 예측(Spatial multiplexing rate prediction) 기능을 수행한다. 가상 안테나 서브세트 선택의 이용가능성은 수신기 구조, 기지국과 이동국의 안테나들의 수, 장기간의 SNR, 공간 상관도, 및 다른 채널 조건을 고려하여 기지국에 의해 시그날링된다. 일반적으로, 가상 안테나 서브세트 선택은 이동국의 안테나 수가 Me보다 적거나 이동국이 낮은 SNR 또는 높은 공간 상관도로 인해 나쁜 영향들을 받는 경우를 제외하고는 SIC수신기를 가지는 MIMO기법의 수율 성능을 현저하게 향상시키지는 못한다. 상술한 바와 같이 만약 가상 안테나 서브세트 선택이 이용가능하지 않다면, 이동국은 바람직한 가상 안테나 서브세트를 보고할 필요가 없고 기지국은 모든 가상 안테나를 사용한다(즉,M=Me). 여기서 M 개의 송신 레이어 각각에 대한 부호율과 성상 크기는 채널조건에 따라 적응적으로 변경되며 이는 AMC처리부(210)에서 수행된다.

만약 가상 안테나 서브세트 선택이 이용가능하면, 이동국은 M과 바람직한 서 브세트를 결정하는 선택 알고리즘을 가동한다.

선택 알고리즘은 예를 들어 미리 정해진 임의의 규칙에 의해 구성된 각각의 서브세트에 의해 성취가능한 합용량(sum capacity)를 계산하고 최대 합용량을 산출하는 서브세트를 선택하는 것일 수 있다.

이에 나아가, 이동국은 송신 전력의 총합이 상기에서 선택된 서브세트 내의 가상 안테나들에 균일하게 할당된다고 가정할 수 있다. 또한, 이동국은 각 송신 레이어에 대한 M CQI 값들을 계산하고, 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 선택적으로 CQI 값들에 대해 차등 부호화를 적용하고, 그것을 기지국에게 알려줄 수 있다. 기지국은 전력제어 전략 및 선택된 가상 안테나들의 수에 근거해서 각각의 송신 레이어 상의 송신 전력을 조절하고 각각의 송신 레이어에 대한 부호율과 변조방식을 선택하기 위한 레이트 예측(rate prediction)을 가동할 수 있다.

공간처리부(Spatial processing)(230)는 가상 안테나 시그날링부를 거친 데이터들을 다수의 송신 안테나들(250-0,...,250-(M-1))을 통해 전송할 수 있도록 처리한다.

본 발명에서의 공간 처리부는 프리코딩을 포함한 모든 종류의 다중 안테나 기법 중 하나를 선택적으로 적용할 수 있다. 예를 들어, 적용할 수 있는 다중 안테나 기법에는 예로는 MIMO 시스템에서의 각 안테나간의 공간 상관도에 의한 시스템 성능의 저하를 막기 위해 송신 안테나 모두를 사용하지 않고 몇 개의 안테나만을 한정적으로 선택하여 데이터를 전송하는 기법인 안테나 선택 기법, 개루프 전송방식에서 채널 상태에 따라 공간 다중화 기법 또는 전송 다이버시티 기법중 하나를 선택하여 사용하는 모드 스위칭 기법, 안테나 선택과 모드 스위칭을 결합함으로써 각각의 기법을 이용하는 경우보다 성능개선 효과를 얻을 수 있는 안테나 및 모드 스위칭 결합기법, 안테나 간격이 좁은 경우에 사용하면 효과적인 빔형성 기법, 다중 사용자를 고려한 다중 송수신 안테나 전송 기술 등이 있다.

이하에서는, 다중 안테나 기법으로 프리코딩(Pre-coding)기법을 사용하는 것을 예로 들어 설명한다. 프리 코딩은 모든 형태의 프리코딩이 가능하지만 아래 수학식 3의 위상 천이 기반의 프리코딩 형태를 본 발명에 따른 일실시예로서 사용할 수 있다.

아래 실시예를 통해 위상천이 프리코딩 기법에 대해 상세히 알아본다.

위상천이 기반 프리코딩 행렬의 생성

위상천이 기반의 프리코딩 기법은 전송하려는 모든 데이터 스트림을 전체 안테나를 통해 전송하되 각기 다른 위상의 시퀀스를 미리 곱하여 전송하는 것이다.

일반적으로, 작은 순환지연값을 사용하여 위상 시퀀스를 생성하면 수신기에서 볼 때 채널에 주파수 선택성이 생기면서 주파수 영역에 따라 채널의 크기가 커지거나 작아지게 된다.

일반적으로, 송신기는 상대적으로 작은 순환지연값에 따라 요동(fluctuation)하는 주파수 대역 중에서 주파수가 커져 채널 상태가 양호해지는 부분에 사용자 이동국을 할당하여 스케줄링 이득을 확보한다. 이때, 각 안테나에 대하여 일정하게 증가 또는 감소하는 순환지연값을 적용하기 위해 위상천이 기반의 프리코딩 행렬을 이용한다.

상기 위상천이 기반의 프리코딩 기법을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서,

는 N_t개의 송신 안테나와 R의 공간 다중화율을 가지는 MIMO-OFDM 신호의 k번째 부 반송파에 대한 일반화된 위상천이 기반 프리코딩 행렬을 나타내며,

는

를 만족하는 단위 행렬로서 위상천이 행렬을 단위행렬(unitary matrix)화하기 위해 사용된다. 수학식 3에서 위상각 θ_i(t), i=1,...,N_t 은 지연 값 τ_i(t), i=1,...,N_t에 따라 아래의 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.

여기서, N_fft는 OFDM 신호의 부 반송파 개수를 나타낸다.

상기 수학식 3의 위상천이 기반의 프리코딩을 사용하는 송신기의 K번째 부반송파의 입력신호벡터를

라 가정하고, 위상천이 기반의 프리코딩을 적용한 K번 째 부반송파의 신호벡터를

라 가정하면 위상천이 기반의 프리코딩을 적용한 신호를 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.

상기 수학식 5에서

는 K번째 부반송파에 사용되는 위상천이 대각행렬을 나타내며 아래 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

또한,

는 K번째 부반송파에 사용되는 단위행렬로서, 하나 이상의 단위행렬들의 곱으로 나타낼 수 있으며, 수신기로부터 피드백 받아 사용할 수도 있고, 송수신기간에 미리 정해놓은 행렬을 사용할 수도 있다. 수학식 6에서 위상각 θ_i(t), i=1,...,N_t 은 지연 값 τ_i(t), i=1,...,N_t에 따라 수학식 4와 같이 얻을 수 있다.

위상천이 기반 프리코딩 기법과 결합된 가상안테나 시그날링 기법

도 2의 공간처리부(230)에 위상천이 기반의 프리코딩 기법을 사용하고 동시에 가상안테나 시그날링부(220)를 구비하여 가상 안테나 시그날링 기법을 사용하게 되면 여러가지 이득을 동시에 얻을 수 있다.

즉, 다중안테나 채널을 위상천이 기반의 프리코딩 기법을 적용하여 SINR을 증가시키기거나 다이버시티 이득을 증가시키는 형태로 변형시키고 가상안테나 시그날링 기법을 적용하여 수신기가 송신기에게 피드백해야 하는 채널상태정보 (CQI)를 감소시킴으로서, 성능을 향상시키는 반면 피드백 오버헤드는 감소시킬 수 있게 된다.

아래 일 실시예를 통해 N_t 개의 물리적 송신안테나를 가진 송신기가 R개의 데이터 스트림 또는 송신 레이어를 가지는 경우 위상천이 기반 프리코딩 기법과 결합된 가상안테나 시그날링 기법의 동작 및 구성방법을 좀 더 상세히 살펴본다.

를 K번째 부반송파에 대한 다중안테나 채널이라 가정하고,

를 K번째 부반송파에 대한 수신 벡터라 가정하고,

를 Nt개의 물리적 송신 안테나를 통해 송신되는 K번째 부반송파에 대한 신호벡터라 가정하면 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

수학식 7에서

는 수신기에서 더해지는 잡음 및 간섭 성분이라 가정한 다. 수학식 7에서 송신 신호 벡터

는 수학식 8과 같이 구성된다.

수학식 8에서,

를 K번째 부반송파의 가상 안테나 시그날링부의 입력 벡터라 가정하고,

를 K번째 부반송파의 가상 안테나 시그날링부의 출력 벡터라 가정한다. 또한,

는 여러 개의 데이터 스트림을 부반송파 단위로 섞어주는 행렬이라고 가정한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2에서 공간처리부(230)에 프리코딩 기법을 적용하는 경우를 도시한 것이다.

도 2와 비교해 볼 때, 수신기로부터 피드백되는 정보에 프리코딩과 관련한 피드백 되는 정보가 추가된다. 또한, 이동국은 가상 안테나들의 바람직한 서브세트의 인덱스를 선택하고, 기지국이 가상 안테나들의 이용가능한 서브세트들을 제한한다면 줄일 수 있는 Me비트들을 이용하여 이를 피드백할 수 있다. 여기서, 선택 알고리즘은, 예를 들어 미리 정해진 임의의 규칙에 의해 구성된 각각의 서브세트에 의해 성취가능한 합용량(sum capacity)를 계산하고 최대 합용량을 산출하는 서브세트를 선택하는 것일 수 있다. 이에 나아가, 이동국은 송신 전력의 총합이 상기에서 선택된 서브세트 내의 가상 안테나들에 균일하게 할당된다고 가정할 수 있다.

한편, 시스템이 무선 자원을 공간적으로 여러 개의 이동국에게 할당하는 경우에 있어서, 이동국은 가상 안테나 서브세트 대신에 프리코딩 행렬과 컬럼 서브세트를 피드백할 수 있다.

변조부(540)는 공간처리기에서 출력된 전송 심벌들을 다중 접속 변조 방식에 따라 변조하여 각 안테나(550-0,...,550-(M-1))을 통해 전송한다. 다중 접속 변조 방식에 대하여는 제한이 없으며, 잘 알려진 CDMA와 같은 단일 반송파 변조 방식이나 OFDM과 같은 다중 반송파 변조 방식을 채택할 수 있다.

수신기(570)은 하향링크에서는 기지국의 상향링크 수신부이고, 상량링크에서는 이동국의 하향링크 수신부이다.

상기 언급된 방식은 입력 데이터가 M개의 입력 데이터가 각각 부호화와 변조되는 Multiple Code Word(MCW)방식이었으나 하나의 데이터가 입력되는 Single Code word(SCW)인 경우에도 적용이 가능하다. MCW인 경우와의 차이는 SCW에서는 단일 부호화와 공간 다중화율 제어가 모든 선택된 가상 안테나들에 걸쳐 동일하게 사용되어 CQI 및 ACK/NACK 피드백 오버헤드, 하향링크 제어 오버헤드, 및 이동국 수신기의 복잡도를 감소시키고 HARQ 동작을 단순화시키는 점을 제외하고는 다수의 부호어가 입력 데이터인 경우와 똑같은 원리에 기초한다. 선형 MMSE(minimum mean squared error) 공간 등화기가 SCW MIMO의 기본 수신기로서 고려되고, 더욱 복잡한 반복 복조 및 복호기에 근거한 진보된 수신기를 채용하여 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 상기 제안된 발명은 Me보다 적은 수의 데이터 스트림들을 요구하는 많은 이동국들이 있을 경우, 기지국은 똑같은 시간,주파수 자원상에서 다수의 이동국들을 스케쥴링하는 공간적인 다중사용자 스케쥴링(multi-user MIMO; 이하 MU-MIMO) 동작을 이용하여 시스템 수율을 최대화할 수 있다. MCW MIMO 및 SCW MIMO 양 방식 모두 바람직한 가상 안테나 서브세트 또는 바람직한 프리코딩 행렬 및 컬럼 서브세트의 피드백 정보를 이용하여 공간적인 다중사용자 스케쥴링 동작을 지원할 수 있다.

위 시스템이 MU-MIMO 모드로 동작하면, 이동국의 CQI 피드백을 위한 효과적인 SINR 계산 방법은 그에 따라 수정되어야 한다. 각각의 사용자의 성능을 심각하게 열화시키지 않기 위해, 동시에 스케쥴된 이동국들은 사용자간 간섭이 작도록 주의깊게 선택되어야 한다. 또한, 수신 안테나의 수가 Me보다 작은 이동국이 많을때(예를 들어 기지국에 4개의 송신 안테나 및 이동국에 2개의 수신 안테나) MU-MIMO가 가장 중요한 이익을 제공하므로, SDMA 동작에서 그러한 비대칭적인 송신 및 수신 안테나를 지원할 수 있는 프리코딩 행렬 기반 사용자 선택을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 도 2와 도 5에서 수신기(도2:270, 도5:570)를 제외한 부분은 송신부라 할 수 있고 이는 하향링크에서는 기지국의 일부분일 수 있고, 수신기(270,570)는 이동국의 일부분일 수 있다. 마찬가지로 본 발명의 도 2와 도 5에서 수신기(270,570)를 제외한 부분은 송신부라 할 수 있고 이는 상향링크에서는 이동국에서의 일부분일 수 있고 수신기는(270,570)은 기지국의 일부분일 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 안 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

도 1은 종래 프리코딩과 가상 안테나 시그날링 기법이 결합된 다중 안테나 시스템의 송신단의 구조를 도시한 것이다.

도 2은 본 발명의 실시예에 따른 가상 안테나 시그날링 기법과 공간처리기가 결합된 다중 안테나 시스템의 송신단의 구조를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가상 안테나 적용시 송신 레이어들을 가상 안테나들로 맵핑하는 방법을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 안테나 맵핑의 일례를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가상 안테나 시그날링 기법과 공간처리에 프리코딩을 이용한 다중 안테나 시스템의 송신단의 구조를 도시한 것이다.

Claims (11)

1. 무선 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서,

   하나 이상의 입력 데이터들을 임의의 부호화율에 따라 부호화하고 임의의 변조방식에 따라 변조하는 단계;

   임의의 공간 다중화율에 기초하여, 상기 부호화되고 변조된 입력 데이터들에 가상 안테나 시그날링을 적용하는 단계; 및

   상기 가상 안테나 시그날링이 적용된 입력 데이터들을 공간 처리하여 수신단으로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공간 다중화율, 상기 부호화율 및 상기 변조방식을 포함하는 가상 안테나 관련정보 중 적어도 하나는 상기 수신단으로부터 피드백 받는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가상 안테나 관련정보는 프리코딩 행렬을 더 포함하고, 상기 공간 처리 단계는 상기 수신단으로부터 적어도 일부를 피드백 받은 프리코딩 행렬을 이용하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 공간 처리 단계는 상기 공간 다중화율에 따라 미리 정해져 있는 프리코딩 행렬을 이용하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 프리코딩 행렬은 위상천이 다이버시티를 얻기 위한 대각 행렬과 공간 다중화를 위한 단위행렬의 곱을 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 프리코딩 행렬은

   

   이고, 상기

   

   는 N_t개의 송신 안테나와 R의 공간 다중화율을 가지는 다중안테나 시스템에서 k번째 부 반송파에 대한 일반화된 위상천이 기반 프리코딩 행렬을 나타내며, 상기

   

   는

   

   를 만족하는 단위행렬이고 상기 위상각 θ_i(t), i=1,...,N_t 은 지연 값 τ_i(t), i=1,...,N_t에

   

   이고 상기 N_fft는 OFDM 신호의 부 반송파 개수를 나타내는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
7. 제3항에 있어서,

   상기 가상 안테나 관련정보는, 프리코딩 행렬 인덱스, 컬럼 서브세트 인덱스, 및 채널 상태 정보 피드백 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 단위행렬은 상기 수신단으로부터 피드백 받는 가상 안테나 관련정보에 포함되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
9. 제6항에 있어서,

   상기 공간 처리 단계는 상기 공간 다중화율에 따라 미리 정해져 있는 단위행렬을 이용하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
10. 제6항에 있어서,

    상기 위상천이 다이버시티를 위한 대각행렬의 각 안테나별 위상 값은 상기 수신단으로부터 피드백 받는 가상 안테나 관련정보에 포함되는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.
11. 제6항에 있어서,

    상기 공간 처리 단계는 상기 공간 다중화율에 따라 미리 정해져 있는 상기 위상천이 다이버시티를 위한 대각행렬의 각 안테나별 위상 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 데이터 전송 방법.

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