KR20090053599A - 다중 입출력 안테나를 포함하는 시분할다중화무선통신시스템에서 상향 링크 데이터 전송을 위한 송신안테나 선택과 다중 입출력 채널 추정을 위한 데이터송/수신 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AT(access terminal)가 단일 송신 chain을 사용하는 TDD(time division duplexing) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템에서 상향 링크의 트래픽 전송 성능을 극대화 하는 상향 링크 송신 안테나를 선택하는 새로운 방법들과 장치들을 제공한다. 또한 트래픽 전송을 위해 선택된 송신 안테나를 통해, 효과적으로 역방향 링크 sounding RS를 전송함으로써 상향 링크 MIMO 채널을 추정하는 새로운 방법들과 장치들을 제공한다. AT에서 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, AT의 하향 링크 채널 추정을 통해 순시적으로 역방향 채널 이득을 최대로 하는 송신 안테나를 선택하고, AT의 단일 송신 chain을 선택된 안테나로 RF 스위칭(switching) 한다. AT는 선택된 송신 안테나를 통하여 상향 링크 트래픽 및 상향 링크 채널 상태를 전송한다. 상향 링크 채널 상태를 전송하는 성능을 극대화 하기 위해, AT에서 선택되어 상향 링크 트래픽이 실제로 전송될 송신 안테나를 통하여, 선택되지 않은 다른 송신 안테나들의 상향 링크 채널 상태를 매 역방향 링크 타임 슬롯 마다 sounding RS(reference signal)를 이용하여 BTS(base transceiver station)에 전달한다. 상기 선택되지 않은 다른 송신안테나들의 채널 상태 BTS에 알려주기 위해 본 발명에서 제안한 실시 예는 다음과 같다. 첫 번째 실시 예에서 전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식은 AT의 하향 링크 채널 추정을 통해, 전치 왜곡된 sounding RS를 다중화하여 전송하고, BTS의 각 수신 안테나 별로 상향 링크 채널 정보를 추정한다. 두 번째 실시 예에서 채널 가중된 sounding RS 방식은 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 채널 가중된 sounding RS를 하나의 역방향 링크 타임 슬롯내에서 다중화하여 동시에 전송하고, BTS에서는 이를 수신 신호 처리하여 상향 링크 채널 정보를 추정한다.

고속패킷통신, 이동통신시스템, 시분할 다중화 시스템, 다중 입출력 안테나시스템, MIMO, 채널 추정, 송신 안테나 선택, sounding RS

Description

다중 입출력 안테나를 포함하는 시분할다중화 무선통신시스템에서 상향 링크 데이터 전송을 위한 송신 안테나 선택과 다중 입출력 채널 추정을 위한 데이터 송/수신 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS SELECTING TRANSMIT ANTENNA AND ESTIMATING UPLINK MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT CHANNELS IN TIME-DIVISION MULTIPLEXING WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 송/수신 다중 안테나를 사용하는 시분할 다중화 무선통신시스템에서 상향 링크 데이터 전송을 위한 송신 안테나를 선택하고, 선택된 송신 안테나를 통해 상향 링크 MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 채널을 추정하기 위한 데이터 송/수신 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선통신에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 제공하기 위해 송신단과 수신단에 다중의 안테나를 사용하는 다중 입/출력 안테나 시스템(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)이 제안되고 있다. MIMO 기술 중의 하나인 공간 다중화 (spatial multiplexing, SM) 기술은 하나의 송신기와 하나의 수신기간에 다수의 공 간적인 부 채널(spatial sub-channel)들을 동시에 형성하여 각 공간적인 부 채널 별로 독립적으로 데이터를 전송함으로써 각 링크에서의 데이터 전송 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 공간분할다중접속(space division multiple access : SDMA) 기술은 다수의 수신기들에게 동시에 데이터 스트림(stream)들을 보냄으로써 시스템의 전송 용량을 증가 시킬 수 있다. 상기 공간 다중화와 공간분할다중접속은 송신기와 수신기에서 공간 신호 처리(spatial processing)이 요구되며, 이를 위해서는 송신기와 수신기 사이의 MIMO 채널 상태 정보 (channel state information : CSI)를 송신기와 수신기가 가지고 있어야 한다.

시분할 다중화 시스템(time division multiplexing : TDD) 시스템은 BTS (base transceiver station)의 송신기에서 AT(access terminal)의 수신기로의 하향 링크와 AT의 송신기에서 BTS의 수신기로의 상향 링크가 동일한 주파수 대역을 공유하기 때문에, 상향 링크와 하향 링크 채널간 상호관계(reciprocity)를 이용하여, 상향 링크 채널 추정으로부터 하향 링크 채널을 추정할 수 있다. 따라서, 상기 송신기와 수신기 각각에서 송신 RF chain들과 수신 RF chain들간의 차이를 보상해주는 계산(calibration)이 수행되면, 상기 하향 링크와 상향 링크의 채널 응답이 서로 상호연관 관계가 있다고 가정할 수 있다. 즉, 상기 BTS에서 n_T개의 송/수신 안테나와 상기 AT에서 n_T개의 송/수신 안테나를 사용하는 TDD MIMO 시스템에서 계산된 상향 링크 채널 응답을 n_T x n_R행렬인 H_U로 나타낼 경우, 계산된 하향 링크 채널 응답을 나타내는 행렬 H_D는 하기의 <수학식1>과 같이 표현된다.

상기 <수학식 1>에서 A^T는 A의 전치행렬을 나타내고 h_u,m는 AT의 m번째 송신 안테나로부터 상기 BTS의 n_T개 수신 안테나로 수신된 채널 벡터이다. 하향 링크에서 공간 다중화와 공간분할다중접속과 같은 MIMO 기술을 운용하기 위해서는, BTS의 송신기가 n_T x n_R크기의 하향 링크 채널 행렬 H_D를 알아야 한다. 따라서, 상향 링크와 하향 링크 채널들이 서로 상호 연관 관계가 있는 TDD 시스템에서는, AT의 송신기로부터 전송되는 sounding RS(reference signal)을 이용하여 BTS에서 상향 링크 채널 행렬 H_U를 추정하고, 이를 전치행렬을 구하여 하향 링크 채널 행렬 H_D를 추정할 수 있다.

AT는 휴대용 통신 기기로서 배터리의 성능을 최대화 해야 한다. 따라서, AT는 많은 전력을 소모하는 RF 송신 chain을 다수 개를 사용할 수 없다. 결국, AT는 수신 시에는 n_R개의 송/수신 안테나로부터 수신된 신호들을 n_R개의 수신 RF chain을 통해 처리하고, 송신 시에는 단일 송신 RF chain을 통해 처리된 신호를 상기 n_R개의 송/수신 안테나 중에 하나의 안테나를 선택하여 전송한다. AT가 상기 단일 송신 chain을 사용할 경우, AT의 단일 송신 chain을 통해 처리된 sounding RS가 n_R개 송신 안테나들 중 상기 하나의 안테나만을 통해 전송된다. 상기의 경우 AT와 BTS 사 이의 채널 행렬인 n_T x n_R 크기의 상향 링크 채널 행렬 H_U를 추정하지 못하며, 상기 AT의 선택된 단일 송신 안테나와 BTS의 수신안테나의 n_T x 1 크기의 채널 벡터만을 추정할 수 있다. 즉, 상향 링크 채널 행렬 H_U를 구성하는 n_R개의 컬럼 벡터(column vector)들 중 하나의 컬럼 벡터만을 추정할 수 있다. 따라서, AT에서 단일 송신 chain만을 사용한다는 제한 조건하에서, 역방향 링크 MIMO 채널 추정을 위한 효과적인 sounding RS 전송 기술이 요구된다.

또한 AT에서 단일 송신 chain을 사용하기 때문에, AT가 상향 링크에서 데이터를 전송할 경우, AT의 단일 송신 chain을 통해 처리된 데이터는 n_R개 송신 안테나들 중에 선택된 d*번째 안테나를 통해 전송된다. 여기서, d*은 1 부터 n_R까지 범위에서 일정한 규칙에 의해 선택될 수 있다. 상향 링크 MIMO 채널에서 AT의 각 송신 안테나에서 BTS 수신 안테나들로의 전파환경이 매우 상이하기 때문에, 각 송신 안테나에서 BTS 수신 안테나들로의 채널 이득이 매우 상이하다. 따라서, n_R개 송신 안테나들 중에서 순시적으로 가장 높은 상향 링크 채널 이득을 제공하는 송신 안테나를 선택하여 전송하는 기술이 요구된다.

결론적으로, AT에서 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, 상향 링크 데이터 전송을 위한 AT 송신 안테나 선택 기술과 효과적으로 결합된 상향 링크 채널 추정을 위한 sounding RS 전송 기술이 요구된다.

따라서 본 발명은 AT에서 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, 역방향 링크에서 전송되는 트래픽과 sounding RS 데이터의 전송률 및 에러를 개선시키는 새로운 데이터 송/수신 장치 및 방법들을 제공한다.

또한 본 발명은 AT에서 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, AT에서 하향 링크 채널 추정을 통해 순시적으로 역방향 채널 이득을 최대로 하는 송신 안테나를 선택하고, AT의 단일 송신 chain을 선택된 안테나로 RF 스위칭(switching) 한다. 그리고 AT는 선택된 송신 안테나를 통하여 상향 링크 트래픽 및 상향 링크 채널 상태를 전송하는 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 트래픽 전송을 위해 선택된 송신 안테나를 통해, 효과적으로 역방향 링크 sounding RS를 전송함으로써 상향 링크 MIMO 채널을 추정하는 새로운 방법들과 장치들을 제공한다.

또한 본 발명은 상향 링크 채널 상태를 전송하는 성능을 극대화 하기 위해, AT에서 선택되어 상향 링크 트래픽이 실제로 전송될 송신 안테나를 통하여, 선택되지 않은 다른 송신 안테나들의 상향 링크 채널 상태를 매 역방향 링크 타임 슬롯 마다 sounding RS를 이용하여 BTS에 전달하는 방법과 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식은 AT의 하향 링크 채널 추정을 통해, 전치 왜곡된 sounding RS를 다중화하여 전송하고, BTS의 각 수신 안테나 별로 상향 링크 채널 정보를 추정한다. 이와 같이 채널 가중된 sounding RS 방식은 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 채널 가중된 sounding RS를 하나의 역방향 링크 타임 슬롯에 동시에 전송하고, BTS에서는 이를 수신 신호 처리하여 상향 링크 채널 정보를 추정하는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에서는 제안하는, AT의 단일 송신 chain을 n_R개의 송신 안테나들 중에 최대 채널 이득을 가지는 하나의 안테나로 RF 스위칭 하는 방식은, 하나의 송신 chain만을 사용하는 AT의 구조에서 역방향 링크 성능을 가장 할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 상향 링크 데이터 전송을 위한 송신 안테나 선택 방식은, AT가 하향 링크 채널 추정을 통해 상향 링크 송신 안테나를 독자적으로 결정하기 때문에 BTS와의 추가적인 signaling이 필요 없으며, 다이버시티 이득과 평균 SNR 이득을 제공함으로써, 제안하는 방식에 의해 선택된 안테나를 통해 전송되는 데이터와 sounding RS의 전송률과 에러율을 상당히 향상 시킬 수 있다.

본 발명에서 제안하는 역방향 링크 MIMO 채널 추정을 위한 sounding RS 전송 방식은, 역방향 링크에서 최대 이득을 제공하는 송신 안테나를 통하여 AT의 선택되지 않은 다른 송신 안테나들의 상향 링크 채널 상태를 BTS에 전송함으로써, 송신 안테나 선택에 의한 다이버시티 이득과 평균 SNR 이득을 통하여 sounding RS에 포함된 상향 링크 채널 상태 정보에 대한 추정 성능을 상당히 향상 시킨다. 또한, 본 발명에서 제안하는 "전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식"과 "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"은 기지국의 수신 안테나 수에 따라 적합한 방식을 선택하여 적용할 수 있다.

본 발명을 사용하면 AT에서 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, 상향 링크 트래픽 데이터 전송을 위한 AT 송신 안테나 선택 기술과 효과적으로 결합된 상향 링크 채널 추정을 위한 sounding RS 를 전송할 수 있다

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 TDD MIMO 시스템에서 상향 링크 데이터 전송을 위한 송신 안테나 선택 기술과 효과적으로 결합된 상향 링크 채널 추정을 위한 sounding RS 전송 방법을 제안한다

본 발명이 제안하는 TDD MIMO시스템의 구조를 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

< 제안하는 TDD MIMO 시스템의 구조 >

도 1은 본 발명에서 제안한 AT(100)가 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템을 도시한 것이다. 매 상향 링크 슬롯마다 단일 송신chain(124)을 n_R개의 송신 안테나(102~106)들 중에 선택된 하나의 안테나로 스위칭 (switching)하여 송신하는 구조를 제안하고 있다. 본 발명에서는 데이터를 형성하는 상향링크 트래픽 발생기(122)와 이를 RF 대역으로 상승 변환(up conversion)하여 전송하는 RF부를 송신 Chain(124)이라고 칭한다. 상기 송신 chain은 송신안테나를 제외한 RF부을 총칭한다. 상기 상향링크 트래픽 발생기(122)로부터 발생된 트래픽은 송신 Chain(124)을 통하여 상승 변환되며, 상기 상승 변환된 트래픽은 RF스위치(128)을 통해 n_R개의 송신 안테나(102~106)들 중에 선택된 단일 안테나를 통하여 송신된다. 상기 상향 링크 트래픽 전송을 위한 송신 안테나의 구체적인 선택 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(1) 상향 링크 트래픽 전송을 위한 AT의 상향 링크 송신 안테나 선택

본 발명에서는 TDD MIMO 시스템의 상향 링크에서 AT가 단일 송신 chain을 사용하는 경우, AT의 하향 링크 채널 추정을 통해 상기 상향 링크 채널 이득을 최대로 하는 AT의 상향 링크 송신 안테나 선택 방법을 제안한다.

t_D 번째 하향 링크 시간 슬롯 동안에 도 1의 n_R개의 수신 안테나(102~106)들로부터 수신된 신호는 각각 n_R개의 수신 chain(108~112)에 의해 기저대역 신호로 처 리된다. BTS에서 n_T개의 송신 chain에서 전송된 하향 링크 sounding RS를 이용하여, AT의 하향 링크 채널 추정기(114)에서는 하기 <수학식 2>와 같이 n_T x n_R 크기의 하향 링크 채널 행렬

를 추정한다.

여기서,

은 상기 BTS의 n_T개의 송신 안테나로부터 AT의 m번째 수신 안테나로의 채널 벡터를 나타낸다.

하향 링크 채널 추정기(114)에서 추정된 상기 하향 링크 채널 행렬

를 이용하여, 송신 안테나 선택기(116)에서는 t_U번째 상향 링크 시간 슬롯에서의 트래픽 전송을 위해, 총 n_R개의 송신 안테나들 중에서 최대 이득을 제공하는

번째 송신 안테나를 다음 <수학식 3>에 따라 선택하여 RF 스위치(128)에게 전달한다.

상기 <수학식 3>은 하향 링크 채널 행렬

를 구성하는 n_R개의 행벡터(row vector)

중에서 최대 채널 이득을 갖는 안테나를 선택하 는 동작을 나타낸 것이다. 상기 <수학식 1>과 같이 TDD 시스템의 상향 링크와 하향 링크 채널간의 상호 연관성에 의해, 하향 링크 타임 슬롯과 상향 링크 타임 슬롯간의 시간 차이, 즉 t_U - t_D가 채널의 상관 시간(coherence time) 이내 라면,

가 성립하기 때문에, 상기 추정된 하향 링크 채널 행렬을 이용하여 선택된 AT에서의 d(t_U) 번째 송신 안테나는 n_R개의 송신 안테나들 중에서 상향 링크 채널 이득을 최대화 한다. 본 발명에서 제시한 상기 방법과 같이 순시적으로 채널 이득을 최대로 하는 송신 안테나를 선택하는 방식은 고정된 하나의 송신 안테나를 사용하는 경우보다 공간 다이버시티 효과가 n_R배 증가하여 다이버시티 이득이 증가하고, 평균 신호 대 잡음비 (signal to noise ratio, SNR)가 약 0.75n_R배 정도 개선되는 효과가 있다. 즉 본 발명의 송신 안테나 선택 방법은 다이버시티 이득과 평균 SNR 이득을 제공함으로써 역방향 링크 트래픽 데이터 전송률과 에러율을 상당히 향상 시킬 수 있다.

송신 안테나 선택기(116)로부터 선택된 안테나 인덱스 정보를 입력 받아, 상향 링크 RF 스위치(128)은 송신 chain(124)을 n_R개의 송신 안테나(102~106) 중에서 선택된 송신 안테나로 switching 하고, 상향 링크 트래픽 발생기(122)와 sounding RS를 이용한 상향 링크 채널 정보 발생기(120)에서 발생된 데이터들이 전송된다.

(2) 상향 링크 MIMO 채널 추정을 위한 AT의 sounding RS 전송 방법

상기에 기술된 "역방향 링크 트래픽 전송을 위한 AT의 상향 링크 송신 안테 나 선택" 방법에 의해 선택된 d(t_U) 번째 송신 안테나는, t_U 번째 상향 링크 시간 슬롯 동안, AT의 n_R개의 송신 안테나들 중에서 BTS로의 최대 채널 이득을 제공한다. 본 발명에서는 상향 링크 sounding RS를 상기 선택된 d(t_U) 번째 송신 안테나를 통해 전송함으로써, 송신 안테나 선택에 의한 공간 다이버시티 이득과 평균 SNR 이득에 의해 상향 링크 sounding RS의 추정 성능을 상당히 향상 시킬 수 있다. 즉 상향 링크 데이터 전송을 위해 선택된 d(t_U) 번째 송신 안테나를 통해 상향 링크 sounding RS를 전송한다.

그러나 상기의 경우 선택된 단일 안테나만의 채널정보가 BTS에게 전달되게 되고, BTS는 나머지 채널들의 sounding RS 값을 알지 못하게 된다. 상기 문제점을 보완하기 위하여 본 상향링크 전송을 위해 선택된 단일 안테나를 통해 모든 하향링크 채널들의 sounding RS을 전송하는 방법이 필요하다.

즉, 상기의 경우 BTS는 매 상향 링크 시간 슬롯 마다 AT의 선택된 d(t_U) 번째 송신 안테나로부터 전송되는 sounding RS를 추정함으로써, d(t_U) 번째 송신 안테나로부터 BTS로의 n_Tx1 크기의 채널 벡터만을 추정할 수 있다. BTS에서 상향 링크 채널 행렬 H_U를 추정하기 위해서는 AT의 n_R개의 각 송신 안테나에서 BTS까지의 채널 상태를 나타내는 H_U의 n_R개 행 벡터들에 대한 추정이 필요하기 때문에, 이를 위해서는 AT에서 선택된 d(t_U) 번째 송신 안테나를 이용하여, 선택되지 않은 AT의 다른 송 신 안테나들로부터 BTS로의 상향 링크 채널 상태를 순차적으로 BTS에 전달해야 한다.

본 발명에서는 AT에서 선택되어 상향 링크 트래픽이 전송될 송신 안테나를 통하여, 선택되지 않은 다른 송신 안테나들로부터 BTS로의 상향 링크 채널 상태를 BTS에 전달하기 위한 sounding RS 전송 기법을 제안한다. 즉, 상향 링크에서 트래픽을 송신할 실제 안테나 인덱스를 d라고 가정하고, 상향 링크 채널 상태를 전달하려는 송신 안테나의 인덱스를 c라고 가정하면, AT의 상기 d번째 송신 안테나를 이용하여 c번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 링크 채널 상태를 전달하는 sounding RS 전송 기법을 제안한다. 상기 선택된 송신 안테나 d와 상기 상향 링크 채널 상태를 전달하려는 안테나 c는 서로 다르므로 d≠c가 된다. 본 발명에서는 전송되는 sounding RS의 종류 및 형태에 따라 다음 두 가지 실시 예를 제안한다.

< 제 1 실시 예 >

(가) 전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식

t_D번째 하향 링크 시간 슬롯 동안, 도 1의 AT의 하향 링크 채널 추정기(114)에서는 BTS의 각 송신 안테나에서 전송된 하향 링크 sounding RS를 이용하여, 상기 <수학식 2>와 같이 n_T x n_R 크기의 하향 링크 채널 행렬 H_D(t_D)를 추정한다. TDD 시스템의 상향 링크와 하향 링크 채널간의 상호연관성에 의해,

가 성립하기 때문에, AT는 c번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 채널 벡터 h_{U ,c}(r_U) 와 d번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 채널 벡터 h_U,d(t_U)를 알 수 있으며, 이 벡터들은 다음 <수학식 4>와 같이 표현된다.

여기서, 설명의 편의를 위해 타임 슬롯 인덱스 t_D를 생략한다. h_U,c,k와 h_U,d,k(k = 1, L, n_T)는 각각 h_U,c와 h_U,d 벡터의 k번째 원소를 의미한다. 따라서, c번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 링크 채널 벡터 h_U,c를 BTS로 전달하기 위해서는 총 n_T개의 복소 심볼을 d번째 송신 안테나를 통해 전송해야 한다.

하향링크 채널 추정기(114)로부터 추정된 채널 정보를 이용하여 송신 안테나 선택기(116)는 가장 좋은 하향링크 채널 상태를 가지는 특정 안테나 인덱스를 선택하여 RF 스위치(128)로 전달한다. 또한 상기 하향 링크 채널 추정기(114)로부터 추정된 채널 정보를 이용하여, AT의 전치 왜곡기(118)에서는 d번째 송신 안테나에서 전송되는 sounding RS에 곱해줄 복소 가중치 a_k를 다음 <수학식 5>와 같이 계산한다.

즉, 복소 가중치 a_k는 h_U,c의 k번째 원소를 h_U,d의 k번째 원소로 나누어서 구한다. 구해진 n_T개의 복소 가중치

는 sounding RS에 곱해져, 상향 링크 타임 슬롯 내의 n_T개의 시간 구간

에 나누어져서 TDM( Time Division Multiplexing ) 방식으로 전송되거나, 직교하는 n_T개의 코드가 곱해져서 CDM(Code Division Multiplexing ) 방식으로, 또는 서로 다른 n_T개의 주파수 대역에 나뉘어져서 FDM(Frequency Division Multiplexing) 방식으로 전송될 수 있다. 후술될 본 발명의 실시 예는 n_T개의 복소 심볼 a_k가 TDM 방식으로 전송되는 경우를 설명할 것이다. 그러나 제안된 기술은 CDM과 FDM 방식으로 전송되는 시스템에도 적용 가능하다. 상기 수식에 의해 전치 왜곡기(118)에서 구한 복소 가중치 a_k값은 Sounding RS를 이용한 상향 링크 채널 정보 발생기(120)로 입력된다. Sounding RS를 이용한 상향 링크 채널 정보 발생기(120)는 상기 입력 받은 복소 가중치 값을 사용하여 상기 d번째 송신 안테나에서 전송되는 sounding RS에 곱하여 상향 링크 채널 정보를 발생하고, 이 값을 송신 chain(124)로 전달한다. 송신 chain(124)는 상향링크 트래픽 발생기(122)와 상기 상향링크 채널 정보 값을 조합하여 상승 변환한다. RF스위치(128)는 n_R개의 송신 안테나(102~106)들 중에 송신안테나 선택기(116)에 의해 선택된 단일 송신 안테나로 스위칭 하고, 상기 송신 chain(124)에서 출력된 신호를 송신한다. 상향 링크 타임 슬롯 내의 k 번째 시간 구간 T_P,k에서 전송되는 복소 심 볼은 sounding RS에 복소 가중치 a_k가 곱해진 심볼로, AT의 d번째 송신 안테나를 통해 전송되어 다음 <수학식 6>과 같이 신호 벡터 Y_k가 BTS에 수신된다.

복소 가중치 a_K는 상향 링크 채널을 통과하면서 h_U,d 벡터의 각 원소들과 곱해진다. 특히, BTS의 k 번째 안테나에 수신되는 신호, 즉 수신 신호 벡터 Y_K의 k 번째 원소는 C 번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 링크 채널 벡터 h_U,c의 k 번째 원소인 h_U,c,k가 수신된다. 따라서, BTS는 역방향 링크 타임 슬롯의 T_P,1 시간 구간에서 첫번째 수신 안테나에 수신되는 심볼을 복구하여 h_U,c,1을 추정할 수 있으며, T_P,k 시간 구간에서 k 번째 수신 안테나에서 수신된 심볼을 복구함으로써 h_U,c,k를 추정할 수 있다. 따라서, 역방향 링크 타임 슬롯의 n_T개의 시간 구간

동안, 해당 수신 안테나에서 수신된 심볼을 복구함으로써 h_{U ,c}를 추정할 수 있다. 도 2는 상기 제 1 실시 예에 의해 AT(202)에서 전송되는 UL(uplink) 타임 슬롯(time slot)과 BTS(200)에서 수신되는 신호를 도시한 것이다. 각 안테나(1,2, …, n_T)의 sounding RS값에 상기 <수학식 5>에 의해 구해진 복소 가중치

가 곱해진 형태의 전치 왜곡된 sounding RS(204)가 역방향 링크 타임 슬롯에서 T_{p ,1} T_p,2, …, T_p,nT의 n_T시간 구간으로 나누어져서 TDM 방식으로 전송된다. 상기 BTS(200)의 각 안테나(1,2, …n_T)에서는 상기 <수학식 6>과 같이 신호성분이 수신되고, 이를 통해 h_U,c의 원소들을 추정할 수 있다.

< 제 2 실시 예 >

(나) 채널 가중된 sounding RS 전송 방식

본 발명의 제 2 실시 예인 채널 가중된 sounding RS 전송 방법은 AT가 한 역방향 링크 타임 슬롯 내에서 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 h_U,c의 n_T개 복소 원소

가 곱해진 sounding RS를 d번째 송신 안테나를 통해 TDM, CDM, 또는 FDM 방식으로 전송한다.

후술될 본 발명의 실시 예는 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 h_U,c의 n_T개 복소 원소

가 곱해진 sounding RS가 TDM 방식으로 전송되는 경우를 설명할 것이다. 따라서, 상향 링크 타임 슬롯은 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS가 전송되는 시간 구간 T_NW과 채널 가중치가 곱해진 sounding RS가 전송되는 시간 구간 T_W로 나뉘어 진다. 또한 T_W는 n_T개의 시간 구간

으로 나뉘어져 h_{U ,c}의 n_T개 복소 원소

가 곱해진 sounding RS가 전송된다.

AT는 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS를 전송하고, BTS는 역방향 링크타임 슬롯의 T_NW 동안에 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS를 이용하여 d번째 송신 안테나로부터 BTS까지의 상향 채널 벡터 h_U,d를 추정한다. 상향 링크 타임 슬롯 내 T_W의 k번째 시간 구간 T_W,k에서는 sounding RS에 복소 가중치 h_U,c,k가 곱해진 심볼이 전송되고, AT의 d번째 송신 안테나를 통해 전송되어 다음 <수학식 7>과 같이 신호 벡터 Y_K가 BTS에 수신된다.

BTS 수신기는 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS에 의해 추정된 상향 채널 벡터 h_U,d를 이용하여, 수신 신호 벡터 y_k를 MRC(maximal ratio combining) 또는 MMSE(minimum-mean square error)와 같은 수신 신호 처리를 한다. 본 발명의 실시 예는 MRC 수신 신호 처리의 경우를 가정하고, 수신 신호 벡터 Y_k를 MRC 수신 신호처리 하면 다음 <수학식 8>과 같이 sounding RS에 가중된 h_U,c의 k 번째 원소 h_U,c,k를 추정할 수 있다.

따라서, BTS는 역방향 링크 타임 슬롯의T_W,1에서 수신되는 심볼을 복구하여 h_U,c,1을 추정할 수 있으며, T_W,k에서 수신된 심볼을 복구함으로써 h_U,c,k를 추정할 수 있다. 따라서, T_W 동안 수신된 심볼을 복구함으로써 h_U,c를 추정할 수 있다.

도 3는 상기 실시 예2에 의해 전송되는 AT(300)에서 전송되는 UL(uplink) time slot과 BTS(306)에서 수신되는 신호를 도시한 것이다. 한 역방향 링크 타임 슬롯에서 T_W,N 구간 동안은 가중되지 않은 sounding RS(302)와 T_W,1, T_W,2, …, T_W,nT 시간 동안은 채널 가중된 sounding RS(304)가 TDM 방식으로 전송된다. 상기 전송된 신호는 BTS(306)에서 안테나 1, 안테나 2, …, 안테나 n_T에서 수신하고, 상기 신호는 참조번호 308과 같이 MRC(Maximum Ration Combining) 방식으로 신호 처리하여 T_W,1, T_W,2, …, T_W,nT 구간 동안 가중된 sounding RS를 참조번호 310과 같이 출력하면 역방향 링크 채널이 추정된다.

도 4 및 도 5는 송/수신단의 동작 흐름도를 보여주는 도면이다.

도 4는 BTS에 채널 추정 정보를 전달하기 위한 단말의 동작 흐름도이다. 401 과정에서 AT는 초기 호 셋업 과정에서 AT가 사용하는 송/수신 안테나 수를 BTS에 알려준다. 제안하는 상향 링크 MIMO 채널 추정을 위한 AT의 sounding RS 전송 방법 은 하나의 역방향 링크 타임 슬롯 동안에 하나의 AT 송신 안테나의 상향 링크 채널 정보를 전송한다. 따라서, AT의 n_R개의 송신 안테나의 상향 링크 채널 정보를 전송하기 위해서, BTS와 AT가 역방향 링크 타임 슬롯 별로 채널 상태 송신 안테나의 인덱스 C를 결정하는 규칙을 미리 약속해야 한다. 예를 들면, 채널 상태 송신 안테나의 인덱스 C를 1,2,L, n_R, 1,2,L와 같이 순차적으로 변화 시키게 되면, 첫 번째 역방향 링크 타임 슬롯에서 c=1이 되고, n_R번째 타임 슬롯에서 c=n_R가 되며, n_R+1 번째 타임 슬롯에서 c=1이 된다.

제안 발명의 동작 예에서는 하향 링크 타임 슬롯 인덱스 t_D와 상향 링크 타임 슬롯 인덱스 t_D가 1부터 순차적으로 증가한다고 가정한다.

402 과정을 통해 AT는 하향 링크 타임 슬롯마다, BTS의 각 송신 안테나에서 전송된 하향 링크 sounding RS를 이용하여, 하향 링크 채널 행렬 H_D(t_D)를 추정한다. 추정된 하향 링크 채널 행렬 H_D(t_D)를 이용하여, 본 발명에서 제안하는 "상향 링크 채널 이득을 최대로 하는 AT의 상향 링크 송신 안테나 선택 방법"을 통해, 403 단계에서 다음 상향 링크 타임 슬롯 t_U에서 트래픽을 전송할 AT의 송신 안테나 d(t_U)를 선택한다.

404 과정에서는 403 과정에서 선택된 송신 안테나 d(t_U)를 통해 상향 링크 채널 정보를 전송할 AT의 송신 안테나 인덱스 c(t_U)를 결정한다. 예를 들어, c(t_U) 를 1,2,L, n_R, 1,2,L와 같이 순차적으로 변화 시킬 경우, c(t_U) = rem(t_U,n_R)으로 결정된다. 여기서, rem(a,b)는 a를 b로 나눈 나머지를 구하는 함수이다.

405 과정에서 AT는 추정된 하향 링크 채널 행렬 H_D(t_D)의 d(t_U) 번째 컬럼 벡터와 c(t_U) 번째 컬럼 벡터를 이용하여, 본 발명에서 제안하는 "전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식"에 필요한 sounding RS의 전치 왜곡 가중치를 계산하거나, "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"에 요구되는 sounding RS의 채널 가중치를 계산한다. 계산된 가중치를 이용하여 406 단계에서는 sounding RS에 곱해서, 각 전송 방식 별로 도 2와 도 3에 설명된 각 역방향 링크 타임 슬롯 구조에 맞게 전송한다.

BTS에서 채널 추정을 위한동작 흐름도는 도 5와 같다. 먼저, BTS는 501 과정에서 AT로부터 피드백 (feedback)된 AT의 송/수신 안테나 수에 대한 정보를 획득하고, 502과정에서는 해당 역방향 링크 타임 슬롯에서 전송되는 sounding RS가 AT의 몇 번째 송신 안테나의 역방향 링크 채널 정보를 전달하는지 결정한다.

503 과정을 통해 BTS는 역방향 링크 sounding RS 전송 방식에 따라, 도 2와 도 3에 설명된 각 역방향 링크 타임 슬롯 구조에 맞게, c(t_U) 번째 송신 안테나의 상행 링크 채널 벡터를 추정한다. 504 과정에서는 n_R개의 연속적인 역방향 링크 타임 슬롯 동안의 역방향 링크 채널 추정 과정을 통해 추정된 n_R개의 추정된 벡터들

로 구성된

를 추정한다. 또한, 이를 transpose하여 505 과정에서는 하향 링크 MIMO processing에서 요구되는 하향 링크 채널 행렬 H_D(n_R)를 구한다. 마지막으로 506 과정을 통해 BTS는 t_U ? n_R 1인 역방향 링크 타임 슬롯에서 추정된 채널 벡터들은 H_U(n_R)의 rem(t_U,n_R) 번째 행 벡터를 업데이트 한다. 본 발명에서는 TDD MIMO 시스템의 상향 링크 채널 이득을 최대로 하는 AT의 송신 안테나 선택 방법을 제안하였다. 제안하는 방식은 AT의 하향 링크 채널 추정을 통해, 순시적으로 채널 이득을 최대로 하는 AT의 송신 안테나를 선택함으로써, 고정된 하나의 송신 안테나를 사용하는 경우보다 공간 다이버시티 order가 n_R배 증가하여 다이버시티 이득이 증가하고, 평균 신호 대 잡음비(signal to noise ratio : SNR)가 약 0.75n_R배 정도 개선된다. 제안하는 송신 안테나를 선택하는 방식은 AT가 하향 링크 채널 추정을 통해 상향 링크 송신 안테나를 독자적으로 결정하기 때문에, BTS와의 추가적인 signaling이 필요 없으며, 다이버시티 이득과 평균 SNR 이득을 제공함으로써 역방향 링크에서 전송되는 트래픽 데이터와 sounding RS의 전송률과 에러율을 상당히 향상 시킬 수 있다.

본 발명에서는 AT에서 선택되어 상향 링크 트래픽이 전송될 송신 안테나를 통하여, 선택되지 않은 다른 송신 안테나들의 상향 링크 채널 상태를 BTS에 전달하기 위한 두 가지의 sounding RS 전송 기법을 제안하였다. "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"은 하나의 역방향 링크 타임 슬롯 동안 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 n_T개의 채널 가중치가 곱해진 sounding RS를 같이 전송하므로, 채널 가중치가 곱해진 sounding RS를 전송하는 시간 구간이 "전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식"보다 감소하게 된다. 채널 가중치가 곱해진 sounding RS를 전송하는 시간 구간의 감소는, 가중된 sounding RS 추정을 위한 신호 에너지의 감소를 야기 시켜 채널 추정 성능을 열화 시키지만, 상기 <수학식 8>과 같이 "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"은 BTS의 n_T개의 수신 안테나에 의한 MRC 이득을 추가적으로 얻음으로써 이를 보상 할 수 있다. BTS의 수신 MRC에 의해 다이버시티 order가 n_T배 증가함으로써 다이버시티 이득을 얻을 수 있고 평균 SNR이 n_T배 증가한다.

반면에 "전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식"은 하향 링크 채널 추정을 통해 sounding RS를 전치 왜곡하여 전송함으로써, 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS를 전송할 필요가 없다. 따라서, 전치 왜곡된 sounding RS를 전송하는 시간 구간이 "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"보다 커지기 때문에 전치 왜곡된 sounding RS 추정을 위한 신호 에너지를 증가시켜 추정 성능을 개선 시킨다.

따라서, 기지국 수신 안테나 수 n_T가 클 경우에는 MRC 수신 신호 처리에 의한 이득이 증가하는 "채널 가중된 sounding RS 전송 방식"이 적합하고, 기지국 수신 안테나 수 n_T가 작을 경우에는 전치 왜곡된 sounding RS를 전송하는 시간 구간이 상대적으로 큰 "전치 왜곡된 sounding RS 전송 방식"이 적합하다.

도 1은 AT가 단일 송신 chain을 사용하는 TDD MIMO 시스템에서, 매 상향 링크 슬롯마다 AT의 단일 송신 chain을 개의 송신 안테나들 중에 선택된 하나의 안테나로 스위칭 하는 송신기 구조의 일례를 도시하고 있는 도면

도 2은 전치 왜곡된 sounding RS가 역방향 링크 타임 슬롯에서 개의 시간 구간으로 나누어져서 TDM 방식으로 전송되고, BTS의 각 수신 안테나에 나뉘어서 수신되어 추정되는 일례를 도시하고 있는 도면

도 3는 채널 가중된 sounding RS 전송 방식에서 하나의 역방향 링크 타임 슬롯 내에 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS와 채널 가중된 sounding RS가 TDM 방식으로 전송되고, BTS에서 MRC 수신 신호 처리되어 복구되는 일례를 설명하는 도면

도 4는 BTS에 채널 추정 정보를 전달하기 위한 단말의 동작 흐름도

도 5는 하향링크 채널 추정을 위한 BTS에서 동작 흐름도

Claims (7)

1. 다중 안테나(MIMO)를 사용하는 이동통신 시스템에서, 단말이 단일 송신 체인(Chain)을 사용하여 상향 링크 송신 안테나를 선택하고 채널 정보를 송신하는 방법에 있어서,

   다중 안테나의 하향 링크 채널 행렬을 추정하는 과정과,

   상기 추정된 채널 행렬에서 채널 상태가 가장 좋은 단말의 단일 송신 안테나 인덱스 d를 결정하는 과정과,

   상기 단일 송신 안테나를 통해 전송할 채널 정보에 대응하는 송신 안테나 인덱스 c를 결정하는 과정과,

   상기 전송할 채널정보 송신 안테나 인덱스들의 가중치를 계산하는 과정과,

   상기 가중치를 이용하여 상향 링크 채널 정보를 생성하고, 생성된 상향 링크 채널정보와 상향 링크 트래픽을 함께 송신하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 상향 링크 트래픽 전송 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전송할 채널정보 송신 안테나의 인덱스들의 가중치를 계산하는 과정은 전치 왜곡 가중치 방식을 사용하여 가중치를 계산함을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 상향 링크 트래픽 전송 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전송할 채널정보 송신 안테나의 인덱스들의 가중치를 계산하는 과정은 채널 가중치 방식을 사용하여 가중치를 계산함을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 상향 링크 트래픽 전송 방법.
4. 다중 안테나(MIMO)를 사용하는 이동통신 시스템에서, 단말이 단일 송신 체인(Chain)을 사용하여 단일 안테나를 통해 신호를 송신할 경우, 기지국에서 채널 정보를 획득하는 방법에 있어서,

   상기 단말의 송/수신 안테나의 수를 수신하는 과정과,

   상기 수신한 단말의 안테나 수를 기반으로 하여 송신 안테나 인덱스를 획득하는 과정과,

   상기 송신 안테나 인덱스의 상향 링크 채널 벡터를 추정하여, 상향 링크 채널 행렬을 추정하는 과정과,

   상기 추정된 상향 링크 채널 행렬을 이용하여 하향 링크 채널 행렬을 획득하는 과정과,

   상기 하향 링크 채널 행렬 값으로 하향 링크 채널 행렬의 행 벡터를 업데이트 하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 기지국에서의 하향 링크 채널 행렬 획득 방법.
5. 다중 안테나(MIMO)를 사용하는 이동통신 시스템에서, 단말이 단일 송신 체인(chain)을 사용하는 경우, 상향링크 채널 정보를 송신하는 방법에 있어서,

   하향 링크 채널을 추정하여 단일 송신 안테나를 선택하는 과정과,

   상기 선택된 단일 송신 안테나의 채널 값과 선택되지 않은 나머지 송신 안테나들의 채널 값들의 비로서 복소 가중치는 계산하는 과정과,

   상기 복소 가중치를 선택된 안테나에서 전송되는 sounding RS에 곱하여 하나의 상향 링크 타임 슬롯 내의 시간 구간에 나누어져 TDM 또는 CDM 또는 FDM 방식으로 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 상향 링크 트래픽 전송 방법.
6. 다중 안테나(MIMO)를 사용하는 이동통신 시스템에서, 단말이 단일 송신 체인(chain)을 사용하는 경우, 상향링크 채널 정보를 송신하는 방법에 있어서,

   가중치가 곱해지지 않은 sounding RS를 생성하는 과정과,

   h_{U ,c}의 n_T개 복소 원소

   

   를 곱하여 채널 가중치가 곱해진 sounding RS를 생성하는 과정과,

   상기 가중치가 곱해지지 않은 sounding RS는 하나의 상향 링크 타임 슬롯내의 일부 시간 구간 T_NW에 할당하고, 채널 가중치가 곱해진 sounding RS는 나머지 슬롯 시간 구간 T_W에 할당하는 과정과,

   상기 상향 링크 타임 슬롯을 단일 송신 안테나를 통해 전송하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 MIMO 시스템에서 상향 링크 채널 정보 전송 방법.
7. 다중 안테나(MIMO)를 사용하는 이동통신 시스템에서, 단말이 단일 송신 체인(Chain)을 사용하여 상향 링크 송신 안테나를 선택하고 채널 정보를 송신하는 장치에 있어서,

   송신부는,

   하향 링크 채널 신호를 수신하는 수신 체인(chain)과, 수신한 하향 링크 채널 신호를 이용해 하향 링크 채널을 추정하는 하향 링크 채널 추정기와,

   상기 하향 링크 채널 추정기의 출력 값을 이용하여 송신 안테나를 선택하는 송신 안테나 선택기와,

   상기 하향 링크 채널 추정 값을 사용하여 전치 왜곡 값을 계산하는 전치 왜곡기를 포함하며,

   송신부는,

   상기 전치 왜곡기 값을 입력 받아 상향 링크 채널 정보를 발생하는 sounding RS를 이용한 상향 링크 채널 정보 발생기와,

   상기 상향 링크 채널 정보와 상향 링크 트래픽을 전송하기 위한 단일 송신 안테나를 선택하는 송신 체인(chain)과 상기 송신 체인(chain)과 송신 안테나를 연결하는 RF스위치를 포함함을 특징으로 하는 채널 정보 송신 장치.

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