KR101813601B1

KR101813601B1 - 이동통신 시스템에서 제한적 피드백 기반 공동 처리 및 전송에서의 전처리 모드 선택을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101813601B1
Application number: KR1020110016340A
Authority: KR
Inventors: 고은석; 김영수; 이상훈; 이호재
Original assignee: 삼성전자주식회사; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2017-12-29
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: US9385799B2; KR20120097028A; US20120219043A1

Abstract

본 발명은 전처리 모드에 관한 것으로 이동통신 시스템에서 전처리 모드 선택을 위한 기지국의 방법에 있어서 적어도 하나의 단말로부터 채널 추정 정보를 수신하는 경우, 상기 채널 추정 정보를 취합하여 전처리 방식에 따라 사용자 그룹화를 수행하는 과정과 각 전처리 방식에 따라 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성하는 과정과 각 전처리 방식에 대한 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 결정하는 과정과 결정된 후보군 집합에 결정된 전처리 방식을 이용하여 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이동통신 시스템에서 제한적 피드백 기반 공동 처리 및 전송에서의 전처리 모드 선택을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRECODING MODE SELECTION WITH JOINT PROCESSING/TRANSMISSION BASED ON LINITED FEEDBACK IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 이동통신 시스템에서 제한적 피드백을 기반으로 하는 CoMP-JPT( Coordinated Multi-Point transmission Joint Processing/Transmission) 환경에서, 채널 상태에 따라 효율적으로 전처리(Precoding) 방식을 변경하기 위해 전처리 모드를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

이동통신 시스템에서 공간적인 위치 또는 시변하는 채널 상황에 따라 여러 가지 전처리 방식이 사용될 수 있다 그리고 상기 전처리 방식들은 각기 다른 특성을 가지고 있다.

즉, 각 전처리 방식은 전송을 위한 처리 과정의 복잡도와 단말의 피드백 가중치 사이에 상반 관계를 가지기 때문에, 제한적 피드백 환경에서 시변하는 채널 환경에 따라 성능의 차이를 가진다.

여러 가지 전처리 방식이 존재하고, 상기 전처리 방식이 각기 다른 특성을 가지고 있음에 따라, 특정 조건 또는 상황에서 최적의 성능을 보이는 전치리 방식을 결정할 수 있는 방법 및 장치가 필요하다.

본 발명의 목적은 이동통신 시스템에서 제한적 피드백 기반 공동 처리 및 전송에서의 전처리 모드 선택을 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 이동통신 시스템에서 고정된 비트의 피드백 범위 이내에서 더 효율적인 전송 방식을 선택함으로써 더 높은 전송 용량을 얻을 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이동통신 시스템에서 채널 환경에 따라 전송 용량의 차이를 가지는 전처리 방식 중에서 최대 용량을 가지는 전처리 방식을 선택하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 목적들을 달성하기 위한 제 1 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 전처리 모드 선택을 위한 기지국의 방법에 있어서 적어도 하나의 단말로부터 채널 추정 정보를 수신하는 경우, 상기 채널 추정 정보를 취합하여 전처리 방식에 따라 사용자 그룹화를 수행하는 과정과 각 전처리 방식에 따라 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성하는 과정과 각 전처리 방식에 대한 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 결정하는 과정과 결정된 후보군 집합에 결정된 전처리 방식을 이용하여 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적들을 달성하기 위한 제 2 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 전처리 모드 선택을 위한 단말의 방법에 있어서 기지국으로부터 수신한 기준 신호에 대해 채널 추정을 수행하여 전처리 방식을 선택하는 과정과 결정된 전처리 방식에 대한 채널 정보를 기지국으로 피드백하는 과정과 결정된 전처리 방식에 따라 상기 기지국으로부터 데이터를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적들을 달성하기 위한 제 3 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 전처리 모드 선택을 위한 기지국의 장치에 있어서 적어도 하나의 단말로부터 채널 추정 정보를 수신하는 경우, 상기 채널 추정 정보를 취합하여 전처리 방식에 따라 사용자 그룹화를 수행하는 사용자 그룹화부와 각 전처리 방식에 따라 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성하고, 각 전처리 방식에 대한 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 결정하는 스케줄러와 결정된 후보군 집합에 결정된 전처리 방식을 이용하여 데이터를 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적들을 달성하기 위한 제 4 견지에 따르면,이동통신 시스템에서 전처리 모드 선택을 위한 단말의 장치에 있어서 기지국으로부터 수신한 기준 신호에 대해 채널 추정을 수행하고, 결정된 전처리 방식에 따라 상기 기지국으로부터 데이터를 수신하는 수신부와 채널 추정 결과를 기반으로 전처리 방식을 선택하는 모드 선택부와 결정된 전처리 방식에 대한 채널 정보를 기지국으로 피드백하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 시변하는 채널 환경을 고려하여, 효율적으로 다중 사용자를 서비스할 수 있는 이점이 있다. 본 발명의 전처리 방식은 채널 환경에 따라 전송 용량의 차이를 가지기 때문에, 효율적인 전처리 방식을 선택할 수 있고, 이에 따라 전체 시스템의 전송 용량이 증가하는 이점이 있다. 특히, 본 발명은 제한적 피드백 환경에서 고정된

비트의 피드백 범위 이내에서 더 효율적인 전송 방식을 선택함으로써 더 높은 전송 용량을 얻을 수 있는 이점이 있다.

본 발명에서 제안하는 Expected SINR Degradation 는 CoMP-JPT 환경에서 활용되는 각각의 전처리 기술의 특성을 반영하여 유도되었으므로, 제한적 피드백 환경의 송신 단에서 코드북 벡터의 부정확 정도를 예측함으로써 효과적인 송신 방식을 결정할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템의 블록 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메시지 흐름도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 동작과정을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 동작과정을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 성능 분석 결과를 도시한 도면이다,

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도의 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 이동통신 시스템에서 제한적 피드백 기반 협력 처리 및 전송에서의 전처리 모드 선택을 위한 방법 및 장치에 관해 설명하기로 한다.

일반적으로 CoMP-JPT (Coordinated Multi-Point transmission Joint Processing/Transmission) 환경의 전처리 방식은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.

첫 번째로는 다수의 기지국을 하나의 커다란 기지국(Super-BS)으로 간주하고 하나의 단말 사이에 발생하는 채널의 차원을 확장하여 공간 다이버시티(Spatial Diversity)를 얻는 방식을 들 수 있다. 본 발명에서는 이를 전역(Global) 전처리 방식으로 정의한다.

두 번째로는 독립적인 채널 환경에서 동일한 시간에 다수의 기지국으로부터 데이터를 전송받는 지역(Local) 전처리 방식을 들 수 있다.

마지막으로 다수의 기지국과 하나의 단말 사이의 채널을 합하여 이용하는 단일 주파수 네트워크(SFN: Single Frequency Network, 이하 SFN이라고 칭하기로 한다) 전처리 방식을 들 수 있다.

본 발명에서 기지국들의 협력(또는 공동) 전송 서비스를 받는 제공받는 단말은 채널의 변화에 따라 추정된 CQI(Channel Quality Indicator)와 CDI(Channel Direction Indicator)를 결정하고 해당 정보를 제한적 피드백하는데 있어서, 가장 높은 CQI를 결정하게 하는 전처리 방식을 결정하고, 결정된 전처리 방식에 대한 CQI 및 CDI 피드백을 수행한다.

피드백 정보를 수신한 기지국은 단말의 채널 환경 정보를 전처리 방식에 따라 구분하고, 협력 전송을 수행하는 기지국들과 상기 정보를 백홀 망을 통해 공유한다.

협력 전송을 수행하는 기지국들은 전처리 방식에 따라 구분된 단말들의 서비스 여부를 최종적으로 선택하여 서비스를 제공한다.

기지국이 채널의 변화에 따라 서비스받는 전처리 방식을 결정하고 전처리 방식에 따라 구분된 단말들을 효율적으로 선택할 경우, 단말의 채널 변화에 따라 형성되는 링크 전송 용량이 효율적으로 증가된다.

본 발명에서 기지국은 백홀 망을 통해 서비스할 단말의 채널 정보를 공유한다. 전체 단말 수

에 대하여 기지국의 송신 안테나 수는

, 단말의 수신 안테나는 단일 안테나를 가정한다. 일반적으로 기지국

에서 서비스하는 단말

의 수신 신호는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다. 본 발명에서 단말을 사용자라고 칭할 수 있다.

<수학식 1>

여기서

는 홈 기지국

와 단말

사이의

채널 벡터이고,

는 단말

를 위한

전송 가중치 벡터(Transmit Weight Vector), 그리고

는 전송 심볼을 나타낸다. 또한

는 인접 기지국

과 단말

사이의

간섭 채널 벡터이고,

와

는 인접 기지국

의

전송 가중치 벡터와 전송 심볼이다.

는 기지국

에서 서비스하는 단말의 집합이고,

는 전체 기지국의 집합이다.

수신 단에서의 신호는 홈 셀 내에서 다중 단말을 서비스함으로써 발생하는 간섭 성분(IUI:Inter-user Interference)과 인접 셀에서 다른 단말을 서비스함으로써 발생하는 간섭 성분(ICI:Inter-cell Interference)를 가진다.

일반적으로 홈 기지국이 ZFBF(Zero-forcing Beamforming)을 기반으로 단말을 서비스할 경우, 해당 단말에 대해 단말 간 간섭(IUI)은 제거된다. 또한, CoMP-JPT 환경에서는 협력 전송 서비스를 수행하는 기지국으로부터의 ICI가 제거된다. 만약, 제한적 피드백을 가정하면, ICI는 완전히 제거되지 않을 수 있다.

CoMP-JPT 환경에서는 전처리 방식에 따라 단말

의 수신 신호를 하기 수식과 같이 나타낼 수 있다.

<수학식 2>

_,

여기서

는 홈 기지국

와 단말

사이의

채널 벡터이고,

는 단말

를 위한

전송 가중치 벡터(Transmit Weight Vector), 그리고

는 전송 심볼을 나타낸다. 또한

는 인접 기지국

과 단말

사이의

간섭 채널 벡터이고,

와

는 인접 기지국

의

전송 가중치 벡터와 전송 심볼이다.

는 기지국

에서 서비스하는 단말의 집합이고,

는 전체 기지국의 집합이다.

이제, 수신 신호를 고려하여, 기지국이 효율적으로 전처리 방식을 결정하고 전처리 방식에 따라 구분된 단말들을 서비스하는 본 발명의 기법에 대해 설명할 것이다.

전술한 전처리 방식에서, 지역 전처리 방식은 Non-Coherent 전처리 방식이라고도 하며, 각 셀에 대한 CDI 정보를 기반으로 각 셀마다 다른 전처리 가중치를 이용하여 하나 또는 다수의 단말에게 동일한 데이터 서비스를 제공하는 방식을 나타낸다.

상기 수식에서와 같이 3 개의 기지국은 k번째 단말로의 채널

에 대해 각각 독립적으로 전처리 가중치

를 구성하여 사용한다.

여기서 수신 단은 독립적인 채널에 대한 비 코헤런트 병합(Non-Coherent Combining)을 수행하기 때문에 최적화된 성능을 얻을 수는 없다. 또한, 각 개별 채널에 대한 CDI 정보를 피드백해야 하므로 피드백에 대한 오버헤드(overhead)가 크다.

SFN(Single Frequency Network) 전처리 방식은 코헤런트(Coherent) 전처리 방식이라고도 하며, 다수의 셀이 동일한 전처리 가중치를 이용하여 하나 또는 다수의 단말로 동일한 데이터 서비스를 제공하는 전송 방식을 나타낸다.

상기 수식에서와 같이 3 개의 기지국에서 k번째 단말로의 채널

이 더해진 형태를

로 나타낼 수 있으며, 동일한 전처리 가중치

를 구성하여 사용한다.

여기서, 수신 단은 다수의 셀로의 채널에 대한 코헤런트 병합(Coherent Combining)을 수행한다. SFN 전처리 방식은 다수의 채널을 더하는 형태이기 때문에, 각 셀로부터의 위상(Phase)에 영향을 크게 받는다.

즉, 두 셀로의 각 채널의 위상에 차이가 있으면, 채널 열화가 발생한다. 다시 설명하면, 서로 다른 두 채널이 더해질 때, 위상 차이에 의해 채널 이득이 감소하는 현상이 발생한다. 반면에 SFN 전처리 방식은 더해진 채널에 대한 CDI 정보만을 피드백하기 때문에 피드백에 대한 오버헤드는 작다.

전역 전처리 방식은 지역 전처리에 가상적인 MIMO(Mutiple Input Multiple Output)채널로 차원을 확장한 전처리 방식으로, 다수의 셀로부터 형성되는 다수의 채널을 가상적으로 다수의 안테나 송신을 수행하는 것처럼 전송하는 방식을 나타낸다. 그리고 공간 다중화(Spatial Multiplexing)와 같이 다수의 송신 단에서 형성된 다수의 채널을 가상적으로 다수의 안테나가 송신하는 것처럼 전처리 가중치를 약속하는 모든 전송 방식을 의미한다. 여기서, 지역 전처리 방식과 마찬가지로 다수의 송신 단은 서로 다른 전처리 가중치를 형성하지만, 송신 단끼리의 약속에 의해 하나의 큰 전처리 가중치를 다수의 송신 단에서 나눠서 사용하는 방식을 사용한다. 상기 수식에서와 3개의 기지국에서 k번째 단말로의 채널

가 가상적으로 쌓여진 형태를

로 나타낼 수 있으며, 하나의 커다란 전처리 가중치

를 가상적으로 형성하기 위해 각각 전처리 가중치

를 약속하여 사용한다. 따라서, 수신 단은 가상적으로 형성된 다수의 채널에 의해 얻어지는 공간 다중화 효과를 기대할 수 있다. 하지만, 가상 채널 구성을 위한 각 개별 채널에 대한 CDI 정보를 모두 피드백해야 하므로 피드백에 대한 오버헤드가 크다.

일반적으로 다중 안테나 송신 시스템에서 빔 형성 기법을 적용하기 위하여, 서비스받는 단말은 자신의 채널 정보를 피드백해야 한다. 제한적 피드백 환경을 가정할 경우 채널 정보를 양자화하기 위한 코드북을 정의할 수 있다. CoMP-JPT 환경에서 동일한 전체 피드백 비트 수를 가정으로 각 전처리 방식에 따라 코드북 특성을 표현하면 다음 수식과 같다.

<수학식 3>

각 단말은 전처리 방식에 따라, 추정된 자신의 채널을 일반화한

과 가장 유사한 코드북 인덱스를 기지국에 피드백하며 인덱스의 선택 방식은 하기 수식을 이용한다.

<수학식 4>

따라서, 동일한 피드백 비트 수를 고려할 때, 전역 전처리의 경우

차원으로 확장되기 때문에,

차원과 비교할 경우 상대적으로 양자화 오류가 크게 작용할 수 있다. 또한, 지역 전처리의 경우 다수의 기지국과의 채널을 독립적으로 고려하여 독립적인 피드백을 구성하기 때문에, 하나의 채널에 대한 양자화 비트 수가 1/3로 줄어들어 양자화 오류가 크게 작용할 수 있다. 반면, SFN 전처리 방식의 경우

차원에서 양자화 비트의 손실 없이 채널을 양자화할 수 있지만 전송 방식의 특성 때문에 채널이 합해질 때, 채널 이득이 열화 되는 현상을 가질 수 있다.

이와 같은 특성을 반영하여 채널 상황에 따라 효율적인 전송 방식을 선택하기 위하여 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)를 표현하면 다음 수식과 같다.

<수학식 5>

여기서

는 SNR을 나타내며,

는 코드북 선택방식에 의해 선택된 코드북 벡터이고,

는 각 전처리 방식에 따른 코드북의 양자화 오류를 표현하며,

는 베타 분포를 나타내고,

는 각 전처리 방식에 따른 Expected SINR Degradation을 나타낸다.

일 때, 다중 단말 서비스를 수행할 경우 다른 단말의 채널에 의한 성능 열화를 예측하기 위하여 Expected SINR Degradation을 유도하면 다음 수식과 같다.

<수학식 6>

상기의 Expected SINR Degradation에서

은 Voroni Region에 의한 양자화 오류의 상위 바운드(Upper Bound)를 나타내며, 채널을 생성하는 전송 안테나 수와 양자화 비트 수에 의해 정해진다. 또한,

은 양자화 오류의 영향에 의한 단말간의 간섭을 반영하는 요소로써, 서비스되는 단말의 수에 따라 결정되는 서비스 채널의 랭크(Rank)에 의해 정해진다. 따라서 Expected SINR Degradation을 다시 정리하면 하기 수식과 같다.

<수학식 7>

여기서,

은 서비스 채널의 랭크를 나타낸다. 즉, 유도된 Expected SINR Degradation은 송신단의 전송 전력 P와 송수신단 사이의 서비스 채널의 랭크 수 R, 시스템에서 사용되는 코드북의 피드백 비트 수 B, 송신단의 안테나 수 N_t에 의해 결정된다. 물리적으로 Expected SINR Degradation은 실제 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭을 나타낸다.

실제 송수신단 사이의 MIMO 채널에서 하나의 링크에 대한 다른 링크의 간섭의 수가

의 형태로 영향을 미치며, 송신 단의 전송 전력 P로 간섭 세기를 가진다.

균등한 분포를 가지는 코드북 (QUB: Quantization cell Upper Bound)을 통해 형성된 코드북에서, 피드백 비트 수 B, 송신단의 안테나 수 N_t에 의해 코드북의 공간이 형성될 수 있다. 이 경우 발생할 수 있는 양자화 오류를 상위 바운드(Upper bound)로 정의하면

과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 피드백 비트 수 B의 증가는 양자화 오류의 상위 바운드 감소를 가져오므로 더 작은 양자화 오류를 가지는 것을 반영한다.

반대로 송신 단의 안테나 수 N_t의 증가는 코드북 공간이 다차원으로 확장되는 것을 의미하기 때문에, 양자화 오류의 상위 바운드 증가를 가져오므로 더 큰 양자화 오류를 가지는 것을 반영한다.

협력(Cooperation)을 수행하지 않는 셀로부터의 간섭 C 는 임의의 상수로써 제안하는 방식에서 영향을 미치는 요소가 아니며, 임의로 지정할 수 있다. 상기와 같은 유도 방식을 전처리 방식에 따라서 Expected SINR Degradation을 정리하면 하기 수식과 같다.따라 정리하면 다음 수식과 같다.

<수학식 8>

여기서,

은 서비스 채널의 랭크를 나타낸다. 그리고, P는 송신단의 전송 전력, B는 시스템에서 사용되는 코드북의 피드백 비트 수 B이다, 즉, 각각의 전처리 방식은 동일한 피드백 비트 수 B를 가정하였을 때, 각 전처리 방식의 특성을 반영하여 실제 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭이 다른 형태를 가지는 것을 나타낸다. 따라서, 단말은 Expected SINR Degradation 을 고려하여, 전처리 방식에 따른 CDI 와 CQI를 계산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동통신 시스템의 블록 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 이동통신 시스템은 다수의 기지국(100, 110, 120)과 다수의 단말(150, 160, 170)로 구성된다. 여기서, 각 기지국은 백홀 망을 통해 서비스할 단말의 채널 정보를 공유한다. 하나의 기지국(100)을 예를 들어 설명하면, 상기 기지국(100)은 ZF 빔포머(108), 스케줄러(105), 사용자 그룹화부(106)를 포함하여 구성된다. 상기 스케줄러(105)는 모드 선택부(104), 전역SUS(Semi-orthogonal User Scheduling)(101), 지역SUS(102), SFNSUS(103)를 포함하여 구성된다. 그리고 하나의 단말(150)을 예를 들어 설명하면, 상기 단말(150)은 모드 선택부(154), 전역CQI(151), 지역CQI(152), SFNCQI(153)를 포함하여 구성된다. 상기 도면에서 기지국 및 단말의 일반적인 동작을 위해 필요한 알려진 다른 기능 블록은 생략되어 있다.

상기 전역CQI(151), 지역CQI(152), SFNCQI(153)는 협력 전송을 수행하는 각 기지국(100, 110, 120)으로부터의 트레이닝 시퀀스(기준 신호)를 수신하여 채널 정보를 추정하고 CQI를 계산한다. 이때, CQI의 계산은 Expected SINR Degradation을 고려하여 계산한다. 여기서, 상기 단말(150, 160 170)은 Expected SINR Degradation 계산 시 서비스받는 채널의 정확한 랭크는 추정할 수 없기 때문에, 최대의 랭크를 가진다고 가정한다. 본 발명에서는 상기 전역CQI(151), 지역CQI(152), SFNCQI(153)를 수신부라 칭할 수 있다. 상기 수신부는 기지국(100, 110, 120)이 결정한 전처리 방식에 따라 전처리한 데이터를 수신할 수 있다.

상기 모드 선택부(154)는 CQI를 최대화하는 전처리 방식을 선택하고 결정된 CQI와 CDI를 기지국으로 피드백한다. 여기서, CQI 정보는 핸드오버 입장에서 홈 기지국에 전송하고, CDI 정보는 전송 방식에 따라 홈 기지국과 다른 기지국에 분산하여 전송할 수 있으며, CDI 정보의 피드백 양은 모든 전송 방식에서

비트로 고정되어 피드백된다. 본 도면에서는 미도시되었지만 상기 사용자 또는 단말(150)의 송신부는 CQI 및 CDI 및 전처리 방식에 대한 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다.

상기 사용자 그룹화부(106)는 피드백 받은 단말의 CQI, CDI를 취합하여 전처리 방식에 따라 사용자 그루핑을 수행한다. 즉, 동일한 전처리 방식을 사용하는 단말들을 모아 각각의 초기 후보군 집합을 설정한다

이후, 전역SUS(101), 지역SUS(102), SFNSUS(103)는 각각의 전처리 방식에 대해서 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성한다.

상기 모드 선택부(104)는 각 전처리 방식에 대해 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 선택하고, 이러한 전처리 방식을 인접 협력 기지국들과 백홀을 통해 공유한다(Joint Transmission) 그리고 ZF 빔포머(108)는 선택된 서비스 후보군 집합에 심볼(데이터)를 모뎀을 포함하는 송신부를 통해 전송한다. 상기 송신부는 단말로 트레이닝 시퀀스(기준 신호)를 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 메시지 흐름도를 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, CoMP-JPT를 서비스받는 단말(210)은 협력 전송을 수행하는 각 기지국으로부터의 트레이닝 시퀀스(기준 신호)를 수신하여(a 단계) 채널 정보를 추정한다(b 단계)

상기 단말(210)은 추정된 채널 정보를 바탕으로 각 전처리 방식에 따른 CDI를 선택하고, 그에 따른 CQI를 하기 수식과 같이 계산한다(c 단계). 이때, CQI의 계산은 Expected SINR Degradation을 고려하여 계산한다. 여기서, 상기 단말(210)은 Expected SINR Degradation 계산 시 서비스받는 채널의 정확한 랭크는 추정할 수 없기 때문에, 최대의 랭크를 가진다고 가정한다(

)

<수학식 9>

여기서,

는 SNR을 나타내고,

는 전처리 방식(mode)에 따른기지국 b와 사용자 k 상의 채널 벡터이고,

는 전처리 방식에 따른 코드북의 양자화 오류이고,

는 전처리 방식에 따른 Expected SINR Degradation을 나타낸다.

이후, 단말은 하기 수식을 이용하여 CQI를 최대화하는 전처리 방식을 선택하고(d 단계), 결정된 CQI와 CDI를 기지국으로 피드백한다(e 단계). 여기서, CQI 정보는 핸드오버 입장에서 홈 셀에 전송하고, CDI 정보는 전송 방식에 따라 홈 셀과 기지국에 분산하여 전송할 수도 있으며, CDI 정보의 피드백 양은 모든 전송 방식에서

비트로 고정되어 피드백된다.

<수학식 10>

여기서,

는 전처리 방식(mode)에 따른 기지국 b와 사용자 k 상의 채널 벡터이고, c 는 코드북을 나타낸다.

이후, 단말을 서비스하는 기지국은 피드백 받은 단말의 정보를 취합하여(f 단계), 전처리방식에 따라 단말 그룹화(또는 사용자 그룹화)을 하기 수식과 같이 수행한다(g 단계). 즉, 동일한 전처리 방식을 사용하는 단말들을 모아 각각의 초기 후보군 집합을 설정한다.

<수학식 11>

여기서,

는 각 전처리 방식의 초기 후보군 집합의 크기이며, 각 초기 후보군 집합의 크기의 합은 전체 협력 전송 후보 단말의 수와 같다. 그리고, Mode는 각각의 전처리 방식을 나타낸다. 그리고, K는 전체 전송 후보 단말의 수를 나타낸다.

이후, 기지국은 각 초기 후보군 집합의 전처리 방식에 대해서 PF(Proportional Fairness)를 고려하여 ZFBF-Semi-orthogonal User Scheduling 알고리즘을 통해 단말 그루핑을 수행한다(h 단계). 여기서, 각 전처리 방식에 따라 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여

번째 단말까지가 선택된

의 서비스 후보군 집합을 생성한다.

이후, 기지국은 각 전처리 방식에 대해

의 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 하기 수식을 이용하여 선택하고(i 단계), 이러한 전처리 방식을 인접 협력 기지국들과 백홀을 통해 공유하고(Joint Transmission)(j 단계) 선택된 서비스 후보군 집합에 심볼을 전송한다(k 단게).

기지국의 입장에서 서비스받는 채널의 정확한 랭크를 서비스 후보군 집합의 크기로 정확하게 알 수 있기 때문에

로 Expected SINR Degradation을 계산한다.

<수학식 12>

여기서, 그리고, Mode는 각각의 전처리 방식을 나타낸다. 그리고, CQI(Mode)는 전처리 방식에 따른 CQI를 나타내고,

는 Expected SINR Degradation으로, 전처리 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭을 나타낸다. 그리고,

는 PF(Proportional Fairness)를 반영하기 위한 유틸리티 함수이다.

본 발명은 위에서 전술한 바와 같이 CoMP-JPT 전처리 기술의 특성을 고려하여 Expected SINR Degradation을 유도하고, 이를 활용한다. Expected SINR Degradation의 유도와 활용은 제한된 피드백 환경의 송신 단에서 코드북 벡터의 부정확 정도를 예측함으로써, 효과적인 송신 방식을 결정하는데 활용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 동작과정을 도시한 흐름도이다.

상기 도 3을 참조하면, 단말은 기지국으로부터 트레이닝 시퀀스(기준 신호)를 수신한 경우(310 단계). 상기 기준 신호에 대해 채널 추정을 수행한다(320 단게).

이후, 상기 단말은 추정한 채널 정보를 바탕으로 각 전처리 방식에 따른 CDI를 선택하고, 그에 따른 CQI를 계산한다(330 단계). 이때, CQI의 계산은 Expected SINR Degradation을 고려하여 계산한다. 여기서, 상기 단말은 Expected SINR Degradation 계산 시 서비스받는 채널의 정확한 랭크는 추정할 수 없기 때문에, 최대의 랭크를 가진다고 가정한다.

이후, 상기 단말은 CQI를 최대화하는 전처리 방식을 선택하고, 결정된 CQI와 CDI를 기지국으로 피드백한다(340 단계). 이때, 결정된 전처리 방식에 대한 정보가 포함될 수 있다.

이후, 상기 단말은 상기 기지국으로부터 결정된 전처리 방식에 따라 데이터를 수신한다(350 단계).

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 동작과정을 도시한 흐름도이다.

상기 도 4를 참조하면, 기지국은 단말로 주기적으로 트레이닌 시퀀스(기준 신호)를 전송한다(410 단계).

이후, 상기 기지국이 단말로부터 CDI 및 CQI를 수신하는 경우(420 단계), 피드백 받은 단말의 정보(CDI 및 CQI)를 취합하여, 각각의 전처리방식에 따라 단말 그루핑(또는 사용자 그루핑)을 수행한다(430 단계). 즉, 동일한 전처리 방식을 사용하는 단말들을 모아 각각의 초기 후보군 집합을 설정한다. 상기 단말의 정보에는 결정된 전처리 방식에 대한 정보가 포함될 수 있다.

이후, 상기 기지국은 각 전처리 방식에 따라 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성한다(440 단계).

이후, 상기 기지국은 각 전처리 방식에 대해 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 전처리 방식을 결정하고, 이러한 전처리 방식을 인접 협력 기지국들과 백홀을 통해 공유한다(450 단계).

이후, 상기 기지국은 결정된 전처리 방식을 이용하여 결정된 후보군 집합에 심볼(데이터)를 전송한다(460 단계).

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 성능 분석 결과를 도시한 도면이다,

상기 도 5를 참조하면, 셀의 각 섹터를 CoMP를 수행하지 않는 내부 영역과 CoMP를 수행하는 외부 영역으로 나누고, 인접한 3개의 섹터가 서로 CoMP를 수행하여 서로 간에 미치는 간섭의 영향이 감소하도록 설정된 상태에서 시스템의 성능으 분석한 것이다.

본 발명에서 제안하는 시스템은 GLS(Global, Local, SFN Selection) 모드와 GS(Global, SFN Selection) 모드로 나뉘고, 모드 결정을 이용하여 동작할 전처리 방식을 결정한다. 여기서 GLS는 각 전처리 기술을 모두 고려한 방식이고, GS는 지역 전처리를 제외한 방식이다. 상기 도 5a)는 CoMP 서비스 단말의 평균 합 비율(Sum Rate)이고, 도 5b)는 외곽 5%에 해당하는 CoMP 단말의 합 비율이다.

제안하는 시스템은 전체적으로 참조 시스템과 비교하여 더 좋은 성능 결과를 나타내며, 참조 시스템 중 가장 좋은 성능을 가지는 SFN과 전역 전처리 시스템과 비교하였을 때, 임계값에 따라 3%에서 33%의 전송 용량 성능 향상을 기대할 수 있다.

또한, 외곽 5%에 해당하는 성능은 참조 시스템 중 가장 좋은 성능을 가지는 SFN과 전역 전처리 시스템과 비교하였을 때, 임계값에 따라 3%에서 22%의 전송 용량 성능 향상을 기대할 수 있다.

따라서, 제한적 피드백 환경에서는 양자화 오류의 영향을 효율적으로 반영할 수 있는 모드 선택 기술의 이득을 얻을 수 있다.

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

Claims

이동통신 시스템에서 프리코딩 모드 선택을 위한 기지국의 방법에 있어서,
적어도 하나의 단말로부터 채널 추정 정보를 수신하는 과정과,
상기 채널 추정 정보에 기반하여, 복수의 프리코딩 방식들 각각에 따른 사용자 그룹을 생성하는 과정과,
상기 사용자 그룹 내 단말들 각각에 대한 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성하는 과정과,
각 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭에 기반하여, 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 프리코딩 방식을 결정하는 과정과,
상기 결정된 프리코딩 방식에 기반하여, 결정된 후보군 집합 내 단말에게 데이터를 전송하는 과정을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 채널 추정 정보를 수신하는 과정은, 다른 단말의 채널 추정 정보를 인접 협력 기지국으로부터 백홀을 통해 수신하는 과정을 포함하고,
상기 결정된 프리코딩 방식을 상기 인접 협력 기지국에게 전송하는 과정을 더 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 프리코딩 방식을 결정하는 과정은,
상기 복수의 프리코딩 방식들 중 상기 프리코딩 방식을 식별하는 과정을 포함하고,
상기 복수의 프리코딩 방식들은, 상기 기지국을 포함하는 다수의 기지국들을 하나의 기지국으로 간주하는 전역 프리코딩 방식, 상기 다수의 기지국들 각각을 독립적인 채널 환경으로 고려하는 지역 프리코딩 방식, 및 상기 다수의 기지국들과 하나의 단말 사이의 채널을 합하는 단일 주파수 네트워크(single frequency network, SFN)를 이용하는 SFN 프리코딩 방식을 포함하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 프리코딩 방식들 각각에 따른 사용자 그룹을 생성하는 과정은,
하기 수학식을 이용하여, 상기 사용자 그룹으로서, 동일한 프리코딩 방식을 사용하는 단말들을 포함하는 초기 후보군 집합을 설정하는 과정을 포함하는 방법.

여기서,
는 각 프리코딩 방식의 초기 후보군 집합의 크기이며, 각 초기 후보군 집합의 크기의 합은 전체 전송 후보 단말의 수와 같다. 그리고 Mode는 각각의 프리코딩 방식을 나타낸다. 그리고, K는 전체 전송 후보 단말의 수를 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 서비스 후보군 집합을 생성하는 과정은,
각 프리코딩 방식에 따라 상기 사용자 그룹 내 단말들 각각에 대한 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 특정 수의 사용자까지 선택된 상기 서비스 후보군 집합을 생성하는 과정을 포함하고,
상기 다중 링크에 의한 간섭은 각 프리코딩 방식에 따른 송신단의 안테나 수, 코드북의 피드백 비트 수, 및 랭크에 기반하여 결정되는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 프리코딩 방식은 하기 수학식을 이용하여 결정되는 방법.

여기서, Mode는 각 프리코딩 방식을 나타낸다. 그리고. CQI(Mode)는 프리코딩 방식에 따른 CQI(channel quality indicator)를 나타내고,
는 expected SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) degradation으로 상기 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭을 나타낸다. 그리고
는 PF(proportional fairness)를 반영하기 위한 유틸리티 함수이다.
이동통신 시스템에서 프리코딩 모드 선택을 위한 단말의 동작 방법에 있어서,
기지국으로부터 수신된 기준 신호에 대해 채널 추정을 수행하여, 복수의 프리코딩 방식들 중 프리코딩 방식을 식별하는 과정과,
상기 식별된 프리코딩 방식에 대한 채널 추정 정보를 상기 기지국에게 전송하는 과정과,
상기 식별된 프리코딩 방식에 따라 상기 기지국으로부터 데이터를 수신하는 과정을 포함하고,
상기 식별된 프리코딩 방식은, 상기 복수의 프리코딩 방식들 중에서, 각 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭에 기반한, 각 프리코딩 방식에 따른 단말들에 대한 전송 용량이 최대화되는 프리코딩 방식인 방법.
제 7항에 있어서, 상기 프리코딩 방식을 식별하는 과정은,
상기 채널 추정을 수행할 시, 각 프리코딩 방식에 따른 CDI(channel direction indicator)를 선택하고, 상기 선택된 CDI에 따른 CQI(channel quality indicator)를 하기 수학식을 이용하여 결정하는 과정을 포함하는 방법.

여기서,
는 SNR(signal-to-noise ratio)을 나타내고,
는 프리코딩 방식(mode)에 따른 기지국 b와 단말 k 상의 채널 벡터이고,
는 프리코딩 방식에 따른 코드북의 양자화 오류이고,
는 프리코딩 방식에 따른 expected SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) degradation을 나타낸다.
제 7항에 있어서, 상기 프리코딩 방식은, 하기 수학식을 이용하여 식별되는 방법.

여기서,
는 프리코딩 방식(mode)에 따른 기지국 b와 단말 k 상의 채널 벡터이고, c 는 코드북을 나타낸다.
제 7항에 있어서, 상기 복수의 프리코딩 방식들은, 상기 기지국을 포함하는 다수의 기지국들을 하나의 기지국으로 간주하는 전역 프리코딩 방식, 상기 다수의 기지국들 각각을 독립적인 채널 환경으로 고려하는 지역 프리코딩 방식, 및 상기 다수의 기지국들과 하나의 단말 사이의 채널을 합하는 단일 주파수 네트워크(single frequency network, SFN)를 이용하는 SFN 프리코딩 방식을 포함하는 방법.
이동통신 시스템에서 프리코딩 모드 선택을 위한 기지국의 장치에 있어서,
적어도 하나의 송수신기와,
상기 적어도 하나의 송수신기와 동작적으로 결합되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 송수신기는 적어도 하나의 단말로부터 채널 추정 정보를 수신하도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 채널 추정 정보에 기반하여 복수의 프리코딩 방식들 각각에 따른 사용자 그룹을 생성하고,
상기 사용자 그룹 내 단말들 각각에 대한 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 서비스 후보군 집합을 생성하고,
각 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭에 기반하여, 서비스 후보군 집합의 전송 용량을 최대화하는 프리코딩 방식을 결정하도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 송수신기는 상기 결정된 프리코딩 방식에 기반하여, 결정된 후보군 집합 내 단말에게 데이터를 전송하도록 추가적으로 구성되는 장치.
제 11항에 있어서,
상기 적어도 하나의 송수신기는, 상기 채널 추정 정보를 수신하기 위해, 다른 단말의 채널 추정 정보를 인접 협력 기지국으로부터 백홀을 통해 수신하도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 송수신기는, 상기 결정된 프리코딩 방식을 상기 인접 협력 기지국에게 전송하도록 추가적으로 구성되는 장치.
제 11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 프로세서는,
상기 복수의 프리코딩 방식들 중 상기 프리코딩 방식을 식별하도록 구성되고,
상기 복수의 프리코딩 방식들은, 상기 기지국을 포함하는 다수의 기지국들을 하나의 기지국으로 간주하는 전역 프리코딩 방식, 상기 다수의 기지국들 각각을 독립적인 채널 환경으로 고려하는 지역 프리코딩 방식, 및 상기 다수의 기지국들과 하나의 단말 사이의 채널을 합하는 단일 주파수 네트워크(single frequency network, SFN)를 이용하는 SFN 프리코딩 방식을 포함하는 장치.
제 11항에 있어서, 상기 복수의 프리코딩 방식들 각각에 따른 사용자 그룹을 생성하기 위하여, 상기 적어도 하나의 프로세서는, 하기 수학식을 이용하여, 상기 사용자 그룹으로서, 동일한 프리코딩 방식을 사용하는 단말들을 포함하는 초기 후보군 집합을 설정하도록 구성되는 장치.

여기서,
는 각 프리코딩 방식의 초기 후보군 집합의 크기이며, 각 초기 후보군 집합의 크기의 합은 전체 전송 후보 단말의 수와 같다. 그리고 Mode는 각각의 프리코딩 방식을 나타낸다. 그리고, K는 전체 전송 후보 단말의 수를 나타낸다.
제 11항에 있어서, 상기 서비스 후보군 집합을 생성하기 위해, 상기 적어도 하나의 프로세서는,
각 프리코딩 방식에 따라 상기 사용자 그룹 내 단말들 각각에 대한 개별적인 사용자 스케줄링을 수행하여 특정 수의 사용자까지 선택된 상기 서비스 후보군 집합을 생성하고,
상기 다중 링크에 의한 간섭은 각 프리코딩 방식에 따른 송신단의 안테나 수, 코드북의 피드백 비트 수, 및 랭크(rank)에 기반하여 결정되는 장치.
제 11항에 있어서, 상기 프리코딩 방식은 하기 수학식을 이용하여 결정되는 장치.

여기서, Mode는 각 프리코딩 방식을 나타낸다. 그리고. CQI(Mode)는 프리코딩 방식에 따른 CQI(channel quality indicator)를 나타내고,
는 expected SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) degradation으로 상기 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭을 나타낸다. 그리고
는 PF(proportional fairness)를 반영하기 위한 유틸리티 함수이다.
이동통신 시스템에서 프리코딩 모드 선택을 위한 단말의 장치에 있어서,
적어도 하나의 송수신기와,
상기 적어도 하나의 송수신기와 동작적으로 결합되는 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
상기 적어도 하나의 프로세서는, 기지국으로부터 수신된 기준 신호에 대해 채널 추정을 수행하여, 복수의 프리코딩 방식들 중 프리코딩 방식을 식별하도록 구성되고,
상기 적어도 하나의 송수신기는,
상기 식별된 프리코딩 방식에 대한 채널 추정 정보를 상기 기지국에게 전송하고,
상기 식별된 프리코딩 방식에 따라 상기 기지국으로부터 데이터를 수신하도록 구성되고,
상기 식별된 프리코딩 방식은, 상기 복수의 프리코딩 방식들 중에서, 각 프리코딩 방식에 따른 송수신단 사이의 다중 링크에 대한 간섭에 기반한, 각 프리코딩 방식에 따른 단말들에 대한 전송 용량이 최대화되는 프리코딩 방식인 장치.
제 17항에 있어서, 상기 프리코딩 방식을 식별하기 위해, 상기 적어도 하나의 송수신기는,
상기 채널 추정을 수행할 시, 각 프리코딩 방식에 따른 CDI(channel direction indicator)를 선택하고, 상기 선택된 CDI에 따른 CQI(channel quality indicator)를 하기 수학식을 이용하여 결정하도록 구성되는 장치.

여기서,
는 SNR(signal-to-noise ratio)을 나타내고,
는 프리코딩 방식(mode)에 따른 기지국 b와 단말 k 상의 채널 벡터이고,
는 프리코딩 방식에 따른 코드북의 양자화 오류이고,
는 프리코딩 방식에 따른 expected SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) degradation을 나타낸다.
제 17항에 있어서, 상기 프리코딩 방식은, 하기의 수학식을 이용하여 식별되는 장치.

여기서,
는 프리코딩 방식(mode)에 따른 기지국 b와 단말 k 상의 채널 벡터이고, c 는 코드북을 나타낸다.
제 17항에 있어서, 상기 복수의 프리코딩 방식들은, 상기 기지국을 포함하는 다수의 기지국들을 하나의 기지국으로 간주하는 전역 프리코딩 방식, 상기 다수의 기지국들 각각을 독립적인 채널 환경으로 고려하는 지역 프리코딩 방식, 및 상기 다수의 기지국들과 하나의 단말 사이의 채널을 합하는 단일 주파수 네트워크(single frequency network, SFN)를 이용하는 SFN 프리코딩 방식을 포함하는 장치.