KR101000115B1 - 채널 예측 기반의 송신 채널 이득제어와 빔 포밍 시스템 및그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동통신 시스템의 성능이 단말의 이동성에 기인하는 페이딩에 의하여 수신 성능이 열화를 방지할 수 있는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득제어와 빔 포밍 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템은 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 시스템에 있어서, 상향링크의 각 기지국 수신안테나에서 단말기 송신 안테나로부터 수신되는 신호로부터 채널이득을 추정하는 수신채널이득추정기와, 상기 추정된 수신채널이득으로부터 자기상관값을 산출하는 자기상관값산출기와, 상기 자기상관값산출기의 출력으로부터 송신채널이득 예측계수를 산출하는 송신채널예측계수산출기와, 상기 송신채널예측계수산출기의 출력으로부터 송식채널이득을 예측하는 송신채널이득예측기를 갖는 송신채널이득예측부, 상기 송신채널이득예측부에서 예측된 송신채널 이득으로 각 기지국 송신안테나 이득을 제어하는 송신채널이득제어기, 상기 상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비 결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 기지국 수신 채널이득 최대비 결합기를 포함한다.

송신채널, 자기상관값, 회귀신경망, 최대비 결합

Description

채널 예측 기반의 송신 채널 이득제어와 빔 포밍 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CHANNEL PREDICTION BASED TRANSMISSION GAIN CONTROL AND BEAM FORMING}

본 발명은 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이동통신 시스템의 성능이 단말의 이동성에 기인하는 페이딩에 의하여 수신 성능이 열화를 방지할 수 있는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득제어와 빔 포밍 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 시스템은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)를 이용한다. OFDM은 전체 시스템대역폭을 다중(N) 직교 주파수 서브캐리어들로 분할하는 다중-캐리어 변조 기술이다. 이들 서브캐리어들은 톤들, 빈들 및 주파수 채널들이라 칭할 수 있다. 각각의 서브캐리어는 데이터로 변조될 수 있는 각각의 서브캐리어와 연관된다.

최대 N 변조 심볼들은 각각의 OFDM 심볼 주기에서 N 전체 서브캐리어들을 통해 전송될 수있다. 이들 변조 심볼들은 N 시간-영역 칩들 또는 샘플들을 포함하는 변환된 심볼을 생성하기 위하여 N-포인트역고속 푸리에 변환(IFFT)으로 시간-영역 으로 변환된다.

주파수 도약(frequency hopping) 통신 시스템에서, 데이터는 "도약 주기들"로서 언급될 수 있는 다른 시간 간격들 동안 다른 주파수 서브캐리어들을 통해 전송된다. 이들 주파수 서브캐리어들은 직교 주파수 분할 다중화, 다른 다중-캐리어 변조 기술들 또는 임의의 다른 기술들에 의하여 제공될 수 있다. 주파수 도약에 있어서, 데이터 전송은 의사-랜덤 방식으로 서브캐리어로부터 서브캐리어로 도약한다. 이들 도약은 주파수 다이버시티를 제공하며, 데이터 전송이 협대역 간섭, 재밍(jamming), 페이딩 등과 같은 해로운 경로 현상들을 보다 양호하게 견디도록 한다.

OFDMA 시스템은 다중 액세스 단말들을 동시에 지원할 수 있다. 주파수 도약 OFDMA 시스템에 있어서, 주어진 액세스 단말에 대한 데이터 전송은 특정 주파수 도약(FH:frequency hopping) 시퀀스와 연관된 "트래픽" 채널을 통해 전송될 수 있다.

이러한 FH 시퀀스는 각각의 도약 주기에서 데이터 전송동안 사용하는 특정 서브캐리어들을 지시한다. 다중 액세스 단말들에 대한 다중 데이터 전송들은 다른 FH 시퀀스들과 연관되는 다중 트래픽 채널들을 통해 동시에 전송될 수 있다. 이들 FH 시퀀스들은 단지 하나의 트래픽 채널 및 단지 하나의 데이터 전송이 각각의 도약 주기에서 각각의 서브캐리어를 사용하도록 서로 직교하도록 한정될 수 있다. 직교 FH 시퀀스들을 사용함으로서, 다중 데이터 전송들은 일반적으로 주파수 다이버시티의 장점들을 이용하면서 서로 간섭하지 않는다.

모든 통신 시스템들에서 처리되어야 하는 문제점은 수신기가 액세스 포인트 에 의하여 서비스되는 영역의 특정 부분에 위치한다는 것이다. 송신기가 다중 전송 안테나들을 가지는 경우에, 각각의 안테나로부터 제공된 신호들은 수신기에 최대 전력을 제공하기 위하여 결합될 필요가 없다. 이러한 경우에, 수신기에서 수신된 신호들의 디코딩시에 여러 문제점들이 발생할 수 있다. 이들 문제점들을 해결하기 위한 한 방식은 빔포밍(beam formimg)을 이용하는 것이다.

빔포밍은 다중 안테나들과의 무선 링크의 신호 대 잡음비를 개선하는 공간 처리 기술이다. 전형적으로, 빔포밍은 다중 안테나 시스템의 송신기 및/또는 수신기에서 사용될 수 있다. 빔포밍은 신호 대 잡음비를 개선하는데 있어서 많은 장점을 제공하며 결과적으로 수신기에 의한 신호들의 디코딩을 개선한다.

OFDM 전송 시스템의 빔포밍에 있어서의 문제는 OFDM 시스템들을 포함하는 무선 통신 시스템들에서 빔포밍 가중치들을 생성하기 위하여 송신기 및 수신기간의 채널(들)에 관한 적절한 정보를 획득하는 것이다.

그런데, 이러한 빔 포핑을 이용함에도 불구하고 고속의 이동성을 갖는 경우는 채널추정(channel estimation)이 불완전하게 되어 성능개선이 미미하게 된다.

결과적으로, OFDMA 기반 시스템의 경우에는 채널예측이 정확하게 될 수 있도록 하기 위하여 pilot 채널의 구조가 매우 복잡하게 된다. 그러나 채널추정이 정확하여도 deep fading 에 빠져있는 경우에는 잡음의 영향이 증대되어 충분한 성능 개선이 이루어지지 못하게 된다.

또한 채널의 주파수 특성이 불균일하기 때문에, 수신된 채널상태정보(channel state information)를 이용하여 부채널 할당 및 부채널별 전력할당을 효율적으로 하기 위하여 많은 연산량을 감수해야 하는 문제점을 갖게 된다.

상기 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 상향링크에서 단말기의 여러 송신안테나로부터 수신되는 신호로부터 기지국의 수신안테나 별로 채널추정(channel estimation)을 하고 추정된 채널이득으로부터 채널예측(channel prediction)을 하며, 추정된 채널이득을 하향링크에서 기지국의 여러 개 송신안테나에 대하여 최대비결합 (maximum ratio combining)방식으로 결합하여 이 산출된 값이 송신안테나 각각에 대한 송신채널이득이 되도록 제어함으로써, 이동통신 시스템의 성능이 단말기의 이동성에 기인하는 페이딩에 의하여 수신 성능이 열화되지 않도록 하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득제어와 빔 포밍 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템은 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 시스템에 있어서, 상향링크의 각 기지국 수신안테나에서 단말기 송신 안테나로부터 수신되는 신호로부터 채널이득을 추정하는 수신채널이득추정기와, 상기 추정된 수신채널이득으로부터 자기상관값을 산출하는 자기상관값산출기와, 상기 자기상관값산출기의 출력으로부터 송신채널이득 예측계수를 산출하는 송신채널예측계수산출기와, 상기 송신채널예측계수산출기의 출력으로부터 송식채널이득을 예측하는 송신채널이득예측기를 갖는 송신채널이득예측부, 상기 송신채널이득예측부에서 예측된 송신채널 이득으로 각 기지국 송신안테나 이득을 제어하는 송신채널이득제어기, 상기 상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비 결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 기지국 수신 채널이득 최대비 결합기를 포함한다.

본 발명은 이동통신 시스템의 성능이 단말의 이동성에 기인하는 페이딩의 영향을 송신단에서 근본적으로 제거하여 수신단 성능의 개선뿐만 아니라 수신기의 복잡도를 획기적으로 줄임으로써, 모든 이동통신 시스템에서도 적용이 가능하며 특히 고속이 이동성이 요구되는 모든 무선통신시스템에 적용 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템 개념도로서, 본 발명은 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 시스템에 관한 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 송신채널이득예측부(11)와, 송신채널이득제어기(12)와 기지국 수신 채널이득 최대비 결합기(13)를 포함한다.

여기서, 송신채널이득예측부(11)는 수신채널이득추정기(111)와, 자기상관값산출기(112)와, 송신채널예측계수산출기(113)와, 송신채널이득예측기(114)를 포함한다.

수신채널이득추정기(111)는 상향링크의 각 기지국안테나(1)에서 단말기 송신 안테나(2)로부터 수신되는 신호로부터 채널이득을 추정한다.

자기상관값산출기(112)는 추정된 수신채널이득으로부터 자기상관값을 산출하고, 송신채널예측계수산출기(113)는 자기상관값산출기(112)의 출력으로부터 송신채널이득 예측계수를 산출한다.

그리고, 송신채널이득예측기(114)는 송신채널예측계수산출기(113)의 출력으로부터 송식채널이득을 예측한다.

송신채널이득제어기(12)는 송신채널이득예측부(11)에서 예측된 송식채널이득으로 각 기지국 송신안테나 이득을 제어한다.

기지국 수신채널이득 최대비 결합기(13)는 상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비 결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합함으로써, 수신안테나의 출력신호들을 결합하여 상향링크의 성능을 개선시킨다.

아울러, 본 발명의 제 2 실시예는 단말기 수신 안테나는 수신 채널의 상기 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비 결합 방식으로 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 단말기 수신채널 이득 결합기(14)를 더 포함한다.

이하, 본 발명의 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 상향링크에서 여러 개의 송신안테나로부터 수신되는 신호로부터 수신채널이득을 추정하는 단계와, 상기 수신채널이득의 자기상관 값을 계산하는 단계와, 상기 수신채널이득의 자기상관 값을 이용하여 회귀신경망 채널예측 계수를 구하는 단계와, 상기 채널예측 계수를 이용하여 송신채널이득을 예측하는 단계와, 상기 예측된 송신채널 이득을 최대비 결합방식으로 단말기 송신안테나별 채널이득을 제어하여 단계를 포함한다.

여기서, 본 발명은 상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비 결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합함으로써, 수신안테나의 출력신호들을 결합하여 상향링크의 성능을 개선시키는 단계를 더 포함한다.

이하, 이러한 본 발명의 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.

본 발명에서는 접근 방식을 간단하게 기술하기 위하여

를 상향링크에서 단말의 여러 송신안테나로부터 수신되는 신호로부터 상향링크의 한 수신안테나에서 수신하여 추정된 채널이득이라 하고,

를 예측해야 할 채널이득이라 한다.

는 추가로 예측 탭수를 증가시켜 예측 채널이득간의 자기상호상관관계를 만족시킴으로서 예측성능 개선을 위한 추가 예측 채널이득을 나타낸다.

그리고, 다단 예측에 누적되는 예측오차를 최소화하기 위해서 많은 연산이 필요하게 되는데 이를 실시간으로 정확하게 처리하기 위해서는 병렬처리 장점 및 무한횟수 궤환연산의 장점을 갖는 도 4와 같은 구조의 회귀신경망을 채용하며, 회 귀신경망에서 궤환회로의 지연 시간은

로 한다.

이렇게 설계된 지연시간은 예측단계가 증가되면서 한 예측단계에서 예측채널이득이 산출되면 이를 바탕으로 초기 예측채널이득부터 다시 보다 정확하게 갱신시키게 하며, 초기 예측 채널정보가 모두 갱신되고, 이를 바탕으로 현재의 예측채널이득도 다시 갱신되고 난후에 다음 예측단계에서의 예측 채널이득을 산출하게 한다.

우선, 수신채널이득추정기(111)는 상향링크에서 여러 개의 단말기 송신안테나로부터 기지국 수신 안테나(1)로 수신되는 신호로부터 각 기지국 수신안테나 별로 수신채널이득

을 추정한다.

이로써, 고속의 이동성에 따라 채널이득간의 상관성이 떨어짐으로 인하여 채널예측오차가 증가되는 현상이 보완된다.

그러면, 자기상관값산출기(112)는 추정된 수신채널이득의 자기상관 값을 계산한다.

그리고, 송신채널예측계수산출기(113)에서 수신채널이득의 자기상관 값을 이용하여 채널예측 계수

를 구하게 된다.

여기서,

를

을 예측하기 위한 채널예측 계수라 하면, 예측 채널의 이득

는 아래의 수학식으로 표현된다.

[수학식 1]

그리고 자기상관값

라 정의하면, 예측평균자승오차가 최소화된 경우에는 수학식 2의 관계가 성립된다.

[수학식 2]

이에 따라 예측평균자승오차를 최소화하는 관계식은 아래의 수학식 3과 같이 같이 정리된다.

[수학식 3]

그리고, 이를 변환하면 송신 채널의 예측 계수는 아래의 수학식 4와 같이 정의된다.

[수학식 4]

상술한 수학식 1~수학식 4는 수학적으로 이상적인 경우에서의 결과식이라 할 수가 있으나, 실질적인 통신시스템의 운용상황에서는 단말의 이동성에 따라, 즉 Doppler frequency에 따른 적절한 탭의 개수 그리고 자기상관값을 산정함에 있어 채널의 확률적인 특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 수신된 채널이득 추정샘플 수를 최적화해야 하나 이는 수학적으로 산출하기가 곤란하기 때문에 실험적으로 채널모델을 설정하여 사용할 수 있게 된다.

이어서, 송신채널이득예측기(113)는 채널예측 계수를 이용하여 송신채널이득을 예측한다.

이때, 송신채널이득예측기(113)는 회귀신경망을 기반으로 아래의 수학식5와 수학식 6에 따른 알고리즘에 의해 송신 채널 이득을 산출한다.

[수학식 5]

[수학식 6]

이후, 송신채널이득제어기(114)는 예측된 송신채널 이득을 최대비 결합방식으로 송신안테나별 채널이득을 제어한다.

예를 들어, 기지국 i번째 수신안테나의 예측채널이득을

라고 재정의하면 I번째 송신안테나의 송신채널 이득은 아래의 수학식 7과 같이 제어되도록 한다.

[수학식 7]

그러면 총 I개의 기지국 송신안테나로부터 단말의 한 개 수신 안테나에 수신되는 채널이득은 수학식 8과 같이 된다.

[수학식 8]

즉, 수학식 8과 같이 수신채널이득이 거의 '1'에 가까운 값이 되어 고속의 이동성에 따른 페이딩의 영향이 제거되는 효과를 갖게 되어 수신 성능이 획기적으로 개선되며, 채널에 미치는 페이딩의 영향이 배제되기 때문에 수신기의 설계가 단순화될 수 있는 매우 커다란 장점을 갖게 된다.

또한 기지국에서는 수신안테나에서 추정된 채널이득을 수학식 9와 같이 최대비결합을 하여 최적의 수신 성능을 간단히 얻을 수 있게 된다.

[수학식 9]

상술한 수학식 7~수학식9는 상향링크에서 단말의 한 개의 송신안테나로부터 기지국의 여러 수신안테나의 경우에 채널이득 제어 및 빔포밍에 관한 것이나, 이를 상향링크에서 단말의 여러 송신안테나로부터 기지국의 여러 수신안테나의 경우에 채널이득 제어 및 빔포밍에 관한 것으로 확장하면 다음과 같다.

우선, 기지국의 i번째 수신안테나의 예측채널이득을

라고 재정의 하고 i번째 송신안테나의 송신채널 이득이 수학식 10과 같이 되도록 제어한다.

[수학식 10]

그러면 총 I개의 기지국 송신안테나로부터 단말의 J개 수신 안테나에 수신되 는 채널이득은 아래의 수학식 11과 같이 된다.

[수학식 11]

이와 같이 수신채널이득이 거의 '1'에 가까운 값이 되어 고속의 이동성에 따른 페이딩의 영향이 제거되는 효과를 갖게 되어 수신성능이 획기적으로 개선되며, 채널에 미치는 페이딩의 영향이 배제되기 때문에 수신기의 설계가 단순화될 수 있는 장점을 갖게 된다.

또한 기지국에서는 수신안테나에서 추정된 채널이득을 아래의 수학식 12와 같이 최대비결합을 하여 최적의 성능을 간단히 얻을 수 있게 된다.

[수학식 12]

이와 같이 대부분의 기존의 기술들이 고속 이동성에 따른 페이딩의 영향을 줄이기 보다는 페이딩을 그대로 두고 페이딩에 대한 영향에 강인한 시스템 설계 연구 에 대부분 초점이 맞추어져 있어 적용된 요소기술들이 최적의 성능을 제공하지 못하거나 매우 복잡한 단점을 피할 수가 없게 되는데 반하여, 본 발명은 페이딩의 영향이 수신신호에서 배제되도록 함으로서 수신신호의 성능 개선뿐만 아니라 시스템의 복잡도도 획기적으로 개선시킬 수 있는 장점을 갖게 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템 개념도.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템 개념도.

도 3은 본 발명의 회귀신경망 기반의 송신채널 예측기.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 기지국 수신안테나

11 : 송신채널이득예측부

111 : 수신채널이득추정기

112 : 자기상관값산출기

113 : 송신채널예측계수산출기

114 : 송신채널예측기

12 : 송신채널이득제어기

13 : 기지국 수신채널이득 최대비 결합기

14 : 단말기 수신채널이득 최대비 결합기

2 : 단말기 송신안테나

Claims (7)

1. 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 시스템에 있어서,

   상향링크의 각 기지국 수신안테나에서 단말기 송신 안테나로부터 수신되는 신호로부터 채널이득을 추정하는 수신채널이득추정기와, 상기 추정된 수신채널이득으로부터 자기상관값을 산출하는 자기상관값산출기와, 상기 자기상관값산출기의 출력으로부터 송신채널이득 예측계수를 산출하는 송신채널예측계수산출기와, 상기 송신채널예측계수산출기의 출력으로부터 송식채널이득을 예측하는 송신채널이득예측기를 갖는 송신채널이득예측부;

   상기 송신채널이득예측부에서 예측된 송신채널 이득으로 각 기지국 송신안테나 이득을 제어하는 송신채널이득제어기;

   상기 상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 기지국 수신 채널이득 최대비 결합기를 포함하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템.
2. 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 시스템에 있어서,

   상향링크의 각 기지국 수신안테나에서 단말기 송신 안테나로부터 수신되는 신호로부터 채널이득을 추정하는 수신채널이득추정기와, 상기 추정된 수신채널이득으로부터 자기상관값을 산출하는 자기상관값산출기와, 상기 자기상관값산출기의 출력으로부터 송신채널이득 예측계수를 산출하는 송신채널예측계수산출기와, 상기 송신채널예측계수산출기의 출력으로부터 송식채널이득을 예측하는 송신채널이득예측기를 갖는 송신채널이득예측부;

   상기 송신채널이득예측부에서 예측된 송신채널 이득으로 각 기지국 송신안테나 이득을 제어하는 송신채널이득제어기;

   상기 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비결합 방식으로 단말기 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 단말기 수신 채널 이득 최대비 결합기를 포함하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상향링크에서 기지국 수신안테나 별로 추정된 채널이득 값을 이용하여 최대비결합 방식으로 기지국 수신안테나의 출력신호들을 결합하는 수신 채널이득 최대비 결합기를 더 포함하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 시스템.
4. 무선 채널의 이득을 제어하고 빔 포밍을 하는 방법에 있어서,

   상향링크에서 여러 개의 송신안테나로부터 수신되는 신호로부터 수신채널이득을 추정하는 단계와,

   상기 수신채널이득의 자기상관 값을 계산하는 단계와,

   상기 수신채널이득의 자기상관 값을 이용하여 회귀신경망 채널예측 계수를 구하는 단계와,

   상기 채널예측 계수를 이용하여 송신채널이득을 예측하는 단계와,

   상기 예측된 송신채널 이득을 최대비 결합방식으로 송신안테나별 채널이득을 제어하여 단말기에 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 상향링크에서 추정된 수신채널이득을 기지국 수신안테나에서 최대비결합 방식으로 처리하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 송신채널 예측계수 산출기는 회귀신경망을 기반으로 하고 송신채널 예측계수는 <수학식 13>의 알고리즘에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 방법.

   수학식 13
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 송신채널 예측기는 회귀신경망을 기반으로 하고 송신채널 이득은 <수학식 14>의 알고리즘에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 채널 예측 기반의 송신 채널 이득 제어와 빔 포밍 방법.

   수학식 14

   

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