KR101691295B1 - 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기 - Google Patents

다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기 Download PDF

Info

Publication number
KR101691295B1
KR101691295B1 KR1020150074541A KR20150074541A KR101691295B1 KR 101691295 B1 KR101691295 B1 KR 101691295B1 KR 1020150074541 A KR1020150074541 A KR 1020150074541A KR 20150074541 A KR20150074541 A KR 20150074541A KR 101691295 B1 KR101691295 B1 KR 101691295B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
time
transmission beam
designing
transmission
matrix
Prior art date
Application number
KR1020150074541A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160139515A (ko
Inventor
유희정
Original Assignee
영남대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 영남대학교 산학협력단 filed Critical 영남대학교 산학협력단
Priority to KR1020150074541A priority Critical patent/KR101691295B1/ko
Publication of KR20160139515A publication Critical patent/KR20160139515A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101691295B1 publication Critical patent/KR101691295B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

본 발명은 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 안테나 장치를 개시한다. 구체적으로, 복수 개의 안테나를 포함하는 송신 단말기에 구비되고, 송신 빔을 설계하는 송신 빔 설계 장치로서, 하나 이상의 프로세서; 메모리; 및 하나 이상의 프로그램을 포함하고, 상기 하나 이상의 프로그램은 상기 메모리에 저장되고 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되도록 구성되며, 상기 프로그램은, 상기 송신 빔 설계 장치로 하여금, 상기 송신 단말기의 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 획득하는 동작; 상기 잡음 분산 정보를 이용하여 RZF(regularized zero-forcing) 알고리즘의 정규화 파라미터를 산출하고, 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터를 이용하여 G[n] 행렬을 정의하는 동작; 상기 G[n] 행렬을 이용하여 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터를 구하는 동작; 및 상기 채널 행렬 및 상기 빔 벡터를 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 동작을 수행하도록 하며, 상기 G[n] 행렬은, 아래의 수학식 1로 정의되는 것을 포함한다.

Description

다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기{MULTI-ANTENNA TRANSMISSION BEAM DESIGN DEVICE AND METHOD, AND TRANSMISSION TERMINAL THEREOF}
본 발명은 안테나 기술에 관련된 것으로, 보다 자세하게는 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기에 관한 것이다.
다중 접속 시스템에서는 시스템의 성능 향상과 용량 증대를 위하여 다중 안테나를 이용한 빔포밍(BeamForming, BF) 기술을 사용한다. 통상적으로 빔포밍은 복수의 안테나를 일정한 간격으로 배치하고, 동일한 신호에 대해 안테나별로 주어진 가중치 벡터(weighting vector)를 곱하여 전송하는 것을 의미한다.
종래에는 안테나별로 최적의 가중치 벡터를 구하기 위해 ZF(zero forcing)이 사용되고 있다. ZF는 송신 시 채널의 역행렬을 미리 곱하여 간섭 신호를 제거하는 것으로서, 정보 수신 대상이 아닌 타 수신기에 간섭이 발생하지 않도록 송신 빔을 설계하여 빔포밍을 수행한다. 하지만, ZF는 잡음이 거의 없는 높은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ration, SNR)에서는 최적의 성능을 내지만, 잡음의 영향을 고려하지 않았기 때문에 낮은 신호 대 잡음비에서는 성능 열화가 생기는 문제가 있다.
이를 극복하기 위해, RZF(regularized zero-forcing)가 제안되었다. RZF는 다른 사용자에게 가는 간섭의 영향을 어느 정도 허용함으로써 ZF보다 빔 설계의 자유도가 허용되는 알고리즘이다. 따라서, RZF는 낮은 신호 대 잡음비에서 원하는 신호의 전력을 높이는 방향으로 빔 설계가 가능하다. 다만, 채널이 시간에 따라 변할 경우, RZF를 이용하여 송신 빔을 설계하는 것이 복잡하기 때문에 송신 빔 설계의 복잡도를 낮춘 새로운 송신 빔 설계 방법이 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허 10-2013-0073131호(2013. 07. 03)
본 발명의 실시예들은 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 이용하여 새로운 행렬을 정의하고, 정의된 행렬을 이용하여 송신 빔을 설계함으로써, 송신 빔의 설계가 쉬워지도록 하기 위한 것이다.
또한, 간소화된 수학식을 이용하여 시변 채널에서 각 단말의 송신 빔을 근사화하여 계산하도록 함으로써, 빔 설계 시 복잡도가 낮고 성능 열화가 적게 할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송신 빔 설계 장치는, 복수 개의 안테나를 포함하는 송신 단말기에 구비되고, 송신 빔을 설계하는 송신 빔 설계 장치로서, 하나 이상의 프로세서; 메모리; 및 하나 이상의 프로그램을 포함하고, 상기 하나 이상의 프로그램은 상기 메모리에 저장되고 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되도록 구성되며, 상기 프로그램은, 상기 송신 빔 설계 장치로 하여금, 상기 송신 단말기의 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 획득하는 동작; 상기 잡음 분산 정보를 이용하여 RZF(regularized zero-forcing)의 정규화 파라미터를 산출하고, 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터를 이용하여 G[n] 행렬을 정의하는 동작; 상기 G[n] 행렬을 이용하여 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터를 구하는 동작; 및 상기 채널 행렬 및 상기 빔 벡터를 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 동작을 수행하도록 하며, 상기 G[n] 행렬은, 아래의 수학식 1로 정의된다.
(수학식 1)
Figure 112015051160766-pat00001
여기서, H[n]은 n 시간에서의 상기 송신 단말기의 채널 행렬, ρ는 RZF의 정규화 파라미터, I는 단위 행렬을 의미함.
상기 빔 벡터를 구하는 동작은, 아래의 수학식 2를 만족하는 빔 벡터 W[n]를 결정할 수 있다.
(수학식 2)
Figure 112015051160766-pat00002
여기서, a'는 상수, GH[n]은 G[n]의 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미함.
상기 송신 빔 설계 장치는, 아래의 수학식 3을 만족하는 wx[n]을 구하고, n 시간에 x번째 수신 단말기로 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[n]를 결정할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112015051160766-pat00003
여기서,
Figure 112015051160766-pat00004
는 Gx[n]의 적층 간섭 채널 행렬로,
Figure 112015051160766-pat00005
을 의미함.
상기 송신 빔 설계 장치는, n 시간에 상기 x번째 수신 단말기로 전송하는 송신 빔을 아래의 수학식 4를 통해 설계할 수 있다.
(수학식 4)
Figure 112015051160766-pat00006
여기서, Hx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 채널 행렬, wx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하기 위해 설계한 빔 벡터, sx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 데이터 심볼, nx[n]은 송신 단말기 및 x번째 수신 단말기 간에 신호를 송수신하는 과정에서 발생하는 잡음을 의미함.
상기 송신 빔 설계 장치는, 상기 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 동작 이후, 상기 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화하여 설계하는 동작을 더 수행하도록 할 수 있다.
상기 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화 설계하는 동작은, 아래의 수학식 5 또는 수학식 6을 만족하는 wx[m]을 구하고, m 시간에서 x번째 수신 단말기에 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[m]를 근사화하여 산출할 수 있다.
(수학식 5)
Figure 112015051160766-pat00007
여기서,
Figure 112015051160766-pat00008
은 G[n]의 의사 역행렬, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
(수학식 6)
Figure 112015051160766-pat00009
여기서,
Figure 112015051160766-pat00010
은 Gx[m]의 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00011
)의 의사 역행렬,
Figure 112015051160766-pat00012
은
Figure 112015051160766-pat00013
에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
상기 송신 빔 설계 장치는, 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대에서, 처음 근사화 시구간 이후 일정 시간대의 정규 시구간이 포함되도록 하여 송신 빔을 설계하고, 상기 정규 시구간은, 상기 수학식 2를 이용하여 송신 빔을 설계하는 구간이고, 상기 근사화 시구간은, 상기 정규 시구간의 송신 빔 및 수학식 5 또는 수학식 6을 이용하여, 일정 시간이 경과한 m 시간의 송신 빔을 근사화하여 설계하는 구간일 수 있다.
상기 송신 빔 설계 장치는, 전체 송신 시구간대에서, 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대로 반복되도록 하여 송신 빔을 설계할 수 있다.
상기 송신 빔 설계 장치는, SNR(Signal to Noise Ration)이 기 설정된 값 이상인 통신 환경의 경우, 전체 송신 시구간대에서 정규 시구간의 비율을 근사화 시구간의 비율보다 높게 설정하여 송신 빔을 설계할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 빔 설계 방법은, 복수 개의 안테나를 포함하는 송신 단말기에 구비되고, 송신 빔을 설계하는 송신 빔 설계 장치를 이용한 송신 빔 설계 방법으로서, 상기 송신 빔 설계 장치에서, 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 획득하는 단계; 상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 잡음 분산 정보를 이용하여 RZF(regularized zero-forcing)의 정규화 파라미터를 산출하고, 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터를 이용하여 G[n] 행렬을 정의하는 단계; 상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 G[n] 행렬을 이용하여 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터를 구하는 단계; 및 상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 채널 행렬 및 상기 빔 벡터를 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 단계를 포함하고, 상기 G[n] 행렬은, 아래의 수학식 7로 정의된다.
(수학식 7)
Figure 112015051160766-pat00014
여기서, H[n]은 n 시간에서의 상기 송신 단말기의 채널 행렬, ρ는 RZF의 정규화 파라미터, I는 단위 행렬을 의미함.
상기 빔 벡터를 구하는 단계는, 상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 8을 만족하는 빔 벡터 W[n]를 결정하는 단계일 수 있다.
(수학식 8)
Figure 112015051160766-pat00015
여기서, a'는 상수, GH[n]은 G[n]의 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미함.
상기 송신 빔 설계 방법은, 상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 3을 만족하는 wx[n]을 구하고, n 시간에 x번째 수신 단말기로 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[n]를 결정하는 단계일 수 있다.
(수학식 9)
Figure 112015051160766-pat00016
여기서,
Figure 112015051160766-pat00017
는 Gx[n]의 적층 간섭 채널 행렬로,
Figure 112015051160766-pat00018
을 의미함.
상기 송신 빔 설계 방법은, 상기 송신 빔 설계 장치에서, n 시간에 상기 x번째 수신 단말기로 전송하는 송신 빔을 아래의 수학식 10을 통해 설계하는 단계일 수 있다.
(수학식 10)
Figure 112015051160766-pat00019
여기서, Hx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 채널 행렬, wx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하기 위해 설계한 빔 벡터, sx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 데이터 심볼, nx[n]은 송신 단말기 및 x번째 수신 단말기 간에 신호를 송수신하는 과정에서 발생하는 잡음을 의미함.
상기 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 단계 이후에, 상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화하여 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화 설계하는 단계는, 상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 11 또는 수학식 12를 만족하는 wx[m]을 구하고, m 시간에서 x번째 수신 단말기에 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[m]를 근사화하여 산출하는 단계일 수 있다.
(수학식 11)
Figure 112015051160766-pat00020
여기서,
Figure 112015051160766-pat00021
은 G[n]의 의사 역행렬, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
(수학식 12)
Figure 112015051160766-pat00022
여기서,
Figure 112015051160766-pat00023
은 Gx[m]의 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00024
)의 의사 역행렬,
Figure 112015051160766-pat00025
은
Figure 112015051160766-pat00026
에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
상기 송신 빔 설계 방법은, 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대에서, 처음 근사화 시구간 이후 일정 시간대의 정규 시구간이 포함되도록 하여 송신 빔을 설계하고, 상기 정규 시구간은, 상기 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하는 구간이고, 상기 근사화 시구간은, 상기 정규 시구간의 송신 빔 및 수학식 11 또는 수학식 12를 이용하여, 일정 시간이 경과한 m 시간의 송신 빔을 근사화하여 설계하는 구간일 수 있다.
상기 송신 빔 설계 방법은, 전체 송신 시구간대에서, 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대로 반복되도록 하여 송신 빔을 설계하는 것일 수 있다.
상기 송신 빔 설계 방법은, SNR(Signal to Noise Ration)이 기 설정된 값 이상인 통신 환경의 경우, 전체 송신 시구간대에서 정규 시구간의 비율을 근사화 시구간의 비율보다 높게 설정하여 송신 빔을 설계하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 다중 안테나 송신 빔 설계 장치를 이용해 송신 빔을 설계함으로써, 송신 빔 설계의 복잡도를 낮추면서 송신 빔 설계를 위한 빔 벡터를 선택할 수 있는 자유도를 얻을 수 있게 된다. 또한, 설계된 빔 벡터 및 시변 채널에서의 채널 변화량을 이용함으로써, 시변 채널에서 송신 빔을 간소화하여 구할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 송신 빔 설계 장치를 이용한 통신 시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 송신 빔 설계 장치를 이용한 통신 시스템의 결과 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 사용되기에 적합한 예시적인 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경을 나타낸 도면
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예들을 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 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.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
이하의 설명에 있어서, 신호 또는 정보의 "전송", "통신", "송신", "수신" 기타 이와 유사한 의미의 용어는 일 구성요소에서 다른 구성요소로 신호 또는 정보가 직접 전달되는 것뿐만이 아니라 다른 구성요소를 거쳐 전달되는 것도 포함한다. 특히 신호 또는 정보를 일 구성요소로 "전송" 또는 "송신"한다는 것은 그 신호 또는 정보의 최종 목적지를 지시하는 것이고 직접적인 목적지를 의미하는 것이 아니다. 이는 신호 또는 정보의 "수신"에 있어서도 동일하다. 또한 본 명세서에 있어서, 2 이상의 데이터 또는 정보가 "관련"된다는 것은 하나의 데이터(또는 정보)를 획득하면, 그에 기초하여 다른 데이터(또는 정보)의 적어도 일부를 획득할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 송신 빔 설계 장치를 이용한 통신 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 통신 시스템(10)은 송신 단말기(100) 및 송신 단말기(100)로부터 전송되는 신호를 수신하는 복수 개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신 단말기(100)는 복수 개의 안테나(106)를 구비하는 송신 빔 설계 장치(102)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 통신 시스템(10)은 다중 사용자 다중입력 다중출력(Multiuser Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO) 환경을 기반으로 할 수 있다. 즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 동일한 주파수 대역을 사용하고, 복수개의 안테나 장치(106)를 구비할 수 있다. 송신 빔 설계 장치(102)는 각각 안테나를 구비한 K개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)로 데이터를 전송할 수 있다.
그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통신 시스템(10)은 단일 사용자 다중입력 다중출력(Singleuser Multiple Input Multiple Output, SU-MIMO) 환경에서도 적용할 수 있음은 물론이다. 즉, 송신 단말기와 수신 단말기의 쌍이 있고, 송신 단말기에서 다수의 데이터 스트림을 수신 단말기로 전송하는 통신 환경에서도 적용될 수 있다.
이하, 다중 사용자 다중입력 다중출력(Multiuser Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO) 환경에서, 송신 빔 설계 장치(102)가 송신 빔을 설계하는 구체적인 방법을 설명하기로 한다. 여기서, 송신 빔 설계 장치(102)는 프로세서 및 그 프로세서에 의해 액세스 가능한 메모리와 같은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 프로세서의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서와 연결될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에는 컴퓨터 실행 가능 명령어가 저장되어 있을 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 명령어는 프로세서에 의해 실행되는 경우 프로세서로 하여금 예시적인 실시예에 따른 동작(예를 들어, 송신 빔 설계 동작)을 수행하게 할 수 있다.
다중 사용자 다중입력 다중출력 환경에서, x번째 수신 단말기(104-x)에서 수신되는 데이터(yx[n])는 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00027
여기서, Hx[n]은 송신 빔 설계 장치(102)에서 n 시간에 x번째 수신 단말기(104-x)로 전송하는 신호의 채널 행렬을 나타낸다. Hx[n]은 (1×Nt) 행렬로 나타낼 수 있다. 또한, vx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기(104-x)로 전송하기 위해 설계한 송신 빔 벡터를 나타낸다. vx[n]은 (Nt×1) 행렬로 나타낼 수 있다. 아울러, sx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기(104-x)로 전송하는 신호의 데이터 심볼을 나타낸다. 이때, Nt는 안테나 장치의 수를 나타낸다.
여기서, 수학식 1 우변의 첫 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00028
)은 송신 빔 설계 장치(102)에서 x번째 수신 단말기(104-x)로 송신하기 위해 생성한 신호를 나타낸다.
또한, 상기 수학식 1 우변의 두 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00029
)은 x번째 수신 단말기(104-x)를 제외한 나머지 수신 단말기들에 송신하기 위하여 통신 시스템(10)에서 생성한 신호들의 합인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 수학식 1 우변의 두 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00030
)은 송신 빔 설계 장치(102)에서 x번째 수신 단말기(104-x)가 아닌 다른 수신 단말기들로 송신한 신호가 x번째 수신 단말기(104-x)에서도 수신되는 신호(즉, 간섭 신호)를 나타낸다
아울러, 상기 수학식 1 우변의 세 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00031
)은 송신 빔 설계 장치(102) 및 x번째 수신 단말기(104-x) 간에 신호를 송수신하는 과정에서 발생하는 잡음(노이즈)를 나타낸다.
통신 시스템(10)에 포함되는 K개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)에서 수신하는 모든 신호(y[n])를 벡터 형태로 표현하면 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00032
여기서, [ ]T는 전치(Transpose) 행렬을 의미한다.
한편, ZF(zero forcing)에 의한 송신 빔 설계는 상기 수학식 1에서 두 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00033
)인 간섭 신호를 0으로 만드는 vx[n]을 선택하는 것이다. 이를 위해, ZF에 의한 송신 빔 설계 방식에서는 하기의 수학식 3 또는 수학식 4를 이용한다.
Figure 112015051160766-pat00034
여기서, a는 상수이고, [ ]H는 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미한다. 상기 수학식 1의 두 번째 항(
Figure 112015051160766-pat00035
)을 살펴보면, 채널 행렬(Hx[n])과 빔 벡터(vl[n])의 곱들이 K-1개가 더해진 형태임을 확인할 수 있다. 즉, 빔 벡터(vl[n])와 채널 행렬(Hx[n])의 곱이 0이 되면, 채널 행렬(Hx[n])을 통해서 l 번째 수신 단말기(104-l)로 전송한 신호가 x번째 수신 단말기(104-x)에는 수신되지 않게 되어 간섭 신호를 제거할 수 있다.
수학식 3은 송신 빔 설계 장치(102)가 K개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)로 보내기 위해 생성하는 송신 빔의 빔 벡터를 구하기 위한 것이다. 여기서, x번째 수신 단말기(104-x)로 송신하기 위해 생성하는 송신 빔의 빔 벡터를 구하는 식은 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00036
여기서, H[n]의 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00037
)은
Figure 112015051160766-pat00038
이다. 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00039
)은 채널 행렬 H[n]에 대하여 x번째 행을 제거한 행렬로 수학식 4를 만족하는 vx[n]을 구함으로써, 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00040
)를 제거할 수 있게 된다.
이와 같이, ZF를 이용한 송신 빔 설계 방법에 의하면, 송신 빔 설계 장치(102)에서 수학식 4를 만족하는 vx[n]를 선택함으로써, x번째 수신 단말기(104-x)에서 다른 수신 단말기들의 간섭 신호가 수신되지 않도록 할 수 있다. 즉, 수학식 1에서 2번째 항을 제거할 수 있게 된다. 하지만, ZF를 이용하여 송신 빔을 설계하는 경우, SNR(Signal to Noise Ratio)이 낮은 통신 환경에서는 특정 수신 단말기(104-x)에서 수신하는 신호가 잡음보다 작아지는 경우가 발생하여 원하는 신호가 제대로 전달되지 못할 수 있다.
반면, RZF(regularized zero-forcing)를 이용한 송신 빔 설계 방법은 간섭 신호가 잡음보다 작은 환경에서는 간섭 신호가 통신 성능에 크게 영향을 주지 않는 다는 점을 이용하는 것으로, 하기 수학식 5를 만족하는 해당 vx[n]을 선택하여 송신 빔을 설계하는 방식이다.
Figure 112015051160766-pat00041
여기서, a는 상수이고, ρ는 정규화 파라미터(Regularization Parameter)이며, I는 단위 행렬을 나타낸다. 아울러, 정규화 파라미터
Figure 112015051160766-pat00042
이다. 여기서, Nt는 안테나 장치의 수를 나타내고, Pt는 송신 전력을 나타내며, σ2은 잡음의 분산을 나타낸다.
상기 수학식 4를 이용한 ZF는 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00043
)를 0으로 만드는 vx[n]을 확인하여 송신 빔을 설계하는 것인 반면, RZF는 상기 수학식 5를 이용하여 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00044
)를 0으로 만들지는 않지만, 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00045
)가 수학식 1의 잡음 신호(
Figure 112015051160766-pat00046
)보다는 작게 될 수 있는 vx[n]을 확인하는 것이다.
이를 통해, RZF는 ZF에 비해 vx[n]를 설계할 수 있는 자유도가 높아진다. 즉, 수학식 1의 원하는 신호(
Figure 112015051160766-pat00047
)의 신호 세기를 키울 수 있는 자유도가 주어지게 된다. 구체적으로, 수학식 3과 수학식 5를 비교하면, 수학식 5는 수학식 3에 ρI가 더해져 있는 형태인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, RZF은 상기 수학식 5에서 ρ의 크기가 커질수록 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00048
)의 크기를 키울 수 있게 되는 것이다. 즉, RZF는 ρ를 키움에 따라 vk[n]을 선택하기 위한 자유도를 얻을 수 있게 된다.
하지만, RZF는 의사 역행렬을 구하여 vx[n]을 구해야 하기 때문에, 복잡도가 높아 시변 채널에서 효율적인 빔 설계가 어렵다는 단점이 있다.
이에 예시적인 실시예에서는, 송신 빔 설계 장치(102)에서 채널 행렬(H[n])과 정규화 파라미터 제곱근(
Figure 112015051160766-pat00049
)의 곱에 대응되는 행렬(G[n]행렬)을 새롭게 정의함으로써, RZF와 같이 의사 역행렬을 구하지 않고 단순 행렬 계산을 통해 vx[n]을 구할 수 있다.
즉, 송신 빔 설계의 복잡도를 낮추면서 vx[n]을 선택하기 위한 자유도를 얻을 수 있도록 할 수 있다. 이하, 이에 대해 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 새롭게 정의되는 G[n]행렬은 하기 수학식 6으로 나타낼 수 있다. 또한, 새롭게 정의되는 G[n]행렬을 이용하여 송신 빔 설계 장치(102)에서 n 시간에 x번째 수신 단말기(104-x)로 전송하는 신호의 채널 행렬은 Gk[n]으로 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00050
예시적인 실시예에 따른 변형된 RZF는 수학식 6을 수학식 5에 대입하여 하기의 수학식 7과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00051
여기서, a'는 상수이고, [ ]H는 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미할 수 있다. 수학식 7에 의하면, 수학식 5와는 달리 정규화 파라미터(ρ)를 포함하지 않기 때문에 송신 빔 설계의 복잡도를 낮출 수 있게 된다. 즉, 채널 행렬(H[n])과 정규화 파라미터 제곱근(
Figure 112015051160766-pat00052
)의 곱에 대응되는 행렬(G[n]행렬)을 새롭게 정의함으로써, RZF 방식을 새로운 행렬 (G[n])에 대한 ZF형태로 해석할 수 있다.
수학식 7은 송신 빔 설계 장치(102)가 K개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)로 보내기 위해 생성하는 송신 빔의 빔 벡터를 구하기 위한 것이다. 여기서, x번째 수신 단말기(104-x)로 송신하기 위해 생성하는 송신 빔의 빔 벡터를 구하는 식은 하기의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00053
여기서, G[n]의 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00054
)은 수학식 6에서 새로 정의한 G[n]행렬에서 k번째 행를 제거한 행렬로,
Figure 112015051160766-pat00055
이다.
이때, G[n]의 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00056
)을 이용하여 수학식 8을 만족하는 wx[n]을 구함으로써, 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00057
)가 수학식 1의 잡음 신호(
Figure 112015051160766-pat00058
)보다는 작게 될 수 있는 vx[n]을 결정할 수 있다.
송신 빔 설계 장치는 수학식 8에 의한 wx[n] 행렬 중 안테나 장치 수(Nt)에 대응하는 일부 열을 이용하여 vx[n]을 결정할 수 있다. 즉, 수학식 8을 이용하여 구한 wx[n]은 상기 수학식 6의 G[n]행렬을 이용하여 구한 것이기 때문에, 수학식 5를 이용하여 구한 vx[n]의 개수(Nt개)보다 많은 개수(예를 들어, 2Nt개)의 빔 벡터가 생성 될 수 있다. 따라서, 송신 빔 설계 장치는 수학식 8에 의한 wx[n] 행렬 중 안테나 장치 수(Nt)에 대응하는 개수의 열(즉, N 개의 열)을 이용하여 vx[n]을 결정할 수 있다. 예를 들어, 송신 빔 설계 장치는 wx[n] 행렬 중 1열부터 N열까지의 열을 이용하여 vx[n]을 결정할 수 있다.
예시적인 실시예에 의하면, ZF를 이용하여 송신 빔 설계 시, 복잡도가 낮아 설계에 용이하다는 장점 및 RZF를 이용하여 송신 빔 설계 시, 신호 세기를 키울 수 있는 자유도를 확보할 수 있다는 장점을 모두 얻을 수 있게 된다.
한편, 시간에 따라 채널이 변화하는 시변 채널 환경에서는 채널 변화에 대응하도록 송신 빔을 설계하여야 한다. 예를 들어, LTE, WIFI와 같은 무선통신 규격은 대체로 시변 채널로써, 시간이 흐름에 따라(예를 들어, n 시점에서 m 시점으로 시간이 흐름에 따라) 채널이 변화하게 된다. 이 경우, 송신 빔 설계 장치(102)는 채널의 변화가 있을 때마다 수학식 8을 이용하여 송신 빔 벡터(wk[n])을 도출하기 위한 역행렬 계산을 새로 하여야 하는 바, 송신 빔 설계의 복잡도가 증가하게 된다. 이에, 이하에서는 채널 변화를 반영하면서도 송신 빔 설계의 복잡도를 낮출 수 있는 방안에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
n 시간에서 일정 시간이 경과한 시간을 m 시간이라고 하면, m 시간에 대한 채널 행렬H[m]은
Figure 112015051160766-pat00059
로 나타낼 수 있다. 여기서, △H[n,m]은 채널 행렬H[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미할 수 있다. 여기서, 채널 변화량은 시간에 따라 변화하는 채널간의 차를 의미하는 것일 수 있다.
이와 같이, n 시간에서 m 시간으로 시간이 흐를 때의 채널 변화를 반영하면 G[m]은 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00060
여기서, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미할 수 있다.
여기서, x번째 수신 단말기(104-x)를 제외한 모든 수신 단말기에 대하여 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량은 하기의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00061
즉, 상기 수학식 10은 수학식 9 및
Figure 112015051160766-pat00062
을 이용하여 x번째 수신 단말기(104-x)를 제외한 모든 수신 단말기에 대하여 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 나타낸 것이다.
다중 안테나 송신 빔 설계 시스템은 G[n]행렬을 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔 벡터(wx[n])를 구하는 상기 수학식 7 및 상기 수학식 9를 이용하여 하기의 수학식 11을 정의하고 m 시간에 대한 송신 빔 벡터(wx[m])을 구할 수 있도록 할 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00063
여기서,
Figure 112015051160766-pat00064
은 G[n]의 의사 역행렬, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미할 수 있다. 상기 수학식 11은 m 시간에 대하여 송신 빔 설계 장치(102)가 K개의 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)로 보내기 위해 생성하는 송신 빔의 빔 벡터를 간소화하여 구하기 위한 것이다. 상기 수학식 11은 채널의 변화가 있을 때 마다 지속적으로 수학식 1의 두 번째 항(간섭 신호)을 제거하기 위해 수학식 7을 이용하여 계산해야 하는 문제를 해결할 수 있는 근사치 수학식 일 수 있다. 구체적으로, 수학식 11은 수학식 7 및 수학식 9에서 n 시간에 대해 확인한 각각의 값들을 이용함으로써, m 시간에 대하여 수학식 7을 이용한 송신 빔 설계와 근사한 송신 빔을 설계 할 수 있다. 즉, 수학식 11을 만족하는 wx[n]을 구함으로써, 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00065
)가 수학식 1의 잡음 신호(
Figure 112015051160766-pat00066
)보다는 작게 될 수 있는 vx[m]을 결정할 수 있다. 구체적으로, 송신 빔 설계 장치는 수학식 11에 의한 wx[n] 행렬 중 안테나 장치 수(Nt)에 대응하는 일부 열을 이용하여 vx[n]을 결정할 수 있다.
이와 마찬가지로, 수학식 8 및 수학식 10을 이용하여 구할 수 있는 하기의 수학식 12도 m 시간에 대하여 수학식 8을 이용한 송신 빔 설계와 근사한 송신 빔을 설계 할 수 있다.
Figure 112015051160766-pat00067
여기서,
Figure 112015051160766-pat00068
은 적층 간섭 채널 행렬(
Figure 112015051160766-pat00069
)의 의사 역행렬,
Figure 112015051160766-pat00070
은
Figure 112015051160766-pat00071
에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미할 수 있다. 을 의미한다. 아울러, 수학식 12는 수학식 8 및 수학식 10에서 n 시간에 대해 확인한 각각의 값들을 이용함으로써, m 시간에 대하여 수학식 8을 이용한 송신 빔 설계와 근사한 송신 빔을 설계 할 수 있다. 즉, 수학식 12를 만족하는 wx[n]을 구함으로써, 수학식 1의 간섭 신호(
Figure 112015051160766-pat00072
)가 수학식 1의 잡음 신호(
Figure 112015051160766-pat00073
)보다는 작게 될 수 있는 vx[m]을 결정할 수 있다. 구체적으로, 송신 빔 설계 장치는 수학식 12에 의한 wx[n] 행렬 중 안테나 장치 수(Nt)에 대응하는 일부 열을 이용하여 vx[n]을 결정할 수 있다.
다만, 상기 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 m 시간에 대해 설계한 송신 빔은 수학식 8을 이용하여 m 시간에 대해 설계한 송신 빔의 근사 값으로, 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하는 것에 비하여 정확도가 떨어질 수 있다. 구체적으로, 수학식 12를 이용하여 m 시간에 대해 설계한 송신 빔은 n 시간과 m 시간의 채널 변화량(△G[m,n])이 클수록 수학식 8을 이용하여 m 시간에 대해 설계한 송신 빔에 비하여 정확도가 더 떨어질 수 있다.
수학식 8을 살펴보면, 송신 빔 설계 장치(102)가 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 m 시간에 대한 송신 빔을 설계하기 위해서는, n 시간에 대한 송신 빔의 설계가 이루어 져야 가능한 것을 알 수 있다. 즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대 중, 처음 시점에는 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계할 수 있다. n 시간 이후, 송신 빔 설계 장치(102)는 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 송신 빔을 설계할 수 있다. 하지만, 위에서 설명하였듯이, 지속적으로 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 송신빔을 설계할 경우, 정확도가 떨어질 수 있다.
이를 해결하기 위해, 송신 빔 설계 장치(102)는 n 시간 이후의 모든 시간에 대해 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 송신 빔을 설계하는 것이 아니라, 일정 시구간은 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하고, 그 외의 시구간은 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용해 송신 빔을 설계할 수 있다. 여기서, 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하는 시구간을 "정규 시구간"이라 하고, 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 송신 빔을 설계하는 시구간을 "근사화 시구간"이라 한다.
즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대에서, 근사화 시구간 이후 일정 시간대의 정규 시구간이 포함되도록 하여 송신 빔을 설계할 수 있다. 예를 들어, 전체 송신 시간대에서, 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대로 반복되도록 하여 송신 빔을 설계할 수 있다. 즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 정규 시구간(예를 들어, n 시간)과 근사화 시구간(예를 들어, m 시간)이 교대로 반복되도록 함으로써, 수학식 12를 이용해 간소화 계산을 할 때 발생되는 오차를 최소화 할 수 있다.
여기서, 정규 시구간은 n 시간에서 m 시간까지의 채널 변화량(△G[n,m])에 따라 사용자가 설정 할 수 있다. 즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 정규 시구간에 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하고, 근사화 시구간에는 수학식 12를 이용함으로써, 복잡도가 낮으면서 성능 열화가 낮은 송신 빔 설계를 할 수 있다.
송신 빔 설계 장치(102)는 정규 시구간에서 송신 빔을 설계하기 위해, 채널 행렬 H[n] 및 잡음의 분산 정보를 획득하고, 정규 시구간(예를 들어, n 시간)을 설정할 수 있다. 다중 안테나 송신 빔 설계 시스템은 채널 행렬 H[n]을 획득하고, 잡음 분산 정보(σ2)를 획득할 수 있다. 송신 빔 설계 장치(102)는 상기 획득한 채널 행렬 H[n], 잡음 분산 정보 및 수학식 6을 이용하여 G[n]을 도출할 수 있다. 또한, 송신 빔 설계 장치(102)는 수학식 8을 이용하여 G[n]의 의사 역행렬 W[n]를 구함으로써, 송신 빔을 설계할 수 있다.
만약, 송신 빔 설계 장치(102)가 정규 시구간(예를 들어, n 시간)에 대한 송신 빔 설계를 완료하게 될 경우, 송신 빔 설계 장치(102)는 근사화 시구간(예를 들어, m 시간)에 도달할 수 있다. 송신 빔 설계 장치(102)는 수학식 10를 이용하여 확인한 △G[n,m], 정규 시구간에 설계한 송신 빔 및 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 근사화 시구간에서의 송신 빔 설계를 할 수 있다.
이를 통해, 송신 빔 설계 장치(102)는 ZF를 이용하여 송신 빔 설계 시, 복잡도가 낮아 설계에 용이하다는 장점 및 ZF를 이용하여 송신 빔 설계 시, 신호 세기를 키울 수 있는 자유도를 확보할 수 있다는 장점을 이용하여 송신 빔을 설계할 수 있다. 또한, 송신 빔 설계 장치(102)는 n 시간에 대해 설계한 송신 빔을 이용하여 n 시간에서 m 시간만큼 시간이 흐른 뒤의 송신 빔을 간단하게 설계할 수 있다. 즉, 송신 빔 설계 장치(102)는 시변 채널에서 송신 빔 설계 시, 복잡도를 낮출 수 있다. 아울러, 송신 빔 설계 장치(102)는 전체 시간에 대하여 모든 송신 빔을 수학식 12(또는 수학식 11)를 이용하여 간소하게 설계하는 것이 아니라, 정규 시구간에는 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계함으로써, 성능 열화가 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 송신 빔 설계 장치를 이용한 통신 시스템의 결과 그래프이다. 도 2는 전체 송신 시구간을 정규 시구간으로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(파란색)와 전체 송신 시구간을 근사화 시구간 및 정규 시구간을 교대로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(빨간선)를 비교한 것이다. 여기서, 시변 채널에서 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대되는 시간을 일정 시간으로 고정시키고, 수신 단말기(104-1 ~ 104-K)의 이동 속도(beam tracking)가 각각 50km/h, 100km/h, 200km/h인 경우에 대하여 나타내었다. 그리고, 안테나 장치의 수(Nt)는 4개, 수신 단말기의 수(K)는 4개, 수신 단말기의 안테나 개수는 1개로 가정한다.
도 2를 살펴보면, SNR(Signal to Noise Ratio)이 낮은 환경(예를 들어, SNR이 20 dB 미만인 환경)에서는 전체 송신 시구간을 정규 시구간으로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(파란색)와 전체 송신 시구간을 근사화 시구간 및 정규 시구간을 교대로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(빨간선)의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다.
다만, SNR(Signal to Noise Ratio)이 높은 환경(예를 들어, SNR이 20 dB 이상인 환경)에서는 전체 송신 시구간을 정규 시구간으로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(파란색)와 전체 송신 시구간을 근사화 시구간 및 정규 시구간을 교대로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(빨간선)가 차이가 나기 시작하는 것을 볼 수 있다. 특히 수신 단말기의 이동 속도가 빠를수록 전체 송신 시구간을 정규 시구간으로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(파란색)와 전체 송신 시구간을 근사화 시구간 및 정규 시구간을 교대로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(빨간선)의 차이가 커지는 것을 볼 수 있다.
그러나, SNR(Signal to Noise Ratio)이 높은 환경(예를 들어, SNR이 20 dB 이상인 환경)에서, 전체 송신 시구간을 근사화 시구간 및 정규 시구간을 교대로 하여 송신 빔을 설계(빨간선)함으로써, 전체 송신 시구간을 정규 시구간으로 하여 송신 빔을 설계하는 경우(파란색)와의 차이를 최소화 할 수 있게 된다. 수신 단말기의 이동 속도가 빠른 경우에는 전체 송신 시구간에서 정규 시구간의 비율을 근사화 시구간의 비율보다 높도록 설정함으로써, 그 차이를 줄일 수 있게 된다.
도 3은 예시적인 실시예들에서 사용되기에 적합한 예시적인 컴퓨팅 장치를 포함하는 컴퓨팅 환경을 도시한다.
도 3에 도시된 예시적인 컴퓨팅 환경(200)은 컴퓨팅 장치(210)를 포함한다. 통상적으로, 각 구성은 상이한 기능 및 능력을 가질 수 있고, 이하에 기술되지 않았더라도 그 구성에 적합한 컴포넌트를 추가적으로 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(210)는 송신 빔을 설계하기 위한 장치(예를 들어, 송신 빔 설계 장치(102)) 또는 송신 빔을 송신하는 단말기(예를 들어, 송신 단말기(100))일 수 있다.
컴퓨팅 장치(210)는 적어도 하나의 프로세서(212), 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214) 및 버스(260)를 포함한다. 프로세서(212)는 버스(260)와 연결되고, 버스(260)는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)를 포함하여 컴퓨팅 장치(210)의 다른 다양한 컴포넌트들을 프로세서(212)에 연결한다.
프로세서(212)는 컴퓨팅 장치(210)로 하여금 앞서 언급된 예시적인 실시예에 따라 동작하도록 할 수 있다. 예컨대, 프로세서(212)는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)에 저장된 컴퓨터 실행 가능 명령어를 실행할 수 있고, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)에 저장된 컴퓨터 실행 가능 명령어는 프로세서(212)에 의해 실행되는 경우 컴퓨팅 장치(210)로 하여금 소정의 예시적인 실시예에 따른 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)는 컴퓨터 실행 가능 명령어 내지 프로그램 코드(예컨대, 애플리케이션(230)에 포함되는 명령어), 프로그램 데이터(예컨대, 애플리케이션(230)에 의해 사용되는 데이터) 및/또는 다른 적합한 형태의 정보를 저장하도록 구성된다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)에 저장된 애플리케이션(230)은 프로세서(212)에 의해 실행 가능한 명령어의 소정의 집합을 포함한다.
도 3에 도시된 메모리(216) 및 저장 장치(218)는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(214)의 예이다. 메모리(216)에는 프로세서(212)에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 실행 가능 명령어가 로딩될 수 있다. 또한, 메모리(216)에는 프로그램 데이터가 저장될 수 있다. 예컨대, 이러한 메모리(216)는 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다. 다른 예로서, 저장 장치(218)는 정보의 저장을 위한 하나 이상의 착탈 가능하거나 착탈 불가능한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예컨대, 저장 장치(218)는 하드 디스크, 플래시 메모리, 자기 디스크, 광 디스크, 컴퓨팅 장치(210)에 의해 액세스되고 원하는 정보를 저장할 수 있는 다른 형태의 저장 매체, 또는 이들의 적합한 조합일 수 있다.
컴퓨팅 장치(210)는 또한 하나 이상의 입출력 장치(270)를 위한 인터페이스를 제공하는 하나 이상의 입출력 인터페이스(220)를 포함할 수 있다. 입출력 인터페이스(220)는 버스(260)에 연결된다. 입출력 장치(270)는 입출력 인터페이스(220)를 통해 컴퓨팅 장치(210)(의 다른 컴포넌트들)에 연결될 수 있다. 입출력 장치(270)는 포인팅 장치, 키보드, 터치 입력 장치, 음성 입력 장치, 센서 장치 및/또는 촬영 장치와 같은 입력 장치 및/또는 디스플레이 장치, 프린터, 스피커 및/또는 네트워크 카드와 같은 출력 장치를 포함할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 통신 시스템
100 : 송신 단말기
102 : 송신 빔 설계 장치
104-1 ~ 104-K : K개의 수신 단말기
106 : 복수 개의 안테나
200 : 컴퓨팅 환경
210 : 컴퓨팅 장치
212 : 프로세서
214 : 컴퓨터 판독 가능 저장 매체
216 : 메모리
218 : 저장 장치
220 : 입출력 인터페이스
230 : 애플리케이션
260 : 버스
270 : 입출력 장치

Claims (19)

  1. 복수 개의 안테나를 포함하는 송신 단말기에 구비되고, 송신 빔을 설계하는 송신 빔 설계 장치로서,
    하나 이상의 프로세서;
    메모리; 및
    하나 이상의 프로그램을 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로그램은 상기 메모리에 저장되고 상기 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되도록 구성되며,
    상기 프로그램은, 상기 송신 빔 설계 장치로 하여금,
    상기 송신 단말기의 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 획득하는 동작;
    상기 잡음 분산 정보를 이용하여 RZF(regularized zero-forcing)의 정규화 파라미터를 산출하고, 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터를 이용하여 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터 제곱근의 곱에 대응되는 G[n] 행렬을 정의하는 동작;
    상기 G[n] 행렬을 이용하여 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터를 구하는 동작; 및
    상기 채널 행렬 및 상기 빔 벡터를 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 동작을 수행하도록 하며,
    상기 G[n] 행렬은, 아래의 수학식 1로 정의되는, 송신 빔 설계 장치.
    (수학식 1)
    Figure 112016090381147-pat00074

    여기서, H[n]은 n 시간에서의 상기 송신 단말기의 채널 행렬, ρ는 RZF의 정규화 파라미터, I는 단위 행렬을 의미함.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 벡터를 구하는 동작은, 아래의 수학식 2를 만족하는 빔 벡터 W[n]를 결정하는, 송신 빔 설계 장치.
    (수학식 2)
    Figure 112015051160766-pat00075

    여기서, a'는 상수, GH[n]은 G[n]의 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미함.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는,
    아래의 수학식 3을 만족하는 wx[n]을 구하고, n 시간에 x번째 수신 단말기로 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[n]를 결정하는, 송신 빔 설계 장치.
    (수학식 3)
    Figure 112015051160766-pat00076

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00077
    는 Gx[n]의 적층 간섭 채널 행렬로,
    Figure 112015051160766-pat00078
    을 의미함.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는,
    n 시간에 상기 x번째 수신 단말기로 전송하는 송신 빔을 아래의 수학식 4를 통해 설계하는, 송신 빔 설계 장치.
    (수학식 4)
    Figure 112015051160766-pat00079

    여기서, Hx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 채널 행렬, wx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하기 위해 설계한 빔 벡터, sx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 데이터 심볼, nx[n]은 송신 단말기 및 x번째 수신 단말기 간에 신호를 송수신하는 과정에서 발생하는 잡음을 의미함.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는,
    상기 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 동작 이후, 상기 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화하여 설계하는 동작을 더 수행하도록 하는, 송신 빔 설계 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화 설계하는 동작은,
    아래의 수학식 5 또는 수학식 6을 만족하는 wx[m]을 구하고, m 시간에서 x번째 수신 단말기에 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[m]를 근사화하여 산출하는, 송신 빔 설계 장치.
    (수학식 5)
    Figure 112015051160766-pat00080

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00081
    은 G[n]의 의사 역행렬, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
    (수학식 6)
    Figure 112015051160766-pat00082

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00083
    은 Gx[m]의 적층 간섭 채널 행렬(
    Figure 112015051160766-pat00084
    )의 의사 역행렬,
    Figure 112015051160766-pat00085
    은
    Figure 112015051160766-pat00086
    에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는, 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대에서, 처음 근사화 시구간 이후 일정 시간대의 정규 시구간이 포함되도록 하여 송신 빔을 설계하고,
    상기 정규 시구간은, 상기 수학식 2를 이용하여 송신 빔을 설계하는 구간이고,
    상기 근사화 시구간은, 상기 정규 시구간의 송신 빔 및 수학식 5 또는 수학식 6을 이용하여, 일정 시간이 경과한 m 시간의 송신 빔을 근사화하여 설계하는 구간인, 상기 송신 빔 설계 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는, 전체 송신 시구간대에서, 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대로 반복되도록 하여 송신 빔을 설계하는, 송신 빔 설계 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 장치는, SNR(Signal to Noise Ration)이 기 설정된 값 이상인 통신 환경의 경우, 전체 송신 시구간대에서 정규 시구간의 비율을 근사화 시구간의 비율보다 높게 설정하여 송신 빔을 설계하는, 송신 빔 설계 장치.
  10. 복수 개의 안테나를 포함하는 송신 단말기에 구비되고, 송신 빔을 설계하는 송신 빔 설계 장치를 이용한 송신 빔 설계 방법으로서,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 채널 행렬 및 잡음 분산 정보를 획득하는 단계;
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 잡음 분산 정보를 이용하여 RZF(regularized zero-forcing)의 정규화 파라미터를 산출하고, 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터를 이용하여 상기 채널 행렬 및 상기 정규화 파라미터 제곱근의 곱에 대응되는 G[n] 행렬을 정의하는 단계;
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 G[n] 행렬을 이용하여 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터를 구하는 단계; 및
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 채널 행렬 및 상기 빔 벡터를 이용하여 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 단계를 포함하고,
    상기 G[n] 행렬은, 아래의 수학식 7로 정의되는, 송신 빔 설계 방법.
    (수학식 7)
    Figure 112016090381147-pat00087

    여기서, H[n]은 n 시간에서의 상기 송신 단말기의 채널 행렬, ρ는 RZF의 정규화 파라미터, I는 단위 행렬을 의미함.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 빔 벡터를 구하는 단계는,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 8을 만족하는 빔 벡터 W[n]를 결정하는 단계인, 송신 빔 설계 방법.
    (수학식 8)
    Figure 112015051160766-pat00088

    여기서, a'는 상수, GH[n]은 G[n]의 공액 전치(Conjugate Transpose) 행렬을 의미함.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 방법은,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 3을 만족하는 wx[n]을 구하고, n 시간에 x번째 수신 단말기로 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[n]를 결정하는 단계인, 송신 빔 설계 방법.
    (수학식 9)
    Figure 112015051160766-pat00089

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00090
    는 Gx[n]의 적층 간섭 채널 행렬로,
    Figure 112015051160766-pat00091
    을 의미함.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 방법은,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, n 시간에 상기 x번째 수신 단말기로 전송하는 송신 빔을 아래의 수학식 10을 통해 설계하는 단계인, 송신 빔 설계 방법.
    (수학식 10)
    Figure 112015051160766-pat00092

    여기서, Hx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 채널 행렬, wx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하기 위해 설계한 빔 벡터, sx[n]은 송신 단말기에서 n 시간에 x번째 수신 단말기로 전송하는 신호의 데이터 심볼, nx[n]은 송신 단말기 및 x번째 수신 단말기 간에 신호를 송수신하는 과정에서 발생하는 잡음을 의미함.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 n 시간에 대한 송신 빔을 설계하는 단계 이후에,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 상기 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화하여 설계하는 단계를 더 포함하는, 송신 빔 설계 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 m 시간에 대한 송신 빔을 근사화 설계하는 단계는,
    상기 송신 빔 설계 장치에서, 아래의 수학식 11 또는 수학식 12를 만족하는 wx[m]을 구하고, m 시간에서 x번째 수신 단말기에 데이터 심볼을 송신하기 위한 빔 벡터 vx[m]를 근사화하여 산출하는 단계인, 송신 빔 설계 방법.
    (수학식 11)
    Figure 112015051160766-pat00093

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00094
    은 G[n]의 의사 역행렬, △G[n,m]은 채널 행렬G[n]에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
    (수학식 12)
    Figure 112015051160766-pat00095

    여기서,
    Figure 112015051160766-pat00096
    은 Gx[m]의 적층 간섭 채널 행렬(
    Figure 112015051160766-pat00097
    )의 의사 역행렬,
    Figure 112015051160766-pat00098
    은
    Figure 112015051160766-pat00099
    에서 n 시간을 기준으로 일정 시간이 경과한 m 시간까지의 채널 변화량을 의미함.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 방법은, 신호를 송신하는 처음 시점부터 마지막 시점까지의 전체 송신 시간대에서, 처음 근사화 시구간 이후 일정 시간대의 정규 시구간이 포함되도록 하여 송신 빔을 설계하고,
    상기 정규 시구간은, 상기 수학식 8을 이용하여 송신 빔을 설계하는 구간이고,
    상기 근사화 시구간은, 상기 정규 시구간의 송신 빔 및 수학식 11 또는 수학식 12를 이용하여, 일정 시간이 경과한 m 시간의 송신 빔을 근사화하여 설계하는 구간인, 상기 송신 빔 설계 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 방법은, 전체 송신 시구간대에서, 근사화 시구간 및 정규 시구간이 교대로 반복되도록 하여 송신 빔을 설계하는, 송신 빔 설계 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 송신 빔 설계 방법은, SNR(Signal to Noise Ration)이 기 설정된 값 이상인 통신 환경의 경우, 전체 송신 시구간대에서 정규 시구간의 비율을 근사화 시구간의 비율보다 높게 설정하여 송신 빔을 설계하는, 송신 빔 설계 방법.
  19. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나의 항에 기재되는 송신 빔 설계 장치; 및
    상기 송신 빔 설계 장치에 의해 생성된 송신 빔을 송신하는 복수 개의 안테나를 포함하는, 송신 단말기.
KR1020150074541A 2015-05-28 2015-05-28 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기 KR101691295B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150074541A KR101691295B1 (ko) 2015-05-28 2015-05-28 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150074541A KR101691295B1 (ko) 2015-05-28 2015-05-28 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160139515A KR20160139515A (ko) 2016-12-07
KR101691295B1 true KR101691295B1 (ko) 2016-12-29

Family

ID=57572879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150074541A KR101691295B1 (ko) 2015-05-28 2015-05-28 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101691295B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024058544A1 (ko) * 2022-09-13 2024-03-21 삼성전자 주식회사 빔포밍을 수행하는 방법 및 장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130073131A (ko) 2011-12-23 2013-07-03 삼성전자주식회사 이동 통신 시스템에서 빔포밍 장치 및 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Haksoo Kim et al.; An Efficient Algorithm for Zero-Forcing Coordinated Beamforming; IEEE Communications Letters (Volume:16 , Issue: 7); Page(s):994 - 997; 08 May 2012*
N. Jindal et al.; MIMO Broadcast Channels With Finite-Rate Feedback; IEEE Transactions on Information Theory (Volume:52 , Issue: 11); Page(s):5045 - 5060; 23 Nov. 2006*
Zijian Wang et al.; Regularized Zero-Forcing for Multiantenna Broadcast Channels with User Selection; IEEE Wireless Communications Letters (Volume:1 , Issue: 2), Page(s):129 - 132, 12 April 2012*

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024058544A1 (ko) * 2022-09-13 2024-03-21 삼성전자 주식회사 빔포밍을 수행하는 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160139515A (ko) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108352873B (zh) 在波束子集上进行预编码
US10886986B2 (en) Estimation of channel conditions
WO2020221581A1 (en) Methods and apparatuses for enhancement on basis subset indication for two-codebook based csi reporting
CA3019607C (en) Precoding matrix indicator feedback method and apparatus
RU2720178C1 (ru) Способ возврата информации о состоянии канала, терминальное устройство и сетевое устройство
CN107682054B (zh) 一种信道状态信息反馈方法及相关设备
KR20090046082A (ko) 코드북 기반의 빔포밍 기법을 적용하는 다중 입출력시스템에 있어서, 빔포밍 정보를 송신하는 방법 및 이동단말의 위치를 추적하는 방법
US10284267B2 (en) System and method for reducing self-interference in a wireless resource
KR101349826B1 (ko) 코드북 기반의 다중 입출력 시스템에 있어서, 피드백정보를 송신하는 방법 및 코드북 기반 프리코딩 기법을적용하는 다중 입출력 시스템에 있어서, 프리코딩 정보를송신하는 방법
EP3175558A1 (en) Principal eigen beam quantization for mimo systems
US20140294107A1 (en) Apparatus for multi-user multi-antenna transmission based on double codebook and method for the same
JP6457068B2 (ja) ピンポン・ビームフォーミング
CN104488214B (zh) 用于在无线通信系统中联合执行信道估计和干扰估计的方法和装置
CN107094038B (zh) 一种天线系统功率调整的方法、装置及系统
CN104270180A (zh) 用户设备配对方法及装置
KR101691295B1 (ko) 다중 안테나 송신 빔 설계 장치 및 방법과 이를 이용한 송신 단말기
US9450657B2 (en) Low-complexity precoder design for large-scale MIMO communication systems
WO2013064898A1 (en) Method and apparatus for data beamforming
KR102114837B1 (ko) 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치
US11799530B2 (en) Beam management with matching networks
KR101439731B1 (ko) 복수 개의 안테나를 이용하여 단말과 통신하는 장치 및 방법
Yu et al. An Analytical Framework for Multi-Antenna Wireless Networks
CN116684916A (zh) Csi上报方法、信道预测方法、终端和网络侧设备
US9219552B2 (en) Noise limitation for transmission in a multi-path channel
CN118264286A (zh) 一种信道信息获取方法、通信设备及存储介质

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191014

Year of fee payment: 4