KR101732509B1 - Method for determining beamforming coefficient in wireless communication system - Google Patents

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KR101732509B1 KR1020150117170A KR20150117170A KR101732509B1 KR 101732509 B1 KR101732509 B1 KR 101732509B1 KR 1020150117170 A KR1020150117170 A KR 1020150117170A KR 20150117170 A KR20150117170 A KR 20150117170A KR 101732509 B1 KR101732509 B1 KR 101732509B1
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Abstract

무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법은, 수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬(variation matrix)을 순환 행렬(circulant matrix)로 근사화하는 단계; 및 상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함한다.A method for determining a beamforming coefficient in a wireless communication system is disclosed. A method of determining a beamforming coefficient in a wireless communication system according to an embodiment of the present invention includes: approximating a variation matrix corresponding to a vector component of a received signal by a circulant matrix; And determining a beamforming coefficient using the approximated scattering matrix.

Description

무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법{METHOD FOR DETERMINING BEAMFORMING COEFFICIENT IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}[0001] METHOD FOR DETERMINING BEAM FORMING COEFFICIENT IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM [0002]

본 발명은 다중 안테나를 갖는 무선 통신 시스템에서의 빔포밍에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빔포밍 계수를 결정하기 위한 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to beamforming in a wireless communication system having multiple antennas, and more particularly to a technique for determining a beamforming coefficient.

무선 통신 시스템에서 수신측 안테나 빔포밍에 기반한 기술은 시스템 용량을 향상시키기 위한 주요 기술요소이며, 전세계적으로 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 세계적인 연구 동향을 고려할 때, 효과적인 적응 빔포밍 기술은 무선통신 시스템의 시장 경쟁력을 유지하기 위한 주요 요소이다.In the wireless communication system, the technique based on the receiving side antenna beamforming is a main technical element for improving the system capacity, and researches are being actively conducted around the world. Considering such global research trends, effective adaptive beamforming technology is a key factor in maintaining market competitiveness of wireless communication systems.

그러나 실제로 수신 안테나 개수가 많은 경우 적응 빔포밍 기술은 많은 연산 복잡도를 필요로 하므로 실제 무선 통신 시스템에 구현하기가 쉽지 않다. 이에 대한 대안으로서 적응 빔포밍 기술 대신 고정된 빔패턴을 사용하는 기술들도 고려되고 있으나, 이는 성능면에서 어디까지나 적응 빔포밍 기술에 대한 차선책일 뿐이다. 결국 상용 무선 통신 시스템에 적용 가능한 연산 복잡도를 유지하면서도 좋은 성능을 가지는 빔포밍 기술은 쉽게 달성되기 어렵다. 특히 사물 인터넷을 위한 무선 네트워크의 저전력 디바이스에서처럼 전력 소모량을 줄이는 것이 중요한 어플리케이션에서는 더욱 연산 복잡도가 낮은 적응 빔포밍 기술이 필요하다.However, when the number of receiving antennas is large, the adaptive beamforming technique requires a large amount of computational complexity. Techniques using fixed beam patterns instead of adaptive beamforming techniques have been considered as an alternative to this, but this is merely a workaround for adaptive beamforming techniques in terms of performance. As a result, it is difficult to achieve a beamforming technique having good performance while maintaining computational complexity applicable to a commercial wireless communication system. Especially in applications where it is important to reduce power consumption, such as in low-power devices in wireless networks for the Internet of things, adaptive beamforming techniques with lower computational complexity are needed.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 효율적인 빔포밍을 위해 수신측 다중 안테나를 갖는 무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for determining a beamforming coefficient in a wireless communication system having a receiving multiple antenna for efficient beamforming.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법은, 수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬(variation matrix)을 순환 행렬(circulant matrix)로 근사화하는 단계; 및 상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for determining a beamforming coefficient in a wireless communication system, the method including: approximating a variation matrix corresponding to a vector component of a received signal by a circulant matrix; ; And determining a beamforming coefficient using the approximated scattering matrix.

여기서, 상기 분산 행렬을 상기 순환 행렬로 근사화하는 단계는, 상기 분산 행렬을 구성하는 모든 열들을 상기 순환 행렬로 근사화 할 수 있다.Here, approximating the dispersion matrix to the circulation matrix may approximate all the columns constituting the dispersion matrix to the circulation matrix.

여기서, 상기 분산 행렬을 상기 순환 행렬로 근사화하는 단계는, 상기 분산 행렬의 시간 도메인 인자(time domain factor)를 조정한 후에, 상기 순환 행렬로 근사화 할 수 있다.Here, approximating the dispersion matrix to the circulation matrix may be approximated by the circulation matrix after adjusting a time domain factor of the dispersion matrix.

여기서, 상기 시간 도메인 인자를 조정하여 상기 순환 행렬로 근사화하는 단계는, 상기 분산 행렬의 각 열들 중 적어도 하나의 열에서 첫번째 행을

Figure 112015080670764-pat00001
만큼 증가시킨 후에, 상기 순환 행렬로 근사화 할 수 있다.The step of adjusting the time domain factors to approximate the time domain factors to the circulation matrix may include calculating a first row in at least one column of each of the columns of the dispersion matrix
Figure 112015080670764-pat00001
, Then it can be approximated by the recursive matrix.

여기서, 상기

Figure 112015080670764-pat00002
중에서 시간 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00003
는 1보자 작은 양의 실수일 수 있다. Here,
Figure 112015080670764-pat00002
Among the time conditioning values
Figure 112015080670764-pat00003
Can be a small amount of mistakes.

여기서, 상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 상기 빔포밍 계수를 결정하는 단계는, 상기 근사화된 분산 행렬을 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete fourier transform) 행렬, 대각 행렬 및 이산 푸리에 변환 행렬로 분해하는 단계; 및 상기 대각 행렬에 대한 역 대각 행렬의 방위각 도메인 인자(azimuth domain factor)를 조정하여 상기 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.The step of determining the beamforming coefficient using the approximated scattering matrix may comprise: decomposing the approximated scattering matrix into an inverse discrete Fourier transform matrix, a diagonal matrix, and a discrete Fourier transform matrix; And determining the beamforming coefficient by adjusting an azimuth domain factor of an inverse diagonal matrix with respect to the diagonal matrix.

여기서, 상기 역 대각행렬이 수학식

Figure 112015080670764-pat00004
이라고 할 때, 상기 수학식
Figure 112015080670764-pat00005
의 함수
Figure 112015080670764-pat00006
를 만족하는 방위각 도메인 인자
Figure 112015080670764-pat00007
의 방위각 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00008
을 1보다 작은 양의 실수로 하여 상기 방위각 도메인 인자 B를 조정할 수 있다.Here, if the inverse diagonal matrix is expressed by Equation
Figure 112015080670764-pat00004
, The equation
Figure 112015080670764-pat00005
Function of
Figure 112015080670764-pat00006
≪ / RTI >
Figure 112015080670764-pat00007
Azimuth conditioning value of
Figure 112015080670764-pat00008
The azimuthal domain factor B can be adjusted to be a positive real number smaller than one.

본 발명에 의하면, 본 발명에서는 수신측의 다중 안테나들에서 적은 연산량에 의해 효율적으로 빔포밍 계수를 결정함으로써, 전력 소모량을 최소화하면서도 고 효율의 무선 통신 시스템 성능을 구현할 수 있도록 한다.According to the present invention, in the present invention, the beamforming coefficients are determined efficiently by a small amount of computation in the multiple antennas on the reception side, thereby realizing the performance of the wireless communication system with high efficiency while minimizing the power consumption.

도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 스테이션의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법을 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분산 행렬을 이용한 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다.
1 is a block diagram illustrating one embodiment of a station performing a method in accordance with the present invention.
2 is a flowchart of an embodiment for explaining a beamforming coefficient determination method in a wireless communication system according to the present invention.
FIG. 3 is a flowchart of an embodiment for explaining a step of determining a beamforming coefficient using the dispersion matrix shown in FIG.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless explicitly defined in the present application Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the present invention, the same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

명세서 전체에서 망(network)은, 예를 들어, WiFi(wireless fidelity)와 같은 무선인터넷, WiBro(wireless broadband internet) 또는 WiMax(world interoperability for microwave access)와 같은 휴대인터넷, GSM(global system for mobile communication) 또는 CDMA(code division multiple access)와 같은 2G 이동통신망, WCDMA(wideband code division multiple access) 또는 CDMA2000과 같은 3G 이동통신망, HSDPA(high speed downlink packet access) 또는 HSUPA(high speed uplink packet access)와 같은 3.5G 이동통신망, LTE(long term evolution)망 또는 LTE-Advanced망과 같은 4G 이동통신망, 및 5G 이동통신망 등을 포함할 수 있다.Throughout the specification, the network can be, for example, a wireless Internet such as WiFi (wireless fidelity), a wireless broadband internet (WiBro) or a portable internet such as world interoperability for microwave access (WiMax) A 3G mobile communication network such as Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) or CDMA2000, a high speed downlink packet access (HSDPA), or a high speed uplink packet access (HSUPA) A 3.5G mobile communication network, a 4G mobile communication network such as an LTE (Long Term Evolution) network or an LTE-Advanced network, and a 5G mobile communication network.

명세서 전체에서 단말(terminal)은 이동국(mobile station), 이동 단말(mobile terminal), 가입자국(subscriber station), 휴대 가입자국(portable subscriber station), 사용자 장치(user equipment), 접근 단말(access terminal) 등을 지칭할 수도 있고, 단말, 이동국, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치, 접근 단말 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.Throughout the specification, a terminal is referred to as a mobile station, a mobile terminal, a subscriber station, a portable subscriber station, a user equipment, an access terminal, And may include all or some of the functions of a terminal, a mobile station, a mobile terminal, a subscriber station, a mobile subscriber station, a user equipment, an access terminal, and the like.

여기서, 단말로 통신이 가능한 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 태블릿(tablet) PC, 무선전화기(wireless phone), 모바일폰(mobile phone), 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 스마트 글래스(smart glass), e-book 리더기, PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 디지털 카메라(digital camera), DMB (digital multimedia broadcasting) 재생기, 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player) 등을 사용할 수 있다.Here, a desktop computer, a laptop computer, a tablet PC, a wireless phone, a mobile phone, a smart phone, a smart watch, smart watch, smart glass, e-book reader, portable multimedia player (PMP), portable game machine, navigation device, digital camera, digital multimedia broadcasting (DMB) A digital audio recorder, a digital audio player, a digital picture recorder, a digital picture player, a digital video recorder, a digital video player ) Can be used.

명세서 전체에서 기지국(base station)은 접근점(access point), 무선 접근국(radio access station), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved nodeB), 송수신 기지국(base transceiver station), MMR(mobile multihop relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 기지국, 접근점, 무선 접근국, 노드B, eNodeB, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.Throughout the specification, a base station is referred to as an access point, a radio access station, a node B, an evolved node B, a base transceiver station, an MMR mobile multihop relay) -BS, and may include all or some of the functions of a base station, an access point, a radio access station, a Node B, an eNodeB, a base transceiver station, and a MMR-BS.

도 1은 본 발명에 따른 방법들을 수행하는 스테이션의 일 실시예를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating one embodiment of a station performing methods in accordance with the present invention.

도 1을 참조하면, 스테이션(100)은 적어도 하나의 프로세서(110), 메모리(120) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 네트워크 인터페이스 장치(130)를 포함할 수 있다. 또한, 스테이션(100)은 입력 인터페이스 장치(140), 출력 인터페이스 장치(150), 저장 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 스테이션(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, a station 100 may include at least one processor 110, a memory 120, and a network interface device 130 for communicating with a network. In addition, the station 100 may further include an input interface device 140, an output interface device 150, a storage device 160, and the like. Each component included in the station 100 may be connected by a bus 170 and communicate with each other.

프로세서(110)는 메모리(120) 및/또는 저장 장치(160)에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(110)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(120)와 저장 장치(160)는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)로 구성될 수 있다.The processor 110 may execute a program command stored in the memory 120 and / or the storage device 160. The processor 110 may refer to a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which the methods of the present invention are performed. The memory 120 and the storage device 160 may be composed of a volatile storage medium and / or a non-volatile storage medium. For example, memory 120 may be comprised of read only memory (ROM) and / or random access memory (RAM).

일반적으로 수신측 다중 안테나들에서 최적의 빔포밍 계수는 최소 평균 자승 에러를 만족하는 것으로 분산행렬의 역과 교차 분산 벡터의 곱으로부터 계산된다. 이때, 분산행렬의 역을 직접 구하여 계수를 찾는 방법을 일반적인 적응필터 방법들과 구별하여 직접 행렬 가역 연산법이라 부른다. 이 방법을 사용할 때 분산행렬의 역을 구하는 과정은 많은 연산 복잡도가 요구된다. 즉, n차원 정방행렬의 역행렬을 구할 때 요구되는 연산 복잡도는 n의 세제곱에 비례한다. 최소 평균 자승 에러를 만족하는 최적의 빔포밍 계수를 구하기 위해서는 분산 행렬의 역을 연산해야 하는데, 분산행렬의 사이즈는 수신 안테나의 개수와 동일하다. 따라서 수신단 안테나 개수가 8개, 12개, 16개 등으로 점차 증가할수록 분산행렬의 역을 구하기 위한 연산복잡도는 지수적으로 급격히 증가하게 된다. Generally, the optimal beamforming coefficient in the receiving multiple antennas is calculated from the product of the inverse of the dispersion matrix and the crossover variance vector, which satisfies the minimum mean square error. At this time, the method of directly obtaining the inverse of the dispersion matrix and finding the coefficients is called a direct matrix inverse operation method in a manner different from general adaptive filter methods. When using this method, the process of obtaining the inverse of the dispersion matrix requires a lot of computational complexity. That is, the computational complexity required to obtain the inverse of an n-dimensional square matrix is proportional to the cube of n. In order to obtain the optimal beamforming coefficient satisfying the minimum mean square error, the inverse of the dispersion matrix must be calculated. The size of the dispersion matrix is equal to the number of receive antennas. Therefore, as the number of receiving end antennas increases to 8, 12, 16, etc., the computational complexity for obtaining the inverse of the dispersion matrix increases exponentially.

본 발명에서는 연산 복잡도를 낮추기 위하여, 순환(circulant) 근사와 더불어 시간 도메인 인자와 방위각 도메인 인자의 조정을 통한 빔포밍 계수를 결정하는 것이다. 이러한 방식은 분산 행렬이 테플리츠 행렬(Toeplitz matrix)에 해당된다는 성질을 이용한 것으로서, 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화 할 경우 분산 행렬의 역을 적은 연산량으로 간단히 구할 수 있다. 다만, 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화 할 경우에 수치적으로 불안정한 상태가 될 수 있으므로, 시간 도메인 인자와 방위각 도메인 인자의 컨디셔닝을 통해 순환 근사화로 인한 오차를 최소화할 수 있다. In the present invention, in order to lower the computational complexity, a circulant approximation is used to determine a beamforming coefficient through adjustment of a time domain factor and an azimuth domain factor. This method uses the property that the dispersion matrix corresponds to the Toeplitz matrix. When the dispersion matrix is approximated by the circulation matrix, the inverse of the dispersion matrix can be simply obtained by a small amount of calculation. However, it can be numerically unstable when the dispersion matrix is approximated by a circulant matrix. Therefore, the error due to the circular approximation can be minimized by conditioning the time domain factor and the azimuth domain factor.

도 2는 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 빔포밍 계수 결정방법을 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다.2 is a flowchart of an embodiment for explaining a beamforming coefficient determination method in a wireless communication system according to the present invention.

도 2를 참조하면, 수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬(variation matrix)을 순환 행렬(circulant matrix)로 근사화한다(S200).Referring to FIG. 2, a variation matrix corresponding to a vector component of a received signal is approximated by a circulant matrix (S200).

안테나 개수가 n개인 수신측 안테나 어레이를 가정한다. 수신신호의 방위각이

Figure 112015080670764-pat00009
일때 각 안테나 요소로부터 수신되는 신호를 벡터로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다. Assume a receiving antenna array with n number of antennas. The azimuth of the received signal
Figure 112015080670764-pat00009
A signal received from each antenna element is expressed by a vector as follows.

Figure 112015080670764-pat00010
Figure 112015080670764-pat00010

상기 수학식 1에서 x는 송신 심볼이고,

Figure 112015080670764-pat00011
는 i번째 안테나 요소에서 더해지는 가우시안 백색잡음이며, K는 상수로서 마이크로웨이브의 파장 및 안테나 어레이에서 안테나 사이의 간격과 관련된 값이다. 이때, 최소 평균 자승 에러를 만족하는 최적의 빔포밍 계수
Figure 112015080670764-pat00012
는 다음의 수학식 2에 의해 산출된다. In Equation (1), x is a transmission symbol,
Figure 112015080670764-pat00011
Is the Gaussian white noise added at the i < th > antenna element and K is a constant related to the wavelength of the microwave and the spacing between the antennas at the antenna array. At this time, the optimal beamforming coefficient satisfying the minimum mean square error
Figure 112015080670764-pat00012
Is calculated by the following equation (2).

Figure 112015080670764-pat00013
Figure 112015080670764-pat00013

상기 수학식 2에서

Figure 112015080670764-pat00014
는 에르미트(Hermitian) 연산자이고,
Figure 112015080670764-pat00015
는 i번째 안테나 요소에서의 빔포밍 계수이며,
Figure 112015080670764-pat00016
Figure 112015080670764-pat00017
Figure 112015080670764-pat00018
사이의 교차분산으로서
Figure 112015080670764-pat00019
로 표현된다. 여기서
Figure 112015080670764-pat00020
은 가우시안 백색잡음
Figure 112015080670764-pat00021
의 분산이며
Figure 112015080670764-pat00022
는 디렉 델타(dirac-delta) 함수이다. 상기 수학식 2에서 좌변이 분산행렬이고 우변이 교차분산 벡터이다. 상기 수학식 2에서 보듯이 최적의 빔포밍 계수를 구하기 위해서는 크기가 n인 분산행렬의 역을 구해야 하므로 수신 안테나의 개수가 증가할수록 연산 복잡도는 지수적으로 증가하게 된다. In Equation (2)
Figure 112015080670764-pat00014
Is a Hermitian operator,
Figure 112015080670764-pat00015
Is the beamforming coefficient at the i < th > antenna element,
Figure 112015080670764-pat00016
The
Figure 112015080670764-pat00017
Wow
Figure 112015080670764-pat00018
As the cross dispersion
Figure 112015080670764-pat00019
Lt; / RTI > here
Figure 112015080670764-pat00020
Silver Gaussian white noise
Figure 112015080670764-pat00021
Dispersion of
Figure 112015080670764-pat00022
Is a dirac-delta function. In Equation (2), the left side is a dispersion matrix and the right side is a crossover dispersion vector. As shown in Equation (2), in order to obtain the optimal beamforming coefficient, the inverse of the dispersion matrix of size n must be obtained. Therefore, the computational complexity increases exponentially as the number of receiving antennas increases.

이를 해결하기 위해, 수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화한다. 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화하는 일 예로서 분산 행렬을 구성하는 모든 열들을 순환 행렬로 근사화할 수 있다. 상기의 수학식 2의 분산 행렬이 순환 행렬이 되도록 첫번째 열을 다음의 수학식 3과 같이 근사화할 수 있다.To solve this problem, a dispersion matrix corresponding to a vector component of a received signal is approximated by a circulant matrix. As an example of approximating a dispersion matrix to a circulation matrix, all the columns constituting the dispersion matrix can be approximated by a circulation matrix. The first column can be approximated as Equation (3) so that the dispersion matrix of Equation (2) becomes a circulation matrix.

Figure 112015080670764-pat00023
Figure 112015080670764-pat00023

먼저, 수학식 3과 같이 분산 행렬의 첫 번째 열을 근사화 한 후에, 분산 행렬의 다른 열들에 대해서도 순환 행렬이 되도록 근사화 할 수 있다.First, after approximating the first column of the dispersion matrix as shown in Equation (3), the other columns of the dispersion matrix can be approximated to be a circulating matrix.

이때, 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화하는 단계는 분산 행렬의 시간 도메인 인자를 조정한 후에 순환 행렬로 근사화 할 수 있다. 다음의 수학식 4는 시간 도메인 인자의 조정을 설명하기 위한 식이다. At this time, the step of approximating the dispersion matrix to the circulation matrix can be approximated to the circulation matrix after adjusting the time domain factor of the dispersion matrix. Equation (4) below is an expression for explaining the adjustment of the time domain factor.

Figure 112015080670764-pat00024
Figure 112015080670764-pat00024

시간 도메인 인자를 조정하여 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화하는 단계는 분산 행렬의 각 열들 중 적어도 하나의 열에서 첫번째 행을

Figure 112015080670764-pat00025
만큼 증가시킨 후에, 분산 행렬을 순환 행렬로 근사화할 수 있다. The step of adjusting the time domain factors to approximate the scattering matrix to the circulating matrix may be performed by using the first row of at least one column of each of the columns of the scattering matrix
Figure 112015080670764-pat00025
, The variance matrix can be approximated by a recursive matrix.

수학식 4를 살펴보면, 분산 행렬의 첫번째 엔트리가

Figure 112015080670764-pat00026
만큼 증가하도록 수정하는데, 시간 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00027
는 컨디셔닝의 정도를 의미한다. 일반적으로 시간 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00028
은 1보다 작은 양의 실수일 때 컨디셔닝으로 인한 오차를 줄이면서도 수치적으로 안정적이다. 이와 같이, 시간 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00029
를 수정한 후, 분산 행렬의 다른 열들에 대해서도 순환 행렬이 되도록 근사화한다. 시간 도메인 인자를 컨디셔닝한다는 의미는 분산벡터의 첫번째 엔트리 값을 크게 함으로써(방위각 도메인에서 DC값을 더하는 것에 해당함), 방위각 도메인의 모든 각도에 대해 양의 바이어스를 가하는 것이다. 그렇게 함으로써, 후술하는 바와 같이, 분산 행렬을 구성하는 대각행렬의 역을 취할 때 수치적으로 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.Referring to equation (4), the first entry of the variance matrix is
Figure 112015080670764-pat00026
, The time conditioning value < RTI ID = 0.0 >
Figure 112015080670764-pat00027
Means the degree of conditioning. Typically, the time conditioning value
Figure 112015080670764-pat00028
Is numerically stable while reducing the error due to conditioning when the real number is less than one. As such, the time conditioning value
Figure 112015080670764-pat00029
And approximates the other columns of the variance matrix to be a circulation matrix. Conditioning the time domain factor means applying a positive bias to all angles of the azimuth domain by increasing the first entry value of the variance vector (equivalent to adding a DC value in the azimuth domain). By doing so, it is possible to prevent numerical instability when taking the inverse of the diagonal matrix constituting the dispersion matrix, as will be described later.

S200 단계 후에, 근사화된 분산 행렬을 이용해 빔포밍 계수를 결정한다(S202). 도 3은 도 2에 도시된 분산 행렬을 이용한 빔포밍 계수를 결정하는 단계(S202)를 설명하기 위한 일 실시예의 흐름도이다.After step S200, a beamforming coefficient is determined using an approximated dispersion matrix (S202). FIG. 3 is a flowchart of an embodiment for explaining a step (S202) of determining a beamforming coefficient using the dispersion matrix shown in FIG.

도 3을 참조하면, 근사화된 분산 행렬을 역 이산 푸리에 변환 행렬, 대각 행렬 및 이산 푸리에 변환 행렬로 분해한다(S300). 순환 행렬로 근사화된 분산 행렬을 COV_AP로 표기하면 순환 행렬의 성질로부터 COV_AP는 다음의 수학식 5와 같다. Referring to FIG. 3, the approximated distributed matrix is decomposed into an inverse discrete Fourier transform matrix, a diagonal matrix, and a discrete Fourier transform matrix (S300). If a dispersion matrix approximated by a circulation matrix is expressed as COV_AP, COV_AP is expressed by Equation (5) from the properties of the circulation matrix.

Figure 112015080670764-pat00030
Figure 112015080670764-pat00030

수학식 5에서,

Figure 112015080670764-pat00031
는 사이즈가 n×n인 이산 푸리에 변환 행렬이며,
Figure 112015080670764-pat00032
는 역 이산 푸리에 변환 행렬이고,
Figure 112015080670764-pat00033
는 n차원 입력벡터를 n×n 대각 행렬로 만드는 함수이다. 순환 행렬로 근사화된 분산 행렬을 이용해서 수학식 2를 표현하면 다음의 수학식 6과 같다.In Equation (5)
Figure 112015080670764-pat00031
Is a discrete Fourier transform matrix having a size of n x n,
Figure 112015080670764-pat00032
Is an inverse discrete Fourier transform matrix,
Figure 112015080670764-pat00033
Is a function that converts an n-dimensional input vector into an n × n diagonal matrix. Equation (2) can be expressed as Equation (6) using a dispersion matrix approximated by a circulation matrix.

Figure 112015080670764-pat00034
Figure 112015080670764-pat00034

즉, 수학식 6에 기재된 바와 같이, 근사화된 분산 행렬이 역 이산 푸리에 변환 행렬

Figure 112015080670764-pat00035
, 대각 행렬
Figure 112015080670764-pat00036
및 이산 푸리에 변환 행렬
Figure 112015080670764-pat00037
로 분해된 것을 확인할 수 있다.That is, as described in Equation (6), if the approximated dispersion matrix is an inverse discrete Fourier transform matrix
Figure 112015080670764-pat00035
, Diagonal matrix
Figure 112015080670764-pat00036
And a discrete Fourier transform matrix
Figure 112015080670764-pat00037
. ≪ / RTI >

S300 단계 후에, 대각 행렬에 대한 역 대각 행렬의 방위각 도메인 인자를 조정하여 빔포밍 계수를 결정한다(S302). After step S300, the beamforming coefficient is determined by adjusting the azimuth domain factor of the inverse diagonal matrix with respect to the diagonal matrix (S302).

상기 수학식 6은 다음의 수학식 7 및 8과 같이 표현될 수 있다. Equation (6) can be expressed by the following Equations (7) and (8).

Figure 112015080670764-pat00038
Figure 112015080670764-pat00038

Figure 112015080670764-pat00039
Figure 112015080670764-pat00039

수학식 8에 기재된 바와 같이, 이산 푸리에 변환 및 역 이산 푸리에 변환은 고속 푸리에 변환법을 통해 간단한 연산량으로도 쉽게 연산을 수행할 수 있다. 한편, 대각 행렬의 역은 대각 성분을 역으로 하면 손쉽게 구해진다. 결과적으로 수학식 8에 기재된 바와 같이, 빔포밍 계수를 구하는데 있어서 매우 복잡한 n차원 분산행렬의 역을 계산할 필요 없이 고속 푸리에 변환을 통해 간단히 산출할 수 있다.As described in Equation (8), the discrete Fourier transform and the inverse discrete Fourier transform can be easily performed even with a simple calculation amount through a fast Fourier transform method. On the other hand, the inverse of the diagonal matrix is easily obtained by reversing the diagonal elements. As a result, as described in Equation (8), it is possible to easily calculate the beamforming coefficient through fast Fourier transform without calculating the inverse of the highly complex n-dimensional dispersion matrix.

다만, 분산 행렬의 역을 적은 연산량으로 산출할 수는 있지만 빔포밍 계수의 정확도가 저하될 수 있다는 점에서, 이를 해소하기 위해 역 대각 행렬의 방위각 도메인 인자를 조정할 필요가 있다. However, in order to solve this problem, it is necessary to adjust the azimuth domain factor of the inverse diagonal matrix in order to reduce the accuracy of the beamforming coefficient.

수학식 8에서 행렬

Figure 112015080670764-pat00040
는 다음의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.In Equation (8)
Figure 112015080670764-pat00040
Can be expressed by the following equation (9).

Figure 112015080670764-pat00041
Figure 112015080670764-pat00041

수학식 9의 행렬은 대각 행렬이므로 대각 성분 이외는 중요하지 않은 값들이다. 수학식 9의 대각 행렬의 역을 구하면 다음의 수학식 10과 같다. Since the matrix of Equation (9) is a diagonal matrix, values other than diagonal elements are not important. The inverse of the diagonal matrix of Equation (9) is given by Equation (10).

Figure 112015080670764-pat00042
Figure 112015080670764-pat00042

수학식 10에서 확인할 수 있듯이, 대각 행렬의 역은

Figure 112015080670764-pat00043
의 대각 성분 엔트리에 대해 각각 역을 취하면 된다. 따라서, 이 값들이 여러 요인들(예를 들어, 양자화 오차, 채널 추정 오차 등)로 인하여 0에 가까운 값이 된다면 수치적으로 매우 불안정하다. 따라서, 역 대각 행렬의 방위각 도메인 인자에 대한 컨디셔닝을 위해 다음의 수학식 11 내지 13이 사용된다.As can be seen in equation (10), the inverse of the diagonal matrix is
Figure 112015080670764-pat00043
The diagonal entry of the diagonal element may be reversed. Therefore, if these values are close to zero due to various factors (for example, quantization error, channel estimation error, etc.), they are numerically very unstable. Therefore, the following equations (11) to (13) are used for conditioning the azimuth domain factor of the inverse diagonal matrix.

Figure 112015080670764-pat00044
Figure 112015080670764-pat00044

Figure 112015080670764-pat00045
Figure 112015080670764-pat00045

Figure 112015080670764-pat00046
Figure 112015080670764-pat00046

수학식 12에서, 방위각 도메인 인자 B의 방위각 컨디셔닝 값

Figure 112015080670764-pat00047
은 방위각 도메인 컨디셔닝의 정도를 의미한다. 방위각 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00048
은 1보다 작은 양의 실수로 하여 방위각 도메인 인자 B를 조정할 수 있다. 특히, 방위각 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00049
은 통상적으로 1보다 상당히 작은 값으로 하여 컨디셔닝으로 인한 오차를 줄이면서도 수치적으로 안정적이 되도록 한다. 즉, 방위각 도메인 컨디셔닝의 의미는 수학식 9의 대각 행렬의 엔트리들이 지나치게 작아지는 것을 방지하기 위해, 양의 바이어스를 가함으로써 수치적으로 안정되게 하는 것이다. 이와 같이, 방위각 도메인 인자 B의 조정에 따라
Figure 112015080670764-pat00050
를 수정한 후, 수학식 8에 의한 빔포밍 계수를 결정할 수 있다. In Equation 12, the azimuthal conditioning value of the azimuth domain factor B
Figure 112015080670764-pat00047
Means the degree of azimuth domain conditioning. Azimuth conditioning value
Figure 112015080670764-pat00048
Can adjust the azimuth domain factor B with a positive real number less than one. In particular, the azimuth conditioning value
Figure 112015080670764-pat00049
Will typically be a value significantly less than one so that the error due to conditioning is reduced while still being numerically stable. That is, the meaning of the azimuthal domain conditioning is to make the entries of the diagonal matrix of Equation (9) numerically stable by applying a positive bias to prevent the entries from becoming too small. Thus, according to the adjustment of the azimuth domain factor B
Figure 112015080670764-pat00050
And the beamforming coefficient according to Equation (8) can be determined.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The methods according to the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the computer readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the computer software.

컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of computer readable media include hardware devices that are specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those generated by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate with at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

Claims (7)

수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬(variation matrix)을 순환 행렬(circulant matrix)로 근사화하는 단계; 및
상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 분산 행렬을 상기 순환 행렬로 근사화하는 단계는
상기 분산 행렬의 시간 도메인 인자(time domain factor)를 조정한 후에, 상기 순환 행렬로 근사화하되,상기 분산 행렬의 각 열들 중 적어도 하나의 열에서 첫번째 행을
Figure 112017016761610-pat00062
만큼 증가시킨 후에, 상기 순환 행렬로 근사화하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 계수 결정방법.
Approximating a variation matrix corresponding to a vector component of a received signal by a circulant matrix; And
Determining a beamforming coefficient using the approximated scattering matrix,
The step of approximating the dispersion matrix to the circulation matrix
After adjusting the time domain factor of the dispersion matrix, approximating the time domain factor with the circulation matrix, wherein at least one column of each of the columns of the dispersion matrix
Figure 112017016761610-pat00062
, And then approximating the beamforming coefficients by the circulation matrix.
청구항 1에 있어서, 상기 분산 행렬을 상기 순환 행렬로 근사화하는 단계는
상기 분산 행렬을 구성하는 모든 열들을 상기 순환 행렬로 근사화하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 계수 결정방법.
The method of claim 1, wherein approximating the scattering matrix to the circulating matrix comprises:
Wherein all the columns constituting the dispersion matrix are approximated by the circulation matrix.
삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기
Figure 112017016761610-pat00052
중에서 시간 컨디셔닝 값
Figure 112017016761610-pat00053
는 1보다 작은 양의 실수인 것을 특징으로 하는 빔포밍 계수 결정방법.
The method according to claim 1,
remind
Figure 112017016761610-pat00052
Among the time conditioning values
Figure 112017016761610-pat00053
Is a positive real number less than one.
수신 신호의 벡터 성분에 해당하는 분산 행렬(variation matrix)을 순환 행렬(circulant matrix)로 근사화하는 단계; 및
상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 근사화된 분산 행렬을 이용해 상기 빔포밍 계수를 결정하는 단계는
상기 근사화된 분산 행렬을 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete fourier transform) 행렬, 대각 행렬 및 이산 푸리에 변환 행렬로 분해하는 단계; 및
상기 대각 행렬에 대한 역 대각 행렬의 방위각 도메인 인자(azimuth domain factor)를 조정하여 상기 빔포밍 계수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 계수 결정방법.
Approximating a variation matrix corresponding to a vector component of a received signal by a circulant matrix; And
Determining a beamforming coefficient using the approximated scattering matrix,
Wherein the step of determining the beamforming coefficient using the approximated scattering matrix comprises:
Decomposing the approximated distributed matrix into an inverse discrete fourier transform matrix, a diagonal matrix, and a discrete Fourier transform matrix; And
And adjusting the azimuth domain factor of the inverse diagonal matrix for the diagonal matrix to determine the beamforming coefficient.
청구항 6에 있어서,
상기 역 대각행렬이 수학식
Figure 112015080670764-pat00054
이라고 할 때, 상기 수학식
Figure 112015080670764-pat00055
의 함수
Figure 112015080670764-pat00056
를 만족하는 방위각 도메인 인자
Figure 112015080670764-pat00057
의 방위각 컨디셔닝 값
Figure 112015080670764-pat00058
을 1보다 작은 양의 실수로 하여 상기 방위각 도메인 인자 B를 조정하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 계수 결정방법.
The method of claim 6,
Wherein the inverse diagonal matrix is expressed by Equation
Figure 112015080670764-pat00054
, The equation
Figure 112015080670764-pat00055
Function of
Figure 112015080670764-pat00056
≪ / RTI >
Figure 112015080670764-pat00057
Azimuth conditioning value of
Figure 112015080670764-pat00058
Is adjusted to be a positive real number smaller than 1, and the azimuth domain factor B is adjusted.
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