KR101798341B1 - Method for Estimating Beam Pattern in Millimeter Wave Channel - Google Patents

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KR101798341B1
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김동구
윤진수
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for estimating a beam pattern in a millimeter wave channel. The method comprises: a step (a) of receiving omnidirectional signals from a terminal, applying N reception precoders, selecting a precoder having the greatest signal strength, and estimating a beam angle corresponding to the selected reception precoder as a transmission angle to the terminal; a step (b) of transmitting a first-1 beam which includes the transmission angle estimated in the step (a) and a first-2 beam adjacent to the first-1 beam and having the same beam width as that of the first-1 beam to the terminal, receiving feedback of reception power information for each of the first-1 beam and the first-2 beam from the terminal, and selecting one of the first-1 beam and the first-2 beam on the basis of the feedback information; and a step (c) of transmitting a second-1 beam and a second-2 beam being in the range of the beam selected in the step (b) and having a beam width narrower than that of the selected beam to the terminal, receiving feedback of reception power information for the second-1 beam and the second-2 beam from the terminal, selecting one of the second-1 beam and the second-b beam on the basis of the feedback information, and the selected beam as a final beam pattern. According to the method, it is possible to accurately estimate a beam pattern while requiring a relatively less number of time slots, and it is possible to estimate a beam pattern with low complexity.

Description

밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법{Method for Estimating Beam Pattern in Millimeter Wave Channel}[0001] The present invention relates to a method for estimating a beam pattern in a millimeter wave channel,

본 발명의 실시예들은 빔 패턴 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a beam pattern estimating apparatus and method, and more particularly, to an apparatus and method for beam pattern estimating in a millimeter wave channel.

데이터 트래픽이 급증하면서, 증가된 데이터 트래픽을 수용하기 위해 높은 전송률을 가질 수 있는 시스템에 대한 연구가 활성화되고 있다. 그 중 밀리미터 웨이브 통신은 다중입력-다중 출력(Multi Input Multi Output : MIMO)과 더불어 전송률을 높일 수 있는 기술 중 하나로 각광받고 있다. As data traffic surges, research is being conducted on systems that can have high data rates to accommodate increased data traffic. Among them, millimeter wave communication is attracting attention as one of the technologies that can increase the transmission rate in addition to the Multi Input Multi Output (MIMO).

밀리미터 웨이브는 기존 MIMO 시스템에 비해 높은 통신 주파수 대역(30GHz)를 사용하기 때문에 경로 손실에 따른 감쇄가 매우 크다. 따라서, 원활한 통신을 위해서는 수신 단말과 기지국 사이에 정확한 빔 포밍이 필요하다. Since millimeter wave uses higher communication frequency band (30GHz) than existing MIMO system, attenuation due to path loss is very large. Therefore, accurate beamforming between the receiving terminal and the base station is required for smooth communication.

한편, 차량-사물 통신(Vehicle to everything :V2X) 등의 등장으로 인해 이동성과 전송률을 동시에 달성하는 요구가 증가하고 있으며, 이와 같은 요구를 해결하기 위해서도 밀리미터 웨이브 통신의 사용이 기대되고 있다. On the other hand, the demand for achieving both mobility and transmission rate simultaneously due to the appearance of Vehicle to everything (V2X) is increasing, and millimeter wave communication is expected to be used to solve such a demand.

밀리미터 웨이브 환경에서 빔 추정 알고리즘은 안테나의 숫자가 많아질수록 여러 시간 슬롯을 필요로 하는 것이 일반적이며 따라서 빔 추정에 상당한 시간이 소요됨과 동시에 높은 복잡도가 요구된다. In the millimeter wave environment, it is common that the beam estimation algorithm requires several time slots as the number of antennas increases. Therefore, it takes considerable time to estimate the beam and high complexity is required.

따라서, 빔 추정을 위한 시간을 줄이면서 낮은 복잡도의 빔 추정 알고리즘이 요구되고 있다. Therefore, a beam estimation algorithm with low complexity is required while reducing the time for beam estimation.

본 발명의 일 측면은 비교적 적은 수의 타임 슬롯을 요구하면서 정확하게 빔 패턴을 추정할 수 있는 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법 및 장치를 제안하는 것이다. An aspect of the present invention is to propose a beam pattern estimation method and apparatus in a millimeter wave channel that can accurately estimate a beam pattern while requiring a relatively small number of time slots.

본 발명의 다른 측면은 낮은 복잡도로 정확하게 빔 패턴을 추정할 수 있는 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법 및 장치를 제안하는 것이다. Another aspect of the present invention is to propose a beam pattern estimation method and apparatus in a millimeter wave channel capable of accurately estimating a beam pattern with low complexity.

본 발명의 일 측면에 따르면, 단말로부터 전방향성의 신호를 수신하고 N개의 수신 프리코더를 적용하여 가장 큰 신호 세기를 갖는 프리코더를 선택하고 선택된 수신 프리코더에 상응하는 빔 각도를 상기 단말로의 송신 각도로 추정하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 추정된 송신 각도를 포함하며 상기 단계(a)의 빔에 비해 넓은 빔폭을 가지는 제1-1빔 및 상기 제1-1빔과 인접하며 상기 제1-1빔과 동일한 빔폭을 가지는 제1-2빔을 상기 단말에 전송하고, 상기 단말로부터 상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔 각각에 대한 수신 전력 정보를 피드백받고 피드백 정보에 기초하여 상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔 중 하나를 선택하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 선택됨 빔 범위 내에 있어서면서 상기 선택된 빔에 비해 좁은 빔폭을 가지는 제2-1빔 및 제2-2빔을 상기 단말에 전송하고, 상기 단말로부터 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔에 대한 수신 전력 정보를 피드백받으며, 피드백 정보에 기초하여 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔 중 하나를 선택하여 최종 빔 패턴으로 결정하는 단계(c)를 포함하는 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for receiving an omnidirectional signal from a terminal, selecting a precoder having the largest signal strength by applying N reception precoders, and outputting a beam angle corresponding to the selected reception precoder to the terminal (A) estimating at a transmission angle; A first beam having a width greater than the beam of step (a) and including a transmission angle estimated in step (a), and a second beam adjacent to the first beam and having the same beam width To the terminal, receiving power information for each of the first and second beams and the first and second beams from the terminal, and receiving, based on the feedback information, the first- And (b) selecting one of the first and second beams; And transmitting the second-1 beam and the second-2 beam, which are within the selected beam range in the step (b) and have a narrower beam width than the selected beam, to the terminal, (C) receiving received power information for the 2 < nd > -2 beam and selecting one of the 2-1 beam and the 2-2 beam as a final beam pattern based on the feedback information A method of beam pattern estimation in a millimeter wave channel is provided.

상기 단계(a)의 수신 프리코더에 상응하는 각 빔의 빔폭은 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔의 빔폭과 동일하다.The beam width of each beam corresponding to the reception precoder of step (a) is equal to the beam width of the second-first beam and the second-second beam.

상기 단계(a)는 360도를 N으로 나눈 빔폭을 가지는 수신 프리코더를 순차적으로 적용한다. The step (a) sequentially applies a receiving precoder having a beam width divided by N by 360 degrees.

상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔은 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔에 비해 2배의 빔폭을 가진다. The 1-1 beam and the 1-2 beam have a beam width twice that of the 2-1 beam and the 2-2 beam.

상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔은 미리 준비된 2W의 빔폭에 상응하는 송신 프리코더들 중 선택된 송신 프리코더를 적용하여 생성된다. The 1-1 beam and the 1-2 beam are generated by applying a selected one of the transmission precoders corresponding to a beam width of 2W prepared in advance.

상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔은 미리 준비된 W의 빔폭에 상응하는 송신 프리코더들 중 선택된 송신 프리코더를 적용하여 생성된다. The 2-1 beam and the 2-2 beam are generated by applying a selected one of the transmission precoders corresponding to the beam width of W prepared in advance.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 단말로부터 전방향성의 신호를 수신하고 N개의 수신 프리코더를 적용하여 가장 큰 신호 세기를 갖는 프리코더를 선택하고 선택된 수신 프리코더에 상응하는 빔 각도를 상기 단말로의 송신 각도로 추정하는 단계(a); 상기 단계(a)에서 추정된 송신 각도를 포함하는 빔과 상기 추정된 송신 각도를 포함하는 빔과 인접하는 (K-1)개의 빔을 상기 단말에 전송하여 각 빔에 대한 수신 전력 정보를 상기 단말로부터 수신하고 특정 빔을 선택하는 단계(b); 상기 단계(b)에서 선택된 빔 범위 내에 있으면서 상기 단계 선택된 빔에 비해 좁은 빔폭을 가지는 K개의 빔을 상기 단말에 전송하고 상기 단말로부터 수신 전력 정보를 피드백받아 상기 K개의 빔 중 특정 빔을 선택하여 최종 빔 패턴으로 결정하는 단계(c)를 포함하는 밀리미터 웨이브 채널에서의 빔 패턴 추정 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for receiving an omnidirectional signal from a terminal, selecting a precoder having the largest signal strength by applying N reception precoders, and transmitting a beam angle corresponding to the selected reception precoder to the terminal (A) estimating at a transmission angle; (K-1) beams adjacent to a beam including the estimated transmission angle and a beam including the estimated transmission angle in the step (a) to the terminal, and outputs received power information for each beam to the terminal (B) receiving and selecting a specific beam from the beam; And transmits K beams having a beam width narrower than the beam selected in the step (b) to the terminal, receives the received power information from the terminal, selects a specific one of the K beams, A method for estimating a beam pattern in a millimeter wave channel comprising the step (c) of determining a beam pattern.

본 발명에 의하면, 비교적 적은 수의 타임 슬롯을 요구하면서 정확하게 빔 패턴을 추정할 수 있으며, 낮은 복잡도로 빔 패턴츨 추정할 수 있다. According to the present invention, a beam pattern can be accurately estimated while requiring a relatively small number of time slots, and a beam pattern can be estimated with low complexity.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 추정 방법이 적용되는 이동통신 시스템의 구조를 도시한 도면.
도 2는 종래의 빔 패턴을 추정하기 위한 방법을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래의 빔 패턴을 추정을 위한 프리코더 선택 방법을 나타낸 도면.
도 3은 종래의 빔 패턴을 추정을 위한 프리코더 선택 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 알고리즘의 전체적인 흐름을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 추정 방법에서 제1 스테이지에서 송신 각도를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
1 is a diagram illustrating a structure of a mobile communication system to which a beam pattern estimation method according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 shows a method for estimating a conventional beam pattern, and FIG. 3 shows a method for selecting a precoder for estimating a conventional beam pattern.
3 shows a method of selecting a precoder for estimating a conventional beam pattern.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an overall flow of a beam pattern algorithm according to an embodiment of the present invention. FIG.
5 is a view for explaining a method of estimating a transmission angle in a first stage in a method of estimating a beam pattern according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 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. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 추정 방법이 적용되는 이동통신 시스템의 구조를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a structure of a mobile communication system to which a beam pattern estimation method according to an embodiment of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 추정 방법이 적용되는 이동통신 시스템은 기지국(100) 및 단말(110)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a mobile communication system to which a beam pattern estimation method according to an embodiment of the present invention is applied includes a base station 100 and a terminal 110.

설명의 편의를 위해 기지국(100)이 신호를 송신하고 단말(110)이 신호를 수신하는 하향 링크를 예로 하여 본 발명을 설명하기로 하나 상향 링크의 경우에도 본 발명의 빔 패턴 추정 방법이 동일하게 적용될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다. For convenience of explanation, the present invention will be described by taking as an example a downlink in which a base station 100 transmits a signal and a terminal 110 receives a signal. However, even in the case of an uplink, It will be obvious to those skilled in the art that the present invention can be applied.

기지국(100)은 Nt개의 안테나를 구비하고 있으며, 일례로 기지국은 등간격 선형 어레이 안테나를 구비하고 있을 수 있다. 단말(110)은 Nr개의 안테나를 구비하고 있으며, 단말 역시 등간격 선형 어레이 안테나를 구비할 수 있다. The base station 100 includes Nt antennas. For example, the base station may include an equally spaced linear array antenna. The terminal 110 includes Nr antennas, and the terminal may also include an equidistant linear array antenna.

단말(110)과 기지국(100) 사이의 채널이 H라고 가정할 때, 기지국이 송신하는 신호에 대한 수신 신호 y는 다음의 수학식 1과 같이 설정될 수 있다. Assuming that the channel between the terminal 110 and the base station 100 is H, the received signal y for the signal transmitted by the base station may be set as shown in Equation (1).

Figure 112016115511713-pat00001
Figure 112016115511713-pat00001

위 수학식 1에서, W는 단말의 수신 프리코더를 의미하고, F는 기지국의 송신 프리코더를 의미하며, s는 K 차원을 갖는 송신 신호 벡터이고 n은 노이즈이다. 일례로, 노이즈는 평균이 0이고 분산이 1이며 서로 독립적인 복소 가우시안 분포를 따르는 Nr 차원의 잡음 벡터일 수 있다. In Equation (1), W denotes a reception precoder of the UE, F denotes a transmission precoder of the base station, s denotes a transmission signal vector having a K dimension, and n denotes noise. For example, the noise may be an Nr-dimensional noise vector with an average of zero, a variance of 1, and a complex Gaussian distribution independent of each other.

여기서, K는 빔 패턴 추정을 위해 하나의 스테이지 송신하는 빔 패턴의 수를 의미하며, 본 실시예에서는 K를 2로 하여 설명하기로 한다. Here, K means the number of beam patterns to be transmitted in one stage for beam pattern estimation, and K will be described as 2 in the present embodiment.

위와 같은 시스템 환경에서, 채널 행렬 H는 다음의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다. In such a system environment, the channel matrix H can be defined as: < EMI ID = 2.0 >

Figure 112016115511713-pat00002
Figure 112016115511713-pat00002

위 수학식 2에서,

Figure 112016115511713-pat00003
는 Rayleigh 분포를 갖는 채널의 복소 크기를 의미하고, at는 각도 송신 각도
Figure 112016115511713-pat00004
에 대한 Nt 차원의 안테나 배열 응답 벡터이고, ar은 수신 각도
Figure 112016115511713-pat00005
에 대한 Nr 차원의 안테나 배열 응답 벡터를 의미한다. In the above equation (2)
Figure 112016115511713-pat00003
Denotes a complex size of a channel having a Rayleigh distribution, and a t denotes an angular transmission angle
Figure 112016115511713-pat00004
Antenna array response vectors of dimension Nt for a, a r is received angle
Figure 112016115511713-pat00005
Dimensional antenna array response vector with respect to the Nr dimension.

등간견 선형 어레이 안테나라고 가정할 때, 송신 각도

Figure 112016115511713-pat00006
에 대한 Nt 차원의 안테나 배열 응답 벡터는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. Assuming an isometric array antenna, the transmission angle
Figure 112016115511713-pat00006
The antenna array response vector of the Nt-th antenna can be expressed by the following Equation (3).

Figure 112016115511713-pat00007
Figure 112016115511713-pat00007

위 수학식3에서,

Figure 112016115511713-pat00008
는 신호의 파장을 의미하고, d는 안테나간 거리를 의미한다. In the above equation (3)
Figure 112016115511713-pat00008
Denotes the wavelength of the signal, and d denotes the distance between the antennas.

도 2는 종래의 빔 패턴을 추정하기 위한 방법을 나타낸 도면이고, 도 3은 종래의 빔 패턴을 추정을 위한 프리코더 선택 방법을 나타낸 도면이다. FIG. 2 illustrates a method for estimating a conventional beam pattern, and FIG. 3 illustrates a conventional method for selecting a precoder for estimating a beam pattern.

종래의 빔 패턴 추정 방법은 다수의 스테이지에 걸쳐 이루어지며, 전반부의 스테이지에서는 상대적으로 빔폭이 큰 빔을 송신하여 단말의 위치를 추정하고 후속 스테이지로 갈수록 빔폭이 좁은 빔을 송신하여 최종적으로 빔 패턴을 추정하도록 한다. The conventional beam pattern estimating method is performed over a plurality of stages. In the first stage, a beam having a relatively large beam width is transmitted to estimate a position of the terminal, and a beam having a narrow beam width is transmitted toward the next stage, .

프리코더는 프리코더 코드북을 통해 미리 설정되어 있으며, 프리코더에 의해 형성되는 빔폭의 크기는 프리코더의 수(송신 안테나의 수)에 반비례할 수 있으며, 빔의 수는 프리코더의 수(송신 안테나의 수)에 비례할 수 있다. 프리코더의 수와 송신 안테나의 수는 동일하지 않을 수도 있으나, 본 실시예에서는 송신 안테나의 수와 프리코더의 수가 동일한 경우를 예로 하여 설명하기로 한다. The size of the beam width formed by the precoder may be inversely proportional to the number of precoders (the number of transmit antennas), and the number of beams is determined by the number of precoders Of the number of pixels). The number of precoders and the number of transmit antennas may not be equal to each other, but in this embodiment, the case where the number of transmit antennas is equal to the number of precoders will be described as an example.

한편, 빔 패턴 추정을 위해 거치는 스테이지의 수는 송신(기지국) 안테나의 수에 비례할 수 있다. 송신 안테나의 수가 많을수록 더 많은 수의 빔 패턴을 형성할 수 있으며, 가능한 빔 패턴의 수가 많을수록 더 많은 스테이지에 의해 최종적인 빔 패턴이 추정된다. On the other hand, the number of stages for beam pattern estimation may be proportional to the number of transmission (base station) antennas. The greater the number of transmit antennas, the more number of beam patterns can be formed, and the more the number of possible beam patterns, the more the final beam pattern is estimated.

일례로, 하나의 스테이지에서 송신하는 빔의 수가 2(K=2)라고 하고, 송신 안테나의 수가 Nt라고 할 때, 스테이지의 수는

Figure 112016115511713-pat00009
로 정의될 수 있다. For example, when the number of beams transmitted in one stage is 2 (K = 2) and the number of transmitting antennas is Nt, the number of stages is
Figure 112016115511713-pat00009
. ≪ / RTI >

도 2 및 도 3에는 송신 안테나의 수(Nt)가 8개인 경우를 예로 하여 빔 패턴을 추정하는 종래의 방법이 도시되어 있으며, 송신 안테나의 수가 8개이기에 총 스테이지의 수는 3이다. FIGS. 2 and 3 show a conventional method of estimating a beam pattern by taking the case where the number Nt of transmission antennas is eight as an example. Since the number of transmission antennas is eight, the total number of stages is three.

안테나가 8개일 경우, 총 8개의 빔을 송신할 수 있으며, 각 빔의 빔폭은 360을 8로 나눈 45도일 수 있다. When there are eight antennas, a total of eight beams can be transmitted, and the beam width of each beam can be 45 degrees divided by eight.

도 2를 참조하면, 제1 스테이지에서는 0도 내지 180도의 빔 폭을 가지는 빔(201)과 180도 내지 360도의 빔 폭을 가지는 빔(202)이 각각 송신된다. 제1 스테이지에서는 구현 가능한 빔폭에 비해 22배 큰 빔폭을 가진 빔을 통해 단말(110)의 위치를 1차적으로 추정하는 것이다. Referring to FIG. 2, in the first stage, a beam 201 having a beam width of 0 to 180 degrees and a beam 202 having a beam width of 180 to 360 degrees are respectively transmitted. In the first stage, the position of the UE 110 is primarily estimated through a beam having a beam width 2 2 times larger than a beam width that can be implemented.

이와 같은 빔 송신을 위해 0도 내지 180도의 빔 폭을 형성하기 위한 프리코더 코드북과 180도 내지 360도의 빔 폭을 형성하기 위한 프리코더 코드북이 미리 준비되어야 한다. For this beam transmission, a precoder codebook for forming a beam width of 0 to 180 degrees and a precoder codebook for forming a beam width of 180 to 360 degrees must be prepared in advance.

도 3에서 제1 스테이지(F1)에는 0도 내지 180도의 빔 폭을 형성하기 위한 프리코더 코드북이 [F(1,1)]:,1로 표시되어 있으며, 180도 내지 360도의 빔 폭을 형성하기 위한 프리코더 코드북이 [F(1,1)]:,2로 표시되어 있다. In FIG. 3, a precoder codebook for forming a beam width of 0 to 180 degrees is indicated as [F (1,1)] :, 1 in the first stage F1, and a beam width of 180 to 360 degrees is formed , The precoder codebook for this is indicated as [F (1,1)] : 2 .

제1 스테이지에서 단말(110)은 각각 두 개의 빔에 대한 수신 전력 정보를 기지국(100)에 피드백한다. 단말은(110)은 두 개의 빔에 대한 수신 전력 값을 피드백할 수도 있을 것이며, 두 개의 빔 중 어느 빔의 수신 전력이 더 큰지에 대한 정보를 피드백할 수도 있을 것이다. In the first stage, the terminal 110 feeds back the received power information for the two beams to the base station 100, respectively. The UE 110 may feed back the received power values for the two beams and may feedback information about which of the two beams has a higher received power.

도 2를 참조하면, 제2 스테이지는 제1 스테이지에 비해 보다 좁은 빔폭을 가진 빔이 송신된다. 일례로, 90도의 빔 폭을 가지는 4개의 빔(210, 211, 212, 213)이 제2 스테이지를 위해 준비된다. 8개의 프리코더로 구현 가능한 빔폭에 비해 21배 높은 빔폭을 가진 빔이 사용되는 것이다. Referring to FIG. 2, the second stage transmits a beam having a narrower beam width than the first stage. For example, four beams 210, 211, 212, and 213 having a beam width of 90 degrees are prepared for the second stage. A beam having a beam width 2 1 times higher than the beam width that can be implemented with eight precoders is used.

이때, 제1 스테이지에서 수신 단말이 피드백하는 수신 전력 정보에 기초하여 제2 스테이지에서 송신할 빔이 선택된다. 예를 들어, 0도 내지 180도의 빔폭을 가지는 빔에서 더 높은 수신 전력이 피드백되는 경우, 제2 스테이지에서는 0도 내지 90도의 빔폭을 가지는 빔(210)과 90도 내지 180도의 빔폭을 가지는 빔(211)이 선택된다. 결국, 제1 스테이지에서 더 높은 수신 전력에 상응하는 빔을 분할한 빔만을 제2 스테이지에서 송신하는 것이다. At this time, the beam to be transmitted in the second stage is selected based on the received power information fed back by the receiving terminal in the first stage. For example, if higher received power is fed back in a beam having a beam width of 0 to 180 degrees, then in the second stage, a beam 210 having a beam width of 0 to 90 degrees and a beam having a beam width of 90 to 180 degrees 211 are selected. As a result, in the first stage only the beam corresponding to the higher received power is divided and transmitted in the second stage.

0도 내지 90도, 90도 내지 180도, 180도 내지 270도 및 270도 내지 360도의 빔폭을 가지는 빔 패턴 각각에 대한 코드북은 도 3에 [F(2,1)]:,1, [F(2,1)]:21,[F(2,2)]:,1, [F(2,2)]:2로 표시되어 있다. The codebook for each of the beam patterns having a beam width of 0 to 90 degrees, 90 to 180 degrees, 180 to 270 degrees, and 270 to 360 degrees is [F (2,1)] : (2,1)] : 21 , [F (2,2)] :, 1 , and [F (2,2)] : 2 .

제2 스테이지에서도 각 단말(110)은 송신된 두 개의 빔에 대한 수신 전력 정보를 기지국(100)으로 피드백한다. In the second stage, each terminal 110 feeds back the received power information of the two transmitted beams to the base station 100.

제3 스테이지에서는 제2 스테이지에 비해 보다 좁은 빔폭을 가지는 빔이 송신되며, 제2 스테이지에서 가장 큰 수신 전력에 상응하는 빔을 분할한 빔만이 송신된다. 도 3을 참조하면, 45도 간격으로 8개의 빔(220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227)을 위한 프리코더 코드북이 미리 준비된다. 제3 스테이지에서는 8개의 안테나로 구현 가능한 빔폭을 가진 빔이 이용되는 것이다. In the third stage, a beam having a beam width narrower than that of the second stage is transmitted, and only a beam obtained by dividing the beam corresponding to the largest received power in the second stage is transmitted. Referring to FIG. 3, a precoder codebook for eight beams 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 at 45 degree intervals is prepared in advance. In the third stage, a beam having a beam width that can be implemented by eight antennas is used.

예를 들어, 제2 스테이지에서 0도 내지 90도의 빔폭을 가지는 빔(211)에서 가장 큰 수신 전력이 피드백될 경우, 제3 스테이지에서는 0도 내지 45도의 빔폭을 가지는 빔(220)과 45도 내지 90도의 빔폭을 가지는 빔(221)이 송신된다. For example, in the second stage, when the largest received power is fed back in the beam 211 having a beam width of 0 to 90 degrees, in the third stage, the beam 220 having a beam width of 0 to 45 degrees, A beam 221 having a beam width of 90 degrees is transmitted.

단말은 송신되는 두 개의 빔에 대한 수신 전력 정보를 피드백하며, 기지국은 가장 큰 수신 전력에 상응하는 빔 패턴을 최종적인 빔 패턴으로 선택한다. The terminal feeds back the received power information for the two beams to be transmitted, and the base station selects the beam pattern corresponding to the largest received power as the final beam pattern.

도 3에는 8개의 빔 패턴을 위한 코드북이 [F(3,1)]:,1, [F(3,1)]:2, [F(3,2)]:,1, [F(3,2)]:2, [F(3,3)]:,1, [F(3,3)]:2, [F(3,4)]:,1, [F(3,4)]:2로 표시되어 있다. 3, the codebook for the 8 beam pattern [F (3,1)]:, 1, [F (3,1)]: 2, [F (3,2)]:, 1, [F (3 , 2)]: 2, [ F (3,3)]:, 1, [F (3,3)]: 2, [F (3,4)]:, 1, [F (3,4)] : 2 .

한편, 단말(110)는 송신 빔 패턴을 추정하는 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 수신 빔 패턴을 추정한다. 예를 들어, 제1 스테이지에서 0도 내지 180도의 빔폭을 가지는 빔이 수신될 때, 해당 빔에 대해 0도 내지 180도의 빔폭에 대한 수신 프리코도와 180도 내지 360도의 빔폭에 대한 수신 프리코더를 각각 적용하여 더 큰 신호 세기를 갖는 수신 프리코더 선택한다. 이와 같은 방식은 제2 스테이지 및 제3 스테이지에서도 동일하게 이루어진다. Meanwhile, the terminal 110 estimates the reception beam pattern in substantially the same manner as the method of estimating the transmission beam pattern. For example, when a beam having a beam width of 0 to 180 degrees is received in the first stage, a reception precoder for a beam width of 0 to 180 degrees and a reception precoder for a beam width of 180 to 360 degrees Respectively, to select a receiving precoder having a larger signal strength. This method is also applied to the second stage and the third stage.

물론, 단말(110)의 안테나 수가 하나인 MISO 시스템일 경우 송신 빔 패턴만을 추정하는 과정만이 수행될 것이다. Of course, in the case of the MISO system having one antenna of the terminal 110, only a process of estimating only the transmission beam pattern will be performed.

이와 같은 종래의 빔 패턴 추정 방법은 안테나의 수가 많아질수록 스테이지의 수가 늘어나는 문제점이 있다. 향후 5G는 상당한 수의 안테나를 사용하는 매시브 MIMO의 사용이 예상되며, 이와 같은 매시브 MIMO 시스템에서 종래의 빔 패턴 추정 방법이 적용될 경우 다수의 스테이지로 인해 상당한 빔 패턴 추정 시간을 필요로 하게 된다. In such a conventional beam pattern estimation method, there is a problem that the number of stages increases as the number of antennas increases. In future 5G, it is expected to use a massive MIMO using a considerable number of antennas, and when a conventional beam pattern estimation method is applied to such a massive MIMO system, a considerable beam pattern estimation time is required due to a plurality of stages.

아울러, 각 스테이지별로 프리코더 코드북이 준비되어야 하므로 안테나 수가 많아질수록 준비하여야 하는 프리코다 코드북의 수가 증가하는 문제점이 있다. In addition, since a precoder codebook is prepared for each stage, the number of precode codebooks to be prepared increases as the number of antennas increases.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 알고리즘의 전체적인 흐름을 도시한 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating an overall flow of a beam pattern algorithm according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 우선 제1 스테이지에서 단말(110)이 전 방향성 신호를 송신하고 단말로부터의 전방향성 신호를 수신하여 기지국(100)은 단말(110)로부터의 수신 신호 각도를 추정한다(단계 400). 4, in the first stage, the terminal 110 transmits an omnidirectional signal and receives an omnidirectional signal from the terminal, and the base station 100 estimates a reception signal angle from the terminal 110 400).

단말(110)로부터의 수신 신호 각도의 추정은 준비된 N개의 수신 프리코더를 수신 신호에 적용하여 가장 큰 값에 상응하는 프리코더에 의해 구현되는 빔 각도를 수신 신호 각도로 추정한다. 제1 스테이지에서는 N 개의 수신 프리코더로 구현 가능한 빔 폭을 가진 즉 360도를 N으로 나눈 값에 상응하는 빔폭을 가진 프리코더가 이용된다. Estimation of the angle of the received signal from the terminal 110 is performed by applying N prepared receive precoders to the received signal to estimate the beam angle realized by the precoder corresponding to the largest value as the received signal angle. In the first stage, a precoder having a beam width feasible with N receive pre-coder, i.e. a beam width corresponding to a value obtained by dividing 360 degrees by N, is used.

예를 들어, 8개의 안테나가 구비되어 8개의 수신 프리코더가 준비되어 있는 경우, 8개의 수신 프리코더를 단말(110)로부터의 전방향성 신호에 각각 적용하여 가장 큰 값에 해당되는 프리코더를 선택하고, 선택된 프리코더에 의해 구현되는 빔 각도 정보를 수신 신호 각도로 추정하는 것이다. For example, when eight antennas are provided and eight reception precoders are prepared, eight reception precoders are applied to the omnidirectional signals from the terminal 110, and a precoder corresponding to the largest value is selected And estimates the beam angle information implemented by the selected precoder as the received signal angle.

보다 구체적으로, N개의 프리코더 코드북이 있는 경우 균등한 빔 각도(

Figure 112016115511713-pat00010
)별로 프리코더를 적용하는데,
Figure 112016115511713-pat00011
로 정의될 수 있다. 결국, u값을 변경해가면서 수신 각도를 추정하는 것이라 할 수 있다. More specifically, if there are N precoder codebooks, an even beam angle (
Figure 112016115511713-pat00010
) Is applied to each precoder,
Figure 112016115511713-pat00011
. ≪ / RTI > As a result, it can be said that the reception angle is estimated while changing the u value.

가장 큰 신호 세기를 가지는 수신 각도를 찾아내는 방법은 다음의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다. A method of finding the reception angle having the largest signal strength can be defined as Equation (4).

Figure 112016115511713-pat00012
Figure 112016115511713-pat00012

위 수학식 4에서, ar은 수신 각도에 대한 N차원 안테나의 배열 응답 벡터이고, H는 채널이며, fo는 단말로부터의 전방향성 신호이다. In Equation (4), a r is an array response vector of an N-dimensional antenna with respect to a reception angle, H is a channel, and f o is an omnidirectional signal from the UE.

가장 큰 신호 세기를 갖는 수신 각도가 추정되면, 해당 수신 각도가 단말(110)과의 적절한 송신 빔 각도라고 추정한다. If the reception angle with the largest signal strength is estimated, it is assumed that the reception angle is an appropriate transmission beam angle with the terminal 110. [

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 패턴 추정 방법에서 제1 스테이지에서 송신 각도를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 5 is a diagram for explaining a method of estimating a transmission angle in a first stage in a method of estimating a beam pattern according to an embodiment of the present invention.

도 5에서, 기지국의 안테나 수는 8개라고 가정한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 8개의 수신 프리코더를 단말로부터의 수신 신호에 각각 적용한다. 8개의 프리코더를 적용한 결과 가장 큰 신호 세기에 상응하는 프리코더의 빔 각도를 추정한다. In Fig. 5, it is assumed that the number of antennas of the base station is eight. As shown in Fig. 5, eight reception precoders are applied to the reception signals from the terminal, respectively. Estimates the beam angle of the precoder corresponding to the largest signal strength as a result of applying eight precoders.

8개의 프리코더가 있을 경우, 0도 내지 45도, 45도 내지 90도, 90도 내지 135도, 135도 내지 180도, 180도 내지 225도, 225도 내지 270도, 270도 내지 315도 및 315도 내지 360도의 각도에 상응하는 프리코더가 각각 단말로부터의 수신 신호에 적용될 수 있을 것이다. When there are eight precoders, the range of 0 to 45 degrees, 45 to 90, 90 to 135, 135 to 180, 180 to 225, 225 to 270, 270 to 315, A precoder corresponding to an angle of 315 degrees to 360 degrees may be applied to the received signal from the terminal, respectively.

만일 0도 내지 45도의 프리코더에서 가장 큰 신호 세기가 감지될 경우, 0도 내지 45도의 각도를 단말을 향하는 송신 각도로 추정하게 된다. If the greatest signal strength is detected in a precoder of 0 to 45 degrees, an angle of 0 to 45 degrees is estimated as a transmission angle to the terminal.

위와 같은 과정을 통해 추정되는 단말에 대한 송신 각도는 부정확할 수 있다. 제2 스테이지에서는 제1 스테이지에서 사용한 프리코더의 빔폭 보다 넓은 빔폭을 가지는 프리코더를 적용한 두 개의 빔을 단말에 송신한다(단계 402). 이때 두 개의 빔 중 제1 빔은 제1 스테이지에서 추정한 송신 각도를 포함하는 빔이며, 다른 하나의 빔은 제1 빔과 인접하는 빔이다. The transmission angle to the terminal estimated through the above process may be inaccurate. In the second stage, two beams using a precoder having a beam width wider than the beam width of the precoder used in the first stage are transmitted to the terminal (step 402). Wherein the first one of the two beams is a beam comprising a transmission angle estimated at the first stage and the other beam is a beam adjacent to the first beam.

바람직하게는 제2 스테이지에서 송신하는 빔의 빔폭은 제1 스테이지에서 사용하는 프리코더의 빔폭에 비해 2배 넓은 빔폭일 수 있다. 결국, 제2 스테이지에서는 N개의 프리코더로 구현 가능한 빔폭에 비해 2배 넓은 빔폭을 가진 빔을 송신하고, 이에 대한 수신 전력 정보를 단말로부터 피드백받는 것이다. Preferably, the beam width of the beam transmitted in the second stage may be twice as wide as the beam width of the precoder used in the first stage. As a result, in the second stage, a beam having a beam width twice as wide as the beam width that can be implemented with N precoders is transmitted, and the received power information on the beam is fed back from the terminal.

예를 들어, 제1 스테이지에서 단말에 대한 각도가 0도 내지 45도라고 추정되는 경우, 0도 내지 90도의 제1 빔과 제1 빔과 인접하는 90도 내지 180도의 제2 빔을 송신한다. For example, if the angle to the terminal in the first stage is estimated to be 0 to 45 degrees, the first beam of 0 to 90 degrees and the second beam of 90 to 180 degrees adjacent to the first beam are transmitted.

두 개의 빔에 대한 단말의 수신 전력 정보를 피드백받아, 단말이 두 개의 빔 중 어느 빔 방향에 있는지를 추정하게 된다. Receives the received power information of the terminal with respect to the two beams, and estimates whether the terminal is located in which beam direction of the two beams.

제3 스테이지에서는 제2 스테이지에서 선택된 프리코더의 빔 범위 내에 있으면서 선택된 프리코더의 빔보다 좁은 빔 폭을 가지는 두 개의 빔을 송신하고, 두 개의 빔에 대한 수신 전력 정보를 단말로부터 피드백받는다(단계 404). 제3 스테이지에서는 360도를 프리코더 개수(기지국의 안테나 수)로 나눈 값에 상응하는 빔폭(=N개의 프리코더로 구현 가능한 빔폭)을 가진 빔이 송신될 수 있으며, 제3 스테이지에서 송신되는 빔은 제2 스테이지에서 송신되는 빔의 빔폭에 비해 1/2의 빔폭을 가질 수 있다. In the third stage, two beams having a beam width narrower than the beam of the selected precoder within the beam range of the selected precoder in the second stage are transmitted, and the received power information about the two beams is fed back from the terminal ). In the third stage, a beam having a beam width corresponding to a value obtained by dividing 360 degrees by the number of precoders (number of antennas of the base station) (beam width capable of being implemented with N precocoders) can be transmitted, May have a beam width that is 1/2 of the beam width of the beam transmitted in the second stage.

예를 들어, 제2 스테이지에서 0도 내지 90도의 빔폭을 가진 빔이 더 큰 전력으로 수신될 경우 제3 스테이지에서는 0도 내지 45도의 빔폭을 가진 빔과 45도 내지 90도의 빔폭을 가진 빔이 송신된다. For example, in a second stage, when a beam having a beam width of 0 to 90 degrees is received at a higher power, a beam having a beam width of 0 to 45 degrees and a beam having a beam width of 45 to 90 degrees are transmitted do.

두 개의 빔에 대한 수신 전력에 대한 정보를 단말로부터 피드백받아 최종적인 빔 패턴이 선택된다. 빔 패턴 선택이 완료되면, 향후 선택된 빔 패턴에 상응하는 프리코더를 적용하여 단말과의 통신이 이루어진다. The final beam pattern is selected by receiving information on the received power of the two beams from the terminal. When the beam pattern selection is completed, communication with the terminal is performed by applying a precoder corresponding to the beam pattern selected in the future.

한편, 송신 프리코더를 선택하는 과정과 동시에 단말이 복수의 안테나를 가질 경우 수신 프리코더를 선택하는 과정 역시 이루어질 수 있다. 수신 프리코더의 선택 역시 동일한 과정으로 이루어질 수 있다. Meanwhile, a process of selecting a transmission precoder and a process of selecting a reception precoder when the terminal has a plurality of antennas can be performed. The selection of the receive precoder may also be made in the same process.

제1 스테이지에서 기지국이 송신하는 전방향성의 신호를 다수의 수신 프리코더에 적용하여 1차적으로 수신 각도를 추정한다. 제2 스테이지 및 제3 스테이지에서는 기지국이 송신하는 두 개의 빔에 수신 프리코더를 적용해가면서 최종적인 수신 프리코더를 선택할 수 있을 것이다. In the first stage, omnidirectional signals transmitted by the base station are applied to a plurality of reception precoders to primarily estimate reception angles. In the second stage and the third stage, the final receiving precoder may be selected while applying the receiving precoder to the two beams transmitted by the base station.

상술한 바와 같은 본 발명의 빔 패턴 추정 방법은 안테나의 수에 관계 없이 3개의 스테이지로 진행되므로 안테나의 수가 증가하더라도 짧은 시간에 빔 패턴을 추정할 수 있으며, 낮은 복잡도로 빔 패턴을 추정할 수 있는 장점이 있다.Since the beam pattern estimation method of the present invention as described above proceeds with three stages regardless of the number of antennas, it is possible to estimate the beam pattern in a short time even if the number of antennas increases, There are advantages.

위에 실시예에서는 각각의 스테이지에서 2개의 빔을 송신하는 경우를 예로 하여 설명하였으나, 임의의 K개의 빔을 송신하면서 빔 패턴을 추정할 수도 있다는 점은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. In the above embodiment, two beams are transmitted at each stage. However, it is easily understood by those skilled in the art that a beam pattern can be estimated while transmitting arbitrary K beams.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to particular embodiments, such as specific elements, and specific embodiments and drawings. However, it should be understood that the present invention is not limited to the above- And various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention pertains. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

Claims (10)

단말로부터 전방향성의 신호를 수신하고 N개의 수신 프리코더를 적용하여 가장 큰 신호 세기를 갖는 프리코더를 선택하고 선택된 수신 프리코더에 상응하는 빔 각도를 상기 단말로의 송신 각도로 추정하는 단계(a);
상기 단계(a)에서 추정된 송신 각도를 포함하며 상기 단계(a)의 빔에 비해 넓은 빔폭을 가지는 제1-1빔 및 상기 제1-1빔과 인접하며 상기 제1-1빔과 동일한 빔폭을 가지는 제1-2빔을 상기 단말에 전송하고, 상기 단말로부터 상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔 각각에 대한 수신 전력 정보를 피드백받고 피드백 정보에 기초하여 상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔 중 하나를 선택하는 단계(b);
상기 단계(b)에서 선택됨 빔 범위 내에 있으면서 상기 선택된 빔에 비해 좁은 빔폭을 가지는 제2-1빔 및 제2-2빔을 상기 단말에 전송하고, 상기 단말로부터 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔에 대한 수신 전력 정보를 피드백받으며, 피드백 정보에 기초하여 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔 중 하나를 선택하여 최종 빔 패턴으로 결정하는 단계(c)를 포함하되,
상기 단계(a)의 수신 프리코더에 상응하는 각 빔의 빔폭은 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔의 빔폭과 동일하고,
상기 단계(a)는 360도를 N으로 나눈 빔폭을 가지는 수신 프리코더를 순차적으로 적용하는 것을 특징으로 하는 빔 패턴 추정 방법.
Selecting a precoder having the largest signal strength by applying an N omnidirectional precoder to the omnidirectional signal from the terminal and estimating a beam angle corresponding to the selected receiving precoder as a transmission angle to the terminal );
A first beam having a width greater than the beam of step (a) and including a transmission angle estimated in step (a), and a second beam adjacent to the first beam and having the same beam width To the terminal, receiving power information for each of the first and second beams and the first and second beams from the terminal, and receiving, based on the feedback information, the first- And (b) selecting one of the first and second beams;
To the terminal, a second-1 beam and a second-2 beam having a narrower beam width in the selected beam range than the selected beam in the step (b), and transmit the second- (C) receiving feedback information on the received power information for the 2-2 beam, and selecting one of the 2-1 beam and the 2-2 beam as the final beam pattern based on the feedback information,
The beam width of each beam corresponding to the reception precoder of step (a) is equal to the beam width of the second-first beam and the second-second beam,
Wherein the step (a) sequentially applies a receiving precoder having a beam width divided by N by 360 degrees.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔은 상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔에 비해 2배의 빔폭을 가지는 것을 특징으로 하는 빔 패턴 추정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the 1-1 beam and the 1-2 beam have a beamwidth twice that of the 2-1 beam and the 2-2 beam.
제1항에 있어서,
상기 제1-1빔 및 상기 제1-2빔은 미리 준비된 2W의 빔폭에 상응하는 송신 프리코더들 중 선택된 송신 프리코더를 적용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 빔 패턴 추정 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the 1-1 beam and the 1-2 beam are generated by applying a selected one of the transmission precoders corresponding to a beam width of 2W prepared in advance.
제5항에 있어서,
상기 제2-1빔 및 상기 제2-2빔은 미리 준비된 W의 빔폭에 상응하는 송신 프리코더들 중 선택된 송신 프리코더를 적용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 빔 패턴 추정 방법.




6. The method of claim 5,
Wherein the second-1 beam and the second-2 beam are generated by applying a selected one of the transmission precoders corresponding to a beam width of W prepared in advance.




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