KR101844160B1 - 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법 - Google Patents

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장석주
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 채널 정보를 근거로 전이중 다중 안테나 시스템에서의 송수신 안테나를 선택하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 전이중 다중 안테나 시스템에서의 송수신 안테나를 선택하는 방법은 제1노드와 제2노드가 통신하는 전이중 다중 안테나 무선 통신 시스템에서의 안테나 선택 방법에 있어서, Ni개의 안테나를 가지는 노드 i에서 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 계산하는 하는 단계-상기 NC는 모든 가능한 안테나 세트 후보의 수를 의미하고, 상기 N은 2이상의 자연수로 상기 노드 i에서 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 합은 Ni이고, 상기 i는 1 또는 2임-; 및 전송률을 고려하여 상기 노드 i에서의 송신 안테나 및 수신 안테나를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법{METHOD FOR SELECTING ANTENNA IN BI-DIRECTIONAL FULL-DUPLEX MIMO SYSTEMS}
본 발명은 양 방향으로 동시에 송수신 할 수 있는 방식으로 전이중 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 채널 정보를 근거로 전이중 다중 안테나 시스템에서의 송수신 안테나를 선택하는 방법에 관한 것이다.
전이중 통신 기술 (Full-duplex communication)은 한 노드에서 송신과 수신을 동시에 수행함으로써 시간 자원 또는 주파수 자원을 직교하도록 분할하여 사용하는 기존의 반이중 통신(Half-duplex communication)에 비해서 시스템의 용량(capacity)를 이론적으로 2배 향상시킬 수 있는 기술이다.
그러나, 이와 같은 노드 내에서 송신과 수신이 동시에 이루어지는 특성 때문에 강한 자기 간섭(Self-interference)을 겪게 된다. 이러한 상황에서 전이중 통신의 성능을 향상시키기 위해서 자기 간섭을 제거하는 방법들이 소프트웨어와 하드웨어를 통해서 제안 및 구현되었다. 관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1386654호가 있다.
기존의 반이중 통신 시스템에서는 송신단의 안테나는 송신만 수신단의 안테나는 수신만 가능하여 송수신 그룹이 고정되어 있었다.
반면, 전이중 통신 시스템에서는 각 노드에서 송신과 수신 모두 가능하므로 여러 송수신 안테나 그룹이 가능하다.
기존의 전이중 단일안테나 무선통신 시스템에서 제안된 송수신 안테나를 선택하는 기법은 모든 경우의 수를 다 고려하여 성능이 가장 좋은 그룹을 선택하는 것으로 다중안테나 시스템에서 적용하기에는 복잡도가 너무 높다.
따라서 복잡도를 최소로 하면서도 성능이 향상된 전이중 통신 시스템에서 송수신 안테나를 선택하는 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 저복잡도의 알고리즘으로 최적의 송수신 안테나 그룹을 선택할 수 있는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 제1노드와 제2노드가 통신하는 전이중 다중 안테나 무선 통신 시스템에서의 안테나 선택 방법에 있어서, Ni개의 안테나를 가지는 노드 i에서 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 계산하는 하는 단계-상기 NC는 모든 가능한 안테나 세트 후보의 수를 의미하고, 상기 N은 2이상의 자연수로 상기 노드 i에서 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 합은 Ni이고, 상기 i는 1 또는 2임-; 및 전송률을 고려하여 상기 노드 i에서의 송신 안테나 및 수신 안테나를 결정하는 단계를 포함하는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법이 개시된다.
본 발명의 일실시예에 의한 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법은 채널 정보를 바탕으로 송수신 안테나 그룹을 만들어 무선통신의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 저복잡도로 전이중 통신 시스템에서 최적의 송수신 안테나 그룹을 선택할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서 송수신 안테나 세트를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법을 이용한 성능과 다른 방법을 이용한 성능을 비교한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템을 나타내는 흐름도이다. 이하, 실시예에서는 전이중 다중안테나 시스템을 고려한다. 전이중 다중 안테나 시스템 두 개의 노드(즉, 제1노드(Node 1)와 제2노드(Node 2))가 신호를 같은 주파수에서 동시에 신호를 전송하고 수신할 수 있다.
반이중 통신 시스템에서는 각 노드별로 송신단과 수신단이 정해져 있고 송신단 노드의 안테나는 송신만 가능하고 수신단 노드의 안테나는 수신만 가능하다.
반면, 전이중 통신 시스템에서는 각 노드의 안테나가 송신과 수신 모두 가능하므로 상황에 맞춰서 송신과 수신 중 하나를 선택하여 기능을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에서는 전이중 통신 시스템의 특성을 이용하여, 기존 전이중 통신시스템과는 다르게 채널 정보에 따라 전송률 향상을 시킬 수 있는 송수신 안테나 그룹을 만드는 기법을 설명하도록 한다.
Ni는노드 i에서 총 안테나 수를 의미하고, Nt,i는 노드 i에서 전송 안테나 수, Nr,i는 노드 i에서 수신 안테나 수를 의미한다.
그리고 Ni는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00001
전이중 다중안테나 통신시스템에서 어떤 송수신 안테나 그룹 S를 가지는 노드
Figure 112016107773310-pat00002
의 수신신호
Figure 112016107773310-pat00003
는 다음의 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00004
여기서
Figure 112016107773310-pat00005
는 노드
Figure 112016107773310-pat00006
의 전송파워, xi(S)와 ni(S)는 각각 송수신 안테나 그룹 S를 가지는 노드
Figure 112016107773310-pat00007
의 송신신호벡터와 가우시안 잡음벡터이며
Figure 112016107773310-pat00008
이다.
Figure 112016107773310-pat00009
는 송수신 안테나 그룹 S를 가지는 노드
Figure 112016107773310-pat00010
에서 노드
Figure 112016107773310-pat00011
로의 채널,
Figure 112016107773310-pat00012
는 송수신 안테나 그룹 S를 가지는 노드
Figure 112016107773310-pat00013
의 자기회귀채널이며
Figure 112016107773310-pat00014
이다.
이 때, 송수신 안테나 그룹 S를 가지는 노드
Figure 112016107773310-pat00015
의 전송률
Figure 112016107773310-pat00016
는 하기 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00017
여기서
Figure 112016107773310-pat00018
이다. 위 식에서 확인할 수 있듯, 그룹 S에 따라 채널
Figure 112016107773310-pat00019
와
Figure 112016107773310-pat00020
가 달라지며 이는 전송률이 달라짐을 의미한다.
전이중 통신 시스템에서 최적의 안테나 선택 방법에 따라 평균 전송률을 구하면 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00021
여기서 Sj는 모든 가능한 안테나 세트 후보 중에서 j번째 안테나 세트이고, Nc는 모든 가능한 안테나 세트 후보의 수이다.
그리고 R(Sj)는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00022
상기 수학식 4는 복잡하기에 근사화하여 간단하게 나타내면, 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00023
여기서
Figure 112016107773310-pat00024
는 안테나 선택기법을 사용하지 않은 일반적인 전이중 시스템에서의 평균 전송률이다. 그리고 Nc는 하기 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00025
Nc를 최대로 하게 하는 송신 안테나 수(Nt,i)와 수신 안테나 수(Nr,i)는 하기 수학식 8로 나타낼 수 있다.
Figure 112016107773310-pat00026
여기서
Figure 112016107773310-pat00027
는 노드 i에서의 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 순서쌍으로 나타낸 것이다. 상기 수학식 8에 의해 계산된 송신 안테나 수 및 수신 안테나 수는 NC가 최대값을 갖도록 하는 것으로, 본 발명의 일실시예에 의한 i노드에서의 최적의 송수신 안테나 수가 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 각 노드에서의 총안테나 수를 확인하여 최적의 송수신 안테나 수를 계산할 수 있다(S210). 상기 최적의 송수신 안테나 수는 상기 수학식 8에 의해 계산될 수 있다.
도 3는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서 송수신 안테나 세트를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 실시예를 근거로 하여 안테나 세트를 결정하는 방법에 대해 설명하기로 하겠다.
노드 1 및 노드 2 모두 총 안테나 수가 6개 이므로, 노드 1 및 노드 2 각각의 송신 안테나 수 및 수신 안테나 수는 3이 될 수 있다.
최적의 송수신 안테나 수가 계산되면, 초기 단계에서는 노드 1 및 노드 2 모든 안테나가 송신 안테나로 사용될 지 수신 안테나로 사용될 지 결정되어 있지 않다.
첫 번째 단계(step 1)로, 노드 1에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 6개) 중 어느 하나는 수신 안테나로 나머지(5개 안테나)는 송신 안테나로 가정하고, 노드 2에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 6개 안테나) 중 어느 하나는 송신 안테나로 나머지(5개 안테나)는 수신 안테나로 가정하여 모든 가능한 안테나 세트 후보에 대한 전송률을 계산할 수 있다(S220). 본 실시예에서는 모든 가능한 안테나 세트 후보는 총 36(=6x6)가지이다.
상기 36가지 경우 중, 전송률이 최대값을 가지는 안테나 세트 후보를 각 노드의 송수신 안테나로 결정할 수 있다(S230). 예를 들어, 도 3의 첫 번째 단계에서는 36가지 경우 전송률이 최대값을 갖게 하는 노드 1의 안테나 하나를 수신 안테나 및 노드 2의 안테나 하나를 송신 안테나를 세트로 결정할 수 있다.
상기 송신 안테나인지 수신 안테나인지 역할이 결정된 안테나 수가 계산된 최적의 안테나 수보다 작은 경우는 S220 단계 및 S230 단계를 반복 수행할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 첫 번째 단계까지 수행한 결과, 결정된 송수신 안테나 수가 1이므로(즉, 계산된 송수신 안테나 수가 3보다 작으므로), 두 번째 단계(step 2)가 수행된다.
두 번째 단계에서는 이미 송신 안테나인지 수신 안테나인지 역할이 결정된 안테나를 제외하고, 각 노드에서 역할이 결정되지 않은 총 5개의 안테나 중 하나에 에 대해 송신 안테나인지 수신 안테나인지를 결정할 수 있다.
두 번째 단계에서 노드 1에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 5개) 중 어느 하나는 수신 안테나로 나머지(4개 안테나)는 송신 안테나로 가정하고, 노드 2에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 5개 안테나) 중 어느 하나는 송신 안테나로 나머지(4개 안테나)는 수신 안테나로 가정하여 모든 가능한 안테나 세트 후보에 대한 전송률을 계산할 수 있다(S220). 본 실시예에서는 모든 가능한 안테나 세트 후보는 총 25(=5x5)가지이다. 여기서 이미 역할이 결정된 안테나는 결정된 대로 송신 안테나 또는 수신 안테나로 전송률이 계산된다.
상기 25가지 경우 중, 전송률이 최대값을 가지는 안테나 세트 후보를 각 노드의 송수신 안테나로 결정할 수 있다(S230). 예를 들어, 도 3의 두 번째 단계에서는 25가지 경우 전송률이 최대값을 갖게 하는 노드 1의 안테나 하나를 수신 안테나 및 노드 2의 안테나 하나를 송신 안테나를 세트로 결정할 수 있다.
두 번째 단계까지 진행되면, 각 노드에서 총 2개의 안테나는 송신 안테나 또는 수신 안테나로 역할이 결정된다.
그런데, 도 3의 두 번째 단계까지 수행한 결과, 결정된 송수신 안테나 수가 2이므로(즉, 계산된 송수신 안테나 수가 3보다 작으므로), 세 번째 단계(step 3)가 수행된다.
세 번째 단계에서 노드 1에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 4개) 중 어느 하나는 수신 안테나로 나머지(3개 안테나)는 송신 안테나로 가정하고, 노드 2에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나(총 4개 안테나) 중 어느 하나는 송신 안테나로 나머지(3개 안테나)는 수신 안테나로 가정하여 모든 가능한 안테나 세트 후보에 대한 전송률을 계산할 수 있다(S220). 본 실시예에서는 모든 가능한 안테나 세트 후보는 총 16(=4x4)가지이다. 여기서 이미 역할이 결정된 안테나는 결정된 대로 송신 안테나 또는 수신 안테나로 전송률이 계산된다.
상기 16가지 경우 중, 전송률이 최대값을 가지는 안테나 세트 후보를 각 노드의 송수신 안테나로 결정할 수 있다(S230). 예를 들어, 도 3의 세 번째 단계에서는 16가지 경우 전송률이 최대값을 갖게 하는 노드 1의 안테나 하나를 수신 안테나 및 노드 2의 안테나 하나를 송신 안테나를 세트로 결정할 수 있다.
도 3의 세 번째 단계까지 수행한 결과, 결정된 송수신 안테나 수가 3이므로(즉, 계산된 송수신 안테나 수가 3과 같으므로) 더 이상 안테나 세트를 결정하는 S220 및 S230 단계를 수행하지 않아도 된다.
이상의 실시예에서는 각 노드의 총 안테나 수가 둘 다 동일한 경우에 대해서 설명하였지만, 각 노드의 총 안테나 수가 다른 경우에는 본 발명이 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법을 이용한 성능과 다른 방법을 이용한 성능을 비교한 그래프이다.
도시된 그래프에서 Optimal AS Scheme은 모든 경우(즉, 수학식 8에 의한 최적의 송수신 안테나 수를 고려하지 않고, 모든 안테나 세트 후보를 다 고려한 경우)에 대해 전송률을 계산하여 안테나를 선택하는 기법에 대한 성능이고, Proposed AS algorithm 상기 수학식 8에 의한 최적의 송수신 안테나 수를 고려하여 가능한 안테나 세트 후보에 대해서만 전송률을 계산하는 기법에 대한 성능이고, Conventional BD FD는 안테나 선택 기법을 사용하지 않은 일반적인 경우의 성능을 나타낸다.
도 4를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일실시예 의한 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법은 모든 경우를 고려한 Optimal AS Scheme보다 훨씬 더 복잡도를 줄이면서도 대등한 성능을 나타내고, 일반적인 경우보다는 훨씬 성능이 좋다.
전술한 본 발명의 일실시예에 의한 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법은 채널 정보를 바탕으로 송수신 안테나 그룹을 만들어 무선통신의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 저복잡도로 전이중 통신 시스템에서 최적의 송수신 안테나 그룹을 선택할 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예와 관련된 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.
또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기와 같이 설명된 안테나 선택 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Node 1: 제1노드
Node 2: 제2노드

Claims (5)

  1. 제1노드와 제2노드가 통신하는 전이중 다중 안테나 무선 통신 시스템에서의 안테나 선택 방법에 있어서,
    Ni개의 안테나를 가지는 노드 i에서 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 계산하는 하는 단계-상기 NC는 모든 가능한 안테나 세트 후보의 수를 의미하고, 상기 Ni는 2이상의 자연수로 상기 노드 i에서 송신 안테나 수와 수신 안테나 수의 합이고, 상기 i는 1 또는 2임-; 및
    전송률을 고려하여 상기 노드 i에서의 송신 안테나 및 수신 안테나를 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 노드 i에서 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수는 하기 수학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112018024923755-pat00034

    (여기서
    Figure 112018024923755-pat00035
    는 노드 i에서의 NC가 최대값을 갖도록 송신 안테나 수와 수신 안테나 수를 순서쌍으로 나타낸 것이다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 수신 안테나를 결정하는 단계는
    노드 1에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나 중 어느 하나는 수신 안테나로 나머지는 송신 안테나로 가정하고,
    노드 2에서는 송신 안테나인지 수신 안테나인지 결정되지 않은 안테나 중 어느 하나는 송신 안테나로 나머지는 수신 안테나로 가정하여 전송률을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나를 결정하는 단계는
    상기 계산된 전송률 중 최대값을 가지는 상기 노드 1의 수신 안테나 및 상기 노드 2의 송신 안테나를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전송률 계산 단계는
    상기 노드 i에서의 결정된 송신 안테나 및 수신 안테나의 수가 상기 수학식 1을 만족할 때까지 수행되는 것을 특징으로 하는 전이중 다중 안테나 시스템에서의 안테나 선택 방법.
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