KR102073862B1 - Gps신호를 이용하여 시각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법은, 기지국과 단말 사이의 채널 추정을 위한 참조 신호 전송 단계; 상기 기지국에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 생성하는 송신 빔포밍 행렬 후보 생성 단계; 상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보에 대응하는 다수의 수신 빔포밍 벡터들을 생성하는 수신 빔포밍 벡터 생성 단계; 상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 구성하는 다수의 송신 빔포밍 벡터에 대한 참조번호 및 유효 SINR값들을 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 단계; 및 다중 셀의 각 기지국들을 제어하는 망관리 기지국이 존재하는 시스템에서 상기 기지국들의 피드백 정보를 수집한 상기 망관리 기지국에서 상기 다수의 의사-무작위 빔포밍 행렬 후보들 중에서 최적의 빔포밍 행렬을 선택하는 최적 빔포밍 행렬 선택 단계를 포함하고, 일부만을 피드백해도 전송률을 거의 유지할 수 있는 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법을 제공한다.

Description

GPS신호를 이용하여 시각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법 {Pseudo-Random Beam-forming Method using GPS Time-Synchronization in Mobile Networks}
본 발명은 각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, GPS신호를 이용하여 시각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법 및 이를 수행하는 통신 시스템에 관한 것이다.
다중안테나 기지국(base station, BS)과 다수의 단말(mobile station, MS)들로 이루어진 다중셀 하향링크 환경에서 각 셀의 기지국들은 동시에 여러 개의 단말들로 메시지 신호를 무선 전송한다. 이때, 단말에서 원하는 신호와 셀간 간섭 및 셀내 간섭 신호가 함께 수신되는 간섭 문제가 발생하며, 이러한 간섭 채널에서의 전송률 향상을 위한 다양한 기술이 연구되고 있다. 그 중 간섭 채널에 대한 간섭 관리 기법으로 다중 안테나와 빔포밍 기법을 이용한 간섭 정렬이라는 새로운 기술이 알려졌다.
특히, 본 발명은 다중셀 환경에서 다수의 다중 안테나 기지국들이 사용하는 송신 빔포밍 행렬을 제어할 수 있는 망관리 기지국(BS coordinator)이 존재하는 환경에서 전체 셀의 하향링크 전송률을 극대화하기 위한 방법이다. 위성에서 송신된 GPS 신호로부터 시각 동기화와 의사-무작위 기반으로 생성된 다수의 빔포밍 벡터들로 구성된 빔포밍 행렬 후보를 다수 생성하고, 이 중에서 최적의 의사-무작위 송신 빔포밍 벡터를 선택한다. 이를 위해서는 각 기지국에서 하향링크로 전송받을 단말 집합을 선택하는 과정인 사용자 스케쥴링을 해야 하며 각 단말들은 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 이루는 각 빔포밍 벡터의 참조번호(index)와 함께 신호대간섭잡음비(signal to interference and noise ratio, SINR)값을 함께 기지국으로 피드백해야 한다.
그러나 빔포밍 행렬 및 벡터 수, SINR 양자화(quantization) 비트 수가 증가함에 따라 단말 당 피드백 비트 수가 함께 증가한다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 이러한 피드백 문제를 해결하기 위해 모든 빔포밍 행렬 및 벡터에 대해 피드백 하는 것이 아닌, 일부만을 피드백해도 전송률을 거의 유지할 수 있는 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 되면서, 요구되는 피드백 비트 수를 크게 감소시켜 채널 백홀 용량을 증가시킬 수 있는 피드백 방법을 함께 적용하는, GPS신호를 이용하여 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법은, 기지국과 단말 사이의 채널 추정을 위한 참조 신호 전송 단계; 상기 기지국에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 생성하는 송신 빔포밍 행렬 후보 생성 단계; 상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보에 대응하는 다수의 수신 빔포밍 벡터들을 생성하는 수신 빔포밍 벡터 생성 단계; 상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 구성하는 다수의 송신 빔포밍 벡터에 대한 참조번호 및 유효 SINR값들을 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 단계; 및 다중 셀의 각 기지국들을 제어하는 망관리 기지국이 존재하는 시스템에서 상기 기지국들의 피드백 정보를 수집한 상기 망관리 기지국에서 상기 다수의 의사-무작위 빔포밍 행렬 후보들 중에서 최적의 빔포밍 행렬을 선택하는 최적 빔포밍 행렬 선택 단계를 포함하고, 일부만을 피드백해도 전송률을 거의 유지할 수 있는 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법을 제공한다.
일 실시 예에서, 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보는 상기 기지국들에 해당하는 다수의 이동 차량(moving vehicle)에서 생성하고, 상기 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 상기 다수의 이동 차량의 통신 서비스 커버리지 내의 단말에서 생성하고, 상기 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 의사-무작위 기반 직교성을 갖는 빔포밍 벡터들로 구성된 빔포밍 행렬을 상기 단말이 다수 생성하고, 상기 망관리 기지국이 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택적으로 사용할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서, 상기 망관리 기지국에서 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 셀 간 간섭량 (inter-cell interference)을 기반으로 선택하고, 상기 셀 간 간섭량은 상기 망관리 기지국이 상기 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보에 기반하여 상기 망관리 기지국이 판단할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서, 상기 망관리 기지국에서 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률을 기반으로 선택하고, 상기 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률은 상기 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보와 상기 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 상기 망관리 기지국이 판단할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 피드백 단계에서, 상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 총 m개 피드백하는 제1 타입 기회적 피드백 방법을 수행할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 피드백 단계에서, 상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 n 개만 피드백하는 제 2 타입 피드백 방법을 수행할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 피드백 단계에서, 상기 기지국과 상기 단말이 코드북 정보를 서로 공유하는 코드북 기반 빔포밍 시스템에서, 상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터로부터 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 미리 정해진 코드북 참조 번호 피드백 수 nc 개만 피드백하는 코드북 기반의 기회적 피드백 방법을 수행할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 의사-무작위 빔포밍 방법은, 다중셀 하향링크 셀룰라 네트워크에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보 중 망관리 기지국에서 결정한 최적의 송신 빔포밍 행렬을 선택하여 전송할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 의사-무작위 빔포밍 방법은, 셀 내 및 셀 간 간섭의 영향을 함께 고려하여 다수의 하향링크 전송률을 극대화할 수 있는 방법으로 통신 환경을 개선하는데 기여할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS 신호 이용하여 시각 동기화된 의사-무작위 빔포밍 방법을 수행하는 통신 시스템의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 시각 동기화된 의사-무작위 빔포밍 방법의 흐름도를 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 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 사용한다.
제1, 제2등의 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 GPS신호를 이용하여 시각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법 및 이를 수행하는 통신 시스템에 대하여 검토한다. 보다 상세하게는, GPS신호를 이용하여 시각 동기화된 이동 기지국용 의사-무작위 빔포밍 방법 및 이를 수행하는 통신 시스템에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 동작 절차에 대한 수학적 이해를 위해 다음과 같이 정의된 표기법을 사용하기로 한다.
Figure 112018063351269-pat00001
는 행렬
Figure 112018063351269-pat00002
의 transpose,
Figure 112018063351269-pat00003
는 행렬
Figure 112018063351269-pat00004
의 conjugate transpose를 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 GPS 신호 이용하여 시각 동기화된 의사-무작위 빔포밍 방법을 수행하는 통신 시스템의 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 위성(101)으로부터 수신한 GPS 신호를 기반으로 시각 동기화된 다중 안테나를 장착한 이동 기지국(102)과 다중 수신 안테나를 장착한 단말(104)들로 이루어진 셀이 다수 존재한다. 또한, 망관리 기지국(103)의 제어를 받는 무선 통신 시스템(100)을 나타내고 있다.
Figure 112018063351269-pat00005
개의 다중 송신 안테나를 갖는
Figure 112018063351269-pat00006
번째 기지국(102)은
Figure 112018063351269-pat00007
개의 다중 수신 안테나를 갖는
Figure 112018063351269-pat00008
개의 단말(104)들 중
Figure 112018063351269-pat00009
개의 단말들에게 메시지 신호 벡터(106)
Figure 112018063351269-pat00010
를 동시에 송신한다. 이때,
Figure 112018063351269-pat00011
번째 기지국으로부터
Figure 112018063351269-pat00012
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00013
번째 단말까지의 무선 채널 행렬은
Figure 112018063351269-pat00014
이며, 모든
Figure 112018063351269-pat00015
에 대해서 독립적이고 동등한 분포(i.i.d.)를 갖는다. 또한 메시지 신호를 전송하는 동안 준정적 상태(quasi-static)이기 때문에 채널 계수는 변하지 않는다고 가정한다. 또한,
Figure 112018063351269-pat00016
번째 기지국에서 GPS 신호와 의사-코드 기반으로
Figure 112018063351269-pat00017
개의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보들(105)
Figure 112018063351269-pat00018
을 생성하고, 빔 정보들은 단말들과 공유하여 이미 알고 있다고 가정한다. 이때
Figure 112018063351269-pat00019
번째 기지국에서 생성한
Figure 112018063351269-pat00020
개의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보 중
Figure 112018063351269-pat00021
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬은
Figure 112018063351269-pat00022
으로 나타낼 수 있으며, 이를 구성하는
Figure 112018063351269-pat00023
개의 송신 빔포밍 벡터 중
Figure 112018063351269-pat00024
번째 송신 빔포밍 벡터는
Figure 112018063351269-pat00025
으로 나타낼 수 있다. 이때,
Figure 112018063351269-pat00026
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 이용하여 모든 셀의 기지국들이 메시지 신호를 하향링크로 전송하였을 경우,
Figure 112018063351269-pat00027
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00028
번째 단말에서의 수신 신호 벡터
Figure 112018063351269-pat00029
를 [수학식1]로 나타낼 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00030
[수학식1]에서 우변의 첫 번째 항은 셀 내 간섭 신호를 포함한 동일 셀 내의 신호, 두 번째 항은 인접 셀의 하향링크 전송으로 발생된 간섭 신호를 의미하며, 송신 메시지 신호 벡터의 전력은
Figure 112018063351269-pat00031
이다. 세 번째 항은
Figure 112018063351269-pat00032
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00033
번째 단말에서의 열잡음 벡터
Figure 112018063351269-pat00034
의 각 성분은 평균 0, 분산이
Figure 112018063351269-pat00035
인 복소 가우시안 분포를 따른다고 가정한다.
한편,
Figure 112018063351269-pat00036
번째 기지국에서
Figure 112018063351269-pat00037
번째 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00038
번째 송신 빔포밍 벡터로 메시지를 전송한다면,
Figure 112018063351269-pat00039
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00040
번째 단말기에서의 유효 채널 벡터
Figure 112018063351269-pat00041
는 [수학식2]로 정의할 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00042
도 2는 본 발명에 따른 시각 동기화된 의사-무작위 빔포밍 방법의 흐름도를 나타낸다. 구체적으로, 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 무선 통신 시스템(100)에서의 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보들(105) 중 전체 하향링크 전송률을 극대화할 수 있는 최적의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 선택하여 전송하는 방법에 대한 흐름도(200)이다.
1. 기지국에서의 참조 신호 방송 (201)
기지국과 단말 사이의 채널 추정을 위한 참조 신호 전송 단계에 해당한다. 즉, 모든 기지국들이 참조 신호를 방송하면, 셀 내의 단말기들이 기지국으로부터 참조 신호를 수신하면서 기지국으로부터 단말까지의 무선 채널 행렬들을 얻는다.
2. 단말에서의 수신 빔포밍 벡터 생성 (202)
단말에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보에 대응하는 다수의 수신 빔포밍 벡터들을 생성하는 수신 빔포밍 벡터 생성 단계에 해당한다. 한편, 수신 빔포밍 벡터 생성 단계이전에 기지국에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 생성하는 송신 빔포밍 행렬 후보 생성 단계가 수행될 수 있다.
참조 신호를 수신한 각 단말은 얻은 무선 채널 행렬을 이용하여 최소평균제곱오차(minimum mean square error, MMSE) 기반으로
Figure 112018063351269-pat00043
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00044
번째 송신 빔포밍 벡터에 대응하는 수신 빔포밍 벡터
Figure 112018063351269-pat00045
를 [수학식3]과 같이 생성한다.
Figure 112018063351269-pat00046
이때, 수신 빔포밍 벡터는 단위 크기(unit norm)이며, 간섭 공분산 행렬
Figure 112018063351269-pat00047
은 [수학식4]와 같다.
Figure 112018063351269-pat00048
한편, 도 1을 참조하면, 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보는 상기 기지국들에 해당하는 다수의 이동 차량(moving vehicle)에서 생성할 수 있다. 또한, 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 다수의 이동 차량의 통신 서비스 커버리지 내의 단말에서 생성할 수 있다. 이에 따라, 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 의사-무작위 기반 직교성을 갖는 빔포밍 벡터들로 구성된 빔포밍 행렬을 단말이 다수 생성하고, 망관리 기지국이 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택적으로 사용할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 상세히 살펴보기로 한다.
3. 단말에서의 SINR 피드백 (203)
단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 구성하는 다수의 송신 빔포밍 벡터에 대한 참조번호 및 유효 SINR값들을 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 단계에 해당한다.
Figure 112018063351269-pat00049
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00050
번째 단말에서 수신 빔포밍 벡터
Figure 112018063351269-pat00051
를 이용하여 수신하는 경우,
Figure 112018063351269-pat00052
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00053
번째 송신 빔포밍 벡터에 대한 유효 SINR값을 [수학식5]와 같이 계산할 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00054
유사한 방법으로 각 단말들은 모든
Figure 112018063351269-pat00055
에 대해서 유효 SINR값들을 모두 계산할 수 있으며, 계산한 유효 SINR값들을 동일 셀에 존재하는 기지국으로 빔 참조번호와 함께 피드백한다.
한편, SINR을
Figure 112018063351269-pat00056
-비트 양자화(quantization)하여 종래의 피드백 방법을 적용한다면, 모든
Figure 112018063351269-pat00057
에 대해 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬들을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00058
개의 송신 빔포밍 벡터들에 대해 피드백하며, 이때 각 단말에서의 총 피드백 비트 수를 [수학식6]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00059
반면, 단말은 각
Figure 112018063351269-pat00060
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00061
개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든
Figure 112018063351269-pat00062
에 대해서 총
Figure 112018063351269-pat00063
개 피드백하는 기회적 피드백 방법 1을 적용한다면, 각 단말에서의 총 피드백 비트 수를 [수학식7]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00064
따라서, 피드백 단계에서, 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 총 m개 피드백하는 제1 타입 기회적 피드백 방법을 수행할 수 있다.
또한, 단말은 각
Figure 112018063351269-pat00065
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00066
개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든
Figure 112018063351269-pat00067
에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 미리 정해진 피드백 수
Figure 112018063351269-pat00068
개만 피드백하는 기회적 피드백 방법 2를 적용한다면, 각 단말에서의 총 피드백 비트 수를 [수학식8]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00069
따라서, 피드백 단계에서, 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 n 개만 피드백하는 제 2 타입 피드백 방법을 수행할 수 있다.
또한, 기지국과 단말이 코드북 정보를 서로 공유하는 코드북 기반 빔포밍 시스템에서 단말은 각
Figure 112018063351269-pat00070
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00071
개의 송신 빔포밍 벡터 중 얻은 무선 채널 벡터와 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든
Figure 112018063351269-pat00072
에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 미리 정해진 코드북 참조 번호 피드백 수
Figure 112018063351269-pat00073
개만 피드백하는 코드북 기반의 기회적 피드백 방법을 적용한다면, 각 단말에서의 총 피드백 비트 수를 [수학식9]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00074
하나의 예를 들어보면,
Figure 112018063351269-pat00075
일 경우, 종래의 피드백을 적용한다면 단말 당
Figure 112018063351269-pat00076
개의 비트가 요구된다. 반면, 기회적 피드백 방법 1을 적용하면,
Figure 112018063351269-pat00077
개,
Figure 112018063351269-pat00078
의 기회적 피드백 방법 2를 적용하면
Figure 112018063351269-pat00079
개,
Figure 112018063351269-pat00080
의 코드북 기반 기회적 피드백 방법을 적용하면
Figure 112018063351269-pat00081
개의 비트만을 요구한다.
따라서, 피드백 단계에서, 기지국과 단말이 코드북 정보를 서로 공유하는 코드북 기반 빔포밍 시스템에서, 상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터로부터 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 미리 정해진 코드북 참조 번호 피드백 수 nc 개만 피드백하는 코드북 기반의 기회적 피드백 방법을 수행할 수 있다.
4. 기지국에서의 사용자 스케쥴링 (204)
각 기지국들은 단말들로부터 수집된 유효 SINR값들과 이에 대응하는 빔포밍 행렬 및 벡터 참조 번호들을 이용하여 하향링크 전송 시 전송률을 극대화할 수 있는
Figure 112018063351269-pat00082
개의 단말 집합을 선택하여 전송할 때,
Figure 112018063351269-pat00083
번째 기지국이
Figure 112018063351269-pat00084
번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 사용하여 메시지 신호 벡터
Figure 112018063351269-pat00085
를 전송하는 경우, 달성할 수 있는 하향링크 전송률(achievable sum-rate)은 [수학식10]와 같다.
Figure 112018063351269-pat00086
각 기지국들은 모든
Figure 112018063351269-pat00087
에 대해 달성할 수 있는 하향링크 전송률을 계산하여 망관리 기지국(BS coordinator)으로 백홀 링크를 통해 피드백한다.
5. 망관리 기지국에서의 최적의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 선택 (205)
다중 셀의 각 기지국들을 제어하는 망관리 기지국이 존재하는 시스템에서 상기 기지국들의 피드백 정보를 수집한 상기 망관리 기지국에서 상기 다수의 의사-무작위 빔포밍 행렬 후보들 중에서 최적의 빔포밍 행렬을 선택하는 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에 해당한다.
망관리 기지국(103)에서 수집된 각 셀의 달성할 수 있는 하향링크 전송률들을 기반으로
Figure 112018063351269-pat00088
개의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보 중 모든 하향링크 전송률의 합을 극대화할 수 있는 최적의 송신 빔포밍 행렬 후보의 참조번호
Figure 112018063351269-pat00089
를 [수학식11]과 같이 선택하여 각 기지국들에게 피드백한다.
Figure 112018063351269-pat00090
한편, 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서, 망관리 기지국에서 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 셀 간 간섭량 (inter-cell interference)을 기반으로 선택할 수 있다. 이때, 셀 간 간섭량은 망관리 기지국이 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보에 기반하여 망관리 기지국이 판단할 수 있다. 또는, 셀 간 간섭량은 망관리 기지국이 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보와 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 망관리 기지국이 판단할 수 있다.
따라서, 최적 빔포밍 행렬 선택에 따른 최적 빔 방향은 기지국과 단말의 가시 경로(LOS: Line of Sight)가 아니라 다른 경로로 선택될 수 있다. 즉, 셀 간 간섭 수준을 낮추기 위해 LOS 경로가 아닌 non-LOS 경로가 선택될 수 있다.
한편, 셀 간 간섭량 수준이 일정 수준 이하인 경우에는 셀 내 간섭량만을 고려하여 최적 빔포밍 행렬을 선택할 수 있다. 이 경우, 망관리 기지국은 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 해당 이동 차량이 결정한 최적 빔포밍 행렬을 선택할 수 있다.
또한, 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서, 망관리 기지국에서 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률을 기반으로 선택할 수 있다. 이때, 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률은 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보와 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 망관리 기지국이 판단할 수 있다.
따라서, 최적 빔포밍 행렬 선택에 따른 최적 빔 방향은 기지국과 단말의 가시 경로(LOS: Line of Sight)가 아니라 다른 경로로 선택될 수 있다. 즉, 셀 간 간섭 수준에 따른 하량링크 전송률 저하를 방지하기 위해 LOS 경로가 아닌 non-LOS 경로가 선택될 수 있다.
한편, 셀 간 간섭량 수준이 일정 수준 이하인 경우에는 각 셀 별 최대 하향링크 전송률 기반으로 최적 빔포밍 행렬을 선택할 수 있다. 이 경우, 망관리 기지국은 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 해당 이동 차량이 결정한 최적 빔포밍 행렬을 선택할 수 있다.
6. 데이터 전송 (206)
최종적으로 각 기지국들은 망관리 기지국에서 선택한 최적의 송신 빔포밍 행렬
Figure 112018063351269-pat00091
을 이용하여 메시지 신호를 전송한다. 이때, 최적의 송신 빔포밍 행렬을 구성하는
Figure 112018063351269-pat00092
번째 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 메시지가 전송될 때,
Figure 112018063351269-pat00093
번째 셀의
Figure 112018063351269-pat00094
번째 단말에서의 수신 신호 벡터
Figure 112018063351269-pat00095
를
Figure 112018063351269-pat00096
번째 수신 빔포밍 벡터
Figure 112018063351269-pat00097
를 이용하여 후처리하여 얻을 수 있는 수신 신호
Figure 112018063351269-pat00098
를 다음 [수학식12]와 같이 얻는다.
Figure 112018063351269-pat00099
이때, 첫 번째 항은 동일 셀 기지국으로부터 송신되어 단말에서 수신해야 할 메시지 신호(desired signal), 두 번째와 세 번째 항은 각각 셀내 간섭신호(intra-cell interference signal)과 셀간 간섭신호(inter-cell interference signal), 마지막 항은 후처리된 열잡음으로 평균 0, 분산이
Figure 112018063351269-pat00100
인 복소 가우시안 분포를 따른다.
최종적으로 본 발명에서 다중셀 하향링크 전송률은 [수학식13]와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112018063351269-pat00101
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 의사-무작위 빔포밍 방법은, 다중셀 하향링크 셀룰라 네트워크에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보 중 망관리 기지국에서 결정한 최적의 송신 빔포밍 행렬을 선택하여 전송할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따른 의사-무작위 빔포밍 방법은, 셀 내 및 셀 간 간섭의 영향을 함께 고려하여 다수의 하향링크 전송률을 극대화할 수 있는 방법으로 통신 환경을 개선하는데 기여할 수 있다는 장점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (7)

  1. 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법에 있어서,
    기지국과 단말 사이의 채널 추정을 위한 참조 신호 전송 단계; 및
    상기 기지국에서 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 생성하는 송신 빔포밍 행렬 후보 생성 단계; 및
    상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보에 대응하는 다수의 수신 빔포밍 벡터들을 생성하는 수신 빔포밍 벡터 생성 단계; 및
    상기 단말에서 상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보를 구성하는 다수의 송신 빔포밍 벡터에 대한 참조번호 및 유효 SINR값들을 상기 기지국으로 피드백하는 피드백 단계; 및
    다중 셀의 각 기지국들을 제어하는 망관리 기지국이 존재하는 시스템에서 상기 기지국들의 피드백 정보를 수집한 상기 망관리 기지국에서 상기 다수의 의사-무작위 빔포밍 행렬 후보들 중에서 최적의 빔포밍 행렬을 선택하는 최적 빔포밍 행렬 선택 단계를 포함하고,
    상기 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서,
    상기 망관리 기지국에서 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 셀 간 간섭량 (inter-cell interference)을 기반으로 선택하고,
    셀 간 간섭량 수준이 일정 수준 이하인 경우, 상기 망관리 기지국은 셀 내 간섭량만을 고려하여 상기 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 해당 이동 차량이 결정한 최적 빔포밍 행렬을 선택하고, 상기 셀 간 간섭량은 상기 망관리 기지국이 상기 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보에 기반하여 상기 망관리 기지국이 판단하고,
    상기 최적 빔포밍 행렬 선택 단계에서,
    상기 셀 간 간섭량 수준이 상기 일정 수준을 초과하는 경우, 상기 망관리 기지국에서 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택할 때, 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률을 기반으로 선택하고, 상기 최적의 빔포밍 행렬의 선택에 따른 최적 빔 방향은 non-LoS 경로로 선택되고,
    상기 다수의 셀 전체의 하향링크 전송률은 상기 다수의 이동 차량으로부터 피드백되는 정보와 상기 단말로부터 피드백되는 정보에 기반하여 상기 망관리 기지국이 판단하는, 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬 후보는 상기 기지국들에 해당하는 다수의 이동 차량(moving vehicle)에서 생성하고,
    상기 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 상기 다수의 이동 차량의 통신 서비스 커버리지 내의 단말에서 생성하고,
    상기 다수의 수신 빔포밍 벡터들은 의사-무작위 기반 직교성을 갖는 빔포밍 벡터들로 구성된 빔포밍 행렬을 상기 단말이 다수 생성하고, 상기 망관리 기지국이 상기 최적의 빔포밍 행렬을 선택적으로 사용하는, 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 단계에서,
    상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 총 m개 피드백하는 제1 타입 기회적 피드백 방법을 수행하는, 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 단계에서,
    상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터 중 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 n 개만 피드백하는 제 2 타입 피드백 방법을 수행하는, 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 피드백 단계에서,
    상기 기지국과 상기 단말이 코드북 정보를 서로 공유하는 코드북 기반 빔포밍 시스템에서, 상기 단말은 각 m번째 의사-무작위 송신 빔포밍 행렬을 구성하는 B개의 송신 빔포밍 벡터로부터 가장 높은 유효 SINR값을 얻을 수 있는 1개의 송신 빔포밍 벡터를 선택한 후, 모든 m에 대해서 가장 높은 것부터 낮은 순으로 미리 정해진 코드북 참조 번호 피드백 수 nc 개만 피드백하는 코드북 기반의 기회적 피드백 방법을 수행하는, 시각 동기화된 기지국에서 빔포밍 방법.
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