KR102121339B1 - 거대 다중 안테나 시스템 및 이를 위한 채널 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 기술의 일 실시예에 의한 거대 다중 안테나 시스템은 복수의 안테나를 포함하며, 트레이닝 신호를 전송하는 기지국을 포함하는 송신단 및 트레이닝 신호를 수신하여 i번째 시간의 채널을 추정하는 수신단을 포함하며, 송신단은 이전([i-1]번째) 시간의 유효 경로 방향의 채널 정보를 포함하는 직교 트레이닝 신호; 및 이전([i-1]번째) 시간에 존재하지 않고 i번째 시간에 새로 생긴 경로 방향의 채널 정보인 비직교 트레이닝 신호;를 포함하는 트레이닝 신호를 전송하고, 수신단은 직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 1 추정 방식으로 채널을 추정하고, 비직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 2 추정 방식으로 추정하도록 구성될 수 있다.

Description

거대 다중 안테나 시스템 및 이를 위한 채널 추정 방법{Massive MIMO Systems and Channel Estimation Method Therefor}
본 발명은 무선통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 거대 다중 안테나 시스템 및 이를 위한 채널 추정 방법에 관한 것이다.
기존의 다중안테나 하향링크 채널 추정을 위해서 최소 제곱법 등이 많이 사용되어 왔으며, 각 안테나에 해당하는 채널을 모두 추정하기 위해 안테나 수보다 많은 길이의 트레이닝 신호를 사용한다. 하지만, 매우 많은 안테나를 사용하는 거대 다중 안테나 (massive MIMO) 환경에서는 트레이닝에 필요한 오버헤드가 지나치게 커져 전송 효율이 감소하기에 채널 추정에 어려움이 있다. 여기에서, 최소 제곱법이란, 어떤 시스템의 해방정식을 근사적으로 구하는 방법으로, 근사적으로 구하려는 해와 실제 해의 오차의 제곱의 합이 최소가 되는 해를 구하는 방법이다. 통신 시스템에서 채널을 추정하기 위해 최소 제곱법을 이용하는 것은 대한민국 등록 특허공보 제10-0963714호 등에 개시되어 있다.
안테나 수에 비해 적은 유효 경로가 존재할 경우에는 유효 경로의 방향과 계수를 추정하는 방식으로 트레이닝 오버헤드를 줄일 수 있으며, 특히 유효 경로가 매우 적은 상황에서는 각도 도메인(angular domain)에서의 채널이 희소한(sparse) 특성을 나타내 압축 센싱(compressed sensing)이라는 희소신호 복원 방법을 이용하면 적은 오버헤드로도 채널을 정확히 추정할 수 있다. 하지만, 실제 거대 다중 안테나 채널의 경우 압축 센싱을 직접 적용할 수 있을 정도로 희소하지 않기 오버헤드 감소에 어려움이 있다. 압축 센싱 이론은 신호의 희소성에 기초한 신호 복원 방법이다. 어떤 신호를 임의의 도메인에서 관측하는 경우 신호의 성분이 대다수가 0이 되고 소수의 성분만이 0이 아닌 성분을 갖게 되며, 0이 아닌 성분을 갖는 신호를 희소 신호라 한다. 압축 센싱 이론은 희소 신호에 대하여 아주 적은 선형 측정만으로 워래 신호를 손실 없이 복원해낼 수 있다는 것을 그 핵심으로 한다. 통신 시스템에서 채널을 추정하기 위해 압축 센싱 이론을 이용하여 희소 신호를 복원하는 것은 대한민국 등록 특허공보 제10-1684925호 등에 개시되어 있다.
이와 같이, 기지국에서 매우 많은 수의 안테나를 사용하는 거대 다중 안테나 시스템에서는 하향링크 채널을 추정하는데 안테나 수에 비례하는 많은 자원을 소모하기에, 적은 오버헤드로 하향링크 채널을 추정하는 기술이 요구된다.
삭제
본 기술의 실시예는 압축 센싱을 직접 적용할 수 없는 상황에서도 적은 오버헤드로 채널을 추정할 수 있는 거대 다중 안테나 시스템 및 이를 위한 채널 추정 방법을 제공할 수 있다.
본 기술의 일 실시예에 의한 거대 다중 안테나 시스템은 복수의 안테나를 포함하며, 트레이닝 신호를 전송하는 기지국을 포함하는 송신단; 및 상기 트레이닝 신호를 수신하여 i번째 시간의 채널을 추정하는 수신단;을 포함하며,상기 송신단은 이전([i-1]번째) 시간의 유효 경로 방향의 채널 정보를 포함하는 직교 트레이닝 신호; 및 상기 이전([i-1]번째) 시간에 존재하지 않고 상기 i번째 시간에 새로 생긴 경로 방향의 채널 정보인 비직교 트레이닝 신호;를 포함하는 상기 트레이닝 신호를 전송하고, 상기 수신단은 상기 직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 1 추정 방식으로 채널을 추정하고, 상기 비직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 2 추정 방식으로 추정하도록 구성될 수 있다.
본 기술에 의하면 거대 다중 안테나 시스템에서 적은 오버헤드로 하향링크 채널을 추정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 하향링크 트레이닝 신호의 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 기술의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
채널 경로의 발사각은 유효 경로의 생성과 소멸에 따라 매우 천천히 변한다. 따라서, 이전([i-1]번째 시간)에 추정된 발사각은 i번째 시간에 추정하고자 하는 채널의 유효 경로 방향과 완전히 일치하지 않더라도, 많은 부분이 중복될 것으로 예상할 수 있다. 이전 시간의 유효 경로 방향과 중복되는 채널은 밀집(dense) 채널로 간주할 수 있다. 또한, 이전([i-1]번째 시간)에 존재하지 않던 경로 방향의 채널은 i번째 시간에 매우 적은 수가 생성될 것이기 때문에 희소(sparse) 채널로 간주할 수 있다.
이에, 본 기술은 이전([i-1]번째 시간)의 유효 경로 방향에 해당하는 방향의 채널을 고전적인 직교 트레이닝 방식으로 추정한다. 그리고, 이외의 방향, 즉 새로 생성된 방향의 채널에 대해서는 압축 센싱 기법을 활용해 채널을 추정한다. 따라서, 많이 희소하지 않아 압축 센싱을 직접 적용할 수 없는 상황에서도 적은 오버헤드로 채널을 추정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 하향링크 트레이닝 신호의 구조도이다.
i번째 시간의 채널을 h i라 하면, 이를 적절한 직교 변환(e.g. DFT) Ψ을 통해 다음과 같이 각도 도메인(angular domain) 채널 s i로 표현할 수 있다.
Figure 112016124931191-pat00001
안테나의 수에 비해 유효 경로 방향이 적은 거대 다중 안테나 시스템에서는 s i의 원소 중 상당수가 0 또는 0에 가까운 값을 가진다. 이 때, 0이 아닌 값을 갖는 위치 인덱스의 집합을 Ωi라 하고 나머지를 Ωi c로 나타낸다.
경로 방향은 계수에 비해 매우 천천히 변하기 때문에 Ωi-1과 Ωi의 대부분이 중복될 것을 예상할 수 있고, 본 발명에서는 이미 알고 있는 이전 채널 정보 Ωi-1를 활용하여 추정에 필요한 트레이닝 오버헤드를 줄인다.
총 Tp 길이의 트레이닝 신호가 이용된다 할 때, 본 발명의 트레이닝 신호는 도 1과 같이 도 1에 도시한 것과 같이, 직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00023
)와 비직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00024
)를 결합하여 생성할 수 있다. 여기에서
Figure 112019135555019-pat00002
는 직교 변조신호,
Figure 112019135555019-pat00003
는 비직교 변조 신호이다. 기지국을 포함하는 송신단에서는 트레이닝 신호 중 앞의
Figure 112019135555019-pat00025
길이 동안 이전([i-1] 번째) 시간의 채널 정보를 활용하여 유효한 경로가 존재할 확률이 높은 방향으로는 직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00026
)를 전송할 수 있다. 그리고 나머지의
Figure 112019135555019-pat00027
길이 동안 비직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00028
)를 전송할 수 있다. 직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00029
)는 이전([i-1]번째) 시간의 유효 경로 방향(0이 아닌 값을 갖는 위치 인덱스의 집합)의 채널 정보이며, 비직교 트레이닝 신호(
Figure 112019135555019-pat00030
)는 이전([i-1]번째) 시간에 존재하지 않던 경로 방향(0 값을 갖는 위치 인덱스의 집합)의 채널 정보이다.
수신단에서 i번째 시간에 앞의
Figure 112019135555019-pat00004
길이 동안 수신하는 신호를 밀집 신호
Figure 112019135555019-pat00005
, 이후의
Figure 112019135555019-pat00006
길이 동안 수신하는 신호를 희소신호
Figure 112019135555019-pat00007
라 하면, 밀집 신호와 희소신호를 포함하는 수신신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016124931191-pat00008
Figure 112016124931191-pat00009
수신단은 s i의 원소 중 0이 아닌 값을 갖는 밀집 벡터
Figure 112019135555019-pat00010
를 밀집 신호
Figure 112019135555019-pat00011
로 부터 최소제곱법(least squares) 방식으로 추정할 수 있다. 이렇게 추정한 값인 추정 밀집 벡터를
Figure 112019135555019-pat00012
이라 한다.
또, 수신단은 s i의 원소 중 대부분의 원소가 0의 값을 갖는 희소 벡터
Figure 112019135555019-pat00013
를 희소 신호
Figure 112019135555019-pat00014
로 부터 압축센싱 기술을 활용해 추정할 수 있다. 압축 센싱 알고리즘의 예로 직교 매칭 퍼슛(Orthogonal Matching Pursuit; OMP), 컨벡스 최적화 방식, 근사 메시지 패싱(Approximate Message Passing; AMP) 등의 희소신호 복원 알고리즘이 활용될 수 있다. 이렇게 추정한 값인 추정 희소 벡터를
Figure 112019135555019-pat00015
이라 한다.
최종적으로, 추정 밀집 벡터
Figure 112019135555019-pat00016
과 추정 희소 벡터
Figure 112019135555019-pat00017
를 이용해 채널 추정 결과
Figure 112019135555019-pat00018
를 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure 112016124931191-pat00019
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Tp : 트레이닝 신호의 길이
Figure 112016124931191-pat00020
: 직교신호
Figure 112016124931191-pat00021
: 비직교 신호

Claims (10)

  1. 복수의 안테나를 포함하며, 트레이닝 신호를 전송하는 기지국을 포함하는 송신단; 및 상기 트레이닝 신호를 수신하여 i번째 시간의 채널을 추정하는 수신단;을 포함하며,
    상기 송신단은 이전([i-1]번째) 시간의 유효 경로 방향의 채널 정보를 포함하는 직교 트레이닝 신호; 및 상기 이전([i-1]번째) 시간에 존재하지 않고 상기 i번째 시간에 새로 생긴 경로 방향의 채널 정보인 비직교 트레이닝 신호;를 포함하는 상기 트레이닝 신호를 전송하고,
    상기 수신단은 상기 직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 1 추정 방식으로 채널을 추정하고, 상기 비직교 트레이닝 신호를 수신하여 제 2 추정 방식으로 추정하도록 구성되는 거대 다중 안테나 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 추정 방식은 최소 제곱법 기반 방식인 거대 다중 안테나 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 추정 방식은 희소신호 복원 방식을 포함하는 거대 다중 안테나 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 희소신호 복원 방식은 직교 매칭 퍼슛(Orthogonal Matching Pursuit; OMP), 컨벡스 최적화 방식, 근사 메시지 패싱(Approximate Message Passing; AMP)를 포함하는 알고리즘 중에서 선택되는 거대 다중 안테나 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직교 트레이닝 신호는, 이전([i-1]번째) 시간의 각도 도메인 채널 함수의 원소 중 0이 아닌 값을 갖는 원소의 위치 인덱스의 집합에 대한 직교 신호를 포함하는 거대 다중 안테나 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비직교 트레이닝 신호는, 이전([i-1]번째) 시간의 각도 도메인 채널 함수의 원소 중 0의 값을 갖는 원소의 위치 인덱스의 집합에 대한 비직교 신호를 포함하는 거대 다중 안테나 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신단은 이전([i-1]번째) 시간 채널의 경로 방향과 동일한 경로 방향의 채널은 최소 제곱법 방식을 포함하는 상기 제 1 추정 방식으로 추정하고, i번째 시간에 새로 생성된 경로 방향의 채널은 희소 신호 복원 방식을 포함하는 제 2 추정 방식으로 추정하도록 구성되는 기지국을 포함하는 거대 다중 안테나 시스템.
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