KR102127119B1 - Massive antenna hybrid half/full-duplex device and method - Google Patents

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KR102127119B1 KR1020180169371A KR20180169371A KR102127119B1 KR 102127119 B1 KR102127119 B1 KR 102127119B1 KR 1020180169371 A KR1020180169371 A KR 1020180169371A KR 20180169371 A KR20180169371 A KR 20180169371A KR 102127119 B1 KR102127119 B1 KR 102127119B1
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이경재
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Abstract

According to the present invention, a large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and a method thereof are disclosed. According to the present invention, a macro-cell of a heterogeneous cellular network system having at least one small cell and a wireless backhaul link comprises a macro-cell MIMO antenna and a macro-cell circulator. The macro-cell circulator uses an antenna corresponding to the number of small cells (S) among macro-cell MIMO antennas in a first time period for transmission, sets the remaining M_rx antennas to be used for reception, uses an antenna corresponding to the number of small cells (S) among the macro-cell MIMO antennas for reception in a second time period, and sets the remaining M_tx antennas to be used for transmission. According to the present invention, wireless backhaul communication with excellent channel capacity performance is possible in a heterogeneous network system.

Description

대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법{MASSIVE ANTENNA HYBRID HALF/FULL-DUPLEX DEVICE AND METHOD}Massive antenna hybrid full-duplex/half-duplex device and method {MASSIVE ANTENNA HYBRID HALF/FULL-DUPLEX DEVICE AND METHOD}

본 발명은 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 임계 안테나 수 이상의 안테나를 가진 경우 전이중 모드로 통신하고, 임계 안테나 수 이하의 안테나를 가진 경우 반이중 모드로 통신할 수 있는 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method, and more specifically, to communicate in full-duplex mode when the antenna has more than the critical antenna number, and to communicate in a half-duplex mode when the antenna has less than the critical antenna number A large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method.

계속 증가하는 무선 데이터의 수요에 맞추기 위하여, 몇 가지 고급 통신 기술들이 개발 중이다. 이러한 기술들 중에서 대규모 MIMO(massive multiple- input multiple-output ; massive MIMO), 전이중(full-duplex; FD) 통신, 이종 네트워크(heterogeneous network, HetNet) 등이 떠오르고 있다.To meet the ever-increasing demand for wireless data, several advanced communication technologies are being developed. Among these technologies, massive multiple-input multiple-output (MIMO), full-duplex (FD) communication, and heterogeneous networks (HetNet) are emerging.

대규모 MIMO(massive MIMO)는 고객 단말기(user terminals; UTs) 수 보다 훨씬 많은 수백 개의 안테나 열을 가진 기지국들(base stations; BSs)을 포함한다. 많은 안테나 열은 목적하는 고객 단말기에 정밀하게 초점을 맞추어 에너지를 방출할 수 있어서, 에너지 효율(energy efficiency; EE)에서 상당한 개선을 가져온다. 또한, 대규모 MIMO를 이용하면, 노이즈 영향을 상당히 줄일 수 있고, 고속 페이딩(fast fading)과 간섭을 제거할 수 있으며, 주파수 효율(spectral efficiency; SE)을 증가시킬 수 있다.Massive MIMO (MIMO) includes base stations (BSs) with hundreds of antenna rows, far greater than the number of user terminals (UTs). Many of the antenna rows can emit energy with a precise focus on the desired customer terminal, resulting in a significant improvement in energy efficiency (EE). In addition, the use of large-scale MIMO can significantly reduce noise effects, eliminate fast fading and interference, and increase spectral efficiency (SE).

동일대역(in band) 전이중(FD) 통신은 통신연구 분야에서 수많은 관심을 불러일으키는 또 다른 기술이다. FD 시스템에서, 기지국(BS) 송수신기(transceiver)는 송신과 수신을 같은 주파수 대역을 이용하여 동시에 한다. 그 결과 채널 용량이 이론적으로는 반이중(half-duplex; HD) 통신보다 두배가 된다. 그러나, 잠재적으로 채널 용량이 두배가 되는 대신에, 송신 신호의 누설이 수신 신호에 영향을 미치는 자기 간섭(SI)이 발생한다. 따라서 SI를 상쇄하기 위해 추가적인 공간적, 시간적 기술들이 필요하다. In-band full-duplex (FD) communication is another technology that brings a lot of attention in the field of communication research. In an FD system, a base station (BS) transceiver simultaneously transmits and receives using the same frequency band. As a result, the channel capacity is theoretically doubled as half-duplex (HD) communication. However, instead of potentially doubling the channel capacity, magnetic interference (SI) occurs where leakage of the transmitted signal affects the received signal. Therefore, additional spatial and temporal techniques are needed to offset SI.

한편, FD를 이용한 대규모 MIMO의 경우, 복잡한 SI 제거 방법을 사용하지 않아도, 안테나 수가 무한히 늘어남에 따라 SI가 점차적으로 감소한다.On the other hand, in the case of large-scale MIMO using FD, the SI gradually decreases as the number of antennas increases infinitely without using a complicated SI removal method.

정보를 송수신할 수 있는 범위인 커버리지를 효율적으로 제공하기 위해 전통적으로 셀형태(cellular)의 네트워크가 효율적으로 사용되었다. 그러나, 고객단말기(UTs) 수가 증가함에 따라, 에너지효율(EE)과 주파수효율(SE)은 급격히 감소한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 이종 네트워크(HetNet)가 연구되고 있다. In order to efficiently provide coverage, which is a range in which information can be transmitted and received, cellular networks have traditionally been used efficiently. However, as the number of customer terminals (UTs) increases, energy efficiency (EE) and frequency efficiency (SE) decrease rapidly. In order to solve this problem, a heterogeneous network (HetNet) is being researched.

이종 네트워크(HetNet)는 고출력 대형 매크로셀(macro cell; MC) 안에 다수의 저출력 소형 스몰셀들(small cells; SCs)이 중첩되는 다중셀 구조를 가진다. 이종 네트워크는 대부분의 통신이 지역적으로 일어나고, 서비스 요청은 거의 이동이 없는 정지된 고객단말기에 의해 일어난다는 사실을 이용한다. 이종 네트워크를 구현하면, 고객 단말기(USs)와 기지국(BSs) 간의 거리는 감소하게 되므로, 경로 손실이 줄고, 배터리 소모를 줄일 수 있으며, 결국 에너지효율(EE)과 주파수효율(SE)을 늘릴 수 있다. Heterogeneous networks (HetNet) have a multi-cell structure in which a large number of low-power small cells (SCs) are superimposed in a high-power macro cell (MC). Heterogeneous networks take advantage of the fact that most communications occur locally, and service requests are made by stationary customer terminals with little mobility. If a heterogeneous network is implemented, the distance between the customer terminals (USs) and the base stations (BSs) is reduced, thus reducing path loss, reducing battery consumption, and eventually increasing energy efficiency (EE) and frequency efficiency (SE). .

이종 네트워크는 스몰셀(SCs)의 데이터 전송 뿐만 아니라, 스몰셀(SCs)과 매크로셀(MC)간의 제어 및 조정을 위해서, 고속 백홀 링크(backhaul link)를 사용한다. 광통신은 백홀 링크에 요구되는 신뢰성 있고, 높은 데이터 전송률을 제공한다. 그러나, 모든 스몰셀(SC)에 광케이블을 설치하는 것은 굉장히 힘든 일이고, 비용이 많이 들고, 유동적 대응이 어렵다. 따라서, 대규모 MIMO 매크로셀(MC)이 단일 안테나를 가진 이동하는 고객 단말기(UTs)와 다수의 단일 안테나를 가진 스몰셀들(SCs)에 서비스를 제공하는 2단계(2-tier) 이종 네트워크에서 무선 백홀이 연구되고 있다.Heterogeneous networks use high-speed backhaul links for data transmission of small cells (SCs), as well as control and coordination between small cells (SCs) and macro cells (MC). Optical communication provides the reliable and high data rates required for backhaul links. However, it is very difficult to install an optical cable in every small cell (SC), it is expensive, and it is difficult to respond flexibly. Thus, a large-scale MIMO macrocell (MC) is wireless in a two-tier heterogeneous network that provides services to mobile customer terminals (UTs) with a single antenna and small cells (SCs) with multiple single antennas. Backhaul is being studied.

등록특허공보 제10-1802078호 “가변적 전이중 방식을 사용하는 무선 통신 시스템 및 그것을 이용한 통신 성능 향상 방법”에서는, 중계 노드에서 채널 상태를 검출하고 비교하여 임계치에 따라 전이중(FD) 방식과 반이중(HD) 방식을 선택하여 통신함으로써 전력소모를 줄이고 통신 성능을 향상 시키는 방법이 개시되어 있다. 다만 중계 노드를 사용하는 협력통신에 관한 것으로 이종 네트워크의 백홀링크에 대한 것이 아니다.In Patent Registration No. 10-1802078, “A wireless communication system using a variable full-duplex method and a method for improving communication performance using the same”, the relay node detects and compares the channel status, and compares the full-duplex (FD) method and the half-duplex (HD) according to the threshold A method for reducing power consumption and improving communication performance by selecting a communication method is disclosed. However, it is related to cooperative communication using a relay node, not a backhaul link of a heterogeneous network.

공개특허공보 제10-2017-0113225호 “Massive MIMO를 이용한 전이중 무선 백홀 시스템”에서는 대규모 MIMO 안테나를 구비하는 기지국들 간의 백홀링크 신호 전송방법에서 통신 상태를 모니터링 하여 안테나 중 일부를 수신 모드로 또는 송신 모드로 변환하는 방법이 개시되어 있다. 다만, 통신 방법이 전이중(FD) 방식으로 이루어지고 반이중(HD) 방식은 고려하지 않고 있다.In Patent Publication No. 10-2017-0113225, “Full-duplex wireless backhaul system using Massive MIMO,” the communication state is monitored in a backhaul signal transmission method between base stations having a large-scale MIMO antenna, and a part of the antenna is transmitted or received in a reception mode. A method for converting to a mode is disclosed. However, the communication method is made in full-duplex (FD) and half-duplex (HD) is not considered.

등록특허공보 제10-1802078호 “가변적 전이중 방식을 사용하는 무선 통신 시스템 및 그것을 이용한 통신 성능 향상 방법”Patent Registration No. 10-1802078 “Wireless communication system using variable full-duplex method and communication performance improvement method using the same” 공개특허공보 제10-2017-0113225호 “Massive MIMO를 이용한 전이중 무선 백홀 시스템”Patent Publication No. 10-2017-0113225 “Full Duplex Wireless Backhaul System Using Massive MIMO”

본 발명의 목적은, 이종 네트워크에서 백홀링크 기지국의 합계 채널용량이 우수하도록 전이중/반이중 모드를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting a full duplex/half duplex mode so that the total channel capacity of a backhaul base station in a heterogeneous network is excellent.

본 발명의 목적은, 이종 네트워크에서 백홀링크 기지국의 합계 채널용량이 우수하면서도 송신 전력이 적은 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method with excellent total channel capacity of a backhaul base station in a heterogeneous network and low transmission power.

본 발명의 목적은, 이종 네트워크에서 백홀링크 기지국의 합계 채널용량이 우수하도록 대규모 MIMO 안테나 중 수신에 사용되는 안테나 수에 따라 전이중/반이중 모드를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting a full-duplex/half-duplex mode according to the number of antennas used for reception among large-scale MIMO antennas so that the total channel capacity of a backhaul base station in a heterogeneous network is excellent.

본 발명의 또 다른 목적은, 주파수 효율을 최대로 할 수 있는 최적의 파일럿 길이를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for selecting an optimal pilot length capable of maximizing frequency efficiency.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 하나 이상의 스몰셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀에 있어서, 매크로셀 MIMO 안테나와 매크로셀 서큘레이터와 매크로셀 제어부를 포함한다.According to one aspect for achieving the above object, the present invention includes a macrocell MIMO antenna, a macrocell circulator and a macrocell control unit in a macrocell of a heterogeneous cellular network system having one or more small cells and a wireless backhaul link. .

상기 매크로셀 서큘레이터는, 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수 S 에 해당하는 안테나를 송신에 사용하고, 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하고, 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수 S 에 해당하는 안테나를 수신에 사용하고, 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정한다.The macrocell circulator uses an antenna corresponding to the small cell number S among the macrocell MIMO antennas in a first time period for transmission, and sets the remaining M rx antennas for reception, and a second time period. In the macro cell MIMO antenna, an antenna corresponding to the number of small cells S is used for reception, and the remaining M tx antennas are set to be used for transmission.

상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 작은 경우, 상기 매크로셀 서큘레이터는, 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하고, 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정할 수 있다.In the first time period, if the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna is smaller than the receive antenna threshold M rx0 , the macro cell circulator uses all of the macro cell MIMO antennas for transmission in the first time period. It can be set to be used to receive all of the macro cell MIMO antenna in the second time interval.

상기 매크로셀의 수신 안테나 임계값 Mrx0 은, 수학식 25로 구할 수 있다.The reception antenna threshold value M rx0 of the macro cell can be obtained by Equation (25).

[수학식 25]

Figure 112018130382617-pat00001
[Equation 25]
Figure 112018130382617-pat00001

(여기에서,

Figure 112018130382617-pat00002
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σm 2 은 매크로셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고,
Figure 112018130382617-pat00003
(A=1) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β1k 는 대규모 페이딩 효과이다.)(From here,
Figure 112018130382617-pat00002
, P 1 is the small cell transmission power, p 2 is the macro cell transmission power, σ m 2 is the strength of the self-interference channel in the macro cell,
Figure 112018130382617-pat00003
(A=1), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 1k is a large-scale fading effect.)

상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭(SI)의 세기가 자기간섭 임계값 σm,0 2 보다 큰 경우, 상기 매크로셀 서큘레이터는, 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하고, 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정할 수 있다.In the first time period, when the intensity of the self-interference (SI) of the macro cell MIMO antenna is greater than the self-interference threshold value σ m,0 2 , the macro cell circulator, the macro cell MIMO antenna in the first time period It is possible to set all to be used for transmission, and to use all of the macro cell MIMO antenna for reception in the second time period.

상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 매크로셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 하나 이상의 스몰셀에 있어서, 스몰셀 MIMO 안테나와 스몰셀 서큘레이터와 스몰셀 제어부를 포함한다.According to another aspect for achieving the above object, the present invention includes a small cell MIMO antenna, a small cell circulator, and a small cell control unit in one or more small cells of a heterogeneous cellular network system having a macro cell and a wireless backhaul link.

상기 스몰셀 서큘레이터는, 제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 송신에 사용하고 나머지 Nrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하고, 제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 수신에 사용하고 나머지 Ntx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정한다.The small cell circulator is configured to use one antenna among the small cell MIMO antennas for transmission in a first time period, and use the remaining N rx antennas for reception, and among the small cell MIMO antennas for a second time period. One antenna is used for reception and the remaining N tx antennas are configured for transmission.

상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 가 수신 안테나 임계값 Nrx0 보다 작은 경우, 상기 스몰셀 서큘레이터는, 제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하고, 제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정할 수 있다.In the first time period, if the number of receive antennas N rx of the small cell MIMO antenna is smaller than the receive antenna threshold N rx0 , the small cell circulator uses all of the small cell MIMO antennas for reception in the first time period. In the second time period, the small cell MIMO antenna may be set to be used for transmission.

상기 스몰셀의 수신 안테나 임계값 Nrx0 은, 수학식 27로 구할 수 있다.The reception antenna threshold value N rx0 of the small cell may be obtained by Equation (27).

[수학식 27]

Figure 112018130382617-pat00004
[Equation 27]
Figure 112018130382617-pat00004

(여기에서,

Figure 112018130382617-pat00005
이고,
Figure 112018130382617-pat00006
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σs,k 2 는 스몰셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고, σc,kj 2 는 스몰셀간 간섭 채널의 세기이고,
Figure 112018130382617-pat00007
(A=2) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β2k 는 대규모 페이딩 효과이다.)(From here,
Figure 112018130382617-pat00005
ego,
Figure 112018130382617-pat00006
, P 1 is the small cell transmit power, p 2 is the macro cell transmit power, σ s,k 2 is the strength of the self-interference channel in the small cell, and σ c,kj 2 is the strength of the inter-small cell interference channel,
Figure 112018130382617-pat00007
(A=2), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 2k is a large-scale fading effect.)

상기 매크로셀 또는 스몰셀은, 상기 스몰셀의 개수 S 가 4 이상인 경우, 파일럿 길이 τp 는 상기 스몰셀 개수의 2배로 할 수 있다.In the case of the macro cell or the small cell, when the number S of the small cells is 4 or more, the pilot length τ p may be double the number of the small cells.

상기 매크로셀 또는 스몰셀은, 파일럿 길이 τp 는 상기 스몰셀 개수 S 의 2배 이상이고, 코히어런스 길이 T 이하인 값 중에서, 수학식 32의 RSE 값을 최대로 하는 값으로 선택할 수 있다.The macro cell or the small cell, the pilot length τ p may be selected as a value that maximizes the R SE value of Equation 32 from among values that are two times or more of the small cell number S and less than or equal to the coherence length T.

[수학식 32]

Figure 112018130382617-pat00008
[Equation 32]
Figure 112018130382617-pat00008

(여기에서, Rk 는 제1 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제1 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량을 모두 합한 값 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이다.)(Here, R k is the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macrocell in the first time period and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the first time period and the second time period. This is the sum of the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macro cell and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the second time period, where τ p is the length of the pilot sequence.)

상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 하나 이상의 스몰셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법에 있어서, 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수에 해당하는 안테나를 송신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Mrx 개의 안테나로 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계; 상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수에 해당하는 안테나를 수신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Mtx 개의 안테나를 이용하여 상기 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계;를 포함한다.According to another aspect for achieving the above object, the present invention is a method for communicating a macro cell of a heterogeneous cellular network system having one or more small cells and a wireless backhaul link, wherein the macro cell circulator is the small cell among the macro cell MIMO antennas. Setting an antenna corresponding to the number to be used for transmission and setting the remaining M rx antennas to be used for reception; Receiving data transmitted from a small cell through the M rx antennas among the macro cell MIMO antennas in a first time period; Setting the macrocell circulator to use the antenna corresponding to the number of small cells among the macrocell MIMO antennas for reception and setting the remaining M tx antennas to be used for transmission; And transmitting data to the small cell using the M tx antennas among the macro cell MIMO antennas in a second time period.

상기 매크로셀의 통신방법은, 상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 와 수신 안테나 임계값 Mrx0 을 비교하는 단계; 상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 작은 경우, 상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계; 상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 및 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The communication method of the macro cell may include comparing, in the first time period, the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna and the receive antenna threshold M rx0 ; In the first time period, if the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna is smaller than the receive antenna threshold M rx0 , setting the macro cell circulator to use all macro cell MIMO antennas for transmission; Transmitting data to the small cell in the first time period using the macro cell MIMO antenna; Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for reception; And receiving data transmitted from a small cell using the macro cell MIMO antenna in a second time period.

상기 매크로셀의 통신방법은, 상기 매크로셀의 수신 안테나 임계값 Mrx0 을 수학식 25로 구하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The communication method of the macro cell may further include the step of obtaining a reception antenna threshold value M rx0 of the macro cell by Equation (25).

상기 매크로셀의 통신방법은, 상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭의 세기와 자기간섭의 임계값 σm,0 2 을 비교하는 단계; 상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭의 세기가 자기간섭의 임계값 σm,0 2 보다 큰 경우, 상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계; 상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 및 제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The communication method of the macro cell may include comparing , in the first time period, the intensity of self-interference and the threshold of self-interference σ m,0 2 of the macro cell MIMO antenna; In the first time period, if the intensity of the self-interference of the macrocell MIMO antenna is greater than the self-interference threshold σ m,0 2 , setting the macrocell circulator to use all the macrocell MIMO antennas for transmission. ; Transmitting data to the small cell in the first time period using the macro cell MIMO antenna; Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for reception; And receiving data transmitted from a small cell using the macro cell MIMO antenna in a second time period.

상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 매크로셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 하나 이상의 스몰셀의 통신방법에 있어서, 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 송신에 사용하도록 설정하고 나머지 Nrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Nrx 개의 안테나로 상기 매크로셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계; 상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 수신에 사용하도록 설정하고 나머지 Ntx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및 제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Ntx 개의 안테나를 이용하여 상기 매크로셀로 데이터를 송신하는 단계;를 포함한다.According to another aspect for achieving the above object, the present invention is a method for communicating one or more small cells of a heterogeneous cellular network system having a macro cell and a wireless backhaul link, wherein the small cell circulator is one antenna among the small cell MIMO antennas. Is set to be used for transmission and the remaining N rx antennas are used for reception; Receiving data transmitted from the macro cell with the N rx antennas among the small cell MIMO antennas in a first time period; Setting the small cell circulator to use one antenna among the small cell MIMO antennas for reception and setting the remaining N tx antennas to be used for transmission; And transmitting data to the macrocell using the N tx antennas among the small cell MIMO antennas in a second time period.

상기 스몰셀의 통신방법은, 상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 와 수신 안테나 임계값 Nrx0 을 비교하는 단계; 상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 가 수신 안테나 임계값 Nrx0 보다 작은 경우, 상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 이용하여 상기 매크로셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계; 상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및 제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 이용하여 상기 매크로셀로 데이터를 송신하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The communication method of the small cell may include comparing the number of receiving antennas N rx of the small cell MIMO antenna and the receiving antenna threshold value N rx0 in the first time period; In the first time period, when the number of receive antennas N rx of the small cell MIMO antenna is smaller than the receive antenna threshold N rx0 , setting the small cell circulator to use all the small cell MIMO antennas for reception; Receiving data transmitted from the macro cell in the first time period using the small cell MIMO antenna; Setting the small cell circulator to use all small cell MIMO antennas for transmission; And transmitting data to the macrocell using the small cell MIMO antenna in a second time period.

상기 스몰셀의 통신방법은, 상기 스몰셀의 수신 안테나 임계값 Nrx0 을 수학식 27로 구하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The communication method of the small cell may further include the step of obtaining the reception antenna threshold value N rx0 of the small cell by Equation (27).

상기 매크로셀 또는 스몰셀의 통신방법은, 상기 스몰셀의 개수 S 가 4 이상인 경우, 파일럿 길이 τp 를 상기 스몰셀 개수의 2배로 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method for communicating the macro cell or the small cell may further include setting a pilot length τ p to be twice the number of the small cells when the number S of the small cells is 4 or more.

상기 매크로셀 또는 스몰셀의 통신방법은, 파일럿 길이 τp 를 상기 스몰셀 개수 S 의 2배 이상이고 코히어런스 길이 T 이하인 값 중에서, 수학식 32의 RSE 값을 최대로 하는 값으로 선택하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In the communication method of the macro cell or small cell, a pilot length τ p is selected as a value that maximizes the R SE value of Equation 32 from among values that are two times or more of the number of small cells S and coherence length T or less. Step; may further include.

본 발명에 따른 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법은 합계 채널용량이 우수하여 양호한 통신 품질을 유지할 수 있다.The large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method according to the present invention has excellent total channel capacity and can maintain good communication quality.

본 발명에 따른 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법은 제1 시구간에 다수의 수신 안테나를 사용하고 제2 시구간에 다수의 송신 안테나를 사용하여 적은 송신 전력으로도 양호한 통신 품질을 유지할 수 있다.The large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method according to the present invention can maintain good communication quality with low transmission power by using multiple receive antennas in the first time period and using multiple transmit antennas in the second time period.

본 발명에 따른 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법은 대규모 MIMO 안테나 중 수신에 사용되는 안테나 수에 따라 전이중/반이중 모드를 선택하여 합계 채널용량이 최대가 되도록 할 수 있다.The large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method according to the present invention can select a full-duplex/half-duplex mode according to the number of antennas used for reception among the large-scale MIMO antennas so that the total channel capacity is maximized.

본 발명에 따른 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법은 최적의 파일럿 길이를 선택하여 주파수 효율을 최대로 할 수 있다.The large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method according to the present invention can maximize frequency efficiency by selecting an optimal pilot length.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 백홀링크 무선통신이 구현되는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신에 사용되는 코히어런스 길이의 세부 구성을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신의 첫 번째 단계에서 SNR에 따른 달성 가능한 합계 전송률을 수학식으로 구한 결과와 시뮬레이션으로 얻은 결과를 비교하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 매크로셀(MC) 수신 안테나 수 Mrx 에 따른 업링크(UL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 스몰셀(SC) 수신 안테나 수 Nrx 에 따른 다운링크(DL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 자기간섭(SI)의 크기에 따른 업링크(UL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 크기에 따른 다운링크(DL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 수신 안테나의 수에 따른 업링크(UL)와 다운링크(DL) 합계 전송률을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 일정한 업링크(UL)와 다운링크(DL) 전송률을 얻기 위한 전력을 수신 안테나의 수의 변화에 따라 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신의 두 번째 단계에서 SNR에 따른 달성 가능한 합계 전송률을 수학식으로 구한 결과와 시뮬레이션으로 얻은 결과를 비교하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 몇 개의 스몰셀 수 S에 대하여 파일럿 길이에 대한 전체 스펙트럼 효율(SE)을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 SNR에 대한 전체 스펙트럼 효율(SE)을 고정된 파일럿 길이의 경우와 최적화된 파일럿 길이의 경우에 대하여 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 매크로셀의 통신방법을 나타내는 순서도이다.
1 is a conceptual diagram illustrating a method of implementing backhaul link wireless communication in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing a detailed configuration of the coherence length used in backhaul link wireless communication of a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph comparing the results obtained by simulation with the results obtained by mathematically calculating the achievable total transmission rate according to SNR in the first step of backhaul wireless communication in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a sum-rate of an uplink (UL) according to the number of macro cell (MC) receiving antennas M rx in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a small cell (SC) the downlink (DL) rate total (sum-rate) according to the number of reception antennas N rx in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a sum-rate of an uplink (UL) according to the size of self-interference (SI) in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a sum-rate of downlink (DL) according to the magnitude of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention. to be.
8 is a graph showing a total transmission rate of uplink (UL) and downlink (DL) according to the number of receive antennas in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing power for obtaining a constant uplink (UL) and downlink (DL) transmission rate in a heterogeneous network system according to a change in the number of receiving antennas according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph comparing the results obtained through the simulation with the results obtained through the equation for the achievable total transmission rate according to the SNR in the second step of the backhaul link wireless communication of the heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing the overall spectral efficiency (SE) for a pilot length for several small cell numbers S in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the comparison of the overall spectrum efficiency (SE) for SNR in the case of a fixed pilot length and the case of an optimized pilot length in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.
13 is a flowchart illustrating a method for communicating a macro cell in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여기에서, 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기에서, 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described below. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete and that the spirit of the present invention is sufficiently conveyed to those skilled in the art. Throughout the specification, the same reference numbers refer to the same components. Meanwhile, the terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements in which the mentioned component, step, operation and/or element is present. Or do not exclude additions.

채널(channel)은 어떤 곳에서 다른 곳으로 정보를 보내기 위해 사용되는 물리적인 통로를 말한다.A channel is a physical channel used to send information from one place to another.

채널용량(achievable rate)은 채널에서 정보가 에러를 발생시키지 않고 보내질 수 있는 최대의 달성 용량을 말하며, 간단히 전송률(rate)로 줄여 표현하기도 하며, 본 명세서에서는 전송률과 채널용량을 혼용하여 사용한다.The channel capacity (achievable rate) refers to the maximum achievable capacity that information can be transmitted in a channel without generating an error, and is simply expressed by reducing it to a rate. In this specification, the transmission rate and the channel capacity are used interchangeably.

무선백홀 통신이 이루어지는 매크로셀(MC) 기지국 및 스몰셀(SC) 기지국은 각각 간단히 매크로셀(MC) 및 스몰셀(SC)로 표현하고, 전이중(FD) 모드 시스템 및 반이중(HD) 모드 시스템도 전이중(FD) 모드 및 반이중(HD) 모드 등으로 간략히 표현할 수 있다.The macro cell (MC) base station and the small cell (SC) base station in which wireless backhaul communication is performed are simply expressed as a macro cell (MC) and a small cell (SC), respectively, and a full-duplex (FD) mode system and a half-duplex (HD) mode system are also provided. It can be briefly expressed in full-duplex (FD) mode and half-duplex (HD) mode.

σm 2, σs,k 2, σc,kj 2 은 각각 매크로셀(MC) 내의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 j 번째 스몰셀(SC)로부터의 간섭 채널을 나타내는 원소들의 분산이며, 각각의 세기를 나타낸다.σ m 2 , σ s,k 2 , σ c,kj 2 are self-interference (SI) channels in the macrocell MC, self-interference (SI) channels in the k-th small cell SC, and k-th small cell, respectively. It is the dispersion of elements representing the interference channel from the j th small cell (SC) in (SC), and represents the respective intensity.

코히어런스 길이(coherence interval)는 채널이 균일한 특성을 보이는 시간을 의미하며, 코히어런스 간격, 코히어런스 시간으로 표현할 수 있다.The coherence interval refers to a time when the channel shows uniform characteristics, and can be expressed as a coherence interval and a coherence time.

이하, 도면를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 대규모 안테나 하이브리드 전이중/반이중 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a large-scale antenna hybrid full-duplex/half-duplex apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 릴레이 네트워크에서 무선전력 및 정보 동시전송이 구현되는 방법을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a method of simultaneously implementing wireless power and information transmission in a cooperative relay network according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는, 대규모(massive) 다중 입력 다중 출력(multiple-input multiple-output; MIMO)과 전이중(full-duplex; FD) 모드를 사용하는 무선 백홀(backhaul) 링크를 고려한 이종네트워크(heterogeneous network; HetNet)가 개시된다.In the present invention, a heterogeneous network (HetNet) considering a wireless backhaul link using a massive multiple-input multiple-output (MIMO) and full-duplex (FD) mode ) Is initiated.

도 1a 에서 이종 네트워크 시스템(100)은 매크로셀(macro cell; MC)(110)과 스몰셀들(small cells; SCs)(130, 150)로 구성되어 있다. 매크로셀의 영역은 스몰셀들의 영역과 중첩된다. 매크로셀(110)은 전용 광케이블 백본 링크를 가지고 있으나, 스몰셀들(130, 150)은 매크로셀과의 무선 백홀 링크을 통해서 연결된다. 매크로셀(110)은 매크로셀 기지국(base station; BS)(111)을 가지고 있으며, 스몰셀들(130, 150)도 각각의 기지국(131, 151)을 가지고 있다. 이하에서는 매크로셀 기지국(MC BS)을 간단히 매크로셀(MC)로 표시하고, 스몰셀 기지국도 간단히 스몰셀로 표시한다.In Figure 1a, the heterogeneous network system 100 is composed of a macro cell (MC) 110 and small cells (SCs) 130 and 150. The area of the macro cell overlaps the area of the small cells. The macro cell 110 has a dedicated optical cable backbone link, but the small cells 130 and 150 are connected through a wireless backhaul link with the macro cell. The macro cell 110 has a macro cell base station (BS) 111, and the small cells 130 and 150 also have base stations 131 and 151, respectively. Hereinafter, the macro cell base station (MC BS) is simply indicated as a macro cell (MC), and the small cell base station is also simply indicated as a small cell.

매크로셀(MC)은 매크로셀 MIMO 안테나와, 매크로셀 서큘레이터 및 매크로셀 제어부를 포함하며, 스몰셀(SC)도 스몰셀 MIMO 안테나와, 스몰셀 서큘레이터 및 스몰셀 제어부를 포함하며, The macro cell MC includes a macro cell MIMO antenna, a macro cell circulator, and a macro cell control unit. The small cell SC also includes a small cell MIMO antenna, a small cell circulator, and a small cell control unit.

본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 통신은 두 단계(phase)로 이루어진다.Data communication according to an embodiment of the present invention consists of two phases.

도 1a 에 나타낸 첫번째 단계에서, 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC)의 기지국들은 많은 수신 안테나들과 적은 송신 안테나로 구성된다. 첫번째 단계의 구성은 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC)의 기지국들이 다수의 수신 안테나에 의해 고객 단말기(user terminals; UTs)에 업링크(uplink; UL) 접속을 제공한다.In the first step shown in FIG. 1A, the base stations of the macro cell (MC) and the small cell (SC) are composed of many receive antennas and fewer transmit antennas. In the first step, the base stations of the macro cell (MC) and the small cell (SC) provide uplink (UL) access to user terminals (UTs) by a plurality of receiving antennas.

매크로셀(111)은 스몰셀의 개수 S 에 맞추어 송신 안테나(112, 113)를 구비한다. 나머지 Mrx 개의 안테나(114, ..., 116, 117)들은 수신 안테나로 동작한다. 수신 안테나들은 고객 단말기(119) 및 스몰셀의 송신 안테나(132, 152)로부터의 데이터를 수신한다.The macro cell 111 is provided with transmission antennas 112 and 113 according to the number S of small cells. The remaining M rx antennas 114, ..., 116, 117 operate as receive antennas. The receiving antennas receive data from the customer terminal 119 and the small cell's transmit antennas 132,152.

오른쪽의 스몰셀(130)은 1개의 송신 안테나(132)와 Nrx 개의 수신 안테나(134, ..., 137)로 동작한다. 수신 안테나들은 고객 단말기(139) 및 매크로셀의 송신 안테나(112)로부터의 데이터를 수신한다. 왼쪽의 스몰셀(150)에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.The small cell 130 on the right operates with one transmit antenna 132 and N rx receive antennas 134, ..., 137. The receiving antennas receive data from the customer terminal 139 and the macro cell's transmit antenna 112. The same can be applied to the small cell 150 on the left.

첫번째 단계가 끝나면, 송수신 전환 스위치인 서큘레이터에 의해 수신 안테나는 송신 안테나로 동작하고, 송신 안테나는 수신 안테나로 동작한다.When the first step is over, the receive antenna operates as a transmit antenna and the transmit antenna operates as a receive antenna by a circulator that is a transmit/receive switch.

도 1b 에 나타낸 두번째 단계의 이종네트워크(200)에서는, 매크로셀(210)과 스몰셀(230, 250)의 기지국들에 많은 송신 안테나와 적은 수신 안테나가 구현된다. 두번째 단계의 구성은 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC)의 기지국들의 다수의 송신 안테나에 의해 고객 단말기(UTs)에 다운링크(downlink; DL) 접속을 제공할 수 있다.In the second stage heterogeneous network 200 shown in FIG. 1B, many transmit antennas and fewer receive antennas are implemented in the base stations of the macro cell 210 and the small cells 230 and 250. The configuration of the second step may provide downlink (DL) access to customer terminals (UTs) by multiple transmit antennas of the base stations of the macro cell (MC) and the small cell (SC).

매크로셀 기지국(211)은 스몰셀 개수 S 에 맞추어 수신 안테나(212, 213)를 구비한다. 나머지 안테나(214, ..., 216, 217)들은 송신 안테나로 동작한다. 송신 안테나들은 고객 단말기(219) 및 스몰셀의 수신 안테나(232, 252)로 데이터를 송신한다.The macro cell base station 211 includes reception antennas 212 and 213 in accordance with the number of small cells S. The remaining antennas 214, ..., 216, 217 act as transmit antennas. The transmitting antennas transmit data to the customer terminal 219 and the receiving antennas 232 and 252 of the small cell.

오른쪽의 스몰셀 기지국(231)은 1개의 수신 안테나(232)와 다수의 송신 안테나(234, ..., 237)로 동작한다. 송신 안테나들은 고객 단말기(239) 및 매크로셀의 수신 안테나(212)로 데이터를 송신한다. 왼쪽의 스몰셀 기지국(251)에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.The small cell base station 231 on the right operates with one receiving antenna 232 and multiple transmitting antennas 234, ..., 237. The transmitting antennas transmit data to the customer terminal 239 and the receiving antenna 212 of the macro cell. The same can be applied to the small cell base station 251 on the left.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신에 사용되는 코히어런스 길이의 세부 구성을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing a detailed configuration of the coherence length used in backhaul link wireless communication of a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 코히어런스 길이(coherence interval) T 에서, 파일럿 사운딩을 통한 채널 트레이닝을 위해 τp 심벌이 사용되고, 나머지 시간 슬롯은 데이터 통신을 위한 제1 시구간(첫번째 단계)과 제2 시구간(두번째 단계)으로 동일하게 나뉘어 진다.Referring to FIG. 2, in a coherence interval T, a τ p symbol is used for channel training through pilot sounding, and the remaining time slots are obtained from a first time interval (first step) for data communication. It is divided equally into 2 time periods (second stage).

시분할 이중통신(time division duplex; TDD) 프로토콜을 가정하고 채널 상호 원리를 이용함으로써, 첫번째 단계(제1 시구간) 동안 데이터 디코딩에 사용된 동일한 채널 추정치가 두번째 단계(제2 시구간)에서 송신을 위한 프리코딩(precoding) 데이터에 적용될 수 있다.By assuming a time division duplex (TDD) protocol and using the channel reciprocal principle, the same channel estimate used for data decoding during the first phase (first time interval) is transmitted in the second phase (second time interval). For precoding (precoding) data can be applied.

첫번째 단계 동안, 매크로셀(MC)은 많은 수신 안테나 Mrx 와 적은 송신 안테나 Mtx 를 구비한다. 활성 송신 안테나 수는 스몰셀의 수 S 와 같도록 선택한다. 즉, Mrx >> Mtx = S 이다. During the first step, the macro cell MC has many receive antennas M rx and fewer transmit antennas M tx . The number of active transmit antennas is selected to be equal to the number S of small cells. That is, M rx >> M tx = S.

첫번째 단계에서, 스몰셀(SC)은 많은 수신 안테나 Nrx 와 단일 송신 안테나를 구비한다. 즉, Nrx >> Ntx = 1 이다.In the first step, the small cell SC has many receive antennas N rx and a single transmit antenna. That is, N rx >> N tx = 1.

두 번째 단계가 시작 되면, 서큘 레이터는 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC) 모두에서 송신 안테나와 수신 안테나의 역할을 전환한다. 즉, 매크로셀(MC)은 많은 송신 안테나 Mtx 와 적은 수신 안테나 Mrx 를 가진다. 즉, Mtx >> Mrx = S 이다. When the second step starts, the circulator switches the roles of the transmitting antenna and the receiving antenna in both the macro cell (MC) and the small cell (SC). That is, the macro cell MC has many transmit antennas M tx and fewer receive antennas M rx . That is, M tx >> M rx = S.

두번째 단계에서, 각 스몰셀(SC)은 많은 송신 안테나 Ntx 와 단일 수신 안테나를 구비한다. 즉, Ntx >> Nrx = 1 이다.In the second step, each small cell SC has a number of transmit antennas Ntx and a single receive antenna. That is, N tx >> N rx = 1.

첫번째 단계First step

도 1a 를 참조하면, 각 스몰셀(SC) 기지국은 자신의 데이터를 매크로셀(MC) 기지국으로 전송한다. 동시에 매크로셀(MC) 기지국의 k 번째 송신 안테나는 독립적인 데이터를 k 번째 스몰셀(SC) 기지국으로 전송하는데 사용된다.Referring to FIG. 1A, each small cell (SC) base station transmits its data to a macro cell (MC) base station. At the same time, the k th transmit antenna of the macro cell (MC) base station is used to transmit independent data to the k th small cell (SC) base station.

전이중(FD) 모드로 통신하므로, 매크로셀(MC)은 스몰셀(SC)로부터의 원하는 신호(검은 실선 화살표) 이외에, 매크로셀(MC) 자신의 전송 신호(빨간 점선 화살표)도 수신하여 자기간섭(SI)을 일으킨다. Since the communication is in full-duplex (FD) mode, the macro cell MC receives not only the desired signal from the small cell SC (black solid arrow) but also the macro cell MC's own transmission signal (red dotted arrow) to self-interference. (SI).

마찬가지로, 각각의 스몰셀(SC)은 수신하기를 원하는 매크로셀(MC)로부터의 전송신호(검은 점선 화살표) 이외에 스몰셀 자신으로부터 전송되는 신호(빨간 점선 화살표)와 다른 스몰셀들(SCs)로부터의 의도하지 않은 전송신호(파란 점선 화살표)를 함께 수신하여, 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭을 일으킨다.Similarly, each small cell SC is transmitted from a signal (red dotted arrow) and other small cells SCs transmitted from the small cell itself in addition to a transmission signal (black dotted arrow) from the macro cell MC that is desired to receive. The unintended transmission signal (blue dotted arrow) of the receiver is received together, causing interference between self-interference (SI) and small cells (SC-to-SC).

k 번째 스몰셀(SC)로부터 매크로셀(MC)에 전송된 신호를 x1k 라 하고, 매크로셀(MC)로부터 k 번째 스몰셀(SC)로 전송된 신호를 x2k 라 하면, x1k 와 x2k 는 평균이 0이고 분산이 1인 독립항등분포(independent and identically distributed; i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. If the signal transmitted from the k th small cell (SC) to the macro cell (MC) is x 1k , and the signal transmitted from the macro cell (MC) to the k th small cell (SC) is x 2k , x 1k and x 2k is an independent and identically distributed (iid) complex Gaussian random variable with mean 0 and variance 1.

간섭을 고려하면, k 번째 스몰셀(SC)로부터 전송된 신호로부터 매크로셀(MC)에 수신된 신호 y1k 는 수학식 1로 표현할 수 있고, 매크로셀(MC)로부터 전송된 신호로부터 k 번째 스몰셀(SC)에서 수신된 신호 y2k 는 수학식 2로 표현할 수 있다.Considering the interference, the signal y 1k received from the signal transmitted from the k th small cell SC to the macro cell MC can be expressed by Equation 1, and the k th small from the signal transmitted from the macro cell MC The signal y 2k received from the cell SC can be expressed by Equation (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018130382617-pat00009
Figure 112018130382617-pat00009

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018130382617-pat00010
Figure 112018130382617-pat00010

여기에서, p1 은 스몰셀(SC) 송신 전력을, p2 는 매크로셀(MC) 송신 전력을 나타낸다. 채널 벡터 h lk, h 2k 는 각각 k 번째 스몰셀(SC)에서 매크로셀(MC)간 채널, 매크로셀(MC)에서 k 번째 스몰셀(SC)간 채널을 나타내고, 작은 규모와 큰 규모의 페이딩 효과를 고려하며, 평균 0이고 분산이 각각 β1k I Mrx 와 β2k I Nrx 인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수를 갖는 분포를 한다. 이때, β1k 와 β2k 는 대규모 페이딩 효과를 나타내고, 여러 개의 코히어런스 길이(coherence interval)에서 상수로 가정할 수 있다.Here, p 1 represents the small cell (SC) transmission power, and p 2 represents the macro cell (MC) transmission power. Channel vector h lk , h 2k Denotes a channel between a macrocell (MC) in a k-th small cell (SC) and a channel between a k-th small cell (SC) in a macrocell (MC), considering the fading effect of a small scale and a large scale, on average 0 And distributions with independent Gaussian (iid) complex Gaussian random variables with variances of β 1k I Mrx and β 2k I Nrx respectively. At this time, β 1k and β 2k show a large-scale fading effect, and can be assumed to be constants in several coherence intervals.

G m, g s,k, g c,kj 는 각각 매크로셀(MC) 내의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 j 번째 스몰셀(SC)로부터의 간섭 채널을 나타내고, 그 원소들은 평균이 0이고 분산이 각각 σm 2, σs,k 2, σc,kj 2 인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. G m , g s,k , g c,kj The interference from the self-interference (SI) channel in the macrocell MC, the self-interference (SI) channel in the k-th small cell SC, and the j-th small cell SC in the k-th small cell SC, respectively. Represents a channel, and the elements are independent Gaussian (iid) complex Gaussian random variables with mean 0 and variance σ m 2 , σ s,k 2 , and σ c,kj 2 respectively.

자기간섭(SI) 채널에서 레일리(Rayleigh) 페이딩 가정을 적용할 수 있다. 송신 안테나와 수신 안테나를 적당한 간격을 두고 설치하거나, 안테나 사이에 차폐판 등을 설치하거나, 하드웨어 자기간섭(SI) 소멸기술이 적용하는 경우, 잔여 간섭은 레일리(Rayleigh) 분포를 한다. 마찬가지로 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭 채널에도 동일한 가정을 적용할 수 있다. 즉, σm 2 는 매크로셀(MC)에서의 자기간섭(SI)의 강도이고, σs,k 2 와 σc,kj 2 는 각각 k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 강도로 해석할 수 있다.Rayleigh fading assumptions can be applied in the self-interference (SI) channel. When the transmitting antenna and the receiving antenna are installed at appropriate intervals, a shielding plate is installed between the antennas, or the hardware self-interference (SI) extinction technology is applied, residual interference is distributed by Rayleigh. Similarly, the same assumption can be applied to a small-cell (SC-to-SC) interference channel. That is, σ m 2 is the intensity of self-interference (SI) in the macro cell MC, and σ s,k 2 and σ c,kj 2 are the self-interference (SI) and the k-th small cell SC, respectively. It can be interpreted as the intensity of small-cell (SC-to-SC) interference.

한편, n lkn 2k 는 각각 매크로셀(MC)과 k 번째 스몰셀(SC)의 수신 잡음 벡터를 나타내고, 각 원소들은 평균이 0이고 분산이 1인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. r lk H r 2k H 는 각각 매크로셀(MC)과 k 번째 스몰셀(SC) 수신 필터를 나타낸다. x 2 는 [x21, x22, ..., x2S]T 이다.On the other hand, n lk and n 2k represent the reception noise vectors of the macro cell (MC) and the k th small cell (SC), respectively, and each element has an average of 0 and the variance of 1 is independent independent distribution (iid) complex Gaussian random variable. to be. r lk H And r 2k H denote a macro cell (MC) and a k th small cell (SC) receiving filter, respectively. x 2 is [x 21 , x 22 , ..., x 2S ] T.

두번째 단계Second stage

도 1b 를 참조하면, 두번째 단계에서 매크로셀(MC)은 데이터를 프리코딩(precoding)하여 각각의 데이터를 모든 스몰셀(SC)에 전송한다. 동시에, 각 스몰셀(SC)은 자신의 데이터를 프리코딩(precoding)하여 매크로셀(MC)의 대응하는 수신 안테나로 송신한다. Referring to FIG. 1B, in the second step, the macro cell MC precodes data and transmits each data to all small cells SC. At the same time, each small cell (SC) precodes its data and transmits it to a corresponding receiving antenna of the macro cell (MC).

매크로셀(MC)의 k 번째 수신 안테나는 해당 k 번째 스몰셀(SC)로부터 원하는 신호를 수신하지만, 자기간섭(SI)을 유발하는 매크로셀(MC) 전송신호도 수신한다. 마찬가지로, 각각의 스몰셀(SC)은 매크로셀(MC)로부터 원하는 신호를 수신하지만, 자기간섭(SI)을 유발하는 자신의 전송신호 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭을 유발하는 다른 스몰셀(SC)들로부터의 의도되지 않은 신호들도 수신한다. The k-th reception antenna of the macro cell MC receives a desired signal from the corresponding k-th small cell SC, but also receives a macro cell MC transmission signal causing self-interference (SI). Likewise, each small cell (SC) receives a desired signal from the macro cell (MC), but its own transmission signal causing self-interference (SI) and other small cells causing interference between small cells (SC-to-SC). Unintended signals from cells SC are also received.

시분할 이중통신(TDD) 프로토콜을 사용하므로, 두번째 단계의 다운링크(DL) 채널은 첫번째 단계의 업링크(UL) 채널의 켤레 전치(conjugate transpose)와 동일하고, 그 반대도 마찬가지이다.Since the time division duplex (TDD) protocol is used, the downlink (DL) channel of the second stage is the same as the conjugate transpose of the uplink (UL) channel of the first stage, and vice versa.

k 번째 스몰셀(SC)로부터 매크로셀(MC)의 k 번째 안테나로 전송하는 신호를 b1k 라 하고, 매크로셀(MC)로부터 k 번째 스몰셀(SC)로 전송하는 신호를 b2k 라 하면, b1k 와 b2k 는 평균이 0이고 분산이 1인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. If the signal transmitted from the k th small cell SC to the k th antenna of the macro cell MC is b 1k , and the signal transmitted from the macro cell MC to the k th small cell SC is b 2k , b 1k and b 2k are independent Gaussian (iid) complex Gaussian random variables with mean 0 and variance 1.

간섭을 고려하면, 매크로셀(MC)의 k 번째 수신 안테나에 수신된 신호 w1k 는 수학식 3으로 표현할 수 있고, k 번째 스몰셀(SC)에서 수신된 신호 w2k 는 수학식 4로 표현할 수 있다.In consideration of interference, the signal w 1k received at the k-th receiving antenna of the macro cell MC may be expressed by Equation 3, and the signal w 2k received at the k-th small cell SC may be expressed by Equation 4. have.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018130382617-pat00011
Figure 112018130382617-pat00011

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018130382617-pat00012
Figure 112018130382617-pat00012

여기에서, q m,k, q s,k, q c,kj 벡터들은 각각 매크로셀(MC)의 k 번째 수신 안테나의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI) 채널, k 번째 스몰셀(SC)에서의 j 번째 스몰셀(SC)로부터의 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭 채널을 나타내고, 그 원소들은 평균이 0이고 분산이 각각 ηm,k 2, ηs,k 2, ηc,kj 2 인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. Here, q m,k , q s,k , q c,kj vectors are self-interference (SI) channel of the k-th receiving antenna of the macrocell MC, and self-interference in the k-th small cell (SC), respectively. SI) channel, represents a small-cell (SC-to-SC) interference channel from the j-th small cell (SC) in the k-th small cell (SC), the elements have an average of 0 and a variance of η m,k, respectively Independent identity distribution (iid) complex Gaussian random variables with 2 , η s,k 2 , and η c,kj 2 .

한편, ν1k 는 매크로셀(MC) 수신 안테나 노이즈이고, ν1k 는 k 번째 스몰셀(SC) 수신 안테나의 노이즈며, 평균이 0이고 분산이 1인 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수들이다. F 2 는 매크로셀(MC) 프리코딩(precoding) 행렬로 [f 21, f 22, ..., f 2S] 이고, f 1k 는 k 번째 스몰셀(SC) 프리코딩 벡터이다. b 2 는 [b21, b22, ..., b2S]T 이다.On the other hand, ν 1k is the noise of the macrocell (MC) receiving antenna, ν 1k is the noise of the k th small cell (SC) receiving antenna, and the mean is 0 and the variance is 1, the independent identifiable distribution (iid) complex Gaussian random variables. . F 2 is a macro cell (MC) precoding matrix [ f 21 , f 22 , ..., f 2S ], and f 1k is a k th small cell (SC) precoding vector. b 2 is [b 21 , b 22 , ..., b 2S ] T.

채널 추정Channel estimation

완벽한 채널 상태 정보(channel state information; CSI)를 확보하는 것은 대규모 MIMO 및 전이중(FD)통신 기술의 잠재력을 완전히 발휘하는 데 중요하다. 그러나 매크로셀(MC) 및 스몰셀(SC) 양자는 실제 채널 벡터의 추정치만을 얻을 수 있다. 따라서 채널 상태 정보(CSI)가 불완전하다고 가정하는 것이 보다 현실적이다. Obtaining complete channel state information (CSI) is critical to fully unlocking the potential of large-scale MIMO and full-duplex (FD) communication technologies. However, both the macro cell (MC) and the small cell (SC) can only obtain an estimate of the actual channel vector. Therefore, it is more realistic to assume that the channel state information (CSI) is incomplete.

도 2를 참조하면, 대규모 MIMO에서의 채널 추정을 위해 파일럿 시퀀스를 사용한다. 심볼들(symbols)로 이루어진 길이(시간) T의 코히어런스 간격에 대해, 파일럿 전력 pτ 로, 각각의 스몰셀(SC)은 업링크(UL) 채널 추정을 위해 길이 τp 의 파일럿 시퀀스를 매크로셀(MC)로 송신하고, 매크로셀(MC) 송신 안테나는 다운링크(DL) 채널 추정을 위해 스몰셀들(SCs)에 동일한 길이의 파일럿 시퀀스를 송신한다. Referring to FIG. 2, a pilot sequence is used for channel estimation in large-scale MIMO. For a coherence interval of length T consisting of symbols, with pilot power p τ , each small cell SC has a pilot sequence of length τ p for uplink (UL) channel estimation. Transmitting to the macro cell (MC), the macro cell (MC) transmit antenna transmits a pilot sequence of the same length to the small cells (SCs) for downlink (DL) channel estimation.

시분할 이중통신(TDD) 시스템에서 파일럿 오염 현상을 피하기 위해, 채널 추정에는 상호 직교하는 파일럿 시퀀스를 사용한다. 이를 위하여 각 코히어런스 시간 T 에 대해, 파일럿 시퀀스의 길이 τp 는 스몰셀(SC)의 수 S 의 두 배보다 크게 하여야 한다. 즉, τp ≥ 2S 이다. To avoid pilot contamination in a time division duplex (TDD) system, mutually orthogonal pilot sequences are used for channel estimation. For this, for each coherence time T, the length τ p of the pilot sequence should be greater than twice the number S of the small cells SC. That is, τ p ≥ 2S.

획득된 훈련 신호들을 대응하는 파일럿 시퀀스들과 상관시키고, 최소 평균 제곱 오차(minimum mean square error; MMSE) 채널 추정을 이용하면, 진정한 채널 벡터

Figure 112018130382617-pat00013
는 수학식 5와 같이 나누어 표현할 수 있다.A true channel vector is obtained by correlating the obtained training signals with corresponding pilot sequences and using a minimum mean square error (MMSE) channel estimate.
Figure 112018130382617-pat00013
Can be expressed by dividing as in Equation 5.

[수학식 5]

Figure 112018130382617-pat00014
[Equation 5]
Figure 112018130382617-pat00014

여기에서 추정치 벡터

Figure 112018130382617-pat00015
및 추정치 에러 벡터
Figure 112018130382617-pat00016
는 상호 독립적인 벡터이다. 첨자 A는 통신 방향에 따라, k 번째 스몰셀(SC)에서 매크로셀(MC)로의 방향은 1이고, 매크로셀(MC)에서 k 번째 스몰셀(SC)로의 방향은 2이다.
Figure 112018130382617-pat00017
Figure 112018130382617-pat00018
Figure 112018130382617-pat00019
벡터의 원소들은 평균이 0이고 분산은 각각 수학식 6과 수학식 7로 정의되는 독립항등분포(i.i.d.) 복소 가우시안 랜덤 변수이다. Estimate vector here
Figure 112018130382617-pat00015
And estimate error vector
Figure 112018130382617-pat00016
Is a mutually independent vector. In the subscript A, the direction from the k th small cell SC to the macro cell MC is 1, and the direction from the macro cell MC to the k th small cell SC is 2.
Figure 112018130382617-pat00017
Wow
Figure 112018130382617-pat00018
Figure 112018130382617-pat00019
The elements of the vector are independent independent distribution (iid) complex Gaussian random variables defined by the equations (6) and (7), with an average of 0 and variance.

[수학식 6]

Figure 112018130382617-pat00020
[Equation 6]
Figure 112018130382617-pat00020

[수학식 7]

Figure 112018130382617-pat00021
[Equation 7]
Figure 112018130382617-pat00021

신호 검출 및 프리코딩(precoding)Signal detection and precoding

첫 번째 단계에서, 최대 비율 결합(maximum ratio combining; MRC) 수신 필터를 이용하고, 두 번째 단계에서 최대 비율 전송(maximum ratio transmission; MRT) 프리코딩(precoding)을 적용한다. MRC/MRT와 같은 선형 처리 기법은 많은 안테나를 사용하는 경우 높은 주파수 스펙트럼 효율(SE)을 얻을 수 있다.In the first step, a maximum ratio combining (MRC) receive filter is used, and in the second step, a maximum ratio transmission (MRT) precoding is applied. Linear processing techniques such as MRC/MRT can achieve high frequency spectrum efficiency (SE) when using many antennas.

또한, 최대 비율 처리는 분산 방법으로 구현될 수 있다. 즉, 각각의 안테나는 신호처리를 위해 기지국에 전체 기저대역 신호를 보내지 않고, 채널의 켤레(conjugate)를 이용하여 수신된 신호를 증폭할 수 있다.Further, the maximum ratio processing can be implemented by a dispersion method. That is, each antenna can amplify the received signal using a conjugate of the channel without sending the entire baseband signal to the base station for signal processing.

MRC 수신 필터는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The MRC reception filter can be expressed as Equation (8).

[수학식 8]

Figure 112018130382617-pat00022
[Equation 8]
Figure 112018130382617-pat00022

매크로셀(MC)에 의해 이용되는 프리코딩(precoding) 행렬은 수학식 9로 구할 수 있다.The precoding matrix used by the macro cell MC can be obtained by Equation (9).

[수학식 9]

Figure 112018130382617-pat00023
[Equation 9]
Figure 112018130382617-pat00023

여기에서,

Figure 112018130382617-pat00024
는 전력 정규화 인자(power normalization factor)이고,
Figure 112018130382617-pat00025
는 추정된 채널 행렬이다.From here,
Figure 112018130382617-pat00024
Is the power normalization factor,
Figure 112018130382617-pat00025
Is an estimated channel matrix.

스몰셀(SC) 간에 협력이 없으므로, 각 스몰셀(SC)은 독립적으로 데이터를 프리코딩(precoding)하므로, 다른 스몰셀(SC)의 채널 상태 정보(CSI)는 필요하지 않다. Since there is no cooperation between the small cells SC, each small cell SC independently precodes data, so channel state information CSI of the other small cells SC is not required.

k 번째 스몰셀(SC)이 사용하는 프리코더(precoder)는 수학식 10으로 표현된다.The precoder used by the k-th small cell SC is expressed by Equation (10).

[수학식 10]

Figure 112018130382617-pat00026
[Equation 10]
Figure 112018130382617-pat00026

여기에서,

Figure 112018130382617-pat00027
는 k 번째 스몰셀(SC)에서의 전력 정규화 인자(power normalization factor)이다. From here,
Figure 112018130382617-pat00027
Is a power normalization factor in the k th small cell SC.

자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭 널링 전략(nulling strategy)을 이용하지 않기 때문에, 자기간섭(SI) 채널 및 스몰셀간(SC-to-SC) 채널의 채널 상태 정보(CSI)는 필요하지 않다. Because the self-interference (SI) and the small-cell (SC-to-SC) interference nulling strategy are not used, the channel state information of the self-interference (SI) channel and the small-cell (SC-to-SC) channel ( CSI) is not required.

채널 용량Channel capacity

대규모 MIMO의 업링크/다운링크 채널용량(achievable rate)을 구하기 위해, 수신된 신호는 평균 이득(mean gain)으로 표현되고, 상호 연관되지 않는 유효 잡음(effective noise)이 추가된 원하는 전송신호에 의해 증폭된다.To obtain the uplink/downlink channel rate (achievable rate) of a large-scale MIMO, the received signal is expressed by a mean gain, and the desired transmission signal is added with effective noise, which is not correlated. Is amplified.

유효 잡음의 엔트로피는 가우시안 잡음 엔트로피 (Gaussian noise entropy)에 의해 상한값을 가지므로, 이를 이용하여 채널용량의 하한을 구할 수 있다.Since the effective noise entropy has an upper limit by Gaussian noise entropy, the lower limit of the channel capacity can be obtained using this.

첫 번째 단계에서, 매크로셀(MC)에서 업링크(UL) 채널용량(achievable rate)을 계산하기 위해, 수학식 1을 참조하면 수학식 11을 구할 수 있다.In the first step, in order to calculate the uplink (UL) channel capacity (achievable rate) in the macro cell MC, Equation 11 may be obtained by referring to Equation 1.

[수학식 11]

Figure 112018130382617-pat00028
[Equation 11]
Figure 112018130382617-pat00028

여기에서, 첫 번째 항은 원하는 신호이고, 두 번째 항은 다음 식으로 정의되는 유효 잡음(effective noise)이다.Here, the first term is the desired signal, and the second term is the effective noise defined by the following equation.

Figure 112018130382617-pat00029
Figure 112018130382617-pat00029

수학식 11에서 유효 잡음과 원하는 신호는 서로 상호 연관되지 않는다. 즉, 기대값

Figure 112018130382617-pat00030
이다.In Equation 11, the effective noise and the desired signal are not correlated with each other. That is, the expected value
Figure 112018130382617-pat00030
to be.

동일한 분산을 갖는 독립적인 가우시안 잡음이 상호 연관되지 않는 가산 잡음 중 최악의 경우이기 때문에, k 번째 스몰셀(SC)에 대한 매크로셀(MC) 업링크(UL)의 채널용량(achievable rate)은 수학식 12와 같이 주어진다.Since independent Gaussian noise with the same variance is the worst case of uncorrelated addition noise, the achievable rate of the macrocell (MC) uplink (UL) for the k th small cell (SC) is mathematical Equation 12 is given.

[수학식 12]

Figure 112018130382617-pat00031
[Equation 12]
Figure 112018130382617-pat00031

여기에서, 매크로셀(MC) 기지국에서의 원하는 신호 전력(desired signal power), 유효 채널의 분산(variance), 멀티-셀 간섭, 자기 간섭(SI), 노이즈 증폭 인자는 각각 다음 식과 같이 정의된다.Here, the desired signal power in the macro cell (MC) base station (desired signal power), effective channel variance (variance), multi-cell interference, magnetic interference (SI), and noise amplification factors are defined as follows.

Figure 112018130382617-pat00032
Figure 112018130382617-pat00032

첫 번째 단계에서, 매크로셀(MC)에서 k 번째 스몰셀(SC)로의 다운링크(DL) 채널용량(achievable rate)도, 수학식 2에 위와 비슷한 접근법을 사용하여 구하면 수학식 13과 같이 표현할 수 있다.In the first step, the downlink (DL) channel capacity (achievable rate) from the macro cell (MC) to the k th small cell (SC) can also be expressed as shown in Equation (13) by using a similar approach to Equation (2) above. have.

[수학식 13]

Figure 112018130382617-pat00033
[Equation 13]
Figure 112018130382617-pat00033

여기에서, 각 파라미터들은 수학식 12에서와 마찬가지로 다음 식과 같이 정의된다.Here, each parameter is defined as in the following equation, as in equation (12).

Figure 112018130382617-pat00034
Figure 112018130382617-pat00034

마지막에 추가된 파라미터는 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭 항이다.The last parameter added is a small-cell (SC-to-SC) interference term.

두 번째 단계에서는, 업링크(UL)에 대해 수학식 3을 이용하고, 다운링크(DL)에 대해 수학식 4를 이용하여, 첫 번째 단계에서 사용한 방법을 적용하여 채널용량(achievable rate)을 구할 수 있다. In the second step, Equation 3 is used for the uplink (UL), and Equation 4 is used for the downlink (DL), and the method used in the first step is applied to obtain an achievable rate. Can.

두 번째 단계에서, 매크로셀(MC)의 k 번째 수신 안테나에서의 채널용량(achievable rate)은 수학식 14로 표현할 수 있다.In the second step, the channel capacity (achievable rate) of the k-th receiving antenna of the macro cell MC can be expressed by Equation (14).

[수학식 14]

Figure 112018130382617-pat00035
[Equation 14]
Figure 112018130382617-pat00035

여기에서, 각 파라미터들은 다음 식과 같이 정의된다.Here, each parameter is defined as follows.

Figure 112018130382617-pat00036
Figure 112018130382617-pat00036

두 번째 단계에서, k 번째 스몰셀(SC)에서의 채널용량(achievable rate)은 수학식 15와 같이 구한다.In the second step, the channel capacity (achievable rate) in the k-th small cell SC is obtained by Equation 15.

[수학식 15]

Figure 112018130382617-pat00037
[Equation 15]
Figure 112018130382617-pat00037

여기에서, 각 파라미터들은 다음 식과 같이 정의된다.Here, each parameter is defined as follows.

Figure 112018130382617-pat00038
Figure 112018130382617-pat00038

대형 시스템 분석Large system analysis

채널용량(achievable rate)에 대한 해석적인 닫힌 형태의 식을 얻기 위해, 수학식 12 내지 15를 대규모 안테나 영역에서 근사할 수 있다. In order to obtain an analytically closed equation for the channel capacity (achievable rate), Equations 12 to 15 can be approximated in a large antenna area.

첫 번째 단계에서, 매크로셀(MC)에서 Mtx 가 스몰셀 개수 S 로 일정하게 유지되는 반면에 Mrx → ∞ 로 근사할 수 있다. 각각의 스몰셀(SC)에서는 단일 송신 안테나를 가지며 Nrx → ∞ 로 근사할 수 있다.In the first step, M tx in the macro cell MC is kept constant as the number of small cells S while M rx → ∞ may be approximated. Each small cell (SC) has a single transmit antenna and can be approximated by N rx → ∞.

두번째 단계에서는, 고정된 수신 안테나를 가지고, Mtx → ∞ 및 Ntx → ∞ 로 근사할 수 있다.In the second step, M tx → ∞ and N tx → ∞ may be approximated with a fixed receiving antenna.

큰 수의 법칙(law of large number)과 무작위 행렬 이론(random matrix theory)의 결과를 이용하여, 업링크(UL)/다운링크(DL) 채널용량(achievable rate)에 대한 닫힌 형태의 해를 다음 정리 1과 정리 2와 같이 구할 수 있다.Using the results of the law of large number and random matrix theory, the closed-form solution to the uplink (UL)/downlink (DL) channel capacity (achievable rate) is It can be obtained as theorem 1 and theorem 2.

[정리 1][Clearance 1]

첫 번째 단계에서, 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC) 모두에 대해 MRC 수신 필터를 채택하는 경우, 불완전한 채널 상태 정보(CSI)를 가지고 있어도, 매크로셀(MC)과 k 번째 스몰셀(SC)에서의 전이중(FD) 무선 백홀 링크의 채널용량은 각각 수학식 16과 수학식 17로 나타낼 수 있다.In the first step, when the MRC reception filter is adopted for both the macro cell (MC) and the small cell (SC), even if it has incomplete channel state information (CSI), the macro cell (MC) and the k th small cell (SC) ), the channel capacity of the full-duplex (FD) wireless backhaul link can be expressed by Equation 16 and Equation 17, respectively.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112018130382617-pat00039
Figure 112018130382617-pat00039

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112018130382617-pat00040
Figure 112018130382617-pat00040

[정리 2][Theorem 2]

두 번째 단계에서, 매크로셀(MC)과 스몰셀(SC)에서 불완전한 채널 상태 정보(CST)를 가지고 MRT 처리를 하는 경우, 매크로셀(MC)과 각 스몰셀(SC)에서 전이중(FD) 무선 백홀 링크의 채널용량(achievable rate)은 각각 수학식 18과 수학식 19로 나타낼 수 있다.In the second step, in case of performing MRT processing with incomplete channel state information (CST) in the macro cell (MC) and the small cell (SC), the full-duplex (FD) radio in the macro cell (MC) and each small cell (SC) The channel capacity (achievable rate) of the backhaul link can be expressed by Equation 18 and Equation 19, respectively.

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112018130382617-pat00041
Figure 112018130382617-pat00041

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112018130382617-pat00042
Figure 112018130382617-pat00042

정리 1에서, 수학식 16과 수학식 17에서 알 수 있듯이, 채널용량(achievable rate)은 채널 추정 정확도, 대규모 페이딩 계수들, 총 스몰셀(SC) 수, 수신 안테나 수, 자기간섭(SI)의 세기, 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 세기, 송신 전력을 포함한 여러 요소들의 함수이다. In Theorem 1, as can be seen from Equation 16 and Equation 17, the channel capacity (achievable rate) includes channel estimation accuracy, large-scale fading coefficients, total small cell (SC) number, receiving antenna number, and self-interference (SI). It is a function of several factors, including intensity, small-cell (SC-to-SC) interference intensity, and transmit power.

수학식 16에서 업링크(UL)의 채널용량(achievable rate)은 매크로셀(MC)의 수신 안테나의 수 Mrx 를 증가시킴으로써 늘릴 수 있으며, 수학식 17에서 다운링크(DL)의 채널용량(achievable rate)은 k 번째 스몰셀(SC)의 수신 안테나의 수 Nrx 를 증가시킴으로써 늘릴 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 매크로셀(MC) 및 스몰셀(SC)에서 수신 안테나의 수를 증가시키면, 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 영향을 극복할 수 있다. 한편, 달성 가능한 레이트는 채널 추정 정확도의 증가에 따라 향상된다.In Equation 16, the uplink (UL) channel capacity (achievable rate) can be increased by increasing the number of receive antennas M rx of the macro cell MC, and in Equation 17, the downlink (DL) channel capacity (achievable) It can be seen that the rate) can be increased by increasing the number N rx of the reception antennas of the k-th small cell SC. That is, by increasing the number of receiving antennas in the macro cell (MC) and the small cell (SC), it is possible to overcome the effects of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference. On the other hand, the achievable rate improves with increasing channel estimation accuracy.

정리 2의 수학식 18에서, 매크로셀(MC)에서의 업링크(UL) 채널용량(achievable rate)은 스몰셀(SC) 송신 안테나의 수 Ntx 를 증가시킴으로써 향상된다는 것을 알 수 있다. 또한, 스몰셀(SC) 수의 증가는 자기간섭(SI) 항의 세기를 증가시키기 때문에, 업링크(UL) 채널용량(achievable rate)은 스몰셀의 수 S 에 의해 크게 영향을 받는다. In Equation 18 of Theorem 2, it can be seen that the uplink (UL) channel capacity (achievable rate) in the macrocell (MC) is improved by increasing the number N tx of the small cell (SC) transmit antennas. In addition, since the increase in the number of small cells (SC) increases the strength of the self-interference (SI) term, the uplink (UL) channel capacity (achievable rate) is greatly affected by the number of small cells S.

수학식 19에서, k 번째 스몰셀(SC)에서 다운링크(DL) 채널용량(achievable rate)에 대해서 유사한 해석이 가능하다. In Equation 19, a similar analysis is possible for the downlink (DL) channel capacity (achievable rate) in the k th small cell SC.

스몰셀(SC) 수의 증가는 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 강도를 증가시키고, 결과적으로 k 번째 스몰셀(SC)의 채널용량(achievable rate)에 영향을 미친다. 그러나 스몰셀(SC) 수의 증가는 일반적으로 네트워크의 전체 합계 전송률(sum-rate)을 향상시키기 때문에, 합계 전송률(sum-rate)에 대하여 절충안을 결정하여야 한다.Increasing the number of small cells (SC) increases the intensity of small-cell (SC-to-SC) interference, and consequently affects the achievable rate of the k th small cell (SC). However, since increasing the number of small cells (SC) generally improves the overall sum-rate of the network, a compromise must be determined for the sum-rate.

전이중(FD) 모드와 반이중(HD) 모드의 비교Comparison of full-duplex (FD) mode and half-duplex (HD) mode

앞에서 구한 닫힌 형태의 수학식들을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 시스템의 전이중(FD) 모드와 반이중(HD) 모드에서의 채널용량(achievable rate) 성능을 비교한다. Using the closed-form equations previously obtained, the performance of achievable rates in full-duplex (FD) mode and half-duplex (HD) mode of a wireless communication system according to an embodiment of the present invention is compared.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 간섭 강도와 안테나 수에 따라 모드를 바꿀 수 있는 하이브리드 전이중(FD)/반이중(HD) 시스템을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a hybrid full-duplex (FD)/half-duplex (HD) system capable of changing modes according to interference strength and number of antennas.

반이중(HD)모드로 동작하는 경우, 기지국(BS)의 송수신기(transceivers)는 각 시간 슬롯(time slot)에 송신하거나 또는 수신을 하므로 전체 시간의 절반만 송신에 사용한다. 따라서 반이중(HD) 모드 기지국은 전이중(FD) 모드 기지국의 송신 전력의 절반만 사용한다.When operating in the half-duplex (HD) mode, the transceiver of the base station (BS) transmits or receives in each time slot, so only half of the total time is used for transmission. Therefore, a half-duplex (HD) mode base station uses only half the transmit power of a full-duplex (FD) mode base station.

공정한 비교를 위해, 반이중(HD) 모드의 경우는 전이중(FD) 모드에서 이용되는 송신 전력의 2 배를 사용하는 것으로 설정한다. 전이중(FD) 모드와 달리 반이중(HD) 모드에서는 송수신이 동시에 일어나지 않으므로, 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭을 생성하지 않는다. 그러나 반이중(HD) 모드는 전이중(FD) 모드에 비해 전송률(rate) 식에서 로그값 앞에 1/2을 곱해야 한다. For a fair comparison, the half-duplex (HD) mode is set to use twice the transmit power used in the full-duplex (FD) mode. Unlike full-duplex (FD) mode, since half-duplex (HD) mode does not simultaneously transmit and receive, self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference are not generated. However, the half-duplex (HD) mode needs to be multiplied by 1/2 before the log value in the rate expression compared to the full-duplex (FD) mode.

반이중(HD) 시스템의 채널용량(achievable rate)은 전이중(FD) 채널용량에 관한 수학식 16 내지 19에서 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭 항을 무시하고, 송신 전력을 두 배로 증가시키고, 로그 앞에 1/2을 붙여서 구할 수 있다.The channel capacity (achievable rate) of a half-duplex (HD) system ignores self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference terms in Equations 16 to 19 regarding full-duplex (FD) channel capacity, and transmit power. Can be obtained by doubling and adding 1/2 to the front of the log.

즉, 첫 번째 단계에서, 반이중(HD) 모드의 업링크(UL)/다운링크(DL) 전송률(rate)은 각각 수학식 20과 수학식 21로 표현될 수 있다.That is, in the first step, the uplink (UL)/downlink (DL) rate in half-duplex (HD) mode may be expressed by Equation 20 and Equation 21, respectively.

[수학식 20]

Figure 112018130382617-pat00043
[Equation 20]
Figure 112018130382617-pat00043

[수학식 21]

Figure 112018130382617-pat00044
[Equation 21]
Figure 112018130382617-pat00044

두 번째 단계에서, 반이중(HD) 모드의 업링크(UL)/다운링크(DL) 전송률(rate)은 각각 수학식 22과 수학식 23으로 표현될 수 있다.In the second step, the uplink (UL)/downlink (DL) rate of the half-duplex (HD) mode may be expressed by Equation 22 and Equation 23, respectively.

[수학식 22]

Figure 112018130382617-pat00045
[Equation 22]
Figure 112018130382617-pat00045

[수학식 23]

Figure 112018130382617-pat00046
[Equation 23]
Figure 112018130382617-pat00046

전이중(FD) 시스템은 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭으로 제한되는데 반해서, 반이중(HD) 시스템은 로그 앞의 인자 1/2에 의해 제한된다. Full-duplex (FD) systems are limited to self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference, while half-duplex (HD) systems are limited by factor 1/2 before the logarithm.

자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 관점에서 하이브리드 시스템의 모드를 선택하는 기준을 정하기 위해서는, 반이중(HD) 모드와 전이중(FD) 모드의 채널용량(achievable rate)이 같아지는 간섭 파라미터들을 결정해야 한다. In order to determine the standard for selecting the mode of the hybrid system in terms of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference, the achievable rate of the half-duplex (HD) mode and full-duplex (FD) mode is determined. The interference parameters to be equal must be determined.

매크로셀(MC)에서의 업링크(UL) 전송률(rate)의 경우에는, 자기간섭(SI)만이 고려된다. In the case of the uplink (UL) rate in the macro cell MC, only self-interference (SI) is considered.

그런 다음, 반이중(HD) 모드와 전이중(FD) 모드 사이에 매크로셀(MC)에서 업링크(UL) 전송률(rate)이 같아지는 자기간섭(SI) 세기 파라미터 σm,0 2 는 수학식 16과 수학식 20으로부터 수학식 24와 같이 구해진다.Then, the self-interference (SI) intensity parameter σ m,0 2 in which the uplink (UL) rate is the same in the macro cell MC between the half-duplex (HD) mode and the full-duplex (FD) mode is Equation 16 And is obtained from Equation 20 as in Equation 24.

[수학식 24]

Figure 112018130382617-pat00047
[Equation 24]
Figure 112018130382617-pat00047

여기에서,

Figure 112018130382617-pat00048
이다.From here,
Figure 112018130382617-pat00048
to be.

수학식 24에서 교차 값은 장기 채널 통계(long-term channel statistics)에만 의존하기 때문에, 매크로셀(MC)에서 계산될 수 있다. 즉, σm 2 < σm,0 2 이면 전이중(FD) 모드로 동작하고, 그렇지 않으면 반이중(HD) 모드로 동작하도록 구현할 수 있다.Since the cross value in Equation 24 depends only on long-term channel statistics, it can be calculated in the macro cell MC. That is, if σ m 2m,0 2 , it may be implemented to operate in full-duplex (FD) mode, or otherwise operate in half-duplex (HD) mode.

또한, 장기 채널 통계가 알려지면, 전이중(FD) 모드가 반이중(HD) 모드보다 성능이 높아지는 데 필요한 매크로셀(MC) 수신 안테나 수 Mrx0 를 수학식 25로 결정할 수 있다. In addition, when long-term channel statistics are known, the number of macrocell (MC) receive antennas M rx0 required for the full-duplex (FD) mode to be higher than the half-duplex (HD) mode may be determined by Equation (25).

[수학식 25]

Figure 112018130382617-pat00049
[Equation 25]
Figure 112018130382617-pat00049

여기에서,

Figure 112018130382617-pat00050
이다. From here,
Figure 112018130382617-pat00050
to be.

각 스몰셀(SC)에서 매크로셀(MC)로의 링크에 대해, 전이중(FD) 모드의 구성이 자기간섭(SI)의 영향을 극복하고 반이중(HD) 모드를 능가하기 위해, 수신 안테나는 Mrx > Mrx0 인 정수이어야 한다.For the link to the macro-cell (MC) in each small cell (SC), for the construction of full-duplex (FD) mode overcome the effects of self-interference (SI) and to surpass the half-duplex (HD) mode, a receive antenna M rx > Must be an integer with M rx0 .

k 번째 스몰셀(SC)에서의 다운링크(DL) 전송률(rate)에 대해, 하이브리드 방법에 대한 자기간섭(SI) 및 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 임계치는 수학식 26으로 구할 수 있다.For the downlink (DL) rate in the k-th small cell (SC), the thresholds of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference for the hybrid method can be obtained using Equation (26). have.

[수학식 26][Equation 26]

Figure 112018130382617-pat00051
Figure 112018130382617-pat00051

여기에서, σt0,k 2 는 k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 결합된 영향을 나타내고,

Figure 112018130382617-pat00052
로 정의된다.Here, σ t0,k 2 represents the combined effect of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference in the k th small cell (SC),
Figure 112018130382617-pat00052
Is defined as

k 번째 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 결합된 영향이 σt0,k 2 보다 클 때, 전이중(FD) 모드의 다운링크(DL) 전송률(rate)은 반이중(HD) 모드 전송률(rate)보다 낮아집니다. Full-duplex (FD) mode downlink (DL) when the combined effect of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference in the k th small cell (SC) is greater than σ t0,k 2 The rate is lower than the half-duplex (HD) mode rate.

전이중(FD) 모드가 반이중(HD) 모드보다 양호한 성능을 보이기 위해서는, k 번째 스몰셀(SC)에 필요한 안테나의 수는 수학식 27로 계산할 수 있다.In order for the full-duplex (FD) mode to exhibit better performance than the half-duplex (HD) mode, the number of antennas required for the k-th small cell SC may be calculated by Equation (27).

[수학식 27]

Figure 112018130382617-pat00053
[Equation 27]
Figure 112018130382617-pat00053

여기에서,

Figure 112018130382617-pat00054
이고,
Figure 112018130382617-pat00055
이다.From here,
Figure 112018130382617-pat00054
ego,
Figure 112018130382617-pat00055
to be.

수학식 27에서, 장기 채널 통계와 스몰셀(SC)의 수에 의해, 전이중(FD) 모드와 반이중(HD)모드 중에서 합계 전송률(sum-rate)이 더 양호한 모드를 선택할 수 있다.In Equation 27, a mode with a better sum-rate can be selected from a full-duplex (FD) mode and a half-duplex (HD) mode according to long-term channel statistics and the number of small cells (SC).

또한, 장기 채널 정보에 기초한 하이브리드 전이중/반이중(FD/HD) 시스템은 매크로셀(MC) 기지국과 동일한 방법으로 스몰셀(SC) 기지국에 대해서 설계할 수 있다.In addition, a hybrid full-duplex/half-duplex (FD/HD) system based on long-term channel information can be designed for a small cell (SC) base station in the same manner as a macro cell (MC) base station.

두 번째 단계의 경우에서도 첫 번째 단계와 유사하게 분석할 수 있으므로, 구체적인 내용은 생략한다.Since the second step can be analyzed similarly to the first step, specific details are omitted.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 매크로셀의 전이중(FD) 모드는, 첫 번째 단계(제1 시구간)에서 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 스몰셀 개수 S 에 해당하는 안테나를 송신에 사용하고, 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하여 송신과 수신을 동시에 실시한다. 두 번째 단계(제2 시구간)에서는 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 스몰셀 개수 S 에 해당하는 안테나를 수신에 사용하고, 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정한다.According to an embodiment of the present invention, in the full duplex (FD) mode of the macro cell, the macro cell circulator transmits an antenna corresponding to the number S of small cells among the macro cell MIMO antennas in the first step (first time interval). The remaining M rx antennas are set to be used for reception, and transmission and reception are simultaneously performed. In the second step (second time period), among the macro cell MIMO antennas, an antenna corresponding to the number S of small cells is used for reception, and the remaining M tx antennas are set to be used for transmission.

스몰셀의 전이중(FD) 모드는, 제1 시구간에서 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 송신에 사용하고 나머지 Nrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하여 송신과 수신을 동시에 실시한다. 제2 시구간에서 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 수신에 사용하고 나머지 Ntx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정한다.In the full-duplex (FD) mode of the small cell, the small cell circulator uses one antenna among the small cell MIMO antennas for transmission in the first time period, and the remaining N rx antennas are used for reception, thereby simultaneously transmitting and receiving. Conduct. In the second time period, one antenna of the small cell MIMO antenna is used for reception, and the remaining N tx antennas are set to be used for transmission.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 매크로셀의 반이중(HD) 모드는, 첫 번째 단계(제1 시구간)에서 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하고, 두 번째 단계(제2 시구간)에서는 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하여, 수신과 송신을 별개의 시간에 일어나도록 한다.According to another embodiment of the present invention, in the half-duplex (HD) mode of the macrocell, the macrocell circulator uses all the macrocell MIMO antennas for transmission in the first step (first time period), and the second step In the 2nd time period), all macro cell MIMO antennas are set to be used for reception, so that reception and transmission occur at separate times.

스몰셀의 반이중(HD) 모드는, 제1 시구간에서 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하고, 제2 시구간에서는 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하여, 수신과 송신을 별개의 시간에 일어나도록 한다.In the half-duplex (HD) mode of the small cell, the small cell circulator uses all the small cell MIMO antennas for reception in the first time interval, and the small cell MIMO antennas are used for transmission in the second time interval, and then receives And transmit at separate times.

전력 스케일링 법칙Power scaling law

채널 추정의 정확도가 고정된 경우, 첫 번째 단계의 많은 수의 수신 안테나와 두 번째 단계의 많은 수의 송신 안테나에 의해 송신 전력을 감소시킬 수 있다.When the accuracy of channel estimation is fixed, the transmission power can be reduced by a large number of receive antennas in the first stage and a large number of transmit antennas in the second stage.

[보조정리 1][Bojungjori 1]

첫 번째 단계에서, k 번째 스몰셀(SC)의 송신 전력과 매크로셀(MC)의 송신 전력이 각각 p1 = E1/Mrx 와 p2 = E2/Nrx 에 따라 스케일링되는 경우(E1 및 E2 는 Mrx 와 Nrx 에 무관하게 고정된 값), Mrx 와 Nrx 가 동일한 비율(rate)로 무한대로 증가하면, 수학식 16과 수학식 17은 각각 수학식 28과 수학식 29로 나타낼 수 있다.In the first step, the transmission power of the k th small cell SC and the transmission power of the macro cell MC are scaled according to p 1 = E 1 /M rx and p 2 = E 2 /N rx , respectively (E 1 and E 2 are fixed values irrespective of M rx and N rx ), and when M rx and N rx increase infinitely at the same rate, Equations 16 and 17 respectively represent Equations 28 and Equations It can be represented as 29.

[수학식 28]

Figure 112018130382617-pat00056
[Equation 28]
Figure 112018130382617-pat00056

[수학식 29]

Figure 112018130382617-pat00057
[Equation 29]
Figure 112018130382617-pat00057

[보조정리 2][Bojungjori 2]

두 번째 단계에서는, p1 = E1/Ntx 와 p2 = E2/Mtx 에 따라 스케일링되는 경우(E1 및 E2 는 Ntx 와 Mtx 에 무관하게 고정된 값), Mtx 와 Ntx 가 동일한 속도(speed)로 무한대로 증가하면, 수학식 18과 수학식 19는 각각 수학식 30과 수학식 31로 나타낼 수 있다.In the second step, when p 1 = E 1 /N tx and p 2 = E 2 /M tx are scaled (E 1 and E 2 are fixed values independent of N tx and M tx ), M tx and When N tx increases to infinity at the same speed, Equation 18 and Equation 19 may be expressed by Equation 30 and Equation 31, respectively.

[수학식 30]

Figure 112018130382617-pat00058
[Equation 30]
Figure 112018130382617-pat00058

[수학식 31]

Figure 112018130382617-pat00059
[Equation 31]
Figure 112018130382617-pat00059

보조정리 1에서, k 번째 스몰셀(SC)과 매크로셀(MC)에서 고정된 채널 정확도와 대규모 수신 안테나에 대해, 첫 번째 단계에서 k 번째 스몰셀(SC)과 매크로셀(MC)의 송신 전력을 각각 1/Mrx 와 1/Nrx 에 비례하여 감소시켜도, 일정한 업링크/다운링크(UL/DL) 전송률(rate)을 유지할 수 있다. 즉, 동일한 전송률을 유지한 채 송신전력을 1/Mrx 와 1/Nrx 로 감소시킬 수 있다.In auxiliary theorem 1, for the fixed channel accuracy in the kth small cell (SC) and the macro cell (MC) and a large reception antenna, the transmission power of the kth small cell (SC) and the macro cell (MC) in the first step Even if is decreased in proportion to 1/M rx and 1/N rx , respectively, it is possible to maintain a constant uplink/downlink (UL/DL) rate. That is, the transmission power can be reduced to 1/M rx and 1/N rx while maintaining the same transmission rate.

또한, 보조정리 2에서, 각각의 스몰셀(SC)과 매크로셀(MC)에서의 대규모 송신 안테나 영역에서, 매크로셀(MC) 및 k 번째 스몰셀(SC)의 송신 전력을 각각 1/Mtx 및 1/Ntx 에 따라 감소시켜도, 동일한 채널용량을 유지할 수 있다. 즉, 동일한 채널용량을 유지한 채 송신전력을 1/Mtx 및 1/Ntx 로 감소시킬 수 있다.In addition, in the auxiliary theorem 2, in the large-scale transmission antenna region in each small cell (SC) and macro cell (MC), the transmission power of the macro cell (MC) and the k th small cell (SC) is 1/M tx , respectively. And 1/N tx , the same channel capacity can be maintained. That is, transmission power can be reduced to 1/M tx and 1/N tx while maintaining the same channel capacity.

주파수 효율(SE) 분석Frequency efficiency (SE) analysis

합계 주파수 효율 또는 스펙트럼 효율(spectral efficiency; SE)은 채널 사용에 대한 합계 전송률(sum-rate)로 정의할 수 있다. The total frequency efficiency or spectral efficiency (SE) can be defined as the sum-rate for channel use.

도 2를 참조하면, T 시간 슬롯의 코히어런스 길이와, τp 의 파일럿 훈련 슬롯을 가진 경우, 합계 스펙트럼 효율(sum SE)은 수학식 32로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2, when the coherence length of the T time slot and the pilot training slot of τ p are obtained, the sum spectral efficiency (sum SE) may be expressed by Equation (32).

[수학식 32]

Figure 112018130382617-pat00060
[Equation 32]
Figure 112018130382617-pat00060

여기에서, Rk 는 첫 번째 단계와 두 번째 단계의 데이터 전송에서 k 번째 스몰셀(SC)의 전체 업링크/다운링크(UL/DL) 채널용량(achievable rate)으로,

Figure 112018130382617-pat00061
이며, 수학식 16 내지 19를 이용하여 구할 수 있다.Here, R k is the total uplink/downlink (UL/DL) channel capacity (achievable rate) of the k th small cell (SC) in the first and second stage data transmission,
Figure 112018130382617-pat00061
It can be obtained by using the equations 16 to 19.

수학식 32에서, 파일럿 길이 τp 의 증가는 채널용량(achievable rate)을 향상 시키는 반면에, 합계 SE를 감소시키는 것을 알 수 있다. In Equation 32, it can be seen that the increase in pilot length τ p improves the channel capacity (achievable rate) while reducing the total SE.

따라서 합계 SE를 최대화하기 위해, 파일럿 길이 τp 를 수학식 33 내지 34와 같이 최적화할 수 있다.Therefore, in order to maximize the sum SE, the pilot length τ p can be optimized as shown in Equations 33 to 34.

[수학식 33]

Figure 112018130382617-pat00062
[Equation 33]
Figure 112018130382617-pat00062

[수학식 34]

Figure 112018130382617-pat00063
[Equation 34]
Figure 112018130382617-pat00063

수학식 34의 제약은 채널 추정에 이용되는 파일럿 시퀀스들이 서로 직교하는 것을 보장하기 위한 것이다. The constraint of Equation (34) is to ensure that the pilot sequences used for channel estimation are orthogonal to each other.

수학식 33의 최적화 문제는 볼록함(convexity)을 가지고 있어서, 이분법(bisection)처럼 1 차원 라인 탐색 방법으로 효율적으로 최적값을 구할 수 있다. Since the optimization problem of Equation 33 has convexity, it is possible to efficiently obtain an optimal value using a one-dimensional line search method like a bisection method.

<실시예> 시뮬레이션 결과 - 첫번째 단계<Example> Simulation Result-First Step

본 발명에서 개시한 시스템에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하여 시스템의 성능을 평가하였다. 모든 시뮬레이션은 105 채널에 대하여 수행하였고, 신호 대 노이즈 비(signal-to-noise ratio; SNR)는

Figure 112018130382617-pat00064
로 정의한다. Monte Carlo simulation was performed on the system disclosed in the present invention to evaluate the performance of the system. All simulations were performed for 10 5 channels, and the signal-to-noise ratio (SNR) was
Figure 112018130382617-pat00064
Is defined as

첫번째 단계(first phase)에 대해서는 특별히 언급되지 않는 한, 업링크(uplink; UL)의 경우, 모든 k에 대해 대규모 페이딩효과를 나타내는 β1k = β1 = 0.1 이고, 매크로셀(macro cell; MC)에서의 자기간섭(self interference; SI)의 크기 σm 2 = 0.3 이다. In the case of uplink (UL), unless specifically stated for the first phase (first phase), β 1k = β 1 = 0.1, which shows a large-scale fading effect for all k, and a macro cell (MC). The magnitude of self interference (SI) at σ m 2 = 0.3.

다운링크(downlink; DL)의 경우에는, 모든 k에 대해 β2k = β2 = 0.1 이고, k번째 스몰셀(small cell; SC)에서의 자기간섭(self interference; SI)은 σs,k 2 = σs 2 = 0.3 이고, k번째 스몰셀(SC)에서의 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭은 σc,k 2 = σc 2 = 0.3 이다. In the case of a downlink (DL), β 2k = β 2 = 0.1 for all k, and self interference (SI) in the k th small cell (SC) is σ s,k 2 = σ s 2 = 0.3, and inter-small (SC-to-SC) interference in the k th small cell (SC) is σ c,k 2 = σ c 2 = 0.3.

파일럿 전력은 pτ = 10 dB 이고, 파일럿 길이는 τp = 2S 이다. 여기에서 S는 스몰셀(SCs)의 개수이다. 또한, 특별히 언급하지 않은 경우, p1 = p2 = 10 dB 이다.The pilot power is p τ = 10 dB, and the pilot length is τ p = 2S. Here, S is the number of small cells (SCs). Also, unless otherwise specified, p 1 =p 2 =10 dB.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신의 첫 번째 단계에서 SNR에 따른 달성 가능한 합계 전송률을 수학식으로 구한 결과와 시뮬레이션으로 얻은 결과를 비교하는 그래프이다.3 is a graph comparing results obtained through simulation with results obtained by mathematically calculating the achievable total transmission rate according to SNR in the first step of backhaul wireless communication in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

첫 번째 단계에서 달성 가능한 합계 전송률(achievable sum-rate)을 구하기 위해, 먼저 모든 스몰셀(SCs)에 대해, 수학식 16에서 각각의 매크로셀(MC)로의 업링크 달성 가능 전송률 Rm,k (1) 를 구하고, 수학식 17에서 각각의 스몰셀(SC)로의 다운링크 달성 가능 전송률 Rs,k (1) 를 구하였다. 그리고 전체 합계 전송률(total sum-rate)을 구하기 위해 모든 스몰셀(SCs)에 대해 업링크 전송률(UL rate)과 다운링크 전송률(DL rate)을 더하였다. In order to obtain an achievable sum-rate in the first step, for all small cells (SCs), the uplink achievable rate R m,k ( Eq. 16) to each macro cell (MC) 1) was obtained, and the downlink achievable transmission rate R s,k (1) to each small cell (SC ) was obtained from Equation (17). And to obtain the total sum rate (total sum-rate), uplink rate (UL rate) and downlink rate (DL rate) were added to all small cells (SCs).

별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 수학식에서 구한 결과이다. 매크로셀(MC)의 수신 안테나 수 Mrx = 200 이고, 스몰셀(SC) 2개(S = 2)의 각각의 수신 안테나 수 Nrx = 100 인 상대적으로 적은 안테나 수의 경우에도, 수학식으로 구한 합계 전송률(achievable sum-rate)결과가 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 즉, 정리 1(Theorem 1)의 수학식 16과 수학식 17으로 얻은 결과는 시스템 성능을 잘 예측할 수 있음을 알 수 있다.The asterisk is the result of the simulation, and the solid line is the result obtained from the equation. Even in the case of a relatively small number of antennas in which the number of receive antennas of the macro cell MC is rx = 200 and the number of receive antennas of each of the two small cells (S = 2) N rx = 100, It can be seen that the obtained achievable sum-rate results agree well with the simulation results. That is, it can be seen that the results obtained by Equation 16 and Equation 17 of Theorem 1 can predict system performance well.

합계 전송률(sum-rate)은 SNR이 증가함에 따라 증가하나, SNR이 14 dB 를 넘으면 전송률은 포화되기 시작한다. 또한, 합계 전송률(sum-rate)은 스몰셀(SCs)의 수 S 와, 수신 안테나 수 Mrx 와 Nrx 가 증가함에 따라 향상됨을 알 수 있다.The sum-rate increases as the SNR increases, but when the SNR exceeds 14 dB, the rate begins to saturate. In addition, it can be seen that the sum-rate is improved as the number S of small cells SCs and the number of receive antennas M rx and N rx increase.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 매크로셀(MC) 수신 안테나 수 Mrx 에 따른 업링크(UL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing a sum-rate of an uplink (UL) according to the number of macro cell (MC) receiving antennas M rx in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 수학식 16으로 구한 전이중(full-duplex; FD) 모드의 결과이고, 일점쇄선은 수학식 20으로 구한 반이중(half-duplex; HD) 모드의 결과이다. FD 모드 뿐만 아니라 HD 모드에서도, 합계 전송률(sum-rate)은 매크로셀(MC) 수신 안테나 수 Mrx 가 증가할수록 향상된다. The asterisk is the result of the simulation, the solid line is the result of the full-duplex (FD) mode obtained by Equation 16, and the single-dashed line is the result of the half-duplex (HD) mode obtained by the Equation 20. In the FD mode as well as the HD mode, the sum-rate is improved as the number of macro cell (MC) receiving antennas M rx increases.

FD모드에서는 간섭 σm 2, σs 2, σc 2 의 세기가 커짐에 따라 합계 전송률이 감소한다. 스몰셀의 수 S 가 증가하면 높은 전송률을 나타내지만, 스몰셀간 간섭이 증가하기 때문에 자기간섭(SI)과 스몰셀간 간섭(SC-to-SC interference)의 악영향을 극복하기 위해, FD 모드에서는 더 많은 안테나가 필요하다. In the FD mode, the total transmission rate decreases as the strengths of the interferences σ m 2 , σ s 2 , and σ c 2 increase. When the number S of small cells increases, it shows a high transmission rate, but because the interference between small cells increases, in order to overcome the adverse effects of self-interference (SI) and small-cell interference (SC-to-SC interference), in the FD mode, more An antenna is required.

즉, 도 4의 FD 모드에서는, 스몰셀의 수 S 가 5에서 10으로 증가하면 높은 합계 전송률(sum-rate)을 보이지만, 자기간섭(SI)의 크기 σm 2 이 0.4에서 0.5로 증가하면, 자기간섭을 극복하여 HD 모드보다 높은 합계 전송률을 얻기 위해서는 훨씬 많은 수신 안테나 수가 필요한 것을 알 수 있다.That is, in the FD mode of FIG. 4, when the number of small cells S increases from 5 to 10, a high sum-rate is exhibited, but when the magnitude of self-interference (SI) σ m 2 increases from 0.4 to 0.5, It can be seen that a much larger number of receiving antennas is needed to overcome the interference and obtain a higher total transmission rate than the HD mode.

수신 안테나 수 Mrx 가 적은 경우 자기간섭(SI)의 영향으로 FD 모드의 합계 전송률은 HD 모드의 합계 전송률보다 낮다. FD 모드와 HD 모드의 전송률 교차점에 해당하는 매크로셀(MC) 수신 안테나 수를 Mrx0 라 하면, 업로드 링크(UL)에서, 자기간섭(SI)의 영향을 극복하여 HD 모드보다 전송률이 커지는 FD 모드의 매크로셀 수신 안테나 수는 Mrx > Mrx0 이어야 한다. 도 4에서 Mrx0 에 해당하는 교차점을 로 표시하였다.When the number of receive antennas M rx is small, the total transmission rate of the FD mode is lower than the total transmission rate of the HD mode due to the effect of self-interference (SI). If the number of macro cell (MC) receiving antennas corresponding to the transmission point intersection of the FD mode and the HD mode is M rx0 , the upload link (UL) overcomes the influence of self-interference (SI), and the FD mode has a higher transmission rate than the HD mode. The number of receiving antennas of the macro cell should be M rx > M rx0 . In FIG. 4, the intersection corresponding to M rx0 is indicated by .

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 스몰셀(SC) 수신 안테나 수 Nrx 에 따른 다운링크(DL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing a small cell (SC) the downlink (DL) rate total (sum-rate) according to the number of reception antennas N rx in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 수학식 17로 구한 전이중(FD) 모드의 결과이고, 일점쇄선은 수학식 21으로 구한 반이중(HD) 모드의 결과이다. 도 4와 마찬가지로 도 5에서도, FD 모드 뿐만 아니라 HD 모드에서도, 합계 전송률(sum-rate)은 스몰셀(SC) 수신 안테나 수 Nrx 가 증가할수록 향상된다. The asterisk is the result of the simulation, the solid line is the result of the full-duplex (FD) mode obtained by Equation 17, and the single-dashed line is the result of the half-duplex (HD) mode obtained by the Equation 21. In FIG. 5, as in FIG. 4, in FD mode as well as in HD mode, the sum-rate is improved as the number of small cell (SC) receiving antennas N rx increases.

FD모드에서는 간섭 σm 2, σs 2, σc 2 의 세기가 커짐에 따라 합계 전송률이 감소한다. 스몰셀의 수 S 가 증가하면 높은 전송률을 나타내지만, 스몰셀간 간섭이 증가하기 때문에 자기간섭(SI)과 스몰셀간 간섭(SC-to-SC interference)의 악영향을 극복하기 위해, FD 모드에서는 더 많은 안테나가 필요하다. In the FD mode, the total transmission rate decreases as the strengths of the interferences σ m 2 , σ s 2 , and σ c 2 increase. When the number S of small cells increases, it shows a high transmission rate, but because the interference between small cells increases, in order to overcome the adverse effects of self-interference (SI) and small-cell interference (SC-to-SC interference), in the FD mode, more An antenna is required.

즉, 도 5의 FD 모드에서는, 스몰셀의 수 S 가 5에서 10으로 증가하면 높은 합계 전송률(sum-rate)을 보이지만, 자기간섭(SI)의 크기 σs 2 이 0.4에서 0.5로 증가하고, 스몰셀간 간섭의 크기 σc 2 이 0.3에서 0.4로 증가하면, 자기간섭을 극복하여 HD 모드보다 높은 합계 전송률을 얻기 위해서는 훨씬 많은 수신 안테나 수가 필요한 것을 알 수 있다.That is, in the FD mode of FIG. 5, when the number S of small cells increases from 5 to 10, a high sum-rate is exhibited, but the magnitude of self-interference (SI) σ s 2 increases from 0.4 to 0.5, It can be seen that when the size of the small-cell interference σ c 2 increases from 0.3 to 0.4, a much larger number of receiving antennas is required to overcome the self-interference and obtain a higher total transmission rate than the HD mode.

수신 안테나 수 Nrx 가 적은 경우 자기간섭(SI) 및 스몰셀간 간섭(SC-to-SC interference)의 영향으로 FD 모드의 합계 전송률은 HD 모드의 합계 전송률보다 낮다. FD 모드와 HD 모드의 전송률 교차점에 해당하는 스몰셀(MC) 수신 안테나 수를 Nrx0 라 하면, 다운로드 링크(DL)에서 자기간섭과 스몰셀간 간섭의 영향을 극복하여 HD 모드보다 전송률이 커지는 FD 모드의 스몰셀 수신 안테나 수는 Nrx > Nrx0 이어야 한다. 도 5에서 Nrx0 에 해당하는 교차점을 로 표시하였다.When the number of receive antennas N rx is small, the total transmission rate in the FD mode is lower than the total transmission rate in the HD mode due to the effects of self-interference (SI) and small-cell interference (SC-to-SC interference). If the number of small cell (MC) receive antennas corresponding to the transmission point intersection of the FD mode and the HD mode is N rx0 , the download link (DL) overcomes the effects of self-interference and interference between the small cells, and the FD mode has a higher transmission rate than the HD mode. The number of small cell receiving antennas must be N rx > N rx0 . In FIG. 5, the intersection corresponding to N rx0 is indicated by .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 자기간섭(SI)의 크기에 따른 업링크(UL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다. 6 is a graph showing a sum-rate of an uplink (UL) according to the size of self-interference (SI) in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

S = 5 인 경우에, 별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 전이중(FD) 모드의 결과이고, 일점쇄선은 반이중(HD) 모드의 결과이다. HD 시스템은 자기간섭(SI)에 영향을 받지 않기 때문에 HD 합계 전송률은 고정된 값을 나타낸다. 반면에, FD 시스템에서는 매크로셀의 송신 안테나로부터 수신 안테나로의 자기간섭(SI)의 크기 σm 2 이 증가함에 따라 합계 전송률이 급격히 감소한다. HD 모드와 FD 모드의 교차점은 수학식 24에 의해서 정확히 계산될 수 있다.In the case of S = 5, the asterisk is the result of the simulation, the solid line is the result of the full duplex (FD) mode, and the dashed line is the result of the half duplex (HD) mode. Since the HD system is not affected by self-interference (SI), the HD total transmission rate shows a fixed value. On the other hand, in the FD system, as the magnitude of the magnetic interference (SI) from the transmit antenna to the receive antenna of the macrocell σ m 2 increases, the total transmission rate decreases rapidly. The intersection of the HD mode and the FD mode can be accurately calculated by Equation (24).

FD 시스템은 낮은 자기간섭 영역에서 HD 시스템보다 우수한 성능을 보이므로, 자기간섭(SI)의 크기에 따라 동작모드를 바꿀 수 있는 하이브리드 FD/HD 시스템을 적용하는 것이 바람직하다.Since the FD system shows better performance than the HD system in a low self-interference region, it is preferable to apply a hybrid FD/HD system capable of changing the operation mode according to the size of the self-interference (SI).

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 크기에 따른 다운링크(DL) 합계 전송률(sum-rate)을 나타내는 그래프이다. FIG. 7 is a graph showing a sum-rate of downlink (DL) according to the magnitude of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention. to be.

S = 5 인 경우에, 별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 전이중(FD) 모드의 결과이고, 일점쇄선은 반이중(HD) 모드의 결과이다. HD 시스템은 자기간섭(SI)에 영향을 받지 않기 때문에 HD 합계 전송률은 고정된 값을 나타낸다. 반면에, FD 시스템에서는 스몰셀의 송신 안테나로부터 수신 안테나로의 자기간섭(SI)의 크기 σs 2 과 다른 스몰셀의 송신 안테나로부터의 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 크기 σc 2 이 증가함에 따라 합계 전송률이 급격히 감소한다. HD 모드와 FD 모드의 교차점은 수학식 26에 의해서 정확히 계산될 수 있다.In the case of S = 5, the asterisk is the result of the simulation, the solid line is the result of the full duplex (FD) mode, and the dashed line is the result of the half duplex (HD) mode. Since the HD system is not affected by self-interference (SI), the HD total transmission rate shows a fixed value. On the other hand, in the FD system, the magnitude of self-interference (SI) s s 2 from the transmitting antenna of the small cell to the receiving antenna and the magnitude of inter-small (SC-to-SC) interference from the transmitting antenna of the other small cell σ c 2 As this increase, the total transmission rate decreases rapidly. The intersection of the HD mode and the FD mode can be accurately calculated by Equation (26).

FD 시스템은 낮은 자기간섭 영역에서 HD 시스템보다 우수한 성능을 보이므로, 자기간섭(SI)과 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭의 크기에 따라 동작모드를 바꿀 수 있는 하이브리드 FD/HD 시스템을 적용하는 것이 바람직하다.Since the FD system shows better performance than the HD system in the low self-interference area, a hybrid FD/HD system that can change the operation mode according to the size of self-interference (SI) and small-cell (SC-to-SC) interference is applied. It is desirable to do.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 수신 안테나의 수에 따른 업링크(UL)와 다운링크(DL) 합계 전송률을 나타내는 그래프이다. 8 is a graph showing a total transmission rate of uplink (UL) and downlink (DL) according to the number of receive antennas in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

매크로셀(MC)에서의 자기간섭(SI)의 크기 σm 2 = 0.4 로 설정하고, 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI)은 σs,k 2 = σs 2 = 0.4 로, 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭도 σc,k 2 = σc 2 = 0.4 로 설정하였다. 또한, p1 = E1 / Mrx 이고, P2 = E2 / Nrx 이며, 여기에서 E1 와 E2 는 안테나 수가 증가하여도 항상 상수값을 갖도록 E1 = E2 = 15 dB 로 설정하였다. 스몰셀의 수신 안테나 수는 매크로셀의 수신 안테나 수의 절반으로 설정하였다. 즉, Nrx = Mrx / 2 이다.The size of the self-interference (SI) in the macro cell (MC) is set to σ m 2 = 0.4, and the self-interference (SI) in the small cell (SC) is σ s,k 2 = σ s 2 = 0.4, small Inter-cell (SC-to-SC) interference was also set to σ c,k 2c 2 =0.4. In addition, p 1 = E 1 / M rx , P 2 = E 2 / N rx , where E 1 and E 2 are always set to E 1 = E 2 = 15 dB so that the number of antennas is always constant even when the number of antennas increases. Did. The number of receiving antennas of the small cell was set to half of the number of receiving antennas of the macro cell. That is, N rx = M rx / 2.

별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 전이중(FD) 모드의 결과이다. 각각의 그래프에서 위쪽이 S = 5 인 경우이고, 아래쪽이 S = 3 인 경우이다. 수신 안테나 수가 증가할수록 합계 전송률이 증가하지만, 점점 포화되어 간다. 이것은 수신 안테나 수의 증가에 따른 전송률 상승효과와 전송 전력 p1 과 p2 가 작아지는 효과 사이의 균형 때문이다. 이러한 결과는 수학식 28과 수학식 29의 결과와 일치한다.The asterisk is the result of the simulation, and the solid line is the result of the full duplex (FD) mode. In each graph, the upper case is S = 5, and the lower case is S = 3. The total transmission rate increases as the number of receiving antennas increases, but it gradually becomes saturated. This is due to the balance between the effect of increasing the transmission rate with the increase in the number of receiving antennas and the effect of reducing the transmission powers p1 and p2. These results are consistent with the results of Equation 28 and Equation 29.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 일정한 업링크(UL)와 다운링크(DL) 전송률을 얻기 위한 전력을 수신 안테나의 수의 변화에 따라 나타낸 그래프이다. 9 is a graph showing power for obtaining a constant uplink (UL) and downlink (DL) transmission rate in a heterogeneous network system according to a change in the number of receiving antennas according to an embodiment of the present invention.

매크로셀(MC)과 스몰셀(SC)에서의 자기간섭(SI)의 크기는 σm 2 = σs 2 = 0.4 로 설정하였으나, 스몰셀간(SC-to-SC) 간섭은 σc 2 = 0.2 로 설정하였다. The size of the self-interference (SI) in the macro cell (MC) and the small cell (SC) was set to σ m 2 = σ s 2 = 0.4, but the interference between the small cells (SC-to-SC) was σ c 2 = 0.2. Was set to.

Case 1에서, 매크로셀(MC) 전송 전력은 p2 = 5 dB 로 고정되었고, 각 매크로셀(MC) 수신 안테나 수 Mrx 에 대해, 업로드(UL) 전송률이 1 bps/Hz 가 되도록 k번째 스몰셀(SC) 전송 전력 p1 을 구했다. In Case 1, the transmission power of the macro cell (MC) is fixed to p 2 = 5 dB, and for the number of receive antennas M rx of each macro cell (MC), the k th small so that the upload (UL) transmission rate becomes 1 bps/Hz. The cell SC transmission power p 1 was determined.

매크로셀 수신 안테나 수 Mrx = 20 인 경우, 스몰셀(SC) 전송 전력은 4.01 dB 이었으나, 매크로셀 수신 안테나 수가 Mrx = 400 으로 증가된 경우, 스몰셀 전송 전력은 -9.5467 dB로 굉장히 많이 줄어들게 된다.When the number of macro cell reception antennas M rx = 20, the small cell (SC) transmission power was 4.01 dB, but when the number of macro cell reception antennas was increased to M rx = 400, the small cell transmission power was significantly reduced to -9.5467 dB. do.

스몰셀 수 S 가 2에서 5로 증가하는 경우에는, 스몰셀의 자기간섭과 스몰셀간 간섭이 증가하여 스몰셀 전송 전력이 커지게 된다.When the number of small cells S is increased from 2 to 5, the self-interference of the small cells and the interference between the small cells increase, thereby increasing the small cell transmission power.

Case 2에서는, k번째 스몰셀(SC) 전송 전력은 p1 = 5 dB 로 고정되었고, 각 스몰셀(SC) 수신 안테나 수 Nrx 에 대해, 다운로드(DL) 전송률이 1 bps/Hz 가 되도록 매크로셀(MC) 전송 전력 p2 를 구했다. In Case 2, the kth small cell (SC) transmission power was fixed to p 1 = 5 dB, and for each small cell (SC) receiving antenna number N rx , the macro so that the download (DL) transmission rate was 1 bps/Hz. The cell (MC) transmission power p 2 was determined.

Case 1과 마찬가지로 Case 2에서도, 스몰셀 수신 안테나 수 Nrx 가 증가되면 매크로셀 전송 전력은 줄어들게 된다. 스몰셀 수 S 가 2에서 5로 증가하는 경우에는 매크로셀 전송 전력이 조금 커진다.As in Case 1, in Case 2, when the number of small cell reception antennas N rx increases, the transmission power of the macro cell decreases. When the number of small cells S is increased from 2 to 5, the transmission power of the macro cell is slightly increased.

<실시예> 시뮬레이션 결과 - 두번째 단계<Example> Simulation result-second step

두 번째 단계(second phase)에 대해서는 특별히 언급되지 않는 한, 업링크(uplink; UL)의 경우, 모든 k에 대해 대규모 페이딩효과를 나타내는 β2k = β2 = 0.1 이고, 분산 ηm,k 2 = ηm 2 = 0.3 이다. In the case of uplink (UL), unless specifically stated for the second phase, β 2k = β 2 = 0.1, which shows a large-scale fading effect for all k, and dispersion η m,k 2 = η m 2 =0.3.

다운링크(downlink; DL)의 경우에는, 모든 k에 대해 β1k = β1 = 0.1 이고, 분산 ηs,k 2 = ηs 2 = 0.3 이고, 분산 ηc,k 2 = ηc 2 = 0.3 이다. For the downlink (DL), for all k, β 1k = β 1 = 0.1, variance η s,k 2 = η s 2 = 0.3, variance η c,k 2 = η c 2 = 0.3 to be.

파일럿 전력은 pτ = 10 dB 이고, 파일럿 길이는 τp = 2S 이다. 여기에서 S는 스몰셀(SCs)의 개수이다. 그리고 σm 2 = σs 2 = σc 2 = 0.3 이다.The pilot power is p τ = 10 dB, and the pilot length is τ p = 2S. Here, S is the number of small cells (SCs). And σ m 2 = σ s 2 = σ c 2 = 0.3.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템의 백홀링크 무선통신의 두 번째 단계에서 SNR에 따른 달성 가능한 합계 전송률을 수학식으로 구한 결과와 시뮬레이션으로 얻은 결과를 비교하는 그래프이다.10 is a graph comparing a result obtained by a simulation with a result obtained by mathematically calculating the achievable total transmission rate according to SNR in the second step of backhaul wireless communication of a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

두 번째 단계에서 달성 가능한 합계 전송률(achievable sum-rate)을 구하기 위해, 먼저 모든 스몰셀(SCs)에 대해, 수학식 18에서 각각의 매크로셀(MC)로의 업링크 달성 가능 전송률 Rm,k (2) 를 구하고, 수학식 19에서 각각의 스몰셀(SC)로의 다운링크 달성 가능 전송률 Rs,k (2) 를 구하였다. 그리고 전체 합계 전송률(total sum-rate)을 구하기 위해 모든 스몰셀(SCs)에 대해 업링크 전송률(UL rate)과 다운링크 전송률(DL rate)을 더하였다. In order to obtain an achievable sum-rate in the second step, for all small cells (SCs), the uplink achievable rate R m,k ( Eq. 18) to each macro cell (MC) 2) was obtained, and the downlink achievable transmission rate R s,k (2) to each small cell (SC ) was obtained from Equation (19). And to obtain the total sum rate (total sum-rate), uplink rate (UL rate) and downlink rate (DL rate) were added to all small cells (SCs).

별표는 시뮬레이션의 결과이고, 실선은 수학식에서 구한 결과이다. 매크로셀(MC)의 송신 안테나 수 Mtx = 200 이고, 스몰셀(SC) 2개(S = 2)의 각각의 송신 안테나 수 Ntx = 100 인 상대적으로 적은 안테나 수의 경우에도, 수학식으로 구한 합계 전송률(achievable sum-rate)결과가 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 즉, 정리 2(Theorem 2)의 수학식 18과 수학식 19로 얻은 두 번째 단계의 결과는 동일한 파라미터를 사용한 첫 번째 결과와 동일하다. 따라서 두 번째 단계에서도 첫 번째 단계에서 얻은 시스템을 동일하게 사용할 수 있다.The asterisk is the result of the simulation, and the solid line is the result obtained from the equation. Even in the case of a relatively small number of antennas, where the number of transmit antennas of the macro cell MC is M tx = 200 and the number of transmit antennas of each of the two small cells (S = 2) N tx = 100, It can be seen that the obtained achievable sum-rate results agree well with the simulation results. That is, the result of the second step obtained by Equation 18 and Equation 19 of Theorem 2 is the same as the first result using the same parameters. Therefore, in the second stage, the system obtained in the first stage can be used identically.

<실시예> 시뮬레이션 결과 - 파일럿 길이 영향<Example> Simulation result-Pilot length effect

제안된 시스템의 전체 합계 스펙트럼 효율(SE)에 대한 파일럿 길이 τp 의 영향을 검토하였다. 특별히 언급되지 않는 한, 파일럿 전력은 pτ = 0 dB 이고, 코히어런스 길이(coherence interval)는 T = 50 이다. 표준편차 β1 = β2 = 0.1 이고, 분산 ηm 2 = ηs 2 = ηc 2 = 0.3 이고, 간섭은 σm 2 = σs 2 = σc 2 = 0.3 로 설정하였다.The effect of pilot length τ p on the total sum spectral efficiency (SE) of the proposed system was examined. Unless otherwise specified, the pilot power is p τ = 0 dB, and the coherence interval is T = 50. Standard deviation β 1 = β 2 = 0.1, variance η m 2 = η s 2 = η c 2 = 0.3, and interference was set to σ m 2 = σ s 2 = σ c 2 = 0.3.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 몇 개의 스몰셀 수 S에 대하여 파일럿 길이에 대한 전체 스펙트럼 효율(SE)을 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the overall spectral efficiency (SE) for a pilot length for several small cell numbers S in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

각각의 스몰셀 수 S에 대해, 파일럿 길이 τp 는 2S에서 T까지의 값으로 변화하며 전체 스펙트럼 효율(SE)을 구하였다.For each small cell number S, the pilot length τ p was changed to a value from 2S to T to obtain the total spectral efficiency (SE).

전체 스펙트럼 효율(SE)은 초기에 파일럿 길이에 따라 증가하지만, 최적의 파일럿 길이 τp * 를 지나면 감소하기 시작한다. 따라서 전체 스펙트럼 효율(SE)과 채널 추정에 이용 될 수있는 파일럿 길이 사이에는 상충관계가 존재한다. 따라서 전체 스펙트럼 효율(SE)을 최대화 시킬 수 있는 최적의 파일럿 길이 τp * 를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 최적의 파일럿 길이 τp * 는 경사하강법(gradient descent)을 사용하여 구할 수 있다. 도 11에서 최적의 파일럿 길이 τp * 에 해당하는 위치를 ○로 표시하였다.The overall spectral efficiency SE initially increases with the pilot length, but begins to decrease after the optimal pilot length τ p * . Therefore, there is a trade-off between the overall spectrum efficiency (SE) and the pilot length that can be used for channel estimation. Therefore, it is desirable to use the optimal pilot length τ p * that can maximize the overall spectral efficiency (SE). The optimum pilot length τ p * can be obtained using a gradient descent method. In FIG. 11, the position corresponding to the optimal pilot length τ p * is indicated by ○.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 SNR에 대한 전체 스펙트럼 효율(SE)을 고정된 파일럿 길이의 경우와 최적화된 파일럿 길이의 경우에 대하여 비교하여 나타낸 그래프이다.FIG. 12 is a graph comparing total spectrum efficiency (SE) for SNR in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention with respect to a fixed pilot length and an optimized pilot length.

최적화된 파일럿 길이 τp * 의 전체 스펙트럼 효율(SE)은 파일럿 길이가 τp = 2S 로 고정된 경우보다 모든 SNR 영역에서 높다. 그러나 스몰셀의 수 S가 증가함에 따라, 파일럿 길이가 τp = 2S 로 고정된 경우의 스펙트럼 효율(SE)이 최적화된 파일럿 길이의 경우에 근접해 감을 알 수 있다.The overall spectral efficiency (SE) of the optimized pilot length τ p * is higher in all SNR regions than when the pilot length is fixed at τ p = 2S. However, as the number S of small cells increases, it can be seen that the spectral efficiency (SE) when the pilot length is fixed at τ p = 2S approaches the case of the optimized pilot length.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 네트워크 시스템에서 매크로셀의 통신방법을 나타내는 순서도이다.13 is a flowchart illustrating a method for communicating a macro cell in a heterogeneous network system according to an embodiment of the present invention.

매크로셀의 제어부에서, 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 와 수신 안테나 임계값 Mrx0 을 비교한다(S700).In the control unit of the macro cell, in the first time period, the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna is compared with the receive antenna threshold M rx0 (S700).

제1 시구간의 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 큰 경우, 전이중(FD) 모드로 동작한다.When the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna of the first time period is greater than the receive antenna threshold M rx0 , the mode operates in full-duplex (FD) mode.

제1 시구간(첫 번째 단계)에서(S710), 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 스몰셀 개수에 해당하는 안테나를 송신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정한다(S731). 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 S 개의 송신 안테나로 S 개의 스몰셀에 각각 송신하면서, 동시에 Mrx 개의 수신 안테나로 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신한다(S733).In the first time interval (first step) (S710), the macrocell circulator is set to use an antenna corresponding to the number of small cells among the macrocell MIMO antennas for transmission, and the remaining M rx antennas are set to use for reception. (S731). Among the macro cell MIMO antennas, S transmission cells are respectively transmitted to S small cells, and data transmitted from the small cells are simultaneously received at M rx reception antennas (S733).

제2 시구간(두 번째 단계)에서(S720), 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 스몰셀 개수에 해당하는 안테나를 수신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정한다(S735). 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 S 개의 수신 안테나로 S 개의 스몰셀에서 송신된 데이터를 각각 수신하면서, 동시에 Mtx 개의 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신한다(S737).In the second time period (second step) (S720), the macrocell circulator is set to use an antenna corresponding to the number of small cells among the macrocell MIMO antennas, and the remaining M tx antennas are set to be used for transmission. (S735). Among the macro cell MIMO antennas, data transmitted from S small cells are respectively received by S receiving antennas, and data are simultaneously transmitted to the small cells using M tx antennas (S737).

만약, 제1 시구간의 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 작은 경우, 반이중(HD) 모드로 동작한다.If the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna of the first time period is smaller than the receive antenna threshold M rx0 , the UE operates in a half-duplex (HD) mode.

제1 시구간(S710)에서, 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정한다(S741). 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신한다(S743).In the first time period S710, the macro cell circulator is set to use all the macro cell MIMO antennas for transmission (S741). The macro cell MIMO antenna is used to transmit data to the small cell (S743).

제2 시구간(S720)에서, 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정한다(S745). 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신한다(S747).In the second time period S720, the macro cell circulator is set to use all the macro cell MIMO antennas for reception (S745). Data transmitted from the small cell is received using the macro cell MIMO antenna (S747).

스몰셀(SC)의 통신방법도 매크로셀(MC)과 유사한 방법으로 수행할 수 있으며, 통상의 기술자에게 자명하다.The communication method of the small cell (SC) can also be performed in a similar way to the macro cell (MC), and is apparent to those skilled in the art.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.The present invention has been described in detail through representative embodiments, but those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications within the limits without departing from the scope of the present invention for the above-described embodiments. Will understand. Therefore, the scope of rights of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should be determined not only by the claims to be described later, but also by all modified or modified forms derived from the claims and equivalent concepts.

110 : 매크로셀(MC)
111 : 매크로셀 기지국
112, 113 : 매크로셀 송신 안테나
114, 116, 117 : 매크로셀 수신 안테나
119 : 고객 단말기
130, 150 : 스몰셀(SC)
131, 151 : 스몰셀 기지국
131, 152 : 스몰셀 송신 안테나
134, 137, 154, 157 : 스몰셀 수신 안테나
139, 159 : 고객 단말기
110: macro cell (MC)
111: macro cell base station
112, 113: macro cell transmit antenna
114, 116, 117: macro cell receiving antenna
119: customer terminal
130, 150: Small cell (SC)
131, 151: Small cell base station
131, 152: Small cell transmit antenna
134, 137, 154, 157: Small cell receiving antenna
139, 159: customer terminal

Claims (18)

삭제delete 하나 이상의 스몰셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀에 있어서,
매크로셀 MIMO 안테나;
매크로셀 서큘레이터; 및
매크로셀 제어부;를 포함하며,
상기 매크로셀 서큘레이터는,
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀의 개수 S 에 해당하는 안테나를 송신에 사용하고, 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하고,
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수 S 에 해당하는 안테나를 수신에 사용하고, 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하고,
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 작은 경우,
상기 매크로셀 서큘레이터는,
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하고,
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
In a macro cell of a heterogeneous cellular network system having one or more small cells and a wireless backhaul link,
Macro cell MIMO antenna;
Macrocell circulator; And
Includes a macro cell control unit;
The macro cell circulator,
In the first time period, an antenna corresponding to the number S of the small cells among the macro cell MIMO antennas is used for transmission, and the remaining M rx antennas are set to be used for reception,
In the second time period, among the macro cell MIMO antennas, an antenna corresponding to the number of small cells S is used for reception, and the remaining M tx antennas are set to be used for transmission,
In the first time period, if the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna is less than the receive antenna threshold M rx0 ,
The macro cell circulator,
In the first time period, all the macro cell MIMO antennas are set to be used for transmission,
Heterogeneous cellular network system, characterized in that the second cell is set to use all of the macro cell MIMO antenna for reception.
제2항에 있어서,
상기 매크로셀의 수신 안테나 임계값 Mrx0 은, 하기 수학식 25로 구하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
[수학식 25]
Figure 112019124388011-pat00065

(여기에서,
Figure 112019124388011-pat00066
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σm 2 은 매크로셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고,
Figure 112019124388011-pat00067
(A=1) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β1k 는 대규모 페이딩 효과이다.)
According to claim 2,
The heterogeneous cellular network system, characterized in that the reception antenna threshold value M rx0 of the macro cell is obtained by Equation 25 below.
[Equation 25]
Figure 112019124388011-pat00065

(From here,
Figure 112019124388011-pat00066
, P 1 is the small cell transmission power, p 2 is the macro cell transmission power, σ m 2 is the strength of the self-interference channel in the macro cell,
Figure 112019124388011-pat00067
(A=1), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 1k is a large-scale fading effect.)
제2항에 있어서,
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭(SI)의 세기가 자기간섭 임계값 σm,0 2 보다 큰 경우,
상기 매크로셀 서큘레이터는,
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하고,
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
According to claim 2,
In the first time period, when the intensity of the self-interference (SI) of the macro cell MIMO antenna is greater than the self-interference threshold σ m,0 2 ,
The macro cell circulator,
In the first time period, all the macro cell MIMO antennas are set to be used for transmission,
Heterogeneous cellular network system, characterized in that the second cell is set to use all of the macro cell MIMO antenna for reception.
삭제delete 매크로셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 하나 이상의 스몰셀에 있어서,
스몰셀 MIMO 안테나;
스몰셀 서큘레이터; 및
스몰셀 제어부;를 포함하며,
상기 스몰셀 서큘레이터는,
제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 송신에 사용하고 나머지 Nrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하고,
제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 수신에 사용하고 나머지 Ntx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하고,
상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 가 수신 안테나 임계값 Nrx0 보다 작은 경우,
상기 스몰셀 서큘레이터는,
제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하고,
제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
In one or more small cells of a heterogeneous cellular network system having a macro cell and a wireless backhaul link,
Small cell MIMO antenna;
Small cell circulator; And
Small cell control unit; includes,
The small cell circulator,
In the first time period, one of the small cell MIMO antennas is used for transmission, and the remaining N rx antennas are set to be used for reception,
In the second time period, one of the small cell MIMO antennas is used for reception, and the remaining N tx antennas are set to be used for transmission,
In the first time period, if the number of receive antennas N rx of the small cell MIMO antenna is less than the receive antenna threshold N rx0 ,
The small cell circulator,
Set to use all of the small cell MIMO antenna for reception in the first time period,
Heterogeneous cellular network system, characterized in that the small cell MIMO antenna is set to be used for transmission in a second time period.
제6항에 있어서,
상기 스몰셀의 수신 안테나 임계값 Nrx0 은, 하기 수학식 27로 구하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
[수학식 27]
Figure 112019124388011-pat00068

(여기에서,
Figure 112019124388011-pat00069
이고,
Figure 112019124388011-pat00070
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σs,k 2 는 스몰셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고, σc,kj 2 는 스몰셀간 간섭 채널의 세기이고,
Figure 112019124388011-pat00071
(A=2) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β2k 는 대규모 페이딩 효과이다.)
The method of claim 6,
A heterogeneous cellular network system, characterized in that the reception antenna threshold value N rx0 of the small cell is obtained by Equation (27) below.
[Equation 27]
Figure 112019124388011-pat00068

(From here,
Figure 112019124388011-pat00069
ego,
Figure 112019124388011-pat00070
, P 1 is the small cell transmit power, p 2 is the macro cell transmit power, σ s,k 2 is the strength of the self-interference channel in the small cell, and σ c,kj 2 is the strength of the inter-small cell interference channel,
Figure 112019124388011-pat00071
(A=2), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 2k is a large-scale fading effect.)
제2항 또는 제6항에 있어서,
상기 스몰셀의 개수 S 가 4 이상인 경우, 파일럿 길이 τp 는 상기 스몰셀 개수의 2배인 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
The method of claim 2 or 6,
When the number S of the small cells is 4 or more, the pilot length τ p is a heterogeneous cellular network system, characterized in that it is twice the number of the small cells.
제2항 또는 제6항에 있어서,
파일럿 길이 τp 는 상기 스몰셀의 개수 S 의 2배 이상이고, 코히어런스 길이 T 이하인 값 중에서, 하기 수학식 32의 RSE 값을 최대로 하는 값으로 선택하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템.
[수학식 32]
Figure 112019124388011-pat00072

(여기에서, Rk 는 제1 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제1 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량을 모두 합한 값 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이다.)
The method of claim 2 or 6,
The pilot length τ p is a heterogeneous cellular network system characterized in that R SE value of Equation 32 below is selected as a maximum value among values smaller than or equal to twice the number of small cells S and coherence length T or less. .
[Equation 32]
Figure 112019124388011-pat00072

(Here, R k is the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macrocell in the first time period and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the first time period and the second time period. This is the sum of the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macro cell and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the second time period, where τ p is the length of the pilot sequence.)
삭제delete 하나 이상의 스몰셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법에 있어서,
매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀의 개수S 에 해당하는 안테나를 송신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하는 단계;
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Mrx 개의 안테나로 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;
상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 스몰셀 개수에 해당하는 안테나를 수신에 사용하도록 설정하고 나머지 Mtx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Mtx 개의 안테나를 이용하여 상기 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계;를 포함하고
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 와 수신 안테나 임계값 Mrx0 을 비교하는 단계;
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Mrx 가 수신 안테나 임계값 Mrx0 보다 작은 경우,
상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계;
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계;
상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 및
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
In the communication method of a macro cell of a heterogeneous cellular network system having one or more small cells and a wireless backhaul link,
Setting a macrocell circulator to use an antenna corresponding to the number S of the small cells among the macrocell MIMO antennas for transmission, and setting the remaining M rx antennas for reception;
Receiving data transmitted from a small cell through the M rx antennas among the macro cell MIMO antennas in a first time period;
Setting the macrocell circulator to use the antenna corresponding to the number of small cells among the macrocell MIMO antennas for reception and setting the remaining M tx antennas to be used for transmission; And
And transmitting data to the small cell using the M tx antennas among the macro cell MIMO antennas in a second time period.
Comparing, in the first time period, the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna and the receive antenna threshold M rx0 ;
In the first time period, if the number of receive antennas M rx of the macro cell MIMO antenna is less than the receive antenna threshold M rx0 ,
Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for transmission;
Transmitting data to the small cell in the first time period using the macro cell MIMO antenna;
Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for reception; And
And receiving data transmitted from a small cell using the macro cell MIMO antenna in a second time period. The communication method of the macro cell of the heterogeneous cellular network system further comprises.
제11항에 있어서,
상기 매크로셀의 수신 안테나 임계값 Mrx0 을 하기 수학식 25로 구하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
[수학식 25]
Figure 112019124388011-pat00073

(여기에서,
Figure 112019124388011-pat00074
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σm 2 은 매크로셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고,
Figure 112019124388011-pat00075
(A=1) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β1k 는 대규모 페이딩 효과이다.)
The method of claim 11,
And obtaining the reception antenna threshold value M rx0 of the macro cell by the following equation (25): A method of communicating a macro cell in a heterogeneous cellular network system.
[Equation 25]
Figure 112019124388011-pat00073

(From here,
Figure 112019124388011-pat00074
, P 1 is the small cell transmission power, p 2 is the macro cell transmission power, σ m 2 is the strength of the self-interference channel in the macro cell,
Figure 112019124388011-pat00075
(A=1), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 1k is a large-scale fading effect.)
제11항에 있어서,
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭의 세기와 자기간섭의 임계값 σm,0 2 을 비교하는 단계;
상기 제1 시구간에서, 매크로셀 MIMO 안테나의 자기간섭의 세기가 자기간섭의 임계값 σm,0 2 보다 큰 경우,
상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계;
제1 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀로 데이터를 송신하는 단계;
상기 매크로셀 서큘레이터가 매크로셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계; 및
제2 시구간에서 상기 매크로셀 MIMO 안테나를 이용하여 스몰셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
The method of claim 11,
Comparing the intensity of self-interference and the threshold value of self-interference σ m,0 2 of the macrocell MIMO antenna in the first time period;
In the first time period, when the intensity of self-interference of the macro cell MIMO antenna is greater than the threshold of self-interference σ m,0 2 ,
Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for transmission;
Transmitting data to the small cell in the first time period using the macro cell MIMO antenna;
Setting the macrocell circulator to use all macrocell MIMO antennas for reception; And
And receiving data transmitted from the small cell using the macro cell MIMO antenna in a second time period. The communication method of the macro cell of the heterogeneous cellular network system further comprises.
삭제delete 매크로셀과 무선백홀 링크를 가지는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 하나 이상의 스몰셀의 통신방법에 있어서,
스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 송신에 사용하도록 설정하고 나머지 Nrx 개의 안테나는 수신에 사용하도록 설정하는 단계;
제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Nrx 개의 안테나로 상기 매크로셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;
상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 1개의 안테나를 수신에 사용하도록 설정하고 나머지 Ntx 개의 안테나는 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및
제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나 중에서 상기 Ntx 개의 안테나를 이용하여 상기 매크로셀로 데이터를 송신하는 단계;를 포함하고
상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 와 수신 안테나 임계값 Nrx0 을 비교하는 단계;
상기 제1 시구간에서, 스몰셀 MIMO 안테나의 수신 안테나 수 Nrx 가 수신 안테나 임계값 Nrx0 보다 작은 경우,
상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 수신에 사용하도록 설정하는 단계;
제1 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 이용하여 상기 매크로셀에서 송신된 데이터를 수신하는 단계;
상기 스몰셀 서큘레이터가 스몰셀 MIMO 안테나를 모두 송신에 사용하도록 설정하는 단계; 및
제2 시구간에서 상기 스몰셀 MIMO 안테나를 이용하여 상기 매크로셀로 데이터를 송신하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
In the communication method of one or more small cells of a heterogeneous cellular network system having a macro cell and a wireless backhaul link,
Setting a small cell circulator to use one antenna among the small cell MIMO antennas for transmission and setting the remaining N rx antennas to use for reception;
Receiving data transmitted from the macro cell with the N rx antennas among the small cell MIMO antennas in a first time period;
Setting the small cell circulator to use one antenna among the small cell MIMO antennas for reception and setting the remaining N tx antennas to be used for transmission; And
And transmitting data to the macrocell using the N tx antennas among the small cell MIMO antennas in a second time period.
Comparing, in the first time period, the number of receive antennas N rx of the small cell MIMO antenna and the receive antenna threshold N rx0 ;
In the first time period, if the number of receive antennas N rx of the small cell MIMO antenna is less than the receive antenna threshold N rx0 ,
Setting the small cell circulator to use all small cell MIMO antennas for reception;
Receiving data transmitted from the macro cell in the first time period using the small cell MIMO antenna;
Setting the small cell circulator to use all small cell MIMO antennas for transmission; And
And transmitting data to the macrocell using the small cell MIMO antenna in a second time period. The communication method of the macrocell of the heterogeneous cellular network system further comprises.
제15항에 있어서,
상기 스몰셀의 수신 안테나 임계값 Nrx0 을 하기 수학식 27로 구하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
[수학식 27]
Figure 112019124388011-pat00076

(여기에서,
Figure 112019124388011-pat00077
이고,
Figure 112019124388011-pat00078
이고, p1 은 스몰셀 송신 전력이고, p2 는 매크로셀 송신 전력이고, σs,k 2 는 스몰셀 내의 자기간섭 채널의 세기이고, σc,kj 2 는 스몰셀간 간섭 채널의 세기이고,
Figure 112019124388011-pat00079
(A=2) 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이이고, pτ 는 파일럿 전력이고, β2k 는 대규모 페이딩 효과이다.)
The method of claim 15,
And obtaining the reception antenna threshold value N rx0 of the small cell by Equation (27) below: A method of communicating macrocells in a heterogeneous cellular network system.
[Equation 27]
Figure 112019124388011-pat00076

(From here,
Figure 112019124388011-pat00077
ego,
Figure 112019124388011-pat00078
, P 1 is the small cell transmit power, p 2 is the macro cell transmit power, σ s,k 2 is the strength of the self-interference channel in the small cell, and σ c,kj 2 is the strength of the inter-small cell interference channel,
Figure 112019124388011-pat00079
(A=2), τ p is the length of the pilot sequence, p τ is the pilot power, and β 2k is a large-scale fading effect.)
제11항 또는 제15항에 있어서,
상기 스몰셀의 개수 S 가 4 이상인 경우, 파일럿 길이 τp 를 상기 스몰셀 개수의 2배로 설정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
The method of claim 11 or 15,
And when the number S of the small cells is 4 or more, setting a pilot length τ p to be twice the number of the small cells; further comprising a method for communicating a macro cell in a heterogeneous cellular network system.
제11항 또는 제15항에 있어서,
파일럿 길이 τp 를 상기 스몰셀의 개수 S 의 2배 이상이고 코히어런스 길이 T 이하인 값 중에서, 하기 수학식 32의 RSE 값을 최대로 하는 값으로 선택하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 셀룰러 네트워크 시스템의 매크로셀의 통신방법.
[수학식 32]
Figure 112019124388011-pat00080

(여기에서, Rk 는 제1 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제1 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 매크로셀의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량과 제2 시구간에서의 k 번째 스몰셀에서의 전이중 무선 백홀링크의 채널용량을 모두 합한 값 이고, τp 는 파일럿 시퀀스의 길이다.)
The method of claim 11 or 15,
And selecting a pilot length τ p as a value that maximizes an R SE value of Equation 32 below from a value that is two times or more of the number of small cells S and a coherence length T or less. Macro cell communication method of a heterogeneous cellular network system.
[Equation 32]
Figure 112019124388011-pat00080

(Here, R k is the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macrocell in the first time period and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the first time period and the second time period. This is the sum of the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link of the macro cell and the channel capacity of the full duplex wireless backhaul link in the k th small cell in the second time period, where τ p is the length of the pilot sequence.)
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KR20160088319A (en) * 2013-11-17 2016-07-25 핑 리앙 Massive mimo multi-user beamforming and single channel full duplex for wireless networks
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"Uplink/Downlink Achievable Rate Analysis of Heterogeneous Networks with Massive MIMO Full-Duplex Backhaul Link," Prince Anokye 외 2인, IEEE PIMRC (2017.10.13.) 1부.* *
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