KR102130287B1 - 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법 및 이를 이용한 mimo 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 안테나 시스템의 송신 빔형성 기술에 관한 것으로서, 랜덤으로 빔형성 후 제한적 채널 정보만을 이용하는 기회적 빔형성에 있어서, BS와 MS간에 추가 정보 교환이나 MS 하드웨어 디자인에 변화를 요구하지 않고 BS의 추가적인 메모리 부분과 스케줄러 내의 결정블록에서 약간의 수정을 통해 데이터 전송속도를 개선시키는 장점이 있다.

Description

적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법 및 이를 이용한 MIMO 시스템{Adaptive Perturbation-aided Opportunistic Beamforming method and MIMO system using the same}

본 발명은 다중 안테나 시스템의 송신 빔형성 기술에 관한 것이다.

많은 이전의 연구들이 다중 사용자 기반의 무선 통신 시스템의 성능을 개선하기 위해서 다중 사용자의 다이버시티와 기회적 빔형성을 언급했다.

다중 사용자의 다이버시티는 다른 사용자에 의해 관찰되는 채널 조건이 독립적인 페이딩 변화를 포함한다는 사실에 기반한다.

각 단말(mobile station, MS)은 즉각적인 채널 상태를 추정하는데, 이는 신호대잡음비( signal-noise ratio, SNR)로 표시되어 기지국(base station, BS)으로 보내진다.

그런 다음, BS에 있는 스케쥴러는 이 정보를 이용하여 최상의 채널 품질을 갖는 MS에 자원을 할당한다.

따라서, 전체적인 시스템은 처리 성능이 다중 사용자의 다이버시티를 활용하지 않는 사례에 비해 크게 향상될 수 있다.

이 아이디어가 실제 시스템에서 구현되기 위해서, 스케쥴링된 딜레이와 공정성 문제가 해결돼야 한다.

이 문제들을 해결하기 위한 단순한 알고리즘으로써 비례적 공정 스케줄링(proportional fair scheduling, PFS) 기술이 채택될 수 있는바, 이 알고리즘은 MS들 사이에서 공정성을 달성할 뿐만 아니라 유리한 채널조건에서 MS를 선택하여 다중 사용자 다이버시티 이득을 활용한다.

하지만 느린 페이드 채널에서는 작은 채널 변동이 시간이 지날수록 다중 사용자 다이버시티 이득을 감소시킨다.

이 문제를 해결하기 위해서, 기회적 빔형성(opportunistic beamforming, OBF) 알고리즘이 제안되었다.

OBF에서는, 복합 빔형성 계수의 진폭과 위상이 슈도 랜덤 방식으로 변화하는 다중 안테나의 신호 전송을 통해 MS에 의해 관찰된 유효 채널조건의 동적 변동이 증가하고, 이는 더 큰 다중 사용자 다이버시티 이득을 발생한다.

그러나 OBF에서조차, 다중 사용자 다이버시티 이득은 작은 수의 MS에서는 심각하게 감소하고 이는 시스템 성능을 저하 시킨다.

OBF의 전반적인 시스템 성능을 개선하기 위해, 시간상관 기회적 빔형성(time coherent-opportunistic beamforming, TC-OBF) 이라는 진보된 버전이 소개되었다.

TC-OBF에서, 빔 형성 벡터는 각 MS의 달성 가능한 데이터 속도에 따라 BS의 메모리에 저장되며, 현재의 빔형성벡터를 사용하여 데이터를 전송하는 대신, 스케줄러가 메모리에서 검색하여 해당 MS에 대한 최대 데이터 속도에 해당하는 데이터를 채택한다.

이와 같이, 다중 안테나 시스템의 송신 빔형성(Beamforming)을 위해 일반적으로 채널 정보가 요구되나 매우 많은 수의 안테나를 사용하는 대단위 다중안테나 시스템에서는 채널 정보의 획득이 어렵거나 제한적이다.

따라서 빔형성 이득을 획득하는데 어려움이 있으며, 이를 해결하기 위해 OBF 기술을 이용할 수 있으나 기존 적응 빔형성 기술에 비해 낮은 데이터 전송 속도를 가지는 단점이 있다.

한국 공개특허 제10-2016-0081779호를 보면, 중계국에서의 물리 네트워크 코딩을 이용한 데이터 전송 방법에 있어서, 제1 노드로부터 제1 신호를, 제2 노드로부터 제2 신호를 수신하는 동작, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호에 기초하여 물리 네트워크 코딩이 적용된 제3 신호를 생성하는 동작, 상기 중계국과 상기 제1 노드 사이의 제1 채널의 실효 전력과 상기 중계국과 상기 제2 노드 사이의 제2 채널의 실효 전력 중 낮은 실효 전력을 최대화하는 빔을 형성하는 동작, 및 상기 빔에 기초하여 상기 제3 신호를 상기 제1 노드와 상기 제2 노드에게 송신하는 동작을 포함하는바, 본 발명이 제안하고자 하는 기존 적응 빔형성 기술에 대한 개선방안과는 상이하다.

본 발명은 제한적 채널 정보만을 활용하면서도 높은 데이터 전송 속도를 획득하기 위하여 기회적 빔형성 기술의 빔형성 웨이트(Beamforming weight)를 완전히 랜덤하게 생성하는 대신 적응적 섭동(Perturbation)을 적용하여 성능을 향상시킨 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법을 제안한다.

본 발명은 다중 안테나 시스템의 기회적 송신 빔형성 방법에 있어서, 기회적 빔 형성의 빔형성 웨이트를 생성할 때 바로 이전 M시간 동안 생성된 빔 형성 웨이트 중 가장 높은 데이터 전송속도를 가져온 빔형성 웨이트를 섭동하는 것을 특징으로 하는 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법을 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 섭동 값은 랜덤 섭동 웨이트에 적응 섭동 웨이트를 더한 값을 이용한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 적응 섭동 웨이트는 이전 시간의 랜덤 웨이트가 전송속도 향상을 가져왔을 경우 해당 랜덤 웨이트가 적용되고, 반대로 전송속도 하락을 가져왔을 경우에는 그 반대 부호의 값으로 적용된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법(AP-OBF)을 적용한 MIMO(Multiple Input Multiple Output)시스템을 제공한다.

본 발명에 따르면, 기존 기회적 빔형성에 적응 섭동 기술을 적용하여 향상된 전송속도를 얻을 수 있고, 제한된 궤환(feedback) 정보만을 이용하여 다중 안테나 시스템을 동작시킴으로써 낮은 복잡도로 높은 성능 획득이 가능하며, 채널 정보가 제한적인 현실적인 대단위 다중 안테나 시스템에서 동작 가능하여 기술 적용 용이성이 높다.

또한, 낮은 복잡도로 높은 전송속도의 획득이 필요한 5G 이동통신 시스템을 위한 효과적인 신호 송신 방안으로 활용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법의 처리 흐름도이다.

OBF및 TC-OBF알고리즘에서는 빔형성 벡터가 무작위로 생성되고, 이는 최적에 가까운 빔형성 성능을 얻기 위하여 매우 많은 수의 MS를 요구한다.

본 발명은 완벽히 랜덤하게 생성된 게 아니라 현재 채널조건에 따른 새로운 빔형성 벡터를 발생하는 기술을 제안한다.

다시 말해서, 그것은 궤환을 더 효율적으로 활용하여 시간에 따라 변화하는 채널을 추적하는 것을 목표로 한다.

섭동이 빔형성 벡터에 적용될 때, 그것은 성능 개선이나 저하로 이어질 수 있다.

본 발명에 따른 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법(adaptive perturbation-aided OBF, AP-OBF)에서 BS는 메모리에 저장된 이전 전송속도 중 최대치보다 높은 전송속도를 제공하는 섭동을 채택하고, 그렇지 않으면 그것은 버려진다.

이는 다중 안테나 시스템의 기회적 송신 빔형성 방법에 있어서, 기회적 빔 형성의 빔형성 웨이트를 생성할 때 바로 이전 M시간 동안 생성된 빔 형성 웨이트 중 가장 높은 데이터 전송속도를 가져온 빔형성 웨이트를 섭동하는 것으로서, 이와 같은 방법에 의한 섭동을 받아들인다면, 빔형성 벡터는 최대 전송속도를 가진 최적치에 근접할 가능성이 크다.

게다가, 무작위적인 섭동 외에도, AP-OBF는 적응적 섭동을 이용하는바, 이는 이전 시간 슬롯에서의 섭동에 기반하여 생성된다.

원비트 궤환 정보에 기반하는 분산된 빔형성 기술과 유사하게, 각 시간 슬롯에서 선택된 MS에 대해, 만일 섭동이 메모리의 최대 전송속도와 비교하여 성능개선을 유도한다면, 동일한 섭동방향이 다음 시간슬롯을 위한 성능개선을 이끌 수 있다.

반대로, 섭동이 성능 저하를 발생한다면, 이 섭동의 반대 방향이 다음 시간 슬롯에서 성능 개선을 제공한다.

이 생각에 따르면, AP-OBF기술은 이전 시간대에서의 성능 저하를 일으킨 경우를 포함한 섭동에 대한 정보를 이용하여 현재 시간 슬롯에 있는 수신 SNR을 향상시킬 수 있다.

시간 슬롯 t(>0)에서 제안된 AP-OBF기술은 랜덤 섭동과 적응 섭동을 이용하여 새로운 빔형성 벡터

를 생성하고, 이는 이전 시간의 랜덤 섭동과 동일 또는 반대 방향으로 설정된다.

즉, 본 발명은 랜덤 섭동 웨이트에 적응 섭동 웨이트를 더한 값을 전체 섭동값으로 이용하며, 상기 적응 섭동 웨이트는 이전 시간의 랜덤 웨이트가 전송속도 향상을 가져왔을 경우 해당 랜덤 웨이트가 적용되고, 반대로 전송속도 하락을 가져왔을 경우에는 그 반대 부호의 값으로 적용되는 특징이 있다.

그리고 빔형성벡터를 이용하여 파일럿 신호를 MS에 송신한다.

상기 전송속도의 향상 또는 하락은 각 단말이 송신하는 신호대잡음비 궤환(feedback) 정보를 이용하여 판단될 수 있는바, 각 MS는 수신한 SNR을 추정하고, 이를 BS에 보고한다.

TC-OBF와 유사하게 BS는 크기 M의 메모리에 빔형성 벡터 뿐만 아니라 보고된 SNR에 상응하는 달성가능한 데이터 전송 속도를 저장한다.

스케줄링을 위해, 수정된 PFS전략을 사용하는바, 이는 다음 식1에 따라 예정된 MS 인덱스인

를 선택한다.

<식1>

여기서,

는 최근 시간 슬롯 M동안의 MS k의 최대 데이터 속도를 나타낸다.

의 경우, BS는 메모리에서 최대 데이터 전송속도

를 위한 빔형성 벡터를 발견한다.

그리고 나서, 파일럿 전송에 사용된 빔형성벡터 대신에, w(t)로 표시되는

에 상응하는 빔형성 벡터가 데이터를

로 전송하는데 사용된다.

선택된 빔형성 벡터w[t]는 또한 시간 슬롯(t+1)를 위한 새로운 빔형성 벡터를 생성하는데 사용된다.

도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 AP-OBF의 구체적인 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.

초기 빔형성벡터 생성단계(s1)는 초기 시간 슬롯 t=0에서 빔형성 벡터 w[t](=

)]는 랜덤하게 생성된다.

새로운 빔형성벡터 생성단계(s2)는 시간 슬롯 t(>0)에서, 랜덤 섭동

과 적응 섭동

은 빔형성 벡터 w[t-1]에 적용되는데, 이는 시간 슬롯(T-1)에서

로 데이터를 전송하는 데 사용된다.

여기서,

는

복합 매트릭스의 공간을 나타낸다.

구체적으로, 새로운 빔형성 벡터는 식2로 표현된다.

<식2>

여기서,

은 표준화되지 않은 빔형성 벡터로서 식3에 의해 계산되며,

는 벡터값을 나타낸다.

<식3>

여기서, α와 β는 섭동 계수를 나타낸다.

를 위해, 먼저 i.i.d, 영평균, 단위 변환 복합 가우시안 랜덤 변수로 구성되는

벡터를 생성한다. 그리고 나서 그것을 기준값(

)으로 나누어 정규화한다.

적응 섭동벡터

는 이전 시간슬롯에서 적용되었던 랜덤 섭동과 동일하거나 반대 방향으로 설정된다.

명백하게, 만약 시간 슬롯(t-1)의 랜덤 섭동인

이

에 대한 SNR 증가를 만들었다면 식4가 성립하고, 그렇지 않으면 식 5를 적용한다.

<식4>

<식5>

초기 단계에서는,

로 설정된다.

MS에 파일럿신호 전송단계(s3)는 BS는 새로운 정규화된 빔형성벡터

를 활용하여 모든 MS에 파일럿 신호를 전송한다.

수신 SNR궤환단계(s4)는 파일럿 신호를 이용하여, 각 MS는 수신 SNR을 측정하고, 이는 BS로 궤환된다.

전송속도 저장 및 스케줄링 단계(s5)에서 BS는 모든 MS에서 SNR을 수집하고, 식6을 이용하여 달성할 수 있는 데이터 전송 속도를 계산하여,

와 함께 메모리에 저장한다.

BS는 식1에 따라

를 스케쥴링한다.

최대 전송속도의 빔형성벡터 검색단계(s6)에서 선택된

의 경우, BS는 메모리 내에서 최대 전송속도에 상응하는 빔형성벡터 w[t]를 발견한다.

w[t]를 이용함으로써, BS는 데이터를

에 전송하고 식6에 따른 각 MS의 평균 성능을 갱신한다.

<식6>

여기서,

는 스케줄링 딜레이와 다중 사용자 다이버시티 이득 간의 트레이드오프 이다.

7)알고리즘은

로 진행해 가면서 단계 2)에서 단계 6)까지 반복된다.

식3에서, 새로운 빔 형성 벡터를 생성하기 위해, 본 발명은

을 사용하는 것보다는 메모리 내에 있는 가장 좋은 값을 사용하는데, 이는 이전 빔형성 벡터에 대해 랜덤하게 생성된 것뿐 아니라 적응적 구성 요소를 추가함으로써 생성된다.

이는 실패한 섭동을 버리고 궤환 정보에 기반하여 성공한 것만을 유지하는 것을 의미하며, 동일한 MS가 짧은 시간 안에 여러 타임 슬롯에 걸쳐 스케줄링 될 가능성이 상대적으로 높은 슬로우 페이딩 채널에서 스케줄링된 사용자의 수신된 SNR를 잠재적으로 늘릴 수 있다.

게다가, 그 성능 개선 및 저하를 가져온 섭동을 모두 이용함으로써, AP-OBF 기술은 빔형성 벡터를 빠르게 채널에 적응시킬수 있으며 이는 전체적인 시스템 성능개선을 이끈다.

본 발명에 따른 기술의 장점은 BS와 MS간에 추가 정보 교환이나 MS 하드웨어 디자인에 변화를 요구하지 않는다는 것이며, 오직 BS의 추가적인 메모리 부분과 스케줄러 내의 결정블록에서 약간의 수정만 하면 된다.

본 발명의 기술적 범위는 상술한 기회적 송신 빔형성 방법(AP-OBF)을 적용한 MIMO(Multiple Input Multiple Output)시스템을 포함한다.

Claims (5)

1. 다중 안테나 시스템의 기회적 송신 빔형성 방법에 있어서,
   시간 슬롯 t에서, 기회적 빔 형성의 빔형성 벡터를 생성할 때 시간 슬롯 t을 기준으로 이전 시간 슬롯 t-M에 t-1 사이에 생성된 빔형성 벡터 중 가장 높은 데이터 전송속도를 가져온 빔형성 벡터를 섭동하고,
   이전 시간슬롯 t-1에서 적용되었던 랜덤 섭동벡터

   

   에 대해 단말

   

   에 대한 신호대잡음비 궤환 정보가 증가하면 섭동 값은 랜덤 섭동벡터

   

   과 적응 섭동벡터

   

   의 합으로 설정되고,
   이전 시간슬롯 t-1에서 적용되었던 랜덤 섭동벡터

   

   에 대해 단말

   

   에 대한 신호대잡음비 궤환 정보가 감소하면, 섭동 값은 랜덤 섭동벡터

   

   과 적응 섭동벡터

   

   의 감산으로 설정되며,
   적응적 섭동벡터

   

   는 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법.
   [식 1]
   

   

   
   [식 2]
   

   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 적응 섭동 벡터는 이전 시간의 랜덤 섭동 벡터가 전송속도 향상을 가져왔을 경우 해당 랜덤 섭동 백터가 적용되고, 반대로 전송속도 하락을 가져왔을 경우에는 그 반대 부호의 값으로 적용되는 기회적 송신 빔형성 방법.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제3항의 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법(AP-OBF)을 수행하는 판독 가능한 저장매체와 연결되어 적응 섭동을 이용한 기회적 송신 빔형성 방법(AP-OBF)을 수행하는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템.
   

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