KR102131840B1 - Estimation method and compensation method for rf chain imbalance in uca oam radio system - Google Patents

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Abstract

UCA 기 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법은 UCA(Uniform Circular Array) 기반 OAM(Orbital Angular Momentum) 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 채널 최대 우도(Maximum Likelihood)를 추정하는 단계, 상기 시스템에서 상기 채널 최대 우도를 기준으로 상기 송신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제1 변화 및 상기 수신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제2 변화를 추정하는 단계 및 상기 송신기의 푸리에 변환에 상기 제1 변화에 대한 역보상을 수행하고, 상기 수신기의 역푸리에 변환에 상기 제2 변화에 대한 역보상을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 채널은 상기 송신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제1 변화를 요소로 갖는 제1 행렬, 상기 수신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제2 변화를 요소로 갖는 제2 행렬 및 이상적 채널을 기준으로 정의된다.In the UCA-based OAM system, an imbalance compensation method between RF chains includes estimating a maximum likelihood of a channel between a transmitter and a receiver in a UCA (Uniform Circular Array)-based Orbital Angular Momentum (OAM) system. Estimating a first change in gain or phase due to the RF chain of the transmitter and a second change in gain or phase due to the RF chain of the receiver based on a maximum likelihood, and the first to Fourier transform of the transmitter And performing inverse compensation for the change, and performing inverse compensation for the second change in the inverse Fourier transform of the receiver. The channel between the transmitter and the receiver is a first matrix having, as an element, the first change by each of the N RF chains of the transmitter, and a factor having the second change by each of the N RF chains of the receiver as an element. It is defined based on 2 matrices and ideal channels.

Description

UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 및 보상 방법{ESTIMATION METHOD AND COMPENSATION METHOD FOR RF CHAIN IMBALANCE IN UCA OAM RADIO SYSTEM}ESTIMATION METHOD AND COMPENSATION METHOD FOR RF CHAIN IMBALANCE IN UCA OAM RADIO SYSTEM}

이하 설명하는 기술은 UCA OAM 시스템은 송신기 및 수신기의 RF 체인들에 불균형을 추정하고 보상하는 기법에 관한 것이다.The technique described below relates to a technique for estimating and compensating for imbalance in RF chains of a transmitter and a receiver in a UCA OAM system.

OAM(Orbital Angular Momentum)은 LM(Linear Momentum)과 SAM(Spin Angular Momentum)과 함께 모든 전자파가 갖는 운동량 중 하나이다. LoS(Line-of-sight) 환경에서 이론적으로 무한한 개수의 OAM 모드들을 상호 간섭없이 전송할 수 있다는 사실이 발견된 바 있다. 밀리미터파(milimeter-wave) 분야와 광통신 분야 등에서 OAM 관련 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.OAM (Orbital Angular Momentum) is one of the momentum of all electromagnetic waves with Linear Momentum (LM) and Spin Angular Momentum (SAM). It has been discovered that an infinite number of OAM modes can be transmitted in a line-of-sight (LoS) environment without mutual interference. Research on OAM-related technologies is being conducted in the field of milimeter-wave and optical communication.

순수 LoS 환경에서 UCA(Uniform Circular Array) OAM 시스템은 송신 UCA와 수신 UCA 안테나가 정확하게 정렬(align)되는 경우, 송신기에서 송신신호를 DFT(Discrete Fourier transform) 프리코딩하고 수신단에서 역 DFT 후처리를 적용하면 상호 간섭없는 평행한 N개 AWGN 채널을 형성한다. UCA OAM 시스템의 장점은 송수신 UCA가 정확히 정렬된 경우에 UCA 페어 채널(pair channel)이 순환행렬(circulant matrix)로 표현되기 때문에 발생한다.In a pure LoS environment, the UCA (Uniform Circular Array) OAM system pre-codes the transmitted signal from the transmitter and performs DFT post-processing at the receiving end when the transmitting UCA and the receiving UCA antenna are correctly aligned. The lower surface forms a parallel N AWGN channel without mutual interference. The advantage of the UCA OAM system arises because the UCA pair channel is expressed as a circulant matrix when the transmitting and receiving UCAs are correctly aligned.

S. M. Mohammadi, L. K. S. Daldorff, J. E. S.Bergman,R.L.Karlsson, B. Thide, K. Forozesh, T. D. Carozzi, and B. Isham, "Orbital angular momentum in radio - A system study," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 2, pp. 565-572, Feb. 2010.S. M. Mohammadi, L. K. S. Daldorff, J. E. S.Bergman, R.L.Karlsson, B. Thide, K. Forozesh, T. D. Carozzi, and B. Isham, "Orbital angular momentum in radio-A system study," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 2, pp. 565-572, Feb. 2010.

송신기의 N개 RF 체인(chain)들 사이 또는 수신기의 N개 RF 체인들 사이에 게인(gain) 내지 위상 불균형(imbalance)이 존재하는 경우 UCA 안테나들 사이의 순환(circulant) 특성이 유지되지 못하기 때문에 UCA OAM 수신신호들 사이에 간섭이 발생하게 된다. 이는 UCA OAM 채널의 가용 용량 감소를 가져온다.When gain or phase imbalance exists between N RF chains of a transmitter or N RF chains of a receiver, circulant characteristics between UCA antennas cannot be maintained Therefore, interference occurs between UCA OAM received signals. This leads to a decrease in the available capacity of the UCA OAM channel.

이 문제를 해결하기 위해서는 실시간 채널추정치를 기반으로 송신기 및 수신기에서 등화(equalization)를 해야 한다. 결국 송신기 또는 수신기의 복수의 RF 체인 사이에 게인 내지 위상의 불균형이 발생하는 경우 등화기 없이 N개의 평행 독립 채널을 형성할 수 있다는 UCA OAM 시스템의 장점이 크게 훼손된다.To solve this problem, it is necessary to perform equalization at the transmitter and receiver based on the real-time channel estimate. As a result, when gain or phase imbalance occurs between a plurality of RF chains of a transmitter or a receiver, the advantage of the UCA OAM system that the N parallel independent channels can be formed without an equalizer is greatly damaged.

이하 설명하는 기술은 송신기 RF 체인들 사이의 게인/위상 불균형과 수신기 RF 체인들 사이의 게인/위상 불균형을 동시에 추정하여 보상하는 기법을 제공하고자 한다.The technique described below is intended to provide a technique for simultaneously estimating and compensating for gain/phase imbalance between transmitter RF chains and gain/phase imbalance between receiver RF chains.

UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법은 UCA(Uniform Circular Array) 기반 OAM(Orbital Angular Momentum) 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 채널 최대 우도(Maximum Likelihood)를 추정하는 단계 및 상기 시스템에서 상기 채널 최대 우도를 기준으로 상기 송신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제1 변화 및 상기 수신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제2 변화를 추정하는 단계를 포함한다.The method for estimating the imbalance between RF chains in a UCA-based OAM system includes estimating a maximum likelihood of a channel between a transmitter and a receiver in a UCA (Uniform Circular Array)-based Orbital Angular Momentum (OAM) system, and the channel in the system. And estimating a first change in gain or phase due to the RF chain of the transmitter and a second change in gain or phase due to the RF chain of the receiver based on the maximum likelihood.

UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법은 UCA(Uniform Circular Array) 기반 OAM(Orbital Angular Momentum) 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 채널 최대 우도(Maximum Likelihood)를 추정하는 단계, 상기 시스템에서 상기 채널 최대 우도를 기준으로 상기 송신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제1 변화 및 상기 수신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제2 변화를 추정하는 단계 및 상기 송신기의 푸리에 변환에 상기 제1 변화에 대한 역보상을 수행하고, 상기 수신기의 역푸리에 변환에 상기 제2 변화에 대한 역보상을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 채널은 상기 송신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제1 변화를 요소로 갖는 제1 행렬, 상기 수신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제2 변화를 요소로 갖는 제2 행렬 및 이상적 채널을 기준으로 정의된다.In the UCA-based OAM system, an imbalance compensation method between RF chains includes estimating a maximum likelihood of a channel between a transmitter and a receiver in a UCA (Uniform Circular Array)-based Orbital Angular Momentum (OAM) system. Estimating a first change in gain or phase due to the RF chain of the transmitter and a second change in gain or phase due to the RF chain of the receiver based on a maximum likelihood, and the first to Fourier transform of the transmitter And performing inverse compensation for the change, and performing inverse compensation for the second change in the inverse Fourier transform of the receiver. The channel between the transmitter and the receiver is a first matrix having, as an element, the first change by each of the N RF chains of the transmitter, and a factor having the second change by each of the N RF chains of the receiver as an element. It is defined based on 2 matrices and ideal channels.

이하 설명하는 기술은 채널 추정치 모델을 이용하여 송신기 및 수신기의 RF 체인들에 불균형을 보상한다. 따라서 이하 설명하는 기술은 별도의 등화기 없이 UCA OAM 시스템에서 RF 체인들의 불균형을 추정하고 보상한다. The technique described below compensates for imbalance in the RF chains of the transmitter and receiver using a channel estimation model. Therefore, the technique described below estimates and compensates for the imbalance of the RF chains in the UCA OAM system without a separate equalizer.

도 1은 UCA 시스템 모델에 대한 예이다.
도 2는 UCA OAM 시스템의 송신기 및 수신기 구조에 대한 예이다.
도 3은 RF 체인들의 불균형을 보상하는 UCA 시스템에 대한 예이다.
도 4는 제안 기법의 유효성에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 제안 기법의 달성가능 주파수 효율을 나타낸 예이다.
1 is an example of a UCA system model.
2 is an example of a transmitter and receiver structure of the UCA OAM system.
3 is an example of a UCA system that compensates for the imbalance of RF chains.
4 is a simulation result for the effectiveness of the proposed technique.
5 is an example of achievable frequency efficiency of the proposed technique.

이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The technique described below may be applied to various changes and may have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the techniques described below to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the techniques described below.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, B, etc. can be used to describe various components, but the components are not limited by the above terms, and only for distinguishing one component from other components Used only. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may be referred to as a first component without departing from the scope of the technology described below. The term and/or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the terminology used herein, a singular expression should be understood to include a plurality of expressions unless clearly interpreted differently in the context, and terms such as “comprises” describe features, numbers, steps, operations, and components described. It is to be understood that it means that a part or a combination thereof is present, and does not exclude the presence or addition possibility of one or more other features or numbers, step operation components, parts or combinations thereof.

도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.Prior to the detailed description of the drawings, it is intended to clarify that the division of components in this specification is only divided by the main functions of each component. That is, two or more components to be described below may be combined into one component, or one component may be divided into two or more for each subdivided function. In addition, each of the constituent parts to be described below may additionally perform some or all of the functions of other constituent parts in addition to the main functions of the constituent parts, and some of the main functions of the constituent parts are different. Needless to say, it may also be carried out in a dedicated manner.

또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In addition, in performing the method or the method of operation, each process constituting the method may occur differently from the specified order unless a specific order is explicitly stated in the context. That is, each process may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

이하 설명하는 기술은 UAC 기반 OAM 시스템에서 송신기과 수신기 사이의 채널을 일정하게 모델링하고, 채널 모델을 기반으로 RF 체인들 사이의 불균형을 추정하여 보상한다. 채널 모델링 및 불균형 추정 내지 보상 과정은 수학적 모델 및 연산을 통해 설명될 수 있다. In the UAC-based OAM system, the technique described below uniformly models a channel between a transmitter and a receiver, and compensates by estimating an imbalance between RF chains based on the channel model. Channel modeling and imbalance estimation or compensation processes can be explained through mathematical models and calculations.

이하 설명에서 행렬 연산이 많이 사용된다. 행렬 연산 기호는 기본적으로 수학 및 공학 분야에서 널리 사용되는 기호를 사용한다. 예를 들어 AT는 행렬 A의 전치 행렬을 의미하고, AH는 행렬 A의 에르미트(Hermitian) 행렬을 의미하고,

Figure 112018094296441-pat00001
는 하다마드(Hadamard) 연산을 의미하고,
Figure 112018094296441-pat00002
는 행렬의 외적을 의미한다.In the following description, matrix operations are frequently used. Matrix operation symbols basically use symbols widely used in mathematics and engineering. For example, A T means the transpose matrix of matrix A, A H means the Hermitian matrix of matrix A,
Figure 112018094296441-pat00001
Means the Hadamard operation,
Figure 112018094296441-pat00002
Means the cross product of the matrix.

도 1은 UCA 시스템 모델에 대한 예이다. UCA 시스템은 송신 UCA(10)과 수신 UCA(20)을 포함한다. 송신 UCA(10)는 반경이

Figure 112018094296441-pat00003
이고, 수신 UCA(20)는 반경이
Figure 112018094296441-pat00004
이다. 송수신거리(T-R distance) D는 송신 UCA의 중심과 수신 UCA의 중심 사이의 거리이다. 송신측과 수신측의 UCA 안테나들의 안테나 소자들은 x-y 평면 상에 균일하게 원형으로 배치된다고 가정한다. 1 is an example of a UCA system model. The UCA system includes a transmitting UCA 10 and a receiving UCA 20. The transmitting UCA 10 has a radius
Figure 112018094296441-pat00003
And the receiving UCA 20 has a radius
Figure 112018094296441-pat00004
to be. The TR distance D is a distance between the center of the transmitting UCA and the center of the receiving UCA. It is assumed that the antenna elements of the UCA antennas of the transmitting side and the receiving side are arranged uniformly and circularly on the xy plane.

송신 UCA의 i번째 안테나 소자와 수신 UCA의 i번째 안테나 소자의 x-y 평면에서의 각도를 나타내는

Figure 112018094296441-pat00005
Figure 112018094296441-pat00006
는 각각
Figure 112018094296441-pat00007
Figure 112018094296441-pat00008
로 표현된다.
Figure 112018094296441-pat00009
는 송신 UCA(10)에서 기준(예컨대, 첫 번째) 안테나의 정면 방향인 안테나 기준 송신방향(boresight)과 사용자가 이루는 각도를 나타낸다.
Figure 112018094296441-pat00010
는 수신 UCA(20)에서 기준(예컨대, 첫 번째) 안테나의 정면 방향인 안테나 기준 송신방향과 사용자가 이루는 각도를 나타낸다. 송신 UCA의 j번째 소자와 수신 UCA의 j번째 소자 사이의 거리
Figure 112018094296441-pat00011
Figure 112018094296441-pat00012
와 같이 표현된다. 여기서,
Figure 112018094296441-pat00013
이다.
Figure 112018094296441-pat00014
는 i와 j의 차(즉, i-j)에만 의존하는 변수이므로
Figure 112018094296441-pat00015
도 i와 j의 차에 의해서만 결정된다.The angle in the xy plane of the i-th antenna element of the transmitting UCA and the i-th antenna element of the receiving UCA
Figure 112018094296441-pat00005
Wow
Figure 112018094296441-pat00006
Each
Figure 112018094296441-pat00007
Wow
Figure 112018094296441-pat00008
It is expressed as
Figure 112018094296441-pat00009
Denotes an antenna reference transmission direction (boresight), which is a front direction of the reference (eg, first) antenna in the transmission UCA 10, and an angle formed by the user.
Figure 112018094296441-pat00010
Denotes an angle formed by a user and an antenna reference transmission direction that is a front direction of a reference (eg, first) antenna in the receiving UCA 20. Distance between the jth element of the sending UCA and the jth element of the receiving UCA
Figure 112018094296441-pat00011
The
Figure 112018094296441-pat00012
It is expressed as here,
Figure 112018094296441-pat00013
to be.
Figure 112018094296441-pat00014
Is a variable that depends only on the difference between i and j (that is, ij)
Figure 112018094296441-pat00015
It is determined only by the difference between i and j.

송신측과 수신측 UCA들 사이에 직접 경로(direct path)만이 존재하는 순수 LoS 환경에서, 수신 UCA(20)의 j번째 소자와 송신 UCA(10)의 i번째 소자 사이의 채널은 아래 수학식 1과 같이 표현된다.In a pure LoS environment where only a direct path exists between the transmitting and receiving UCAs, the channel between the j-th element of the receiving UCA 20 and the i-th element of the transmitting UCA 10 is represented by Equation 1 below. It is expressed as

Figure 112018094296441-pat00016
Figure 112018094296441-pat00016

모든 안테나 소자가 소자 인덱스 i, j와 상관없이 동일한 방사패턴값 β를 갖는 전방성 안테나 소자 (omni-directional antenna elements)라고 가정한다. 임의의 파장을 갖는 협대역 신호에 대한 UCA 페어 채널 응답은 이 안테나 소자들 사이의 거리에 의해서 결정된다. 즉 안테나 소자들 사이의 채널 응답은 안테나 소자 인덱스 i와 j의 차이에 의해서만 결정되는 결과를 가져온다. 따라서, 송신 UCA(10)와 수신 UCA(20)가 모두 N개의 안테나 소자를 가지고 있다고 가정할 때, 채널 행렬 H는 순환 행렬(circulant matrix)이 된다.It is assumed that all antenna elements are omni-directional antenna elements having the same radiation pattern value β regardless of the element indexes i and j. The UCA pair channel response to a narrowband signal having an arbitrary wavelength is determined by the distance between these antenna elements. That is, the channel response between the antenna elements results in being determined only by the difference between the antenna element indexes i and j. Therefore, assuming that both the transmitting UCA 10 and the receiving UCA 20 have N antenna elements, the channel matrix H becomes a circulant matrix.

도 2는 UCA OAM 시스템의 송신기(100) 및 수신기(200) 구조에 대한 예이다. 도 2는 송신기(100) 및 수신기(200)에서 모든 구성을 도시하지 않았고, 설명에 필요한 구성만을 도시하였다. 송신기(100)는 입력 신호 {s1, s2,..., sN}를 푸리에 변환하는 OAM 변조기(modulator, 110)를 포함한다. OAM 변조기(110)는 입력신호에 대한 DFT를 수행한다. Q는 N개 포인트에 대한 DFT 행렬을 의미한다. 송신기(100)는 변조한 입력 신호 {x1, x2,..., xN}를 N개의 안테나 소자를 통해 송신한다. 수신기(200)는 N개의 안테나 소자를 통해 수신한 신호 {y1, y2,..., yN}를 역푸리에 변환하는 OAM 복조기(demodulator, 210)를 포함한다. OAM 복조기(210)는 입력신호에 대한 역 DFT를 수행한다. QH는 N개 포인트에 대한 역 DFT 행렬을 의미한다. 이후 수신기(200)는 역 DFT 변환된 신호 {r1, r2,..., rN}를 복호한다.2 is an example of the structure of the transmitter 100 and the receiver 200 of the UCA OAM system. 2 does not show all the configurations in the transmitter 100 and the receiver 200, only the configuration necessary for the description. The transmitter 100 includes an OAM modulator 110 that Fourier transforms the input signals {s 1 , s 2 ,..., s N }. The OAM modulator 110 performs DFT on the input signal. Q is a DFT matrix for N points. The transmitter 100 transmits the modulated input signals {x 1 , x 2 ,..., x N } through N antenna elements. The receiver 200 includes an OAM demodulator 210 that inverse Fourier transforms the signals {y 1 , y 2 ,..., y N } received through N antenna elements. The OAM demodulator 210 performs an inverse DFT on the input signal. Q H means an inverse DFT matrix for N points. Then, the receiver 200 decodes the inverse DFT-converted signal {r 1 , r 2 ,..., r N }.

도 2에서

Figure 112018094296441-pat00017
Figure 112018094296441-pat00018
는 각각 송신기(100)와 수신기(200)의
Figure 112018094296441-pat00019
개 RF 체인들에 의한 이득 내지 위상의 변화를 나타낸다. RF 체인에 의한 이득 내지 위상 변화 정도(변화값)는 하드웨어 구조, 통신환경 등에 따라 달라질 수 있다. 설명의 편의를 위해 RF 체인에 의한 이득 내지 위상 변화 정도를 이하 이득/위상 변화값이라고 명명한다.
Figure 112018094296441-pat00020
,
Figure 112018094296441-pat00021
라고 정의한다. 또,
Figure 112018094296441-pat00022
이고
Figure 112018094296441-pat00023
라고 정의한다. 이 경우 수신신호
Figure 112018094296441-pat00024
는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.In Figure 2
Figure 112018094296441-pat00017
and
Figure 112018094296441-pat00018
Of the transmitter 100 and the receiver 200, respectively
Figure 112018094296441-pat00019
It shows the change in gain or phase by the dog RF chains. The gain or phase change degree (change value) by the RF chain may vary depending on hardware structure, communication environment, and the like. For convenience of explanation, the degree of gain or phase change by the RF chain is hereinafter referred to as gain/phase change value.
Figure 112018094296441-pat00020
,
Figure 112018094296441-pat00021
Is defined as In addition,
Figure 112018094296441-pat00022
ego
Figure 112018094296441-pat00023
Is defined as In this case, the received signal
Figure 112018094296441-pat00024
Can be expressed as Equation 2 below.

Figure 112018094296441-pat00025
Figure 112018094296441-pat00025

여기서,

Figure 112018094296441-pat00026
이고,
Figure 112018094296441-pat00027
는 송신기의 RF 체인들의 입력 신호 벡터이고,
Figure 112018094296441-pat00028
은 수신기의 RF 체인들의 출력단에 나타나는 N 차원의 복소 가우시안 잡음 벡터이다. 수학식 2로부터 수신 신호 대 잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)는
Figure 112018094296441-pat00029
로 표현되고(여기서,
Figure 112018094296441-pat00030
임), 채널
Figure 112018094296441-pat00031
의 달성가능주파수효율(ASE, achievable spectral efficiency)는
Figure 112018094296441-pat00032
로 표현된다.here,
Figure 112018094296441-pat00026
ego,
Figure 112018094296441-pat00027
Is the input signal vector of the transmitter's RF chains,
Figure 112018094296441-pat00028
Is an N-dimensional complex Gaussian noise vector appearing at the output of the receiver's RF chains. From Equation 2, the received signal-to-noise ratio (SNR) is
Figure 112018094296441-pat00029
Is expressed as (here,
Figure 112018094296441-pat00030
Im), channel
Figure 112018094296441-pat00031
The achievable spectral efficiency (ASE) is
Figure 112018094296441-pat00032
It is expressed as

Figure 112018094296441-pat00033
이고
Figure 112018094296441-pat00034
인 이상적인 송신기와 수신기 쌍(pair)의 경우, UCA OAM 변조기(110)와 복조기(120)는 다음과 같이
Figure 112018094296441-pat00035
개의 병렬 채널을 형성한다. 이 경우,
Figure 112018094296441-pat00036
이고, 따라서
Figure 112018094296441-pat00037
가 되어
Figure 112018094296441-pat00038
도 또한 순환 행렬이 된다.
Figure 112018094296441-pat00033
ego
Figure 112018094296441-pat00034
For an ideal transmitter and receiver pair, the UCA OAM modulator 110 and demodulator 120 are as follows:
Figure 112018094296441-pat00035
Form two parallel channels. in this case,
Figure 112018094296441-pat00036
And therefore
Figure 112018094296441-pat00037
Become
Figure 112018094296441-pat00038
Also becomes a circular matrix.

Figure 112018094296441-pat00039
Figure 112018094296441-pat00039

순환 행렬인

Figure 112018094296441-pat00040
는 수학식 3과 같이
Figure 112018094296441-pat00041
-point DFT 행렬
Figure 112018094296441-pat00042
Figure 112018094296441-pat00043
복소 대각 행렬(complex diagonal matrix)
Figure 112018094296441-pat00044
의 함수로 분해할 수 있다. 따라서 수학식 3을 수학식 2에 사용하면 아래의 수학식 4를 얻을 수 있다.Circular matrix
Figure 112018094296441-pat00040
Equation 3
Figure 112018094296441-pat00041
-point DFT matrix
Figure 112018094296441-pat00042
Wow
Figure 112018094296441-pat00043
Complex diagonal matrix
Figure 112018094296441-pat00044
Can be decomposed as a function of Therefore, when Equation 3 is used in Equation 2, Equation 4 below can be obtained.

Figure 112018094296441-pat00045
Figure 112018094296441-pat00045

Figure 112018094296441-pat00046
로 놓으면, 수학식 4는
Figure 112018094296441-pat00047
와 같이 정리된다. 따라서, 수신기(200)의 역 DFT의 출력신호는
Figure 112018094296441-pat00048
이 된다. 여기서,
Figure 112018094296441-pat00049
이다. 결과적으로, 송신기(100)에서 DFT 프리코더를 사용하고 수신기(200)에서 역 DFT 처리를 사용함으로써 채널정보 피드백과 채널간간섭제거없이 N개의 평행 독립 채널들을 구성할 수 있게 된다.
Figure 112018094296441-pat00046
Equation 4 is
Figure 112018094296441-pat00047
It is arranged as follows. Therefore, the output signal of the inverse DFT of the receiver 200 is
Figure 112018094296441-pat00048
It becomes. here,
Figure 112018094296441-pat00049
to be. As a result, by using the DFT precoder in the transmitter 100 and the inverse DFT processing in the receiver 200, it is possible to configure N parallel independent channels without channel information feedback and channel interference cancellation.

실제 구현된 시스템의 경우, RF 체인들의 게인/위상 파라미터들이 일반적으로 동일한 값을 갖지 못하기 때문에, UCA OAM 시스템의 장점을 보전하는 것이 어렵다. 이것은

Figure 112018094296441-pat00050
또는
Figure 112018094296441-pat00051
인 경우에
Figure 112018094296441-pat00052
로 표현되는
Figure 112018094296441-pat00053
행렬이 더 이상 순환 행렬이 되지 않기 때문이다.In the case of an actual implemented system, it is difficult to preserve the advantages of the UCA OAM system because the gain/phase parameters of the RF chains generally do not have the same value. this is
Figure 112018094296441-pat00050
or
Figure 112018094296441-pat00051
in case of
Figure 112018094296441-pat00052
Expressed as
Figure 112018094296441-pat00053
This is because the matrix is no longer a circular matrix.

이하 수신기 및 송신기의 RF 체인들 사이의 게인/위상 불균형을 보상하기 위한 기법을 설명한다.Hereinafter, a technique for compensating for gain/phase imbalance between the RF chains of the receiver and the transmitter will be described.

채널 추정Channel estimation

Figure 112018094296441-pat00054
를 추정하기 위하여 N개의 다른 시간/주파수 자원을 사용하여 파일럿 심볼(pilot symbol)들을 송신한다. i번째 시간/주파수 자원을 통해 n번째 송신기 RF 체인으로 송신되는 파일럿 심볼을
Figure 112018094296441-pat00055
로, m번?? 수신기 RF 체인을 통해 수신되는 신호를
Figure 112018094296441-pat00056
로 정의하자. 이 경우, i번째 시간/주파수를 통해 수신된 신호는 아래의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112018094296441-pat00054
In order to estimate E, pilot symbols are transmitted using N different time/frequency resources. pilot symbols transmitted through the i-th time/frequency resource to the n-th transmitter RF chain.
Figure 112018094296441-pat00055
Low, m times?? The signal received through the receiver RF chain
Figure 112018094296441-pat00056
Let's define In this case, the signal received through the i-th time/frequency is expressed as Equation 5 below.

Figure 112018094296441-pat00057
Figure 112018094296441-pat00057

여기서,

Figure 112018094296441-pat00058
,
Figure 112018094296441-pat00059
이고,
Figure 112018094296441-pat00060
는 N차원 복소 가우시안 잡음이다. L개의 시간/주파수 자원을 통해 송신된 신호와 수신된 신호를 각각
Figure 112018094296441-pat00061
Figure 112018094296441-pat00062
로 정의하면 수신 신호는 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112018094296441-pat00058
,
Figure 112018094296441-pat00059
ego,
Figure 112018094296441-pat00060
Is the N-dimensional complex Gaussian noise. Signals transmitted and received through L time/frequency resources, respectively
Figure 112018094296441-pat00061
Wow
Figure 112018094296441-pat00062
When defined as, the received signal can be expressed as Equation 6 below.

Figure 112018094296441-pat00063
Figure 112018094296441-pat00063

이로부터

Figure 112018094296441-pat00064
에 대한 최대 우도 추정(maximum-likelihood estimate)은 아래의 수학식 7과 같고, 수학식 6을 수학식 7에 대입하면 아래의 수학식 8과 같다.From this
Figure 112018094296441-pat00064
The maximum-likelihood estimate for is equal to Equation 7 below, and when Equation 6 is substituted for Equation 7, Equation 8 below.

Figure 112018094296441-pat00065
Figure 112018094296441-pat00065

Figure 112018094296441-pat00066
Figure 112018094296441-pat00066

여기서,

Figure 112018094296441-pat00067
이다. 수학식 8로부터 MSE는 아래의 수학식 9와 같이 표현된다.here,
Figure 112018094296441-pat00067
to be. From Equation 8, the MSE is expressed as Equation 9 below.

Figure 112018094296441-pat00068
Figure 112018094296441-pat00068

Figure 112018094296441-pat00069
의 조건에서 MSE는
Figure 112018094296441-pat00070
이 만족될 때 최소화된다. 이 때
Figure 112018094296441-pat00071
, 즉
Figure 112018094296441-pat00072
의 요소들은 동일하게 분산된 제로 평균(zero-mean)을 갖는 복소 가우시안 확률 변수(complex Gaussian random variable)가 된다. 또한, PSK 파일럿을 가정하면,
Figure 112018094296441-pat00073
이므로,
Figure 112018094296441-pat00074
이 만족될 때 아래의 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018094296441-pat00069
In terms of MSE
Figure 112018094296441-pat00070
When it is satisfied, it is minimized. At this time
Figure 112018094296441-pat00071
, In other words
Figure 112018094296441-pat00072
The elements of are complex Gaussian random variables with equally distributed zero-mean. Also, assuming a PSK pilot,
Figure 112018094296441-pat00073
Because of,
Figure 112018094296441-pat00074
When this is satisfied, it can be expressed as Equation 10 below.

Figure 112018094296441-pat00075
Figure 112018094296441-pat00075

RF 체인 불균형 추정RF chain imbalance estimation

Figure 112018094296441-pat00076
에 대한 ML 추정은 아래 수학식 11과 같이 표현된다.
Figure 112018094296441-pat00076
The ML estimate for is expressed by Equation 11 below.

Figure 112018094296441-pat00077
Figure 112018094296441-pat00077

Figure 112018094296441-pat00078
는 제로 평균 복소 가우시안 분산이며,
Figure 112018094296441-pat00079
가 알려진 경우,
Figure 112018094296441-pat00080
Figure 112018094296441-pat00081
의 대각 요소들은 다음과 같이 추정할 수 있다. 한편 송신기와 수신기 UCA 사이의 거리 D와 (
Figure 112018094296441-pat00082
,
Figure 112018094296441-pat00083
) 및 (
Figure 112018094296441-pat00084
)가 주어지면, 이상적인 채널에 대한
Figure 112018094296441-pat00085
를 알 수 있다. 수학식 11의 양변을 벡터화하면 수학식 12와 같다.
Figure 112018094296441-pat00078
Is the zero mean complex Gaussian variance,
Figure 112018094296441-pat00079
If is known,
Figure 112018094296441-pat00080
Wow
Figure 112018094296441-pat00081
The diagonal elements of can be estimated as follows. Meanwhile, the distance D between the transmitter and the receiver UCA and (
Figure 112018094296441-pat00082
,
Figure 112018094296441-pat00083
) And (
Figure 112018094296441-pat00084
), for the ideal channel
Figure 112018094296441-pat00085
Can be seen. When both sides of Equation (11) are vectorized, Equation (12) is obtained.

Figure 112018094296441-pat00086
Figure 112018094296441-pat00086

Figure 112018094296441-pat00087
,
Figure 112018094296441-pat00088
로 정의하면, 다시 아래의 수학식 13과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112018094296441-pat00087
,
Figure 112018094296441-pat00088
If defined as, it can be summarized as in Equation 13 below.

Figure 112018094296441-pat00089
Figure 112018094296441-pat00089

수학식 13의 두 번째 등호(equality) 내용은

Figure 112018094296441-pat00090
Figure 112018094296441-pat00091
이기 때문에
Figure 112018094296441-pat00092
임을 적용한 것이다. 세번째 등호 내용은
Figure 112018094296441-pat00093
Figure 112018094296441-pat00094
Figure 112018094296441-pat00095
의 하다마드 곱셈(hadamard product)로 표현한 것이다. 네번째 등호 내용은
Figure 112018094296441-pat00096
를 적용한 것이다.The second equality in equation (13) is
Figure 112018094296441-pat00090
Wow
Figure 112018094296441-pat00091
Because it is
Figure 112018094296441-pat00092
Is applied. The third equal sign
Figure 112018094296441-pat00093
The
Figure 112018094296441-pat00094
Wow
Figure 112018094296441-pat00095
It is expressed by the Hadamard product of. The fourth equal sign
Figure 112018094296441-pat00096
Is applied.

가정 1.

Figure 112018094296441-pat00097
이고,
Figure 112018094296441-pat00098
의 phase가 zero가 되어야 한다(즉,
Figure 112018094296441-pat00099
)고 가정한다. 이 가정을 하는 이유는 수학식 13의 RF 불균형 모델이
Figure 112018094296441-pat00100
Figure 112018094296441-pat00101
의 곱으로 되어 있어서
Figure 112018094296441-pat00102
Figure 112018094296441-pat00103
대신에
Figure 112018094296441-pat00104
Figure 112018094296441-pat00105
를 사용해도 마찬가지로 동일한 값을 갖게 되어
Figure 112018094296441-pat00106
Figure 112018094296441-pat00107
특이적으로 한정하지 못하기 때문이다.Assumption 1.
Figure 112018094296441-pat00097
ego,
Figure 112018094296441-pat00098
Phase must be zero (ie,
Figure 112018094296441-pat00099
). The reason for this assumption is that the RF imbalance model in Equation 13
Figure 112018094296441-pat00100
Wow
Figure 112018094296441-pat00101
Multiplied by
Figure 112018094296441-pat00102
Wow
Figure 112018094296441-pat00103
Instead of
Figure 112018094296441-pat00104
Wow
Figure 112018094296441-pat00105
Even if you use, it will have the same value
Figure 112018094296441-pat00106
Wow
Figure 112018094296441-pat00107
Because it is not specifically limited.

Figure 112018094296441-pat00108
가 제로 평균 복소 가우시안이므로, 수학식 13의
Figure 112018094296441-pat00109
Figure 112018094296441-pat00110
을 평균으로 갖고 공분산 행렬(covariance matrix)이
Figure 112018094296441-pat00111
인 복소 가우시안 랜덤 벡터가 된다. 따라서
Figure 112018094296441-pat00112
에 대한 조건부 확률밀도함수는 아래 수학식 14와 같이 알려지지 않은 파라미터 a와 b의 함수로 표현된다.
Figure 112018094296441-pat00108
Is zero mean complex Gaussian, so
Figure 112018094296441-pat00109
The
Figure 112018094296441-pat00110
With the mean and the covariance matrix
Figure 112018094296441-pat00111
It becomes a phosphorus complex Gaussian random vector. therefore
Figure 112018094296441-pat00112
The conditional probability density function for is expressed as a function of unknown parameters a and b as shown in Equation 14 below.

Figure 112018094296441-pat00113
Figure 112018094296441-pat00113

수학식 14의

Figure 112018094296441-pat00114
Figure 112018094296441-pat00115
에 대한 우도 함수이므로,
Figure 112018094296441-pat00116
에 대한 ML 추정은 아래의 수학식 15와 같다.Equation 14
Figure 112018094296441-pat00114
The
Figure 112018094296441-pat00115
Since it is likelihood function for
Figure 112018094296441-pat00116
The ML estimation for is as shown in Equation 15 below.

Figure 112018094296441-pat00117
Figure 112018094296441-pat00117

수학식 15의 목적 함수(objective function)를

Figure 112018094296441-pat00118
로 정의하면, 아래의 수학식 16과 같다.The objective function of Equation (15)
Figure 112018094296441-pat00118
If defined as, Equation 16 below.

Figure 112018094296441-pat00119
Figure 112018094296441-pat00119

수학식 16은 다시 아래의 수학식 17과 같이 쓸 수 있다.Equation 16 can be written again as Equation 17 below.

Figure 112018094296441-pat00120
Figure 112018094296441-pat00120

여기서, 두 번째 부등호(inequality) 내용은

Figure 112018094296441-pat00121
을 적용한 것이다.
Figure 112018094296441-pat00122
는 하다마드 역 연산(hadamard inverse)을 나타낸다. 이것은
Figure 112018094296441-pat00123
를 최소화하는
Figure 112018094296441-pat00124
를 찾는 것이 수학식 15의 해를 찾는 것과 동치임을 나타낸다. 따라서,
Figure 112018094296441-pat00125
로 정의하면,
Figure 112018094296441-pat00126
에 대한 추정 문제는 아래의 수학식 18과 같이 다시 쓸 수 있다.Here, the second inequality
Figure 112018094296441-pat00121
Is applied.
Figure 112018094296441-pat00122
Denotes the Hadamard inverse. this is
Figure 112018094296441-pat00123
To minimize
Figure 112018094296441-pat00124
Indicates that finding is equivalent to finding the solution of equation (15). therefore,
Figure 112018094296441-pat00125
If defined as
Figure 112018094296441-pat00126
The estimation problem for can be rewritten as in Equation 18 below.

Figure 112018094296441-pat00127
Figure 112018094296441-pat00127

수학식 18로부터

Figure 112018094296441-pat00128
Figure 112018094296441-pat00129
에 대한 joint estimator는 다음과 같이 유도된다. 먼저, 아래의 수학식 19와 같이 정의한다.From Equation 18
Figure 112018094296441-pat00128
Wow
Figure 112018094296441-pat00129
The joint estimator for is derived as follows. First, it is defined as Equation 19 below.

Figure 112018094296441-pat00130
Figure 112018094296441-pat00130

그러면, 수학식 19는 아래의 수학식 20과 같이 다시 쓸 수 있다.Then, Equation 19 can be rewritten as Equation 20 below.

Figure 112018094296441-pat00131
Figure 112018094296441-pat00131

수학식 20에

Figure 112018094296441-pat00132
를 적용하면 아래의 수학식 21과 같다.Equation 20
Figure 112018094296441-pat00132
When is applied, it is as shown in Equation 21 below.

Figure 112018094296441-pat00133
Figure 112018094296441-pat00133

Figure 112018094296441-pat00134
을 풀면 아래의 수학식 22를 얻을 수 있다.
Figure 112018094296441-pat00134
Solving can give Equation 22 below.

Figure 112018094296441-pat00135
Figure 112018094296441-pat00135

다음으로 수학식 22를 수학식 19의 a 자리에 대입하면, 아래의 수학식 23과 같다.Subsequently, when Equation 22 is substituted for the a position in Equation 19, Equation 23 is as follows.

Figure 112018094296441-pat00136
Figure 112018094296441-pat00136

Figure 112018094296441-pat00137
Figure 112018094296441-pat00137

수학식 24에 따라서 가정 1의

Figure 112018094296441-pat00138
조건을 만족하는 초평면(hyperplane) 상에서 수학식 24의 해는
Figure 112018094296441-pat00139
의 고유벡터(eigenvector)들 중에서 가장 큰 고유값(eigenvalue)에 해당하는 고유 벡터가 된다. 이 고유 벡터를
Figure 112018094296441-pat00140
라고 정의하면,
Figure 112018094296441-pat00141
도 또한
Figure 112018094296441-pat00142
의 가장 큰 고유값에 해당하는 고유 벡터이므로 이러한 고유 벡터는 특정(unique)되지 않게 된다. 이러한 고유 벡터들 중에서 가정 1의
Figure 112018094296441-pat00143
조건을 만족시키는 고유 벡터는 아래의 수학식 25와 같다.Equation 1 according to Equation 24
Figure 112018094296441-pat00138
The solution of equation (24) on the hyperplane that satisfies the condition
Figure 112018094296441-pat00139
It is the eigenvector corresponding to the largest eigenvalue among the eigenvectors of. This eigenvector
Figure 112018094296441-pat00140
If you define
Figure 112018094296441-pat00141
also
Figure 112018094296441-pat00142
Since the eigenvector corresponding to the largest eigenvalue of, these eigenvectors are not unique. Of these eigenvectors, assumption 1
Figure 112018094296441-pat00143
The eigenvector that satisfies the condition is expressed by Equation 25 below.

Figure 112018094296441-pat00144
Figure 112018094296441-pat00144

여기서,

Figure 112018094296441-pat00145
Figure 112018094296441-pat00146
의 첫 번째 요소를 나타낸다.here,
Figure 112018094296441-pat00145
silver
Figure 112018094296441-pat00146
Represents the first element of

마지막으로, 수학식 25를 수학식 22에 대입하여 아래의 수학식 26 같이

Figure 112018094296441-pat00147
를 얻는다.Lastly, by substituting equation (25) into equation (22), as shown in equation (26) below
Figure 112018094296441-pat00147
Get

Figure 112018094296441-pat00148
Figure 112018094296441-pat00148

수학식 25와 수학식 26을 통해 각각 전술한 A와 B의 대각 요소

Figure 112018094296441-pat00149
Figure 112018094296441-pat00150
를 추정하였다. OAM 시스템은 이를 통해 RF 체인들 사이의 불균형을 추정한다.
Figure 112018094296441-pat00151
으로 정의하고
Figure 112018094296441-pat00152
으로 정의하자. OAM 시스템은
Figure 112018094296441-pat00153
Figure 112018094296441-pat00154
를 수학식 25와 수학식 26으로부터 구하고, 송신기(300)의 변조기(310)에 변환값을 역으로 보정하도록 하고, 수신기(400)의 복조기(410)에도 변환값을 역으로 보정하도록 한다.Diagonal elements of A and B described above through Equations 25 and 26, respectively.
Figure 112018094296441-pat00149
Wow
Figure 112018094296441-pat00150
Was estimated. The OAM system estimates the imbalance between the RF chains.
Figure 112018094296441-pat00151
Defined as
Figure 112018094296441-pat00152
Let's define OAM system
Figure 112018094296441-pat00153
and
Figure 112018094296441-pat00154
Is calculated from Equation 25 and Equation 26, and the modulator 310 of the transmitter 300 is inversely corrected, and the demodulator 410 of the receiver 400 is also inversely corrected.

도 3은 RF 체인들의 불균형을 보상하는 UCA 시스템에 대한 예이다. 도 3은 기본적으로 도 2의 구성과 동일하다. 도 3은 송신기(300) 및 수신기(400)에서 모든 구성을 도시하지 않았고, RF 체인 불균형 추정 및 보정에 필요한 구성만을 도시하였다. 송신기(300)는 입력 신호 {s1, s2,..., sN}를 푸리에 변환하는 OAM 변조기(modulator, 310)를 포함한다. OAM 변조기(310)는 입력신호에 대한 DFT를 수행한다. Q는 N개 포인트에 대한 DFT 행렬을 의미한다. OAM 변조기(310)는

Figure 112018094296441-pat00155
를 DFT 행렬로 사용한다. 이는 송신기의 RF 체인에 의한 이득/위상 변화값을 보정하기 위한 것이다. 송신기(300)는 변조한 입력 신호 {x1, x2,..., xN}를 N개의 안테나 소자를 통해 송신한다. 3 is an example of a UCA system that compensates for the imbalance of RF chains. 3 is basically the same as that of FIG. 2. FIG. 3 does not show all configurations in the transmitter 300 and the receiver 400, but only the configuration necessary for RF chain imbalance estimation and correction. The transmitter 300 includes an OAM modulator 310 that Fourier transforms the input signals {s 1 , s 2 ,..., s N }. The OAM modulator 310 performs DFT on the input signal. Q is a DFT matrix for N points. OAM modulator 310 is
Figure 112018094296441-pat00155
Is used as a DFT matrix. This is to correct the gain/phase change value by the RF chain of the transmitter. The transmitter 300 transmits the modulated input signals {x 1 , x 2 ,..., x N } through N antenna elements.

수신기(400)는 N개의 안테나 소자를 통해 수신한 신호 {y1, y2,..., yN}를 역푸리에 변환하는 OAM 복조기(demodulator, 410)를 포함한다. OAM 복조기(410)는 입력신호에 대한 역 DFT를 수행한다. QH는 N개 포인트에 대한 역 DFT 행렬을 의미한다. OAM 복조기(410)는

Figure 112018094296441-pat00156
를 역DFT 행렬로 사용한다. 이는 수신기의 RF 체인에 의한 이득/위상 변화값을 보정하기 위한 것이다. 이후 수신기(400)는 역 DFT 변환된 신호 {r1, r2,..., rN}를 복호한다.The receiver 400 includes an OAM demodulator (410) for inverse Fourier transforming signals {y 1 , y 2 ,..., y N } received through N antenna elements. The OAM demodulator 410 performs an inverse DFT on the input signal. Q H means an inverse DFT matrix for N points. OAM demodulator 410
Figure 112018094296441-pat00156
Is used as an inverse DFT matrix. This is to correct the gain/phase change value by the RF chain of the receiver. Then, the receiver 400 decodes the inverse DFT-converted signal {r 1 , r 2 ,..., r N }.

UAC 기반 OAM 시스템은

Figure 112018094296441-pat00157
Figure 112018094296441-pat00158
를 추정하고, OAM 변조기(310)과 OAM 복조기(410)에 각각
Figure 112018094296441-pat00159
Figure 112018094296441-pat00160
를 적용한다. UAC 기반 OAM 시스템에서 특정한 제어 장치가
Figure 112018094296441-pat00161
Figure 112018094296441-pat00162
를 연산하고,
Figure 112018094296441-pat00163
Figure 112018094296441-pat00164
를 각각 OAM 변조기(310)과 OAM 복조기(410)에 전달할 수 있다. 제어 장치는 RF 체인에 의한 이득/위상 변화값을 추정하고 보정하는 알고리즘이 임베디드된 장치일 수 있다. 또는 송신기(300)가 RF 체인에 의한 이득/위상 변화값을 추정하여
Figure 112018094296441-pat00165
를 자신의 OAM 변조기(310)에 적용하고, 수신기(400)가 RF 체인에 의한 이득/위상 변화값을 추정하여
Figure 112018094296441-pat00166
를 자신의 OAM 복조기(410)에 적용할 수도 있다.UAC based OAM system
Figure 112018094296441-pat00157
and
Figure 112018094296441-pat00158
Is estimated, respectively, to the OAM modulator 310 and the OAM demodulator 410
Figure 112018094296441-pat00159
and
Figure 112018094296441-pat00160
Apply. In UAC based OAM system, a specific control device
Figure 112018094296441-pat00161
Wow
Figure 112018094296441-pat00162
Calculate
Figure 112018094296441-pat00163
and
Figure 112018094296441-pat00164
To the OAM modulator 310 and the OAM demodulator 410, respectively. The control device may be a device in which an algorithm for estimating and correcting a gain/phase change value by the RF chain is embedded. Alternatively, the transmitter 300 estimates the gain/phase change value by the RF chain
Figure 112018094296441-pat00165
Is applied to its OAM modulator 310, and the receiver 400 estimates the gain/phase change value by the RF chain.
Figure 112018094296441-pat00166
May be applied to one's OAM demodulator 410.

제안된 기술의 유효성을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 적용된 UCA 안테나 파라미터들은 N = 8,

Figure 112018094296441-pat00167
,
Figure 112018094296441-pat00168
cm(i.e.,
Figure 112018094296441-pat00169
GHz)이다.
Figure 112018094296441-pat00170
Figure 112018094296441-pat00171
는 단위 분산(unit variance)를 갖는 제로 평균 복소 가우신안 분포를 갖도록 하였다. 채널추정을 위한 파일럿 시퀀스에는 DFT 시퀀스를 사용하였다. 모든 성능 측정치들은
Figure 112018094296441-pat00172
의 반복 시뮬레이션 실행을 통해 얻었다.Simulation was performed to verify the effectiveness of the proposed technique. The UCA antenna parameters applied to the simulation are N = 8,
Figure 112018094296441-pat00167
,
Figure 112018094296441-pat00168
cm(ie,
Figure 112018094296441-pat00169
GHz).
Figure 112018094296441-pat00170
Wow
Figure 112018094296441-pat00171
Has a zero-average complex Gaussian distribution with unit variance. A DFT sequence was used for the pilot sequence for channel estimation. All performance measurements
Figure 112018094296441-pat00172
It was obtained through repeated simulation run.

도 4는 제안 기법의 유효성에 대한 시뮬레이션 결과이다. 도 4는

Figure 112018094296441-pat00173
,
Figure 112018094296441-pat00174
, 그리고
Figure 112018094296441-pat00175
에 대한 정규화된 MSE(NMSE)를 나타낸 것이다.
Figure 112018094296441-pat00176
에 대한 NMSE는
Figure 112018094296441-pat00177
으로 정의되고,
Figure 112018094296441-pat00178
Figure 112018094296441-pat00179
에 대한 NMSE는 각각
Figure 112018094296441-pat00180
Figure 112018094296441-pat00181
로 정의된다. NMSE가 SNR과 파일럿 심볼의 길이(
Figure 112018094296441-pat00182
)에 의존성을 관찰하기 위해
Figure 112018094296441-pat00183
의 3가지 경우에 대해 시뮬레이션을 하였다. 시뮬레이션 결과는, 수학식 10에서 예상한 대로,
Figure 112018094296441-pat00184
에 대한 NMSE는 SNR이 10 dB 증가할 때마다 1/10배로 감소하며, 파일럿 시퀀스의 길이
Figure 112018094296441-pat00185
에 대해 반비례하여 감소함을 보여주었다. 또한, SNR이 증가함에 따라
Figure 112018094296441-pat00186
에 대한 NMSE가 작아짐에 영향을 받아
Figure 112018094296441-pat00187
Figure 112018094296441-pat00188
에 대한 NMSE도 단조적으로 감소하는 것이 관찰된다.4 is a simulation result for the effectiveness of the proposed technique. Figure 4
Figure 112018094296441-pat00173
,
Figure 112018094296441-pat00174
, And
Figure 112018094296441-pat00175
Normalized MSE for (NMSE).
Figure 112018094296441-pat00176
NMSE for
Figure 112018094296441-pat00177
Is defined as,
Figure 112018094296441-pat00178
Wow
Figure 112018094296441-pat00179
NMSE for each
Figure 112018094296441-pat00180
Wow
Figure 112018094296441-pat00181
Is defined as NMSE is the length of the SNR and the pilot symbol (
Figure 112018094296441-pat00182
) To observe dependencies
Figure 112018094296441-pat00183
Three cases were simulated. The simulation results, as expected in Equation 10,
Figure 112018094296441-pat00184
The NMSE for is reduced by 1/10 each time the SNR increases by 10 dB, the length of the pilot sequence
Figure 112018094296441-pat00185
It showed a decrease in inverse proportion to. Also, as SNR increases
Figure 112018094296441-pat00186
Affected by the smaller NMSE for
Figure 112018094296441-pat00187
Wow
Figure 112018094296441-pat00188
It is observed that the NMSE for monotonically also decreases.

도 5는 제안 기법의 달성가능 주파수 효율을 나타낸 예이다. 도 5는 SNR = 20 dB의 조건에서 UCA OAM 시스템의 송수신 거리에 따른 달성가능 주파수 효율을 나타낸 것이다. 도 5는 ASE가 송수신 거리가 레일리 거리(Rayleigh distance) 19.23 m에서 최대값을 갖고, 28m 이상의 거리에서 단조적으로 감소하며, 제안된 RF 체인 불균형 추정치를 사용하여 보상함으로써 레일리 거리에서 미보상시 41.5 bps/Hz인 것을 보상을 통해 51.5 bps/Hz로 개선하여 제로 불균형(zero imbalance)에 근접한 달성가능 주파수 효율을 보여준다. 5 is an example of achievable frequency efficiency of the proposed technique. Figure 5 shows the achievable frequency efficiency according to the transmission and reception distance of the UCA OAM system in the condition of SNR = 20 dB. Fig. 5 shows that the ASE has a maximum transmission and reception distance at a Rayleigh distance of 19.23 m, monotonically decreases at a distance of 28 m or more, and compensates using the proposed RF chain imbalance estimate 41.5 when not compensated at Rayleigh distance Compensation of bps/Hz to 51.5 bps/Hz through compensation shows the achievable frequency efficiency close to zero imbalance.

또한, 상술한 바와 같은 지상 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형을 추정하는 방법 내지 보상하는 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.In addition, the method for estimating or compensating for the imbalance between RF chains in the terrestrial UCA-based OAM system as described above may be implemented as a program (or application) including executable algorithms that can be executed on a computer. The program may be stored and provided in a non-transitory computer readable medium.

비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.The non-transitory readable medium means a medium that stores data semi-permanently and that can be read by a device, rather than a medium that stores data for a short time, such as registers, caches, and memory. Specifically, the various applications or programs described above may be stored and provided in a non-transitory readable medium such as a CD, DVD, hard disk, Blu-ray disk, USB, memory card, ROM, and the like.

본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.The drawings attached to the present embodiment and the present specification merely show a part of the technical spirit included in the above-described technology, and are easily understood by those skilled in the art within the scope of the technical spirit included in the above-described technical specification and drawings. It will be apparent that all of the examples and specific examples that can be inferred are included in the scope of the above-described technology.

Claims (11)

UCA(Uniform Circular Array) 기반 OAM(Orbital Angular Momentum) 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 채널 최대 우도(Maximum Likelihood)를 추정하는 단계; 및
상기 시스템에서 상기 채널 최대 우도를 기준으로 상기 송신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제1 변화 및 상기 수신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제2 변화를 추정하는 단계를 포함하되,
상기 송신기와 상기 수신기 사이의 채널은 상기 송신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제1 변화를 요소로 갖는 제1 행렬, 상기 수신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제2 변화를 요소로 갖는 제2 행렬 및 이상적 채널을 기준으로 정의되는 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
Estimating a channel maximum likelihood between a transmitter and a receiver in a UCA (Uniform Circular Array)-based Orbital Angular Momentum (OAM) system; And
Estimating a first change in gain or phase due to the RF chain of the transmitter and a second change in gain or phase due to the RF chain of the receiver based on the maximum likelihood of the channel in the system,
The channel between the transmitter and the receiver is a first matrix having, as an element, the first change by each of the N RF chains of the transmitter, and a factor having the second change by each of the N RF chains of the receiver as an element. A method for estimating imbalance between RF chains in a UCA-based OAM system defined based on 2 matrices and ideal channels.
제1항에 있어서,
상기 채널 최대 우도는 상기 제1 행렬, 상기 제2 행렬, 상기 이상적 채널 및 제로(zero) 평균을 갖는 복소수 가우시안 확률 변수를 기준으로 결정되는 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
According to claim 1,
The maximum likelihood of the channel is determined based on the first matrix, the second matrix, the ideal channel, and a complex Gaussian random variable having a zero mean.
제1항에 있어서,
상기 채널 최대 우도는
Figure 112018094296441-pat00189
로 표현되며,
Figure 112018094296441-pat00190
는 상기 채널 최대 우도,
Figure 112018094296441-pat00191
이고 a는 상기 제1 행렬,
Figure 112018094296441-pat00192
이고 b는 상기 제2 행렬,
Figure 112018094296441-pat00193
는 이상적 채널,
Figure 112018094296441-pat00194
는 제로(zero) 평균을 갖는 복소수 가우시안 확률 변수인 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
According to claim 1,
The maximum likelihood of the channel
Figure 112018094296441-pat00189
Is expressed as,
Figure 112018094296441-pat00190
Is the maximum likelihood of the channel,
Figure 112018094296441-pat00191
And a is the first matrix,
Figure 112018094296441-pat00192
And b is the second matrix,
Figure 112018094296441-pat00193
Ideal channel,
Figure 112018094296441-pat00194
Is a method for estimating imbalance between RF chains in a UCA-based OAM system, which is a complex Gaussian random variable with zero mean.
제1항에 있어서,
상기 이상적 채널은 상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리, 상기 송신기와 상기 수신기의 안테나 반경, 상기 송신기과 상기 수신기의 방위각으로 결정되는 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
According to claim 1,
The ideal channel is a distance between the transmitter and the receiver, the antenna radius of the transmitter and the receiver, and the asymmetry between the RF chain in the UCA-based OAM system determined by the azimuth of the transmitter and the receiver.
제1항에 있어서,
상기 제2 행렬에서
Figure 112018094296441-pat00195
이며, b는 제2 행렬의 대각 요소인 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
According to claim 1,
In the second matrix
Figure 112018094296441-pat00195
And b is an imbalance estimation method between RF chains in a UCA-based OAM system that is a diagonal element of the second matrix.
제1항에 있어서,
상기 제1 변화 및 상기 제2 변화는 각각
Figure 112018094296441-pat00196
를 최소화하는 상기 제1 행렬의 대각 요소 a 및 상기 제2 행렬의 대각 요소 b로 결정되며,
Figure 112018094296441-pat00197
는 상기 채널 최대 우도,
Figure 112018094296441-pat00198
는 하다마드 연산,
Figure 112018094296441-pat00199
는 이상적 채널인 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 추정 방법.
According to claim 1,
The first change and the second change are respectively
Figure 112018094296441-pat00196
It is determined by the diagonal element a of the first matrix and the diagonal element b of the second matrix minimizing,
Figure 112018094296441-pat00197
Is the maximum likelihood of the channel,
Figure 112018094296441-pat00198
Hadamard operation,
Figure 112018094296441-pat00199
Is an ideal channel UCA-based OAM system.
UCA(Uniform Circular Array) 기반 OAM(Orbital Angular Momentum) 시스템에서 송신기와 수신기 사이의 채널 최대 우도(Maximum Likelihood)를 추정하는 단계;
상기 시스템에서 상기 채널 최대 우도를 기준으로 상기 송신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제1 변화 및 상기 수신기의 RF 체인에 의한 이득 내지 위상에 대한 제2 변화를 추정하는 단계; 및
상기 송신기의 푸리에 변환에 상기 제1 변화에 대한 역보상을 수행하고, 상기 수신기의 역푸리에 변환에 상기 제2 변화에 대한 역보상을 수행하는 단계를 포함하되,
상기 송신기와 상기 수신기 사이의 채널은 상기 송신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제1 변화를 요소로 갖는 제1 행렬, 상기 수신기의 N개 RF 체인 각각에 의한 상기 제2 변화를 요소로 갖는 제2 행렬 및 이상적 채널을 기준으로 정의되는 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법.
Estimating a channel maximum likelihood between a transmitter and a receiver in a UCA (Uniform Circular Array)-based Orbital Angular Momentum (OAM) system;
Estimating a first change in gain or phase due to the RF chain of the transmitter and a second change in gain or phase due to the RF chain of the receiver based on the maximum likelihood of the channel in the system; And
And performing inverse compensation for the first change in the Fourier transform of the transmitter, and performing inverse compensation for the second change in the inverse Fourier transform of the receiver.
The channel between the transmitter and the receiver is a first matrix having, as an element, the first change by each of the N RF chains of the transmitter, and a factor having the second change by each of the N RF chains of the receiver as an element. 2 An imbalance compensation method between RF chains in a UCA-based OAM system defined based on a matrix and an ideal channel.
제7항에 있어서,
상기 채널 최대 우도는
Figure 112018094296441-pat00200
로 표현되며,
Figure 112018094296441-pat00201
는 상기 채널 최대 우도,
Figure 112018094296441-pat00202
이고 a는 상기 제1 행렬,
Figure 112018094296441-pat00203
이고 b는 상기 제2 행렬,
Figure 112018094296441-pat00204
는 이상적 채널,
Figure 112018094296441-pat00205
는 제로(zero) 평균을 갖는 복소수 가우시안 확률 변수인 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법.
The method of claim 7,
The maximum likelihood of the channel
Figure 112018094296441-pat00200
Is expressed as,
Figure 112018094296441-pat00201
Is the maximum likelihood of the channel,
Figure 112018094296441-pat00202
And a is the first matrix,
Figure 112018094296441-pat00203
And b is the second matrix,
Figure 112018094296441-pat00204
Ideal channel,
Figure 112018094296441-pat00205
Is an imbalance compensation method between RF chains in a UCA-based OAM system, which is a complex Gaussian random variable having a zero mean.
제7항에 있어서,
상기 제1 변화 및 상기 제2 변화는 각각
Figure 112018094296441-pat00206
를 최소화하는 상기 제1 행렬의 대각 요소 a 및 상기 제2 행렬의 대각 요소 b로 결정되며,
Figure 112018094296441-pat00207
는 상기 채널 최대 우도,
Figure 112018094296441-pat00208
는 하다마드 연산,
Figure 112018094296441-pat00209
는 이상적 채널인 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법.
The method of claim 7,
The first change and the second change are respectively
Figure 112018094296441-pat00206
It is determined by the diagonal element a of the first matrix and the diagonal element b of the second matrix minimizing,
Figure 112018094296441-pat00207
Is the maximum likelihood of the channel,
Figure 112018094296441-pat00208
Hadamard operation,
Figure 112018094296441-pat00209
Is an ideal channel UCA-based OAM system, an imbalance compensation method between RF chains.
제7항에 있어서,
상기 제1 행렬에 대한 추정된 대각 요소의 역행렬을 이용하여 상기 제1 변화에 대한 역보상을 수행하고, 상기 제2 행렬에 대한 추정된 대각 요소의 역행렬을 이용하여 상기 제2 변화에 대한 역보상을 수행하는 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법.
The method of claim 7,
Inverse compensation for the first change is performed using the inverse matrix of the estimated diagonal elements for the first matrix, and inverse compensation for the second change is performed using the inverse matrix of the estimated diagonal elements for the second matrix. In the UCA-based OAM system to perform the imbalance compensation method between the RF chain.
컴퓨터에서 제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 기재된 UCA 기반 OAM 시스템에서 RF 체인 사이의 불균형 보상 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 비일시적 판독 가능 매체.A computer-readable, non-transitory readable medium recording a program for executing an imbalance compensation method between RF chains in a UCA-based OAM system according to any one of claims 7 to 10 in a computer.
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