KR102159576B1

KR102159576B1 - 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102159576B1
Application number: KR1020200093492A
Authority: KR
Inventors: 문상미; 김현성; 황인태
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2020-09-24
Also published as: US11026105B1

Abstract

본 발명은 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법에 관한 것으로, 통신부가 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하고, 핑거프린트 DB 구축부가 상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하며, 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부가 상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하여 제1 빔 간섭 제거부가 상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔인덱스로 그룹 별 빔세트를 구성하여 그룹 내의 빔 간섭이 제거된 그룹 별 빔세트를 생성하고, 제2 빔 간섭 제거부가 그룹 간의 중복된 빔을 제거하여 밀리미터파 통신에 있어서 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭을 제거함으로써 신뢰도 및 데이터 전송률 향상시킬 수 있다.

Description

핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법 {FINGERPRINT-BASED INTERFERENCE CANCELLATION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핑거프린트 데이터를 이용하여 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭 중 적어도 하나를 제거하여 빔 간섭이 제거된 최상의 빔으로 통신함에 따라 데이터 전송율과 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.

통신 및 다양한 업계에서는 초대규모 및 초저지연의 차세대 네트워크를 지원하는 5G 서비스 도입을 열망하고 있다. 5G 높은 전송 속도를 목표로 하는 eMBB(Enhanced Mobile Broad Band), 신뢰성을 높이고 지연속도를 획기적으로 단축시키는 URLLC(Ultra Reliable and Low Latency Communication) 측면에서 살펴볼 수 있다. 특히, eMBB에 관한 요구조건은 다운링크 기준 최대 전송률이 20 Gbps로 기존 LTE 대비 20 배 가량 증가하여 사용자 단말의 체감 전송속도는 100 ~ 1000 Mbps 가 될 것이다. 이러한 요구 조건을 충족시키기 위한 기술의 일환으로 밀리미터파 전송 시스템이 주목을 받고 있다.

밀리미터파 대역은 기존의 이동 통신에서 사용하던 6 GHz 미만 대역과 구별되는 파장이 mm 단위인 30 ~ 300 GHz 대역을 지칭한다. 밀리미터파는 높은 주파수로 인한 짧은 파장 때문에 다수의 안테나를 작은 공간에 집적시킬 수 있어 대규모 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템에 적합하다. 또한 대규모 MIMO는 데이터 전송 속도와 링크 신뢰성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며 에너지 효율과 스펙트럼 효율을 각각 3배 및 1~2 배로 향상시킬 수 있다. 밀리미터와 대규모 MIMO 를 함께 사용하면 각각의 단점을 효과적으로 극복하고 장점을 충분히 활용할 수 있다.

최근 연구 결과, 5G 무선 시스템을 위한 밀리미터 대규모 MIMO의 잠재력을 보여준다.

하지만, 밀리미터파는 높은 주파수로 인한 짧은 파장 때문에 신호의 감쇠 및 전달 거리 감소와 같은 단점이 존재한다. 이 문제를 극복하기 위해 밀리미터파 시스템은 고지향성 빔포밍(Beamforming) 기술을 적용하여 이 문제를 해결하고자 한다.

빔포밍 기술은 전송 속도를 최대화하고 에너지 효율을 향상시키기 위해 최상의 빔을 선택한다. 일반적인 밀리미터파 빔 선택 알고리즘은 모두 완벽한 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)를 추정하는 데 기반을 두고 있으며 기지국에 대한 정확한 채널 추정 및 CSI 피드백이 필요하다. 채널 추정을 위한 쉽고 효과적인 방식으로 전체 빔 탐색(Exhaustive Beam Search)이 있으며, 송신기 및 수신기가 순차적으로 지향성 아날로그 빔을 교체하면서 링크의 신호대 잡음 비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 최대화하는 송수신 빔 쌍을 찾는다. 이러한 접근은 IEEE 표준 802.11ad 시스템과 5G 등에 사용되었다.

이 방식은 그리드 해상도에 의해 결정되며, 모든 송신기 및 수신기 빔을 순차적으로 전송해야 하므로 큰 오버헤드가 발생하는 단점을 갖는다. 오버헤드 단점을 극복하기 위해 밀리미터파 채널의 희소성(Sparsity) 성질을 활용한 CS(Compressed Sensing) 기반 채널 추정 기법이 제안되고, 빔 탐색 프로세스는 위치 또는 방향 추정에 의해 가속화 될 수 있다.

그러나, 밀리미터파 대규모 MIMO 시스템을 구현하는 데 있어 가장 주요한 문제 중 하나는 하드웨어의 복잡도이다. 각 안테나 당 RF 체인을 하나씩 요구하여 구현 복잡도가 높다. 또한, 밀리미터파에서 RF 체인의 전력 소비는 6 GHz 에서 보다 훨씬 높으므로 많은 수의 RF 체인을 갖는 것은 사실상 불가능하다.

최근 하드웨어 비용과 전력 소비를 줄이기 위해 렌즈 안테나 어레이를 적용한 밀리미터파 대규모 MIMO에 관한 연구가 이루어지고 있다. 송신기에서 렌즈 안테나 어레이를 사용함으로써, 공간 채널은 빔공간(Beamspace)으로 표현될 수 있다.

밀리미터파는 방향성이 높고, 적은 수의 방향만 가지므로 빔공간 채널은 희소성(Sparse)을 가진다. 빔공간의 각 빔은 단일 RF 체인에 해당하기 때문에 적은 수의 빔을 적절히 선택하여 썸레이트(Sum-rate) 성능에서 상당한 손실을 발생시키지 않으면서 RF 체인 수를 줄일 수 있다. 이와 관련하여 정확한 빔 선택은 빔 기반 밀리미터파 통신에서 필수적이다. 향상된 공간 분할 다중 액세스(Spatial Division Multiple Access, SDMA)가 제안되었으며, 기지국은 고차원의 채널을 근사화하기 위해 채널의 메인 로브를 캡처하는 몇 개의 빔을 선택하여 피드백을 감소시킨다. 이 방식은 밀리미터파 대규모 MIMO 시스템에서 다운 링크 CSI 획득의 어려움을 극복하지만 여전히 계산 복잡성과 피드백 설계를 고려해야한다. 크기 최대화 기반 빔 선택(MM-BS)이 제안되었으며, 기지국은 각 사용자 단말에 대해 크기가 큰 여러 개의 빔을 선택한다. MM-BS는 간단하지만 서로 다른 RF 체인을 통해 동일한 빔을 선택할 수 있으므로 다중사용자 단말 간 간섭 문제가 발생한다.

본 발명은, 기지국과 적어도 사용자 단말 간의 통신에서 형성된 핑거프린트 데이터를 기반으로 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭 중 적어도 하나를 제거하여 통신함에 있어서 데이터 전송율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템은 기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함할 수 있으며, 상기 기지국은, 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신부; 상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부; 상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부; 및 상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔인덱스로 그룹 별 빔세트를 구성하여 그룹 내의 빔 간섭이 제거된 그룹 별 빔세트를 생성하는 제1 빔 간섭 제거부를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 임의의 그룹의 빔세트 내의 빔과 다른 그룹의 빔세트 내의 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 빔세트에서 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔세트를 생성하는 제2 빔 간섭 제거부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템은 기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함할 수 있으며, 상기 기지국은, 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신부; 상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부; 상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부; 및 상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 임의의 그룹의 정렬된 빔과 다른 그룹의 내의 정렬된 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔을 생성하는 제2 빔 간섭 제거부를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 수행되는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법에 있어서, 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신 단계; 상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계; 상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축 단계; 및 상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔인덱스로 그룹 별 빔세트를 구성하여 그룹 내의 빔 간섭이 제거된 그룹 별 빔세트를 생성하는 제1 빔 간섭 제거 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 임의의 그룹의 빔세트 내의 빔과 다른 그룹의 빔세트 내의 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 빔세트에서 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔세트를 생성하는 제2 빔 간섭 제거 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 수행되는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법에 있어서, 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신 단계; 상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계; 상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축 단계; 및 상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 임의의 그룹의 정렬된 빔과 다른 그룹의 내의 정렬된 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔을 생성하는 제2 빔 간섭 제거 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 밀리미터파 통신에 있어서 핑거프린트 데이터를 이용하여 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭 중 적어도 하나를 제거함에 따라 사용자 단말 간의 빔 간섭이 제거된 최상의 빔으로 통신하여 데이터 전송율과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거를 위한 시스템 장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 핑거프린트 DB 구축부의 세부구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부의 세부구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 사용자 단말 수 k=8 일때 썸레이트(Sum-rate) 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 사용자 단말 수 k=8 일때 에너지 효율 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 6는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거의 순서를 도시한 순서도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 단말, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

Multi-input Multi-output(MIMO) 네트워크 시스템은 하나의 기지국과 복수 명의 단일 안테나 사용자 단말로 구성된 밀리미터파 대용량(Massive) MIMO 시스템을 고려한다. 기지국은 복수 개의 안테나와

개의 RF 체인을 가지고 있을 수 있다.

이때, 공간(Spatial) 도메인 모든 사용자 단말 k의 수신 신호

는 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

수학식 1에서,

는 채널 행렬이고,

는 기지국과 사용자 단말 k 사이의 채널 벡터이다.

디지털 프리코딩 행렬이고,

는

를 만족하는 심볼 벡터이다. 프리코딩된 심볼은

로 제한된다.

는 백색 가우스 잡음이다.

밀리미터파 통신에서 널리 사용되는 Saleh-Valenzucla 채널 모델에 따르면, 채널 벡터

는 다음 수학식 2로 표현될 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2에서, 안테나 조향 벡터의 복소 이득에서

는 가시거리인 Line of Sight(LOS)의 구성 요소이고,

,

는

번째 비가시거리인 non-Line-of-Sight(NLOS)의 구성 요소이다.

,

,및

는 각각 복소 이득, 방위각, 및 고도각이고,

는 안테나 조향 벡터이다.

인 UPA(Uniform Planner Array)의 경우, 안테나 조향 벡터

는 다음 수학식 3으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

수학식 3에서, 수평 안테나 조향 벡터

, 임의의

이고, 수직 안테나 조향 벡터

, 임의의

이며,

이다. 공간 방위각은

이고, 공간 고도각은

로 정의된다. 여기서

는 물리적 방위각,

는 물리적 고도각이고,

는 파장,

수평 안테나 간격,

는 수직 안테나 간격이며, 밀리미터파 주파수에서는

로 정의한다.

공간 도메인 채널은 렌즈 안테나 어레이를 사용하여 빔공간 도메인으로 직접 변환될 수 있다.

렌즈 안테나 어레이는

크기의 공간 이산 푸리에 변환(DFT: Discrete Fourier Transform) 매트릭스(U) 로, 다음 수학식 4로 정의할 수 있다.

[수학식 4]

수학식 4에서,

와

는 수평 렌즈 안테나 어레이에 의해 미리 정의된 방위각이고,

와

는 수직 렌즈 안테나 어레이에 의해 미리 정의된 고도각이다.

마지막으로, 빔공간 시스템에서 수신 신호 벡터

는 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

수학식 5에서, 빔공간 채널 행렬

은 다음 수학식 6으로 표현될 수 있다.

[수학식 6]

수학식 6에서,

는 사용자 단말

의 빔공간 채널 벡터이다. 수학식 2에서 NLOS 성분의 수 L은 N 보다 훨씬 적으며, 희소성(Sparsity)을 가지는 빔공간 채널 벡터

를 구성한다. 희소한 빔공간 채널 벡터에 따라 적은 수의 적절한 빔만 선택하여 성능 손실 없이 MIMO 시스템의 차원을 줄일 수 있다. 최종적으로 수신 신호 벡터

는 다음 수학식 7로 표현될 수 있다.

[수학식 7]

수학식 7에서,

,

는 선택된 빔 인덱스이고,

는 차원 축소된 디지털 프리코딩 행렬이다.

의 차원은 수학식 1의 디지털 프리코딩 행렬

보다 훨씬 적기 때문에 RF 체인의 수를 상당히 줄일 수 있다. 이때 사용자 단말 k 의 공간 다중화 이득을 보장해 필요한 RF 체인의 최소 개수는

이다.

핑거프린트는 지정된 위치에서 채널의 일부 특성을 나타낸다. 이러한 특성은 서로 다른 기지국에서 수신된 신호 강도 또는 기지국에서 다중 경로 채널의 특징을 알 수 있다. 핑거프린트는 주어진 위치에서 전송되는 빔 인덱스의 집합을 의미하며, 데이터 저장 방식에 따라 및 그룹 기반 핑거프린트로 정의할 수 있다.

핑거프린트 데이터를 이용한 빔 간섭 제거는 오프라인 단계와 온라인 단계로 구분할 수 있다.

오프라인 단계는 빔 간섭 제거를 위해 핑거프린트 데이터를 생성하고, 온라인 단계에서는 생성된 핑거프린트 데이터를 기반으로 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭을 제거할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거를 위한 시스템 장치의 구성도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거를 위한 시스템은 통신부(100), 핑거프린트 DB 구축부(200), 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부(300), 제1 빔 간섭 제거부(400) 및 제2 빔 간섭 제거부(500)를 포함할 수 있다.

통신부(100)는 핑거프린트를 구축하기 위해 기지국에서 완전 탐색(Exhaustive Search) 기반으로 빔 스위핑(Beam Sweeping)하여 단위 행렬 벡터로 구성되어 채널 정보를 양자화한 코드북을 통해 기준 신호(RS: Reference Signal)를 적어도 하나의 사용자 단말로 주기적으로 전송할 수 있다. 사용자 단말은 수신된 기준 신호를 측정하고 수신 되었을 때의 세기인 기준신호수신전력을 사용자 단말의 위치 정보와 함께 기지국으로 다시 전송한다. 이때, 사용자 단말에서 기지국으로 전송되는 기준신호수신전력은 사용자 단말의 위치에서 수신신호의 세기가 최대인 빔 인덱스이다.

도 2는 일 실시예에 따른 핑거프린트 DB 구축부(200)의 세부구성도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 핑거프린트 DB 구축부(200)는 빔 인덱스 저장 모듈(210)과 사용자 단말 위치 정보 저장 모듈(220)로 구성될 수 있으며, 빔 인덱스 저장 모듈(210)은 사용자 단말로부터 제공된 기준신호수신전력을 저장하고, 사용자 단말 위치 정보 저장 모듈(220)는 위치 정보 받아 저장할 수 있다. 이때, 기준신호수신전력은 신호의 세기가 가장 큰 빔(TOP-M)만 저장되며, 사용자 단말의 위치 정보는 내장된 GPS(Global Positioning System) 또는 네트워크 포지셔닝 시스템으로 사용자 단말의 위치 정보를 쉽게 알 수 있다. 표 1은 핑거프린트의 예를 보여준다.

핑거프린트 데이터베이스의 예

Position	Best	best	...	best	...	best
			...		...
			...		...
...	...	...	...	...	...	...
			...		...
...	...	...	...	...	...	...
			...		...

여기서,

,

는 사용자 단말의 위치 u이고,

,

은 사용자 단말의 위치 u의 m번째 수신신호의 세기가 큰 빔이다.

도 3은 일 실시예에 따른 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부의 세부구성도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부(300)는 사용자 단말 그룹 형성 모듈(310)과 빔 인덱스 정렬 모듈(320)로 구성될 수 있다.

그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부(300)는 핑거프린트 데이터에서 사용자 단말 그룹 형성 모듈(310)은 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하고, 빔 인덱스 정렬 모듈(320)에서 각 그룹의 모든 사용자 단말에 대해 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 제외한 모든 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고, 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축할 수 있다. 이때, 수신신호의 세기가 가장 큰 빔(TOP-M)이 저장될 수 있고, 빔의 수 또는 사용 가능한 빔의 수가 사용자 단말의 위치와 크게 관련이 있으며, 기지국의 서빙 커버리지에 따라 그룹의 수가 결정될 수 있다.

표 2는 그룹 기반 핑거프린트의 예를 보여주며, 여기서

,

는 그룹 s를 나타내고,

,

는 그룹 s 의 k 번째 신호의 세기가 가장 큰 빔이다.

그룹 기반 핑거프린트의 예

Group	Best	best	...	best	...	best
			...		...
			...		...
...	...	...	...	...	...	...
			...		...
...	...	...	...	...	...	...
			...		...

온라인 단계에서 빔 간섭 제거를 위한 빔 선택은 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부에서 구축된 그룹 핑거프린트 데이터를 기반으로 빔 간섭 제거를 할 수 있다. 간섭의 종류로는 그룹 내 및 그룹 간 간섭이 있어 두 간섭을 모두 고려한 빔 선택이 이루어질 수 있다.

먼저 그룹 내 간섭을 제거하기 위해 제1 간섭 제거부(400)는 그룹

의 각각의 사용자 단말에 대해 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택할 수 있다. 이때, 선택된 빔에 대하여 빔세트

를 구성하여 그룹 내 간섭을 제거 할 수 있다.

그룹 내 간섭 제거 후, 그룹 간 중복된 빔을 제거하기 위해 제2 간섭 제거부(500)는 그룹 간 빔 간섭 유무를 확인하여 그룹

의 빔세트 내의 빔이 다른 그룹의 빔세트 내 빔과 중복된 경우, 빔세트

에서 해당하는 빔을 삭제하고 핑거프린트 데이터에서 다음 빔

로 변경한다. 이때, 그룹 간 간섭이 없을 때까지

반복 수행하여 그룹 간 간섭을 제거할 수 있다.

<시뮬레이션>

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상용 시뮬레이터는 Wireless Insite 와 공공 활용 가능한 Deep MIMO 데이터 세트를 기반으로 설계하였으며, 채널 벡터는 복소 이득, 방위각 및 고도각과 같은 매개 변수를 사용하여 생성할 수 있다. 밀리미터파 주파수는 60 GHz, 기지국과 사용자 단말은 각각

의 UPA 안테나와 단일 안테나를 가질 수 있다. 자세한 파라미터는 표 3과 같다.

파라미터	구분
반송파	60 GHz
시스템 대역폭	500 MHz
액티브 기지국	4
액티브 사용자 단말	From row R1100 to R2000
기지국 안테나 수	Mx = 1, My = 8, Mz = 8
사용자 단말 안테나 수	Mx = 1, My = 1, Mz = 1
안테나 간격 (파장)	0.5
경로 수	5

일 실시예에 따른 핑거프린트 기반으로 빔 간섭 제거 성능을 평가하기 위해 기존의 기술(전디지털 빔포밍(Fully DBF), 랜덤 빔 선택(Random Beam Selection), 그리디 빔 선택(Greedy Beam Selection))에 대해 썸레이트(Sum-rate) 성능을 비교 분석할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과에서 사용자 단말의 위치는 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스의 그룹과 매칭시킨다. 매칭 과정에서, 각 그룹에 대해 빔세트를 구성하고 그룹 내 및 그룹 간 빔 간섭을 제거하도록 빔이 선택된다.

아날로그 도메인에서 빔 선택의 성능을 비교 분석하고자 하며, 디지털 프리코더로 ZF(Zero-Forcing)을 사용하였다.

차원 축소된 디지털 프리코딩 행렬

는

와 같이 표현될 수 있으며, 여기서

는

를 보장하는 스케일링 계수이다.

는 기지국의 송신 전력이며,

에 대한 송신 신호대잡음비(SNR: Signal Noise ratio)와 동일하다. 따라서, 스케일링 계수

는 다음 수학식 8로 표현될 수 있다.

[수학식 8]

기지국에서 동일한 전력 할당 방식이 사용될 때, k 번째 사용자 단말의 평균 전송률은 다음 수학식 9로 표현될 수 있다.

[수학식 9]

수학식 9에서, 썸레이트는

이다.

도 4는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 사용자 단말 수 k=8 일때 썸레이트 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예에서 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거는 기존의 기술과는 달리 동일한 빔이 다른 사용자 단말에 대해 선택될 수 없으므로 기존의 기술보다 더 높은 썸레이트 성능을 갖는다.

따라서, 본 발명은 기존의 기술에서 일부 사용자 단말에게 서비스를 제공할 수 없어 썸레이트 성능에 손실을 초래했던 문제를 핑거프린트를 이용하여 빔을 선택하고 간섭을 제거함으로써 기지국과 모든 사용자 단말 k가 높은 데이터 전송률과 신뢰성으로 동시에 서비스될 수 있도록 보장한다.

전력 효율 값을 통해 썸레이트 성능과 RF 체인의 복잡성 간의 균형을 평가하기 위해 다음 수학식 10으로 계산할 수 있다.

[수학식 10]

수학식 10에서, R은 썸레이트[bps/Hz],

는 전송 전력[Watt]이고,

는 RF 체인당 소비되는 전력[Watt]이다.

일 실시예에 따른 시뮬레이션에서는

으로 설정하였다.

도 5는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 사용자 단말 수 k=8 일때 에너지 효율 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.

일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과에서 제안하는 발명은 기존의 기술과 달리

가 고정되어 있지 않고 안테나의 수 보다 적어 제안하는 발명의 전력 효율이 기존의 기술보다 높음을 알 수 있다.

도 6는 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거의 순서를 도시한 순서도이다.

사용자 단말의 위치 별 빔 인덱스 저장 단계(S210)는 기지국에서 적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 사용자 단말로부터 제공된 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하여 사용자 단말의 위치 별 빔 인덱스를 저장할 수 있다.

핑거프린트 데이터 생성 단계(S220)는 저장된 사용자 단말의 위치 별 빔인덱스에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성할 수 있다.

사용자 단말 그룹 형성 단계(S230)는 생성된 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 가지는 사용자 단말을 그룹화할 수 있다.

그룹 별 사용자 단말 빔 인덱스 정렬 단계(S240)는 각 그룹의 모든 사용자 단말에 대해 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬할 수 있다.

그룹 핑거프린트 데이터를 생성(S250)단계는 각 그룹의 모든 사용자 단말에 대해 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성할 수 있다.

그룹 내 중복 빔 제거 단계(S260)는 그룹 핑거프린트 데이터에서 각 그룹 내 정렬된 빔 중 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔에 대해 빔세트를 형성하여 각 그룹 내 사용자 단말에 대해 중복된 빔을 제거할 수 있다.

그룹 간 중복 빔 제거 단계(S270)는 임의의 그룹에서 빔세트 내의 빔이 다른 그룹의 빔세트 내 빔과 중복될 경우, 임의의 그룹의 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔세트를 생성할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

100: 통신부 200: 핑거프린트 DB 구축부
300: 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부 400: 제1 빔 간섭 제거부
500: 제2 빔 간섭 제거부
210: 빔 인덱스 저장 모듈
220: 사용자 단말 위치 정보 저장 모듈
310: 사용자 단말 그룹 형성 모듈 320: 빔 인덱스 정렬 모듈

Claims

기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에 있어서,
상기 기지국은,
적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신부;
상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부;
상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부; 및
상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔인덱스로 그룹 별 빔세트를 구성하여 그룹 내의 빔 간섭이 제거된 그룹 별 빔세트를 생성하는 제1 빔 간섭 제거부를 포함하는핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 기지국은,
임의의 그룹의 빔세트 내의 빔과 다른 그룹의 빔세트 내의 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 빔세트에서 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔세트를 생성하는 제2 빔 간섭 제거부를 더 포함하는핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템.
기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에 있어서,
상기 기지국은,
적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신부;
상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부;
상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축부; 및
상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 임의의 그룹의 정렬된 빔과 다른 그룹의 내의 정렬된 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔을 생성하는 제2 빔 간섭 제거부를 포함하는핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템.
기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 수행되는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법에 있어서,
적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신 단계;
상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계;
상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축 단계; 및
상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔인덱스로 그룹 별 빔세트를 구성하여 그룹 내의 빔 간섭이 제거된 그룹 별 빔세트를 생성하는 제1 빔 간섭 제거 단계를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법.
제 4항에 있어서,
임의의 그룹의 빔세트 내의 빔과 다른 그룹의 빔세트 내의 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 빔세트에서 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔세트를 생성하는 제2 빔 간섭 제거 단계를 더 포함하는핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법.
기지국 및 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 사용자 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 시스템에서 수행되는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법에 있어서,
적어도 하나의 사용자 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 사용자 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치 정보를 수신하는 통신 단계;
상기 기준신호수신전력 및 위치 정보를 전달받아 각각의 사용자 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고 선택된 빔과 나머지 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계;
상기 선택된 빔과 동일한 수신신호의 세기를 갖는 사용자 단말을 그룹화하되, 각각의 사용자 단말에 대해 선택된 빔을 제외한 나머지 빔을 수신신호의 세기에 따라 정렬하여 정렬된 빔으로 그룹 핑거프린트 데이터를 생성하고 생성된 그룹 핑거프린트 데이터로 그룹 기반 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 그룹 기반 핑거프린트 DB 구축 단계; 및
상기 그룹 핑거프린트 데이터에서 임의의 그룹의 정렬된 빔과 다른 그룹의 내의 정렬된 빔이 중복될 때 임의의 그룹의 정렬된 빔의 순서에 따라 중복된 빔을 순차 제거하여 그룹 간의 빔 간섭이 제거된 빔을 생성하는 제2 빔 간섭 제거 단계를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔 간섭 제거 방법.