KR102166810B1 - 밀리미터 대역에서 사용자의 움직임을 추정하여 빔의 폭을 조절하는 송신단 방향에서의 빔포밍 방법 및 시스템 - Google Patents

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밀리미터 대역에서 사용자의 움직임을 추정하여 빔의 폭을 조절하는 송신단 방향에서의 빔포밍 방법 및 시스템이 개시된다. 밀리미터파 통신에서 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 수행되는 빔포밍 방법에 있어서, 사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정하는 단계, 및 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

밀리미터 대역에서 사용자의 움직임을 추정하여 빔의 폭을 조절하는 송신단 방향에서의 빔포밍 방법 및 시스템{A beamforming method and system that adjusts the beam width automatically in millimeter wave communication}
본 발명의 실시예들은 밀리미터파 대역(30GHz 내지 300GHz)의 무선 통신(즉, 밀리미터파 통신)에서 사용자 단말의 이동성을 고려하여 빔을 전송하는 송신단 방향에서의 빔포밍(beamforming) 기술에 관한 것이다.
30GHz 내지 300GHz의 밀리미터파 대역을 사용하는 밀리미터파 통신은 기존의 셀룰러 대역에 비해 높은 주파수 대역을 사용한다. 밀리미터파를 이용하면 초당 기가 비트(GB)의 높은 데이터 전송률을 달성할 수 있으며, 다수의 안테나를 작게 집적시킬 수 있어 기기의 소형화가 가능하다.
그러나, 전파의 직진성이 강하고 경로 손실이 크다는 단점이 있어 이를 보완하기 위해 다수의 배열 안테나를 사용하여 각 안테나의 송수신 신호를 다른 이득을 이용하여 결합하여 특정 방향으로 파워를 모아서 전송 또는 수신하는 빔포밍(beamforming) 기술이 사용된다.
밀리미터 통신의 하향링크에서는 크게 빔트레이닝(beam training)과 빔전송(data transmission) 과정을 통해 데이터를 전송하게 된다. 먼저, 빔트레이닝 과정(즉, 빔트레이닝을 위한 시간 구간)에서는 기지국이 이미 알고 있는 트레이닝 빔 신호를 송신하여 사용자들로 하여금 자신의 밀리미터 채널을 추정하도록 한다. 밀리미터 채널은 신호의 발사각과 도달각, 그리고 채널이득(channel gain)으로 구성되는데, 발사각, 도달각의 추정치가 빔포밍의 성능에 큰 영향을 미치게 된다.
빔 전송 과정(즉, 빔전송을 위한 시간 구간)에서는 빔트레이닝 과정에서 추정된 채널을 이용하여 기지국에서 사용자에게 최대의 전송률을 달성하도록 빔포밍하여 데이터 전송을 한다. 수신기 역시 추정된 채널을 이용하여 최적의 수신을 위한 빔포밍 과정을 수행하게 된다. 이러한 빔트레이닝과 빔전송 과정은 실제로 사용자가 움직이거나 채널이 시간에 따라 바뀔 수 있기 때문에 주기적으로 반복되게 된다.
도 1은 종래의 빔포밍 과정을 도시한 도면이다.
도 1에 따르면, 빔포밍 과정(100)은 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간(101) 및 데이터를 전송하는 빔전송 구간(102)을 포함한다. 여기서, 빔트레이닝 구간(101)과 빔전송 구간(102)이 주기적으로 반복 수행된다.
도 1을 참고하면, 기지국은 사용자 단말 주변의 모든 방향으로 순차적으로 트레인이 빔(training beam)을 송신하는 빔사이클링(beam cycling) 기법에 기초하여 채널을 추정한다. 빔트레이닝 구간에서는 주기적으로 이미 알고 있는 심볼(symbol)을 순차적으로 다른 빔에 실어서 보내어 사용자 단말이 채널을 추정하도록 한다. 이때, 빔트레이닝 구간에서 발사각 및 도달각을 추정하고, 추정된 정보를 기반으로 송신 장치인 기지국은 수신 장치인 사용자 단말 방향으로, 사용자 단말은 기지국 방향으로 빔포밍을 수행한다.
그러나, 다수의 안테나를 이용하여 날카로운(sharp) 빔을 형성하는 경우에 도달각과 발사각의 추정 오차가 크면, 송신 장치 및 수신 장치에서 지향하는 빔의 방향과 실제의 도달각 및 발사각에 오차가 발생하여 수신 파워(power)가 저하되어, 결국 성능이 떨어지는 문제가 발생한다. 즉, 밀리미터파 통신 대역의 특성으로 인해 직진성이 강하므로, 사용자 단말의 이동으로 인해 빔의 방향이 달라지게 되면 채널 추정 성능이 저하되고, 결국, 사용자 단말로 신호가 제대로 도달하지 못해 수신 성능이 저하된다.
이에 따라, 밀리미터파 통신에서 다수의 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행함에 있어서, 수신 장치인 사용자 단말의 이동으로 인해 발사각 및 도달각의 오차가 오차 허용 범위를 벗어나더라도 일정 수준 이상으로 사용자 단말이 신호를 수신 가능하도록 보장하는 빔포밍 기술이 요구된다.
한국공개특허 제10-2018-0003103호는 밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템에 관한 것으로, 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로, 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming) 방법에 있어서, 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하고, 수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하고, 선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 기술을 기재하고 있다.
본 발명의 일실시예는 사용자가 움직임을 확률적으로 추정하고, 추정된 정보로부터 최적의 빔의 폭을 제어하는 빔포밍을 수행함으로써, 기지국에서 전송한 신호가 사용자 단말로 도달하는 것을 보장하는 기술에 관한 것이다.
밀리미터파 통신에서 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 수행되는 빔포밍 방법에 있어서, 사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정하는 단계, 및 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 사후확률분포를 결정하는 단계는, 상기 송신 장치와 사용자 단말 상호 간에 미리 정의된 신호를 전송하는 단계, 및 전송된 상기 신호를 기반으로 추정된 채널 정보의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 사후확률분포를 결정하는 단계는, 상기 송신 장치에서 사용자 단말로 신호를 전송하기 위한 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서, 다수의 배열 안테나를 기반으로 상기 신호를 전송하고자 하는 안테나의 발사각, 상기 신호를 사용자 단말에서 수신할 때의 도달각에 해당하는 사후확률분포를 결정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭을 조절하는 단계는, 상기 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서 추정된 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절하는 단계, 및 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 작으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭을 조절하는 단계는, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 낮으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절하는 단계, 및 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭을 조절하는 단계는, 상기 송신 장치에 마련된 다수의 배열 안테나를 대상으로, 활성화된 안테나의 개수를 조절하여 상기 빔폭을 조절할 수 있다.
밀리미터파 통신에서 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 빔포밍을 수행하는 송신 장치에 있어서, 사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정하는 확률분포 결정부, 및 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절하는 빔폭 조절부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 확률분포 결정부는, 상기 송신 장치와 사용자 단말 상호 간에 미리 정의된 신호를 전송하고, 전송된 상기 신호를 기반으로 추정된 채널 정보의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 확률분포 결정부는, 상기 송신 장치에서 사용자 단말로 신호를 전송하기 위한 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서, 다수의 배열 안테나를 기반으로 상기 신호를 전송하고자 하는 안테나의 발사각, 상기 신호를 사용자 단말에서 수신할 때의 도달각에 해당하는 사후확률분포를 결정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭 조절부는, 상기 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서 추정된 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절하고, 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 작으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭 조절부는, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 낮으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절하고, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔폭 조절부는, 상기 송신 장치에 마련된 다수의 배열 안테나를 대상으로, 활성화된 안테나의 개수를 조절하여 상기 빔폭을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자가 움직임을 확률적으로 추정하고, 추정된 정보로부터 최적의 빔의 폭을 제어하는 빔포밍을 수행함으로써, 기지국에서 전송한 신호가 사용자 단말로 도달하는 것을 보장할 수 있다.
도 1은 종래의 빔포밍 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 환경에서 송신 장치의 내부 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 환경에서 송신단 방향에서의 빔포밍 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 빔포머를 기반으로 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절한 데이터 전송 구조를 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자의 움직임에 따라 빔폭을 자동으로 조절하는 경우의 SNR 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 밀리미터 대역에서 사용자의 움직임을 추정하여 빔의 폭을 조절하는 송신단 방향에서의 빔포밍 기술에 관한 것으로서, 30GHz 내지 300GHz의 밀리미터파 대역에서 송신 장치에서 수신 장치로 신호를 전송 시, 수신 장치가 이동하더라도 일정 수준 이상으로 신호의 안전한 수신을 보장하도록 빔포밍을 수행하는 기술에 관한 것이다. 특히, 다수의 안테나를 사용하여 송신 장치에서 날카로운 빔을 형성하는 경우에 도달각과 발사각의 추정 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크더라도, 빔포밍의 효율을 어느 정도 희생하더라도 빔폭이 넓어지도록 조절하여 발사각 및 도달각의 오차로 인해 수신 장치에서 신호를 제대로 수신하지 못하는 상황을 감소시키는 기술에 관한 것이다. 즉, 발사각 및 도달각의 오차 정보를 고려하여 안테나의 빔포밍 계수를 조절하여, 빔폭을 조절함으로써, 일정 수준 이상으로 수신 장치에서의 신호 수신 성능을 보장하는 빔포머를 설계 및 제공하는 기술에 관한 것이다.
본 실시예들에서, '송신 장치'는 적어도 하나의 사용자 단말이 있는 방향으로 신호를 모아 전송하는 빔포밍(beamforming)을 수행하는 기지국을 나타낼 수 있다.
본 실시예들에서, '사용자 단말'은 밀리미터파 통신으로 기지국으로부터 데이터를 제공받는 수신 장치를 나타내는 것으로서, 예컨대, 스마트폰(smartphone), 웨어러블 디바이스(wearable device), 태블릿(tablet) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 환경에서 송신 장치의 내부 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 환경에서 송신단 방향에서의 빔포밍 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 기지국인 송신 장치(200)는 확률분포 결정부(210), 및 빔폭 조절부(220)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 3의 빔포밍 방법의 각 단계들(즉, 310 내지 320 단계)은 도 2의 송신 장치(300)의 구성 요소인 확률분포 결정부(210), 및 빔폭 조절부(220)에 의해 수행될 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 기지국인 송신 장치(200)에 속하는 복수의 사용자 단말들 중 사용자 단말(201)을 대상으로 빔포밍을 수행하는 기술을 중심으로 설명하나, 이는 실시예에 해당되며, 송신 장치(200)는 사용자 단말(201) 이외에 기지국에 속하는 용자 단말들(예컨대, 사용자 단말 N(202))을 대상으로 딥러닝 기반 빔추적 및 예측 방법에 따라 빔포밍을 수행할 수 있다.
310 단계에서, 확률분포 결정부(210)는 사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정할 수 있다. 사용자 단말은 A위치에서 B위치, B위치에서 다시 C위치로 이동할 수 있는데, 이러한 사용자 단말이 이동함에 따른 사용자의 위치는 발사각 및 도달각으로 표현될 수 있다.
311 단계에서, 확률분포 결정부(210)는 기지국인 송신 장치와 수신 장치인 사용자 단말 상호 간에 미리 정의된 신호(즉, 미리 알고 있는 심볼)을 빔(beam)에 실어 전송할 수 있다.
312 단계에서, 확률 분포 결정부(210)는 전송된 신호를 기반으로 사용자 단말에서 추정된 채널 정보의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정할 수 있다. 즉, 추정된 사용자 단말의 위치의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정할 수 있으며, 이러한 사용자 단말의 위치는 도달각 및 발사각으로 표현됨에 따라, 상기 사후확률분포는 사용자 단말이 이동함에 따라 추정되는 사용자 단말의 위치를 나타내는 도달각 및 발사각을 확률적으로 표현한 분포에 해당할 수 있다.
320 단계에서, 빔폭 조절부(220)는 사후확률분포에 기초하여 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절할 수 있다.
예컨대, 추정된 채널 정보는, 추정된 발사각, 도달각, 채널 이득(channel gain)을 포함할 수 있다. 이때, 추정된 발사각 및 도달각의 정확도가 높으면 빔을 좁혀 높은 에너지가 사용자 단말로 도달하게 하고, 정확도가 낮은 경우에는 빔을 넓혀서 빔이 사용자 단말로부터 어긋나는 경우를 방지할 수 있다.
321 단계에서, 빔폭 조절부(220)는 결정된 사후확률분포(즉, 추정된 사후확률분포)를 기반으로 발사각과 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크면, 상기 발사각 및 도달각 추정 시 이용된 빔폭보다 이후 사용자 단말에서 원하는 신호를 전송 시 이용될 빔의 폭(width)을 상대적으로 넓게 조절할 수 있다. 이때, 발사각과 도달각의 오차가 상기 기준 오차 보다 작으면, 빔폭 조절부(220)는 빔폭을 추정 시의 빔폭보다 상대적으로 좁게 조절하여 보다 샤프한(sharp) 형상으로 빔이 형성되도록 제어할 수도 있다. 예컨대, 기지국에서 단말을 대상으로 신호를 전송하기 위해 이용되는 활성화할 송신 안테나의 개수를 현재보다 상대적으로 감소시킴으로써, 빔폭을 좁아지도록 제어될 수 있다. 그리고, 상기 확성화할 송신 안테나의 개수를 현재보다 상대적으로 증가시킴으로써 빔폭이 넓어지도록 제어될 수 있다.
322 단계에서, 빔폭 조절부(220)는 결정된 사후확률분포(즉, 추정된 사후확률분포)를 기반으로 발사각과 도달각의 오차가 미리 정의된 기준오차보다 작으면, 상기 발사각 및 도달각 추정 시 이용된 빔폭보다 이후 사용자 단말에서 원하는 신호를 전송 시 이용될 빔의 폭(width)을 상대적으로 좁게 조절할 수 있다. 이외에, 기준오차보다 작은 경우, 빔폭 조절부(220)는 빔의 폭을 좁게 조절하지 않고 빔폭이 그대로 유지되도록 제어할 수도 있다.
일례로, 사용자 단말의 움직임이 일정 수준(예컨대, 상한값) 이상으로 많은 경우, 사용자 단말의 잦은 이동으로 인해 채널추정의 정확도가 떨어지고, 사용자 단말의 움직임이 일정 수준(예컨대, 하한값)보다 작은 경우, 사용자 단말의 이동이 적어 채널추정의 정확도가 높을 수 있다. 그러면, 기지국인 송신 장치(200)의 빔폭 조절부(220)는 추정된 채널 정보(즉, 채널 이득, 발사각, 도달각)에 기초하여 사용자 단말의 움직임 패턴에 따라 빔폭을 이전보다 넓히거나 좁히는 등의 조절을 수행할 수 있다. 이때, 빔폭 조절부(220)는 발사각 및 도달각의 사후확률분포를 기반으로 최소-최대 기법(min-max) 기법을 이용하여 사용자 단말의 이동에 따라 빔폭이 자동으로 조절되도록 제어할 수 있다.
이처럼, 사용자 단말의 이동에 따라 빔폭이 자동으로 조절하여 사용자(즉, 사용자 단말)가 원하는 신호를 전송하는 기법은 크게 두 가지 단계로 구분될 수 있다.
첫 번째 단계는 위의 310 단계에서 설명한 사용자 단말의 위치를 나타내는 발사각과 도달각에 대한 사후확률분포를 결정(즉, 추정)하는 것이고, 두 번째 단계는 위의 320 단계에서 설명한 사후확률분포를 기반으로 빔포머를 설계하여 자동으로 빔폭을 조절하는 것이다.
이하에서는 아래의 수학식 1 내지 수학식 5를 참고하여 사후확률분포를 결정하고, 빔폭을 자동으로 조절하는 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.
빔트레이닝 구간(즉, 빔트레이닝 시간 구간)에서 기지국인 송신 장치(200)에서 수신 장치인 사용자 단말(201)로 상호 간에 미리 알고 있는 심볼(symbol)을 전송하면, 사용자 단말(201)에서는 수신된 심볼을 기반으로 채널을 추정할 수 있다. 이때, 송신 장치(200)에서 항상 1의 신호를 사용자 단말(201)로 전송함을 가정하면, 빔트레이닝 구간에서는 각기 다른 방향으로 N번의 신호를 사용자 단말로 전송할 수 있다. 예컨대, 기지국인 송신 장치(200)와 사용자 단말(201) 간에 하나의 경로만 존재하는 채널을 가정하면, 시간 t에서
Figure 112018092378439-pat00001
개의 송신 안테나와
Figure 112018092378439-pat00002
개의 수신 안테나 사이의 채널은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서,
Figure 112018092378439-pat00003
는 기지국의 전체 송신 안테나들 중 사용자 단말(201)을 위해 현재 활성화된 송신 안테나의 개수를 나타낼 수 있다. 예컨대, 전체 송신 안테나의 개수는 10이고, 실제 켜진(즉, 활성화된) 안테나의 개수가 7인 경우,
Figure 112018092378439-pat00004
는 7에 해당할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018092378439-pat00005
수학식 1에서,
Figure 112018092378439-pat00006
는 시간 t에서 경로 이득(즉, 채널 이득)을 나타내고,
Figure 112018092378439-pat00007
는 시간 t에서의 발사각,
Figure 112018092378439-pat00008
는 시간 t에서의 도달각을 나타낼 수 있다. 이때, 기지국인 송신 장치의 안테나가 균등 선형 배열 안테나(Uniform linear array) 구조를 가짐을 가정하면, 발사각과 도달각은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018092378439-pat00009
수학식 2에서, λ는 파장을 나타내고, d는 기지국의 안테나 사이의 간격을 나타낼 수 있다. 빔트레이닝 구간에서 N개의 서로 다른 방향의 빔을 통해 N번의 신호를 전송함으로써, 사용자 단말(201)은 전송된 N번의 신호에 대응하는 N개의 수신 신호로부터 b번째 송신 안테나의 발사각
Figure 112018092378439-pat00010
와 r번째 수신 안테나의 도달각
Figure 112018092378439-pat00011
을 포함하는 채널 정보를 추정할 수 있다. 이때,
Figure 112018092378439-pat00012
사이즈(size)의 수신 벡터를
Figure 112018092378439-pat00013
라고 가정하면, 상기 수신 벡터로 표현되는 수신 신호로부터
Figure 112018092378439-pat00014
와
Figure 112018092378439-pat00015
에 대한 사후확률분포가 추정될 수 있다.
일례로, 확률분포 결정부(220)는 상기 수신 벡터로 표현되는 수신 신호와 베이시안(bayesian) 기법을 이용하여 아래의 수학식 3과 같이 표현되는 도달각
Figure 112018092378439-pat00016
및 발사각
Figure 112018092378439-pat00017
각각에 해당하는 사후확률분포를 계산/추정할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018092378439-pat00018
위의 수학식 3과 같이 도달각 및 발사각 각각에 해당하는 사후확률분포가 결정되면, 빔폭 조절부(220)는 결정된 사후확률분포를 기반으로 사용자 단말의 이동을 반영하여 빔폭을 자동으로 조절할 수 있다. 이때, 빔폭을 조절하기 위해서는 빔포밍 계수가 조절되어야 할 수 있다. 예컨대, 빔폭 조절부(220)는 기지국인 송신 장치(200)의 송신 안테나 전체 중 실제로 사용자 단말(201)을 대상으로 사용하고자 하는 송신 안테나의 수(즉, 활성된 안테나의 수)를 조절함으로써, 빔폭을 조절할 수 있다.
아래의 수학식 4는 빔포머(beamformer) 구조를 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018092378439-pat00019
위의 수학식 4에서,
Figure 112018092378439-pat00020
은 빔포머의 파워(power)를 결정하는 정규화 파라미터를 나타내고, b는 각 원소가 각 안테나의 on/off를 의미하는 L개의 1과 나머지를 0으로 표현되는 이진 벡터를 나타낼 수 있다. 여기서, 1은 맨 처음 원소부터 시작하여 연속으로 나타내고, L번이 나타난 후에 0이 시작되는 형태가 될 수 있다. 즉, b는 활성화된 안테나를 표현하기 위한 파라미터로서, 예컨대, 송신 안테나의 개수가 7개이고, b가 111000인 경우, 1번부터 3번 안테나가 on으로 활성되고, 4번부터 7번 안테나가 off로 비활성화되었음을 나타낼 수 있다. 그리고, 수학식 4에서,
Figure 112018092378439-pat00021
는 원소끼리의 곱을 나타내는 것으로서, 아마다르 곱(hadamard product)을 나타낼 수 있다.
그러면, 빔폭 조절부(220)는 최소-최대(min-max) 기법에 기초하여 몇 개의 송신 안테나를 사용할지, 즉, 사용자 단말(201)을 대상으로 이용할 송신 안테나의 수(다시 말해, 활성 안테나의 수)를 결정함으로써, 빔폭을 조절할 수 있다. 이때, 빔폭 조절부(220)는 최소-최대(min-max) 기법을 기반으로, 사후확률분포에 해당하는 구간 중 빔포밍 이득이 최대가 되는 지점에서의 최소 안테나의 개수를 계산할 수 있다.
일례로, 사후확률분포가 가장 최고 확률을 중심으로 대칭으로 감소하는 모양을 갖는 경우, 빔폭 조절부(220)는 최고 확률을 갖는 발사각, 도달각 μ를 중심으로 특정 각도 범위
Figure 112018092378439-pat00022
에 상기 발사각 및 도달각이 포함될 확률
Figure 112018092378439-pat00023
(예컨대, 0.9)가 되는 a를 계산할 수 있다. 즉, 사후확률분포를 기반으로 사용자 단말(201)이 90% 이상 신호를 정상적으로 수신할 확률에 해당하는 a를 계산할 수 있다.
이때, 발사각 및 도달각이 상기 특정 각도 범위에서 실제 발사각이 및 도달각이
Figure 112018092378439-pat00024
또는
Figure 112018092378439-pat00025
에 해당하는 경우, 활성화될 송신 안테나의 개수가 0이 되어, 최소값이 최대가 되기 어려운 계산 손실이 발생할 수 있다. 이에 따라, 빔폭 조절부(220)는 송신 안테나의 개수가 상기 0이 되는 최악의 도달각 및 발사각에 대하여 빔포밍 이득이 최대가 되도록 빔폭, 즉, b 벡터를 결정할 수 있다. 그러면, 위의 수학식 4의 정규화 파라미터
Figure 112018092378439-pat00026
도 자동으로 결정될 수 있다. 예컨대, 빔폭 조절부(220)는 아래의 수학식 5와 같이 표현되는 최소-최대(min-max) 기반 최적화에 기초하여 상기 빔포밍 이득이 최대가 되도록 빔폭, 즉, b 벡터를 결정할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018092378439-pat00027
위의 수학식 5에서,
Figure 112018092378439-pat00028
는
Figure 112018092378439-pat00029
방향으로의 빔포밍 이득을 나타내고, 결국 빔포밍에 사용되는 최적의 안테나 수 L이 상기 수학식 5를 기반으로 계산될 수 있다. 즉, 채널 추정을 통해 획득한 발사각, 도달각의 확률 분포(발사각 및 도달각에 대한 사후확률분포)에 따라 기지국인 송신 장치는 수신 장치인 사용자 단말로의 신호 전송을 위해 몇 개의 안테나를 사용할지 여부를 결정하고, 결정된 개수에 해당하는 송신 안테나를 활성화함으로써, 기지국에서 사용자 단말로의 빔폭을 넓히거나 또는 좁히는 등의 조절을 제어할 수 있다.
한편, 빔폭 조절부(220)는 상기 발사각, 도달각 μ를 중심으로 특정 각도 범위
Figure 112018092378439-pat00030
에 상기 발사각 및 도달각이 포함될 확률
Figure 112018092378439-pat00031
, 즉, 사용자 단말로 일정 확률
Figure 112018092378439-pat00032
로 신호가 정상적으로 도달하는 구간을 찾고, 빔의 메인 로브(mainlobe)가 해당 구간을 모함하도록 빔폭을 제한할 수도 있다. 예컨대, 빔의 폭을 제한하는 것은 사용자 단말로의 신호 전송에 이용될 활성 안테나의 개수 L의 최대값을 제한하는 것을 나타낼 수 있다. 그리고, 빔포머를 통해 전달되는 전체 송신 파워(power)는 P로 제한될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 빔포머를 기반으로 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절한 데이터 전송 구조를 나타낼 수 있다.
도 4를 참고하면, 데이터 전송이 진행됨에 따라 사용자 단말의 이동으로 인해 사용자 단말의 위치는 더욱 불확실해지고, 즉, 사용자 단말의 위치 정확도가 감소하고, 채널 추정을 통해 추정된 방향으로부터 사용자 단말이 많이 벗어나 있을 확률이 높다. 이에 따라, 빔폭 조절부(220)는 사후확률분포에 기초하여 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 빔폭(401)을 추정시의 빔폭(402)보다 상대적으로 넓게 조절할 수 있다. 즉, 활성화될 송신 안테나의 개수를 증가시킬 수 있다. 활성화될 송신 안테나의 개수 증가로 인해 빔폭을 넓게 조정한 후, 데이터(즉, 사용자 단말이 원하는 신호)를 전송함으로써, 사용자 단말에서는 기지국으로부터 원하는 신호를 정상적으로 수신하는 성능이 90% 이상 보장될 수 있다. 이때, 사후확률분포에 기초하여 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 빔폭 조절부(220)는 빔폭(401)을 추정시의 빔폭(402)보다 상대적으로 좁게 조절할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자의 움직임에 따라 빔폭을 자동으로 조절하는 경우의 SNR 성능을 나타내는 그래프이다.
도 5의 그래프는 사용자의 움직임에 따라 빔폭을 자동으로 조절하는 경우의 BER(Bit Error Rate, 502) 및 빔트레이닝 과정에서 추정된 빔을 빔전송 과정에서 고정적으로 이용하는 경우(즉, 고정된 빔을 이용하는 경우)의 BER(501)을 나타낼 수 있다.
도 5에서, 사용자 단말의 위치의 표준편차
Figure 112018092378439-pat00033
인 환경에서, 그래프 501에 따르면, SNR이 높아지더라도 BER이 10-1 아래로 떨어지지 않음을 확인할 수 있다.
반면, 그래프 502를 참고하면, 사용자의 움직임에 따라 빔폭을 자동으로 조절하는 경우, SNR이 증가함에 따라 BER이 지속적으로 떨어지며, 30Hz에서는 10-4 아래로 떨어지는 결과를 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 빔트레이닝 과정에서 추정된 사용자 단말의 위치를 기반으로 고정된 빔으로 신호를 전송할 때보다, 사용자의 이동성을 고려하여 빔폭을 조절하여 신호를 전송할 때 더 좋은 성능을 보임을 확인할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 밀리미터파 통신에서 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 수행되는 빔포밍 방법에 있어서,
    사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정하는 단계; 및
    상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 사후확률분포를 결정하는 단계는,
    상기 송신 장치와 사용자 단말 상호 간에 미리 정의된 신호를 전송하고, 전송된 상기 신호를 기반으로 추정된 채널 정보의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 빔폭을 조절하는 단계는,
    상기 사후확률분포를 기반으로 최소-최대 기법(min-max) 기법을 이용하여 사용자 단말의 이동에 따라 빔폭이 자동으로 조절되도록 제어하고, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 낮으면, 상기 빔폭을 이전의 빔폭보다 좁게 조절하고, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 상기 빔폭을 이전의 빔폭보다 넓게 조절하는 단계
    를 포함하고,
    상기 추정된 채널 정보는, 추정된 발사각, 도달각, 채널 이득을 포함하는
    빔포밍 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사후확률분포를 결정하는 단계는,
    상기 송신 장치에서 사용자 단말로 신호를 전송하기 위한 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서, 다수의 배열 안테나를 기반으로 상기 신호를 전송하고자 하는 안테나의 발사각, 상기 신호를 사용자 단말에서 수신할 때의 도달각에 해당하는 사후확률분포를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 빔포밍 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 빔폭을 조절하는 단계는,
    상기 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서 추정된 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절하는 단계; 및
    상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 작으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 빔폭을 조절하는 단계는,
    상기 송신 장치에 마련된 다수의 배열 안테나를 대상으로, 활성화된 안테나의 개수를 조절하여 상기 빔폭을 조절하는 것
    을 특징으로 하는 빔포밍 방법.
  7. 밀리미터파 통신에서 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 빔포밍을 수행하는 송신 장치에 있어서,
    사용자 단말의 움직임을 확률적으로 추정한 사후확률분포를 결정하는 확률분포 결정부; 및
    상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 자동으로 빔폭을 조절하는 빔폭 조절부
    를 포함하고,
    상기 확률분포 결정부는,
    상기 송신 장치와 사용자 단말 상호 간에 미리 정의된 신호를 전송하고, 전송된 상기 신호를 기반으로 추정된 채널 정보의 정확도를 나타내는 사후확률분포를 결정하는 것을 포함하고,
    상기 빔폭 조절부는,
    상기 사후확률분포를 기반으로 최소-최대 기법(min-max) 기법을 이용하여 사용자 단말의 이동에 따라 빔폭이 자동으로 조절되도록 제어하고, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 낮으면, 상기 빔폭을 이전의 빔폭보다 조절하고, 상기 사후확률분포에 기초하여 상기 사용자 단말의 움직임에 따라 예측된 사용자 단말의 위치의 불확실성이 미리 정의된 기준보다 높으면, 상기 빔폭을 이전의 빔폭보다 넓게 조절하는 것을 포함하고,
    상기 추정된 채널 정보는, 추정된 발사각, 도달각, 채널 이득을 포함하는
    송신 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 확률분포 결정부는,
    상기 송신 장치에서 사용자 단말로 신호를 전송하기 위한 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서, 다수의 배열 안테나를 기반으로 상기 신호를 전송하고자 하는 안테나의 발사각, 상기 신호를 사용자 단말에서 수신할 때의 도달각에 해당하는 사후확률분포를 결정하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔폭 조절부는,
    상기 채널을 추정하는 빔트레이닝 구간에서 추정된 상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 크면, 상기 빔폭을 상대적으로 넓게 조절하고,
    상기 발사각과 상기 도달각의 오차가 미리 정의된 기준 오차보다 작으면, 상기 빔폭을 상대적으로 좁게 조절하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 빔폭 조절부는,
    상기 송신 장치에 마련된 다수의 배열 안테나를 대상으로, 활성화된 안테나의 개수를 조절하여 상기 빔폭을 조절하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
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