KR102326689B1 - 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법은, 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계; 및 각 상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치{Method and Apparatus for Estimating High-resolution Channel Parameter in Millimeter Wave Band MIMO System}

아래의 실시예들은 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 안테나 시스템의 정확한 빔포밍을 위해 밀리미터파 대역 채널의 다중 경로 간 간섭이 존재하는 상황에서 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.

밀리미터파 대역(millimeter wave band)은 높은 전송률을 가능하게 하기 때문에 5G 및 beyond 5G 이동통신 시스템에서 촉망 받는 주파수 대역이다. 또한, 밀리미터 파의 짧은 파장 특성 때문에 좁은 영역의 다수의 안테나 집적이 가능하여 대규모 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술 적용이 가능하다.

하지만, 밀리미터파 대역의 통신 시스템은 큰 경로 손실이 발생하며 이를 극복하기 위해서는 빔포밍(beamforming) 기술이 필요하고, 빔포밍을 위해서는 정확한 밀리미터파 대역 채널 정보 및 채널 구성 파라미터(수신 방향각(AoA), 송신 방향각(AoD), 경로 이득(path gain), 채널의 수)가 필요하다.

Beyond 5G 이동통신 시스템에서 고려하는 밀리미터파 대역 등의 초고주파 채널에서는 넓은 대역폭 확보가 용이하며, 매우 짧은 파장으로 인해 수백 및 수천 개의 안테나를 사용할 수 있으므로 협소한 빔 폭을 형성함으로써 높은 경로 감쇄를 극복할 수 있다. 협소한 빔포밍을 사용하는 경우 채널 파라미터의 추정이 정확히 선행되지 않으면 높은 빔포밍 이득을 얻을 수 없다.

다중 안테나 시스템의 정확한 빔포밍을 위해서 밀리미터파 대역 채널의 다중 경로 간 간섭의 영향을 제거한 후 밀리미터파 대역 채널 파라미터 추정이 필요하다.

밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템 다중 경로 무선 통신 채널은 각도 성분(AoA, AoD)과 경로 이득 파라미터로 구성된다. 기존 채널 추정 기법에서 대표적으로 압축 센싱 기반의 OMP(Orthogonal Matching Pursuit) 기반의 채널 추정, 보조 빔 쌍(Auxiliary Beam Pair, ABP)을 활용한 채널 추정 기법, GSD-ST(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform) 기반의 채널 추정 기법이 최근 개발되었다.

OMP 기반의 채널 추정 성능은 추정하고자 하는 추정 해상도와 관련된 파라미터인 grid 크기에 따라 결정된다. grid 크기를 작게 설정한다면, 추정 성능은 높아지지만 grid 크기의 제곱 이상에 비례하는 복잡도를 야기한다. grid 크기에 추정 성능이 의존하는 한계를 극복한 ABP 및 GSD-ST 기반의 채널 추정 기법들은 모두 고해상도 채널 파라미터 추정 기법이다. ABP 기반의 채널 추정 기법은 잡음이 없는 환경에서도 다중 경로 간섭 성분이 존재하면 채널 추정 성능을 저하시킨다. GSD-ST 기반의 채널 추정 기법은 두 단계로 구성되었으며, 첫 번째 단계에서는 채널의 수를 추정하고 두 번째 단계에서는 각 채널 구성 파라미터를 추정한다. 여기서 잡음의 영향으로 첫 번째 단계에서 채널의 수 추정이 실패하면 오류 전파에 의해 전체 채널 추정 성능이 심각하게 열화된다.

(비특허문헌 1)은 ABP 기반의 채널 추정 기법이다. ABP는 연속된 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 기반의 아날로그 빔 두 개로 구성된다. 채널의 각도 성분을 추정하기 위해, codebook 내에 있는 모든 송신 및 수신 빔 쌍 조합에 대해 신호를 수신하고, 각 수신 신호의 세기를 계산하여 가장 큰 수신 신호를 갖는 ABP를 채널 각도 성분 추정에 사용한다. 잡음이 없는 환경이라면, 선택된 ABP의 steering angle 사이 실제 채널의 각도 성분이 존재한다.

(비특허문헌 1)에서는 선택된 ABP의 수신 신호 세기로 채널의 각도 성분을 수학적으로 계산하는 수식 과정을 제시하였다. 하지만 채널 추정 과정에서 송신(또는 수신) 각도 계산을 위해 수신(또는 송신) 빔은 정확히 채널 수신 각도 성분과 매칭되었다고 가정하여 이에 대한 추정 오차가 발생한다. 또한, 다중 경로가 존재할 때 다중 경로 간섭 제거는 고려하지 않아 내재된 다중 경로 간섭이 존재한다. 이 두 한계점은 다중 경로 채널 환경에서 심각한 채널 추정 성능 저하를 야기한다.

(비특허문헌 2)는 k-simplex라는 수학적 개념을 사용하여 등비 수열(geometric sequence)이 중첩되어 있을 때 분리하는 기법을 제안하였다. 두 단계로 구성되며, 첫 번째 단계에서는 중첩된 시퀀스(sequence)의 수를 추정하고, 두 번째 단계에서는 각각의 시퀀스의 구성 파라미터를 추정한다. 이는 MISO 환경에서는 채널이 벡터로 표현되기 때문에 채널 파라미터 추정이 가능하다. 하지만 송신 및 수신기에서 다중안테나를 탑재한 경우 채널은 행렬로 표현되고, 단순히 제시한 GSD-ST를 사용하면, 모든 채널 구성 파라미터의 완전한 분해가 불가능하다. 또한, (비특허문헌 2)의 기법은 첫 번째 단계에서 추정이 실패하면 전체 추정 과정이 실패하게 된다.

D. Zhu, J. Choi, and R. W. Heath, "Auxiliary beam pair enabled AoD and AoA estimation in closed-loop large-scale millimeter-wave MIMO systems," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 16, no. 7, pp. 4770-4785, May 2017. W. H. Lee, J. H. Lee, and K. W. Sung, "Geometric Sequence Decomposition with k-simplexes Transform", arXiv preprint arXiv:1910.14412　(2019).

실시예들은 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 다중 경로 간 간섭이 존재하는 상황에서 채널 구성 파라미터(AoA, AoD, 경로 이득, 채널의 수)를 고해상도로 추정할 수 있는 기술을 제공한다.

실시예들은 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 뒤 수신 방향각(AoA)을 추정하고, 고해상도 채널 각도 성분 추정기로 나머지 채널의 각도 성분(AoD)을 추정함으로써, 높은 전송률을 달성할 수 있는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법은, 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계; 및 각 상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는, 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform)를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 후, 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다.

상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는, 다중 경로 간섭을 제거하기 위해 GSD-ST를 이용하여 전체 채널을 구성하는 각 경로의 상기 수신 방향각(AoA), 상기 송신 방향각(AoD) 및 상기 경로 이득을 분리할 수 있다.

상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는, GSD-ST를 사용하여 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 축적한 후, 상기 추정 값들 중 가장 높은 빈도를 갖는 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정을 수행할 수 있다.

상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는, 상기 채널 추정 과정에서 데이터의 추정은 필요하지 않으며, GSD-ST를 통해 중첩된 채널의 수의 추정 값만 추정하고, 상기 중첩된 채널을 구성하는 채널 파라미터를 추정할 수 있다.

상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는, 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록으로 구성되며, 채널 코히런스 시간 동안 상기 데이터 전송 블록과 상기 채널 추정 블록에서 모두 상기 채널의 경로의 수를 추정할 수 있다.

상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계는, 채널 각도 성분 추정기를 이용하여 나머지 채널의 송신 방향각(AoD)을 추정할 수 있다.

상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계는, 보조 빔 쌍(Auxiliary Beam Pair, ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 사용하여 경로의 상기 송신 방향각(AoD)을 추정하고, 수식 비교를 통해 상기 경로 이득을 추정할 수 있다.

다른 실시예에 따른 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 장치는, 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 제1 추정부; 및 각 상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 제2 추정부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 제1 추정부는, 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform)를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 후, 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다.

상기 제1 추정부는, 다중 경로 간섭을 제거하기 위해 GSD-ST를 이용하여 전체 채널을 구성하는 각 경로의 상기 수신 방향각(AoA), 상기 송신 방향각(AoD) 및 상기 경로 이득을 분리할 수 있다.

상기 제1 추정부는, GSD-ST를 사용하여 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 축적한 후, 상기 추정 값들 중 가장 높은 빈도를 갖는 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정을 수행할 수 있다.

상기 제1 추정부는, 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록으로 구성되며, 채널 코히런스 시간 동안 상기 데이터 전송 블록과 상기 채널 추정 블록에서 모두 상기 채널의 경로의 수를 추정할 수 있다.

상기 제2 추정부는, 채널 각도 성분 추정기를 이용하여 나머지 채널의 송신 방향각(AoD)을 추정할 수 있다.

상기 제2 추정부는, 보조 빔 쌍(Auxiliary Beam Pair, ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 사용하여 경로의 상기 송신 방향각(AoD)을 추정하고, 수식 비교를 통해 상기 경로 이득을 추정할 수 있다.

실시예들에 따르면 다중 경로 간 간섭이 존재하는 상황에서 채널 구성 파라미터(AoA, AoD, 경로 이득, 채널의 수)를 고해상도로 추정할 수 있는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

실시예들에 따르면 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 뒤 수신 방향각(AoA)을 추정하고, 고해상도 채널 각도 성분 추정기로 나머지 채널의 각도 성분(AoD)을 추정함으로써, 높은 전송률을 달성할 수 있는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템의 채널 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 무선 통신 프레임워크를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 고해상도 채널 파라미터인 수신 방향각(AoA)의 추정 성능에 대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 채널 파라미터인 송신 방향각(AoD)의 추정 성능에 대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 채널 개수 추정 보완 방법에 대한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 SNR에 따른 다중 경로 개수 추정 성공 확률을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 SNR에 따른 정규화된 평균 제곱 오차 성능을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에서는 밀리미터파 대역 다중 안테나 빔포밍 시스템을 고려한다. 밀리미터파 대역 다중 안테나 통신 시스템에서 다중 경로가 존재하는 채널의 경우, 채널 파라미터 추정 과정에서 다중 경로 채널의 간섭은 전체 채널 추정 성능을 심각히 저하시키는 요인으로 작용한다.

여기서, 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템은 사용자(110)가 N개의 안테나를 가지고 있고, 기지국(120)이 M개의 안테나를 가지고 있으며, 사용자(110)와 기지국(120) 사이에는 다중 경로 채널이 형성된다. 여기서, 사용자(110)는 송신기를 의미하고, 기지국(120)은 수신기를 의미한다.

아래의 실시예들은 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법 및 장치에 관한 것으로, 사용자(110)와 기지국(120) 사이의 다중 경로 간 간섭이 존재하는 상황에서 채널 구성 파라미터(AoA, AoD, 경로 이득(path gain), 채널의 수)를 고해상도로 추정할 수 있다. 여기서, AoA(Angle of Arrival)는 수신 방향각이고, AoD(Angle of Departure)는 송신 방향각을 의미한다.

도 2는 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템의 채널 모델을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 무선 통신 시스템의 채널 모델을 나타내며, 사용자(210)와 기지국(220) 사이에 형성된 채널을 다음과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 시간 영역에서 협대역 밀리미터파 대역 상향 링크 다중 안테나 시스템의 채널(H)을 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, N는 송신기 안테나 수이고, M은 수신기 안테나 수이며, L은 채널의 다중 경로 수이다. 또한,

는 송신 배열 응답 벡터이며, 정규화된 배열 응답 벡터(normalized array response vector)로써 ULA(Uniform Linear Array) 고려하고,

는 수신 배열 응답 벡터이며, 정규화된 배열 응답 벡터(normalized array response vector)로써 ULA 고려한다.

는 l-th 경로의 경로 응답이고,

는 l-th 경로의 송신 방향각(AoD)이며,

는 l-th 경로의 수신 방향각(AoA)이다.

사용자(210)가 송신 심볼을 송신 빔포밍을 통해 송신한 후, 채널을 통과하여 기지국(220)에서 수신된 신호를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, f는 송신 빔포밍 벡터,

이고, n은 부가 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise, AWGN)이며, x는 송신 심볼이다.

아래에서는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템에서 다중 경로 간섭을 완화시키는 고해상도 채널 구성 파라미터 추정 장치 및 방법을 제안한다.

도 3은 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 장치를 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 장치(300)는 제1 추정부(310) 및 제2 추정부(320)를 포함하여 이루어질 수 있다.

제1 추정부(310)는 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다.

이 때, 기존 채널 추정 방법(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform, GSD-ST)을 활용할 수 있다. 기존 채널 추정 기법(GSD-ST)에서 경로의 수를 잘못 추정하면 심각한 채널 추정 성능 저하가 발생할 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 제1 추정부(310)는 채널 추정 보조 과정을 수행할 수 있다.

제1 추정부(310)는 GSD-ST를 이용해 수신 방향각(AoA)을 추정하는 과정에서 전체 채널을 구성하는 각각의 경로(path)의 수신 방향각(AoA), 송신 방향각(AoD) 그리고 이득(gain)을 분리할 수 있다. 이 과정에서 다중 경로 간섭의 영향을 제거할 수 있다.

제2 추정부(320)는 각 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정할 수 있다.

기존 채널의 방향각(angle) 추정 방법(Auxiliary Beam Pair, ABP)에서는 낮은 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 영역에서 잡음의 영향으로 추정 과정에 필요한 보조 빔 쌍이 잘못 선택될 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 제2 추정부(320)는 개선된 보조 빔 쌍(ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 활용할 수 있다.

제1 추정부(310) 및 제2 추정부(320)에서 활용한 채널 추정 방식을 오직 각각만 사용하여 전체 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템 채널에서 다중 경로 간섭을 제거하고, 채널 구성 파라미터를 추정하는 것은 불가능하다. 즉, 본 실시예들은 기존 채널 추정 기법의 장점을 활용하여 유기적으로 결합하였다.

전체 채널 추정 과정을 요약하면, 제1 추정부(310)는 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 뒤 수신 방향각(AoA)을 추정하고, 제2 추정부(320)는 고해상도 채널 각도 성분 추정기로 나머지 채널의 각도 성분(AoD)을 추정할 수 있다. 또한, 제1 추정부(310)에서 채널 추정의 결과가 잘못되면, 전체 채널 추정 성능에 심각한 영향을 미친다. 따라서 이에 대응하기 위해 제1 추정부(310)에서 채널의 개수 추정 성능을 보조하는 과정을 추가할 수 있다.

실시예들에 따르면 다중 경로 간섭이 존재하는 밀리피터파 통신시스템에서 채널 구성 파라미터(수신 방향각(AoA), 송신 방향각(AoD), 경로 이득, 채널의 수)를 높은 정확도로 추정하여, 고 전송률 달성을 위한 송신 및 수신 빔포밍 설계를 가능하게 한다. 이러한 실시예들은 5G 및 beyond 5G 이동통신 시스템의 핵심 대역폭인 밀리미터파(30 GHz-300 GHz) 빔포밍 시스템에 적용할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법은, 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계(S110), 및 각 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 방법은 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 장치(300)를 예를 들어 설명할 수 있다.

단계(S110)에서, 제1 추정부(310)는 상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다.

제1 추정부(310)는 채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 후, 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다. 여기서, 제1 추정부(310)는 다중 경로 간섭을 제거하기 위해 GSD-ST를 이용하여 전체 채널을 구성하는 각 경로의 수신 방향각(AoA), 송신 방향각(AoD) 및 경로 이득을 분리할 수 있다.

제1 추정부(310)는 GSD-ST를 사용하여 채널의 경로의 수의 추정 값을 축적한 후, 추정 값들 중 가장 높은 빈도를 갖는 채널의 경로의 수의 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정을 수행할 수 있다. 이 때, 채널 추정 과정에서 데이터의 추정은 필요하지 않으며, GSD-ST를 통해 중첩된 채널의 수의 추정 값만 추정하고, 중첩된 채널을 구성하는 채널 파라미터를 추정할 수 있다.

한편, GSD-ST를 활용한 채널 개수를 추정하는 방법에서 채널 개수 추정 실패는 전체 채널 추정 성능 저하를 야기한다. 이에 따라 채널의 수의 추정 성능을 보조하는 과정을 추가할 수 있다.

채널의 수의 추정 성능을 보조하기 위해, 제1 추정부(310)는 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록으로 구성되며, 채널 코히런스 시간 동안 데이터 전송 블록과 채널 추정 블록에서 모두 채널의 경로의 수를 추정할 수 있다.

단계(S120)에서, 제2 추정부(320)는 각 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정할 수 있다.

제2 추정부(320)는 채널 각도 성분 추정기를 이용하여 나머지 채널의 송신 방향각(AoD)을 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 추정부(320)는 보조 빔 쌍(ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 사용하여 경로의 송신 방향각(AoD)을 추정하고, 수식 비교를 통해 경로 이득을 추정할 수 있다.

이와 같이 실시예들은 제1 추정부(310) 및 제2 추정부(320)를 통해 고해상도 채널 추정 방법을 유기적으로 결합한 두 단계의 추정 과정을 제공할 수 있다. 기존 채널 추정 방법인 GSD-ST 기반의 채널 추정 방법 및 ABP 기반의 채널 추정 방법들은 단독으로 사용한다면 다중 경로의 간섭을 제거 및 각 채널 경로의 구성 파라미터를 완전히 구별하여 추정하는 것은 불가능하다.

따라서, 전체 채널 추정 과정을 두 단계로 구별하여, 첫 번째 단계에서는 GST-ST 방식을 활용하여 수신 방향각(AoA) 추정을 먼저 수행하고, 이 때 채널 개수 추정 보완 과정을 포함하여 채널 추정 성능 향상시킬 수 있으며, 두 번째 단계에서는 ABP 기반의 송신 방향각(AoD) 및 경로 이득 계산할 수 있다.

아래에서 일 실시예에 따른 채널 파라미터 추정 방법 및 장치에 대해 보다 상세히 설명한다.

잡음이 없는(Noiseless) 환경에서는 채널 구성 파라미터를 닫힌 형태로 구할 수 있다. 기존의 채널 추정 방법에서 채널이 근접하게 붙어 있는 경우 정확도가 낮고 유효한 하나의 채널로 분리가 되었지만, 제안하는 채널 파라미터 추정 방법으로는 완전한 분리가 가능하다.

단계(S110)에서, 제1 추정부(310)는 GSD-ST를 이용한 채널의 개수 및 수신 방향각(AoA) 추정할 수 있다.

GSD-ST는 등비 수열 신호들이 중첩된 신호를 측정하여, 중첩된 신호의 수와 각 신호의 구성 파라미터를 추정할 수 있다.

기지국(BS)에서 결합(combining) 이전의 업링크(uplink) 수신 신호를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, pilot x=1 (known value) 가정하고, 잡음이 없는(noiseless) 환경을 가정한다.

[수학식 3]

여기서,

이다. g_l는 CN(0, 1)의 분포를 따른다.

GSD-ST 기반 파라미터 추정 방법을 써서

을 추정할 수 있다.

추정 결과 값의 개수를 통해 채널의 다중 경로의 수 추정 가능하다. 이 때, 무선 통신 프레임워크(데이터 전송 과정 + 채널 추정 과정)에서 채널 코히런스 시간(channel coherence time) 동안 채널이 불변함을 활용할 수 있다. 데이터 전송 과정에서, 채널의 다중 경로 수의 추정 값을 축적할 수 있다. 이후, 추정 샘플 값들 중 최빈 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정 수행할 수 있다. 추가 파일럿 신호 할당이 필요 없어 채널 추정 과정에서 추가 오버헤드를 요구하지 않는다.

여기서, 파란색으로 표시된 배열 안테나 응답 벡터의 추정 값을 역산하여 수신 방향각(AoA)을 추정할 수 있다.

단계(S120)에서, 제2 추정부(310)는 송신 방향각(AoD) 및 경로 이득을 추정할 수 있다.

단계(S110)에서 추정한 빨간색 스칼라 값들을 다음과 같이 정의할 수 있다. 아래 과정은 첫 번째 경로의 송신 방향각(AoD), 경로 이득을 추정하는 과정으로, 다른 경로에 대해서도 다중 경로 간섭 없이 독립 및 병렬적으로 수행 가능하다.

전체 모든 송신 빔

에 대해서 아래의 값들을 획득할 수 있다.

[수학식 4]

ABP 추정 방법을 활용하여 각 채널

의 파워(power)를 계산 후, 가장 큰 두 개의 파워(power)를 선택할 수 있다. 이후, ABP 추정 방법의 수식을 활용하여 경로의 송신 방향각(AoD)

을 추정하고, 수식 비교를 통해 경로 이득

를 추출할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 무선 통신 프레임워크를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 무선 통신 프레임워크는 데이터 전송(data transmission) 및 채널 추정(Channel Estimation, CE) 단계로 구성될 수 있다.

보다 구체적으로, 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록(510)과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록(520)으로 표현될 수 있으며, 채널 코히런스 시간 동안 채널이 정적인 특성을 활용할 수 있다. 이 때, 채널 추정 블록(520)에서만 채널의 개수를 추정을 수행하지 않고, 데이터 전송 블록(510)을 이용한 데이터 전송 과정에서도 채널의 개수 추정을 수행할 수 있다. 채널 추정 과정에서 추가적인 파일럿이 필요 없다. 즉, 채널 추정 과정에서 데이터의 추정은 필요하지 않으며, GSD-ST를 통해 중첩된 채널의 수의 추정 값만 확보하면 된다.

채널 개수 추정 값의 샘플을 축적하고, 가장 높은 빈도를 갖는 채널 개수 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정에 활용할 수 있으며, 이는 채널 개수 추정 성공 확률을 높여 전체 채널 추정 성능 향상에 기여할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 고해상도 채널 파라미터인 수신 방향각(AoA)의 추정 성능에 대한 결과를 나타내는 도면이다. 또한, 도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 채널 파라미터인 송신 방향각(AoD)의 추정 성능에 대한 결과를 나타내는 도면이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션을 통해 고해상도 채널 파라미터 추정 성능에 대한 결과를 획득할 수 있다. 여기에서는 송신 및 수신 안테나가

이고, 채널의 경로의 수는

일 때의 채널 구성 파라미터인 수신 방향각(AoA), 송신 방향각(AoD)의 추정 결과를 나타낸다.

시뮬레이션 결과, 잡음이 없는(Noiseless) 환경에서 시간에 따라 변하는 채널에 대해서 완전한 파라미터(AoA, AoD) 분리 및 추정 성능을 확인할 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 채널 개수 추정 보완 방법에 대한 결과를 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 기존 GSD-ST 기법의 채널의 개수 추정 실패 확률을 신호 대 잡음비(SNR) 별로 히스토그램으로 확인할 수 있다. 여기에서는 채널의 다중 경로의 수는 3 개로 설정하였고, 데이터(data) 전송 시 채널 경로의 추정 값을 20 샘플 확보하여 추정 보완을 수행할 수 있다.

도 9는 일 실시예에 따른 SNR에 따른 다중 경로 개수 추정 성공 확률을 나타내는 도면이다. 또한, 도 10은 일 실시예에 따른 SNR에 따른 정규화된 평균 제곱 오차 성능을 나타내는 도면이다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 주어진 실험 환경에서 SNR = 15 dB 이상에서는 확보한 채널 개수 추정 샘플 값 중에서 최빈 값을 활용하면 채널 개수 추정 성공 확률을 거의 1에 근접하게 높일 수 있는 것을 확인할 수 있다.

위 실험 결과에서 다중 경로 추정 보조 장치를 적용하였을 때, 다중 경로 개수 추정 성공확률을 SNR = 15 dB 이상에서 현저히 향상시킨 것을 확인할 수 있다.

그 결과, 다중 경로 개수 추정 성능이 향상된 것이 전체 채널 추정 성능에 반영되어, 전체 채널의 정규화된 평균 제곱 오차 성능이 현저히 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 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.

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 (15)

1. 컴퓨터 장치로 구현되는 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 방법에 있어서,
   상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계; 및
   각 상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계
   를 포함하고,
   상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는,
   GSD-ST를 이용하여 전체 채널을 구성하는 각 경로의 상기 수신 방향각(AoA), 상기 송신 방향각(AoD) 및 상기 경로 이득을 분리하여 다중 경로 간섭을 제거한 후 상기 수신 방향각(AoA)을 추정한 다음, 상기 채널의 경로의 수의 추정 성능을 보조하는 과정을 추가적으로 수행하며, 상기 채널의 경로의 수의 추정 성능을 보조하는 과정을 추가적으로 수행하기 위해 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록으로 구성되며, 채널 코히런스 시간 동안 상기 데이터 전송 블록과 상기 채널 추정 블록에서 모두 상기 채널의 경로의 수를 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는,
   채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform)를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 후, 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는,
   GSD-ST를 사용하여 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 축적한 후, 상기 추정 값들 중 가장 높은 빈도를 갖는 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정을 수행하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 단계는,
   상기 채널 추정 과정에서 데이터의 추정은 필요하지 않으며, GSD-ST를 통해 중첩된 채널의 수의 추정 값만 추정하고, 상기 중첩된 채널을 구성하는 채널 파라미터를 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계는,
   채널 각도 성분 추정기를 이용하여 나머지 채널의 송신 방향각(AoD)을 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 단계는,
   보조 빔 쌍(Auxiliary Beam Pair, ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 사용하여 경로의 상기 송신 방향각(AoD)을 추정하고, 수식 비교를 통해 상기 경로 이득을 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 방법.
9. 밀리미터파 대역 다중 안테나 시스템의 고해상도 채널 파라미터 추정 장치에 있어서,
   상향 링크 채널에 대해 채널의 경로의 수와 각 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 제1 추정부; 및
   각 상기 채널의 송신 방향각(AoD)과 경로 이득을 추정하는 제2 추정부
   를 포함하고,
   상기 제1 추정부는,
   GSD-ST를 이용하여 전체 채널을 구성하는 각 경로의 상기 수신 방향각(AoA), 상기 송신 방향각(AoD) 및 상기 경로 이득을 분리하여 다중 경로 간섭을 제거한 후 상기 수신 방향각(AoA)을 추정한 다음, 상기 채널의 경로의 수의 추정 성능을 보조하는 과정을 추가적으로 수행하며, 상기 채널의 경로의 수의 추정 성능을 보조하는 과정을 추가적으로 수행하기 위해 무선 통신 프레임워크는 하나의 데이터 전송(Data transmission) 블록과 하나의 채널 추정(Channel Estimation, CE) 블록으로 구성되며, 채널 코히런스 시간 동안 상기 데이터 전송 블록과 상기 채널 추정 블록에서 모두 상기 채널의 경로의 수를 추정하는 것
   을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 추정부는,
    채널 파라미터의 독단적인 분리가 가능한 GSD-ST(Geometric Sequence Decomposition with k-Simplex Transform)를 사용하여 다중 경로 간섭 성분을 제거한 후, 경로의 수신 방향각(AoA)을 추정하는 것
    을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 장치.
11. 삭제
12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 추정부는,
    GSD-ST를 사용하여 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 축적한 후, 상기 추정 값들 중 가장 높은 빈도를 갖는 상기 채널의 경로의 수의 추정 값을 활용하여 전체 채널 추정 과정을 수행하는 것
    을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 장치.
13. 삭제
14. 제9항에 있어서,
    상기 제2 추정부는,
    채널 각도 성분 추정기를 이용하여 나머지 채널의 송신 방향각(AoD)을 추정하는 것
    을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 장치.
15. 제9항에 있어서,
    상기 제2 추정부는,
    보조 빔 쌍(Auxiliary Beam Pair, ABP) 기반의 송신 방향각(AoD) 추정기를 사용하여 경로의 상기 송신 방향각(AoD)을 추정하고, 수식 비교를 통해 상기 경로 이득을 추정하는 것
    을 특징으로 하는, 채널 파라미터 추정 장치.

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