KR102384448B1 - 다중입력 다중출력 시스템의 채널 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

통신 채널을 통해 통신하도록 배열된 다운링크 장치 및 업링크 장치를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 통신 시스템에서 채널 추정을 수행하는 방법으로서, 상기 업링크 장치에서: 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제1 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제1 채널 벡터를 각도 도메인에서 분석하여 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하는 단계로서, 상기 각도 도메인 지지점들 각각은 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 각각의 요소를 나타내는, 단계; 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인의 상기 제1 채널 벡터의 요소들을 포함하는 값 벡터를 생성하는 단계; 상기 값 벡터의 표시를 상기 업링크 장치로부터 상기 다운링크 장치로 피드백하는 단계; 그리고 상기 다운링크 장치에서: 동일한 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하기 위해 각도 도메인에서 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제2 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제2 채널 벡터를 분석하는 단계; 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 전송 조종 행렬을 생성하는 단계; 상기 업링크 장치로부터 피드백된 상기 값 벡터의 표시 및 상기 생성된 전송 조종 행렬로부터 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

다중입력 다중출력 시스템의 채널 추정 방법
본 발명은 다중입력 다중출력(MIMO: multiple-input-multiple-output) 통신 시스템에서 채널 추정(channel estimation)을 수행하는 것에 관한 것이다.
밀리미터파(mmWave) 무선 통신 시스템은 무선 장치의 증가하는 대역폭 요구 사항을 충족한다는 전망으로 인해 관심이 증가하고 있다. 밀리미터파 시스템은 일반적으로 30-300GHz의 주파수 대역에서 작동한다. 이는 현재 LTE(Long Term Evolution) 네트워크에서 사용되는 6GHz 이하(sub-6GHz) 대역보다 훨씬 더 큰 주파수 대역이므로 6GHz 이하 대역에서 작동하는 기존 시스템에서 현재 지원 가능한 대역폭보다 더 큰 대역폭을 지원할 수 있다.
밀리미터파 통신과 관련된 한 가지 문제는 경험할 수 있는 상대적으로 높은 자유 공간 경로 손실이다. 이 높은 경로 손실은 방해를 경험하거나 장거리를 통신하는 신호에서 심각한 감쇠를 유발할 수 있다.
이 문제를 극복하기 위한 접근 방식은 MIMO시스템 내에서 밀리미터파 통신을 구현하는 것이다. 밀리미터파 통신의 상대적으로 짧은 파장은 MIMO 시스템의 안테나 간격을 줄일 수 있게 하고 결과적으로 상대적으로 큰 안테나 어레이(예를 들어, 256~1024개의 안테나 요소를 포함)를 6GHz 이하 대역에서 작동할 때 달성 가능한 것에 비해서 상대적으로 작은 물리적 크기로 수용될 수 있도록 한다. 이러한 대형 안테나 어레이는 밀리미터파의 더 높은 주파수 통신으로 인해 유도된 높은 경로 손실을 효과적으로 보상할 수 있다.
MIMO 시스템은 완전한 디지털 프리코딩(precoding)으로 구현될 수 있다. 완전한 디지털 프리코딩을 사용하는 MIMO 기지국(BS: base station)의 예가 도 1에 도시되어 있다.
기지국(100)은 디지털 프리코더(102)와 이 디지털 프리코더(102)에 결합된 복수의 무선 주파수(RF) 체인들(chains)(일반적으로 '104'로 지시됨)을 포함한다. 각각의 RF 체인은 안테나(일반적으로 '108'로 지시됨)에 결합된다. 본 명세서에 예시된 예에서 각 RF 체인은 증폭기를 통해 해당 안테나에 연결된다. 증폭기들은 일반적으로 '106'으로 지시된다.
디지털 프리코더(102)는 일반적으로 '110'으로 지시된 복수의 데이터 스트림을 수신하고, 각각의 수신된 데이터 스트림의 진폭 및 위상을 제어하도록 동작하여 원하는 방향 및 이득을 갖는 안테나(108)로부터의 송신 빔을 달성한다. 데이터 스트림은, 프리코딩되면, RF 체인(104)을 통해 전달된다. 각 RF 체인은 단일 데이터 스트림을 지원할 수 있다. RF 체인은 디지털로 사전 코딩된 데이터 스트림을 안테나(108)에 의한 전송을 위한 아날로그 신호로 변환하도록 동작한다. 각각의 RF 체인은 일반적으로 상기 수신된 디지털로 사전 코딩된 데이터 스트림으로부터 상기 아날로그 신호를 생성하기 위한 트랜시버 회로를 포함한다. 트랜시버 회로에는 예를 들어 디지털-아날로그 변환기(DAC), 믹서, 및 주파수 변환기가 포함될 수 있다. 각 RF 체인에 의해 생성된 출력 신호는 그 다음에 각각의 증폭기에 의해 증폭되고 각각의 안테나에서 전송된다.
대안으로, MIMO 시스템은 프리코딩 동작을 아날로그 및 디지털 도메인 사이에서 분할하는 하이브리드 프리코딩을 사용하여 구현될 수 있다. 상기 디지털 프리코딩은 각 RF 체인과 관련된 가중치를 제어하도록 디지털 프리코더를 사용하여 구현될 수 있다. 아날로그 프리코딩은 위상 천이기(phase shifter)를 사용하여 안테나들에 의해 전송되는 신호들의 위상을 제어하여 구현될 수 있다.
기지국과 MIMO 시스템의 사용자 장치 사이의 통신 채널에 대한 정확한 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information) 추정은 MIMO 시스템의 성능에 중요하다는 것이 인식되었다. 예를 들어, 다운링크(downlink) 전송 속도(즉, BS에서 사용자 장치로의 전송 속도)는 서로 다른 데이터 스트림들 간의 간섭을 줄이기 위한 프리코딩에 의존할 수 있다. 따라서 CSI에 대한 정확한 지식은 간섭을 줄이고 성능을 개선하기 위해 프리코딩의 매개변수를 설정하는 데 사용될 수 있다.
정확한 다운링크 채널 추정을 얻는 어려움은 BS에서 안테나의 수가 증가함에 따라 증가할 수 있다는 것을 알게 되었다. 업링크(uplink) 채널과 다운링크 채널 간의 채널 상호성(channel reciprocity)이 유지되는 시스템에서, 이러한 문제들은 업링크 채널 추정치로부터 프리코딩을 위한 CSI를 획득함으로써 피할 수 있다. 그러나 완전한 채널 상호성이 유지되지 않는 특정 무선 시스템이 있다. 예를 들어, 일부 사용자 장치는 다운링크 방향으로 수신하기 위해 사용하는 것보다 업링크 방향으로 전송하기 위해 적은 안테나를 사용하도록 구성된다. 이것은, 송신 RF 체인이 수신 RF 체인보다 더욱 전력 및 하드웨어 집약적이라는 것을 기반으로 장치의 전력 및 하드웨어 요구 사항을 줄이기 위해 행해질 수 있다.
이 경우들에서, 부분적인 채널 상호성만 유지되므로, 전체 CSI 추정치를 얻기 위해 사용자 장치에서 BS로 일종의 채널 피드백을 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 따르면, 통신 채널을 통해 통신하도록 배열된 다운링크 장치 및 업링크 장치를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 통신 시스템에서 채널 추정을 수행하는 방법이 제공된다. 이 방법은,
상기 업링크 장치에서:
상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제1 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제1 채널 벡터를 각도 도메인에서 분석하여 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하는 단계로서, 상기 각도 도메인 지지점들 각각은 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 각각의 요소를 나타내는, 단계;
상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인의 상기 제1 채널 벡터의 요소들을 포함하는 값 벡터를 생성하는 단계;
상기 값 벡터의 표시를 상기 업링크 장치로부터 상기 다운링크 장치로 피드백하는 단계;
상기 다운링크 장치에서:
동일한 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하기 위해 각도 도메인에서 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제2 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제2 채널 벡터를 분석하는 단계;
상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 전송 조종 행렬을 생성하는 단계; 및
상기 업링크 장치로부터 피드백된 상기 값 벡터의 표시 및 상기 생성된 전송 조종 행렬로부터 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 생성하는 단계;
를 포함한다.
상기 방법은, 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 채널을 모델링하는 채널 행렬의 추정치를 생성하기 위해 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 다운링크 장치로부터 전송될 데이터를 프리코딩하는 데 사용하기 위해 상기 추정된 채널 행렬을 사용하여 디지털 프리코딩 행렬을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 업링크 장치는 상기 제1 안테나를 상기 다운링크 장치로부터 통신을 수신하기 위해서만 사용하고, 상기 다운링크 장치로부터 통신을 수신하고 상기 다운링크 장치로 통신을 전송하기 위해 상기 제2 안테나를 사용하도록 구성될 수 있다.
각도 도메인에서 제1 채널 벡터를 분석하는 상기 단계는 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬을 사용하여 상기 제1 채널 벡터를 상기 각도 도메인으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 각도 도메인 지지점들 세트는 각도 도메인에서 상기 제1 채널 행렬의 0이 아닌 요소들로부터 식별될 수 있다.
상기 값 벡터는 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 P개의 가장 큰 요소를 선택함으로써 생성되며, 여기서 P는 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 분해 가능한(resolvable) 경로의 수이다.
상기 방법은, 코드북을 사용하여 상기 업링크 장치에서 상기 값 벡터를 양자화하는 단계를 포함하고, 상기 값 벡터의 표시는 상기 코드북에 대한 선택된 인덱스를 포함한다.
상기 값 벡터의 표시는 상기 값 벡터의 크기를 더 포함할 수 있다.
상기 선택된 인덱스 및 상기 값 벡터의 크기만이 상기 업링크 장치로부터 상기 다운링크 장치로 피드백될 수도 있다.
상기 선택된 인덱스(ln)는 하기 식에 따라 선택될 수 있고,
Figure 112021093760732-pct00001
여기서
Figure 112021093760732-pct00002
는 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00003
의 헤르미이트 공액(Hermitian conjugate)이고,
Figure 112021093760732-pct00004
는 코드북이고,
Figure 112021093760732-pct00005
는 코드북(C)의 양자화된 값이고, B는 코드북에 액세스하기 위한 비트 수이다.
상기 식별된 각도 도메인 지지점들 세트의 각각의 각도 도메인 지지점은 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 각각의 경로에 대한 빔 발사각에 의존할 수 있다.
상기 전송 조종 행렬은 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 계산된 하나 이상의 빔 발사각을 사용하여 생성될 수 있다.
상기 각도 도메인 지지점들(
Figure 112021093760732-pct00006
)의 세트는
Figure 112021093760732-pct00007
에 의해 주어지며, 여기서 d는 다운링크 장치의 인접한 안테나 요소들 사이의 간격이고; λ는 다운링크 장치에서 방출되는 신호의 파장이고; N은 다운링크 장치에 있는 안테나 요소의 수이고,
Figure 112021093760732-pct00008
은 다운링크 장치와 업링크 장치 사이의 p번째 경로를 따라 다운링크 장치에 의해 방출된 신호들 빔의 발사각이다.
각도 도메인에서 제2 채널 벡터를 분석하는 상기 단계는 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬을 사용하여 상기 제2 채널 벡터를 상기 각도 도메인으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 MIMO 통신 시스템은 시분할 이중(TDD: time-division-duplex) MIMO 통신 시스템일 수 있다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 통신 채널을 통해 통신하도록 구성된 다운링크 장치 및 업링크 장치를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 통신 시스템이 제공되며, 상기 업링크 장치는 복수의 안테나 및 처리 유닛을 포함하고, 상기 업링크 장치의 처리 유닛은:
각도 도메인에서 다운링크 장치와 업링크 장치의 제1 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제1 채널 벡터를 분석하여 각도 도메인 지지점들의 세트를 식별하고 - 여기서 각도 도메인 지지점들 각각은 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 각각의 요소를 나타냄 -;
가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인의 상기 제1 채널 벡터의 요소들을 포함하는 값 벡터를 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 생성하고;
상기 값 벡터의 표시를 상기 다운링크 장치에 피드백하며;
상기 다운링크 장치는 복수의 안테나 및 처리 유닛을 포함하며, 상기 다운링크 장치의 처리 유닛은:
각도 도메인에서 다운링크 장치와 업링크 장치의 제2 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제2 채널 벡터를 분석하여 동일한 각도 도메인 지지점들의 세트를 식별하고;
상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 전송 조종 행렬을 생성하고;
상기 업링크 장치로부터 피드백된 값 벡터의 표시 및 상기 생성된 전송 조종 행렬로부터 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 생성한다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 예로서 설명될 것이다.
도 1은 완전히 디지털 방식으로 사전-코딩되는 MIMO 송신기의 예를 보여준다.
도 2는 MIMO 통신 시스템의 예를 보여준다.
도 3은 본 개시에 따라 채널 추정을 수행하기 위한 단계들의 흐름도를 도시한다.
도 4a 및 4b는 각도 도메인에서 채널 벡터들에 의해 정의된 함수들의 예를 보여준다.
도 5는 본 명세서에 기술된 채널 추정 기술로 달성된 데이터 속도를 종래의 채널 추정 기술과 비교한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
부분적인 채널 상호성의 경우에만 완전한 CSI 추정치를 얻는 문제를 해결하기 위한 한 가지 접근 방식은, BS와 사용자 장치의 수신용 안테나들 사이의 채널들에 대한 채널 추정치(즉, 채널 벡터들)를 BS에 피드백하는 것이다. 이것은 BS 및 사용자 장치에 알려진 벡터의 양자화 코드북을 사용하여 제한된 피드백을 수행함으로써 수행될 수 있다. 사용자 장치에서, 채널 벡터가 코드북을 사용하여 양자화되고 상기 채널 벡터를 양자화하는 코드북의 선택된 벡터에 대한 인덱스가 BS에 피드백된다. 이 접근법의 피드백 오버헤드는 B 비트이며, 여기서 B는 코드북을 인덱싱하는 데 필요한 비트 수이다(즉, 코드북은 가장 큰 2B의 양자화된 벡터를 포함한다). 이 접근 방식에서, 일반적으로 전체-차원의 채널 벡터들이 양자화되는 경우이다(예를 들어, N개의 안테나를 포함하는 BS의 경우, N-요소 채널 벡터들이 양자화되어 BS에 피드백됨).
본 개시는, 채널 벡터가 각도 도메인에서 분석되는 MIMO 시스템에서 채널 추정을 수행하는 방법에 관한 것이다. 각도 도메인에서 표현되는 채널 벡터는 본 명세서에서 각도-도메인 채널 벡터로 지칭될 수 있다. MIMO 시스템은 다운링크 장치(예를 들어, 기지국) 및 업링크 장치(예를 들어 사용자 장치)를 포함한다. 업링크 장치에서, 각도 도메인에서 표현된 채널 벡터(즉, 각도-도메인 채널 벡터)의 하나 이상의 요소 세트가 식별된다. 이 채널 벡터는 다운링크 장치에서 알 수 없다. 각각의 식별된 요소의 값은 MIMO 시스템의 다운링크 장치와 업링크 장치 사이의 각각의 물리적 경로에 대한 채널 이득을 나타낼 수 있다. 일부 예들에서, 각도-도메인 채널 벡터의 상기 식별된 요소들의 세트는 그 벡터의 0이 아닌 요소들의 세트이다. 상기 식별된 요소 세트는 본 명세서에서 각도 도메인 지지점(support points)으로 지칭되는데, 그 이유는 이들 지점이 각도 도메인에서 채널 벡터의 0이 아닌 성분을 식별하기 때문이다. 상기 각도 도메인 지지점 세트로부터, 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터의 요소들로 구성된 벡터가 식별된다. 이 벡터는 본 명세서에서 값 벡터로 지칭될 수 있다. 이 값 벡터는 일반적으로 N보다 작은 크기를 가지며, 여기서 N은 다운링크 장치에서의 안테나의 수이고, 일부 예들에서는 크기 L일 수 있으며, 여기서 L은 다운링크 및 업링크 장치 사이의 분해 가능한(resolvable) 물리적 경로의 수이다. 대규모 MIMO 시스템의 경우, L이 N보다 상당히 작은 경우가 일반적이다. 그런 다음 상기 식별된 값 벡터의 표시는 예를 들어 양자화 코드북을 사용하여 업링크 장치로부터 다운링크 장치로 피드백된다. 다운링크 장치에서, 동일한 각도 도메인 지지점 세트를 식별하기 위해 다운링크 장치에 알려진 추가 채널 벡터가 각도 도메인에서 분석된다. 이러한 각도 도메인 지지점들은 피드백 양자화된 벡터와 함께 사용되어 다운링크 장치에서 알려지지 않은 채널 벡터의 추정치를 생성한다. 이 접근 방식은, 양자화된 N-차원 채널 벡터를 피드백할 필요 없이 다운링크 장치에서 채널 추정치가 형성될 수 있게 한다. 또한, 업링크 및 다운링크 장치 모두에 공통으로 식별된 각도-도메인 지지점들 피드백할 필요를 제거한다. 이것은 채널 피드백 오버헤드를 줄일 수 있다.
이제 본 개시의 양태들이 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 2는 MIMO 통신 시스템(200)을 도시한다. 시스템(200)은 다운링크 장치(202) 및 업링크 장치(204)를 포함한다. 다운링크 장치(202)는 예를 들어 기지국(BS), 또는 보다 일반적으로 MIMO 송신기일 수 있다. 업링크 장치(204)는 사용자 장치, 또는 MIMO 수신기일 수 있다. 다운링크 장치(202)는 통신 채널(206)을 통해 장치(204)에 다운링크 방향으로 무선 통신 신호를 전송하도록 동작한다. 상기 채널에 의해 정의된 물리적 통신 경로의 수는 P로 표시된다. 이 예에서, 예시를 위해 P = 3이다. P는 중요하거나 분해 가능한 물리적 경로의 수를 나타낸다. 분해 가능하거나 중요한 경로는 신호 전력이 어떤 임계값을 초과하는 경로일 수 있다. 산란 물체(208, 210)는 상기 분해 가능한 경로를 부분적으로 정의하는 다운링크 장치(202)로부터 수신된 신호를 산란시키도록 동작한다.
MIMO 시스템(200)은 시분할 이중(TDD: Time Division Duplex) 시스템(TDD MIMO 시스템)이다.
다운링크 장치(202)는 디지털 프리코더(212), 일반적으로 '214'로 지시된 RF 체인 세트, 안테나 어레이(216) 및 처리 유닛(218)을 포함한다. 안테나 어레이(216)는 N개의 안테나를 포함한다. 이 예에서 안테나 어레이(216)는 균일한 선형 어레이(ULA: uniform linear array)이다.
디지털 프리코더(212)는 복수(Ns)의 데이터 스트림(220)을 수신하고 이들 스트림에 대해 디지털 프리코딩을 수행한다. 그 다음, 프리코딩된 스트림은 RF 체인(214)을 통해 전달된다. 각각의 RF 체인은 단일 데이터 스트림을 지원할 수 있다. RF 체인의 수는 안테나 수(N)와 같을 수 있다.
업링크 장치(204)는, 이 예에서 또한 ULA인 렌즈 어레이(222)를 포함한다. 렌즈 어레이(222)는 M개의 안테나를 포함한다. 도 2에 도시된 예에서, M = 2이다. 렌즈 어레이(222)는 RF 체인(224)의 세트에 결합된다. RF 체인의 세트는 디지털 결합기(226)에 결합된다. 업링크 장치(204)는 처리 유닛(228)을 더 포함한다.
동작시, 프리코더(212)는 복수(Ns)의 데이터 스트림을 수신한다. 프리코더는 이 데이터 스트림들에 대해 디지털 프리코딩을 수행한다. 프리코딩은 각각의 데이터 스트림의 가중치 및/또는 위상을 조정하는 것을 포함할 수 있다. 프리코딩은 서로 다른 데이터 스트림들 간의 간섭을 줄이기 위해 수행될 수 있다. 프리코딩은 데이터 스트림에 디지털 프리코딩 행렬(F)를 적용하여 수행될 수 있다. 프리코딩된 데이터 스트림은 RF 체인(214) 세트를 통해 전달되어 아날로그 신호를 생성한다. 단일 데이터 스트림이 각 RF 체인을 통해 전달된다; 즉, 각 RF 체인은 단일 데이터 스트림을 지원한다. RF 체인에 의해 생성된 아날로그 신호는 해당 RF 체인을 통과한 데이터 스트림을 나타낸다. RF 체인에 의해 생성된 신호들은 채널(206)을 통해 업링크 장치(204)로의 전송을 위해 안테나 어레이(216)로 전달된다. 상기 신호들은 안테나 어레이(216)의 안테나들에 전송되고 어레이(216)에 의해 전송된 신호들은 이산 수의 빔들을 형성한다. 빔은 특정 방향 또는 진행 각도로 집속된 하나 이상의 신호의 모음을 지칭한다. 신호는 빔이 각 통신 경로를 따라 진행하도록, 즉, 각 빔이 각각의 물리적 경로를 따라 진행하도록 안테나 어레이(216)로부터 전송된다. 이 예시된 예에서, 방출된 신호는 3개의 빔을 형성한다: 제1 경로를 통해 진행하는 제1 빔, 제2 경로를 통해 진행하는 제2 빔, 및 제3 경로를 통해 진행하는 제3 빔.
각각의 빔은 안테나 어레이(216)로부터 발삭각(AoD: Angle of Departure)을 갖는다. 발사각은 어레이에 대해 정의된 기준 방향에 대해 측정될 수 있다. 첫 번째 경로를 통한 빔의 발사각은
Figure 112021093760732-pct00009
로 표시되고, 두 번째 경로를 통한 빔의 발삭각은
Figure 112021093760732-pct00010
로 표시되고, 세 번째 경로를 통한 빔의 발사각은
Figure 112021093760732-pct00011
으로 표시된다.
방출된 빔은 채널을 통해 전송되고 장치(204)에서 수신된다. 각 빔은 도달각(AoA: Angle of Arrival)으로 안테나 어레이(222)에 입사한다. 각 빔에 대한 도달각은 어레이(222)에 대해 정의된 기준 방향에 대해 측정된다. 첫 번째 경로를 통한 빔에 대한 도달각은
Figure 112021093760732-pct00012
로 표시된다. 두 번째 경로를 통한 빔에 대한 도달각은
Figure 112021093760732-pct00013
q2로 표시된다. 세 번째 경로를 통한 빔의 도달각은
Figure 112021093760732-pct00014
으로 표시된다.
빔은 안테나 어레이(222)에서 수신된다. 어레이(222)의 안테나들은 체인 세트(224)의 RF 체인에 결합된다. 어레이(222)의 각 안테나는 각각의 RF 체인에 결합될 수도 있다. RF 체인(224)은 장치(202)의 RF 체인(214)에 대해 역의 동작을 수행한다. 즉, RF 체인(214)은 수신된 프리코딩된 데이터 스트림에 대한 처리 동작을 수행하여 아날로그 신호를 생성하는 반면, RF 체인(224)은 수신된 아날로그 신호로부터 프리코딩된 데이터 스트림의 디지털 신호 표현을 생성하도록 동작한다. 각각의 RF 체인에 의해 생성된 디지털 신호는 그 다음 결합기(226)로 전달된다. 결합기(226)는 장치(202)의 프리코더(212)에 의해 데이터 스트림에 적용된 프리코딩을 복구 또는 제거하여 디코딩된 데이터 스트림(230)을 생성하도록 동작한다.
장치(204)에서 수신된 신호는 다음과 같이 모델링될 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00015
식(1)에서, y는 다운링크 장치(204)에서 수신된 신호 벡터이고; H는 장치(202)와 장치(204) 사이의 채널을 모델링하는 공간 채널 행렬이다. F는 디지털 프리코더(212)에 의해 적용된 디지털 프리코더 행렬이고, s는 장치(202)로부터 전송된 신호 벡터이고, n은 잡음 벡터이다.
벡터 y는 크기가 M x 1이다, 즉 M-요소 벡터이다. 벡터 s의 크기는 N x 1이다. 즉, N-요소 벡터이다. 채널 행렬 H는 M x N 행렬이다. 즉 M개의 행과 N개의 열이 있는 행렬이다. 채널 행렬 H는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112021093760732-pct00016
여기서 h i 는 장치(202)의 안테나들과 장치(204)의 i번째 안테나 사이의 채널 벡터를 나타낸다. 따라서 각 채널 벡터 h i 는 N x 1 벡터(즉, N-요소 벡터)이고, 채널 벡터의 j번째 요소
Figure 112021093760732-pct00017
는 다운링크 장치(202)의 j번째 안테나와 업링크 장치(204)의 i번째 안테나 사이의 채널을 나타낸다.
디지털 프리코더 행렬(F)은 N×N 행렬이다. 잡음 벡터(n)는 다음을 충족하는 부가 백색 가우스 잡음(AWGN: additive white Gaussian noise) 벡터이다:
Figure 112021093760732-pct00018
여기서
Figure 112021093760732-pct00019
는 잡음 전력의 분산을 나타내고, I M은 M x M 단위 행렬이다.
프리코더 행렬(F)는 다음 전력 제약 조건을 충족한다:
Figure 112021093760732-pct00020
여기서
Figure 112021093760732-pct00021
는 수신기에서의 평균 수신 신호 전력이다.
전송된 신호 벡터(s)는 다음을 충족한다:
Figure 112021093760732-pct00022
안테나 어레이(216)는 ULA(Uniform Linear Array)이므로 채널을 모델링하는 채널 행렬은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00023
여기서
Figure 112021093760732-pct00024
는 p번째 물리적 경로에 대한 경로 이득이고,
Figure 112021093760732-pct00025
및
Figure 112021093760732-pct00026
는 각각 다운링크 장치(202) 및 업링크 장치(204)에서의 어레이 응답 벡터이고,
Figure 112021093760732-pct00027
은 p번째 경로에 대한 발사각이고
Figure 112021093760732-pct00028
은 p번째 경로에 대한 도달각이다.
Figure 112021093760732-pct00029
g의 값은 CN(0,1)을 만족시키고
Figure 112021093760732-pct00030
.
어레이 응답 벡터 a(ø, N)는 다음과 같이 쓸 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00031
여기서 λ는 신호의 파장이고 d는 다운링크 장치(202)에서 인접한 안테나들 사이의 간격이다. λ 및 d의 값은 동일한 단위(예를 들면, 미터)로 표현된다.
행렬 A는 다음과 같이 정의할 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00032
이러한 정의를 통해 다음 식을 얻는다(식(2) 및 식6) 사용)::
Figure 112021093760732-pct00033
행렬 A는 전송 조종 행렬(transmit steering matrix)이다. 즉, 다운링크 장치(202)의 어레이(216)의 조종 행렬이다.
식(10)은 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00034
이 발사각
Figure 112021093760732-pct00035
에 의존하는 조종 행렬(A)과 수신기 이득 벡터로 볼 수 있는
Figure 112021093760732-pct00036
으로부터 결정될 수 있다는 것을 설명한다.
도 2에 도시된 예에서, 업링크 장치(204)는 2개의 안테나 요소를 포함하고, 따라서
Figure 112021093760732-pct00037
. 식(10)으로부터:
Figure 112021093760732-pct00038
업링크 장치(204)는 그 안테나들 중 첫 번째 안테나(안테나 1로 지칭됨)가 장치(202)로부터 다운링크 전송을 수신하고 장치(202)에 업링크 전송을 통신하도록 배열되고, 그 안테나들 중 두 번째 안테나(안테나 2로 지칭됨)는 장치(202)로부터 다운링크 전송만을 수신하도록 구성된다. 즉, 장치(204)는 안테나 2로부터의 업링크 전송을 통신할 수 없다. 즉, 안테나 2로부터 업링크 방향으로 신호를 전송할 수 없다. 따라서, 단지 채널(206)의 부분적인 상호성만을 가지며, 이는 다운링크 장치(202)가, 예를 들어 업링크 채널 추정 기술을 사용하여, 장치(202)의 안테나와 장치(204)의 안테나 1 사이의 채널 벡터를 나타내는 채널 벡터(h 1 )의 추정치를 결정할 수 있지만, 유사한 기술을 사용하여 (장치(202)의 안테나들과 장치(204)의 안테나 2 사이의 채널 벡터를 나타내는) h 2 를 정확하게 추정할 수 없음을 의미한다.
이제 다운링크 장치(202)에서 채널 벡터(h 2 )를 추정하기 위한 접근법이 도 3의 흐름도를 참조하여 설명될 것이다. 다음 설명에서, 다운링크 장치(202)가 채널 벡터(h 1 )의 추정치를 계산할 수 있다고 가정한다(예를 들어 업링크 채널 추정을 통해). 또한, 업링크 장치(204)는, 예를 들어 다운링크 채널 추정을 통해, 채널 벡터 h 1 및 h 2 의 추정치를 계산할 수 있다고 가정한다.
단계 302에서 업링크 장치(204)는 각도 도메인에서 채널 벡터(h 2 )를 분석하여 벡터(h 2 )에 대한 각도 도메인 지지점들의 세트를 식별한다. 단계 302는 장치(204)의 처리 유닛(228)에 의해 수행될 수 있다. 장치(204)는
Figure 112021093760732-pct00039
로 표시된 채널 벡터(h 2 )의 각도-도메인 표현을 분석함으로써 각도 도메인에서 채널 벡터(h 2 )를 분석한다. 즉,
Figure 112021093760732-pct00040
는 h 2 의 각도 도메인 벡터, 또는 다른 말로 하면
Figure 112021093760732-pct00041
는 각도 도메인에서의 채널 벡터 h 2 이다. 각각의 각도 도메인 포인트는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00042
의 각각의 요소를 나타내거나 식별한다.
각도 도메인 벡터(h 2 )는 채널 벡터(h 2 )에 대해 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행함으로써 생성될 수 있다. 이것은 DFT 행렬을 사용하여 구현될 수 있다. 채널 벡터 h 2 는 DFT 행렬 D와 곱하여 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00043
를 생성할 수 있다. 수학적으로, 장치(204)는 다음에 따라 각도 도메인 벡터를 생성한다:
Figure 112021093760732-pct00044
DFT 행렬 D는 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00045
따라서 D의 요소들는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112021093760732-pct00046
여기서 p', q' = 0, 1,...,N-1이다.
각도 도메인 벡터의 분석이 각도 도메인 지지점를 식별하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 이해하기 위해, 업링크 장치(204)가 단일 안테나(즉, M=1)만을 포함하고 하나의 물리적 경로(즉, P=1)만을 가지는 예를 고려한다. 이 경우,
Figure 112021093760732-pct00047
이고 식(10)은 다음과 같이 된다:
Figure 112021093760732-pct00048
그리고,
Figure 112021093760732-pct00049
식(15)에서 D의 p번째 행은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112021093760732-pct00050
식(7), 식(16), 식(17) 및 식(18)을 사용하면,
Figure 112021093760732-pct00051
의 p번째 요소는 다음과 같이 쓸 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00052
여기서
Figure 112021093760732-pct00053
.
식(19)의 절대값을 취하면 다음이 제공된다:
Figure 112021093760732-pct00054
여기서
Figure 112021093760732-pct00055
식(20)은
Figure 112021093760732-pct00056
가 샘플 포인트
Figure 112021093760732-pct00057
에서 함수
Figure 112021093760732-pct00058
의 샘플임을 보여준다. 즉, 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00059
의 요소들의 값들은 샘플 포인트
Figure 112021093760732-pct00060
에서 함수
Figure 112021093760732-pct00061
에 의해 제공된다. 함수
Figure 112021093760732-pct00062
는 중심점이
Figure 112021093760732-pct00063
인 싱크형(sinc-like) 분포를 갖는다.
Figure 112021093760732-pct00064
일 때 식(20)은 다음과 같다:
Figure 112021093760732-pct00065
여기서
Figure 112021093760732-pct00066
는 함수
Figure 112021093760732-pct00067
의 중심점에 해당하는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00068
의 요소이다. 따라서
Figure 112021093760732-pct00069
의 값은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112021093760732-pct00070
여기서
Figure 112021093760732-pct00071
과
Figure 112021093760732-pct00072
는
Figure 112021093760732-pct00073
가 가장 가까운 정수로 주어진다는 것을 나타낸다(
Figure 112021093760732-pct00074
가 각도 도메인 벡터의 요소를 식별하기 때문임).
Figure 112021093760732-pct00075
이 식(21)을 만족할 때, 각도 영역 벡터
Figure 112021093760732-pct00076
는 0이 아닌 요소
Figure 112021093760732-pct00077
하나만을 갖는다.
Figure 112021093760732-pct00078
이 식(21)을 충족하지 않으면
Figure 112021093760732-pct00079
는 0이 아닌 요소를 여러 개 가질 수 있다. 그러나 일반적인 시스템에서 N(다운링크 장치(202)의 안테나 수)의 값이 상대적으로 크기 때문에,
Figure 112021093760732-pct00080
는 여전히 포인트
Figure 112021093760732-pct00081
에 대해 분포되고 포인트
Figure 112021093760732-pct00082
부근의 벡터 요소들만 무시할 수 없는 값을 취할 것이다. 다시 말해, 식(21)을 충족하지 않더라도 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00083
의 무시할 수 없는 값은 여전히 벡터 요소
Figure 112021093760732-pct00084
주위에 집중될 것이다.
도 4a 및 4b는
Figure 112021093760732-pct00085
와
Figure 112021093760732-pct00086
의 예시이다. 도 4a는
Figure 112021093760732-pct00087
이 식(21)을 만족시키는 경우를 나타내고, 도 4b는
Figure 112021093760732-pct00088
이 식(21)을 만족시키지 않는 경우를 나타낸다. 도 4a에서 각도 도메인 벡터의 0이 아닌 유일한 요소는
Figure 112021093760732-pct00089
임을 알 수 있다. 도 4b는 각도 도메인 벡터가 0이 아닌 여러 요소를 포함하지만
Figure 112021093760732-pct00090
근처에 있는 것들(404 및 406에 표시됨)만 무시할 수 없는 값을 가짐을 보여준다. 두 도면에서 원 표시는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00091
의 요소들의 값을 나타낸다. 실선은 각도 도메인에서 채널 벡터에 의해 정의된 함수
Figure 112021093760732-pct00092
를 나타낸다.
위의 설명은 하나의 물리적 경로가 각도 도메인 벡터의 요소
Figure 112021093760732-pct00093
에 해당하는 각도 도메인에서 채널 벡터에 대한 단일 중심점을 형성함을 예시한다. 다시 말해서, 채널 벡터는 단일 중심점으로 각도 도메인에서 함수를 정의하고, 그 중심점은 각도 도메인 벡터의 한 요소
Figure 112021093760732-pct00094
에 해당한다. 상기 중심점은 요소
Figure 112021093760732-pct00095
와 정확히 정렬되거나(
Figure 112021093760732-pct00096
이 식(21)을 충족하는 경우), 또는 요소
Figure 112021093760732-pct00097
가 함수의 중심점에 가장 가까운 요소일 수 있다(
Figure 112021093760732-pct00098
이 식(21)을 충족하지 않는 경우, 예를 들어 그림 4b에 도시된 것과 같이). 상기 중심점(따라서 요소
Figure 112021093760732-pct00099
)은 물리적 경로에 대한 빔의 발사각(
Figure 112021093760732-pct00100
)에 종속한다.
장치(202 및 204) 사이에 다수의 물리적 경로가 있는 경우, 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00101
는 벡터
Figure 112021093760732-pct00102
의 각 요소에 대응하는 단일 중심점을 각각 갖는 함수들의 선형 조합을 정의한다. 다시 말해, P개의 물리적 경로에 대해, 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00103
는 P개 함수의 선형 조합을 정의한다. 여기서 P개 함수 각각은 각도 도메인 벡터의 요소
Figure 112021093760732-pct00104
에 해당하는 단일 중심점을 가진다. 각 요소
Figure 112021093760732-pct00105
는 각각의 물리적 경로에 대한 빔 발사각에 종속한다. 즉, 요소
Figure 112021093760732-pct00106
는 물리적 경로 p에 대한 빔 발삭각에 종속하며, 여기서 p = 1,...,P이다. 이러한 요소 세트는 본 명세서에서 각도 도메인 지지점 세트로 지칭된다.
도 2에 도시된 예시적인 시스템을 다시 참조하면, 업링크 장치(204)는 다음과 같이 주어진 벡터
Figure 112021093760732-pct00107
에 대한 각도 도메인 지지점들의 세트를 계산하기 위해 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00108
를 분석한다:
Figure 112021093760732-pct00109
따라서, 각도 도메인 지지점들은 각각 각도 도메인 벡터의 각각의 요소를 식별한다. 각도 도메인 지지점들 각각에서 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00110
의 값은 각각의 물리적 경로에 대한 이득을 나타낸다.
단계 304에서, 업링크 장치(204)는 각도 도메인 지지점 세트로부터 값 벡터를 생성한다. 이 단계는 또한 처리 유닛(228)에 의해 수행될 수 있다.
상기 값 벡터는 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00111
의 요소로부터 형성된다. 상기 값 벡터는 각도 도메인 벡터의 가장 큰 L개의 요소를 선택하여 생성될 수 있다. 일부 예에서 L = P이다. 다른 예에서 L은 P보다 작다.
수학적으로, 상기 값 벡터는 먼저 DFT 행렬 D의 선택된 행을 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00112
에 적용하여 계산할 수 있다. 적용할 DFT 행렬의 행은 각도 영역 제어 포인트에 의해 결정된다. 특히, 각도 도메인 지지점과 동일한 행 번호를 갖는 행이 채널 벡터에 적용되어야 한다. 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
Figure 112021093760732-pct00113
또는, 다른 방법으로:
Figure 112021093760732-pct00114
여기서
Figure 112021093760732-pct00115
는 P개의 각도 도메인 지지점
Figure 112021093760732-pct00116
에 의해 식별되는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00117
의 P개 요소로 구성된 벡터이다. 벡터
Figure 112021093760732-pct00118
는 중간 값 벡터로 지칭될 수 있다.
벡터
Figure 112021093760732-pct00119
는 그 다음에 내림차순으로 표준에 따라 정렬되면서 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개 요소가 선택된다. 이것은 벡터
Figure 112021093760732-pct00120
의 L개의 가장 큰 요소를 선택하여 수행될 수 있다.
수학적으로:
Figure 112021093760732-pct00121
여기서
Figure 112021093760732-pct00122
는 내림차순으로 요소 크기에 따라 정렬된 중간 값 벡터와 같고
Figure 112021093760732-pct00123
는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00124
의 가장 큰 L개 요소들로 구성된 L-요소 벡터이다. 즉, 벡터
Figure 112021093760732-pct00125
는 L개의 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터의 L개의 요소들로 구성된다.
이 예에서 상기 값 벡터는 벡터
Figure 112021093760732-pct00126
이다. 아래 첨자 '2'는 상기 값 벡터가 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00127
에 대해 형성되는 것을 나타낸다.
위에서 언급한 바와 같이, L의 값은 구현에 따라 선택될 수 있으며 일부 예에서는 분해 가능한 물리적 경로의 수(P)와 같다. L = P인 경우 벡터
Figure 112021093760732-pct00128
의 L개의 가장 큰 요소들을 선택하는 단계를 수행할 필요가 없다. 따라서, 일부 배열에서 값 벡터는 벡터
Figure 112021093760732-pct00129
이거나, 각도 영역 지지점에 의해 식별된 모든 P 요소가 유지되는 경우 벡터 요소가 정렬될 필요가 없다는 것을 기반으로 벡터
Figure 112021093760732-pct00130
일 수 있다.
단계 306에서, 업링크 장치(204)는 생성된 값 벡터의 표시를 다운링크 장치(202)에 피드백한다.
처리 유닛(228)은 값 벡터의 표시를 RF 체인(224)에 전달할 수 있으며, RF 체인(224)은 그 다음에 안테나 어레이(222)의 안테나 1(이것은 업링크 방향에서 전송할 수 있는 유일한 안테나임)에 전달되는 값 벡터의 표시를 나타내는 아날로그 신호를 생성한다. 그 다음, 안테나 1은 값 벡터의 표시를 나타내는 신호를 업링크 방향으로 장치(202)에 전송하여 값 벡터의 표시를 장치(202)에 피드백한다.
상기 값 벡터의 표시는 업링크 장치(204) 및 다운링크 장치(202) 모두에 알려진 양자화 코드북(codebook)(C)을 사용하여 생성될 수 있다. 양자화 코드북은 양자화 벡터들의 세트로 형성된다. 업링크 장치(204)는 상기 생성된 값 벡터를 양자화하기 위해 양자화 코드북(C)을 사용할 수 있다. 상기 값 벡터를 양자화하기 위해 선택된 양자화 벡터를 인덱싱하는 양자화 코드북에 대한 인덱스는 그 다음 다운링크 장치(202)로 피드백될 수 있다. 다시 말해서, 다운링크 장치로 피드백되는 값 벡터의 표시는 양자화 코드북에 대한 선택된 인덱스를 포함한다. 코드북의 양자화 벡터는 단위-표준(unit-norm) 벡터일 수 있다. 이 경우에, 처리 유닛(228)은 또한 값 벡터의 크기를 계산하고 이것을 양자와 코드북에 대한 인덱스와 함께 피드백할 수 있다. 따라서, 코드북이 단위-표준 벡터를 포함하는 구현에서 값 벡터의 표시는 코드북(C)에 대한 선택된 인덱스 및 값 벡터의 크기를 포함한다.
코드북(C)는 수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00131
여기서 2B는 코드북의 양자화 벡터의 수이고 B는 코드북을 인덱싱하는 데 필요한 비트 수이다. 즉, 각 코드북 인덱스는 B 비트이다.
처리 유닛(228)은 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00132
와 가장 근접하게 일치하는 양자화 벡터(Ci)를 코드북(C)으로부터 선택할 수 있다. 구체적으로, 처리 유닛(228)은 다음에 따라 값 벡터를 양자화하기 위해 코드북(C)의 인덱스(ln)을 선택할 수 있다::
Figure 112021093760732-pct00133
인덱스(ln)와 값 벡터의 크기(
Figure 112021093760732-pct00134
)는 그 다음 다운링크 장치(202)로 피드백된다.
값 벡터
Figure 112021093760732-pct00135
의 표시는 안테나 어레이(216) 및 RF 체인(214)에 의해 다운링크 장치(202)에서 수신되고 처리 유닛(218)으로 전달된다.
단계 308에서, 다운링크 장치(202)는 단계 302에서 업링크 장치에 의해 식별된 동일한 각도 도메인 지지점 세트를 식별하기 위해 다운링크 장치에 알려진 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00136
를 분석한다. 이것은 처리 유닛(218)에 의해 수행될 수 있다.
다운링크 장치(202)는 각도 도메인에서 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00137
를 분석함으로써 각도 도메인 지지점을 식별한다. 각도 도메인에서 표현된 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00138
는
Figure 112021093760732-pct00139
로 표시된다. 즉,
Figure 112021093760732-pct00140
은 각도 도메인 벡터이다. 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00141
는 DFT 행렬(D)을 사용하여 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00142
에 대해 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행함으로써 생성될 수 있다. 채널 벡터
Figure 112021093760732-pct00143
는 각 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00144
를 생성하기 위해 DFT 행렬(D)과 곱해질 수 있다. 수학적으로, 장치(202)는 다음에 따라 각도 도메인 벡터를 생성한다:
Figure 112021093760732-pct00145
다운링크 장치(202)는, 업링크 장치(204)가 단계 302와 관련하여 위에서 설명된 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00146
를 분석한 방법과 유사한 방식으로 각도 도메인 지지점을 생성하기 위해 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00147
를 분석한다. 그렇게 함으로써, 다운링크 장치(202)는 벡터
Figure 112021093760732-pct00148
에 대한 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00149
) 세트를 생성하며, 다음 식으로 주어진다:
Figure 112021093760732-pct00150
따라서 벡터
Figure 112021093760732-pct00151
에 대한 각도 도메인 지지점은 식(23)에 의해 주어진 벡터
Figure 112021093760732-pct00152
에 대한 각도 도메인 지지점과 동일하다. 이를 확인하기 위해, 벡터
Figure 112021093760732-pct00153
에 대한 각도 도메인 지지점은 발사각
Figure 112021093760732-pct00154
에만 의존하고 도달각
Figure 112021093760732-pct00155
에는 의존하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 식(11) 및 (12)로부터
Figure 112021093760732-pct00156
이고
Figure 112021093760732-pct00157
이며, 식(8)로부터 조종 행렬(A)이 각도 도메인 지지점과 동일한 발사각에 의존한다는 것이 관찰되었다. 따라서 벡터
Figure 112021093760732-pct00158
및
Figure 112021093760732-pct00159
는 공통의 각도 도메인 지지를 갖다. 즉, 동일한 각도 도메인 지지점을 공유한다. 이것은 MIMO 시스템(200)의 물리적 해석과 일치한다: 일반적으로, 업링크 장치(204)의 인접한 안테나들 사이의 거리는 산란 물체(예를 들어, 208 및 210)와 업링크 장치 사이의 거리보다 훨씬 작다. 이는 두 안테나에 대한 물리적 전파 경로가 동일한 산란 물체를 통과하고 따라서 두 안테나에 대한 채널 벡터가 동일한 발사각에 의존함을 의미한다.
단계 310에서, 다운링크 장치(202)는 계산된 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00160
) 세트로부터 전송 조종 행렬(A)을 생성한다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 다운링크 장치(202)는 각도 도메인 지지점들(
Figure 112021093760732-pct00161
)로부터 계산된 하나 이상의 발사각으로부터 전송 조종 행렬을 생성한다. 일반적으로, 다운링크 장치(202)는 L개의 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터의 각각의 L개의 요소로부터 계산된 L개의 발사각으로부터 전송 조종 행렬을 생성한다. 즉, 전송 조종 행렬(A)은 L개의 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개의 각도 도메인 지지점 세트로부터 생성된다.
각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00162
)으로부터 가장 큰 채널 체인을 나타내는 L개 각도 도메인 지지점의 세트를 식별하기 위해, 다운링크 장치(202)는 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00163
)으로부터 값 벡터를 생성한다. 값 벡터는 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00164
의 요소들로부터 형성된다. 값 벡터는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00165
의 L개 가장 큰 요소를 선택하여 생성된다.
수학적으로, 값 벡터는 먼저 DFT 행렬(D)의 선택된 행을 채널 벡터 h 1 에 적용함으로써 위에서 설명된 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00166
와 유사한 방식으로 계산된다. 적용될 DFT 행렬의 행은 각도 영역 제어점(
Figure 112021093760732-pct00167
)에 의해 결정되며, 특히, 각도 도메인 지지점과 동일한 행 번호를 갖는 행이 채널 벡터에 적용되어야 한다. 이것은 수학적으로 다음과 같이 표현된다:
Figure 112021093760732-pct00168
또는, 다른 방법으로:
Figure 112021093760732-pct00169
여기서
Figure 112021093760732-pct00170
는 P개의 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00171
)에 의해 식별된 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00172
의 P개 요소로 구성된 벡터이다. 벡터
Figure 112021093760732-pct00173
는 중간 값 벡터로 지칭될 수도 있다.
벡터
Figure 112021093760732-pct00174
는 그 다음에 내림차순으로 표준에 따라 정렬되면서 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개 요소가 선택된다. 이것은 벡터
Figure 112021093760732-pct00175
의 L개 가장 큰 요소를 선택하여 수행될 수 있다.
수학적으로:
Figure 112021093760732-pct00176
여기서
Figure 112021093760732-pct00177
는 요소 크기에 따라 내림차순으로 정렬된 중간 값 벡터와 같고
Figure 112021093760732-pct00178
는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00179
의 가장 큰 L개 요소로 구성된 L-요소 벡터이다. 즉, 벡터
Figure 112021093760732-pct00180
는 L개의 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00181
의 L개의 요소로 구성된다. 벡터
Figure 112021093760732-pct00182
은 다운링크 장치(202)에 의해 계산된 값 벡터이다. 아래 첨자 '1'은 값 벡터가 채널 벡터 h 1 에 대해 형성됨을 나타낸다.
다운링크 장치는
Figure 112021093760732-pct00183
의 요소들의 배열을 정렬된 차원의
Figure 112021093760732-pct00184
으로 설명하는 인덱스 벡터 I 1 를 추가로 계산한다. 따라서 벡터 I 1 는
Figure 112021093760732-pct00185
의 재배열을 나타내는 P-요소 벡터이다. 따라서 벡터 I 1 의 첫 번째 L 요소는 가장 큰 채널 이득을 나타내는 벡터
Figure 112021093760732-pct00186
의 L 요소를 식별하거나 인덱싱한다.
따라서 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개 각도 도메인 지지점 세트는 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00187
) 세트로부터 다음 식에 따라 식별될 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00188
따라서, 요약하면, 다운링크 장치(202)는 해당 장치에 알려진 채널 벡터(h1)로부터 P개의 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00189
) 세트를 계산한다. 이러한 각 도메인 지지점 각각은 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00190
의 각각의 요소를 식별한다. 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개 각도 도메인 지지점 세트
Figure 112021093760732-pct00191
가 식별되고, 여기서 L은 P보다 작거나 같다. 위에 설명된 예에서, 이 점들의 세트는 P개의 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00192
) 세트에 의해 식별된 각도 도메인 벡터
Figure 112021093760732-pct00193
의 P개 요소들로 구성된 중간 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00194
을 계산함으로써 식별된다. 중간 값 벡터는 그 다음에 내림차순으로 해당 표준에 따라 정렬되고 가장 큰 채널 이득을 나타내는 L개 요소가 인덱스 벡터 I 1 로 식별된다. 상기 인덱스 벡터는 그 다음에 P개의 각도 도메인 지지점(
Figure 112021093760732-pct00195
) 세트의 대응하는 L개 각도 도메인 지지점을 인덱싱하는 데 사용된다.
식(31) 및 (36)에 따라, / = 1,...L에 대한 발사각
Figure 112021093760732-pct00196
는 식별된 L개 각도 도메인 지지점 세트로부터 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00197
식(8)에 따라, L개의 식별된 발사각에 대한 조종 행렬(A)이 다운링크 장치(202)에 의해 다음과 같이 계산된다:
Figure 112021093760732-pct00198
행렬 A는 다운링크 장치(202)에서 계산된 각도 도메인 제어점(
Figure 112021093760732-pct00199
) 세트로부터 계산된 전송 조종 행렬을 나타낸다. 이것은 N x L 행렬이다.
단계 312에서, 장치(202)는 장치(204)로부터 피드백된 값 벡터(
Figure 112021093760732-pct00200
)의 표시 및 장치(202)에서 계산된 조종 행렬(A)로부터 채널 벡터(h 2) 의 업링크 추정치(
Figure 112021093760732-pct00201
)를 계산한다.
구체적으로, 다운링크 장치(202)는 다음에 따라 채널 벡터 추정치(
Figure 112021093760732-pct00202
)를 계산할 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00203
여기서
Figure 112021093760732-pct00204
는 장치(204)로부터 피드백된 인덱스(ln)에 따라 선택된 코드북(C)에서의 양자화 벡터이고
Figure 112021093760732-pct00205
는 장치(204)로부터 피드백된 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00206
의 크기이다.
벡터
Figure 112021093760732-pct00207
는 다운링크 추정 기법을 통해 계산할 수 없었던 채널 벡터 h 2 의 계산된 추정치이다.
채널 벡터를 계산하기 위한 전술한 접근 방식은 채널 추정의 기존 기술에 비해 몇 가지 이점을 제공할 수 있다. 양자화되어 다운링크 장치(202)로 피드백되는 벡터는 축소된 차원의 L 차원 벡터이며, 여기서 L은 분해 가능한 물리적 경로의 수인 P보다 작거나 같다. 물리적 경로의 수는 일반적으로 다운링크 장치의 안테나 수(N)보다 훨씬 작기 때문에, 상기 접근 방식은 N차원 벡터가 양자화되고 피드백되는 제한된 피드백의 기존 접근 방식과 비교하는 것이 바람직하다. 양자화될 벡터의 크기를 줄임으로써 주어진 크기의 코드북에 대해 더 정확한 양자화가 수행될 수 있다. 더욱이, 각도 도메인의 채널들 사이에는 상관관계가 있고 따라서 다운링크 장치의 상이한 수신기들의 채널들은 공통의 각도 도메인 지지를 갖는다(즉, 공통의 각도 도메인 점 세트를 공유한다)는 것이 밝혀졌다. 이것은 각도 도메인 지지점의 피드백을 생략할 수 있게 하여, 채널 피드백 오버헤드를 줄인다.
도 5는 상기 접근 방식에 의해 상대적으로 낮은 채널 피드백 오버헤드로 높은 합계-전송률(sum-rate) 성능이 달성될 수 있음을 입증하는 시뮬레이션 결과가 발명자들에 의해 획득된 것을 보여준다.
이 시뮬레이션에서, 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00208
는 6-비트 랜덤 벡터 양자화(RVQ: Random Vector Quantization) 코드북을 사용하여 양자화된다. 이상적인 채널 상태 정보(CSI)를 가지고 얻어질 수 있는 합계-전송률 성능은 '502'로 도시되어 있다. 최적(즉, 비양자화) 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00209
를 사용하여 달성될 수 있는 합계-전송률 성능은 '504'로 도시되어 있다. 본 발명의 피드백 방식과 6-비트 RVQ 코드북을 사용하여 양자화된 값 벡터
Figure 112021093760732-pct00210
는 '506'으로 도시되어 있고, RVQ 코드북을 사용하는 기존의 제한된 피드백은 '508'로 도시되어 있다. 여기에 설명된 피드백 방식은 N-차원 벡터를 양자화하는 기존의 RVQ 코드북 방식보다 성능이 뛰어나다는 것이 관찰된다. 또한, 값 벡터를 양자화하여 발생하는 성능 손실이 상대적으로 작음을 알 수 있는데, 이는 기존 방식에 비해 채널 피드백 오버헤드를 증가시키지 않으면서 양호한 성능을 가진 채널 피드백 방식을 달성할 수 있음을 의미한다.
채널 벡터 h 2 의 추정치를 계산한 후, 다운링크 장치(202)는 추정된 채널 벡터 h 2 및 계산된 채널 벡터 추정치 h 1 (예를 들어, 업링크 채널 추정으로부터 획득됨)를 사용하여 채널 행렬(H)의 추정치를 계산하여 전체 CSI를 얻을 수 있다. 채널 행렬(H)를 계산한 후, 다운링크 장치(202)는 갱신된 프리코딩 행렬(F)을 계산할 수 있다. 이를 위해, 다운링크 장치는 다음과 같이 채널 행렬을 분해하기 위해 특이 값 분해(SVD: singular value decomposition)를 사용할 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00211
여기서 U는 왼쪽 특이 행렬,
Figure 112021093760732-pct00212
는 내림차순의 특이 값들로 구성된 대각 행렬, V는 오른쪽 특이 행렬이다.
프리코딩 행렬(F)은 그 다음에 V의 처음 M개 열에서 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112021093760732-pct00213
여기서 I M 는 M x M 단위 행렬이다.
다운링크 장치는 그 다음에 갱신되거나 최적화된 프리코딩 행렬(F)을 사용하여 안테나 어레이(216)를 통해 신호를 전달할 수 있다.
여기에 설명된 예들에서, 업링크 장치(204)는 2개의 안테나를 포함하고, 그 중 하나는 업링크 방향으로 전송할 수 없다. 이것은 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 여기에 설명된 기술은 임의의 적절한 수의 안테나를 갖는 다운링크 장치에 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 여기에 설명된 기술은, 다운 링크 장치와 업링크 장치의 안테나 사이의 채널 벡터(h)에 추정이, 다운링크 장치에 이용 가능한(예를 들어, 업링크 추정 기술을 사용하여 획득된) 다른 채널 벡터와 업링크 장치로부터 피드백된 각도 도메인의 채널 벡터(h)의 요소들을 포함하는 값 벡터의 표시를 사용하여 다운링크 장치에서 계산되는 것을 가능하게 한다. 일부 구현에서, 예를 들어, 업링크 장치는 8개의 안테나를 포함할 수 있으며, 그 중 4개는 다운링크 전송을 수신하는 것으로 제한된다(즉, 4개의 안테나만 업링크 차원에서 전송할 수 있음).
위의 예들에서, L개 각도 도메인 지지점 세트가 식별되고 채널 벡터 추정치를 계산하는 데 사용된다. 일부 예들에서, L은 P와 동일하다. 이러한 상황에서, 업링크 장치에서 값 벡터를 생성하기 위해 벡터
Figure 112021093760732-pct00214
를 정렬하고 L개 요소들을 선택할 필요가 없을 수도 있다: 벡터
Figure 112021093760732-pct00215
는 값 벡터로서 취해질 수 있고, 이것은 그 다음 양자화되어 다운링크 장치로 피드백된다. 또한, 다운링크 장치에서 벡터
Figure 112021093760732-pct00216
를 계산하여 L개 각도 도메인 지지점 세트를 식별할 필요가 없을 수도 있다: 대신에 행렬(A)으르 계산하는데 사용된 P개의 발사각이 식(37)에 따라 P개의 각도 도메인 제어점(
Figure 112021093760732-pct00217
)으로부터 직접 계산될 수도 있다.
본 출원인은 여기에서 설명된 각각의 개별적인 특징과 2개 이상의 그러한 특징의 임의의 조합을, 그러한 특징들 또는 그 조합은 당해 기술 분야의 통상의 기술자의 공통 일반의 관점에서 전체로서 본 명세서에 기초하여 실행될 수 있는 한도에서, 그러한 특징 또는 특징의 조합이 본 명세서에 개시된 임의의 문제를 해결하는지 여부와 상관없이 그리고 청구범위의 범위를 제한하지 않으면서, 별개로 개시한다. 출원인은 본 발명의 양태들이 이러한 개별 특징 또는 특징의 조합으로 구성될 수 있음을 지적한다. 전술한 설명에 비추어 볼 때, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 통신 채널을 통해 통신하도록 배열된 다운링크 장치 및 업링크 장치를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 통신 시스템에서 채널 추정을 수행하는 방법으로서,
    상기 업링크 장치에서:
    상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제1 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제1 채널 벡터를 각도 도메인에서 분석하여 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하는 단계로서, 상기 각도 도메인 지지점들 각각은 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 각각의 요소를 나타내는, 단계;
    상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인의 상기 제1 채널 벡터의 요소들을 포함하는 값 벡터를 생성하는 단계;
    상기 값 벡터의 표시를 상기 업링크 장치로부터 상기 다운링크 장치로 피드백하는 단계;
    상기 다운링크 장치에서:
    상기 각도 도메인 지지점들 세트를 식별하기 위해 각도 도메인에서 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치의 제2 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제2 채널 벡터를 분석하는 단계;
    상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 전송 조종 행렬을 생성하는 단계; 및
    상기 업링크 장치로부터 피드백된 상기 값 벡터의 표시 및 상기 생성된 전송 조종 행렬로부터 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 생성하는 단계;
    를 포함하는, 채널 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 채널을 모델링하는 채널 행렬의 추정치를 생성하기 위해 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 사용하는 단계를 더 포함하는, 채널 추정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다운링크 장치로부터 전송될 데이터를 프리코딩하는 데 사용하기 위해 상기 추정된 채널 행렬을 사용하여 디지털 프리코딩 행렬을 유도하는 단계를 더 포함하는, 채널 추정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 업링크 장치는 상기 제1 안테나를 상기 다운링크 장치로부터 통신을 수신하기 위해서만 사용하고, 상기 다운링크 장치로부터 통신을 수신하고 상기 다운링크 장치로 통신을 전송하기 위해 상기 제2 안테나를 사용하도록 구성되는, 채널 추정 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각도 도메인에서 제1 채널 벡터를 분석하는 상기 단계는 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬을 사용하여 상기 제1 채널 벡터를 상기 각도 도메인으로 변환하는 단계를 포함하는, 채널 추정 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도 도메인 지지점들 세트는 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 0이 아닌 요소들로부터 식별되는, 채널 추정 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 값 벡터는 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 P개의 가장 큰 요소를 선택함으로써 생성되며, 여기서 P는 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 분해 가능한(resolvable) 경로의 수인, 채널 추정 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    코드북을 사용하여 상기 업링크 장치에서 상기 값 벡터를 양자화하는 단계를 포함하고, 상기 값 벡터의 표시는 상기 코드북에 대한 선택된 인덱스를 포함하는, 채널 추정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 값 벡터의 표시는 상기 값 벡터의 크기를 더 포함하는, 채널 추정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선택된 인덱스 및 상기 값 벡터의 크기만이 상기 업링크 장치로부터 상기 다운링크 장치로 피드백되는, 채널 추정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 선택된 인덱스(ln)는 하기 식에 따라 선택되고,
    Figure 112022012037012-pct00218

    여기서
    Figure 112022012037012-pct00219
    는 값 벡터
    Figure 112022012037012-pct00220
    의 헤르미이트 공액(Hermitian conjugate)이고,
    Figure 112022012037012-pct00221
    는 코드북이고,
    Figure 112022012037012-pct00222
    는 코드북(C)의 양자화된 값이고, B는 코드북에 액세스하기 위한 비트 수인, 채널 추정 방법.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 식별된 각도 도메인 지지점들 세트의 각각의 각도 도메인 지지점은 상기 다운링크 장치와 상기 업링크 장치 사이의 각각의 경로에 대한 빔 발사각에 의존하는, 채널 추정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전송 조종 행렬은 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 계산된 하나 이상의 빔 발사각을 사용하여 생성되는, 채널 추정 방법.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도 도메인 지지점들(
    Figure 112022012037012-pct00223
    )의 세트는
    Figure 112022012037012-pct00224
    에 의해 주어지며, 여기서 d는 다운링크 장치의 인접한 안테나 요소들 사이의 간격이고; λ는 다운링크 장치에서 방출되는 신호의 파장이고; N은 다운링크 장치에 있는 안테나 요소의 수이고,
    Figure 112022012037012-pct00225
    은 다운링크 장치와 업링크 장치 사이의 p번째 경로를 따라 다운링크 장치에 의해 방출된 신호들 빔의 발사각인, 채널 추정 방법.
  15. 제5항에 있어서,
    각도 도메인에서 제2 채널 벡터를 분석하는 상기 단계는 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬을 사용하여 상기 제2 채널 벡터를 상기 각도 도메인으로 변환하는 단계를 포함하는, 채널 추정 방법.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MIMO 통신 시스템은 시분할 이중(TDD: time-division-duplex) MIMO 통신 시스템인, 채널 추정 방법.
  17. 통신 채널을 통해 통신하도록 구성된 다운링크 장치 및 업링크 장치를 포함하는 다중입력 다중출력(MIMO) 통신 시스템으로서,
    상기 업링크 장치는 복수의 안테나 및 처리 유닛을 포함하며,
    상기 업링크 장치의 처리 유닛은:
    각도 도메인에서 다운링크 장치와 업링크 장치의 제1 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제1 채널 벡터를 분석하여 각도 도메인 지지점들의 세트를 식별하고 - 여기서 각도 도메인 지지점들 각각은 각도 도메인에서 상기 제1 채널 벡터의 각각의 요소를 나타냄 -;
    가장 큰 채널 이득을 나타내는 각도 도메인의 상기 제1 채널 벡터의 요소들을 포함하는 값 벡터를 상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 생성하고;
    상기 값 벡터의 표시를 상기 다운링크 장치에 피드백하며;
    상기 다운링크 장치는 복수의 안테나 및 처리 유닛을 포함하며,
    상기 다운링크 장치의 처리 유닛은:
    각도 도메인에서 다운링크 장치와 업링크 장치의 제2 안테나 사이의 채널 이득을 나타내는 제2 채널 벡터를 분석하여 상기 각도 도메인 지지점들의 세트를 식별하고;
    상기 각도 도메인 지지점들 세트로부터 전송 조종 행렬을 생성하고;
    상기 업링크 장치로부터 피드백된 값 벡터의 표시 및 상기 생성된 전송 조종 행렬로부터 상기 제1 채널 벡터의 추정치를 생성하는, MIMO 통신 시스템.
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