KR102430193B1 - Method and apparatus for tracking aerial node based on flight sensor data and beamforming information - Google Patents

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Abstract

본 개시는 비행 센서 데이터 및 빔포밍 정보에 기초하여 공중 노드를 추적하는 방법 및 장치에 대한 것이다. 본 개시의 일 실시예에 따른 지상 노드가 공중 노드의 위치를 추적하는 방법은, 상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 공간 각도의 후보들의 집합을 설정하는 단계; 상기 공간 각도의 후보들에 속하지 않은 업데이트된 공간 각도에 대해서, 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값을 도출하는 단계; 상기 공간 각도의 업데이트 및 상기 수신 신호 크기의 예측값의 도출을 반복하여 최적의 공간 각도를 결정하는 단계; 및 상기 최적의 공간 각도에 기초하여 상기 공중 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.The present disclosure relates to a method and apparatus for tracking an aerial node based on flight sensor data and beamforming information. A method for a ground node to track a position of an aerial node according to an embodiment of the present disclosure includes: setting a set of candidates for spatial angles based on flight sensor data of the aerial node; deriving a predicted value of a received signal magnitude to which reception beamforming is applied with respect to an updated spatial angle that does not belong to the spatial angle candidates; determining an optimal spatial angle by repeating the update of the spatial angle and the derivation of the predicted value of the received signal magnitude; and determining the position of the aerial node based on the optimal spatial angle.

Description

비행 센서 데이터 및 빔포밍 정보 기반 공중 노드 추적 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRACKING AERIAL NODE BASED ON FLIGHT SENSOR DATA AND BEAMFORMING INFORMATION}Aerial node tracking method and apparatus based on flight sensor data and beamforming information

본 개시는 이동체 추적에 대한 것이며, 구체적으로는 비행 센서 데이터 및 빔포밍 정보에 기초하여 공중 노드를 추적하는 방법 및 장치에 대한 것이다. The present disclosure relates to tracking a moving object, and more particularly, to a method and apparatus for tracking an aerial node based on flight sensor data and beamforming information.

무선 통신 시스템에서 네트워크 커버리지를 확장하거나 음영 지역을 해소하고 데이터 핫스팟 서비스를 제공하기 위한 목적으로 무인기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)와 같은 공중 노드를 활용하는 기술이 논의되고 있다. 공중 노드는 도입 비용이 낮고, 배치 자유도가 높아서 통신 서비스 제공 지역을 유연하게 조정하거나, 보다 유리한 송수신 채널 환경을 인위적으로 또는 선택적으로 이용하는 것을 지원할 수 있다. In a wireless communication system, a technology utilizing an aerial node such as an unmanned aerial vehicle (UAV) is being discussed for the purpose of extending network coverage, resolving shadow areas, and providing data hotspot services. The public node has a low introduction cost and a high degree of freedom in deployment, so that it can flexibly adjust a communication service provision area or support artificially or selectively using a more favorable transmission/reception channel environment.

효율적인 무선 통신을 위해서 공중 노드의 정확한 위치를 추적하는 것이 요구된다. 종래에는 무선 통신 시스템의 빔포밍 정보를 활용하거나 또는 항공 시스템의 GPS(Global Positioning System) 정보와 같은 비행 센서 데이터를 활용하여 공중 노드의 위치를 추적하는 시도가 있었으나, 항공 시스템 및 무선 통신 시스템 개별적으로는 위치 추적의 정확도 및 효율성이 높지 않은 문제가 있었다. 따라서, 비행 센서 데이터 및 빔포밍 정보를 상호 보완 및 통합하여 공중 노드를 추적하기 위한 새로운 방안이 요구된다.For efficient wireless communication, it is required to track the exact location of a public node. Conventionally, there has been an attempt to track the position of an aerial node using beamforming information of a wireless communication system or flight sensor data such as GPS (Global Positioning System) information of an aviation system. However, the aviation system and the wireless communication system individually had a problem in that the accuracy and efficiency of location tracking were not high. Therefore, there is a need for a new method for tracking an aerial node by complementing and integrating flight sensor data and beamforming information.

본 개시의 기술적 과제는 무선 통신 시스템과 항공 시스템의 특성을 고려한 통합 빔 추적 방법 및 장치를 제공하는 것이다. It is an object of the present disclosure to provide an integrated beam tracking method and apparatus in consideration of characteristics of a wireless communication system and an aviation system.

본 개시의 추가적인 기술적 과제는 공중 노드가 송신 빔포밍을 지상 노드로부터의 피드백 없이 효율적으로 결정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. A further technical problem of the present disclosure is to provide a method and apparatus for an air node to efficiently determine transmit beamforming without feedback from a terrestrial node.

본 개시의 추가적인 기술적 과제는 지상 노드가 채널 추정 과정에서의 수신 빔포밍의 오버헤드를 감소하면서도 동적으로 공중 노드의 위치를 추적하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.An additional technical problem of the present disclosure is to provide a method and apparatus for dynamically tracking a position of an aerial node while reducing overhead of reception beamforming in a channel estimation process by a terrestrial node.

본 개시에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems to be achieved in the present disclosure are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be able

본 개시의 일 양상에 따른 지상 노드가 공중 노드의 위치를 추적하는 방법은, 상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 공간 각도의 후보들의 집합을 설정하는 단계; 상기 공간 각도의 후보들에 속하지 않은 업데이트된 공간 각도에 대해서, 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값을 도출하는 단계; 상기 공간 각도의 업데이트 및 상기 수신 신호 크기의 예측값의 도출을 반복하여 최적의 공간 각도를 결정하는 단계; 및 상기 최적의 공간 각도에 기초하여 상기 공중 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.A method for a ground node to track a location of an aerial node according to an aspect of the present disclosure includes the steps of: setting a set of spatial angle candidates based on flight sensor data of the aerial node; deriving a predicted value of a received signal magnitude to which reception beamforming is applied with respect to an updated spatial angle that does not belong to the spatial angle candidates; determining an optimal spatial angle by repeating the update of the spatial angle and the derivation of the predicted value of the received signal magnitude; and determining the position of the aerial node based on the optimal spatial angle.

본 개시의 추가적인 양상에 따른 공중 노드가 신호를 전송하는 방법은, 상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 및 상기 송신 빔포밍 벡터에 기초하여 지상 노드로 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다. A method for an aerial node to transmit a signal according to a further aspect of the present disclosure includes: determining a transmission beamforming vector based on flight sensor data of the aerial node; and transmitting a signal to a terrestrial node based on the transmit beamforming vector.

본 개시에 대하여 위에서 간략하게 요약된 특징들은 후술하는 본 개시의 상세한 설명의 예시적인 양상일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다. The features briefly summarized above with respect to the present disclosure are merely exemplary aspects of the detailed description of the present disclosure that follows, and do not limit the scope of the present disclosure.

본 개시에 따르면, 무선 통신 시스템과 항공 시스템의 특성을 고려한 통합 빔 추적 방법 및 장치가 제공될 수 있다.According to the present disclosure, an integrated beam tracking method and apparatus in consideration of characteristics of a wireless communication system and an aviation system may be provided.

본 개시에 따르면, 공중 노드가 송신 빔포밍을 지상 노드로부터의 피드백 없이 효율적으로 결정하는 방법 및 장치가 제공될 수 있다.According to the present disclosure, a method and apparatus for a public node to efficiently determine transmit beamforming without feedback from a terrestrial node may be provided.

본 개시에 따르면, 지상 노드가 채널 추정 과정에서의 수신 빔포밍의 오버헤드를 감소하면서도 동적으로 공중 노드의 위치를 추적하는 방법 및 장치가 제공될 수 있다.According to the present disclosure, a method and apparatus for a terrestrial node to dynamically track a location of an aerial node while reducing the overhead of reception beamforming in a channel estimation process can be provided.

본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects obtainable in the present disclosure are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present disclosure belongs from the description below. will be.

도 1은 본 개시가 적용될 수 있는 시스템 모델 구조도이다.
도 2는 본 개시에 따른 공간 각도를 설명하기 위한 xy 평면 투영도이다.
도 3은 본 개시에 따른 비행 센서 데이터 및 통신 신호의 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시가 적용될 수 있는 빔 공간 채널의 예시를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시에 따른 공중 노드 추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 개시에 따른 지상 노드 장치 및 공중 노드 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 개시에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
1 is a system model structural diagram to which the present disclosure can be applied.
2 is an xy plane projection for explaining a spatial angle according to the present disclosure.
3 is a view for explaining the timing of flight sensor data and communication signals according to the present disclosure.
4 is a diagram for explaining an example of a beam space channel to which the present disclosure can be applied.
5 is a flowchart illustrating a method for tracking a public node according to the present disclosure.
6 is a diagram illustrating the configuration of a ground node device and an air node device according to the present disclosure.
7 and 8 are diagrams illustrating simulation results according to the present disclosure.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art to which the present disclosure pertains can easily implement them. However, the present disclosure may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

본 개시의 실시예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 개시에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙인다. In describing the embodiments of the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a well-known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, a detailed description thereof will be omitted. And, in the drawings, parts not related to the description of the present disclosure are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts.

본 개시에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계 뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In the present disclosure, when a component is "connected", "coupled" or "connected" to another component, it is not only a direct connection relationship, but also an indirect connection relationship in which another component exists in the middle. may also include. Also, when it is said that a component includes "includes" or "has" another component, it means that another component may be further included without excluding other components unless otherwise stated. .

본 개시에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들 간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 개시의 범위 내에서 일 실시예에서의 제1 구성요소는 다른 실시예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 일 실시예에서의 제2 구성요소를 다른 실시예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다. In the present disclosure, terms such as first, second, etc. are used only for the purpose of distinguishing one component from other components, and unless otherwise specified, do not limit the order or importance between the components. Accordingly, within the scope of the present disclosure, a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment, and similarly, a second component in one embodiment is referred to as a first component in another embodiment. may also be called

본 개시에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위한 것이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다. In the present disclosure, components distinct from each other are for clearly describing respective characteristics, and do not necessarily mean that the components are separated. That is, a plurality of components may be integrated to form one hardware or software unit, or one component may be distributed to form a plurality of hardware or software units. Accordingly, even if not specifically mentioned, such integrated or dispersed embodiments are also included in the scope of the present disclosure.

본 개시에 있어서, 다양한 실시예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시예도 본 개시의 범위에 포함된다. In the present disclosure, components described in various embodiments do not necessarily mean essential components, and some may be optional components. Accordingly, an embodiment composed of a subset of components described in one embodiment is also included in the scope of the present disclosure. In addition, embodiments including other components in addition to components described in various embodiments are also included in the scope of the present disclosure.

본 개시는 무선 통신 시스템에서 네트워크 노드들 간의 통신에 대한 것이다. 네트워크 노드는, 기지국, 단말 또는 릴레이(relay) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 기지국(Base Station, BS)이라는 용어는, 고정국(fixed station), Node B, eNodeB(eNB), ng-eNB, gNodeB(gNB), 액세스 포인트(Access Point, AP) 등의 용어로 대체될 수 있다. 단말(terminal)은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), 비-AP 스테이션(non-AP STA) 등의 용어로 대체될 수 있다. The present disclosure relates to communication between network nodes in a wireless communication system. The network node may include one or more of a base station, a terminal, or a relay. The term base station (BS) may be replaced with terms such as fixed station, Node B, eNodeB (eNB), ng-eNB, gNodeB (gNB), and access point (AP). . A terminal may be replaced with terms such as User Equipment (UE), Mobile Station (MS), Mobile Subscriber Station (MSS), Subscriber Station (SS), and non-AP station (non-AP STA).

무선 통신 시스템은 기지국과 단말 간의 통신을 지원할 수도 있고, 단말간 통신을 지원할 수도 있다. 기지국과 단말 간의 통신에 있어서, 하향링크(Downlink, DL)는 기지국으로부터 단말로의 통신을 의미한다. 상향링크(Uplink, UL)은 단말로부터 기지국으로의 통신을 의미한다. 단말간 통신은 D2D(Device-to-Device), V2X(Vehicle-to-everything), ProSe(Proximity Service), 사이드링크(sidelink) 통신 등의 다양한 통신 방식 또는 서비스를 포함할 수 있다. 단말간 통신에 있어서 단말은 센서 노드, 차량, 재난 경보기 등의 형태로 구현될 수도 있다.A wireless communication system may support communication between a base station and a terminal or may support communication between terminals. In communication between the base station and the terminal, a downlink (DL) means communication from the base station to the terminal. Uplink (UL) means communication from the terminal to the base station. Inter-terminal communication may include various communication methods or services such as Device-to-Device (D2D), Vehicle-to-everything (V2X), Proximity Service (ProSe), and sidelink communication. In the communication between terminals, the terminal may be implemented in the form of a sensor node, a vehicle, a disaster warning device, or the like.

또한, 본 개시의 예시들은 릴레이(relay) 또는 릴레이 노드(RN)을 포함하는 무선 통신 시스템에 대해서 적용될 수 있다. 기지국과 단말 간의 통신에 릴레이가 적용되는 경우, 릴레이는 단말에 대해서 기지국으로서 기능할 수 있고, 릴레이는 기지국에 대해서 단말로서 기능할 수 있다. 한편, 단말간 통신에 릴레이가 적용되는 경우, 릴레이는 각각의 단말에 대해서 기지국으로서 기능할 수 있다. In addition, examples of the present disclosure may be applied to a wireless communication system including a relay or a relay node (RN). When a relay is applied to communication between a base station and a terminal, the relay may function as a base station for the terminal, and the relay may function as a terminal for the base station. Meanwhile, when a relay is applied to communication between terminals, the relay may function as a base station for each terminal.

본 개시는 무선 통신 시스템의 다양한 다중 액세스 방식에 적용될 수 있다. 예를 들어, 다중 액세스 방식은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA, NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 개시가 적용될 수 있는 무선 통신 시스템은, 상향링크 및 하향링크 통신이 서로 구별되는 시간 자원을 이용하는 TDD(Time Division Duplex) 방식을 지원할 수도 있고, 서로 구별되는 주파수 자원을 이용하는 FDD(Frequency Division Duplex) 방식을 지원할 수도 있다.The present disclosure may be applied to various multiple access schemes of a wireless communication system. For example, multiple access schemes include Code Division Multiple Access (CDMA), Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), and Single Carrier-FDMA (SC-FDMA). , OFDM-FDMA, OFDM-TDMA, OFDM-CDMA, Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), and the like. In addition, a wireless communication system to which the present disclosure may be applied may support a Time Division Duplex (TDD) scheme in which uplink and downlink communications use time resources that are distinguished from each other, and Frequency Division (FDD) uses distinct frequency resources. Duplex) method may be supported.

본 개시에서, 채널을 전송 또는 수신한다는 것은 해당 채널을 통해서 정보 또는 신호를 전송 또는 수신한다는 의미를 포함한다. 예를 들어, 제어 채널을 전송한다는 것은, 제어 채널을 통해서 제어 정보 또는 신호를 전송한다는 것을 의미한다. 유사하게, 데이터 채널을 전송한다는 것은, 데이터 채널을 통해서 데이터 정보 또는 신호를 전송한다는 것을 의미한다.In the present disclosure, transmitting or receiving a channel includes the meaning of transmitting or receiving information or a signal through a corresponding channel. For example, transmitting the control channel means transmitting control information or a signal through the control channel. Similarly, to transmit a data channel means to transmit data information or a signal over the data channel.

이하에서는, 본 개시에 따른 공중 노드 추적 방안에 대해서 설명한다. Hereinafter, a method for tracking a public node according to the present disclosure will be described.

본 개시에서 공중 노드 추적이란, 공중 노드의 송신 빔의 방향(또는 송신 빔포밍)을 결정 또는 예측하는 것, 공중 노드의 송신 빔에 대응하는 지상 노드의 수신 빔의 방향(또는 수신 빔포밍)을 결정 또는 예측하는 것, 공간 상에서 공중 노드의 위치를 결정 또는 예측하는 것 등을 포함할 수 있다.In the present disclosure, aerial node tracking refers to determining or predicting the direction (or transmission beamforming) of the transmission beam of the aerial node, and determining the direction (or reception beamforming) of the reception beam of the ground node corresponding to the transmission beam of the aerial node. determining or predicting, determining or predicting the location of an aerial node in space, and the like.

공중 노드 추적을 위해서 무선 통신 시스템의 빔포밍 기반 방법이 활용될 수 있다. 예를 들어, 셀룰러 통신 시스템 또는 무선 LAN(Local Area Network) 통신 시스템에서, 빔 관리 또는 DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬 기반의 빔 트레이닝 방법 등이 이동체 추적을 위해서 활용될 수 있다. For aerial node tracking, a beamforming-based method of a wireless communication system may be utilized. For example, in a cellular communication system or a wireless local area network (LAN) communication system, a beam management method or a beam training method based on a Discrete Fourier Transform (DFT) matrix may be utilized for tracking a moving object.

본 개시에 따르면, 항공 시스템에서 사용되는 항공 센서 데이터(예를 들어, GPS 위치 데이터나 INS(Inertia Navigation System) 자세 데이터 등)를, 통신 시스템에서의 기존 빔포밍 기반 방법과 결합하여 활용함으로써, 공중 노드 추적의 정확성을 높일 수 있다.According to the present disclosure, by utilizing aerial sensor data (eg, GPS location data or INS (Inertia Navigation System) attitude data, etc.) used in an aviation system in combination with an existing beamforming-based method in a communication system, the aerial It can improve the accuracy of node tracking.

또한, 실제로 빔포밍을 수행하여 신호를 측정함으로써 최적의 빔 방향을 결정하기 보다, 가우시안 프로세스 회귀 (Gaussian Process Regression, GPR) 기법을 활용함으로써, 빔포밍 신호를 측정하지 않고도 채널을 예측할 수 있다.In addition, rather than determining an optimal beam direction by actually performing beamforming and measuring a signal, a channel can be predicted without measuring a beamforming signal by using a Gaussian Process Regression (GPR) technique.

즉, 본 개시에 따르면 항공 센서 데이터와 빔포밍 정보를 통합 활용하고, GPR 기법을 적용함으로써, 보다 정확하고 신속하게 공중 노드 추적을 수행할 수 있다.That is, according to the present disclosure, aerial node tracking can be performed more accurately and quickly by integrating and utilizing aerial sensor data and beamforming information and applying the GPR technique.

구체적으로, 본 개시의 실시예들에 따르면, 항공 센서 데이터 및 빔포밍 정보를 통합 활용하는 시스템 및 그 동작 방법을 새롭게 정의함으로써, 기존의 통신 단일 시스템 또는 기존의 항공 단일 시스템을 활용한 위치 추적의 단점을 상호 보완하며, 공중 노드를 효율적이며 정확하게 추적할 수 있다.Specifically, according to the embodiments of the present disclosure, by newly defining a system that integrates and utilizes aerial sensor data and beamforming information and an operation method thereof, position tracking using an existing single communication system or an existing single aviation system Compensating for the shortcomings, it is possible to track air nodes efficiently and accurately.

또한, 무선 통신 시스템에 항공 센서 데이터들을 활용하는 방법론을 제시하는 연구들은 있지만, 항공 시스템과 무선 통신 시스템의 신호들의 특성을 고려한 통합 시스템에 대한 빔 추적 방안은 구체적으로 마련되어 있지 않다.In addition, there are studies that suggest a methodology for using aerial sensor data in a wireless communication system, but a beam tracking method for an integrated system in consideration of the characteristics of the aerial system and the signals of the wireless communication system is not specifically prepared.

기존 항공 시스템에서는 비행 센서 데이터들의 값을 활용하여 공중 노드를 추적하는데, 이를 위하여 주로 사용되는 GPS 및/또는 INS 정보는 제공되는 주기가 길고 비교적 큰 오차를 가지고 있다. 이를 보완하기 위해서, GPS 및 INS 정보가 없거나 또는 GPS 및 INS 정보가 있더라도, 공중 노드 기반 통신 시스템에서 빔포밍 정보를 활용함으로써, 동적이면서 지속적으로 공중 노드 또는 빔을 정확하게 추적할 수 있다.In the existing aviation system, aerial nodes are tracked by using the values of flight sensor data. For this purpose, GPS and/or INS information mainly used has a long period of provision and a relatively large error. To compensate for this, even if there is no GPS and INS information or even if there is GPS and INS information, by utilizing beamforming information in an aerial node-based communication system, it is possible to accurately and continuously track aerial nodes or beams.

구체적으로, 항공 시스템과 무선 통신 시스템을 결합하려면, 비행 제어 신호와 통신 신호의 주기를 고려해야 한다. GPS 신호 주기는 일반적으로 통신 신호보다 길기 때문에, GPS 신호 부재 시에 따른 대응이 요구된다. 비행 센서 데이터에 포함되는 GPS 및 IMU(Inertia Measurement Unit) 신호는 더 낮은 복잡성으로 위치 및 채널 추정을 지원할 수 있다. 그러나 GPS에는 약 5 내지 15m 정도의 큰 측정 오차가 있어 정확한 빔 정렬에 적합하지 않으므로 수정 방법이 필요하다. 공중 노드 기반 통신에서는 높은 안테나 게인을 확보할 수 있는 방향성 빔포밍이 전제 조건이기 때문에, 보정을 위해 빔포밍 신호를 활용하는 것을 고려할 수 있다.Specifically, in order to combine the aviation system and the wireless communication system, the period of the flight control signal and the communication signal must be considered. Since the GPS signal period is generally longer than the communication signal, a response is required in the absence of a GPS signal. GPS and Inertia Measurement Unit (IMU) signals included in flight sensor data can support position and channel estimation with lower complexity. However, since GPS has a large measurement error of about 5 to 15 m, it is not suitable for accurate beam alignment, so a correction method is required. Since directional beamforming capable of securing high antenna gain is a prerequisite in public node-based communication, it may be considered to utilize a beamforming signal for correction.

이하에서는 본 개시의 다양한 실시예들에 대해서 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described.

실제 공중 노드 기반 통신 시스템을 구축하려면, 지상 노드가 타겟(즉, 공중 노드)에 대해 빔포밍을 하여 신호 송수신을 지속적으로 유지할 수 있게 해야 한다. 움직이는 공중 노드를 지원하기 위해서는 지상 노드에서 타겟을 계속 추적하면서 빔을 정렬시켜야 한다. 빔 정렬은 공중 노드의 송신 빔포밍에 최적으로 대응하는 지상 노드의 수신 빔포밍을 결정하는 것을 의미한다. In order to build an actual air node-based communication system, a ground node should be able to continuously maintain signal transmission/reception by beamforming to a target (ie, air node). To support a moving aerial node, the ground node must align the beam while continuing to track the target. Beam alignment means determining the reception beamforming of the terrestrial node which optimally corresponds to the transmission beamforming of the aerial node.

도 1은 본 개시가 적용될 수 있는 시스템 모델 구조도이다. 1 is a system model structural diagram to which the present disclosure can be applied.

지상 노드는 공중 노드의 위치 정보(예를 들어, GPS 정보 등)를 수신할 수 있다. 지상 노드는 공중 노드의 위치 정보를 공중 노드로부터 직접 수신할 수도 있고, 또는 비행 관제 시스템(예를 들어, GPS 중계기)을 통하여 수신할 수도 있다.The ground node may receive location information (eg, GPS information, etc.) of the air node. The ground node may receive the location information of the air node directly from the air node, or may receive it through a flight control system (eg, a GPS repeater).

지상 노드는 수신 빔포밍을 통하여 공중 노드로부터 수신된 신호로부터 유효 채널을 추정할 수 있다. 공중 노드는 지상 노드로부터의 무선 통신 시스템 상의 피드백(예를 들어, 프리코딩 행렬 지시자(PMI)를 포함하는 채널 상태 정보(CSI) 등) 없이 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍을 결정할 수 있다. 예를 들어, 공중 노드는 비행 센서 데이터에 포함되는 자세 정보 및 위치 정보를 이용하여 프리코딩 벡터(또는 빔포밍 벡터)를 결정하고, 이에 기초하여 빔포밍된 신호를 지상 노드로 전송할 수 있다. 공중 노드가 활용하는 비행 센서 데이터는, 공중 노드가 자체적으로 보유한 장비(예를 들어, EGI(Embedded GPS/INS)로부터 획득될 수도 있고, 외부의 비행 관제 시스템으로부터 공중 노드가 획득할 수도 있다.A terrestrial node may estimate an effective channel from a signal received from an air node through reception beamforming. An air node may determine transmit beamforming based on flight sensor data without feedback on the wireless communication system from the ground node (eg, channel state information (CSI) including precoding matrix indicator (PMI), etc.). For example, the aerial node may determine a precoding vector (or a beamforming vector) using the attitude information and position information included in the flight sensor data, and transmit a beamformed signal to the ground node based on this. The flight sensor data utilized by the aerial node may be obtained from equipment (eg, Embedded GPS/INS (EGI)) owned by the aerial node, or may be obtained by the aerial node from an external flight control system.

지상 노드는 Nx*Ny 개의 안테나 요소들을 포함하는 평면 어레이(array) 안테나(UPA)를 구비한 것으로 가정한다. 지상 노드는 반드시 특정 위치에 고정될 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 이동가능한 기지국 또는 중계기일 수도 있다. 이동가능한 지상 노드인 경우, 지상 노드의 위치에 대한 정보가 공중 노드에게 제공될 수도 있다. 공중 노드는 NU개의 안테나 요소들을 포함하는 선형 어레이 안테나(ULA)를 구비한 것으로 가정한다. 지상 노드가 공중 노드를 추적하는 상황을 가정한다.Assume that the terrestrial node has a planar array antenna (UPA) comprising N x *Ny antenna elements. The terrestrial node may be fixed at a specific location, but is not limited thereto, and may be a mobile base station or a repeater. In the case of a mobile terrestrial node, information on the location of the terrestrial node may be provided to the public node. Assume that the aerial node is equipped with a linear array antenna (ULA) comprising N U antenna elements. Assume a situation in which a terrestrial node tracks an aerial node.

도 1에서 n-프레임(frame)은 측지(geodetic) 좌표 기반으로 기준점이 지상 노드의 안테나 어레이인 프레임이고, u-프레임은 기준점이 무인기의 무게 중심이고 n-프레임과 평행한 프레임이며, a-프레임은 기준점이 무인기의 무게 중심이고 u-프레임을 무인기의 선형 안테나 축 방향으로 회전시킨 프레임으로 정의된다. 1, n-frame is a frame in which the reference point is the antenna array of the ground node based on geodetic coordinates, and the u-frame is a frame in which the reference point is the center of gravity of the UAV and is parallel to the n-frame, a- The frame is defined as a frame in which the reference point is the center of gravity of the UAV and the u-frame is rotated in the direction of the UAV's linear antenna axis.

지상 노드는 n-프레임을 기준으로, 그 위치는 pG n = [0, 0, h] 이고, 안테나간 간격 d = λ/2 이다. 공중 노드의 중심 위치는 n-프레임을 기준으로 pU n = [x, y, hu]이다. Ground nodes are relative to n-frames, their positions are p G n = [0, 0, h], and the inter-antenna spacing d = λ/2. The central position of the air node is p U n relative to the n-frame. = [x, y, h u ].

도 2는 본 개시에 따른 공간 각도를 설명하기 위한 xy 평면 투영도이다.2 is an xy plane projection for explaining a spatial angle according to the present disclosure.

지상 노드와 공중 노드의 안테나 어레이(a-프레임) 사이의 공간 각도는, 수학식 1과 같이 공중 노드의 방향 각도와 자세로 표현될 수 있다.The spatial angle between the ground node and the antenna array (a-frame) of the aerial node may be expressed as the directional angle and the attitude of the aerial node as in Equation (1).

Figure 112021002637904-pat00001
Figure 112021002637904-pat00001

수학식 1에서 ua 는 무인기의 안테나 어레이에서의 출발 공간 각도에 해당할 수 있다. 또한, gx a 및 gy a 는 각각 a-프레임에서의 지상 노드의 (0, 0) 좌표에서 변환된 x, y 좌표에 해당한다. Φ는 지상 노드와 공중 노드 중심 사이의 각도이고, Φv 는 공중 노드의 방향(즉, 헤딩 방향 또는 속도 방향)에 대한 각도이고, α는 공중 노드의 자세(즉, 요(yaw)) 정보이다. In Equation 1, u a may correspond to a departure space angle in the antenna array of the UAV. In addition, g x a and g y a correspond to the x, y coordinates transformed from the (0, 0) coordinates of the ground node in the a-frame, respectively. Φ is the angle between the ground node and the center of the air node, Φ v is the angle with respect to the direction of the air node (i.e., heading direction or velocity direction), and α is the attitude (i.e. yaw) information of the air node .

지상 노드와 공중 노드 중심 사이의 공간 각도는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.The spatial angle between the ground node and the center of the air node may be expressed as Equation (2).

Figure 112021002637904-pat00002
Figure 112021002637904-pat00002

수학식 2에서 u 및 v는 무인기의 위치로 표현되는 공간 각도로서, 이는 후술하는 채널 모델의 주 성분이 된다. 또한, u 및 v는 방위각(Φ) 및 고도각(θ)으로 표현될 수도 있다.In Equation 2, u and v are spatial angles expressed by the location of the UAV, which are main components of a channel model to be described later. Also, u and v may be expressed as an azimuth angle (Φ) and an elevation angle (θ).

지상 노드와 무인기 사이의 채널은 가시선(Line of Sight, LoS) 경로로 표현될 수 있다. 예를 들어, k 번째 통신 블록(즉, 시간 단위)에서의 채널(즉, H(k))은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. A channel between the ground node and the UAV may be expressed as a Line of Sight (LoS) path. For example, a channel (ie, H(k)) in the k-th communication block (ie, time unit) may be expressed as in Equation 3.

Figure 112021002637904-pat00003
Figure 112021002637904-pat00003

수학식 3에서 μ(k) 는 k 번째 블록에서의 정규화된 채널 게인에 해당한다. In Equation 3, μ(k) corresponds to the normalized channel gain in the k-th block.

수학식 3에서 ag(u(k), v(k))는 지상 노드에서의 도착 각도에 따른 안테나 어레이 반응 벡터이다. 안테나 어레이 반응 벡터(response vector)는 해당 안테나 어레이의 특성을 나타내는 벡터를 의미한다. In Equation 3, a g (u(k), v(k)) is an antenna array response vector according to an angle of arrival at a ground node. An antenna array response vector refers to a vector indicating characteristics of a corresponding antenna array.

수학식 3에서 ag(u(k), v(k))는 수학식 4와 같이 x축 방향으로의 안테나 어레이 반응 벡터인 ax(u(k)), 및 y 축 방향으로의 안테나 어레이 반응 벡터인 ay(v(k))로 표현될 수 있다. 수학식 4에서

Figure 112021002637904-pat00004
는 크로네커 곱을 의미한다.In Equation 3, a g (u(k), v(k)) is a x (u(k)), which is an antenna array response vector in the x-axis direction, and the antenna array in the y-axis direction, as shown in Equation 4 It can be expressed as a response vector a y (v(k)). in Equation 4
Figure 112021002637904-pat00004
is the Kronecker product.

Figure 112021002637904-pat00005
Figure 112021002637904-pat00005

수학식 3에서 au(ua(k))는 공중 노드에서의 출발 각도에 따른 안테나 어레이 반응 벡터이며, 수학식 5와 같이 표현된다. 수학식 3에서 au H(ua(k))는 au(ua(k))의 에르미트 행렬(Hermitian matrix)에 해당한다.In Equation 3, a u (u a (k)) is an antenna array response vector according to a departure angle from an aerial node, and is expressed as Equation 5. In Equation 3, a u H (u a (k)) corresponds to the Hermitian matrix of a u (u a (k)).

Figure 112021002637904-pat00006
Figure 112021002637904-pat00006

도 3은 본 개시에 따른 비행 센서 데이터 및 통신 신호의 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the timing of flight sensor data and communication signals according to the present disclosure.

도 3의 예시에서는 비행 센서 데이터, 및 통신 신호의 송수신 타이밍을 나타낸다. In the example of FIG. 3, flight sensor data, and transmission/reception timing of a communication signal are shown.

비행 센서 데이터는 INS 신호 및 GPS 신호를 포함할 수 있다. INS 신호 및/또는 GPS 신호는 공중 노드 자체적으로 생성하여 지상 노드로 전송될 수도 있고, 공중 노드가 외부 비행 관제 시스템으로부터 획득하여 지상 노드로 전송될 수도 있고, 외부 비행 관제 시스템으로부터 지상 노드로 전송될 수도 있다. 또는, 공중 노드는 INS 정보는 기지국에게 제공하지 않고 송신 빔포밍을 결정하기 위해서 자체적으로 활용할 수도 있다.Flight sensor data may include INS signals and GPS signals. The INS signal and/or GPS signal may be generated by the air node itself and transmitted to the ground node, the air node may obtain from an external flight control system and transmitted to the ground node, or the air node may be transmitted to the ground node from the external flight control system. may be Alternatively, the public node may utilize itself to determine transmit beamforming without providing the INS information to the base station.

통신 신호는 동기화 신호(synchronization signal, SS) 및 데이터 전송을 포함할 수 있다. 동기화 신호는 공중 노드로부터 지상 노드로 전송되는 파일럿 신호(또는 참조 신호(reference signal))를 포함할 수 있으며, 공중 노드에서 결정한 빔포밍 벡터가 적용된 빔포밍 신호로서 전송될 수 있다. 또한, 하나의 동기화 신호 버스트(SS burst) 내에 하나 이상의 동기화 신호 블록(SSB)이 포함될 수 있으며, SS 버스트는 소정의 주기(Tp)로 반복적으로 송신될 수 있다. 데이터 전송은 공중 노드와 지상 노드가 상향링크 및/또는 하향링크를 통하여 교환하는 페이로드 데이터를 포함할 수 있다. The communication signal may include a synchronization signal (SS) and data transmission. The synchronization signal may include a pilot signal (or reference signal) transmitted from the air node to the ground node, and may be transmitted as a beamforming signal to which a beamforming vector determined by the air node is applied. In addition, one or more synchronization signal blocks (SSB) may be included in one synchronization signal burst (SS burst), and the SS burst may be repeatedly transmitted at a predetermined period (T p ). Data transmission may include payload data exchanged between the public node and the land node through uplink and/or downlink.

일반적으로 비행 센서 데이터의 신호 주기는 통신 신호의 주기보다 길다. 예를 들어, GPS 신호의 주기(TGPS)는 약 50 내지 100ms 이고, INS 신호의 주기(TINS)는 약 20ms이다. SS 버스트의 주기(Tp)는 (예를 들어, 5G NR 시스템을 가정하면) 약 0.3 내지 40ms일 수 있으나, 본 예시에서는 약 10ms 정도의 주기를 가지는 것으로 가정한다.In general, the signal period of the flight sensor data is longer than the period of the communication signal. For example, the period (T GPS ) of the GPS signal is about 50 to 100 ms, and the period (T INS ) of the INS signal is about 20 ms. The period (T p ) of the SS burst may be about 0.3 to 40 ms (eg, assuming a 5G NR system), but in this example, it is assumed to have a period of about 10 ms.

지상 노드는 공중 노드의 위치 정보인 GPS 값을 (공중 노드로부터 또는 GPS 중계기로부터) TGPS 마다 수신할 수 있다. 이 때, GPS 값은 독립적으로 활용되는 경우에 약 5 내지 15m의 오차를 가지고, 다른 센서 데이터들을 통해 보정 과정을 거치면 약 2 내지 5m의 오차를 가질 수 있다. The ground node may receive the GPS value, which is the location information of the aerial node, every T GPS (from the aerial node or from a GPS repeater). In this case, the GPS value may have an error of about 5 to 15 m when used independently, and an error of about 2 to 5 m when a correction process is performed through other sensor data.

지상 노드는 수신된 GPS 신호를 기반으로 수신 빔포밍을 위한 빔 후보들을 Tp 마다 설정할 수 있다. 공중 노드는 탑재된 EGI를 TINS 마다 자신의 위치 정보 및 위도 정보 등을 획득하여, 송신 빔포밍을 위한 프리코딩 벡터를 결정할 수 있다. The terrestrial node may set beam candidates for reception beamforming every T p based on the received GPS signal. A public node may determine a precoding vector for transmission beamforming by acquiring its own location information and latitude information for each T INS of the mounted EGI.

지상 노드는 GPS 정보를 참고하여 수신 빔포밍 행렬을 결정하고, Tp 마다 통신 신호(예를 들어, 동기화 신호)를 활용해서 공중 노드를 추적할 수 있다. 이에 따라, GPS 신호가 없는 구간에서도 지상 노드는 지속적으로 정확하게 공중 노드를 추적할 수 있다.The terrestrial node may determine a reception beamforming matrix by referring to GPS information and track the aerial node by using a communication signal (eg, a synchronization signal) every T p . Accordingly, even in a section without a GPS signal, a ground node can continuously and accurately track an air node.

즉, 지상 노드는 비행 센서 데이터가 존재하지 않거나, 이전에 수신된 비행 센서 데이터가 유효하지 않은 경우에도, 공중 노드로부터의 통신 신호에 기초하여 수신 빔포밍 행렬을 결정하고 채널을 추정할 수 있다. 물론, 지상 노드가 비행 센서 데이터를 이용하여 수신 빔포밍 행렬의 후보를 설정함으로써, 보다 효율적으로 수신 빔포밍 행렬 결정 및 채널 추정을 수행할 수 있다. That is, the ground node may determine the reception beamforming matrix and estimate the channel based on the communication signal from the aerial node, even if the flight sensor data does not exist or the previously received flight sensor data is invalid. Of course, since the ground node sets candidates for the reception beamforming matrix using flight sensor data, it is possible to more efficiently determine the reception beamforming matrix and perform channel estimation.

또한, 공중 노드는 비행 센서 데이터에 기초하여, 지상 노드로부터의 피드백(예를 들어, CSI) 없이도 송신 빔포밍 벡터(또는 프리코딩 행렬)을 결정할 수 있다. 물론, 공중 노드가 지상 노드로부터의 피드백을 받는 경우 보다 효율적으로 송신 빔포밍 벡터를 결정할 수 있으나, 본 실시예에서는 지상 노드로부터의 피드백 없이도 공중 노드가 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정할 수 있으며, 이에 따라 지상 노드로부터의 피드백을 위한 시스템 오버헤드를 감소하고 자원 활용도를 높일 수 있다.In addition, the aerial node may determine the transmit beamforming vector (or precoding matrix) without feedback (eg, CSI) from the ground node, based on the flight sensor data. Of course, when the aerial node receives feedback from the ground node, the transmission beamforming vector can be determined more efficiently, but in this embodiment, the aerial node determines the transmission beamforming vector based on the flight sensor data without feedback from the ground node. Therefore, it is possible to reduce system overhead for feedback from terrestrial nodes and increase resource utilization.

공중 노드가 한 통신 블록 동안 등속 운동을 한다고 가정하면, k 번째 통신 블록에서의 위치 및 속도에 기초한 k+1 번째 통신 블록에서의 공중 노드의 위치 변이는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.Assuming that the public node moves at a constant velocity during one communication block, the position shift of the public node in the k+1-th communication block based on the position and velocity in the k-th communication block can be expressed as Equation (6).

Figure 112021002637904-pat00007
Figure 112021002637904-pat00007

수학식 6에서 Tp는 통신 신호 블록의 주기에 해당하고, 공중 노드의 속도 vu 및 방향 각도 Φv는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.In Equation 6, Tp corresponds to the period of the communication signal block, and the velocity v u and the direction angle Φ v of the aerial node can be expressed as in Equation 7.

Figure 112021002637904-pat00008
Figure 112021002637904-pat00008

수학식 7에서 ρ는 상관계수에 해당하고, ∈v 는 속도에 대한 가우시안 잡음에 해당하고, ∈d 는 방향에 대한 가우시안 잡음에 해당한다.In Equation 7, ρ corresponds to a correlation coefficient, ∈v corresponds to Gaussian noise for velocity, and ∈d corresponds to Gaussian noise for direction.

지상 노드에서 공중 노드의 위치 예측은, 해당 시점에 GPS 신호가 있는 경우에 수학식 8과 같이 표현되고, 해당 시점에 GPS 신호가 없는 경우에 수학식 9와 같이 표현된다.The position prediction of the aerial node in the ground node is expressed as Equation 8 when there is a GPS signal at the corresponding time point, and is expressed as Equation 9 when there is no GPS signal at the corresponding time point.

Figure 112021002637904-pat00009
Figure 112021002637904-pat00009

Figure 112021002637904-pat00010
Figure 112021002637904-pat00010

본 개시에서 측정된 값은

Figure 112021002637904-pat00011
로 표현되고, 이에 기초하여 산출된 값은
Figure 112021002637904-pat00012
로 표현되며, 산출값 중에서 최종 추정값이 아닌 그 이전의 예측값은
Figure 112021002637904-pat00013
로 표현된다. 예를 들어,
Figure 112021002637904-pat00014
는 k 번째 시간 블록에서의 공중 노드의 위치에 대한 예측값을 나타내며, 후술하는 바와 같이 특정 조건을 만족하는 예측값이 최종 추정값이 될 수 있다.The values measured in the present disclosure are
Figure 112021002637904-pat00011
is expressed as, and the value calculated based on this is
Figure 112021002637904-pat00012
It is expressed as , and among the calculated values, the previous predicted value that is not the final estimate is
Figure 112021002637904-pat00013
is expressed as for example,
Figure 112021002637904-pat00014
denotes a predicted value for the position of a public node in the k-th time block, and as will be described later, a predicted value that satisfies a specific condition may be the final estimated value.

수학식 8 및 9에서 k는 통신 블록의 인덱스(또는 동기화 신호의 시간 단위)이고, m은 GPS 신호의 시간 인덱스(또는 GPS 신호의 시간 단위)해당한다. In Equations 8 and 9, k is an index of a communication block (or a time unit of a synchronization signal), and m corresponds to a time index of a GPS signal (or a time unit of a GPS signal).

즉, 지상 노드에서는 GPS 신호가 있을 때 GPS 측정값에 기초하여 공중 노드의 위치를 예측하고, GPS 신호 부재시에는 이전 프레임에서 추정한 위치에 속도 측정값을 더해주는 방식으로 공중 노드의 위치를 예측할 수 있다. That is, the ground node predicts the position of the aerial node based on the GPS measurement value when there is a GPS signal, and in the absence of a GPS signal, the position of the aerial node can be predicted by adding the velocity measurement value to the position estimated in the previous frame. .

공중 노드의 자세 데이터에 따라 안테나 어레이의 공간 각도가 달라지기 때문에, 자세 데이터를 아는 것이 중요하다. 탑재된 EGI를 통해 공중 노드는 안테나 어레이의 공간 각도를 구할 수 있다. 공중 노드가 일정한 고도를 비행하고, 선형 어레이가 탑재되었다고 가정할 때, 공간 각도에 영향을 주는 것은 헤딩 각도와 요(yaw) 자세이다. 헤딩 각도(Φv)와 yaw 자세를 이용해 얻은 a-프레임에서의 공간 각도는 수학식 10과 같이 표현된다.Since the spatial angle of the antenna array varies according to the attitude data of the aerial node, it is important to know the attitude data. Through the onboard EGI, the aerial node can obtain the spatial angle of the antenna array. Assuming that the aerial node flies at a constant altitude and a linear array is mounted, it is the heading angle and yaw posture that affect the spatial angle. The spatial angle in the a-frame obtained using the heading angle (Φ v ) and the yaw posture is expressed as Equation (10).

Figure 112021002637904-pat00015
Figure 112021002637904-pat00015

수학식 10에서

Figure 112021002637904-pat00016
는 INS로부터 획득된 yaw 값이고, INS/GPS 컨트롤러의 시간 단위는 (n)으로 표현된다. 선형 안테나 어레이를 가정하였으므로, 자세 데이터로서 yaw 값만을 고려한다.in Equation 10
Figure 112021002637904-pat00016
is the yaw value obtained from the INS, and the time unit of the INS/GPS controller is expressed as (n). Since a linear antenna array is assumed, only the yaw value is considered as attitude data.

공중 노드는 산출된 공간 각도의 방향으로 빔포밍을 할 수 있으며, 송신 빔포밍을 위한 프리코딩 벡터 f는 수학식 11과 같이 표현된다.The aerial node may perform beamforming in the direction of the calculated spatial angle, and the precoding vector f for transmission beamforming is expressed as Equation (11).

Figure 112021002637904-pat00017
Figure 112021002637904-pat00017

이와 같이, 비행 컨트롤러(또는 비행 센서)에서 측정된 값에 기초하여, 공중 노드는 지상 노드로부터의 피드백 없이 빔 정렬을 할 수 있다. 즉, 공중 노드는 하향링크 빔포밍(또는 송신 빔포밍)에 대한 지상 노드로부터의 피드백 과정 없이 프리코딩 벡터를 결정할 수 있다.As such, based on the values measured by the flight controller (or flight sensor), the aerial node can perform beam alignment without feedback from the ground node. That is, the air node may determine the precoding vector without a feedback process from the terrestrial node for downlink beamforming (or transmit beamforming).

지상 노드는 공중 노드로부터의 프리코딩된 유효 채널을 추정해야 한다. 지상 노드가 GPS 센서로부터 얻은 공간 각도는, 수학식 2와 유사하게, 아래의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.The terrestrial node must estimate the precoded effective channel from the air node. The spatial angle obtained by the terrestrial node from the GPS sensor may be expressed as Equation 12 below, similar to Equation 2 below.

Figure 112021002637904-pat00018
Figure 112021002637904-pat00018

수학식 12와 같이 산출된 공간 각도를 중심으로, 지상 노드는 수학식 13과 같은 각도 후보 집합 Ds를 설정할 수 있다.Based on the spatial angle calculated as shown in Equation 12, the ground node may set the angle candidate set D s as shown in Equation 13.

Figure 112021002637904-pat00019
Figure 112021002637904-pat00019

Ds 는 공중 노드의 예측된 위치를 기반으로 설정된 훈련 데이터 집합에 해당한다. 즉, Ds 는 GPS 측정값에 기초하여 산출된 공간 각도(즉, 수학식 12)의 주변 각도들의 집합이며, 그 범위는 2B로 설정될 수 있다. Δ는 코드북의 그리드 간격, 즉, 공간 각도 후보들의 간격에 해당하고, 2B는 안테나 어레이의 메인 로브 빔 폭에 해당할 수 있다. 이에 따라, 메인 로브의 빔 폭 부근의 각도들만 훈련 데이터에 포함될 수 있다. D s corresponds to the training data set established based on the predicted positions of aerial nodes. That is, D s is a set of peripheral angles of a spatial angle (ie, Equation 12) calculated based on a GPS measurement value, and the range may be set to 2B. Δ may correspond to the grid spacing of the codebook, that is, the spacing of spatial angle candidates, and 2B may correspond to the main lobe beam width of the antenna array. Accordingly, only angles near the beam width of the main lobe can be included in the training data.

가우시안 프로세스 회귀(GPR) 방법은 비 모수의 베이지안 예측 기법으로서, 사전 분포와 관측 값을 이용해서 사후 분포를 예측하여, 그 평균과 분산으로 추정 값과 추정 분산 값을 얻을 수 있다.The Gaussian process regression (GPR) method is a non-parametric Bayesian prediction technique that predicts the posterior distribution using the prior distribution and the observed value, and can obtain the estimated value and the estimated variance using the mean and variance.

본 개시에서는 공간 각도 그리드인 Ds 를 GPR의 입력으로 하고, 해당 각도로 빔포밍된 신호의 크기(즉, 수신 신호 크기)를 GPR의 출력으로 설정할 수 있다. 이에 따라, 실제로 수신 빔포밍을 수행하고 신호 크기를 측정하지 않고도, 즉, 실제 빔포밍 절차 없이도 빔포밍된 신호 크기를 예측하여, 최적의 수신 빔 각도를 결정함으로써 공중 노드를 추적할 수 있다.In the present disclosure, the spatial angle grid D s may be input to the GPR, and the magnitude of the beamformed signal at the corresponding angle (ie, the received signal magnitude) may be set as the output of the GPR. Accordingly, it is possible to track the aerial node by determining the optimal reception beam angle by predicting the beamformed signal size without actually performing reception beamforming and measuring the signal size, that is, without an actual beamforming procedure.

예를 들어, 입력 x = [u v]T 로 이루어진 집합 Ds 를 Xt라고 하고, 수신 빔포밍 행렬을 W라 하면, 수신 신호 yt는 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.For example, if a set D s composed of an input x = [uv] T is X t and a reception beamforming matrix is W, the reception signal y t may be expressed as in Equation 13.

Figure 112021002637904-pat00020
Figure 112021002637904-pat00020

수학식 14에서 ∈는 오차에 해당하고, s는 신호 성분에 해당하고, n은 잡음 성분에 해당한다.In Equation 14, ∈ corresponds to an error, s corresponds to a signal component, and n corresponds to a noise component.

가우시안 프로세스 회귀 기법을 사용하여, 입력 데이터의 공간 각도가 아닌 새로운 공간 각도에 대해 실제로 빔포밍을 하지 않고, 빔포밍한 신호 크기를 예측할 수 있다. 새 입력 x* 에 대한 출력 yt는 가우시안 분포로, 즉, 평균과 분산으로 예측이 가능하다. 즉, 기존의 훈련 데이터인 Xt의 상관 관계와 관측 값 yt를 이용하여, 새로운 입력인 x* = [u* v*]T 에 대한 빔포밍된 수신 신호의 크기 f* 를 예측할 수 있다. 예측된 수신 신호 크기 f* 는 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.Using the Gaussian process regression technique, it is possible to predict the size of a beamformed signal without actually performing beamforming for a new spatial angle other than the spatial angle of the input data. The output y t for the new input x * can be predicted as a Gaussian distribution, that is, the mean and variance. That is, the size f * of the beamformed reception signal for the new input x * = [u * v * ] T can be predicted by using the correlation of X t , which is the existing training data, and the observed value y t . The predicted received signal magnitude f * may be expressed as in Equation (15).

Figure 112021002637904-pat00021
Figure 112021002637904-pat00021

수학식 15에서 랜덤 변수 f* 의 평균은

Figure 112021002637904-pat00022
로 표현된다. In Equation 15, the average of the random variable f * is
Figure 112021002637904-pat00022
is expressed as

예측된 수신 신호 크기(f*)의 평균(E)은, 기존의 훈련 데이터로 이루어진 커널 행렬 K(Xt,Xt), 기존의 훈련 데이터와 새로운 입력 간의 커널 상관 행렬 K(x*,Xt), 및 측정값 yt에 기초하여 산출될 수 있다. 또한, 공분산(cov)은, 기존의 훈련 데이터로 이루어진 커널 행렬 K(Xt,Xt), 기존의 훈련 데이터와 새로운 입력 간의 커널 상관 행렬 K(x*,Xt), 새로운 입력값들로 이루어진 커널 행렬 K(x*,x*), 새로운 입력과 기존의 훈련 데이터 간의 커널 상관 행렬 K(Xt,x*), 및 측정값에 기초하여 산출될 수 있다. 이를 정리하면 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.The average (E) of the predicted received signal magnitude (f * ) is the kernel matrix K(X t ,X t ) consisting of the existing training data, and the kernel correlation matrix K(x * ,X) between the existing training data and the new input. t ), and the measured value y t . In addition, the covariance (cov) is a kernel matrix K(X t ,X t ) consisting of the existing training data, a kernel correlation matrix K(x * ,X t ) between the existing training data and the new input, and the new input values. It may be calculated based on the formed kernel matrix K(x * ,x * ), the kernel correlation matrix K(X t ,x * ) between the new input and the existing training data, and the measured value. Summarizing this, it can be expressed as Equation 16.

Figure 112021002637904-pat00023
Figure 112021002637904-pat00023

수학식 16에서 σs 2는 신호에 대한 분산이며 가우시안 함수의 폭에 해당할 수 있다. I는 단위행렬을 나타낸다. 또한, k(x,x')는 x와 x' 사이의 상관관계를 나타내는 스칼라 값에 해당한다. In Equation 16, σ s 2 is the variance for the signal and may correspond to the width of the Gaussian function. I represents the identity matrix. Also, k(x,x') corresponds to a scalar value indicating a correlation between x and x'.

도 4는 본 개시가 적용될 수 있는 빔 공간 채널의 예시를 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining an example of a beam space channel to which the present disclosure can be applied.

도 4(a)는 u, v에 대한 실제 빔 공간 채널의 예시를 나타낸다. 빔 공간 채널 모델에서 공간 각도 파라미터 u, v의 위치에서 극 값을 가질 수 있다. 즉, 도시된 예시에서 극 값 부분에 해당하는 각도가 채널 파라미터 u, v에 해당할 수 있다. Fig. 4(a) shows an example of an actual beam space channel for u and v. In the beam spatial channel model, the spatial angle parameters u and v may have extreme values at positions. That is, in the illustrated example, the angle corresponding to the extreme value part may correspond to the channel parameters u and v.

도 4(b)에서는 훈련 데이터 집합인 Ds 및 새로운 입력값 x* 에 기초하여 예측되는 공간 각도 파라미터를 예시적으로 나타낸다.4( b ) exemplarily shows spatial angle parameters predicted based on a training data set D s and a new input value x * .

코드북 빔포밍으로 얻은 출력 값을 가지고 있는 경우, 가우시안 프로세스 회귀(GPR)을 통하여 코드북 외의 각도에 대한 출력을 예측할 수 있다. 예측 값을 통하여 채널 정보인 극 값의 위치를 찾을 수 있다. 이를 위해서, 경사 하강법(gradient descent) 등의 기법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 새로운 입력값 x* 에 대한 예측 평균 값의 미분 값을 이용하여 극 값에 도달할 수 있다.In the case of having an output value obtained by codebook beamforming, an output for an angle other than the codebook can be predicted through Gaussian process regression (GPR). The position of the extreme value, which is channel information, can be found through the predicted value. To this end, a technique such as gradient descent may be applied. For example, the extreme value can be reached using the derivative of the predicted mean value for the new input x * .

이하에서는, 하이브리드 빔포밍 구조와 아날로그 빔포밍 구조에서 각각 공간 각도 파라미터 u, v를 가우시안 프로세스 회귀 기법을 사용해서 도출하는 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method of deriving spatial angle parameters u and v in a hybrid beamforming structure and an analog beamforming structure using a Gaussian process regression method will be described.

하이브리드 빔포밍 구조에서의 채널 추정을 위해서, 가우시안 프로세스 회귀의 입력으로 초기 훈련 데이터 Xt를 선택한다. 또한, 상기 수학식 13에서의 간격 Δ는, 수학식 17과 같이, 위상 변화기의 양자화 비트인 l로 표현된다.For channel estimation in the hybrid beamforming structure, we select the initial training data X t as the input of the Gaussian process regression. In addition, the interval Δ in Equation (13) is expressed by l, which is a quantization bit of the phase changer, as in Equation (17).

Figure 112021002637904-pat00024
Figure 112021002637904-pat00024

코드북 범위인 B는 메인 로브의 널-투-널(null-to-null) 빔 폭인 2/Nx 또는 2/Ny 값을 가질 수 있다 (또는, Nx = Ny 일 수 있음). 즉, 빔 공간 채널의 극점 주변의 공간 각도들로 수신 빔포밍 행렬 W를 설정한다. 설정된 수신 빔포밍 행렬 W를 통해 얻은 빔포밍된 수신 신호의 크기는 상기 수학식 14와 같이 표현된다.The codebook range B may have a value of 2/N x or 2/N y , which is the null-to-null beamwidth of the main lobe (or N x = N y ). That is, the reception beamforming matrix W is set with spatial angles around the poles of the beam spatial channel. The magnitude of the beamformed reception signal obtained through the set reception beamforming matrix W is expressed by Equation 14 above.

새로운 입력 값인 x*에 대해 예측된 수신 신호 크기의 평균에 대한 미분은 수학식 18과 같이 표현될 수 있다.The differentiation with respect to the average of the magnitude of the received signal predicted with respect to the new input value x * may be expressed as Equation (18).

Figure 112021002637904-pat00025
Figure 112021002637904-pat00025

수학식 18과 같은 미분 값에 기초하여 공간 각도의 극 값에 도달할 수 있다. 빔 공간 채널은 메인 로브 구간에서는 단봉형이기 때문에, 전역 최적값(global optimum) 근방의 공간 각도들에서 경사 하강(gradient descent) 기법을 적용한다면, 국부 최적값(local optima)을 최종적인 최적값으로 결정하는 오류에 빠질 위험은 없다.The extreme value of the spatial angle may be reached based on the differential value as in Equation (18). Since the beam spatial channel is unimodal in the main lobe section, if the gradient descent technique is applied at spatial angles near the global optimum, the local optima becomes the final optimum. There is no risk of falling into a decision error.

빔포밍 행렬에 적용될 공간 각도는 수학식 19와 같이 업데이트 될 수 있다.The spatial angle to be applied to the beamforming matrix may be updated as in Equation (19).

Figure 112021002637904-pat00026
Figure 112021002637904-pat00026

수학식 19에서 η는 업데이트 간격 크기이고, i는 반복 차수의 인덱스이다. 공간 각도를 달리하며 업데이트하고, 업데이트된 공간 각도에 기초한 빔포밍을 수행하여 실제 측정된 값을 수학식 20과 같이 훈련 데이터에 포함시킬 수 있다. 이에 따라, 새로운 공간 각도에 대한 채널 함수 값을 예측할 수 있다.In Equation 19, η is the update interval size, and i is the index of the iteration order. By changing and updating the spatial angle and performing beamforming based on the updated spatial angle, the actually measured value may be included in the training data as shown in Equation (20). Accordingly, a channel function value for a new spatial angle can be predicted.

Figure 112021002637904-pat00027
Figure 112021002637904-pat00027

이러한 과정은 출력 함수 값이 수렴할 때까지 진행된다. This process proceeds until the output function value converges.

아날로그 빔포밍 구조에서의 채널 추정에 있어서, 아날로그 위상 변이기는 위상 해상도에 따라 양자화된 위상 값을 사용하기 때문에, 업데이트 된 공간 각도에 대해 빔포밍을 수행하고 실제 측정값을 획득하기는 어렵다. 따라서, 빔 코드북의 출력값들만 가지고 수학식 18 및 수학식 19와 같이 가우시안 프로세스 회귀 기법으로 빔 공간 채널의 극값을 구할 수 있다. 초기의 훈련 데이터 Xt 를 그대로 이용하며, 수학식 20과 같은 훈련 데이터의 추가 없이 출력 함수 값이 수렴할 때까지 진행한다. In the channel estimation in the analog beamforming structure, since the analog phase shifter uses a quantized phase value according to the phase resolution, it is difficult to perform beamforming for an updated spatial angle and obtain an actual measurement value. Therefore, the extrema of the beam space channel can be obtained using the Gaussian process regression method as shown in Equations 18 and 19 using only the output values of the beam codebook. The initial training data X t is used as it is, and the output function value converges without adding training data as in Equation 20.

전술한 하이브리드 또는 아날로그 빔포밍을 가정한 채널 추정 방식들로부터 도출된 공간 각도를 이용하여 수학식 21과 같이 공중 노드의 x, y 좌표 위치를 추정할 수 있다.The x, y coordinate position of the aerial node can be estimated as in Equation 21 by using the spatial angle derived from the channel estimation methods assuming the above-described hybrid or analog beamforming.

Figure 112021002637904-pat00028
Figure 112021002637904-pat00028

도 5는 본 개시에 따른 공중 노드 추적 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method for tracking a public node according to the present disclosure.

먼저 지상 노드의 동작에 대해서 설명한다.First, the operation of the ground node will be described.

단계 S510에서 지상 노드는 공중 노드에 관련된 비행 센서 데이터에 기초하여 공중 노드의 위치를 예측할 수 있다. 예를 들어, 지상 노드는 공중 노드에 대한 GPS 측정값을 이용하여, 수학식 8 및 수학식 9와 같이 공중 노드의 위치를 예측할 수 있다.In step S510, the ground node may predict the location of the aerial node based on flight sensor data related to the aerial node. For example, the ground node may predict the location of the aerial node as shown in Equations 8 and 9 by using the GPS measurement value for the aerial node.

단계 S520에서 지상 노드는 공중 노드의 예측된 위치에 기초하여 수신 빔포밍 행렬을 결정할 수 있다. 예를 들어, 수학식 13과 같이 공간 각도 u, v의 후보들의 집합에 해당하는 Ds 에 속한 요소들 중에 적절한 수신 빔포밍 행렬 W를 결정할 수 있다.In step S520, the terrestrial node may determine a reception beamforming matrix based on the predicted position of the aerial node. For example, as shown in Equation 13, an appropriate reception beamforming matrix W may be determined from among elements belonging to Ds corresponding to a set of candidates of spatial angles u and v.

단계 S530에서 지상 노드는 결정된 수신 빔포밍 행렬에 기초하여 공중 노드로부터 파일럿 신호(또는 동기화 신호 또는 참조 신호)를 수신할 수 있다. 수신된 신호는 수학식 14와 같이 표현될 수 있다. 즉, 실제로 수신 빔포밍을 수행하여 수신한 신호에 대한 측정값 또는 관측값이 획득될 수 있다.In step S530, the terrestrial node may receive a pilot signal (or a synchronization signal or a reference signal) from the aerial node based on the determined reception beamforming matrix. The received signal may be expressed as Equation (14). That is, a measurement value or an observation value of a received signal may be obtained by actually performing reception beamforming.

단계 S540에서 지상 노드는 GPR(가우시안 프로세스 회귀) 기법 적용을 위한 훈련 데이터를 설정할 수 있다. 예를 들어, 수학식 13과 같은 공간 각도 u, v의 후보들의 집합 Ds를 설정하거나 업데이트할 수 있다.In step S540, the ground node may set training data for applying a Gaussian process regression (GPR) technique. For example, a set Ds of candidates of spatial angles u and v as in Equation 13 may be set or updated.

단계 S550에서 지상 노드는 채널 예측 및 공간 각도 업데이트를 수행할 수 있다. 예를 들어, 수학식 15와 같이 새로운 입력 값에 대한 수신 신호 크기의 예측값을 산출할 수 있다. 또한, 하이브리드 빔포밍 또는 아날로그 빔포밍 방식에 따라서, 초기 훈련 데이터에 훈련 데이터를 추가하거나 또는 초기 훈련 데이터만에 기초하여, 수학식 18과 같은 예측값의 미분 값을 이용하여 최적의 공간 각도를 도출할 수 있다.In step S550, the terrestrial node may perform channel prediction and spatial angle update. For example, as shown in Equation 15, a predicted value of the received signal magnitude with respect to a new input value may be calculated. In addition, according to the hybrid beamforming or analog beamforming method, the optimal spatial angle can be derived by adding training data to the initial training data or using the differential value of the predicted value as in Equation 18 based on only the initial training data. can

단계 S560에서 지상 노드는 최적의 공간 각도를 최종 공간 각도로 추정하고, 최종 공간 각도에 기초하여 수학식 21과 같이 공중 노드의 위치를 추정할 수 있다.In step S560, the ground node may estimate the optimal spatial angle as the final spatial angle, and estimate the position of the aerial node as shown in Equation 21 based on the final spatial angle.

이와 같이, 지상 노드는 공중 노드의 비행 센서 데이터를 참고할 수도 있고, 또한 수신 빔포밍 및 신호 수신을 실제로 수행하지 않고도 GPR 기법과 같은 머신 러닝 방식으로 공중 노드에 대한 공간 각도에 대한 최적값을 도출함으로써, 공중 노드의 위치를 동적이면서 지속적으로 추적할 수 있다.In this way, the ground node may refer to the flight sensor data of the aerial node, and also by deriving an optimal value for the spatial angle for the aerial node using a machine learning method such as the GPR technique without actually performing reception beamforming and signal reception. , the location of aerial nodes can be dynamically and continuously tracked.

한편, 공중 노드는 단계 S515에서 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 공중 노드는 GPS 값 및 INS 측정값에 기초하여 최적의 송신 빔포밍 벡터를 결정할 수 있다.On the other hand, the air node may determine the transmission beamforming vector based on the flight sensor data in step S515. For example, the air node may determine an optimal transmit beamforming vector based on GPS values and INS measurements.

단계 S525에서 공중 노드는 결정된 송신 빔포밍 벡터에 기초하여 파일럿 신호(또는 동기화 신호 또는 참조 신호)에 대한 프리코딩을 수행하여 지상 노드로 전송할 수 있다. In step S525, the aerial node may perform precoding on a pilot signal (or a synchronization signal or a reference signal) based on the determined transmission beamforming vector and transmit the precoding to the ground node.

이와 같이, 공중 노드는 지상 노드로부터의 피드백 없이도 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍을 수행할 수 있다.As such, the air node may perform transmit beamforming based on the flight sensor data without feedback from the ground node.

도 6은 본 개시에 따른 지상 노드 장치 및 공중 노드 장치의 구성을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating the configuration of a ground node device and an air node device according to the present disclosure.

지상 노드 장치(600)는 프로세서(610), 안테나부(620), 트랜시버(630), 메모리(640)를 포함할 수 있다. The terrestrial node device 600 may include a processor 610 , an antenna unit 620 , a transceiver 630 , and a memory 640 .

프로세서(610)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하며, 상위계층 처리부(611) 및 물리계층 처리부(615)를 포함할 수 있다. 상위계층 처리부(611)는 MAC 계층, RRC 계층, 또는 그 이상의 상위계층의 동작을 처리할 수 있다. 물리계층 처리부(615)는 PHY 계층의 동작(예를 들어, 하향링크 송신 신호 처리, 상향링크 수신 신호 처리 등)을 처리할 수 있다. 프로세서(610)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하는 것 외에도, 지상 노드 장치(600) 전반의 동작을 제어할 수도 있다.The processor 610 performs baseband-related signal processing and may include an upper layer processing unit 611 and a physical layer processing unit 615 . The higher layer processing unit 611 may process the operation of the MAC layer, the RRC layer, or higher layers. The physical layer processor 615 may process PHY layer operations (eg, downlink transmission signal processing, uplink reception signal processing, etc.). The processor 610 may control the overall operation of the terrestrial node device 600 in addition to performing baseband-related signal processing.

안테나부(620)는 하나 이상의 물리적 안테나를 포함할 수 있고, 복수개의 안테나를 포함하는 경우 MIMO 송수신을 지원할 수 있다. 트랜시버(630)는 RF 송신기와 RF 수신기를 포함할 수 있다. 메모리(640)는 프로세서(610)의 연산 처리된 정보, 지상 노드 장치(600)의 동작에 관련된 소프트웨어, 운영체제, 애플리케이션 등을 저장할 수 있으며, 버퍼 등의 구성요소를 포함할 수도 있다.The antenna unit 620 may include one or more physical antennas, and when it includes a plurality of antennas, it may support MIMO transmission/reception. The transceiver 630 may include an RF transmitter and an RF receiver. The memory 640 may store information processed by the processor 610 , software related to the operation of the terrestrial node device 600 , an operating system, an application, and the like, and may include components such as a buffer.

지상 노드 장치(600)의 프로세서(610)는 본 발명에서 설명하는 실시예들에서의 지상 노드의 동작을 구현하도록 설정될 수 있다. The processor 610 of the terrestrial node device 600 may be configured to implement the operation of the terrestrial node in the embodiments described in the present invention.

예를 들어, 지상 노드 장치(600)의 프로세서(610)의 상위계층 처리부(611)는 비행 센서 데이터 획득부(612) 및 위치 결정부(613)를 포함할 수 있다.For example, the upper layer processing unit 611 of the processor 610 of the ground node device 600 may include a flight sensor data obtaining unit 612 and a position determining unit 613 .

비행 센서 데이터 획득부(612)는 공중 노드 장치(650)에 대한 GPS, INS 등의 비행 센서 데이터를 획득할 수 있다. The flight sensor data acquisition unit 612 may acquire flight sensor data such as GPS, INS, etc. for the aerial node device 650 .

위치 결정부(613)는 비행 센서 데이터에 기초하여 공간 각도의 후보들의 집합을 설정할 수 있다. 또한, 위치 결정부(613)는 공간 각도 후보들에 속하지 않은 새로운 또는 업데이트된 공간 각도에 대해서 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값을 도출할 수 있다. 또한, 위치 결정부(613)는 새로운 공간 각도의 업데이트 및 이에 해당하는 수신 신호 크기 예측값이 도출을 반복하여 최적의 공간 각도를 결정할 수 있다. 또한, 위치 결정부(613)는 최적의 공간 각도에 기초하여 공중 노드의 위치를 결정할 수 있다.The position determiner 613 may set a set of candidates for the spatial angle based on the flight sensor data. Also, the position determiner 613 may derive a predicted value of the received signal magnitude to which the receive beamforming is applied with respect to a new or updated spatial angle that does not belong to the spatial angle candidates. In addition, the position determiner 613 may determine the optimal spatial angle by repeating the update of the new spatial angle and the derivation of the received signal magnitude predicted value corresponding thereto. Also, the location determining unit 613 may determine the location of the aerial node based on the optimal spatial angle.

공중 노드 장치(650)는 프로세서(660), 안테나부(670), 트랜시버(680), 메모리(690)를 포함할 수 있다. The aerial node device 650 may include a processor 660 , an antenna unit 670 , a transceiver 680 , and a memory 690 .

프로세서(660)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하며, 상위계층 처리부(661) 및 물리계층 처리부(665)를 포함할 수 있다. 상위계층 처리부(661)는 MAC 계층, RRC 계층, 또는 그 이상의 상위계층의 동작을 처리할 수 있다. 물리계층 처리부(665)는 PHY 계층의 동작(예를 들어, 하향링크 수신 신호 처리, 상향링크 송신 신호 처리 등)을 처리할 수 있다. 프로세서(660)는 베이스밴드 관련 신호 처리를 수행하는 것 외에도, 공중 노드 장치(660) 전반의 동작을 제어할 수도 있다.The processor 660 performs baseband-related signal processing and may include an upper layer processing unit 661 and a physical layer processing unit 665 . The higher layer processing unit 661 may process operations of the MAC layer, the RRC layer, or higher layers. The physical layer processing unit 665 may process operations of the PHY layer (eg, downlink reception signal processing, uplink transmission signal processing, etc.). The processor 660 may control the overall operation of the public node device 660 in addition to performing baseband-related signal processing.

안테나부(670)는 하나 이상의 물리적 안테나를 포함할 수 있고, 복수개의 안테나를 포함하는 경우 MIMO 송수신을 지원할 수 있다. 트랜시버(680)는 RF 송신기와 RF 수신기를 포함할 수 있다. 메모리(690)는 프로세서(660)의 연산 처리된 정보, 공중 노드 장치(650)의 동작에 관련된 소프트웨어, 운영체제, 애플리케이션 등을 저장할 수 있으며, 버퍼 등의 구성요소를 포함할 수도 있다.The antenna unit 670 may include one or more physical antennas, and when it includes a plurality of antennas, it may support MIMO transmission/reception. The transceiver 680 may include an RF transmitter and an RF receiver. The memory 690 may store information processed by the processor 660 , software related to the operation of the public node device 650 , an operating system, an application, and the like, and may include components such as a buffer.

공중 노드 장치(650)의 프로세서(660)는 본 발명에서 설명하는 실시예들에서의 공중 노드의 동작을 구현하도록 설정될 수 있다.The processor 660 of the public node device 650 may be configured to implement the operation of the public node in the embodiments described in the present invention.

예를 들어, 공중 노드 장치(650)의 프로세서(660)의 상위계층 처리부(661)는 비행 센서 데이터 획득부(662) 및 송신 빔포밍 결정부(663)를 포함할 수 있다.For example, the upper layer processing unit 661 of the processor 660 of the air node device 650 may include a flight sensor data acquisition unit 662 and a transmission beamforming determination unit 663 .

비행 센서 데이터 획득부(662)는 GPS, INS 등의 정보를 획득할 수 있다. Flight sensor data acquisition unit 662 may acquire information such as GPS, INS.

송신 빔포밍 결정부(623)는 획득된 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정할 수 있다. 여기서, 송신 빔포밍 벡터/행렬은 지상 노드로부터의 피드백 정보 없이도 결정될 수 있다.Transmission beamforming determination unit 623 may determine the transmission beamforming vector based on the obtained flight sensor data. Here, the transmit beamforming vector/matrix may be determined without feedback information from a terrestrial node.

하위계층 처리부(665)는 결정된 송신 빔포밍 벡터에 기초하여 지상 노드로 신호를 전송할 수 있다.The lower layer processing unit 665 may transmit a signal to the terrestrial node based on the determined transmission beamforming vector.

지상 노드 장치(600) 및 공중 노드 장치(650)의 동작에 있어서 본 발명의 예시들에서 지상 노드 및 공중 노드에 대해서 설명한 사항이 동일하게 적용될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략한다.In the operation of the terrestrial node device 600 and the public node device 650, the descriptions of the terrestrial node and the public node in the examples of the present invention may be equally applied, and overlapping descriptions will be omitted.

도 7 및 도 8은 본 개시에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.7 and 8 are diagrams illustrating simulation results according to the present disclosure.

본 개시의 예시적인 방법(proposed)과 비교되는 방법들은, 섭동 기반 빔포밍perturbation based beamforming), GPS-단독(GPS-only) 시스템, 코드북 기반 추적(codebook based tracking)을 가정하였다. Methods compared to the exemplary method of the present disclosure assumed perturbation based beamforming, a GPS-only system, and codebook based tracking.

섭동 기반 빔포밍은 빔포밍을 통해 빔 공간 채널의 기울기를 추정하지만, 실제로 신호를 수신 받아서 수신 빔포밍을 결정하는 방식이며, 본 개시와 같이 예측값을 기반으로 GPR 방식으로 위치를 추적하는 방식은 적용되지 않은 것으로 가정한다.GPS-단독 시스템은 GPS 센서 값 만을 가지고 위치를 추적하는 방식을 가정한다. 코드북 기반 추적은 비행 센서 데이터를 고려하지 않고 통신 신호만을 이용하여 위치를 추적하는 방식을 가정한다. Perturbation-based beamforming estimates the slope of a beam spatial channel through beamforming, but actually receives a signal to determine reception beamforming. It is assumed that not. The GPS-only system assumes a method of tracking a location using only the GPS sensor values. Codebook-based tracking assumes a method of tracking a location using only a communication signal without considering flight sensor data.

도 7의 예시는 도 8의 예시에 비하여 GPS, EGI, INS 센서의 정확도를 상대적으로 높게 가정하였다. In the example of FIG. 7 , it is assumed that the accuracy of the GPS, EGI, and INS sensors is relatively higher than that of the example of FIG. 8 .

도 7의 예시에서는 GPS 단독 알고리즘이 본 개시의 방법을 제외한 나머지 통신 기반 알고리즘보다 성능이 우수함을 확인하였다. 시간 단위 간격은 Tp로, GPS 단독 알고리즘은 5 Tp마다 측정값을 얻는 것으로 가정하였다.In the example of FIG. 7 , it was confirmed that the GPS-only algorithm performed better than the other communication-based algorithms except for the method of the present disclosure. It is assumed that the time unit interval is Tp, and the GPS-only algorithm obtains a measurement value every 5 Tp.

본 개시의 방법은 GPS 측정 값을 기반으로 GPR을 사용하여 채널 파라미터를 추정하고, Tp마다 추정하기 때문에 GPS 단독 알고리즘과 통신 신호 단독 알고리즘들보다 성능이 높은 것을 확인하였다. It was confirmed that the method of the present disclosure has higher performance than the GPS-only algorithm and the communication signal-only algorithms because the channel parameter is estimated using GPR based on the GPS measurement value and estimated for each Tp.

도 8의 예시는 도 7의 예시에 비하여 GPS, EGI, INS 센서의 정확도를 상대적으로 낮게 가정하였으므로, 섭동 기반 빔포밍 및 본 개시의 방법이 GPS 단독 알고리즘보다 성능이 우수한 것을 확인하였다.Since the example of FIG. 8 assumes that the accuracy of the GPS, EGI, and INS sensors is relatively low compared to the example of FIG. 7 , it was confirmed that the perturbation-based beamforming and the method of the present disclosure performed better than the GPS alone algorithm.

본 개시의 예시적인 방법들은 설명의 명확성을 위해서 동작의 시리즈로 표현되어 있지만, 이는 단계가 수행되는 순서를 제한하기 위한 것은 아니며, 필요한 경우에는 각각의 단계가 동시에 또는 상이한 순서로 수행될 수도 있다. 본 개시에 따른 방법을 구현하기 위해서, 예시하는 단계에 추가적으로 다른 단계를 포함하거나, 일부의 단계를 제외하고 나머지 단계를 포함하거나, 또는 일부의 단계를 제외하고 추가적인 다른 단계를 포함할 수도 있다. Example methods of the present disclosure are expressed as a series of operations for clarity of description, but this is not intended to limit the order in which the steps are performed, and if necessary, each step may be performed simultaneously or in a different order. In order to implement the method according to the present disclosure, other steps may be included in addition to the illustrated steps, other steps may be included except some steps, or additional other steps may be included except some steps.

본 개시의 다양한 실시예는 모든 가능한 조합을 나열한 것이 아니고 본 개시의 대표적인 양상을 설명하기 위한 것이며, 다양한 실시예에서 설명하는 사항들은 독립적으로 적용되거나 또는 둘 이상의 조합으로 적용될 수도 있다. The various embodiments of the present disclosure do not list all possible combinations, but are intended to describe representative aspects of the present disclosure, and matters described in various embodiments may be applied independently or in combination of two or more.

또한, 본 개시의 다양한 실시예는 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 그들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 범용 프로세서(general processor), 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다. In addition, various embodiments of the present disclosure may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof. For implementation by hardware, one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), Programmable Logic Devices (PLDs), Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), general purpose It may be implemented by a processor (general processor), a controller, a microcontroller, a microprocessor, and the like.

본 개시의 범위는 다양한 실시예의 방법에 따른 동작이 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행되도록 하는 소프트웨어 또는 머신-실행가능한 명령들(예를 들어, 운영체제, 애플리케이션, 펌웨어(firmware), 프로그램 등), 및 이러한 소프트웨어 또는 명령 등이 저장되어 장치 또는 컴퓨터 상에서 실행 가능한 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체(non-transitory computer-readable medium)를 포함한다. The scope of the present disclosure includes software or machine-executable instructions (eg, operating system, application, firmware, program, etc.) that cause operation according to the method of various embodiments to be executed on a device or computer, and such software or and non-transitory computer-readable media in which instructions and the like are stored and executed on a device or computer.

Claims (13)

지상 노드가 공중 노드의 위치를 추적하는 방법에 있어서,
상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 공간 각도의 후보들의 집합을 설정하는 단계;
상기 공간 각도의 후보들에 속하지 않은 업데이트된 공간 각도에 대해서, 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값을 도출하는 단계;
상기 공간 각도의 업데이트 및 상기 수신 신호 크기의 예측값의 도출을 반복하여 최적의 공간 각도를 결정하는 단계; 및
상기 최적의 공간 각도에 기초하여 상기 공중 노드의 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
A method for a ground node to track a location of an air node, the method comprising:
setting a set of spatial angle candidates based on the flight sensor data of the aerial node;
deriving a predicted value of a received signal magnitude to which reception beamforming is applied with respect to an updated spatial angle that does not belong to the spatial angle candidates;
determining an optimal spatial angle by repeating updating the spatial angle and deriving a predicted value of the received signal magnitude; and
determining the location of the aerial node based on the optimal spatial angle.
제 1 항에 있어서,
상기 수신 신호 크기의 예측값을 도출하는 단계는,
상기 공간 각도의 후보들을 가우시안 프로세스 회귀(GPR)의 입력으로 설정하고, 상기 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기를 상기 GPR의 출력으로 설정하는 것을 포함하는, 방법.
The method of claim 1,
The step of deriving the predicted value of the received signal magnitude comprises:
and setting the spatial angle candidates as an input of Gaussian process regression (GPR), and setting the received signal magnitude to which the receive beamforming is applied as an output of the GPR.
제 2 항에 있어서,
상기 GPR에 기초하여, 상기 업데이트된 공간 각도에 대한 상기 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값이 도출되는, 방법.
3. The method of claim 2,
Based on the GPR, a predicted value of the received signal magnitude to which the received beamforming is applied with respect to the updated spatial angle is derived.
제 3 항에 있어서,
상기 공간 각도는 (u, v)로 표현되고,
상기 공간 각도의 후보들의 집합은,
Figure 112021002637904-pat00029

로 정의되고,
k는 시간 단위 인덱스이고, Δ는 공간 각도 후보들의 간격인, 방법.
4. The method of claim 3,
The spatial angle is expressed as (u, v),
The set of candidates for the spatial angle is,
Figure 112021002637904-pat00029

is defined as
k is the time unit index and Δ is the interval of spatial angle candidates.
제 4 항에 있어서,
상기 수신 신호 크기는
Figure 112021002637904-pat00030

로 표현되고,
W는 수신 빔포밍 행렬이고, Xt는 집합 Ds에 해당하고, H는 상기 공중 노드로부터 상기 지상 노드로의 채널에 해당하고, f는 송신 빔포밍 벡터이고, s는 신호 성분이고, n은 잡음 성분인, 방법.
5. The method of claim 4,
The received signal size is
Figure 112021002637904-pat00030

is expressed as
W is a receive beamforming matrix, Xt corresponds to a set Ds, H corresponds to a channel from the air node to the terrestrial node, f is a transmit beamforming vector, s is a signal component, and n is a noise component. In, way.
제 5 항에 있어서,
상기 최적의 공간 각도를 결정하는 것은
상기 수신 신호 크기의 예측값의 평균에 대한 미분 값의 극 값을 도출하는 것을 포함하는, 방법.
6. The method of claim 5,
Determining the optimal spatial angle is
and deriving an extremal value of a derivative of the mean of the predicted values of the received signal magnitude.
제 6 항에 있어서,
상기 수신 신호 크기의 예측값의 평균에 대한 미분은
Figure 112021002637904-pat00031

로 표현되고,
x*는 상기 업데이트된 공간 각도에 해당하고,
Figure 112021002637904-pat00032
는 상기 수신 신호의 예측값에 해당하고, K는 커널 행렬에 해당하고, σ2는 분산에 해당하고, I는 단위 행렬인, 방법.
7. The method of claim 6,
The derivative with respect to the average of the predicted values of the received signal magnitude is
Figure 112021002637904-pat00031

is expressed as
x * corresponds to the updated spatial angle,
Figure 112021002637904-pat00032
corresponds to the predicted value of the received signal, K corresponds to the kernel matrix, σ 2 corresponds to the variance, and I is the identity matrix.
제 1 항에 있어서,
상기 비행 센서 데이터는, 상기 공중 노드의 위치 정보 또는 자세 정보 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
The method of claim 1,
The flight sensor data includes one or more of position information and attitude information of the aerial node.
공중 노드가 신호를 전송하는 방법에 있어서,
상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 및
상기 송신 빔포밍 벡터에 기초하여 지상 노드로 신호를 전송하는 단계를 포함하는, 방법.
A method for a public node to transmit a signal, comprising:
determining a transmission beamforming vector based on flight sensor data of the aerial node; and
and transmitting a signal to a terrestrial node based on the transmit beamforming vector.
제 9 항에 있어서,
상기 송신 빔포밍 벡터는, 상기 공중 노드로부터 상기 지상 노드로의 채널 상태에 대한 정보를 상기 지상 노드로부터 피드백 받지 않고 결정되는, 방법.
10. The method of claim 9,
The transmit beamforming vector is determined without receiving feedback from the terrestrial node of information on a channel state from the air node to the terrestrial node.
제 10 항에 있어서,
상기 비행 센서 데이터는, 상기 공중 노드의 위치 정보 또는 자세 정보 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
11. The method of claim 10,
The flight sensor data includes one or more of position information and attitude information of the aerial node.
공중 노드의 위치를 추적하는 지상 노드 장치에 있어서,
트랜시버;
메모리; 및
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는
상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 공간 각도의 후보들의 집합을 설정하고;
상기 공간 각도의 후보들에 속하지 않은 업데이트된 공간 각도에 대해서, 수신 빔포밍이 적용된 수신 신호 크기의 예측값을 도출하는 단계;
상기 공간 각도의 업데이트 및 상기 수신 신호 크기의 예측값의 도출을 반복하여 최적의 공간 각도를 결정하고; 및
상기 최적의 공간 각도에 기초하여 상기 공중 노드의 위치를 결정하도록 설정되는, 지상 노드 장치.
A ground node device for tracking the position of an aerial node, comprising:
transceiver;
Memory; and
including a processor;
the processor
set a set of spatial angle candidates based on the flight sensor data of the aerial node;
deriving a predicted value of a received signal magnitude to which reception beamforming is applied with respect to an updated spatial angle that does not belong to the spatial angle candidates;
determining an optimal spatial angle by repeating the update of the spatial angle and the derivation of the predicted value of the received signal magnitude; and
and determine the position of the aerial node based on the optimal spatial angle.
신호를 전송하는 공중 노드 장치에 있어서,
트랜시버;
메모리; 및
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 공중 노드의 비행 센서 데이터에 기초하여 송신 빔포밍 벡터를 결정하고; 및
상기 송신 빔포밍 벡터에 기초하여 지상 노드로 신호를 전송하도록 설정되는, 공중 노드 장치.
A public node device for transmitting a signal, comprising:
transceiver;
Memory; and
including a processor;
The processor is
determine a transmit beamforming vector based on flight sensor data of the air node; and
and to transmit a signal to a terrestrial node based on the transmit beamforming vector.
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