KR20150045648A - 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 수신기가 다수개의 안테나를 사용하여 송신기로부터 다수개의 신호를 수신하고, 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 이득 및 발사각(Angle of Departure)을 추정하고, 상기 다수개의 신호에 대한 인덱스를 신호 이득이 큰 순서로 정렬하고, 상기 정렬된 인덱스를 기반으로 상기 다수개의 신호 각각에 대한 발사각과 관련된 정보를 상기 신호 이득이 큰 순서로 정렬하고, 상기 정렬된 발사각과 관련된 정보 중 적어도 하나를 피드백 정보로서 상기 송신기로 송신한다.

Description

무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING A SIGNAL IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 ZF(Zero-Forcing) 및 RZF(Regularized Zero-Forcing) 등의 전 처리기(pre-coder) 기법들이 사용될 경우, 송신기는 각 수신기가 사용하는 모든 채널에 대한 정보를 획득해야 한다. 따라서 밀리미터파(millimeter wave: mmWave) 통신 시스템과 같이 massive MIMO(Multiple Input Multiple Output)의 사용이 용이한 환경에서는 다수의 피드백(feedback) 정보의 송수신에 따른 부담이 커지게 된다. 또한 송신 신호의 전력이 안테나마다 다르게 할당됨에 따라 송신 안테나 수만큼의 무선 주파수(Radio Frequency: RF)-체인(chain)이 필요하므로 mmWave 환경에서 하드웨어적으로 많은 비용이 드는 문제가 있다.
이러한 문제를 고려하여 mmWave 채널 상의 신호의 이득, 발사각(Angle of Departure)(이하 'AOD'라 칭함) 및 도래각(Angle of Arrival)(이하 'AOA'라 칭함) 등과 같은 정보를 사용하는 방식들이 제안되고 있다. 상기 방식들 중 대표적인 방식으로서 빔 조정(beam steering) 방식과 널 조정(null steering) 방식이 있다.
상기 빔 조정 방식은 송신기가 AOD 정보를 기반으로 원하는 방향에서 빔을 송신하는 방식이다. 하지만 상기 빔 조정 방식은 다른 수신기로의 간섭을 고려하지 않는 방식이므로, 단일 사용자(single-user) 환경에서는 효과적으로 사용될 수 있으나 다중 사용자(multi-user) 환경에서는 적합하지 않다. 따라서 상기 빔 조정 방식이 다중 사용자 환경에서 사용될 경우 수신기 전체의 전송률(sum rate)이 저하되는 단점이 있다.
한편, 상기 널 조정 방식은 송신기가 AOD 정보를 기반으로 원하지 않는 방향에서 빔을 송신하지 않도록 하는 방식으로서 간섭 제어 효과를 제공한다. 하지만 상기 널 조정 방식이 다중 사용자 및 다중 신호가 형성되어 있는 무선 통신 환경에서 무분별하게 사용될 경우, 유사 방향으로 널이 형성되는 경우가 발생함에 따라 송신 전력을 증폭시켜야 하는 문제가 있다.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 신호 송수신 방법 및 장치를 제안한다.
그리고 본 발명은 무선 통신 시스템에서 안테나 수보다 적은 RF 체인수를 사용하면서 피드백 정보 양을 줄이면서 간섭을 제어할 수 있도록 하는 방법 및 장치를 제안한다.
또한 본 발명은 다중 사용자 mmWave 환경에서 널 조정 방식 전 처리기의 전력 증폭 현상을 방지하면서 전송률을 향상시킬 수 있도록 하는 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명에서 제안하는 방법은; 무선 통신 시스템에서 송신기의 신호 송신 방법에 있어서, 다수개의 안테나를 사용하여 수신기로 다수개의 신호를 송신하는 과정과, 상기 수신기로부터 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각(Angle of Departure) 정보가 수신되면, 상기 발사각 정보를 기반으로 신호 송신 방향을 결정하는 과정과, 상기 결정된 신호 송신 방향에서 미리 설정된 송신 전력을 사용하여 신호를 송신하는 과정과, 상기 결정된 신호 송신 방향을 제외한 나머지 신호 송신 방향에서 널(null) 송신을 수행하는 과정을 포함하며, 상기 발사각 정보는 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각 정보를 포함한다.
본 발명에서 제안하는 장치는; 무선 통신 시스템에서 송신기에 있어서, 다수개의 안테나와, 상기 다수개의 안테나를 사용하여 수신기로 다수개의 신호를 송신하는 송신부와, 상기 수신기로부터 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각(Angle of Departure) 정보를 수신하는 수신부와, 상기 발사각 정보가 수신되면 상기 발사각 정보를 기반으로 신호 송신 방향을 결정하고, 상기 송신부를 제어하여 상기 결정된 신호 송신 방향에서 미리 설정된 송신 전력을 사용하여 신호를 송신하고, 상기 결정된 신호 송신 방향을 제외한 나머지 신호 송신 방향에서 널(null) 송신을 수행하는 제어부를 포함하며, 상기 발사각 정보는 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각 정보를 포함한다.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 안테나 수보다 적은 RF 체인수를 사용하면서 피드백 정보 양을 줄이면서 간섭을 제어할 수 있다. 또한 본 발명은 다중 사용자 mmWave 환경에서 널 조정 방식 전 처리기의 전력 증폭 현상을 방지하면서 전송률을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 널 조정 방식이 사용된 무선 통신 시스템에서 송신기의 송신 방향 별 송신 전력을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 송신기와 수신기를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다수의 수신기가 송신기로 피드백 정보를 송신하는 과정을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송신기의 송신 방향 별 송신 전력을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 널 조정 빔포머를 기반으로 구성된 베이스밴드 프리코더와 RF 체인부를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 동작을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기의 동작을 나타낸 순서도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭 제어 방식에 따른 성능을 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 간섭 제어 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예의 설명에 앞서, 간섭 제어를 위해 일반적으로 사용되는 널 조정(Null steering) 방식에 대해 설명하기로 한다.
상기 널 조정 방식은 송신기가 신호를 송신하기 원하는 방향(
Figure pat00001
)과 신호를 송신하기 원하지 않는 방향(
Figure pat00002
)을 동시에 고려하여 간섭을 제어하는 방식이다. 상기 송신기가 신호를 송신할 수 있는 각 방향을 어레이 벡터(array vector)를 사용하여 행렬 N으로 나타내면 다음 수학식 1과 같다.
Figure pat00003
상기와 같이 행렬 N이 결정되면 널 조정 벡터(null steering vector)(f)가 다음 수학식 2 및 3을 기반으로 결정될 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
상기 수학식 2 및 3에서 H는 허미시안(Hermitian) 연산을 나타내고, +는 의사 역행렬(pseudo inverse)을 나타낸다. 그리고 수학식 2 및 3에서는 첫 번째 어레이 벡터의 송신 전력을 1로 설정하고, 나머지 송신 전력은 0으로 설정하는 것을 일 예로 보이고 있다.
상기 송신기는 상기 널 조정 벡터가 결정되면, 상기 결정된 널 조정 벡터를 기반으로 해당 방향에서는 널 송신을 수행하고 나머지 방향에서는 신호를 송신한다. 이를 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적인 널 조정 방식이 사용된 무선 통신 시스템에서 송신기의 송신 방향 별 송신 전력을 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 그래프에서 가로 방향은 발사각(Angle of Departure)(이하 'AOD'라 칭함)을 나타내며, 세로 방향은 송신 전력을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 널 조정 벡터가 결정되면 상기 결정된 널 조정 벡터를 기반으로 널 송신을 수행해야 할 방향(
Figure pat00006
,
Figure pat00007
)(100, 120)을 결정한다. 그리고 상기 송신기는 상기 결정된 방향(
Figure pat00008
,
Figure pat00009
)(100, 120)에서 널 송신을 수행한다.
또한 상기 송신기는 상기 결정된 방향(
Figure pat00010
,
Figure pat00011
)(100, 120)을 제외한 나머지 방향 중 신호를 송신하기 원하는 방향(
Figure pat00012
)(140)에서는 가장 큰 송신 전력을 사용하여 신호를 송신한다. 여기서 상기 널 송신이라는 것은 송신 전력을 0으로 설정하는 것을 의미할 수 있다.
이처럼 상기 송신기는 원하지 않는 방향에서는 널 송신을 수행하고, 원하는 방향에서는 가장 큰 세기로 신호를 송신함으로써 다른 수신기들로의 간섭을 제어하면서 해당 수신기에 신호가 정확히 전달될 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 널 조정 방식을 사용하여 다중 사용자 밀리미터파(millimeter wave: mmWave) 통신 환경에서 전 처리기의 전력 증폭 현상을 방지하면서 전송률(sum rate)를 향상시킬 수 있도록 하는 방안을 제시한다.
본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템은 도 2에 나타난 바와 같다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 무선 통신 시스템은 송신기(200)와 다수의 수신기 일 예로, 수신기 1(210), 수신기 2(220) 및 수신기 3(230)을 포함할 수 있다. 상기 송신기(200)는 신호를 송신하는 기지국이 될 수 있으며, 상기 수신기 1(210), 수신기 2(220) 및 수신기 3(230)은 상기 기지국으로부터 신호를 수신하는 이동 단말이 될 수 있다. 상기 수신기 1(210), 수신기 2(220) 및 수신기 3(230)는 서로 다른 위치에 존재한다. 따라서 상기 수신기 1(210), 수신기 2(220) 및 수신기 3(230)가 상기 송신기(200)에 의해 송신된 신호를 수신하는 방향 역시 상이할 수 밖에 없다.
예를 들어, 상기 수신기 1(210)은 상기 송신기(200)가 송신한 신호 중 θ 1 방향에서 송신한 신호를 수신할 수 있으며, 상기 수신기 2(220)는 상기 송신기(200)가 송신한 신호 중 θ 2 방향에서 송신한 신호를 수신할 수 있으며, 상기 수신기 3(230)는 상기 송신기(200)가 송신한 신호 중 θ 3 방향에서 송신한 신호를 수신할 수 있다.
이에 따라 상기 송신기(200)는 각 수신기로부터 각 신호 별 AOD 정보 등이 포함된 피드백 정보를 수신하여 신호를 송신할 방향을 결정하고, 해당 방향에서 가장 큰 송신 전력을 사용하여 신호를 송신할 수 있다. 그리고 상기 송신기(200)는 다른 수신기들에 대해 간섭을 미치는 방향에서는 앞서 설명한 널 조정 방식 등을 사용함으로써 간섭이 제어될 수 있도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템의 송신기와 수신기를 나타낸 도면이다.
도 3에서는 도 2에 도시된 바와 같은 무선 통신 시스템에 포함된 송신기와 수신기의 일 예를 보이고 있다. 도 3을 참조하면, 상기 송신기(300)와 상기 다수의 수신기(320-1~320-K) 각각은 다수의 안테나를 사용하여 통신을 수행할 수 있다. 그리고 도 3에 도시되어 있지는 않지만 상기 송신기(300)와 상기 다수의 수신기(320-1~320-K)는 각각 상기 무선 통신을 수행함에 의해 발생하는 다양한 데이터 및 정보를 저장하는 메모리와, 상기 송신기와 상기 다수의 수신기 각각의 전반적인 동작을 제어하는 제어부 등을 포함할 수 있다.
상기 송신기(300)는 N t 개의 송신 안테나를 가지고 있으며, K명의 사용자에 의해 사용되는 다수의 수신기(320-1~320-K)는 각각 N r 개의 송신 안테나를 가지고 있다. 상기 송신기(300)는 N RF 개의 무선 주파수(Radio Frequency: RF) 체인(chain)부(310-1~310-N RF )을 통해 전체 N ts 개의 송신 스트림을 송신할 수 있다. 그리고 상기 다수의 수신기(320-1~320-K)는 각각 해당 채널(H 1 … H K , 여기서 H K 는 K번째 수신기의 채널을 나타냄)을 통해 N s 개의 스트림을 수신할 수 있다.
한편, 전체 K개의 수신기(320-1~320-K) 중 k번째 수신기의 채널(H k )을 L개의 신호(ray)를 가지는 형태로 나타내면 다음 수학식 4와 같다.
Figure pat00013
상기 수학식 4에서
Figure pat00014
은 k번째 수신기의 l번째 신호에 대한 이득(gain)을 나타내고,
Figure pat00015
는 k번째 수신기의 l번째 신호에 대한 AOD를 나타내고,
Figure pat00016
은 k번째 수신기의 l번째 신호에 대한 도래각(Angle of Arrival)(이하 'AOA'라 칭함)를 나타내고, H는 허미시안 연산을 나타낸다. 그리고 상기 수학식 4에서 어레이 벡터인 a r (θ) 및 a t (θ) 는 각각 다음 수학식 5 및 6에 나타난 바와 같이 균일 선형 배열(Uniform Linear Array: ULA) 형태로 구성될 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
상기 수학식 5 및 6에서 d는 안테나 이격 거리(antenna spacing)를 나타내고, λ는 신호의 파장(wave length)을 나타낸다.
상기 송신기에서는 전체 스트림 수(N ts =N s ⅹK)에 해당하는 신호 s:[N ts ⅹ1]가 베이스밴드 프리코더(baseband precoder)(F bb :[N RF ⅹN ts ])(300)와 RF 체인부 (F RF :[N t ⅹN RF ])(310-1~310-N RF )를 거치게 된다. 여기서 전처리부로 통칭될 수 있는 상기 베이스밴드 프리코더(300)와 RF 체인부(310-1~310-N RF )는 하나의 행렬로 표현되는 구성부로 나타낼 수 있다. 이를 본 발명의 실시 예에서는 널 조정 빔포머(null steering beamformer)(F null :[N t ⅹN ts ])로 정의하고 다음 수학식 7과 같이 나타내기로 한다.
Figure pat00019
상기 수학식 7에서 f k,1 은 k번째 수신기로 송신할 첫 번째 스트림을 나타내고, f k,2 는 k번째 수신기로 송신할 두 번째 스트림을 나타내고, f k,Ns 는 k번째 수신기로 송신할 N s 번째 스트림을 나타낸다.
상기 송신기가 K개의 수신기로 F null 의 신호를 송신하면, 상기 k번째 수신기는 다수의 안테나를 통해 해당 신호를 수신하고, 결합기(combiner)
Figure pat00020
를 통해 하기 다음 수학식 8과 같은 수신 신호를 획득할 수 있다.
Figure pat00021
상기 수학식 8에서 y k 는 상기 k번째 수신기의 수신 신호를 나타내고, n k 는 k번째 사용자가 수신한 잡음(noise)을 나타낸다.
본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 정의된 널 조정 빔포머를 사용하여 간섭 제어를 수행할 수 있도록 하는 방법을 제안한다. 이하에서는 본 발명의 실시 예에서 제안하는 간섭 제어 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다수의 수신기가 송신기로 피드백 정보를 송신하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4에서는 K개의 수신기(420-1~420-K)가 각각 상기 널 조정 빔포머(400)를 포함하는 송신기로 피드백 정보로서 AOD 정보를 송신하는 것을 보이고 있다. 도 4에 도시된 K개의 수신기(420-1~420-K)는 도 3에 도시된 K개의 수신기(320-1~320-K)에 대응될 수 있다. 상기 피드백 정보를 송신하는 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 K개의 수신기(420-1~420-K) 중 k번째 수신기는 상기 송신기로부터 L개의 신호를 수신하고, 상기 L개의 신호에 대한 이득, AOD 및 AOA를 추정한다. 그리고 상기 k번째 수신기는 상기 L개의 신호에 대한 이득이 큰 순서로 상기 L개의 신호에 대한 인덱스를 정렬하고, 정렬된 순서에 따라 인덱스 정보를 저장한다. 여기서 상기 저장된 인덱스 정보(Q k )는 하기 수학식 9와 같이 나타날 수 있다.
Figure pat00022
상기 수학식 9는 상기 k번째 수신기에 대한 L개의 신호의 인덱스가 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 것을 보이고 있다.
상기 저장된 인덱스 정보를 기반으로, 상기 k번째 수신기는 AOA에 대해서도 상기 L개의 신호에 대한 이득이 큰 순서로 정렬하고, 정렬된 AOA의 정보를 기반으로 상기 k번째 수신기에 대한 결합기를 구성한다. 상기 결합기는 하기 수학식 10을 기반으로 구성될 수 있다.
Figure pat00023
상기 수학식 10에서 W k,i 는 상기 k번째 수신기가 다수개의 안테나를 통해 수신한 신호들(일 예로, N S 개의 스트림)에 대한 결합 신호를 나타내고, a r ()은 어레이 벡터를 나타내며,
Figure pat00024
는 상기 k번째 수신기가 수신한 신호에 대한 AOA를 나타낸다.
이어 상기 k번째 수신기는 AOD에 대해서도 상기 L개의 신호에 대한 이득이 큰 순서로 정렬한다. 그리고 상기 k번째 수신기는 정렬된 AOD 정보를 상기 송신기로 피드백한다. 여기서 상기 피드백되는 AOD 정보를 수학식으로 표현하면 다음 수학식 11과 같다.
Figure pat00025
상기 수학식 11에서
Figure pat00026
는 상기 k번째 수신기가 피드백하는 AOD 정보를 나타내고, B는 상기 k번째 수신기가 피드백하는 AOD 정보의 개수를 나타낸다
Figure pat00027
. 상기 L개의 신호 전체에 대한 AOD 정보가 피드백되면 피드백량이 많아지게 되므로, 상기 B는 통신 환경에 따라 다양하게 조정될 수 있다.
상기 송신기는 상기 K개의 수신기(420-1~420-K) 모두로부터 AOD 정보가 피드백되면, 상기 피드백된 AOD 정보를 사용하여 k번째 수신기의 i번째 스트림에 대한 널 조정 벡터를 결정할 수 있다.
먼저 어레이 벡터들로 구성된 행렬 N k,i (m)을 N k,i 의 m번째 행(column) 벡터를 나타내는 것으로 정의하고, 송신 방향에 대한 어레이 벡터가
Figure pat00028
이고 m > 1이면, 널에 대한 어레이 벡터는
Figure pat00029
와 같이 나타낼 수 있다. 그러면 상기 송신기는 어레이 벡터들로 구성된 행렬 N k,i 를 다음 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00030
그리고 상기 송신기는 N k,i 를 사용하여 널 조정 벡터를 수학식 13 내지 15를 기반으로 계산한 후, 최종적으로 송신 전력을 결정할 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
상기와 같은 과정이 수행되면, 도 5에 나타난 바와 같은 결과가 나타날 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송신기의 송신 방향 별 송신 전력을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 송신 방향에 대한 어레이 벡터 N k,i (1)(520)는 가장 큰 송신 전력을 가지며, 널에 대한 어레이 벡터(이하 '널 벡터'라 칭함) N k ,i (m)(500)는 가장 작은 송신 전력(일 예로, 송신 전력이 0으로 설정됨)을 가짐을 알 수 있다.
한편, 상기 널 조정 벡터를 계산하는 과정에서 유사 어레이 벡터(즉, 유사 방향을 갖는 어레이 벡터)가 존재하게 된다면 N k,i 의 최소 고유값(minimum eigen-value)이 매우 작은 값으로 나타나게 된다. 이는 곧 의사 역행렬 N k,i +를 계산하는 과정에서 최대 고유값(maximum eigen-value)이 발산하여 결과적으로
Figure pat00034
의 크기가 커져 정규화로 인한 성능 열화 현상이 나타남을 의미한다. 이를 방지하기 위해 N k,i 구성 시 상관(correlation) 값이 어레이 벡터를 제외시키는 방안이 필요하다. 이를 위해 본 발명의 실시 예에서는 하기 수학식 16을 사용한다.
Figure pat00035
상기 수학식 16은 새로운 널 벡터를 결정할 때 이전에 구성되어 있는 어레이 벡터와의 상관값을 비교하여, 해당 상관값이 특정 임계값 이하인 경우 해당 어레이 벡터를 사용할 수 있도록 함을 나타낸다.
한편, 모든 수신기의 스트림에 대한 널 조정 벡터
Figure pat00036
가 결정되면, 널 조정 벡터의 특성에 따라 각 벡터의 엘리먼트(element)의 크기가 서로 비슷한 크기의 범위를 가짐을 알 수 있다. 이러한 특성을 기반으로 널 조정 빔포머(F null )를 하이브리드(hybrid) 빔포밍 시스템에 적용하기 위해 하기 수학식 17 내지 19가 사용될 수 있다.
Figure pat00037
상기 송신기의 RF 체인부는 위상 천이기(phase shift)를 포함하기 때문에 상기 RF 체인부 내의 엘리먼트들은 크기를 가질 수 없다. 따라서, 상기 수학식 17 에 나타난 바와 같이, 상기 RF 체인부(F RF )는 널 조정 빔포머(F null )의 위상 성분을 기반으로 하는 엘리먼트들을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
Figure pat00038
그리고 베이스밴드 프리코더(F BB )는 상기 수학식 18에 나타난 바와 같이, 상기 RF 체인부의 엘리먼트들을 포함하는 행렬의 유사 역행렬 연산을 수행함으로써 결정된 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 이와 같은 방식은 널 조정 벡터의 엘리먼트가 비슷한 크기 값을 가지기 때문에 적용이 가능하며 실제로 베이스밴드 프리코더에서 대각 행렬 형태의 엘리먼트가 포함됨을 확인할 수 있다.
Figure pat00039
결과적으로, 상기 RF 체인부(F RF )와 상기 베이스밴드 프리코더(F BB )는 상기 수학식 19에 나타난 바와 같이 널 조정 빔포머(F null )와 유사한 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 이를 도면으로 표현하면 도 6에 나타난 바와 같다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 널 조정 빔포머를 기반으로 구성된 베이스밴드 프리코더와 RF 체인부를 나타낸 도면이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 베이스밴드 프리코더(620)와 RF 체인부(640)는 널 조정 빔포머(600)와 유사한 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성이 사용될 경우, RF 체인의 개수는 안테나 개수 보다 작은 전체 스트림의 개수만큼 줄어들 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시 예에 따른 송신기와 수신기의 동작을 도 7 및 도 8을 참조하여 각각 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수신기의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조하면, 상기 수신기는 700 단계에서 송신기로부터 L개의 신호를 수신한다. 그리고 상기 수신기는 702 단계에서 상기 L개의 신호에 대한 이득, AOA 및 AOD를 추정한다.
이어 상기 수신기는 704 단계에서 신호 이득이 큰 순서로 상기 L개의 신호에 대한 인덱스 정보를 정렬하고 저장한다. 그리고 상기 수신기는 706 단계에서 상기 저장된 인덱스 정보를 기반으로, 신호 이득이 큰 순서로 AOA를 정렬하고 수신 신호를 결합한다.
상기 수신기는 708 단계에서 상기 저장된 인덱스 정보를 기반으로 상기 신호 이득이 큰 순서로 AOD를 정렬하고, 정렬된 AOD에 대한 정보를 상기 송신기로 피드백한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하면, 상기 송신기는 800 단계에서 K개의 수신기로부터 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 AOD 정보를 수신한다. 그리고 상기 송신기는 802 단계에서 상기 K개의 수신기의 각 스트림에 대한 어레이 행렬을 구성한다.
상기 송신기는 804 단계에서 상기 어레이 행렬을 구성하는 벡터들의 상관값을 임계값과 비교한다. 그리고 상기 송신기는 806 단계에서 상기 상관값이 임계값보다 작은 경우, 808 단계로 진행하여 상기 K개의 수신기의 각 스트림에 대한 널 조정 벡터를 산출한다.
그리고 상기 송신기는 810 단계에서 상기 널 조정 벡터의 위상 성분을 사용하여 무선 처리 동작을 결정한다. 이어 상기 송신기는 812 단계에서 상기 널 조정 벡터와 무선 처리된 벡터를 기반으로 베이스밴드 처리 동작을 결정하고, 814 단계에서 상기 결정된 베이스밴드 처리 동작 및 무선 처리 동작에 따라 신호를 송신한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭 제어 방식에 따른 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시 예에 따른 효과를 살펴보기 위한 채널 환경은 LOS(Line Of Sight) 성분이 강한 신호(ray) 기반 채널 구조(
Figure pat00040
)를 가지며, AOD(
Figure pat00041
)의 분포는 각 수신기의 중심 각도(θ k )에서 균등 분포(uniform distribution)
Figure pat00042
를 갖도록 한다. 그리고 AOA(
Figure pat00043
)의 분포는 채널의 산란(scattering) 특성에 의해 결정되므로,
Figure pat00044
로 설정된 경우 신호의 개수는 4~10개 사이로 발생시켜 그 성능을 살펴보았다.
도 9의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 빔 조정 방식이 사용될 경우 간섭을 고려하지 않기 때문에 SNR이 높아질수록 전송률(sum rate)은 완만하게 증가됨을 알 수 있다(Beam steering 그래프 참조).
그리고 간섭을 고려한 일반적인 널 조정 방식이 사용될 경우 높은 SNR에서는 간섭 제거의 효과가 있지만, 전 처리기의 전력을 정규화(normalize)하는 과정에서 생기는 성능 저하 현상이 나타남을 알 수 있다(Null steering 그래프 참조).
이를 고려한 본 발명의 실시 예에 따른 상관(correlation) 기반의 널 조정 방식을 이용하면 성능 저하 현상이 줄어드는 효과를 얻을 수 있다(Null steering(corr) 그래프 참조).
한편, 앞서 설명한 널 조정 방식은 베이스밴드 기반의 널 조정 방식이며, 널 조정 방식을 하이브리드 빔포밍 시스템에 적용하게 되면 베이스밴드 기반의 널 조정 방식 보다 RF 체인의 수가 약 64(안테나 수)개에서 8(사용자 수)개로 감소된다. 여기서 근사화로 인한 성능 열화는 존재할 수도 있지만 어느 정도 간섭 제거 효과를 볼 수 있다.
도 9의 (a)에 비해 도 9의 (b)와 같이 피드백 신호의 수가 더 많은 환경에서는 널 조정 방식이 좀 더 높은 성능을 가질 수 있으며, 상관 기반의 선별 방법으로 인한 성능 이득도 증가하는 이점이 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템에서 송신기의 신호 송신 방법에 있어서,
    다수개의 안테나를 사용하여 수신기로 다수개의 신호를 송신하는 과정과,
    상기 수신기로부터 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각(Angle of Departure) 정보가 수신되면, 상기 발사각 정보를 기반으로 신호 송신 방향을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 신호 송신 방향에서 미리 설정된 송신 전력을 사용하여 신호를 송신하는 과정과,
    상기 결정된 신호 송신 방향을 제외한 나머지 신호 송신 방향에서 널(null) 송신을 수행하는 과정을 포함하며,
    상기 발사각 정보는 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각 정보를 포함하는 신호 송신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 널 송신을 수행하는 과정은,
    상기 나머지 신호 송신 방향에서의 송신 전력을 0으로 설정하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정은,
    상기 다수개의 신호 중 신호 이득이 가장 큰 신호에 대한 발사각 정보를 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정은,
    상기 다수개의 신호에 대한 어레이 행렬을 결정하는 과정과,
    상기 어레이 행렬에 포함된 벡터들 간 상관값을 계산하는 과정과,
    상기 계산된 상관값을 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계산된 상관값을 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정은,
    상기 계산된 상관값을 임계값과 비교하는 과정과,
    상기 비교 결과를 기반으로 상기 벡터들 중 적어도 두 개를 상기 어레이 행렬에서 제외시키는 과정과,
    상기 적어도 두 개의 벡터가 제외된 어레이 행렬을 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 어레이 행렬에 포함된 벡터들 간 상관값을 계산하는 과정은,
    상기 어레이 행렬에 포함된 벡터들 중 서로 인접한 방향에 할당된 신호들에 대응하는 벡터들 간 상관값을 계산하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호 송신 방향을 결정하는 과정은,
    다수개의 신호 송신 방향 중 제1방향에 인접한 제2방향을 검출하는 과정과,
    상기 제1방향과 상기 제2방향에 할당된 신호의 상관값을 계산하는 과정과,
    상기 계산된 상관값이 미리 설정된 값보다 작은지 여부에 따라 상기 제2방향을 신호 송신 방향으로서 사용할 것을 결정하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신호를 송신하는 과정은,
    베이스밴드 프리코더(precoder)와 무선 주파수(Radio Frequency) 체인부를 사용하여 상기 신호를 송신하는 과정을 포함하며,
    상기 무선 주파수 체인부는 각 수신기 별로 결정된 널 조정 벡터의 위상 정보를 기반으로 하는 무선 처리 동작을 수행하며,
    상기 베이스밴드 프리코더는 상기 널 조정 벡터와 무선 처리를 위한 벡터 정보를 기반으로 베이스밴드 프리코딩 동작을 수행하며,
    상기 널 조정 벡터는 신호 송신 방향과 널 송신을 수행해야 할 방향 정보에 따른 어레이 벡터를 나타냄을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신호를 송신하는 과정은,
    널 조정 빔포머(beamformer)를 사용하여 상기 신호를 송신하는 과정을 포함하며,
    상기 널 조정 빔포머는 각 수신기 별로 결정된 널 조정 벡터와 무선 처리를 위한 벡터 정보를 기반으로 하는 베이스밴드 프리코딩 동작과, 상기 널 조정 벡터의 위상 정보를 기반으로 하는 무선 처리 동작을 수행하며,
    상기 널 조정 벡터는 신호 송신 방향과 널 송신을 수행해야 할 방향 정보에 따른 어레이 벡터를 나타냄을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 신호 송신 방향에서는 가장 큰 송신 전력이 사용되며, 상기 나머지 신호 송신 방향에서는 가장 작은 송신 전력이 사용됨을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  11. 무선 통신 시스템에서 송신기에 있어서,
    다수개의 안테나와,
    상기 다수개의 안테나를 사용하여 수신기로 다수개의 신호를 송신하는 송신부와,
    상기 수신기로부터 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각(Angle of Departure) 정보를 수신하는 수신부와,
    상기 발사각 정보를 기반으로 신호 송신 방향을 결정하고, 상기 송신부를 제어하여 상기 결정된 신호 송신 방향에서 미리 설정된 송신 전력을 사용하여 신호를 송신하고, 상기 결정된 신호 송신 방향을 제외한 나머지 신호 송신 방향에서 널(null) 송신을 수행하는 제어부를 포함하며,
    상기 발사각 정보는 신호 이득이 큰 순서로 정렬된 상기 다수개의 신호 중 적어도 하나에 대한 발사각 정보를 포함하는 송신기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 나머지 신호 송신 방향에서의 송신 전력을 0으로 설정함을 특징으로 하는 송신기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수개의 신호 중 신호 이득이 가장 큰 신호에 대한 발사각 정보를 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정함을 특징으로 하는 송신기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 다수개의 신호에 대한 어레이 행렬을 결정하고, 상기 어레이 행렬에 포함된 벡터들 간 상관값을 계산하고, 상기 계산된 상관값을 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정함을 특징으로 하는 송신기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 계산된 상관값을 임계값과 비교하고, 상기 비교 결과를 기반으로 상기 벡터들 중 적어도 두 개를 상기 어레이 행렬에서 제외시키고, 상기 적어도 두 개의 벡터가 제외된 어레이 행렬을 기반으로 상기 신호 송신 방향을 결정함을 특징으로 하는 송신기.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 어레이 행렬에 포함된 벡터들 중 서로 인접한 방향에 할당된 신호들에 대응하는 벡터들 간 상관값을 계산함을 특징으로 하는 송신기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 다수개의 신호 송신 방향 중 제1방향에 인접한 제2방향을 검출하고, 상기 제1방향과 제2방향에 할당된 신호의 상관값을 계산하고, 상기 계산된 상관값이 미리 설정된 값보다 작은지 여부에 따라 상기 제2방향을 신호 송신 방향으로서 사용할 것을 결정함을 특징으로 하는 송신기.
  18. 제11항에 있어서,
    베이스밴드 프리코더(precoder)와 무선 주파수(Radio Frequency) 체인부를 더 포함하며,
    상기 무선 주파수 체인부는 각 수신기 별로 결정된 널 조정 벡터의 위상 정보를 기반으로 하는 무선 처리 동작을 수행하며,
    상기 베이스밴드 프리코더는 상기 널 조정 벡터와 무선 처리를 위한 벡터 정보를 기반으로 베이스밴드 프리코딩 동작을 수행하며,
    상기 널 조정 벡터는 신호 송신 방향과 널 송신을 수행해야 할 방향 정보에 따른 어레이 벡터를 나타냄을 특징으로 하는 송신기.
  19. 제11항에 있어서,
    널 조정 빔포머(beamformer)를 더 포함하며,
    상기 널 조정 빔포머는 각 수신기 별로 결정된 널 조정 벡터와 무선 처리를 위한 벡터 정보를 기반으로 하는 베이스밴드 프리코딩 동작과, 상기 널 조정 벡터의 위상 정보를 기반으로 하는 무선 처리 동작을 수행하며,
    상기 널 조정 벡터는 신호 송신 방향과 널 송신을 수행해야 할 방향 정보에 따른 어레이 벡터를 나타냄을 특징으로 하는 송신기.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 결정된 신호 송신 방향에서는 가장 큰 송신 전력이 사용되며, 상기 나머지 신호 송신 방향에서는 가장 작은 송신 전력이 사용됨을 특징으로 하는 송신기.
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