KR20180018963A - 섹터 경계에서 QoS를 보장하는 빔 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섹터 경계에서 QoS를 보장하는 빔 형성 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 다수의 섹터로 구성된 원형 단일 셀 내에서 배열 안테나를 사용하는 특정 노드(eNB)에서 QoS를 보장하는 빔을 형성하는 방법은 상기 다수의 섹터 각각 내에 위치한 노드로부터 피드백 받은 코드북 인덱스를 이용하여 신호대 간섭비(SIR)를 예측하는 단계, 간섭을 최소화할 수 있는 새로운 코드북을 추가하는 단계, 및 상기 새로운 코드북을 이용하여 QoS를 보장하는 빔을 선택하는 단계를 포함한다.

Description

섹터 경계에서 QoS를 보장하는 빔 형성 방법{Method for beamforming to guarantee QoS on a sector boundary}

본 발명은 배열 안테나를 이용하는 무선 메쉬 네트워크 환경에서 양자화된 코드북을 이용한 다중 섹터 빔 형성 시 적용 가능한 빔 선택 알고리즘에 관한 것이다.

다수의 노드로 구성된 메쉬 네트워크에서는 메쉬 네트워크를 구성하는 노드간에 송수신간 최대 이득을 얻기 위해서, 다중 안테나를 이용하여 빔을 형성하여 통신하는 방법이 있다. 다중 안테나를 이용하여 실시간으로 최대 이득의 빔을 형성 할 수 있는 한 가지 방법으로, 특정노드(이하, 설명의 편의상 eNB라 함)에서 양자화된 가중치 벡터의 코드북을 만들고, 이 코드북을 이용하여 통신하는 노드에 빔을 형성하는 것이 있다.

양자화된 코드북을 사용할 경우, 노드는 주어진 채널 환경에서 가장 적합한 코드북 인덱스를 통신하고 있는 eNB로 피드백 한다. eNB는 피드백 받은 인덱스를 확인하고 인덱스에 해당하는 가중치 벡터를 코드북 내에서 찾아낸 후 이 가중치 벡터를 이용하여 피드백 인덱스를 전송한 노드에 대해 지향성 빔을 형성한다. 피드백 인덱스 및 인덱스에 해당하는 가중치 벡터는 메쉬 네트워크를 구성하는 모든 노드들간에 미리 정해진 약속된 값들 중에서 선택하여 사용한다.

이러한 코드북 기반의 빔 형성 방식은 기존에도 사용되고 있다. 예컨대, 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 Rel-8(Release 8)에서 코드북 기반의 프리코딩 행렬(Pre-coding matrix)을 이용한 빔형성을 기본 방식으로 정하였고, Rel12(Release 12)에서는 프리코딩 행렬을 기반으로 한 4-Tx & 2-Rx dual-polarized 배열 안테나가 사용되고 있다.

그러나, 이러한 종래기술에 근거한 코드북을 이용한 빔 형성 방식은 형성된 빔이 통신하고자 하는 노드의 주변에 위치한 다른 노드에 미치는 간섭은 고려하지 않고, 오직 통신하고자 하는 하나의 노드에게만 최대한 방향성을 갖도록 빔을 형성하도록 한다. 이러한 기존의 방식은 무선 메쉬 네트워크에서 서로 다른 섹터에 존재하는 노드들이 동일 방향의 섹터경계로 근접하는 경우, 각각의 개별 노드들이 생성한 다수의 빔들로 인해 섹터 경계로 근접한 노드들 간의 송수신 상호간섭이 급격히 커지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 특정 노드가 이동 노드에 대한 빔 형성 시 서로 다른 두 노드의 위치가 동일한 섹터 경계에서 근접성을 가지는 환경일 경우, 서로 다른 두 노드 모두에 대한 신호대 간섭비가 감쇠하여 각 노드의 QoS 보장이 불가능해지는 문제를 해결하기 위한 배열안테나의 빔 형성 방법을 제공함에 있다.

전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 다수의 섹터로 구성된 원형 단일 셀 내에서 배열 안테나를 사용하는 특정 노드(eNB)에서 QoS를 보장하는 빔을 형성하는 방법은 상기 다수의 섹터 각각 내에 위치한 노드로부터 피드백 받은 코드북 인덱스를 이용하여 신호대 간섭비(SIR)를 예측하는 단계, 간섭을 최소화할 수 있는 새로운 코드북을 추가하는 단계, 및 상기 새로운 코드북을 이용하여 QoS를 보장하는 빔을 선택하는 단계를 포함한다.

eNB에서 각 섹터의 노드로부터 피드백 받은 코드북 인덱스를 종합하여, 기존의 주빔 이득을 최대로 하는 코드북과 섹터간 간섭을 고려한 코드북을 함께 사용 하는 방식을 적용하여, 다양한 코드북을 통해 시간에 따라 변하는 채널 환경에서 적절한 빔을 형성할 수 있도록 함으로써 전체적인 데이터 전송량을 향상시키는 방식으로 노드의 QoS를 보장할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 양자화된 코드북 인덱스의 피드백을 이용하여 간섭 신호 예측 및 신호대 간섭 비 향상을 통해 QoS를 보장하는 빔 형성 방법은 섹터 경계에서 노드의 QoS를 보장하는데 큰 효과를 보인다. 예컨대, 이동성이 있는 노드가 섹터 경계로 동시에 이동할 때 기존의 빔 선택 방법 보다 본 발명의 실시예에 따른 빔 선택방법이 더 높은 SNR을 보이며 QoS 보장에 대한 신뢰도 또한 더욱 우월하다.

도 1은 단일 셀 다중 섹터 무선 메쉬 네트워크를 예시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이동 노드에 대한 신호대 간섭비 최대화를 위한 빔 형성 과정을 설명하기 위한 참조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 QoS를 보장하는 빔 선택 알고리즘 흐름도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고, 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

설명에 앞서 본 발명에서 적용될 수 있는 단일 셀 다중섹터 무선 메쉬 네트워크를 간략히 설명한다. 이는 본 명세서의 이해를 돕기 위한 것으로서 명시적으로 본 발명을 한정하는 사항으로 기재하지 않은 경우에는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 의미로 사용하는 것이다.

본 발명에서는 네 개의 90° 섹터로 구성된 도 1과 같은 원형 단일 셀을 고려한다. 셀의 네트워크 환경은 무선 메쉬 네트워크이며, eNB(특정 노드)와 4개의 노드로 이루어져 있다.

eNB는 n개 안테나 엘리먼트로 구성된 하나의 배열 안테나를 사용하고, 각 노드에 독립적인 빔을 형성한다. 하나의 수신 안테나를 가지는 노드가 섹터 내의 n개의 안테나 엘리먼트로 구성된 배열 안테나로부터 겪는 채널값 H_r은 수학식 1 내지 3과 같이 모델링할 수 있다.

여기서, R은 eNB의 배열 안테나 간의 공분산 행렬(Covariance matrix)이고, ρ_ij는 안테나 i와 안테나 j 간의 채널 상관계수이다. i=j일 경우, ρ_ij=1이다. 아울러, H_w는 n개의 상관관계가 없는 채널을 나타내며, eNB와 노드 사이의 채널은 LOS(Line of Sight)환경이라 가정한다.

eNB에서 다중 안테나 빔 형성을 위해서는 각 노드로부터 채널정보 H_r을 피드백 받아야 한다. 그러나, 피드백 받은 데이터량이 오버헤드로 작용하기 때문에, eNB는 노드로부터 H_r에 따른 빔 형성 코드북 인덱스를 피드백 받는다. 노드에서 eNB로 피드백하기 위한 코드북을 찾는 방법은 채널과 빔 형성 가중치 벡터의 곱이 최대가 되는 것을 선택하며, 수학식 4와 같을 수 있다.

여기서, W_i는 eNB와 노드 간 공유하고 있는 I개의 빔 형성 벡터를 가지는 코드북의 i번째 가중치 벡터이며, n×1 행렬이다. W_i의 집합을 코드북 C라 하고, j는 수학식 4를 만족한 경우 eNB로 피드백되는 코드북 인덱스를 나타낸다. eNB는 피드백 받은 코드북 인덱스를 통해 해당 노드에게 빔 형성을 할 수 있다.

만약, 도 2와 같이 다중 섹터 상황에서 노드가 섹터 경계로 이동하게 되면, 주빔과 부빔이 다른 섹터에도 영향을 주게 된다. 따라서, 다른 섹터 내 노드의 신호 대 간섭비(Signal to Interference Ratio, SIR)는 낮아지게 되고 이는 데이터 전송 속도 저하로 나타나게 된다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 각 섹터의 피드백 받은 코드북 인덱스를 종합한 뒤, 코드북 C를 이용해 섹터 간 간섭을 예측하고 감소시키는 빔 형성을 통해, 노드의 tbroughout을 향상시키며 다중 노드의 QoS(Quality of Service)를 보장하는 방법을 제안한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 섹터 경계에서 QoS를 보장하는 배열안테나의 빔 형성 방법은 피드백 받은 코드북 인덱스를 통해 SIR을 예측하고, 이를 통해 다중 섹터 노드의 신호 대 간섭비를 향상시켜 노드들의 QoS를 보장하는 것이다.

먼저, L개의 섹터로 구성된 특정 노드(eNB)에서 코드북을 이용해 빔을 형성할 경우, 특정 노드(eNB)는 각 섹터의 노드로부터 피드백 받은 코드북 인덱스로부터 신호대 간섭비(SIR)를 예측한다. 여기서, 특정 노드(eNB)는 연산 가능한 프로세서를 포함할 수 있으며, 하기에서는 특별한 언급이 없는 한 특정 노드(eNB)의 프로세서에서 동작하는 것으로 간주한다.

빔 형성을 위한 가중치 벡터를 W_i라 하고, W_i가 I개로 이루어진 코드북을 C라 하면, 코드북 C는 (1

I)인 행렬로 나타낼 수 있다. 이 코드북 C를 이용하여 eNB에서 각 섹터마다 형성 가능한 빔 패턴의 모든 조합은 섹터의 개수 L값을 열로 갖고, 섹터 별로 사용 가능한 W_i의 조합 개수 I^L 값을 행으로 갖는 (I^L

L)인 행렬로 나타낼 수 있다. 이 행렬을 이용하여 m번째 행에서 l 번째 섹터의 신호 대 간섭비 값 S^l _m은 수학식 5와 같이 구할 수 있다.

여기서, P_l은 l번째 섹터의 주빔 이득, J_k는 l번째 섹터의 주빔 범위내에서 인접한 섹터들의 간섭을 나타낸다. 모든 빔 선택의 경우의 수에 대한 l번째 섹터의 신호 대 간섭비 값 S^l _m을 이용하여, 빔 패턴 조합에 따라 (I^L

L) 행렬의 각 섹터의 신호 대 간섭비의 값을 나타내는 행렬 S를 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

이와 같이, 특정 노드(eNB)는 행렬 S를 이용하여 피드백 받은 코드북 인덱스의 조합을 통해 신호대 간섭 비를 예측할 수 있다.

이때, 행렬 S의 크기는 (I^L

L)로, 섹터의 개수와 코드북 크기에 따라 기하급수적으로 커지게 된다. 이러한 경우 섹터 간 노드가 인접하지 않은 나머지 섹터들은 간섭으로 인한 영향이 적기 때문에 간섭을 고려할 필요가 없다. 즉, 실질적인 운용을 위해 행렬의 크기를 줄일 필요가 있다.

따라서, 행렬 S의 크기를 줄이기 위해, 노드가 섹터 외각으로 이동하여 주빔이 다른 섹터에 간섭으로 크게 작용하는 경우에 한하여 행렬 S로부터 분리하여 신호대 간섭비를 예측한다. 서로 다른 두 노드가 같은 섹터 경계로 이동하여 주빔이 다른 섹터에 큰 간섭으로 작용하는 인접한 2개의 섹터에 한하여 신호대 간섭비를 예측한다. 예컨대, I개의 코드북 C에서 노드가 인접 섹터로 이동함에 따라 상호간 큰 간섭으로 작용하는 코드북의 빔 형성 벡터 개수를 x라 하면, 코드북 C의 신호대 간섭비 행렬 S의 크기는 x×x로 감소하게 된다.

아울러, 특정 노드(eNB)는 간섭을 최소화할 수 있는 새로운 코드북을 추가한다. 예컨대, 노드가 섹터 외각으로 이동할 때, 신호대 간섭비가 낮아지는 범위에서 노드의 신호대 간섭비를 향상시키기 위해 l번째 섹터의 주빔 범위 내에서 인접한 섹터의 이득이 작은 새로운 코드북 C'를 찾는다. 이때, 수학식 7을 만족하는 빔을 선택할 수 있다.

기존의 코드북은 최대 빔 형성을 고려하여 설계되었기 때문에, 노드들이 섹터 경계에 인접한 경우 상호 간섭을 줄이기 어렵다. 만일 노드에게 최대 빔 형성 이득을 주지 않더라도 인접 섹터의 간섭을 고려하여 노드간의 신호대 간섭비가 더 우수한 빔 형성을 할 수 있는 새로운 코드북 C'를 가지고 있다면, 노드간의 신호대 간섭비를 더욱 향상시킬 수 있다. 이 경우, 코드북 C와 새로운 코드북 C'를 이용하여 코드북의 신호대 간섭비 행렬 S와 S'를 구한 경우, 수학식 7을 만족하는 빔 형성 벡터를 선택함으로써 신호대 간섭비를 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 신호대 간섭비를 고려하여 빔 형성을 하면, 섹터 간 상호 간섭이 줄어들게 되므로 섹터 내 노드의 데이터 속도를 향상시킬 수 있다. 그러나 이는 신호대 간섭비만을 고려하기 때문에 노드의 QoS를 보장하지 않는다.

따라서, 특정 노드(eNB)는 찾은 새로운 코드북 C'를 이용하여 QoS를 보장하는 빔을 선택하여 형성해야 한다. 이때, 모든 노드의 QoS를 보장하기 위해서 스케줄링을 사용한다. 이는 모든 노드의 QoS를 보장하기 위해서 노드의 정확한 채널 정보를 알고 있어야 하지만 모든 노드의 채널 정보를 정확히 예측하는 것은 불가능하다.

따라서, 새로운 코드북 C'와, 피드백된 채널 품질 정보(Channel Quality Indicator, CQI), 그리고 예측된 신호대 간섭비를 이용하여 노드의 QoS를 보장하는 빔을 형성한다. 이때, 도 3과 같은 알고리즘 흐름도를 통해 QoS를 보장하는 빔을 선택할 수 있다.

이하에서는, 도 2와 같이 마주한 섹터 1(l1)과 섹터 2(l2) 내의 노드들이 섹터 경계에서 인접한 경우를 예를 들어 설명한다.

먼저, 각 노드로부터 코드북 인덱스와 CQI를 피드백 받으며(S301), 코드북 C를 통해 신호대 간섭비 값 S^l _m이 계산될 수 있다(S302).

각 섹터에서 eNB가 보장해야 하는 QoS와 현재 시간에서 얻어지는 QoS의 차(△QoS)를 계산한다(S303). 이때, CQI를 통해 얻은 링크레벨 MCS 모델과 각 섹터의 신호대 간섭비 값 S^l _m을 이용해 현재 링크에서 얻어지는 QoS를 예측하여 △QoS를 구할 수 있다. 예컨대, l1번째 섹터의 노드에서 eNB가 보장해야 하는 QoS와 현재 시간 t에서 노드가 받는 QoS의 차인 △QoS_l1과 l2번째 섹터의 노드에서 eNB가 보장해야 하는 QoS와 현재 시간 t에서 노드가 받는 QoS의 차인 △QoS_l2를 계산한다.

특정 노드(eNB)는 △QoS_l1과 △QoS_l2를 비교한다(S304). 이때, △QoS_l1이 △QoS_l2보다 크다는 것은 l1번째 섹터가 l2번째 섹터에 비해 자원 할당을 더 받아야된다는 것을 의미한다.

따라서, 단계 S304의 비교 결과 △QoS_l1이 △QoS_l2보다 크면, l2 섹터는 l1번째 섹터의 신호대 간섭비가 최대가 되는 가중치 벡터 W_i'를 선택하며(S305), l1번째 섹터는 메인 빔 gain이 최대가 되는 W_i를 선택한다(S306).

만약, 단계 S304의 비교 결과 △QoS_l1이 △QoS_l2보다 크지 않으면, l1 섹터는 l2번째 섹터의 신호대 간섭비가 최대가 되는 가중치 벡터 W_i'를 선택하며(S307), l2번째 섹터는 메인 빔 gain이 최대가 되는 W_i를 선택한다(S308).

이후, 각 섹터의 Wi와 Wi'를 이용하여 노드의 QoS를 보장하는 빔을 형성한다(S309).

한편, 본 발명에서 제안한 알고리즘에 적용될 수 있는 스케줄링 방법으로 다음의 실시 예가 있다. 기존의 여러 스케줄링 기법 중 일반적으로 널리 사용되고 있는 비례공평(proportional fair) 스케줄링 기법에 본 발명에서 제안한 알고리즘을 적용하였을 때 QoS가 보장되며 SIR이 향상되는 것을 보이는 실시 예가 될 수 있다. 이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

비례공평 스케줄링은 모든 노드에게 균등한 QoS를 보장하는 스케줄링 기법으로 우선순위 계수 pf(prioritization coefficients)에 따라 노드에게 자원을 할당하는 방법이며, pf를 구하기 위해 노드의 채널 정보를 필요로 한다. 그러나, eNB는 노드의 채널 정보를 알 수 없다. 따라서,

번째 섹터가 시간 t 동안 전송한 평균 데이터 전송량 R과 eNB가 노드들로부터 피드백 받은 코드북 인덱스와 CQI로부터

번째 섹터의 SIR 값을 예측하고, 이 예측 값을 이용하여 비례공평 스케줄링에 필요한 pf를 예측한다.

예컨대,

번째 섹터의 SIR 예측 값 S^l _m과 피드백 받은 CQI에 따른 MCS 모델에 따라 현재 전송율 r을 예측한다. 예측한 현재 전송률 r값을

번째 섹터의 현재 채널의 값으로, 평균 데이터 전송량 R 값을 시간 t 동안 평균 채널 값으로 생각 할 수 있다. 따라서,

번째 섹터의 우선순위 계수 pf_l은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 8의 값을 이용하여 비례공평 스케줄링 기법을 적용할 수 있다. pf_l이 크다는 것은 상대적으로 평균 데이터 전송량 R이 작고, 현재의 채널 이득이 상대적으로 좋다는 것을 의미한다.

따라서, 수학식 9를 만족할 경우,

번째 섹터는 주빔 이득이 최대가 되는 Wi를 이용하는 빔을 형성하고, 인접 섹터들은

번째 섹터의 신호대 간섭비가 최대가 되는 W_i'를 선택하여

번째 섹터 노드의 QoS를 보장한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 양자화된 코드북 인덱스의 피드백을 이용하여 간섭 신호 예측 및 신호대 간섭 비 향상을 통해 QoS 를 보장하는 빔 형성 방법은 섹터 경계에서 노드의 QoS를 보장하는데 큰 효과를 보인다. 즉, 이동성이 있는 노드가 섹터 경계로 동시에 이동할 때 기존의 빔 선택 방법보다 본 발명의 실시예에 따른 빔 선택방법이 더 높은 SNR을 보이며 QoS를 보장에 대한 신뢰도 또한 더욱 우월하다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 다수의 섹터로 구성된 원형 단일 셀 내에서 배열 안테나를 사용하는 특정 노드(eNB)에서 QoS를 보장하는 빔을 형성하는 방법에 있어서,
   상기 다수의 섹터 각각 내에 위치한 노드로부터 피드백 받은 코드북 인덱스를 이용하여 신호대 간섭비(SIR)를 예측하는 단계;
   간섭을 최소화할 수 있는 새로운 코드북을 추가하는 단계; 및
   상기 새로운 코드북을 이용하여 QoS를 보장하는 빔을 선택하는 단계;
   를 포함하는 섹터 경계에서 QoS를 보장하는 빔 형성 방법.

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