KR20180070434A - mmWave 대역을 위한 통신 방법 및 그 장치 - Google Patents

mmWave 대역을 위한 통신 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

mmWave 대역을 위한 통신 방법 및 그 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 통신 장치의 동작 방법은, 첫 번째 반복에서 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여 제1 사용자를 선택하는 단계와, 상기 선택된 제1 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하는 단계와, 상기 제1 사용자의 유효 채널에 기초하여 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하는 단계와, 상기 계산된 상관 성분들에 기초하여 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계와, 두 번째 반복에서 상기 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여 제2 사용자를 선택하는 단계와, 상기 선택된 제2 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 2차 갱신하는 단계를 포함한다.

Description

mmWave 대역을 위한 통신 방법 및 그 장치{COMMUNICATION METHOD FOR MMWAVE BAND AND APPARATUS THEREOF}
아래 실시예들은 mmWave 대역을 위한 전송 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
기존 셀룰러(cellular) 통신 시스템의 800MHz 내지 1000 MHz 대역으로는 크게 증가하고 있는 무선 통신 사용자 및 기기를 지원하기 어려우며, 이러한 문제를 해결하기 위해 20GHz 내지 60 GHz의 높은 주파수 대역을 사용하는 mmWave 통신 시스템이 주목 받고 있다. 그러나, mmWave 통신의 경우 사용하고자 하는 주파수 대역의 채널 특성상 경로에 의한 감쇄가 클 수 있다. 이러한 부분을 보상하고자 매우 많은 수의 안테나를 이용하여 안테나 이득을 높이는 매시브 MIMO(massive multiple input multiple output) 기술을 mmWave 통신에 접목시키려는 시도가 진행되었다. 그러나, 매시브 MIMO를 적용하는 경우에도 안테나 수가 많아짐에 따라 RF 체인(radio frequency chain)의 수가 증가하여 구현복잡도와 가격이 높아질 수 있다.
기존의 다중 사용자 MIMO 시스템에서의 경우 SUS(semi orthogonal user selection) 알고리즘과 ZF 프리코딩(zero forcing precoding)을 통해 사용자의 수가 매우 많아지는 경우 DPC(dirty paper coding)에 가까운 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나, mmWave 통신의 경우 셀룰러 대역의 채널과 다르게 경로 감쇄가 크고 스캐터(scatter)에 의한 반사파의 영향이 적은 새로운 특성의 mmWave 채널이 고려되어야 한다. 또한, 하이브리드 프리코딩을 고려하는 경우 다중 사용자를 위한 사용자 선택 기법에 대한 연구가 미비하며, 기존 MIMO 시스템과는 달리 프리코딩이 RF 아날로그와 BB 디지털의 두 단계에 걸쳐 이루이지기 때문에, 이를 고려한 새로운 사용자 선택 기법이 필요하다.
아래 실시예들은 mmWave 통신 시스템에서 mmWave 채널의 특성을 고려하여 많은 수의 안테나가 이용되는 것이나 구현 복잡도와 가격의 문제가 상승하는 것을 보완하기 위해 RF 아날로그 프리코더(radio frequency analog precoder) 및 BB 디지털 프리코더 (base band digital precoder)의 두 단계로 송신단을 구성하는 하이브리드 프리코딩(hybrid precoding) 기법을 제공하고, 하이브리드 프리코딩을 위한 사용자 선택 기법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
일 실시예에 따르면, mmWave 대역을 위한 통신 장치의 동작 방법은 첫 번째 반복에서, 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제1 사용자를 선택하는 단계; 상기 선택된 제1 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하는 단계; 상기 제1 사용자의 유효 채널에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하는 단계; 상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계; 두 번째 반복에서, 상기 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제2 사용자를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 제2 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 2차 갱신하는 단계를 포함한다.
상기 제1 사용자의 하향 채널은 상기 대상 사용자의 집합에 관한 상기 하향 채널들 중에 프리코딩 이득이 최대이고, 상기 제2 사용자의 하향 채널은 상기 선별된 각 사용자에 관한 상기 하향 채널들 중에 프리코딩 이득이 최대일 수 있다.
상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하는 단계는 상기 제1 사용자가 상기 선택된 사용자의 집합에 속하도록 상기 선택된 사용자의 집합을 갱신하는 단계; 및 상기 제1 사용자가 상기 대상 사용자의 집합에서 제외되도록 상기 대상 사용자의 집합을 갱신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상관 성분들 각각은 현재 반복에서 고려되는 대상 사용자의 집합에 속한 사용자의 유효 채널을 이전 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널의 널 스페이스에 투사한 값 및 상기 대상 사용자의 집합에 속한 상기 사용자의 상기 유효 채널에 기초한, 제1 상관 성분 및 제2 상관 성분을 포함할 수 있다.
상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계는 상기 제1 상관 성분 및 상기 제2 상관 성분 간의 곱에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자에 관한 상관 곱들을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 상관 곱들 및 미리 정해진 문턱 값 간의 비교를 기초로, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 상기 사용자들을 선별하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 동작 방법은 i번째 반복에서, i-1번째 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널에 기초하여, i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하는 단계; 상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계; 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, i번째 사용자를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 i번째 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 i차 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이 때 상기 i는 2보다 큰 정수일 수 있다.
상기 동작 방법은 상기 선택된 사용자 집합에 속한 각 사용자들의 채널 정보에 기초하여, RF(radio frequency) 아날로그 프리코더 및 BB(baseband) 디지털 프리코더를 설정하는 단계; 및 상기 RF 아날로그 프리코더 및 상기 BB 디지털 프리코더에 기초하여, 하이브리드 프리코딩을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, mmWave 대역을 위한 통신 장치는 프로세서; 및 컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어를 포함하는 메모리를 포함하고, 상기 명령어가 상기 프로세서에서 실행되면, 상기 프로세서는 첫 번째 반복에서, 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제1 사용자를 선택하고, 상기 선택된 제1 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하고, 상기 제1 사용자의 유효 채널에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하고, 상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하고, 두 번째 반복에서, 상기 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제2 사용자를 선택하고, 상기 선택된 제2 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 2차 갱신한다.
상기 프로세서는 상기 제1 상관 성분 및 상기 제2 상관 성분 간의 곱에 기초하여 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자에 관한 상관 곱들을 계산하고, 상기 계산된 상관 곱들 및 미리 정해진 문턱 값 간의 비교를 기초로 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 상기 사용자들을 선별할 수 있다.
상기 프로세서는 i번째 반복에서, i-1번째 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널에 기초하여, i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하고, 상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하고, 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, i번째 사용자를 선택하고, 상기 선택된 i번째 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 i차 갱신할 수 있으며, 이 때 상기 i는 2보다 큰 정수일 수 있다.
상기 프로세서는 상기 선택된 사용자 집합에 속한 각 사용자들의 채널 정보에 기초하여 RF(radio frequency) 아날로그 프리코더 및 BB(baseband) 디지털 프리코더를 설정하고, 상기 RF 아날로그 프리코더 및 상기 BB 디지털 프리코더에 기초하여 하이브리드 프리코딩을 수행할 수 있다.
아래 실시예들은 mmWave 통신에서 하이브리드 프리코딩을 고려한 사용자 선택 기법을 제공할 수 있다. 또한, 아래 실시예들에는 셀룰러 대역과는 다른 mmWave 대역의 채널 특성이 반영되어 있고, 이를 통해 단일 셀의 전체 전송 용량을 크게 증가 시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따른 사용자 선택 알고리즘은, 가능한 프리코딩 행렬의 값을 모두 고려하여 계산한 완전 조사(full search) 기법과 비교하였을 때, 비슷한 성능을 유지하면서 구현 및 계산 복잡도는 낮아지므로 실제 구현에 있어서 장점을 가질 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 mmWave 통신 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 일 실시예에 따른 통신 장치를 나타낸 도면.
도 3은 완전 조사에 따른 성능과, 실시예에 따른 하이브리드 프리코더의 성능과, 임의 선택에 따른 성능 간의 비교를 나타내는 그래프.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 “~사이에”와 “바로~사이에” 또는 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 mmWave 통신 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 통신 장치(110)는 서비스 영역(120) 내의 사용자들과 통신을 수행한다.
통신 장치(110)는 기지국, 중계기 등 일정 영역 내의 사용자들에게 서비스를 제공하는 기기일 수 있다. 통신 장치(110)는 하향 채널(downlink channel)을 통해 서비스 영역(120) 내의 사용자들에게 필요한 정보를 전송할 수 있다. 통신 장치(110)는 기존의 셀룰러 대역인 800MHz 내지 1000 MHz 대역보다 높은 20GHz 내지 60 GHz의 대역을 이용할 수 있다. 20GHz 내지 60 GHz의 대역은 mmWave 대역으로 정의될 수 있다.
통신 장치(110)는 mmWave 대역의 채널 특성을 보완하기 위해 RF 아날로그 프리코더 및 BB 디지털 프리코더를 이용한 하이브리드 프리코딩 방식을 이용하여 사용자들에게 정보를 제공할 수 있다. 또한, 통신 장치(110)는 mmWave 대역의 채널 특성에 부합하는 사용자 선택 기법을 이용할 수 있다. 통신 장치(110)는 전송 용량과 같은 일정한 기준에 따라 서비스 영역(120) 내의 사용자들 중 특정한 사용자(125)를 선택할 수 있다. 아래에서 서비스 영역(120) 내의 사용자들 중 선택의 고려가 되는 사용자들은 대상 사용자의 집합으로 지칭될 수 있고, 대상 사용자의 집합 중 통신 장치(110)에 의해 선택된 사용자들은 선택된 사용자의 집합으로 지칭될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 통신 장치를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 통신 장치는 디지털 프리코더(220), RF 체인(230), 아날로그 프리코더(240) 및 안테나(250)를 포함한다. 통신 장치는 선택된 사용자(210)에게 하이브리드 프리코딩 방식으로 데이터를 전송할 수 있다.
디지털 프리코더(220), RF 체인(230) 및 아날로그 프리코더(240)는 각 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 특정 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또는 특정 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예를 들어 프로세서 또는 마이크로 프로세서를 의미할 수 있다. 한편으로 통신 장치는 프로세서 및 컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어를 포함하는 메모리를 포함할 수 있으며, 상기 명령어가 상기 프로세서에서 실행되면 상기 프로세서는 아래에서 설명되는 디지털 프리코더(220), RF 체인(230) 및 아날로그 프리코더(240) 등에 관한 동작을 수행할 수 있다.
mmWave 통신의 경우 사용하고자 하는 주파수 대역의 채널 특성상 경로에 의한 감쇄가 매우 크다는 단점이 있고, massive MIMO 또한 안테나 수가 많아짐에 따라서 RF chain의 수가 증가하여 구현복잡도와 가격이 높아지는 단점이 있다. 높은 주파수 대역을 사용하는 mmWave 하향 통신 시스템에서는 전송 용량을 높이기 위한 방안이 요구된다. 실시예에 따르면 mmWave 하향 통신 시스템에 적합한 사용자 선택과 하이브리드 프리코딩을 위해 전송 용량을 극대화할 수 있다.
하이브리드 프리코딩은 디지털 프리코더(220)를 통한 BB 디지털 프리코딩과 아날로그 프리코더(240)를 통한 RF 아날로그 프리코딩을 함께 수행하는 기법이다. 안테나(250)의 수 N_BS는 RF 체인(230)의 수 N_RF보다 크거나 같으며, 아날로그 프리코더(240)는 이상기(phase shifter)만을 이용한다고 가정하여, 수학식 1을 정의할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, F_RF는 아날로그 프리코더(240)의 아날로그 프리코딩 행렬을 나타내고, i와 j는 각각 행렬의 인덱스를 나타낸다.
디지털 프리코더(220)의 디지털 프리코딩 행렬을 F_BB로 정의하고, 디지털 프리코더(220)는 ZF 프리코더(zero forcing precoder)라고 가정하면, F_RF와 F_BB는 각각 수학식 2 및 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서
Figure pat00003
는 하향 채널 행렬
Figure pat00004
를 켤레전치(conjugate transpose)한 것(
Figure pat00005
)에서 (i,j)번째 성분의 위상을 나타낸다.
Figure pat00006
여기에서
Figure pat00007
는 아날로그 프리코더(240)을 통과한 채널, 즉
Figure pat00008
를 의미한다.
mmWave 채널은 경로 감쇄가 크고 산란(scatter)에 의한 반사파의 영향이 적은 것을 고려하여, 단일 랜덤 다중경로(uniform random multipath) 채널 모델을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
여기에서 L은 다중경로 개수,
Figure pat00010
와
Figure pat00011
는 각각 경로별 이득과 방향을 나타낸다.
수학식 4에서 조향 벡터(steering vector)
Figure pat00012
는 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
여기에서 d는 인접한 안테나(250) 간 거리이고,
Figure pat00014
는 캐리어(carrier)의 파장을 나타낸다.
위의 채널 모델을 가정하여 mmWave 통신 시스템의 하향 채널 행렬은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00015
전술된 것과 같이 mmWave 하이브리드 프리코딩을 고려한 다중 사용자 시스템의 구조는 도 1과 같으며, 안테나의 수 N_BS는 RF 체인의 수 N_RF보다 크거나 같고, 지원 가능한 사용자의 수는 RF 체인의 수 N_RF와 같다. 또한 아날로그 프리코더(240)는 이상기만을 이용한다고 가정하여, 수학식 1과 같이 크기가 고정되어 있고 위상만 바꿀 수 있다. 디지털 프리코딩 행렬을 F_BB, 아날로그 프리코딩 행렬을 F_RF로 정의하면 송신 신호 x는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있고, 송신 신호의 전력 할당(power allocation)과 프리코딩 행렬의 제한 조건들은 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00016
여기에서 s는 크기 K의 데이터 스트림 벡터를 나타낸다.
Figure pat00017
Figure pat00018
여기에서
Figure pat00019
는 기지국의 송신 파워이고,
Figure pat00020
는 크기 K의 항등행렬을 나타낸다.
이때 u번째 사용자의 수신 신호는 수학식 9와 같으며, 전송 용량은 수학식 10과 같다.
Figure pat00021
Figure pat00022
여기에서
Figure pat00023
는 디지털 프리코더(220)
Figure pat00024
의 u번째 열을 나타낸다.
선택된 사용자의 집합 S에 대하여 전체 전송 용량은 수학식 11과 같고, 실시예들에 따라 수학식 12와 같이 전체 전송 용량을 최대로 하는 사용자 집합이 선택될 수 있다.
Figure pat00025
Figure pat00026
여기에서 T는 모든 사용자의 집합을 나타낸다.
앞서 수학식 9에서 디지털 프리코더(220)에서 바라본 채널, 즉 F_BB앞에 곱해지는 값인
Figure pat00027
를 유효 채널(effective channel)이라 하고 수학식 13과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00028
여기서 디지털 프리코딩을 위해 ZF 프리코더를 사용하는 경우에 전송 용량을 최대로 하기 위해 유효 채널
Figure pat00029
를 이전에 선택된 사용자의 유효 채널의 널 스페이스(null space)에 투사(projection)한 값을 살펴본다. 이를 위해 Gram-Schmidt orthogonalization을 이용하여
Figure pat00030
에 대한 투사 값
Figure pat00031
를 아래 수학식 14와 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00032
여기서 u = 1일 때는
Figure pat00033
이다. 수학식 14에서
Figure pat00034
를 RF 프리코딩을 고려하여 수학식 15와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00035
채널
Figure pat00036
가 i번째 반복(iteration)에서 선택된 사용자의 채널이라 가정하면, 행렬
Figure pat00037
에서 i번째 값은 수학식 16과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00038
여기에서 i번째 반복에서 선택된 사용자의 채널
Figure pat00039
에 상응하는 RF 아날로그 프리코딩은 아래와 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00040
수학식 17을 수학식 16에 대입하여 수학식 16의 값을 계산하면, 이 때 수학식 16은 아래 수학식 18에 해당하는 항을 포함한다.
Figure pat00041
수학식 2에 정의된
Figure pat00042
을 수학식 18에 대입하면, 수학식 18의 행렬 각 원소는 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00043
수학식 19 의 행렬 중 대각(orthogonal) 성분의 값과, 비대각(non-orthogonal) 성분의 평균값은 수학식 20와 같이 나타낼 수 있다..
Figure pat00044
따라서 수학식 18의 값을 평균값을 통해 추정하는 경우, 수학식 21과 같다.
Figure pat00045
수학식 21을 이용하면 수학식 16의 추정값은 수학식 22와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00046
수학식 22는 수학식 14와 같이 유효 채널
Figure pat00047
에 대한 투사 값인
Figure pat00048
의 i번째 성분을 구한 것으로, 이는
Figure pat00049
가 BB ZF precoder을 통과한 결과 중 i번째 성분으로 인한 프리코딩 이득을 구한 것이다. 따라서 앞선 가정에 따라 채널
Figure pat00050
가 선택된다면, 이 선택된 채널을 통해 얻을 수 있는 프리코딩 이득이 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.
표 1은 수학식 22를 기반으로 특정 채널이 선택된다면 가져다 줄 프리코딩 이득을 기준(criterion)으로 하여 사용자를 선택하는 일 실시예의 알고리즘이다.
Figure pat00051
위 알고리즘은 단계 1 내지 단계 5로 구성되어 있으며, 단계 1 내지 단계 4가 사용자 선택(user selection) 과정이고 마지막 단계 5는 선택된 사용자로 구성된 채널을 바탕으로 하이브리드 프리코더의 두 요소인 아날로그 프리코더(240)와 디지털 프리코더(220)를 구하는 과정이다. 아래의 단계 1 내지 단계 5는 미리 정해진 수의 사용자가 선택될 때까지 반복될 수 있다.
단계 1은 상태 변수를 초기화 단계로, i는 반복 인덱스(iteration index)를 나타내고, S와 T_1은 각각 선택된 사용자의 집합과 첫 번째 반복에서 피선택의 대상이 되는 대상 사용자의 집합을 의미한다. 대상 사용자의 집합에서 사용자는 1 내지 M으로 식별된다. 대상 사용자의 집합 T_1에서 선택된 사용자들이 선택된 사용자의 집합인 집합 S에 속하게 된다.
단계 2에서 피선택 대상자인 T_i 각각에 관해 수학식 22를 계산한다. 전술된 것처럼, 수학식 22에 따라 T_i에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득을 구할 수 있다.
단계 3에서 이들 중 수학식 22의 값이 가장 큰 사용자를 선택하고, 이에 맞게 상태 변수를 갱신한다. 여기서 상태 변수는 i, S 및 T_i이다. 선택된 사용자는 s_i로 표시하고, 선택된 사용자의 채널은
Figure pat00052
로 표시하고, i번째 반복에서 선택된 채널은 　
Figure pat00053
로 나타낼 수 있다.
Figure pat00054
를 이용하여
Figure pat00055
가 계산될 수 있는데, 아래에서 설명될 것처럼
Figure pat00056
를 이용하여 상관 성분들의 곱 MC(multiplication of correlation)를 계산할 수 있다. 첫 번째 반복에서 상태 변수가 갱신됨에 따라, i는 1만큼 증가하여 2가 되고, 첫 번째 반복에서 선택된 제1 사용자가 S에 속하도록 S가 갱신되고, 상기 제1 사용자가 T_1에서 제외되도록 T_1이 갱신될 수 있다.
단계 4는 두 상관 성분들의 곱 MC에 따라 다음 반복에서의 대상 사용자의 집합 T_(i+1)를 정하는 단계이다. 수학식 22에서
Figure pat00057
는 두 개의 상관 성분인
Figure pat00058
와
Figure pat00059
의 곱으로 표현된다. 이들은 각각 제1 상관 성분 및 제2 상관 성분으로 지칭될 수 있다. 이 두 상관 성분들의 곱 MC를 통해 수학식 22에서의 뒤 뺄셈 항의 크기를 예상할 수 있으며, MC가 크면 뺄셈 항이 크게 되어 수학식 22의 값이 작을 가능성이 높게 된다. 따라서, T_i에 속한 사용자들 중에 MC가 미리 정해진 문턱 값 ε보다 작거나 같은(혹은 작은) 사용자들을 선별하여 T_(i+1)을 구성할 수 있다. 단계 4를 통해 사용자 선별을 위한 계산량이 크게 감소할 수 있다.
선택된 사용자의 수가 미리 정해진 수 K에 도달하거나, 대상 사용자의 집합에 더 이상 사용자가 남지 않는 경우가 아니라면, 단계 2 내지 단계 4가 반복하여 수행될 수 있다.
단계 5는 사용자 선택 이후에 확정된 채널 정보를 바탕으로 수학식 2 및 수학식 3을 통해 하이브리드 프리코더를 구하는 단계이다.
단계 1 내지 단계 4의 반복을 통해 S에는 선택된 사용자들이 포함되며, 이러한 선택된 사용자의 채널
Figure pat00060
를 통해 채널 H가 계산될 수 있다. 또한, 이 채널 H에 기초하여 F_BB 및 F_RF가 계산될 수 있다. 전술된 것처럼, F_BB 및 F_RF를 통해 하이브리드 프리코딩이 수행될 수 있다.
도 3은 완전 조사에 따른 성능과, 실시예에 따른 하이브리드 프리코더의 성능과, 임의 선택에 따른 성능 간의 비교를 나타내는 그래프이다. 실시예에 따라 전송 용량을 되면 도 3과 같이 나타나며, 임의 선택(random selection)에 비해 성능이 뛰어나고, 완전 서치(full search)와 거의 근접한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다. 복잡도 측면에서 모든 사용자를 검색하여 선택하지 않아도 되기 때문에 완전 서치에 비해 적은 계산 복잡도를 갖는다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(Arithmetic Logic Unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(Field Programmable Gate Array), PLU(Programmable Logic Unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. mmWave 대역을 위한 통신 장치의 동작 방법에 있어서,
    첫 번째 반복에서, 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제1 사용자를 선택하는 단계;
    상기 선택된 제1 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하는 단계;
    상기 제1 사용자의 유효 채널에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하는 단계;
    상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계;
    두 번째 반복에서, 상기 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제2 사용자를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 제2 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 2차 갱신하는 단계
    를 포함하는 통신 장치의 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 사용자의 하향 채널은 상기 대상 사용자의 집합에 관한 상기 하향 채널들 중에 프리코딩 이득이 최대이고, 상기 제2 사용자의 하향 채널은 상기 선별된 각 사용자에 관한 상기 하향 채널들 중에 프리코딩 이득이 최대인, 통신 장치의 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하는 단계는
    상기 제1 사용자가 상기 선택된 사용자의 집합에 속하도록 상기 선택된 사용자의 집합을 갱신하는 단계; 및
    상기 제1 사용자가 상기 대상 사용자의 집합에서 제외되도록 상기 대상 사용자의 집합을 갱신하는 단계
    를 포함하는, 통신 장치의 동작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상관 성분들 각각은
    현재 반복에서 고려되는 대상 사용자의 집합에 속한 사용자의 유효 채널을 이전 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널의 널 스페이스에 투사한 값 및 상기 대상 사용자의 집합에 속한 상기 사용자의 상기 유효 채널에 기초한, 제1 상관 성분 및 제2 상관 성분을 포함하는, 통신 장치의 동작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계는
    상기 제1 상관 성분 및 상기 제2 상관 성분 간의 곱에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자에 관한 상관 곱들을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 상관 곱들 및 미리 정해진 문턱 값 간의 비교를 기초로, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 상기 사용자들을 선별하는 단계
    를 포함하는, 통신 장치의 동작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    i번째 반복에서, i-1번째 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널에 기초하여, i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하는 단계;
    상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하는 단계;
    상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, i번째 사용자를 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 i번째 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 i차 갱신하는 단계
    를 더 포함하고, 상기 i는 2보다 큰 정수인, 통신 장치의 동작 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 집합에 속한 각 사용자들의 채널 정보에 기초하여, RF(radio frequency) 아날로그 프리코더 및 BB(baseband) 디지털 프리코더를 설정하는 단계; 및
    상기 RF 아날로그 프리코더 및 상기 BB 디지털 프리코더에 기초하여, 하이브리드 프리코딩을 수행하는 단계
    를 더 포함하는, 통신 장치의 동작 방법.
  8. mmWave 대역을 위한 통신 장치에 있어서,
    프로세서; 및
    컴퓨터에서 읽을 수 있는 명령어를 포함하는 메모리
    를 포함하고,
    상기 명령어가 상기 프로세서에서 실행되면, 상기 프로세서는
    첫 번째 반복에서, 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제1 사용자를 선택하고,
    상기 선택된 제1 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 선택된 사용자의 집합을 1차 갱신하고,
    상기 제1 사용자의 유효 채널에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하고,
    상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하고,
    두 번째 반복에서, 상기 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, 제2 사용자를 선택하고,
    상기 선택된 제2 사용자에 기초하여, 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 2차 갱신하는,
    통신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상관 성분들 각각은
    현재 반복에서 고려되는 대상 사용자의 집합에 속한 사용자의 유효 채널을 이전 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널의 널 스페이스에 투사한 값 및 상기 대상 사용자의 집합에 속한 상기 사용자의 상기 유효 채널에 기초한, 제1 상관 성분 및 제2 상관 성분을 포함하는, 통신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 상관 성분 및 상기 제2 상관 성분 간의 곱에 기초하여 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자에 관한 상관 곱들을 계산하고, 상기 계산된 상관 곱들 및 미리 정해진 문턱 값 간의 비교를 기초로 상기 1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 상기 사용자들을 선별하는, 통신 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는
    i번째 반복에서, i-1번째 반복에서 선택된 사용자의 유효 채널에 기초하여, i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에 속한 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들을 구성하는 상관 성분들을 계산하고,
    상기 계산된 상관 성분들에 기초하여, 상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 사용자들을 선별하고,
    상기 i-1차 갱신된 대상 사용자의 집합에서 선별된 각 사용자로의 하향 채널들 각각에 관한 프리코딩 이득들에 기초하여, i번째 사용자를 선택하고,
    상기 선택된 i번째 사용자에 기초하여 상기 대상 사용자의 집합 및 상기 선택된 사용자의 집합을 i차 갱신하고,
    상기 i는 2보다 큰 정수인, 통신 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 선택된 사용자 집합에 속한 각 사용자들의 채널 정보에 기초하여 RF(radio frequency) 아날로그 프리코더 및 BB(baseband) 디지털 프리코더를 설정하고, 상기 RF 아날로그 프리코더 및 상기 BB 디지털 프리코더에 기초하여 하이브리드 프리코딩을 수행하는,
    통신 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130127376A (ko) * 2012-05-10 2013-11-22 삼성전자주식회사 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법 및 장치

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Title
Sotiris Karachontzitis and Dimitris Toumpakaris. Efficient and Low-Complexity User Selection for the Multiuser MISO Downlink. IEEE 20th PIMRC. 09.2009.* *

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