KR20190115817A - Beamforming Device and Method for Non-orthogonal Multiple Acecess - Google Patents

Beamforming Device and Method for Non-orthogonal Multiple Acecess

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KR20190115817A
KR20190115817A KR1020180038985A KR20180038985A KR20190115817A KR 20190115817 A KR20190115817 A KR 20190115817A KR 1020180038985 A KR1020180038985 A KR 1020180038985A KR 20180038985 A KR20180038985 A KR 20180038985A KR 20190115817 A KR20190115817 A KR 20190115817A
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Abstract

The present invention relates to a beamforming apparatus for non-orthogonal multi-access and a method thereof, which are capable of minimizing power consumption of a base station. The method of the present invention comprises the steps of: obtaining an optimal power allocation ratio; and obtaining an optimal beam steering vector.

Description

비직교 다중 접속을 위한 빔포밍 장치 및 방법{Beamforming Device and Method for Non-orthogonal Multiple Acecess}Beamforming Device and Method for Non-Orthogonal Multiple Access

본 발명은 빔포밍 장치 및 방법에 대한 것으로서, 보다 구체적으로 다중 안테나를 지원하는 셀룰러 하향 링크에서 비직교 다중 접속(NOMA)을 위한 빔포밍 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a beamforming apparatus and method, and more particularly, to a beamforming apparatus and method for non-orthogonal multiple access (NOMA) in a cellular downlink supporting multiple antennas.

4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.4G (4th generation) to meet the traffic demand in the radio data communication system increases since the commercialization trend, efforts to develop improved 5G (5 th generation) communication system, or pre-5G communication system have been made. For this reason, a 5G communication system or a pre-5G communication system is called a Beyond 4G Network communication system or a Long Term Evolution (LTE) system (Post LTE) system.

그러나, 기존의 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal frequency division multiple acess) 방식을 기반으로 한 무선 통신 시스템은 5G 이동통신 시스템이 요구하는 높은 전송률과 대규모 연결성을 지원할 수 없다. 또한, 하향링크 시스템에서 정보 전송을 할 때 각 사용자의 최소 전송률을 보장하기 위해서는 기지국의 소비전력을 증가시키거나 대역폭을 늘려야 하는데, 보장하는 최소 전송률의 증가에 따라 필요한 소비전력은 지수적으로 증가하므로 소비전력을 증가시키는 것에는 한계가 있으며, 주파수 자원은 한정적이기 때문에 대역폭을 늘리는 것에도 한계가 있다. 따라서 비직교 다중 접속 방식(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)을 도입하고 이와 더불어 다중 안테나 기술을 적용하는 것이 필요하다.However, a wireless communication system based on an orthogonal frequency division multiple access scheme cannot support the high data rate and large connectivity required by the 5G mobile communication system. In addition, when transmitting information in the downlink system, in order to guarantee the minimum transmission rate of each user, the power consumption of the base station should be increased or the bandwidth should be increased. As the guaranteed minimum transmission rate increases, the required power consumption increases exponentially. There is a limit to increasing power consumption, and there is a limit to increasing bandwidth because frequency resources are limited. Therefore, it is necessary to introduce a non-orthogonal multiple access method (NOMA) and to apply a multiple antenna technology.

이에 대하여 특허문헌 1을 살펴보면, NOMA 기반 하향링크 시스템에서 클러스터 생성과 빔포밍 벡터를 이용해 공간 자원의 공유에 따른 간섭을 줄이는 방법을 제공하였으나, 생성된 클러스터 내에서 상대적으로 기지국과 가까운 사용자의 채널을 기준으로 빔포밍 벡터를 생성했으며, 기지국의 소비전력을 고려하지 않았다는 문제점이 있으며, 특허문헌 2를 살펴보면, NOMA 기반 하향링크 시스템에서 복수의 단말에 대한 타입 정보에 기초하여 타입별 빔포밍 벡터를 비직교적으로 생성하고 이에 대한 자원을 할당하는 방법을 제공하였으나, 단말의 타입을 구분지어 빔포밍 벡터를 생성하여 시스템의 복잡도를 증가시키는 것은 물론 기지국의 소비전력을 고려하지 않은 문제점이 있다.Referring to Patent Document 1, in the NOMA-based downlink system, a method for reducing interference due to sharing of spatial resources by using cluster generation and beamforming vector is provided, but a channel of a user relatively close to a base station is relatively generated within the generated cluster. A beamforming vector is generated based on a reference, and there is a problem that power consumption of the base station is not considered. Referring to Patent Document 2, in the NOMA-based downlink system, the beamforming vector for each type is decremented based on the type information for a plurality of terminals. Although orthogonally generated and a method for allocating resources for the same are provided, there is a problem in that the beamforming vector is generated by dividing the types of the UEs to increase the complexity of the system and not consider power consumption of the base station.

한편, 특허문헌 1,2의 문제점을 해결하기 위해 비특허문헌 1에서는 두 사용자를 지원하기 위해 각각의 사용자에게 독립적인 빔포밍 벡터를 사용했고 최적의 빔포밍 벡터를 얻기 위해 반복적 최적화 방법이 고려되었지만, 복잡도가 매우 높을 뿐만 아니라 구현 가능성이 낮다는 문제점이 있다.Meanwhile, in order to solve the problems of Patent Documents 1 and 2, Non-Patent Document 1 used an independent beamforming vector for each user to support two users, and an iterative optimization method was considered to obtain an optimal beamforming vector. However, there is a problem in that the complexity is very high and the possibility of implementation is low.

대한민국 공개특허 제10-2014-0125643호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0125643 대한민국 공개특허 제10-2016-0146501호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0146501

Z. Chen, Z. Ding, X. Dai, and G. K. Karagiannidis, “On the application of quasi-degradation to MISO-NOMA downlink,” IEEE Trans. Sig. Process., vol. 64, no. 23, pp. 6174-6189, Dec. 2016. Z. Chen, Z. Ding, X. Dai, and G. K. Karagiannidis, “On the application of quasi-degradation to MISO-NOMA downlink,” IEEE Trans. Sig. Process., Vol. 64, no. 23, pp. 6174-6189, Dec. 2016.

본 발명의 목적은 하향링크를 위한 NOMA 방식에서 하나의 쌍을 이루는 두 사용자에 대하여 각 사용자의 최소 전송률을 보장하고, 기지국의 소비전력을 최소화할 수 있는 빔포밍 장치 및 방법을 제공하는 것에 있다.An object of the present invention is to provide a beamforming apparatus and method that can ensure the minimum transmission rate of each user and minimize the power consumption of the base station for two paired users in the NOMA scheme for downlink.

본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 방법에 있어서, 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제1 목적함수를 통해 상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 전력 할당비를 최적화하여 최적의 전력 할당비를 구하는 단계 및 상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계를 포함하고, 상기 제1 목적함수는 에 의해 정의될 수 있다.In a beamforming method for minimizing power consumption of a base station according to an embodiment of the present invention, a user pair (i, j) in a cell area of the base station is provided through a first objective function for minimizing power consumption of the base station. Optimizing the power allocation ratio to obtain the optimal power allocation ratio and using the optimal power allocation ratio to optimize the beam steering vector for the user pair through a second objective function for minimizing the power consumption of the base station. And obtaining an optimal beam steering vector, wherein the first objective function is Can be defined by

여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산.here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver.

여기에, 상기 최적의 전력 할당비는 일 수 있다.Here, the optimal power allocation ratio Can be.

여기에, 상기 제2 목적함수는 에 의해 정의될 수 있다. 여기서, .Here, the second objective function is Can be defined by here, .

여기에, 상기 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계는 상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하는 단계를 더 포함하고, 상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의될 수 있다. 여기서, , 이고, .Here, the obtaining of the optimal beam steering vector may include calculating the second objective function. By applying The method further includes the step of transforming the beam beam vector into It can be defined as here, , ego, .

여기에, 상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include generating a beamforming vector using the optimal beam steering vector.

여기에, 상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 단말기에 송신될 심볼에 전력을 할당하는 단계, 상기 사용자 쌍에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 상기 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성하는 단계, 및 상기 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Herein, allocating power to a symbol to be transmitted to a terminal using the optimal power allocation ratio, encoding a symbol to be transmitted to the user pair, and generating an overlapping code signal by overlapping the encoded symbols And performing beamforming on the generated superimposed code signal by using the beamforming vector.

여기에, 상기 빔포밍 벡터는 상기 기지국의 셀 반경 내에 상기 사용자 쌍만 있는 경우 상기 사용자 쌍 유효채널 벡터()를 실제 채널 벡터()로 둘 때의 상기 최적의 빔조종 벡터와 같고, 상기 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍 이상의 사용자들이 있는 경우 상기 사용자 쌍 유효채널 벡터가 일 때의 상기 빔포밍 벡터는 에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 은 사용자 i, j를 제외한 하향링크 채널의 널 공간(null space)을 형성하는 기저 벡터의 행렬이고, 이고, M은 기지국의 안테나 수, K는 사용자의 수.Here, the beamforming vector is the user pair effective channel vector when there is only the user pair within the cell radius of the base station. ) Is the actual channel vector ( Is equal to the optimal beam steering vector when set to < RTI ID = 0.0 >), and < / RTI > The beamforming vector when Can be defined by here, Is a matrix of basis vectors forming a null space of a downlink channel excluding users i and j, Where M is the number of antennas in the base station and K is the number of users.

여기에, 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include selecting the user pair.

여기에, 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는 상기 최적의 전력 할당비 및 상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 최적의 소비전력을 구하는 단계, 및 상기 기지국의 전체 소비전력을 최소화하기 위한 제3 목적함수에 대하여 사용자 쌍 지표를 최적화하여 최적의 사용자 쌍 지표를 구하는 단계를 포함하고, 상기 제3 목적함수는 에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 는 사용자 쌍 지표이고, 는 최적의 소비전력.The selecting of the user pair may include obtaining an optimal power consumption using the optimal power allocation ratio and the optimal beam steering vector, and a third objective function for minimizing the total power consumption of the base station. Obtaining an optimal user pair index by optimizing the user pair index with respect to the third objective function. Can be defined by here, Is the user pair indicator, Is the optimal power consumption.

여기에, 상기 최적의 소비전력은 에 의해 정의될 수 있다.Here, the optimum power consumption is Can be defined by

본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 방법에 있어서, 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제1 목적함수를 통해 상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 전력 할당비를 최적화하여 최적의 전력 할당비를 구하는 단계, 상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계, 및 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계를 포함하고, 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는 사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 에 의해 산출하는 단계, 상기 기지국의 셀 영역 내의 모든 사용자 집합에 대하여 상기 산출된 상관계수가 가장 높은 순서대로 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계, 및 상기 선정된 사용자 쌍을 상기 모든 사용자 집합에서 제거시키는 단계를 포함하고, 상기 제1 목적함수는 에 의해 정의되고, 상기 제2 목적함수는 에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산, .In a beamforming method for minimizing power consumption of a base station according to an embodiment of the present invention, a user pair (i, j) in a cell area of the base station is provided through a first objective function for minimizing power consumption of the base station. Obtaining an optimal power allocation ratio by optimizing the power allocation ratio, and optimizing the beam steering vector for the pair of users through a second objective function for minimizing power consumption of the base station using the optimal power allocation ratio Obtaining an optimal beam steering vector, and selecting the user pair, wherein selecting the user pair comprises: a user pair effective channel vector ( ) The correlation coefficient of Calculating, selecting the user pairs in order of highest correlation coefficient for all user sets in the cell area of the base station, and removing the selected user pairs from all user sets. Including, the first objective function is Is defined by the second objective function Can be defined by here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver, .

여기에, 상기 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계는 상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하는 단계를 더 포함하고, 상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의될 수 있다. 여기서, , 이고, .Here, the obtaining of the optimal beam steering vector may include calculating the second objective function. By applying The method further includes the step of transforming the beam beam vector into It can be defined as here, , ego, .

여기에, 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는 상기 모든 사용자 집합 내의 사용자가 쌍을 형성할 때까지 반복 수행될 수 있다.Here, the selecting of the user pair may be repeated until the users in all the user sets form the pair.

본 발명의 일 실시 예에 따른 기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 장치에 있어서, 상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 최적의 전력 할당비 및 최적의 빔조종 벡터를 생성하고, 상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성하고, 상기 사용자 쌍을 선정하는 제어부, 상기 사용자 쌍에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 상기 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성하는 중첩 부호화부, 및 상기 중첩 부호화부를 통해 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 상기 빔포밍 벡터 생성부를 통하여 생성된 빔포밍 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 빔형성부를 포함할 수 있다.In a beamforming apparatus for minimizing power consumption of a base station according to an embodiment of the present invention, an optimal power allocation ratio and an optimal beam steering vector for a user pair (i, j) in a cell area of the base station are generated and A beamforming vector is generated using the optimal beam steering vector, a controller for selecting the user pair, encoding a symbol to be transmitted to the user pair, and generating an overlapping code signal by superimposing the encoded symbols. And an overlapping encoder and a beamformer configured to perform beamforming on the overlapped code signal generated by the overlapping encoder by using the beamforming vector generated by the beamforming vector generator.

여기에, 상기 제어부는 제1 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 전력 할당비를 최적화하여 상기 최적의 전력 할당비를 구하고, 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 상기 최적의 빔조종 벡터를 구하여 상기 빔포밍 벡터를 생성하는 빔포밍 벡터 생성부, 상기 사용자 쌍을 선정하는 선정부, 및 상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 사용자 쌍(i,j)에 송신할 심볼에 각각 전력을 할당하는 전력 할당부를 포함하고, 상기 제1 목적함수는 에 의해 정의되고, 상기 제2 목적함수는 에 의해 정의될 수 있다. 여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산, .Here, the controller obtains the optimal power allocation ratio by optimizing the power allocation ratio for the user pair through a first objective function, and optimizes the beam steering vector for the user pair through a second objective function. A beamforming vector generator for obtaining an optimal beam steering vector and generating the beamforming vector, a selector for selecting the user pair, and an optimal power allocation ratio to be transmitted to the user pair (i, j). And a power allocator for allocating power to each symbol, wherein the first objective function Is defined by the second objective function Can be defined by here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver, .

여기에, 상기 빔포밍 벡터 생성부는 상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하고, 상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의될 수 있다. 여기서, , 이고, .Here, the beamforming vector generator generates the second objective function. By applying And the optimal beam steering vector is It can be defined as here, , ego, .

여기에, 상기 선정부는 상기 사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 에 의해 산출하고, 상기 기지국의 셀 영역 내의 모든 사용자 집합에 대하여 상기 산출된 상관계수가 가장 높은 순서대로 상기 사용자 쌍을 선정할 수 있다.Here, the selecting unit is the user pair effective channel vector ( ) The correlation coefficient of The user pairs may be selected in order of the highest calculated correlation coefficient for all user sets in the cell area of the base station.

여기에, 상기 선정부는 상기 선정된 사용자 쌍을 상기 모든 사용자 집합에서 제거시킬 수 있다.Here, the selector may remove the selected user pair from all the user sets.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하향링크를 위한 NOMA 방식에서 하나의 쌍을 이루는 두 사용자에 대하여 각 사용자의 최소 전송률을 보장하고, 기지국의 소비전력을 최소화할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the NOMA scheme for downlink, the minimum transmission rate of each user may be guaranteed for two paired users and the power consumption of the base station may be minimized.

또한, 빔포밍 방법 및 사용자 쌍 구성의 복잡도를 줄일 수 있다.In addition, the complexity of the beamforming method and user pair configuration can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비직교 다중 접속 기반 하향링크 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 쌍 선정 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 사용자 쌍 선정 방법의 순서도이다.
도 6a는 최소 전송률에 따른 빔포밍 기법들의 소비전력에 대한 그래프를 도시한 것이다.
도 6b는 사용자 수에 따른 빔포밍 기법들의 소비전력에 대한 그래프를 도시한 것이다.
1 illustrates a non-orthogonal multiple access based downlink system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a user pair selection method according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a user pair selection method according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6A shows a graph of power consumption of beamforming techniques according to the minimum data rate.
6B shows a graph of power consumption of beamforming techniques according to the number of users.

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.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the inventive concept disclosed herein are merely illustrated for the purpose of describing the embodiments according to the inventive concept, and the embodiments according to the inventive concept. These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

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.Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

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.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Expressions describing relationships between components, such as "between" and "immediately between" or "directly neighboring", should be interpreted as well.

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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. As used herein, the terms "comprise" or "have" are intended to designate that the stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof is present, but one or more other features or numbers, It is to be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art, and are not construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined herein. Do not.

한편, 본 명세서 상에 발명과 관련된 수학식을 기재함에 있어서, 기재하고자 하는 수학식에 포함된 기호가 이전에 기재된 수학식에 이미 포함된 경우라면, 해당 기호의 의미에 대한 기재는 이전에 기재된 수학식과 병기한 것으로 대체한다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.On the other hand, in describing the equations related to the invention on the present specification, if a symbol included in the equation to be described is already included in the previously described equation, the description of the meaning of the symbol is described previously Replace with the formula. Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

우선, 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 장치 및 방법이 적용될 수 있는 비직교 다중 접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA) 기반 시스템에서 신호 송신을 위한 기술에 대하여 간략히 설명하기로 한다.First, a technique for signal transmission in a non-orthogonal multiple access (NOMA) based system to which a beamforming apparatus and method according to an embodiment of the present invention can be applied will be briefly described.

비직교 다중 접속(이하, NOMA) 기술은 중첩코딩(Superposition Coding, SC) 기술을 활용한 송신부와 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC) 기술을 활용한 수신부를 포함하며, 5G 이동통신 시스템이 요구하는 높은 전송률과 대규모 연결성을 지원하고, 뛰어난 스펙트럼 효율을 달성할 수 있다.Non-orthogonal multiple access (NOMA) technology includes a transmitter using superposition coding (SC) technology and a receiver using sequential interference cancellation (SIC) technology. It supports high data rates and large connectivity, and achieves excellent spectral efficiency.

여기서, 송신부의 중첩코딩 기술은 다중 사용자를 포함하는 시스템에서 각 사용자의 정보를 동시에 전송하기 위한 것으로서, 이를 위해 송신부는 각 사용자의 정보를 부호화하기 위하여 사용자의 수에 맞는 부호화기를 포함할 수 있다.Here, the superposition coding technique of the transmitter is for simultaneously transmitting information of each user in a system including multiple users. For this purpose, the transmitter may include an encoder suitable for the number of users to encode information of each user.

여기서, 수신부의 순차적 간섭 제거 기술은 다중 수신 신호를 동시에 처리하기 위한 것으로서, 보다 강한 신호강도를 갖는 신호를 먼저 복호화하여 제거한 다음에, 나머지 신호로부터 약한 신호강도를 갖는 신호를 제거한다.Here, the sequential interference cancellation technique of the receiver is for processing multiple received signals simultaneously, and first decodes and removes a signal having a stronger signal strength, and then removes a signal having a weak signal strength from the remaining signals.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비직교 다중 접속 기반 하향링크 시스템을 도시한 것이다.1 illustrates a non-orthogonal multiple access based downlink system according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 비직교 다중 접속 기반 하향링크 시스템(1)은 하나의 기지국(10)과 하나의 쌍을 이루는 두 개의 사용자 단말기(20a, 20b)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the non-orthogonal multiple access based downlink system 1 may include two user terminals 20a and 20b paired with one base station 10.

여기서, 기지국(10)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 소형 기지국, 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS) 등을 지칭할 수도 있고, BS, ABS, HR-BS, 소형 기지국, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, HR-RS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.Here, the base station 10 includes an advanced base station (ABS), a high reliability base station (HR-BS), a small base station, a node B (node B), an advanced node B (evolved node B, eNodeB), access point (AP), radio access station (RAS), base transceiver station (BTS), mobile multihop relay (MMR) -BS, relay serving as a base station station, RS), a high reliability relay (HR-RS) serving as a base station, etc., and may also be referred to as BS, ABS, HR-BS, small base station, NodeB, eNodeB, AP, RAS, It may also include all or part of the functions of BTS, MMR-BS, RS, HR-RS and the like.

여기서, 단말기(20a, 20b)는 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE) 등을 지칭할 수도 있고, 단말, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.Here, the terminals 20a and 20b may be mobile terminals (MT), mobile stations (MS), advanced mobile stations (AMS), high reliability mobile stations (HR-MS). May also refer to a subscriber station (SS), a portable subscriber station (PSS), an access terminal (AT), a user equipment (UE), or the like. It may also include all or part of the functions of AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE and the like.

이러한 기지국(10)은 하나의 쌍을 이루는 단말기(20a, 20b)에 적어도 하나 이상의 빔을 사용하여 신호를 생성 및 단말기(20a, 20b)에 전송할 수 있으며, 이를 위하여 기지국(10)은 M개(여기서, M은 자연수임)의 안테나를 포함할 수 있다. 이때, 사용자 쌍(i,j)에 대하여 기지국(10)이 사용자 i에 보내는 송신신호는 아래의 수학식 1과 같다.The base station 10 may generate and transmit a signal to the terminals 20a and 20b by using at least one beam to one pair of terminals 20a and 20b. Here, M may be a natural number). At this time, the transmission signal transmitted from the base station 10 to the user i for the user pair (i, j) is expressed by Equation 1 below.

여기서, 는 기지국(10)으로부터 생성된 송신신호, 는 심볼()을 전송하기 위해 필요한 사용자 i,j에 대한 기지국(10)의 소비전력, 을 조건으로 하는 빔포밍 벡터, 는 순차적 간섭 제거를 위해 값을 가지는 전력 할당비를 의미한다. 한편, 빔포밍 벡터()에 대하여는 빔포밍 장치 및 방법에서 후술하기로 한다.here, Is a transmission signal generated from the base station 10, Is a symbol ( Power consumption of the base station 10 for user i, j required to transmit Is Beamforming vector subject to To eliminate sequential interference It means a power allocation ratio having a value. On the other hand, the beamforming vector ( ) Will be described later in the beamforming apparatus and method.

상술한 바와 같이 기지국(10)은 셀 영역 내에 위치한 적어도 하나 이상의 단말기(20a, 20b)에 대하여 데이터 심볼들을 중첩하여 송신할 수 있는데, 이때 단말기(20a, 20b)의 위치에 따라 보다 가까운 곳에 위치한 단말기(20a)에는 상대적으로 적은 전력을 할당할 수 있으며, 보다 먼 곳에 위치한 단말기(20b)에는 상대적으로 많은 전력을 할당할 수 있다.As described above, the base station 10 may overlap and transmit data symbols to at least one or more terminals 20a and 20b located in the cell area, wherein the terminal located closer to the location of the terminals 20a and 20b. Relatively less power can be allocated to 20a, and more power can be allocated to the terminal 20b located farther.

단말기(20a, 20b)는 기지국(10)의 셀 영역 내에 위치하여 기지국(10)으로부터 신호를 수신한다. 기지국(10)으로부터의 신호를 수신하기 위하여, 단말기(20a, 20b)는 하나의 안테나 또는 복수개의 안테나를 포함할 수 있으나, 본 실시예에서는 단말기(20a, 20b)가 하나의 안테나를 포함한 경우를 가정하여 설명한다. 이때, 단말기(20a, 20b) k가 기지국(10)으로부터 수신하는 신호는 아래의 수학식 2와 같다.The terminals 20a and 20b are located in the cell area of the base station 10 and receive signals from the base station 10. In order to receive a signal from the base station 10, the terminals 20a and 20b may include one antenna or a plurality of antennas, but in the present embodiment, the terminals 20a and 20b include one antenna. It is assumed and explained. In this case, the signal received by the terminals 20a and 20b from the base station 10 is expressed by Equation 2 below.

여기서, 는 기지국(10)으로부터 단말기(20a, 20b)까지의 실제 채널 벡터이고, 는 사용자 쌍 지표이고, 는 사용자 k에 대한 가산 가우시안 잡음 벡터이다. 이때, 의 H는 에르메트 전치(Hermitian transpose)연산을 의미한다.here, Is the actual channel vector from base station 10 to terminals 20a and 20b, Is the user pair indicator, Is an additive Gaussian noise vector for user k. At this time, H denotes the Hermitian transpose operation.

상기 수학식 2에서 사용자 i,j가 쌍을 이루는 경우(즉, 사용자 쌍 지표의 값이 1인 경우) 쌍을 이룬 사용자의 단말기(20a, 20b)가 수신하는 신호는 아래의 수학식 3과 같다.In the above Equation 2, when the users i, j are paired (that is, when the value of the user pair index is 1), the signals received by the terminals 20a and 20b of the paired users are represented by Equation 3 below. .

여기서, 으로서, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터를 의미한다. 즉, 상기 수학식 2,3에서와 같이 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍의 사용자 쌍만 있는 경우 사용자 쌍 유효채널 벡터()는 실제 채널 벡터()와 같고, 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍 이상의 사용자들이 있는 경우 사용자 쌍 유효채널 벡터는 와 같다.here, As Denotes a user pair effective channel vector. That is, when there is only one pair of user pairs within the cell radius of the base station as shown in Equations 2 and 3, the user pair effective channel vector ( ) Is the actual channel vector ( ), And if there is more than one pair of users within the cell radius of the base station, the user pair effective channel vector Same as

여기서, 은 사용자 i, j를 제외한 하향링크 채널의 널 공간(null space)을 형성하는 기저 벡터의 행렬이고, 이고, M은 기지국의 안테나 수, K는 단말기(즉, 사용자) 수를 의미한다.here, Is a matrix of basis vectors forming a null space of a downlink channel excluding users i and j, Where M is the number of antennas of the base station and K is the number of terminals (ie, users).

일 실시 예에 따라 쌍을 이룬 사용자 i,j 중에서 사용자 i의 단말기(20a, 20b)에서 연속 간섭 제거가 수행되는 경우 사용자 i에 대한 전송률() 및 사용자 j에 대한 전송률() 각각은 아래의 수학식 4와 같다.According to an embodiment, when continuous interference cancellation is performed in the terminals 20a and 20b of the user i among the paired users i, j, the transmission rate for the user i ( ) And the rate for user j ( ) Are each represented by Equation 4 below.

여기서, 이다. 이때, 사용자 쌍 에 대하여 라면, 연속 간섭 제거를 수행하는 단말기는 사용자 k의 단말기이다. 한편, 상기 사용자 i,j에 대한 각각의 전송률은 후술할 빔포밍 장치 및 방법을 통하여 최저 전송률()을 만족할 수 있다.here, to be. At this time, the user pair about If so, the terminal performing the continuous interference cancellation is the terminal of user k. On the other hand, each transmission rate for the user i, j is the lowest transmission rate through the beamforming apparatus and method to be described later ( ) Can be satisfied.

또한, 단말기(20a, 20b)는 적어도 하나 이상의 단말기(20a, 20b)들이 클러스터링될 수 있다. 바람직하게는, 도 1과 같이 두 개의 단말기(20a, 20b)가 한 쌍으로 클러스터링되어 보다 낮은 복잡도에서 송신 전력을 최소화하도록 할 수 있다.In addition, the terminals 20a and 20b may be clustered with at least one terminal 20a and 20b. Preferably, as shown in FIG. 1, two terminals 20a and 20b may be clustered in pairs to minimize transmission power at lower complexity.

한편, 상술한 바와 같이 단말기(20a, 20b)는 순차적 간섭 제거에 따라 상대적으로 강한 신호강도를 갖는 간섭 신호를 먼저 복호화하여 제거하고, 이후에 자신과 관련된 신호에 대한 복호화를 수행할 수 있다.Meanwhile, as described above, the terminals 20a and 20b may first decode and remove an interference signal having a relatively strong signal strength according to sequential interference cancellation, and then decode a signal related to itself.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 장치의 블록도이다.2 is a block diagram of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 장치(11)는 도 1의 비직교 다중 접속 기반 하향링크 시스템(1)에 적용될 수 있는 것으로서, 제어부(100), 중첩 부호화부(200) 및 빔형성부(300)를 포함한다.The beamforming apparatus 11 according to an embodiment of the present invention may be applied to the non-orthogonal multiple access based downlink system 1 of FIG. 1, and includes a controller 100, an overlapping encoder 200, and a beamforming unit. 300.

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 장치(11)는 기지국(10)의 소비전력이 최소가 되는 단말기의 쌍을 선정하거나, 각 단말기들의 전력을 할당하거나, 전송률에 따라 신호를 스케일링 및 원하는 방향으로 전송할 수 있도록 빔을 형성한다.The beamforming apparatus 11 according to an embodiment of the present invention selects a pair of terminals whose power consumption of the base station 10 is minimum, allocates power of each terminal, or scales a signal according to a transmission rate and a desired direction. Form a beam to be transmitted to.

여기서, 빔포밍 장치(11)가 빔을 형성하는 것은 상술한 빔포밍 벡터()를 생성하여, 생성된 빔포밍 벡터를 이용하여 신호를 생성하는 것을 의미할 수 있다. 빔포밍 벡터는 기지국으로부터 신호를 수신하는 한 쌍의 단말기(i, j) 모두에 공통적(common)인 빔일 수 있다.Here, the beamforming apparatus 11 forms a beam according to the above-described beamforming vector ( ) To generate a signal using the generated beamforming vector. The beamforming vector may be a beam that is common to both pairs of terminals i and j that receive signals from the base station.

일 실시 예에 따라, 다른 빔에 의한 간섭의 제거를 고려하지 않을 경우에 빔포밍 벡터는 아래의 수학식 5와 같다.According to an embodiment, the beamforming vector is expressed by Equation 5 below when not removing interference by another beam.

여기서, 은 신호가 사용자 i와 j를 향하도록 하는 빔조종 벡터이다. 이러한 빔조종 벡터의 방향 설정 및 스케일링에 따라 기지국에서 신호 송신에 소비되는 전력이 달라지므로, 전체 시스템의 성능 결정에 있어서 중요한 요소로 작용한다. 빔조종 벡터에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.here, Is the beam steering vector that directs the signal towards users i and j. Since the power consumption for signal transmission in the base station varies according to the direction setting and scaling of the beam steering vector, it is an important factor in determining the performance of the entire system. The beam steering vector will be described in detail later.

일 실시 예에 따라, 다른 빔에 의한 간섭의 제거를 고려할 경우에 빔포밍 벡터()는 아래의 수학식 6과 같다.According to an embodiment, when considering the cancellation of interference by other beams, the beamforming vector ( ) Is shown in Equation 6 below.

여기서, 은 상술한 바와 같이 사용자 i, j를 제외한 하향링크 채널의 널 공간(null space)을 형성하는 기저 벡터의 행렬이다.here, Is a matrix of base vectors forming a null space of a downlink channel excluding users i and j as described above.

즉, 다른 빔에 의한 간섭의 제거를 고려할 경우의 빔포밍 벡터는 상기 수학식 5와 달리 빔조종 벡터에 사용자 쌍끼리 존재하는 간섭을 제거하기 위한 간섭 제거(zero-forcing) 기반의 블록 대각화가 수행된다. 이때, 기저 벡터의 행렬()을 얻기 위하여 사용자 i와 j를 제외한 나머지 사용자들의 채널()에 대한 특이값 분해(singular value decomposition)가 아래의 수학식 7에 의해 수행될 수 있다.That is, when considering the removal of interference by other beams, unlike in Equation 5, a block diagonalization based on zero-forcing is performed to remove interference existing between pairs of users in the beam steering vector. do. Where the matrix of basis vectors ( Channels of all users except users i and j ( Singular value decomposition can be performed by Equation 7 below.

즉, 상기 수학식 7에 의해 사용자 i와 j를 제외한 나머지 사용자들의 채널에 대한 특이값 분해를 통해 얻은 right unitary matrix로부터 기저 벡터의 행렬()을 얻을 수 있다.That is, the matrix of the basis vector is obtained from the right unitary matrix obtained through the singular value decomposition of the channels of the remaining users except the users i and j according to Equation (7). ) Can be obtained.

상술한 실시 예인 다른 빔에 의한 간섭의 제거를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우 모두에서 빔포밍 장치(11)는 사용자 i,j에 대한 기지국의 소비전력 최소화하기 위하여 아래의 수학식 8에 의한 최적화를 수행할 수 있다.In both the case of considering and eliminating interference by other beams as described above, the beamforming apparatus 11 performs optimization according to Equation 8 below to minimize power consumption of the base station for user i, j. Can be done.

여기서, 는 사용자 i,j에 대한 기지국의 소비전력이다.here, Is the power consumption of the base station for user i, j.

한편, 빔포밍 장치(11)는 아래와 같은 제1 제약조건 하에서 상기 수학식 8에 의한 최적화를 수행한다.On the other hand, the beamforming apparatus 11 performs optimization according to Equation 8 under the following first constraint.

즉, 빔포밍 장치(11)는 기지국의 소비전력을 최소화하기 위해 최적화를 수행하여 사용자 쌍 지표(), 전력 할당비()와 빔조종 벡터()를 생성할 수 있다.That is, the beamforming apparatus 11 performs optimization in order to minimize power consumption of the base station. ), Power allocation ratio ( ) And beam steering vector ( ) Can be created.

빔포밍 장치(11)에 포함된 제어부(100)는 신호를 송신할 사용자 쌍을 선정하고, 사용자 각각에 대하여 송신할 신호에 대한 전력을 할당하고, 빔포밍 벡터를 생성하는 것으로서 빔포밍 벡터 생성부(110), 선정부(130) 및 전력 할당부(150)를 포함한다.The control unit 100 included in the beamforming apparatus 11 selects a pair of users to transmit a signal, allocates power to a signal to be transmitted to each user, and generates a beamforming vector. 110, a selector 130, and a power allocator 150.

빔포밍 벡터 생성부(110)는 에 의한 최적화를 수행하여 최적의 전력 할당비()와 최적의 빔조종 벡터()를 생성할 수 있다. 이는 등가적으로 아래의 수학식 9로 나타낼 수 있다.The beamforming vector generator 110 Optimizing power allocation ratio by performing optimization by ) And the optimal beam steering vector ( ) Can be created. This may be equivalently represented by Equation 9 below.

여기서, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산이고, 이다.here, ( )ego, Is the noise variance of the receiver, to be.

한편, 빔포밍 벡터 생성부(110)는 상기 제1 제약조건에 아래의 제약조건이 추가된 제2 제약조건 하에서 상기 수학식 9에 의한 최적화를 수행한다.Meanwhile, the beamforming vector generator 110 performs optimization according to Equation 9 under a second constraint in which the following constraint is added to the first constraint.

즉, 제2 제약조건은 상기 제1 제약조건과 조건을 모두 포함할 수 있다.That is, the second constraint is different from the first constraint. It can include all of the conditions.

상기 수학식 9의 목적 함수는 전력 할당비의 변화에 따라 각각 단조 감소함수, 단조 증가함수이므로 두 함수가 같을 경우의 전력 할당비가 최적의 전력 할당비이다. 이때, 최적의 전력 할당비()는 아래의 수학식 10과 같다.Since the objective function of Equation 9 is a monotonic decreasing function or monotonic increasing function, respectively, according to the change of the power allocation ratio, the power allocation ratio when the two functions are the same is the optimal power allocation ratio. At this time, the optimal power allocation ratio ( ) Is shown in Equation 10 below.

상기 수학식 10에 의한 최적의 전력 할당비로부터 아래의 수학식 11과 같은 사용자 i,j에 대한 기지국의 소비전력을 도출할 수 있다.From the optimal power allocation ratio according to Equation 10, power consumption of the base station for user i, j as shown in Equation 11 below can be derived.

여기서, 이고, 이다.here, ego, to be.

상기 수학식 11에서 알 수 있듯이 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 빔조종 벡터를 구하기 위해서는 상기 수학식 11의 맨 우측 항에 해당하는 값이 최소가 되어야 함을 알 수 있다. 이러한 최적화 문제는 아래의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.As can be seen from Equation 11, in order to obtain a beam steering vector for minimizing power consumption of the base station, it can be seen that a value corresponding to the rightmost term of Equation 11 should be minimized. This optimization problem may be expressed as in Equation 12 below.

한편, 상기 수학식 12에 와 같은 부등식을 적용하여 아래의 수학식 13에 의한 최적화 문제로도 나타낼 수 있다.Meanwhile, in Equation 12 By applying the inequality, it can also be represented as an optimization problem by the following equation (13).

상기 수학식 13에 의한 최적화 문제의 해를 구하여 최적의 빔조종 벡터()를 구할 수 있다. 이하에서는 수학식 13에 의한 최적화 문제의 해를 구하는 과정을 개시한다.The optimal beam steering vector ( ) Can be obtained. Hereinafter, a process of solving an optimization problem by Equation 13 will be described.

상기 수학식 13의 최적화 문제를 변수 t에 대하여 아래의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.The optimization problem of Equation 13 may be expressed as Equation 14 below with respect to the variable t.

여기서, 상기 수학식 14는 아래의 제3 제약조건을 만족해야 한다.Here, Equation 14 must satisfy the following third constraint.

이때, 사용자 쌍 유효채널 벡터를 Gram-Schmidt 직교화 과정을 통해 아래의 수학식 15와 같은 정규직교 벡터의 선형 조합으로 나타낼 수 있다.In this case, the user pair effective channel vector may be represented as a linear combination of normal orthogonal vectors as shown in Equation 15 below through a Gram-Schmidt orthogonalization process.

여기서, 직교 벡터는 , 이고, 이다.Where orthogonal vectors , ego, to be.

상기 직교 벡터를 이용하여, 빔조종 벡터를 와 같이 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 수학식 13의 를 아래의 수학식 16과 같이 나타낼 수 있다.Using the orthogonal vector, beam steering vector Can be expressed as: Accordingly, the equation (13) May be expressed as in Equation 16 below.

상기 수학식 16에 따라, 위상 벡터()는 오로지 에만 영향을 미치며, 상기 수학식 14에 의한 목적함수는 가 증가함에 따라 같이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 를 최대화시키기 위한 최적의 위상 벡터()는 임의의 위상()에 대하여 아래의 수학식 17과 같다.According to Equation 16, the phase vector ( ) Is only Only affects, and the objective function according to Equation 14 It can be seen that as increases with increases. therefore, Optimal phase vector to maximize ) Is any phase ( ) Is expressed by Equation 17 below.

상기 최적의 위상 벡터에 따라서, 를 아래의 수학식 18과 같이 새로이 나타낼 수 있다.According to the optimal phase vector, May be newly expressed as in Equation 18 below.

여기서, 이다.here, to be.

이에 따라, 상기 최적의 위상 벡터에 따른 상기 수학식 14에 의한 목적함수는 라 할 때, 아래의 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.Accordingly, the objective function of Equation 14 according to the optimal phase vector is In this case, it may be expressed as Equation 19 below.

여기서, 상기 수학식 19는 아래의 제4 제약조건을 만족해야 한다.Here, Equation 19 must satisfy the following fourth constraint.

한편, 상기 수학식 19의 해는 오로지 일 때만 존재하므로, 상기 제4 제약조건 중에서 를 제거하면, 상기 수학식 19에 의한 목적함수는 아래의 수학식 20에 의해 나타낼 수 있다.On the other hand, the solution of equation (19) is only Is present only when Wow By removing, the objective function of Equation 19 can be represented by Equation 20 below.

여기서, 상기 수학식 20은 아래의 제5 제약조건을 만족해야 한다.Here, Equation 20 must satisfy the following fifth constraint.

이때, 이고, 이고, 이고, 이다. 한편, 와 같은 선형 함수로 나타내고, 와 같은 볼록 함수(convex function)로 나타낼 때, 의 관계에서 세 가지 케이스를 고려할 수 있다.At this time, ego, ego, ego, to be. Meanwhile, To Represented by a linear function such as To When expressed as a convex function, Wow In the relationship, three cases can be considered.

[케이스 1][Case 1]

만일 라면, 상기 제5 제약조건 중에서 만 고려할 수 있다. 이러한 케이스 1은 에서 이고, 일 때만 성립한다. 따라서, (이하, 제1 조건)라면, 는 1이다.if If, among the fifth constraint Can only be considered. These cases 1 Wow in ego, Holds only when therefore, (Hereinafter, the first condition), Is 1.

[케이스 2][Case 2]

의 교점이 에서만 존재하면, 상기 제5 제약조건을 모두 고려할 수 있다. 이때, 상기 교점은 (이하, 제2 조건)에서만 존재한다. 따라서, 제2 조건에서 이다. Wow The intersection of If only exists, all of the fifth constraints may be considered. In this case, the intersection is (Hereafter, the second condition). Thus, under the second condition to be.

[케이스 3][Case 3]

만일 에서 라면, 상기 제5 제약조건 중에서 만 고려할 수 있다. 이러한 케이스 3은 이고 일 때만 성립한다. 이때, 최적의 해는 라면 의 최대점(maximum point)인 으로부터 얻을 수 있으며, 라면 으로부터 얻을 수 있다. 이에 따라, (이하, 제3 조건)에서 최적의 해는 이고, (이하, 제4 조건)에서 최적의 해는 이다.if in If, among the fifth constraint Can only be considered. These cases 3 ego Holds only when Where the optimal solution is Ramen Is the maximum point of Can be obtained from Ramen Can be obtained from Accordingly, (Hereinafter, third condition), the optimal solution is ego, (Hereinafter, fourth condition), the optimal solution is to be.

상술한 과정을 통하여, 상기 수학식 13에 의한 최적의 빔조종 벡터는 아래의 수학식 21 과 같이 구할 수 있다.Through the above-described process, the optimal beam steering vector according to Equation 13 can be obtained as Equation 21 below.

여기서, 이고 이다.here, ego to be.

상기 수학식 21의 최적의 빔조종 벡터는 와 임의의 위상()를 이용해 아래의 수학식 22로도 나타낼 수 있다.The optimal beam steering vector of Equation 21 is And arbitrary phase ( ) Can also be represented by Equation 22 below.

여기서,는 임의의 위상값이고,here, Is any phase value,

는 제1 조건()에서 1이고, Is the first condition ( ) Is 1,

제2 조건()에서 이고,Second condition ( )in ego,

제3 조건()에서 이고,Third condition ( )in ego,

제4 조건()에서 이다.Fourth condition ( )in to be.

또한, 상기 제1 조건 내지 제4 조건에서 이고,Further, under the first to fourth conditions ego,

이고, ego,

이고, ego,

이다. to be.

즉, 빔포밍 벡터 생성부(110)는 기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 벡터를 생성하기 위하여 전력 할당비 및 빔조종 벡터에 대하여 상술한 바와 같이 최적화를 수행하고, 수행 결과에 따라 최적의 전력 할당비()와 최적의 빔조종 벡터()를 생성한다. 이때, 최적의 빔조종 벡터는 상술한 바와 같이 제1 조건 내지 제4 조건에 따라 각각 다른 최적의 값을 갖는다. 빔포밍 벡터 생성부(110)는 상기 생성된 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 최종적으로 빔포밍 벡터()를 생성한다.That is, the beamforming vector generator 110 performs optimization as described above with respect to the power allocation ratio and the beam steering vector in order to generate a beamforming vector that minimizes power consumption of the base station. Allocation fee ( ) And the optimal beam steering vector ( ) At this time, the optimal beam steering vector has different optimal values according to the first to fourth conditions as described above. The beamforming vector generator 110 finally generates a beamforming vector using the generated optimal beam steering vector. )

선정부(130)는 기지국의 셀 영역 내의 단말기를 보유한 사용자 중에서 신호를 송신할 사용자 쌍(i,j)을 선정한다. 일 실시 예에 따라, 선정부(130)는 아래의 수학식 23에 의한 최적화를 수행하여 기지국의 셀 영역 내의 사용자들에게 신호를 송신하기 위한 기지국의 전체 소비전력이 최소가 되는 사용자 쌍을 선정한다.The selector 130 selects a user pair (i, j) to transmit a signal among users who have a terminal in the cell area of the base station. According to an embodiment of the present disclosure, the selecting unit 130 performs optimization according to Equation 23 below to select a pair of users whose total power consumption of the base station for transmitting signals to users in the cell area of the base station is minimized. .

여기서, 는 사용자 쌍 지표로서 사용자가 쌍을 이루는지 여부에 따라 0 또는 1의 값을 가지며, 는 사용자 i,j에 대한 기지국의 최적의 소비전력이다. 이때, 최적의 소비전력은 아래의 수학식 24에 의해 계산될 수 있다.here, Is a user pair indicator that has a value of 0 or 1 depending on whether the user is paired. Is the optimal power consumption of the base station for user i, j. In this case, the optimal power consumption may be calculated by Equation 24 below.

여기서, 는 제어부(100)에 의해 생성된 최적의 빔조종 벡터에 따라 상기 수학식 11에 의해 계산된다. 이때, 는 상기 제1 조건 내지 제4 조건에 따라 제1 조건에서 이고,here, Is calculated by Equation 11 according to the optimal beam steering vector generated by the controller 100. At this time, Is the first condition in accordance with the first to fourth conditions ego,

제2 조건에서 이고,Under the second condition ego,

제3 조건에서 이고,Under the third condition ego,

제4 조건에서 이다.Under the fourth condition to be.

여기서, 이다.here, to be.

한편, 선정부(130)는 아래와 같은 제6 제약조건 하에서 상기 수학식 23에 의한 최적화를 수행한다.On the other hand, the selector 130 performs optimization according to Equation 23 under the sixth constraint described below.

이때, 사용자 쌍 지표()는 모든 사용자(1,…,K)에 대하여 순차적 간섭 제거를 수행하는 사용자에 관계없이 사용자 i와 j가 쌍이 되면 1이고, 그렇지 않으면 0이다.At this time, the user pair indicator ( ) Is 1 if user i and j are paired, regardless of the user performing sequential interference cancellation for all users (1, ..., K), otherwise 0.

한편, 상기 수학식 23에 의한 최적화를 수행하는 경우 복잡도(complexity)는 시스템 내의 사용자 수 K에 대하여 와 같으므로, 사용자 수가 증가할 수록 큰 폭으로 증가한다. 따라서, 일 실시 예에 따른 선정부(130)는 상기 수학식 23에 의한 최적화를 수행하여 사용자 쌍을 선정하는 대신에, 사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 이용하여 사용자 쌍을 선정할 수도 있다. 이때, 사용자 쌍 유효채널 벡터의 상관계수는 와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 선정부(130)는 모든 사용자 k의 사용자 쌍에 대하여 상기 상관계수를 산출하고, 산출된 상관계수가 높은 순서대로 사용자 쌍을 선정할 수 있다.On the other hand, in the case of performing the optimization according to Equation 23, the complexity is related to the number of users K in the system. As the number of users increases, it increases significantly. Therefore, instead of selecting the user pair by performing the optimization according to Equation 23, the selecting unit 130 according to an embodiment of the present invention uses a user pair effective channel vector ( You can also select a user pair using the correlation coefficient of). In this case, the correlation coefficient of the user pair effective channel vector is Can be expressed as: That is, the selector 130 may calculate the correlation coefficients for all the pairs of users k and select the user pairs in the order of the calculated correlation coefficients being high.

상술한 실시예들에 의해 선정부(130)는 기지국의 셀 영역 내의 사용자들에게 신호를 송신하기 위한 기지국의 전체 소비전력이 최소가 되는 사용자 쌍 지표()를 선정할 수 있다.According to the above-described embodiments, the selector 130 may determine a user pair index that minimizes the total power consumption of the base station for transmitting signals to users in the cell area of the base station. ) Can be selected.

전력 할당부(150)는 제어부를 통해 생성된 최적의 전력 할당비()를 이용하여 선정된 사용자 쌍(i,j)에 송신할 심볼에 각각 전력을 할당한다. 이때, 상술한 바와 같이 보다 가까운 곳에 위치한 단말기(20a)에는 상대적으로 적은 전력을 할당할 수 있으며, 보다 먼 곳에 위치한 단말기(20b)에는 상대적으로 많은 전력을 할당할 수 있다.The power allocator 150 generates an optimal power allocation ratio (generated by the control unit) Power is allocated to each symbol to be transmitted to the selected user pair (i, j). In this case, as described above, relatively less power can be allocated to the terminal 20a located closer, and relatively more power can be allocated to the terminal 20b located farther.

중첩 부호화부(200)는 사용자 쌍(i,j)에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성한다.The superposition encoder 200 encodes a symbol to be transmitted to the user pair (i, j), and generates a superposition code signal by superimposing the encoded symbols.

빔형성부(300)는 중첩 부호화부(200)를 통해 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 빔포밍 벡터 생성부(110)를 통하여 생성된 빔포밍 벡터()를 이용하여 빔포밍을 수행한다.The beamformer 300 may generate a beamforming vector generated by the beamforming vector generator 110 with respect to the superimposed code signal generated by the superposition encoder 200. Beamforming is performed using

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방법의 순서도이다. 이하에서는 앞서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.3 is a flowchart of a beamforming method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a description of a portion overlapping with the above-described portion will be omitted.

S310 단계는 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 빔형성을 위하여, 범위 내의 값을 갖는 전력 할당비에 대하여 상기 수학식 9에 의한 최적화를 수행한다. 최적화 수행 결과에 따라, 최적의 전력 할당비는 상기 수학식 10과 같다.In step S310, in order to form a beam for minimizing power consumption of the base station, Optimization based on Equation 9 is performed for a power allocation ratio having a value within a range. According to the result of the optimization, the optimal power allocation ratio is expressed by Equation 10 above.

S320 단계는 빔조종 벡터에 대하여 S310 단계를 통하여 구한 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 수학식 9에 의한 최적화를 수행한다. 최적화 수행 결과에 따라, 최적의 빔조종 벡터는 상기 수학식 21과 같다.In step S320, the beam steering vector is optimized by Equation 9 using the optimal power allocation ratio obtained through step S310. According to the optimization result, the optimal beam steering vector is expressed by Equation 21.

S330 단계는 S320 단계를 통해 생성된 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성한다. 일 실시 예에 따라, 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍의 사용자들(즉, 두 명의 사용자)만 있는 경우, 빔포밍 벡터는 사용자 쌍 유효채널 벡터()를 실제 채널 벡터()로 둘 때의 최적의 빔조종 벡터와 같다.In step S330, a beamforming vector is generated using the optimal beam steering vector generated in step S320. According to one embodiment, if there is only a pair of users (ie, two users) within the cell radius of the base station, the beamforming vector is a user pair effective channel vector ( ) Is the actual channel vector ( Equal to the optimal beam steering vector when

다른 실시 예에 따라, 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍 이상의 사용자들이 있는 경우 사용자 쌍 유효채널 벡터가 일 때의 빔포밍 벡터는 상기 수학식 6에 의해 생성된다. 즉, 이 경우에는 셀 반경 내의 K명의 사용자에 대하여 전송 대상 사용자 쌍 외에 다른 사용자 쌍에 의한 간섭을 제거하기 위하여 간섭 제거 기반의 블록 대각화가 수행될 수 있다. 한편, 간섭 제거를 위한 널 공간을 형성하는 기저 벡터의 행렬을 얻기 위하여 S330 단계는 추가로 특이값 분해를 수행할 수 있다.According to another embodiment, when there are one or more pairs of users within the cell radius of the base station, the user pair effective channel vector The beamforming vector at is generated by Equation 6 above. That is, in this case, block diagonalization based on interference cancellation may be performed to remove interference by a pair of users other than the transmission target user pair for K users within a cell radius. Meanwhile, in order to obtain a matrix of basis vectors forming a null space for interference cancellation, step S330 may further perform singular value decomposition.

S340 단계는 S310 단계 및 S320 단계에서 생성된 최적의 전력 할당비를 이용하여 단말기에 송신될 심볼()에 전력을 할당한다. 일 실시 예에 따라, 사용자 i,j에 대하여 비율로 기지국의 소비전력이 할당될 수 있다.In step S340, a symbol to be transmitted to the terminal using the optimal power allocation ratio generated in steps S310 and S320 is used. Allocate power to). According to an embodiment, for user i, j The power consumption of the base station may be allocated in a ratio.

S350 단계는 상기 수학식 1에 따라 단말기에 송신할 신호를 최종적으로 생성한다. 보다 구체적으로, S350 단계는 사용자 쌍(i,j)에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성한 다음에, 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 빔포밍 벡터()를 이용하여 빔포밍을 수행한다.Step S350 finally generates a signal to be transmitted to the terminal according to Equation (1). More specifically, step S350 encodes a symbol to be transmitted to a user pair (i, j), generates an overlapped code signal by superimposing the encoded symbols, and then generates a beamforming vector ( Beamforming is performed using

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자 쌍 선정 방법의 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a user pair selection method according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, S410 단계는 상기 수학식 24에 의한 최적화를 수행하여 기지국의 최적의 소비전력을 구한다. 이때, 기지국의 최적의 소비전력은 상기 제1 조건 내지 제4 조건에 따라 다른 값을 가질 수 있다.Referring to FIG. 4, step S410 is performed to obtain an optimum power consumption of the base station by performing optimization according to Equation 24. At this time, the optimal power consumption of the base station may have a different value according to the first to fourth conditions.

S420 단계는 상기 수학식 23에 의한 최적화를 수행하여 기지국의 전체 소비전력이 최소가 될 때의 사용자 쌍을 선정한다.In operation S420, the optimization is performed according to Equation 23, and a user pair is selected when the total power consumption of the base station is minimized.

도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 사용자 쌍 선정 방법의 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a user pair selection method according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, S510 단계는 사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 에 의해 산출한다. S530 단계는 기지국의 셀 영역 내의 모든 사용자 집합에 대하여 상기 산출된 상관계수가 가장 높은 순서대로 사용자 쌍을 선정한다. S550 단계는 선정된 사용자 쌍을 상기 모든 사용자 집합에서 제거시킨다. 상기 S530 단계 내지 S550 단계는 모든 사용자 집합 내의 사용자가 쌍을 형성할 때까지 반복 수행될 수 있다.Referring to Figure 5, step S510 is a user pair effective channel vector ( ) The correlation coefficient of Calculate by In step S530, the user pairs are selected in order of the highest correlation coefficient for all user sets in the cell area of the base station. Step S550 removes the selected user pair from all the user sets. Steps S530 to S550 may be repeatedly performed until users in all user sets form a pair.

상술한 바와 같이 도 4의 실시예에 의한 사용자 선정 방법 뿐만 아니라, 도 5의 실시예에 의한 사용자 선정 방법에 의하여도 사용자 쌍 선정에 따른 복잡도를 감소시킬 수 있다.As described above, not only the user selection method according to the embodiment of FIG. 4 but also the user selection method according to the embodiment of FIG. 5 may reduce the complexity according to the user pair selection.

도 6a는 최소 전송률에 따른 빔포밍 기법들의 소비전력에 대한 그래프를 도시한 것이다.FIG. 6A shows a graph of power consumption of beamforming techniques according to the minimum data rate.

도 6a를 참조하면, M(기지국의 안테나 수)=K(사용자 수)=8이고, 기지국의 단일 셀 반경은 500[m]이고, 잡음 전력은 -104[dBm]이고, 거리 d에서의 경로 손실은 이고, 매크로 셀의 전파 모델은 10[MHz]의 대역폭을 갖는 3GPP TR 36.931 모델인 조건 하에 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방법과 다른 빔포밍 기법들의 성능을 기지국의 소비전력을 통해 비교하였다. 이때, 도시된 성능을 나타낸 빔포밍 기법들은 각각 제안된 기법(PBD)과 기존의 기법들(ZF, HBD, LBD, Hybrid)로서 ZF는 간섭 제거 기반의 빔포밍 기법이고, HBD(LBD)는 high(low) SNR을 갖는 사용자를 향한 빔포밍 기법이고, Hybrid는 비특허문헌 1에 의한 빔포밍 기법이다.Referring to FIG. 6A, M (number of antennas of the base station) = K (number of users) = 8, the single cell radius of the base station is 500 [m], the noise power is -104 [dBm], and the path at the distance d. Loss The performance of the beamforming method and other beamforming methods according to an embodiment of the present invention is compared with the power consumption of the base station under the condition that the propagation model of the macro cell is a 3GPP TR 36.931 model having a bandwidth of 10 [MHz]. . In this case, the beamforming techniques showing the illustrated performance are proposed techniques (PBD) and conventional techniques (ZF, HBD, LBD, Hybrid), where ZF is an interference cancellation based beamforming technique, and HBD (LBD) is high. (low) It is a beamforming technique for users with SNR, and Hybrid is a beamforming technique according to Non Patent Literature 1.

도 6a과 같이, 제안된 빔포밍 기법(PBD)은 기존의 다른 빔포밍 기법(ZF, HBD, LBD, Hybrid)에 비하여 모든 최소 전송률에서 보다 낮은 전력으로도 기지국이 신호를 송신할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 6A, the proposed beamforming scheme (PBD) shows that the base station can transmit a signal at a lower power at all minimum transmission rates than other conventional beamforming techniques (ZF, HBD, LBD, Hybrid). Can be.

도 6b는 사용자 수에 따른 빔포밍 기법들의 소비전력에 대한 그래프를 도시한 것이다.6B shows a graph of power consumption of beamforming techniques according to the number of users.

도 6b를 참조하면, 상술한 도 6a에서의 조건 하에 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방법과 다른 빔포밍 기법들의 성능을 기지국의 소비전력을 통해 비교하였다. 이때, 도시된 성능을 나타낸 빔포밍 기법들에 적용된 사용자 쌍 선정 기법에서 MPAA는 메시지 전달 알고리즘 기반의 기법이고, ECPA는 사용자 쌍 유효채널 벡터의 상관계수를 이용한 기법이고, SUPA는 상기 수학식 15를 이용한 기법이다.Referring to FIG. 6B, under the conditions of FIG. 6A, performances of the beamforming method and other beamforming techniques according to the exemplary embodiment of the present invention are compared through power consumption of the base station. In this case, in the user pair selection technique applied to the beamforming techniques showing the performance shown, MPAA is a technique based on a message transfer algorithm, ECPA is a technique using a correlation coefficient of a user pair effective channel vector, and SUPA is expressed by Equation 15 above. This is the technique used.

도 6b와 같이, 제안된 빔포밍 기법(PBD)에 제안된 사용자 쌍 선정 기법(MPPA, ECPA)를 적용하면 보다 낮은 전력으로도 기지국이 신호를 송신할 수 있음을 알 수 있다. 특히, PBD에 ECPA 기법이 적용된 경우 사용자 수가 증가할수록 PBD에 MPPA를 적용한 경우와 성능이 유사해짐을 알 수 있다.As shown in FIG. 6B, when the proposed user pair selection techniques MPPA and ECPA are applied to the proposed beamforming technique PBD, the base station can transmit a signal even with lower power. In particular, when the ECPA technique is applied to the PBD, as the number of users increases, the performance is similar to that of applying the MPPA to the PBD.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 의한 빔포밍 장치(11) 및 방법에 의하면 각 사용자에 대한 최소 전송률을 보장함과 동시에 기지국의 소비전력을 최소화할 수 있다. 도 6a 내지 도 6b에서 확인한 바와 같이, 기존의 빔포밍 기법들에 비하여 보다 소비전력 측면에서 보다 우수한 성능을 나타낼 수 있다.As described above, according to the beamforming apparatus 11 and the method according to an embodiment of the present invention, it is possible to ensure the minimum transmission rate for each user and to minimize the power consumption of the base station. As shown in FIGS. 6A to 6B, it is possible to exhibit better performance in terms of power consumption than conventional beamforming techniques.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 의한 빔포밍 장치(11) 및 방법은 사용자 쌍 선정기법을 적용하여 상술한 소비전력 측면의 성능을 극대화할 수 있으며, 복잡도를 감소시킬 수 있다.In addition, the beamforming apparatus 11 and the method according to an embodiment of the present invention may maximize the performance of the above-described power consumption by applying a user pair selection technique, and may reduce the complexity.

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, FPA(field programmable 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 체제상에서 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.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the devices and components described in the embodiments may include, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable arrays (FPAs), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For the convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person skilled in the art will appreciate that the processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as parallel processors.

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.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively. You can command the device. Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be permanently or temporarily embodied in a signal wave to be transmitted. The software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

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.The method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks. Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.Although the embodiments have been described with reference to the accompanying drawings as described above, various modifications and variations are possible to those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components of the described systems, structures, devices, circuits, etc. may be combined or combined in a different form than the described method, or other components. Or even if replaced or substituted by equivalents, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are within the scope of the claims that follow.

Claims (18)

기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 방법에 있어서,
상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제1 목적함수를 통해 상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 전력 할당비를 최적화하여 최적의 전력 할당비를 구하는 단계; 및
상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계를 포함하고,
상기 제1 목적함수는 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산.
In the beamforming method for minimizing the power consumption of the base station,
Obtaining an optimal power allocation ratio by optimizing a power allocation ratio for a pair of users (i, j) in a cell area of the base station through a first objective function for minimizing power consumption of the base station; And
Obtaining a beam steering vector by optimizing the beam steering vector for the pair of users through a second objective function for minimizing power consumption of the base station using the optimal power allocation ratio;
The first objective function is The beamforming method defined by.
here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver.
제1항에 있어서,
상기 최적의 전력 할당비는 인 빔포밍 방법.
The method of claim 1,
The optimal power allocation ratio In-beam forming method.
제2항에 있어서,
상기 제2 목적함수는 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, .
The method of claim 2,
The second objective function is The beamforming method defined by.
here, .
제3항에 있어서,
상기 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계는
상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하는 단계를 더 포함하고,
상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, , 이고, .
The method of claim 3,
Obtaining the optimal beam steering vector
The second objective function By applying Further comprising the step of transforming,
The optimal beam steering vector is A beamforming method defined as
here, , ego, .
제4항에 있어서,
상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성하는 단계를 더 포함하는 빔포밍 방법.
The method of claim 4, wherein
Generating a beamforming vector using the optimal beam steering vector.
제5항에 있어서,
상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 단말기에 송신될 심볼에 전력을 할당하는 단계;
상기 사용자 쌍에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 상기 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성하는 단계; 및
상기 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 상기 빔포밍 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 단계를 더 포함하는 빔포밍 방법.
The method of claim 5,
Allocating power to a symbol to be transmitted to a terminal using the optimal power allocation ratio;
Encoding a symbol to be transmitted to the user pair, and generating an overlapped code signal by superimposing the encoded symbols; And
And performing beamforming on the generated superimposed code signal by using the beamforming vector.
제5항에 있어서,
상기 빔포밍 벡터는 상기 기지국의 셀 반경 내에 상기 사용자 쌍만 있는 경우 상기 사용자 쌍 유효채널 벡터()를 실제 채널 벡터()로 둘 때의 상기 최적의 빔조종 벡터와 같고, 상기 기지국의 셀 반경 내에 한 쌍 이상의 사용자들이 있는 경우 상기 사용자 쌍 유효채널 벡터가 일 때의 상기 빔포밍 벡터는 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, 은 사용자 i, j를 제외한 하향링크 채널의 널 공간(null space)을 형성하는 기저 벡터의 행렬이고, 이고, M은 기지국의 안테나 수, K는 사용자의 수.
The method of claim 5,
The beamforming vector is the user pair effective channel vector when there is only the user pair within the cell radius of the base station. ) Is the actual channel vector ( Is equal to the optimal beam steering vector when set to < RTI ID = 0.0 >), and < / RTI > The beamforming vector when The beamforming method defined by.
here, Is a matrix of basis vectors forming a null space of a downlink channel excluding users i and j, Where M is the number of antennas in the base station and K is the number of users.
제2항에 있어서,
상기 사용자 쌍을 선정하는 단계를 더 포함하는 빔포밍 방법.
The method of claim 2,
And selecting the pair of users.
제8항에 있어서,
상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는
상기 최적의 전력 할당비 및 상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 최적의 소비전력을 구하는 단계; 및
상기 기지국의 전체 소비전력을 최소화하기 위한 제3 목적함수에 대하여 사용자 쌍 지표를 최적화하여 최적의 사용자 쌍 지표를 구하는 단계를 포함하고,
상기 제3 목적함수는 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, 는 사용자 쌍 지표이고, 는 최적의 소비전력.
The method of claim 8,
Selecting the user pair is
Obtaining an optimal power consumption using the optimal power allocation ratio and the optimal beam steering vector; And
Obtaining an optimal user pair index by optimizing the user pair index with respect to a third objective function for minimizing the total power consumption of the base station,
The third objective function is The beamforming method defined by.
here, Is the user pair indicator, Is the optimal power consumption.
제9항에 있어서,
상기 최적의 소비전력은 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
The method of claim 9,
The optimal power consumption The beamforming method defined by.
기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 방법에 있어서,
상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제1 목적함수를 통해 상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 전력 할당비를 최적화하여 최적의 전력 할당비를 구하는 단계;
상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 기지국의 소비전력을 최소화하기 위한 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계; 및
상기 사용자 쌍을 선정하는 단계를 포함하고,
상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는
사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 에 의해 산출하는 단계;
상기 기지국의 셀 영역 내의 모든 사용자 집합에 대하여 상기 산출된 상관계수가 가장 높은 순서대로 상기 사용자 쌍을 선정하는 단계; 및
상기 선정된 사용자 쌍을 상기 모든 사용자 집합에서 제거시키는 단계를 포함하고,
상기 제1 목적함수는 에 의해 정의되고, 상기 제2 목적함수는 에 의해 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산, .
In the beamforming method for minimizing the power consumption of the base station,
Obtaining an optimal power allocation ratio by optimizing a power allocation ratio for a pair of users (i, j) in a cell area of the base station through a first objective function for minimizing power consumption of the base station;
Obtaining a beam steering vector by optimizing the beam steering vector for the user pair through a second objective function for minimizing power consumption of the base station using the optimal power allocation ratio; And
Selecting the pair of users,
Selecting the user pair is
User Pair Effective Channel Vector ( ) The correlation coefficient of Calculating by;
Selecting the pair of users in order of the highest correlation coefficient calculated for all sets of users in the cell area of the base station; And
Removing the selected user pair from all the user sets,
The first objective function is Is defined by the second objective function The beamforming method defined by.
here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver, .
제11항에 있어서,
상기 최적의 빔조종 벡터를 구하는 단계는
상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하는 단계를 더 포함하고,
상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, , 이고, .
The method of claim 11,
Obtaining the optimal beam steering vector
The second objective function By applying Further comprising the step of transforming,
The optimal beam steering vector is A beamforming method defined as
here, , ego, .
제11항에 있어서,
상기 사용자 쌍을 선정하는 단계는 상기 모든 사용자 집합 내의 사용자가 쌍을 형성할 때까지 반복 수행되는 빔포밍 방법.
The method of claim 11,
The selecting of the user pairs may be repeated until the users in all the user sets form the pairs.
기지국의 소비전력을 최소화하는 빔포밍 장치에 있어서,
상기 기지국의 셀 영역 내의 사용자 쌍(i,j)에 대한 최적의 전력 할당비 및 최적의 빔조종 벡터를 생성하고, 상기 최적의 빔조종 벡터를 이용하여 빔포밍 벡터를 생성하고, 상기 사용자 쌍을 선정하는 제어부;
상기 사용자 쌍에 송신하고자 하는 심볼을 부호화하고, 상기 부호화된 심볼을 중첩하여 중첩 부호 신호를 생성하는 중첩 부호화부; 및
상기 중첩 부호화부를 통해 생성된 중첩 부호 신호에 대하여 상기 빔포밍 벡터 생성부를 통하여 생성된 빔포밍 벡터를 이용하여 빔포밍을 수행하는 빔형성부를 포함하는 빔포밍 장치.
In the beamforming device to minimize the power consumption of the base station,
Generate an optimal power allocation ratio and an optimal beam steering vector for the user pair (i, j) in the cell region of the base station, generate a beamforming vector using the optimal beam steering vector, and generate the user pair. A controller for selecting;
An overlapping encoder which encodes a symbol to be transmitted to the user pair and generates an overlapped code signal by superimposing the encoded symbols; And
And a beamforming unit configured to perform beamforming on the superimposed code signal generated by the overlapping encoder by using the beamforming vector generated by the beamforming vector generator.
제14항에 있어서,
상기 제어부는
제1 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 전력 할당비를 최적화하여 상기 최적의 전력 할당비를 구하고, 제2 목적함수를 통해 상기 사용자 쌍에 대한 빔조종 벡터를 최적화하여 상기 최적의 빔조종 벡터를 구하여 상기 빔포밍 벡터를 생성하는 빔포밍 벡터 생성부;
상기 사용자 쌍을 선정하는 선정부; 및
상기 최적의 전력 할당비를 이용하여 상기 사용자 쌍(i,j)에 송신할 심볼에 각각 전력을 할당하는 전력 할당부를 포함하고,
상기 제1 목적함수는 에 의해 정의되고, 상기 제2 목적함수는 에 의해 정의되는 빔포밍 장치.
여기서, 는 전력 할당비로서 이고, 는 빔조종 벡터이고, 이고, 이고, 는 사용자 쌍 유효채널 벡터이고, ()이고, 는 수신단의 잡음 분산, .
The method of claim 14,
The control unit
The optimal power allocation ratio is obtained by optimizing the power allocation ratio for the user pair through a first objective function, and the optimal beam steering vector is obtained by optimizing the beam steering vector for the user pair through a second objective function. A beamforming vector generator for obtaining the beamforming vector;
A selection unit for selecting the pair of users; And
A power allocator for allocating power to symbols to be transmitted to the user pairs i and j using the optimal power allocation ratio;
The first objective function is Is defined by the second objective function Beamforming apparatus as defined by.
here, Is the power allocation ratio ego, Is the beam steering vector, ego, ego, Is the user pair effective channel vector, ( )ego, Is the noise variance of the receiver, .
제15항에 있어서,
상기 빔포밍 벡터 생성부는
상기 제2 목적함수를 를 적용하여 으로 변형하고,
상기 최적의 빔조종 벡터는 와 같이 정의되는 빔포밍 방법.
여기서, , 이고, .
The method of claim 15,
The beamforming vector generator
The second objective function By applying Transform to
The optimal beam steering vector is A beamforming method defined as
here, , ego, .
제15항에 있어서,
상기 선정부는
상기 사용자 쌍 유효채널 벡터()의 상관계수를 에 의해 산출하고, 상기 기지국의 셀 영역 내의 모든 사용자 집합에 대하여 상기 산출된 상관계수가 가장 높은 순서대로 상기 사용자 쌍을 선정하는 빔포밍 장치.
The method of claim 15,
The selection unit
The user pair effective channel vector ( ) The correlation coefficient of And selecting the user pairs in order of the highest correlation coefficient calculated for all user sets in the cell area of the base station.
제17항에 있어서,
상기 선정부는 상기 선정된 사용자 쌍을 상기 모든 사용자 집합에서 제거시키는 빔포밍 장치.
The method of claim 17,
And the selecting unit removes the selected user pair from all user sets.
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