KR20230014554A

KR20230014554A - Irs 서비스 영역 탐지 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20230014554A
Application number: KR1020210096024A
Authority: KR
Inventors: 권도일; 박규진; 편성엽
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-01-30

Abstract

IRS 서비스 영역 탐지 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 방법은, 기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성되는 통합 채널을 산출하는 단계, 상기 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 상기 통합 채널을 이용하여, 상기 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출하는 단계, 및, 상기 복수의 내적 값을 비교하여 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

IRS 서비스 영역 탐지 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING IRS SERVICE AREA}

본 발명은, 통합 채널과 각 IRS에 대한 최적 빔 벡터의 상관 관계를 이용하여, 단말이 LOS 영역에 위치하는지 여부 및 단말이 어느 IRS의 서비스 영역에 위치하는지를 결정할 수 있는, IRS 서비스 영역 탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.

5G는 데이터 전송률을 확대하기 위해서 이전 세대에서 사용되지 않았던 높은 주파수 대역을 활용한다. 그러나, mmWAVE 대역과 같은 고주파 대역 (예를 들어, 28GHz)에서 전파의 직진성이 강해짐에 따라, 기지국과 단말 간 가시 거리(Line-Of-Sight, 이하 LOS라고 함)가 존재하지 않을 경우에는 높은 투과 손실로 인해 단말에게 신호가 제대로 전달되지 않고 이에 따라 기지국의 커버리지가 감소하는 문제가 발생한다.

기존에는 스몰 셀(small cell), 기지국 또는 radio unit(RU) 등을 서비스 지역 내에 밀도 있게 설치함으로써 문제를 해결하였으나, 이러한 해결 방법은 기지국 운용의 투자 비용(Capital Expenditure, CAPEX) 및 운영 비용(Operational Expenditure, OPEX) 을 증가시킨다는 또 다른 문제점을 가지고 있다.

한편, 기지국의 커버리지가 감소하는 문제 및 비용 증가 문제를 해결하기 위해서, 최근 지능형 반사 표면(Intelligent Reflecting Surface, 이하 IRS라 함)이 많은 주목을 받고 있다.

다만 현재 IRS를 이용한 빔포밍 기술은, 단말이 IRS로부터 반사된 빔을 수신하는지, 또는 기지국으로부터 직접 빔을 수신하는지에 대한 정보를 알 수 없다는 한계 때문에, 단말의 이동 시 단말의 수신 성능이 감소하는 문제가 발생한다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 통합 채널과 각 IRS에 대한 최적 빔 벡터의 상관 관계를 이용하여, 단말이 LOS 영역에 위치하는지 여부 및 단말이 어느 IRS의 서비스 영역에 위치하는지를 결정할 수 있는, IRS 서비스 영역 탐지 장치 및 방법을 제공하기 위함이다.

본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 방법은, 기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성되는 통합 채널을 산출하는 단계, 상기 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 상기 통합 채널을 이용하여, 상기 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출하는 단계, 및, 상기 복수의 내적 값을 비교하여 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

이 경우 상기 최적 빔 벡터는, 상기 기지국의 위치 및 IRS의 위치에 기반하여 설정될 수 있다.

한편 상기 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 이하인 경우, 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

한편 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정되는 경우, 상기 통합 채널을 이용하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편 상기 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 보다 큰 경우, 상기 복수의 내적 값 중 가장 큰 내적 값에 대응하는 특정 IRS의 서비스 영역에 상기 단말이 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

상기 단말이 상기 특정 IRS의 서비스 영역에 위치하는 경우, 상기 특정 IRS에 대응하는 최적 빔 벡터를 상기 기지국의 빔 포밍 벡터로 고정하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이 경우 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계는, 항등 행렬 설정 명령을 상기 특정 IRS에 전송하는 단계, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 추정하는 단계, 및, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 상기 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 이용하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

한편 상기 산출된 빔 포밍 행렬을 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬로 고정하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하는 단계, 및, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬과 상기 기지국의 빔 포밍 벡터가 수렴할 때까지, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬의 산출 및 상기 기지국의 빔 포밍 벡터의 산출을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 장치는, 복수의 IRS 및 단말과 통신하는 통신부, 및, 기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성되는 통합 채널을 산출하고, 상기 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 상기 통합 채널을 이용하여 상기 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출하고, 상기 복수의 내적 값을 비교하여 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 제어부를 포함한다.

한편 상기 제어부는, 상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 이하인 경우, 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

이 경우 상기 제어부는, 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정되는 경우, 상기 통합 채널을 이용하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출할 수 있다.

한편 상기 제어부는, 상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 보다 큰 경우, 상기 복수의 내적 값 중 가장 큰 내적 값에 대응하는 특정 IRS의 서비스 영역에 상기 단말이 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

이 경우 상기 제어부는, 상기 단말이 상기 특정 IRS의 서비스 영역에 위치하는 경우, 상기 특정 IRS에 대응하는 최적 빔 벡터를 상기 기지국의 빔 포밍 벡터로 고정하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다.

이 경우 상기 제어부는, 항등 행렬 설정 명령을 상기 특정 IRS에 전송하고, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 추정하고, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 상기 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 이용하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다.

한편 상기 제어부는, 상기 산출된 빔 포밍 행렬을 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬로 고정하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하고, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬과 상기 기지국의 빔 포밍 벡터가 수렴할 때까지, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬의 산출 및 상기 기지국의 빔 포밍 벡터의 산출을 반복할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부와 관계 없이 항상 기지국의 빔 포밍 벡터만을 최적화 하던 종래 기술의 문제를 해결하고, IRS의 빔포밍 행렬을 최적화 하거나 IRS의 빔포밍 행렬 및 기지국의 빔 포밍 벡터 모두를 최적화 함으로써 단말의 신호 수신 성능을 최적화 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 IRS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 IRS를 이용한 서비스를 도시한 도면이다.
도 3은 단말이 이동하는 경우에 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은, 단말(430)의 수신 신호 세기가 최대화 되도록 제2 IRS의 빔 포밍 행렬 및 기지국의 빔 포밍 벡터를 최적화 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.

한편, 본 명세서에서의 단말은 무선 통신 시스템에서 기지국과 통신을 수행하는 무선 통신 모듈을 포함하는 장치를 의미하는 포괄적 개념으로서, WCDMA, LTE, NR, HSPA 및 IMT-2020(5G 또는 New Radio) 등에서의 UE(User Equipment)는 물론, GSM에서의 MS(Mobile Station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선 기기(wireless device) 등을 모두 포함하는 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 단말은 사용 형태에 따라 스마트 폰과 같은 사용자 휴대 기기가 될 수도 있고, V2X 통신 시스템에서는 차량, 차량 내의 무선 통신 모듈을 포함하는 장치 등을 의미할 수도 있다. 또한, 기계 형태 통신(Machine Type Communication) 시스템의 경우에 기계 형태 통신이 수행되도록 통신 모듈을 탑재한 MTC 단말, M2M 단말, URLLC 단말 등을 의미할 수도 있다.

본 명세서의 기지국 또는 셀은 네트워크 측면에서 단말과 통신하는 종단을 지칭하며, 노드-B(Node-B), eNB(evolved Node-B), gNB(gNode-B), LPN(Low Power Node), 섹터(Sector), 싸이트(Site), 다양한 형태의 안테나, BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point), 포인트(예를 들어, 송신포인트, 수신포인트, 송수신포인트), 릴레이 노드(Relay Node), 메가 셀, 매크로 셀, 마이크로 셀, 피코 셀, 펨토 셀, RRH(Remote Radio Head), RU(Radio Unit), 스몰 셀(small cell) 등 다양한 커버리지 영역을 모두 포괄하는 의미이다.

따라서 이하에서 설명하는 용어 “기지국”은, RU(Radio Unit)이거나, RU(Radio Unit)를 포함하는 장치를 의미할 수 있다. 따라서 용어 “기지국”은 용어 “RU”와 혼용되어 사용될 수 있다.

도 1은 IRS의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

IRS는 일종의 수동적 반사기판 (passive reflector) 로써, IRS는 입사된 신호를 기지국 및 비 가시거리(Non Line-Of-Sight, 이하 NLOS라고 함) 영역에 위치하는 단말에 반사하는 역할을 수행한다.

한편 IRS는, 메타 아톰(meta-atom), 메타 아톰(meta-atom) 내 다이오드(예를 들어, PIN diode), IRS 컨트롤러를 구비하여 빔포밍을 수행할 수 있다.

구체적으로 IRS는, IRS 컨트롤러(140) 및 세 개의 레이어(110, 120, 130)를 포함하고, 세 개의 레이어 중 가장 상층의 레이어(110)에는 다수의 메타 아톰(meta-atom)(111)이 배치될 수 있다. 도 1에서는 5*6개의 메타 아톰(meta-atom)이 배치된 것으로 도시하였다.

여기서 메타 아톰(Meta-atom)은 일종의 수동 안테나 소자(passive antenna element)로써, 입사된 신호의 위상 (phase)를 IRS 컨트롤러의 제어에 기반하여 변경할 수 있다.

한편 중간 층에 위치한 레이어(120)는 동판(Copper plate)으로서, 신호의 에너지 누출 방지를 위해 사용될 수 있다. 또한 가장 하층의 레이어(130)은 메타 아톰(meta-atom)과 IRS 컨트롤러(140)간의 인터페이스를 수행할 수 있다.

한편 IRS 컨트롤러(140)는 메타 아톰(meta-atom) 들의 위상을 결정할 수하는 있다. 예를 들어, IRS 컨트롤러(140)는 메타 아톰(meta-atom) 내에 위치한 다이오드를 제어함으로써, 메타 아톰(meta-atom)의 위상을 결정할 수 있다. 일 예로, 임의의 메타 아톰(meta-atom)에 하나의 핀 다이오드(PIN diode)가 설치되는 경우, IRS 컨트롤러(140)는 메타 아톰(meta-atom)의 위상을 두 단계 (0 또는 π)로 제어할 수 있다.

도 2는 IRS를 이용한 서비스를 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 제1 단말 내지 제3 단말(240, 250, 260)이 존재한다. 여기서 제1 단말(240)과 기지국(210) 사이에는 벽과 같은 장애물이 존재하지 않으며, 따라서 제1 단말(240)과 기지국(210) 간에는 가시 거리(Line-Of-Sight, 이하 LOS라고 함)가 존재한다. 따라서 제1 단말(240)은 LOS 영역에 위치한다고 정의될 수 있다.

한편 제2 단말(250) 및 제3 단말(260)과 기지국(210) 사이에는 장애물(벽)이 존재한다. 이 경우 제2 단말(250) 및 제3 단말(260)은 NLOS 영역에 위치한다고 정의될 수 있다.

한편 NLOS 영역에 위치한 제2 단말(250) 및 제3 단말(260)이 기지국(210)으로부터 직접 빔 신호를 수신하는 경우, 높은 투과 및 감쇄 손실로 인해 빔 신호에 대한 수신 성능이 하락하게 된다. 이 경우 IRS(220, 230)을 배치하여, 수신 성능 저하 문제를 방지할 수 있다.

IRS는, 단말에서 송출되어 자신에게 입사된 신호를 기지국(210)으로 반사시키고, 기지국(210)에서 송출되어 자신에게 입사된 신호를 단말로 반사시킬 수 있다.

구체적으로 IRS(220, 230)와 기지국(210) 사이에는 LOS가 존재한다. 또한, 제1 IRS(220)과 제2 단말(250) 사이에는 LOS가 존재하며, 제2 IRS(230)과 제3 단말(260) 사이에는 LOS가 존재한다.

따라서 NLOS 영역에 위치하는 제2 단말(250) 및 제3 단말(260)은, 기지국(210)으로부터 직접 신호를 수신하지 않고 IRS가 반사시킨 빔 신호를 수신할 수 있다. 이에 따라, NLOS 영역에 위치하는 제2 단말(250) 및 제3 단말(260)에 대한 수신 성능 저하 문제가 방지될 수 있다.

즉 NLOS 영역에 위치하는 제2 단말(250)에는, 기지국(210)과 제1 IRS(220)간의 LOS 및 제1 IRS(220)와 제2 단말(250) 간의 LOS 관계를 통하여 신호가 전달된다. 이 경우 제2 단말(250)은 제1 IRS(220)의 서비스 영역에 위치하는 것으로 정의될 수 있다.

또한 NLOS 영역에 위치하는 제3 단말(260)에는, 기지국(210)과 제2 IRS(230)간의 LOS 및 제2 IRS(230)와 제3 단말(260) 간의 LOS 관계를 통하여 신호가 전달된다. 이 경우 제3 단말(260)은 제2 IRS(230)의 서비스 영역에 위치하는 것으로 정의될 수 있다.

또한 IRS 서비스 영역은, 제1 IRS(220)의 서비스 영역 및 제2 IRS(320)의 서비스 영역을 포함할 수 있다. 따라서 제2 단말(250) 제3 단말(260)은 IRS 서비스 영역에 위치하는 것으로 정의될 수 있다.

IRS(220, 230)는 기지국(210)의 신호를 단말(250, 260)에게 전달해주는 중계기(relay) 역할을 수행 하지만 종래 중계기와는 한 가지 큰 차이점이 존재한다.

구체적으로, 종래의 중계기는 달리 IRS에는 제작 비용을 감소시키기 위해 RF 체인(Radio Frequency Chain) 이 부착되지 않기 때문에, IRS는 RF 체인을 필요로 하는 기본 밴드 처리(baseband processing)를 수행할 수 없다는 것이다. 이것이 야기하는 한 가지 문제는, IRS는 채널 추정에 필요한 파일럿(pilot) 신호 생성 등의 채널 추정 동작을 스스로 할 수 없다는 점이다.

주목할 점은, 빔포밍 기술은 추정된 채널 정보를 필수적으로 요구하는 기술이라는 점이다. 예를 들면, 종래의 빔포밍 기술은, 송신단에서 추정한 채널과 가장 큰 상관 관계를 갖는 빔을 선택하여 빔 포밍을 수행한다. 그러나, IRS는 자신과 단말간의 채널을 추정할 수 없기 때문에, 자신과 단말간 상관 관계가 가장 큰 빔을 스스로 찾을 수도 없다. 따라서 IRS에는, 종래의 중계기 기반 빔포밍 기술을 적용 시킬 수 없다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 종래기술 1(B. Zheng and R. Zhang, "Intelligent Reflecting Surface-Enhanced OFDM: Channel Estimation and Reflection Optimization," in IEEE Wireless Communications Letters, vol. 9, no. 4, pp. 518-522, April 2020, doi: 10.1109/LWC.2019.2961357)에서는, 단말-IRS-기지국 간의 통합 채널(combined channel) 을 추정하고, 추정된 통합 채널 정보를 활용한 IRS의 빔포밍 기술을 제안하였다.

또한 종래기술 2(Q. Wu and R. Zhang, "Intelligent Reflecting Surface Enhanced Wireless Network via Joint Active and Passive Beamforming," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 18, no. 11, pp. 5394-5409, Nov. 2019, doi: 10.1109/TWC.2019.2936025)에서는, 추정된 채널 정보를 통해 최적 빔포밍을 도출하는 방안을 제안하였다.

종래기술 1 및 종래기술 2에서의 채널 추정 방식의 핵심은, 사전에 메타 아톰(meta-atom)의 위상을 고정한 후 단말-IRS-기지국 간의 통합 채널을 추정하는 것이다. 이 경우 비록 단말-IRS간 채널 정보를 알아내진 못할지라도, 단말-IRS-기지국 간 통합 채널을 알아 낼 수 있다.

종래기술 1 및 종래기술 2에서 시사하는 바는, 단말-IRS-기지국 간의 통합 채널 정보를 획득할 수 있고 이를 통해 IRS 빔포밍 기술을 구현할 수 있다는 점이다.

다만 종래기술 1, 종래기술 2 및 기타 IRS와 관련된 사전 연구들은 한 가지 가정을 하고 있다. 이는, 단말이 어떠한 IRS의 서비스 영역에 존재하고 있고 해당 단말은 상기 IRS에 의해 반사된 빔을 수신하고 있다는 것을, 기지국이 사전에 인지하고 있다는 점이다.

그러나, 종래기술 1, 종래기술 2 및 기타 IRS와 관련된 사전 연구들은, 단말이 IRS를 통해서 서비스를 받는다는 것을 어떻게 알아낼 수 있는지에 대한 방안을 제시하지 않고 있다.

여기서 주목할 점은, IRS는 기본 밴드 처리(baseband processing)를 할 수 없기 때문에, 단말은 자신이 IRS로부터 반사된 신호를 수신하는지 또는 기지국으로부터 직접 신호를 수신하는지에 대한 정보를 알 수 없다는 점이다.

그리고, 단말이 IRS로부터 반사된 신호를 수신하는지 아니면 기지국으로부터 직접 신호를 수신하는지 모르는 상태에서 빔을 교체해야 하는 경우, 도 3에서 설명하는 문제가 발생할 수 있다.

도 3은 단말이 이동하는 경우에 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a에서는, 단말이 복수의 IRS의 서비스 영역에 위치하는지(즉, 단말이 IRS로부터 반사된 신호를 수신하는지) 또는 단말이 LOS 영역에 위치하는지(즉, 단말이 IRS를 통하는 것 없이 기지국으로부터 직접 신호를 수신하는지) 모르는 상태에서 발생할 수 있는 문제를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a를 참고하면, 단말은 제1 위치(310)로부터 제2 위치(320)로 이동하였다.

이 경우 단말은, 달라진 위치에 따른 빔 신호를 요청하기 위하여, 기지국으로 빔 재 선택 요청을 전송할 수 있다. 이 경우 기지국은, 후보 빔들의 빔 기준 신호 수신 전력(Beam Reference Signal Received Power, 이하 BRSRP라고 함) 정보를 이용하여, 가장 큰 BRSRP에 해당하는 빔을 선택할 수 있다.

여기서 문제는, 단말은 현재 기지국으로부터 직접 빔 신호를 수신하는 것이 아니라 IRS를 통하여 반사된 빔 신호를 수신하고 있기 때문에, 실제로 단말의 신호 수신 성능에 영향을 미치는 것은 기지국이 IRS에 송출하는 빔 신호가 아니라, IRS가 단말로 반사시킨 빔 신호이다. 즉, 단말의 신호 수신 성능에는, 기지국의 빔 포밍이 영향을 미치는 것이 아니라, IRS의 빔 포밍이 영향을 미치게 된다. 그러나 기지국은 단말이 복수의 IRS의 서비스 영역에 위치하는지 또는 LOS 영역에 위치하는지 알지 못하기 때문에, 기지국은 IRS와 단말간의 빔 신호를 변경하는 것 없이 오직 기지국이 IRS에 송출하는 빔 신호(340)만을 새로운 빔 신호(350)로 교체할 것이다.

이 경우, 단말의 위치는 변경되었음에도 불구하고, IRS는 단말의 이전 위치(310)를 향해 빔 신호(330)를 반사시키고 있기 때문에, 단말의 신호 수신 성능은 감소하게 된다.

한편 도 3b는, 단말이 복수의 IRS의 서비스 영역 내에 있다는 것을, 기지국이 알고 있는 경우를 도시한 도면이다.

도 3b를 참고하면, 단말이 제1 위치(360)로부터 제2 위치(370)로 이동한 경우 기지국으로 빔 재 선택 요청을 전송할 수 있으며, 이 경우 기지국은 기지국의 최적화된 빔 신호(380)뿐만 아니라 IRS의 최적화된 빔 신호(390)까지 찾을 수 있기 때문에, 단말의 신호 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

한편 도 3에서 설명한 상황은, 종래 기지국 간 핸드 오버(Handover)에서 발생하는 문제와 다소 유사한 면이 있다. 구체적으로, 핸드오버 문제 역시, 단말의 위치가 변화함에 따라 단말의 주변 네트워크 상황이 변경되고 이 때 단말에게 최적인 기지국으로 변경하는 문제를 다루기 때문이다.

그러나, 도 3에서 설명한 문제와 핸드오버 문제와의 큰 차이점은, IRS에는 RF 체인이 존재하지 않고, IRS는 기본 밴드 처리(baseband processing)를 수행할 수 없기 때문에, IRS 는 하나의 기지국으로 간주될 수 없다는 점이다. 구체적으로, 종래 핸드오버 기술은 단말이 복수개의 기지국에서 개별적으로 수신한 기준 신호의 세기를 비교하고 가장 큰 세기를 갖는 기지국으로 옮겨간다. 그러나, IRS는 자체적으로 기준 신호를 생성하고 송신할 수 없기 때문에, 종래의 핸드오버 기술로는 도 3에서 설명한 문제점을 해결할 수 없다.

도 4는 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

IRS 서비스 영역 탐지 시스템은, 기지국(410), 복수의 IRS(421, 422, 423) 및 단말(430)을 포함할 수 있다.

이하에서는, IRS 서비스 영역 탐지 시스템이 한 개의 기지국과 I개의 IRS를 포함한다고 가정한다. 또한 도 4에서는 단말이 두 개 존재하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 기지국이 단말의 위치를 모르는 상황을 설명하기 위하여 이와 같이 도시한 것으로, 실제로 IRS 서비스 영역 탐지 시스템이 한 개의 단말을 포함하는 것으로 가정한다.

또한, 기지국은 M개의 안테나를 보유했고, IRS 는 N개의 메타 아톰(meta-atom)을 보유하고 있다고 가정한다. 편의상, 단말은 단일 안테나를 보유했다고 가정한다.

또한 기지국(410)과 단말(430) 간의 채널은 기지국-단말 채널이라 명칭하며,

는 기지국-단말 채널을 나타낸다.

또한 기지국(410)과 IRS(422) 간의 채널은 기지국-IRS 채널이라 명칭하며,

는 기지국-IRS 채널을 나타낸다. 이 경우 i는 i번째 IRS를 의미할 수 있다.

또한 IRS(422)와 단말(430) 간의 채널은 IRS-단말 채널이라 명칭하며,

는 IRS-단말 채널을 나타낸다. 이 경우 i는 i번째 IRS를 의미할 수 있다.

한편 기지국(410)은 빔 포밍 벡터에 기반하여 빔 포밍을 수행할 수 있다. 그리고 기지국(410)의 빔 포밍 벡터는,

로 표현될 수 있다.

한편 기지국(410)에서 전송한 빔 심호가 IRS(422)에서 반사되어 단말(430)에 전달되는 경우, IRS(422)는 빔 포밍을 수행할 수 있다. 그리고 IRS의 빔 포밍 행렬은

로 표현될 수 있다. 여기서 i는 i번째 IRS를 의미할 수 있다. 또한

는 대각 행렬이며, n번째 원소는 n번째 메타 아톰(meta-atom)의 위상 값을 나타낼 수 있다.

한편 기지국(410)에서 전송한 빔 심호가 IRS(422)에서 반사되어 단말(430)에 전달되는 경우, 기지국(410), IRS(422) 및 단말(430)로 이어지는 채널이 형성될 수 있다. 그리고, 기지국(410), IRS(422) 및 단말(430)로 이어지는 채널은, 기지국-IRS-단말 채널이라 명칭할 수 있다. 기지국-IRS-단말 채널은

로 표현될 수 있다.

한편 단말(430)과 기지국(410) 간의 통합 채널은

으로 표현될 수 있다. 그리고 통합 채널은 기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성될 수 있다. 따라서 통합 채널은 다음과 같은 수학식으로 표현될 수 있다.

한편 본 명세서에서는, 채널 호혜성(Channel Reciprocity)이 성립한다고 가정한다. 따라서, 이하에서는 기지국(410)이 단말(430)이 전송한 SRS(sounding reference signal)를 기준 신호 (Reference Signal)로 사용하여 채널을 추정하는 것으로 설명하나 이에 한정되지는 않으며, 채널을 추정하는 다양한 방법이 사용될 수 있다.

한편 단말(430)이 SRS를 전송하면, 기지국(410)은 SRS를 이용하여 단말(430)과 기지국(410) 간의 통합 채널(

)을 추정할 수 있다. 다만 IRS는 기본 밴드 처리(baseband processing)를 수행할 수 없기 때문에, 기지국(410)은 기지국-IRS 채널(

) 및 IRS-단말 채널(

)을 개별적으로 추정할 수는 없다.

한편 앞서 설명한 종래 기술의 경우, 기지국은 단말의 수신 신호 세기가 최대가 되도록 하는 기지국의 빔 포밍 벡터(

)를 산출한다. 이것은 통합 채널(

)과 기지국의 빔 포밍 벡터(

)의 내적 값을 최대화 하는 빔포밍 벡터를 찾는 수학적 문제로 나타낼 수 있다. 여기서 내적 값이란 내적 값의 절대 값을 의미할 수 있으며, 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

한편 단말(430)이 LOS 영역에 위치하는 경우, IRS를 통하여 반사되는 신호의 세기는 무시할 수 있을만큼 작다. 따라서 단말(430)과 기지국(410) 간의 통합 채널(

)은, 기지국-단말 채널(

)로 근사화 될 수 있다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 앞서 설명한 종래 기술은 결국

을 최대화 하는 것일 수 있으며, 따라서 기지국-단말 채널(

)에 대하여 기지국의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화하는 것일 수 있다.

한편 단말(430)이 NLOS 영역에 존재하는 경우, 단말(430)이 기지국(410)으로부터 직접 수신하는 신호의 세기는 무시할 수 있을 정도로 매우 작다. 따라서 따라서 단말(430)과 기지국(410) 간의 통합 채널(

)은, 기지국-IRS-단말 채널(

)로 근사화 될 수 있다. 이는 다음과 같이 표현될 수 있다.

이 경우, 수신 신호의 세기를 최대화 하기 위해서, 기지국의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화하는 것 뿐만 아니라 IRS의 빔포밍 행렬(

) 역시 최적화 되어야 한다. 다만 앞서 설명한 종래 기술은 IRS의 빔포밍 행렬(

)을 최적화 하는 것 없이, 단지 기지국의 빔포밍 벡터(

) 만을 최적화 하는데 그친다.

여기서 중요한 것은, 단말이 NLOS 영역에 존재하는 경우 단말의 수신 신호 세기에 지배적인 (dominant) 한 영향을 미치는 것은, 기지국의 빔포밍 벡터(

)가 아니라 IRS의 빔포밍 행렬(

)이라는 것이다. 따라서 종래 기술과 같이 기지국의 빔포밍 벡터(

)만을 최적화 하는 방식은, NLOS 영역에 존재하는 단말에 대해 만족스런 성능을 도출해 내기가 어렵다.

도 5는 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 장치를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500)는, 통신부(510), 메모리(520) 및 제어부(530)를 포함할 수 있다. 여기서 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500)는 기지국(410)의 일 구성일 수 있으며, 이에 따라 통신부(510), 메모리(520) 및 제어부(530)는 기지국(410)의 구성요소일 수도 있다.

통신부(510)는 IRS, 단말 등을 포함하는 외부 장치와 통신할 수 있다. 그리고 통신부(510)는 단말과 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500) 사이의 무선 통신, 그리고 IRS와 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500) 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다.

통신부(510)는 송신부 및 수신부를 포함할 수 있다. 그리고 송신부 및 수신부는 본 발명을 수행하기에 필요한 신호나 메시지, 데이터를 단말기와 송수신하는데 사용될 수 있다.

여기서 송신부는 단말(430)에 하향링크 제어 정보, 데이터, 메시지, SRS 구성 정보, CSI-RS 등을 전송할 수 있다. 또한 수신부는 단말(430)로부터 상향링크 제어 정보, 데이터, 메시지, SRS 등을 수신할 수 있다.

또한 통신부(510)는, 제어부(530)에서 산출한 빔 포밍 벡터에 기반하여, 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이 경우 통신부(510)에서 송출된 빔 신호는 단말(430)로 직접 전송될 수도 있으며, IRS에서 반사되어 단말(430)에 전달될 수도 있다.

한편 메모리(520)는 데이터, 메시지를 저장하거나, IRS 서비스 영역 탐지 장치(500) 또는 기지국(410)의 동작을 위한 응용 프로그램을 저장할 수 있다.

한편 제어부(530)는 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.

또한 제어부(530)는 단말(430)로부터 SRS를 수신하고, 수신된 SRS에 기반하여 통합 채널을 산출할 수 있다.

또한 제어부(530)는 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부, 단말(430)이 어느 IRS의 서비스 영역에 위치하는지, 단말(430)이 특정 IRS의 서비스 영역에 위치하는 경우 특정 IRS의 빔 포밍 행렬, 기지국(410)의 빔 포밍 벡터 등을 결정할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 IRS 서비스 영역 탐지 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

제어부(530)는 통합 채널을 산출할 수 있다(S610). 구체적으로 제어부(530)는, 통신부(510)를 통하여, 단말(430)로부터 SRS를 수신할 수 있다. 또한 제어부(530)는 수신된 SRS를 기준 신호로 이용하여 통합 채널을 추정할 수 있다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 통합 채널(

)은 기지국-단말 채널(

)과 기지국-IRS-단말 채널(

)의 합으로 구성될 수 있다.

한편, 제어부(530)는 지속적으로 통합 채널을 산출할 수 있다. 즉, 도 3b에서와 같이 단말(430)이 이동한 경우, 제어부(530)는 이동한 상태의 단말(430)에 대한 통합 채널을 산출할 수 있다.

한편 본 발명에서는, 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)를 알 수 있다는 사실을 활용한다.

여기서 기지국(410)으로부터 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)란, i번째 IRS로부터 서비스를 받는 단말의 수신 신호 세기를 최대화 할 수 있는 빔 벡터를 의미할 수 있다.

한편 기지국(410)의 위치와 i번째 IRS의 위치는 고정되어 있다. 따라서 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

) 역시 기지국(410)의 위치와 i번째 IRS의 위치에 기반하여 설정되는 고정된 값일 수 있다.

한편 기지국(410)의 위치와 i번째 IRS의 위치는 고정되어 있음에도 불구하고, 신호의 전송 경로에 차폐물이 존재하는 등의 다양한 환경 변화가 나타날 수 있으며, 이러한 경우 i번째 IRS로부터 서비스를 받는 단말의 수신 신호 세기를 최대화 할 수 있는 빔 벡터는 환경 변화에 따라 달라질 수 있다.

따라서 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)는, 번째 IRS로부터 서비스 받는 임의의 단말에 대해 임의의 IRS 빔포밍 행렬이 적용되었을 경우 평균적인 수신 신호의 세기를 최대화 하는 빔 벡터로 정의될 수도 있다. 이 경우 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)는 통계적으로 산출될 수 있다. 일 례로 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)는, 일정 시간 동안, i번째 IRS로부터 서비스 받는 단말의 수신 신호 세기를 최대화한 빔 벡터들을 평균한 값을 의미할 수 있다.

그리고 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)는 아래와 같은 수식으로 정의될 수 있다.

여기서

는,

와

에 의해 종속적인 랜덤 변수

의 평균 값을 의미할 수 있다.

한편 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터는 미리 산출되어 메모리(520)에 저장될 수 있다. 즉 IRS가 세개 있다고 가정하는 경우, 기지국이 제1 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터, 기지국이 제2 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터, 기지국이 제3 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터가 메모리(520)에 저장될 수 있다.

한편, 단말이 i번째 IRS로부터 신호를 수신하는 경우, 통합 채널(

)과 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

) 간의 상관 관계가 크다. 따라서 기지국(410)이 i번째 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터(

)와 통합 채널(

) 간의 내적 값은, 기지국(410)이 다른 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터와 통합 채널(

) 간의 내적 값보다 클 것이다. 즉 아래와 같은 수식을 만족하게 된다.

여기서 i는 i번째 IRS를, i´는 다른 IRS를 의미한다.

또한 단말(430)이 IRS를 통하는 것 없이, 기지국(410)으로부터 직접 신호를 수신한다고 가정한다. 이 경우, 단말(430)의 수신 신호 세기는 IRS와 연관되지 않기 때문에, 임의의 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터와 통합 채널 간의 내적 값은, 다른 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터와 통합 채널 간의 내적 값과 큰 차이가 없게 된다.

이러한 성질을 이용하여 본 발명에서는, 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부, 그리고 단말(430)이 어느 IRS의 서비스 영역에 위치하는지를 결정한다.

구체적으로 제어부(120)는 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 통합 채널을 이용하여, 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출할 수 있다(S620).

예를 들어 IRS가 세개 있다고 가정하는 경우, 제어부(120)는 기지국(410)이 제1 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제1 내적 값, 기지국(410)이 제2 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제2 내적 값, 기지국(410)이 제3 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제3 내적 값을 산출할 수 있다.

또한 제어부(120)는, 복수의 내적 값을 비교하여 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정할 수 있다(S630).

구체적으로, 앞서 단말(430)이 임의의 IRS가 반사시킨 신호를 수신하는 경우 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치한다고 정의하였으며, 단말(430)이 기지국(410)으로부터 직접(즉 IRS를 통하는 것 없이) 신호를 수신하는 경우 단말(430)이 LOS 영역에 위치한다고 정의한바 있다.

그리고, 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 이하인 경우, 제어부(120)는 단말(430)이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

예를 들어 기지국(410)이 제1 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제1 내적 값이 최소 내적 값이고, 기지국(410)이 제2 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제2 내적 값이 최대 내적 값인 것으로 가정한다. 그리고 제2 내적 값과 제1 내적 값의 차이가 임계 값 이하인 경우, 제어부(120)는 단말(430)이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이를 임계 값과 비교하는 일 례로 아래와 같은 수식이 사용될 수도 있다.

여기서

는 크기 비교 임계값일 수 있다.

반대로, 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값보다 큰 경우, 제어부(120)는 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

예를 들어 기지국(410)이 제1 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제1 내적 값이 최소 내적 값이고, 기지국(410)이 제2 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 제2 내적 값이 최대 내적 값인 것으로 가정한다. 그리고 제2 내적 값과 제1 내적 값의 차이가 임계 값보다 큰 경우, 제어부(120)는 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

한편 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하지 않는 경우(단말(430)이 LOS 영역에 위치하는 경우), 제어부(120)는 통합 채널(

)을 이용하여 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 산출할 수 있다(S640).

즉, 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하지 않기 때문에, 제어부(120)는 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출할 필요가 없으며 기지국(410)의 빔포밍 벡터(

)만을 산출하면 된다. 또한 단말(430)이 LOS 영역에 위치하는 경우 단말(430)과 기지국(410) 간의 통합 채널(

)은, 기지국-단말 채널(

)로 근사화 되기 때문에, 제어부(120)는 통합 채널(

)을 이용하여 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 기지국(410)의 빔포밍 벡터(

)를 산출할 수 있다. 이는 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.

한편 단말(430)이 IRS 서비스 영역에 위치하는 경우, 제어부(530)는 단말(430)이 어느 IRS의 서비스 영역에 위치하는지 판단할 수 있다.

구체적으로, 제어부(520)는 복수의 내적 값 중 가장 큰 내적 값에 대응하는 특정 IRS의 서비스 영역에 단말(430)이 위치하는 것으로 결정할 수 있다(S650).

예를 들어 기지국(410)이 제2 IRS(422)에 방사 가능한 최적 빔 벡터 및 통합 채널 간의 내적 값이 최대 내적 값인 경우, 기지국(410)이 제2 IRS에 방사 가능한 최적 빔 벡터와 통합 채널 간의 상관 관계가 가장 크다. 이 경우 제어부(530)는 제2 IRS의 서비스 영역에 단말(430)이 위치하는 것으로 결정할 수 있다.

한편 단말(430)이 제2 IRS(422)의 서비스 영역에 위치하는 경우, 제어부(530)는 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터를 기지국(410)의 빔 포밍 벡터로 고정하여, 단말(430)의 수신 신호 세기를 최대화 하는 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다(S660). 즉 제어부(530)는 단말(430)의 수신 신호 세기가 최대화되도록 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬을 최적화 할 수 있다.

추가로 제어부(530)는 신호의 전송 경로에 차폐물이 존재하는 등의 환경 변화에 대응하여, 단말(430)의 수신 신호 세기가 최대화되도록 기지국(410)의 빔 포밍 벡터를 최적화 할 수도 있다.

단말(430)의 수신 신호 세기가 최대화 되도록 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

) 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화 하는 것은 아래의 수식으로 표현될 수 있다. 또한 이제부터는, i번째 IRS가 제2 IRS(422)인 것으로 가정한다.

도 7은, 단말(430)의 수신 신호 세기가 최대화 되도록 제2 IRS의 빔 포밍 행렬 및 기지국의 빔 포밍 벡터를 최적화 하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

한편, 단말(430)의 수신 신호 세기를 나타내는

가 최대화 되도록 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

) 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화 하는 것은 매우 어려운 문제이다. 특히 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)은 IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

) 사이에 존재하기 때문에, 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)을 최적화 하기 위해서는 IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

)을 각각 알아야 한다. 그러나 IRS가 기본 밴드 처리(baseband processing)를 수행할 수 없기 때문에, IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

)을 개별적으로 파악할 수는 없다. 따라서 도 7에서 설명하는 방법으로 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

) 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화하도록 한다.

제어부(530)는 제2 IRS(422)의 빔 행렬을 항등 행렬로 설정하여 채널을 추정할 수 있다(S710).

구체적으로 제어부(530)는 항등 행렬 설정 명령을 제2 IRS(422)에 전송할 수 있다. 이 경우 제2 IRS(422)의 IRS 컨트롤러는, 제2 IRS(422)의 메타 아톰(meta-atom)을 제어하여, 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)을 항등 행렬(identity matrix,

) 로 설정할 수 있다.

또한 제어부(530)는 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)을 항등 행렬(identity matrix,

)로 설정된 상태에서의 채널을 추정할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 통합 채널(

)은 기지국-IRS-단말 채널(

)로 근사화 되며, 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)을 항등 행렬(identity matrix,

) 로 설정하여 채널을 추정하는 경우

의 관계가 성립한다. 따라서 제어부(530)는, IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

)을 개별적으로 파악할 수는 없어도, IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

)의 곱(

)을 파악할 수는 있게 된다.

한편 수학식 9의

는

로 다시 쓸 수 있으며, 따라서 단말(430)의 수신 신호 세기를 나타내는

가 최대화 되도록 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

) 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 최적화하는 것은 아래의 수식으로 표현될 수 있다.

여기서

는

의 켤레전치 (conjugate transpose)를 의미할 수 있다.

한편 두개의 최적화 대상(제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

) 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

))이 존재하며, 이 두 개의 변수를 동시에 최적화 하는 것은 매우 어렵다.

따라서 본 발명에서는, 먼저 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 고정한 상태에서 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)을 산출하고, 산출된 빔포밍 행렬(

)을 고정한 상태에서 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 산출하며, 이러한 동작을 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)와 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)이 수렴할 때 까지 반복하는 방식을 사용한다.

먼저 제2 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 방법을 설명한다.

제어부(530)는, 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

)를 기지국(410)의 빔 포밍 벡터로 고정할 수 있다(S720). 앞서 설명한 바와 같이, 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

)란, 기지국(410)이 제2 IRS(422)에 방사 가능한 최적 빔 벡터를 의미할 수 있다.

그리고 제어부(530)는, 제2 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다(S730). 이 경우 제어부(530)는, 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

)를 기지국(410)의 빔 포밍 벡터로 고정한 상태에서, 단말(430)의 수신 신호 세기를 최대화 하는 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다. 즉

=

의 관계가 성립할 수 있다.

구체적으로, 제2 IRS(422)의 빔포밍 행렬(

)은 대각 행렬로서, 대각 행렬(

)의 원소로 이루어진 벡터

를 도입하도록 한다. 여기서

의 n번째 원소는,

의 n번째 대각 원소일 수 있다. 또한 IRS-단말 채널(

)의 원소로 이루어진 대각 행렬

을 도입한다. 여기서

의 n번째 대각 원소는

의 n번째 원소일 수 있다. 이 경우

이 성립할 수 있다. 이에 따라 수학식 10을 정리하면 아래의 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.

수학식 11의 ①은

를 대입함으로써 성립한다. ②는

를 크기가 1*1인 행렬로 간주할 수 있기 때문에 성립한다. ③은 trace 연산의 cyclic property 에 의해 성립한다. ④는

역시 크기가 1*1인 행렬로 간주할 수 있기 때문에 성립한다.

한편 수학식 11의 ④로부터,

를 최대화 하는

를 찾아내야 한다. 이 경우 제어부(530)는 레일리 몫(Rayleigh quotient) 정리를 활용하여

를 산출한다.

한편 레일리 몫(Rayleigh quotient) 정리에 따르면, 임의의 행렬, M과 벡터, x에 대해서 x 가 M의 최대 기저값 (the largest eigenvector)에 대응하는 기저 벡터 (eigenvector) 일 경우,

는 최대가 된다. 그리고 레일리 몫(Rayleigh quotient) 정리를 본 발명에 적용하면, 행렬

를 알 수 있는 경우 이 행렬의 기저 벡터를 알 수 있게 되고, 이에 따라

를 최대화 하는

를 찾아낼 수 있다.

한편 IRS 서비스 영역 탐지 장치(500)는

에 대한 정보를 가지고 있지 않다. 다만, 앞서 제2 IRS(422)의 빔 행렬을 항등 행렬로 설정하여 채널을 추정하여 IRS-단말 채널(

) 및 기지국-IRS 채널(

)의 곱(

)을 파악한 바 있다.

그리고 제어부(530)는, 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬이 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 이용하여, 단말(430)의 수신 신호 세기를 최대화 하는 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬을 산출할 수 있다.

즉

가 되기 때문에, 제어부(530)는

에 대한 정보를 획득할 수 있다. 또한 제어부(530)는 행렬

의 최대 기저값에 대응하는 기저 벡터(

)를 산출할 수 있다.

한편,

는 크기가 M*1인 벡터이고, 따라서

의 랭크(rank) 는 1이기 때문에,

의 기저 값들 중 0이 아닌 기저 값은 오직 한 개 존재한다.

또한

는,

와

의 켤레전치 행렬인

의 곱이기 때문에,

는 양의 정부호 행렬 (positive definite matrix)이 된다. 정리하면,

의 기저 값들 중 0보다 큰 기저값은 오직 한 개 뿐이다.

이러한 사실에 기반하여, 행렬

의 최대 기저값에 대응하는 기저 벡터(

)는 아래와 같은 수식으로 정의될 수 있다.

그리고 제어부(530)는 수학식 12를 만족하는 기저 벡터(

)를 산출하고, 산출된 기저 벡터(

)를 대각화하여 대각 행렬

을 산출할 수 있다. 이 경우 대각 행렬

은, 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)가 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

)로 고정된 상태에서, 단말(430)의 수신 신호 세기를 최대화 하는 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)이 된다.

이와 같이 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)이 산출된 경우, 제어부(530)는 제2 IRS(422)에 산출된 빔 포밍 행렬(

)에 대한 정보를 전송할 수 있다. 이 경우 제2 IRS(422)는 빔 포밍 행렬(

)에 기반하여 빔 포밍을 수행하고, 또한 기지국(410)은 제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

)에 기반하여 빔 포밍을 수행할 수 있다. 즉 단말(430)이 이동함에 따라 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬이 새롭게 산출되었기 때문에, 단말(430)이 이동했음에도 불구하고 제2 IRS(422)는 단말(430)의 위치를 향해 빔포밍을 수행할 수 있다.

한편 기지국(410)이 사용하는 빔 포밍 벡터(제2 IRS(422)에 대응하는 최적 빔 벡터(

))는 미리 최적화되어 메모리(520)에 저장된 값으로써, 이는 그대로 사용되어도 무방하다.

다만 앞서 설명한 바와 같이 신호의 전송 경로에 차폐물이 존재하는 등의 다양한 환경 변화가 나타날 수 있으며, 이러한 경우 기지국(410)이 사용하는 빔 포밍 벡터까지 최적화 시키면 단말의 신호 수신 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

따라서 제어부(530)는, S730에서 산출된 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)을 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬로 고정하여, 단말(430)의 수신 신호 세기를 최대화 하는 기지국(410)의 빔 포밍 벡터를 산출할 수 있다. 이 경우, 앞서 설명한 수학식 8 내지 12의 과정이 적용될 수 있다. 그리고 앞서 설명한 내용과 다른 점은, 앞서 설명한 내용은 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)을 산출하기 위하여 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 고정했다면, 여기서는 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 산출하기 위하여 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)을 고정한다는 점이다. 이는 아래의 수식으로 정의될 수 있다.

한편 제어부(530)는 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)과 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)가 수렴할 때까지, 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)의 산출 및 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)의 산출을 반복할 수 있다.

구체적으로 제어부(530)는 S730에서 산출된 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

) 및 S740에서 획득된 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)가 수렴하는지 판단할 수 있다(S750).

그리고 빔 포밍 행렬(

) 및 빔 포밍 벡터(

) 중 적어도 일부가 수렴하지 않으면, 제어부(530)는 다시 S730을 진행할 수 있다. 이 경우 제어부(530)는 기지국(410)의 빔 포밍 벡터를 S740에서 산출된 기지국(410)의 빔 포밍 벡터로 고정한 상태에서 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)을 산출할 수 있다. 또한 제어부(530)는 S740을 진행하여, 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬을 S730에서 산출된 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

)로 고정한 상태에서 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)를 산출할 수 있다.

또한 S730에서 산출된 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬(

) 및 S740에서 획득된 기지국(410)의 빔 포밍 벡터(

)가 수렴하면(S750), 제어부(530)는 제2 IRS(422)에 산출된 빔 포밍 행렬(

)에 기반하여 빔 포밍을 수행하고, 또한 기지국(410)은 산출된 빔 포밍 벡터(

)에 기반하여 빔 포밍을 수행할 수 있다.

즉 단말(430)이 이동함에 따라 제2 IRS(422)의 빔 포밍 행렬이 새롭게 산출되었기 때문에, 단말(430)이 이동했음에도 불구하고 제2 IRS(422)는 단말(430)의 위치를 향해 빔포밍을 수행할 수 있다. 또한 기지국(410)의 빔 포밍 벡터가 새롭게 산출되었기 때문에, 기지국(410)은 신호의 전송 경로에 차폐물이 존재하는 등의 환경 변화에도 불구하고 빔포밍의 방향을 미세하게 조절하여 단말의 신 수신 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부와 관계 없이 항상 기지국의 빔 포밍 벡터만을 최적화 하던 종래 기술의 문제를 해결하고, IRS의 빔포밍 행렬을 최적화 하거나 IRS의 빔포밍 행렬 및 기지국의 빔 포밍 벡터 모두를 최적화 함으로써 단말의 신호 수신 성능을 최적화 할 수 있는 장점이 있다.

전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

500: IRS 서비스 영역 탐지 장치 510: 통신부
520: 메모리 530: 제어부

Claims

기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성되는 통합 채널을 산출하는 단계;
상기 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 상기 통합 채널을 이용하여, 상기 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출하는 단계; 및
상기 복수의 내적 값을 비교하여 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계;
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 1항에 있어서,
상기 최적 빔 벡터는,
상기 기지국의 위치 및 IRS의 위치에 기반하여 설정되는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 1항에 있어서,
상기 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계는,
상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 이하인 경우, 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 3항에 있어서,
상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정되는 경우, 상기 통합 채널을 이용하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하는 단계;를 더 포함하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 1항에 있어서,
상기 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 단계는,
상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 보다 큰 경우, 상기 복수의 내적 값 중 가장 큰 내적 값에 대응하는 특정 IRS의 서비스 영역에 상기 단말이 위치하는 것으로 결정하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 5항에 있어서,
상기 단말이 상기 특정 IRS의 서비스 영역에 위치하는 경우, 상기 특정 IRS에 대응하는 최적 빔 벡터를 상기 기지국의 빔 포밍 벡터로 고정하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계;를 더 포함하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 6항에 있어서,
상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계는,
항등 행렬 설정 명령을 상기 특정 IRS에 전송하는 단계;
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 추정하는 단계; 및
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 상기 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 이용하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는 단계;를 포함하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
제 6항에 있어서,
상기 산출된 빔 포밍 행렬을 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬로 고정하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하는 단계; 및
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬과 상기 기지국의 빔 포밍 벡터가 수렴할 때까지, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬의 산출 및 상기 기지국의 빔 포밍 벡터의 산출을 반복하는 단계;를 더 포함하는
IRS 서비스 영역 탐지 방법.
복수의 IRS 및 단말과 통신하는 통신부; 및
기지국-단말 채널과 기지국-IRS-단말 채널의 합으로 구성되는 통합 채널을 산출하고, 상기 기지국이 복수의 IRS에 방사 가능한 복수의 최적 빔 벡터 및 상기 통합 채널을 이용하여 상기 통합 채널과 상기 복수의 IRS 간의 복수의 내적 값을 산출하고, 상기 복수의 내적 값을 비교하여 단말이 IRS 서비스 영역에 위치하는지 여부를 결정하는 제어부;를 포함하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 9항에 있어서,
상기 최적 빔 벡터는,
상기 기지국의 위치 및 IRS의 위치에 기반하여 설정되는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 이하인 경우, 상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 11항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 단말이 LOS 영역에 위치하는 것으로 결정되는 경우, 상기 통합 채널을 이용하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 9항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 내적 값 중 최대 내적 값과 최소 내적 값의 차이가 임계값 보다 큰 경우, 상기 복수의 내적 값 중 가장 큰 내적 값에 대응하는 특정 IRS의 서비스 영역에 상기 단말이 위치하는 것으로 결정하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 13항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 단말이 상기 특정 IRS의 서비스 영역에 위치하는 경우, 상기 특정 IRS에 대응하는 최적 빔 벡터를 상기 기지국의 빔 포밍 벡터로 고정하여 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 14항에 있어서,
상기 제어부는,
항등 행렬 설정 명령을 상기 특정 IRS에 전송하고,
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 추정하고,
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬이 상기 항등 행렬로 설정된 상태에서의 채널을 이용하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬을 산출하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.
제 14항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 산출된 빔 포밍 행렬을 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬로 고정하여, 상기 단말의 수신 신호 세기를 최대화 하는 상기 기지국의 빔 포밍 벡터를 산출하고,
상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬과 상기 기지국의 빔 포밍 벡터가 수렴할 때까지, 상기 특정 IRS의 빔 포밍 행렬의 산출 및 상기 기지국의 빔 포밍 벡터의 산출을 반복하는
IRS 서비스 영역 탐지 장치.