KR20230085815A

KR20230085815A - Uplink communication system for exploiting line-of-sight(LOS) channel characteristics and operating method of the same

Info

Publication number: KR20230085815A
Application number: KR1020220050834A
Authority: KR
Inventors: 길계태; 전유리; 박현철
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2023-06-14

Abstract

가시선 채널 환경에서 상향링크 백홀 시스템을 설계하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 수신단의 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 i번째 균일 원형 배열 안테나와 K개의 송신단들 중 i번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 채널 행렬 및 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나와 상기 K개의 송신단들 중 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 간섭 채널 행렬에 대한 합계 전송률을 최대로 하는 제1 파라미터 및 제2 파라미터를 획득하는 과정; 상기 제1 파라미터 및 상기 제2 파라미터를 이용하여 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나의 반경 및 상기 K개의 송신단들 중 상기 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설정하는 과정을 포함하되, 상기 제1 파라미터는 상기 채널 행렬의 하나 이상의 특이값들이 모두 동일한 값을 갖도록 하고, 상기 제2 파라미터는 상기 간섭 채널 행렬이 랭크 1 행렬이 되도록 함을 특징으로 한다.A method of designing an uplink backhaul system in a line-of-sight channel environment is provided. The method includes a channel matrix between the ith uniform circular array antenna of the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the ith transmitting end of the K transmitting ends, and the K uniform circular array antennas of the receiving end. obtaining a first parameter and a second parameter maximizing a total data rate of an interference channel matrix between the i-th uniform circular array antenna and the uniform circular array antenna of a j-th transmitting terminal among the K transmitting terminals; The radius of the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the j-th transmitting end among the K transmitting ends by using the first parameter and the second parameter A step of setting a radius, wherein the first parameter causes one or more singular values of the channel matrix to have the same value, and the second parameter causes the interference channel matrix to be a rank 1 matrix. .

Description

Communication system using line-of-sight (LOS) channel characteristics and operating method of the same in uplink

본 개시는 가시선 (line-of-sight: LOS) 채널이 지배적인 밀리미터파 (millimeter-wave: mmWave) 또는 테라헤르츠 (terahertz: THz) 대역에서 가시선 채널 특성을 활용하여 고정된 다 지점 대 단일 지점 간의 무선 통신의 상향 링크 전송 용량을 증가시키는 다중 안테나 통신 시스템 및 그의 동작 방법에 관한 것이다. The present disclosure utilizes line-of-sight (LOS) channel characteristics in a millimeter-wave (mmWave) or terahertz (THz) band where the line-of-sight (LOS) channel dominates to provide a fixed multipoint-to-single point A multi-antenna communication system for increasing uplink transmission capacity of wireless communication and an operating method thereof.

현재 널리 쓰이고 있는 밀리미터파와, 다음 세대의 상용 통신 대역으로 고려되고 있는 테라헤르츠 대역 통신의 어플리케이션 중 하나로 무선 백홀과 같은 고정된 장거리 무선 통신 시스템에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 밀리미터파와 테라헤르츠 대역은 전파의 강한 직진성으로 인해 장거리 전송 시 경로 손실이 크게 발생하는데, 이를 보상하기 위한 해결책 중 하나로 최적의 안테나 배치를 이용하여 가시선 환경에서의 공간 다중화 이득을 최대화하여 전송률을 높이는 기술이 최근 관심을 받고 있다. 구체적으로 최적의 안테나 배치는 채널 행렬이 직교 행렬(orthogonal matrix)이 되도록 하는 조건을 만족시키는데, 이 조건은 전송 주파수, 배열 크기, 그리고 전송 거리의 함수로 나타낼 수 있다. 이 조건을 만족하면 채널 행렬이 동일한 특이값(singular values)들을 갖게 되고, 그 결과 제한된 송신 전력으로 등가 전력 할당(equal power allocation)을 했을 때 최대의 채널 용량(channel capacity)을 얻을 수 있다. 이 기술은 고려되고 있는 통신 주파수 대역이 계속해서 크게 증가함에 따라 요구되는 안테나 배열의 크기가 점점 작아지므로, 셀룰러 통신보다 상대적으로 안테나 크기에 관대한 무선 백홀 등에서의 실제적 활용이 기대되고 있다. 그러나 현재까지 연구된 결과들은 점대점 지점간의 통신에 관한 것으로, 다중 지점 간 통신에서의 활용에 대해서는 연구된 바가 없다. As one of the applications of millimeter wave, which is currently widely used, and terahertz band communication, which is considered as the next generation commercial communication band, research on fixed long-distance wireless communication systems such as wireless backhaul is steadily progressing. In the millimeter wave and terahertz bands, a large path loss occurs during long-distance transmission due to the strong linearity of radio waves. One of the solutions to compensate for this is technology to increase transmission rate by maximizing spatial multiplexing gain in a line-of-sight environment using optimal antenna placement This is getting a lot of attention lately. Specifically, an optimal antenna arrangement satisfies a condition for a channel matrix to be an orthogonal matrix, and this condition can be expressed as a function of a transmission frequency, an array size, and a transmission distance. If this condition is satisfied, the channel matrix has the same singular values, and as a result, the maximum channel capacity can be obtained when equal power allocation is performed with limited transmission power. As the communication frequency band under consideration continues to greatly increase, the size of the required antenna array becomes smaller, so this technology is expected to be practically used in wireless backhaul, etc., which are relatively generous in antenna size than cellular communication. However, the results studied so far relate to point-to-point communication, and no research has been conducted on their application in multi-point communication.

본 개시는 비직교 분할 다중 접속 시스템에서 다중 지점 대 단일 지점 간의 상향 링크 통신에서의 가시선 채널 환경의 특성을 이용하여 사용자 간의 간섭 제어를 위한 단일 계층의 송신단과 같은 구조의 배열 안테나를 다중 계층으로 가지는 수신단 구조를 제공한다.The present disclosure has multi-layer array antennas having the same structure as a single-layer transmitting end for interference control between users by using the characteristics of a line-of-sight channel environment in uplink communication between multiple points to single points in a non-orthogonal division multiple access system. Provides the receiving end structure.

본 개시는 가시선 채널 환경에서의 안테나 배치를 통해 얻을 수 있는 공간 다중화 이득을 활용하여 전송량을 높이기 위한 송신단의 단일 균일 원형 배열 안테나와 수신단의 다중 계층 균일 원형 배열 안테나의 설계 방법을 제공한다. The present disclosure provides a method for designing a single uniform circular array antenna of a transmitting end and a multi-layer uniform circular array antenna of a receiving end to increase transmission by utilizing spatial multiplexing gain obtained through antenna arrangement in a line-of-sight channel environment.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 가시선 채널 환경에서 상향링크 백홀 시스템을 설계하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 수신단의 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 i번째 균일 원형 배열 안테나와 K개의 송신단들 중 i번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 채널 행렬

및 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나와 상기 K개의 송신단들 중 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 간섭 채널 행렬

에 대한 합계 전송률

을 최대로 하는 제1 파라미터

및 제2 파라미터

를 획득하는 과정; 상기 제1 파라미터

및 상기 제2 파라미터

를 이용하여 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나의 반경

및 상기 K개의 송신단들 중 상기 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경

을 설정하는 과정을 포함하되, 상기 제1 파라미터

는 상기 채널 행렬

의 하나 이상의 특이값들이 모두 동일한 값을 갖도록 하고, 상기 제2 파라미터

는 상기 간섭 채널 행렬

가 랭크 1 행렬이 되도록 함을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present disclosure, a method for designing an uplink backhaul system in a line-of-sight channel environment is provided. The method is a channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the i-th transmitting end among the K transmitting ends.

and an interference channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the j-th transmitting end among the K transmitting ends.

Total transfer rate for

A first parameter that maximizes

and second parameter

process of obtaining; the first parameter

and the second parameter

Radius of the ith uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end using

and a radius of a uniform circular array antenna of the j-th transmitter among the K transmitters.

Including the process of setting, the first parameter

is the channel matrix

All one or more singular values of have the same value, and the second parameter

is the interference channel matrix

It is characterized in that to be a rank 1 matrix.

본 개시의 다른 실시예에 따르면, 가시선 채널 환경에서 상향링크 백홀 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 중심이 같은 K개의 균일 원형 배열 안테나들을 포함하는 수신단; 및 상기 수신단과 백홀망을 통해 연결되며 일정 거리 떨어진 K개의 송신단들을 포함하되, 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 i번째 균일 원형 배열 안테나의 반경

및 상기 K개의 송신단들 중 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경

은 제1 파라미터

및 제2 파라미터

에 기반하여 설정되고, 상기 제1 파라미터

및 상기 제2 파라미터

는 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나와 상기 K개의 송신단들 중 i번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 채널 행렬

및 상기 수신단의 상기 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나와 상기 K개의 송신단들 중 상기 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 간섭 채널 행렬

에 대한 합계 전송률

을 최대로 하고, 상기 제1 파라미터

는 상기 채널 행렬

는 상기 간섭 채널 행렬

가 랭크 1 행렬이 되도록 함을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present disclosure, an uplink backhaul system in a line of sight environment is provided. The system includes a receiving end including K concentric uniform circular array antennas; and K transmitting ends connected to the receiving end through a backhaul network and separated from each other by a predetermined distance, wherein the radius of the ith uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end is

and the radius of the uniform circular array antenna of the j-th transmitter among the K transmitters.

is the first parameter

and second parameter

It is set based on, and the first parameter

and the second parameter

Is a channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the i-th transmitting end among the K transmitting ends

Total transfer rate for

is maximized, and the first parameter

is the channel matrix

is the interference channel matrix

It is characterized in that to be a rank 1 matrix.

본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 가시선 채널 환경에서 상향링크 백홀 시스템의 간섭을 제어하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 수신단의 K개의 균일 원형 배열 안테나들 중 i번째 균일 원형 배열 안테나와 K개의 송신단들 중 i번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나 간의 채널 행렬

에 대한 합계 전송률

을 최대로 하는 제1 파라미터

및 제2 파라미터

를 획득하는 과정; 상기 제1 파라미터

를 이용하여 상기 수신단의 상기 i번째 균일 원형 배열 안테나와 관련된 채널의 쓰루풋(throughput)을 제어하는 과정; 및 상기 제2 파라미터

를 이용하여 상기 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나와 관련된 간섭 채널의 간섭을 제어하는 과정을 포함하되, 상기 제1 파라미터

는 상기 채널 행렬

는 상기 간섭 채널 행렬

가 랭크 1 행렬이 되도록 함을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present disclosure, a method for controlling interference of an uplink backhaul system in a line of sight environment is provided. The method is a channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the i-th transmitting end among the K transmitting ends.

Total transfer rate for

A first parameter that maximizes

and second parameter

process of obtaining; the first parameter

controlling a throughput of a channel related to the i-th uniform circular array antenna of the receiving end using ?; and the second parameter

Controlling interference of an interference channel associated with a uniform circular array antenna of the j-th transmitter using

is the channel matrix

is the interference channel matrix

It is characterized in that to be a rank 1 matrix.

본 개시는 안테나 시스템에서 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나의 반경 조절을 이용하여 간섭을 제어하고, 기존 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조 대비 합계 전송량 증대로 고속 전송을 가능하게 한다.According to the present disclosure, in an antenna system, interference is controlled by adjusting the radius of a multi-layer uniform circular array antenna, and high-speed transmission is possible by increasing the total transmission amount compared to an existing single-layer uniform circular array antenna structure.

본 개시는 상향 링크에서 공간 분할 방식의 비직교 다중 접속 통신 시스템의 전송량을 증가시키기 위해 기존의 가시선 채널 환경에서 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나를 대신하여 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나를 수신단에서 사용함으로써, 해당 안테나 구조에서 공간 다중화 이득을 통해 고속의 데이터를 전송할 수 있는 안테나 반경을 설계할 수 있다.The present disclosure uses a multi-layer uniform circular array antenna at a receiving end instead of a single-layer uniform circular array antenna in an existing line-of-sight channel environment in order to increase the transmission amount of a spatial division-type non-orthogonal multiple access communication system in uplink. , it is possible to design an antenna radius capable of transmitting high-speed data through spatial multiplexing gain in the corresponding antenna structure.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 균일 원형 배열 안테나를 이용한 다 지점 대 단일 지점 간 상향 링크 백홀 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 개시의 실시예에 따른 3차원 좌표계상에서 수신단의 균일 원형 안테나 배열과 송신단의 균일 원형 안테나 배열 간의 위치관계들을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른

에 따른 특이값의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른

에 따른 특이값의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른 3차원 좌표계 상에서 균일 원형 배열 안테나 기반의 상향 링크 MIMO 시스템을 나타낸 것이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 합계 전송률

과

및

의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 상향링크 균일 원형 배열 안테나 시스템을 설계하는 절차를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 송신단의 수에 대한 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서의 합계 전송률을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이시안 채널 환경에서 비가시선 채널 성분 값에 따라 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서의 합계 전송률을 비교하여 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a multi-point to single-point uplink backhaul system using a uniform circular array antenna according to an embodiment of the present disclosure.
2A to 2D are diagrams illustrating positional relationships between a uniform circular antenna array of a receiving end and a uniform circular antenna array of a transmitting end on a 3D coordinate system according to an embodiment of the present disclosure.
3 is according to an embodiment of the present disclosure

It is a diagram showing the change in the singular value according to .
4 is according to an embodiment of the present disclosure

It is a diagram showing the change in the singular value according to .
5 illustrates an uplink MIMO system based on a uniform circular array antenna on a 3D coordinate system according to an embodiment of the present disclosure.
6 is a total transmission rate according to an embodiment of the present disclosure

class

and

It is a diagram showing the relationship of
7 is a diagram illustrating a procedure for designing an uplink uniform circular array antenna system according to an embodiment of the present disclosure.
8 is a diagram illustrating a comparison of total transmission rates in a conventional single-layer uniform circular array antenna structure and a multi-layer uniform circular array antenna structure with respect to the number of transmitters according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 9 is a diagram illustrating a comparison of total transmission rates in a conventional single-layer uniform circular array antenna structure and a multi-layer uniform circular array antenna structure according to non-line-of-sight channel component values in a Rician channel environment according to an embodiment of the present disclosure. it is a drawing

이하 본 개시의 실시 예를 첨부한 도면과 함께 상세히 설명할 수 있다. 또한 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, embodiments of the present disclosure may be described in detail with accompanying drawings. In addition, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present disclosure, the detailed description may be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present disclosure, which may vary according to intentions or customs of users or operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

다중 지점 통신에서는 다중 접속 기술(multiple access)을 이용하여 전송률을 높이는데, 이를 위해서는 다중 지점 간의 간섭을 제어하는 기술이 필요하다. 기존 LTE에서는 직교 주파수 분할 다중 접속(orthogonal frequency division multiple access: OFDMA) 방식을 채택하였는데, 이는 다중 사용자에게 서로 다른 직교 주파수를 할당함으로써 사용자 간의 상관을 0으로 만드는 방법이다. 5G(5^th generation) 그리고 그 다음 세대 통신에서는 이보다 높은 데이터 전송률을 요구하는데, 이를 만족시키기 위한 방법으로 사용자 간의 간섭을 일정량 허용하는 비직교 분할 다중 접속 방식(non-orthogonal multiple access: NOMA)이 연구되어 왔다. 비직교 분할 다중 접속은 여러 사용자의 신호를 중첩하여 동일한 리소스 도메인(시간, 주파수 등) 안에서 전송하는 기술인데, 이 기술의 가장 널리 알려진 구현 기법 중 하나는 전력 도메인에서 나쁜 채널의 사용자에게 더 큰 전력을 할당함으로 시스템 전체의 전송량을 증가시키는 대신 각 사용자 간의 공평성(user fairness)을 증가시키는 것이다. 이 외에도 사용자 별로 다른 패턴을 할당하여 구현하는 방식(pattern division multiple access: PDMA), 비트 할당으로 구현하는 방식(bit division multiplexing: BDM) 등이 있다. 그러나 이러한 기법들은 주어진 채널에서의 전력 혹은 코드 등의 자원 분배를 활용한 것으로 채널 자체의 변화에 대한 영향은 고려하지 않아 시스템의 전송량은 주어진 채널로부터 얻을 수 있는 채널 쓰루풋(throughput)에 한정된다. In multi-point communication, a transmission rate is increased by using multiple access technology. To this end, a technique for controlling interference between multiple points is required. Conventional LTE adopts an orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) method, which is a method of making correlation between users zero by allocating different orthogonal frequencies to multiple users. 5G ( ^5th generation) and subsequent generations require a higher data rate, and as a way to satisfy this requirement, non-orthogonal multiple access (NOMA), which allows a certain amount of interference between users, has been researched. has been Non-orthogonal division multiple access is a technology that overlaps signals from multiple users and transmits them within the same resource domain (time, frequency, etc.). One of the most widely known implementations of this technology is to provide users with poorer channels with greater power in the power domain. Instead of increasing the transmission amount of the entire system by allocating , user fairness between users is increased. In addition to this, there are a method of allocating and implementing different patterns for each user (pattern division multiple access: PDMA), a method of implementing by allocating bits (bit division multiplexing: BDM), and the like. However, these techniques utilize resource distribution such as power or code in a given channel and do not consider the effect of changes in the channel itself, so the transmission capacity of the system is limited to the channel throughput obtained from the given channel.

무선 백홀과 같은 고정 무선 통신 시스템은 설치 공간이 셀룰러 통신에 비해 유연하기 때문에 안테나 배치에 의한 채널 변화를 활용하여 채널을 조절이 가능하다. 따라서 가시선 채널 환경에서 안테나 배치를 통해 얻을 수 있는 공간 다중화 이득을 통해 각 사용자 간의 채널 쓰루풋을 증가가 가능하므로, 이를 활용하여 기존 비직교 분할 다중 접속 시스템의 전송량 증대가 가능하다. Since a fixed wireless communication system such as wireless backhaul has a flexible installation space compared to cellular communication, it is possible to adjust a channel by utilizing a channel change due to antenna arrangement. Therefore, since it is possible to increase the channel throughput between each user through spatial multiplexing gain obtained through antenna arrangement in a line-of-sight channel environment, it is possible to increase the transmission amount of the existing non-orthogonal division multiple access system by utilizing this.

기존에 연구되던 가시선 채널 환경에서의 최적의 안테나 배치는 점대점 통신 시스템에서 채널의 쓰루풋을 최대화하는 것을 목적으로 제안되었으므로, 이를 다중 사용자 접속 시스템에서 사용 시 모든 사용자의 전송량이 최대화되므로, 원하는 사용자의 전송량 뿐만 아니라 인접 사용자와의 간섭까지도 최대화한다. 따라서 안테나 배치를 이용한 전송량 증가를 위해서는 이러한 간섭을 제어하기 위한 새로운 안테나 구조 및 방법이 필요하다. 또한, 가시선 채널 환경에서의 안테나 배치는 송수신단의 안테나 배열의 정렬 여부도 영향을 받는다. 기존에 널리 쓰이던 균일 선형 배열 안테나(uniform linear array: ULA)나 균일 평면 배열 안테나(uniform planar array: UPA)의 최적의 안테나 배치는 안테나 배열의 기울임 각도 정보를 필요로 하므로, 송수신단 안테나를 평행하게 배열하기 힘든 다중 사용자 접속 시스템에서는 사용이 까다롭다. Optimal antenna placement in a line-of-sight channel environment, which has been studied in the past, was proposed for the purpose of maximizing the throughput of a channel in a point-to-point communication system. It maximizes not only the amount of transmission but also interference with neighboring users. Therefore, a new antenna structure and method for controlling such interference are required in order to increase the transmission amount using antenna arrangement. In addition, the arrangement of antennas in a line-of-sight channel environment is also affected by alignment of antenna arrays of transmitting and receiving terminals. Since the optimal antenna arrangement of the uniform linear array (ULA) or uniform planar array (UPA), which has been widely used in the past, requires information on the tilt angle of the antenna array, the transmitting and receiving end antennas must be parallel. It is difficult to use in multi-user access systems that are difficult to arrange.

최근 연구 결과에 따르면 균일 원형 배열 안테나(uniform circular array: UCA)는 채널의 특이값(singular value)이 안테나 배열의 기울임에 영향을 받지 않아 최적의 안테나 배치를 결정하는데 기울임 각도 정보가 필요하지 않으므로, 다중 사용자 접속 시스템에서 사용하기 적합하다. According to recent research results, a uniform circular array (UCA) does not require tilt angle information to determine the optimal antenna placement because the singular value of the channel is not affected by the tilt of the antenna array. Suitable for use in multi-user access systems.

본 개시에서는 상향 링크에서 공간 분할 방식의 비직교 다중 접속 통신 시스템의 전송량을 증가하기 위해 기존의 가시선 채널 환경에서 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나를 대신하여 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나를 수신단에서 사용하는 것을 제안하고, 이러한 안테나 구조에서 공간 다중화 이득을 통해 고속의 데이터를 전송할 수 있는 안테나 반경 설계 방법을 제안한다.In the present disclosure, in order to increase the transmission amount of a spatial division-type non-orthogonal multiple access communication system in uplink, a multi-layer uniform circular array antenna is used at the receiving end instead of a single-layer uniform circular array antenna in an existing line-of-sight channel environment. and an antenna radius design method capable of transmitting high-speed data through spatial multiplexing gain in such an antenna structure.

본 개시에서는 설명의 편의를 위해 K(K>1) 지점 대 단일 지점 간의 상향 링크 다중 안테나 시스템 (multi input multi output: MIMO)을 고려한다. 여기서 K개의 송신단이 단일 수신단으로 같은 리소스 도메인 (시간, 주파수)에서 신호를 송신하고, 수신단에서는 K개의 송신 신호를 중첩하여 수신한다. 송신단은

개의 안테나로 이루어진 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나를 사용한다. 또한, 특별한 언급이 없는 한 이하에서 사용되는 용어 '채널', '채널 행렬', '간섭 채널', 또는 '간섭 채널 행렬'은 가시선 채널 환경에서의 채널, 채널행렬, 간섭 채널 또는 간섭 채널행렬을 의미한다.In the present disclosure, for convenience of description, an uplink multi-antenna system (multi input multi output: MIMO) between K (K>1) points to a single point is considered. Here, K transmitting ends transmit signals in the same resource domain (time, frequency) as a single receiving end, and the receiving end overlaps and receives K transmitted signals. the sending party

A uniform circular array antenna of a single layer consisting of two antennas is used. In addition, unless otherwise specified, the terms 'channel', 'channel matrix', 'interference channel', or 'interference channel matrix' used herein refer to a channel, channel matrix, interference channel or interference channel matrix in a visible channel environment. it means.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 균일 원형 배열 안테나를 이용한 다 지점 대 단일 지점 간 상향 링크 백홀 시스템을 나타낸 도면이다. 1 is a diagram illustrating a multi-point to single-point uplink backhaul system using a uniform circular array antenna according to an embodiment of the present disclosure.

도 1을 참조하면, 상향 링크 백홀 시스템(100)은 단일 수신단(101) 및 K개의 송신단들(102-1, 102-2, … 102-K)을 포함한다. 수신단(101)은 중심이 같은 K개의 다중 계층 배열 안테나들(103-1, 103-2, … 103-K)을 포함하고, 안테나들(103-1, 103-2, … 103-K) 각각은 균일 원형 배열 안테나(UCA)로서

개의 안테나 성분들로 구성된다. K개의 송신단들(102-1, 102-2, … 102-K)은 각각 대응되는 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나(UCA)들(104-1, 104-2, … 104-K)을 포함하고, 안테나들(104-1, 104-2, … 104-K) 각각은

개의 안테나 성분들로 구성된다. Referring to FIG. 1, an uplink backhaul system 100 includes a single receiving end 101 and K transmitting ends 102-1, 102-2, ... 102-K. The receiving end 101 includes K multi-layered array antennas 103-1, 103-2, ... 103-K having the same center, and each of the antennas 103-1, 103-2, ... 103-K As a uniform circular array antenna (UCA),

It consists of two antenna elements. The K transmitting terminals 102-1, 102-2, ... 102-K each include a corresponding single layer uniform circular array antenna (UCA) 104-1, 104-2, ... 104-K, , each of the antennas 104-1, 104-2, ... 104-K

It consists of two antenna elements.

상향 링크 백홀 시스템(100)에서 수신단(101)의 각 단위 균일 원형 배열 안테나들(103-1, 103-2, … 103-K)은 하나의 송신단으로부터 오는 신호를 복호화 한다. 따라서 원하는 송신단 외에 나머지 송신단들로부터 오는 신호들은 간섭 신호로 취급된다. 이 경우, 수신단의 i번째 단일 균일 원형 배열 안테나(103-i, 1≤i≤K)에서 수신하는 신호는 다음 수학식 1과 같다.In the uplink backhaul system 100, each unit of uniform circular array antennas 103-1, 103-2, ... 103-K of the receiving end 101 decodes a signal from one transmitting end. Accordingly, signals from other transmitting ends other than the desired transmitting end are treated as interference signals. In this case, the signal received by the i-th single uniform circular array antenna 103-i of the receiving end (1≤i≤K) is expressed in Equation 1 below.

<수학식 1> <Equation 1>

여기서,

는 K 개의 송신단들(102-1, 102-2, … 102-K)로부터 수신단(101)의 i번째 균일 원형 배열 안테나(103-i)를 통해 수신된 신호이고,

는 j(1≤j≤K)번째 송신단(102-j)과 수신단(101)의 i번째 균일 원형 배열 안테나(103-i) 사이의 채널 행렬이고,

는 전송 전력 제한

를 가지는 j번째 송신단(102-j)의 균일 원형 배열 안테나를 통해 전송한 송신 신호이고,

은

인 AWGN(additive white Gaussian noise)이다. here,

Is a signal received from the K transmitting ends 102-1, 102-2, ... 102-K through the ith uniform circular array antenna 103-i of the receiving end 101,

Is a channel matrix between the j (1 ≤ j ≤ K) th transmitter 102-j and the i th uniform circular array antenna 103-i of the receiver 101,

is the transmission power limit

A transmission signal transmitted through the uniform circular array antenna of the j-th transmitter 102-j having

silver

AWGN (additive white Gaussian noise).

이 때, 상향 링크 백홀 시스템(100)의 합계 전송률(sum rate)

은 다음 수학식 2와 같다.At this time, the sum rate of the uplink backhaul system 100

Is equal to the following Equation 2.

<수학식 2> <Equation 2>

여기서

는

의 공분산 행렬(covariance matrix)이고,

이다. 본 개시에서는 이 합계 전송률

을 증가시키기 위한 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나의 설계 방법을 제안한다. here

Is

is the covariance matrix of

am. In this disclosure, this total transmission rate

We propose a design method for a multi-layer uniform circular array antenna to increase .

본 개시에서는 먼저 이론상의 다중 계층 균일 원형 배열 안테나 기반 상향 링크 백홀 시스템의 합계 전송률의 최대값과 최소값을 도출한다. 합계 전송률

은 채널 행렬

와

, 그리고 공분산 행렬

를 변수로 하는데, 채널 행렬의 해를 구하기 위해서는

값을 우선 정하는 것이 필요하다. 이 때, 합계 전송률

은 송신단 간 간섭이 강할 경우

값에 대해 볼록 함수로 표현되고, 송신단 간 간섭이 약할 경우

값에 대해 오목 함수로 표현된다. 본 개시에서 목표로 하는 시스템은 무선 백홀 등의 고정형 무선 통신 시스템이므로 높은 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio: SNR) 대역에서 운영 되며, 간섭을 최소화하는 것을 목표로 하므로 송신단 간 간섭이 약하다고 가정한다. 이 경우, 합계 전송률

은

값에 대해 오목 함수로 표현되므로 최대의 합계 전송률을 얻기 위한

의 해는

로 구해진다. 그러면 합계 전송률

의 최적화 문제는 다음 수학식 3과 같이 채널 행렬

와

의 함수로 표현된다.In the present disclosure, first, the maximum and minimum values of the total transmission rate of the theoretical multi-layer uniform circular array antenna-based uplink backhaul system are derived. total transmission rate

is the channel matrix

and

, and the covariance matrix

as a variable, in order to obtain the solution of the channel matrix

It is necessary to set the value first. At this time, the total transmission rate

If interference between transmitters is strong

If the value is expressed as a convex function and the interference between transmitting ends is weak

It is expressed as a concave function with respect to the value. Since the system targeted by the present disclosure is a fixed wireless communication system such as wireless backhaul, it is operated in a high signal-to-noise ratio (SNR) band and aims to minimize interference, so interference between transmitters is weak. Assume. In this case, the total transfer rate

silver

Since it is expressed as a concave function with respect to the value,

year of

saved by Then the total transfer rate

of The optimization problem is the channel matrix as shown in Equation 3

and

is expressed as a function of

<수학식 3> <Equation 3>

여기서

이고,

이다.here

ego,

am.

합계 전송률

의 최적화 문제는 목표 함수가

에 대해서는 볼록 함수이고,

에 대해서는 오목 함수 이므로 전역 최대값은 존재하지 않는다. 따라서, 이에 대한 대안으로 다른 변수들을 모두 고정하고 하나의 변수에 대해 최대값을 구하는 과정을 교대로 하는 방식을 통해 최적의 채널 행렬의 해를 구할 수 있다. 먼저, 원하는 송신단과 수신단 간의 채널 행렬

의 해를 구하고, 간섭 채널 행렬

의 해를 구한다. 이 때

인 경우에 합계 전송률

과 채널 행렬

및 간섭 채널 행렬

은 다음과 같은 두 가지 조건들을 만족한다. total transmission rate

The optimization problem of

is a convex function for

Since is a concave function for , there is no global maximum. Therefore, as an alternative to this, the optimal channel matrix solution can be obtained by fixing all other variables and alternately obtaining the maximum value for one variable. First, the channel matrix between the desired transmitter and receiver

, and the interference channel matrix

save the year At this time

Total transmission rate if

and the channel matrix

and the interfering channel matrix

satisfies the following two conditions:

조건 1: 간섭 채널 행렬

가 고정된 값일 때, 합계 전송률

은 원하는 송신단과 수신단 간의 채널 행렬

의 특이값(singular value)(들)이 모두 동일할 때 최대가 된다.Condition 1: interfering channel matrix

When is a fixed value, the sum transmission rate

is the channel matrix between the desired transmitter and receiver

is maximal when the singular value(s) of are all equal.

조건 2: 원하는 송신단과 수신단 간의 채널 행렬

가 동일한 특이값(들)을 가질 때, 합계 전송률

의 상한값은 간섭 채널 행렬

가 랭크 1(rank-one) 행렬일 때, 하한값은 간섭 채널 행렬

의 특이값(들)이 모두 동일 할 때 얻을 수 있다.Condition 2: Channel matrix between the desired transmitter and receiver

When has the same singular value(s), the sum transmission rate

The upper bound of is the interference channel matrix

When is a rank-one matrix, the lower bound is the interference channel matrix

It can be obtained when the singular value(s) of are all the same.

조건 1은 하다마드의 부등식(Hadamard's inequality)을 통해 얻어지고, 조건 2에서 상한값과 하한값은 각각 옌센의 부등식(Jensen's inequality)과 볼록성(convexity)을 이용하여 얻을 수 있다.Condition 1 is obtained through Hadamard's inequality, and the upper and lower bounds in Condition 2 can be obtained using Jensen's inequality and convexity, respectively.

설명의 편의를 위해

이라 하였을 때, 위의 조건들을 통해 합계 전송률

의 하한값과 상한값은 각각 다음 수학식 4 및 수학식 6으로 표현된다.for ease of explanation

, the total transmission rate through the above conditions

The lower and upper limits of are expressed by

Equations

4 and 6, respectively.

<수학식 5><Equation 5>

<수학식 6><Equation 6>

여기서,

은 합계 전송률

의 하한값이고,

은 합계 전송률

의 상한값이고,

은 채널 행렬

및 간섭 채널 행렬

의 특이값(들)의 수이다.here,

silver sum transfer rate

is the lower limit of

silver sum transfer rate

is the upper limit of

is the channel matrix

and the interfering channel matrix

is the number of singular value(s) in

이 때, 합계 전송률

의 하한값은 수신단에서 다중 계층 구조가 아닌 단일 계층 구조를 사용하였을 때 얻을 수 있는 합계 전송률과 같다. 즉, 본 개시의 다중 계층 구조의 송수신단 성능이 기존의 단일 계층 구조의 송수신단 성능보다 우수함을 알 수 있다.At this time, the total transmission rate

The lower limit of is equal to the total transmission rate obtained when the receiving end uses a single layer structure rather than a multi-layer structure. That is, it can be seen that the performance of the transceiver of the multi-layered structure of the present disclosure is superior to that of the existing single-layer structure of the transceiver.

다음으로 본 개시는 위에서 구한 합계 전송률

의 최대값을 얻기 위한 채널 행렬

와 간섭 채널 행렬

를 얻을 수 있는 송수신단 배열 안테나의 설계 방법을 제안한다. 기존 균일 선형 배열 안테나(ULA)나 균일 평면 배열 안테나(UPA) 경우, 위 조건들을 만족하는 채널 행렬을 얻기 위해서는 송신단 사용자의 위치 정보를 획득하여 송수신단 배열 안테나의 정렬의 엇나간 각도 정보를 얻는 과정이 필요하다. 균일 원형 배열 안테나(UCA)의 경우, 채널의 특이값이 송수신단 배열 안테나의 정렬에 영향을 받지 않으므로, 다중 송신단 사용자의 위치 정보 없이 안테나 반경의 조정만으로 채널의 특이값 조절이 가능하다. Next, this disclosure provides the total transmission rate obtained above

Channel matrix to get the maximum of

and the interference channel matrix

We propose a design method of an array antenna at the transmitter and receiver that can obtain In the case of a conventional uniform linear array antenna (ULA) or uniform planar array antenna (UPA), in order to obtain a channel matrix that satisfies the above conditions, a process of obtaining position information of a user at the transmitting end and obtaining information on the stray angle of alignment of the array antenna at the transmitting/receiving end is required. need. In the case of a uniform circular array antenna (UCA), since the singular value of a channel is not affected by the arrangement of array antennas at the transmitting/receiving end, it is possible to adjust the singular value of the channel only by adjusting the antenna radius without location information of users at multiple transmitting ends.

도 2a 내지 도 2d는 본 개시의 실시예에 따른 3차원 좌표계상에서 수신단의 균일 원형 안테나 배열과 송신단의 균일 원형 안테나 배열 간의 위치관계들을 나타낸 도면이다. 도 2a 내지 도 2d에서는 설명의 편의를 위해 도 1에서 K=1이고,

인 경우를 예시로 한다. 도 2a는 수신단의 균일 원형 안테나와 송신단의 균일 원형 안테나가 중심축에 대해 나란할 때, 송신단의 균일 원형 안테나가 수신단의 균일 원형 안테나에 대해 중심축에서 회전(rotation)한 경우를 나타내고, 도 2b는 송신단의 균일 원형 안테나가 중심축에 대해 기울어진(tilting) 경우를 나타내고, 도 2c,d는 송신단의 균일 원형 안테나가 중심축에 대해 이동(shift)된 경우를 나타낸다.2A to 2D are diagrams illustrating positional relationships between a uniform circular antenna array of a receiving end and a uniform circular antenna array of a transmitting end on a 3D coordinate system according to an embodiment of the present disclosure. 2a to 2d, K = 1 in FIG. 1 for convenience of description,

Take the case of . FIG. 2a shows a case in which the circular uniform antenna of the receiving end and the circular uniform antenna of the transmitting end are parallel to the central axis, and the circular uniform antenna of the transmitting end is rotated about the central axis with respect to the circular uniform antenna of the receiving end. FIG. 2B denotes a case where the uniform circular antenna of the transmitter is tilted with respect to the central axis, and FIGS. 2c and d represent cases in which the circular uniform antenna of the transmitter is shifted with respect to the central axis.

도 2a를 참조하면, 수신단(201)은 3차원 좌표계의 원점인 (0,0,0)에 위치하고, 송신단(202)은 z축상에서 수신단(201)과 송신단(202)간의 거리인 D_A만큼 떨어진 (0,0,D_A)에 위치한다. 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)는 xy 평면에 위치하고, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)는 x'y' 평명에 위치하여 두 균일 원형 배열 안테나(203,204)는 z축을 중심으로 나란히 위치하게 된다. 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 안테나 요소(205-1)가 x축 상에 위치한 경우, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 안테나 요소(206-1)는 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 안테나 요소(205-1)에 대해 x'축으로부터 z축을 중심으로

만큼(

)회전하여 위치한다. 즉, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)는 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)에 대해 x'y'평면에서 z축을 중심으로

만큼 회전하여 위치한다. 따라서, 회전 전 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소의 위치를

라 하면, 회전 후 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소의 위치

는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 2A, the receiving end 201 is located at (0,0,0), which is the origin of the 3D coordinate system, and the transmitting end 202 is located on the z-axis by D _A , which is the distance between the receiving end 201 and the transmitting end 202. It is located at (0,0,D _A ) away. The uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 is located on the xy plane, and the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 is located on the x'y' plane, so that the two uniform

circular array antennas

203 and 204 are located along the z-axis. are located side by side in the center. When the antenna element 205-1 of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 is located on the x-axis, the antenna element 206-1 of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 is the receiving end For the antenna element 205-1 of the uniform circular array antenna 203 of (201), from the x' axis to the z axis

as much as(

) rotated to position. That is, the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 is centered on the z-axis in the x'y' plane with respect to the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201

Rotate as much as possible. Therefore, the location of the m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 before rotation

, the position of the m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 after rotation

can be expressed as in Equation 7 below.

<수학식 7><Equation 7>

여기서,

는 xy평면이 z축에 대해

만큼 회전하는 회전 함수를 나타낸다.here,

is the xy plane about the z axis

represents the rotation function that rotates by

또한, D_A가 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 반지름 R_t 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 반지름 R_r과

을 만족하는 경우, 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 n번째 안테나 요소 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번재 안테나 요소 간의 거리

는 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.In addition, D _A is the radius R _t of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 and the radius R _r of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202

is satisfied, the distance between the n-th antenna element of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 and the m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202

can be expressed as in Equation 8 below.

<수학식 8><Equation 8>

여기서,

이고,

이다.here,

ego,

am.

도 2b를 참조하면, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)는 x'축에 대해 각도

만큼 회전한 후

축에 대해 각도

만큼 회전하여 xy평면과 나란한 x'y'평면에 대해 기울어진다. 이 때, 첫 번째 회전은 x'z평면에 대한 기울임을 나타내고, 두 번째 회전은 y'z 평면에 대한 기울임을 나타낸다. 기울기 전 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 임의의 안테나 요소의 위치를 (x,y,z)라 하면, 기울임 후의 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 임의의 안테나 요소의 위치

는 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 2B, the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 has an angle with respect to the x' axis.

after rotating by

angle about axis

It is rotated by an amount and tilted about the x'y' plane parallel to the xy plane. At this time, the first rotation represents an inclination with respect to the x'z plane, and the second rotation represents an inclination with respect to the y'z plane. If the position of an arbitrary antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 before tilting is (x, y, z), an arbitrary antenna of the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 after tilting position of element

can be expressed as in Equation 9 below.

<수학식 9><Equation 9>

여기서,

는 xz평면이 y축에 대해

만큼 회전하는 회전 함수이고,

는 yz평면이 x축에 대해

만큼 회전하는 회전 함수를 나타낸다.here,

is the xz plane with respect to the y axis

is a rotation function that rotates by

is the yz plane with respect to the x axis

represents the rotation function that rotates by

도 2c를 참조하면, 송신단(202)은 임의의

지점으로 이동하여 수신단(202)과 송신단(203) 간의 거리가 D가 되고, 수신단(203)의 균일 원형 배열 안테나(203)와 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)는 나란하지 않게 된다. 수신단(202)으로부터 송신단(202)을 향하는 벡터

는 크기가 D이고, 방향은 z축으로부터 극각(polar angle)

와 y축으로부터 xy 평면에 대한 벡터 c의 직교 투영(projection)된 방위각(azimuthal angle)

로 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 2C, the transmitter 202

Moving to the point, the distance between the receiving end 202 and the transmitting end 203 becomes D, and the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 203 and the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 are not aligned. . A vector from the receiving end 202 to the transmitting end 202

has magnitude D and direction is the polar angle from the z-axis.

and the azimuthal angle of the orthogonal projection of the vector c to the xy plane from the y-axis

can be expressed as

도 2d를 참조하면, 도 2(c)에서 기존 좌표계

및

의 xy 평면 및 x'y' 평면을 z축에 대해 동일한 방향으로

만큼 회전시켜 새로운 좌표계

및

를 정의할 수 있다. 이 때, 송신단(202)은 새로운 좌표계

의

축 상에 위치한다. 새로운 좌표계에서 송신단(202)의 위치

는 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.Referring to Figure 2d, the existing coordinate system in Figure 2 (c)

and

of the xy plane and the x'y' plane in the same direction about the z axis.

Rotate by

and

can define At this time, the transmitting end 202 uses a new coordinate system.

of

located on the axis The position of the transmitting end 202 in the new coordinate system

Can be expressed as in Equation 10 below.

<수학식 10><Equation 10>

여기서,

는 xy평면이 z축에 대해

만큼 회전하는 회전 함수를 나타낸다.here,

is the xy plane about the z axis

represents the rotation function that rotates by

도 2a 내지 도 2d에서 일반성을 잃지 않고 원점에 위치한 송신단(202)이, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)가 xy평면에 대해 z축을 중심으로

만큼 회전하고, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)가 x축에 대해 각도

만큼 회전한 후

축에 대해 각도

만큼 회전하여 xy평면에 대해 기울어진 후, 원점으로부터 임의의

지점으로 이동하였다면, 임의의

지점에서 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소

는 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.2A to 2D, without loss of generality, the transmitting end 202 located at the origin, the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 is centered on the z-axis with respect to the xy plane

rotated by , and the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 has an angle with respect to the x-axis

after rotating by

angle about axis

After being tilted with respect to the xy plane by rotating by

If you move to a point, any

The mth antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 at the point

Can be expressed as in Equation 11 below.

<수학식 11><Equation 11>

또한, 새로운 좌표계

에서 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소

는 다음 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Also, the new coordinate system

The m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitter 202 in

Can be expressed as in Equation 12 below.

<수학식 12><Equation 12>

여기서,

이고,

는

의 (i,j)번째 요소이다.here,

ego,

Is

is the (i,j)th element of

또한, 새로운 좌표계

에서 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나의 n번째 안테나 요소

은 다음 수학식 12과 같이 나타낼 수 있다.Also, the new coordinate system

The nth antenna element of the uniform circular array antenna of the receiving end 201 in

can be expressed as in Equation 12 below.

<수학식 13><Equation 13>

따라서, 벡터 c의 크기 D가 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 반지름

및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 반지름

에 대해 D >>

,

를 만족하는 경우, 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 n번째 안테나 요소와 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소 간의 거리

은 다음 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the size D of the vector c is the radius of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201.

and the radius of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202

About D >>

,

can be expressed as in Equation 14 below.

<수학식 14><Equation 14>

여기서,

,

, 및

은 각각 다음 수학식 15, 16, 및 17과 같이 나타낼 수 있다.here,

,

, and

Can be expressed as Equations 15, 16, and 17, respectively.

<수학식 15><Equation 15>

<수학식 16><Equation 16>

<수학식 17><Equation 17>

즉, 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 n번째 안테나 요소와 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소 간의 거리

는 수학식 14와 같이

,

, 및

의 세 가지 구성 요소들로 분해된다. 이 때,

는 수학식 8 및 15를 참조하면, 수신단(201) 및 송신단(202) 간의 거리가 D이고 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)와 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)가 나란할 때, 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)가 중심축에 대해

만큼 회전한 경우의 수신단(201)의 균일 원형 배열 안테나(203)의 n번째 안테나 요소와 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나(204)의 m번째 안테나 요소 간의 거리를 나타낸다. 또한,

은 수학식 16을 참조하면 송신단(202)이 임의의

지점으로 이동하여 발생한 변위(displacement)만을 나타내고,

은 수학식 17을 참조하면 송신단(202)의 회전, 기울임 및 이동으로 인해 발생한 변위를 나타낸다.That is, the distance between the n-th antenna element of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 and the m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202

is as shown in Equation 14

,

, and

is decomposed into three components. At this time,

Referring to

Equations

8 and 15, the distance between the receiving end 201 and the transmitting end 202 is D, and the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 and the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 are When parallel, the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 is about the central axis.

represents the distance between the n-th antenna element of the uniform circular array antenna 203 of the receiving end 201 and the m-th antenna element of the uniform circular array antenna 204 of the transmitting end 202 when rotated by . also,

Referring to Equation 16, the transmitter 202

represents only the displacement caused by moving to the point,

Referring to Equation 17, denotes a displacement caused by rotation, inclination, and movement of the transmitter 202.

한편, 수신단(201) 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나들(203,204) 간의 채널 행렬

의 (n,m)번째 요소

은 다음 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.Meanwhile, the channel matrix between the uniform

circular array antennas

203 and 204 of the receiving end 201 and the transmitting end 202

(n,m)th element of

can be expressed as in Equation 18 below.

<수학식 18><Equation 18>

여기서,

,

및

은 각각 다음 수학식 19, 20, 및 21과 같이 나타낼 수 있다.here,

,

and

Can be expressed as Equations 19, 20, and 21, respectively.

<수학식 19><Equation 19>

<수학식 20><Equation 20>

<수학식 21><Equation 21>

이 때, 파라미터

는 RPDR(radii product-to-distance ratio)로 다음 수학식 22와 같이 나타낼 수 있다.At this time, the parameter

Is RPDR (radii product-to-distance ratio) and can be expressed as in Equation 22 below.

<수학식 22><Equation 22>

여기서,

는 캐리어의 파장을 나타낸다.here,

represents the wavelength of the carrier.

수학식 18은 채널 행렬

에 대해 행렬 형태로 다음 수학식 23과 같이 나타낼 수 있다.Equation 18 is the channel matrix

It can be expressed as Equation 23 in matrix form for

<수학식 23><Equation 23>

여기서,

,

, 및

는

를 (n,m)번째 요소로 가지는 행렬이다.here,

,

, and

Is

It is a matrix having as the (n,m)th element.

또한, 수학식 19 및 23을 참조하면

는 순환 행렬(circulant matrix)을 만족하므로

를 다음 수학식 24와 같이 나타낼 수 있다.Also, referring to Equations 19 and 23

satisfies the circulant matrix, so

can be expressed as in Equation 24 below.

<수학식 24><Equation 24>

여기서,

는 정규화된 DFT(discrete Fourier transform) 행렬이고,

는

의 특이값들을 요소들로 하는 대각 행렬이다.here,

Is a normalized discrete Fourier transform (DFT) matrix,

Is

It is a diagonal matrix with singular values of as elements.

한편, 균일 원형 배열 안테나의 경우 채널의 특이값이 송수신단 배열 안테나의 정렬에 영향을 받지 않으므로, 수학식 23 및 24로부터 수신단(201) 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나들(203,204) 간의 채널 행렬

의 특이값들은

의 특이값들과 동일하다.On the other hand, in the case of the uniform circular array antenna, since the singular value of the channel is not affected by the alignment of the array antennas of the transmitting and receiving terminals, equations 23 and 24 show that between the uniform

circular array antennas

203 and 204 of the receiving end 201 and the transmitting end 202 channel matrix

The singular values of

is equal to the singular values of

따라서, 채널 행렬

의 특이값

(k∈{1,2,3,...N})은 다음 수학식 25 및 수학식 26과 같이 나타낼 수 있다.Thus, the channel matrix

singular value of

(k∈{1,2,3,...N}) can be expressed as Equations 25 and 26 below.

<수학식 25><Equation 25>

<수학식 26><Equation 26>

즉, 수신단(201) 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나들(203,204) 간의 채널 행렬

의 특이값들은

,

및

에 의존하는 값들이다.

은 수신단(201) 및 송신단(202)의 균일 원형 배열 안테나들(203,204)의 안테나 요소들의 수이므로 주어진 값으로 가정하면, 채널 행렬

의 특이값들은

및

에 따라 변화하게 된다.That is, the channel matrix between the uniform

circular array antennas

203 and 204 of the receiving end 201 and the transmitting end 202

The singular values of

,

and

are values that depend on

Since is the number of antenna elements of the uniform

circular array antennas

203 and 204 of the receiving end 201 and the transmitting end 202, assuming a given value, the channel matrix

The singular values of

and

will change according to

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른

에 따른 특이값의 변화를 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)는

및

인 경우이고, 도 3의 (b)는

및

인 경우이고, 도 3의(c)는

및

인 경우이고, 도 3의 (d)는

및

인 경우이다.3 is according to an embodiment of the present disclosure

It is a diagram showing the change in the singular value according to . Figure 3 (a) is

and

In the case of, Figure 3 (b) is

and

In the case of, Figure 3 (c) is

and

In the case of, Figure 3 (d) is

and

is the case

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른

에 따른 특이값의 변화를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)는

및

인 경우이고, 도 4의 (b)는

및

인 경우이고, 도 4의 (c)는

및

인 경우이고, 도 4의 (d)는

및

인 경우이다. 4 is according to an embodiment of the present disclosure

It is a diagram showing the change in the singular value according to . Figure 4 (a) is

and

In the case of, Figure 4 (b) is

and

In the case of, Figure 4 (c) is

and

In the case of, Figure 4 (d) is

and

is the case

도 3 및 도 4를 참조하면, 채널 행렬

의 특이값(들)은

가 변화함에 따라 크게 변동하지만

에 대해서는 느리게 변화함을 알 수 있다. Referring to Figures 3 and 4, the channel matrix

The singular value(s) of

fluctuates greatly as

It can be seen that , changes slowly.

결과적으로, 채널 행렬

의 특이값(들)은

에 의존하고, 위의 조건들로부터 합계 전송률

의 최적화 문제는 합계 전송률

를 최대로 하는 최적의

를 구하는 문제로 치환될 수 있다.Consequently, the channel matrix

The singular value(s) of

Depends on , and the sum transmission rate from the above conditions

The optimization problem of the sum bitrate

optimal to maximize

It can be replaced by the problem of obtaining

도 5는 본 개시의 실시예에 따른 3차원 좌표계 상에서 균일 원형 배열 안테나 기반의 상향 링크 MIMO 시스템을 나타낸 것이다. 도 5는 도 1의 상향 링크 백홀 시스템(100)에서 K=2인 경우의 일 예를 나타낸 것으로, 설명의 편의를 위해 도 5에서 수신단 및 송신단들을 3차원 좌표계 상에서 점으로 나타내고, 수신단은 3차원 좌표계의 원점에 위치해 있고, 송신단들은 원점으로부터 일정 거리 떨어진 지점들에 위치해 있다고 가정한다. 5 illustrates an uplink MIMO system based on a uniform circular array antenna on a 3D coordinate system according to an embodiment of the present disclosure. FIG. 5 shows an example of the case where K=2 in the uplink backhaul system 100 of FIG. 1. For convenience of description, in FIG. It is assumed that it is located at the origin of the coordinate system, and that the transmitters are located at points separated by a certain distance from the origin.

도 5를 참조하면, 상향 링크 MIMO 시스템(500)에서 수신단(501)은 중심이 같은 다중 계층 배열 안테나들로 수신단 균일 원형 배열 안테나 1(503-1) 및 수신단 균일 원형 배열 안테나 2(503-2)를 포함하고, 송신단 1(502-1) 및 송신단 2(502-2)는 각각 단일 계층 배연 안테나로 송신단 균일 원형 배열 안테나 1(504-1) 및 송신단 균일 원형 배열 안테나 2(504-2)를 포함한다. 설명의 편의를 위해 수신단(501)이 원점에 위치하고, 수신단 균일 원형 배열 안테나 1(503-1) 및 수신단 균일 원형 배열 안테나 2(503-2)는 xy평면에 위치한다고 가정한다. 이 때, 송신단 1(502-1)의 위치를

으로 나타낼 수 있으며, 여기서

은 수신단(501)과 송신단 1(502-1) 간의 통신 거리이고,

은 송신단 1(502-1)의 방위각이고,

은 송신단 1(502-1)의 극각이다. 마찬가지로, 송신단 2(502-2)의 위치를

으로 나타낼 수 있으며, 여기서

은 수신단(501)과 송신단 2(502-2) 간의 통신 거리이고,

은 송신단 2(502-2)의 방위각이고,

은 송신단 2(502-2)의 극각이다. 이 때, 일반성일 잃지 않고 송수신단의 균일 원형 배열 안테나들의 회전 및 기울임의 영향을 고려하지 않는다면, 송신단 1(501-1)의 송신단 균일 원형 배열 안테나(504-1) 및 송신단 2(502-2)의 송신단 균일 원형 배열 안테나(504-2)가 xy평면에 평행하게 위치한다고 가정할 수 있다. 또한, 수신단(501)의 수신단 균일 원형 배열 안테나 1(503-1) 및 수신단 균일 원형 배열 안테나 2(503-2)의 반경은 각각

및

이고, 송신단 1(502-1)의 송신단 균일 원형 배열 안테나 1(504-1) 및 송신단 2(502-2)의 송신단 균일 원형 배열 안테나 2(504-2)의 반경은 각각

및

이다.Referring to FIG. 5, in the uplink MIMO system 500, the receiving end 501 is a uniform circular array antenna 1 (503-1) and a uniform circular array antenna 2 (503-2) as multi-layered array antennas concentrically. ), and the transmitter 1 (502-1) and the transmitter 2 (502-2) are single-layer smoke antennas, respectively, including the transmitter uniform circular array antenna 1 (504-1) and the transmitter uniform circular array antenna 2 (504-2). includes For convenience of explanation, it is assumed that the receiving end 501 is located at the origin, and the uniform circular array antenna 1 (503-1) and the uniform circular array antenna 2 (503-2) are located on the xy plane. At this time, the location of the transmitter 1 (502-1)

can be expressed as, where

is the communication distance between the receiving end 501 and the transmitting end 1 (502-1),

is the azimuth of the transmitting end 1 (502-1),

is the polar angle of the transmitting end 1 (502-1). Similarly, the location of transmitter 2 (502-2)

can be expressed as, where

is the communication distance between the receiving end 501 and the transmitting end 2 (502-2),

is the azimuth of the transmitting end 2 (502-2),

is the polar angle of transmitting end 2 (502-2). At this time, if the effect of rotation and tilt of the uniform circular array antennas of the transmitter and receiver is not lost without loss of generality, the uniform circular array antenna 504-1 of the transmitter 1 (501-1) and the circular array antenna 504-1 of the transmitter 2 (502-2) ) can be assumed to be parallel to the xy plane. In addition, the radii of the receiving end uniform circular array antenna 1 (503-1) and the receiving end uniform circular array antenna 2 (503-2) of the receiving end 501 are respectively

and

, and the radii of the uniform circular array antenna 1 (504-1) of the transmitter 1 (502-1) and the uniform circular array antenna 2 (504-2) of the transmitter 2 (502-2) are respectively

and

am.

전술한 바와 같이 수학식 14 내지 17을 참조하면, 수신단(501)의 i번째 수신단 균일 원형 배열 안테나(503-i)의 n번째 안테나 요소와 및 j번째 송신단(502-j)의 균일 원형 배열 안테나(504-j)의 m번째 안테나 요소 간의 거리

는 다음 수학식 27과 같이 나타낼 수 있다.Referring to Equations 14 to 17 as described above, the n-th antenna element of the uniform circular array antenna 503-i of the i-th receiving end of the receiving end 501 and the uniform circular array antenna of the j-th transmitting end 502-j Distance between the mth antenna elements of (504-j)

can be expressed as in Equation 27 below.

<수학식 27><Equation 27>

또한, 수학식 18을 참조할 때, 수신단(501)의 i번째 수신단 균일 원형 배열 안테나(503-i) 및 j번째 송신단(502-j)의 균일 원형 배열 안테나(504-j) 간의 채널 행렬

의 (n,m)번째 요소는 다음 수학식 28과 같이 나타낼 수 있다.Also, referring to Equation 18, a channel matrix between the uniform circular array antenna 503-i of the i-th receiving end of the receiving end 501 and the uniform circular array antenna 504-j of the j-th transmitting end 502-j

The (n,m)th element of can be expressed as in Equation 28 below.

<수학식 28><Equation 28>

수학식 28을 행렬 형태로 표현하면 채널 행렬

는 다음 수학식 29와 같이 나타낼 수 있다.If Equation 28 is expressed in matrix form, the channel matrix

can be expressed as in Equation 29 below.

<수학식 29><Equation 29>

여기서,

및

는 대각 행렬로 각각의 요소는

및

이다. 또한,

는 (m.n)번째 요소가

를 만족하는 행렬이다.here,

and

is a diagonal matrix where each element is

and

am. also,

is the (mn)th element

is a matrix that satisfies

또한, 전술한 바와 같이 채널 행렬

의 특이값들은 행렬

의 특이값들과 동일하므로 수학식 25를 참조할 때, 채널 행렬

의 특이값

은 다음 수학식 30 및 수학식 31과 같이 나타낼 수 있다.In addition, as described above, the channel matrix

The singular values of are the matrix

Since it is equal to the singular values of , referring to Equation 25, the channel matrix

singular value of

Can be expressed as Equations 30 and 31 below.

<수학식 30><Equation 30>

여기서,

이고,

는 수학식 22를 참조할 때 다음 수학식 31과 같이 나타낼 수 있다.here,

ego,

When referring to Equation 22, can be expressed as Equation 31 below.

<수학식 31> <Equation 31>

따라서, 위의 조건들에 따라 채널 행렬

(i=j일 때)는 동일한 특이값(들)을 갖도록 하는

및 간섭 채널 행렬

(i≠j일 때)는 랭크 1행렬이 되도록 하는

값을 구하면 수학식 27로부터 목표 통신 거리

에서의 최적의 송수신단 반경의 관계식을 획득할 수 있다. Therefore, the channel matrix according to the above conditions

(when i = j) to have the same singular value(s)

and the interfering channel matrix

(when i≠j) is a rank 1 matrix

If the value is obtained, the target communication distance from Equation 27

It is possible to obtain a relational expression of the optimal transceiver terminal radius in

이 때, 수신단(501) 및 송신단(502)의 균일 원형 배열 안테나들에 포함된 안테나 요소들의 수가

으로 같고

이 3 또는 4일 때, 채널 행렬

가 동일한 특이값들을 갖도록 하는

은 다음 수학식 32와 같이 닫힌 형태(closed form)의 관계식으로 표현 가능하다.At this time, the number of antenna elements included in the uniform circular array antennas of the receiving end 501 and the transmitting end 502 is

equal to

is 3 or 4, the channel matrix

have the same singular values

can be expressed as a relational expression in a closed form as shown in Equation 32 below.

<수학식 32> <Equation 32>

마찬가지로, 수신단(501) 및 송신단(502)의 균일 원형 배열 안테나들에 포함된 안테나 요소들의 수가

으로 같고

이 3 또는 4일 때, 간섭 채널 행렬

가 랭크 1 행렬이 되도록 하는

는 다음 수학식 33과 같이 닫힌 형태의 관계식으로 표현 가능하다. 이는 채널의 공분산 행렬이 모두 같은 값을 같도록 하는

를 통해 획득할 수 있다.Similarly, the number of antenna elements included in the uniform circular array antennas of the receiving end 501 and the transmitting end 502

equal to

is 3 or 4, the interference channel matrix

is a rank 1 matrix

can be expressed as a relational expression in a closed form as shown in Equation 33 below. This ensures that the covariance matrices of the channels all have the same value.

can be obtained through

<수학식 33><Equation 33>

그러나

이 3 또는 4보다 크거나

및

이 서로 다른 경우,

및

에 대한 닫힌 형태의 관계식은 존재하지 않는다.

및

에 대한 닫힌 형태의 관계식이 존재하지 않을 때,

와

를 합계 전송률의 1차원 검색을 통해 획득할 수 있다. 구체적으로,

의 초기값을 고정시켜 놓고 합계 전송률

을 최대로 하는 최적의

를 1차원 검색을 통해 획득한다. 그 후, 상기 최적의

에서 합계 전송률

을 최대로 하는 최적의

을 획득한다. 여기서

의 초기값은 임의의 값으로 설정한 후, 추후에 상기 최적의

을 획득하면 해당 값을 다시 초기값으로 설정하고,

및

에 대해 교대로 1차원 검색을 반복 수행하여 인접 평균값을 획득한다. 또한,

및

에 대한 1차원 검색은

으로 같고

이 3 또는 4인 경우에도 여전히 적용 가능하다.however

is greater than 3 or 4 or

and

If these are different,

and

There is no closed-form relational expression for .

and

When there is no relational expression in closed form for

and

can be obtained through a one-dimensional search of the total transmission rate. Specifically,

The initial value of is fixed and the total transmission rate

Optimal to maximize

is obtained through a one-dimensional search. After that, the optimal

Total transfer rate from

Optimal to maximize

Acquire here

The initial value of is set to an arbitrary value, and later, the optimal

is obtained, set the corresponding value back to the initial value,

and

1-dimensional search is repeatedly performed alternately for , and an adjacent average value is obtained. also,

and

A one-dimensional search for

equal to

is 3 or 4, it is still applicable.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 합계 전송률

과

및

의 관계를 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는

의 서로 다른 초기값들에 대한 합계 전송률

과

의 관계를 나타내고, 도 6의 (b)는

의 서로 다른 초기값들에 대한 합계 전송률

과

의 관계를 나타낸다. 또한, 도 6은

, 신호대잡음비

,

의 통신 환경에서의 결과들을 나타낸다.6 is a total transmission rate according to an embodiment of the present disclosure

class

and

It is a diagram showing the relationship of Figure 6 (a) is

Sum rate for different initial values of

class

Represents the relationship of, Figure 6 (b)

Sum rate for different initial values of

class

represents the relationship of Also, Figure 6

, signal-to-noise ratio

,

shows the results in the communication environment of

도 6의 (a)를 참조하면,

의 초기값이 설정되면,

에 대해 합계 전송률

의 복수의 최대 값들이 존재하고, 합계 전송률

의 복수의 최대 값들에 대응되는

의 값들 중 가장 작은 값(들)을 송수신단의 균일 원형 배열 안테나의 최소 반경을 획득하기 위한 최적의

의 값으로 간주한다. 또한,

의 서로 다른 초기값들 각각에 대응되는 최적의

들 간의 편차(deviation)는 미미하다. 예를 들어,

이고, K=2인 경우,

의 초기값이 3.14이면 합계 전송률

는 30bit/s/Hz 부근에서 최대값(★)이 복수개 존재한다. 또한, 합계 전송률

의 최대값(★)에 대응되는 복수의

들 중 최소의

값은 1과 2 사이에 존재하므로 해당

의 값(대략 1.57)을 최적의

의 값으로 간주한다. 또한,

의 초기값들 3.14, 6, 10 각각에 대해 합계 전송률

의 최대값을 만족하는 최적의

값들은 모두 1과 2 사이에 존재하여 서로 간의 편차가 미미함을 알 수 있다. Referring to (a) of FIG. 6,

When the initial value of is set,

Total transfer rate for

There are a plurality of maximum values of , and the sum transmission rate

corresponding to a plurality of maximum values of

The smallest value (s) of the values of is the optimal value for obtaining the minimum radius of the uniform circular array antenna

considered as the value of also,

Optimum corresponding to each of the different initial values of

The deviation between them is insignificant. for example,

, and when K = 2,

If the initial value of is 3.14, then the total transmission rate

There are a plurality of maximum values (★) around 30 bit/s/Hz. Also, the total transfer rate

plural number corresponding to the maximum value (★) of

least of them

Values lie between 1 and 2, so that

value of (approximately 1.57)

considered as the value of also,

Total transmission rate for the initial values of 3.14, 6, and 10, respectively.

Optimal that satisfies the maximum value of

All values are between 1 and 2, so it can be seen that the deviation between them is insignificant.

도 6의 (b)를 참조하면,

의 초기값이 설정되면,

에 대해 합계 전송률

의 복수의 최대 값들이 존재하고,

의 복수의 최대 값들에 대응되는

의 값으로 간주한다. 또한,

의 서로 다른 초기값들 각각에 대응되는 최적의

들 간의 편차(deviation)는 미미하다. 예를 들어,

이고, K=2인 경우,

의 초기값이 3.14이면 이에 대해 도 6의 (a)에서 최적의

의 값이 1.57로 획득되므로 1.57을

의 초기값으로 설정하면, 합계 전송률

의 최대값(★)에 대응되는 복수의

들 중 최소의

값은 3 부근에 존재하므로 해당

의 값(대략 3.14)을 최적의

의 값으로 간주한다. 또한,

의 초기값들 1.3, 1.57, 1.9 각각에 대해 합계 전송률

의 최대값을 만족하는 최적의

값들은 모두 3부근에 존재하여 서로 간의 편차가 미미함을 알 수 있다.Referring to (b) of FIG. 6,

When the initial value of is set,

Total transfer rate for

There are a plurality of maximum values of

corresponding to a plurality of maximum values of

considered as the value of also,

Optimum corresponding to each of the different initial values of

The deviation between them is insignificant. for example,

, and when K = 2,

If the initial value of is 3.14, the optimal

The value of is obtained as 1.57, so 1.57

If set to the initial value of , the total transmission rate

plural number corresponding to the maximum value (★) of

least of them

value exists around 3, so that

value of (approximately 3.14)

considered as the value of also,

The sum bitrate for the initial values of 1.3, 1.57, and 1.9, respectively.

Optimal that satisfies the maximum value of

It can be seen that the values are all in the vicinity of 3, and the deviation between each other is insignificant.

한편, 최적의

와

를 이용하여 다중 계층 구조의 균일 원형 배열 안테나 시스템 설계 시, 주어진 통신 거리에서 최적의 송수신단 균일 원형 배열 안테나의 반경

및

은 K²개(

의 개수 ×

의 개수)의 공식에 의해 결정되는 데, 실제로 설계 가능한 반경의 수는 2K개(

의 개수 +

의 개수)이다. 따라서, 이론상의 합계 전송률

의 상한값(수학식 6)은 도달이 불가능하다. On the other hand, optimal

and

When designing a multi-layered uniform circular array antenna system using

and

² pieces of silver K (

number of ×

The number of ) is determined by the formula, and the number of radii that can actually be designed is 2K (

number of +

is the number of). Therefore, the theoretical aggregate transmission rate

The upper limit of (Equation 6) is impossible to reach.

이를 해결하기 위해, 실제 환경에서 본 개시는 수신단과 원하는 송신단 간의 채널 행렬

는 채널 행렬

가 동일한 특이값들을 갖도록 하는 최적의

을 이용하여 설계하고, j번째 송신기와 수신단의 j+1번째 균일 원형 배열 안테나 사이의 채널 행렬

은 간섭 채널 행렬

가 랭크 1 채널이 되도록 하는 최적의

값을 이용하여 설계하는 방식을 제안한다. 이러한 방식은 이론 상의 상한값에는 도달하지 못하나 K-1개의 간섭 채널에서의 채널 쓰루풋(간섭)을 최소화하므로 기존 단일 계층 구조 대비 큰 합계 전송률 이득을 획득할 수 있다. In order to solve this problem, in a real environment, the present disclosure provides a channel matrix between a receiving end and a desired transmitting end.

is the channel matrix

Optimal to have the same singular values

It is designed using , and the channel matrix between the j transmitter and the j + 1 uniform circular array antenna of the receiving end

is the interference channel matrix

is an optimal number of rank 1 channels

We propose a design method using values. This method does not reach the upper limit in theory, but it minimizes the channel throughput (interference) in K-1 interfering channels, so it is possible to obtain a large aggregate data rate gain compared to the existing single layer structure.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 상향링크 균일 원형 배열 안테나 시스템을 설계하는 절차를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a procedure for designing an uplink uniform circular array antenna system according to an embodiment of the present disclosure.

도 7을 참조하면, 701단계에서 송수신단의 균일 원형 배열 안테나 수가 K개일 때 합계 전송률

을 최대로 하는 최적의

및

를 획득하여 송수신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설정한다. 최적의

및

는 전술한 바와 같이 닫힌 형태의 표현을 통해 획득하거나 초기값 설정 후 1차원 검색을 통해 획득할 수 있다. 이 때, 최적의

에 의해 원하는 수신단과 송신단 간의 채널 행렬

의 특이값들이 동일하고, 최적의

에 의해 간섭 채널 행렬

는 랭크 1 채널을 만족한다. 또한, 최적의

및

을 이용하여 수학식 27로부터 송수신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경을 설정한다. 예를 들어,

,

및

의 통신 환경에서

및 K=2인 경우, 최적의

및

는 각각 1.57 및 3.14로 획득된다. 따라서 수신단 반경

,

및 송신단 반경

,

는 최적의

,

및

값에 의해 결정된다.

=0.1m인 경우,

=0.5m,

=2m,

=0.05m이다.Referring to FIG. 7, in step 701, when the number of uniform circular array antennas of the transmitting and receiving terminal is K, the total transmission rate

Optimal to maximize

and

is obtained to set the radius of the uniform circular array antenna of the transceiver. optimal

and

As described above, may be obtained through a closed expression or through a one-dimensional search after setting an initial value. In this case, optimal

Channel matrix between the receiving end and the sending end desired by

The singular values of are equal, and the optimal

by the interference channel matrix

satisfies a rank 1 channel. Also, optimal

and

Using Equation 27, the radius of the uniform circular array antenna of the transmitting and receiving terminal is set. for example,

,

and

in the communication environment of

and for K = 2, the optimal

and

are obtained as 1.57 and 3.14, respectively. Therefore, the receiving end radius

,

and sending end radius

,

is optimal

,

and

determined by the value

=0.1m,

=0.5 m;

=2m,

= 0.05 m.

702단계에서, 시스템 설계 후 송신단 수가 추가된다면 수신단에 균일 원형 배열 안테나를 추가하고, K번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나와 새로 추가된 수신단의 K+1번째 균일 원형 배열 안테나의 반경은 최적의

를 이용하여 설정한다. 예를 들어,

,

, 및

의 통신 환경에서

및 K=2인 경우, 701단계에서 최적의

및

는 각각 1.57 및 3.14이고, 2번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경

은 0.05m이다. 따라서, 수학식 27로부터 수신단의 3번째 균일 원형 배열 안테나의 반경

은 4.0m이다.In step 702, if the number of transmitters is added after designing the system, a uniform circular array antenna is added to the receiver, and the radius of the uniform circular array antenna of the K-th transmitter and the K+1 uniform circular array antenna of the newly added receiver is optimal.

set using for example,

,

, and

in the communication environment of

and if K = 2, in step 701, the optimal

and

are 1.57 and 3.14, respectively, and the radius of the uniform circular array antenna of the second transmitter

is 0.05 m. Therefore, from Equation 27, the radius of the third uniform circular array antenna of the receiving end

is 4.0 m.

703단계에서, K+1 번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나와 수신단의 K+1 번째 균일 원형 배열 안테나의 반경은 최적의

를 이용하여 설정한다. 예를 들어,

,

, 및

의 통신 환경에서

및 K=2인 경우, 701단계에서 최적의

및

는 각각 1.57 및 3.14이고, 702단계에서 수신단의 3번째 균일 원형 배열 안테나의 반경

은 4.0m이다. 따라서, 수학식 27로부터 3번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나의 반경

은 0.025m이다.In step 703, the radii of the K+1 uniform circular array antenna of the K+1 th transmitter and the K+1 uniform circular array antenna of the receiver are optimal.

set using for example,

,

, and

in the communication environment of

and if K = 2, in step 701, the optimal

and

are 1.57 and 3.14, respectively, and the radius of the third uniform circular array antenna of the receiving end in step 702.

is 4.0 m. Therefore, from Equation 27, the radius of the uniform circular array antenna of the third transmitter

is 0.025 m.

이와 같이 본 개시의 시스템 설계 방식은 송신단이 계속적으로 추가되어도 기존에 설치된 시스템의 구조 변경 없이 새로운 송신단의 균일 원형 배여 안테나 및 수신단의 새로운 균일 원형 배열 안테나만 설계하면 되므로 설치에 용이하다. As described above, the system design method of the present disclosure is easy to install because only the uniform circular array antenna of the new transmitter and the new uniform circular array antenna of the receiver need to be designed without changing the structure of the existing installed system even if the transmitter is continuously added.

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 송신단의 수에 대한 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서의 합계 전송률을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 8은

, 신호대잡음비

,

, 및 라이시안 요인(Rician factor)

의 통신 환경에서 송수신단의 안테나 요소들의 수를 변화시켜 측정한 결과들을 나타낸다. 여기서,

는 가시선 채널 성분과 비가시선 채널 성분 간의 전력의 비를 나타낸다.8 is a diagram illustrating a comparison of total transmission rates in a conventional single-layer uniform circular array antenna structure and a multi-layer uniform circular array antenna structure with respect to the number of transmitters according to an embodiment of the present disclosure. Figure 8 is

, signal-to-noise ratio

,

, and the Rician factor

In the communication environment of, the results obtained by changing the number of antenna elements of the transceiver are shown. here,

Represents the ratio of power between the visible channel component and the non-visible channel component.

도 8에서 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조 모두 수신단에서 동일한 수의 안테나 요소들로 수신 신호를 복호화 하므로 송수신 전송 복잡도 및 소비 전력은 같다. 또한, 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서는 채널 행렬

가 동일한 특이값(들)을 갖도록 하는

값을 통해 송수신단 반경을 조절하여 원하는 송신단과의 채널의 쓰루풋이 최대가 되도록 설계한다. 반면, 본 개시의 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서는 전술한 바와 같이 원하는 송신단과의 채널 행렬

가 동일한 특이값(들)을 갖도록 하는

값 및 j번째 송신단의 균일 원형 배열 안테나와 수신단의 j+1번째 균일 원형 배열 안테나 간의 채널 행렬

가 랭크 1 채널이 되도록 하는

값을 통해 송수신단 반경을 조절하여 원하는 송신단과의 채널의 쓰루풋이 최대가 되도록 설계한다. In FIG. 8, both the single-layer uniform circular array antenna structure and the multi-layer uniform circular array antenna structure decode the received signal with the same number of antenna elements at the receiving end, so transmission/reception transmission complexity and power consumption are the same. In addition, in the conventional single-layer uniform circular array antenna structure, the channel matrix

have the same singular value(s)

It is designed to maximize the throughput of the channel with the desired transmitter by adjusting the radius of the transmitter/receiver through the value. On the other hand, in the multi-layer uniform circular array antenna structure of the present disclosure, as described above, a channel matrix with a desired transmitter

have the same singular value(s)

value and the channel matrix between the j+1 uniform circular array antenna of the j-th transmitter and the j+1 uniform circular array antenna of the receiver

to be a rank 1 channel

It is designed to maximize the throughput of the channel with the desired transmitter by adjusting the radius of the transmitter/receiver through the value.

도 8을 참조하면, 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 비교하여 2배 이상의 합계 전송률 성능을 달성하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 송수신단의 안테나 요소 개수를 달리하여 공간 다중화 이득에 전력 이득을 추가로 더 획득할 수 있는 반면, 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 안테나 요소 개수를 늘려도 송신단 간의 간섭이 같이 증가하므로 전력 이득을 추가로 획득하지 못한다. 따라서, 본 개시에서 제안하는 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 비교할 때 안테나 개수를 조절하여 공간 다중화 이득 이외에 추가적인 전력 이득을 가능하게 함으로써 다양한 시스템의 활용을 용이하게 한다.Referring to FIG. 8 , it can be confirmed that the multi-layer uniform circular array antenna structure achieves twice or more total data rate performance compared to the single-layer uniform circular array antenna structure. In particular, the multi-layer uniform circular array antenna structure can obtain additional power gain in addition to the spatial multiplexing gain by changing the number of antenna elements at the transmitting and receiving end, whereas the single-layer uniform circular array antenna structure can increase the number of antenna elements. Since interference between transmitting ends increases together, power gain cannot be obtained additionally. Therefore, the multi-layer uniform circular array antenna structure proposed in the present disclosure enables additional power gain in addition to spatial multiplexing gain by adjusting the number of antennas compared to the existing single-layer uniform circular array antenna structure, thereby enabling utilization of various systems. facilitate

도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이시안 채널 환경에서 비가시선 채널 성분 값에 따라 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서의 합계 전송률을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 9는

, 신호대잡음비

,

, 송수신단의 안테나 요소들의 수가

인 통신 환경에서 라이시안 요인

의 값을 변화시켜 측정한 결과들을 나타낸다. FIG. 9 is a diagram illustrating a comparison of total transmission rates in a conventional single-layer uniform circular array antenna structure and a multi-layer uniform circular array antenna structure according to non-line-of-sight channel component values in a Rician channel environment according to an embodiment of the present disclosure. it is a drawing Figure 9

, signal-to-noise ratio

,

, the number of antenna elements of the transceiver

Rician factor in a communication environment

It shows the results measured by changing the value of .

도 9를 참조하면, 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 비교하여 더 우월한 합계 전송률 성능을 달성하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 본 개시에서 제안하는 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조가 가시선 채널 환경에서 획득할 수 있는 공간 다중화 이득을 활용하며, 비가시선 성분이 어느 정도 존재해도 충분한 공간 다중화 이득을 획득할 수 있음을 나타낸다. 반면, 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서는

및 송신단의 수가 변화하더라도 거의 동일한 성능을 나타낸다. 즉, 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조에서는 가시선 채널 환경에서 공간 다중화 이득을 활용할 수 없음을 나타낸다. 따라서, 본 개시에서 제안하는 다중 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조는 기존의 단일 계층의 균일 원형 배열 안테나 구조와 비교하여 밀리미터파 (mmWave: millimeter-wave) 또는 테라헤르츠 (THz: terahertz) 대역과 같이 스캐터가 부족하고 직진성이 강한 채널 환경에서 고속 전송을 가능하게 한다. Referring to FIG. 9 , it can be seen that the multi-layer uniform circular array antenna structure achieves superior total data rate performance compared to the single-layer uniform circular array antenna structure. These results show that the multi-layer uniform circular array antenna structure proposed in the present disclosure utilizes spatial multiplexing gain that can be obtained in a line-of-sight channel environment and can obtain sufficient spatial multiplexing gain even when non-line-of-sight components exist to some extent. indicate On the other hand, in the conventional single-layer uniform circular array antenna structure,

And even if the number of transmitting ends is changed, almost the same performance is exhibited. That is, it shows that spatial multiplexing gain cannot be utilized in a line-of-sight channel environment in the conventional single-layer uniform circular array antenna structure. Therefore, the multi-layer uniform circular array antenna structure proposed in the present disclosure has a frequency range such as millimeter-wave (mmWave) or terahertz (THz) band compared to the existing single-layer uniform circular array antenna structure. It enables high-speed transmission in a channel environment with insufficient catter and strong linearity.

이상에서 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 개시의 기술 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 개시의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한, 상술한 여러 가지 실시 예들 중 하나 이상이 결합되어 수행될 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 개시의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 개시를 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The embodiments disclosed in the specification and drawings above are only presented as specific examples to easily explain the technical content of the present disclosure and aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present disclosure. In addition, it goes without saying that one or more of the various embodiments described above may be combined and performed. Therefore, the scope of the present disclosure should be construed as including all changes or modified forms derived based on the present disclosure in addition to the embodiments disclosed herein are included in the scope of the present disclosure.

Claims

A method for designing an uplink backhaul system in a line-of-sight channel environment, the method comprising:
Channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the i-th transmitting end among the K transmitting ends

Total transfer rate for

A first parameter that maximizes

and second parameter

process of obtaining; and
the first parameter

and the second parameter

Including the process of setting
the first parameter

is the channel matrix

All one or more singular values of have the same value,
the second parameter

is the interference channel matrix

A method characterized in that, such that is a rank 1 matrix.

According to claim 1,
Wherein the K uniform circular array antennas of the receiving end have the same center.

The radius of the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end of claim 1 .

The process of setting
the first parameter

and a radius of a uniform circular array antenna of the ith transmitting end among the K transmitting ends.

the process of setting up; and
the second parameter

Radius of the uniform circular array antenna of the j-th transmitter among the K transmitters using

and a radius of a j+1th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end.

A method comprising the process of setting a.

According to claim 1,
The above sum transmission rate

is the channel matrix

and the interfering channel matrix

A method characterized by being expressed as follows by

here,

ego,

Is the transmission power of each of the K transmitting ends,

Represents the standard deviation of additive white Gaussian noise (AWGN),

Is the number of antenna elements included in each of the K uniform circular array antennas of the receiving end,

Is the number of antenna elements included in the uniform circular array antenna of each of the K transmitting ends,

Is

greater than or equal to.

5. The method of claim 4, wherein the first parameter

and the second parameter

The process of obtaining

ego

When is 3 or 4, the first parameter

and the second parameter

A method characterized by including a process of obtaining through the following closed form expressions,

and

.

5. The method of claim 4, wherein the first parameter

and the second parameter

The process of obtaining

ego

is not 3 or 4 or

If , the first parameter

and the second parameter

A method comprising a process of acquiring through a one-dimensional search.

The method of claim 6, wherein the obtaining process through the one-dimensional search,
the second parameter

A process of arbitrarily setting an initial value of ;
The second parameter set arbitrarily

The sum transmission rate for the initial value of

The first parameter maximizing

The smallest value among the values of is the optimal first parameter

the process of obtaining; and
The optimal first parameter

For the above sum transmission rate

The second parameter maximizing

The smallest value among the values of is the optimal second parameter

A method including a process of obtaining as.

According to claim 3,
adding a K+1th uniform circular array antenna to the receiving end; and
Including the process of adding the K + 1th transmitter,
The radius of the K+1th uniform circular array antenna of the receiving end is the second parameter

And it is set based on the radius of the uniform circular array antenna of the K-th transmitting end,
The radius of the uniform circular array antenna of the K+1 th transmitter is the first parameter

and a radius of the set K+1th uniform circular array antenna of the receiving end.

In an uplink backhaul system in a line-of-sight channel environment, the system comprises:
a receiving end including K uniform circular array antennas having the same center; and
Including K transmitting ends connected to the receiving end through a backhaul network and separated from each other by a predetermined distance,
Radius of the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end

is the first parameter

and second parameter

is set based on
the first parameter

and the second parameter

Total transfer rate for

to the maximum,
the first parameter

is the channel matrix

All one or more singular values of have the same value,
the second parameter

is the interference channel matrix

A system characterized in that it allows to be a rank 1 matrix.

According to claim 9,
Radius of the ith uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end

is the first parameter

is set based on
Radius of the uniform circular array antenna of the j-th transmitter among the K transmitters

is the second parameter

System characterized in that it is set based on.

According to claim 9,
The above sum transmission rate

is the channel matrix

and the interfering channel matrix

A system characterized by being expressed as follows by,

here,

ego,

Is the transmission power of each of the K transmitting ends,

Represents the standard deviation of additive white Gaussian noise (AWGN),

Is

greater than or equal to.

According to claim 11,

ego

When is 3 or 4, the first parameter

and the second parameter

A system, characterized in that obtained through the following closed form expressions,

and

.

According to claim 11,

ego

is not 3 or 4 or

If , the first parameter

and the second parameter

A system characterized in that obtained through a one-dimensional search.

According to claim 13,
the first parameter

Is the second parameter having an arbitrary initial value

For the above sum transmission rate

The first parameter maximizing

The smallest value among the values of is the optimal first parameter

is set to
the second parameter

Is the optimal first parameter

For the above sum transmission rate

The second parameter maximizing

The smallest value among the values of is the optimal second parameter

System characterized in that set to.

According to claim 10,
The system further includes a K+1 transmitting end,
The receiving end further includes a K+1th uniform circular array antenna,
The radius of the K+1th uniform circular array antenna of the receiving end is the second parameter

A method for controlling interference of an uplink backhaul system in a line-of-sight channel environment, the method comprising:
Channel matrix between the i-th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end and the uniform circular array antenna of the i-th transmitting end among the K transmitting ends

Total transfer rate for

A first parameter that maximizes

and second parameter

process of obtaining;
the first parameter

Including the process of controlling interference of an interference channel related to the uniform circular array antenna of the j-th transmitter using
the first parameter

is the channel matrix

All one or more singular values of have the same value,
the second parameter

is the interference channel matrix

A method characterized in that such that is a rank 1 matrix.

According to claim 16,
The interference channel related to the uniform circular array antenna of the j-th transmitting end is a channel matrix between the uniform circular array antenna of the j-th transmitting end and the j+1 uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end.

A method characterized by that.

According to claim 17,
the second parameter

The process of controlling the interference of the interference channel associated with the uniform circular array antenna of the j-th transmitter using
the second parameter

Radius of the uniform circular array antenna of the j-th transmitter using

and a radius of the j+1th uniform circular array antenna among the K uniform circular array antennas of the receiving end.

The interference channel matrix by setting

A method characterized in that it comprises the process of controlling the interference of.

According to claim 16,
A channel related to the i-th uniform circular array antenna of the receiving end is the channel matrix

ego,
the first parameter

The process of controlling the throughput of the channel related to the i-th uniform circular array antenna of the receiving end using
the first parameter

The channel matrix by setting

A method characterized in that it further comprises the process of controlling the throughput of.