KR20230088591A - 셀-프리 매시브 다중입출력(mimo) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

셀-프리 매시브 다중입출력(mimo) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템 Download PDF

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아노치 프린스
이경재
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정 단계; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

Description

셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템{RESOLUTION OPTIMIZATION METHOD OF CELL-FREE MASSIVE MIMO AND SYSTEM USING SAME}
본 발명은 무선통신에 관한 것으로, 특히 전송 성능을 최적화하기 위한 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
5G 시스템의 요구 조건을 만족시키기 위하여 massive MIMO, HetNet, full duplex 기술이 핵심 요소로 평가받고 있다. 그 중에서도 massive MIMO 기술은 단순히 massive MIMO를 기존의 기지국에 설치함으로써 시스템의 전송량(throughput)을 증가시킬 수 있어 5G 통신의 가장 중요한 기술로 고려되고 있다.
상기 MIMO 시스템을 이용하여 데이터를 송수신할 때 전송 채널의 상태를 송신단과 수신단에서 알 경우, 목적에 맞는 송수신 필터를 설계하여 성능을 향상할 수 있다. 이 경우에는 모든 통신 노드들이 MIMO 채널에 대한 정보를 알아야 하고, 이를 통해 인접 노드들로부터의 간섭 및 다중 채널에 의한 영향을 없애는 신호처리를 할 수 있다. MIMO 통신 시스템에서 수신단의 채널 인지 여부는 파일럿 신호 등을 통해 쉽게 추정할 수 있지만, 송신단에서의 채널 인지는 채널 정보를 다시 피드백 해야하므로 쉽게 추정이 힘들 뿐 아니라, 신호 교환에 따른 복잡도를 유발할 수 있다.
전이중(full-duplex) 방식은 기존의 반이중(half-duplex) 방식과 달리 동일 대역에 동일시간 자원에서 송신 신호와 수신신호를 동시에 주고 받는다. 이로 인해 필연적으로 자기 간섭(self-interference)신호가 발생하고 이를 제거하기 위한 자기간섭 제거 기능이 송수신단에 구현되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 방식을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 셀-프리 MIMO 시스템은 다수의 액세스 포인트(AP)가 넓은 지역에 분산되어 소수의 사용자 장비(User Equipment, UE)에 공동으로 서비스한다. 셀-프리 MIMO 시스템은 최근 주목받고 있고 셀-프리 MIMO 시스템은 반이중 방식을 사용하는 것보다 전이중 방식을 사용하는 것이 spectral/energy efficiency(SE/EE)에 유리하다.
다만, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 SE/EE의 향상을 위해서는 고해상도의 ADC(analog-to-digital converter)를 사용하여야 하므로 하드웨어 비용과 전력 소비가 증가하는 문제점이 있다. 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 샘플링 주파수(Fs)에 비례하여 소비 전력이 증가한다. 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 해상도에 따라 소비 전력이 기하급수적으로 증가한다. 또한, ADC는 해상도에 따라 제조 비용이 증가한다. 엄청난 수의 엑세스 포인트(AP)가 셀-프리 MIMO 시스템에서 사용된다는 점을 고려하면 고해상도 ADC로 시스템을 설계하는 것은 현실적이지 않다. 따라서, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 저해상도 ADC로 구현될 필요가 있다.
전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템은 저해상도 ADC를 사용할 경우 자기간섭(self-interference, SI)로 인해 기지국의 양자화 잡음(quantization noise, QN)이 악화될 수 있다. 따라서, 전이중 방식의 셀-프리 MIMO 시스템에서 spectral/energy efficiency(SE/EE)을 극대화할 수 있는 저해상도 ADC의 해상도를 도출하는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제1790498호
본 발명은 저해상도 ADC를 사용하는 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정 단계; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게는, k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널이 정의하는 다운링크 채널 설정 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)이 정의되는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 다운링크 해상도 도출 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은, i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정부; [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정부; 및 상기 업링크 스펙트럼효율 설정부가 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출부;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 시스템을 직접적으로 구현하여 시뮬레이션하지 않아도, spectral/energy efficiency(SE/EE)의 폐쇄형 해를 통해 저해상도 ADC의 최적의 해상도를 추출할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 방식을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 업링크에서 송신한 신호를 엑세스 포인트(AP)에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)에서 송신한 신호를 다운링크에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)의 수에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 해상도(b)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔여 자기간섭(SI)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 7은 업링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 7의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 7의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 8은 다운링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 8의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 8의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에서 고려되는 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치는 M개의 전이중 엑세스 포인트(Access point, AP)가 오류 없는 백홀 링크를 통해 CPU(중앙 처리 장치)에 연결될 수 있다. 또한, 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치는 동일한 시간-주파수 리소스에서 동일 위상을 제공하는 단일 안테나로 구성된
Figure pat00001
개의 업링크와
Figure pat00002
의 다운링크를 포함할 수 있다. 각각의 엑세스 포인트(AP)는
Figure pat00003
수신안테나와
Figure pat00004
송신안테나를 포함할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 수신된 업링크 신호와 다운링크에 대한 프리코딩 데이터를 감지하기 위해 업링크 파일럿 시그널링을 통해 CSI(channel state information)를 획득할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 채널 상호성을 활용하여 다운링크에 데이터를 프리코드할 수 있다. 엑세스 포인트(AP)는 coherence 구간(
Figure pat00005
) 중
Figure pat00006
구간에는 CSI를 획득하고, 남은
Figure pat00007
구간에는 데이터를 전송할 수 있다.
각각의 엑세스 포인트(AP)는 전이중 방식으로 인해 수신되는 업링크 신호가 다른 엑세스 포인트(AP)가 송신하는 다운링크 신호에 의해 손상되는 자기간섭(self-interference, SI)과 엑세스 포인트간 간섭(inter-AP interference, IAI)의 영향을 받을 수 있다. 다운링크는 업링크의 신호 전송으로 인해 업링크-다운링크 간섭(UL-to-DL interference, UDI)의 영향을 받을 수 있다. 엑세스 포인트(AP)와 다운링크는 양자화를 위해 저해상도 ADC를 사용하는 과정에서 양자화 잡음(quantization noise, QN)의 영향을 받을 수 있다. 본 발명에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 높은 효율을 갖는 저해상도 ADC의 해상도를 도출하기 위해 상기 간섭 및 잡음을 해상도(b)에 대한 변수로 모델링하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 업링크에서 송신한 신호를 엑세스 포인트(AP)에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 업링크 채널 설정 단계(S210), 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220), 및 업링크 해상도 도출 단계(S230)를 포함할 수 있다.
업링크 채널 설정 단계(S210)는 i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의할 수 있다.
[관계식 1]
Figure pat00008
(여기서, β는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고,
Figure pat00009
는 small-scale 페이딩 벡터이다.)
업링크 채널 설정 단계(S210)는
Figure pat00010
을 만족하고 각 원소들은
Figure pat00011
로써 모델링되는
Figure pat00012
를 정의할 수 있다. 업링크 채널 설정 단계(S210)는 small-scale 페이딩이 coherence 구간(
Figure pat00013
) 동안 변경 없이 유지되며, 각 coherence 구간(
Figure pat00014
)은 독립적으로 변경되는 것으로 채널을 정의할 수 있다.
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)는 [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 1]과 [수학식 2]는 CPU가 long-term 채널 통계를 사용하여 신호를 감지하는 것으로 가정된 것이다.
[수학식 1]
Figure pat00015
(여기서,
Figure pat00016
는 coherence 구간,
Figure pat00017
는 남은 구간,
Figure pat00018
는 업링크 전송 전력, M은 엑세스 포인트의 수,
Figure pat00019
(
Figure pat00020
는 ADC 해상도),
Figure pat00021
는 빔포밍 불확실성 이득,
Figure pat00022
는 다중 사용자 간섭,
Figure pat00023
는 SI/IAI(self-interference/inter-AP interference),
Figure pat00024
는 노이즈,
Figure pat00025
는 양자화잡음(quantization noise, QN)을 의미한다.)
[수학식 2]
Figure pat00026
(여기서,
Figure pat00027
는 수신 안테나 수,
Figure pat00028
는 업링크가 전송한 파일럿의 전력,
Figure pat00029
는 파일럿 길이,
Figure pat00030
는 large-scale의 레일리 페이딩 계수,
Figure pat00031
는 채널추정 관련 상수,
Figure pat00032
는 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염(PC)의 효과를 반영한 변수,
Figure pat00033
는 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수,
Figure pat00034
는 양자화 잡음(QN)을 의미한다.)
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 1]은 유효 잡음은 원하는 신호와 상관관계가 없고 더해지는 가우스 잡음은 최악의 비상관 잡음임이 고려된 것이다. [수학식 1]의
Figure pat00035
는 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(SE) 하한을 의미한다. [수학식 1]에서 빔포밍 불확실성 이득인
Figure pat00036
는
Figure pat00037
로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 다중 사용자 간섭인
Figure pat00038
는
Figure pat00039
로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 SI/IAI인
Figure pat00040
는
Figure pat00041
로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 노이즈인
Figure pat00042
는
Figure pat00043
로 계산될 수 있다. [수학식 1]에서 양자화 잡음인
Figure pat00044
은
Figure pat00045
로 계산될 수 있다.
업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 사용되는 [수학식 2]의
Figure pat00046
는 저해상도 ADC를 구비한 전이중 셀-프리 MIMO의 i번째 업링크의 SINR(signal-to-interference plus noise ratio)을 의미한다. [수학식 2]에서 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수인
Figure pat00047
는
Figure pat00048
로 계산될 수 있다. [수학식 2]에서 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수인
Figure pat00049
는
Figure pat00050
로 계산될 수 있다. [수학식 2]에서 양자화 잡음인
Figure pat00051
은
Figure pat00052
Figure pat00053
로 계산될 수 있다.
업링크 해상도 도출 단계(S230)는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계(S220)에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)을 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00054
(여기서,
Figure pat00055
는 대역폭,
Figure pat00056
는 링크의 수,
Figure pat00057
는 스펙트럼효율,
Figure pat00058
는 소모전력을 의미한다.)
업링크 해상도 도출 단계(S230)는 [수학식 3]에서 해상도(b)를 변수로 하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. 업링크 해상도 도출 단계(S230)는 수신 어레이의 수를 증가시켜 양자화 잡음으로 인한 손실을 보상할 수 있다. 다만, 수신 어레이가 증가되면 더 많은 ADC가 요구되어 전력 소모가 악화되므로 해상도만을 변수로 하는 것이 바람직하다.
업링크 해상도 도출 단계(S230)에서 사용되는 [수학식 3]의 a는
Figure pat00059
를 의미한다. 따라서, [수학식 3]은 다운링크 해상도 도출에도 사용될 수 있다. [수학식 3]에서 업링크에서의 소모전력인
Figure pat00060
(단, a=u)는
Figure pat00061
Figure pat00062
로 계산될 수 있다. 여기서,
Figure pat00063
는 저잡음 증폭기의 소모전력,
Figure pat00064
는 믹서의 증폭기의 소모전력,
Figure pat00065
는 중간 주파수 증폭기의 소모전력,
Figure pat00066
는 능동 필터의 소모전력,
Figure pat00067
는 주파수 합성기의 소모전력,
Figure pat00068
는 자동 이득 제어기의 소모전력,
Figure pat00069
는 ADC의 소모전력을 의미한다.
Figure pat00070
는
Figure pat00071
로 계산될 수 있다(단,
Figure pat00072
은 1일 때, c=0 또는
Figure pat00073
일 때, c=1). 여기서,
Figure pat00074
는 컨버터의 공급 전원,
Figure pat00075
는 코너 주파수,
Figure pat00076
는 주어진 CMOS에 대한 최소 채널 길이를 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)에서 송신한 신호를 다운링크에서 수신하기 위해 사용되는 최적의 ADC의 해상도를 도출하는 순서도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법은 다운링크 채널 설정 단계(S310), 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320), 및 다운링크 해상도 도출 단계(S330)를 포함할 수 있다.
다운링크 채널 설정 단계(S310)는 k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널이 정의할 수 있다.
[관계식 2]
Figure pat00077
(여기서, ζ는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고,
Figure pat00078
는 small-scale 페이딩 벡터이다.)
다운링크 채널 설정 단계(S310)는
Figure pat00079
을 만족하고 각 원소들은
Figure pat00080
로써 모델링되는
Figure pat00081
를 정의할 수 있다. 다운링크 채널 설정 단계(S310)는 small-scale 페이딩이 coherence 구간(
Figure pat00082
) 동안 변경 없이 유지되며, 각 coherence 구간(
Figure pat00083
)은 독립적으로 변경되는 것으로 채널을 정의할 수 있다.
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)는 [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 1]과 [수학식 2]는 다운링크에서 신호를 디코딩하기 위해 즉각적인 CSI를 사용하지 않는다고 가정된 것이다.
[수학식 4]
Figure pat00084
(여기서,
Figure pat00085
는 ADC 해상도,
Figure pat00086
는 다운링크 전송 전력, M은 업링크의 수,
Figure pat00087
는 정규화 요소,
Figure pat00088
는 빔포밍 불확실성 이득,
Figure pat00089
는 다중 사용자 간섭,
Figure pat00090
는 업링크-다운링크 간섭,
Figure pat00091
는 양자화잡음(QN)을 의미한다. 여기서
Figure pat00092
는 수신신호이다.)
[수학식 5]
Figure pat00093
(여기서,
Figure pat00094
는 송신 안테나 수,
Figure pat00095
(
Figure pat00096
는 ADC 해상도),
Figure pat00097
은 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수,
Figure pat00098
는 양자화 잡음,
Figure pat00099
(
Figure pat00100
는 n번째 AP에서 m번째 AP로의 large-scale 페이딩,
Figure pat00101
는 잔여간섭)을 의미한다.)
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 4]은 유효 잡음은 원하는 신호와 상관관계가 없고 더해지는 가우스 잡음은 최악의 비상관 잡음임이 고려된 것이다. [수학식 4]의
Figure pat00102
는 k번째의 다운링크의 성취 가능한 스펙트럼 효율(SE)을 의미한다. [수학식 4]에서 빔포밍 불확실성 이득인
Figure pat00103
는
Figure pat00104
로 계산된다. [수학식 4]에서 빔포밍 불확실성 이득인
Figure pat00105
는
Figure pat00106
로 계산된다. [수학식 4]에서 다중 사용자 간섭인
Figure pat00107
는
Figure pat00108
로 계산된다. [수학식 4]에서 업링크-다운링크 간섭인
Figure pat00109
는
Figure pat00110
로 계산된다.
다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 사용되는 [수학식 5]의
Figure pat00111
는 MRT 프리코딩 및 저해상도 ADC를 구비한 전이중 셀-프리 MIMO의 k번째 다운링크의 SINR(signal-to-interference plus noise ratio)을 의미한다. [수학식 5]에서 다중 사용자 간섭인
Figure pat00112
는
Figure pat00113
Figure pat00114
로 계산될 수 있다. [수학식 5]에서 양자화 잡음인
Figure pat00115
는
Figure pat00116
Figure pat00117
로 계산될 수 있다.
다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계(S320)에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다.
다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 [수학식 5]에서 알 수 있듯이 성취 가능한 신호와 양자화 잡음이 엑세스 포인트의 수(M)와 같은 속도로 증가하기 때문에 엑세스 포인트의 수를 증가시켜 양자화 잡음을 보상하는 것은 효율적이지 않다. 따라서 다운링크 해상도 도출 단계(S330)는 ADC의 해상도를 변수로 하여 최대의 에너지효율을 추출하는 것이 바람직하다.
[수학식 3]에서 다운링크에서의 소모전력인
Figure pat00118
(단, a=d)는
Figure pat00119
로 계산될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 시스템은 업링크 채널 설정부, 업링크 스펙트럼효율 설정부 및 업링크 해상도 도출부를 포함할 수 있다.
업링크 채널 설정부는 i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의할 수 있다. 업링크 채널 설정부는 전술한 업링크 채널 설정 단계의 기능을 수행한다.
업링크 스펙트럼효율 설정부는 [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의할 수 있다. 업링크 스펙트럼효율 설정부는 전술한 업링크 스펙트럼효율 설정 단계의 기능을 수행한다.
업링크 해상도 도출부는 업링크 SE 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)을 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출할 수 있다. 업링크 해상도 도출부는 전술한 업링크 해상도 도출 단계의 기능을 수행한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 셀-프리 매시브 다중입출력(MIMO) 전송 장치의 해상도 최적화 방법의 예시적인 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 실시예에서는
Figure pat00120
개 채널 구현에 대한 Monte Carlo 시뮬레이션에 의한 분석 결과이다. 본 실시예에서는 파라미터값으로
Figure pat00121
,
Figure pat00122
,
Figure pat00123
,
Figure pat00124
,
Figure pat00125
를 사용하였다. 파일럿 시퀀스는 각 사용자에게 무작위로 할당되는 것으로 설정하였다. ADC는 단순화를 위해 모든 AP 및 DL 사용자에게 동일한 해상도를 사용하였다.
Figure pat00126
,
Figure pat00127
,
Figure pat00128
이고, 여기서
Figure pat00129
는 업링크 전력,
Figure pat00130
는 다운링크 전력,
Figure pat00131
는 파일럿 전력을 의미한다.
Figure pat00132
,
Figure pat00133
,
Figure pat00134
,
Figure pat00135
,
Figure pat00136
의 값을 사용하였다. 엑세스 포인트와 사용자는
Figure pat00137
의 영역에 균일하게 분포되어 있는 것으로 설정하였다. 임의의 두 노드 사이의 large-scale 페이딩은
Figure pat00138
으로 설정된다. 여기서
Figure pat00139
는 표준편차가
Figure pat00140
,
Figure pat00141
인 섀도우 페이딩을 의미한다.
Figure pat00142
는 경로손실을 의미한다. 또한,
Figure pat00143
의 값을 사용하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑세스 포인트(AP)의 수(M)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 업링크의 경우 스펙트럼 효율(SE)은 엑세스 포인트(AP)의 수(M)가 증가함에 따라 단조롭게 증가하고 ADC의 해상도 b가 감소함에 따라 감소한다. 따라서, 업링크에서의 양자화 잡음으로 인한 속도 손실은 엑세스 포인트의 수를 증가시켜 보상할 수 있다. 예를 들어, 30bps/Hz의 업링크 스펙트럼 효율을 달성하려면 무한대의 해상도에 대해 약 23개의 엑세스 포인트가 필요하다. 반면에, 3, 2, 또는 1의 해상도에 대해 30bps/Hz와 유사한 스펙트럼 효율을 얻으러면 25, 28, 또는 42개의 엑세스 포인트가 필요하다. 다운링크의 합 스펙트럼 효율은 업링크와 달리 낮은 해상도에서 엑세스 포인트의 수가 증가함에 따라 빠르게 포화됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ADC의 해상도(b)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 다운링크와 업링크의 스펙트럼 효율 모두 수렴할 때가지 해상도(b)이 증가함에 따라 단조롭게 증가한다. 업링크의 경우 수렴하기 위해 약 5비트의 ADC 해상도가 필요하다. 다운링크의 경우 수렴하기 위해 약 7비트의 ADC 해상도가 필요하다. 업링크는 낮은 해상도 영역(즉, b= 1, 2)에서 다운링크에 비해 월등한 성장을 보이지만, b>2의 해상도 영역에서는 월등함이 감소한다. 다운링크는 낮은 해상도 영역에서 양자화 잡음이 업링크에서 보다 우세하다. 다운링크는 b>2에서는 양자화 잡음의 효과가 줄어들어 업링크에서 보다 더 높은 스펙트럼 효율을 갖는다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잔여 자기간섭(SI)에 대한 Sum spectral efficiency(SE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 전이중 방식의 스펙트럼 효율은 잔여 자기간섭(SI)이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 반이중 방식의 스펙트럼 효율은 자기간섭(SI), 엑세스 포인트간 간섭(IAI), 및 업링크-다운링크 간섭(UDI)의 영향을 받지 않으므로 고정된 상태로 유지된다.
합 스텍트럼 효율(SE)은 일반적으로 해상도(b)가 커질수록 향상된다. 전이중 셀-프리 MIMO는 해상도(b)가 증가함에 따라 잔여 자기간섭(SI)에 대한 전이중의 저항이 커지므로 작동영역이 증가한다. 일 실시예로, b=1일 때, 전이중 방식은
Figure pat00144
영역에서 반이중 방식을 능가한다. 반면, b=2일 때, 전이중 방식은
Figure pat00145
영역에서 반이중 방식을 능가한다. 이는 해상도(b)가 감소함에 따라
Figure pat00146
가 감소하여 양자화 잡음에 대한 잔여 자기간섭(SI), 엑세스 포인트간 간섭(IAI), 및 업링크-다운링크 간섭(UDI)의 영향을 증가시키는 [수학식 2]과 [수학식 4]로부터 알 수 있다. 또한, 전이중 방식은
Figure pat00147
에서 반이중 방식 보다 약 98.82% 더 높은 스펙트럼 효율을 달성한다.
도 7은 업링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 7의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 7의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 7의 (a)를 참조하면, 에너지 효율(EE)는 해상도가 1에서 2로 증가하는 동안에는 해상도와 선형적으로 증가한다. 반면에, 에너지 효율(EE)은 해상도가 2보다 큰 경우에는 ADC의 전력 소비가 기하급수적으로 증가하므로 0으로 수렴한다. 이분법과 같은 간단한 선 탐색 알고리즘을 이용하면 에너지 효율(EE)를 최대화하는 최적의 해상도(b)를 도출할 수 있다. 업링크 해상도 도출 단계(S230)에서는 이와 같이 에너지 효율(EE)을 최대화하는 최적의 해상도를 도출하는 기능을 수행할 수 있다.
에너지 효율(EE)은 RF 체인이 증가하면 그에 따라 더 많은 ADC가 필요하기 때문에 일반적으로 M이 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 총 전력 소비는 엑세스 포인트의 수(M) 및 수신 어레이
Figure pat00148
에 따라 선형적으로 증가한다. 반면에, 스펙트럼 효율(SE)은 M이 증가함에 따라 대수 비율로 증가한다. 또한, 에너지 효율(EE)은
Figure pat00149
가 40dB에서 100dB로 증가함에 따라 감소한다. 전이중 방식은 반이중 방식보다 훨씬 더 높은 에너지 효율(EE)을 제공함 역시 알 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 가장 우수한 합 스펙트럼 효율(SE)은 가장 오른쪽 지점에 표시된다. 반면에, 최상의 에너지 효율(EE)은 가장 상단 지점에 표시된다. 따라서, 최상의 EE/SE 절충점은 오른쪽 상단 지점에서 달성됨을 알 수 있다. 도시된 바와 같이, 에너지 효율(EE)과 스펙트럼 효율(SE)은 해상도(b)가 1에서 2비트로 증가함에 따라 향상된다. 그러나 b>2인 경우에는, 스펙트럼 효율(SE)이 포화되는 동안 에너지 효율(EE)은 감소한다. 또한, M이 증가함에 따라, 스펙트럼 효율(SE)은 전반적으로 향상되고 에너지 효율(EE)은 감소한다.
전이중 방식의 전체 EE/SE 작동 영역의 포락선은
Figure pat00150
가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 전이중 방식의 시스템의 유연성이 감소한다. 전이중 방식의 작동 영역은 1/2 pre-log factor로 인해 반이중 방식 보다 훨씬 넓다. 따라서, 반이중 방식 보다 전이중 셀-프리 MIMO에서 저해상도 ADC를 사용하는 것이 에너지 효율 측면에서 더 유리하다.
도 8은 다운링크의 에너지 효율(energy efficiency, EE)의 그래프에 대한 것으로, 도 8의 (a)는 ADC의 해상도(b)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타내고, 도 8의 (b)는 Sum spectral efficiency(SE)에 대한 에너지 효율(EE)의 변화를 도시한 그래프를 나타낸다.
도 8의 (a)를 참조하면, 에너지 효율(EE)은 해상도(b)가 1에서 4로 증가함에 따라 단조롭게 증가한다. 에너지 효율(EE)은 b>4에서 감소한다. 다운링크의 에너지 효율(EE)은 업링크과 대조적으로 엑세스 포인트의 수(M)가 증가하면 스펙트럼 효율(SE)가 개선되기 때문에 M이 중가함에 따라 상승한다. 다운링크 사용자의ADC의 전력 소비는 엑세스 포인트의 수(M)과 무관하다. 다운링크의 에너지 효율(EE)은 반이중 방식보다 전이중 방식에서 두 배가 향상되었다. 또한, 다운링크의 에너지 효율(EE)은
Figure pat00151
의 증가에 따른 영향이 거의 없다.
도 8의 (b)를 참조하면, 에너지 효율(EE)과 스펙트럼 효율(SE)은 해상도(b)가 1에서 4호 향상됨에 따라 증가함을 알 수 있다. 반면, b>4의 경우에는 스펙트럼 효율(SE)이 정체 상태를 유지함에 따라 에너지 효율(EE)이 감소한다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정 단계;
    [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정 단계; 및
    상기 업링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출 단계;를 포함하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
    [관계식 1]
    Figure pat00152
    (여기서, β는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고,
    Figure pat00153
    는 small-scale 페이딩 벡터이다.)

    [수학식 1]
    Figure pat00154
    (여기서,
    Figure pat00155
    는 coherence 구간,
    Figure pat00156
    는 남은 구간,
    Figure pat00157
    는 업링크 전송 전력, M은 엑세스 포인트의 수,
    Figure pat00158
    (
    Figure pat00159
    는 ADC 해상도),
    Figure pat00160
    는 빔포밍 불확실성 이득,
    Figure pat00161
    는 다중 사용자 간섭,
    Figure pat00162
    는 SI/IAI(self-interference/inter-AP interference),
    Figure pat00163
    는 노이즈,
    Figure pat00164
    는 양자화잡음(quantization noise, QN)을 의미한다.)

    [수학식 2]
    Figure pat00165
    (여기서,
    Figure pat00166
    는 수신 안테나 수,
    Figure pat00167
    는 업링크가 전송한 파일럿의 전력,
    Figure pat00168
    는 파일럿 길이,
    Figure pat00169
    는 large-scale의 레일리 페이딩 계수,
    Figure pat00170
    는 채널추정 관련 상수,
    Figure pat00171
    는 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염(PC)의 효과를 반영한 변수,
    Figure pat00172
    는 잔여 SI와 IAI의 영향을 반영한 변수,
    Figure pat00173
    는 양자화 잡음(QN)을 의미한다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    k번째의 다운링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 2]로 채널을 정의하는 다운링크 채널 설정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
    [관계식 2]
    Figure pat00174
    (여기서, ζ는 large-scale의 레일리 페이딩 계수이고,
    Figure pat00175
    는 small-scale 페이딩 벡터이다.)
  3. 제 2 항에 있어서,
    [수학식 4]을 [수학식 5]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 k번째의 다운링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)이 정의되는 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00176
    (여기서,
    Figure pat00177
    는 ADC 해상도,
    Figure pat00178
    는 다운링크 전송 전력, M은 업링크의 수,
    Figure pat00179
    는 정규화 요소,
    Figure pat00180
    는 빔포밍 불확실성 이득,
    Figure pat00181
    는 다중 사용자 간섭,
    Figure pat00182
    는 업링크-다운링크 간섭,
    Figure pat00183
    는 양자화잡음(QN)을 의미한다. 여기서
    Figure pat00184
    는 수신신호이다.)

    [수학식 5]
    Figure pat00185
    (여기서,
    Figure pat00186
    는 송신 안테나 수,
    Figure pat00187
    (
    Figure pat00188
    는 ADC 해상도),
    Figure pat00189
    은 다중 사용자 간섭과 파일럿 오염의 효과를 반영한 변수,
    Figure pat00190
    는 양자화 잡음,
    Figure pat00191
    (
    Figure pat00192
    는 n번째 AP에서 m번째 AP로의 large-scale 페이딩,
    Figure pat00193
    는 잔여간섭)을 의미한다.)
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다운링크 스펙트럼효율 설정 단계에서 정의한 다운링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 다운링크 해상도 도출 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 방법.
  5. i번째의 업링크가 m번째의 엑세스 포인트(AP)에 대하여 [관계식 1]로 채널을 정의하는 업링크 채널 설정부;
    [수학식 1]을 [수학식 2]에 대입하여 획득되는 폐쇠형 해로 상기 i번째의 업링크의 스펙트럼 효율(spectral efficiency, SE)을 정의하는 업링크 스펙트럼효율 설정부; 및
    상기 업링크 스펙트럼효율 설정부가 정의한 업링크의 스펙트럼효율과 [수학식 3]으로 정의되는 에너지효율(energy efficiency, EE)를 이용하여 최대의 에너지효율을 갖는 해상도를 추출하는 업링크 해상도 도출부;를 포함하는 셀-프리 매시브 다중입출력 전송 장치의 해상도 최적화 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101790498B1 (ko) 2016-03-25 2017-11-20 한밭대학교 산학협력단 Massive MIMO를 이용한 전이중 무선 백홀 시스템

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