KR20230091665A - 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템 - Google Patents

채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템이 제시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법은, 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는, 무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 상기 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.

Description

채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템{ADAPTIVE BEAMFORMING DESIGN METHOD FOR CHANNEL HARDENING WITH CHANNEL ESTIMATION ERROR AND THE SYSTEM THEREOF}
아래의 본 발명의 실시예들은 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 채널 이득의 변화율을 감소시키기 위한 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.
현재 다중 안테나 무선통신 네트워크에서 통신 용량을 증가시키기 위한 다양한 빔 형성 방식이 연구되어 왔다. 특히 Maximum Ratio Transmission(MRT) 방식과 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion, CI) 방식은 가장 많이 사용되는 빔 형성 방식이다. 채널 반전 빔 형성 방식은 주로 느린 페이딩(Slow fading) 통신 환경에서 수신부의 유효채널 이득의 변화율을 없애 통신 정전 확률을 없애기 위한 목적으로, 하향링크(Downlink) 파일럿을 사용하지 않아 적법 사용자가 순간 채널 이득을 모를 때 채널을 보상하여 정보를 전송함으로써 적법 사용자만이 채널의 변화를 겪지 않게 만들어 보안통신 용량을 증가시키기 위한 목적으로, 그리고 채널의 변화를 줄여 지연시간에 강인한 통신을 제공하기 위한 목적으로 사용되는 빔 형성 방식이다. 즉, 채널 반전 빔 형성 방식은 채널 이득의 변화율을 감소시키기 위한 빔 형성 방식이다.
다가올 6G 환경에서는 다중 안테나를 효과적으로 사용하기 위해 각 안테나의 채널을 추정하는 것이 필수이다. 하지만 파일럿 구조, 송신 전력, 페이딩(Fading) 등으로 인해 채널 추정의 오류는 불가피하게 발생한다. 현재, 채널 반전 빔 형성 방식이 채널 추정의 오류를 고려하지 않은 상황에서 통신 정전 확률을 줄이며, 지연시간에 강인한 통신을 제공할 수 있음이 증명되었다. 하지만, 채널 반전 빔 형성의 특성상 채널 추정 오류에 민감하게 반응하기 때문에, 채널 추정 오류를 고려한 채널 반전 빔 형성 연구가 필수적이다.
D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, Jun. 2005. [Ch.5]
본 발명의 실시예들은 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 하향 링크의 다중 입력 단일 출력(Multiple Input Single Output, MISO) 네트워크에서 채널 이득의 변화율을 감소시키기 위한 채널 추정 오류에 따른 적응형 빔 형성 설계 방법 및 그 시스템에 관한 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는, 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법은, 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는, 무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 상기 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
상기 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는, 채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계; 및 상기 수신부의 입장에서 수신하는 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는, 상기 유효 채널 이득의 평균을 계산하는 단계; 상기 유효 채널 이득의 분산을 계산하는 단계; 및 상기 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는, 상기 유효 채널 이득의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 상기 척도로 사용하여 채널 이득의 변화율의 정도를 평가할 수 있다.
상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는, 최대 전송 비율(Maximum Ratio Transmission, MRT) 방식 및 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI) 방식에 대해 각각 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산할 수 있다.
상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는, 상기 최대 전송 비율 방식 및 상기 채널 반전 빔 형성 방식 중 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 방식을 선택하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 상기 송신부는 상기 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정하는 단계를 더 포함하고, 상기 수신부의 입장에서 추정된 상기 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
상기 송신부가 추정한 채널을 기반으로 상기 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 상기 수신부에게 정보를 전송하는 정보 전송 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템은, 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 빔 형성 알고리즘을 포함하고, 상기 빔 형성 알고리즘은, 무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 상기 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
상기 빔 형성 알고리즘은, 채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하고, 상기 수신부의 입장에서 수신하는 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
상기 빔 형성 알고리즘은, 상기 유효 채널 이득의 평균을 계산하고, 상기 유효 채널 이득의 분산을 계산하며, 상기 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산할 수 있다.
상기 빔 형성 알고리즘은, 상기 유효 채널 이득의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 상기 척도로 사용하여 채널 이득의 변화율의 정도를 평가할 수 있다.
상기 빔 형성 알고리즘은, 최대 전송 비율(Maximum Ratio Transmission, MRT) 방식 및 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI) 방식에 대해 각각 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하고, 상기 최대 전송 비율 방식 및 상기 채널 반전 빔 형성 방식 중 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 방식을 선택하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 상기 송신부는 상기 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정하는 채널 추정부를 더 포함하고, 상기 수신부의 입장에서 추정된 상기 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
상기 송신부가 추정한 채널을 기반으로 상기 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 상기 수신부에게 정보를 전송하는 빔 선택부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는, 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 기존에 채널 추정 오류를 고려하지 않은 비현실적인 상황에서 벗어나, 더욱 현실적인 무선통신 상황에서 향상된 Latency 성능을 획득할 수 있는, 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 단일 출력 네트워크의 개념도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 성능에 따른 채널 이득 변화 척도를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 개수에 따른 채널 이득 변화 척도를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다중 안테나를 갖는 기지국이 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 기지국이 수신부의 유효 채널 이득(Effective Channel Gain)의 변화율을 감소시키기 위한 빔 형성(Beamforming) 방식에 관한 것이다.
기존 기술들은 모두 이상적인 통신 환경, 즉, 채널 추정 오류를 고려하지 않는 상황에서 유효 채널 이득의 변화율을 감소하는 빔 형성에 관한 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 무선 통신 네트워크를 구현할 때 채널 추정 오류는 통신 성능에 큰 영향을 미치는 요소이므로, 기존에 연구되어 온 빔 형성 방식이 예상되는 성능을 성취할 수 있을지에 대한 분석이 필요하다. 그리고 해당 오류를 고려한 상황에서의 최적의 빔 형성 기법에 대한 연구가 필수적이다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 채널 추정 오류를 고려하지 않은 상황에서 최적으로 알려진 빔 형성 방식과, 통신 성능 향상을 위해 대표적으로 많이 사용되는 빔 형성 방식, 2가지에 대해서 실질적인 채널 변화율을 안테나 개수 및 채널 추정의 정도에 따라 닫힌 형태로 표현 및 분석하였으며, 이를 기반으로 적법 사용자의 실질적인 채널의 변화율을 최소화하기 위한 적응형 빔 형성 알고리즘을 제안하였다.
본 발명의 실시예들에 따르면 채널 추정 오류를 고려한 경우, 특정 영역에서는 기존 기술에서 제안한 빔 형성 방식이 유효하게 작동하지 않음을 확인하였으며, 본 발명의 실시예에서 제안한 빔 형성 알고리즘을 사용하는 경우, 유효 채널 이득의 변화율을 감소시킴을 확인하였다. 본 발명의 실시예들은 채널의 변화율을 감소하는 빔 형성을 최적화하는 알고리즘을 제안함으로써, 다가올 6G 초저지연 무선통신을 가능하게 하는 효과적인 도구가 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 입력 단일 출력 네트워크의 개념도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 채널 이득 변화율을 최소화하기 위한 적응형 빔 형성 알고리즘을 제안한다.
구체적으로, 다중 안테나를 사용하는 기지국(이하에서는 '송신부'라 칭함)에서 단일 안테나를 사용하는 사용자(이하에서는 '수신부'라 칭함)들에게 정보를 전송할 때, 지연에 강인한 통신을 위해 유효 채널의 변화를 줄이기 위한 적응형 빔을 사용하여 데이터 전송을 하는 상황을 가정한다. 본 발명은 이러한 시스템 모델에서 채널 이득의 변화율을 최소화하기 위한 최적의 빔 형성 알고리즘에 관한 것이다.
일반적으로 다중 안테나를 사용하는 통신 네트워크 환경에서 크게 2가지의 빔 형성이 주로 사용된다. 첫째로, Maximum Ratio Transmission(MRT) 방식은 수신 신호의 크기를 최대화할 수 있어, 사용자가 순간 채널 이득(Channel State Information, CSI)을 알 수 있는 경우 통신 성능을 최대화할 수 있는 빔 형성 방식으로 알려져 있다. 둘째로, 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI)은 일반적으로 유효 채널의 변화를 없애 지연에 강인한 통신 또는 통신 정전 확률을 줄이기 위해 사용된다.
하지만, 앞서 언급한 채널 반전 빔 형성에 관한 분석은 채널 추정 오류가 없는 경우에만 분석이 되어 왔다. 따라서, 실제 통신 상황에서 반드시 고려해야 할 채널 추정의 오류를 고려한 상황에서 채널 반전 빔 형성 방식이 유효 채널의 변화율을 효과적으로 줄일 수 있는지에 관한 분석이 필요하며, 해당 분석을 기반으로 채널 추정 오류에 따라 유효 채널의 경화 정도를 최대화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제안한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나를 갖는 송신부와 단일 안테나를 갖는 수신부를 나타낸다. 현재 가정하고 있는 네트워크 환경은 시간 분할 이중화 방식(Time Division Duplexing, TDD)을 통해 통신이 이루어진다고 가정하며, 통신 채널은 상호주의(Reciprocity)를 만족한다고 가정한다.
본 발명의 일 실시예에서 가정하는 통신 프로세스는 크게 2단계, 채널 추정(Channel Estimation) 단계 그리고 정보 전송 단계로 구성된다.
채널 추정 단계에서는 수신부가 파일럿(Pilot)을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송하며, 송신부는 수신 신호를 기반으로 채널을 추정한다. 이 때 송신부는 채널 추정 기법에 따라, 수신 신호의 세기에 따라 채널 추정의 오류(Channel Estimation Error)가 발생한다. 송, 수신기 사이의 채널
Figure pat00001
은 하기의 [수학식 1]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 대규모 페이딩(Large-scale fading)을 나타내는 요소로,
Figure pat00004
은 송신부의 안테나 개수를 나타낸다.
송신부가 추정한 채널
Figure pat00005
및 채널 추정 오류는 다음의 [수학식 2], [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00006
[수학식 3]
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 채널 추정의 성능을 나타내는 지표로,
Figure pat00009
에 가까운 값을 가질수록 채널 추정의 성능이 좋음을 나타낸다.
다음으로, 정보 전송 단계에서는 송신부가 추정한 채널을 기반으로 빔을 구성하고 이를 통해 수신부에게 정보를 전송한다. 송신부가 송신하는 신호는 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00010
이 때,
Figure pat00011
는 송신 신호의 송신 SNR로 송신 전력을 수신부의 열잡음으로 나눈 값을 의미하고,
Figure pat00012
은 빔 형성을 나타내는 벡터로, 전력은 1로 표준화되어 있다고 가정한다
Figure pat00013
. 그리고,
Figure pat00014
은 수신부에게 전송하고자 하는 신호로 정보이론적 관점에서 통신 용량을 최대화할 수 있는 가우시안 확률 분포를 갖는 신호라고 가정한다.
일반적으로 많이 사용되는 빔 형성 방식은 크게 2가지로, MRT와 CI 방식이 있는데, 각각 전력이 1로 표준화된 빔 형성은 다음 [수학식 5]와 같다.
[수학식 5]
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
는 Conjugate를 나타내는 연산자이다.
앞서 언급한 송신 방식을 통해 송신된 신호는 수신부에게 다음의 [수학식 6]과 같이 표현 가능하다.
[수학식 6]
Figure pat00017
여기서,
Figure pat00018
은 열잡음을 나타낸다.
각 빔 형성에 따른 유효 채널은 하기의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00019
Figure pat00020
앞서 구한 유효 채널을 기반으로 하여 유효 채널의 변화 정도를 분석해야 한다. 이 때, 무선 통신에서 채널의 경화도를 측정하는 척도를 사용한다. 랜덤 변수의 경화도를 나타내는 척도는 다음 [수학식 8]과 같이 표현한다.
[수학식 8]
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
는 랜덤 변수를 의미한다. 해당 척도는 값이 작을수록 랜덤 변수의 경화도가 높은 성능을 가짐을 의미하고, 값이 클수록 랜덤 변수의 변화 정도가 커짐을 의미한다.
[수학식 8]을 기반으로 각 빔 형성 기법의 채널 이득의 변화 정도 분석이 필요하다. 우선, MRT를 사용할 때의 유효 채널 이득의 평균 계산 과정은 다음 [수학식 9]와 같다.
[수학식 9]
Figure pat00023
Figure pat00024
이 때,
Figure pat00025
는 Gamma 분포를 따르는 것과,
Figure pat00026
가 Gaussian 분포를 따르는 것을 이용하였다.
MRT를 사용할 때의 유효 채널 이득의 분산 계산 과정은 다음 [수학식 10]과 같다.
[수학식 10]
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
[수학식 9]과 [수학식 10]을 사용하여 MRT를 사용할 때의 유효 채널 이득의 경화도는 다음 [수학식 11]과 같이 표현 가능하다.
[수학식 11]
Figure pat00030
다음으로, CI를 사용할 때의 평균, 분산 그리고 유효 채널 이득의 경화도는 다음 [수학식 12], [수학식 13] 그리고 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00031
Figure pat00032
[수학식 13]
Figure pat00033
Figure pat00034
[수학식 14]
Figure pat00035
MRT 빔 형성을 사용할 때의 채널의 경화도를 채널 추정의 성능을 나타내는 지표인
Figure pat00036
에 대해서 분석하면 다음 [수학식 15], [수학식 16] 그리고 [수학식 17]과 같은 결과를 알 수 있다.
[수학식 15]
Figure pat00037
[수학식 16]
Figure pat00038
[수학식 17]
Figure pat00039
같은 분석을 CI 빔 형성에 관해 진행하면 다음 [수학식 18], [수학식 19] 그리고 [수학식 20]과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 18]
Figure pat00040
[수학식 19]
Figure pat00041
[수학식 20]
Figure pat00042
이 때, [수학식 15]-[수학식 20]을 통해, 채널 추정 성능의 정도에 따라 최적의 빔 형성 방식이 바뀌는 것을 확인할 수 있으며, 그 기준
Figure pat00043
은 하기의 [수학식 21]을 통해 얻을 수 있음을 알 수 있다.
[수학식 21]
Figure pat00044
이 때, 만약 채널 추정 성능의 정도가
Figure pat00045
보다 좋은 경우에, CI를 사용하는 것이 낮은 수준의 유효 채널 이득 변화율을 얻을 수 있고, 반대의 경우 MRT를 사용하는 것이 낮은 수준의 유효 채널 이득 변화율을 얻을 수 있다.
위의 [수학식 21]에서 언급한
Figure pat00046
를 얻기 위해 하기의 [수학식 22]를 계산하여야 한다.
[수학식 22]
Figure pat00047
Figure pat00048
해당 문제는 4차 방정식을 푸는 문제로, 4차 방정식의 근은 Ferrari's Method를 사용하여 해를 구할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법 및 그 시스템을 설명한다.
본 발명의 실시예들은 전통적으로 많이 사용되는 빔 형성 기법에 대해 채널 추정 오류를 고려한 채널 이득의 변화율을 분석하고자 한다. 기존 기술은 채널 추정 오류를 고려하지 않은 분석이었다. 하지만, 현실적인 통신 상황에서는 채널 추정 오류가 필수적이므로, 이를 고려한 채널 이득의 변화율 분석은 필수불가결하다. 이에 따라 본 발명의 실시예들은 채널 추정 오류에 따라 채널 이득의 변화율을 최소화하기 위한 적응형 빔 형성 알고리즘을 제안한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템(200)은 빔 형성 알고리즘(220)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템(200)은 채널 추정부(210) 및 빔 선택부(230)를 더 포함할 수 있다.
채널 추정부(210)는 수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 송신부는 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정할 수 있다.
빔 형성 알고리즘(220)은 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화할 수 있다.
빔 선택부(230)는 송신부가 추정한 채널을 기반으로 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 수신부에게 정보를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 채널 이득의 변화율 정도를 평가하는 척도로 실질적인 채널의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 사용한다. 이는 랜덤 변수의 변화하는 정도를 나타내는 척도로 많이 사용된다. 이러한 척도를 기반으로 적법 수신자(적법 사용자)의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제안하고, 채널 추정 오류를 고려하지 않은 빔 형성과 성능을 비교한다.
아래에서 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템(200)을 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법은, 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라 수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 송신부는 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따라 송신부가 추정한 채널을 기반으로 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 수신부에게 정보를 전송하는 정보 전송 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법은 도 2에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템(200)을 예를 들어 설명할 수 있다.
단계(S110)에서, 채널 추정부(210)는 수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 송신부는 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정할 수 있다.
이에 따라 수신부의 입장에서 추정된 채널의 경화 정도를 최대화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
단계(S120)에서, 빔 형성 알고리즘(220)은 다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화할 수 있다. 즉, 빔 형성 알고리즘(220)은 무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
빔 형성 알고리즘(220)은 채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하고, 수신부의 입장에서 수신하는 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
여기서, 빔 형성 알고리즘(220)은 유효 채널 이득의 평균을 계산하고, 유효 채널 이득의 분산을 계산하며, 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산할 수 있다. 구체적으로, 빔 형성 알고리즘(220)은 유효 채널 이득의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 척도로 사용하여 채널 이득의 변화율의 정도를 평가할 수 있다.
빔 형성 알고리즘(220)은 최대 전송 비율(Maximum Ratio Transmission, MRT) 방식 및 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI) 방식에 대해 각각 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하고, 최대 전송 비율 방식 및 채널 반전 빔 형성 방식 중 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 방식을 선택하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다.
단계(S130)에서, 빔 선택부(230)는 송신부가 추정한 채널을 기반으로 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 수신부에게 정보를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면 기존에 채널 추정 오류를 고려하지 않은 비현실적인 상황에서 벗어나, 더욱 현실적인 무선통신 상황에서 향상된 Latency 성능을 획득할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 실시예들에 따르면 무선 통신 이론에만 국한된 것이 아닌 현실적인 면을 고려한 설계라는 점과 6G 통신 표준에서 중요한 요소 중 한가지인 Latency에 관한 점에서 무선 통신 표준화 및 사업화에 큰 기여를 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 추정 성능에 따른 채널 이득 변화 척도를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 고려한 2가지 빔 형성 방식의 채널 변화 정도를 채널 추정 성능을 나타낸다. 이 때
Figure pat00049
는
Figure pat00050
로 설정하였다. 여기서 세로 점선은 본 발명의 일 실시예에서 제안한 적응형 빔 형성 알고리즘을 위해 닫힌 형태의 식(Closed form)으로 계산한
Figure pat00051
을 나타낸다.
이를 통해 채널 추정의 성능이 좋아질수록 채널의 경화도는 좋아지는 것 확인할 수 있으며, 안테나의 개수가 많아질수록 채널의 경화도가 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 발명의 일 실시예에서 제안한 기준점이 잘 맞는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 개수에 따른 채널 이득 변화 척도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 안테나 개수에 따른 각 빔 형성 방식당 채널 변화 정도를 나타낸다. 이를 통해 안테나의 개수가 증가함에 따라 채널의 경화도는 좋아지는 것을 확인할 수 있으며, 안테나의 개수가 증가함에 따라 CI가 채널 이득 변화도 성능 기준 더 좋은 빔 형성 방식임을 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5의 결과를 통해, 채널 추정 성능에 따른 적응형 빔 형성 알고리즘을 사용하는 것이 채널의 경화도를 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 유효 채널의 변화율을 감소시켜 6G 통신 시스템에 중요한 요소인 Latency 경감시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은 현실적인 통신 환경을 고려하기 위해 채널 추정 오류에 따른 유효 채널의 변화율을 감소시키는 빔 형성에 관한 것으로, 기존의 채널 추정 오류를 고려하지 않은 빔 형성 관련 연구에서 얻을 수 없는 관점을 포함하여, 유효 채널의 변화율을 최소화하는 빔 형성을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 채널 추정 오류를 고려한 경우와 그렇지 못한 경우, 유효 채널의 변화율이 획기적으로 다른 것을 확인할 수 있다. 즉, 기존의 연구를 이용한 경우에 얻지 못하는 시각을 제안하였으며, 본 발명에서 제안한 빔 형성 알고리즘을 사용하는 경우 유효 채널의 변화율이 기존의 발명 대비 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 컴퓨터 장치에 의해 수행되는 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 방법에 있어서,
    다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는,
    무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 상기 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는,
    채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계; 및
    상기 수신부의 입장에서 수신하는 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계
    를 포함하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는,
    상기 유효 채널 이득의 평균을 계산하는 단계;
    상기 유효 채널 이득의 분산을 계산하는 단계; 및
    상기 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하는 단계
    를 포함하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는,
    상기 유효 채널 이득의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 상기 척도로 사용하여 채널 이득의 변화율의 정도를 평가하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하는 단계는,
    최대 전송 비율(Maximum Ratio Transmission, MRT) 방식 및 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI) 방식에 대해 각각 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 단계는,
    상기 최대 전송 비율 방식 및 상기 채널 반전 빔 형성 방식 중 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 방식을 선택하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 상기 송신부는 상기 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 수신부의 입장에서 추정된 상기 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송신부가 추정한 채널을 기반으로 상기 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 상기 수신부에게 정보를 전송하는 정보 전송 단계
    를 더 포함하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 방법.
  9. 채널 추정 오류에 따른 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템에 있어서,
    다중 안테나를 갖는 송신부가 단일 안테나를 사용하는 수신부에게 정보 전송을 하는 하향 링크(Downlink) 네트워크에서 송신부가 수신부의 유효 채널 이득의 변화율을 최소화하는 빔 형성 알고리즘
    을 포함하고,
    상기 빔 형성 알고리즘은,
    무선 통신에서 채널의 경화 정도를 측정하는 척도를 사용하여 상기 수신부의 입장에서 수신 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔 형성 알고리즘은,
    채널 추정 오류가 존재할 때 통신 환경에 따라 상기 척도를 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 평가하고, 상기 수신부의 입장에서 수신하는 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 빔 형성 알고리즘은,
    상기 유효 채널 이득의 평균을 계산하고, 상기 유효 채널 이득의 분산을 계산하며, 상기 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 빔 형성 알고리즘은,
    상기 유효 채널 이득의 분산을 평균의 제곱으로 나눈 값을 상기 척도로 사용하여 채널 이득의 변화율의 정도를 평가하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 빔 형성 알고리즘은,
    최대 전송 비율(Maximum Ratio Transmission, MRT) 방식 및 채널 반전 빔 형성(Channel Inversion Beamforming, CI) 방식에 대해 각각 유효 채널 이득의 평균 및 분산을 사용하여 유효 채널 이득의 경화 정도를 계산하고, 상기 최대 전송 비율 방식 및 상기 채널 반전 빔 형성 방식 중 상기 유효 채널 이득의 경화 정도를 최대화하는 방식을 선택하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    수신부가 파일럿을 통해 송신부에게 채널 정보를 전송함에 따라, 상기 송신부는 상기 수신부의 수신 신호를 기반으로 채널을 추정하는 채널 추정부
    를 더 포함하고,
    상기 수신부의 입장에서 추정된 상기 채널의 경화 정도를 최대화하는 상기 적응형 빔 형성 알고리즘을 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 송신부가 추정한 채널을 기반으로 상기 적응형 빔 형성 알고리즘에 따라 빔을 형성하고 상기 수신부에게 정보를 전송하는 빔 선택부
    를 더 포함하는, 적응형 채널 보상 빔 형성 시스템.
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