KR20240092467A - 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치 - Google Patents

다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR20240092467A
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조수현
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재단법인 구미전자정보기술원
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Abstract

본 발명의 목적은 2차원 송신 안테나 어레이를 사용하여 높은 랭크가 확보되지 않는 이동 통신 환경에서 높은 오류 성능과 커버리지를 확보하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 조화 평균 식을 통해 중계기를 선택함으로써, 기존의 베스트 조화 평균 기법 대비 높은 오류 성능을 확보할 수 있는 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법은, 인접한 중계기들로부터 채널 상태 정보를 수신부에 의해 수신하는 단계; 및 수신된 상기 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 연산부에 의해 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치{Relay node Selection Method for MIMO based Communication System and apparatus thereof}
본 발명은 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 중계기를 선택하는 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 5G NR(New Radio) 규격이 진보함에 따라 높은 핵심 성과 지표(KPI : Key Performance Indicator)를 달성하기 위해 FD-MIMO(Full Dimension-Multiple Input Multiple Output)를 이용한 통신 신호 처리가 더욱 각광받고 있다.
무선 신호 중계 기술은 이동 통신 환경에서 높은 커버리지를 확보할 수 있기 때문에 MIMO 기술과의 결합은 필연이다.
중계 통신의 대표 이슈 중에 하나인 중계기 선택은 무선 채널 상의 중계기 후보군 중 어떤 중계기를 선택하는지에 따라 신뢰성에 영향을 미친다.
기존의 베스트 조화 평균(BHM : Best Harmonic Mean) 기법은 송신기와 중계기 간 그리고 중계기와 수신기 간 모든 무선 채널의 순시 전력을 측정하고 가장 큰 값을 지니는 중계기를 선택하여 오류에 대한 최적의 성능을 갖는 것으로 공지되어 있다.
그러나 이동 통신 규격이 발전함에 따라 FD-MIMO에서 2차원 송신 안테나 어레이를 사용할 경우, 기존의 셀룰러 통신 환경보다 안테나 간 간격이 줄어 산란(scattering) 환경을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, MIMO 랭크(rank)를 확보하기 힘든 환경에서 다른 방식의 중계기 선택 기법이 요구되고 있다.
국내 공개특허공보 제10-2014-0115260호
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 2차원 송신 안테나 어레이를 사용하여 높은 랭크가 확보되지 않는 이동 통신 환경에서 높은 오류 성능과 커버리지를 확보하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 조화 평균 식을 통해 중계기를 선택함으로써, 기존의 베스트 조화 평균 기법 대비 높은 오류 성능을 확보할 수 있는 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법은, 인접한 중계기들로부터 채널 상태 정보를 수신부에 의해 수신하는 단계; 및 수신된 상기 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 연산부에 의해 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에서, 상기 순시 조건수 연산은 하기 수식 1에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
- 여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타냄 -
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에서, 상기 순시 조건수 연산을 통해 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행하는 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법은, 상기 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기를 선택부에 의해 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법은, 선택된 상기 중계기로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 전송부에 의해 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 상기 중계기에서 수신기로 복호 신호를 포워딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에서, 상기 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 하기 수식 3에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 3]
- 여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타내고, 은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타내며, 는 전송 데이터 스트림을 나타내고, 은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, 은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타냄 -
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에서, 상기 제로 포싱 빔포밍 가중치는 하기 수식 4에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 4]
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에서, 상기 정규화 상수는 하기 수식 5에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 5]
- 여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 함 -
또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치는 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에 의해 선택되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치는, 인접한 중계기들로부터 채널 상태 정보를 수신하는 수신부; 및 수신된 상기 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 수행하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치에서, 상기 순시 조건수 연산은 하기 수식 1에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 1]
- 여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타냄 -
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치에서, 상기 순시 조건수 연산을 통해 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행하는 것을 특징으로 한다.
[수식 2]
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치는, 상기 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기를 선택하는 선택부; 및 선택된 상기 중계기로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 상기 중계기에서 수신기로 복호 신호를 포워딩하는 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치에서, 상기 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 하기 수식 3에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 3]
- 여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타내고, 은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타내며, 는 전송 데이터 스트림을 나타내고, 은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, 은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타냄 -
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치에서, 상기 제로 포싱 빔포밍 가중치는 하기 수식 4에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 4]
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치에서, 상기 정규화 상수는 하기 수식 5에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
[수식 5]
- 여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 함 -
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 2차원 송신 안테나 어레이를 사용하여 높은 랭크가 확보되지 않는 이동 통신 환경에서 높은 오류 성능과 커버리지를 확보하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 조화 평균 식을 통해 중계기를 선택함으로써, 기존의 베스트 조화 평균 기법 대비 높은 오류 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 기반의 중계 통신 시스템 및 방법에서, 본 실시예에 따른 기법과 종래 기법의 비트 에러율(Bit Error Rate) 성능을 비교한 그래프.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 다중 안테나 시스템(1000)은 중계기(10)와, 수신기(20)와, 중계기 선택 장치(100)를 포함한다.
본 실시예에서는 설명의 용이함을 위해 중계기를 단수로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 중계기로부터 최상의 중계기를 선택할 수 있다.
즉, 중계기(10)는 복수개일 수 있다.
중계기(10)는 송신기(도시 생략)로부터 송신되는 신호를 수신기(20)로 송신한다.
본 발명의 일 실시예에서는 2차원 송신 안테나 어레이를 사용하여 높은 랭크가 확보되지 않는 이동 통신 환경에서 높은 오류 성능과 커버리지를 확보하기 위해 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 중계기(10)를 선택한다.
송신기와 수신기(20) 사이의 통신 가능 거리가 멀거나 신호 전송의 정확도를 향상시켜야 하는 상황에 있을 때, 통상적으로 중계기(10)를 사용하게 되는데, 어떤 중계기(10)를 선택하는지에 따라 성능 차이가 크게 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 최적의 중계기(10)를 선택하는 장치 및 방법을 제공한다.
이에 대해, 도 2 및 도 3을 참조하여 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)는 수신부(110)와, 연산부(120)와, 선택부(130)와, 전송부(140)를 포함한다.
수신부(110)는 인접한 중계기(10)들로부터 채널 상태 정보를 수신한다.
연산부(120)는 수신부(110)에 의해 수신된 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 수행한다.
본 발명에서는 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 채널 행렬의 순시 전력을 기반으로 중계기(10)를 선택할 시 무선 채널의 상관성이 높아지면 오류 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 중계기(10)를 선택한다.
이때, 순시 조건수 연산은 하기 수식 1에 의해 표현된다.
[수식 1]
여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)에서, 상기 수식 1에 의한 순시 조건수 연산을 통해 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행한다.
[수식 2]
선택부(130)는 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기(10)를 선택한다.
즉, 무선 채널의 조건수를 기반으로 중계기(10)를 선택한 후, 송신기는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법을 적용하여 선택된 중계기(10)로 신호를 전송한다.
송신 안테나 개수가 이고 중계기(10)의 수신 안테나 개수가 일 때, 중계기에서의 수신 신호 은 하기 수식 3과 같이 정의될 수 있다.
좀 더 상세하게는 전송부(140)는 선택된 중계기(10)로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 중계기(10)에서 수신기(20)로 복호된 복호 신호를 포워딩한다.
즉, 송신기에서 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법을 이용하여 선택부(130)에 의해 선택된 중계기(10)로 신호를 전송한다.
이후, 선택된 중계기(10)에서 수신기(20)로 복호 후 전송 기법을 이용하여 복호 신호를 포워딩한다.
이때, 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 하기 수식 3을 이용한다.
[수식 3]
여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타낸다.
은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타낸다.
는 전송 데이터 스트림을 나타낸다.
은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다.
은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)의 제로 포싱 빔포밍 가중치는 하기 수식 4에 의해 표현될 수 있다.
[수식 4]
또한, 정규화 상수는 하기 수식 5에 의해 표현될 수 있다.
[수식 5]
여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 한다.
이에 의해 MIMO 혹은 FD-MIMO가 적용된 통신 시스템에서, 각 채널의 상관도가 높더라도 종래의 채널 전력을 기반으로 중계기를 선택하는 기법보다 오류 성능의 열화가 적게 발생하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
상술한 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)의 수신부(110)와, 연산부(120)와, 선택부(130)와, 전송부(140)를 본 실시예에서도 포함하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법은 4개의 단계를 포함한다.
제 1 단계(S100)에서는, 인접한 중계기(10)들로부터 채널 상태 정보를 수신부(110)에 의해 수신한다.
즉, 수신부(110)는 인접한 중계기(10)들로부터 채널 상태 정보를 수신한다.
제 2 단계(S200)에서는, 수신부(110)에 의해 수신된 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 연산부(120)에 의해 수행한다.
여기서, 연산부(120)는 수신부(110)에 의해 수신된 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 수행한다.
본 발명에서는 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 채널 행렬의 순시 전력을 기반으로 중계기(10)를 선택할 시 무선 채널의 상관성이 높아지면 오류 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 중계기(10)를 선택한다.
이때, 순시 조건수 연산은 상술한 하기 수식 1에 의해 표현된다.
[수식 1]
여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)에서, 상기 수식 1에 의한 순시 조건수 연산을 통해 상술한 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행한다.
[수식 2]
제 3 단계(S300)에서는, 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기(10)를 선택부(130)에 의해 선택한다.
선택부(130)는 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기(10)를 선택한다.
즉, 무선 채널의 조건수를 기반으로 중계기(10)를 선택한 후, 송신기는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법을 적용하여 선택된 중계기(10)로 신호를 전송한다.
송신 안테나 개수가 이고 중계기(10)의 수신 안테나 개수가 일 때, 중계기에서의 수신 신호 은 상술한 하기 수식 3과 같이 정의될 수 있다.
제 4 단계(S400)에서는, 선택된 중계기(10)로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 전송부(140)에 의해 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 중계기(10)에서 수신기(20)로 복호 신호를 포워딩한다.
좀 더 상세하게는 전송부(140)는 선택된 중계기(10)로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 중계기(10)에서 수신기(20)로 복호된 복호 신호를 포워딩한다.
즉, 송신기에서 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법을 이용하여 선택부(130)에 의해 선택된 중계기(10)로 신호를 전송한다.
이후, 선택된 중계기(10)에서 수신기(20)로 복호 후 전송 기법을 이용하여 복호 신호를 포워딩한다.
이때, 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 상술한 하기 수식 3을 이용한다.
[수식 3]
여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타낸다.
은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타낸다.
는 전송 데이터 스트림을 나타낸다.
은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다.
은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)의 제로 포싱 빔포밍 가중치는 상술한 하기 수식 4에 의해 표현될 수 있다.
[수식 4]
또한, 정규화 상수는 상술한 하기 수식 5에 의해 표현될 수 있다.
[수식 5]
여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 한다.
이에 의해 MIMO 혹은 FD-MIMO가 적용된 통신 시스템에서, 각 채널의 상관도가 높더라도 종래의 채널 전력을 기반으로 중계기를 선택하는 기법보다 오류 성능의 열화가 적게 발생하게 된다.
한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 다중 안테나 시스템(1000)에서 향상된 중계기 선택 장치(100)는 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에 의해 선택될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 기반의 중계 통신 시스템 및 방법에서, 본 실시예에 따른 기법과 종래 기법의 비트 에러율(Bit Error Rate) 성능을 비교한 그래프이다.
도 4를 참조하면, MIMO 혹은 FD-MIMO가 적용된 통신시스템에서, 종래의 채널 전력을 기반으로 중계기를 선택하는 기법보다 오류 성능의 열화가 적게 발생하는 효과가 있다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 2차원 송신 안테나 어레이를 사용하여 높은 랭크가 확보되지 않는 이동 통신 환경에서 높은 오류 성능과 커버리지를 확보하기 위해, 무선 채널의 순시 조건수를 기반으로 조화 평균 식을 통해 중계기를 선택함으로써, 기존의 베스트 조화 평균 기법 대비 높은 오류 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
10 : 중계기
20 : 수신기
100 : 중계기 선택 장치
110 : 수신부
120 : 연산부
130 : 선택부
140 : 전송부
1000 : 다중 안테나 시스템

Claims (16)

  1. 인접한 중계기들로부터 채널 상태 정보를 수신부에 의해 수신하는 단계; 및
    수신된 상기 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 연산부에 의해 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산은 하기 수식 1에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
    [수식 1]

    - 여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타냄 -
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산을 통해 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
    [수식 2]

  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기를 선택부에 의해 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    선택된 상기 중계기로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 전송부에 의해 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 상기 중계기에서 수신기로 복호 신호를 포워딩하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 하기 수식 3에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
    [수식 3]

    - 여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타내고, 은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타내며, 는 전송 데이터 스트림을 나타내고, 은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, 은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타냄 -
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제로 포싱 빔포밍 가중치는 하기 수식 4에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
    [수식 4]

  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 정규화 상수는 하기 수식 5에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법.
    [수식 5]

    - 여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 함 -
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법에 의해 선택되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
  10. 인접한 중계기들로부터 채널 상태 정보를 수신하는 수신부; 및
    수신된 상기 채널 상태 정보로부터 무선 채널의 순시 조건수 연산을 수행하는 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산은 하기 수식 1에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
    [수식 1]

    - 여기서, 는 송신기와 중계기 사이의 무선 채널 행렬을 나타내고, 는 중계기와 수신기 사이의 무선 채널 행렬을 나타냄 -
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산을 통해 하기 수식 2의 1 평균(Norm) 연산을 수행하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
    [수식 2]

  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 순시 조건수 연산을 통해 최적의 채널 상태를 확보하고 있는 중계기를 선택하는 선택부; 및
    선택된 상기 중계기로 송신되는 제로 포싱 디지털 빔포밍(Zero-Forcing Digital Beamforming) 기법이 적용된 송신기의 송신 신호를 복호 후 전송(DF : Decode and Forward) 기법을 통해 복호시키고, 상기 중계기에서 수신기로 복호 신호를 포워딩하는 전송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제로 포싱 디지털 빔포밍 기법은 하기 수식 3에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
    [수식 3]

    - 여기서, 송신 데이터 스트림의 개수를 이라고 할 때, 은 송신기와 중계기 간의 크기의 복소 무선 채널 행렬을 나타내고, 은 크기의 제로 포싱 빔포밍 가중치(행렬)을 나타내며, 는 전송 데이터 스트림을 나타내고, 은 크기를 갖는 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, 은 의 적용으로 인해 변하는 송신 전력을 보상해 주기 위한 정규화 상수를 나타냄 -
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제로 포싱 빔포밍 가중치는 하기 수식 4에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
    [수식 4]

  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 정규화 상수는 하기 수식 5에 의해 표현되는 것을 특징으로 하는,
    다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 장치.
    [수식 5]

    - 여기서, 의 g는 임의의 변수이며, g에 대한 프로베니우스 평균(Frobenius Norm)을 의미하고, 중계기에서 수신기로 복호 후 전송 기법을 이용하여 신호를 포워딩 함 -
KR1020220175243A 2022-12-14 다중 안테나 시스템에서 향상된 중계기 선택 방법 및 그 장치 KR20240092467A (ko)

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