WO2017122901A1 - 파일럿 빔 생성 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

파일럿 빔 생성 방법 및 이를 수행하는 장치 Download PDF

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WO2017122901A1
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pilot beam
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baseband
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이용훈
이준호
이주용
길계태
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한국과학기술원
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
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    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines

Definitions

  • the embodiments below relate to a method for generating a pilot beam and an apparatus for performing the same.
  • Millimeter wave communication systems use an antenna array composed of a large number of antennas in a transmitter / receiver to form a directional beam for the purpose of overcoming increased path loss.
  • the transmitter transmits a pilot signal promised for channel estimation.
  • the pilot signals between antennas are optimized because the transmission time of the pilot signal is less than the number of antennas in order to reduce the channel estimation burden. Orthogonality is not satisfied.
  • most sparse channel estimation methods use a method of designing a pilot to be close to orthogonality with high probability by utilizing a random pilot signal.
  • a pilot beam configured in a random phase is transmitted using a radio frequency (RF) phase shifter.
  • the pilot beam consisting of a random phase is an omnidirectional beam, which transmits irregular power in all directions. Pilot beams composed of random phases do not guarantee sufficient link budget for accurate channel estimation due to the high path loss of the millimeter wave channel.
  • Embodiments may provide for generating a directional pilot beam by reflecting the characteristics of a hybrid MIMO transmission structure and a millimeter wave channel.
  • a method for generating a pilot beam may include generating an output pilot beam based on a hybrid MIMO transmission structure and a channel characteristic, and transmitting the output pilot beam.
  • the generating may include generating a baseband pilot beam, generating an RF pilot beam, and generating the output pilot beam based on the baseband pilot beam and the RF pilot beam.
  • Generating the RF pilot beam may include generating a plurality of RF pilot beams and determining a combination of the RF pilot beams from the plurality of RF pilot beams based on characteristics of the channel.
  • the number of RF pilot beams included in the combination may correspond to the number of RF chains.
  • At least one of the baseband pilot beam and the RF pilot beam may be generated such that the columns of the sensing matrix for estimating the millimeter wave channel have low correlation.
  • the millimeter wave channel may be a millimeter wave channel that is sparse representation by a dictionary.
  • the dictionary may be constructed based on non-uniform quantization.
  • the dictionary may include a first dictionary configured based on array response vectors corresponding to an angle of arrival and a second dictionary configured based on array response vectors corresponding to an angle of departure. .
  • Rows of each of the first dictionary and the second dictionary may be orthogonal to each other.
  • the communication apparatus may include a controller for generating an output pilot beam based on a hybrid MIMO transmission structure and channel characteristics, and a MIMO antenna for transmitting the output pilot beam.
  • the controller includes a MIMO baseband circuit for generating a baseband pilot beam and a MIMO RF circuit for generating an RF pilot beam, wherein the controller is configured to output the output pilot beam based on the baseband pilot beam and the RF pilot beam. Can be generated.
  • the MIMO RF circuit may generate a plurality of RF pilot beams and determine a combination of the RF pilot beams from the plurality of RF pilot beams based on the characteristics of the channel.
  • the number of the RF pilot beams included in the combination may correspond to the number of RF chains included in the MIMO RF circuit.
  • At least one of the baseband pilot beam and the RF pilot beam may be generated such that the columns of the sensing matrix for estimating the millimeter wave channel have low correlation.
  • the millimeter wave channel may be a millimeter wave channel that is sparse representation by a dictionary.
  • the dictionary may be constructed based on non-uniform quantization.
  • the dictionary may include a first dictionary configured based on array response vectors corresponding to an angle of arrival and a second dictionary configured based on array response vectors corresponding to an angle of departure. .
  • Rows of each of the first dictionary and the second dictionary may be orthogonal to each other.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a communication system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of the transmitting apparatus shown in FIG. 1.
  • 3 is a diagram for describing a sparse channel estimation according to an embodiment.
  • FIG. 4 illustrates an example of a baseband pilot beam according to an embodiment.
  • FIG. 5 is an example of the operation of determining the combination of the RF pilot beam of the RF beamformer shown in FIG. 2
  • Figure 6 is another example of the operation of determining the combination of the RF pilot beam of the RF beamformer shown in FIG. to be.
  • FIG. 7 illustrates an example of an output pilot beam generated according to a combination of RF pilot beams according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for describing performance of channel estimation of the communication system illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 9 is a flowchart for describing an operating method of the transmitting apparatus illustrated in FIG. 1.
  • Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
  • first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a communication system according to an embodiment.
  • a communication system 10 may include a transmission apparatus 100 and a receiving apparatus 200.
  • the communication system 10 may perform communication in a wireless communication environment.
  • communication system 10 may be implemented, etc.
  • 3GPP 3 rd Generation Partnership Project
  • LTE Long-Term Evolution
  • LTE-A Long-Advanced
  • 3GPP2 3 rd Generation Partnership Project2
  • WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
  • the communication system 10 may be a millimeter wave communication system that communicates through a millimeter wave channel.
  • the transmitting device 100 and the receiving device 200 may communicate with each other through a millimeter wave channel between the transmitting device 100 and the receiving device 200.
  • Each of the transmitting apparatus 100 and the receiving apparatus 200 may be implemented as at least one of a base station, a relay station, a terminal, and the like.
  • the base station may mean a mobile station, a fixed station, a Node B, an eNodeB (eNB), an access point, or the like.
  • eNB eNodeB
  • the terminal may be implemented as a portable electronic device.
  • Portable electronic devices include laptop computers, mobile phones, smart phones, tablet PCs, mobile internet devices (MIDs), personal digital assistants (PDAs), enterprise digital assistants (EDAs). ), Digital still cameras, digital video cameras, portable multimedia players (PMPs), personal navigation devices or portable navigation devices (PNDs), handheld game consoles, e-books (e-book), may be implemented as a smart device (smart device).
  • the smart device may be implemented as a smart watch or a smart band.
  • the transmitter 100 may generate an output pilot beam based on the characteristics of the hybrid MIMO transmission structure and the millimeter wave channel.
  • the output pilot beam can be a directional pilot beam.
  • the transmitter 100 may transmit an output pilot beam for the estimation of the millimeter wave channel to the receiver 200. 2 to 8, the output pilot beam generation operation of the transmission device 100 will be described in detail.
  • the receiving device 200 may receive an output pilot beam and perform an operation for estimating a millimeter wave channel based on the output pilot beam.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram of the transmission apparatus shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram for describing a sparse channel estimation according to an embodiment.
  • the transmission device 100 may include a controller 110 and a MIMO antenna 130.
  • the controller 110 may generate a baseband pilot beam, generate an RF pilot beam, and generate an output pilot beam based on the baseband pilot beam and the RF pilot beam.
  • the output pilot beam may be a directional pilot beam.
  • the controller 110 may include a MIMO baseband circuit 113 and a MIMO RF circuit 115.
  • the transmitter 100 is a hybrid of a MIMO baseband circuit 113 that is a digital end of a baseband domain and a MIMO RF circuit 115 that is an analog end of an RF domain. ) May be a MIMO structure.
  • the output pilot beam of the transmitting device 100 may require a pilot beam design of each of the baseband domain and the RF domain.
  • the MIMO baseband circuit 113 may generate one or more baseband pilot beams of the baseband domain.
  • the MIMO RF circuit 115 may generate one or more RF pilot beams in the RF domain.
  • the MIMO RF circuit 115 may include an RF beamformer 117 for generating one or more RF chains and one or more RF pilot beams.
  • the output pilot beam may be generated based on one or more baseband pilot beams and one or more RF pilot beams.
  • the output pilot beam may be generated by linearly combining one or more baseband pilot beams and one or more RF pilot beams through the MIMO antenna 130.
  • the MIMO antenna 130 may transmit the output pilot beam to the receiving device 200.
  • Output pilot beam matrix transmitted from the transmitting device 100 Is a pilot beam matrix generated in the MIMO RF circuit 115, for example the RF beamformer 117.
  • pilot beam matrix generated in the MIMO baseband circuit 113 It can be expressed as in Equation 1 based on.
  • baseband pilot beam and RF pilot beam generation according to an embodiment of the present invention will be described in detail. However, until the operation of generating the RF pilot beam of the RF beamformer 117 will be described below, for convenience of description. Assume that two orthogonal RF pilot beams are generated (or fixed).
  • the received signal received by the receiving device 200 may be represented by Equation 2.
  • the receiving device 200 may include one or more receiving antennas.
  • a detailed description of the operation of the reception device 100 will be omitted for convenience of description.
  • the wireless channel may be a millimeter wave channel.
  • dictionaries for sparse representing the millimeter wave channel may be expressed as Equation (3).
  • the characteristic of the millimeter wave channel may be that the millimeter wave channel is configured with a small number of paths.
  • Silver channel matrix Means vectorization of Silver matrix Means the complex conjugate matrix of, Denotes a millimeter wave channel, or sparse channel matrix, sparsely represented by dictionaries, Silver matrix Means the complex conjugate and transpose matrix of, Silver matrix Wow It may mean the number of columns.
  • the number of transmitting antennas of the transmitting device 100 And the number of receiving antennas of the receiving device 200 May satisfy Equation 4.
  • the sparse channel estimation in the present invention is a millimeter wave channel sparse represented by dictionaries, i. It can be seen that the estimate of is.
  • dictionaries may be constructed based on non-uniform quantization.
  • the millimeter wave channel may consist of fewer paths. At this time, each path is the angle of arrival (AoA) , Angle of Departure (AoD) , And channel gain.
  • AoA angle of arrival
  • AoD Angle of Departure
  • And channel gain For example, when the millimeter wave channel is composed of one scatter, the position angle of the scatterer viewed from the transmitting apparatus 100 is referred to as the launch angle, and the position angle of the scatterer viewed from the receiving apparatus 200 arrives. It can be called an angle.
  • Each column of is composed of array response vectors corresponding to AoA
  • Each column of may be composed of array response vectors corresponding to the AoD.
  • Each column of is composed of array response vectors corresponding to the possible AoAs, Each column of may consist of array response vectors for the possible AoD.
  • the possible AoA / AoD may be set such that the value of the cosine function is uniformly distributed in the dynamic range.
  • E.g, Wow It can be set to be uniformly distributed in this [-1, 1] area.
  • the rows of each dictionary are orthogonal.
  • the baseband pilot beam and the RF pilot beam may be independently designed in the transmission apparatus 100 having a hybrid MIMO transmission structure.
  • the transmitter 100 of the hybrid MIMO structure of the present invention may generate the baseband pilot beam and the RF pilot beam independently.
  • the sparse channel estimation may be expressed as in Equation 6 using Equations 2 and 3.
  • Is the received signal matrix Means vectorization of Is the noise matrix of the receiving device 200 It may mean vectorization of.
  • the matrix Sparse channel matrix It may mean a sensing matrix for estimating.
  • the sparse channel estimate aiming at reducing the overhead of the millimeter wave channel estimate is It can be seen that the structure, i.e., the dictionary, the baseband pilot beam, and the RF pilot beam structure (or design) must be considered at the same time.
  • Each pilot beam e.g., baseband pilot beam and RF pilot beam
  • Columns of can be generated (or designed) such that near-orthogonal properties are satisfied.
  • each pilot beam is a matrix Columns of can be generated to have a low correlation.
  • Equation 6 may be illustrated as shown in FIG. 3.
  • the characteristics of the millimeter wave channel for example, the millimeter wave channel has a small angular spread characteristic, a small number of paths can be gathered (or clustered) to form a cluster.
  • non-zero components (or values) of sparse channel vectors can be clustered together (or clustered).
  • the characteristics of the millimeter wave channel may be utilized when generating an RF pilot beam.
  • the baseband pilot beam needs to be designed so that its columns are close to orthogonal. That is, the MIMO baseband circuit 113 is a matrix Baseband pilot beams can be generated such that the columns of are close to orthogonal.
  • Diagonal components of are matrices Is the power of each of the columns of
  • the off-diagonal components of are matrix It may be cross-correlation values between columns of.
  • Matrix The off-diagonal components of Matrix, because it represents the correlation (or correlation) between columns of The cross-correlation values between columns should be close to zero.
  • Equation (7) The objective function of the design to lower the correlation between the columns of may be as shown in Equation (7).
  • the optimization for the generation (or design) of the baseband pilot beam may be as shown in Equation (8).
  • Equation 8 Is a matrix It can mean the mth column of.
  • Equation 8 The solution of the optimization problem of Equation 8 may be the same as Equation 9.
  • Equation 9 that is, the physical meaning of the The relationship between baseband pilot beams, which are columns of, should be orthogonal, and a mathematical meaning may mean that a baseband pilot beam satisfying a tight frame structure is optimal.
  • FIG. 4 illustrates an example of a baseband pilot beam according to an embodiment.
  • procession Silver matrix It may be to measure cross-correlation between columns of.
  • procession Diagonal Components of the Matrix Is the power of each of the columns of Non-diagonal components of the matrix It may be cross-correlation values between columns of.
  • the values of the non-diagonal components of the baseband pilot beam according to the embodiment are low compared to the random type pilot beam used in the conventional sparse channel estimation method. That is, it can be confirmed that the baseband pilot beams on the right are generated (or designed) with columns having low cross-correlation.
  • the RF beamformer 117 may generate one or more RF pilot beams.
  • the RF pilot beam can be a directional pilot beam.
  • the RF beamformer 117 may generate a plurality of RF pilot beams and determine a combination of RF pilot beams corresponding to the number of RF chains from the plurality of RF pilot beams.
  • the RF beamformer 117 is orthogonal orthogonal Generate RF pilot beams, Used to generate an output pilot beam of Equation 1 from the two RF pilot beams The combination of the individual RF pilot beams can be determined.
  • FIG. 5 is an example of the operation of determining the combination of the RF pilot beam of the RF beamformer shown in FIG. 2
  • Figure 6 is another example of the operation of determining the combination of the RF pilot beam of the RF beamformer shown in FIG. to be.
  • the RF beam former 117 may first generate eight directional orthogonal RF pilot beams. Thereafter, the RF beam former 117 may determine a combination of two RF pilot beams from eight RF pilot beams. In this case, the RF beam former 117 may determine the RF pilot beam combination based on the millimeter wave channel characteristics.
  • the combination may be sequential.
  • the combination may be as shown in FIG. 5 in a sequential combination.
  • the combination may be random.
  • the combination may be the same as FIG. 6 in a random combination.
  • One or more RF pilot beams included in the RF pilot beam combination determined by the RF beamformer 117 are linearly combined with one or more baseband pilot beams generated by the MIMO baseband circuit 113 via the MIMO antenna 130. Can be sent.
  • the transmitter 100 linearly combines one or more baseband pilot beams and one or more RF pilot beams included in the determined RF pilot beam combination to generate an output pilot beam, and outputs the output pilot beam to the MIMO antenna 130. Can be sent through.
  • FIG. 7 illustrates an example of an output pilot beam generated according to a combination of RF pilot beams according to an embodiment.
  • the output pilot beam generated according to the sequential combination of the RF pilot beams is a form in which a 16 x 16 matrix is positioned in a block diagonal form.
  • the output pilot beam generated according to the random combination of the RF pilot beams is in a form in which values are scattered rather than aggregated.
  • the matrix generated by the sequential combination Is a large correlation between adjacent columns, whereas a matrix generated by a random combination May have a low probability of correlation between adjacent columns.
  • FIG. 8 is a diagram for describing performance of channel estimation of the communication system illustrated in FIG. 1.
  • Equation 9 a normalized mean square error (MSE) channel estimation performance was performed for a case of using a combination of a baseband pilot beam and a random directional RF pilot beam satisfying Equation (CASE3).
  • MSE mean square error
  • the transmitting device 100 can reduce the channel estimation burden of the communication system 10 and at the same time achieve accurate channel estimation performance.
  • the millimeter wave communication system 10 may recursively improve the sparse channel estimation performance while greatly reducing the channel estimation burden.
  • the directional output pilot beam generated based on the hybrid MIMO transmission structure and the characteristics of the millimeter wave channel can ensure sufficient link budget of channel estimation.
  • FIG. 9 is a flowchart for describing an operating method of the transmitting apparatus illustrated in FIG. 1.
  • the transmission apparatus 100 may generate an output pilot beam based on the characteristics of the hybrid MIMO transmission structure and the millimeter wave channel (S910).
  • the transmitter 100 may transmit an output pilot beam (S930).
  • the apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments are, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable gate arrays (FPGAs).
  • ALUs arithmetic logic units
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • PLU programmable logic unit
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software.
  • processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include.
  • the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller.
  • other processing configurations are possible, such as parallel processors.
  • the software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device.
  • Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be permanently or temporarily embodied in a signal wave to be transmitted.
  • the software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

파일럿 빔 생성 방법 및 이를 수행하는 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 파일럿 빔 생성 방법은 하이브리드 MIMO 송신 구조와 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성하는 단계와, 상기 출력 파일럿 빔을 전송하는 단계를 포함한다.

Description

파일럿 빔 생성 방법 및 이를 수행하는 장치
아래 실시예들은 파일럿 빔 생성 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.
밀리미터파 통신 시스템(millimeter wave communication system)에서는 높아진 경로 손실(path loss)의 극복을 목적으로 지향성 빔(directional beam) 형성을 위해 송/수신기에서 많은 수의 안테나로 구성된 안테나 어레이를 사용한다.
이는 송신기와 수신기간 무선 채널의 차원이 커지고 채널 추정의 큰 부담을 초래한다. 채널 추정의 어려움을 해결하기 위해, 밀리미터파 채널이 안테나 수 대비 적은 수의 경로들(paths)로 구성됨을 이용하여 적은 수의 경로를 추정하는 스파스 채널 추정 방법(sparse channel estimation method)이 제안되었다.
스파스 채널 추정 방법에서는 채널 추정을 위해 송신기가 약속되어 있는 파일럿 신호를 전송하지만, 채널 추정 부담을 줄이는 목적으로 안테나 수 보다 적은 파일럿 신호의 전송 시간이 소비되기 때문에 안테나 간의 파일럿 신호들이 최적의 구조인 직교성을 만족하지 못하게 된다. 이를 해결하기 위해 대부분의 스파스 채널 추정 방법들에서는 랜덤 파일럿 신호를 활용함으로써 높은 확률로 직교성에 가깝도록 파일럿을 설계하는 방식을 이용하고 있다.
구현 방식의 예로는 RF(Radio Frequency) 페이즈 쉬프터(phase shifter)를 이용해 랜덤 페이즈(random phase)로 구성된 파일럿 빔을 전송한다. 랜덤 페이즈로 구성된 파일럿 빔은 전 방향성 빔(omnidirectional beam)으로, 전 방향으로 균일하지 않은 불규칙한 파워를 전달한다. 랜덤 페이즈로 구성된 파일럿 빔은 밀리미터파 채널의 높은 경로 손실로 인해 정확한 채널 추정을 위한 충분한 링크 버짓(link budget)을 보장하지 못한다.
실시예들은 하이브리드 MIMO 송신 구조와 밀리미터파 채널의 특성을 반영하여 지향성 파일럿 빔을 생성하는 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 파일럿 빔 생성 방법은 하이브리드 MIMO 송신 구조와 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성하는 단계와, 상기 출력 파일럿 빔을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 생성하는 단계는 베이스밴드 파일럿 빔을 생성하는 단계와, RF 파일럿 빔을 생성하는 단계와, 상기 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔에 기초하여 상기 출력 파일럿 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 RF 파일럿 빔을 생성하는 단계는 복수의 RF 파일럿 빔을 생성하는 단계와, 상기 채널의 특성에 기초하여 상기 복수의 RF 파일럿 빔으로부터 상기 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 조합에 포함된 상기 RF 파일럿 빔의 수는 RF 체인의 수에 대응할 수 있다.
상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔 중에서 적어도 하나는 상기 밀리미터파 채널을 추정하기 위한 센싱 행렬의 컬럼들이 낮은 상관성을 갖도록 생성될 수 있다.
상기 밀리미터파 채널은 딕셔너리(dictionary)에 의해 스파스 표현된(sparse representation) 밀리미터파 채널일 수 있다.
상기 딕셔너리는 비균일 양자화(non-uniform)에 기초하여 구성될 수 있다.
상기 딕셔너리는 도래각(angle of arrival)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제1 딕셔너리와 발사각(angle of departure)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제2 딕셔너리를 포함할 수 있다.
상기 제1 딕셔너리와 상기 제2 딕셔너리 각각의 로우들은 직교할 수 있다.
일 실시예에 따른 통신 장치는 하이브리드 MIMO 송신 구조와 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성하는 컨트롤러와, 상기 출력 파일럿 빔을 전송하기 위한 MIMO 안테나를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 베이스밴드 파일럿 빔을 생성하는 MIMO 베이스밴드 회로와, RF 파일럿 빔을 생성하는 MIMO RF 회로를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔에 기초하여 상기 출력 파일럿 빔을 생성할 수 있다.
상기 MIMO RF 회로는 복수의 RF 파일럿 빔을 생성하고, 상기 채널의 특성에 기초하여 상기 복수의 RF 파일럿 빔으로부터 상기 RF 파일럿 빔의 조합을 결정할 수 있다.
상기 조합에 포함된 상기 RF 파일럿 빔의 수는 상기 MIMO RF 회로에 포함된 RF 체인의 수에 대응할 수 있다.
상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔 중에서 적어도 하나는 상기 밀리미터파 채널을 추정하기 위한 센싱 행렬의 컬럼들이 낮은 상관성을 갖도록 생성될 수 있다.
상기 밀리미터파 채널은 딕셔너리(dictionary)에 의해 스파스 표현된(sparse representation) 밀리미터파 채널일 수 있다.
상기 딕셔너리는 비균일 양자화(non-uniform)에 기초하여 구성될 수 있다.
상기 딕셔너리는 도래각(angle of arrival)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제1 딕셔너리와 발사각(angle of departure)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제2 딕셔너리를 포함할 수 있다.
상기 제1 딕셔너리와 상기 제2 딕셔너리 각각의 로우들은 직교할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 송신 장치의 개략적인 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 스파스 채널 추정의 도식화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 베이스밴드 파일럿 빔의 일 예를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 RF 빔포머의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 동작의 일 예이고, 도 6은 도 2에 도시된 RF 빔포머의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 동작의 다른 예이다.
도 7은 실시예에 따른 RF 파일럿 빔들의 조합에 따라 생성되는 출력 파일럿 빔의 일 예를 나타낸다.
도 8은 도 1에 도시된 통신 시스템의 채널 추정의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1에 도시된 송신 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 통신 시스템(communication system; 10)은 송신 장치(transmission apparatus; 100)와 수신 장치(receiving apparatus; 200)를 포함할 수 있다.
통신 시스템(10)은 무선 통신 환경에서 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(10)은 3GPP(3rd Generation Partnership Project), LTE(Long-Term Evolution), LTE-A(LTE-Advanced), 3GPP2 및 WiMAX(World Interoperability for Microwave Access) 등에서 구현될 수 있다.
이때, 통신 시스템(10)은 밀리미터파 채널(millimeter wave channel)을 통해 통신을 수행하는 밀리미터파 통신 시스템(millimeter wave communication system)일 수 있다.
즉, 송신 장치(100)와 수신 장치(200)는 송신 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 밀리미터파 채널(millimeter wave channel)을 통해 서로 통신을 수행할 수 있다.
송신 장치(100)와 수신 장치(200) 각각은 기지국(base station), 중계국, 및 단말 등 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다. 이때, 기지국은 이동국(mobile station), 고정국(fixed station), Node B, eNodeB(eNB), 액세스 포인트(Access Point) 등을 의미할 수 있다.
단말은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다. 휴대용 전자 장치는 랩탑(laptop) 컴퓨터, 이동 전화기, 스마트 폰(smart phone), 태블릿(tablet) PC, 모바일 인터넷 디바이스(mobile internet device(MID)), PDA(personal digital assistant), EDA(enterprise digital assistant), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), PMP(portable multimedia player), PND(personal navigation device 또는 portable navigation device), 휴대용 게임 콘솔(handheld game console), e-북(e-book), 스마트 디바이스(smart device)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 스마트 디바이스는 스마트 워치(smart watch) 또는 스마트 밴드(smart band)로 구현될 수 있다.
송신 장치(100)는 하이브리드 MIMO 송신 구조와 밀리미터파 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 출력 파일럿 빔은 지향성 파일럿 빔일 수 있다.
송신 장치(100)는 밀리미터파 채널의 추정을 위한 출력 파일럿 빔을 수신 장치(200)로 전송할 수 있다. 도 2 내지 도 8을 참조하여 송신 장치(100)의 출력 파일럿 빔 생성 동작에 대해서 상세히 설명한다.
수신 장치(200)는 출력 파일럿 빔을 수신하고, 출력 파일럿 빔에 기초하여 밀리미터파 채널을 추정하기 위한 동작을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 송신 장치의 개략적인 블록도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 스파스 채널 추정의 도식화를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 송신 장치(100)는 컨트롤러(controller; 110)와 MIMO 안테나(130)를 포함할 수 있다.
컨트롤러(110)는 베이스밴드 파일럿 빔을 생성하고, RF 파일럿 빔을 생성하고, 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성할 수 있다. 이때, 출력 파일럿 빔은 지향성 파일럿 빔일 수 있다.
컨트롤러(110)는 MIMO 베이스밴드 회로(113)와 MIMO RF 회로(115)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 장치(100)는 베이스밴드(baseband) 도메인의 디지털단인 MIMO 베이스밴드 회로(113)와 RF 도메인의 아날로그단인 MIMO RF 회로(115)가 혼용된 하이브리드(hybrid) MIMO 구조일 수 있다.
송신 장치(100)의 하이브리드 MIMO 구조에 있어서, 송신 장치(100)의 출력 파일럿 빔은 베이스밴드 도메인과 RF 도메인 각각의 파일럿 빔 설계를 필요로 할 수 있다.
MIMO 베이스밴드 회로(113)는 베이스밴드 도메인의 하나 이상의 베이스밴드 파일럿 빔을 생성할 수 있다.
MIMO RF 회로(115)는 RF 도메인의 하나 이상의 RF 파일럿 빔을 생성할 수 있다. MIMO RF 회로(115)는 하나 이상의 RF 체인과 하나 이상의 RF 파일럿 빔을 생성하기 위한 RF 빔포머(117)를 포함할 수 있다.
출력 파일럿 빔은 하나 이상의 베이스밴드 파일럿 빔과 하나 이상의 RF 파일럿 빔에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 출력 파일럿 빔은 MIMO 안테나(130)를 통해 RF 하나 이상의 베이스밴드 파일럿 빔과 하나 이상의 RF 파일럿 빔이 선형으로 조합되어 생성될 수 있다. MIMO 안테나(130)는 출력 파일럿 빔을 수신 장치(200)로 전송할 수 있다.
송신 장치(100)에서 전송되는 출력 파일럿 빔 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000001
은 MIMO RF 회로(115), 예를 들어 RF 빔포머(117)에서 생성된 파일럿 빔 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000002
과 MIMO 베이스밴드 회로(113)에서 생성된 파일럿 빔 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000003
에 기초하여 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000004
여기서,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000005
은 MIMO 안테나(130)에 포함된 송신 안테나 수이고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000006
은 파일럿 빔의 수이고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000007
은 RF 체인의 수를 의미할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔 생성에 대해서 상세히 설명한다. 다만, RF 빔포머(117)의 RF 파일럿 빔을 생성하는 동작을 설명하기 전까지, 이하에서는 설명의 편의를 위해
Figure PCTKR2016010569-appb-I000008
개의 직교한 RF 파일럿 빔이 생성된(또는 고정된) 것으로 가정한다.
우선, 통신 시스템(10)에서 수행되는 스파스 채널 추정에 대한 공식화(formulation)에 대해서 설명한다.
송신 장치(100)가 출력 파일럿 빔을 전송할 때, 수신 장치(200)에서 수신된 수신 신호는 수학식 2로 표현될 수 있다. 이때, 수신 장치(200)는 하나 이상의 수신 안테나를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해서 수신 장치(100)의 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000009
여기서, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000010
은 송신 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 무선 채널을 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000011
은 수신 장치(200)의 수신 안테나의 수를 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000012
는 수신 장치(200)의 잡음(noise)을 의미할 수 있다. 무선 채널은 밀리미터파 채널일 수 있다.
밀리미터파 채널의 특성을 활용하기 위해, 밀리미터파 채널을 스파스(sparse) 표현시키는 딕셔너리(dictionary)들은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. 이때, 밀리미터파 채널의 특성은 밀리미터파 채널이 적은 수의 경로(path)로 구성되었다는 것일 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000013
행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000014
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000015
은 밀리미터파 채널을 스파스 표현시켜 주는 딕셔너리(dictionary)를 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000016
은 스파스 채널 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000017
의 벡터화(vectorization)를 의미할 수 있다.
또한,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000018
은 채널 행렬 의 벡터화(vectorization)를 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000020
은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000021
의 복소 공액 행렬(complex conjugate matrix)을 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000022
은 딕셔너리들로 스파스 표현된 밀리미터파 채널, 즉 스파스 채널 행렬을 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000023
은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000024
의 복소 공액 전치 행렬(complex conjugate and transpose matrix)를 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000025
은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000026
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000027
의 컬럼(column) 수를 의미할 수 있다.
이때, 송신 장치(100)의 송신 안테나의 수
Figure PCTKR2016010569-appb-I000028
와 수신 장치(200)의 수신 안테나의 수
Figure PCTKR2016010569-appb-I000029
는 수학식 4를 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000030
수학식 3으로부터, 본 발명에 있어서의 스파스 채널 추정은 딕셔너리들로 스파스 표현된 밀리미터파 채널, 즉 스파스 채널
Figure PCTKR2016010569-appb-I000031
의 을 추정하는 것임을 알 수 있다.
다음으로, 수학식 3을 만족하는 일 실시예에 따른 딕셔너리 구성에 대해서 설명한다. 예를 들어, 딕셔너리는 비균일(non-uniform) 양자화에 기초하여 구성될 수 있다.
밀리미터파 채널은 적은 수의 경로로 구성될 수 있다. 이때, 각 경로는 도래각(Angle of Arrival(AoA))
Figure PCTKR2016010569-appb-I000032
, 발사각(Angle of Departure(AoD))
Figure PCTKR2016010569-appb-I000033
, 및 채널 이득(channel gain)에 기초하여 표현될 수 있다. 예를 들어, 밀리미터파 채널이 하나의 스캐터(scatter)로 구성된 경우, 송신 장치(100)에서 바라본 스캐터의 위치 각을 발사각이라 하고, 수신 장치(200)에서 바라본 스캐터의 위치 각을 도래각이라고 할 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000034
은 AoA에 대응하는 어레이 응답 벡터들(array response vectors)에 기초하여 생성(또는 구성)될 수 있다. 또한,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000035
은 AoD에 대응하는 어레이 응답 벡터들(array response vectors)에 기초하여 생성(또는 구성)될 수 있다. 어레이 응답 벡터들 각각은 기저 벡터(basis vector)일 수 있다.
예를 들어,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000036
의 각 컬럼은 AoA에 대응하는 어레이 응답 벡터들(array response vectors)로 구성되고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000037
의 각 컬럼은 AoD에 대응하는 어레이 응답 벡터들(array response vectors)로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000038
의 각 컬럼은 발생 가능한 AoA에 대응하는 어레이 응답 벡터들로 구성되고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000039
의 각 컬럼은 발생 가능한 AoD에 대한 어레이 응답 벡터들로 구성될 수 있다.
이때, 발생 가능한 AoA/AoD는 코사인 함수의 값이 동적 범위(dynamic range)에서 균일하게 분포되도록 설정될 수 있다. 예를 들어,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000040
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000041
이 [-1,1]영역에서 균일하게 분포되도록 설정될 수 있다.
또한,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000042
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000043
은 수학식 5를 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000044
여기서,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000045
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000046
는 각각
Figure PCTKR2016010569-appb-I000047
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000048
차원의 단위 행렬을 의미할 수 있다.
수학식 5로부터 각 딕셔너리의 로우(row)들은 직교함을 알 수 있다. 각 딕셔너리의 로우들이 직교하는 특성을 통해, 하이브리드 MIMO 송신 구조인 송신 장치(100)에서 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔이 독립적으로 설계될 수 있다.
즉, 본 발명의 하이브리드 MIMO 구조의 송신 장치(100)는 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔을 독립적을 생성할 수 있다.
이에, 스파스 채널 추정은 수학식 2와 수학식 3을 이용하여 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000049
Figure PCTKR2016010569-appb-I000050
은 수신 신호 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000051
의 벡터화(vectorization)를 의미하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000052
은 수신 장치(200)의 잡음 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000053
의 벡터화(vectorization)를 의미할 수 있다.
또한, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000054
는 스파스 채널 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000055
을 추정하기 위한 센싱 행렬을 의미할 수 있다.
수학식 6으로부터, 밀리미터파 채널 추정의 오버헤드 감소를 목표로 하는 스파스 채널 추정은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000056
의 구조, 즉 딕셔너리, 베이스밴드 파일럿 빔, 및 RF 파일럿 빔 구조(또는 설계)를 동시에 고려해야 함을 알 수 있다.
각 파일럿 빔, 예를 들어 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000057
의 컬럼(column)들이 직교에 가까운 특성이 만족되도록 생성(또는 설계)될 수 있다. 예를 들어, 각 파일럿 빔은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000058
의 컬럼(column)들이 낮은 상관성을 갖도록 생성될 수 있다.
수학식 6은 도 3과 같이 도식화될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 밀리미터파 채널의 특성, 예를 들어 밀리미터파 채널이 작은 확산 각도(angular spread) 특성을 갖기 때문에 적은 수의 경로들이 모여서(또는 뭉쳐서) 클러스터(cluster)를 이룰 수 있다. 예를 들어, 스파스 채널 벡터의 넌-제로(non-zero) 성분(또는 값)이 모여서(또는 뭉쳐서) 클러스터(cluster)를 이룰 수 있다. 이때, 상술한 밀리미터파 채널의 특성은 RF 파일럿 빔 생성시 활용될 수 있다.
행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000059
의 컬럼(column)들이 직교에 가깝도록, 베이스밴드 파일럿 빔은 설계될 필요가 있다. 즉, MIMO 베이스밴드 회로(113)는 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000060
의 컬럼(column)들이 직교에 가깝도록, 베이스밴드 파일럿 빔을 생성할 수 있다.
행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000061
의 대각(diagonal) 성분들은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000062
의 컬럼들 각각의 파워이고, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000063
의 비대각(off-diagonal) 성분들은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000064
의 컬럼들 간의 상호 상관성(cross-correlation) 값들일 수 있다.
즉, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000065
의 비대각(off-diagonal) 성분들이 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000066
의 컬럼들(columns) 간의 상관성(또는 상관 관계, correlation)을 나타내기 때문에, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000067
의 컬럼들 간의 상호 상관성(cross-correlation) 값들이 0에 가깝도록 해야 한다.
직교하는 RF 파일럿 빔들을 사용한다고 가정하는 경우, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000068
의 컬럼들 간의 상관성을 낮게 하는 설계의 목적 함수는 수학식 7과 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000069
Figure PCTKR2016010569-appb-I000070
최종 각 빔에 대한 정규화(normalization) 제한 조건 하에서, 베이스밴드 파일럿 빔의 생성(또는 설계)에 대한 최적화는 수학식 8과 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000071
여기서,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000072
는 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000073
의 m번째 컬럼을 의미할 수 있다. 수학식 8의 최적화 문제의 해는 수학식 9와 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016010569-appb-I000074
여기서,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000075
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000076
는 임의의 유니타리(unitary) 행렬이고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000077
는 는 A x B차원의 모든 원소들이 0인 행렬을 의미할 수 있다.
수학식 9, 즉 최적화 해에 대한 물리적인 의미는 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000078
의 컬럼들인 베이스밴드 파일럿 빔들의 관계는 직교해야 하며, 수학적인 의미는 타이트 프레임(tight frame) 구조를 만족하는 베이스밴드 파일럿 빔이 최적임을 뜻할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 베이스밴드 파일럿 빔의 일 예를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 도 4에서는
Figure PCTKR2016010569-appb-I000079
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000080
일 때 수학식 8의
Figure PCTKR2016010569-appb-I000081
를 나타낸 것이다. 왼쪽은 종래 스파스 채널 추정 방법에서 사용되는 랜덤 형태의 파일럿 빔이고, 오른쪽은 수학식 9가 만족되도록 생성된(또는 설계된) 베이스밴드 파일럿 빔이다.
행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000082
은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000083
의 컬럼들 간의 상관성(cross-correlation)을 측정해 보기 위한 것일 수 있다. 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000084
의 대각 성분들은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000085
의 컬럼들 각각의 파워이고, 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000086
의 비대각 성분들은 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000087
의 컬럼들 간의 상호 상관성(cross-correlation) 값들일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래 스파스 채널 추정 방법에서 사용되는 랜덤 형태의 파일럿 빔과 비교하여 일 실시예에 따른 베이스밴드 파일럿 빔의 비대각 성분의 값들이 낮음을 확인할 수 있다. 즉, 오른쪽의 베이스밴드 파일럿 빔들은 낮은 상호 상관성을 보이는 컬럼들로 생성(또는 설계)되었음을 확인할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, RF 빔포머(117)는 하나 이상의 RF 파일럿 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, RF 파일럿 빔은 지향성 파일럿 빔일 수 있다.
또한, RF 빔포머(117)는 복수의 RF 파일럿 빔을 생성하고, 복수의 RF 파일럿 빔으로부터 RF 체인의 수에 대응하는 RF 파일럿 빔의 조합을 결정할 수 있다. 예를 들어, RF 빔포머(117)는 지향성의 직교한
Figure PCTKR2016010569-appb-I000088
개의 RF 파일럿 빔들을 생성하고,
Figure PCTKR2016010569-appb-I000089
개의 RF 파일럿 빔들로부터 수학식 1의 출력 파일럿 빔 생성시 사용되는
Figure PCTKR2016010569-appb-I000090
개씩의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정할 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 RF 빔포머의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 동작의 일 예이고, 도 6은 도 2에 도시된 RF 빔포머의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 동작의 다른 예이다.
도 5와 도 6에서는 설명의 편의를 위해
Figure PCTKR2016010569-appb-I000091
와
Figure PCTKR2016010569-appb-I000092
의 경우를 가정한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, RF 빔 포머(117)는 8개의 지향성의 직교한 RF 파일럿 빔들을 우선 생성할 수 있다. 이후에, RF 빔 포머(117)는 8개의 RF 파일럿 빔들로부터 2개씩의 RF 파일럿 빔의 조합을 결정할 수 있다. 이때, RF 빔 포머(117)는 밀리미터파 채널 특성에 기초하여 RF 파일럿 빔 조합을 결정할 수 있다.
일 예로, 조합은 순차적일 수 있다. 예를 들어, 조합은 순차적인 조합으로 도 5와 같을 수 있다.
다른 예로, 조합은 랜덤일 수 있다. 예를 들어, 조합은 랜덤 조합으로 도 6과 같을 수 있다.
RF 빔포머(117)에 의해 결정된 RF 파일럿 빔 조합에 포함된 하나 이상의 RF 파일럿 빔은 MIMO 안테나(130)를 통해 MIMO 베이스밴드 회로(113)에 의해 생성된 하나 이상의 베이스밴드 파일럿 빔과 선형으로 조합되어 전송될 수 있다.
즉, 송신 장치(100)는 하나 이상의 베이스밴드 파일럿 빔과 결정된 RF 파일럿 빔 조합에 포함된 하나 이상의 RF 파일럿 빔을 선형으로 조합하여 출력 파일럿 빔을 생성하고, 출력 파일럿 빔을 MIMO 안테나(130)를 통해 전송할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 RF 파일럿 빔들의 조합에 따라 생성되는 출력 파일럿 빔의 일 예를 나타낸다.
도 7에서는
Figure PCTKR2016010569-appb-I000093
및
Figure PCTKR2016010569-appb-I000094
일 때
Figure PCTKR2016010569-appb-I000095
구조를 나타낸 것이다. RF 체인이 8개이고 총 송신 안테나 수가 16개이므로, 출력 파일럿 빔은 수학식 1을 통해 두 번 생성될 수 있다.
RF 파일럿 빔의 순차적 조합에 따라 생성된 출력 파일럿 빔은 16 x 16 행렬이 블록 대각선(block diagonal) 형태로 위치하게 되는 형태이다. 하지만, RF 파일럿 빔의 랜덤 조합에 따라 생성된 출력 파일럿 빔은 값들이 뭉쳐 있지 않고 흩어져 존재하는 형태이다.
즉, 순차적 조합으로 생성된 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000096
은 인접한 컬럼들 간의 상관성이 크게고, 반면에 랜덤 조합으로 생성된 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000097
은 인접한 컬럼들 간의 상관성이 확률적으로 낮을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 밀리미터파 채널 특성인 넌-제로(non-zero) 성분의 위치가 인접하여 존재하는 상황에서는 랜덤 조합으로 구성된 행렬
Figure PCTKR2016010569-appb-I000098
가 좋은 성능을 달성함을 예상할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 통신 시스템의 채널 추정의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 시뮬레이션에서는
Figure PCTKR2016010569-appb-I000099
및 채널 추정을 위해 사용된 파일럿 빔의 수를 24로 설정하였다.
시뮬레이션에서는 채널의 확산 각도가 같은 환경에서, 기존 스파스 채널 추정 방법에서 사용되는 랜덤 파일럿 빔을 이용하는 경우(CASE1), 수학식 9를 만족하는 베이스밴드 파일럿 빔과 순차적 지향성 RF 파일럿 빔 조합을 이용하는 경우(CASE2), 수학식 9를 만족하는 베이스밴드 파일럿 빔과 랜덤 지향성 RF 파일럿 빔 조합을 이용하는 경우(CASE3)에 대한 MSE(normalized mean square error) 채널 추정 성능을 수행하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기존 랜덤 파일럿 빔이 가장 좋지 않은 성능을 보이며 수학식 9를 만족하는 베이스밴드 파일럿 빔과 랜덤 지향성 RF 파일럿 빔 조합으로 구성된 출력 파일럿 빔이 가장 좋은 성능을 달성하는 것을 알 수 있다.
송신 장치(100)가 하이브리드 MIMO 송신 구조와 밀리미터파 채널의 특성에 기초하여 지향성의 출력 파일럿 빔을 생성함으로써, 통신 시스템(10)의 채널 추정 부담을 줄이는 동시에 정확한 채널 추정 성능을 달성할 수 있다. 또한, 밀리미터파 통신 시스템(10)은 채널 추정 부담을 크게 줄이면서 스파스 채널 추정 성능을 회기적으로 향상시킬 수 있다.
즉, 하이브리드 MIMO 송신 구조와 밀리미터파 채널의 특성에 기초하여 생성된 지향성의 출력 파일럿 빔은 채널 추정의 충분한 링크 버짓(link budget) 보장할 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 송신 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 9를 참조하면, 송신 장치(100)는 하이브리드 MIMO 송신 구조와 밀리미터파 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성할 수 있다(S910).
송신 장치(100)는 출력 파일럿 빔을 전송할 수 있다(S930).
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, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate 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 콘트롤러를 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 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 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. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
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 (18)

  1. 하이브리드 MIMO 송신 구조와 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성하는 단계; 및
    상기 출력 파일럿 빔을 전송하는 단계
    를 포함하는 파일럿 빔 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는,
    베이스밴드 파일럿 빔을 생성하는 단계;
    RF 파일럿 빔을 생성하는 단계; 및
    상기 베이스밴드 파일럿 빔과 RF 파일럿 빔에 기초하여 상기 출력 파일럿 빔을 생성하는 단계
    를 포함하는 파일럿 빔 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 RF 파일럿 빔을 생성하는 단계는,
    복수의 RF 파일럿 빔을 생성하는 단계; 및
    상기 채널의 특성에 기초하여 상기 복수의 RF 파일럿 빔으로부터 상기 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 단계
    를 포함하는 파일럿 빔 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 조합에 포함된 상기 RF 파일럿 빔의 수는 RF 체인의 수에 대응하는 파일럿 빔 생성 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔 중에서 적어도 하나는 상기 밀리미터파 채널을 추정하기 위한 센싱 행렬의 컬럼들이 낮은 상관성을 갖도록 생성되는 파일럿 빔 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 밀리미터파 채널은 딕셔너리(dictionary)에 의해 스파스 표현된(sparse representation) 밀리미터파 채널인 파일럿 빔 생성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 딕셔너리는 비균일 양자화(non-uniform)에 기초하여 구성되는 파일럿 빔 생성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 딕셔너리는 도래각(angle of arrival)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제1 딕셔너리와 발사각(angle of departure)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제2 딕셔너리를 포함하는 파일럿 빔 생성 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 딕셔너리와 상기 제2 딕셔너리 각각의 로우들은 직교하는 파일럿 빔 생성 방법.
  10. 하이브리드 MIMO 송신 구조와 채널의 특성에 기초하여 출력 파일럿 빔을 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 출력 파일럿 빔을 전송하기 위한 MIMO 안테나
    를 포함하는 통신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    베이스밴드 파일럿 빔을 생성하는 MIMO 베이스밴드 회로; 및
    RF 파일럿 빔을 생성하는 MIMO RF 회로
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔에 기초하여 상기 출력 파일럿 빔을 생성하는 통신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 MIMO RF 회로는,
    복수의 RF 파일럿 빔을 생성하고, 상기 채널의 특성에 기초하여 상기 복수의 RF 파일럿 빔으로부터 상기 RF 파일럿 빔의 조합을 결정하는 통신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 조합에 포함된 상기 RF 파일럿 빔의 수는 상기 MIMO RF 회로에 포함된 RF 체인의 수에 대응하는 통신 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 베이스밴드 파일럿 빔과 상기 RF 파일럿 빔 중에서 적어도 하나는 상기 밀리미터파 채널을 추정하기 위한 센싱 행렬의 컬럼들이 낮은 상관성을 갖도록 생성되는 통신 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 밀리미터파 채널은 딕셔너리(dictionary)에 의해 스파스 표현된(sparse representation) 밀리미터파 채널인 통신 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 딕셔너리는 비균일 양자화(non-uniform)에 기초하여 구성되는 통신 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 딕셔너리는 도래각(angle of arrival)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제1 딕셔너리와 발사각(angle of departure)에 대응하는 어레이 응답 벡터들에 기초하여 구성된 제2 딕셔너리를 포함하는 통신 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 딕셔너리와 상기 제2 딕셔너리 각각의 로우들은 직교하는 통신 장치.
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