WO2022092986A1 - 무선 통신 시스템에서 빔포머를 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 빔포머를 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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장철희
최준일
김수철
이형택
김환진
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Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
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    • H04W52/04—Transmission power control [TPC]
    • H04W52/38—TPC being performed in particular situations
    • H04W52/42—TPC being performed in particular situations in systems with time, space, frequency or polarisation diversity

Definitions

  • Various embodiments of the present disclosure relate to a wireless communication system, for example, to an electronic device or method for controlling a beamformer.
  • the 5G communication system or the pre-5G communication system is called a 4G network after (Beyond 4G Network) communication system or an LTE (Long Term Evolution) system after (Post LTE) system.
  • the 5G communication system is being considered for implementation in a very high frequency (mmWave) band (eg, such as a 60 gigabyte (60 GHz) band).
  • mmWave very high frequency
  • FD-MIMO Full Dimensional MIMO
  • array antenna, analog beam-forming, and large scale antenna technologies are being discussed.
  • an evolved small cell in the 5G communication system, an evolved small cell, an advanced small cell, a cloud radio access network (cloud radio access network, cloud RAN), and an ultra-dense network (ultra-dense network) , Device to Device communication (D2D), wireless backhaul, moving network, cooperative communication, Coordinated Multi-Points (CoMP), and reception interference cancellation Technology development is underway.
  • cloud radio access network cloud radio access network
  • ultra-dense network ultra-dense network
  • FQAM Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation
  • SWSC Sliding Window Superposition Coding
  • ACM Advanced Coding Modulation
  • FBMC Filter Bank Multi Carrier
  • NOMA Non Orthogonal Multiple Access
  • SCMA Sparse Code Multiple Access
  • a massive multiple-input multiple-output (Massive MIMO) system using a large number of antennas for the transmitter and receiver is one of the technologies that will play an important role in the future wireless communication system. It is regarded as one of the most important and is being actively studied.
  • the base station In order to obtain sufficient gain through a huge MIMO system, the base station needs channel state information (CSI). Accordingly, various studies for effectively acquiring channel state information are in progress.
  • CSI channel state information
  • Various embodiments of the present disclosure may provide an apparatus and method for efficiently controlling a beamformer to compensate for power loss due to power limitation of a base station antenna in a wireless communication system.
  • a method of operating a base station in a wireless communication system using multiple antennas includes determining an antenna that satisfies a power threshold among the multiple antennas based on a first beamformer scaled according to power limitation process; generating a second beamformer associated with the antenna; applying an overlap coefficient matrix to the second beamformer; and generating a third beamformer by summing them.
  • the apparatus and method according to various embodiments of the present disclosure may provide an effect of improving a communication speed by efficiently controlling a beamformer in a wireless communication system.
  • FIG. 1 illustrates a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 2 illustrates a configuration of a base station in a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 3 illustrates a configuration of a terminal in a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a beamformer control operation of a base station in a wireless communication system according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a beamformer control operation of a base station including an iterative beamformer generation process in a wireless communication system according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a communication speed change according to an operation of a base station, according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 7 illustrates a total communication speed change according to an operation of a base station, according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG 8 illustrates a change in communication speed when an operation of a base station is performed under narrow power distribution, according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG 9 illustrates a change in total communication speed when an operation of a base station is performed under narrow power distribution according to an embodiment of the present disclosure.
  • the present disclosure relates to an apparatus and method for controlling a beamformer in a wireless communication system. Specifically, the present disclosure describes a technique for efficiently controlling a beamformer to compensate for power loss due to power limitation of a base station antenna in a wireless communication system.
  • a physical channel and a signal may be used interchangeably with data or a control signal.
  • a physical downlink shared channel (PDSCH) is a term that refers to a physical channel through which data is transmitted, but the PDSCH may also be used to refer to data. That is, in the present disclosure, the expression 'transmitting a physical channel' may be interpreted equivalently to the expression 'transmitting data or a signal through a physical channel'.
  • higher signaling refers to a signal transmission method in which a base station is transmitted to a terminal using a downlink data channel of a physical layer or from a terminal to a base station using an uplink data channel of a physical layer.
  • Upper signaling may be understood as radio resource control (RRC) signaling or media access control (MAC) control element (CE).
  • RRC radio resource control
  • MAC media access control
  • FIG. 1 illustrates a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • a wireless communication system includes a radio access network (RAN) 102 and a core network (CN) 104 .
  • RAN radio access network
  • CN core network
  • the wireless access network 102 is a network directly connected to a user device, for example, the terminal 120 , and is an infrastructure that provides wireless access to the terminal 120 .
  • the radio access network 102 includes a set of a plurality of base stations including the base station 110 , and the plurality of base stations may perform communication through an interface formed with each other. At least some of the interfaces between the plurality of base stations may be wired or wireless.
  • the base stations 110 and 110 may have a structure separated into a central unit (CU) and a distributed unit (DU). In this case, one CU may control a plurality of DUs.
  • the base station 110 is an 'access point (AP)', a 'gNB (next generation node B)', a '5G node (5th generation node)', a 'wireless point' , 'transmission/reception point (TRP)', or other terms having an equivalent technical meaning.
  • the terminal 120 accesses the radio access network 102 and communicates with the base station 110 through a radio channel.
  • the terminal 120 is a terminal other than 'user equipment (UE)', 'mobile station', 'subscriber station', 'remote terminal', 'wireless terminal' (wireless terminal), or 'user device (user device)' or other terms having an equivalent technical meaning may be referred to.
  • the core network 104 is a network that manages the entire system, controls the radio access network 102 , and processes data and control signals for the terminal 120 transmitted and received through the radio access network 102 .
  • the core network 104 includes control of a user plane and a control plane, handling of mobility, management of subscriber information, billing, and other types of systems (eg, long term evolution (LTE) systems). ) to perform various functions such as interworking with
  • the core network 104 may include a plurality of functionally separated entities having different network functions (NFs).
  • the core network 104 may include a control server that performs grouping and clustering in the band sharing system according to an embodiment of the present invention.
  • the control server may be referred to as a control unit or a processor.
  • the listed functional objects may be implemented by at least one hardware device (eg, a server). When functions of a plurality of functional objects are performed in one device, the plurality of functional objects may be implemented by a plurality of virtual machines.
  • FIG. 2 illustrates a configuration of a base station in a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • the configuration illustrated in FIG. 2 may be understood as a configuration of the base station 110 .
  • '... wealth' '...
  • 'group' means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • the base station includes a wireless communication unit 210 , a backhaul communication unit 220 , a storage unit 230 , and a control unit 240 .
  • the wireless communication unit 210 performs functions for transmitting and receiving signals through a wireless channel. For example, the wireless communication unit 210 performs a conversion function between the baseband signal and the bit stream according to the physical layer standard of the system. For example, when transmitting data, the wireless communication unit 210 generates complex symbols by encoding and modulating the transmitted bit stream. In addition, when receiving data, the wireless communication unit 210 restores the received bit stream by demodulating and decoding the baseband signal.
  • the wireless communication unit 210 up-converts the baseband signal into a radio frequency (RF) band signal, transmits it through the antenna, and downconverts the RF band signal received through the antenna into a baseband signal.
  • the wireless communication unit 210 may include a transmit filter, a receive filter, an amplifier, a mixer, an oscillator, a digital to analog converter (DAC), an analog to digital converter (ADC), and the like.
  • the wireless communication unit 210 may include a plurality of transmission/reception paths.
  • the wireless communication unit 210 may include at least one antenna array composed of a plurality of antenna elements.
  • the wireless communication unit 210 may be composed of a digital unit and an analog unit, and the analog unit includes a plurality of sub-units according to operating power, operating frequency, etc. can be composed of
  • the digital unit may be implemented by at least one processor (eg, a digital signal processor (DSP)).
  • DSP digital signal processor
  • the wireless communication unit 210 transmits and receives signals as described above. Accordingly, all or part of the wireless communication unit 210 may be referred to as a 'transmitter', a 'receiver', or a 'transceiver'. In addition, in the following description, transmission and reception performed through a wireless channel are used in the meaning of including the processing as described above by the wireless communication unit 210 .
  • the backhaul communication unit 220 provides an interface for performing communication with other nodes in the network. That is, the backhaul communication unit 220 converts the bit string transmitted from the base station to another node, for example, another access node, another base station, upper node, core network, etc. into a physical signal, and converts the physical signal received from the other node. Convert to bit string.
  • the storage unit 230 stores data such as a basic program, an application program, and setting information for the operation of the base station.
  • the storage unit 230 may be configured as a volatile memory, a non-volatile memory, or a combination of a volatile memory and a non-volatile memory.
  • the storage unit 230 provides the stored data according to the request of the control unit 240 .
  • the controller 240 controls overall operations of the base station. For example, the control unit 240 transmits and receives a signal through the wireless communication unit 210 or through the backhaul communication unit 220 . In addition, the control unit 240 writes and reads data in the storage unit 230 . In addition, the control unit 240 may perform functions of a protocol stack required by the communication standard. According to another implementation example, the protocol stack may be included in the wireless communication unit 210 . To this end, the controller 240 may include at least one processor. According to various embodiments, the controller 330 may be included in the band sharing system and transmit a control command to each device constituting the band sharing system.
  • control command is a command set or code stored in the storage unit 230 , at least temporarily resident in the control unit 240 , a storage space storing commands/codes or commands/codes, or the control unit 240 . ) may be part of the circuitry constituting the
  • the controller 240 may control the base station to perform operations according to various embodiments to be described later.
  • FIG. 3 illustrates a configuration of a terminal in a wireless communication system according to various embodiments of the present disclosure.
  • the configuration illustrated in FIG. 3 may be understood as a configuration of the terminal 120 .
  • '... wealth' '...
  • 'group' means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software.
  • the terminal includes a communication unit 310 , a storage unit 320 , and a control unit 330 .
  • the communication unit 310 performs functions for transmitting and receiving signals through a wireless channel. For example, the communication unit 310 performs a function of converting between a baseband signal and a bit stream according to a physical layer standard of the system. For example, when transmitting data, the communication unit 310 generates complex symbols by encoding and modulating the transmitted bit stream. In addition, when receiving data, the communication unit 310 restores the received bit stream by demodulating and decoding the baseband signal. In addition, the communication unit 310 up-converts the baseband signal into an RF band signal, transmits the signal through the antenna, and downconverts the RF band signal received through the antenna into a baseband signal.
  • the communication unit 310 may include a transmit filter, a receive filter, an amplifier, a mixer, an oscillator, a DAC, an ADC, and the like.
  • the communication unit 310 may include a plurality of transmission/reception paths. Furthermore, the communication unit 310 may include at least one antenna array composed of a plurality of antenna elements. In terms of hardware, the communication unit 310 may include a digital circuit and an analog circuit (eg, a radio frequency integrated circuit (RFIC)). Here, the digital circuit and the analog circuit may be implemented as one package. Also, the communication unit 310 may include a plurality of RF chains. Furthermore, the communication unit 310 may perform beamforming.
  • RFIC radio frequency integrated circuit
  • the communication unit 310 may include different communication modules to process signals of different frequency bands. Furthermore, the communication unit 310 may include a plurality of communication modules to support a plurality of different wireless access technologies. For example, different wireless access technologies may include Bluetooth low energy (BLE), Wireless Fidelity (Wi-Fi), WiFi Gigabyte (WiGig), cellular networks (eg, Long Term Evolution (LTE), etc.). Also, the different frequency bands may include a super high frequency (SHF) (eg, 2.5 GHz, 5 GHz) band and a millimeter wave (eg, 60 GHz) band.
  • SHF super high frequency
  • the communication unit 310 transmits and receives signals as described above. Accordingly, all or part of the communication unit 310 may be referred to as a 'transmitter', 'receiver', or 'transceiver'. In addition, in the following description, transmission and reception performed through a wireless channel are used in the meaning of including processing as described above by the communication unit 310 .
  • the storage unit 320 stores data such as a basic program, an application program, and setting information for the operation of the terminal.
  • the storage unit 320 may be configured as a volatile memory, a non-volatile memory, or a combination of a volatile memory and a non-volatile memory.
  • the storage unit 320 provides the stored data according to the request of the control unit 330 .
  • the controller 330 controls overall operations of the terminal. For example, the control unit 330 transmits and receives a signal through the communication unit 310 . In addition, the control unit 330 writes and reads data in the storage unit 320 . And, the control unit 330 may perform the functions of the protocol stack required by the communication standard. To this end, the controller 330 may include at least one processor or microprocessor, or may be a part of the processor. Also, a part of the communication unit 310 and the control unit 330 may be referred to as a communication processor (CP). According to various embodiments, the controller 330 may be included in the band sharing system and transmit a control command to each device constituting the band sharing system.
  • CP communication processor
  • control command is a command set or code stored in the storage unit 330 , at least temporarily resident in the control unit 330 , or a storage space storing commands/codes or commands/codes, or the control unit 230 . ) may be part of the circuitry constituting the
  • control unit 330 may perform grouping by selecting at least one or more base stations in a band sharing system according to a preset condition. Also, groups using the same band at the same time among at least one or more groups formed through grouping may be identified, and this may be determined as a cluster. For example, the controller 330 may control the terminal to perform operations according to various embodiments to be described later.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a beamformer control operation of a base station in a wireless communication system according to embodiments of the present disclosure.
  • the base station 110 generates a beamformer to transmit a signal or data through multiple antennas, and can control the generated beamformer to efficiently operate within a range that satisfies a power limitation. .
  • the power limit may include a total loss power limit that limits the sum of power used by all the transmit antennas and a transmit power limit for each antenna that limits the maximum power that can be used by each antenna.
  • the generated beamformer may be scaled down. Scaling may be referred to as scaling. Scaling may be performed to proportionally reduce the transmit power to satisfy all power restrictions for each antenna.
  • the scaling value may be transmitted so that the antenna exceeding the power limit at the highest rate satisfies the power limit. Accordingly, when scaling is performed according to this value in order to satisfy the beamforming characteristic, antennas that already satisfy the power limit or exceed the power limit at a relatively low rate use excessively low power.
  • scaling may be understood as an operation of reducing the amplitude of a signal transmitted or received by an antenna.
  • the amplitudes applied to all antennas may be equally proportionally reduced based on the maximum value among the amplitudes of the first beamformer.
  • the beamformer proportionally reduced based on the maximum amplitude may use a power much lower than the limit of the total available power. Therefore, in order to satisfy the power limit for each antenna, too low power is used compared to the power limit of the entire antenna, which may reduce the communication speed.
  • a T , A H and A ⁇ represent the transpose, conjugate transpose and pseudo-inverse of matrix A.
  • (A) (a,:) denotes the a-th column of matrix A
  • (A) (:,b) denotes the b-th row of matrix A
  • (a) (i) denotes the i-th element of vector a.
  • the absolute value of a complex number is , of vector norm is , the Frobenius norm of the matrix is , and the size of the set is marked with 0 a means a ⁇ 1 all zero vector, and I a means a ⁇ a identity matrix.
  • the base station 110 determines a target antenna satisfying a power threshold among multiple antennas based on the first beamformer scaled according to the power limit of the multiple antennas.
  • the base station 110 may generate a scaled first beamformer according to the power limitation of multiple antennas.
  • the power limit may be a unique value predetermined for each antenna for each of the multiple antennas.
  • the first beamformer may be referred to as an initial beamformer. Scaling performed on the first beamformer is performed equally for all antennas constituting the multi-antenna, so that the beamforming characteristic for each antenna can be maintained.
  • Scaling is performed by equally proportionally reducing the amplitudes applied to all antennas based on the maximum value among the amplitudes of the first beamformer, so that all antennas may satisfy the power limit for each antenna through scaling.
  • it is necessary to distinguish a specific antenna.
  • the power threshold may be a criterion for identifying a corresponding antenna when a specific antenna is set to use an excessively low power compared to the power limit value even if the power limit is satisfied.
  • the base station 110 may separately perform an operation for power compensation only for this antenna.
  • the power threshold is a value lower than the power limit value of an individual antenna, and may mean a power value that allows communication quality or communication speed to be maintained at a predetermined level or more.
  • the power threshold may be 0 ⁇ p ⁇ 1 times of P PAPC .
  • the p value may be designated by the user or may vary depending on data or signals that the base station wants to transmit.
  • the base station 110 may determine a value corresponding to 90% of a power limit value for an individual antenna as the power threshold.
  • satisfying the power threshold may mean that the usable power value of a specific antenna selected based on the scaled beamformer is less than the power threshold. Accordingly, the operation of determining the target antenna satisfying the power threshold may be understood as an operation of determining all antennas used with a value less than the power threshold value among multiple antennas.
  • each antenna can use less than 90%, that is, 85% of the individual antenna power limit value by the scaled first beamformer, the antenna using 85% is the target antenna can be
  • the target antenna may be determined to be 20.
  • step 403s the base station 110 generates a second beamformer associated with the target antenna.
  • the second beamformer may be a newly designed beamformer for the target antenna.
  • the second beamformer may be generated only for 20 target antennas.
  • the second beamformer may be generated in consideration of overlap with the first beamformer with respect to the target antenna.
  • a method for designing the second beamformer for overlapping is not limited, and all known methods may be used.
  • the number k of columns of the ZF beamformer may be determined to be equal to the number N of users.
  • the second beamformer considering the ZF beamformer can be calculated as in Equation 1.
  • the first beamformer F In addition, if it is designed as a ZF beamformer, the beamformer after the overlapping also has the characteristic of a ZF beamformer, and interference can be removed as in Equation (2).
  • ⁇ k and the last equation is that the overlapping second beamformer W It can be derived from the fact that it is created from the pseudo-inverse of The complete removal of the above interference means that the overlapping of the beamformers always increases only the desired signal size, and guarantees the improvement of the communication speed in the overlapping of all the beamformers.
  • step 405s the base station applies an overlap coefficient to the second beamformer.
  • the overlap coefficient may be defined as an overlap coefficient matrix A.
  • the criterion for determining the overlapping coefficient matrix may be determined independently of the design of the first beamformer or the second beamformer. However, in the present disclosure, it may be determined based on the first beamformer, which is the initial beamformer, and the beamformer after the overlap is made. Also, the overlap coefficient matrix A may be calculated as in Equation 3 below so that each column of the second beamformer has a similar norm value.
  • a may be a value that maximizes the transmit power while the overlapped beamformer satisfies all power restrictions.
  • a may be a predetermined value or a value updated in consideration of antenna characteristics or data or signals to be transmitted.
  • the operation of applying the overlap coefficient may be understood as an operation of performing a matrix operation between the overlap coefficient matrix A and the second beamformer W.
  • step 407s the base station 110 generates a third beamformer by adding the second beamformer to which the overlap coefficient is applied and the first beamformer.
  • the summing operation includes WA, which is the second beamformer to which the overlap coefficient is applied, and the first beamformer, which is an initial beamformer. It can be understood as a matrix phosphate between Fs.
  • the second beamformer to which the overlap coefficient is applied may increase the power consumption of at least one specific antenna satisfying the power threshold in the initial beamformer through a matrix operation with the initial beamformer. Since the increase in power usage for at least one specific antenna is implemented based on superposition of power that satisfies the power limit, the power used for data or signal transmission can be increased while satisfying the power limit for each antenna, thereby improving communication speed can contribute to
  • the summing, i.e. overlapping, operation of the beamformers is a new beamformer for the target antennas. , and assigning a value of 0 to non-corresponding antennas and superimposing W, which has the same dimension as that of the existing beamformer, is superimposed on the existing beamformer.
  • a new beamformer cannot be simply summed to the first beamformer, so 0 is assigned to an antenna that does not correspond to the target antenna among all antennas constituting the multi-antenna, and is summed through W having the same dimensions as the first beamformer. action can be performed.
  • a criterion for determining the number of overlapping there may be various criteria, such as until all antennas of the superimposed beamformer use power above the reference value P PAPC p or until the number of antennas using power below the reference value becomes less than a specific number. .
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a beamformer control operation of a base station including an iterative beamformer generation process in a wireless communication system according to embodiments of the present disclosure.
  • the base station may perform an operation of determining whether to transmit a signal or data through the third beamformer determined by the operation included in the flowchart of FIG. 4 .
  • the base station 110 determines a target antenna that satisfies a power threshold among multiple antennas based on the first beamformer scaled according to the power limit of the multiple antennas.
  • the operation of determining the target antenna in step 501s may be the same as the operation in step 401s.
  • Determining the target antenna based on the first beamformer means that when the antenna forms a beam by the first beamformer, it is determined whether a power limit value used by an individual antenna satisfies a specific threshold, and accordingly, the target antenna is determined. It may be understood as an operation of determining an antenna.
  • step 503s the base station 110 generates a second beamformer associated with the target antenna.
  • the operation of generating the second beamformer of step 503s may be the same as that of step 403s.
  • the second beamformer associated with the target antenna may be understood as generating the second beamformer as a beamformer for an antenna determined as a target antenna among multiple antennas included in the base station.
  • step 505s the base station 110 applies an overlap coefficient to the second beamformer.
  • the operation of applying the overlap coefficient of step 505s may be understood to be the same as the operation of step 405s.
  • step 507s the base station 110 generates a third beamformer by adding the second beamformer to which the overlap coefficient is applied and the first beamformer.
  • the operation of generating the third beamformer in step 507s may be understood to be the same as the operation in step 407s.
  • step 509s the base station 110 determines an antenna satisfying a power threshold among multiple antennas based on the third beamformer.
  • the third beamformer may refer to a beamformer generated as a result of power compensation for a target antenna through overlapping.
  • the base station 110 may determine an antenna that satisfies a power threshold by the third beamformer among multiple antennas.
  • the power threshold may be understood as the same concept as the power threshold of step 501s.
  • the power threshold corresponds to 0.9 of the maximum power limit value of a specific individual antenna
  • satisfying the power threshold may be understood as an operation of determining whether or not a value corresponding to the power threshold is checked or more. That is, step 509s may be an operation of checking whether power used by a specific individual antenna exceeds 0.9 of the maximum power limit when beamforming is performed based on the third beamformer.
  • step 509s may be an operation of checking whether power used by a specific individual antenna exceeds 0.9 of the maximum power limit when beamforming is performed based on the third beamformer.
  • 0.9 of the maximum power limit is described, but it may be understood that all cases selectable from a value within 0 ⁇ p ⁇ 1 times of the maximum power limit P PAPC are included.
  • step 511s the base station 110 determines whether the determined number of antennas is equal to or greater than a threshold.
  • the determined antenna may mean an antenna capable of using power exceeding a power threshold when beamforming is performed through a third beamformer generated by overlapping.
  • the first beamformer is generated by scaling according to the power limitation, and when a signal is transmitted through a specific antenna by the first beamformer, the power used by the corresponding antenna This is 85%, which is less than 90%, but when a signal is transmitted through a specific antenna by the third beamformer, it may be a process of determining whether the number of antennas whose power used by the corresponding antenna is 90% or more is greater than or equal to a threshold value.
  • the threshold may mean the number of antennas, and more specifically, may mean the number of antennas exceeding the power threshold by the third beamformer among target antennas. Accordingly, the threshold may be less than or equal to the number of target antennas.
  • the number of antennas may be two.
  • the base station may determine whether to end the operation according to whether all or most of the target antenna exceeds the power threshold.
  • the base station 110 may determine whether the number of antennas satisfying the power threshold by the third beamformer is 15 or more in step 511s.
  • the base station 110 transmits a beam using the third beamformer in response to determining that the determined number of antennas is equal to or greater than the threshold.
  • the base station 110 may transmit a beam through the generated third beamformer because a sufficient transmission speed improvement can be expected.
  • the target antenna cannot be expected to improve with the currently generated third beamformer, so return to step 501s and determine the target antenna again. there is.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a communication speed change according to an operation of a base station, according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 6 it can be seen that the result values of Proposed 1 to 8 represented by solid lines are biased to the right compared to Original ZF1 to ZF8 represented by dotted lines.
  • the x-axis means a data rate, and it can be confirmed that the communication speed of each user is increased when beamformer overlap according to the technique proposed in the present disclosure is used.
  • FIG. 7 illustrates a total communication speed change according to an operation of a base station, according to embodiments of the present disclosure.
  • the result value of Proposed indicated by the solid line is skewed to the right compared to the result value of the Original ZF indicated by the dotted line.
  • the x-axis means a data rate, and it can be confirmed that the communication speed of all users is increased when the beamformer overlap according to the technique proposed in the present disclosure is used.
  • the beamformer overlapping operation of the base station may be performed by an overlapping coefficient matrix that is narrowly designed for a specific antenna.
  • narrow power distribution for a specific user may be considered. This may be considered to maximize the total communication speed when there is a large difference in channel gain between the transmitter and each receiving antenna, or to ensure more stable service quality by compensating for a low channel gain.
  • the beamformer for this purpose, but as an example, a ZF beamformer may be considered.
  • the narrow power distribution for a specific receive antenna may be implemented based on the overlap coefficient matrix A as in Equation (4).
  • FIG 8 illustrates a change in communication speed when an operation of a base station is performed under narrow power distribution, according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 it can be seen that the result values of Proposed 1 to 8 represented by solid lines are biased to the right compared to Original ZF1 to ZF8 represented by dotted lines.
  • Proposed 8 is more inclined to the right compared to other user terminals (Proposed 1 to 7).
  • the x-axis means a data rate.
  • FIG 9 illustrates a change in total communication speed when an operation of a base station is performed under narrow power distribution according to an embodiment of the present disclosure.
  • the result value of Proposed indicated by the solid line is biased to the right compared to the result value of the Original ZF indicated by the dotted line.
  • the x-axis means a data rate, and it can be confirmed that the communication speed of all users is increased when the beamformer overlap according to the technique proposed in the present disclosure is used.
  • a method of operating a base station in a wireless communication system using multiple antennas includes determining an antenna that satisfies a power threshold among the multiple antennas based on a first beamformer scaled according to power limitation process; generating a second beamformer associated with the antenna; applying an overlap coefficient matrix to the second beamformer; and generating a third beamformer by summing them.
  • the method further includes: determining an antenna satisfying a power threshold among multiple antennas based on the third beamformer; and determining whether the determined number of antennas is equal to or greater than a threshold value.
  • the method further includes transmitting a signal using the third beamformer in response to determining that the determined number of antennas is equal to or greater than a threshold.
  • the process of determining an antenna satisfying a power threshold among the multiple antennas is performed again It further includes the process of
  • the first beamformer may reduce at least one amplitude applied to the multiple antennas at the same rate based on a maximum value among amplitudes associated with the first beamformer.
  • the overlap coefficient may be determined based on the first beamformer and the third beamformer.
  • the overlap coefficient may be determined in a range in which transmission power using the third beamformer is less than a value corresponding to all power restrictions of the multi-antenna.
  • the overlapping coefficient may be determined in a range in which transmission power using the third beamformer is less than a value corresponding to a power limitation of at least one antenna among the multiple antennas.
  • a base station apparatus in a wireless communication system using multiple antennas, includes: a communication unit; and at least one control unit operatively connected to the communication unit, wherein the at least one control unit determines an antenna satisfying a power threshold among the multiple antennas based on a first beamformer scaled according to a power limitation, , generating a second beamformer associated with the antenna, applying an overlap coefficient matrix to the second beamformer, and summing the second beamformer to which the overlap coefficient matrix is applied and the first beamformer to form a third beamformer can be configured to create
  • the at least one control unit may be further configured to determine an antenna satisfying a power threshold among multiple antennas based on the third beamformer, and determine whether the determined number of antennas is equal to or greater than the threshold.
  • the at least one control unit may be further configured to transmit a signal using the third beamformer in response to determining that the determined number of antennas is equal to or greater than a threshold.
  • the at least one control unit in response to determining that the determined number of antennas is less than a threshold, based on the first beamformer scaled according to the power limitation, an antenna satisfying a power threshold among the multiple antennas It may be further configured to perform the operation of determining again.
  • the first beamformer may reduce at least one amplitude applied to the multiple antennas at the same rate based on a maximum value among amplitudes associated with the first beamformer.
  • the overlap coefficient may be determined based on the first beamformer and the third beamformer.
  • the overlap coefficient may be determined in a range in which transmission power using the third beamformer is less than a value corresponding to all power restrictions of the multi-antenna.
  • the overlapping coefficient may be determined in a range in which transmission power using the third beamformer is less than a value corresponding to a power limitation of at least one antenna among the multiple antennas.
  • first”, “second”, or “first” or “second” may simply be used to distinguish the component from other such components, and may refer to components in other aspects (eg, importance or order) is not limited. that one (eg first) component is "coupled” or “connected” to another (eg, second) component with or without the terms “functionally” or “communicatively” When referenced, it means that one component can be coupled to another component directly (eg, by wire), wirelessly, or through a third component.
  • module may include a unit implemented in hardware, software, or firmware, and may be used interchangeably with terms such as, for example, logic, logic block, component, or circuit.
  • a module may be an integrally formed part or a minimum unit of a part or a part thereof that performs one or more functions.
  • the module may be implemented in the form of an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • a storage medium eg, the internal memory 136 or the external memory 138
  • a machine eg, the electronic device 101 or 101
  • software eg, program 140
  • a device eg, a processor (eg, processor 120 ) of electronic device 101
  • One or more instructions may include code generated by a compiler or code that can be executed by an interpreter Unreadable by a device
  • the existing storage medium may be provided in the form of a non-transitory storage medium, where 'non-transitory' is a device in which the storage medium is tangible, and a signal (eg, EM wave) does not include, and this term does not distinguish between a case in which data is semi-permanently stored in a storage medium and a case in which data is temporarily stored.
  • the method according to various embodiments disclosed in this document may be provided as included in a computer program product.
  • Computer program products may be traded between sellers and buyers as commodities.
  • the computer program product is distributed in the form of a device-readable storage medium (eg compact disc read only memory (CD-ROM)), or via an application store (eg Play Store TM ) or on two user devices ( It can be distributed online (eg download or upload), directly between smartphones (eg smartphones).
  • a part of the computer program product may be temporarily stored or temporarily created in a device-readable storage medium such as a memory of a server of a manufacturer, a server of an application store, or a relay server.
  • each component eg, a module or a program of the described components may include a singular or a plurality of entities.
  • one or more components or operations among the above-described corresponding components may be omitted, or one or more other components or operations may be added.
  • a plurality of components eg, a module or a program
  • the integrated component may perform one or more functions of each component of the plurality of components identically or similarly to those performed by the corresponding component among the plurality of components prior to integration.
  • operations performed by a module, program, or other component are executed sequentially, in parallel, repeatedly, or heuristically, or one or more of the operations are executed in a different order, omitted, or Or one or more other operations may be added.

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Abstract

본 개시는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과, 상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하는 과정과, 상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하는 과정과, 상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하는 과정을 포함한다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔포머를 제어하기 위한 장치 및 방법
본 개시의 다양한 실시 예들은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 예를 들어 빔포머를 제어하기 위한 전자 장치 또는 방법에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 시스템 이후(Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역(예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(Device to Device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation, ACM) 방식인 FQAM(Hybrid Frequency Shift Keying and Quadrature Amplitude Modulation) 및 SWSC(Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(Non Orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(Sparse Code Multiple Access) 등이 개발되고 있다.
5G 시스템에서, 송신기 및 수신기에 많은 개수의 안테나들을 사용하는 거대 다중 입출력(massive multiple-input multiple-output, massive MIMO) 시스템은 미래의 무선 통신 시스템(wireless communication system)에서 중요한 역할을 하게 될 기술 중 하나로 매우 중요하게 여겨지고, 활발히 연구되고 있다. 거대 MIMO 시스템을 통해 충분한 이득을 얻기 위해, 기지국은 채널 상태 정보(channel state information, CSI)를 필요로 한다. 이에, 효과적으로 채널 상태 정보를 획득하기 위한 다양한 연구들이 진행 중에 있다.
본 개시(disclosure)의 다양한 실시 예들은, 무선 통신 시스템에서 기지국 안테나의 전력 제한으로 인한 전력 손실을 보완하기 위해 빔포머를 효율적으로 제어하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른, 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과, 상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하는 과정과, 상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하는 과정과, 상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하는 과정을 포함한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치 및 방법은, 무선 통신 시스템에서 빔포머를 효율적으로 제어함으로써 통신 속도를 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 구성을 도시한다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 단말의 구성을 도시한다.
도 4는, 본 개시의 일 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 빔포머 제어 동작을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 반복적인 빔포머 생성 과정을 포함한 기지국의 빔포머 제어 동작을 도시한 순서도이다.
도 6은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작에 따른 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 7은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작에 따른 총 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 8은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작이 편협적인 전력 배분 하에서 수행될 때 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 9은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작이 편협적인 전력 배분 하에서 수행될 때 총 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 본 개시는 무선 통신 시스템에서 빔포머를 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 개시는 무선 통신 시스템에서 기지국 안테나의 전력 제한으로 인한 전력 손실을 보완하기 위해 빔포머를 효율적으로 제어하기 위한 기술을 설명한다.
이하 설명에서 사용되는 신호를 지칭하는 용어, 채널을 지칭하는 용어, 제어 정보를 지칭하는 용어, 네트워크 객체(network entity)들을 지칭하는 용어, 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
이하 설명에서, 물리 채널(physical channel)과 신호(signal)는 데이터 혹은 제어 신호와 혼용하여 사용될 수 있다. 예를 들어, PDSCH(physical downlink shared channel)는 데이터가 전송되는 물리 채널을 지칭하는 용어이지만, PDSCH는 데이터를 지칭하기 위해서도 사용될 수 있다. 즉, 본 개시에서, '물리 채널을 송신한다'는 표현은 '물리 채널을 통해 데이터 또는 신호를 송신한다'는 표현과 동등하게 해석될 수 있다.
이하 본 개시에서, 상위 시그널링은 기지국에서 물리 계층의 하향링크 데이터 채널을 이용하여 단말로, 또는 단말에서 물리 계층의 상향링크 데이터 채널을 이용하여 기지국으로 전달되는 신호 전달 방법을 뜻한다. 상위 시그널링은 RRC(radio resource control) 시그널링 또는 MAC(media access control) 제어 요소(control element, CE)로 이해될 수 있다.
또한, 본 개시에서, 특정 조건의 만족(satisfied), 충족(fulfilled) 여부를 판단하기 위해, 초과 또는 미만의 표현이 사용되었으나, 이는 일 예를 표현하기 위한 기재일 뿐 이상 또는 이하의 기재를 배제하는 것이 아니다. '이상'으로 기재된 조건은 '초과', '이하'로 기재된 조건은 '미만', '이상 및 미만'으로 기재된 조건은 '초과 및 이하'로 대체될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project))에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 1을 참고하면, 무선 통신 시스템은 무선 접속 망(radio access network, RAN)(102) 및 코어 망(core network, CN)(104)를 포함한다.
무선 접속 망(102)은 사용자 장치, 예를 들어, 단말(120)과 직접 연결되는 네트워크로서, 단말(120)에게 무선 접속을 제공하는 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 무선 접속 망(102)은 기지국(110)을 포함하는 복수의 기지국들의 집합을 포함하며, 복수의 기지국들은 상호 간 형성된 인터페이스를 통해 통신을 수행할 수 있다. 복수의 기지국들 간 인터페이스들 중 적어도 일부는 유선이거나 무선일 수 있다. 기지국(110)110은 CU(central unit) 및 DU(distributed unit)으로 분리된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 하나의 CU가 복수의 DU들을 제어할 수 있다. 기지국(110)은 기지국(base station) 외에 '액세스 포인트(access point, AP)', 'gNB(next generation node B)', '5G 노드(5th generation node)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다. 단말(120)은 무선 접속 망(102)에 접속하고, 기지국(110)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 단말(120)은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', 또는 '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
코어 망(104)은 전체 시스템을 관리하는 네트워크로서, 무선 접속 망(102)을 제어하고, 무선 접속 망(102)을 통해 송수신되는 단말(120)에 대한 데이터 및 제어 신호들을 처리한다. 코어 망(104)은 사용자 플랜(user plane) 및 제어 플랜(control plane)의 제어, 이동성(mobility)의 처리, 가입자 정보의 관리, 과금, 다른 종류의 시스템(예: LTE(long term evolution) 시스템)과의 연동 등 다양한 기능들을 수행한다. 상술한 다양한 기능들을 수행하기 위해, 코어 망(104)은 서로 다른 NF(network function)들을 가진 기능적으로 분리된 다수의 객체(entity)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코어 망(104)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역 공유 시스템에서, 그루핑 및 클러스터링을 수행하는 제어 서버를 포함할 수 있다. 제어 서버는 제어부 또는 프로세서로 지칭될 수 있다. 나열된 기능적 객체들은 적어도 하나의 하드웨어 장치(예: 서버)로 구현될 수 있다. 하나의 장치에서 복수의 기능적 객체들의 기능들이 수행되는 경우, 복수의 기능적 객체들은 복수의 가상 머신(virtual machine)들에 의해 구현될 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 구성을 도시한다. 도 2에 예시된 구성은 기지국(110)의 구성으로서 이해될 수 있다. 이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2를 참고하면, 기지국은 무선통신부(210), 백홀통신부(220), 저장부(230), 제어부(240)를 포함한다.
무선통신부(210)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 예를 들어, 무선통신부(210)는 시스템의 물리 계층 규격에 따라 기저대역 신호 및 비트열 간 변환 기능을 수행한다. 예를 들어, 데이터 송신 시, 무선통신부(210)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 데이터 수신 시, 무선통신부(210)는 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다.
또한, 무선통신부(210)는 기저대역 신호를 RF(radio frequency) 대역 신호로 상향변환한 후 안테나를 통해 송신하고, 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 이를 위해, 무선통신부(210)는 송신 필터, 수신 필터, 증폭기, 믹서(mixer), 오실레이터(oscillator), DAC(digital to analog convertor), ADC(analog to digital convertor) 등을 포함할 수 있다. 또한, 무선통신부(210)는 다수의 송수신 경로(path)들을 포함할 수 있다. 나아가, 무선통신부(210)는 다수의 안테나 요소들(antenna elements)로 구성된 적어도 하나의 안테나 어레이(antenna array)를 포함할 수 있다.
하드웨어의 측면에서, 무선통신부(210)는 디지털 유닛(digital unit) 및 아날로그 유닛(analog unit)으로 구성될 수 있으며, 아날로그 유닛은 동작 전력, 동작 주파수 등에 따라 다수의 서브 유닛(sub-unit)들로 구성될 수 있다. 디지털 유닛은 적어도 하나의 프로세서(예: DSP(digital signal processor))로 구현될 수 있다.
무선통신부(210)는 상술한 바와 같이 신호를 송신 및 수신한다. 이에 따라, 무선통신부(210)의 전부 또는 일부는 '송신부(transmitter)', '수신부(receiver)' 또는 '송수신부(transceiver)'로 지칭될 수 있다. 또한, 이하 설명에서, 무선 채널을 통해 수행되는 송신 및 수신은 무선통신부(210)에 의해 상술한 바와 같은 처리가 수행되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
백홀통신부(220)는 네트워크 내 다른 노드들과 통신을 수행하기 위한 인터페이스를 제공한다. 즉, 백홀통신부(220)는 기지국에서 다른 노드, 예를 들어, 다른 접속 노드, 다른 기지국, 상위 노드, 코어 망 등으로 송신되는 비트열을 물리적 신호로 변환하고, 다른 노드로부터 수신되는 물리적 신호를 비트열로 변환한다.
저장부(230)는 기지국의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장한다. 저장부(230)는 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부(230)는 제어부(240)의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공한다.
제어부(240)는 기지국의 전반적인 동작들을 제어한다. 예를 들어, 제어부(240)는 무선통신부(210)를 통해 또는 백홀통신부(220)를 통해 신호를 송신 및 수신한다. 또한, 제어부(240)는 저장부(230)에 데이터를 기록하고, 읽는다. 그리고, 제어부(240)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다. 다른 구현 예에 따라, 프로토콜 스텍은 무선통신부(210)에 포함될 수 있다. 이를 위해, 제어부(240)는 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 제어부(330)는 대역 공유 시스템에 포함될 수 있고, 대역 공유 시스템을 구성하는 각각의 장치들에게 제어 명령을 송신할 수 있다. 여기서, 제어 명령은 저장부(230)에 저장된 명령어 집합 또는 코드로서, 적어도 일시적으로 제어부(240)에 상주된(resided) 명령어/코드 또는 명령어/코드를 저장한 저장 공간이거나, 또는, 제어부(240)를 구성하는 회로(circuitry)의 일부일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 제어부(240)는 기지국이 후술하는 다양한 실시 예들에 따른 동작들을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 3은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 단말의 구성을 도시한다. 도 3에 예시된 구성은 단말(120)의 구성으로서 이해될 수 있다. 이하 사용되는 '…부', '…기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3을 참고하면, 단말은 통신부(310), 저장부(320), 제어부(330)를 포함한다.
통신부(310)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 예를 들어, 통신부(310)는 시스템의 물리 계층 규격에 따라 기저대역 신호 및 비트열 간 변환 기능을 수행한다. 예를 들어, 데이터 송신 시, 통신부(310)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 데이터 수신 시, 통신부(310)는 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 또한, 통신부(310)는 기저대역 신호를 RF 대역 신호로 상향변환한 후 안테나를 통해 송신하고, 안테나를 통해 수신되는 RF 대역 신호를 기저대역 신호로 하향변환한다. 예를 들어, 통신부(310)는 송신 필터, 수신 필터, 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다.
또한, 통신부(310)는 다수의 송수신 경로(path)들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부(310)는 다수의 안테나 요소들로 구성된 적어도 하나의 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 하드웨어의 측면에서, 통신부(310)는 디지털 회로 및 아날로그 회로(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))로 구성될 수 있다. 여기서, 디지털 회로 및 아날로그 회로는 하나의 패키지로 구현될 수 있다. 또한, 통신부(310)는 다수의 RF 체인들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부(310)는 빔포밍을 수행할 수 있다.
또한, 통신부(310)는 서로 다른 주파수 대역의 신호들을 처리하기 위해 서로 다른 통신 모듈들을 포함할 수 있다. 나아가, 통신부(310)는 서로 다른 다수의 무선 접속 기술들을 지원하기 위해 다수의 통신 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 무선 접속 기술들은 블루투스 저 에너지(bluetooth low energy, BLE), Wi-Fi(Wireless Fidelity), WiGig(WiFi Gigabyte), 셀룰러 망(예: LTE(Long Term Evolution) 등을 포함할 수 있다. 또한, 서로 다른 주파수 대역들은 극고단파(SHF:super high frequency)(예: 2.5GHz, 5Ghz) 대역, mm파(millimeter wave)(예: 60GHz) 대역을 포함할 수 있다.
통신부(310)는 상술한 바와 같이 신호를 송신 및 수신한다. 이에 따라, 통신부(310)의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부'로 지칭될 수 있다. 또한, 이하 설명에서 무선 채널을 통해 수행되는 송신 및 수신은 통신부(310)에 의해 상술한 바와 같은 처리가 수행되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
저장부(320)는 단말의 동작을 위한 기본 프로그램, 응용 프로그램, 설정 정보 등의 데이터를 저장한다. 저장부(320)는 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 조합으로 구성될 수 있다. 그리고, 저장부(320)는 제어부(330)의 요청에 따라 저장된 데이터를 제공한다.
제어부(330)는 단말의 전반적인 동작들을 제어한다. 예를 들어, 제어부(330)는 통신부(310)를 통해 신호를 송신 및 수신한다. 또한, 제어부(330)는 저장부(320)에 데이터를 기록하고, 읽는다. 그리고, 제어부(330)는 통신 규격에서 요구하는 프로토톨 스택의 기능들을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제어부(330)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 통신부(310)의 일부 및 제어부(330)는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 다양한 실시 예들에 따라, 제어부(330)는 대역 공유 시스템에 포함될 수 있고, 대역 공유 시스템을 구성하는 각각의 장치들에게 제어 명령을 송신할 수 있다. 여기서, 제어 명령은 저장부(330)에 저장된 명령어 집합 또는 코드로서, 적어도 일시적으로 제어부(330)에 상주된(resided) 명령어/코드 또는 명령어/코드를 저장한 저장 공간이거나, 또는, 제어부(230)를 구성하는 회로(circuitry)의 일부일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 제어부(330)는 대역 공유 시스템에서 적어도 하나 이상의 기지국을 미리 설정된 조건에 따라 선택하여, 그루핑을 수행할 수 있다. 또한 그루핑을 통해 형성된 적어도 하나 이상의 그룹들 중 동일한 대역을 동시에 사용하는 그룹들을 확인하고, 이를 클러스터로 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(330)는 단말이 후술하는 다양한 실시 예들에 따른 동작들을 수행하도록 제어할 수 있다.
도 4는, 본 개시의 일 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 빔포머 제어 동작을 도시한 순서도이다.
도 4를 참조하면, 기지국(110)은 다중 안테나를 통해 신호 또는 데이터를 송신하기 위해 빔포머를 생성하고, 생성된 빔포머가 전력 제한을 만족하는 범위에서 효율적으로 동작할 수 있도록 제어할 수 있다.
기지국(110)에 동작 가능하게 연결되거나, 기지국(110)에 포함된 다중 안테나가 사용자 단말 등으로 신호 또는 데이터를 송신 또는 수신할 때, 안테나가 사용하는 전력과 관련하여 전력 제한이 있을 수 있다.
전력 제한은, 모든 송신 안테나가 사용하는 전력의 합을 제한하는 총 손실 전력 제한과 각 안테나가 사용가능한 최대 전력을 제한하는 안테나별 송신 전력 제한을 포함할 수 있다.
전력 제한을 만족시키기 위해서는, 생성된 빔포머를 비례 축소할 수 있다. 비례 축소는 스케일링으로 지칭될 수 있다. 스케일링은 각각의 안테나 별 전력 제한을 모두 만족시키도록 송신 전력을 비례 축소하기 위해 수행될 수 있다.
다중 안테나를 구성하는 모든 안테나가 전력 제한을 만족하도록 스케일링을 수행하기 위해서는, 가장 높은 비율로 전력 제한을 초과하는 안테나가, 전력 제한을 만족하도록 스케일링 값이 전해질 수 있다. 따라서, 빔포밍 특성을 만족하기 위해, 이 값에 따라 스케일링을 수행할 경우, 이미 전력 제한을 만족하고 있거나, 상대적으로 낮은 비율로 전력 제한을 초과하는 안테나들은 과도하게 낮은 전력을 사용하게 된다.
보다 구체적으로, 스케일링은 안테나가 송신 또는 수신하는 신호의 진폭을 축소하는 동작으로 이해될 수 있다. 이 경우, 제1 빔포머의 진폭 중 최댓값을 기준으로 모든 안테나에 가해지는 진폭을 동일하게 비례 축소할 수 있다. 다만, 대부분의 제1 빔포머의 경우 각 안테나에 가해지는 진폭이 넓은 범위에 흩어져 있어, 최대 진폭을 기준으로 비례 축소한 빔포머는 사용가능한 총 전력 제한보다 아주 낮은 전력을 사용하게 될 수 있다. 따라서, 안테나별 전력 제한을 만족하기 위해, 전체 안테나의 전력 제한에 비해 지나치게 낮은 전력을 사용하게 되므로, 이는 통신 속도를 저하시킬 수 있다.
본 발명에서 고려하는 수학식들에 대해, 소문자 및 대문자의 굵은 글씨는 열 vector와 matrix을 나타낸다. AT, AH 그리고 A†는 matrix A의 transpose, conjugate transpose 그리고 pseudo-inverse를 나타낸다. (A)(a,:) matrix A의 a번째 열을, (A)(:,b)은 matrix A의 b번째 행을, (a)(i)는 vector a의 i번째 원소를 의미한다. 복소수의 절댓값은
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000001
, vector의
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000002
norm은
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000003
, matrix의 Frobenius norm은
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000004
, 그리고 집합의 크기는
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000005
으로 표기한다. 0a은 a × 1 all zero vector를, Ia은 a × a identity matrix를 의미한다.
단계(401s)에서, 기지국(110)은, 다중 안테나의 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 타겟 안테나를 결정한다.
기지국(110)은 다중 안테나의 전력 제한에 따라, 스케일링 된 제1 빔포머를 생성할 수 있다. 전력 제한은 다중 안테나 각각에 대해 안테나 별로 미리 정해진 고유의 값일 수 있다. 제1 빔포머는 초기 빔포머로 지칭될 수 있다. 제1 빔포머에 수행되는 스케일링은, 다중 안테나를 구성하는 모든 안테나에 동일하게 이루어짐으로써 각각의 안테나에 대한 빔포밍 특성을 유지하게 할 수 있다.
스케일링은, 제1 빔포머의 진폭 중 최댓값을 기준으로 모든 안테나에 가해지는 진폭을 동일하게 비례 축소하는 동작으로 수행되는 바, 스케일링을 통해 모든 안테나가 안테나별 전력 제한을 만족하게 될 수 있다. 다만, 지나치게 낮은 전력을 사용함으로써 통신 품질이 저하되는 것을 보상하기 위해, 특정 안테나를 구분할 필요가 있다.
전력 임계치는, 특정 안테나가 전력 제한을 만족하더라도, 전력 제한 값에 비해 지나치게 낮은 전력을 사용하도록 설정된 경우, 해당하는 안테나를 식별하는 기준이 될 수 있다.
기지국(110)이 해당하는 안테나를 식별하는 경우, 기지국(110)은 이 안테나에 대하여만 전력 보상을 위한 동작을 별도로 수행할 수 있다.
전력 임계치는, 개별 안테나의 전력 제한 값보다는 낮은 값으로서, 통신 품질이나 통신 속도가 일정 수준 이상을 유지하게 할 수 있는 전력 수치를 의미할 수 있다.
구체적으로 개별 안테나에 대한 전력 제한 값이 PPAPC로 정해질 경우, 전력 임계치는, PPAPC의 0≤p≤1배일 수 있다. 이때, p 값은 사용자에 의해 지정되거나, 기지국이 전송하고자 하는 데이터나 신호에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어 p 값이 0.9로 결정되는 경우, 기지국(110)은 개별 안테나에 대한 전력 제한 값의 90퍼센트에 해당하는 값을 전력 임계치로 결정할 수 있다.
이때, 전력 임계치를 만족한다는 것은, 스케일링 된 빔포머에 기반하여 선택되는 특정 안테나의 사용 가능한 전력 값이, 전력 임계치 미만인 경우인 것을 의미할 수 있다. 따라서, 전력 임계치를 만족하는 타겟 안테나를 결정하는 동작은, 다중 안테나 중 전력 임계치 값보다 적은 값으로 사용하고 있는 모든 안테나를 결정하는 동작으로 이해될 수 있다.
예를 들어 p 값이 0.9인 경우, 각각의 안테나가 스케일링 된 제1 빔포머에 의해, 개별 안테나 전력 제한 값의 90%미만, 즉 85%를 사용할 수 있다면, 85%를 사용하는 안테나는 타겟 안테나가 될 수 있다.
다중 안테나를 구성하는 개별 안테나가 총 32개인 경우, 전력 제한 값의 90% 미만까지 사용할 수 있는 안테나의 수가 20개인 경우, 타겟 안테나는 20개인 것으로 결정될 수 있다.
단계(403s)에서, 기지국(110)은 타겟 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성한다.
제2 빔포머는 타겟 안테나에 대하여 새로 디자인 된 빔포머일 수 있다. 타겟 안테나로 결정된 안테나가 20개인 경우, 20개의 타겟 안테나에 대하여만 제2 빔포머가 생성될 수 있다. 제2 빔포머는, 타겟 안테나에 대한 제1 빔포머와의 중첩을 고려하여 생성될 수 있다. 이 때, 중첩하기 위한 제2 빔포머를 디자인하기 위한 방법은 제한적이지 않으며, 공지의 모든 방법이 이용될 수 있다.
다만 본 개시에서는, ZF(zero-forcing) 빔포머를 사용하는 경우를 설명한다. 단일 안테나를 가지는 사용자 N≤M명을 고려할 때에, ZF 빔포머의 열 개수 k는 사용자의 수 N과 동일하게 결정될 수 있다. 모든 M개 송신 안테나와 모든 N명의 사용자 사이의 채널을 H라고 할 때에, ZF 빔포머를 고려한 제2 빔포머
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000006
는 수학식1과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000007
이때, 제1 빔포머 F 또한 ZF 빔포머로 디자인되었다면 중첩된 이후의 빔포머 또한 ZF 빔포머의 특성을 지니게 되어, 간섭은 수학식2와 같이 제거될 수 있다.
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000008
이때,
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000009
≠k이며, 마지막 등식은 중첩하는 제2 빔포머 W가
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000010
의 pseudo-inverse로부터 만들어졌다는 사실로 도출될 수 있다. 위와 같은 간섭의 온전한 제거는 빔포머의 중첩이 항상 원하는 신호의 크기만을 증가시킴을 의미하며, 모든 빔포머의 중첩에서 통신 속도의 향상을 보장한다.
단계(405s)에서, 기지국은 제2 빔포머에 중첩 계수를 적용한다.
중첩 계수는 중첩 계수 행렬 A로 정의될 수 있다. 중첩 계수 행렬을 결정하는 기준은, 제1 빔포머 또는 제2 빔포머의 디자인과 독립적으로 결정될 수 있다. 다만 본 개시에서는, 초기 빔포머인 제1 빔포머와, 중첩이 이루어진 후의 빔포머에 기반하여 결정될 수 있다. 또한 중첩 계수 행렬 A는 제2 빔포머의 각 열이 비슷한 norm 값을 가지도록 아래 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000011
이때,
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000012
는 중첩된 빔포머가 모든 전력 제한을 만족시키면서 송신 전력을 최대로 키우는 값일 수 있다. a는 미리 정해진 값이거나, 안테나 특성이나 전송하고자 하는 데이터 또는 신호를 고려하여 업데이트 되는 값일 수 있다.
중첩 계수를 적용하는 동작은, 중첩 계수 행렬 A와 제2 빔포머 W간에 행렬 연산을 수행하는 동작으로 이해될 수 있다.
단계(407s)에서, 기지국(110)은 중첩 계수가 적용된 제2 빔포머와 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성한다.
합산하는 동작은, 중첩 계수가 적용된 제2 빔포머인 WA와 초기 빔포머인 제1 빔포머 F간의 행렬 인산으로 이해될 수 있다.
중첩 계수가 적용된 제2 빔포머는, 초기 빔포머와 행렬 연산을 통하여, 초기 빔포머에서 전력 임계치를 만족하는 적어도 하나 이상의 특정 안테나의 전력 사용량을 증가시킬 수 있다. 적어도 하나 이상의 특정 안테나에 대한 전력 사용량의 증가는, 전력 제한을 만족하는 전력의 중첩에 기반하여 구현되기 때문에, 안테나별 전력 제한을 만족하면서도 데이터 또는 신호 전송에 이용되는 전력을 높일 수 있으므로 통신 속도 향상에 기여할 수 있다.
빔포머를 합산, 즉 중첩하는 동작은 타겟 안테나들에 대해 새로운 빔포머
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000013
를 생성하고, 해당하지 않는 안테나들에 대해서는 0값을 할당해 차원을 기존 빔포머와 동일하게 맞춰준 W를 기존의 빔포머에 중첩시키으로써 수행될 수 있다.
타겟 안테나가 다중 안테나를 구성하는 전체 안테나의 수보다 적은 경우, 새로운 빔포머
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000014
를 제1 빔포머에 단순 합산할 수 없으므로, 다중 안테나를 구성하는 전체 안테나 중 타겟 안테나에 해당하지 않는 안테나에 대하여는 0 값을 할당하여, 제1 빔포머와 차원을 동일하게 맞춰준 W를 통해 합산 동작을 수행할 수 있다.
중첩 횟수를 결정하는 기준으로는, 중첩된 빔포머의 모든 안테나가 기준치 PPAPC·p 이상의 전력을 사용하거나 기준치 이하의 전력을 사용하는 안테나의 수가 특정 숫자보다 적어지기 전까지 등 다양한 기준이 있을 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 반복적인 빔포머 생성 과정을 포함한 기지국의 빔포머 제어 동작을 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 기지국은, 도 4의 순서도에 포함된 동작에 의해 결정된 제3 빔포머를 통해 신호 또는 데이터를 송신할 지 여부를 판단하는 동작을 수행할 수 있다.
단계(501s)에서, 기지국(110)은 다중 안테나의 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 타겟 안테나를 결정한다.
단계(501s)의 타겟 안테나를 결정하는 동작은, 단계(401s)의 동작과 동일할 수 있다. 제1 빔포머에 기반하여 타겟 안테나를 결정한다는 것은, 제1 빔포머에 의해 안테나가 빔을 형성할 때, 개별 안테나가 사용하는 전력 제한 값이 특정 임계치를 만족하는지 여부를 판단하고, 그에 따라 타겟 안테나를 결정하는 동작으로 이해될 수 있다.
단계(503s)에서, 기지국(110)은 타겟 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성한다.
단계(503s)의 제2 빔포머를 생성하는 동작은, 단계(403s)의 동작과 동일할 수 있다. 타겟 안테나와 연관된 제2 빔포머라 함은, 기지국에 포함된 다중 안테나 중 타겟 안테나로 결정된 안테나를 위한 빔포머로서 제2 빔포머를 생성하는 것으로 이해될 수 있다.
단계(505s)에서, 기지국(110)은 제2 빔포머에 중첩 계수를 적용한다. 이 떄, 단계(505s)의 중첩 계수를 적용하는 동작은, 단계(405s)의 동작과 동일한 것으로 이해될 수 있다.
단계(507s)에서, 기지국(110)은 중첩 계수가 적용된 제2 빔포머와 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성한다. 이 때, 단계(507s)의 제3 빔포머를 생성하는 동작은, 단계(407s)의 동작과 동일한 것으로 이해될 수 있다.
단계(509s)에서, 기지국(110)은 제3 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정한다.
제3 빔포머는, 중첩을 통해 타겟 안테나에 대한 전력 보상이 이루어진 후, 그 결과로서 생성된 빔포머를 의미할 수 있다. 기지국(110)은, 다중 안테나 중 제3 빔포머에 의해 전력 임계치를 만족하게 된 안테나를 결정할 수 있다. 전력 임계치는, 단계(501s)의 전력 임계치와 동일한 개념으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 전력 임계치가 특정한 개별 안테나의 최대 전력 제한 값의 0.9에 해당하는 경우, 제3 빔포머를 통해 신호를 송신하는 특정한 개별 안테나가 최대 전력 제한 값의 0.9 이상을 만족하는지 여부를 확인할 수 있다. 다만, 여기서, 전력 임계치를 만족한다는 것은, 전력 임계치에 해당하는 값 이상으로 확인되었는지 여부를 결정하는 동작으로 이해될 수 있다. 즉 단계(509s)는, 제3 빔포머에 기반하여 빔포밍을 수행하였을 때, 특정한 개별 안테나가 사용하는 전력이, 최대 전력 제한의 0.9를 초과하는지 여부를 확인하는 동작일 수 있다. 일 예시로서, 최대 전력 제한의 0.9인 경우만을 기재하였으나, 최대 전력 제한 PPAPC의 0≤p≤1배 내의 값에서 선택가능한 모든 경우를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
단계(511s)에서, 기지국(110)은 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인지 판단한다.
결정된 안테나라 함은, 중첩에 의해 생성된 제3 빔포머를 통해 빔포밍을 수행할 경우, 전력 임계치를 넘어서는 전력을 사용할 수 있는 안테나를 의미할 수 있다. 예를 들어, 단계(511s)는 p가 0.9인 경우, 전력 제한에 따른 스케일링에 의하여 제1 빔포머가 생성되고, 제1 빔포머에 의해 특정 안테나를 통한 신호 전송 시, 해당 안테나가 사용하는 전력이 90% 미만인 85%였으나, 제3 빔포머에 의해 특정 안테나를 통한 신호 전송 시, 해당 안테나가 사용하는 전력이 90% 이상으로 확인된 안테나의 수가 임계치 이상인지 판단하는 과정일 수 있다. 임계치는, 안테나의 수를 의미하며, 보다 구체적으로는 타겟 안테나 중에서 제3 빔포머에 의해 전력 임계치를 넘어서게 되는 안테나의 수를 의미할 수 있다. 따라서, 임계치는 타겟 안테나의 수보다 작거나 같을 수 있다.
예를 들어 타겟 안테나가 20개로 결정된 경우, 중첩으로 생성된 제3 빔포머에 의해 신호를 전송할 경우, 20개의 타겟 안테나 중 전력 임계치를 넘어서게 되는 안테나가 2개 발견된다면, 단계(511s)에서 결정되는 안테나의 수는 2개일 수 있다.
본 개시는, 타겟 안테나의 전송 속도 향상을 위한 것이므로, 기지국은 타겟 안테나 모두 또는 대부분이 전력 임계치를 넘어서는지 여부에 따라 동작 수행을 종료할지 여부를 결정할 수 있다. 20개의 타겟 안테나 중 15개가 임계치로 미리 정해진 경우, 기지국(110)은 단계(511s)를 통해 제3 빔포머에 의해 전력 임계치를 만족하는 안테나의 수가 15개 이상인지 여부를 판단할 수 있다.
단계(513s)에서, 기지국(110)은, 결정된 안테나의 수가 임계치 이상이라고 판단되는 것에 대응하여, 제3 빔포머를 이용하여 빔을 송신한다.
기지국(110)은, 타겟 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나의 수가 임계치 이상이라고 판단되면, 충분한 전송 속도 향상을 기대할 수 있을 것이므로 생성된 제3 빔포머를 통해 빔을 송신할 수 있다.
다만, 기지국(110)은 결정된 안테나 수가 임계치 미민이라고 판단하는 경우, 현재 생성된 제3 빔포머로는 목표한 전송 속도 향상을 기대할 수 없을 것이므로, 단계(501s)로 되돌아가 타겟 안테나를 다시 결정할 수 있다.
도 6은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작에 따른 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 단일 안테나를 가지는 8명의 사용자(N=8)와 64개의 안테나를 가지는 기지국(M=64)간의 통신 시스템에서 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국의 동작으로 인한 효과를 확인할 수 있다.
본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 통신 속도의 측정 대상이 되는 사용자를 proposed 1 내지 8로 지칭하고, 본 개시에서 제안된 기법을 사용하기 전, 통신 속도의 측정 대상이 되는 사용자를 Original ZF1 내지 ZF8로 지칭할 수 있다.
도 6에서, 실선으로 표현된 Proposed 1 내지 8의 결과 값이, 점선으로 표현된 Original ZF1 내지 ZF8 대비 우측으로 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 도 6의 그래프에서 x축은 전송 속도 (data rate)를 의미하는 바, 본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 각 사용자의 통신 속도가 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 7은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작에 따른 총 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 개시에서 제안된 기법에 따라 빔포머 중첩을 사용하였을 때(Proposed)와 본 개시에서 제안된 기법을 사용하기 전(Original ZF)의 전체 단말 사용자들에 대한 기지국의 통신 속도 변화를 확인할 수 있다.
도 7에서, 실선으로 표시된 Proposed의 결과 값이, 점선으로 표시된 Original ZF의 결과 값보다 우측으로 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 도 7의 그래프에서 x축은 전송 속도 (data rate)를 의미하는 바, 본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 모든 사용자의 통신 속도가 증가하였음을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 기지국의 빔포머 중첩 동작은, 특정한 안테나에 대하여 편협적으로 디자인된 중첩 계수 행렬에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 단일 안테나를 가지는 다중 사용자 환경에서 특정 사용자에 대한 편협적인 전력 배분을 고려할 수 있다. 이는 송신기와 각 수신 안테나 간의 채널 이득에 큰 차이가 있을 때에 총 통신 속도를 최대화하거나, 낮은 채널 이득을 보상하여 보다 안정적인 서비스 품질을 보장하기 위해 고려될 수 있다. 이를 위한 빔포머에 제한은 없으나, 일 예로서, ZF 빔포머를 고려할 수 있다.
특정 수신 안테나에 대한 편협적인 전력 배분은 수학식 4와 같은 중첩 계수 행렬 A 에 기반하여 구현될 수 있다.
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000015
이때,
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000016
는 중첩된 빔포머가 모든 전력 제한을 만족시키는 범위내에서 중첩된 빔포머 F + WA의 특정 열에 보다 많은 전력이 사용되도록 결정되며, 이는 특정 수신 안테나에서 보다 많은 전력을 수신하도록 한다.
도 8은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작이 편협적인 전력 배분 하에서 수행될 때 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 단일 안테나를 가지는 8명의 사용자(N=8)와 64개의 안테나를 가지는 기지국(M=64)간의 통신 시스템에서 중첩 계수 행렬의 요소를 수학식 5와 같이 두었을 때에, 본 개시에서 제안하는 기법에 따른 특정 사용자의 이득을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2021015666-appb-img-000017
본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 통신 속도의 측정 대상이 되는 사용자를 proposed 1 내지 8로 지칭하고, 본 개시에서 제안된 기법을 사용하기 전, 통신 속도의 측정 대상이 되는 사용자를 Original ZF1 내지 ZF8로 지칭할 수 있다.
도 8에서, 실선으로 표현된 Proposed 1 내지 8의 결과 값이, 점선으로 표현된 Original ZF1 내지 ZF8 대비 우측으로 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 또한 Proposed 8이 다른 사용자 단말(proposed 1 내지 7) 대비, 우측으로 더 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 도 6의 그래프에서 x축은 전송 속도 (data rate)를 의미하는 바, 본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 각 사용자의 통신 속도가 증가하고, 수학식 5에 따라 다른 사용자 대비 4배의 이득을 갖는 proposed 8의 통신 속도가 가장 빠름을 확인할 수 있다.
도 9은, 본 개시의 일 실시 예들에 따른, 기지국의 동작이 편협적인 전력 배분 하에서 수행될 때 총 통신 속도 변화를 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 개시에서 제안된 기법에 따라 빔포머 중첩을 사용하였을 때(Proposed)와 본 개시에서 제안된 기법을 사용하기 전(Original ZF)의 전체 단말 사용자들에 대한 기지국의 통신 속도 변화를 확인할 수 있다.
도 9에서, 실선으로 표시된 Proposed의 결과 값이, 점선으로 표시된 Original ZF의 결과 값보다 우측으로 치우쳐 있음을 확인할 수 있다. 도 9의 그래프에서 x축은 전송 속도 (data rate)를 의미하는 바, 본 개시에서 제안된 기법에 따른 빔포머 중첩을 사용하였을 때, 모든 사용자의 통신 속도가 증가하였음을 확인할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른, 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과, 상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하는 과정과, 상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하는 과정과, 상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하는 과정을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제3 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인지 결정하는 과정을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 제3 빔포머를 이용하여 신호를 송신하는 과정을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 미만인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정을 다시 수행하는 과정을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 빔포머는, 상기 제1 빔포머와 연관된 진폭 중 최대값을 기준으로 상기 다중 안테나에 가해지는 적어도 하나 이상의 진폭을 동일한 비율로 축소될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제1 빔포머와 상기 제3 빔포머에 기반하여 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나의 모든 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나 중 적어도 하나의 안테나의 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정될 수 있다.
본 개시의 다른 실시 예들에 따른, 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국 장치는, 통신부; 및 상기 통신부와 동작 가능하게 연결된 적어도 하나 이상의 제어부를 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 제어부는, 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하고, 상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하고, 상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하고, 상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나 이상의 제어부는, 상기 제3 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하고, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인지 결정하도록 더 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나 이상의 제어부는, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 제3 빔포머를 이용하여 신호를 송신하도록 더 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나 이상의 제어부는, 상기 결정된 안테나의 수가 임계치 미만인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 동작을 다시 수행하도록 더 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 1 빔포머는, 상기 제1 빔포머와 연관된 진폭 중 최대값을 기준으로 상기 다중 안테나에 가해지는 적어도 하나 이상의 진폭을 동일한 비율로 축소될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제1 빔포머와 상기 제3 빔포머에 기반하여 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나의 모든 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 중첩 계수는, 상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나 중 적어도 하나의 안테나의 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1", "제2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로” 또는 "통신적으로”라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드” 또는 "커넥티드”라고 언급된 경우, 그것은 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들은 장치(machine)(예: 전자 장치(101)(101)) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리(136) 또는 외장 메모리(138))에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(140))로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 장치(예: 전자 장치(101)의 프로세서(예: 프로세서(120))는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 장치가 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 장치로 읽을 수 있는 저장매체는, 비일시적(non-transitory) 저장매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: EM파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 장치로 읽을 수 있는 저장 매체(예: CD-ROM(compact disc read only memory))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두개의 사용자 장치들(예: 스마트폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 장치로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 전술된 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 통합 이전에 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과,
    상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하는 과정과,
    상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하는 과정과,
    상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하는 과정을 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정과,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인지 결정하는 과정을 더 포함하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 제3 빔포머를 이용하여 신호를 송신하는 과정을 더 포함하는 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 미만인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 과정을 다시 수행하는 과정을 더 포함하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 빔포머는,
    상기 제1 빔포머와 연관된 진폭 중 최대값을 기준으로 상기 다중 안테나에 가해지는 적어도 하나 이상의 진폭을 동일한 비율로 축소되는 방법,
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 중첩 계수는,
    상기 제1 빔포머와 상기 제3 빔포머에 기반하여 결정되는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 중첩 계수는,
    상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나의 모든 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정되는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 중첩 계수는,
    상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나 중 적어도 하나의 안테나의 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정되는 방법.
  9. 다중 안테나를 이용하는 무선 통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    상기 기지국의 장치는,
    통신부; 및
    상기 통신부와 동작 가능하게 연결된 적어도 하나 이상의 제어부를 포함하며,
    상기 적어도 하나 이상의 제어부는,
    전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하고,
    상기 안테나와 연관된 제2 빔포머를 생성하고,
    상기 제2 빔포머에 중첩 계수 행렬을 적용하고,
    상기 중첩 계수 행렬이 적용된 상기 제2 빔포머와 상기 제1 빔포머를 합산하여 제3 빔포머를 생성하도록 구성되는 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 제어부는,
    상기 제3 빔포머에 기반하여, 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하고,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인지 결정하도록 더 구성되는 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 제어부는,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 이상인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 제3 빔포머를 이용하여 신호를 송신하도록 더 구성되는 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 제어부는,
    상기 결정된 안테나의 수가 임계치 미만인 것으로 결정되는 것에 대응하여, 상기 전력 제한에 따라 스케일링 된 제1 빔포머에 기반하여, 상기 다중 안테나 중 전력 임계치를 만족하는 안테나를 결정하는 동작을 다시 수행하도록 더 구성되는 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 빔포머는,
    상기 제1 빔포머와 연관된 진폭 중 최대값을 기준으로 상기 다중 안테나에 가해지는 적어도 하나 이상의 진폭을 동일한 비율로 축소되는 장치.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 중첩 계수는,
    상기 제1 빔포머와 상기 제3 빔포머에 기반하여 결정되는 장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 중첩 계수는,
    상기 제3 빔포머를 이용한 송신 전력이, 상기 다중 안테나의 모든 전력 제한에 대응되는 값 미만이 되는 범위에서 결정되는 장치.
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