KR102002696B1

KR102002696B1 - 채널 추정 방법

Info

Publication number: KR102002696B1
Application number: KR1020170135042A
Authority: KR
Inventors: 이용훈; 김효지; 이준호; 윤홍식
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2037-10-18
Also published as: KR20180115206A

Abstract

채널 추정 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 기지국이 단말기로 제1 파일럿 빔을 전송하는 단계와, 상기 단말기로부터 상기 제1 파일럿 빔에 기초한 제2 파일럿 빔을 수신하는 단계와, 상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하는 단계와, 상기 기지국이 상기 기지국측 채널 정보에 기초하여 제1 빔포머를 설계하는 단계를 포함한다.

Description

채널 추정 방법{METHOD OF ESTIMATING CHANNEL}

아래 실시예들은 채널 추정 방법에 관한 것이다.

밀리미터파 통신 시스템(millimeter wave communication system)에서는 광대역 주파수 대역(30~300GHz)에서 활용 가능한 넓은 주파수 대역을 사용함으로써 차세대 통신 시스템에서 요구되는 큰 전송량 달성을 가능케 한다.

밀리미터파 통신 시스템의 주요한 특징은 밀리미터파 주파수 대역의 파장이 짧아 많은 수의 안테나 집적화로 인한 큰 빔포밍 이득을 통해 밀리미터파의 높은 경로 손실을 보상할 수 있다는 점이다.

하지만, 밀리미터파 통신 시스템의 안테나 수가 증가함에 따라 기존 conventional MIMO(multiple Input Multiple Output)와 동일하게 각 안테나 마다 독립적인 RF(Radio Frequency) chain, PA(Power Amplifier), ADC(Analog to Digital Converter)의 사용은 밀리미터파 통신 시스템의 하드웨어 복잡도 및 파워소비를 높인다.

이에, 복잡도와 파워소비를 경감시키기 위해 기지국과 단말기에는 안테나 수보다 적은 수의 RF chain을 사용하는 하이브리드 MIMO 구조가 고려되고 있다. 하이브리드 빔포머는 아날로그 빔포머(Analog Beamformer)와 디지털 빔포머(Digital Beamformer)로 구성된다. 아날로그 빔포머는 채널의 주요 방향으로 빔포밍을 하고, 디지털 빔포머는 다중 스트림을 지원하는 MIMO 처리 역할을 수행한다.

밀리미터파 채널 특징으로 인해 안테나 수만큼의 RF chain이 사용되는 conventional MIMO와 비교 하였을 때, 하이브리드 MIMO의 성능 열화는 거의 존재하지 않는다. 이런 이유로 밀리미터파 통신 시스템에서는 하이브리드 빔포머를 주된 시스템으로 고려하고 있다.

밀리미터파 빔포머 설계를 위해서는 기지국과 단말에서 채널 정보가 요구되므로 채널 추정 과정이 선행되어 한다. 이를 위한 기술로서 최근 밀리미터파 채널추정의 오버헤드를 낮추기 위해, 채널 모델에 기반한 파라미터들(gain, AoA(Angle of Arrival), AoD(Angle of Departure) 등)만을 추정하는 기술들이 제안되었다.

실시예들은 단말기가 단말기측 채널 정보를 추정하여 빔 포머를 설계하는 기술을 제공할 수 있다.

또한, 실시예들은 기지국이 기지국측 채널 정보를 추정하여 빔 포머를 설계하는 기술을 제공할 수 있다.

또한, 실시예들은 채널 정보를 추정할 때 오버헤드를 획기적으로 줄이는 기술을 제공할 수 있다.

일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 기지국이 단말기(terminal)로 제1 파일럿 빔(pilot beam)을 전송하는 단계와, 상기 단말기로부터 상기 제1 파일럿 빔에 기초한 제2 파일럿 빔을 수신하는 단계와, 상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하는 단계와, 상기 기지국이 상기 기지국측 채널 정보에 기초하여 제1 빔포머(beamformer)를 설계하는 단계를 포함한다.

상기 제1 파일럿 빔은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform(DFT)) 빔일 수 있다.

상기 기지국측 채널 정보는 AoD(angle of departure) 및 기지국측 이득(gain)을 포함할 수 있다.

상기 기지국측 이득은 상기 AoD에 대응하는 채널의 이득일 수 있다.

상기 제1 빔포머를 설계하는 단계는, 상기 기지국측 채널 정보에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 상기 제1 빔포머를 설계하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 기지국으로부터 제1 파일럿 빔을 수신하는 단계와, 상기 단말기가 상기 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정하는 단계와, 상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 파일럿 빔을 구성하고, 상기 기지국으로 전송하는 단계와, 상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 빔포머를 설계하는 단계를 포함한다.

상기 제2 파일럿 빔을 구성하고, 상기 기지국으로 전송하는 단계는, 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 상기 제1 파일럿 빔을 업데이트 하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 단말기측 채널 정보는 AoA(angle of arrival) 및 단말기측 이득(gain)을 포함할 수 있다.

상기 단말기측 이득은 상기 AoA에 대응하는 채널의 이득일 수 있다.

상기 제2 빔포머를 설계하는 단계는, 상기 단말기측 채널 정보에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 상기 제2 빔포머를 설계하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 채널 추정 방법은 기지국(base station)이 단말기(terminal)로 제1 파일럿 빔(pilot beam)을 전송하는 단계와, 상기 단말기가 상기 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정하는 단계와, 상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 파일럿 빔을 구성하는 단계와, 상기 단말기가 상기 기지국으로 상기 제2 파일럿 빔을 전송하는 단계와, 상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하는 단계를 포함한다.

상기 제2 파일럿 빔을 구성하는 단계는, 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 상기 제1 파일럿 빔을 업데이트 하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 상기 기지국측 채널 정보에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 상기 제1 빔포머를 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법은 상기 단말기측 채널 정보에 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 사용하여 제2 빔포머를 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 1은 통신 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 통신 시스템의 데이터 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 알고리즘의 일 예이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다,
도 4b는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 확인하기 위한 그래프의 일 예이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 확인하기 위한 그래프의 다른 예이다.

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 통신 시스템의 개략적인 블록도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 통신 시스템의 데이터 흐름을 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 통신 시스템(10)은 기지국(base station; 100) 및 단말기(terminal; 200)를 포함한다. 기지국(100) 및 단말기(200)는 무선 통신을 사용하여 서로 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신 시스템(10)은 밀리미터파 통신 시스템(millimeter wave communication system)일 수 있다.

단말기(200)는 전자 장치(electronic device)로 구현될 수 있다. 전자 장치는 PC(personal computer), 데이터 서버, 또는 휴대용 장치 등을 포함할 수 있다.

휴대용 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), 또는 스마트 디바이스(smart device)로 구현될 수 있다.

스마트 디바이스는 스마트 와치(smart watch watch) 또는 스마트 밴드(smart band)로 구현될 수 있다. 즉, 전자 장치(100)는 사용자가 착용할 수 있는 또는 착용하기에 적합한 웨어러블 장치일 수 있다.

기지국(100)은 단말기(200)로 제1 파일럿 빔(pilot beam)을 전송할 수 있다(S210). 예를 들어, 제1 파일럿 빔은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform(DFT)) 빔일 수 있다.

단말기(200)는 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정할 수 있다(S220). 즉, 단말기(200)는 하향 링크 트레이닝을 통해 단말기측 채널 정보를 추정할 수 있다. 단말기측 채널 정보는 AoD(angle of departure), AoA(angle of arrival), 및 단말기측 이득(gain) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단말기측 이득은 단말기측 빔에 대한 이득일 수 있다. 즉, 단말기측 이득은 단말기(200)의 AoA 방향에서의 이득(AoA에 대응하는 채널의 이득)일 수 있다.

단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 파일럿 빔을 구성할 수 있다(S230). 예를 들어, 단말기(200)는 제1 파일럿 빔을 업데이트하여 제2 파일럿 빔을 구성할 수 있다. 즉, 단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 제1 파일럿 빔을 업데이트 할 수 있다.

단말기(200)는 제2 파일럿 빔을 기지국(100)으로 전송할 수 있다(S240).

또한, 단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 빔포머를 설계할 수 있다(S250). 제2 빔포머는 컴바이너(combiner)일 수 있다. 예를 들어, 단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 사용하여 제2 빔포머를 설계할 수 있다. 단말기(200)는 코드북(codebook)을 사용하여 제2 빔포머를 선택할 수 있다. 단말기(200)는 설계되고 선택된 제2 빔포머를 사용하여 빔포밍을 수행할 수 있다.

단말기(200)는 제2 빔포머를 RF/baseband 빔포머로 분리할 수 있다. 이에, 단말기(200)는 안테나 수만큼의 빔 패턴을 아날로그 빔포머로 사용하고, RF chain 수만큼의 빔을 생성할 수 있다.

기지국(100)은 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정할 수 있다(S260). 즉, 기지국(100)은 상향 링크 트레이닝을 통해 기지국측 채널 정보를 추정할 수 있다. 기지국측 채널 정보는 AoD(angle of departure), AoA(angle of arrival), 및 기지국측 이득(gain) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기지국측 이득은 기지국측 빔에 대한 이득일 수 있다. 즉, 기지국측 이득은 기지국(100)의 AoD 방향에서의 이득(AoD에 대응하는 채널의 이득)일 수 있다.

기지국(100)은 기지국측 채널 정보에 기초하여 제1 빔포머를 설계할 수 있다(S270). 제1 빔포머는 프리코더(precoder)일 수 있다. 예를 들어, 기지국(100)은 기지국측 채널 정보에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 제1 빔포머를 설계할 수 있다. 기지국(100)은 코드북(codebook)을 사용하여 제1 빔포머를 선택할 수 있다. 기지국(100)은 설계되고 선택된 제1 빔포머를 사용하여 빔포밍을 수행할 수 있다.

이하에서는 기지국(100)과 단말기(200)가 주파수 효율을 최적으로 하는 빔포머를 각각 설계할 수 있음을 도면 및 수학식을 통해 설명한다. 우선, 수학식에서 사용되는 문자들을 정의하도록 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 알고리즘의 일 예이다.

도 3을 참조하면,

은 데이터 전송용 송신 하이브리드 빔포머이고,

은 데이터 전송용 수신 하이브리드 빔포머일 수 있다.

하이브리드 빔포머는 디지털 디지털 빔포머 및 아날로그 빔포머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 전송용 송신 하이브리드 빔포머

는 송신 아날로그 빔포머

및 송신 디지털 빔포머

를 포함할 수 있다. 또한, 데이터 전송용 수신 하이브리드 빔포머

는 수신 아날로그 빔포머

및 수신 디지털 빔포머

를 포함할 수 있다. 즉,

이고,

일 수 있다.

는 하향 링크에서 채널 추정 시 송신단(예를 들어, 기지국(100))의 하이브리드 빔포머이고,

는 하향 링크에서 채널 추정시 수신단(예를 들어, 단말기(200))의 하이브리드 빔포머일 수 있다.

는 기지국(100)에서의 하나의 빔 패턴을 의미할 수 있다. 이때, 빔 패턴은 총

개일 수 있다. 즉,

이고,

일 수 있다.

는

개의 빔 패턴을 갖는 아날로그 빔포머

와 디지털 빔포머

를 포함할 수 있다. 즉,

일 수 있다.

마찬가지로

는 상향 링크에서 채널 추정 시 송신단(예를 들어, 단말기(200)의 하이브리드 빔포머이고,

는 상향 링크에서 채널 추정 시 수신단(예를 들어, 기지국(100))의 하이브리드 빔포머일 수 있다.

는

개의 빔 패턴을 갖는 아날로그 빔포머

와 디지털 빔포머

를 포함할 수 있다.

기지국(100)에서

의 가우시안 stream(

)을 송신할 때 수학식 1이 성립할 수 있다. 여기서,

는 RF chain의 개수이고,

는 데이터 stream 개수일 수 있다.

여기서,

는 행렬 크기가 N_S×N_S인 항등 행렬(identity matrix)일 수 있다. 즉, 각 stream의 크기가 1이고 서로 다른 stream이 직교할 수 있다.

이때, 기지국(100)에서 주파수 효율은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 기지국(100)이 stream을 송신할 때의 데이터 파워(data power)이고, R _n 은 잡음 공분산 행렬(noise covariance matrix)이고,

을 만족하고,

는 잡음(noise)의 세기일 수 있다. 이때, 최적 빔포머는 수학식 2를 최대화시킬 수 있다.

또한, 수학식 2는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다

수학식 3에서, 첫 번째 등식에 Sylvester의 행렬식 정리를 사용하면 두 번째 등식을 획득할 수 있다. 여기서,

는 행렬 크기가 L×L인 항등 행렬(identity matrix)이고, H는 하향 링크 채널이고,

이고,

이고,

이고, L은 주요 경로의 수이고,

및

는 어레이 응답 벡터(array response vector)이고,

는 경로 l(l-path)의 이득(gain)이고,

는 경로 l(l-path)의 AoA이고,

는 경로 l(l-path)의 AoD일 수 있다.

고성능의 신호대잡음비(high effective signal to noise ratio(SNR)) 상황에서, 수학식 3은 수학식 4와 같이 근사화 될 수 있다.

여기서,

를 절대값

와 위상값

으로 분해하면, 정사각행렬의 행렬식 특성에 의해 수학식 4는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

AoD, gain을 의미하는

은 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 통해,

로 나타낼 수 있다. 여기서,

는

를 특이값 분해(SVD) 했을 때 구해지는 좌 특이벡터(left singular vector)이고,

는

를 특이값 분해(SVD) 했을 때 구해지는 특이값 행렬(singular value matrix)이고,

의 대각선 항(diagonal term)은 특이값이 큰 순서로(내림차순으로) 정렬될 수 있다.

또한, AoA, gain을 의미하는

은 특이값 분해(SVD)를 통해,

로 나타낼 수 있다. 여기서,

는

를 특이값 분해(SVD)했을 때 구해지는 좌 특이벡터(left singular vector)이고,

는

를 특이값 분해(SVD)했을 때 구해지는 특이값 행렬(singular value matrix)이고,

이에, 수학식 5의 주파수 효율 근사식(

)은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 기지국(100)의 빔 포머인 프리코더(precoder)이고,

은 단말기(200)의 빔 포머인 컴바이너(combiner)일 수 있다.

이때, Hadamard의 부등식을 사용하면,

을 최대로 하는 프리코더(precoder)는

로 설계될 수 있다.

는

의 1열부터 L열까지 포함하는 행렬일 수 있다. 또한,

을 최대로 하는 컴바이너(combiner)는

로 설계될 수 있다.

는

의 1열부터 L열까지 포함하는 행렬일 수 있다.

수학식 6을 참조하면, 최적의 주파수 효율을 구현하는 프리코더(precoder)와 컴바이너(combiner)는 독립적으로 설계될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 기지국(100)의 빔포머를 디자인할 때 '기지국측 채널'이 필요하고, 단말기(200)의 빔포머를 디자인할 때 '단말기측 채널'이 필요할 수 있다. 따라서, 추가적인 채널 정보 혹은 빔포머 인덱스 피드백 없이 빔포머를 설계할 수 있다. 각각의 빔포머는 RF/baseband 빔포머로 분리할 수 있다.

채널 전체에 대한 정보 없이, '기지국측 채널'과 '단말기측 채널'만으로도 최적 빔포머를 설계할 수 있기 때문에, 본 발명에서는 오버헤드와 계산량을 감소 시킬 수 있는 압축 센싱 기반 '기지국/단말기 측 채널' 추정 알고리즘을 제안한다.

하향 링크에서 송신단(예를 들어, 기지국(100))과 수신단(예를 들어, 단말기(200))의 빔포머를 각각

와

로 설계하였을 때, 단말기(200)에서의 수신 신호는 수학식 7과 같이 나타난다.

여기서,

는 하향 링크 채널 추정에서의 수신 신호에 대응하는 수신 벡터이고,

는 하향 링크 채널이고,

는 하향 링크 단말기(200)에서 수신 신호에 추가되는 노이즈일 수 있다. 하향 링크 채널추정에서 AoA 추정을 위해, 모든

개의 수신 벡터

를 합하면 수학식 8과 같을 수 있다.

y는 측정 벡터(measurement vector)이고, f 및 n은 수학식 7 및 8을 간소화히기 위하여 정의되는 문자일 수 있다. 예를 들어,

이고,

일 수 있다. 이때, 하향 링크 채널

는 양자화 채널(Quantized-channel)

로 근사화될 수 있다. 여기서,

는 그리드(grid)에 의해 나눠진 AoA들의 어레이 응답 벡터(array response vector)이고,

이고,

는 하향 링크 채널

를 양자화 채널로 근사화했을 때의

이산 푸리에 변환 행렬(discrete Fourier transform(DFT) matrix)이고,

는 기지국(100)의 안테나 개수일 수 있다.

가 되도록

를 수학식 9와 같이 설계하면, 수학식 8은 수학식 10과 같을 수 있다. 여기서,

는

에 가장 가까운 정수이며,

는 정규화 팩터(normalize factor)일 수 있다.

여기서, Q는 센싱 행렬(Sensing Matrix)이고,

이고,

는 지수(윗 첨자)의 크기만큼 차원(dimension)을 갖는 복소수(complex number)이고,

는 상향 링크 트레이닝 시 기지국(100)의 수신 벡터의 개수이고, G는 하향 링크 채널

를 양자화 채널로 근사화했을 때의 그리드(grid)의 개수이고,

는 '단말기측 채널'이고,

일 수 있다.

의 각 요소(element)는 AoA 그리드(grid)에 맞게 들어오는 경로의 이득(gain)일 수 있다.

채널 추정 방법에 사용되는 OMP(Orthogonal Matching Pursuit) 알고리즘은 도 3에 도시된 바와 같을 수 있다.

단말기측 채널 추정과 관련해서, 양자화 채널(Quantized-channel)의 그리드(grid(G))에 따라 채널 추정 성능이 상이하고, 계산량은

일 수 있다. 여기서,

는 빅오 표시법(big-O notation)이고, L은 채널의 레이(lay)의 개수이고, G는 하향 링크 채널

를 양자화 채널로 근사화했을 때의 그리드(grid)의 개수이고,

는 수신단(예를 들어, 단말기(200)) 측에서의 파일럿 빔 패턴의 수일 수 있다.

수신단의 빔포머

는 다양한 기술을 사용하여 설계될 수 있고,

는 RF/baseband 빔포머로 분리될 수 있다.

상향 링크 채널

는 Quantized-channel

로 근사되며,

는 하향 링크에서 추정된 AoA들의 어레이 응답 벡터(Array Response vector)일 수 있다(

). 상향 링크에서 송신단(예를 들어, 단말기(200))과 수신단(예를 들어, 기지국(100))의 빔포머를 각각

와

로 설계하였을 때, 기지국(100)에서의 수신 신호

는 수학식 11과 같을 수 있다.

여기서, Q ^u 는 센싱 행렬(Sensing Matrix)이고,

이고,

는 '기지국측 채널'이고,

일 수 있다. 이때,

로 설계하면

일 수 있다.

의 각 요소(element)는 AoD 그리드(grid)에 맞게 들어오는 경로의 이득(gain)이고,

는 정규화 팩터(normalize factor)일 수 있다. OMP 알고리즘 기반 '기지국측 채널' 추정은 도 3의 알고리즘을 따른다.

양자화 채널(Quantized-channel)의 그리드(grid(G))에 따라 채널 추정 성능이 상이하고, 계산량은

일 수 있다. 여기서,

는 수신단(예를 들어, 기지국(100)) 측에서의 파일럿 빔 패턴의 수일 수 있다.

수신단의 빔포머

는 다양한 기술을 사용하여 설계될 수 있고,

는 RF/baseband 빔포머로 분리될 수 있다.

도 4a는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 기지국(100)과 단말기(200)가 채널을 추정하는 방법을 확인할 수 있다.

기지국(100)은 AoA를 추정하고, 제1 파일럿 빔을 단말기(200)로 전송할 수 있다. 이때, 제1 파일럿 빔은 빔 패턴(

)을 포함할 수 있다. 빔 패턴(

)은 총

개일 수 있다.

단말기(200)는 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정할 수 있다.

단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 AoA 및 AoD를 추정하고, 제2 파일럿 빔을 구성할 수 있다. 이때, 제2 파일럿 빔은 빔 패턴(

)을 포함할 수 있다.

단말기(200)는 제2 파일럿 빔을 기지국(100)으로 전송할 수 있다.

기지국(100)은 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정할 수 있다.

단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 빔포머를 설계할 수 있다. 단말기(200)는 코드북을 사용하여 제2 빔포머를 선택할 수 있다. 단말기(200)는 제2 빔포머를 사용하여 기지국(100)과 통신할 수 있다.

기지국(100)은 기지국측 채널 정보에 기초하여 제1 빔포머를 설계할 수 있다. 기지국(100)은 코드북을 사용하여 제1 빔포머를 선택할 수 있다. 기지국(100)은 제1 빔포머를 사용하여 단말기(200)와 통신할 수 있다. 즉, 기지국(100)과 단말기(200)는 서로 채널을 분리하여 채널 추정 및 트레이닝을 수행할 수 있다. 또한, 추가적인 채널 정보 혹은 빔포머 인덱스 피드백 없이 빔포머를 설계할 수 있다.

도 5a는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 확인하기 위한 그래프의 일 예이고, 도 5b는 일 실시예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 확인하기 위한 그래프의 다른 예이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일 실시예에 따른 채널 추정 방법의 성능을 확인하기 위하여 ASE(Achievable Spectral Efficiency) 분석을 수행할 수 있다. 즉, DNR(Data to Noise Ratio)에 따른 ASE 분석과 PNR(Pilot to Noise Ratio)에 따른 ASE 분석을 수행할 수 있다.

기지국(100)과 단말기(200)는 각각 밀리미터파 채널을 추정할 수 있다. 또한, 기지국(100)과 단말기(200)는 추정된 채널에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 최적 빔포머(

및

)를 설계할 수 있다. 즉, 기지국(100)은 기지국측 채널 정보에 기초하여 빔포머를 설계하고, 단말기(200)는 단말기측 채널 정보에 기초하여 빔포머를 설계할 수 있다.

채널 모델로는 Parametric 채널 모델을 사용 하였으며, 하향 링크 채널 행렬

는 수학식 12와 같을 수 있다.

여기서,

이고,

은 주요 경로의 수이고,

와

는 어레이 응답 벡터(array response vector)이고,

,

는

-path의 gain, AoA, AoD일 수 있다.

TDD(time division duplexing) 시스템에서 상향 링크 채널의 행렬은

이고, 자세한 실험 파라미터는 아래 표 1과 같을 수 있다.

'단말기측 채널' 추정 과정에서(하향 링크 채널), 기지국(100)은 7개의 빔 패턴을 사용할 수 있다(

). 이 때 단말기(200)는 안테나 수만큼의 빔 패턴을 아날로그 빔포머로 사용하며(

), RF chain 개수만큼의 빔을 동시에 생성할 수 있다. 즉, '단말기측 채널' 추정 과정에서의 오버헤드는

일 수 있다.

'기지국측 채널' 추정 과정에서(상향 링크 채널), 추정된 '단말기측 채널'을 바탕으로

를 설계할 수 있다. 이때, 기지국(100)은 안테나 수만큼의 빔 패턴을 아날로그 빔포머로 사용하며(

), RF chain 개수만큼의 빔을 동시에 생성할 수 있다. 즉, '기지국측 채널' 추정 과정에서의 오버헤드는

일 수 있다.

일 실시예에 따른 채널 추정 방법(제안 알고리즘)을 기존 채널 추정 방법(비교 알고리즘)과 비교하면 표 2에 도시된 바와 같을 수 있다. 표 2는 제안 알고리즘과 비교 알고리즘의 오버헤드 및 계산 복잡도를 나타낼 수 있다.

제안 알고리즘의 경우 '기지국측 채널', '단말기측 채널'을 분리하여 찾기 때문에 계산 복잡도가 비교 알고리즘에 비해 낮은 것을 확인할 수 있다.

총 오버헤드에 따른 ASE 성능은 도 5a 및 도 5b를 통해 확인할 수 있다.

도 5a를 참조하면, PNR=10dB인 상황에서 제안 알고리즘이 같은 오버헤드의 비교 알고리즘보다 훨씬 뛰어난 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다. 비교 알고리즘이 64개의 오버헤드로는 충분한 측정값을 얻지 못하고, 이로 인해 채널 추정 성능이 떨어지게 되어 빔포머 설계에 문제가 생기는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 제안 알고리즘의 경우, 동일 64개의 오버헤드를 사용함에 불구하고 우수한 ASE 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다. 비교 알고리즘이 제안 알고리즘과 같은 수준의 ASE를 내기 위해서는 제안 알고리즘의 오버헤드의 2배인 128의 오버헤드를 필요로 하는 것을 확인할 수 있다.

도 5b를 참조하면, DNR=0dB인 상황에서 제안 알고리즘이 같은 오버헤드의 비교 알고리즘보다 훨씬 뛰어난 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다. 비교 알고리즘이 64개의 오버헤드로는 충분한 측정값을 얻지 못해 PNR이 높아짐에도 ASE 성능이 좋지 못하다는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 제안 알고리즘은 -5dB 이상인 상황에서 동일 개수의 오버헤드로 뛰어난 ASE 성능을 갖는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 비교 알고리즘의 경우, 전체 채널 정보를 바탕으로 전체 채널을 추정하고, 채널 주요 경로의 gain, AoA, AoD를 동시에 추정하므로 계산 복잡도와 오버헤드가 높을 수 있다. 또한, 추가적으로 수신단에서 추정 채널 정보 혹은 송신용 빔포머를 송신단에 피드백 해야하는 문제점이 있을 수 있다.

제안 알고리즘의 경우, 송신단과 수신단의 채널 정보를 분리하여 추정하고 이를 바탕으로 최적화된 빔포머를 설계할 수 있다. 제안 알고리즘은 비교 알고리즘과 비교하여 추가적인 피드백 없이 절반의 오버헤드와 낮은 계산 복잡도로 비슷한 성능을 낼 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 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

기지국(base station)의 채널 추정 방법에 있어서,
상기 기지국이 단말기(terminal)로 제1 파일럿 빔(pilot beam)을 전송하는 단계;
상기 단말기로부터 상기 제1 파일럿 빔에 기초한 제2 파일럿 빔을 수신하는 단계;
상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하는 단계; 및
상기 기지국이 상기 기지국측 채널 정보에 기초하여 제1 빔포머(beamformer)를 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 제2 파일럿 빔은 상기 단말기가 상기 제1 파일럿 빔에 따라 추정한 단말기측 채널 정보에 기초하여 상기 제1 파일럿 빔을 업데이트한 파일럿 빔이고,
상기 기지국측 채널 정보는 AoD(angle of departure) 및 기지국측 이득(gain)을 포함하고,
상기 단말기측 채널 정보는 AoA(angle of arrival) 및 단말기측 이득(gain)을 포함하는 채널 추정 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 파일럿 빔은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform(DFT)) 빔인 채널 추정 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 기지국측 이득은 상기 AoD에 대응하는 채널의 이득인 채널 추정 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 빔포머를 설계하는 단계는,
상기 AoD(
) 및 상기 기지국측 이득의 절대값(
)으로 구성된
에 특이값 분해(SVD)를 사용하여 상기 제1 빔포머를 설계하는 단계
를 포함하는 채널 추정 방법.
단말기의 채널 추정 방법에 있어서,
기지국으로부터 제1 파일럿 빔을 수신하는 단계;
상기 단말기가 상기 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정하는 단계;
상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 상기 제1 파일럿 빔을 업데이트하여 제2 파일럿 빔을 구성하고, 상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하도록 상기 제2 파일럿 빔을 상기 기지국으로 전송하는 단계; 및
상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 제2 빔포머를 설계하는 단계
를 포함하고,
상기 단말기측 채널 정보는 AoA(angle of arrival) 및 단말기측 이득(gain)을 포함하고,
상기 기지국측 채널 정보는 AoD(angle of departure) 및 기지국측 이득(gain)을 포함하는 채널 추정 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 파일럿 빔은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform(DFT)) 빔인 채널 추정 방법.
삭제
삭제
제6항에 있어서,
상기 단말기측 이득은 상기 AoA에 대응하는 채널의 이득인 채널 추정 방법.
제6항에 있어서,
상기 제2 빔포머를 설계하는 단계는,
상기 AoA(
) 및 상기 단말기측 이득의 절대값(
)으로 구성된
에 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 사용하여 상기 제2 빔포머를 설계하는 단계
를 포함하는 채널 추정 방법.
기지국(base station)이 단말기(terminal)로 제1 파일럿 빔(pilot beam)을 전송하는 단계;
상기 단말기가 상기 제1 파일럿 빔에 기초하여 단말기측 채널 정보를 추정하는 단계;
상기 단말기가 상기 단말기측 채널 정보에 기초하여 상기 제1 파일럿 빔을 업데이트하여 제2 파일럿 빔을 구성하는 단계;
상기 단말기가 상기 기지국으로 상기 제2 파일럿 빔을 전송하는 단계; 및
상기 기지국이 상기 제2 파일럿 빔에 기초하여 기지국측 채널 정보를 추정하는 단계
를 포함하고,
상기 기지국측 채널 정보는 AoD(angle of departure) 및 기지국측 이득(gain)을 포함하고,
상기 단말기측 채널 정보는 AoA(angle of arrival) 및 단말기측 이득(gain)을 포함하는 채널 추정 방법.
삭제
제12항에 있어서,
상기 제1 파일럿 빔은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform(DFT)) 빔인 채널 추정 방법.
삭제
제12항에 있어서,
상기 단말기측 이득은 상기 AoA에 대응하는 채널의 이득인 채널 추정 방법.
삭제
제12항에 있어서,
상기 기지국측 이득은 상기 AoD에 대응하는 채널의 이득인 채널 추정 방법.
제12항에 있어서,
상기 AoD(
) 및 상기 기지국측 이득의 절대값(
)으로 구성된
에 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 사용하여 제1 빔포머를 설계하는 단계
를 더 포함하는 채널 추정 방법.
제12항에 있어서,
상기 AoA(
) 및 상기 단말기측 이득의 절대값(
)으로 구성된
에 특이값 분해(singular value decomposition(SVD))를 사용하여 제2 빔포머를 설계하는 단계
를 더 포함하는 채널 추정 방법.