KR102485536B1

KR102485536B1 - 아날로그 프리코딩 및 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하는 방법

Info

Publication number: KR102485536B1
Application number: KR1020217021826A
Authority: KR
Inventors: 퀴안루이 리
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: WO2020149422A1; JP7170863B2; EP3683975A1; US20220052745A1; JP2022505983A; CN113287265A; KR20210100710A; US11374642B2; CN113287265B

Abstract

본 발명은,아날로그 프리코딩 행렬 과 복수의 다중 사용자 그룹 - 각 다중 사용자 그룹 은 복수의 부반송파 중 각 부반송파

과 연관되어 있으며, 각 다중 사용자 그룹 은 복수의 수신기 중 각 부반송파

에서 데이터 전송을 위해 공동으로 서비스되는 복수의 수신기를 포함함 - 을 공동으로 결정하는 단계와, 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파 상에서 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 처리하기 위해 아날로그 프리코딩 행렬

을 사용하는 단계를 포함하되, 아날로그 프리코딩 행렬

과 복수의 다중 사용자 그룹 의 공동 결정은, /a/ 아날로그 프리코딩 행렬 및 다중 사용자 그룹 - 아날로그 프리코딩 행렬 에 관하여, 다중 사용자 그룹 은 고정됨 - 의 빔포밍 함수 를 최적화하는 단계와, /b/ 아날로그 프리코딩 행렬 및 다중 사용자 그룹 - 다중 사용자 그룹 에 관하여, 아날로그 프리코딩 행렬 의 값은 고정됨 - 의 스케줄링 함수 를 최적화하는 단계를 포함하고, /a/와 /b/는 중단 기준이 충족될 때까지 반복해서 되풀이되는 것을 특징으로 한다.

Description

아날로그 프리코딩 및 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하는 방법

본 발명은 무선 통신, 더 구체적으로는, 예를 들어 광대역 MU mmWave 매시브 다중 입출력(Multiple-Input/Multiple-out, MIMO) 시스템과 같은 다중 사용자(MU) 광대역 밀리미터파(mmWave) 시스템의 무선 리소스 관리를 위한 기술에 관한 것이다.

30 기가헤르츠(GHz)에서 300 GHz까지의 반송파 주파수를 활용하는 밀리미터파(mmWave) 무선 통신은, 예를 들어, 미래 5G 셀룰러 시스템의 핵심 특징이 될 전망이다. 이러한 고주파수를 사용하는 것의 주요한 이점은 더 높은 데이터 전송률을 위해 더 큰 스펙트럼을 사용할 수 있다는 것이다.

밀리미터 파의 전파(propagation)는 자유 공간에서의 경로 손실, 건축 재료를 통한 높은 침투 손실(penetration loss), 약한 회절, 방해물에 대한 취약성이 특징이다. 따라서, 전파 장애를 보상하고 수백 미터 거리에 걸쳐 셀룰러 커버리지를 가능하게 하기 위해 송신 및 수신측 모두에서 고방향성 적응형 안테나 어레이가 사용되어야 한다.

방향성 어레이는 보통, 가령 수십 개에서 수백 개에 이르는 매우 많은 수의 안테나 요소를 사용하여 제작된다. 큰 안테나 어레이를 사용하면 방향성 이득이 높을 뿐만 아니라, 더 좁은 폭의 빔을 실현할 수 있어 공간 멀티플렉싱을 향상시킨다.

광대역 mmWave 시스템의 무선 리소스 관리는 6 GHz 이하의 종래 시스템에 비해 실제로 훨씬 더 복잡하다. 큰 안테나 어레이의 시스템의 경우에, 고대역폭 혼합 신호 구성요소(high bandwidth mixed-signal components)는 비싸고 전력을 많이 소비하기 때문에, 송수신기(transceiver)에서의 무선 주파수(RF) 체인의 수가 안테나의 숫자보다 적어야 한다. RF 체인의 수를 줄이기 위해, 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍 아키텍처가 일반적으로 사용된다.

하이브리드 아키텍처의 장점 중 하나는 아날로그 처리의 정확성 부족(가령, 유한한 위상 분해능으로만 작동하는 이상기(phase shifter)로 인한 정확성 부족)을 추가적인 디지털 처리로 보상할 수 있다는 것이다. 그러나, 광대역 mmWave 시스템의 경우에, 광대역 시스템의 아날로그 RF(또는, 간단히 “RF”) 빔포밍은 모든 부반송파(subcarrier) 사이에서 공유되는 반면, 디지털 베이스밴드(또는, 간단히 “베이스밴드”) 빔포밍은 부반송파 간에 서로 다를 수 있기 때문에, 무선 리소스 관리를 위한 빔포밍 디자인(즉, 아날로그 및 디지털 빔형성기의 디자인)은 6 GHz 이하에서 동작하는 종래 LTE 시스템 또는 협대역 mmWave 시스템보다 훨씬 더 복잡하다.

또한, 다중 사용자(MU) 시스템에서, 복수의 사용자 단말기(UE, 이하에서 “사용자”, 또는 “수신기”라고도 함)는 데이터 전송을 위해 동일한 리소스 블록(RB)의 집합으로 할당될 수 있다. 따라서, 무선 리소스 관리는

- MU 스케줄링을 위해 UE를 그룹화하는 사용자 그룹핑 및,

- UE 그룹에 시간 및 주파수 리소스를 할당하는 리소스 할당의 두 문제를 고려해야 한다.

사용자 스케줄링, 자원 할당 및 UE 그룹으로 사용자를 그룹핑하는 원칙은 도 1에 도시되어 있다.

도 1은 복수의 활성화 UE(102a, 102b, 102c, 102d)를 포함하는, 베이스 기지국(BS)(103)(이하에서 “전송기”라고도 함)에 의해 제공되는 셀(101)을 도시한다. 먼저, 전송을 위해 활성화 UE(102a, 102b, 102c, 102d) 중 복수의 활성화 UE(104)가 선택될 수 있다. 선택된 UE(스케줄링된 UE라고도 함)는 도 1 에 동그라미 쳐져 있다. 이후, 광대역 시스템의 경우, 리소스 할당 과정 동안 각각의 스케줄링된 UE는 전송을 위한 특정 주파수 대역으로 할당될 수 있다. 다중 사용자 전송 체계의 경우에, 복수의 사용자는 동일한 시간-주파수 리소스(즉, 리소스 블록의 집합, RB)에서 공동으로 서비스를 받을 수 있다. 그러한 목적으로, 사용자 그룹핑은 UE의 다중-사용자 그룹(105a, 105b)를 형성하기 위해 수행되어 MU 그룹의 UE가 동일한 시간-주파수 리소스(106a, 106b)를 차지하도록 한다. 예를 들어, L개의 부반송파가 있는 광대역 시스템에서, 각 부반송파

에 대해, K(

인 정수)명의 사용자들은

번째 부반송파에서 공동으로 서비스를 받는다고 가정할 수 있다. 이 경우에, 각 MU 그룹

(

)은

번째 부반송파에서 공동으로 서비스를 받는 K명의 사용자들을 포함할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 하이브리드 광대역 무선 시스템에서 전송기와 수신기의 예시를 각각 도시한다.

도 2a에 따르면, 전송기(200)에는

개의 전송 안테나와

개의 전송 RF 체인이 장착되어 있다. 이는

개의 부반송파가 포함된 광대역 시스템에서 작동하며, 각 부반송파

(

)에서, K명의 사용자가 공동으로 전송기(200)에 의해 서비스되고 스케줄링된다. 다음에서, 주어진 부반송파

에서 스케줄링된 사용자의 인덱스는

(

및

)로 기록된다. 즉, 사용자

는

번째 부반송파의 k번째 사용자이다.

전송기(200)에서, 각 부반송파

(

)에 대해,

데이터 스트림

은 베이스밴드 프리코더(201, 202)(또는 "베이스밴드 프리코딩 행렬")

에 이어 RF 프리코더(203)(또는 “RF 프리코딩 행렬")에 의해 처리된다. 디지털 베이스밴드 프리코더(201, 202)는 서로 다른 부반송파 사이에서 서로 다를 수 있는 반면, 아날로그 RF 프리코더(203)는 모든 부반송파 사이에서 같다는 점에 주목해야 한다.

도 2b에 도시된 실시예에 따르면,

번째 수신기(210)

(

및

)는

수신 RF 체인 및

수신 RF 체인이 장착될 수 있다.

번째 수신기(210)는 전송기로부터

데이터 스트림을 수신할 수 있다. 수신된 데이터 스트림은 RF 컴바이너(211)

에 의해 처리되고 나서, 베이스밴드 컴바이너(212)

에 의해 처리된다. RF 및 베이스밴드 컴바이너에 의해 처리된 후에,

번째 수신기(210)는

데이터 스트림

,

, ...,

을 출력할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이,

번째 수신기에 대해 하나 이상의 베이스밴드 컴바이너가 있을 수 있다. 실제로,

번째 부반송파에 스케줄링된 사용자

는 다른 부반송파

에 스케줄링될 수도 있다.

물론, 도 2a 및 2b에 도시된 아키텍처는 본 방법이 수행될 수 있는 하이브리드 광대역 무선 시스템의 예시일 뿐이다. 다른 시스템이 고려될 수 있다. 예를 들어, 수신기에서, 아날로그 및 디지털 컴바이너 모두 대신 오직 아날로그 컴바이너만 있을 수 있다.

이러한 하이브리드 광대역 무선 시스템의 글로벌 성능은 “성과 수치(figure of merit)”라고 불리는 값으로 정량화할 수 있으며, 성과 수치는 MU 그룹

의 함수와 RF 빔포밍 행렬, 즉 RF 프리코딩

과 RF 컴바이닝 행렬

의 함수라는 것을 알 수 있다.

예로서, 무선 리소스 관리에 관한 성과 수치의 경우, 이하에서 제공되는 가능한 실시예에 따르면 다운링크(DL) 전송의 평균 광대역 섬레이트(average wideband sum rate)이다.

이 실시예에서, K개의 수신기는 각 부반송파에서 다중 사용자 전송을 위해 공동으로 서비스 된다고 가정한다. 다른 실시예에서, 공동으로 서비스되는 수신기의 숫자는 별개의 두 부반송파에 대해 서로 다를 수 있다. K(

)개의 수신기가 각 부반송파

(

)에서 공동으로 서비스되는 경우에서, 부반송파

에서 전송기에 의해 전송되는 스트림의 총 수는

와 같다. 이 경우,

및

이다.

또한, 다음의 제약 사항을 가정할 수 있다.

수신기, 즉

번째 부반송파의 k번째 수신기(k는 정수,

)에서 수신된 신호

는,

라고 할 수 있고, 여기서

는 행렬

의 켤레 전치 행렬(conjugate transpose matrix)을 나타내며,

는

번째 부반송파의 k번째 수신기에 대한 사용자 채널 행렬이고,

는

번째 부반송파에 스케줄링된 모든 K 수신기에 대한 데이터 심볼

의 결합(concatenation)이며,

는

번째 수신기에 대한 노이즈 벡터이다.

수신기에서 사용자 채널 행렬(또는, “채널 상태 정보”, CSI)을 완벽하게 알지 못하는 경우에서, 수신기에서의 CSI(CSI at the Receiver, CSIR)을 추정하기 위해 채널 추정이 수행될 수 있다. CSIR을 추정하기 위한 모든 최첨단의 방법이 수행될 수 있다. 본 개시 내용에서,

은, 완벽한 CSIR이 알려진 경우 완벽한 CSIR을 나타낼 수도 있고, 전용 방법에 의해 얻어진 CSIR의 추정을 나타낼 수도 있다.

데이터 심볼 벡터의 전력(power)은

를 만족한다고 가정할 수 있고, 여기서

는 통계적 추정을 의미하며,

는 sz 크기의 항등 행렬(identity matrix)을 의미하고,

는 가우시안 벡터이다. 예를 들어,

고,

이다. RF 및 베이스밴드 프리코더는

과 같은 전력 제약을 받는다고 가정할 수 있고, 여기서

는

번째 부반송파의 전체 전송 전력이고,

는 가령 프로베니우스 노름(Frobenius norm)과 같은, 행렬

의 노름(norm)이다.

하이브리드 아키텍처의 RF 프리코더/컴바이너는 이상기(phase shifter)에 의해 구현될 수 있고, 각 송수신기는 이상기 네트워크를 통해 각 안테나에 연결된다. 이 경우,

및

의 행렬 요소는

를 만족하고, 여기서

는 전송기에서의 이상기의 양자화 위상의 이산 집합이며,

는 수신기

에서의 이상기에 대한 양자화 위상의 이산 집합이다.

일 실시예에서, 최소 평균 제곱근 편차(MMSE) 베이스밴드 디지털 빔포밍은 수신기

에서 사용될 수 있다. 베이스밴드 프리코더

는 K 부행렬

(

)의 결합인

로서 나타낼 수 있고, 여기서

는 수신기

에 전송되는 신호를 프리코딩하는 데 사용되는 행렬

의 부분이다. 디지털 베이스밴드 컴바이너는 따라서

으로 나타낼 수 있고, 여기서

는 수신기

의 등가 채널이다.

다운링크(DL) 전송의 평균 광대역 섬레이트는

이며, 여기서

는 스케줄링된 리시버에 대한 유효 소음 공분산 행렬(effective noise covariance matrix)로서,

이며, 여기서

는

번째 부반송파에서 공동으로 서비스되는 K명의 사용자를 포함하는 MU 그룹이다.

시스템의 글로벌 성능을 최대화하기 위하여

과

의 함수를 공동으로 최적화하는 것은, 일부 파라미터는 연속적인 도메인에서 최적화되는 반면 다른 파라미터는 이산 코드북 공간에서 최적화되는, 여러 파라미터의 공동 최적화라는 점에서, 어려운 논 컨벡스 하이브리드 최적화 문제(non convex hybrid optimization problem)이다. 이러한 이유로, 적절한 시간 내에 닫힌 형태의 해(closed form solution) 또는 준-최적 수치 해(sub-optimal numerical solution)를 찾기 어렵다. 또한, 이러한 문제를 해결하는 것은 전송기의 모든 부반송파의 모든 사용자에 대한 채널 상태 정보(CSI)를 수집해야 하며, 이는 엄청난 시그널링 오버헤드로 이어지며, 실제 시스템 설계에서는 허용되지 않는다.

종래 기술의 알고리즘에서, 사용자 스케줄링, 즉, MU 그룹

의 결정 및 RF 빔포밍 디자인의 결정, 즉 RF 빔포밍 행렬

의 결정은 각각에 대해 순차적으로 및 독립적으로 처리된다. 더 구체적으로, 이들 알고리즘은 첫째로 사전 정의된 스케줄링 기준에 기초하여 사용자 그룹

을 결정하고 나서, 사전 정의된 RF 빔포밍 기준에 기초하여 RF 빔포밍 행렬

을 결정한다. 그러나, 사용자 스케줄링 및 RF 빔포밍 모두의 순차적 처리와 같은 문제는 성능 저하로 이어진다.

따라서 광대역 다중 사용자 매시브 MIMO 시스템에서, 높은 계산 복잡도 및 막대한 시그널링 오버헤드를 피하면서 좋은 성능을 가진, 사용자 스케줄링 및 RF 빔포밍 디자인을 위한 방법이 필요하다.

본 발명은 복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기에 서비스를 제공할 수 있는 전송기를 포함하는 밀리미터파 통신 시스템에서 아날로그 및 디지털 프리코딩을 가능하게 하는, 컴퓨터에 의해 구현되는 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍 방법과 관련한 것으로서, 이 방법은,

- 아날로그 프리코딩 행렬

과 복수의 다중 사용자 그룹

- 각 다중 사용자 그룹

은 복수의 부반송파 중 각 부반송파

과 연관되어 있으며, 각 다중 사용자 그룹

은 복수의 수신기 중 각 부반송파

에서 데이터 전송을 위해 공동으로 서비스되는 복수의 수신기를 포함함 - 을 공동으로 결정하는 단계와,
- 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l에 대해, 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]에 의해 N_s(l) 데이터 스트림 I₁,...,I_Ns(l)을 처리하는 단계와,
- 전송 RF 체인을 통해 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]의 출력을 처리하는 단계와,

- 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파 상에서 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 획득하기 위해 아날로그 프리코딩 행렬

을 사용하여 상기 전송 RF 체인의 출력을 처리하는 단계를 포함하되,

아날로그 프리코딩 행렬

과 복수의 다중 사용자 그룹

의 공동 결정은,

/a/ 아날로그 프리코딩 행렬

및 다중 사용자 그룹

- 아날로그 프리코딩 행렬

에 관하여, 다중 사용자 그룹

은 고정됨 - 의 빔포밍 함수

를 최적화하는 단계와,

/b/ 아날로그 프리코딩 행렬

및 다중 사용자 그룹

- 다중 사용자 그룹

에 관하여, 아날로그 프리코딩 행렬

의 값은 고정됨 - 의 스케줄링 함수

를 최적화하는 단계를 포함하고, /a/와 /b/는 중단 기준이 충족될 때까지 반복해서 되풀이된다.

이상에서 언급한 바와 같이, 밀리미터파 시스템은 종래 통신 시스템에 관한 (RF 프리코딩 및 컴바이닝 코드북, RF 프리코더 및 컴바이너의 비-주파수 선택적 특성 등과 같은) 추가적인 제약 조건에 종속된다. 따라서, 밀리미터파 시스템에 대해, 프리코더 및 스케줄링 디자인은 이들 특정 제약 사항을 고려해야 하며, 이 디자인은 종래 준-6GHz 시스템과 매우 다르다. 본 발명은 스케줄링 문제(이 방법의 단계 b/) 및 RF 빔포밍(이 방법의 단계 a/)의 공동 대체 최적화에 기초한 다중 단계 방법으로 이러한 특정 제약 사항 하에서 빔포밍 디자인 문제의 해결을 제안한다.

실시예에서, /b/는 /a/ 이후에 수행될 수 있다. /a/에서 다중 사용자 그룹

은 공동 결정의 이전 반복(previous iteration)에서 획득할 수 있고, /b/에서 아날로그 프리코딩 행렬

의 값은 /a/의 현재 반복(current iteration)에서 획득할 수 있다.

"이전(previous)" 및 "현재(current)" 반복은 이 방법의 두 연속되는 반복을 의미하며, "이전" 반복은 "현재" 반복 바로 이전의 반복을 뜻한다.

대안적인 실시예에서, /b/는 /a/ 이전에 수행될 수 있다. /a/에서 다중 사용자 그룹

은 /b/의 현재 반복에서 획득할 수 있고, /b/에서 아날로그 프리코딩 행렬

의 값은 공동 결정(joint determination)의 이전 반복에서 획득할 수 있다.

하나 또는 일부 실시예에서, 아날로그 프리코딩은 아날로그 프리코딩 코드워드(cordword)의 집합

을 사용하여 수행될 수 있고, /a/는

- 제 1 행렬

의 열(column)이 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합

에 속한다고 가정하는 것 없이 빔포밍 함수

를 최적화하는 제 1 행렬

을 결정하는 단계와,

- 적어도 하나의 아날로그 프리코딩 코드워드를 결정 - 각각의 결정된 아날로그 프리코딩 코드워드는 제 1 행렬

의 열과의 거리를 최소화함 - 하는 단계와,

- 아날로그 프리코딩 행렬

- 상기 아날로그 프리코딩 행렬의 열(column)은, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 프리코딩 코드워드와 동일함 - 을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 이 방법은, 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬

을 결정하는 단계를 더 포함하되, 빔포밍 함수와 스케줄링 함수는 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬

의 추가적인 함수일 수 있고, /a/의 최적화는 아날로그 프리코딩 행렬

과 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬

에 관한 빔포밍 함수의 공동 최적화일 수 있으며, /b/의 최적화는 고정된 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬

중 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬의 값과 함께 수행될 수 있고, 결정된 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬

은 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파에서 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 처리하기 위해 또한 사용될 수 있다.

또한, 아날로그 컴바이닝은 아날로그 컴바이닝 코드워드의 집합

을 사용하여 수행될 수 있되, /a/는

- 제 2 행렬

의 열(column)이 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합

에 속한다고 가정하는 것 없이 빔포밍 함수를 최적화하는 제 2 행렬

을 결정하는 단계와,

- 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 코드워드를 결정 - 결정된 각 아날로그 컴바이닝 코드워드는 제 2 행렬

의 열까지의 거리를 최소화함 - 하는 단계와,

- 아날로그 컴바이닝 행렬

- 상기 아날로그 컴바이닝 행렬의 열은, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 코드워드와 동일함 - 을 결정하는 단계를 포함한다.

하나 또는 일부 실시예에서, 이 방법은,

- 복수의 전송 행렬

- 복수의 전송 행렬 중 각 전송 행렬은 복수의 수신기 중 하나의 수신기

및 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파와 연관되며, 복수의 전송 행렬 중 각 전송 행렬의 열(column)은 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합

에 속함 - 을 수신하는 단계와,

- 복수의 전송 행렬

에 기초하여, 복수의 수신기 집합

- 각 수신기 집합

은 복수의 수신기 중 하나 이상의 수신기를 포함하고, 하나 이상의 수신기 중 각 수신기는 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파와 연관됨 - 을 결정하는 단계를 또한 포함할 수 있으며,

/a/는, 복수의 아날로그 프리코딩 부행렬

- 각 아날로그 프리코딩 부행렬

은 각 수신기 집합

의 수신기와 연관된 아날로그 프리코딩 행렬

의 부분에 해당함 - 을 결정하는 단계를 또한 포함할 수 있다.

수신기 집합의 결정("클러스터링 절차"라고도 함)은 복잡성-성능(complexity-performance)의 더 나은 절충을 제공한다. 이 클러스터링 절차를 통해,

와

의 최적화를 해결하는 것은

와

의 K 병렬형 최적화(K parallelizable optimization)를 해결하는 것으로 바뀌며, 각 문제는 더 작은 문제 차원(problem dimension)과 감소된 검색 공간(search space)을 가지지만, 클러스터링으로 인한 섬레이트 성능 저하는 무시할 수 있다.

이 클러스터링 절차는 선택적이라는 것을 이해해야 한다. 그러나, 이러한 클러스터링이 수행되지 않는 경우에, BS에서의 중앙화된 디자인을 위한 (스케줄링 디자인에 대한) 검색 공간은 더 커지고, 문제 차원으로 인해 (RF 프리코더/컴바이너 최적화에 대한) 복잡도가 증가한다.

실시예에서, 복수의 전송 행렬 중 각 전송 행렬은 아날로그 프리코딩 코드워드일 수도 있고, 복수의 부반송파 중 각 부반송파 및 복수의 수신기 중 각 수신기와 연관될 수도 있다.

또한, 각 전송 행렬은 각 부반송파에서 전송기와 각 수신기 간의 각각의 중요 통신 경로(significant communication path)에 해당할 수 있다.

mmWave 통신 시스템에서, 중요 이득(significant gain)을 가진 경로의 수는 채널 행렬의 크기에 비교하면 매우 적다. 중요 경로만을 사용하는 것은 채널 희소성(channel sparsity)을 유리하게 이용하며, 따라서 BS와 UE 간에 교환할 정보의 양을 제한한다.

또한, 복수의 수신기 집합

은 복수의 전송 행렬

중 적어도 두 개의 전송 행렬 간 유사도 측정(similarity measure)에 기초하여 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 아날로그 프리코딩과 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하는 밀리미터파 통신 시스템의 전송기에 관한 것이며, 이 전송기는 복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기에 서비스를 제공할 수 있다. 이 전송기는,

- 아날로그 프리코딩 행렬

과 복수의 다중 사용자 그룹

- 각각의 다중 사용자 그룹

은 복수의 부반송파 중 각 부반송파

와 연관되어 있고, 각각의 다중 사용자 그룹

은 복수의 수신기 중 각 부반송파

상에서 데이터 전송을 위해 공동으로 서비스되는 복수의 수신기를 포함함 - 을 공동으로 결정하기 위한 회로와,
- 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l에 대해, 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]에 의해 N_s(l) 데이터 스트림 I₁,...,I_Ns(l)을 처리하고, 전송 RF 체인의 출력을 처리하는 적어도 하나의 회로와,

- 아날로그 프리코딩 행렬

을 사용하여, 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파에서 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 획득하기 위해, 전송 RF 체인의 출력을 처리하기 위한 처리 회로를 포함하되,

아날로그 프리코딩 행렬

과 복수의 다중 사용자 그룹

을 공동으로 결정하는 회로는,

/a/ 아날로그 프리코딩 행렬

및 다중 사용자 그룹

- 아날로그 프리코딩 행렬

에 관하여, 다중 사용자 그룹

은 고정됨 - 의 빔포밍 함수

를 최적화하는 동작과,

/b/ 아날로그 프리코딩 행렬

및 다중 사용자 그룹

- 다중 사용자 그룹

에 관하여, 아날로그 프리코딩 행렬

의 값은 고정됨 - 의 스케줄링 함수

를 최적화하는 동작을 하도록 구성되며, 중단 기준(stopping criterion)이 충족될 때까지 /a/와 /b/를 반복해서 되풀이한다.

본 발명의 다른 측면은 아날로그 프리코딩 및 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하는 밀리미터파 통신 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기를 서비스할 수 있는, 상기 정의된 전송기를 포함한다.

본 발명의 다른 측면은 프로그램 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 관한 것이며, 컴퓨터 프로그램은 데이터 프로세싱 유닛에 로드 가능(loadable)하고, 컴퓨터 프로그램이 데이터 프로세싱 장치에 의해 실행되는 경우, 데이터 프로세싱 유닛이 이상의 방법들 중 어느 한 방법을 수행하게 하도록 조정된다.

본 명세서에서 개시된 이 방법 및 장치의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여, 다음의 제한 없는 실시예의 설명에 의해 명백해질 것이다.

본 발명은 첨부된 도면의 그림에, 한정하지 않는 예시의 방법으로 설명되어 있으며, 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
[도 1]
도 1은 광대역 다중 사용자 시스템에서의 사용자 스케줄링, 리소스 할당 및 사용자 그룹핑을 도시한다.
[도 2A]
도 2A는 하이브리드 광대역 무선 시스템의 전송기의 예를 도시한다.
[도 2B]
도 2B는 하이브리드 광대역 무선 시스템의 수신기의 예를 도시한다.
[도 3]
도 3은 본 발명의 가능한 실시예의, 전송기에서 MU 그룹, RF 프리코더

및 RF 컴바이너

의 공동 결정을 설명하는 플로우차트이다.
[도 4]
도 4는 본 발명의 가능한 실시예의, 결정된 사용자 집합

에 기초하여 MU 그룹, RF 프리코더

및 RF 컴바이너

의 공동 결정을 설명하는 플로우차트이다.
[도 5]
도 5는 본 발명을 가능하게 하는 장치의 가능한 실시예이다.

"포함하다(comprise)", "포함하다(include)", "통합하다(incoporate)", "담고 있다(contain)", "이다(is)", "갖추다(have)"와 같은 표현은 상세한 설명 및 관련 청구항을 이해할 때 비배타적인 방식으로 해석되며, 즉, 명시적으로 정의되지 않은 다른 사항 또는 구성요소도 존재할 수 있도록 해석된다.

단수에 대한 언급은 또한 복수에 대한 언급으로 해석되어야 하며, 그 반대의 경우에도 마찬가지이다.

다음에서, 아날로그 프리코딩 행렬

은 유한한 크기의 RF 프리코딩 코드북

으로부터 선택되고, 아날로크 컴바이닝 행렬

은 유한한 크기의 RF 컴바이닝 코드북

으로부터 선택된다고 가정한다. RF 컴바이닝 코드북은 모든 수신기에 대해 동일할 수도 있고, 서로 다른 수신기에 대해 서로 다를 수도 있다. 코드북의 모든 유형은, 가령 그라스만(Grassmannian) 또는 빔스티어링(beamsteering) 코드북과 같은

와

에 대해 선택될 수 있다. 코드북의 요소는 코드워드라고 한다.

의 코드워드는 "RF 프리코딩 코드워드"라고 하고,

의 코드워드는 "RF 컴바이닝 코드워드"라고 한다.

일 실시예에서, 프리코딩 코드북

은 오버샘플링된 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT) 행렬, 즉, DFT 행렬에서 선택된 부행렬을 재정규화(re-nomalizing)하여 구성된 행렬에 기초한다. 이러한 행렬은 알고리즘적으로 다음에 의해 획득할 수 있다.

여기서

는 오버샘플링 레이트이고, FFT(X)는 X의 이산 푸리에 변환을 반환하며, eye(sz)는 주대각선이 1이고 나머지는 0인, 크기가 sz x sz인 행렬을 반환하고, sqrt(x)는 숫자 x의 제곱근을 반환하며, norm(A)는 A로부터 획득한 정규화된 행렬을 반환한다(즉, A의 각 열(column)에 대해, 열의 모든 계수는 열의 노름(norm)으로 나뉘므로, 획득한 행렬의 각 열의 노름은 1임). 최종 행렬 W는 첫번째 행부터

까지의 행을 선택하고, 첫번째 열부터

까지의 열을 선택하여 획득한

의 부행렬이다. 최종 행렬 W의 각 열은 프리코딩 코드북의 코드워드에 해당한다. 코드북 프리코딩은 각각 크기

인

코드워드이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 프리코딩 코드북의 다른 예는 다음과 같다.

코드워드 벡터

의 t번째(

)구성요소는

와 같다.

i번째(

) 코드워드에 대한 빔 방향은

이며, 여기서

는 파장이며

는 안테나 간격이다.

두 경우 모두, 코드북의 각 코드워드는 길이

벡터이고, 오버샘플링 레이트는

이며,

은

행렬로, 각 열은 프리코딩 코드워드로 사용된다.

물론, 다른 프리코딩 코드북이 사용될 수 있다.

본 발명은 사용자 MU 그룹핑(즉, 서로 다른 부반송파

상에서 공동으로 서비스될, K개의 UE의 MU 그룹

을 결정하는 것)과 RF 빔포밍 디자인(즉, RF 프리코더

및 최종적으로 컴바이너

를 결정하는 것)을 공동으로 수행하는 것을 제안한다. 베이스밴드 빔포밍 디자인(즉, 디지털 프리코딩 및 컴바이닝 행렬의 결정)은 여기서 다루지 않는다. 사용자 그룹 및 RF 빔포밍 행렬이 결정되면, 베이스밴드 빔포밍 행렬을 결정하기 위해 임의의 방법이 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 본 발명은 사용자 스케줄링 및 RF 빔포밍 디자인 사이의 대체 최적화에 의한,

,

및

의 공동 결정을 제안한다.

도 3은 본 발명의 가능한 실시예의, 전송기에서 MU 그룹

, RF 프리코더

및 RF 컴바이너

의 공동 결정을 설명하는 플로우차트이다. 본 실시예에 따르면, 이 결정은 반복 절차를 사용하여 수행 될 수 있고, 각 반복은 두 단계를 포함한다:

1/ 제 1 단계(302)는, RF 프리코더

와 RF 컴바이닝 행렬

이 사전 정의된 RF 빔포밍 디자인 기준

을 최적화하여 결정되는 동안, MU 그룹

은 이전 반복(previous iteration)에 따라 고정된다.

이러한 최적화는 최대화 혹은 최소화일 수 있다.

또는

2/ 제 2 단계(303)는, MU 그룹

이 사전 정의된 스케줄링 디자인 기준

을 최적화하여 결정되는 동안, RF 빔포밍 행렬

및

은 제 1 단계에서 결정된 값으로 고정된다.

이러한 최적화는 최대화 또는 최소화일 수 있다.

또는

위 절차의 첫 번째 반복 이전에, MU 그룹

은, 예를 들어 사용자 집합

중 무작위 뽑기로 초기화될 수 있다(301). 다른 가능한 전략으로는 UE 버퍼(업링크 전송용)에 패킷을 가장 많이 가지거나 또는 BS 버퍼(다운링크 전송용)에 전용 패킷을 가장 많이 가지는 사용자를 선택하는 것을 포함할 수 있다.

단계 1/과 2/는 대안적으로 사전 정의된 수렴 기준(304)이 충족되는 때까지 반복될 수 있다. 이 수렴 기준(304)은 예를 들어, 현재 반복에서의 행렬 및 이전 반복에서의 해당 행렬 간의 수학적 거리(mathematical distance)에 기초할 수 있다. 거리가 사전 정의된 임계값보다 낮은 경우, 수렴 기준을 충족하며,

이 출력된다(305).

예를 들어, 단계 1/의 최적화 문제는 첫째로 코드북 제약 없이, 즉 RF 프리코딩 및 컴바이닝 코드북

및

에 속한다고 추정하는 것 없이

를 최적화하는

및

를 선택하여 해결될 수 있다, 그러면 이 문제는 (전력 제약으로 인한) QCQP(quadratically constrained quadratic program)이며, 이는 예를 들어 준정 완화(semidefinite relaxation) 및 랜덤화 절차로 해결될 수 있다. 그러면,

는 수학적 거리에 따라

의 각 열과 가장 가까운 RF 프리코딩 코드북의 코드워드

와 동일하다고 정의될 수 있고,

는 수학적 거리에 따라

의 각 열과 가장 가까운 RF 컴바이닝 코드북

와 동일하다고 정의될 수 있다.

물론, 단계 1/ 및 2/는 다른 순서로 수행될 수 있다. 일부 실시예에서 2/가 1/보다 먼저 수행될 수 있다.

RF 컴바이너

가 결정되고, 선택된 빔 페어의 전송기에 보고될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 실제로, 이는 성능 저하로 이어질 수 있으나, 이 경우는 3GPP NR Rel.15 규격에 더 부합한다. 이 경우에, RF 컴바이너

는, 오직

과

간에서 수행되는 위 공동 결정 동안에는 결정되지 않는다. 따라서, 일부 실시예에서

의 결정은 이루어지지 않을 수 있다.

전송기 측에서의 공동 결정 절차 동안

이 결정되는 경우에, 전송기는 각각의 스케줄링된 UE k에게, 자신이 할당된 부반송파(들) 및 RF 컴바이닝 코드북내

의 각 열 벡터의 인덱스를 알릴 수 있다. 이들 인덱스를 수신하면, 각각의 스케줄링된 UE k는 그에 따라 RF 컴바이너를 구현할 수 있다. 전송기는 RF 프리코더

를 구현할 것이다. 전송기와 수신기에서의 RF 빔포밍 행렬이 선택되면, 전송기는 각각의 스케줄링된 사용자 k에 대한 등가 채널

을 추정하기 위해 RS를 송신할 수 있고, 수신기 측에서,

이다.

그러면 각각의 스케줄링된 UE k는 등가 채널

을 피드백할 수 있다. 전송기는 따라서 각 부반송파

에 대해 베이스밴드 프리코더

를 계산할 수 있다. 수신기 측에서, 수신기(UE)는 베이스밴드 수신 필터

를 구현할 수 있다. 대안적으로, 베이스밴드 수신 필터

는 전송기에 의해 계산되고, 다운링크 시그널링을 사용하여 수신기로 송신될 수 있다.

위 공동 결정 절차의 일부 실시예가 제공된다. 이들 실시예는 mmWave 시스템의 통신 채널 희소성을 이용한다. 실제로, 큰 안테나 어레이를 사용하는 mmWave 시스템의 경우, 많은 경로가 크게 감쇠되고, 중요 이득(significant gain)을 가진 경로의 수

는 채널 행렬

의 크기

와 비교하여 작다고 예상된다. "중요 이득"은 경로의 이득이 사전 정의된 임계값보다 더 크다는 것을 의미한다. 이득이 이 임계값보다 더 낮은 경우, 0으로 설정된다. 결과적으로, 그리고 안테나 어레이의 높은 방향성으로 인해, BS와 US 간 각도 도메인에서의 채널 행렬은 "스파스(sparse)", 즉, 그 크기에 비해 0이 아닌 항목이 몇 개만 있을 것으로 예상된다.

번째 부반송파 상의 UE

와 BS 간 통신 링크의 채널 행렬

은 따라서 매우 적은 파라미터의 수로 설명될 수 있다.

는 중요 경로의 숫자에 해당하고,

는 해당 중요 경로 i에 해당하는 출발각(AoD) 정보를 포함하는 방향 벡터이며,

는 해당 중요 경로 i에 해당하는 도착각(AoA) 정보를 포함하는 방향 벡터이고,

는 해당 중요 경로 i의 강도를 나타내는 복소 계수이다.

일 실시예에서, AoD 방향 벡터

는 프리코딩 코드북

의 코드워드에 의해 근사될 수 있으며, AoA 방향 벡터

는 컴바이닝 코드북

의 코드워드에 의해 근사될 수 있다.

는 채널 희소성(channel sparsity), 채널 추정 정확성 및 피드백 능력에 따라 결정되거나 구성될 수 있는 변수임을 유의해야 한다.

채널 행렬

은 또한

로 기술될 수 있고, 여기서

는 열이

(

)인 행렬이고,

는 열이

(

)인 행렬이며,

는 대각선 계수가

(

)인 대각 행렬이다.

종래 기술의 몇몇 알고리즘은 위의 채널 행렬의 스파스 표현(sparse representation)을 결정하고, 예를 들어 파라미터 집합

, 또는 동등하게는

을 출력하기 위해 개발되었다. 이들 알고리즘은 여기서 상세히 설명되지 않고, 이들 중 어느 것이라도 본 발명의 맥락에서 사용될 수 있다(예를 들어, 특허 출원 EP16306171.6, "Channel estimation and hybrid precoding for millimeter wave cellular systems", A. Alkhateeb 외, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol.8, no.5, pp.831-846, Oct. 2014, 또는 "Compressive channel estimation and tracking for large arrays in mm wave picocells", Z. Marzi 외, IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 10, no. 3, pp. 514-527, April 2016을 참조).

5G NR 규격에 따르면, 빔 관리 절차는 다음의 동작을 포함한다.

- 빔 스위핑(Beam sweeping): 사전 지정된 시간 간격 및 방향에 따라 전송되고 수신되는 빔들의 집합에 의해 공간 영역이 커버된다.

- 빔 측정(Beam measurement): 모든 가능한 BS/UE 빔 페어에 대해(즉, 모든 가능한 프리코딩 행렬

과 컴바이닝 행렬

의 페어에 대해) BS에서 US로 참조 신호(RS)가 전송된다. UE에서 각각의 빔 페어에 대해 품질 지표가 계산된다(가령, 품질 지표는 참조 신호 수신 전력(Reference Signal Received Power, RSRP), 또는 참조 신호 수신 품질(Reference Signal Received Quality, RSRQ)과 같을 수도 있고, 그로부터 파생될 수도 있다).

- 빔 결정(Beam determination): UE에서, 성능 척도에 기초하여 적어도 하나의 빔 페어가 선택된다. 예를 들어, 성능 척도를 최대화하는 빔 페어 또는 P보다 높은 성능 척도를 가진 P 빔 페어(P는 사전 정의된 정수)가 선택될 수 있다.

- 빔 보고(Beam reporting): UE는 관련 품질 지표 및 선택된 빔 페어의 인덱스(또는 인덱스들)을 BS에 보고할 수 있다.

이후 관련 품질 지표 및 선택된 빔 페어의 인덱스(또는 인덱스들)에 기초하여 BS에서 RF 빔포밍 행렬

및

을 선택할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 위에서 기술한 빔 보고 동작 동안, UE는 빔 결정 동작 동안, 관련 품질 지표와 함께, 선택된 빔 페어

의 해당 코드북

에 인덱스를 피드백할 수 있다.

를 사용하는 RF 프리코더가 전송기에서 구현되고,

를 사용하는 RF 컴바이너가 수신기에서 구현되는 경우, 품질 지표는 예를 들어 참조 신호 수신 전력에 해당할 수 있다.

전송기는 따라서 선택된 빔 페어의 모든 인덱스들을 수집할 수도 있고, 모든 활성화 UE

(

는 셀의 활성화된 UE의 집합이 됨) 및 모든 부반송파에 대해, 동등한 모든 행렬(이하에는 "부공간(subspace)라고도 함)

을 수집할 수도 있다. 전송기는 그러면 모든

부공간

에 기초하여 활성화 UE

를 K개의 독립 집합

으로 클러스터링할 수 있다. 그러한 클러스터링은 동일한 부반송파에 스케줄링된, 서로 다른 집합에서의, UE의 무작위 선택의 경우에 사용자 간 간섭을 제한하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이 무작위 선택은 MU 그룹의 초기화 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, MU 그룹의 초기화가 무작위 뽑기에 기초하는 경우, 모든 활성화 사용자의 집합

로부터 K명의 사용자의 완벽한 무작위 선택과 비교할 때, 서로 다른 독립 집합에서 각 K 사용자를 뽑는 경우, 간섭이 더 낮아진다.

수신된

부공간

에 기초하여 클러스터링을 수행하는 것은, 제한된 피드백 정보(즉, 선택된 빔 페어(들))만을 사용하기 때문에, mmWave 시스템의 통신 채널의 희소성을 유리하게 이용한다.

일 실시예에서, 셀의 모든 활성화 UE 및 모든 부반송파를 K 독립 집합으로 클러스터링하는 것은 부공간

(모든

및

) 사이 유사도(similarity)(또는 "친화도(affinity)") 측정을 기초로 한다. 기초적으로, 원칙은 높은 유사도 측정과 관련된 두 개의 부공간이 동일한 클러스터에 속하고, 낮은 유사도 측정과 관련된 두 개의 부공간은 서로 다른 클러스터에 속한다는 것이다. 예를 들어, 이러한 클러스터링은 다음의 단계를 포함한다.

-

인 경우

번째 성분이 0이고,

인 경우

번째 성분이

인(

는 행 인덱스이며

는 열 인덱스),

차원(

는

의 카디널리티(cardinality))의 유사도 행렬

을 계산한다.

-

는 (

)번째 성분이

의

번째 행의 성분의 합인 대각 행렬이라고 할 때, 행렬

를 구성한다.

의 가장 큰 고유값(eigenvalue) K(해당 고유벡터는 반복되는 고유값의 경우 서로 직교하도록 선택됨)를 찾고, 고유 벡터를 열에 쌓아서 행렬

를 형성한다.

-

의 각 행을 단위 길이로 정규화하여

로부터 행렬

를 형성한다.

-

의 각 행을

의 포인트로 고려하여, 왜곡의 최소화를 시도하는 클러스터링 알고리즘을 통해 이 행들을 K개의 클러스터로 클러스터링한다.

- 행렬

의 행

가 클러스터

로 할당되는 경우에만 원래 부공간

를 클러스터

로 할당한다.

이상에서,

(

)는

를 만족하는 부공간

에 해당한다.

는 수신기

과 관련된 부반송파이다.

이상의 절차는 K개의 집합

를 출력한다.

인 경우, 이는 부반송파

에 대해 UE

가 집합

에 있다는 것을 의미한다.

모든 수학적 유사도 측정이 사용될 수 있다. 두 개의 부공간

과

간 유사도 측정의 두 가지 예시

및

가 아래에 주어진다.

및

는 각각 부공간

및

의 차원이다.

은 부공간

및

의 m번째 주각(principal angle)이다.

물론, 본 발명은 위에서 제시한 알고리즘의 클래스에 한정되지 않는다. 다른 알고리즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 부공간 집합

중 무작위 뽑기로 집합이 형성될 수 있다.

하나 또는 몇몇 실시예에서, MU 그룹

, RF 프리코딩 행렬

및 최종적으로 RF 컴바이닝 행렬

의 공동 결정은 결정된 사용자 집합

에 기초하여 수행될 수 있다. 도 4는 본 발명의 가능한 실시예의, 결정된 사용자 집합

에 기초하여 MU 그룹, RF 프리코더

및 RF 컴바이너

의 공동 결정을 설명하는 플로우차트이다.

다음에서, RF 프리코더

는 K개의 RF 프리코딩 부행렬

의 결합으로 볼 수 있고,

는 클러스터링 집합의 사용자에 해당하는 RF 프리코더의 부분

:

이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 전송기는 셀의 모든 활성화 사용자에 대해, UE로부터 행렬

,

및

를 수신(401)할 수 있다. 전송기는 그러면 부공간

을 K 사용자 집합

으로 클러스터링(402)할 수 있다. 공동 결정 절차는 이후, 가령 모든 K 사용자 집합

중에서 무작위 뽑기를 하는 등으로 MU 그룹

을 초기화(403)함으로써 시작한다. 이후, 최적화 절차의 제 1 단계(404)(즉, 도 3의 단계 (302))는, MU 그룹

을 고정하면서, 사전 정의된 RF 빔포밍 디자인 기준

을 최적화함으로써 모든 RF 프리코딩 부행렬

(

)(및 최종적으로 RF 컴바이닝 행렬

,

및

)을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 단계 (405)는 위에서 제시된 최적화 절차의 제 2 단계(즉, 도 3의 단계 303)에 해당하며, MU 그룹이 사전 정의된 스케줄링 디자인 기준

, 을 최적화하여 결정되는 동안, RF 빔포밍 행렬

및

는 고정된다. 단계 (404 및 405)는 사전 정의된 수렴 기준(406)이 충족될때까지 대안적으로 반복될 수 있다. 수렴 기준(406)이 충족되는 경우,

및

이 출력된다(407).

이러한 공동 결정 절차의 제 1 예시는 시스템의 평균 광대역 섬레이트를 최대화하는 경우에 아래에 제시된다. 셀의 모든 활성화 사용자

와 모든 부반송파

에 대해, 사용자 집합

과 행렬

,

및

은 전송기에서 알려져 있어야 한다.

정보 이론 방송 채널 및 그것의 듀얼 다중 액세스 채널 사이 정보 이론 쌍대성으로 인해, 모든 부반송파 간의 다운링크 전송 섬레이트는 동일한 전력 할당을 가진 모든 부반송파를 통한 듀얼 업링크 전송 섬레이트로 하한(lower bounded)지어질 수 있다. 따라서, 모든 부반송파 간의 다운링크 전송 용량은

로 하한지어질 수 있고,

는 전력 스케일링 상수이다.

클러스터링이 서로 다른 클러스터 집합 간의 다중 사용자 간섭을 감소시킨다고 가정하면,

,

라고 쓸 수 있다.

따라서, 이상의 부등식의 우측은

로 근사될 수 있다.

채널 행렬의 스파스 표현에 따르면, 이전 표현에서

는

로 대체될 수 있다.

RF 빔포밍 디자인 기준은 따라서

로 쓸 수 있다.

이 절차의 단계 1/에 따른 RF 프리코더 및 컴바이너의 결정은 따라서 다음과 같이 수행될 수 있다.

및

를 모든 반복 성분이 제거된 집합

라고 하자.

는

의 카디널리티를 뜻한다.

매핑 함수를 정의하면

이며, 수신기

는 모든

에 대해 부반송파

의

번째 사용자를 나타낸다.

모든 스케줄링된 사용자에 대해 RF 컴바이너

를 초기화한다.

모든

및

에 대해

라고 하자.

t=0으로 초기화한다.

수렴 기준이 충족되지 않으면, 다음을 수행한다.

-

에 대해,

을 계산하고, det(M)은 행렬 M의 행렬식(determinant)이다.

-

에 대해,

을 계산한다.

랭크 제약을 만족하는 경우라면,

및

라고 하고,

및

은 이상의 최대화 문제에서 얻어지며,

에 대해

를 계산한다.

랭크 제약을 만족하지 않는다면,

에 대해 다음의 랜덤화 절차를 수행한다.

- 무작위 가우시안 행렬

및

를 생성한다.

및

의 각 구성 요소는 분포

에 따른 독립 동일 분포(independent and identically distributed, i.i.d)이다.

및

라 하고,

및

는 이상의 최대화 문제에서 획득할 수 있다.

및

의 특잇값 분해(singular-value decomposition, SVD)를 수행한다.

- 정의:

- 단위 벡터를 만족하는

및

의 각 열을 정규화한다.

- 랜덤화 절차의 상기 단계를

번 반복하고(

는 사전 정의된 정수 숫자임), 검토된 RF 빔포밍 디자인 기준의 가장 큰 값으로 산출되는 것을 선택한다.

각각의 코드북

및

에서

및

의 열과의 거리를 최소화하는 코드워드를 찾는다.

모든 스케줄링된 사용자에 대한 RF 컴바이너

의 초기화는 예를 들어 RF 컴바이닝 코드북

에서

의 각 열의 무작위 선택에 의해 수행될 수 있다.

위 절차에서, 행렬

및

의 랭크가

과 같다면 랭크 제약을 만족한다고 볼 수 있다. 실제로, 이 경우에, 최적의 솔루션

및

의 랭크 또한

과 같다. 행렬

및

중 적어도 하나의 랭크가

과 같지 않다면 랭크 제약을 만족하지 않는다고 볼 수 있다.

가 더 클수록, 랜덤화 절차가 더 정확하다는 것에 유의해야 한다.

시스템의 평균 광대역 섬레이트를 최대화하는 경우에 언제나, 최대화를 위한 스케줄링 디자인 기준은

일 수 있다.

MU 그룹핑 디자인 중에 RF 프리코더 및 컴바이너가 고정된다는 것을 알고 있으므로, 이상의 최적화는 간단한 브루트 포스 완전 탐색(brute force full search) 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)과 같은 진보한 방법으로 해결될 수 있는 이산 최적화이다.

최적화 절차의 제 2 예시는, 최소 수신 등가 채널 이득(minimal receive equivalent channel gain)의 최대화의 경우에 제공된다. 이 경우에, RF 빔포밍 디자인 기준은

로 쓸 수 있다.

위 절차의 단계 1/에 따른 RF 프리코더 및 컴바이너의 결정은 따라서 다음과같이 수행될 수 있다:

위와 같이

,

및

를 정의하자.

모든 스케줄링된 사용자에 대해 RF 컴바이너

를 초기화한다.

모든

및

에 대해

라고 하자.

t=0으로 초기화한다.

수렴 기준을 충족하지 않는다면, 다음을 수행한다:

-

에 대해,

를 계산하고, tr(M)은 행렬 M의 대각합(trace)이다.

-

에 대해,

를 계산한다.

랭크 제약을 만족하는 경우,

및

라고 하고,

및

는 위 최대화 문제에서 얻어지며,

에 대해,

를 계산한다.

랭크 제약을 만족하지 않는 경우라면, 제 1 예시의 랜덤화 절차를 수행한다.

각각의 코드북

및

에서

및

의 열과의 거리를 최소화하는 코드워드를 찾는다.

모든 스케줄링된 사용자에 대한 RF 컴바이너

의 초기화는 이전 예시와 같이 수행될 수 있다. 위 절차의 랭크 제약은 이전 예시의 랭크 제약과 유사하다.

최소 수신 등가 채널 이득을 최대화하는 경우에 언제나, 최대화를 위한 스케줄링 디자인 기준은

일 수 있다.

많은 다른 RF 빔포밍/스케줄링 디자인 기준이 사용될 수 있다.

예를 들어, 광대역 사용자 스케줄링 상황에서(즉, 각 스케줄링된 사용자가 모든 부반송파를 차지하고, 다른 사용자를 다른 부반송파에 할당하는 주파수 다중화가 허용되지 않는), 최대화를 위한 스케줄링 설계 기준은

이다

스케줄링에 대한 공정성 문제(fairness issue)의 맥락에서, 최대화를 위한 스케줄링 디자인 기준은

이고,

는 수신기

와 관련된 가중 스칼라이다.

"스케줄링에 대한 공정성 문제의 맥락"이라는 것은 다음을 의미한다. 스케줄링 기준을 최적화하여, 잠재적으로 높은 속도(rate)의 UE는 스케줄링될 가능성이 더 높다. 이는 시스템 운영의 관점에서 "공정"하지 않은데, 잠재적으로 낮은 속도의 UE는 전송 기회를 전혀 얻지 못할 수 있기 때문이다. 이 문제를 극복하기 위하여, 많은 기술이 적용될 수 있다. 위 디자인 기준은 그러한 기술의 예시로서, 위와 같이 사용자의 순간적인 속도를 조정하기 위해 양의 가중 인자

를 도입하는 것으로 구성된다. 가령 하나의 UE가 긴 시간 동안 스케줄링되지 않은 경우, 그것의 가중 인자는 증가할 수 있다. 사용자가 낮은 속도를 가지고 있는 경우에도, 얼마간 시간이 지나면 스케줄링될 가능성이 높다.

MU 그룹핑 디자인 동안 RF 프리코더와 컴바이너가 고정된다는 것을 알고 있으므로, 이상의 최적화는 간단한 브루트 포스 완전 탐색(brute force full search) 또는 유전 알고리즘(genetic algorithm)과 같은 진보한 방법으로 해결될 수 있는 이산 최적화이다.

도 5는 본 발명을 가능하게 하는 장치에 대한 가능한 실시예이다.

이 실시예에서, 장치(500)는 컴퓨터를 포함하고, 이 컴퓨터는 회로에 로드 가능한 프로그램 명령어를 저장하는 메모리(505)를 포함하며, 프로그램 명령어가 회로(504)에 의해 실행되는 경우 회로(504)가 본 발명의 단계를 수행하게 하도록 조정된다.

메모리(505)는 또한 위에서 설명된 본 발명의 단계를 수행하기 위한 데이터 및 유용한 정보를 저장할 수 있다.

회로(504)는 예를 들어

- 컴퓨터 언어로 된 명령어를 해석하기 위해 조정되는 프로세서 또는 프로세싱 유닛으로서, 명령어를 포함하는 메모리를 포함하거나, 명령어를 포함하는 메모리와 관련되거나, 명령어를 포함하는 메모리에 부착될 수도 있는, 프로세서 또는 프로세싱 유닛일 수도 있고,

- 컴퓨터 언어로 된 명령어를 해석하기 위해 적용되는 프로세서/프로세싱 유닛 및 위 명령어를 포함하는 메모리의 연결일 수도 있고,

- 발명의 단계가 실리콘 내에 기술된 전자 카드일 수도 있고,

- FPGA(<<Field Programmable Gate Array>>) 칩과 같은 프로그래머블 전자 칩일 수도 있다.

예를 들어, 장치는 전송기 내에 구성될 수 있고, 컴퓨터는 가령, 셀의 모든 활성화 사용자

및 모든 부반송파

에 대해, MU 그룹, RF 프리코딩 및 컴바이닝 행렬을 제공하기 위한 발명의 일 실시예 및 출력 인터페이스(506)에 따른, 채널의 스파스 표현과 관련된 행렬

,

및

와 같은 채널 정보 수신을 위한 입력 인터페이스(503)을 포함할 수 있다.

컴퓨터와의 쉬운 상호 작용을 위해, 스크린(601)과 키보드(602)가 제공되고 컴퓨터 회로(604)에 연결될 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 플로우차트는 전송기에 위치한 프로세서에 의해 실행될 수 있는 프로그램의 모든 단계 또는 일부 단계를 나타낸다. 이와 같이, 도 3은 본 발명의 의미 내에서 컴퓨터 프로그램의 일반적인 알고리즘의 플로우차트에 해당할 수 있다.

Claims

복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기에 서비스를 제공할 수 있는 전송기를 포함하는 밀리미터파 통신 시스템에서 아날로그 및 디지털 프리코딩을 가능하게 하는, 컴퓨터에 의해 구현되는 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍 방법으로서,
- 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF과 복수의 다중 사용자 그룹 g_l - 각 다중 사용자 그룹 g_l은 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l과 연관되어 있으며, 각 다중 사용자 그룹 g_l은 상기 복수의 수신기 중 상기 각 부반송파 l에서 데이터 전송을 위해 공동으로 서비스되는 복수의 수신기를 포함함 - 을 공동으로 결정하는 단계와,
- 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l에 대해, 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]에 의해 N_s(l) 데이터 스트림 I₁,...,I_Ns(l)을 처리하는 단계와,
- 전송 RF 체인을 통해 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]의 출력을 처리하는 단계와,
- 상기 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파 상에서 상기 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 획득하기 위해 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF을 사용하여 상기 전송 RF 체인의 출력을 처리하는 단계를 포함하되,
상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF과 상기 복수의 다중 사용자 그룹 g_l의 상기 공동 결정은,
/a/ 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF 및 상기 다중 사용자 그룹 g_l - 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF에 관하여, 상기 다중 사용자 그룹 g_l은 고정됨 - 의 빔포밍 함수 f(F_RF, g₁,...,g_L)를 최적화하는 단계와,
/b/ 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF 및 상기 다중 사용자 그룹 g_l - 상기 다중 사용자 그룹 g_l에 관하여, 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF의 값은 고정됨 - 의 스케줄링 함수 g(g_l,F_RF)를 최적화하는 단계를 포함하고,
/a/와 /b/는 중단 기준이 충족될 때까지 반복해서 되풀이되는,
방법.
제 1항에 있어서,
/b/는 /a/ 이후에 수행되고, /a/에서 상기 다중 사용자 그룹 g_l은 상기 공동 결정의 이전 반복(previous iteration)에서 획득하며, /b/에서 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF의 상기 값은 /a/의 현재 반복(current iteration)에서 획득하는,
방법.
제 1항에 있어서,
/b/는 /a/ 이전에 수행되고, /a/에서 상기 다중 사용자 그룹 g_l은 /b/의 현재 반복에서 획득하며, /b/에서 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF의 상기 값은 상기 공동 결정의 이전 반복에서 획득하는,
방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아날로그 프리코딩은 아날로그 프리코딩 코드워드(cordword)의 집합
을 사용하여 수행되고,
/a/는,
- 제 1 행렬 F^* _RF의 열(column)이 상기 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합
에 속한다고 가정하는 것 없이 상기 빔포밍 함수 f(F_RF, g₁,...,g_L)를 최적화하는 상기 제 1 행렬 F^* _RF을 결정하는 단계와,
- 적어도 하나의 아날로그 프리코딩 코드워드를 결정 - 각각의 결정된 아날로그 프리코딩 코드워드는 상기 제 1 행렬 F^* _RF의 열과의 거리를 최소화함 - 하는 단계와,
- 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF - 상기 아날로그 프리코딩 행렬의 열(column)은, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 프리코딩 코드워드와 동일함 - 을 결정하는 단계를 포함하는,
방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬
을 결정하는 단계를 더 포함하되,
상기 빔포밍 함수와 상기 스케줄링 함수는 상기 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬
의 추가적인 함수이고,
/a/의 상기 최적화는 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF과 상기 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬
에 관한 상기 빔포밍 함수의 공동 최적화이며,
/b/의 상기 최적화는 고정된 상기 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬
중 하나의 아날로그 컴바이닝 행렬의 값과 함께 수행되고,
적어도 하나의 결정된 아날로그 컴바이닝 행렬
은 상기 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파에서 상기 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 전송하기 위한 적어도 하나의 신호를 처리하기 위해 또한 사용되는,
방법.
제 5항에 있어서,
상기 아날로그 컴바이닝은 아날로그 컴바이닝 코드워드의 집합
을 사용하여 수행되며, /a/는
- 제 2 행렬
의 열(column)이 상기 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합
에 속한다고 가정하는 것 없이 상기 빔포밍 함수를 최적화하는 상기 제 2 행렬
을 결정하는 단계와,
- 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 코드워드를 결정 - 결정된 각 아날로그 컴바이닝 코드워드는 상기 제 2 행렬
의 열과의 거리를 최소화함 - 하는 단계와,
- 아날로그 컴바이닝 행렬
- 상기 아날로그 컴바이닝 행렬의 열은, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 컴바이닝 코드워드와 동일함 - 을 결정하는 단계를 포함하는,
방법.
제 4항에 있어서,
- 복수의 전송 행렬
- 복수의 전송 행렬 중에서의 각 전송 행렬은 복수의 수신기 중 하나의 수신기
및 상기 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파 l와 연관되며, 상기 복수의 전송 행렬 중 각 전송 행렬의 열(column)은 아날로그 프리코딩 코드워드의 집합
에 속함 - 을 수신하는 단계와,
- 상기 복수의 전송 행렬
에 기초하여, 복수의 수신기 집합 S_i- 각 수신기 집합 S_i은 상기 복수의 수신기 중 하나 이상의 수신기를 포함하고, 상기 하나 이상의 수신기 중 각 수신기는 상기 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파와 연관됨 - 을 결정하는 단계를 더 포함하되,
/a/는, 복수의 아날로그 프리코딩 부행렬 F_RF,K - 각 아날로그 프리코딩 부행렬 F_RF,K은 각 수신기 집합 S_k의 수신기와 연관된 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF의 부분에 해당함 - 을 결정하는 단계를 포함하는,
방법.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 전송 행렬 중 각 전송 행렬은 아날로그 프리코딩 코드워드이고, 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 및 상기 복수의 수신기 중 각 수신기와 연관되는,
방법.
제 8항에 있어서,
각 전송 행렬은 상기 각 부반송파에서 상기 전송기와 상기 각 수신기 간의 각각의 중요 통신 경로(significant communication path)에 해당하는,
방법.
제 7항에 있어서,
상기 복수의 수신기 집합 S_i은 상기 복수의 전송 행렬
중 적어도 두 개의 전송 행렬 간 유사도 측정에 기초하여 결정되는,
방법.
아날로그 프리코딩과 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하고, 복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기에 서비스를 제공할 수 있는, 밀리미터파 통신 시스템의 전송기에 있어서,
- 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF과 복수의 다중 사용자 그룹 g_l - 각각의 다중 사용자 그룹 g_l은 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l와 연관되어 있고, 각각의 다중 사용자 그룹 g_l은 상기 복수의 수신기 중 상기 각 부반송파 l 상에서 데이터 전송을 위해 공동으로 서비스되는 복수의 수신기를 포함함 - 을 공동으로 결정하기 위한 회로와,
- 상기 복수의 부반송파 중 각 부반송파 l에 대해, 디지털 베이스밴드 프리코더 F_BB[l]에 의해 N_s(l) 데이터 스트림 I₁,...,I_Ns(l)을 처리하고, 전송 RF 체인의 출력을 처리하는 적어도 하나의 회로와,
- 상기 복수의 부반송파 중 하나의 부반송파에서 상기 복수의 수신기 중 적어도 하나의 수신기로 적어도 하나의 신호를 획득하기 위해, 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF을 사용하여, 상기 전송 RF 체인의 출력을 처리하기 위한 처리 회로를 포함하되,
상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF과 상기 복수의 다중 사용자 그룹 g_l을 공동으로 결정하는 상기 회로는,
/a/ 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF및 상기 다중 사용자 그룹 g_l - 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF에 관하여, 상기 다중 사용자 그룹 g_l은 고정됨 - 의 빔포밍 함수 f(F_RF, g₁,...,g_l)를 최적화하는 동작과,
/b/ 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF 및 상기 다중 사용자 그룹 g_l - 상기 다중 사용자 그룹 g_l에 관하여, 상기 아날로그 프리코딩 행렬 F_RF의 값은 고정됨 - 의 스케줄링 함수 g(g_l,F_RF)를 최적화하는 동작을 하도록 구성되며,
중단 기준이 충족될 때까지 /a/와 /b/를 반복해서 되풀이하는,
전송기.
아날로그 프리코딩 및 아날로그 컴바이닝을 가능하게 하는 밀리미터파 통신 시스템에 있어서,
복수의 부반송파를 통해 복수의 수신기를 서비스할 수 있는, 제 11항에 따른 전송기를 포함하는,
시스템.
프로그램 명령어를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 있어서,
상기 컴퓨터 프로그램은 데이터 프로세싱 유닛에 로드 가능(loadable)하며,
상기 컴퓨터 프로그램이 데이터 프로세싱 장치에 의해 실행되는 경우, 상기 데이터 프로세싱 유닛이 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 방법을 수행하게 하도록 조정되는,
비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.