KR101669857B1

KR101669857B1 - 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법

Info

Publication number: KR101669857B1
Application number: KR1020150079919A
Authority: KR
Inventors: 이용훈; 김민현; 이준호; 길계태
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-10-27

Abstract

본 발명은 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것으로, 상세하게는 단말에서 채널 상관 정보를 이용하여 적은 파일럿 오버헤드로 기존 채널 추정 방법들 대비 더 정확한 채널 추정을 수행하고 더 적은 피드백 자원으로 채널 정보를 피드백할 수 있는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 대규모 다중-입력 다중-출력 안테나가 구비된 기지국을 포함하는 통신시스템에서 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예는 a) 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 결정하는 단계, b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 획득하고, 채널상관 정보를 이용하여 하향 사선연산 행렬을 설계하는 단계, c) 상기 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계 및 d) 상기 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계를 포함하고, 상기 파일럿 신호는 채널을 압축 센싱하여 추정할 때, 채널의 평균제곱오차가 최소화되게 할 수 있도록 결정되어야 한다.

Description

대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법 {Method for channel estimation and feedback in massive MIMO systems}

본 발명은 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것으로, 상세하게는 수신단에서 채널 추정시에 채널 상관 정보를 이용하는 압축 센싱 알고리즘을 채택함으로써 파일럿 오버헤드와 전파자원을 적게 사용하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법에 관한 것이다.

본 발명은 대규모 다중-입력 다중-출력(massive multi-input multi-output: massive MIMO, 이하 'massive MIMO'라 칭하기로 함) 시스템에서 채널을 추정함에 있어서 압축 센싱(compressed sensing: CS, 이하 'CS'라 칭하기로 함)을 적용하는 방법과 관련된다.

최근 차세대 이동통신 시스템의 핵심 기술로써 massive MIMO 시스템이 큰 주목을 받고 있다. 일반적으로 massive MIMO 셀룰러 시스템은 매우 큰 수의 안테나를 가진 기지국과 그보다 작은 수의 단일 안테나 단말들을 고려하며, 간단한 송수신 신호 처리를 통하여 단말의 수와 비슷한 수의 기지국 안테나를 고려하는 기존의 MIMO 시스템과 대비하면, 전송용량 및 에너지 효율 측면에서 큰 향상을 기대할 수 있다. 하지만, 이와 같은 장점을 얻기 위해서는 제한된 시간 내에 큰 차원의 채널 정보를 추정해야 하는 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 대부분의 massive MIMO 시스템은 시간 분할 듀플렉스(Time Division Duplex: TDD, 이하 'TDD'라 칭하기로 함) 동작을 고려한다. 즉, 채널이 상호성(reciprocity)을 가지는 점을 이용하여 기지국에서 하향링크 채널을 추정하며, 기지국의 안테나 수보다 훨씬 적은 단말의 안테나 수에 비례하는 파일럿 오버헤드를 필요로 한다.

그러나, 현재 대부분의 이동통신 시스템은 주파수 분할 듀플렉스 (Frequency Division Duplex: FDD, 이하 'FDD'라 칭하기로 함) 동작을 지원하는데, FDD 환경에서는 하향링크 채널을 단말에서 추정하며 채널 추정에 필요한 오버헤드가 안테나 수에 따라 기하급수적으로 증가한다. 따라서 FDD massive MIMO 시스템에서는 제한된 파일럿 자원으로 큰 차원의 채널을 효율적으로 추정할 수 있는 방법이 필요하다.

Massive MIMO 시스템에서 적은 파일럿 오버헤드로 최소자승법에 비해서 더 정확한 채널 추정을 목표로 하는 기술에 대한 선행문헌으로는 S. L. G. Nguyen and A. Ghrayeb, “Compressive sensing-based channel estimation for massive multiuser MIMO systems,” in Proc. IEEE Wireless Commun. Netw. Conf., Shanghai, China, Apr. 2013 가 있다.

다만, 종래의 기술은 TDD massive MIMO 시스템을 고려하고 있어 적용 범위가 제한적이다.

S. L. G. Nguyen and A. Ghrayeb, "Compressive sensing-based channel estimation for massive multiuser MIMO systems," in Proc. IEEE Wireless Commun. Netw. Conf., Shanghai, China, Apr. 2013.

본 발명은 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 단말에서 채널 상관 정보를 이용하여 적은 파일럿 오버헤드로 정확한 채널 추정을 수행하는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 적은 전파자원을 이용하여 채널 정보를 피드백하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시 예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법은 다수의 안테나를 구비한 기지국과 단일 안테나를 구비한 단말을 포함하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서, a) 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 결정하는 단계; b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 획득하고, 채널상관 정보를 이용하여 하향 사선연산 행렬을 설계하는 단계; c) 상기 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계; d) 상기 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계;를 포함하고, 상기 파일럿 벡터는 채널을 압축 센싱하여 추정할 때, 채널의 평균제곱오차가 최소화되게 할 수 있다.

또한, 상기 a) 단계에서 상기 파일럿 벡터는 가우스 확률 행렬을 QR 분해하여 얻어진 행렬과 상기 배열반응 벡터에 근거하여 결정될 수 있다.

또한, 상기 a) 단계에서 상기 배열반응 벡터의 개수는 상기 하향링크 채널의 다경로 개수보다 클 수 있다.

또한, 상기 d) 단계에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여, 먼저 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널의 도래각들을 추정할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계에서 상기 하향링크 채널의 도래각들을 모두 추정하고 나서, 추정된 도래각에 대한 하향링크 채널의 이득을 상기 하향 수신신호로부터 추정할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계 이후에, e) 단말에서 기지국으로 상기 채널상관 정보가 피드백되는 단계; f) 기지국에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 상기 채널상관 정보를 이용하여 상향 사선연산 행렬을 설계하는 단계; g) 단말에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 상향링크 채널을 통과하여 기지국에 상향 수신신호로서 도달하는 단계; h) 기지국에서 상기 상향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 상향 수신신호로부터 상기 상향링크 채널을 추정하는 단계;를 더 포함하고, 상기 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템은 시간 분할 듀플렉스 방식일 수 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법은 다수의 안테나를 구비한 기지국과 단일 안테나를 구비한 단말을 포함하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서, a) 배열반응 벡터와 파일럿 벡터를 결정하는 단계; b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 하향 사선연산 행렬을 채널상관 정보를 이용하여 설계하는 단계; c) 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계; d) 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계; e) 상기 채널상관 정보와 상기 하향 수신신호가 단말에서 기지국으로 피드백되는 단계;를 포함하고, 상기 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템은 주파수 분할 듀플렉스 방식이고 상기 파일럿 벡터는 하향링크 채널을 압축 센싱하여 추정할 때, 채널의 평균제곱오차가 최소화되게 할 수 있다.

또한, 상기 a) 단계에서 상기 배열반응 벡터의 개수는 하향링크 채널의 다경로 개수보다 클 수 있다.

또한, 상기 d) 단계에서 상기 하향링크 채널의 도래각들을 모두 추정하고 나서, 추정된 도래각에 대한 하향링크 채널 이득을 상기 하향 수신신호로부터 추정할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 단말에서 채널 상관 정보를 이용하여 적은 파일럿 오버헤드로 기존 채널 추정 방법과 대비할 때 더 정확한 채널 추정을 수행하고 더 적은 전파자원으로 채널 정보를 피드백하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서의 채널 추정 및 피드백 방법을 제공할 수 있다.

특히, 주파수 분할 듀플렉스 방식의 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 하향링크 채널 정보와 상향링크 채널 정보를 적은 전파자원을 이용하여 피드백할 수 있다.

도 1은 M개의 안테나가 구비된 하나의 기지국과 단일 안테나를 가진 K개의 단말을 포함하고 있는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템 환경을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수신 신호 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 알고리즘을 이용하여 시간 분할 듀플렉스 방식에서 하향링크와 상향링크의 채널을 추정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 알고리즘을 이용하여 주파수 분할 듀플렉스 방식에서 하향링크 채널을 피드백하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘을 40개의 파일럿을 사용하는 환경에서 채널을 추정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘을 SNR이 30dB인 환경에서 채널을 추정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지고 있다.

본 출원인은 massive MIMO 시스템에서 채널 추정의 정확도가 높으면서도 적은 피드백 자원을 이용하는 방법을 고민한 결과, 기존의 최소자승법이나 최소평균제곱오차법(minimum mean square error: MMSE) 대신 CS에 기반한 방법을 고민하게 되었고, 여기에 채널 상관 정보를 이용하는 과정을 도입하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

일반적으로 채널을 추정하는 기존 방식에는 최소자승법이나 최소평균제곱오차법이 있다. 최소자승법은 단말에서 파일럿에 대한 정보만 가지고 있을 때 할 수 있는 최적 추정이며, 최소평균제곱오차법 방식은 채널에 대한 통계적 정보를 알고 있을 경우 할 수 있는 최적 추정이다. 기존의 추정 방식들을 massive MIMO 시스템에 적용할 때 충분한 채널 추정 성능을 얻기 위해 필요한 파일럿 오버헤드는 기지국의 안테나 수에 비례하므로 아주 크다. 즉, 기존 방식으로 제한된 파일럿 자원을 이용하여 massive MIMO 시스템의 채널을 추정하면 성능의 열화가 필연적으로 발생한다. 따라서 기존 채널 추정 방식의 문제점을 해결하기 위해 CS 기반의 효율적인 채널 추정 방법이 적용되어야 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 및 피드백 방법을 상세히 설명한다.

도 1은 M개의 안테나가 구비된 하나의 기지국과 단일 안테나를 가진 K개의 단말을 포함하고 있는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템 환경을 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 우선 M개의 안테나를 가진 기지국이 셀 내의 단일 안테나를 가진 K개의 단말들과 통신하는 massive MIMO 셀룰러 시스템을 고려한다.

다만, 시스템 환경은 각 단말을 기준으로 보면 MISO(multi input single output: MISO, 이하 'MISO'라 칭함)구조로 단말이 다중 안테나를 가지는 MIMO 구조로 확장 가능하므로 본 발명이 MISO에 국한되는 것은 아니며, 본 설명에서는 편의를 위해 MISO 구조를 고려한다. 기지국은 T개의 파일럿 벡터

들을 전송하며 각 파일럿 벡터의 송신 파워는 P로 일정하다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수신 신호 모델을 나타낸 도면이다.

각 단말에서 하향링크 채널 추정을 위해 받은 수신 신호를 나타내면 수학식1과 같다. 여기서 각 단말에 대해 동일한 과정이 수행되므로 단말에 대한 인덱스는 생략한다. 하향링크 채널 추정을 위해 받은 수신 신호를 다른 수신신호와 구별하기 위해 하향 수신신호라 칭할 수 있다.

각 신호는

이다. 채널은 매개변수 채널 모델(parametric channel model)을 사용하여 모델링 하였으며, 기지국이 균일 선형 배열(uniform linear array: ULA, 이하 'ULA'라 칭함)임을 가정할 때 채널은 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서 L은 채널의 경로(path)의 개수,

은

번째 경로의 이득(gain) 값,

은

번째 경로의 발사각(angle-of-departure: AoD, 이하 'AoD'라 칭함)이고

는 배열반응 벡터(array response vector)이다.

채널 추정 문제를 세우기 위해 우선 채널을 격자(grid: quantized angle)로 근사화하면 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

,

는

를

개로 균등하게 양자화 한 각도들,

는 각 AoD에 대한 경로의 이득(path gain)을 나타내는 벡터이다. 양자화 오차가 없다고 가정하면 수학식 1은 수학식 4와 같이 적혀진다.

수학식 4로부터

를 추정하는 문제는 다음과 같다.

구해진

로부터

를 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정알고리즘을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 알고리즘은 각 반복단계마다

의

과 가장 상관(correlation)이 큰 열(column)의 인덱스를 선택하고 선택된 인덱스는 곧 추정된 채널의 AoD를 의미하므로 그에 해당되는 채널 이득(gain)을 추정하는 과정을 수행한다. 이러한 과정을

값이 미리 설정해 둔 한계점(threshold)

보다 작아질 때까지 반복한다. 여기서

는 사선연산 행렬(oblique operator)라 하고 일반적으로는 추정 성능을 향상시키기 위해 설계를 하는 요소이다. 특히 하향링크 채널을 추정하기 위한

의 경우에는 하향 사선연산 행렬이라고 편의를 위해 칭할 수 있다.

를 설계하는 문제는 수학식6과 같이 서술된다.

여기서

는 발생 확률(incidence probability)라고 정의하고,

는 단위 임펄스 함수(unit-impulse function)으로

일 때 값이 1이고, 그 외의 경우에는 0이다. 수학식6의 해는 수학식7과 같이 열(column) 별로 구할 수 있다.

여기서

이다. 본 발명에서는 채널 상관(channel covariance) 정보로부터 사선연산 행렬(oblique operator)

를 도출한다. 우선 채널 상관 정보

을 나타내보면 수학식 8과 같다.

여기서,

이고, 이 관계로부터 본 발명에서 제안하는 채널 추정 알고리즘의 사선연산 행렬(oblique operator)은 수학식9와 같이 얻어질 수 있다.

는 수학식8을 이용하면 수학식10과 같이 구할 수 있다.

여기서

은 고유치 분해(eigenvalue decomposition)이며,

는 각각

번째 고유벡터(eigenvector)와 고유치(eigenvalue)이다.

앞에서 도출한 채널 추정 방법을 사용할 때, 채널 추정 성능은

에 따라 달라진다. 즉,

이며

가 주어져 있으므로 파일럿 신호

를 잘 설계하는 것이 중요하다. 일반적으로 CS(compressed sensing) 기법에서는

를 확률 행렬(random matrix)로 설계하는 방법이 제시되어 있다. 하지만, 확률 행렬보다 추정 성능을 더 향상시킬 수 있는 방법들을 제시하는 연구들이 최근 진행되고 있다. 특히, 채널 추정과 같은 문제에서는 송신 전력을 고려하면서 채널의 평균 제곱 오차(mean square error: MSE)를 최소화하는 설계 방법을 고려해야 한다. 파일럿 신호 설계 문제를 세우면 다음과 같다.

여기서

는 설계 목표로써 가우스 확률 행렬(Gaussian random matrix)를 QR 분해(decomposition)하여 얻을 수 있고, 파일럿 신호의 전체 송신 전력은

이다. 문제를 해결함에 있어 문제와 송신 전력 조건을 같이 고려할 수 없기 때문에, 수학식11에 대한 해를 먼저 구하고 전력 조건을 만족시키도록 파일럿 벡터를 정규화하여 파일럿 신호를 설계한다.

우선 수학식11에 대한 해를 구하면

이고,

의 각 column이

for all

를 만족시키도록 정규화하면 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 알고리즘을 이용하여 시간 분할 듀플렉스 방식에서 하향링크와 상향링크의 채널을 추정하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4를 참조하면, 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템이 시간 분할 듀플렉스 방식일 때, 하향링크와 상향링크의 채널을 추정하는 방법은 a) 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 결정하는 단계(S11), b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 획득하고, 채널상관 정보를 이용하여 하향 사선연산 행렬을 설계하는 단계(S12), c) 상기 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계(S13), d) 상기 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계(S14), e) 단말에서 기지국으로 상기 채널상관 정보가 피드백 되는 단계(S15), f) 기지국에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 상기 채널상관 정보를 이용하여 상향 사선연산 행렬을 설계하는 단계(S16), g) 단말에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 상향링크 채널을 통과하여 기지국에 상향 수신신호로서 도달하는 단계(S17), h) 기지국에서 상기 상향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 상향 수신신호로부터 상기 상향링크 채널을 추정하는 단계(S18)을 포함하는 것을 알 수 있다.

상기의 하향링크와 상향링크의 채널을 추정하는 방법에서 a)단계 내지 d)단계는 하향링크채널을 추정하기 위한 단계이며, e)단계 내지 h)단계는 상향링크 채널을 추정하기 위한 단계이다. 본 발명이 상기와 같이 시간 분할 듀플렉스 방식에 적용될 수 있는 것은, 제안하는 채널 추정 알고리즘이 FDD 시스템에 국한되지 않기 때문이다. 즉 TDD 모드에서도 제안하는 채널 추정 기법을 약간의 변형 혹은 조건을 통해 그대로 적용 가능하다. 이에 대해서 살펴보면, 우선 상향링크 채널 추정을 위한 신호 모델은 다음과 같다. 단말에서

라는 파일럿 신호를 기지국으로 송신하면 기지국에서의 수신 신호

는 수학식12과 같다. 상향링크 채널 추정을 위해 받은 수신 신호를 다른 수신신호와 구별하기 위해 상향 수신신호라 칭할 수 있다.

하향링크 채널 추정에서와 같이 T개의 파일럿 신호를 송신할 때, 수학식4에서와 같이 양자화 오차가 없다고 가정하면 기지국에서 받은 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 각 신호는

이다. 수학식 13으로부터

를 추정하는 문제를 세우기 위해 벡터화 연산(vectorize operation)을 이용하여 수학식14와 같이 식을 전개한다.

여기서

관계를 이용하였으며,

는 크로네커 곱(Kronecker product)를 의미한다.

수학식 14는

으로 치환하면 수학식4와 같이 나타낼 수 있고, 하향링크 채널 추정 문제와 같은 방법으로 풀 수 있다. 단, 사선연산 행렬(oblique operator)를 도출하기 위한 채널 상관 정보 (channel covariance)는 기지국에서 알고 있어야 하는데, 이는 단말에서 상관 정보 전체 혹은 발생 확률(incidence probability) 정보의 피드백을 통하여 가능하다. 특히 상향링크 채널을 추정하기 위한

의 경우에는 상향 사선연산 행렬이라고 편의를 위해 칭할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 채널 추정 알고리즘을 이용하여 주파수 분할 듀플렉스 방식에서 하향링크 채널을 피드백하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 5를 참조하면, 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템이 주파수 분할 듀플렉스 방식일 때, a) 배열반응 벡터와 파일럿 벡터를 결정하는 단계(S21), b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 하향 사선연산 행렬을 채널상관 정보를 이용하여 설계하는 단계(S22), c) 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계(S23), d) 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계(S24), e) 상기 채널상관 정보와 상기 하향 수신신호가 단말에서 기지국으로 피드백 되는 단계(S25) 를 포함하는 것을 알 수 있다. e) 단계에서 상기 하향 수신신호는 기지국으로 전송되는 방식으로 피드백 될 수 있는데, 본 발명이 채널 추정 문제뿐만 아니라 채널 피드백에서도 적용 가능한 이유는 다음과 같다. 단말에서 기지국으로부터 송신된 파일럿에 의한 수신 신호를 채널 상관 정보 혹은 발생 확률(incidence probability) 정보와 함께 기지국으로 피드백하면, 기지국에서 앞서 언급한 채널 추정 과정을 수행할 경우 하향링크 채널 정보를 복원할 수 있다. 이는 곧 단말에서 채널을 추정한 후 추정된 채널을 기지국으로 피드백한 것과 같은 결과이므로 채널 피드백에도 본 발명을 활용하는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘에 40개의 파일럿을 적용하여 채널을 추정한 결과를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘에 SNR을 30dB로 하여 채널을 추정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시 예에 대한 성능을 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 실험 환경은 다음과 같다. 기지국의 안테나 수는 64개 (M=64), 격자(grid)의 개수는 180개 (G=180)로 설정하였다. 채널은 path의 개수를 15개 (L=15),

, AoD의 각 표준 편차(angular standard deviation)을 10도로 설정하였다. 채널 추정 성능을 평가하기 위해

으로 정의된 표준화된 평균 제곱 오차(normalized mean square error: NMSE, 이하 'NMSE'라) 칭함)를 비교하였다. 도 6는 파일럿 오버헤드 T=40으로 설정했을 때 SNR에 따른 NMSE 성능을 나타낸 것이고 도 7는 SNR=30dB로 설정했을 때, 파일럿 오버헤드에 따른 NMSE 성능을 나타낸 것이다. 결과를 보면 제안하는 방법(G-ObMP으로 표기 됨)의 성능이 가장 좋음을 알 수 있고 성능 결과를 통해 제안하는 발명을 사용할 때 파일럿 오버헤드를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명된 방법은 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), [0081] 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, 가상장치(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 기록매체에 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

다수의 안테나를 구비한 기지국과 단일 안테나를 구비한 단말을 포함하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서,
a) 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 결정하는 단계;
b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 배열반응 벡터를 획득하고, 채널상관 정보를 이용하여 하향 사선연산 행렬을 설계하는 단계;
c) 상기 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계; 및
d) 상기 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계;
를 포함하고,
상기 파일럿 벡터는 채널을 압축 센싱하여 추정할 때, 채널의 평균제곱오차가 최소화되게 하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 a) 단계에서
상기 파일럿 벡터는 가우스 확률 행렬을 QR 분해하여 얻어진 행렬과 상기 배열반응 벡터에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 a) 단계에서
상기 배열반응 벡터의 개수는 상기 하향링크 채널의 다경로 개수보다 큰 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 d) 단계에서
상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여,
먼저 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널의 도래각들을 추정하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 d) 단계에서
상기 하향링크 채널의 도래각들을 모두 추정하고 나서, 추정된 도래각에 대한 하향링크 채널의 이득을 상기 하향 수신신호로부터 추정하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
제1 항에 있어서,
상기 d) 단계 이후에,
e) 단말에서 기지국으로 상기 채널상관 정보가 피드백되는 단계;
f) 기지국에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 상기 채널상관 정보를 이용하여 상향 사선연산 행렬을 설계하는 단계;
g) 단말에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 상향링크 채널을 통과하여 기지국에 상향 수신신호로서 도달하는 단계; 및
h) 기지국에서 상기 상향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 상향 수신신호로부터 상기 상향링크 채널을 추정하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템은 시간 분할 듀플렉스 방식인 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 추정 방법.
다수의 안테나를 구비한 기지국과 단일 안테나를 구비한 단말을 포함하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서,
a) 배열반응 벡터와 파일럿 벡터를 결정하는 단계;
b) 단말에서 상기 파일럿 벡터와 상기 배열반응 벡터를 획득하고, 하향 사선연산 행렬을 채널상관 정보를 이용하여 설계하는 단계;
c) 기지국에서 송신된 상기 파일럿 벡터가 하향링크 채널을 통과하여 단말에 하향 수신신호로서 도달하는 단계;
d) 단말에서 상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널을 추정하는 단계; 및
e) 상기 채널상관 정보와 상기 하향 수신신호가 단말에서 기지국으로 피드백되는 단계;
를 포함하고,
상기 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템은 주파수 분할 듀플렉스 방식이고
상기 파일럿 벡터는 하향링크 채널을 압축 센싱하여 추정할 때, 채널의 평균제곱오차가 최소화되게 하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법.
제7 항에 있어서,
상기 a) 단계에서
상기 파일럿 벡터는 가우스 확률 행렬을 QR 분해하여 얻어진 행렬과 상기 배열반응 벡터에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법.
제7 항에 있어서,
상기 a) 단계에서
상기 배열반응 벡터의 개수는 하향링크 채널의 다경로 개수보다 큰 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법.
제7 항에 있어서,
상기 d) 단계에서
상기 하향 사선연산 행렬을 이용하여,
먼저 상기 하향 수신신호로부터 상기 하향링크 채널의 도래각들을 추정하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법.
제7 항에 있어서,
상기 d) 단계에서
상기 하향링크 채널의 도래각들을 모두 추정하고 나서, 추정된 도래각에 대한 하향링크 채널 이득을 상기 하향 수신신호로부터 추정하는 것을 특징으로 하는 대규모 다중-입력 다중-출력 통신 시스템에서 채널 피드백 방법.