KR101768362B1 - 대규모 안테나를 이용하는 다중 사용자 무선 통신 시스템에서 채널 정보 추정 방법 - Google Patents

대규모 안테나를 이용하는 다중 사용자 무선 통신 시스템에서 채널 정보 추정 방법 Download PDF

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KR101768362B1 KR1020160021797A KR20160021797A KR101768362B1 KR 101768362 B1 KR101768362 B1 KR 101768362B1 KR 1020160021797 A KR1020160021797 A KR 1020160021797A KR 20160021797 A KR20160021797 A KR 20160021797A KR 101768362 B1 KR101768362 B1 KR 101768362B1
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Abstract

본 발명은 대규모 다중 안테나를 사용하는 다중 사용자 무선 통신 시스템에서 사용자들의 채널 정보를 실시간으로 추정하는 방법에 관한 것이다. 기존 시스템의 공용 파일럿을 통한 순시 채널 정보 추정 방법은 대규모 다중 안테나 시스템에서 많은 파일럿 신호가 요구되어 실장이 용이하지 못하다. 이를 해결하기 위해 채널의 공간 상관 정보를 이용하여 순시 채널 정보를 추정하는 방법이 제안되고 있으나, 채널의 공간 상관 정보에 대한 추정 방법이 추가적으로 고려되어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 원거리 지역 효과(far-field effect)를 활용하여 적은 파일럿 신호만으로 채널의 공간 상관 정보를 정확히 추정함으로써 순시 채널 정보 추정 효율을 크게 올릴 수 있는 기법을 제안한다.

Description

대규모 안테나를 이용하는 다중 사용자 무선 통신 시스템에서 채널 정보 추정 방법 {A method for estimation of channel state information in massive antenna-based wireless communication systems}
본 발명은 대규모 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템에서 원거리 지역 효과를 활용하여 채널의 공간 상관 정보를 추정하고, 추정한 공간 상관 정보를 바탕으로 순시 채널 정보를 추정하는 기법에 관한 것이다.
스마트폰 보급에 따른 무선 멀티미디어 서비스의 활성화와 함께 급증하는 비디오 트래픽 발생 등으로 인한 무선 데이터 사용량은 기존의 전송 방식으로 처리가 쉽지 않은 빅데이터(big data) 환경을 조성하고 있다. 향후의 통신 용량을 확보하기 위하여 고밀도 소형 셀과 고주파 대역 통신, 그리고 주파수 효율 증대 측면을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중 최근 주파수 효율을 높이기 위한 기술로서 대규모 안테나(massive multiple-input multiple output; 이하 M-MIMO라 칭함) 시스템의 사용이 고려되고 있다. M-MIMO 기술은 적은 에너지로 높은 주파수 효율을 내는 특징으로 인해, 에너지 효율적인 녹색 통신(green communications) 기술 중 하나로 크게 주목 받고 있다.
M-MIMO 시스템은 많은 안테나 사용으로부터 높은 자유도(degree of freedoms)를 활용할 수 있고, 여러 공간 다중화 기술을 통하여 다수의 사용자들을 동시에 서비스하여 높은 통신 용량을 획득할 수 있다. 하지만 이러한 이득을 최대화하기 위해서는 기지국이 다수의 사용자들의 순시 채널 정보를 필수적으로 획득해야 한다. 기존 LTE-A 시스템은 기지국이 사용하는 모든 안테나들에 대해 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 직교 자원을 할당하여 파일럿 신호를 송신하고, 사용자들은 수신한 파일럿 신호를 이용하여 채널을 추정하고 이를 궤환하는 방법을 채택하고 있다. 그러나 M-MIMO 시스템의 경우 상기 방법을 사용할 때 안테나 수가 증가할 수록 채널 추정을 위해 요구되는 파일럿 신호 수가 크게 증가하여 데이터들을 송신하기 위한 직교 자원들이 비효율적으로 소모될 수 있다. 이에 대하여 TDD(time division duplex) 시스템은 상향 및 하향 채널의 상동성(reciprocity)을 활용하여 사운딩 신호를 통해 하향 채널의 채널 정보를 용이하게 얻어낼 수 있으나, 현재 광범위하게 채택되고 있는 FDD(frequency division duplex) 시스템의 경우는 채널의 상동성을 활용할 수 없어 상기 파일럿 신호 증가 문제를 근본적으로 해결할 필요가 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 사용자들의 채널 상관 정보를 활용하여 적은 파일럿 신호만으로도 효과적으로 채널을 추정할 수 있는 파일럿 신호 설계가 고려되고 있으며, 대표적으로 고유공간(eigen-space) 채널 추정을 예로 들 수 있다. 하지만 상기 채널 추정 기법을 활용하기 위해서는 순시 채널 정보 외에 채널 상관 정보에 대한 추정을 추가적으로 고려해야 한다.
채널 상관 정보를 추정하기 위해 기지국 안테나들 각각에 대해 직교 자원을 할당하여 파일럿 신호를 송신하고, 이를 이용한 최소 제곱(Least Square, 이하 LS라 칭함) 추정 기법을 생각할 수 있다. 그러나 M-MIMO 시스템과 같이 추정하고자 하는 채널의 안테나 간 공간 상관 행렬(spatial correlation matrix; 이하 SCM이라 칭함)의 차원이 매우 큰 경우, 정확한 LS 추정을 위해서는 그에 상응하는 많은 수의 수신 신호 표본들이 요구되어 파일럿 신호로 인한 많은 OFDM 자원 소비가 불가피하다.
삭제
따라서 본 발명은 상기 제시된 문제를 해결하기 위하여 적은 수의 파일럿 신호를 이용하여 높은 SCM 추정 성능을 얻을 수 있는 SCM 추정 기법을 제안한다. 본 발명은 원거리 지역 효과를 활용한 개량된 LS 추정을 통해 SCM 추정 정확도를 높이고, 이후 정확도가 낮은 추정 상관 정보 성분들을 제거함으로써 채널 추정에 유의미한 SCM 성분만을 적은 파일럿 신호들로 얻어내어 더 나은 실시간 채널 추정 성능을 제공할 수 있게 하는 것을 기술적 과제로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주파수 분할 전이중(frequency division duplex) 기반의 다중 사용자 무선 통신 시스템에서
Figure 112017061033229-pat00280
개의 다중 안테나를 사용하는 기지국이 사용자
Figure 112017061033229-pat00281
명의 순시 채널 정보를 추정하는 방법에 있어서, (A) 상기 기지국이 상기 사용자들의 기지국 안테나 별 채널간 공간 상관 행렬(spatial correlation matrix; 이하 SCM) 정보를 추정하기 위해
Figure 112017061033229-pat00282
개의 직교 신호로 구성된 SCM 추정용 파일럿 신호를 통상의 순시 채널 파일럿 신호 전송에 앞서 상기 사용자에게 주기적으로 송신하는 과정, (B) 상기 사용자가 상기 SCM 추정용 파일럿 신호를 수신하여 원거리 지역 효과(far-field effect)에 의한 공간 상관 정보 간의 유사성을 이용하여 SCM을 추정하는 과정, (C) 상기 추정된 SCM을 상기 기지국이 상기 사용자로부터 전달받는 과정을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (A) 과정은, 상기 기지국이 각 안테나 성분의 파일럿 신호에 해당되는
Figure 112017061033229-pat00283
개의 신호들을 서로 직교하는 전송 자원을 사용하여
Figure 112017061033229-pat00284
행렬 구조의 상기 SCM 추정용 파일럿 신호(이하 PSCM)를 생성하는 과정, 상기 기지국이 SCM의 시간대역에서의 동질성(coherence)이 유지될 수 있는 최대 시간 간격보다 같거나 적은 값으로 SCM 추정 주기(이하 TSCM)를 결정하는 과정, 상기 기지국이 허용된 전송 자원을 고려하여 상기 PSCM의 송신 횟수
Figure 112017061033229-pat00285
을 결정하는 과정, 상기 기지국이 상기 결정된 TSCM주기로 상기 PSCM을
Figure 112017061033229-pat00286
번 연속하여 송신하는 과정을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 기지국이 SCM 추정에 사용하는 자원량과 이에 따른 SCM 추정 정확도를 고려하여 상기 PSCM의 송신 횟수
Figure 112017061033229-pat00287
을 결정하는 과정은, 단위 시간당 상기 기지국의 전체 가용 자원량 대비 실제 데이터 전송 자원량의 비율을
Figure 112017061033229-pat00288
라 할 때, 주어진 임계값
Figure 112017061033229-pat00289
에 대해,
Figure 112017061033229-pat00290
를 만족하는 최소의
Figure 112017061033229-pat00291
을 결정하는 과정을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (B) 과정은, 사용자
Figure 112017061033229-pat00292
의 SCM을
Figure 112017061033229-pat00293
라 하고, 사용자
Figure 112017061033229-pat00294
가
Figure 112017061033229-pat00295
번째 전송된 PSCM을 수신한 신호
Figure 112017061033229-pat00296
에 대해
Figure 112017061033229-pat00297
이라 하고,
Figure 112017061033229-pat00298
의
Figure 112017061033229-pat00299
번째 원소를
Figure 112017061033229-pat00300
, 안테나
Figure 112017061033229-pat00301
와 안테나
Figure 112017061033229-pat00302
의 거리 벡터를
Figure 112017061033229-pat00303
, 상기
Figure 112017061033229-pat00304
와 같은 거리 벡터를 갖는 안테나 쌍들의 집합을
Figure 112017061033229-pat00305
, 집합
Figure 112017061033229-pat00306
의 원소 개수를
Figure 112017061033229-pat00307
라 할 때,
Figure 112017061033229-pat00308
의
Figure 112017061033229-pat00309
번째 행과
Figure 112017061033229-pat00310
번째 열의 성분
Figure 112017061033229-pat00311
을
Figure 112017061033229-pat00325
로 추정하는 과정, 상기 사용자가 상기 추정된 SCM의 원소들 중에서 추정 정확도가 낮은 원소 값들을 보정한 후에 상기 보정한 SCM을 상기 기지국에 전달 하는 과정을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 추정된 원소

상기 사용자가 상기 추정된 SCM에서 추정 정확도가 낮은 원소 값들을 보정한 후에 상기 보정한 SCM을 상기 기지국에 전달 하는 과정은, 상기 추정된
Figure 112017061033229-pat00313
를 사용하면
Figure 112017061033229-pat00314
으로 했을 때보다 추정 정확도 오차가 크다고 판단되는 경우,
Figure 112017061033229-pat00315
으로 하여 상기 추정 값을 보정하는 과정, 상기 추정 값 보정 과정이 완료된 후,
Figure 112017061033229-pat00316
이고
Figure 112017061033229-pat00317
인 안테나
Figure 112017061033229-pat00318
이 존재하는 경우, 두 안테나 간의 거리가 클수록 두 안테나 간의 공간 상관도 크기와 추정 정확도가 낮아지는 원거리 지역 효과(far-field effect)를 고려하여
Figure 112017061033229-pat00319
으로 보정하는 과정을 포함한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 추정된 원소
Figure 112017061033229-pat00326
를 사용한 추정 정확도 오차가
Figure 112017061033229-pat00327
으로 했을 때 추정 정확도 오차보다 크다고 판단되는 경우,
Figure 112017061033229-pat00328
으로 하여 상기 추정 값을 보정하는 과정은, 평균이 0이고 분산이
Figure 112017061033229-pat00329
인 정규분포의 가산 잡음(additive noise) 환경에서 상기 사용자가 상기 파일럿 신호를 수신하는 경우,
Figure 112017061033229-pat00330
과
Figure 112017061033229-pat00331
의 안테나 별 채널들의 평균 시간/주파수 상관도를
Figure 112017061033229-pat00332
라 할 때 상기 추정된
Figure 112017061033229-pat00333
값의 평균자승오차(mean square error; 이하 MSE)
Figure 112017061033229-pat00334
를
Figure 112017061033229-pat00335
로 계산하는 과정, 상기 추정된
Figure 112017061033229-pat00336
를
Figure 112017061033229-pat00337
으로 했을 때의 MSE를
Figure 112017061033229-pat00338
이라 할 때
Figure 112017061033229-pat00339
으로 계산하는 과정, 공간 상관도 추정 횟수에 따른 가중치를 고려하여,
Figure 112017061033229-pat00340
의 모든 원소에 대하여
Figure 112017061033229-pat00341
인 경우
Figure 112017061033229-pat00342
으로 보정하는 과정을 포함한다.
본 발명은 대규모 다중 안테나를 사용하는 FDD 무선 통신 시스템에서 원거리 지역 효과를 활용한 효과적인 SCM 추정을 통하여 적은 수의 SCM 추정 파일럿 신호만으로도 정확한 SCM을 획득하고, 추정한 SCM을 바탕으로 파일럿 신호를 생성하여 순시 채널 정보를 추정함으로써 대규모 다중 안테나 사용 환경에 적합한 순시 채널 정보 추정 기법을 제안한다.
도 1은 본 발명에서 고려하는 M-MIMO 시스템 모델에서 기지국이 사용자들의 실시간 채널을 추정하는 과정의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 상기 실시간 채널 추정 과정에 대한 기지국과 사용자 간의 신호 교환을 시간에 따라 나타낸 도면.
도 3은 사용자의 CSI를 추정하는 상기 과정을 간단히 나타낸 도면.
도 4는 도 3의 303단계의 보정 단계를 세부적으로 나타낸 도면.
도 1은 본 발명에서 고려하는 M-MIMO 시스템 모델에서 기지국이 사용자들의 실시간 채널을 추정하는 과정의 일례를 나타낸 도면이다. 기지국(101)은 균일한(uniform) 대규모 안테나 배열을 사용하며, 사용자(102)들의 SCM과 순시 채널 정보(channel state information; 이하 CSI라 칭함)를 추정하기 위하여 각각 PSCM과
Figure 112017061033229-pat00066
의 파일럿 신호를 송신(103)한다. 사용자들은 수신한 파일럿 신호를 바탕으로 SCM과 CSI를 추정하여 기지국으로 궤환(104)한다.
도 2는 상기 실시간 채널 추정 과정에 대한 기지국과 사용자 간의 신호 교환을 시간에 따라 나타낸 도면이다.
Figure 112017061033229-pat00067
를 생성하기 위해서는 채널 상관 정보 획득이 선결되어야 하므로, 기지국은 채널 추정에 앞서 모든 사용자들의 SCM을 추정하는 단계(203)를 갖는다. 상기 단계에서 기지국은 사용자들에게
Figure 112017061033229-pat00068
개의 직교 신호 벡터로 이루어진 PSCM을 주파수/시간 축으로 연속적으로
Figure 112017061033229-pat00070
개 송신하며, 총
Figure 112017061033229-pat00071
개의 OFDM 직교 자원을 소모한다.
Figure 112017061033229-pat00072
은 기지국에게 허용된 파일럿 전용 자원 오버헤드를 고려하여 결정되며, 일례로 단위 시간당 상기 기지국의 전체 가용 자원량 대비 실제 데이터 전송 자원량의 비율을
Figure 112017061033229-pat00343
라 할 때, 주어진 임계값
Figure 112017061033229-pat00344
에 대해
Figure 112017061033229-pat00345
를 만족할 수 있는 최대의
Figure 112017061033229-pat00346
을 PSCM의 연속 전송 횟수로 결정할 수 있다. 이때 안테나
Figure 112017061033229-pat00077
에 대한 SCM 추정 파일럿 신호는 기저 벡터(basis vector)
Figure 112017061033229-pat00078
로 표현될 수 있기 때문에, 안테나 배열 전체에 대한 파일럿 신호
Figure 112017061033229-pat00079
은
Figure 112017061033229-pat00080
로 구성되는
Figure 112017061033229-pat00081
크기의 신호 행렬이다. 간단한 일례로
Figure 112017061033229-pat00082
는
Figure 112017061033229-pat00083
번째 원소가 1이고 나머지 원소들이 0인 벡터이며
Figure 112017061033229-pat00084
은
Figure 112017061033229-pat00085
크기의 항등행렬(identity matrix)이다. 이후 기지국은 사용자들로부터 추정한 SCM을 궤환 받아
Figure 112017061033229-pat00086
를 생성하고 사용자들에 대한 CSI 추정을 진행한다(204). 이때
Figure 112017061033229-pat00087
는
Figure 112017061033229-pat00088
개의 파일럿 신호 벡터로 구성되어 있는
Figure 112017061033229-pat00089
크기의 파일럿 신호 행렬이며, 기존 시스템에서는
Figure 112017061033229-pat00090
이다. 채널 상관 정보는 사용자들의 위치에 밀접한 연관이 있으므로 CSI에 비해 상대적으로 매우 느리게 변화하는 특성을 갖는다. 이를 활용하여 SCM을 갱신하는 주기 TSCM은 CSI를 추정하는 주기에 비해 매우 길게 설정할 수 있으며 SCM 추정으로 인해 추가적으로 발생하는 OFDM 자원 소비를 최소화할 수 있다. 하지만 TSCM이 길수록 이전 추정한 SCM과 현재 사용자의 실제 SCM 사이의 오차가 증가하여 결과적으로 순시 채널 추정 오차 또한 증가하는 문제가 존재한다. 따라서, 사용자들의 이동성에 따른 SCM 변화를 고려하여 SCM 갱신에 소비되는 OFDM 자원을 최소화하면서도, 동시에 사용자들의 요구 용량을 만족시키는 순시 채널 추정 성능을 유지할 수 있도록 적절한 길이의 TSCM을 결정해야 한다. 기지국은 상기 과정에서 결정된 TSCM에 맞추어, 매 주기마다 c을
Figure 112017061033229-pat00096
번 연속 송신하여 사용자들의 SCM을 추정한다.
도 3은 사용자의 CSI를 추정하는 상기 과정을 간단히 나타낸 도면이다. 301단계에서 기지국은 사용자들의 SCM을 추정하기 위하여 PSCM을 송신하고, 302단계에서 사용자들은 수신한 PSCM을 바탕으로 원거리 지역 효과를 활용하여 SCM에 대한 개량된 LS 추정을 수행한다. 총
Figure 112017061033229-pat00099
명의 사용자가 존재할 때, 사용자
Figure 112017061033229-pat00100
가 수신하는 파일럿 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016018136730-pat00101
여기서
Figure 112017061033229-pat00102
는 째
Figure 112017061033229-pat00103
에 대한 사용자
Figure 112017061033229-pat00104
의 수신 신호를,
Figure 112017061033229-pat00105
는
Figure 112017061033229-pat00106
번째
Figure 112017061033229-pat00107
이 겪는 기지국과 사용자
Figure 112017061033229-pat00108
사이의
Figure 112017061033229-pat00109
채널 벡터를,
Figure 112017061033229-pat00110
은 각 원소가 평균이 0이고 분산이
Figure 112017061033229-pat00111
인 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)인
Figure 112017061033229-pat00112
잡음 벡터를 나타낸다. PSCM이 송신되는 동안 사용자의 SCM이 변하지 않는다고 가정할 때, 사용자
Figure 112017061033229-pat00114
의 SCM을
Figure 112017061033229-pat00115
이라 표현하면 <수학식 2>가 성립한다.
Figure 112016018136730-pat00116
이때 기지국의 안테나 간의 거리는 기지국과 사용자 간의 거리에 비해 매우 짧기 때문에, 원거리 지역 효과에 의하여 안테나의 위치와 무관하게 같은 거리와 방향을 갖는 두 안테나 쌍들은 매우 유사한 채널 공간 상관도를 보인다. 이때 두 안테나
Figure 112016018136730-pat00117
,
Figure 112016018136730-pat00118
간의 채널 공간 상관도는
Figure 112016018136730-pat00119
의
Figure 112016018136730-pat00120
번째 행과
Figure 112016018136730-pat00121
번째 열의 원소에 해당된다. 이를
Figure 112016018136730-pat00122
라 표기한다. 상기 안테나 쌍
Figure 112016018136730-pat00123
의 거리 벡터를
Figure 112016018136730-pat00124
라 정의할 때, 이와 동일한 거리 벡터를 갖는 안테나 쌍들의 집합을
Figure 112016018136730-pat00125
라 하면 해당 집합에 속하는 임의의 안테나 쌍
Figure 112016018136730-pat00126
에 대하여 <수학식 3>이 성립한다.
Figure 112016018136730-pat00127
상기 관계로부터,
Figure 112017061033229-pat00347
라 할 때 (PSCM은 직교 신호로 구성되어 있으므로 역행렬이 존재), 사용자는
Figure 112017061033229-pat00129
에 대하여 원거리 지역 효과를 고려하여 <수학식 4>와 같이 추정한 SCM
Figure 112017061033229-pat00130
를 획득할 수 있다.
Figure 112017061033229-pat00348
여기서
Figure 112016018136730-pat00132
는 안테나 안테나 쌍
Figure 112016018136730-pat00133
의 채널 공간 상관도의 추정 값을,
Figure 112016018136730-pat00134
는 집합
Figure 112016018136730-pat00135
의 원소 개수를,
Figure 112016018136730-pat00136
는
Figure 112016018136730-pat00137
의
Figure 112016018136730-pat00138
번째 원소를, *는 켤레 복소수를 의미한다. 303단계는
Figure 112016018136730-pat00139
의 추정 정확도가 낮을 것으로 예상되는 경우,
Figure 112016018136730-pat00140
을 적용하여
Figure 112016018136730-pat00141
를 보정하는 단계이다. 이 단계는 세부적으로 도 4의 401~404단계로 구성된다. 401단계는
Figure 112016018136730-pat00142
의 평균제곱오차(mean square error; 이하 MSE라 칭함)를 계산하는 단계이며, 이는 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017061033229-pat00349
여기서
Figure 112016018136730-pat00144
는
Figure 112016018136730-pat00145
의
Figure 112016018136730-pat00146
번째 원소를 의미한다. 이때 두 안테나 간의 거리가 멀수록 해당 거리와 같은 거리를 갖는 안테나 쌍의 수가 적어지므로,
Figure 112016018136730-pat00147
가 감소하여 안테나 쌍의 추정 공간 상관도의 정확도는 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 한편, <수학식 5>를 계산하기 위해서는
Figure 112016018136730-pat00148
를 사전에 알고 있어야 하는 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위하여 원거리 효과를 이용하여 하기 <수학식 6>과 같이
Figure 112016018136730-pat00149
를 근사할 수 있다.
Figure 112017061033229-pat00350
여기서
Figure 112017061033229-pat00351
은 채널
Figure 112017061033229-pat00352
과
Figure 112017061033229-pat00353
의 안테나 별 채널들의 평균 시간/주파수 상관도이며 대규모 다중 안테나 배열 특성상 <수학식 1>로부터 쉽게 획득할 수 있다.
Figure 112017061033229-pat00151
의 예상되는 MSE의 추정치를
Figure 112017061033229-pat00152
라 표기할 때,
Figure 112017061033229-pat00153
는 <수학식 5>에 <수학식 6>을 대입하여 하기 <수학식 7>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017061033229-pat00354
이때
Figure 112016018136730-pat00155
를 보정하는 조건은
Figure 112016018136730-pat00156
를 보정하지 않을 때의 해당 공간 상관도의 MSE와, 보정할 때의 MSE를 비교하여 전자가 큰 경우이다.
Figure 112016018136730-pat00157
를 보정하지 않을 때의 MSE는 상기 <수학식 7>을 사용하며, 보정할 때의 MSE는
Figure 112016018136730-pat00158
라 표기할 때 402단계에서 하기 <수학식 8>과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112016018136730-pat00159
상기 결과는 추정 공간 상관도를 보정할 때의 실제 MSE가
Figure 112016018136730-pat00160
임에 기인한다. 따라서, 추정 공간 상관도 보정 과정은 하기 <수학식 9>와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016018136730-pat00161
하지만 이는 추정 공간 상관도의 정확도만을 고려한다. 즉, 공간 상관도의 크기에 따라 추정 정확도가 미치는 영향이 다르기 때문에, 이를 고려한 가중치가 필요하다. 이때,
Figure 112016018136730-pat00162
이 클수록
Figure 112016018136730-pat00163
는 정확한 값을 갖게 되어,
Figure 112016018136730-pat00164
이 작을 때에 비해 상대적으로 공간 상관도 크기에 대한 엄격한 가중치가 요구된다. 이를 활용하여, 부정확한
Figure 112016018136730-pat00165
를 재차 이용하기보다,
Figure 112016018136730-pat00166
을 이용한 가중치를 추가하여 하기 <수학식 10>의 보정 과정을 403단계에서 진행한다.
Figure 112017061033229-pat00355
상기 보정 과정을
Figure 112017061033229-pat00171
의 모든 원소에 적용함으로써 사용자
Figure 112017061033229-pat00172
는
Figure 112017061033229-pat00173
에 비해 희소한(sparse)
Figure 112017061033229-pat00174
를 획득할 수 있다. 이때, 안테나 간의 거리가 멀수록 공간 상관도가 작다는 점을 활용하면 추가적으로
Figure 112017061033229-pat00175
의 성분들을 0으로 치환할 수 있다. 즉, 404단계에서는 상기 보정 과정이 완료된
Figure 112017061033229-pat00176
에서
Figure 112017061033229-pat00177
이고
Figure 112017061033229-pat00178
인 안테나
Figure 112017061033229-pat00179
이 존재하는 경우,
Figure 112017061033229-pat00180
으로 추가 보정한다. 이후 304단계에서 사용자
Figure 112017061033229-pat00181
는 상기 과정으로 획득한
Figure 112017061033229-pat00182
을 기지국으로 궤환한다. 305단계에서 기지국은
Figure 112017061033229-pat00183
명의 사용자들로부터 수신한 SCM들을 활용하여
Figure 112017061033229-pat00184
를 생성하고 사용자들에게 송신한다.
Figure 112017061033229-pat00185
는 사용자들의 공간 상관 정보를 활용하는 임의의 실시간 채널 추정 파일럿 신호로, 일례로 한 명의 사용자를 가정할 때, 고유 공간 채널 추정에 따른
Figure 112017061033229-pat00186
는 간단히 <수학식 11>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016018136730-pat00187
여기서 편의상 사용자 색인은 무시되었고,
Figure 112016018136730-pat00188
는
Figure 112016018136730-pat00189
의 고유 벡터 행렬이며,
Figure 112016018136730-pat00190
는
Figure 112016018136730-pat00191
의 첫 번째 열 벡터부터
Figure 112016018136730-pat00192
번째 열 벡터까지의 행렬을 의미한다. 306단계에서 사용자는 수신한
Figure 112016018136730-pat00193
를 바탕으로 MMSE 추정 방법을 이용하여 CSI를 획득하고 이를 기지국으로 궤환한다.
Figure 112016018136730-pat00194
가 송신되는 동안 사용자들의 채널이 일정하게 유지된다고 가정하면, 사용자
Figure 112016018136730-pat00195
가 수신한 신호는 하기 <수학식 12>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016018136730-pat00196
여기서
Figure 112016018136730-pat00197
는 사용자
Figure 112016018136730-pat00198
의 수신 신호를,
Figure 112016018136730-pat00199
는
Figure 112016018136730-pat00200
가 겪는 기지국과 사용자
Figure 112016018136730-pat00201
사이의
Figure 112016018136730-pat00202
채널 벡터를,
Figure 112016018136730-pat00203
는 각 원소가 평균이 0이고 분산이
Figure 112016018136730-pat00204
인 가산성 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)인
Figure 112016018136730-pat00205
잡음 벡터를 나타낸다. 따라서, MMSE 추정 기법을 통하여 추정한 채널
Figure 112016018136730-pat00206
은 하기 <수학식 13>와 같다.
Figure 112016018136730-pat00207
여기서
Figure 112016018136730-pat00208
는
Figure 112016018136730-pat00209
크기의 항등 행렬이다. 이후 사용자
Figure 112016018136730-pat00210
가 상용화되어 있는 채널 정보 궤환 기법을 사용하여
Figure 112016018136730-pat00211
를 기지국에 궤환함으로써 채널 추정 과정을 완료한다. 이상 본 발명의 실시예에 대해서 상술하였으나, 본 문서에 개시된 실시예는 개시된, 기술 내용의 설명 및 이해를 위해 제시된 것이며, 본 문서에서 기재된 기술의 범위를 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 문서의 범위는, 본 문서의 기술적 사상에 근거한 모든 변경 또는 다양한 다른 실시예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 기지국
102 : 사용자
SCM : 채널간 공간 상관 행렬
CSI : 실시간 채널 정보
PSCM : SCM 추정 공용 파일럿
PCSI : CSI 추정 공용 파일럿

Claims (6)

  1. 주파수 분할 전이중(frequency division duplex) 기반의 다중 사용자 무선 통신 시스템에서
    Figure 112017061033229-pat00212
    개의 다중 안테나를 사용하는 기지국이 사용자
    Figure 112017061033229-pat00213
    명의 순시 채널 정보를 추정하는 방법에 있어서,
    (A) 상기 기지국이 상기 사용자들의 기지국 안테나 별 채널간 공간 상관 행렬(spatial correlation matrix; 이하 SCM) 정보를 추정하기 위해
    Figure 112017061033229-pat00214
    개의 직교 신호로 구성된 SCM 추정용 파일럿 신호를 통상의 순시 채널 파일럿 신호 전송에 앞서 상기 사용자에게 주기적으로 송신하는 과정,
    (B) 상기 사용자가 상기 SCM 추정용 파일럿 신호를 수신하여 원거리 지역 효과(far-field effect)에 의한 공간 상관 정보 간의 유사성을 이용하여 SCM을 추정하는 과정,
    (C) 상기 추정된 SCM을 상기 기지국이 상기 사용자로부터 전달받는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (A) 과정은,
    상기 기지국이 각 안테나 성분의 파일럿 신호에 해당되는
    Figure 112017061033229-pat00215
    개의 신호들을 서로 직교하는 전송 자원을 사용하여
    Figure 112017061033229-pat00216
    행렬 구조의 상기 SCM 추정용 파일럿 신호(이하 PSCM)를 생성하는 과정,
    상기 기지국이 SCM의 시간대역에서의 동질성(coherence)이 유지될 수 있는 최대 시간 간격보다 같거나 적은 값으로 SCM 추정 주기(이하 TSCM)를 결정하는 과정,
    상기 기지국이 허용된 전송 자원을 고려하여 상기 PSCM의 송신 횟수
    Figure 112017061033229-pat00220
    을 결정하는 과정,
    상기 기지국이 상기 결정된 TSCM주기로 상기 PSCM을
    Figure 112017061033229-pat00223
    번 연속하여 송신하는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기지국이 SCM 추정에 사용하는 자원량과 이에 따른 SCM 추정 정확도를 고려하여 상기 PSCM의 송신 횟수
    Figure 112017061033229-pat00225
    을 결정하는 과정은,
    단위 시간당 상기 기지국의 전체 가용 자원량 대비 실제 데이터 전송 자원량의 비율을
    Figure 112017061033229-pat00226
    라 할 때, 주어진 임계값
    Figure 112017061033229-pat00227
    에 대해,
    Figure 112017061033229-pat00228
    를 만족하는 최소의
    Figure 112017061033229-pat00229
    을 결정하는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (B) 과정은,
    사용자
    Figure 112017061033229-pat00230
    의 SCM을
    Figure 112017061033229-pat00231
    라 하고, 사용자
    Figure 112017061033229-pat00232
    가
    Figure 112017061033229-pat00233
    번째 전송된 PSCM을 수신한 신호
    Figure 112017061033229-pat00235
    에 대해
    Figure 112017061033229-pat00320
    이라 하고,
    Figure 112017061033229-pat00321
    의
    Figure 112017061033229-pat00236
    번째 원소를
    Figure 112017061033229-pat00237
    , 안테나
    Figure 112017061033229-pat00238
    와 안테나
    Figure 112017061033229-pat00239
    의 거리 벡터를
    Figure 112017061033229-pat00240
    , 상기
    Figure 112017061033229-pat00241
    와 같은 거리 벡터를 갖는 안테나 쌍들의 집합을
    Figure 112017061033229-pat00242
    , 집합
    Figure 112017061033229-pat00243
    의 원소 개수를
    Figure 112017061033229-pat00244
    라 할 때,
    Figure 112017061033229-pat00247
    의
    Figure 112017061033229-pat00248
    번째 행과
    Figure 112017061033229-pat00249
    번째 열의 성분
    Figure 112017061033229-pat00250
    을
    Figure 112017061033229-pat00356
    로 추정하는 과정,
    상기 사용자가 상기 추정된 SCM의 원소들 중에서 추정 정확도가 낮은 원소 값들을 보정하는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 사용자가 상기 추정된 SCM의 원소들 중에서 추정 정확도가 낮은 원소 값들을 보정하는 과정은,
    상기 추정된 원소
    Figure 112017061033229-pat00252
    를 사용한 추정 정확도 오차가
    Figure 112017061033229-pat00253
    으로 했을 때 추정 정확도 오차가 크다고 판단되는 경우,
    Figure 112017061033229-pat00254
    으로 하여
    Figure 112017061033229-pat00366
    값을 보정하는 과정,
    상기 추정 값 보정 과정이 완료된 후,
    Figure 112017061033229-pat00255
    이고
    Figure 112017061033229-pat00256
    인 안테나
    Figure 112017061033229-pat00257
    이 존재하는 경우, 두 안테나 간의 거리가 클수록 두 안테나 간의 공간 상관도 크기와 추정 정확도가 낮아지는 원거리 지역 효과(far-field effect)를 고려하여
    Figure 112017061033229-pat00258
    으로 보정하는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추정된
    Figure 112017061033229-pat00259
    를 사용하면
    Figure 112017061033229-pat00260
    으로 했을 때보다 추정 정확도 오차가 크다고 판단되는 경우,
    Figure 112017061033229-pat00261
    으로 하여 상기 추정 값을 보정하는 과정은,
    평균이 0이고 분산이
    Figure 112017061033229-pat00262
    인 정규분포의 가산 잡음(additive noise) 환경에서 상기 사용자가 상기 파일럿 신호를 수신하는 경우,
    Figure 112017061033229-pat00357
    과
    Figure 112017061033229-pat00358
    의 안테나 별 채널들의 평균 시간/주파수 상관도를
    Figure 112017061033229-pat00359
    라 할 때 상기 추정된
    Figure 112017061033229-pat00360
    값의 평균자승오차(mean square error; 이하 MSE)
    Figure 112017061033229-pat00361
    를
    Figure 112017061033229-pat00362
    로 계산하는 과정,
    상기 추정된
    Figure 112017061033229-pat00266
    를
    Figure 112017061033229-pat00267
    으로 했을 때의 MSE를
    Figure 112017061033229-pat00268
    이라 할 때
    Figure 112017061033229-pat00269
    으로 계산하는 과정,
    Figure 112017061033229-pat00270
    개의
    Figure 112017061033229-pat00271
    이 전송되는 채널 간의 평균 상관도를
    Figure 112017061033229-pat00272
    라 할 때, 공간 상관도 추정 횟수에 따른 가중치를 고려하여,
    Figure 112017061033229-pat00273
    의 모든 원소에 대하여
    Figure 112017061033229-pat00367
    인 경우
    Figure 112017061033229-pat00275
    으로 보정하는 과정을 포함하는 채널 정보 추정 방법.




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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
‘OFDM 시스템에서 상호상관을 이용한 파일럿 심볼 기반 채널 추정 성능 향상 기법’, 한국통신학회논문지 '11-07 Vol.36 No.7, pp.467-474, 2011.07.

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