KR102190255B1 - 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법 Download PDF

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김현성
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Abstract

본 발명은 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 통신부가 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하고, 핑거프린트 DB 구축부가 상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하여 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축하고, 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부가 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하며, 서빙 셀 선택부가 상기 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하여 상기 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성함으로써 지상과 공중으로 데이터 통신의 효율성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법{FINGERPRINT BASED BEAM FORMING JOINT TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핑거프린트 데이터를 이용하여 사용자 단말 및 무인 비행체에 적용되는 통신 시스템에서 협력 통신을 적용하여 데이터 전송의 효율성과 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
무인 비행체(예를 들어, 드론 등)는 지난 몇 년간 항공 감시, 교통 통제, 사진 촬영, 택배 배달, 및 통신 중계와 같은 민간 응용 분야에서 광범위하게 사용되고 있으며, 앞으로도 무인 비행체를 이용한 산업은 민간 분야뿐 아니라 우주항공산업 및 국방산업 등 다양한 분야에서 활용 가치가 높아 지속적으로 발전할 가능성이 있다.
무인 비행체를 이용한 다양한 산업에서는 무인 비행체와 기지국(100) 간의 양방향 통신으로 대용량, 저지연, 및 고신뢰성이 요구된다. 그러나, 기존의 무인 비행체는 비면허 대역인 ISM 2.4GHz를 통한 일대일 통신에 의존하여 데이터 속도, 통신 범위, 안정성, 및 보안 측면에서 새롭게 부상하는 무인 비행체 애플리케이션의 요구 사항을 충족시키지 못해 사용범위가 현격히 제한될 우려가 있다.
밀리미터파 통신은 28GHz 이상의 넓은 대역폭을 사용하는 통신으로 무인 비행체와 기지국 간의 대용량, 저지연, 및 고신뢰성 통신을 달성하기 위한 유망한 기술로 최근 밀리미터파 통신에 대해 많은 연구되었지만, 밀리미터파 통신을 적용한 무인 비행체 시스템은 새로운 기회와 도전에 직면해 있다.
밀리미터파 통신은 무인 비행체와 기지국 간의 채널 형성에 있어서 장애물 영향을 받지 않을 수 있는 유리한 조건을 제공할 수 있는 반면, 제한된 통신 거리와 무인 비행체의 빠른 이동성으로 인해 데이터 전송에 있어서 효율적인 빔포밍이 기술 개발이 필요하다.
빔포밍 기술은 전송 속도를 최대화하고 에너지 효율을 향상시키기 위해 신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하여 선택된 방향으로 신호를 전송한다. 이때, 빔 선택 알고리즘은 철저한 빔 탐색(Exhaustive beam search)을 통해 채널 상태 정보(Channel State Information; CSI)를 추정하여 기지국에 대한 정확한 채널 추정 및 채널 상태 정보 피드백이 필요하다.
철저한 빔 탐색은 송신과 수신이 순차적으로 이루어지고, 지향성 아날로그 빔을 교체하면서 링크의 신호대 잡음 비(Signa-to-Noise Ratio; SNR)를 최대화하는 송신 및 수신 빔 쌍을 찾는다.
그러나, 이러한 방식은 그리드 해상도에 의해 결정되며, 모든 송신 및 수신 하는 빔을 순차적으로 전송해야 하므로 큰 오버헤드가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 무인 비행체 시스템에 적용할 밀리미터파 빔포밍 통신은 이러한 오버헤드가 발생하는 단점을 극복하기 위한 기술 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 상술한 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 밀리미터파 빔포밍 통신 환경에서 핑거프린트 데이터를 이용하여 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 무인 비행체와 협력 통신함에 있어서 전송 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템은 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함할 수 있으며, 기지국은, 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신부; 상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부; 상기 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기지국은, 상기 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 통신부는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템은 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함할 수 있으며, 기지국은, 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신부; 상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하되, 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부; 상기 선별된 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 이용하여 상기 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 통신부는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법은 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함할 수 있으며, 기지국은, 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신 단계; 상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계; 상기 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기지국은, 상기 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 통신 단계는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법은 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함할 수 있으며, 기지국은, 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신 단계; 상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하되, 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계; 상기 선별된 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 이용하여 상기 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 통신 단계는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 무인 비행체에 적용되는 밀리미터파 빔포밍 통신에서 핑거프린트를 이용하여 지상과 공중으로 데이터 통신의 효율성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 환경을 계략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신을 위한 시스템 장치의 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 핑거프린트 DB 구축부의 세부구성도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부의 세부구성도이다.
도 5는 공중 단말의 비율에 따른 SINR CDF 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 공중 단말의 높이에 따른 SINR CDF 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템의 순서를 나타낸 순서도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로 이는 단말, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 환경을 계략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 환경은 기지국(100), 기지국(100)과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀(200), 및 서빙 셀(200)과 통신하는 적어도 하나의 단말이 고려될 수 있다.
Multi-input Multi-output(MIMO) 네트워크 시스템은 하나의 기지국(100)과 적어도 하나의 서빙 셀(200), 및 적어도 하나의 단말로 구성된 밀리미터파 대용량(Massive) MIMO 시스템을 고려한다.
도 2은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신을 위한 시스템 장치의 구성도이다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템은 통신부(110), 핑거프린트 DB 구축부(130), 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부(150)를 포함할 수 있고, 서빙 셀 선택부(170)를 더 포함할 수 있다.
통신부(110)는 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 서빙 셀(200)을 통하여 수신할 수 있다.
핑거프린트 DB 구축부(130)는 적어도 하나의 서빙 셀(200)로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀(200) 커버리지 내 단말 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스 구축할 수 있다.
지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부(150)는 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별할 수 있다.
서빙 셀 선택부(170)는 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 선택할 수 있다.
여기서, 통신부(110)는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다. 이때, 하나의 단말에 수신되는 신호는 인접한 적어도 하나의 서빙 셀(200)에 의해 간섭이 일어날 수 있으나, 서빙 셀(200) 커버리지 내에서 신호의 세기가 가장 큰 빔과 간섭을 일으키는 인접한 셀에서 신호의 세기가 가장 큰 빔 중 적어도 하나의 빔을 수신될 수 있다. 즉, 단말은 기지국(100)에서 협력 통신(Joint Transmission)으로 서로 다른 서빙 셀(200)을 통해 전송되는 적어도 하나의 신호를 수신하여 각각의 서빙 셀(200)에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔으로 통신 채널을 형성해 데이터를 송신 및 수신할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 핑거프린트 DB 구축부의 세부구성도이다.
도 3에서 나타낸 바와 같이, 핑거프린트 DB 구축부(130)의 세부구성은 빔 인덱스 저장 모듈(131)과 단말 위치 정보 저장 모듈(133)을 포함할 수 있다.
기지국(100)은 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 수신신호의 세기인 기준신호수신전력과 위치 정보를 수신할 수 있다.
빔 인덱스 저장 모듈(131)은 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력을 저장할 수 있으며, 단말 위치 정보 저장 모듈(133)은 위치 정보를 받아 저장할 수 있다. 이때, 기준신호수신전력은 신호의 세기가 가장 큰 빔만 저장되며, 위치 정보는 내장된 GPS(Global Positioning System) 또는 네트워크 포지셔닝 시스템으로 위치 정보를 쉽게 이용할 수 있기 때문에 단말은 현재 위치를 측정하고 기지국(100)으로 전달할 수 있다.
기지국(100)은 적어도 하나의 안테나로 구성되어 적어도 하나의 서빙 셀(200)과 통신하며, 각 서빙 셀(200)은 적어도 하나의 안테나와 RF 체인을 가지고, 하나의 단일 안테나를 통해 하나의 단말과 통신할 수 있다. 이때, 서빙 셀(200) b에서 단말 k의 수신된 신호(
Figure 112020100544617-pat00001
)는 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020108834774-pat00098
수학식 1에서,
Figure 112020108834774-pat00099
는 디지털 프리코딩 행렬이고,
Figure 112020108834774-pat00004
는 b 번째 서빙 셀(200)의 데이터 심볼의 벡터이다.
Figure 112020108834774-pat00100
는 열 잡음이고,
Figure 112020108834774-pat00101
는 서빙 셀(200) b에서 기지국(100)
Figure 112020108834774-pat00007
와 단말
Figure 112020108834774-pat00008
사이의 채널 벡터를 나타낸다.
단말의 위치에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하기 위한 주요 절차는 완전탐색(Exhaustive Search)을 통한 빔 스위핑이며, 이는 빔의 공간 영역을 커버하기 위해 사전 정의된 빔을 전송할 수 있다. 사전 정의된 빔의 공간 방향 중 빔 스위핑을 통해 서빙 셀(200)에 의해 신호의 세기가 가장 큰 빔과 인접하는 셀에 의해 야기되는 간섭 빔을 도출할 수 있다.
공간 도메인 채널은
Figure 112020100544617-pat00009
크기의 공간 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT) 매트릭스
Figure 112020100544617-pat00010
를 사용하여 빔 공간 도메인으로 직접 변환될 수 있다.
Figure 112020100544617-pat00011
개의 안테나 요소를 갖는 ULA(Uniform Linear Array)인 경우, DFT 코드북의 b 번째 빔포밍 벡터는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020100544617-pat00012
수학식 2에서, k = 0, 1,..., N-1의 값을 가질 수 있다. UPA인 경우, 각각의 수평 및 수직 도메인에서 1D 빔포밍 벡터의 크로네커 곱을 사용하여 빔포밍 벡터를 계산하며 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020100544617-pat00013
수학식 3에서, k는 코드북 내 코드워드 인덱스의 값이고, k = 0, 1,..., Nv-1 이고, l = 0, 1,..., Nh-1 의 값을 가질 수 있으며,
Figure 112020100544617-pat00014
은 크로네커 곱이다.
따라서, 빔공간 채널
Figure 112020108834774-pat00102
는
Figure 112020108834774-pat00103
과 같이 정의된다.
여기서,
Figure 112020108834774-pat00017
는 단말 k의 빔공간 채널이다. 희소한 빔공간 채널에 따라 적은 수의 적절한 빔만 선택하여 성능 손실 없이 MIMO 시스템의 차원을 줄일 수 있다. 이때, 단말 k의 공간 다중화 이득을 보장하기 위해 필요한 RF 체인의 최소 개수를 NRF = K 로 설정하면
Figure 112020108834774-pat00104
이다. 여기서, S는 선택된 빔 인덱스 세트이고, 차원 축소된 ZF 행렬 프리코딩
Figure 112020108834774-pat00105
은 다음 수학식 4로 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020108834774-pat00106
수학식 4에서,
Figure 112020100544617-pat00021
는 스케일링 계수이다.
단말과 각 서빙 셀(200) 사이의 채널은 대규모 페이딩, 소규모 페이딩, 및 각 레이(ray) 사이의 공간 상관을 고려한 레이 기반 채널 모델이다. 채널의 구성은 상위 레벨 파라미터, 대규모 파라미터, 및 소규모 파라미터 설정인 3단계로 구성될 수 있으며, 채널 파라미터를 결정하기 위해 UMa(Urban Macro) 시나리오를 고려할 수 있다. 대규모 페이딩 파라미터는 [표 1]과 같이 요약할 수 있고, 쉐도우 페이딩의 분포는 로그 정규이다.
LoS/NLoS 조건 Pathloss [dB] Std [dB] 단말 높이
LoS
Figure 112020100544617-pat00022
Figure 112020100544617-pat00023
Figure 112020100544617-pat00024
Figure 112020100544617-pat00025
Figure 112020100544617-pat00026
Figure 112020100544617-pat00027
NLoS
Figure 112020100544617-pat00028
Figure 112020100544617-pat00029
Figure 112020100544617-pat00030
Figure 112020100544617-pat00031
Figure 112020100544617-pat00032
소규모 페이딩의 경우, 시간 t 및 지연
Figure 112020100544617-pat00033
에 해당하는 수신 (u) 및 송신 (s) 안테나 사이의 채널 임펄스 응답은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020100544617-pat00034
수학식 5에서,
Figure 112020100544617-pat00035
는 지연 확산이며,
Figure 112020100544617-pat00036
은 Rician 요소,
Figure 112020100544617-pat00037
및
Figure 112020100544617-pat00038
는 각각 NLoS(non-Line of Sight) 및 LoS(Line of Sight) 채널 계수를 나타낸다.
여기서, NLoS는 송신기에서 수신기로 전송한 전파의 진행방향에 빌딩, 나무, 높은 고지대, 및 산 또는 고전압의 전선 주변과 같은 장애물이 존재하면 장애물에 의해 흡수되거나 반사되어 전파가 수신기에 도달하더라도 전송 될 때의 전력보다 낮은 전력으로 수신되거나 도달한 시간이 달라져 주파수의 위상이 변하는 전파를 의미한다.
LoS는 전파의 진행이 송신기로부터 수신기까지 도달할 때 장애물의 영향을 받지 않는 것을 의미한다. 이는 전파의 손실이 거의 없다는 의미이기도 하다.
서빙 셀(200)과 단말 사이의 LoS 전파가 형성될 확률은 단말의 높이가 증가함에 따라 방해되는 요소가 감소하므로 LoS의 확률은 증가한다. 또한, 전파가 다양한 경로로 전달되는 과정에서 건물이나 터널 등으로 인해 신호의 세기가 급격히 변하는 쉐도우 페이딩은 단말의 높이가 증가함에 따라 채널 링크의 경로 손실 지수의 감소로 인해 표준 편차가 감소하게 된다. 특히, UMa 시나리오에서 단말의 높이가 100m 이상이면 항상 LoS의 조건을 따른다. 이때, 단말은 자유 공간 전파와 유사한 경로 손실
Figure 112020100544617-pat00039
을 경험한다.
핑거프린트 데이터는 각 서빙 셀(200)의 커버리지 내에서 지상 및 공중 단말이 위치한 곳에서 기지국(100)과 단말 간의 통신을 통해 단말의 위치를 기준으로 핑거프린트 데이터가 생성된다. 이때, 핑거프린트 데이터는 단말의 위치, 서빙 셀(200) 커버리지 내 수신신호의 세기가 가장 큰 빔 정보가 고려될 수 있다. 공중에 위치한 단말은 인접하는 적어도 하나의 서빙 셀(200)에 의해 빔 간섭이 형성될 수 있으므로 서빙 셀(200) 커버리지 내 수신신호의 세기가 가장 큰 빔 정보와 간섭 셀의 수신신호의 세기가 가장 큰 빔 정보가 동시에 고려될 수 있다.
표 2는 서빙 셀(200) b에서 완전탐색을 수행하여 도출된 단말의 위치 정보 및 단말의 위치에서 수신신호의 세기가 가장 큰 빔이 기록된 핑거프린트 데이터를 나타내며,
Figure 112020100544617-pat00040
와
Figure 112020100544617-pat00041
는 각각 공중 및 지상 핑거프린트 위치를 나타낸다.
Figure 112020100544617-pat00042
는 간섭 셀 정보,
Figure 112020100544617-pat00043
은 지상 단말(300)의 핑거프린트 위치
Figure 112020100544617-pat00044
에서 신호의 세기가 가장 큰 빔이고,
Figure 112020100544617-pat00045
와
Figure 112020100544617-pat00046
는 각각 공중 단말(400)의 핑거프린트 위치
Figure 112020100544617-pat00047
에서 신호의 세기가 가장 큰 빔과 간섭 셀
Figure 112020100544617-pat00048
에서 신호의 세기가 가장 큰 빔이다.
공중 단말 지상 단말
Figure 112020100544617-pat00049
Figure 112020100544617-pat00050
Figure 112020100544617-pat00051
Figure 112020100544617-pat00052
Figure 112020100544617-pat00053
Figure 112020100544617-pat00054
Figure 112020100544617-pat00055
Figure 112020100544617-pat00056
Figure 112020100544617-pat00057
Figure 112020100544617-pat00058
Figure 112020100544617-pat00059
Figure 112020100544617-pat00060
Figure 112020100544617-pat00061
Figure 112020100544617-pat00062
Figure 112020100544617-pat00063
Figure 112020100544617-pat00064
Figure 112020100544617-pat00065
Figure 112020100544617-pat00066
Figure 112020100544617-pat00067
Figure 112020100544617-pat00068
Figure 112020100544617-pat00069
Figure 112020100544617-pat00070
Figure 112020100544617-pat00071
Figure 112020100544617-pat00072
Figure 112020100544617-pat00073
Figure 112020100544617-pat00074
Figure 112020100544617-pat00075
Figure 112020100544617-pat00076
서빙 셀(200) b 에서 단말 k에 대한 신호의 세기가 가장 큰 빔은 완전 탐색을 통해 코드북 U로부터 선택되며 수학식 6으로 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020108834774-pat00107
공중 단말(400)의 위치에서 간섭 셀 i로 인한 신호의 세기가 가장 큰 빔은 완전탐색을 통해 결정되며 다음 수학식 7로 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020108834774-pat00108
도 4는 일 실시예에 따른 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부의 세부구성도이다.
도 4에서 나타낸 바와 같이 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부(150)는 지상 핑거프린트 데이터 저장 모듈(151)과 공중 핑거프린트 데이터 저장 모듈(153)을 포함할 수 있다.
지상 핑거프린트 데이터 저장 모듈(151)은 지상에 위치하는 단말의 핑거프린트 데이터를 저장한다.
공중 핑거프린트 데이터 저장 모듈(153)은 공중에 위치하는 단말의 핑거프린트 데이터를 저장한다.
여기서, 지상 단말(300)과 공중 단말(400)의 핑거프린트 데이터를 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터로 분류하는 과정은, 기지국(100)에서 단말로부터 제공된 위치 정보를 이용하여 단말 위치에서의 핑거프린트 데이터를 생성하고 현재 단말의 위치와 생성된 핑거프린트 데이터의 위치를 매칭한다. 단말의 현재 위치와 핑거프린트 데이터의 위치를 매칭하는 것은 핑거프린트 데이터베이스에서 단말의 현재 위치와 가장 작은 오차범위를 갖는 핑거프린트 데이터의 위치를 식별하는 것을 의미하며, 단말 k의 매칭된 위치는 다음 수학식 8로 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020100544617-pat00079
수학식 8에서,
Figure 112020100544617-pat00080
는 단말 k의 현재 위치이고,
Figure 112020100544617-pat00081
는 핑거프린트 위치 i이며, 결과적으로, 단말의 현재 위치와 가장 가깝게 매칭된 핑거프린트 위치를 얻을 수 있다.
매칭 후, 기지국(100)은 매칭된 핑거프린트 위치를 통해 지상 단말(300) 또는 공중 단말(400)을 결정할 수 있다.
단말의 위치와 일치하는 핑거프린트의 위치가 지상일 경우, 단말은 지상 단말(300)로 식별될 수 있고, 일치하는 핑거프린트의 위치가 공중일 경우, 단말은 공중 단말(400)로 식별될 수 있다.
단말의 위치를 식별 한 후, 기지국(100)은 단말과 통신하기 위한 서빙 셀(200)을 선택하여 통신 채널을 형성할 수 있다.
여기서, 단말이 지상에 위치할 경우, 기지국(100)은 매칭된 핑거프린트 위치에 대응하는 핑거프린트 데이터에 따라 수신신호의 세기가 가장 큰 빔으로 지상 단말(300)과 통신할 수 있다.
단말이 공중에 위치할 경우, 공중 단말(400)은 지상 단말(300)에 비해 더 많은 인접 서빙 셀(200)에 대한 LoS 전파 조건을 경험함에 따라 공중 단말(400)과 인접한 적어도 하나의 서빙 셀(200)로부터 동시에 통신 채널을 형성하는 협력 통신(Joint Transmission; JT)이 적용될 수 있다.
이때, 기지국(100)이 단말의 정확한 채널 상태 정보를 알고 있다면, 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 공중 단말(400)에 적용되는 협력 통신의 SINR(Signal Interference Noise Ratio)은 다음 수학식 9로 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112020100544617-pat00082
수학식 9에서,
Figure 112020100544617-pat00083
는 서빙 셀 j로부터 전송된 신호에 대한 단말의 수신 전력이고,
Figure 112020100544617-pat00084
는 서빙 셀 c로부터 전송된 신호에 대한 단말의 수신 전력이다. B는 기지국(100), C는 협력 통신하는 서빙 셀(200)을 나타낸다.
협력 통신을 적용하지 않은 지상 단말(300)의 SINR은 다음 수학식 10으로 표현될 수 있다.
Figure 112020100544617-pat00085
수학식 10에서,
Figure 112020100544617-pat00086
는 서빙 셀 j로부터 전송된 신호에 대한 단말의 수신 전력이고,
Figure 112020100544617-pat00087
는 서빙 셀 b로부터 전송된 신호에 대한 단말의 수신 전력이다.
시뮬레이션
시뮬레이션에 사용된 파라미터는 다운 링크 시스템에서 반송파 주파수가 30GHz 인 100MHz 의 대역폭을 기반으로 한다. UMa 시나리오를 위해 19개의 서빙 셀(200)이 3개의 섹터로 구성되도록 하여 총 57개의 서빙 셀(200) 레이아웃을 배치하고, 서빙 셀(200)당 총 단말의 개수는 지상 단말(300) 및 공중 단말(400)을 포함하여 총 15개로 가정한다. 공중 단말(400)은 지상보다 훨씬 높은 높이를 갖는 실외 단말로 구성되는 반면, 지상 단말(300)은 지상 및 내부 건물에 존재하도록 가정한다.
서빙 셀(200)에서 밀도가 다른 공중 단말(400)의 영향을 평가하기 위해 전체 단말의 개수에서 공중 단말(400)의 비율을 0%, 0.67%, 7.1%, 25%, 및 50%로 적용하여 SINR의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function; CDF)가 고려되었다. 자세한 시뮬레이션 파라미터는 표 3과 같다.
파라미터 가정
셀 레이아웃 Hexagonal grid, 19 cell site, 3 sector/site
중심 주파수 30 GHz
대역폭 100 MHz
시나리오 UMa
섹터 당 단말 수 15 단말
공중 단말 비율(Naerial/Nterretrial) Case 1: 0% (Naerial = 0)
Case 2: 0.67% (Naerial = 0.1)
Case 3: 7.1% (Naerial = 1)
Case 4: 25% (Naerial = 3)
Case 5: 50% (Naerial = 5)
안테나 구성 기지국(100): Nh = Nv = 8, NBS = 64
단말: 단일 안테나
기지국 최대 TX 전력 35 dBm
스케줄링 Round Robin
트래픽 모델 전체 버퍼
세로 안테나 패턴(dB)
Figure 112020100544617-pat00088
가로 안테나 패턴(dB)
Figure 112020100544617-pat00089
3D 안테나 결합 방법
Figure 112020100544617-pat00090
도 5는 공중 단말의 비율에 따른 SINR CDF 효율을 나타낸 그래프이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이, 공중 단말의 비율에 따른 SINR CDF 효율은 전체 단말의 개수(15개)에서 공중 단말(400)의 개수, 즉 Case1, 2, 3, 4, 및 5는 각각 0, 0.1, 1, 3, 및 5개 일 때를 고려한다. 이때, 공중 단말(400)로 수신되는 신호는 인접한 적어도 하나의 서빙 셀(200)의 간섭으로 지상 단말(300)의 다운링크 SINR에 비해 평균 -3.5 dB 성능 변화가 나타나지만, 협력 통신으로 인해 데이터를 수신하기 때문에 더 많은 데이터를 전송할 수 있게 된다.
도 6은 공중 단말의 높이에 따른 SINR CDF 효율을 나타낸 그래프이다.
도 6에서 나타낸 바와 같이, 공중 단말(400)의 높이에 따른 SINR CDF 효율은 공중 단말(400)의 비율이 50%일 때를 기준으로 한다. 이때, 공중 단말(400)의 높이는 50, 100, 200, 및 300m에 따른 SINR CDF 효율을 고려한다. 공중 단말(400)의 높이에 따른 SINR CDF 효율은 공중 단말(400)의 높이가 50m에서 최대 비행 고도 300m로 증가함에 따라 다운링크 채널의 성능이 저하되나, 공중 단말(400)의 높이가 증가함에 따라, 공중 단말(400)이 여러 서빙 셀(200)로부터 LoS 신호를 받을 확률이 증가하여 공중 단말(400)과 서빙 셀(200)의 경로 손실이 감소된다.
도 7은 일 실시예에 따른 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신의 순서를 나타낸 순서도이다.
도 7에서 나타낸 바와 같이 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신의 순서는 통신 단계(S100), 핑거프린트 DB 구축 단계(S300), 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별 단계(S500), 서빙 셀 선택 단계(S700), 협력 통신 단계(S900)를 포함할 수 있다.
통신 단계(S100)는 기지국에서 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 서빙 셀(200)을 통하여 수신할 수 있다.
핑거프린트 DB 구축 단계(S300)는 적어도 하나의 서빙 셀(200)로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀(200) 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축할 수 있다.
지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별 단계(S500)는 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별할 수 있다.
서빙 셀 선택 단계(S700)은 기지국(100)에서 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말로 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 선택할 수 있다.
협력 통신 단계(S900)는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀(200)을 통해 단말과 통신 채널을 형성할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
100: 기지국 200: 서빙 셀
300: 지상 단말 400: 공중 단말
110: 통신부 130: 핑거프린트 DB 구축부
150: 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부
170: 서빙 셀 선택부
131: 빔 인덱스 저장 모듈 133: 단말 위치 정보 저장 모듈
151: 지상 핑거프린트 데이터 저장 모듈
153: 공중 핑거프린트 데이터 저장 모듈

Claims (10)

  1. 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템에 있어서,
    기지국은,
    적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신부;
    상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부;
    상기 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별부를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기지국은,
    상기 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택부를 더 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 통신부는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템.
  4. 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템에 있어서,
    기지국은,
    적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신부;
    상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하되, 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축부;
    상기 선별된 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택부를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통신부는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 시스템.
  6. 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법에 있어서,
    기지국은,
    적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신 단계;
    상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하여 생성된 핑거프린트 데이터로 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계;
    상기 핑거프린트 데이터에서 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 선별 단계를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기지국은,
    상기 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터 중 적어도 하나를 이용하여 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택 단계를 더 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통신 단계는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법.
  9. 기지국, 상기 기지국과 통신하는 적어도 하나의 서빙 셀, 및 상기 서빙 셀과 통신하는 적어도 하나의 단말을 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법에 있어서,
    기지국은,
    적어도 하나의 서빙 셀을 통해 적어도 하나의 단말로 전송한 기준신호에 대한 응답으로 각각의 단말로부터 제공된 수신신호의 세기인 기준신호수신전력 및 위치정보를 상기 서빙 셀을 통하여 수신하는 통신 단계;
    상기 적어도 하나의 서빙 셀로부터 기준신호수신전력 및 위치정보를 전달받아 각각의 서빙 셀 커버리지 내 단말의 위치 별 수신신호의 세기가 가장 큰 빔을 선택하고, 상기 선택된 빔으로 핑거프린트 데이터를 생성하되, 단말의 위치에 따라 지상 및 공중 핑거프린트 데이터로 선별하여 지상 핑거프린트 데이터와 공중 핑거프린트 데이터를 생성하는 핑거프린트 데이터베이스를 구축하는 핑거프린트 DB 구축 단계;
    상기 선별된 지상 및 공중 핑거프린트 데이터 이용하여 상기 단말과 통신을 하기 위한 적어도 하나의 서빙 셀을 선택하는 서빙 셀 선택 단계를 포함하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 통신 단계는 선택된 적어도 하나의 서빙 셀을 통해 단말과 통신 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 핑거프린트 기반의 빔포밍 협력 통신 방법.
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