WO2017061681A1 - 매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents

매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치 Download PDF

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길계태
조동호
이주용
박대희
이용훈
오상민
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한국과학기술원
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
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    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station

Definitions

  • the embodiments below relate to a method of mass antenna-based patterned / polarized beam splitting multiple access and an apparatus for performing the same.
  • Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) technology is a radio transmission technology using a large number of antennas in a base station or repeater.
  • the same beamforming is used to spatially control interference between user equipment (UE) signals to provide the same amount of radio resources. It has the advantage of being able to service a large number of UEs simultaneously and at the same time reducing the power consumption per UE to the inverse of the number of antennas.
  • BDMA beam division multiple access
  • a sector of a conventional three sector system is divided into a plurality of beam sectors, and a beam division multiple access (BDMA) technology is proposed as a conventional MU-MIMO technology within a beam sector.
  • BDMA technology efficiently partitions not only frequency / time resources but also spatial resources in a mobile communication system, and allocates orthogonal beams to UEs for multiple access.
  • BDMA technology allows terminals in similar locations to communicate in common with one beam.
  • Embodiments can improve that the MIMO channel in the beam sector by the conventional BDMA technology has a large condition number, making it difficult to completely transmit N streams.
  • embodiments utilize K antenna arrays to configure B beamsectors for each array to reuse frequencies in a BDMA manner, and at the same time, K antenna arrays have K different radii to implement MIMO transmission in each beamsector. It is possible to improve the system's DoF (Degree of Freedom) and Spectral Efficiency by configuring to have a pattern (including polarization) and allowing MI signals to be transmitted simultaneously for each beam sector.
  • DoF Degree of Freedom
  • Spectral Efficiency by configuring to have a pattern (including polarization) and allowing MI signals to be transmitted simultaneously for each beam sector.
  • embodiments are required for K transmit antenna arrays by overlapping K antenna arrays having different patterns in order to simultaneously transmit K streams using MI beams using K beams having the same AoD. It is possible to improve the utilization of space by not increasing the area of physical space.
  • the pattern / polarization beam splitting multiple access method may include generating a plurality of beam sectors for each antenna array using a plurality of pattern / polarization antenna arrays, and performing MIMO transmission on each of the plurality of beam sectors. Including the step, each of the plurality of pattern / polarization antenna array may have a different radiation pattern.
  • the performing may include precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors, beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals, and beam And transmitting the formed signals using each of the plurality of antenna arrays.
  • the plurality of antenna arrays may be implemented in an overlapping structure.
  • An Angle of Departure of each beam generated in each of the plurality of beam sectors may be approximately the same regardless of the antenna array index of the plurality of pattern / polarization antenna arrays.
  • a plurality of pattern / polarization antenna arrays each having a different radiation pattern and the plurality of pattern / polarization antenna arrays are used to generate a plurality of beam sectors for each antenna array, and the plurality of beam sectors Each of these may include a controller that performs MIMO transmission.
  • the controller may include a precoder for precoding signals to be transmitted to each of the plurality of beam sectors, and a beamformer for beamforming each of the precoded signals based on a weight for each of the precoded signals. Can be.
  • the plurality of antenna arrays may be implemented in an overlapping structure.
  • An Angle of Departure of each beam generated in each of the plurality of beam sectors may be approximately the same regardless of the antenna array index of the plurality of pattern / polarization antenna arrays.
  • the precoder may be implemented for each beam sector.
  • 1 shows an example of a MIMO BDMA system.
  • FIG. 2 illustrates patterned polarized antenna arrays according to an embodiment.
  • FIG. 3 shows an example of an antenna structure using the polarized antenna arrays shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating beamsectorization using a pattern polarization BDMA technique according to an embodiment.
  • FIG. 5 illustrates a P2BDMA transmitter structure according to an embodiment.
  • FIG. 6 shows a channel simulation using uniform linear arrays when the patterns of the receiving antennas are different.
  • FIG. 7 shows a channel simulation using uniform linear arrays when the patterns of the receiving antennas are the same.
  • FIG. 8 illustrates an example of implementing a patterned polarization antenna structure according to an embodiment.
  • FIG. 9 illustrates a port-specific radiation pattern of the patterned polarization antenna elements illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 10 shows a configuration of a polarized BDMA beam sector for P2BDMA performance simulation.
  • FIG. 11 illustrates beam patterns generated by reflecting the AoD of the beam sector shown in FIG. 10.
  • FIG. 13 shows an example of a spectral efficiency comparison between conventional BDMA and P2BDMA.
  • FIG. 14 shows another example of spectral efficiency comparison between existing BDMA and P2BDMA.
  • Embodiments according to the inventive concept may be variously modified and have various forms, so embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments in accordance with the concept of the present invention to specific embodiments, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
  • first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of the rights according to the inventive concept, the first component may be called a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • Embodiments to be described below are an evolutionary new concept of Full Dimension MIMO (FD-MIMO) technology, which is being standardized as one of 3GPP's 5G core technologies, and has a very high spectral efficiency improvement compared to the existing BDMA technology. As a technology to achieve, the ripple effect is expected to be very large in the mobile and wireless communication market.
  • FD-MIMO Full Dimension MIMO
  • 1 shows an example of a MIMO BDMA system.
  • the MIMO BDMA technology configures a beam sector using a beamformer, and in each beam sector, a single user multiple input multiple output (SU-MIMO) _ or a multi user multiple input multiple output (MU-MIMO) _ Can provide transmission.
  • SU-MIMO single user multiple input multiple output
  • MU-MIMO multi user multiple input multiple output
  • MIMO BDMA technology may have problems in the following aspects.
  • the K transmit antenna arrays transmit multiple streams in separate locations over a predetermined interval
  • the angles of emission (Angle of Departure (AoD)) of the K signals are transmitted in the same beam sector
  • the K receive antennas and the transmit antennas The MIMO channel may become difficult to transmit K streams completely due to a large condition number.
  • K antenna arrays having the same pattern In order to simultaneously transmit K streams in MIMO using K beams having the same AoD, K antenna arrays having the same pattern must be arranged to have a greater distance than half-wavelength from each other. Physical space may be required.
  • the "pattern / polarization antenna element” and “pattern / polarization antenna array” used herein may be defined as follows.
  • pattern / polarized antenna element means an antenna element having a unique radiation pattern including polarization characteristics
  • pattern / polarization antenna array means a plurality of antennas having the same polarization characteristics and radiation patterns. It may mean an antenna array composed of elements.
  • the pattern polarization beam division multiple access (P2BDMA) technique may operate as follows for the above-described aspect.
  • B beamsectors may be configured for each array to reuse frequencies in a BDMA manner.
  • K antenna arrays may be configured to have K different radiation patterns.
  • the precoder b may control the interference between the K signals transmitted to the beamsector b.
  • K transmit antenna arrays can be overlayed and integrated with each other.
  • K signals can be simultaneously transmitted for each beam sector by MIMO, so that the DoF of the system can be K to have frequency efficiency.
  • P2BDMA Puln Polarization Beam Division Multiple Access
  • FIG. 2 shows pattern / polarized antenna arrays according to an embodiment
  • FIG. 3 shows an example of an antenna structure using the pattern / polarized antenna arrays shown in FIG.
  • the P2BDMA technique may use antenna arrays having a plurality of independent pattern / polarization characteristics.
  • FIG. 2 it is assumed that four antenna arrays having independent pattern / polarization characteristics are described for convenience of description.
  • the first pattern / polarization antenna array Type1 may include first pattern / polarization antennas having a first polarization characteristic and a first radiation pattern.
  • the second pattern / polarization antenna array Type2 may include second pattern / polarization antennas having a second polarization characteristic and a second radiation pattern.
  • the third pattern / polarization antenna array Type3 may include third pattern / polarization antennas having a third polarization characteristic and a third radiation pattern.
  • the fourth pattern / polarization antenna array Type4 may include fourth pattern / polarization antennas having a fourth polarization characteristic and a fourth radiation pattern.
  • the first polarization characteristic, the second polarization characteristic, the third polarization characteristic, and the fourth polarization characteristic may be different from each other.
  • the first radiation pattern, the second radiation pattern, the third radiation pattern, and the fourth radiation pattern may be different from each other.
  • the antenna arrays Type1 to Type4 having four independent pattern / polarization characteristics may be implemented in an overlapping structure.
  • the physical occupied space of the antenna can be saved.
  • FIG. 4 illustrates a conceptual diagram of beam sectorization by P2BDMA technology according to an embodiment.
  • a method of constructing a plurality of beam sectors using the pattern / polarization arrays of FIG. 3 and generating a beam in each of the plurality of beam sectors may be as follows.
  • K pattern / polarized antenna arrays having different radiation patterns may be utilized.
  • the pattern / polarized antenna arrays may generate (or configure) B beamsectors through beamforming, respectively. That is, B beamsectors may be generated for each pattern / polarization antenna array.
  • the AoD of the beam generated in the b-th beamsector by the k-th pattern / polarized antenna array, for example, beams 1 and k, may be approximately the same regardless of the array index k. In other words, Can be. here, May mean the AoD of the b th beamsector.
  • KxK MIMO channels This allows KxK MIMO channels to be formed within a particular beamsector b.
  • FIG. 5 illustrates a structure of a transmitter for performing P2BDMA according to an embodiment.
  • a method of transmitting K streams for each of B beam sectors using the structure of the transmitter of FIG. 5 may be as follows.
  • the transmitting apparatus may generally be a fixed or mobile base station in communication with the UEs.
  • the transmitting apparatus may be called a Node-B, an eNode-B (eNode-B or eNB), a Base Transceiver System (BTS), or an Access Point.
  • eNode-B or eNB eNode-B
  • BTS Base Transceiver System
  • UEs in each beamsector may receive K streams.
  • UEs may be a mobile station (MS), a mobile terminal (MT), a terminal (terminal or user terminal (UT)), a wireless terminal, an access terminal (AT), a subscriber unit (Subscriber Unit). ), A subscriber station (SS), a wireless device, a wireless communication device, a wireless transmit / receive unit (WTRU), a mobile node, or a mobile.
  • the transmitting apparatus may configure B beam sectors for each array by utilizing a pattern / polarization antenna array including a pattern / polarization antenna element having P different radiation patterns.
  • the pattern / polarization antenna array (or pattern / polarization antenna array structure) shown in FIG. 3 may be decomposed into K virtual antenna arrays.
  • the dimension of the k th virtual antenna array may be M k x N k .
  • M k and N k may each be an integer smaller than M and N, respectively.
  • K P.
  • Each virtual antenna array may be used to divide the service area into B sectors having AoDs independent of (or unrelated to) the virtual antenna array index k.
  • the service area may be an area where UEs that are capable of serving (or communicating with) a transmitting device are located.
  • the N r x K channels can be implemented in each sector.
  • N r may mean the number of antennas of the UE.
  • the symbols may be sent to each sector on the same time / frequency resource.
  • a beamformer weight for the k-th signal (or stream) transmitted to the beamsector b.
  • N T may mean the number of transmit antennas.
  • the precoder b may perform a function of controlling interference between K signals transmitted to the beamsector b.
  • a signal model in a specific beamsector b may be derived as follows.
  • the received signal vector at the UE having N r receive antennas may be as shown in Equation (1).
  • the channel matrix may be as shown in Equation 2.
  • Is the gain and phase response of the lth path Is the beamformer weight for beamsector b, May be as shown in Equations 3, 4, and 5.
  • I an element factor of the nth receive antenna element
  • diag (.) May mean a diagonalization operation.
  • N r x K matrix exhibiting a radiation pattern and a cross polarization effect (or interference polarization effect, cross-polarization effect).
  • E.g, May indicate the effect of the antenna radiation pattern and polarization between the transmit antenna array and the receive antenna array on the l-th path channel.
  • the (m, n) th element may be defined as in Equation 6.
  • the lth path may mean a vertical and horizontal radiation pattern of the kth transmission antenna having an AoD of. And, The l-th path may mean the cross polarization effect.
  • the rank of the MIMO channel in the beam sector b may be analyzed as follows.
  • Equation 2 may be expressed as Equation 7.
  • Matrix is rank matrix Since it is a linear combination of The maximum value of rank may not be greater than L. Thus, the rank of channel H is And L ⁇ About. May be the same as
  • the rank of may be greater than one.
  • FIG. 6 shows a channel simulation using uniform linear arrays when the patterns of the receiving antennas are different.
  • the rank characteristic of the channel H may be as shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows a channel simulation using uniform linear arrays when the patterns of the receiving antennas are the same.
  • the rank characteristic of the channel H may be as shown in FIG. 7.
  • a subspace eigenvector whose singular value is 1/10 3 or less of the maximum value may be determined as a null subspace.
  • FIG. 8 illustrates an embodiment of a pattern / polarization antenna structure according to an embodiment
  • FIG. 9 illustrates a port-specific radiation pattern of the pattern / polarization antenna elements shown in FIG. 8.
  • a patterned polarization antenna having four pattern / polarization characteristics may be designed in order to examine the performance of the P2BDMA technology according to an embodiment from a more practical perspective.
  • the port-specific radiation patterns of the patterned polarization antenna elements may be as shown in FIG. 9.
  • FIG. 10 shows a configuration of a polarized BDMA beam sector for P2BDMA performance simulation
  • FIG. 11 shows beam patterns generated by reflecting the AoD of the beam sector shown in FIG. 10.
  • FIG. 10 for P2BDMA performance simulation, AoDs for eight beam sectors may be defined as shown in FIG. 10. A total of 32 pattern polarized beams may be transmitted, four in each beamsector.
  • FIG. 11 illustrates beam patterns obtained by applying an optimization technique to a total of 32 pattern polarized beams in which AoD of the beam sector shown in FIG. 10 is reflected.
  • the sidelobe level is about -18 dB in the case of a horizontal beam and the sidelobe level is about -10 dB in the case of a vertical beam.
  • FIG. 13 shows an example of a spectral efficiency comparison between conventional BDMA and P2BDMA.
  • the simulation was performed under the condition that the angular spread of the channels in the horizontal and vertical spaces was 5 °, and the number of rays in the single cluster was 20.
  • the spectral efficiency obtained according to the SNR in each beamsector may be as shown in FIG. 13.
  • the degree of performance improvement that the P2BDMA technology according to the embodiment obtains from the conventional BDMA technology under various simulation conditions may be as shown in Table 1.
  • the simulation results of the polarization antenna shown in FIG. 8 show that the system capacity improvement of 90 to 112% or more can be obtained compared to the conventional BDMA.
  • the maximum SE that can be obtained at high SNR is 98 bps / Hz.
  • Angular spread obtains the largest SE at 5 °. At 10 °, SE is lowered due to beamsector interference, and at 1 °, correlation between optical channels is increased.
  • the P2BDMA technology according to the embodiment shows that the system capacity improvement of 90-112% or more can be obtained compared to the existing BDMA.
  • the P2BDMA technique according to an embodiment may achieve a spectral efficiency improvement at the expense of a slight increase in implementation complexity (due to the integration of four patterns / polarized antennas) based on the same antenna space.
  • the apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components.
  • the devices and components described in the embodiments are, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors, microcomputers, field programmable gate arrays (FPGAs).
  • ALUs arithmetic logic units
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • PLU programmable logic unit
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software.
  • processing device includes a plurality of processing elements and / or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include.
  • the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller.
  • other processing configurations are possible, such as parallel processors.
  • the software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the above, and configure the processing device to operate as desired, or process it independently or collectively. You can command the device.
  • Software and / or data may be any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device in order to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. Or may be permanently or temporarily embodied in a signal wave to be transmitted.
  • the software may be distributed over networked computer systems so that they may be stored or executed in a distributed manner.
  • Software and data may be stored on one or more computer readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법은 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하는 단계와, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 서로 다른 방사 패턴을 갖는다.

Description

매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치
아래 실시예들은 매시브 안테나 기반의 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.
Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은 기지국 또는 중계기에서 많은 수의 안테나를 사용하는 무선 전송 기술로서 동일한 빔포밍을 통해 UE(User Equipment) 신호들 간의 간섭도 공간적으로 제어하여 동일한 양의 무선 자원으로 많은 수의 UE를 동시에 서비스할 수 있고 동시에 UE 당 소모 전력을 안테나 수의 역수로 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
그러나, 이 기술은 기존의 3섹터와 같이 넓은 서비스 대상 지역 안의 개별 UE들 마다 개별적으로 빔포밍을 적용하게 되면 FDD(Frequency Division Duplexing) 방식으로 이 기술을 구현하기 위해 Massive MIMO 채널 상태 정보(channel state information(CSI))를 UE에서 추정하여 기지국으로 피드백하여 기지국이 빔포밍 가중치(weight)을 결정하는 데 사용하도록 해야 하기 때문에 이 많은 양의 CSI 피드백이 기술의 구현에 큰 난점으로 인식되고 있다.
이 문제를 해결하기 위한 방법으로서 기존의 3섹터 시스템의 섹터를 다수의 빔 섹터로 분할하고 빔 섹터 안에서 기존의 MU-MIMO 기술로서 빔 분할 다중 접속(Beam Division Multiple Access(BDMA)) 기술이 제시되었다. BDMA 기술은 이동 통신 시스템에서 주파수/시간 자원뿐만 아니라 공간 자원도 효율적으로 분할하고, UE들에게 직교성(orthogonal)의 빔들을 할당하여 다중 접속하도록 한다. 즉, BDMA 기술은 비슷한 위치에 있는 단말들이 하나의 빔을 공용하여 통신하도록 한다.
실시예들은 기존의 BDMA 기술에 의한 빔섹터 안에서의 MIMO채널이 조건수(condition number)가 크게 되어 온전하게 N개 스트림을 전송하기 어렵게 되는 점을 개선할 수 있다.
또한, 실시예들은 K개의 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성하여 BDMA 방식으로 주파수를 재사용하고, 동시에 각 빔섹터 안에서 MIMO 전송을 구현하기 위하여 K개의 안테나 어레이는 K개의 서로 다른 방사 패턴(편파 포함)을 갖도록 구성하고 빔섹터 별로 K개의 신호를 동시에 MIMO 전송할 수 있게 하여 시스템의 DoF(Degree of Freedom)와 주파수 효율성(Spectral Efficiency)를 개선할 수 있다.
뿐만 아니라, 실시예들은 동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO방식으로 동시 전송하기 위해서 서로 다른 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이를 중첩하여 사용함으로써, K개 송신 안테나 어레이를 위해 필요한 물리적 공간의 면적이 증가하지 않게 하여 공간 사용 활용성을 개선할 수 있다.
일 실시예에 따른 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법은 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하는 단계와, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 서로 다른 방사 패턴을 갖을 수 있다.
상기 수행하는 단계는 상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 단계와, 프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 단계와, 빔포밍된 신호들을 상기 복수의 안테나 어레이들 각각을 이용하여 송신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현될 수 있다.
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성되는 각 빔의 발사각(Angle of Departure)은 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일할 수 있다.
일 실시예에 따른 각각이 서로 다른 방사 패턴을 갖는 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들과, 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하고, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 프리코더와, 프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 빔포머를 포함할 수 있다.
상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현될 수 있다.
상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성되는 각 빔의 발사각(Angle of Departure)은 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일할 수 있다.
상기 프리코더는 빔섹터별로 구현될 수 있다.
도 1은 MIMO BDMA 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 패턴 편파 안테나 어레이들을 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 편파 안테나 어레이들을 이용한 안테나 구조의 일 예를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 패턴 편파 BDMA 기술에 의한 빔섹터화 개념도를 나타낸다.
도 5는 일 실시예에 따른 P2BDMA 송신기 구조를 나타낸다.
도 6은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 다른 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
도 7은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 동일한 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
도 8은 일 실시예에 따른 패턴 편파 안테나 구조의 구현 예를 나타낸다.
도 9는 도 8에 도시된 패턴 편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴을 나타낸다.
도 10은 P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위한 편파 BDMA 빔 섹터 구성을 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영되어 생성된 빔패턴들을 나타낸다.
도 12는 가로 8개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수평빔들의 패턴들과, 세로 4개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수직빔들의 패턴들을 나타낸다.
도 13은 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(Spectral Efficiency) 비교의 일 예를 나타낸다.
도 14는 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(Spectral Efficiency) 비교의 다른 예를 나타낸다.
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.
이하에서 설명될 실시예들은 3GPP의 5G 핵심기술의 하나로서 표준화 중인 FD-MIMO(Full Dimension MIMO) 기술의 진화된 새로운 개념의 기술로서, 기존의 BDMA 기술 대비 매우 높은 스펙트럼 효율(spectral efficiency) 개선을 달성하는 기술로서 이동 및 무선통신 시장에 그 파급 효과가 매우 클 것으로 예상된다.
도 1은 MIMO BDMA 시스템의 일 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, MIMO BDMA 기술은 빔포머를 사용하여 빔섹터를 구성하고, 각 빔섹터에서 SU-MIMO(Single User Multiple Input Multiple Output)_ 또는 MU-MIMO(Multi User Multiple Input Multiple Output)_ 전송을 제공할 수 있다.
MIMO BDMA 기술은 다음과 같은 측면에서 문제점을 갖을 수 있다.
<DoF(degree of freedom) 달성 측면>
K개의 송신 안테나 어레이들이 일정 간격 이상으로 분리된 위치에서 다중 스트림을 전송할 경우, K개의 신호들의 발사각(Angle of Departure(AoD))이 모두 같은 빔섹터로 송신되게 되면 K개의 수신 안테나와 송신 안테나 사이의 MIMO 채널은 그 조건수(condition number)가 크게 되어 온전하게 K개 스트림을 전송하기 어렵게 될 수 있다.
<공간 사용 활용성 측면>
동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO 방식으로 동시 전송하기 위해서 동일한 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이가 서로 반파장보다 큰 간격을 갖도록 배치되어야 하기 때문에 K개 송신 안테나 어레이를 위한 큰 물리적 공간이 필요할 수 있다.
실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술을 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용되는 "패턴/편파 안테나 소자"와 "패턴/편파 안테나 어레이"을 다음과 같이 정의할 수 있다.
본 명세서에서 "패턴/편파 안테나 소자"는 편파 특성을 포함하여 유니크(unique)한 방사 패턴을 갖는 안테나 소자를 의미하고, "패턴/편파 안테나 어레이"는 동일한 편파 특성 및 방사 패턴을 갖는 복수의 안테나 소자들로 구성된 안테나 어레이를 의미할 수 있다.
실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술은 상술한 측면을 위해 다음과 같이 동작할 수 있다.
<DoF 달성 측면>
K개의 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성하여 BDMA 방식으로 주파수를 재사용할 수 있다.
각 빔섹터 안에서 MIMO 전송을 구현하기 위하여 K개의 안테나 어레이는 K개의 서로 다른 방사 패턴을 갖도록 구성할 수 있다.
빔섹터 b로 K개의 신호가 송신되도록 하기 위하여 빔섹터 b로 송신할 K개 신호들
Figure PCTKR2016005459-appb-I000001
을 프리코딩한 다음, 프리코더 출력 신호들
Figure PCTKR2016005459-appb-I000002
을 각 신호 별로 가중 벡터(weight vector)
Figure PCTKR2016005459-appb-I000003
를 사용하여 빔포밍한 다음, 빔포머의 출력 신호
Figure PCTKR2016005459-appb-I000004
를 각각 패턴 편파 안테나 어레이 k (k=1,2,...,K)를 사용하여 송신되도록 할 수 있다.
이때, 프리코더 b는 빔섹터 b로 송신되는 K개의 신호들 사이의 간섭을 제어할 수 있다.
<공간 사용 활용성 측면>
K개의 송신 안테나 어레이들을 서로 오버레이(overlay)하여 집적화할 수 있다.
이에, 상술한 측면은 본 발명의 P2BDMA 기술을 통해 다음과 같이 개선될 수 있다.
<DoF 달성 측면>
K개의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들을 사용하여 빔섹터 별로 K개의 신호를 동시에 MIMO 전송할 수 있게 되어 시스템의 DoF를 K가 되도록 하여 주파수 효율성을 갖을 수 있다.
<공간 사용 활용성 측면>
동일한 AoD를 갖는 K개의 빔들을 사용하여 K개 스트림을 MIMO 방식으로 동시 전송하기 위해서 서로 다른 패턴을 갖는 K개의 안테나 어레이를 중첩하여 사용함으로써, K개 송신 안테나 어레이를 위해 필요한 물리적 공간의 면적이 증가하지 않게 될 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 P2BDMA(Pattern Polarization Beam Division Multiple Access) 기술에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 패턴/편파 안테나 어레이들을 나타내고, 도 3은 도 2에 도시된 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용한 안테나 구조의 일 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, P2BDMA 기술은 복수의 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이들을 이용할 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이가 4개인 것으로 가정하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 패턴/편파 안테나 어레이(Type1)는 제1 편파 특성 및 제1 방사 패턴을 갖는 제1 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제2 패턴/편파 안테나 어레이(Type2)는 제2 편파 특성 및 제2 방사 패턴을 갖는 제2 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제3 패턴/편파 안테나 어레이(Type3)는 제3 편파 특성 및 제3 방사 패턴을 갖는 제3 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다. 제4 패턴/편파 안테나 어레이(Type4)는 제4 편파 특성 및 제4 방사 패턴을 갖는 제4 패턴/편파 안테나들을 포함할 수 있다.
제1 편파 특성, 제2 편파 특성, 제3 편파 특성, 및 제4 편파 특성은 서로 상이할 수 있다. 또한, 제1 방사 패턴, 제2 방사 패턴, 제3 방사 패턴, 및 제4 방사 패턴은 서로 상이할 수 있다.
4가지 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이(Type1~Type4)를 대상으로 성능을 분석한 결과는 후술한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 4가지 독립적인 패턴/편파 특성을 갖는 안테나 어레이들(Type1~Type4)은 중첩(overlapping) 구조로 구현될 수 있다. 이에, 안테나의 물리적 점유 공간이 절약될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술에 의한 빔섹터화(beam sectorization) 개념도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 도 3과 같은 패턴/편파 어레이들을 사용하여 복수의 빔섹터들을 구성하고, 복수의 빔섹터들 각각의 안의 빔을 생성하는 방법은 다음과 같을 수 있다.
서로 다른 방사 패턴을 갖는 K개의 패턴/편파 안테나 어레이를 활용할 수 있다.
패턴/편파 안테나 어레이들은 빔포밍을 통하여 각각 B개의 빔섹터를 생성할(또는 구성할) 수 있다. 즉, 패턴/편파 안테나 어레이 별로 B개의 빔섹터가 생성될 수 있다. k번째 패턴/편파 안테나 어레이에 의해 b번째 빔섹터 안에 생성된 빔, 예를 들어 빔1,k의 AoD는 어레이 인덱스 k와 관계없이 근사적으로 같은 값을 갖도록 할 수 있다. 즉,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000005
일 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000006
는 b번째 빔섹터의 AoD를 의미할 수 있다.
이렇게 함으로써 특정 빔섹터 b안에서 KxK MIMO 채널이 형성될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 P2BDMA를 수행하는 송신 장치의 구조를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 도 5의 송신 장치의 구조를 사용하여 B개의 빔섹터 별로 K개의 스트림을 송신하는 방법은 다음과 같을 수 있다. 예를 들어, 송신 장치는 일반적으로 UE들과 통신하는 고정 또는 이동 기지국(base station)일 수 있다. 또한, 송신 장치는 노드-B(Node-B), e노드-B(eNode-B 또는 eNB), BTS(Base Transceiver System), 또는 액세스 포인트(Access Point) 등으로 불릴 수 있다.
각 빔섹터 내 UE들은 K개의 스트림을 수신할 수 있다. UE들은 이동국(Mobile Station(MS)), 이동 단말기(Mobile Terminal(MT)), 단말기(terminal, 또는 사용자 단말기(User Terminal(UT)), 무선 단말기, 액세스 단말기(AT), 가입자 유닛(Subscriber Unit), 가입자 스테이션(Subscriber Station(SS)), 무선 장치(Wireless device), 무선 통신 장치, 무선 송수신 유닛(Wireless Transmit/Receiver Unit(WTRU)), 이동 노드, 또는 모바일 등으로 불릴 수 있다.
송신 장치는 P개의 서로 다른 방사 패턴을 갖는 패턴/편파 안네나 소자를 포함하는 패턴/편파 안테나 어레이를 활용하여 어레이 별로 B개의 빔섹터를 구성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 패턴/편파 안테나 어레이(또는 패턴/편파 안테나 어레이 구조)는 K개의 가상 안테나 어레이(virtual antenna array)로 분해될 수 있다. k번째 가상 안테나 어레이의 크기(dimension)는 Mk x Nk일 수 있다. 여기서, Mk와 Nk 각각은 M과 N 각각보다 작은 정수일 수 있다. 이때, 간단한 케이스는 K=P인 경우이다.
각 가상 안테나 어레이는 서비스 영역(service area)을 가상 안테나 어레이 인덱스 k에 독립적인(또는 관계없는) AoD를 갖는 B개의 섹터로 분할하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 서비스 영역은 송신 장치가 서비스 가능한(또는 통신 가능한) UE들이 위치한 지역일 수 있다.
따라서, K개의 가상 안테나 어레이를 갖는 패턴/편파 안테나 어레이를 사용하여 Nr x K 채널은 각 섹터에 구현될 수 있다. Nr은 UE의 안테나의 개수를 의미할 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000007
심볼들은 동일한 시간/주파수 자원을 통해 각 섹터로 전송될 수 있다.
빔섹터 b로 K개의 신호가 송신되도록 하기 위하여 빔섹터 b로 송신할 K개 신호들
Figure PCTKR2016005459-appb-I000008
을 프리코딩한 다음, 프리코더 출력신호들
Figure PCTKR2016005459-appb-I000009
을 각 신호별로 가중 벡터(weight vector)
Figure PCTKR2016005459-appb-I000010
를 사용하여 빔포밍한 다음, 빔포머 출력 신호
Figure PCTKR2016005459-appb-I000011
를 각각 패턴/편파 안테나 어레이 k (k=1,2,...,K)를 사용하여 송신되도록 할 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000012
는 빔섹터 b로 송신되는 k번째 신호(또는 스트림)을 위한 빔포머 가중치(또는 빔포밍 가중치)를 의미할 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000013
는 빔섹터 b에 대한 빔포머 가중치(또는 빔포밍 가중치)이고, 빔섹터 b의 중심 방향으로 빔섹터 b를 규정하는 것일 수 있다.
여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000014
는 NTx1 벡터로서 그 요소(element)들은 0과 같거나 또는 0에 가까운 값을 가질 수 있다. NT는 송신 안테나의 개수를 의미할 수 있다.
프리코더 b는 빔섹터 b로 송신되는 K개의 신호들 사이의 간섭을 제어하는 기능을 수행할 수 있다.
P2BDMA 채널의 특성을 분석하기 위하여 특정 빔섹터 b안의 신호 모델은 다음과 같이 유도될 수 있다.
송신 장치, 예를 들어 eNB로부터 빔섹터 b 내의 UE로 L 개의 경로(path, 또는 scatterer)가 있다고 가정한다. Nr개의 수신 안테나를 갖는 UE에서의 수신된 신호 벡터는 수학식 1과 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000015
여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000016
는 송신 심볼 벡터(transmit symbol vector)일 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000017
은 가산 노이즈 벡터(additive noise vector)일 수 있다.
채널 매트릭스는 수학식 2와 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000018
여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000019
은 l번째 경로의 이득 및 위상 응답(gain and phase response)이고,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000020
은 빔섹터 b에 대한 빔포머 가중치(beamformer weight)이고,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000021
은 수학식 3, 4, 및 5와 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000022
Figure PCTKR2016005459-appb-I000023
은 l번째 경로에 대한 송신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)를 의미할 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000024
은 n번째 송신 안테나 소자(transmit antenna element)의 소자 요인(element factor)을 의미할 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000025
Figure PCTKR2016005459-appb-I000026
은 l번째 경로에 대한 수신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)을 원소로 갖는 대각 행렬(diagonal matrix)을 의미할 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000027
은 n번째 수신 안테나 소자(receive antenna element)의 소자 요인(element factor)이고, diag(.)은 대각화 연산(diagonalization operation)을 의미할 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000028
Figure PCTKR2016005459-appb-I000029
은 방사 패턴(radiation pattern) 및 교차 편파 효과(또는 간섭 편파 효과, cross-polarization effect)를 나타내는 Nr x K 매트릭스를 의미할 수 있다. 예를 들어,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000030
은 송신 안테나 어레이와 수신 안테나 어레이 사이의 안테나 방사 패턴 및 편파가 l번째 경로 채널에 미치는 영향을 나타내는 것일 수 있다. 여기서, (m, n) 번째 요소는 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000031
Figure PCTKR2016005459-appb-I000032
여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000033
과
Figure PCTKR2016005459-appb-I000034
은 l번째 경로에 대응하는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000035
의 AoA를
갖는 m번째 수신 안테나의 수직 및 수평 방사 패턴을 의미하고,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000036
과
Figure PCTKR2016005459-appb-I000037
은 l번째 경로에 대응하는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000038
의 AoD를 갖는 k번째 송신 안테나의 수직 및 수평 방사 패턴을 의미할 수 있다. 그리고,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000039
은 l번째 경로의 교차 편파 효과를 의미할 수 있다.앞서 유도한 신호 모델을 기반으로 빔섹터 b안의 MIMO 채널에 대한 랭크(rank)를 분석하면 다음과 같을 수 있다.
송신 장치의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, UE의 모든 수신 안테나들(또는 수신 안테나 소자들)의 패턴이 동일한 경우,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000040
의 모든 로우들이 동일할 수 있다. 이에, 수학식 2는 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000041
여기서,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000042
은
Figure PCTKR2016005459-appb-I000043
의 첫번째 로우 벡터(first row vector)이고, l번째 경로에 대한 수신 안테나 어레이의 어레이 요인(array factor)을 나타내는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000044
은 수학식 8과 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000045
수학식 7에서의
Figure PCTKR2016005459-appb-I000046
매트릭스는 랭크 매트릭스
Figure PCTKR2016005459-appb-I000047
의 선형 조합(linear combination)이기 때문에,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000048
의 랭크의 최대 값(maximum value)은 L보다 클 수 없다. 이에, 채널 H의 랭크는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000049
이고, L≥
Figure PCTKR2016005459-appb-I000050
에 대해.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000051
와 같을 수 있다.
송신 장치의 송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, UE의 모든 수신 안테나들의 패턴도 서로 다른 경우, 매트릭스
Figure PCTKR2016005459-appb-I000052
는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000053
의 랭크를 포함할 수 있다. 이는, L 값에 관계 없이, 채널 H의 랭크는
Figure PCTKR2016005459-appb-I000054
임을 의미할 수 있다. 이 경우,
Figure PCTKR2016005459-appb-I000055
> 1뿐만 아니라 L=1인LoS(line-of-sight) 채널에서 조차
Figure PCTKR2016005459-appb-I000056
의 랭크는 1보다 클 수 있다.
L≥
Figure PCTKR2016005459-appb-I000057
인 산란 환경(scattering environment)에서, UE 안테나 소자들이 동일한 방사 패턴 또는 서로 상이한 방사 패턴이던, 패턴/편파 안테나 타입의 개수를 증가시켜 채널
Figure PCTKR2016005459-appb-I000058
의 랭크를
Figure PCTKR2016005459-appb-I000059
로 증가시키는 것이 가능할 수 있다. 서로 상이한 패턴들의 UE의 안테나 소자인 경우, Nr 및 K를 증가시켜 L=1인 채널 H를 통해서도 동일한 시간 및 주파수에서 멀티플 심볼들을 전송하는 것이 가능할 수 있다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 상술한 송신 장치의 안테나 어레이와 UE의 안테나 패턴에 따른 채널 H의 랭크 특성,즉, DoF의 시뮬레이션에 대해 설명한다.
도 6은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 다른 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, 수신 안테나들의 패턴도 서로 다른 경우, 채널 H의 랭크 특성은 도 6에 도시된 바와 같을 수 있다. 이때, 각 빔섹터 안의 채널 클러스터의 수는 Ncl = 1로, 각 채널 클러스터안의 ray 수는Nray = 20로, 송신 안테나 어레이의 송신 안테나 소자의 개수는 Nt = 16로, 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 소자의 개수는 Nr = 4로, K = 4로 적용했다.
시뮬레이션 결과는 확산 각도(angular spread)에 관계없이 DoF = 4를 얻을 수 있음을 보여준다. 또한, DoF 판정시, 채널 매트릭스의 특이값(singular value)이 최대치의 1/103이하인 부분 공간 고유 벡터(subspace eigenvector)는 null subspace로 판정될 수 있다.
도 7은 수신 안테나들의 패턴들이 서로 동일한 경우 유니폼 선형 어레이들(uniform linear array)을 사용한 채널 시뮬레이션을 나타낸다.
송신 패턴/편파 안테나 어레이들의 패턴이 서로 다르고, 수신 안테나들의 패턴은 서로 같은 경우, 채널 H의 랭크 특성은 도 7에 도시된 바와 같을 수 있다. 이때, 각 빔섹터 안의 채널 클러스터의 수는 Ncl = 1로, 각 채널 클러스터안의 ray 수는Nray = 20로, 송신 안테나 어레이의 송신 안테나 소자의 개수는 Nt = 16로, 수신 안테나 어레이의 수신 안테나 소자의 개수는 Nr = 4로, K = 4로 적용했다.
도 7의 시뮬레이션 결과도 도 6과 마찬가지로 확산 각도(angular spread)에 관계없이 DoF = 4를 얻을 수 있음을 보여준다. 또한, DoF 판정시 채널 매트릭스의 특이값(singular value)이 최대치의 1/103이하인 부분 공간 고유 벡터(subspace eigenvector)는 null subspace로 판정될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 패턴/편파 안테나 구조의 구현 예를 나타내고, 도 9는 도 8에 도시된 패턴/편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴을 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술의 성능을 보다 practical한 관점에서 살펴보기 위하여 4가지 패턴/편파 특성을 갖는 패턴 편파 안테나를 설계할 수 있다. 또한, 패턴 편파 안테나 소자들의 포트별 방사 패턴들은 도 9에 도시된 바와 같을 수 있다.
이하에서는, P2BDMA 성능 시뮬레이션의 결과를 설명한다.
도 10은 P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위한 편파 BDMA 빔 섹터 구성을 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영되어 생성된 빔패턴들을 나타낸다.
도 10에 도시된 바와 같이, P2BDMA 성능 시뮬레이션을 위해 먼저 도 10과 같이 8개 빔섹터에 대한 AoD를 정의할 수 있다. 각 빔섹터안에는 4개씩, 총 32개의 패턴 편파 빔들이 송신될 수 있다. 이때, 도 11은 도 10에 도시된 빔섹터의 AoD가 반영된 총 32개의 패턴 편파 빔을 최적화 기법을 적용하여 얻은 빔패턴들을 도시한 것이다.
도 12는 가로 8개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수평빔들의 패턴들과, 세로 4개 안테나 소자를 사용하여 설계된 수직빔들의 패턴들을 나타낸다.
도 12에 도시된 바와 같이, 수평 빔(Horizontal beam)의 경우 sidelobe level이 -18 dB 내외이고 수직 빔(Vertical beam)의 경우 sidelobe level이 -10 dB 내외임을 알 수 있다.
도 13은 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(spectral efficiency) 비교의 일 예를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 수평과 수직 공간의 채널의 확산 각도(angular spread)가 모두 5°이고, 단일 클러스터(single cluster) 안의 광선(ray) 수가 20개인 조건 아래에서 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 BDMA 방식과 실시예에 따른 P2BDMA 방식을 각각 적용한 경우에 각 빔섹터에서 SNR에 따라 얻을 수 있는 주파수 효율성(spectral efficiency)은 도 13에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 14는 기존 BDMA와 P2BDMA 간의 주파수 효율성(spectral efficiency) 비교의 다른 예를 나타낸다.
도 14는 기존 BDMA 방식과 실시예에 따른 P2BDMA 방식을 각각 적용한 경우에 SNR에 따라 전체 8개 빔섹터에서 얻을 수 있는 주파수 효율성(spectral efficiency)의 총합을 산출한 것을 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, SNR=20 dB에서 실시예에 따른 P2BDMA 기술이 기존 BDMA 기술 대비 112%의 spectral efficiency 증가를 가져오는 것을 알 수 있다.
상술한 조건 이외에, 다양한 시뮬레이션 조건에서 실시예에 따른 P2BDMA 기술이 기존 BDMA 기술 대비 얻을 수 있는 성능 개선 정도는 표 1과 같을 수 있다.
Figure PCTKR2016005459-appb-I000060
표 1로부터 아래와 같은 특성이 관찰될 수 있다.
1. 도 8에 도시된 편파 안테나를 시뮬레이션한 결과는 기존 BDMA 대비 90 ~ 112 % 이상의 시스템 용량 개선을 얻을 수 있음을 보여준다.
2. BDMA보다 3배 이상의 SE(spectral efficiency)를 얻지 못하는 이유는 beam의 sidelobe 때문으로 판단된다.
3. High SNR에서 얻을 수 있는 최대 SE는 98 bps/Hz이다.
4. 광(ray) 수가 클수록 SE가 더 크게 나타난다.
4. 확산 각도(angular spread)는 5°일때 가장 큰 SE를 얻음. 10°일때는 빔섹터 간섭으로 SE가 낮아지고, 1°일때는 광(ray) 채널들 간의 correlation이 증가하기 때문으로 분석된다.
시뮬레이션을 통한 성능 분석 결과, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술은 기존 BDMA 대비 90 ~ 112 % 이상의 시스템 용량 개선을 얻을 수 있음을 보여준다.
즉, 일 실시예에 따른 P2BDMA 기술은 동일한 안테나 사용 공간을 기준으로 약간의 구현 복잡도(4개 패턴/편파 안테나 집적 때문) 증가를 대가로 주파수 효율성(spectral efficiency) 개선을 달성할 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 (11)

  1. 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들 각각은 서로 다른 방사 패턴을 갖는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수행하는 단계는,
    상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 단계;
    프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 단계; 및
    빔포밍된 신호들을 상기 복수의 안테나 어레이들 각각을 이용하여 송신하는 단계
    를 포함하는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가중치는 하기 수학식에 기초하여 결정되는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000061
    여기서,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000062
    은 k번째 프리코딩된 신호에 대한 가중치를 의미하고,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000063
    은 상기 k번째 프리코딩된 신호가 송신되는 빔섹터에 대한 가중치를 의미하고,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000064
    는 각 요소가 0 또는 0에 가까운 값을 갖는 NT x 1 벡터를 의미하고, 상기 NT는 안테나 소자의 개수를 의미함.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현되는 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성되는 각 빔의 발사각(Angle of Departure)은 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일한 패턴/편파 빔 분할 다중 접속 방법.
  6. 각각이 서로 다른 방사 패턴을 갖는 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들; 및
    상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들을 이용하여 안테나 어레이별로 복수의 빔섹터들을 생성하고, 상기 복수의 빔섹터들 각각에 MIMO 전송을 수행하는 컨트롤러
    를 포함하는 통신 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 복수의 빔섹터들 각각에 송신할 신호들을 프리코딩하는 프리코더; 및
    프리코딩된 신호들 각각을 상기 프리코딩된 신호들 각각에 대한 가중치에 기초하여 빔포밍하는 빔포머
    를 포함하는 통신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가중치는 하기 수학식에 기초하여 결정되는 통신 장치.
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000065
    여기서,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000066
    은 k번째 프리코딩된 신호에 대한 가중치를 의미하고,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000067
    은 상기 k번째 프리코딩된 신호가 송신되는 빔섹터에 대한 가중치를 의미하고,
    Figure PCTKR2016005459-appb-I000068
    는 각 요소가 0 또는 0에 가까운 값을 갖는 NT x 1 벡터를 의미하고, 상기 NT는 안테나 소자의 개수를 의미함.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 어레이들은 중첩(overlapping) 구조로 구현되는 통신 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 빔섹터들 각각에 생성되는 각 빔의 발사각(Angle of Departure)은 상기 복수의 패턴/편파 안테나 어레이들의 안테나 어레이 인덱스에 관계없이 근사적으로 동일한 통신 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 프리코더는 빔섹터별로 구현되는 통신 장치.
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