KR20220146928A - Method for beamforming and power allocation in cell-free MIMO system, and apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템에 적용 가능한 통신 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 셀-탈피 MIMO 시스템에서 사용자들에게 동일한(fair) 성능을 보장하면서 통신 성능을 최대화하기 위한 빔포밍 및 전력 할당 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a communication technology applicable to a cell-free MIMO system, and more particularly, a beam for maximizing communication performance while guaranteeing fair performance to users in a cell-free MIMO system. It relates to a forming and power allocation method and an apparatus therefor.
다중 안테나 기술은 지난 50여년 동안 무선통신 시스템에서 성능 향상을 위한 핵심기술로서 논의되어 왔다. 다중 안테나 기술들 중에서 가장 중요한 기술은 다중 안테나들을 이용하여 다수 데이터 스트림들을 동일한 시간과 주파수 자원에 동시에 전송하는 것이다. 다수 데이터 스트림들을 효율적으로 전송하고 수신하기 위해서는, 송수신기 간의 채널정보를 활용하여, 자기 신호 전력은 최대화하고, 간섭 신호 전력은 최소화해야 한다. 자기 신호 전력을 최대화하기 위해서, 수신 빔포밍 방식으로는 MRC(maximum ratio combining) 방식, 송신 빔포밍 방식으로는 MRT(maximum ratio transmission) 방식이 이용될 수 있다. 간섭 신호 전력을 최소화하기 위해서, 송수신 빔포밍 방식으로는 ZF(zero-forcing) 방식이 이용될 수 있다. 또한, 신호 전력과 간섭을 동시에 고려하여 SINR(signal to Interference and noise) 값을 최대화하는 방식으로는 MMSE(minimum mean square estimation) 방식이 이용될 수 있다. Multi-antenna technology has been discussed as a core technology for improving performance in wireless communication systems for the past 50 years. Among the multiple antenna technologies, the most important technique is to simultaneously transmit multiple data streams on the same time and frequency resource using multiple antennas. In order to efficiently transmit and receive multiple data streams, it is necessary to maximize magnetic signal power and minimize interference signal power by utilizing channel information between transceivers. In order to maximize the magnetic signal power, a maximum ratio combining (MRC) method may be used as a receive beamforming method, and a maximum ratio transmission (MRT) method may be used as a transmit beamforming method. In order to minimize interference signal power, a zero-forcing (ZF) method may be used as a transmission/reception beamforming method. In addition, a minimum mean square estimation (MMSE) method may be used as a method of maximizing a signal to interference and noise (SINR) value in consideration of signal power and interference at the same time.
다중 안테나 기술은 오랜 기간에 걸쳐 연구된 성숙된 분야로 다양한 목적을 만족하기 위해, 서비스 목적에 따라 사용자별 전송율의 합을 최대화하거나, 송신 전력을 최소화하거나, 또는 사용자별 동일한 전송율 제공하여 형평성을 제공하는 최적화 문제로 모델링되어 왔으며, 셀 경계 사용자에게도 좋은 성능을 제공할 수 있는 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템이 최근 제시되고 있다.Multi-antenna technology is a mature field that has been studied over a long period of time, and in order to satisfy various purposes, it provides equity by maximizing the sum of the transmission rates for each user, minimizing the transmission power, or providing the same transmission rate for each user depending on the service purpose. has been modeled as an optimization problem, and a cell-free MIMO system that can provide good performance even for cell boundary users has been recently proposed.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템에서 수행되는 빔포밍 및 전력할상 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems, to provide a beamforming and power sharing method performed in a cell-free MIMO system.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 상기 방법을 수행하기 위한 CPU(central processing unit)와 복수의 AP(access point)들로 구성된 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템을 제공하는데 있다.Another object of the present invention to solve the above problems is to provide a cell-free MIMO system including a central processing unit (CPU) and a plurality of access points (APs) for performing the method. is doing
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, CPU(central processing unit)와 복수의 AP(access point)들로 구성된 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템에서 수행되는 빔포밍 및 전력 할당 방법으로서, 상기 CPU에서 사용자 단말별 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 상기 CPU에서 사용자 단말별 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 및 상기 CPU가 복수의 AP들이 상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상향링크 수신을 수행하도록 하고, 상기 복수의 AP들이 상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 하향링크 전송을 수행하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.An embodiment of the present invention for achieving the above object is a beamforming and power allocation method performed in a cell-free MIMO system composed of a central processing unit (CPU) and a plurality of access points (APs). determining an uplink reception beamforming vector for each user terminal in the CPU; determining, in the CPU, a downlink transmission beamforming vector for each user terminal; and and causing, by the CPU, a plurality of APs to perform uplink reception using the uplink reception beamforming vector, and allowing the plurality of APs to perform downlink transmission using the downlink transmission beamforming vector. can do.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRC(maximum ratio combining) 방식으로 결정될 수 있다.The uplink reception beamforming vector may be determined using a maximum ratio combining (MRC) method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 모든 사용자 단말들로부터의 수신 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말의 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당될 수 있다.In order to receive the received signals from all user terminals with the same power in the uplink of the cell-free MIMO system, the transmit power of the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. can
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 사용자 단말들의 신호들의 SINR(signal to inteferece and noise ratio) 값들은 동일한 값을 가질 수 있다.Signal to integrity and noise ratio (SINR) values of signals of user terminals in the uplink of the cell-free MIMO system may have the same value.
상기 하향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRT(maxium ratio transmission) 방식으로 결정될 수 있다.The downlink reception beamforming vector may be determined using a maximum ratio transmission (MRT) method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 모든 사용자 단말들에서 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말에게 할당되는 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당될 수 있다.In order to allow all user terminals to receive a signal with the same power in the downlink of the cell-free MIMO system, the transmit power allocated to the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. can
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 사용자 단말들에게 전송된 신호들의 SINR 값들은 동일한 값을 가지지 않을 수 있다.SINR values of signals transmitted to user terminals in the downlink of the cell-off MIMO system may not have the same value.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 ZF(zero forcing) 방식으로 결정될 수 있다.The uplink reception beamforming vector may be determined using a zero forcing (ZF) method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 좌 일반 역행렬(left generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화할 수 있다.The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a left generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals.
상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 ZF 방식으로 결정될 수 있다.The downlink transmission beamforming vector may be determined using a ZF method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 우 일반 역행렬(right generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화할 수 있다.The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a right generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, CPU와 복수의 AP들로 구성된 셀-탈피 MIMO 시스템으로서, 사용자 단말별 상향링크 수신 빔포밍 벡터와 사용자 단말별 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 결정하여 상기 복수의 AP들에게 전달하는 CPU; 및 상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상향링크 수신을 수행하고, 상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 하향링크 전송을 수행하는 복수의 AP들을 포함할 수 있다.An embodiment of the present invention for achieving the above another object is a cell-breaking MIMO system composed of a CPU and a plurality of APs, wherein an uplink reception beamforming vector for each user terminal and a downlink transmission beamforming vector for each user terminal are provided. a CPU that determines and transmits to the plurality of APs; and It may include a plurality of APs that perform uplink reception using the uplink reception beamforming vector and perform downlink transmission using the downlink transmission beamforming vector.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRC(maximum ratio combining) 방식으로 결정될 수 있다.The uplink reception beamforming vector may be determined using a maximum ratio combining (MRC) method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 모든 사용자 단말들로부터의 수신 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말의 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당될 수 있다.In order to receive the received signals from all user terminals with the same power in the uplink of the cell-free MIMO system, the transmit power of the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. can
상기 하향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRT(maxium ratio transmission) 방식으로 결정될 수 있다.The downlink reception beamforming vector may be determined using a maximum ratio transmission (MRT) method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 모든 사용자 단말들에서 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말에게 할당되는 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당될 수 있다.In order to allow all user terminals to receive a signal with the same power in the downlink of the cell-free MIMO system, the transmit power allocated to the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. can
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 ZF(zero forcing) 방식으로 결정될 수 있다.The uplink reception beamforming vector may be determined using a zero forcing (ZF) method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 좌 일반 역행렬(left generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화할 수 있다.The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a left generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals.
상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 ZF 방식으로 결정될 수 있다.The downlink transmission beamforming vector may be determined using a ZF method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 우 일반 역행렬(right generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화할 수 있다.The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a right generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals.
셀 내 모든 사용자에게 높은 주파수 효율 달성을 어렵게 만드는 요인은 크게 두 가지가 있다. 첫번째 요인은 셀 경계 사용자에게서 기인한다. 셀 경계 사용자는 경로 손실로 인해 자신의 신호가 낮은 신호 레벨로 수신되고, 인접 셀로부터 간섭 신호가 강하게 유입되어, 주파수 효율을 결정하는 SINR(signal to interference and noise)가 낮아진다. 두 번째 요인은 셀 내 사용자 증대에 따라 사용자당 전송율 감소에서 기인한다. 간섭을 회피하기 위해 셀 내 사용자는 무선자원을 겹치지 않게 나누어 사용하고 있으며, 사용자가 증가할 수록 할당되는 무선자원이 줄어들어 사용자당 전송율이 감소하게 된다There are two main factors that make it difficult to achieve high frequency efficiency for all users in a cell. The first factor originates from cell-boundary users. Cell boundary users receive their signals at a low signal level due to path loss, and interference signals from neighboring cells are strongly introduced, thereby reducing signal to interference and noise (SINR) determining frequency efficiency. The second factor is due to a decrease in the transmission rate per user as the number of users in the cell increases. In order to avoid interference, users in a cell divide and use radio resources so that they do not overlap, and as the number of users increases, the allocated radio resources decrease and the transmission rate per user decreases.
셀-탈피(cell-free) MIMO는 셀 경계 사용자와 사용자 증대에 따른 성능 지표 달성 위협 요인을 해소하기 위해서는 송수신기 간 전송 거리 단축을 통한 수신 신호 세기 향상과 동일한 무선자원으로 다수 데이터 동시 전송이 가능한 시스템이다. 본 발명의 실시예들은 셀-탈피 MIMO 시스템에서 셀 경계 사용자에게도 높은 성능을 제공하고, 사용자가 증가하더라도 전송율 감소 없이 모든 사용자에게 일정한 전송율을 제공하기 위한 빔포밍 및 전력 할당 방법을 제공한다.Cell-free MIMO is a system that enables simultaneous transmission of multiple data using the same radio resource as the received signal strength improvement by shortening the transmission distance between transceivers in order to solve the threat of achieving performance indicators due to cell boundary users and increased users to be. Embodiments of the present invention provide a beamforming and power allocation method for providing high performance to cell-edge users in a cell-breaking MIMO system, and providing a constant data rate to all users without reducing the data rate even if the number of users increases.
도 1은 사용자 수에 따른 사용자 당 용량의 저하 문제와 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 및 전력 할당 방법의 목표를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래 네트워크 MIMO시스템과 셀-탈피 MIMO 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향/하향링크 신호 최적화 빔포밍 및 전략 할당 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향/하향링크 간섭 최적화 빔포밍 및 전력 할당 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 노드의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a conceptual diagram for explaining a problem of a decrease in capacity per user according to the number of users and a goal of a beamforming and power allocation method according to embodiments of the present invention.
2 is a conceptual diagram for explaining a conventional network MIMO system and a cell-free MIMO system.
3 is a conceptual diagram for explaining a method for optimizing uplink/downlink signal beamforming and strategy allocation in a cell-off MIMO system according to an embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram for explaining a method for optimizing uplink/downlink interference beamforming and power allocation in an out-of-cell MIMO system according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart for explaining a method of operating an out-of-cell MIMO system according to an embodiment of the present invention.
6 is a block diagram illustrating the configuration of a communication node according to an embodiment of the present invention.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. The term "and/or" includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
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. When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
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. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 사용자 수에 따른 사용자 당 용량의 저하 문제와 본 발명의 실시예들에 따른 빔포밍 및 전력 할당 방법의 목표를 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for explaining a problem of a decrease in capacity per user according to the number of users and a goal of a beamforming and power allocation method according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 5G를 포함한 현재까지의 이동통신 기술은 대역폭 확대, 주파수 효율 향상, 기지국 밀도 증가 등을 통해 시스템 총용량을 비약적으로 증대시켜왔다. 그러나, 셀 경계(cell edge) 사용자의 전송률 증대에는 여전히 한계가 있으며, 시스템 총용량을 다수의 사용자들이 분할하여 사용하고 있어 사용자들(사용자 단말들)의 수가 증가함에 따라 사용자 (단말) 당 전송율이 감소하고 있다. Referring to FIG. 1 , mobile communication technologies, including 5G, have dramatically increased the total system capacity through bandwidth expansion, frequency efficiency improvement, base station density increase, and the like. However, there is still a limit to increasing the data rate of cell edge users, and since the total system capacity is divided and used by multiple users, the data rate per user (terminal) decreases as the number of users (user terminals) increases. are doing
본 발명의 실시예들은 상술된 문제를 극복하여 셀 내 모든 사용자들에게 일정한 성능을 제공할 수 있는 기술을 제공하고자 한다. 사용자들에게 일정한 전송율을 제공하기 위해서는 셀 경계 사용자에게도 높은 전송율을 제공해야 하고, 사용자들(사용자 단말들)의 증대에 따른 전송율 감소 문제를 해결해야 한다. 이를 실현하기 위한 방안은 다중 안테나를 활용하여 동일한 무선자원으로 여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송해야 하고, 사용자 간 발생하는 간섭 극복이 필수적이다. 다중 안테나를 활용하여 사용자 간 간섭을 효율적으로 제어할 수 있다면, 안테나 수 증가에 비례하여 전송율을 높일 수 있다. 또한 도처에 안테나를 설치하여 송수신기간 거리를 단축하면, 셀 경계 사용자에게도 높은 전송율을 제공할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예들은 기존 이동통신 기술과 차별화된 변혁적인 기술을 통해, 셀 경계 사용자에게도 높은 성능을 제공하고, 사용자가 증가하더라도 전송율 감소 없이 모든 사용자에게 일정한 전송율을 제공하는 것을 목표로 하고 있다.Embodiments of the present invention are intended to provide a technology capable of providing constant performance to all users in a cell by overcoming the above-described problem. In order to provide a constant data rate to users, it is necessary to provide a high data rate to cell-edge users, and to solve the problem of a data rate decrease due to an increase in users (user terminals). To realize this, data must be transmitted to multiple users simultaneously using the same radio resource using multiple antennas, and it is essential to overcome interference between users. If interference between users can be efficiently controlled by using multiple antennas, the transmission rate can be increased in proportion to the increase in the number of antennas. In addition, if the distance between transmission and reception is shortened by installing antennas everywhere, it will be possible to provide a high transmission rate to cell-edge users. Embodiments of the present invention aim to provide high performance to cell-edge users through a transformative technology differentiated from existing mobile communication technologies, and to provide a constant data rate to all users without reducing the data rate even if the number of users increases.
본 발명의 실시예들은 셀-탈피(cell-free) MIMO 시스템에 적용될 수 있는 다양한 빔포밍 및 전력 할당 방법을 제안한다. 셀-탈피 MIMO 시스템은 기존 MU-MIMO 시스템이 다수의 안테나들을 분산 배치하는 방식으로 발전된 시스템으로 해석될 수 있다. Embodiments of the present invention propose various beamforming and power allocation methods applicable to a cell-free MIMO system. The cell-free MIMO system can be interpreted as an advanced system in which the existing MU-MIMO system distributes a plurality of antennas.
도 2는 종래 네트워크 MIMO시스템과 셀-탈피 MIMO 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.2 is a conceptual diagram for explaining a conventional network MIMO system and a cell-free MIMO system.
도 2의 (a)에 도시된 종래 네트워크(network) MIMO 시스템은 다수의 기지국(BS)들 각각이 다수의 분산 안테나들에 연결되어, 연결된 분산 안테나들을 제어하는 구성을 가진다. 반면, 도 2의 (b)에 도시된 셀-탈피 MIMO 시스템은 각각 하나의 안테나를 구비한 다수의 액세스 포인트(AP, access point)(또는, AN, acces node)들이 하나의 중앙 집중 처리 유닛(CPU, central processing unit)에 연결되어 제어되는 구성을 가진다. 특히, 많은 수의 AP들이 참여하여 단말에게 대용량(massive) MIMO 서비스를 제공하는 시스템을 cell-free massive MIMO(CFmMIMO) 시스템이라 정의한다.The conventional network MIMO system shown in (a) of FIG. 2 has a configuration in which each of a plurality of base stations (BS) is connected to a plurality of distributed antennas to control the connected distributed antennas. On the other hand, in the cell-free MIMO system shown in FIG. It has a configuration that is controlled by being connected to a CPU, central processing unit). In particular, a system in which a large number of APs participate to provide a massive MIMO service to a terminal is defined as a cell-free massive MIMO (CFmMIMO) system.
셀-탈피 MIMO 시스템은 넓은 영역 곳곳에 다수 AP들을 설치하여 모든 사용자에게 동일한 성능을 제공하기 위한 시스템으로, 분산 안테나 기술의 하나로 볼 수 있다. 기존 분산 안테나 시스템, 협력 다중점 전송, 및 network MIMO 기술이 가진 이론적인 장점에도 불구하고, 네트워크 동기 문제, 프론트홀(fronthaul)의 용량 제한 등으로 인해 실제 구현이 어려웠던 사항을 하나씩 극복해가면서 5G 이후 주요 기술로 주목받고 있다. 기존 셀 기반 분산 안테나 기술과 달리 CFmMIMO 시스템은 TDD 방식으로 동작하여 상하향 링크 채널 정보를 획득하며, CPU와 프론트홀로 연결되어 넓은 지역에 분산된 AP들이 적은 수의 사용자에게 동시에 데이터를 송수신하는 구조이다. AP들을 매우 많이 설치하면 channel hardening 효과를 얻을 수 있어 비교적 단순한 신호 처리 기법으로 최적의 성능을 달성할 수 있으며, 모든 사용자에게 동일한 성능 제공이 가능하다.The cell-free MIMO system is a system for providing the same performance to all users by installing multiple APs in various places in a wide area, and can be viewed as one of distributed antenna technologies. Despite the theoretical advantages of the existing distributed antenna system, cooperative multi-point transmission, and network MIMO technology, after 5G, one by one, difficulties in actual implementation due to network synchronization problems and fronthaul capacity limitations are overcome. It is attracting attention as a major technology. Unlike the existing cell-based distributed antenna technology, the CFmMIMO system operates in a TDD method to acquire uplink and downlink channel information, and is a structure in which APs distributed over a wide area connected to the CPU through a fronthaul transmit and receive data to a small number of users at the same time. If a lot of APs are installed, channel hardening effect can be obtained, so optimal performance can be achieved with a relatively simple signal processing technique, and the same performance can be provided to all users.
이하에서, '셀-탈피 MIMO 시스템'은 'CFmMIMO 시스템'과 혼용되어 동일한 의미로 사용된다. Hereinafter, 'cell-breaking MIMO system' is used interchangeably with 'CFmMIMO system' to have the same meaning.
시스템 모델(system model)system model
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 적용되는 CFmMIMO 시스템의 시스템 모델이 설명된다.Hereinafter, a system model of a CFmMIMO system applied to embodiments of the present invention is described.
셀-탈피 MIMO 환경에서, 다수의 AP(access point)들이 공간 상에 분산되어 설치되며 각각의 AP는 한 개의 안테나를 가질 수 있다. 이들을 이용하여 각각 한 개의 안테나를 가진 다수 사용자 단말들에게 서비스가 제공될 수 있다. 이러한 환경에서, 상향링크에서는 사용자 단말 별 송신 전력, 하향링크에서는 AP별 송신 전력에 제약이 있다. 또한, 사용자 단말이 간섭 신호를 복호하지 않거나 하나의 안테나를 사용하는 경우, 상향링크에서는 송신 신호들 간의 상호 제어가 어렵고, 하향링크에서는 수신 신호들 간의 상호 제어가 어렵다. 따라서, 상향링크에서는 AP에서 수행하는 수신 빔포밍을 통해 적절한 간섭 제어가 필요하며, 하향링크에서는 AP에서 수행하는 송신 빔포밍을 통해 적절한 간섭 제어가 필요하다. 추가적으로, 상향링크에서는 사용자별 전력 할당(power allocation), 하향링크에서는 AP별 전력 할당 방안이 필요하다. 최적 빔포밍 방식을 결정하기 위해서는 수학적 모델링이 필요하다. 이하의 수학식들에서 사용되는 기호들은 다음과 같이 정의된다.In a cell-free MIMO environment, a plurality of access points (APs) are distributed and installed in space, and each AP may have one antenna. Using these, a service can be provided to multiple user terminals each having one antenna. In such an environment, there are restrictions on the transmission power of each user terminal in the uplink and the transmission power of each AP in the downlink. In addition, when the user terminal does not decode the interference signal or uses one antenna, it is difficult to control each other between the transmission signals in the uplink and it is difficult to control the reception signals in the downlink. Accordingly, in the uplink, appropriate interference control is required through receive beamforming performed by the AP, and in downlink, appropriate interference control is required through transmit beamforming performed by the AP. In addition, in the uplink, power allocation for each user (power allocation) for each user, in the downlink, a power allocation method for each AP is required. In order to determine the optimal beamforming method, mathematical modeling is required. Symbols used in the following equations are defined as follows.
각각 한 개의 안테나를 가진 K개의 사용자 단말들, 각각 한 개의 안테나를 가진 L개의 AP들이 존재하는 셀-탈피 MIMO 환경에서 상향링크 송신 빔포밍은 이용되지 않으며, 각 사용자 단말은 의 전력으로 하기 수학식 1로 표현되는 신호를 송신하게 된다.In a cell-apart MIMO environment in which K user terminals each having one antenna and L APs each having one antenna exist, uplink transmission beamforming is not used, and each user terminal is A signal expressed by
여기서, 신호 를 전송하기 위한 전력 할당 는 로 정의되며, 이다.Here, the signal power allocation to transmit Is is defined as to be.
K개의 사용자 단말로부터 채널을 통해 L개의 AP들에 수신되는 신호는 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.Signals received from K user terminals to L APs through channels may be expressed as
AP에서 수신 빔포밍()을 적용하여 수신되는 신호는 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Receive beamforming at the AP ( A signal received by applying ) may be expressed as Equation 3 below.
상향링크에서 평균 수신 신호 전력은 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.The average received signal power in the uplink may be expressed as in
또한, 상향링크 평균 잡음 전력은 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.In addition, the uplink average noise power may be expressed as in Equation 5 below.
사용자 i에 대한 상향링크 수신 신호 전력과 상향링크 간섭 전력은 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.The uplink received signal power and uplink interference power for user i can be expressed as in
따라서, 상향링크 i번째 사용자의 SINR값은 하기 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the SINR value of the uplink i-th user may be expressed as in Equation 7 below.
각각 한 개의 안테나를 가진 K개의 사용자 단말들 및 각각 한 개의 안테나를 가진 L개의 AP들이 존재하는 셀-탈피 MIMO 환경에서 송신 빔포밍을 통한 하향링크 송신 신호는 하기 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.In a cell-apart MIMO environment in which K user terminals each having one antenna and L APs each having one antenna exist, a downlink transmission signal through transmission beamforming may be expressed as Equation 8 below. .
여기서, Q는 AP 별 전력 할당 행렬, P는 사용자별 전력 할당 행렬을 의미한다. AP별 송신 빔포밍 벡터에 해당하는 각 행벡터 의 L2 norm은 1이며, 사용자별 송신 빔포밍 벡터에 해당하는 각 열벡터 의 L2 norm은 1이다. 셀-탈피 MIMO 환경에서, 하향링크에는 하기 수학식 9로 표현되는 것과 같이 AP 별 전력 할당에 제한이 있다고 가정한다. Here, Q denotes a power allocation matrix for each AP, and P denotes a power allocation matrix for each user. Each row vector corresponding to the transmit beamforming vector for each AP L2 norm of is 1, and each column vector corresponding to a transmission beamforming vector for each user The L2 norm of is 1. In a cell-free MIMO environment, it is assumed that downlink has a limitation in power allocation for each AP as expressed by Equation 9 below.
채널을 통해 사용자 단말들에게 수신되는 신호는 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.A signal received to user terminals through a channel may be expressed as in Equation 10 below.
수학식 10에서, H 대신 H의 켤레 전치(conjugate transpose) 행렬()이 도입된 이유는 각 사용자 단말의 수신 신호를 열을 기준으로 스칼라 값이 되도록 표현하기 위해서이다. 각 사용자 단말은 수신 빔포밍 없이 신호를 수신하게 되고, 이를 다시 정리하면 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.In Equation 10, the conjugate transpose matrix of H instead of H ) is introduced to express the received signal of each user terminal as a scalar value based on a column. Each user terminal receives a signal without receiving beamforming, and if this is rearranged, it can be expressed as
하향링크에서 평균 수신 신호 전력은 하기 수학식 12 또는 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.The average received signal power in the downlink may be expressed as Equation 12 or 13 below.
하향링크에서 평균 잡음 전력은 하기 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.The average noise power in the downlink can be expressed as Equation 14 below.
사용자 단말에서의 하항링크 수신 신호 전력과 하향링크 간섭 전력은 하기 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.The downlink reception signal power and downlink interference power in the user terminal may be expressed as in Equation 15 below.
따라서, 하향링크에서 i번째 사용자 단말의 SINR값은 하기 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the SINR value of the i-th user terminal in the downlink may be expressed as in Equation 16 below.
셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향링크 빔포밍 벡터 및 하향링크 빔포밍 벡터에 대한 제한 조건들은 아래와 같이 정리될 수 있다.Restriction conditions for the uplink beamforming vector and the downlink beamforming vector in the cell-out of the MIMO system may be organized as follows.
또한, 셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향링크 송신 전력과 하향링크 송신 전력에 대한 제한 조건들은 아래와 같이 정리될 수 있다.In addition, restrictions on uplink transmission power and downlink transmission power in the cell-free MIMO system may be summarized as follows.
신호 최적화(최대화) 빔포밍 및 전력 할당 방법Signal Optimization (Maximization) Beamforming and Power Allocation Methods
셀-탈티 MIMO 시스템에서, 각 사용자 단말에 대한 신호를 최적화하기 위한 빔포밍 및 전력 할당 방법(특히, 사용자 단말들에게 동일한 성능을 제공하기 위한 방편으로 수신 신호를 최대화하되 각 사용자 단말에서 수신되는 신호의 크기는 동일하게 하는 방법)이 제시된다. In the cell-total MIMO system, a beamforming and power allocation method for optimizing a signal for each user terminal (in particular, a signal received from each user terminal while maximizing a received signal as a way to provide the same performance to user terminals) A method of making the size of the same) is presented.
셀-탈피 MIMO 시스템에서, 사용자 단말 i에 대한 상향링크 수신 신호 전력은 하기 수학식17과 같이 표현될 수 있다.In the cell-free MIMO system, the uplink received signal power for user terminal i may be expressed as Equation 17 below.
셀-탈피 MIMO 시스템에서, 사용자 단말 i에 대한 하향링크 수신 신호 전력은 하기 수학식 18과 같이 표현될 수 있다.In the cell-free MIMO system, the downlink reception signal power for the user terminal i may be expressed as Equation 18 below.
상향링크 수신 신호를 최대화하는 최적화 문제는 하기 수학식 19와 같이 모델링될 수 있다.The optimization problem of maximizing the uplink received signal can be modeled as in Equation 19 below.
상향링크 수신 신호를 최대화하는 최적화 문제에서 사용자 단말들의 신호들은 서로 영향을 주지 않는다. 또한, 벡터에 스칼라 값을 곱해주더라도 벡터 방향이 변하지 않기 때문에, 각 사용자 단말 별 송신 신호와 수신 빔포밍 방식을 분리하여 고려하여도 최적화 문제에는 영향을 미치지 않는다. 즉, 다른 사용자 단말들에 대한 고려 없이, 상향링크 송신 전력과 사용자 별 빔포밍 방식을 독립적으로 적용하여도 된다. 추가적으로, 셀-탈피 MIMO에서 동일한 성능을 제공하기 위해 각 사용자 별 수신 전력이 동일하게 되도록 한다.In an optimization problem of maximizing an uplink received signal, signals of user terminals do not affect each other. In addition, since the vector direction does not change even if the vector is multiplied by a scalar value, the optimization problem is not affected even if the transmission signal and reception beamforming method for each user terminal are separately considered. That is, the uplink transmission power and the beamforming method for each user may be independently applied without considering other user terminals. Additionally, in order to provide the same performance in cell-free MIMO, the received power for each user is made the same.
결과적으로 점대점 다중 안테나에서 제시된 문제와 같이 고유값 문제가 되고, 상향링크 수신 신호 전력을 최대화하는 상향링크 최적 수신 빔포밍 벡터는 MRC 방식으로 하기 수학식 20과 같이 도출될 수 있다.As a result, it becomes an eigenvalue problem like the problem presented in the point-to-point multi-antenna, and the uplink optimal reception beamforming vector maximizing the uplink reception signal power can be derived as shown in Equation 20 below in the MRC method.
MRC 빔포밍 방식으로 수신되는 신호 전력은 가 되며, 모든 사용자 단말들로부터의 수신 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위한 전력 할당 방법은 하기 수학식 21과 같이 표현될 수 있다.The signal power received by the MRC beamforming method is , and a power allocation method for allowing received signals from all user terminals to be received with the same power can be expressed as Equation 21 below.
여기서, 모든 사용자 단말들에 대해서 동일한 값으로 수신되는 신호 세기는 로 정해진다. 결과적으로 각 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하여 전력을 할당해야 하는 결론에 도달한다. Here, the signal strength received with the same value for all user terminals is is determined by As a result, we arrive at the conclusion that power should be allocated in inverse proportion to the channel size value of each user terminal.
셀-탈피MIMO 시스템의 상향링크에서 간섭 신호 또한 동일하게 수신되어 각 사용자 단말별 간섭 신호는 하기 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.Since the interference signal is also received in the uplink of the cell-free MIMO system, the interference signal for each user terminal can be expressed as Equation 22 below.
셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 수신 신호를 최대화하는 빔포밍 방식을 적용하고, 수신 신호 전력을 동일하게 하는 전력 할당 방법을 적용할 경우 각 사용자 단말 별 SINR값은 하기 수학식 23으로 표현되는 동일한 값을 가지게 된다.When a beamforming method for maximizing a received signal in uplink of a cell-free MIMO system is applied and a power allocation method for equalizing received signal power is applied, the SINR value for each user terminal is the same as expressed by Equation 23 below. will have a value
하향링크에서 수신 신호를 최대화하는 최적화 문제는 하기 수학식 24와 같이 모델링될 수 있다.The optimization problem of maximizing the received signal in the downlink can be modeled as in Equation 24 below.
하향링크 수신 신호를 최대화하는 최적화 문제는 상향링크와 각 AP별 송신 신호와 송신 빔포밍 방식을 분리하여 고려하여도 최적화 문제에는 영향을 미치지 않는다.The optimization problem of maximizing the downlink reception signal does not affect the optimization problem even if the uplink transmission signal and transmission beamforming method for each AP are separately considered.
셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 수신 전력을 최대화하는 최적 송신 빔포밍 벡터는 MRT 방식으로 하기 수학식 25와 같이 표현될 수 있다.An optimal transmit beamforming vector for maximizing receive power in downlink of a cell-free MIMO system may be expressed as Equation 25 below in the MRT method.
MRT 빔포밍 방식으로 송신된 신호의 수신 전력이 동일하도록 하게 위해서는 하기 수학식 26으로 표현되는 조건이 만족되어야 한다.In order to ensure that the received power of the signals transmitted by the MRT beamforming method are the same, the condition expressed by Equation 26 below must be satisfied.
MRT 빔포밍을 적용한 송신 전력은 하기 수학식 27과 같이 표현된다.Transmission power to which MRT beamforming is applied is expressed by Equation 27 below.
AP별 송신 전력 제한조건을 만족하기 위해서는 하기 수학식 28로 표현되는 조건이 만족되어야 한다.In order to satisfy the transmission power constraint for each AP, the condition expressed by Equation 28 below must be satisfied.
따라서, 송신 전력 제한조건을 만족하는 하향링크 수신 전력이 하기 수학식 29와 같이 얻어질 수 있다.Accordingly, downlink reception power satisfying the transmission power constraint condition can be obtained as shown in Equation 29 below.
결과적으로 각 사용자 단말에게 할당하는 전력은 각 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하며 하기 수학식 30과 같이 표현될 수 있다.As a result, the power allocated to each user terminal is inversely proportional to the channel size value of each user terminal and can be expressed as Equation 30 below.
각 AP별 송신 전력은 위에서 구한 P와 G를 곱하고, 열방향 벡터의 L2 norm에 해당하게 된다.The transmit power of each AP is multiplied by P and G obtained above, and corresponds to the L2 norm of the column direction vector.
셀-탈피 MIMO 하향링크에서 AP 당 송신 전력 제약조건이 있고, 수신전력을 최대화하면서, 모든 사용자 단말들에게 동일하도록 하는 빔포밍 방식과 전력 할당을 적용할 경우, 사용자 단말 별 수신 전력은 하기 수학식 31과 같이 구해질 수 있다.When there is a transmission power constraint per AP in the cell-free MIMO downlink, and a beamforming method and power allocation that maximizes reception power and makes the same for all user terminals are applied, the received power for each user terminal is calculated by the following equation 31 can be obtained.
하향링크에서, 각 사용자 단말 별 간섭 전력은 상향링크와 달리 동일하지 않으며 하기 수학식 32과 같이 얻어질 수 있다.In the downlink, the interference power for each user terminal is not the same as in the uplink, and can be obtained as shown in Equation 32 below.
셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 수신 전력을 최적화한 방식에 의한 수신된 SINR 값은 하기 수학식 33과 같이 표현될 수 있다.A received SINR value according to a method of optimizing received power in downlink of a cell-free MIMO system may be expressed as Equation 33 below.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향/하향링크 신호 최적화 빔포밍 및 전략 할당 방법을 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram for explaining a method for optimizing uplink/downlink signal beamforming and strategy allocation in a cell-off MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 하향링크 신호를 최적화(최대화)하기 위한 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 (수학식 25)으로 정리되며, 각 사용자 단말에서의 수신 전력은 (수학식 31)로 정리되며, 사용자 단말별 전력 할당은 (수학식 30)으로 정리된다.Referring to FIG. 3 , a downlink transmission beamforming vector for optimizing (maximizing) a downlink signal is (Equation 25), and the received power at each user terminal is (Equation 31), and the power allocation for each user terminal is (Equation 30).
또한, 상향링크 신호를 최적화(최대화)하기 위한 상향링크 송신 빔포밍 벡터는 (수학식 20)으로 정리되며, 사용자 단말 별 수신 전력은 으로 정리되며, 각 사용자 단말별 전력 할당은 (수학식 21)로 정리된다.In addition, the uplink transmission beamforming vector for optimizing (maximizing) the uplink signal is (Equation 20), and the received power for each user terminal is , and the power allocation for each user terminal is (Equation 21).
셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 수신 신호를 최대화하는 수신 빔포밍 방식은 MRC 방식이며, 사용자 단말 별 송신 전력은 채널의 크기 값에 반비례하여 할당해야 한다. 결과적으로 상향링크에서 사용자 단말들의 신호들의 SINR값들은 동일한 값을 가지게 된다. 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서는 수신 신호를 최대화하는 송신 빔포밍 방식은 MRT 방식이며, 채널의 크기 값에 반비례한 전력이 사용자 단말 별로 할당되며, AP 별 송신 전력은 채널의 크기 값에 반비례하게 결정되지는 않는다. 또한, 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 사용자 단말들의 SINR값은 동일하지 않으며, 채널이 좋지 않은 사용자 단말에게 더 작은 SINR 값으로 신호가 전송되게 된다. 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 신호 최적화(최대화) 방식으로 사용자 단말 별 동일한 SINR값이 되지 않는 문제는 후술될 간섭 최적화 방식을 통해 해결할 수 있다.A reception beamforming method for maximizing a reception signal in the uplink of a cell-free MIMO system is an MRC method, and transmission power for each user terminal should be allocated in inverse proportion to a channel size value. As a result, SINR values of signals of user terminals in uplink have the same value. In the downlink of the cell-free MIMO system, the transmission beamforming method for maximizing the received signal is the MRT method, and power in inverse proportion to the channel size value is allocated to each user terminal, and the transmit power per AP is inversely proportional to the channel size value. not decided In addition, the SINR values of user terminals are not the same in downlink of the cell-off MIMO system, and a signal is transmitted with a smaller SINR value to a user terminal having a poor channel. In the downlink of the cell-apart MIMO system, the problem that the same SINR value for each user terminal is not achieved through a signal optimization (maximization) method can be solved through an interference optimization method to be described later.
간섭 최적화 빔포밍 및 전력 할당 방법Interference Optimization Beamforming and Power Allocation Method
각 사용자 단말에 대한 간섭을 최적화하기 위한 빔포밍 및 전력 할당 방법(특히, 사용자 단말들에게 동일한 성능을 제공하기 위해서 간섭 전력은 최소값 (즉, 0)으로 하면서, 사용자 단말들에 대한 SINR값을 동일하게 하는 방법)이 제시된다. A beamforming and power allocation method for optimizing interference for each user terminal (in particular, in order to provide the same performance to the user terminals, the interference power is set to a minimum value (ie, 0), and the SINR values for the user terminals are the same. how to do it) is presented.
셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 사용자 단말 별 수신 간섭 전력은 하기 수학식 34와 같이 표현될 수 있다.In the uplink of the cell-free MIMO system, the received interference power for each user terminal may be expressed as Equation 34 below.
셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 사용자 단말 별 수신 간섭 전력은 하기 수학식 35와 같이 표현될 수 있다.In the downlink of the cell-free MIMO system, the received interference power for each user terminal may be expressed as Equation 35 below.
상향링크에서 간섭을 최소화하는 최적화 문제는 하기 수학식 36과 같이 모델링될 수 있다.The optimization problem of minimizing interference in the uplink can be modeled as in Equation 36 below.
셀-탈피 MIMO 시스템에서는 AP들의 수가 사용자 단말들의 수보다 큰 경우 만이 고려되기 때문에 채널의 left null space 차원이 항상 1이상이 되며 간섭을 항상 0이 되게 하는 ZF(zero-forcing) 빔포밍 방식이 적용될 수 있다. 일반적으로는 left null space 차원이 1보다 아주 크기 때문에 간섭을 0으로 하는 ZF 방식과 더불어, 하기 수학식 37과 같이 모델링되는 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR값을 최대화하는 최적화 문제가 추가적으로 적용될 수 있다.In the cell-apart MIMO system, since only the case where the number of APs is greater than the number of user terminals is considered, the dimension of the left null space of the channel is always greater than or equal to 1, and a zero-forcing (ZF) beamforming method that always makes the interference equal to 0 is applied. can In general, since the dimension of the left null space is much greater than 1, in addition to the ZF method in which the interference is set to 0, an optimization problem of maximizing the minimum SINR value of the signal received from the user terminals modeled as in Equation 37 below is additionally applied. can
이와 같은 추가적인 최적화 문제에서 간섭이 0이 되도록 하기 때문에, 사용자 단말들 간 영향이 없으며, 사용자 단말 별 전력과 빔포밍에 의해 수신되는 신호 전력 또한 로서 두 스칼라 값의 곱으로 동일하게 표현될 수 있기 때문에 독립적으로 최적화가 수행될 수 있다. 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR값을 최대화하는 최적화 문제는, 결과적으로는 동일한 SINR값이 되도록 하는 빔포밍과 전력 할당 값을 최적 해로 도출하게 된다. 즉, 최적 값에서 를 만족하게 된다.In this additional optimization problem, since the interference is made to be 0, there is no influence between the user terminals, and the power of each user terminal and the signal power received by beamforming are also Since it can be equally expressed as a product of two scalar values, optimization can be performed independently. In the optimization problem of maximizing the minimum SINR value of the signal received from the user terminals, beamforming and power allocation values that result in the same SINR value are derived as an optimal solution. That is, at the optimal value will be satisfied with
즉, 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR값을 최대화하는 최적화 문제는 하기 수학식 38과 동일한 문제로 변형될 수 있다.That is, the optimization problem of maximizing the minimum SINR value of a signal received from user terminals can be transformed into the same problem as in Equation 38 below.
간섭을 0으로 하는 ZF 빔포밍 방식으로 채널 행렬의 좌 의사 역행렬(left pseudo inverse)를 사용하고 있다. 의사 역행렬(pseudo inverse)를 사용할 경우, 최소 L2 norm을 가지는 벡터를 해로 도출한다는 점에서 사용자 단말들의 송신 전력의 합을 최소화한다는 관점에서는 최적 해가 될 수 있다. 하지만, 셀-탈피 MIMO시스템의 상향링크에서는 사용자 단말들의 송신 전력의 합이 제약조건이 아닌 사용자 단말 별 송신 전력이 제약조건이다. 이 경우, 의사 역행렬을 이용한 빔포밍 방식이 최적해가 되지 않고 일반 역행렬(generalized inverse)(특히, 좌 일반 역행렬(left generalized inverse)) 중에서 최적 빔포밍 벡터가 선택되어야 한다. 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크 빔포밍 방식에 적용해야 하는 채널 행렬의 좌일반 역행렬은 하기 수학식 39와 같은 형태를 가지며, 정방행렬이 아닌 경우, U 행렬에 따라 무수히 많은 형태로 주어질 수 있다.A left pseudo inverse of the channel matrix is used as a ZF beamforming method with zero interference. When a pseudo inverse is used, a vector having a minimum L2 norm is derived as a solution, and thus, it can be an optimal solution from the viewpoint of minimizing the sum of transmit powers of user terminals. However, in the uplink of the cell-breaking MIMO system, the sum of the transmit powers of the user terminals is not a constraint, but the transmit power for each user terminal is a constraint. In this case, the beamforming method using the pseudo inverse matrix does not become an optimal solution, and an optimal beamforming vector must be selected from a generalized inverse (particularly, a left generalized inverse). The left general inverse matrix of the channel matrix to be applied to the uplink beamforming method of the cell-apart MIMO system has the form of Equation 39 below, and when it is not a square matrix, it can be given in countless forms according to the U matrix.
사용자 단말 별 송신 전력 제약조건을 가지고, ZF을 수행하는 수신 빔포밍은 하기 수학식 40과 같은 형태를 가질 수 있다.Reception beamforming performing ZF with transmission power constraint for each user terminal may have the form of Equation 40 below.
좌 일반 역행렬을 적용한 최적화 문제는 하기 수학식 41과 같이 변형될 수 있다.The optimization problem to which the left general inverse matrix is applied can be transformed as shown in Equation 41 below.
여기서 S가 켤레 전치 행렬이고, SP 역시 결레 전치 행렬이 된다면 S와 교환법칙이 성립한다는 성질, 즉, PS = SP인 성질을 이용하였다.Here, if S is a conjugate transpose matrix, and SP is also an unrelated transpose matrix, the property that the commutative law holds with S, that is, PS = SP, is used.
제한 조건에 있는 두 행렬들이 같다는 것은 하기 수학식 42와 같이 각 열이 같은 최적화 문제로 변형될 수 있음을 의미한다.The fact that the two matrices in the constraint condition are the same means that each column can be transformed into the same optimization problem as shown in Equation 42 below.
각 열이 같으므로, L2 norm도 같기 때문에 상기 최적화 문제는 하기 수학식 43으로 표현되는 최적화 문제와 동일하다.Since each column is the same, the L2 norm is also the same, so the optimization problem is the same as the optimization problem expressed by Equation 43 below.
수신 빔포밍 벡터 norm 값에 대한 제한 조건은 하나로 적용하면 하기 수학식 44와 같이 표현되는 최적화 문제가 될 수 있다.If one constraint condition for the reception beamforming vector norm value is applied, it may become an optimization problem expressed by Equation 44 below.
목적 함수와 제약 조건이 합쳐서 표현된 최적화 문제는 하기 수학식 45와 같이 표현될 수 있다.The optimization problem expressed by combining the objective function and the constraint can be expressed as Equation 45 below.
따라서, 최적 SINR값은 하기 수학식 46과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the optimal SINR value can be expressed as Equation 46 below.
모든 사용자 단말들의 송신 전력 제약 조건이 같은 경우, 수학식 46은 하기 수학식 47과 같이 표현될 수 있다.When the transmit power constraint conditions of all user terminals are the same, Equation 46 may be expressed as Equation 47 below.
여기서, U는 하기 수학식 48을 만족한 해이다.Here, U is a solution satisfying Equation 48 below.
U를 구하는 문제는 2차 콘 프로그램(second-order cone program)으로 convex 문제이고, 소트프웨어 패키지를 통해 쉽게 해를 구하는 방법이 알려져 있다. 따라서 최적 과 를 구하면, 하기 수학식 49를 통해 셀-탈피 MIMO 상향링크 최적 수신 빔포밍 벡터와 사용자별 전력 할당이 도출될 수 있다.The problem of finding U is a convex problem with a second-order cone program, and an easy way to find a solution through a software package is known. therefore optimal class , a cell-apart MIMO uplink optimal reception beamforming vector and power allocation for each user can be derived through Equation 49 below.
따라서, 상향링크 최적 수신 빔포밍 벡터는 하기 수학식 50과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the uplink optimal reception beamforming vector may be expressed as Equation 50 below.
상향링크에서 수신되는 신호 전력은 하기 수학식 51과 같이 표현될 수 있다.Signal power received in the uplink may be expressed as in Equation 51 below.
따라서, 사용자 단말 별 최적 전력 할당은 하기 수학식 52와 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the optimal power allocation for each user terminal can be expressed as Equation 52 below.
셀-탈피 MIMO 시스템에 도출된 최적 빔포밍 방식과 최적 전력 할당 방안을 적용하면, 각 사용자 단말 별 간섭 신호가 0이 되고, SINR값이 동일하게 되고, 결과적으로 수신 신호도 같아지는 결과를 얻을 수 있다.If the optimal beamforming method and the optimal power allocation method derived from the cell-apart MIMO system are applied, the interference signal for each user terminal becomes 0, the SINR value becomes the same, and as a result, the received signal becomes the same. have.
하향링크에서 간섭을 최소화하는 최적화 문제는 하기 수학식 53과 같이 모델링될 수 있다.The optimization problem of minimizing interference in downlink can be modeled as in Equation 53 below.
상향링크에서는 사용자 단말 송신 전력 제한조건이 있는 반면, 하향링크에서는 AP 별 송신 전력 제한 조건 이 있기 때문에 송신 전력 행렬의 행이 아닌 각 열에 제한 조건이 붙는다. 이러한 제한 조건 차이를 감안하면서 상향링크에서 전개하는 과정을 비슷하게 따라가면서 정리하도록 한다. In the uplink, there is a user terminal transmit power constraint, whereas in the downlink, there is a transmit power constraint for each AP. Considering the difference in constraint conditions, the process of deployment in the uplink should be similarly followed and arranged.
하향링크에서도 상향링크와 마찬가지로 AP들의 수가 사용자 단말들의 수보다 큰 경우 만이 고려되기 때문에 간섭을 0으로 하는 ZF 과 더불어, 하기 수학식 54와 같이 모델링되는 각 사용자 단말에게 수신되는 최소 SINR값을 최대화하는 최적화 문제가 추가적으로 적용될 수 있다.In the downlink, as in the uplink, only the case where the number of APs is greater than the number of user terminals is considered. In addition to ZF with zero interference, the minimum SINR value received by each user terminal modeled as in Equation 54 below is maximized. An optimization problem may additionally be applied.
상향링크와 같은 이유에서, 수신되는 최소 SINR값을 최대화하는 최적화 문제는 하기 수학식 55로 표현되는 동일한 문제로 변형될 수 있다.For the same reason as the uplink, the optimization problem of maximizing the received minimum SINR value can be transformed into the same problem expressed by Equation 55 below.
상향링크와 비슷한 최적화 문제로 표현되지만, 송신 빔포밍 행렬을 구하기 위한 채널 행렬의 일반 역행렬의 형태에서 차이가 있다. 즉, 상향링크에서는 를 만족하기 위해 좌 일반 역행렬 로 수신 빔포밍 행렬을 구하였지만, 하향링크에서는 를 만족하는 송신 빔포밍 행렬을 구하기 위해, 의 우 일반 역행렬(right generalized inverse)을 이용한다. 의 우 일반 역행렬은 수학식 56과 같은 형태를 가질 수 있다.It is expressed as an optimization problem similar to that of uplink, but there is a difference in the form of a general inverse matrix of a channel matrix for obtaining a transmit beamforming matrix. That is, in the uplink The reception beamforming matrix was obtained with the left general inverse matrix to satisfy In order to obtain a transmission beamforming matrix that satisfies A right generalized inverse is used. The general inverse matrix may have the form of Equation 56.
AP별 송신 전력 제약 조건을 가지고, ZF을 수행하는 송신 빔포밍은 하기 수학식 57과 같은 형태를 가질 수 있다.Transmission beamforming performing ZF with transmission power constraint for each AP may have the form of Equation 57 below.
여기서, 투영(projection) 행렬은 Hermitian matrix이기 때문에, 를 만족하며, U가 임의의 행렬이기 때문에 G는 유일한 행렬로서 주어지지 않으며, 최적 G가 결정되어야 한다. Here, since the projection matrix is a Hermitian matrix, , and since U is an arbitrary matrix, G is not given as a unique matrix, and an optimal G must be determined.
우 일반 역행렬(right generalized inverse)를 적용하고, 대각 행렬 위치 변경이 가능하다는 성질을 이용하면, 최적화 문제는 하기 수학식 58과 같이 변형될 수 있다.Apply the right generalized inverse, diagonal matrix Using the property that the position can be changed, the optimization problem can be transformed as shown in Equation 58 below.
여기서 S가 켤레 전치 행렬이고, SP 역시 결레 전치 행렬이 된다면 S와 교환법칙이 성립한다는 성질, 즉, PS = SP인 성질을 이용하였다.Here, if S is a conjugate transpose matrix, and SP is also an unrelated transpose matrix, the property that the commutative law holds with S, that is, PS = SP, is used.
제한 조건에 있는 두 행렬들이 같다는 것은 하기 수학식 59와 같이 각 열이 같은 최적화 문제로 변형될 수 있음을 의미한다.The fact that the two matrices in the constraint condition are the same means that each column can be transformed into the same optimization problem as shown in Equation 59 below.
하향링크는 상항링크와 달리 오른쪽에서 곱해진 형태이므로, G 행열의 각 행에 대각행렬의 각 원소가 곱해진다. 반면 제한 조건은 각 열이 아닌 각 행에 의해 주어지므로, 상향링크와 다른 형태로 표현된다. Since the downlink is multiplied from the right unlike the uplink, each row of the G matrix is multiplied by each element of the diagonal matrix. On the other hand, since the constraint is given by each row instead of by each column, it is expressed in a different form from that of the uplink.
각 열이 같으므로, L2 norm도 같기 때문에 상기 최적화 문제는 하기 수학식 60과 같이 표현되는 최적화 문제와 동일하다.Since each column is the same, the L2 norm is also the same, so the optimization problem is the same as the optimization problem expressed by Equation 60 below.
송신 빔포밍 벡터 norm 값에 대한 제한 조건은 하나로 적용하면 하기 수학식 61로 표현되는 최적화 문제가 될 수 있다.If one constraint condition for the transmit beamforming vector norm value is applied, it may become an optimization problem expressed by Equation 61 below.
목적 함수와 제약 조건이 합쳐서 표현된 최적화 문제는 하기 수학식 62과 같이 표현될 수 있다.The optimization problem expressed by combining the objective function and the constraint can be expressed as Equation 62 below.
따라서, 최적 SINR값은 하기 수학식 63과 같이 표현될 수 있다.Therefore, the optimal SINR value can be expressed as Equation 63 below.
모든 AP별 송신 전력에 제약 조건이 같은 경우 상기 수학식 63은 하기 수학식 64와 같이 표현될 수 있다.When the constraint condition is the same for the transmit power of all APs, Equation 63 may be expressed as Equation 64 below.
여기서 U는 하기 수학식 65를 만족하는 해이다.Here, U is a solution satisfying Equation 65 below.
하향링크에서도 상향링크와 마찬가지로 2차 콘 프로그램(second-order cone program)을 통해 U를 구할 수 있으며, 하기 수학식 66을 통해 셀-탈피 MIMO 하향링크 최적 송신 빔포밍 벡터와 사용자별 전력 할당이 도출될 수 있다.In the downlink, like the uplink, U can be obtained through a second-order cone program, and the cell-free MIMO downlink optimal transmission beamforming vector and power allocation for each user are derived through Equation 66 below. can be
따라서, 하향링크에서 사용자별 최적 송신 빔포밍 벡터는 하기 수학식 67과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the optimal transmission beamforming vector for each user in the downlink can be expressed as Equation 67 below.
또한, AP별 최적 송신 빔포밍 벡터는 하기 수학식 68과 같이 표현될 수 있다.In addition, the optimal transmit beamforming vector for each AP may be expressed as Equation 68 below.
하향링크에서 수신되는 신호전력은 하기 수학식 69와 같이 표현될 수 있다.Signal power received in the downlink can be expressed as in Equation 69 below.
따라서, 사용자 단말 별 최적 전력 할당은 하기 수학식 70과 같이 표현될 수 있다.Accordingly, the optimal power allocation for each user terminal may be expressed as Equation 70 below.
AP별 최적 전력 할당은 하기 수학식 71과 같이 표현될 수 있다.The optimal power allocation for each AP can be expressed as in Equation 71 below.
상향링크와 마찬가지로 하향링크에서도 셀-탈피 MIMO에서 도출된 최적 빔포밍 방식과 최적 전력 할당이 적용되면, 각 사용자 별 간섭 신호가 0이 되고, SINR값이 동일하게 되고, 결과적으로 수신 신호도 같아지는 결과를 얻을 수 있다.As in the uplink, if the optimal beamforming method derived from the cell-off MIMO and the optimal power allocation are applied in the downlink, the interference signal for each user becomes 0, the SINR value becomes the same, and as a result, the received signal becomes the same. results can be obtained.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템에서 상향/하향링크 간섭 최적화 빔포밍 및 전력 할당 방법을 설명하기 위한 개념도이다.4 is a conceptual diagram for explaining a method for optimizing uplink/downlink interference beamforming and power allocation in an out-of-cell MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 하향링크에서 간섭을 0으로 하면서 SINR값을 최대화하는 AP별 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 (수학식 68) 로 정리되며, AP 별 최적 전력 할당은 (수학식 71)로 정리된다.Referring to FIG. 4 , a downlink transmission beamforming vector for each AP maximizing an SINR value while reducing interference to 0 in downlink is (Equation 68), and the optimal power allocation for each AP is (Equation 71).
또한, 상향링크에서 간섭을 0으로 하면서 SINR값을 최대화하는 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 (수학식 50)으로 정리되며, 사용자 단말 별 최적 전력 할당은 (수학식 52)로 정리된다.In addition, the uplink reception beamforming vector for maximizing the SINR value while reducing the interference to 0 in the uplink is (Equation 50), and the optimal power allocation for each user terminal is (Equation 52).
셀-탈피 MIMO 시스템의 최적 빔포밍 및 전력 할당 방법 요약Summary of Optimal Beamforming and Power Allocation Methods of Cell-apart MIMO System
셀-탈피 MIMO 시스템에서 수신 신호를 최대화하면서 사용자 단말들의 수신 전력을 동일하게 하는 빔포밍 및 전력 할당 방법은 다음과 같다.A method of beamforming and power allocation for equalizing received power of user terminals while maximizing a received signal in a cell-free MIMO system is as follows.
셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 수신 신호를 최대화하는 빔포밍 방식은 MRC 방식이며, 사용자 단말 별 송신 전력은 채널에 반비례하여 할당해야 한다. 각 AP별 송신 전력은 최적 빔포밍 행렬과 전력 할당 행렬을 곱한 행렬의 열방향 벡터 L2 norm에 해당한다. 이러한 빔포밍 및 전력 할당 방법을 이용하면, 상향링크에서 수신되는 SINR값은 동일한 값을 가진다. A beamforming method for maximizing a received signal in the uplink of a cell-free MIMO system is an MRC method, and transmission power for each user terminal should be allocated in inverse proportion to a channel. The transmit power for each AP corresponds to a column-direction vector L2 norm of a matrix obtained by multiplying an optimal beamforming matrix and a power allocation matrix. Using such a beamforming and power allocation method, SINR values received in uplink have the same value.
셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 간섭을 0으로 하면서 사용자 단말들의 SINR값을 동일한 값을 되도록 하는 빔포밍 및 전력 할당 방법은 다음과 같다.A beamforming and power allocation method for making the SINR values of user terminals equal to zero while reducing interference in downlink of a cell-free MIMO system is as follows.
상하향링크 최적 빔포밍 방식은 일반적으로 사용하는 채널 행렬의 의사 역행렬이 아닌 일반 역행렬을 통해 도출한다. 의사 역행렬은 L2 norm이 가장 작은 벡터인 해를 구할 수 있으며, 이는 사용자 단말들 또는AP들의 전력의 합을 최소화하는 관점에서는 최적이지만, 셀-탈피 MIMO 시스템과 같이 사용자 단말 별 또는 AP별 전력 제한 조건을 가진 경우에는 최적이 되지 못한다. 따라서, ZF을 만족하는 일반 역행렬들 중에서 최적이 되는 행렬을 구하는 과정이 필요하다. The uplink and downlink optimal beamforming method is derived through a general inverse matrix, not a pseudo inverse matrix of a generally used channel matrix. The pseudo-inverse matrix can obtain a solution in which the L2 norm is the smallest vector, which is optimal from the viewpoint of minimizing the sum of powers of user terminals or APs, but power constraint conditions for each user terminal or each AP like a cell-apart MIMO system. It is not optimal if you have . Therefore, it is necessary to obtain an optimal matrix from among general inverse matrices that satisfy ZF.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 셀-탈피 MIMO 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.5 is a flowchart for explaining a method of operating an out-of-cell MIMO system according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 셀-탈피 MIMO 시스템의 CPU는 AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)에 적용될 상향링크 수신 빔포밍 벡터와 하향링크 수신 빔포밍 벡터와 각 AP 및 사용자 단말들을 위한 전력 할당을 결정할 수 있다(S510).Referring to FIG. 5 , the CPU of the cell-breaking MIMO system sets an uplink reception beamforming vector and a downlink reception beamforming vector to be applied to the APs (
단계(S510)에서 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들을 결정하는 과정은 앞서 수학적 모델링을 통해서 설명된 절차에 따르며, 도 3 및 도 4에서는 요약된 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들이 결정될 수 있다.The process of determining the uplink reception beamforming vector, the downlink reception beamforming vector, and the power allocation values in step S510 follows the procedure described above through mathematical modeling, and in FIGS. 3 and 4 , the uplink reception is summarized. A beamforming vector, a downlink reception beamforming vector, and power allocation values may be determined.
한편, 도 5에서는 설명되지 않았으나, CPU는 AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)로부터 각 AP와 각 단말들 간의 채널 행렬, 각 사용자 단말의 송신 전력 제약 조건, 및 각 AP의 송신 전력 제약 조건 등의 정보를 취합할 수 있다. 각 AP와 각 단말들 간의 채널 행렬은 각 AP 또는 각 단말이 상대방에서 전송하는 파일럿(pilot) 또는 참조 신호(reference signal)을 이용하여 측정될 수 있으며, 측정된 결과가 CPU에게 취합될 수 있다.On the other hand, although not described in FIG. 5, the CPU receives the channel matrix between each AP and each terminal from the APs (
CPU는 결정된 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들을 AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)에게 전달할 수 있다(S511, S512, S513). The CPU may transmit the determined uplink reception beamforming vector, downlink reception beamforming vector, and power allocation values to the APs (
이후에, AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)은 결정된 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들을 이용하여 단말들과의 셀-탈피 MIMO 기반으로 통신을 수행할 수 있다(S520).Thereafter, the APs (
한편, CPU는 AP들(AP #1, AP #2, ??, AP #L)로부터 각 AP와 각 단말들 간의 채널 행렬, 각 사용자 단말의 송신 전력 제약 조건, 및 각 AP의 송신 전력 제약 조건 등의 정보를 다시 취합할 수 있고, 다시 취합된 정보에 기반하여 결정된 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들을 AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)에게 다시 전달할 수 있다(S531, S532, S533).Meanwhile, the CPU receives the channel matrix between each AP and each terminal from the APs (
이후에, AP들(AP #1, AP #2, ..., AP #L)은 재결정된 상향링크 수신 빔포밍 벡터, 하향링크 수신 빔포밍 벡터, 및 전력 할당 값들을 이용하여 단말들과의 셀-탈피 MIMO 기반으로 통신을 수행할 수 있다.Thereafter, the APs (
상기 단계들(S510 내지 S530)은 지속적으로 반복적으로 수행될 수 있다.The steps S510 to S530 may be continuously and repeatedly performed.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 노드의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.6 is a block diagram illustrating the configuration of a communication node according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하여 설명되는 통신 노드는 앞서 설명된 CPU 및/또는 AP일 수 있다. 도 6을 참조하면, 통신 노드(600)는 적어도 하나의 프로세서(610), 메모리(620) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(630)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(600)는 입력 인터페이스 장치(640), 출력 인터페이스 장치(650), 저장 장치(660) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(600)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(670)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.The communication node described with reference to FIG. 6 may be the CPU and/or AP described above. Referring to FIG. 6 , the
다만, 통신 노드(600)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(670)가 아니라, 프로세서(610)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(610)는 메모리(620), 송수신 장치(630), 입력 인터페이스 장치(640), 출력 인터페이스 장치(650) 및 저장 장치(660) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.However, each of the components included in the
프로세서(610)는 메모리(620) 및 저장 장치(660) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(610)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(620) 및 저장 장치(660) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(620)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.The
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The methods according to the present invention may be implemented 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, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the computer readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬, 램, 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of computer-readable media include hardware devices specially configured to store and carry out program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although it has been described with reference to the above embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. will be able
Claims (20)
상기 CPU에서 사용자 단말별 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계;
상기 CPU에서 사용자 단말별 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 및
상기 CPU가 복수의 AP들이 상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상향링크 수신을 수행하도록 하고, 상기 복수의 AP들이 상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 하향링크 전송을 수행하도록 하는 단계를 포함하는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.A method of beamforming and power allocation performed in a cell-free MIMO system composed of a central processing unit (CPU) and a plurality of access points (APs), the method comprising:
determining an uplink reception beamforming vector for each user terminal in the CPU;
determining, in the CPU, a downlink transmission beamforming vector for each user terminal; and
and causing, by the CPU, a plurality of APs to perform uplink reception using the uplink reception beamforming vector, and allowing the plurality of APs to perform downlink transmission using the downlink transmission beamforming vector. doing,
Beamforming and power allocation method.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRC(maximum ratio combining) 방식으로 결정되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.The method according to claim 1,
The uplink reception beamforming vector is determined by a maximum ratio combining (MRC) method,
Beamforming and power allocation method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 모든 사용자 단말들로부터의 수신 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말의 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.3. The method according to claim 2,
In order to receive the received signals from all user terminals with the same power in the uplink of the cell-free MIMO system, the transmit power of the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. ,
Beamforming and power allocation method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 사용자 단말들의 신호들의 SINR(signal to inteferece and noise ratio) 값들은 동일한 값을 가지는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.4. The method of claim 3,
Signal to integrity and noise ratio (SINR) values of signals of user terminals in the uplink of the cell-breaking MIMO system have the same value,
Beamforming and power allocation method.
상기 하향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRT(maxium ratio transmission) 방식으로 결정되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.The method according to claim 1,
The downlink reception beamforming vector is determined by MRT (maxium ratio transmission) method,
Beamforming and power allocation method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 모든 사용자 단말들에서 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말에게 할당되는 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.6. The method of claim 5,
In order to allow all user terminals to receive a signal with the same power in the downlink of the cell-free MIMO system, the transmit power allocated to the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. ,
Beamforming and power allocation method.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 사용자 단말들에게 전송된 신호들의 SINR 값들은 동일한 값을 가지지 않는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.7. The method of claim 6,
SINR values of signals transmitted to user terminals in the downlink of the cell-off MIMO system do not have the same value,
Beamforming and power allocation method.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 ZF(zero forcing) 방식으로 결정되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.The method according to claim 1,
The uplink reception beamforming vector is determined by a ZF (zero forcing) method,
Beamforming and power allocation method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 좌 일반 역행렬(left generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화하는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.9. The method of claim 8,
The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a left generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals,
Beamforming and power allocation method.
상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 ZF 방식으로 결정되는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.The method according to claim 1,
The downlink transmission beamforming vector is determined by the ZF method,
Beamforming and power allocation method.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 우 일반 역행렬(right generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화하는,
빔포밍 및 전력 할당 방법.11. The method of claim 10,
The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a right generalized inverse matrix, minimizing interference between user terminals, and maximizing a minimum SINR value of a signal received from the user terminals,
Beamforming and power allocation method.
사용자 단말별 상향링크 수신 빔포밍 벡터와 사용자 단말별 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 결정하여 상기 복수의 AP들에게 전달하는 CPU; 및
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터를 이용하여 상향링크 수신을 수행하고, 상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터를 이용하여 하향링크 전송을 수행하는 복수의 AP들을 포함하는,
셀-탈피 MIMO 시스템.A cell-free MIMO system comprising a central processing unit (CPU) and a plurality of access points (APs), comprising:
a CPU for determining an uplink reception beamforming vector for each user terminal and a downlink transmission beamforming vector for each user terminal, and transmitting the determined uplink reception beamforming vector for each user terminal to the plurality of APs; and
A plurality of APs that perform uplink reception using the uplink reception beamforming vector and perform downlink transmission using the downlink transmission beamforming vector,
A cell-free MIMO system.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRC(maximum ratio combining) 방식으로 결정되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.13. The method of claim 12,
The uplink reception beamforming vector is determined by a maximum ratio combining (MRC) method,
Cell-free MIMO system.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 상향링크에서 모든 사용자 단말들로부터의 수신 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말의 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.14. The method of claim 13,
In order to receive the received signals from all user terminals with the same power in the uplink of the cell-free MIMO system, the transmit power of the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. ,
A cell-free MIMO system.
상기 하향링크 수신 빔포밍 벡터는 MRT(maxium ratio transmission) 방식으로 결정되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.13. The method of claim 12,
The downlink reception beamforming vector is determined by MRT (maxium ratio transmission) method,
Cell-free MIMO system.
상기 셀-탈피 MIMO 시스템의 하향링크에서 모든 사용자 단말들에서 신호가 동일한 전력으로 수신되도록 하기 위해서, 제1 사용자 단말에게 할당되는 송신 전력은 상기 제1 사용자 단말의 채널의 크기 값에 반비례하게 할당되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.16. The method of claim 15,
In order to allow all user terminals to receive a signal with the same power in the downlink of the cell-free MIMO system, the transmit power allocated to the first user terminal is allocated in inverse proportion to the channel size value of the first user terminal. ,
Cell-free MIMO system.
상기 상향링크 수신 빔포밍 벡터는 ZF(zero forcing) 방식으로 결정되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.13. The method of claim 12,
The uplink reception beamforming vector is determined by a ZF (zero forcing) method,
Cell-free MIMO system.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 좌 일반 역행렬(left generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화하는,
셀-탈피 MIMO 시스템.18. The method of claim 17,
The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a left generalized inverse matrix, minimizes interference between user terminals, and maximizes a minimum SINR value of a signal received from the user terminals,
Cell-free MIMO system.
상기 하향링크 송신 빔포밍 벡터는 ZF 방식으로 결정되는,
셀-탈피 MIMO 시스템.13. The method of claim 12,
The downlink transmission beamforming vector is determined by the ZF method,
Cell-free MIMO system.
상기 ZF 방식의 최적 빔포밍 벡터는 우 일반 역행렬(right generalized inverse) 중에서 선택되며, 사용자 단말들 간 간섭을 최소화하고, 상기 사용자 단말들로부터 수신되는 신호의 최소 SINR 값을 최대화하는,
셀-탈피 MIMO 시스템.
20. The method of claim 19,
The optimal beamforming vector of the ZF method is selected from a right generalized inverse matrix, minimizing interference between user terminals, and maximizing a minimum SINR value of a signal received from the user terminals,
Cell-free MIMO system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210053830A KR20220146928A (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Method for beamforming and power allocation in cell-free MIMO system, and apparatus therefor |
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KR1020210053830A KR20220146928A (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Method for beamforming and power allocation in cell-free MIMO system, and apparatus therefor |
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KR1020210053830A KR20220146928A (en) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | Method for beamforming and power allocation in cell-free MIMO system, and apparatus therefor |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20240127566A (en) | 2023-02-16 | 2024-08-23 | 한국전자기술연구원 | Nanotube-based pellicle for EUV photolithography and manufacturing method thereof |
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2021
- 2021-04-26 KR KR1020210053830A patent/KR20220146928A/en unknown
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KR20240127566A (en) | 2023-02-16 | 2024-08-23 | 한국전자기술연구원 | Nanotube-based pellicle for EUV photolithography and manufacturing method thereof |
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