밀리미터파 통신에서의 사용자 유동성을 고려한 적응적 빔폭 조절기법

Abstract

최근 모바일 데이터 사용량의 기하급수적 증가 추세에 따라 밀리미터 대역에서의 통신이 각광받고 있다. 하지만 밀리미터 통신 환경에서는 큰 감쇄상수, 높은 회절손실 등의 고 주파수 신호의 특징에 의해 채널 경로가 희소한 성질을 가지게 된다. 감쇄가 많은 밀리미터 신호는 안테나 개수를 소형화 시켜 직접시킴으로써 수신이득을 보상받을 수 있다. 하지만 4세대 통신에서 사용되었던 채널정보를 기반으로 데이터 전송구간에서 고정된 빔포밍을 하는 기법은 고 주파수의 높은 회절손실 때문에 유동성을 가진 사용자가 빔 정렬로부터 벗어나는 경우 심각한 경로손실을 유발한다. 본 논문에서는 밀리미터 환경에서의 데이터 전송 시 사용자 위치에 대한 추정을 기반으로 사용자의 움직임에 맞추어 빔의 너비를 적응적으로 조절하는 빔포밍 기법을 제안한다. 사용자의 움직임이 많다고 추정되는 경우에는 빔의 폭을 넓혀서 사용자에게 신호가 도달하지 않는 경우를 방지한다. 반대로 사용자의 움직임이 적다고 판단하면 빔의 폭을 줄여 사용자에게 전달되는 파워를 증가시킨다. 이 문제를 해결하기 수신자의 움직임을 고려해 안테나 개수를 조절함으로써 빔의 너비를 제어하는 빔포밍 모델을 제시하고, 두 가지 단계를 통해 빔포밍 벡터에 필요한 파라미터를 유도하였다. 첫 번째 단계는 채널추정단계에서 관측된 관측벡터를 기반으로 베이시안 정리를 이용한 사후확률분포를 추정하는 것이다. 유도된 사후확률분포는 수신자의 위치 및 움직임의 정도에 대한 정보를 제공한다. 두 번째 단계에는 min-max 관점에서의 최적의 빔포밍 벡터를 유도한다. 빔포밍의 목적에 맞추어 ρ를 설정하고 사후확률분포에서 ρ를 만족하는 최소구간을 설정한다. 이 구간 안에서 전달하는 최소파워가 최대가 되게 하는 빔포밍 벡터를 유도하게 된다. 제안하는 빔포밍 벡터는 데이터 전송이 진행됨에 따라 증가하는 수신자 위치의 불확실성에 맞추어 빔의 폭을 증가시키는 것을 확인할 수 있다. 또한 수신자가 움직이는 경우 고정된 빔포밍을 사용할 때에 신호 대 잡음비가 증가해도 비트에러율 성능이 포화되는 것과 비교하여 제안한 빔포밍 벡터는 비트에러율 성능이 상당히 높아지는 것을 확인하였다.