KR102192054B1

KR102192054B1 - Hybrid beamforming transmission apparatus and hybrid beamforming method

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Publication number: KR102192054B1
Application number: KR1020150150902A
Authority: KR
Inventors: 나민수; 최창순; 박해성; 홍대식; 왕한호; 이권종; 김준기
Original assignee: 에스케이텔레콤 주식회사; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2020-12-16
Also published as: KR20170049952A

Abstract

본 발명은, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계를 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있는 하이브리드 빔 포밍 송신장치 및 하이브리드 빔 포밍 방법을 개시하고 있다.The present invention is a hybrid beamforming capable of operating optimal beamforming in consideration of a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming in a MIMO system using a hybrid beamforming technology. Disclosed is a transmission apparatus and a hybrid beamforming method.

Description

Hybrid beam forming transmitter and hybrid beam forming method {HYBRID BEAMFORMING TRANSMISSION APPARATUS AND HYBRID BEAMFORMING METHOD}

본 발명은, 디지털 빔 포밍 및 아날로그 빔 포밍이 결합된 하이브리드 빔 포밍 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계를 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있는 하이브리드 빔 포밍 송신장치 및 하이브리드 빔 포밍 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid beamforming technology in which digital beamforming and analog beamforming are combined, and more particularly, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, a transmission capacity gain according to the number of antennas used during analog beamforming And a hybrid beamforming transmission apparatus capable of operating optimal beamforming in consideration of a trade-off relationship between delay problems and a hybrid beamforming method.

MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은, 무선통신의 주파수 효율을 향상시킬 수 있는 대표적인 기술로서, 주파수나 파워를 추가로 사용하지 않더라도 송신안테나 수 및 수신안테나 수와 비례하는 전송용량 이득을 기대할 수 있다. MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology is a representative technology that can improve the frequency efficiency of wireless communication. Even without additional use of frequency or power, a transmission capacity gain can be expected in proportion to the number of transmitting antennas and the number of receiving antennas. .

MIMO 시스템에서 전송용량 이득을 얻는 가장 큰 부분은 빔 포밍을 통한 다이버시티(Divercity) 이득과 멀티플렉싱(Multiplexing) 이득이다. The greatest part of obtaining a transmission capacity gain in a MIMO system is a diversity gain and multiplexing gain through beamforming.

이를 위해 MIMO 시스템에서 사용하는 빔 포밍 기술은 아날로그 빔 포밍, 디지털 빔 포밍, 하이브리드 빔 포밍 등으로 나뉜다. MIMO 시스템 특히 수십-수백 개 이상의 안테나를 이용하는 Massive MIMO 시스템에서는, 안테나 개수만큼 RF 체인이 필요해 설치 비용이 증가하는 디지털 빔 포밍 기술과 성능 이득이 한정된 아날로그 빔 포밍 기술의 단점 때문에 이들 두 빔 포밍 기술을 결합한 형태의 하이브리드 빔 포밍 기술을 주로 사용한다. To this end, the beam forming technology used in the MIMO system is divided into analog beam forming, digital beam forming, and hybrid beam forming. MIMO systems In particular, in a massive MIMO system that uses tens to hundreds of antennas, these two beamforming technologies are used because of the disadvantages of the digital beamforming technology that increases the installation cost by requiring an RF chain as much as the number of antennas and the analog beamforming technology with limited performance gain. Combined hybrid beam forming technology is mainly used.

하이브리드 빔 포밍 기술에서는, 수신단과의 채널 환경에 적합한 빔을 형성하기 위해, 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행한 후 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 채널추정 과정을 거쳐야 한다. In the hybrid beamforming technology, in order to form a beam suitable for a channel environment with a receiver, analog beamforming training is performed and then digital beamforming training is performed in a channel estimation process.

이러한 하이브리드 빔 포밍 기술은, 송신단 및 수신단 사이의 채널이 변하는 경우 전술의 채널추정 과정 전체(아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝)를 재 수행해야 하기 때문에, 데이터 전송을 위한 준비 단계의 오버헤드가 증가하게 되고 이로 인해 데이터 전송의 지연이 커지는 문제를 갖는다.In this hybrid beamforming technology, when the channel between the transmitting end and the receiving end is changed, the entire channel estimation process (analog beam forming training and digital beam forming training) must be re-executed, so that the overhead of the preparation stage for data transmission is reduced. There is a problem that the data transmission delay increases due to the increase.

한편, 아날로그 빔 포밍 시, 사용되는 안테나 수가 많아질수록 형성되는 빔의 폭이 좁아져 전송용량 이득이 커지는 반면 채널추정 재 수행 빈도가 높아져 전술한 지연 문제가 심화될 것이고, 사용되는 안테나 수가 감소할수록 형성되는 빔의 폭이 넓어져 전송용량 이득이 작아지는 반면 채널추정 재 수행 빈도가 낮아져 전술한 지연 문제가 약화될 것이다.On the other hand, during analog beamforming, as the number of antennas used increases, the width of the formed beam decreases and the transmission capacity gain increases, while the frequency of re-performing channel estimation increases, which intensifies the aforementioned delay problem. As the width of the formed beam increases, the transmission capacity gain decreases, while the frequency of re-performing the channel estimation decreases, thus reducing the aforementioned delay problem.

결국, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따라서 전송용량 이득 및 지연 문제는 트레이드 오프(Trade off) 관계를 갖게 된다.As a result, transmission capacity gain and delay problems have a trade off relationship depending on the number of antennas used during analog beamforming.

이에, 본 발명에서는, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계에 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.Accordingly, in the present invention, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, a scheme for operating optimal beamforming in consideration of a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming. I would like to propose.

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 도달하고자 하는 목적은, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계를 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영하는데 있다.The present invention was created in view of the above circumstances, and an object to be reached in the present invention is, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming. It is to operate optimal beamforming in consideration of the trade-off relationship.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 디지털 빔 포밍 및 아날로그 빔 포밍이 결합된 하이브리드 빔 포밍 송신장치에 있어서, 상기 송신장치 및 특정 수신장치 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 상기 특정 수신장치로의 아날로그 빔 포밍을 위한 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 아날로그빔포밍 트레이닝부; 상기 결정된 개수의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 상기 특정 수신장치로의 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 디지털빔포밍 트레이닝부; 및 상기 특정 수신장치에 대하여, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트가 확인되면, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 하는 트레이닝제어부를 포함한다.In the hybrid beamforming transmission apparatus in which digital beamforming and analog beamforming are combined according to the first aspect of the present invention for achieving the above object, the number of analog antennas according to a channel change estimated between the transmitting apparatus and a specific receiving apparatus An analog beamforming training unit that determines differently and performs analog beamforming training for analog beamforming to the specific receiving device; A digital beamforming training unit for performing digital beamforming training for digital beamforming to the specific receiver through the determined number of analog antenna-based beamforming signals; And a training control unit configured to skip the analog beamforming training and perform only the digital beamforming training again when a channel estimation event under a preset condition is confirmed for the specific receiving device.

바람직하게는, 상기 아날로그 안테나의 개수는, 상기 송신장치 및 상기 특정 수신장치 사이에 추정된 상기 채널 변화가 큰 경우, 상기 채널 변화가 작은 경우 보다 작게 결정될 수 있다.Preferably, the number of analog antennas may be determined to be smaller than when the channel change estimated between the transmitting device and the specific receiving device is large and the channel change is small.

바람직하게는, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝은, 상기 특정 수신장치에 대하여, 특정 개수의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 아날로그 빔 포밍 방향을 결정하는 과정, 상기 송신장치 및 상기 특정 수신장치 사이에 추정되는 채널 변화를 고려하여, 상기 아날로그 빔 포밍 방향으로의 빔 포밍 시 사용할 아날로그 안테나의 개수를 결정하는 과정, 상기 결정된 개수의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 형성하기 위한 아날로그 빔 포밍 벡터를 결정하는 과정을 포함할 수 있다.Preferably, the analog beamforming training is a process of determining an analog beamforming direction based on a specific number of analog antennas for the specific receiving device, and a channel change estimated between the transmitting device and the specific receiving device. In consideration of, the process of determining the number of analog antennas to be used when beamforming in the analog beamforming direction, and determining an analog beamforming vector for forming the determined number of analog antenna-based beamforming signals may be included. have.

바람직하게는, 상기 특정 개수는, 디지털 빔 포밍의 단일 출력단에 연결된 아날로그 안테나의 최대 개수일 수 있다.Preferably, the specific number may be the maximum number of analog antennas connected to a single output terminal of digital beamforming.

바람직하게는, 상기 아날로그 안테나의 개수를 결정하는 과정은, 상기 특정 개수의 아날로그 안테나 사용 시 상기 특정 수신장치로부터 피드백되는 신호품질정보에 기초하여, 상기 특정 수신장치에 대한 전송용량을 계산하고, 상기 계산한 전송용량을 기반으로, 각 아날로그 안테나 개수 별로 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝을 재 수행함에 따른 오버헤드를 상기 채널 변화로서 반영한 예상전송용량을 계산하고, 상기 각 아날로그 안테나 개수 별로 계산한 예상전송용량 중에서 가장 큰 예상전송용량의 아날로그 안테나 개수를 결정할 수 있다.Preferably, the process of determining the number of analog antennas comprises calculating a transmission capacity for the specific reception device based on signal quality information fed back from the specific reception device when the specific number of analog antennas are used, and the Based on the calculated transmission capacity, an expected transmission capacity is calculated by reflecting the overhead of re-performing the analog beamforming training and the digital beamforming training for each number of analog antennas as the channel change, and for each number of analog antennas. Among the calculated estimated transmission capacity, the number of analog antennas having the largest expected transmission capacity may be determined.

바람직하게는, 상기 기 설정된 조건의 채널추정이벤트는, 채널추정이벤트의 발생 횟수가 특정 임계횟수 이하인 경우 확인될 수 있다.Preferably, the channel estimation event of the preset condition may be identified when the number of occurrences of the channel estimation event is less than or equal to a specific threshold number.

바람직하게는, 상기 트레이닝제어부는, 상기 특정 수신장치에서 이용하는 통신서비스의 타입에 따라, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 하는 채널추정 간소화 적용 여부를 선택할 수 있다.Preferably, the training control unit may select whether to apply channel estimation simplification to skip the analog beamforming training and perform only the digital beamforming training again according to the type of communication service used by the specific receiving device.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 관점에 따른 디지털 빔 포밍 및 아날로그 빔 포밍이 결합된 하이브리드 빔 포밍 방법에 있어서, 하이브리드 빔 포밍 송신장치가, 상기 송신장치 및 특정 수신장치 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 상기 특정 수신장치로의 아날로그 빔 포밍을 위한 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 아날로그빔포밍 트레이닝단계; 상기 송신장치가, 상기 결정된 개수의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 상기 특정 수신장치로의 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 디지털빔포밍 트레이닝단계; 및 상기 송신장치가, 상기 특정 수신장치에 대하여, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트가 확인되면, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하는 채널추정 간소화단계를 포함한다.In the hybrid beamforming method in which digital beamforming and analog beamforming are combined according to a second aspect of the present invention for achieving the above object, a hybrid beamforming transmitting apparatus comprises: an estimated channel between the transmitting apparatus and a specific receiving apparatus. An analog beamforming training step of differently determining the number of analog antennas according to the change and performing analog beamforming training for analog beamforming to the specific receiver; A digital beamforming training step of performing, by the transmission device, digital beamforming training for digital beamforming to the specific receiving device through the determined number of analog antenna-based beamforming signals; And a channel estimation simplification step of skipping the analog beamforming training and re-performing only the digital beamforming training, when a channel estimation event of a predetermined condition is confirmed for the specific receiving device, by the transmitting device.

바람직하게는, 상기 채널추정 간소화단계 이전에, 상기 특정 수신장치에서 이용하는 통신서비스의 타입에 따라, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 하는 채널추정 간소화 적용 여부를 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, prior to the channel estimation simplification step, depending on the type of communication service used by the specific receiving device, it is selected whether to apply channel estimation simplification in which the analog beamforming training is omitted and only the digital beamforming training is performed again. It may further include the step of.

이에, 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치 및 하이브리드 빔 포밍 방법에 의하면, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계를 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있는 효과를 도출한다.Accordingly, according to the hybrid beamforming transmitter and the hybrid beamforming method of the present invention, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming Considering it, we derive the effect of operating optimal beamforming.

도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템을 보여주는 예시도이다.
도 2는 하이브리드 빔 포밍 구조를 보여주는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 빔 포밍 방법을 나타내는 제어 흐름도이다. 1 is an exemplary diagram showing a MIMO system using a hybrid beamforming technology to which the present invention is applied.
2 is an exemplary diagram showing a hybrid beam forming structure.
3 is a block diagram showing the configuration of a hybrid beamforming transmission apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a control flowchart illustrating a hybrid beam forming method according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명이 적용되는 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템을 보여주는 예시도이다.1 is an exemplary diagram showing a MIMO system using a hybrid beamforming technology to which the present invention is applied.

MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술은, 주파수나 파워를 추가로 사용하지 않더라도 송신안테나 수 및 수신안테나 수와 비례하는 전송용량 이득을 기대할 수 있는 기술로서, 전송용량 이득을 얻는 가장 큰 부분은 빔 포밍을 통한 다이버시티(Divercity) 이득과 멀티플렉싱(Multiplexing) 이득이다. MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology is a technology that can expect a transmission capacity gain proportional to the number of transmission antennas and the number of reception antennas even without additional use of frequency or power, and the largest part of obtaining transmission capacity gain is beamforming. These are the diversity gain and the multiplexing gain.

이를 위해 MIMO 시스템에서 사용하는 빔 포밍 기술은 디지털 빔 포밍, 아날로그 빔 포밍, 하이브리드 빔 포밍 등으로 나뉜다. To this end, the beam forming technology used in the MIMO system is divided into digital beam forming, analog beam forming, and hybrid beam forming.

디지털 빔 포밍의 경우 형성할 수 있는 빔의 개수가 RF 체인의 개수에 의해 결정되며, 디지털 빔 포밍에 의해 형성된 다수의 빔은, 수신단의 다이버시티를 향상시켜 신호품질(SINR: Signal to Interference Noise Ratio)를 높이는 수단으로 사용될 수 있고, 또한 다수 수신단을 다른 빔으로 분리시켜 각각 다른 신호를 수신하도록 하는 멀티플렉싱으로 사용될 수 있다.In the case of digital beamforming, the number of beams that can be formed is determined by the number of RF chains, and the number of beams formed by digital beamforming improves the diversity of the receiver to improve signal quality (SINR: Signal to Interference Noise Ratio). ) May be used as a means to increase, and may be used as multiplexing to receive different signals by separating multiple receivers into different beams.

반면, 아날로그 빔 포밍의 경우 아날로그 빔 포밍에 의해 형성된 다수의 빔은 수신단의 다이버시티를 향상시켜 신호품질(SINR)를 높이는 수단으로만 한정 사용될 수 있다.On the other hand, in the case of analog beamforming, a plurality of beams formed by analog beamforming can be limitedly used as a means of improving signal quality (SINR) by improving diversity at a receiving end.

결국, MIMO 시스템 특히 수십-수백 개 이상의 안테나를 이용하는 Massive MIMO 시스템에서는, 전술한 바와 같이 안테나 개수만큼 RF 체인이 필요해 설치 비용이 증가하는 디지털 빔 포밍 기술과 성능 이득이 한정된 아날로그 빔 포밍 기술의 단점 때문에, 이들 두 빔 포밍 기술을 결합한 형태의 하이브리드 빔 포밍 기술을 주로 사용한다. 이때, 기존의 하이브리드 빔 포밍 기술은, 디지털 빔 포밍의 단일 출력단에 연결된 아날로그 안테나를 모두 사용하고 있다.After all, in a MIMO system, especially a massive MIMO system that uses tens to hundreds of antennas, as described above, it requires an RF chain as much as the number of antennas, which increases the installation cost, due to the disadvantages of the digital beamforming technology and the analog beamforming technology with limited performance gain. In this case, a hybrid beamforming technique is mainly used, which is a combination of these two beamforming techniques. At this time, the conventional hybrid beamforming technology uses all of the analog antennas connected to a single output terminal of digital beamforming.

이러한 하이브리드 빔 포밍 기술에서는, 수신단과의 채널 환경에 적합한 빔을 형성하기 위해, 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행한 후 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 채널추정 과정을 거쳐야 한다. In such a hybrid beamforming technology, in order to form a beam suitable for a channel environment with a receiver, analog beamforming training must be performed and then a channel estimation process of digital beamforming training must be performed.

헌데, 하이브리드 빔 포밍 기술은, 송신단 및 수신단 사이의 채널이 변하는 경우 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행한 후 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 전술의 채널추정 과정 전체를 재 수행해야 하기 때문에, 데이터 전송을 위한 준비 단계의 오버헤드가 증가하게 되고 이로 인해 데이터 전송의 지연이 커지는 문제를 갖는다.However, in the hybrid beamforming technology, when the channel between the transmitting end and the receiving end is changed, it is necessary to re-perform the above-described channel estimation process of performing digital beamforming training after performing analog beamforming training, thus preparing for data transmission. There is a problem that the overhead of the step increases, and thus the delay of data transmission increases.

또한, 전술의 채널추정 과정에서 발생하는 오버헤드는 송/수신단의 채널 변화가 빈번할수록 증가할 것이고, 이는 전송 지연 측면에서 채널추정 과정이 반복된다는 것은 그만큼 데이터 전송까지 걸리는 추가적인 지연 시간이 증가함을 의미한다. In addition, the overhead incurred in the above-described channel estimation process will increase as the channel change of the transmitter/receiver increases more frequently, and this means that the repeating the channel estimation process in terms of transmission delay increases the additional delay time required for data transmission. it means.

결국, 하이브리드 빔 포밍 기술에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따라서 전송용량 이득 및 지연 문제는 트레이드 오프(Trade off) 관계를 갖게 된다.As a result, in the hybrid beamforming technology, transmission capacity gain and delay problems have a trade off relationship depending on the number of antennas used during analog beamforming.

이에, 본 발명에서는, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 디지털 빔 포밍의 단일 출력단에 연결된 아날로그 안테나를 모두 사용하는 기존과 달리, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계에 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있는 하이브리드 빔 포밍 방법(방안)을 제안하고자 한다.Accordingly, in the present invention, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, transmission capacity gain and delay according to the number of antennas used during analog beamforming are used, unlike the existing ones in which all analog antennas connected to a single output terminal of digital beamforming are used. Considering the trade-off relationship between problems, we would like to propose a hybrid beamforming method (plan) capable of operating optimal beamforming.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명에서 제안하는 하이브리드 빔 포밍 방법이 실현된 MIMO 시스템을 설명하겠다. First, a MIMO system in which the hybrid beamforming method proposed by the present invention is implemented will be described with reference to FIG. 1.

구체적인 설명에 앞서, 본 발명에서는 하이브리드 빔 포밍 신호를 송신하는 송신단 즉 하이브리드 빔 포밍 송신장치로서 기지국(100)을 언급하고, 기지국(100)로부터의 하이브리드 빔 포밍 신호를 수신하는 수신단(수신장치)으로 단말(10,20,30...)을 언급하여 설명하겠다.Prior to the detailed description, in the present invention, the base station 100 is referred to as a transmitting end that transmits a hybrid beamforming signal, that is, a hybrid beam forming transmitting device, and a receiving end (receiving device) receiving a hybrid beam forming signal from the base station 100 is used. It will be described by referring to the terminals 10, 20, 30...

따라서, 기지국(100)은 본 발명에서 제안하는 하이브리드 빔 포밍 방법이 실현된 Massive MIMO 시스템을 갖추고 있고, 각 단말(10,20,30...)은 비교적 적은 안테나를 가지고 있는 시스템을 갖추고 있다고 가정할 수 있다. Accordingly, it is assumed that the base station 100 is equipped with a massive MIMO system in which the hybrid beamforming method proposed in the present invention is realized, and each terminal 10, 20, 30... is equipped with a system having relatively few antennas. can do.

이하에서는, 설명의 편의를 위해 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치를 기지국(100)으로 언급하여 설명하도록 하겠다.Hereinafter, for convenience of description, the hybrid beamforming transmission apparatus of the present invention will be referred to as the base station 100 and described.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100)은, 셀 커버리지(C100) 내 위치한 각 단말(10,20,30...)에 대하여, 하이브리드 빔 포밍 신호를 통해 데이터를 전송하는데 있어서, 각 단말(10,20,30...) 별로 채널 변화에 따라 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나(앨리먼트) 수를 상이하게 결정함으로써, 각 단말을 향해 형성되는 빔의 폭을 달리한다.That is, as shown in Figure 1, the hybrid beamforming transmission apparatus of the present invention, that is, the base station 100, for each terminal (10, 20, 30...) located in the cell coverage (C100), hybrid beamforming In transmitting data through signals, beams formed toward each terminal are determined by differently determining the number of antennas (elements) used during analog beamforming according to a channel change for each terminal (10, 20, 30...) Vary the width of.

그리고, 기지국(100)은, 전술과 같이 각 단말(10,20,30...) 별로 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수를 상이하게 결정하여 단말을 향해 형성되는 빔의 폭을 달리하는 것을 기반으로 채널추정 과정을 간소화함으로써, 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계에 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있다.In addition, the base station 100 is based on varying the width of the beam formed toward the terminal by differently determining the number of antennas used during analog beamforming for each terminal (10, 20, 30...) as described above. By simplifying the channel estimation process, optimal beamforming can be operated in consideration of a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem.

이하에서는, 본 발명에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치의 구체적인 구조를 설명하기에 앞서, 도 2를 참조하여 하이브리드 빔 포밍 구조에 대해 설명하겠다.Hereinafter, before describing the specific structure of the hybrid beamforming transmission apparatus according to the present invention, a hybrid beamforming structure will be described with reference to FIG. 2.

도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 빔 포밍 구조에서는, 디지털 빔 포밍 신호가 출력되는 각각의 디지털 빔 포밍 출력단에 아날로그 빔 포밍 구조가 추가로 결합된 형태로 나타난다. As shown in FIG. 2, in the hybrid beamforming structure, an analog beamforming structure is additionally coupled to each digital beamforming output terminal through which a digital beamforming signal is output.

도 2에서는, 각 디지털 빔 포밍 출력단으로서, TXRU(Tranceiver Unit)를 가정하고 있다. 그리고 도 2에서는, 각각의 디지털 빔 포밍 출력단 즉 TXRU에, M개의 아날로그 안테나로 구성된 아날로그 빔 포밍 구조가 결합된 형태를 가정하고 있다.In FIG. 2, it is assumed that TXRU (Tranceiver Unit) is used as each digital beamforming output terminal. In addition, in FIG. 2, it is assumed that an analog beamforming structure composed of M analog antennas is coupled to each digital beamforming output terminal, that is, a TXRU.

이러한 하이브리드 빔 포밍 구조에서, 디지털 빔 포밍의 목적은 송신장치에서 각 신호를 수신장치에 독립적으로 보내기 위한 서로 다른 빔을 형성하는 것에 있고, 아날로그 빔 포밍의 목적은 디지털 빔 포밍 단에서 만들어진 빔의 폭을 보다 좁게 형성하여 수신장치가 높은 파워로 신호를 수신할 수 있게 하는 것에 있다.In such a hybrid beamforming structure, the purpose of digital beamforming is to form different beams for independently sending each signal from the transmitting device to the receiving device, and the purpose of analog beamforming is to determine the width of the beam produced by the digital beamforming end. It is formed to be narrower so that the receiver can receive a signal with high power.

이러한 하이브리드 빔 포밍 구조에서 수신장치 즉 단말이 수신하게 되는 신호는 다음의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.In this hybrid beamforming structure, a signal received by the receiving device, that is, the terminal, can be expressed as Equation 1 below.

수학식1에서, y_k는 k번째 서브 캐리어(k번째 수신장치)에서 수신되는 신호를 나타내며, H는 송신장치 및 수신장치 사이의 채널 환경을 나타낸다. 이 때 H는 L × NM의 행렬로 정의할 수 있고, L은 수신장치의 안테나 개수, N은 송신장치의 RF Chain 개수(=디지털 빔 포밍 출력단 개수), M은 디지털 빔 포밍 출력단에 연결된 아날로그 빔 포밍의 안테나 개수이다. In Equation 1, y _k denotes a signal received from the k-th subcarrier (k-th receiving apparatus), and H denotes a channel environment between the transmitting apparatus and the receiving apparatus. At this time, H can be defined as a matrix of L × NM, L is the number of antennas of the receiver, N is the number of RF chains of the transmitter (= number of digital beamforming outputs), and M is the analog beam connected to the digital beamforming output. This is the number of antennas for forming.

D는 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 벡터이며, 복소수 값을 갖는 N × N 행렬이다. S는 서브 캐리어(수신장치)로 전송되는 신호를 나타내며, n은 노이즈 성분을 나타낸다.D is a digital beamforming vector for digital beamforming, and is an N × N matrix having a complex value. S represents a signal transmitted to a subcarrier (receiver), and n represents a noise component.

그리고, A는 아날로그 빔 포밍 벡터를 나타내며 아래의 수학식2와 같은 값을 갖는다. A는 M×1 벡터며, 다음과 같은 성분을 가진다.In addition, A denotes an analog beamforming vector and has the same value as in Equation 2 below. A is an M×1 vector and has the following components.

수학식2에서, 아날로그 빔 포밍 벡터는 디지털 빔 포밍 출력단에 출력되는 신호를 주파수 축에서 다른 위상을 갖는 신호로 변환함으로써 아날로그 빔 포밍이 형성되는 것을 확인 할 수 있다.In Equation 2, it can be seen that analog beamforming is formed by converting a signal output to the digital beamforming output terminal into a signal having a different phase in the frequency axis.

이하에서는, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치의 구체적인 구조를 설명하겠다. 그리고, 설명의 편의를 위해, 도 1을 참조하여, 송신장치로서 기지국(100)을 언급하고 수신장치로서 단말(10,20,30...)을 언급하여 설명하겠다.Hereinafter, a detailed structure of a hybrid beamforming transmission apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3. And, for convenience of explanation, with reference to FIG. 1, the base station 100 will be referred to as the transmitting device and the terminals 10, 20, 30... will be described as the receiving device.

본 발명에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100)은, 송신장치 즉 기지국(100) 및 특정 수신장치 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 상기 특정 수신장치로의 아날로그 빔 포밍을 위한 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)와, 상기 결정된 개수의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 상기 특정 수신장치로의 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행하는 디지털빔포밍 트레이닝부(120)와, 상기 특정 수신장치에 대하여, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트가 확인되면, 상기 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 상기 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 하는 트레이닝제어부(130)를 포함한다.The hybrid beamforming transmission apparatus according to the present invention, that is, the base station 100, determines the number of analog antennas differently according to the estimated channel change between the transmission apparatus, that is, the base station 100 and the specific reception device, Digital beamforming training for digital beamforming to the specific receiver through the analog beamforming training unit 110 that performs analog beamforming training for analog beamforming, and the determined number of analog antenna-based beamforming signals The digital beamforming training unit 120 performing the, and when a channel estimation event of a preset condition is confirmed for the specific receiving device, the analog beamforming training is omitted and only the digital beamforming training is performed again. It includes a control unit 130.

이때, 특정 수신장치는, 하이브리드 빔 포밍 송신장치(100) 즉 기지국(100)에 의해 송신되는 하이브리드 빔 포밍 신호를 수신하는 수신장치 즉 단말(10,20,30...) 각각을 의미한다.In this case, the specific reception device refers to a hybrid beamforming transmission device 100, that is, a reception device that receives a hybrid beamforming signal transmitted by the base station 100, that is, each of the terminals 10, 20, 30....

다시 말해, 본 발명에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100)은, 하이브리드 빔 포밍 신호를 통해 데이터를 전송하는데 있어서, 각 단말(10,20,30...) 별로 채널 변화에 따라 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수를 상이하게 결정함으로써, 각 단말을 향해 형성되는 빔의 폭을 달리한다.In other words, in the hybrid beamforming transmission apparatus according to the present invention, that is, the base station 100, in transmitting data through a hybrid beamforming signal, each terminal 10, 20, 30... By differently determining the number of antennas used during forming, the width of the beam formed toward each terminal is different.

이때, 본 발명에서 안테나 수를 상이하게 결정하는 것은, 디지털 빔 포밍 신호의 단일 출력단에 연결된 아날로그 안테나(앨리먼트) 모두가 아닌 일부 만을 사용해서 아날로그 빔 포밍을 수행하기 위해, 사용할 일부의 아날로그 안테나(앨리먼트) 개수를 결정한다는 것을 의미한다.At this time, differently determining the number of antennas in the present invention is to perform analog beamforming using not all of the analog antennas (elements) connected to the single output terminal of the digital beamforming signal, but some of the analog antennas (elements) to be used. ) Means to determine the number.

이처럼 각 단말을 향해 형성되는 빔의 폭을 달리하기 위한 역할은, 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100) 내 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)에 의해 실현된다.As such, the role of varying the width of the beam formed toward each terminal is realized by the hybrid beamforming transmission apparatus, that is, the analog beamforming training unit 110 in the base station 100.

아날로그빔포밍 트레이닝부(110)의 동작을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The operation of the analog beamforming training unit 110 will be described in more detail as follows.

이하에서는, 설명의 편의를 위해 각 단말(10,20,30...) 중에서 특정 수신장치로서 하나의 단말 예컨대 단말(10)을 언급하여 설명하겠다.Hereinafter, for convenience of description, one terminal, such as the terminal 10, will be described as a specific receiving device among the terminals 10, 20, 30...

아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 단말(10)로의 아날로그 빔 포밍을 위한 아날로그 빔 포밍 트레이닝 수행한다.The analog beamforming training unit 110 determines the number of analog antennas differently according to a channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10, and trains analog beamforming for analog beamforming to the terminal 10. Perform.

즉, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대한 채널추정 과정 수행 시, 다음과 같은 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행함으로써 단말(10)로의 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수를 상이하게 결정한다.That is, when performing the channel estimation process for the terminal 10, the analog beamforming training unit 110 performs the following analog beamforming training of the present invention, so that the number of antennas used for analog beamforming to the terminal 10 Is determined differently.

먼저, 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝은, 단말(10)에 대하여, 특정 개수의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 아날로그 빔 포밍 방향을 결정하는 과정을 포함한다.First, the analog beamforming training of the present invention includes a process of determining an analog beamforming direction based on a specific number of analog antennas for the terminal 10.

여기서, 특정 개수는, 디지털 빔 포밍 신호의 단일 출력단에 연결된 아날로그 안테나의 최대 개수인 것이 바람직하다.Here, the specific number is preferably the maximum number of analog antennas connected to a single output terminal of the digital beamforming signal.

예를 들면, 도 2에 도시된 단일의 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)의 경우, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결되어 있는 아날로그 안테나(앨리먼트)는 총 M개 이다.For example, in the case of a single digital beam forming an output terminal (TXRU ₀₎ of the illustrated in Figure 2, the analog antenna that is connected to the digital beam forming an output terminal (TXRU ₀₎ (out elements) is the total of the M.

이 경우라면, 특정 개수(X)는, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결된 아날로그 안테나의 최대 개수 M개로 설정될 수 있다. 이는, 아날로그 안테나의 개수가 많을수록 정확한 아날로그 빔 포밍 방향을 결정할 수 있음에 기인한다.In this case, the specific number X may be set to the maximum number of analog antennas connected to the digital beamforming output terminal TXRU ₀ , M. This is because as the number of analog antennas increases, an accurate analog beamforming direction can be determined.

이에, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대하여, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 아날로그 빔 포밍 방향을 결정하는 과정을 수행한다.Accordingly, the analog beamforming training unit 110 performs a process of determining an analog beamforming direction based on a specific number (X = M) of analog antennas for the terminal 10.

보다 구체적으로 설명하면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 기 설정된 아날로그 후보군을 단말(10)에 전송하여, 아날로그 빔 탐색을 시작한다. More specifically, the analog beamforming training unit 110 transmits a preset analog candidate group based on a specific number (X = M) of analog antennas to the terminal 10, and starts searching for an analog beam.

이에, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 아날로그 후보군을 수신한 단말(10)로부터 아날로그 후보군에 기초로 하는 최적의 빔방향벡터를 피드백 수신하고, 더불어 신호품질정보(SINR)를 피드백 수신한다.Accordingly, the analog beamforming training unit 110 receives the optimal beam direction vector based on the analog candidate group from the terminal 10 that has received the analog candidate group, and receives signal quality information (SINR) as feedback.

이에, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)로부터 피드백된 최적의 빔방향벡터에 따라서 단말(10)에 대한 아날로그 빔 포밍 방향을 결정할 수 있다.Accordingly, the analog beamforming training unit 110 may determine an analog beamforming direction for the terminal 10 according to the optimal beam direction vector fed back from the terminal 10.

전술과 같은 방식으로 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대하여, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 아날로그 빔 포밍 방향을 결정하는 과정을 수행할 수 있다.In the same manner as described above, the analog beamforming training unit 110 may perform a process of determining an analog beamforming direction based on a specific number (X = M) of analog antennas for the terminal 10.

그리고, 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝은, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정되는 채널 변화를 고려하여, 상기 아날로그 빔 포밍 방향으로의 빔 포밍 시 사용할 아날로그 안테나의 개수를 결정하는 과정을 포함한다.In addition, the analog beamforming training of the present invention includes a process of determining the number of analog antennas to be used when beamforming in the analog beamforming direction in consideration of a channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10. Include.

이때, 결정되는 아날로그 안테나의 개수는, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 상기 채널 변화가 큰 경우, 상기 채널 변화가 작은 경우 보다 작게 결정될 수 있다.In this case, the determined number of analog antennas may be determined to be smaller than when the channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10 is large, and when the channel change is small.

보다 구체적으로 설명하면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 전술과 같이 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나 사용 시 단말(10)로부터 피드백되는 신호품질정보(SINR)에 기초하여, 단말(10)에 대한 전송용량(Capacity, C_X)을 계산한다.More specifically, the analog beamforming training unit 110, based on the signal quality information (SINR) fed back from the terminal 10 when using a specific number (X = M) of analog antennas as described above, the terminal ( Calculate the transmission capacity (Capacity, C _X ) for 10).

이때, 단말(10)에 대한 전송용량(C_X)는 다음과 같은 수학식3에 따라 계산될 수 있다.At this time, the transmission capacity (C _X ) for the terminal 10 may be calculated according to Equation 3 below.

이때, 전송용량(C_X)는, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나 기반의 빔 포밍을 완벽히 수행하였을 경우 얻을 수 있는 최대 전송용량이다. 이는 아날로그 빔 포밍으로 인한 다이버시티 증가로 인해 X 배만큼의 수신 전력 이득을 얻을 수 있기 때문이다. In this case, the transmission capacity (C _X ) is the maximum transmission capacity that can be obtained when beamforming based on a specific number (X = M) of analog antennas is completely performed. This is because a reception power gain as much as X times can be obtained due to an increase in diversity due to analog beamforming.

이에 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 전술과 같이 계산한 전송용량(C_X)을 기반으로, 각 아날로그 안테나 개수 별로 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝을 재 수행함에 따른 오버헤드를 채널 변화로서 반영한 예상전송용량(C_X')을 계산한다.Accordingly, the analog beamforming training unit 110 changes the overhead due to re-performing analog beamforming training and digital beamforming training for each number of analog antennas based on the transmission capacity (C _X ) calculated as described above. The estimated transmission capacity (C _X ') reflected as is calculated.

보다 구체적으로 설명하면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 전술과 같이 단말(10)에 대하여 전송용량(C_X)을 계산하면, 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝을 재 수행(= 채널추정 과정 재수행)함에 따른 오버헤드의 척도가 되는 함수 f_t(X,SINR)을 채널 변화로서 전송용량(C_X)에 반영하여, 다음의 수학식4와 같이 아날로그 안테나 개수가 X(=M)개일 때 채널추정 과정 재수행에 의해 낮아진 예상전송용량(C_X')을 계산할 수 있다.More specifically, if the analog beamforming training unit 110 calculates the transmission capacity (C _X ) for the terminal 10 as described above, the analog beamforming training and digital beamforming training are re-performed (= channel The function f _t (X, SINR), which is a measure of overhead due to re-performing of the estimation process), is reflected in the transmission capacity (C _X ) as a channel change, and the number of analog antennas is X(=M) as shown in Equation 4 below. ), it is possible to calculate the expected transmission capacity (C _X ') lowered by re-performing the channel estimation process.

이때, 함수 f_t(X,SINR)는, 아날로그 안테나 개수(X) 및 아날로그 안테나 개수(X) 사용 시 피드백된 신호품질정보(SINR)을 변수로 하는 채널 변화 즉 채널추정 과정 재수행에 의한 채널 변화를 의미하도록 기 정의된 함수이다. 물론, 함수 f_t(X,SINR)는, 아날로그 안테나 개수(X) 및 아날로그 안테나 개수(X) 사용 시 피드백된 신호품질정보(SINR) 외에도, 에러율(Error Rate), 채널추정 과정 재수행 소요시간, 빔 폭 등을 변수로 하는 것도 가능할 것이다.At this time, the function f _t (X, SINR) is a channel change using the number of analog antennas (X) and the signal quality information (SINR) fed back when using the number of analog antennas (X) as a variable, that is, a channel by re-performing the channel estimation process. It is a predefined function to mean change. Of course, the function f _t (X, SINR) is, in addition to the signal quality information (SINR) fed back when the number of analog antennas (X) and the number of analog antennas (X) are used, the error rate, the time it takes to re-perform the channel estimation process. , Beam width, etc. may be used as variables.

이와 같은 방식으로, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 전술과 같이 단말(10)에 대하여 계산한 전송용량(C_X)을 기반으로, 아날로그 안테나 개수(X)를 늘이거나 줄이는 경우(양수 a, 또는 음수 a)의 함수 f_t(X+a,SINR)를 채널 변화로서 전송용량(C_X)에 반영하여, 다음의 수학식5와 같이 각 아날로그 안테나 개수 별로 채널추정 과정 재수행에 의해 낮아진 예상전송용량(C_X _+a')을 계산할 수 있다.In this way, the analog beamforming training unit 110 increases or decreases the number of analog antennas (X) based on the transmission capacity (C _X ) calculated for the terminal 10 as described above (positive a , Or by reflecting the function f _t (X+a, SINR) of negative a) to the transmission capacity (C _X ) as a channel change, and by re-performing the channel estimation process for each number of analog antennas as shown in Equation 5 below. Expected transmission capacity (C _X _+a ') can be calculated.

이때, a는, ...-2, -1, 0, +1, +2...의 양/음의 정수일 것이다.At this time, a will be a positive/negative integer of ...-2, -1, 0, +1, +2...

이에, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 각 아날로그 안테나 개수 별로 예상전송용량(C')을 계산하면, 각 아날로그 안테나 개수 별로 예상전송용량(C') 중에서 가장 큰 예상전송용량(C')의 아날로그 안테나 개수를 결정한다.Accordingly, when the analog beamforming training unit 110 calculates the expected transmission capacity (C') for each number of analog antennas, the largest expected transmission capacity (C') among the expected transmission capacity (C') for each number of analog antennas. Determine the number of analog antennas.

이때, 결정되는 아날로그 안테나의 개수는, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화가 큰 경우, 채널 변화가 작은 경우 보다 작게 결정될 수 있다.In this case, the determined number of analog antennas may be determined to be smaller than when the estimated channel change between the base station 100 and the terminal 10 is large or when the channel change is small.

즉, 전술한 수학식들에 따르면, 단말(10)의 이동성이 커서 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화가 클수록 단말(10)로 빔 포밍할 빔의 폭을 넓히기 위해, 단말(10)의 채널 변화가 작은 경우와 비교할 때, 단말(10)의 채널 변화가 더 큰 경우에 더 적은 개수의 아날로그 안테나와 관련된 예상전송용량(C?)이 더 큰 값을 갖게 될 것이다.That is, according to the above equations, in order to increase the width of the beam to be beamformed to the terminal 10 as the estimated channel change between the base station 100 and the terminal 10 increases as the mobility of the terminal 10 is large, Compared with the case where the channel change of the terminal 10 is small, when the channel change of the terminal 10 is larger, the expected transmission capacity (C?) associated with a smaller number of analog antennas will have a larger value.

전술과 같은 방식으로 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대하여, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정되는 채널 변화를 고려하여, 아날로그 빔 포밍 방향으로의 빔 포밍 시 사용할 아날로그 안테나의 개수를 결정하는 과정을 수행할 수 있다.In the same manner as described above, the analog beamforming training unit 110 considers a channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10 with respect to the terminal 10, when beamforming in the analog beamforming direction. A process of determining the number of analog antennas to be used may be performed.

이하에서는, 설명의 편의를 위해, 단말(10)에 대하여, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결된 아날로그 안테나 총 M개 중 3개를 결정한 경우라고 가정하겠다.Hereinafter, for convenience of description, it will be assumed that three of the total M analog antennas connected to the digital beamforming output terminal TXRU ₀ are determined for the terminal 10.

이후, 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝은, 결정된 개수(예: 3개)의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 형성하기 위한 아날로그 빔 포밍 벡터를 결정하는 과정을 포함한다.Thereafter, the analog beamforming training of the present invention includes a process of determining an analog beamforming vector for forming a determined number of analog antenna-based beamforming signals (eg, three).

보다 구체적으로 설명하면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결된 아날로그 안테나(앨리먼트) 총 M개 중 결정한 3개의 아날로그 안테나(앨리먼트) 만을 온(On)시키고 나머지는 오프(Off)시켜, 3개의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 형성하기 위한 아날로그 빔 포밍 벡터 A₀를 결정할 수 있다.More specifically, the analog beamforming training unit 110 turns on only three analog antennas (elements) determined among a total of M analog antennas (elements) connected to the digital beam forming output terminal (TXRU ₀ ) and May be turned off to determine an analog beamforming vector A ₀ for forming three analog antenna-based beamforming signals.

이때, 본 발명에서는, 온(On)시켜 사용하는 아날로그 안테나(앨리먼트) 개수가 작아지더라도, 총 송신 파워는 일정하게 유지될 것이다.In this case, in the present invention, even if the number of analog antennas (elements) that are turned on and used is decreased, the total transmission power will be kept constant.

이에, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대하여, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 전술한 바와 같은 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행할 수 있다.Accordingly, the analog beamforming training unit 110 differently determines the number of analog antennas according to the channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10 for the terminal 10, The analog beamforming training of the invention may be performed.

물론, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 나머지 다른 각각의 단말(20,30...)에 대해서도, 같은 방식으로 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행할 것이다.Of course, the analog beamforming training unit 110 will perform the analog beamforming training of the present invention in the same manner for each of the other terminals 20, 30...

디지털빔포밍 트레이닝부(120)는, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)에서 결정된 개수(예: 3개)의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 단말(10)로의 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행한다.The digital beamforming training unit 120, through the number of analog antenna-based beamforming signals determined by the analog beamforming training unit 110 (eg, three), digital beamforming for digital beamforming to the terminal 10 Perform training.

즉, 디지털빔포밍 트레이닝부(120)는, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)에서 결정된 개수(예: 3개)의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 디지털 빔 포밍을 위한 참조신호를 송신하고 이에 단말(10)로부터 피드백 수신되는 디지털 빔 포밍 벡터를 기반으로 디지털 빔 포밍 벡터 D₀를 결정할 수 있다. 이러한 디지털 빔 포밍 트레이닝은 기존의 트레이닝과 동일할 수 있다.That is, the digital beamforming training unit 120 transmits a reference signal for digital beamforming through the number of analog antenna-based beamforming signals determined by the analog beamforming training unit 110 (for example, three). The digital beamforming vector D ₀ may be determined based on the digital beamforming vector feedback received from the terminal 10. Such digital beamforming training may be the same as conventional training.

물론, 디지털빔포밍 트레이닝부(120)는, 나머지 다른 각각의 단말(20,30...)에 대해서도, 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행할 것이다.Of course, the digital beamforming training unit 120 will also perform digital beamforming training for the remaining terminals 20, 30...

전술과 같이, 단말(10)에 대하여 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝이 수행됨으로써 채널추정 수행이 완료되면, 기지국(100)은 하이브리드 빔 포밍(디지털 빔 포밍+아날로그 빔 포밍) 신호를 통해 하향 데이터를 단말(10)에 전송하게 된다.As described above, when channel estimation is completed by performing analog beamforming training and digital beamforming training on the terminal 10, the base station 100 downlinks through a hybrid beamforming (digital beamforming + analog beamforming) signal. Data is transmitted to the terminal 10.

이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 기지국(100) 및 단말(10) 간의 채널 변화가 큰 경우 비교적 적은 개수의 아날로그 안테나가 사용되어 빔 폭이 큰 하이브리드 빔(beam1)이 형성될 것이고, 기지국(100) 및 단말(10) 간의 채널 변화가 작은 경우 비교적 많은 개수의 아날로그 안테나가 사용되어 빔 폭이 작은 하이브리드 빔(beam2)이 형성될 것이다.At this time, as shown in FIG. 1, when the channel change between the base station 100 and the terminal 10 is large, a relatively small number of analog antennas are used to form a hybrid beam with a large beam width, and the base station ( When the channel change between 100) and the terminal 10 is small, a relatively large number of analog antennas are used to form a hybrid beam 2 having a small beam width.

한편, 트레이닝제어부(130)는, 특정 수신장치 즉 단말(10)에 대하여, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트가 확인되면, 전술의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 한다.On the other hand, the training control unit 130 skips the analog beamforming training and re-performs only the digital beamforming training when a channel estimation event under a preset condition is confirmed for a specific receiving device, that is, the terminal 10.

이때, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트는, 채널추정이벤트의 발생 횟수가 특정 임계횟수 이하인 경우 확인되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the channel estimation event of a preset condition is confirmed when the number of occurrences of the channel estimation event is less than or equal to a specific threshold number.

그리고, 채널추정이벤트는, 다양하게 정의할 수 있으며, 일 실시예로서 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고되는 것을 언급하여 설명하겠다.In addition, the channel estimation event may be variously defined, and will be described with reference to the occurrence of a channel outage being reported from the terminal 10 as an embodiment.

즉, 트레이닝제어부(130)는, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고되면, 채널 Outage 발생이 보고된 횟수가 기 설정된 특정 임계횟수(B) 이하인지 판단한다.That is, when the occurrence of the channel outage is reported from the terminal 10, the training control unit 130 determines whether the number of times that the occurrence of the channel outage is reported is equal to or less than a predetermined threshold number B.

트레이닝제어부(130)는, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고된 횟수가 기 설정된 특정 임계횟수(B) 이하이면, 단말(10)에 대하여 전술의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)에 요청(연동)할 수 있다.If the number of times the channel outage occurrence is reported from the terminal 10 is less than or equal to a predetermined threshold number (B), the training control unit 130 skips the analog beamforming training and performs digital beamforming training. It is possible to request (interlock) the analog beamforming training unit 110 to re-perform only.

이에, 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100)은, 전술한 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 거쳐 단말(10)의 이동성과 직결되는 채널 변화에 따라 아날로그 안테나의 개수를 상이하게 결정(빔 폭 가변)함을 전제로, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트 하에서는, 채널추정 과정 전체(아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝)를 재 수행하는 것이 아니라, 디지털 빔 포밍 트레이닝만을 재 수행함으로써 채널추정 과정을 간소화하는 것이다.Accordingly, the hybrid beamforming transmission apparatus of the present invention, that is, the base station 100, determines the number of analog antennas differently according to a channel change directly connected to the mobility of the terminal 10 through the analog beamforming training of the present invention ( Under the premise that the beam width is variable), under the channel estimation event under preset conditions, the channel estimation process is not re-performed (analog beam forming training and digital beam forming training), but only digital beam forming training is performed. It simplifies the process.

이렇게 되면, 본 발명에서는, 이동성과 직결되는 채널 변화가 큰 단말일수록 넓은 빔 폭의 하이브리드 빔 포밍 신호를 통해 데이터를 전송하고, 이를 기반으로 채널추정 과정 전체(아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝)가 재 수행되는 빈도를 더욱 줄일 수 있다. In this case, in the present invention, a terminal having a large change in channel directly connected to mobility transmits data through a hybrid beamforming signal having a wide beam width, and based on this, the entire channel estimation process (analog beamforming training and digital beamforming training) The frequency of re-runs can be further reduced.

이렇게 되면, 넓은 빔 폭의 하이브리드 빔 포밍 신호를 통해 데이터를 수신하는 단말일수록, 다이버시티 효과가 떨어져 전송용량 이득은 다소 하락할 수 있지만, 채널추정 과정 전체 재 수행으로 인한 오버헤드를 효율적으로 줄일 수 있게 된다. In this case, as a terminal receiving data through a hybrid beamforming signal with a wide beam width, the diversity effect may decrease and the transmission capacity gain may slightly decrease, but the overhead due to the entire re-execution of the channel estimation process can be efficiently reduced. do.

따라서, 본 발명에서는, 하이브리드 빔 포밍을 통한 전송용량 이득을 어느 정도 얻으면서도, 데이터 전송을 위한 준비 단계의 오버헤드를 줄여 지연 문제를 개선할 수 있다. Accordingly, in the present invention, while obtaining a transmission capacity gain through hybrid beamforming to some extent, the delay problem can be improved by reducing the overhead of the preparation step for data transmission.

더 나아가, 트레이닝제어부(130)는, 특정 수신장치 즉 단말(10)에서 이용하는 통신서비스의 타입에 따라, 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 하는 채널추정 간소화 적용 여부를 선택할 수 있다.Furthermore, the training control unit 130 selects whether to apply the channel estimation simplification to skip analog beamforming training and perform only digital beamforming training again according to a specific receiving device, that is, the type of communication service used by the terminal 10. I can.

예를 들면, 단말(10)은, 전송 지연 문제에 민감한 타입의 통신서비스인 VoLTE, MC-PTT signaling, Realtime Gaming 등을 이용할 수 있고, 비교적 전송 지연 문제에 민감하지 않은 타입의 통신서비스를 이용할 수 있다. For example, the terminal 10 may use VoLTE, MC-PTT signaling, Realtime Gaming, etc., which are types of communication services sensitive to transmission delay problems, and may use types of communication services that are relatively insensitive to transmission delay problems. have.

이에, 트레이닝제어부(130)는, 단말(10)의 QCI(QoS Class Identifier)를 기반으로 이용하는 통신서비스의 타입을 확인하여, 전송 지연 문제에 민감한 타입(예: QCI 69, QCI 3 등)의 통신서비스인 경우 본 발명에서 제안하는 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 전제한 채널추정 간소화를 적용할 수 있다.Accordingly, the training control unit 130 checks the type of communication service used based on the QCI (QoS Class Identifier) of the terminal 10, and communicates with a type sensitive to a transmission delay problem (eg, QCI 69, QCI 3, etc.). In the case of a service, channel estimation simplification based on analog beamforming training proposed by the present invention can be applied.

한편, 트레이닝제어부(130)는, 단말(10)의 QCI(QoS Class Identifier)를 기반으로 이용하는 통신서비스의 타입을 확인하여, 전송 지연 문제에 민감하지 않은 타입(예: QCI 6,8,9 등)의 통신서비스인 경우 본 발명에서 제안하는 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 전제한 채널추정 간소화를 적용하지 않고 기존의 채널추정 과정을 그대로 적용할 수도 있다.On the other hand, the training control unit 130 checks the type of the communication service used based on the QCI (QoS Class Identifier) of the terminal 10, and is not sensitive to the transmission delay problem (eg, QCI 6, 8, 9, etc.). In the case of the communication service of ), the existing channel estimation process may be applied as it is without applying the channel estimation simplification based on the analog beamforming training proposed in the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치는, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계에 고려하여, 양 측을 균형 있게 만족시킬 수 있는 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있다.As described above, in the MIMO system using the hybrid beamforming technology, the hybrid beamforming transmission apparatus of the present invention considers a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming. , It is possible to operate optimal beamforming that can satisfy both sides in a balanced manner.

한편, 전술의 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하는 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝의 구체적인 설명은, 일 실시예이다.Meanwhile, a detailed description of the analog beamforming training of the present invention in which the number of analog antennas is differently determined according to the above-described channel change is an embodiment.

이러한 방식 외에도, 본 발명에서는, 아날로그 빔 포밍 트레이닝 수행 시, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하는 다양한 방식을 제안할 수 있다. In addition to this method, the present invention may propose various methods of differently determining the number of analog antennas according to a channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10 when performing analog beamforming training.

예를 들면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 단말(10)에 대하여, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 아날로그 빔 포밍 방향을 결정한 후, 임의의 개수(1개~M개, 예: 1개) 아날로그 안테나를 사용해서 전송을 시작한다. 이 후 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 기 설정된 시간 동안 모니터링되는 단말(10)의 에러율(Error Rate)이 임계점을 넘지 않으면 아날로그 안테나 개수를 늘린다. 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 아날로그 안테나 개수를 늘린 후, 기 설정된 시간 동안 모니터링되는 단말(10)의 에러율이 임계점을 넘지 않으면 또 다시 아날로그 안테나 개수를 늘린다. 이러한 방식으로 아날로그 안테나 개수를 늘리다가 For example, the analog beamforming training unit 110 determines, for the terminal 10, an analog beamforming direction based on a specific number (X = M) of analog antennas, and then an arbitrary number (1 ~ M, eg: 1) Start transmission using an analog antenna. Thereafter, the analog beamforming training unit 110 increases the number of analog antennas when the error rate of the terminal 10 monitored for a preset time does not exceed a threshold point. After increasing the number of analog antennas, the analog beamforming training unit 110 increases the number of analog antennas again if the error rate of the terminal 10 monitored for a preset time does not exceed a threshold. Increasing the number of analog antennas in this way

이러한 방식으로, 단말(10)의 에러율이 임계점을 넘고 그 상태가 일정 시간 유지되면, 아날로그빔포밍 트레이닝부(110)는, 아날로그 안테나 개수를 줄이고 단말(10)의 에러율이 임계점을 넘지 않은 상태로 일정 시간 유지되면, 해당하는 아날로그 안테나 개수를 아날로그 빔 포밍 시 사용할 아날로그 안테나 개수로서 결정할 수 있다.In this way, when the error rate of the terminal 10 exceeds the threshold and the state is maintained for a certain period of time, the analog beamforming training unit 110 reduces the number of analog antennas and maintains the error rate of the terminal 10 does not exceed the threshold. If maintained for a certain period of time, the number of corresponding analog antennas may be determined as the number of analog antennas to be used during analog beamforming.

이 경우, 수신장치인 단말(10) 단에서는, 자신이 겪고 있는 에러율에 따른 정보를 지속적으로 기지국(100)에 피드백 해주는 구조가 전제되어야 할 것이다.In this case, in the terminal 10, which is a receiving device, a structure for continuously feeding back information according to an error rate experienced by the terminal 10 to the base station 100 should be premised.

이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 빔 포밍 방법에 대해 구체적으로 설명하겠다. Hereinafter, a hybrid beamforming method according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4.

설명의 편의를 위해, 하이브리드 빔 포밍 송신장치로서 앞선 설명과 일치되도록 기지국(100)을 언급하여 설명하겠다.For convenience of explanation, the base station 100 will be referred to as a hybrid beamforming transmission apparatus so as to be consistent with the above description.

본 발명의 하이브리드 빔 포밍 송신장치 즉 기지국(100)은, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 단말(10)로의 아날로그 빔 포밍을 위한 아날로그 빔 포밍 트레이닝 수행한다(S100 ~ S150).The hybrid beamforming transmission apparatus of the present invention, that is, the base station 100, determines the number of analog antennas differently according to the channel change estimated between the base station 100 and the terminal 10, and performs analog beamforming to the terminal 10. Perform analog beamforming training for (S100 ~ S150).

즉, 기지국(100)은, 단말(10)에 대한 채널추정 과정 수행 시, 다음과 같은 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행함으로써 단말(10)로의 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수를 상이하게 결정한다.That is, when performing the channel estimation process for the terminal 10, the base station 100 differently determines the number of antennas used for analog beamforming to the terminal 10 by performing the analog beamforming training of the present invention as follows. do.

보다 구체적으로 설명하면, 기지국(100)은, 먼저 특정 개수(X)을 설정한다(S100). 이때, 특정 개수(X)는, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결된 아날로그 안테나의 최대 개수 M개로 설정될 수 있다.More specifically, the base station 100 first sets a specific number (X) (S100). In this case, the specific number (X) may be set to the maximum number of analog antennas connected to the digital beamforming output terminal (TXRU ₀ ) M.

그리고, 기지국(100)은, 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나를 기반으로 하는 기 설정된 아날로그 후보군을 단말(10)에 전송하여, 아날로그 빔 탐색을 시작한다(S110). Then, the base station 100 transmits a preset analog candidate group based on a specific number (X = M) of analog antennas to the terminal 10, and starts searching for an analog beam (S110).

이에, 기지국(100)은, 아날로그 후보군을 수신한 단말(10)로부터 아날로그 후보군에 기초로 하는 최적의 빔방향벡터를 피드백 수신하고, 더불어 신호품질정보(SINR)를 피드백 수신한다(S120).Accordingly, the base station 100 receives the optimal beam direction vector based on the analog candidate group in feedback from the terminal 10 that has received the analog candidate group, and receives signal quality information (SINR) in feedback (S120).

이에, 기지국(100)은, 단말(10)로부터 피드백된 최적의 빔방향벡터에 따라서 단말(10)에 대한 아날로그 빔 포밍 방향을 결정할 수 있다(S120).Accordingly, the base station 100 may determine an analog beamforming direction for the terminal 10 according to the optimal beam direction vector fed back from the terminal 10 (S120).

기지국(100)은, 전술과 같이 특정 개수(X = M)의 아날로그 안테나 사용 시 단말(10)로부터 피드백되는 신호품질정보(SINR)에 기초하여, 단말(10)에 대한 전송용량(C_X)을 전술의 수학식3에 따라 계산한다.The base station 100 is based on the signal quality information (SINR) fed back from the terminal 10 when using a specific number (X = M) of analog antennas as described above, the transmission capacity (C _X ) for the terminal 10 Is calculated according to Equation 3 above.

그리고, 기지국(100)은, 전술과 같이 단말(10)에 대하여 전송용량(C_X)을 계산하면, 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝을 재 수행(= 채널추정 과정 재수행)함에 따른 오버헤드의 척도가 되는 함수 f_t(X,SINR)을 채널 변화로서 전송용량(C_X)에 반영하여, 전술의 수학식4와 같이 아날로그 안테나 개수가 X(=M)개일 때 채널추정 과정 재수행에 의해 낮아진 예상전송용량(C_X')을 계산할 수 있다.In addition, the base station 100, when calculating the transmission capacity (C _X ) for the terminal 10 as described above, re-performing the analog beamforming training and digital beamforming training (= re-performing the channel estimation process) Reflecting the function f _t (X, SINR), which is a measure of the head, to the transmission capacity (C _X ) as a channel change, and re-performing the channel estimation process when the number of analog antennas is X (=M) as shown in Equation 4 above. The expected transmission capacity (C _X ') lowered by can be calculated.

이와 같은 방식으로, 기지국(100)은, 전술과 같이 단말(10)에 대하여 계산한 전송용량(C_X)을 기반으로, 아날로그 안테나 개수(X)를 늘이거나 줄이는 경우(양수 a, 또는 음수 a)의 함수 f_t(X+a,SINR)를 채널 변화로서 전송용량(C_X)에 반영하여, 다음의 수학식5와 같이 각 아날로그 안테나 개수 별로 채널추정 과정 재수행에 의해 낮아진 예상전송용량(C_X+a')을 계산할 수 있다. In this way, the base station 100 increases or decreases the number of analog antennas (X) based on the transmission capacity (C _X ) calculated for the terminal 10 as described above (positive a or negative a ) Of the function f _t (X+a, SINR) as a channel change to the transmission capacity (C _X ), and the expected transmission capacity lowered by re-performing the channel estimation process for each number of analog antennas as shown in Equation 5 below ( C _X+a ') can be calculated.

이후, 기지국(100)은, 각 아날로그 안테나 개수 별로 예상전송용량(C')을 계산하면, 각 아날로그 안테나 개수 별로 예상전송용량(C') 중에서 가장 큰 예상전송용량(C')의 아날로그 안테나 개수를 결정한다(S130).Thereafter, when the base station 100 calculates the expected transmission capacity (C') for each number of analog antennas, the number of analog antennas having the largest expected transmission capacity (C') among the expected transmission capacity (C') for each number of analog antennas It is determined (S130).

이후, 기지국(100)은, 디지털 빔 포밍 출력단(TXRU₀)에 연결된 아날로그 안테나 총 M개 중 결정한 3개의 아날로그 안테나 만을 온(On)시키고 나머지는 오프(Off)시키며(S140), 3개의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 형성하기 위한 아날로그 빔 포밍 벡터 A₀를 결정할 수 있다(S150).Thereafter, the base station 100 turns on only three analog antennas determined among the total M analog antennas connected to the digital beamforming output terminal (TXRU ₀ ) and turns off the rest (S140), and three analog antennas An analog beamforming vector A ₀ for forming a base beamforming signal may be determined (S150).

이에, 기지국(100)은, 단말(10)에 대하여, 기지국(100) 및 단말(10) 사이에 추정된 채널 변화에 따라 아날로그 안테나 개수를 상이하게 결정하여, 전술한 바와 같은 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 수행할 수 있다.Accordingly, for the terminal 10, the base station 100 differently determines the number of analog antennas according to the estimated channel change between the base station 100 and the terminal 10, and thus the analog beam of the present invention as described above. Foaming training can be performed.

이후, 기지국(100)은, 앞서 결정된 개수(예: 3개)의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 단말(10)로의 디지털 빔 포밍을 위한 디지털 빔 포밍 트레이닝을 수행한다(S160).Thereafter, the base station 100 performs digital beamforming training for digital beamforming to the terminal 10 through the previously determined number of analog antenna-based beamforming signals (eg, three) (S160).

즉, 기지국(100)은, 본 발명의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 거쳐 결정된 개수(예: 3개)의 아날로그 안테나 기반 빔 포밍 신호를 통해, 디지털 빔 포밍을 위한 참조신호를 송신하고 이에 단말(10)로부터 피드백 수신되는 디지털 빔 포밍 벡터를 기반으로 디지털 빔 포밍 벡터 D₀를 결정할 수 있다. 이러한 디지털 빔 포밍 트레이닝은 기존의 트레이닝과 동일할 수 있다.That is, the base station 100 transmits a reference signal for digital beamforming through the number of analog antenna-based beamforming signals determined through the analog beamforming training of the present invention (eg, three), and the terminal 10 The digital beamforming vector D ₀ may be determined based on the digital beamforming vector feedback received from. Such digital beamforming training may be the same as conventional training.

전술과 같이, 단말(10)에 대하여 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝이 수행됨으로써 채널추정 수행이 완료되면, 기지국(100)은 하이브리드 빔 포밍(디지털 빔 포밍+아날로그 빔 포밍) 신호를 통해 하향 데이터를 단말(10)에 전송하게 된다(S170).As described above, when channel estimation is completed by performing analog beamforming training and digital beamforming training on the terminal 10, the base station 100 downlinks through a hybrid beamforming (digital beamforming + analog beamforming) signal. Data is transmitted to the terminal 10 (S170).

그리고, 기지국(100)은, 단말(10)에 대하여, 기 설정된 조건의 채널추정이벤트가 확인되면, 전술의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행하도록 한다.In addition, the base station 100, when a channel estimation event of a preset condition is confirmed with respect to the terminal 10, omits the analog beamforming training described above and performs only the digital beamforming training again.

구체적으로 설명하면, 기지국(100)은, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고되면(S180 Yes), 채널 Outage 발생이 보고된 횟수가 기 설정된 특정 임계횟수(B) 이하인지 판단한다(S185).Specifically, when the occurrence of a channel outage is reported from the terminal 10 (S180 Yes), the base station 100 determines whether the number of times that the occurrence of the channel outage is reported is less than or equal to a predetermined threshold number (B) (S185). .

기지국(100)은, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고된 횟수가 기 설정된 특정 임계횟수(B) 이하이면(S185 Yes), 단말(10)에 대하여 전술의 아날로그 빔 포밍 트레이닝을 생략하고 디지털 빔 포밍 트레이닝 만을 재 수행할 수 있다(S160 진입).If the number of times the channel outage occurrence is reported from the terminal 10 is less than or equal to a predetermined threshold number B (S185 Yes), the base station 100 skips the analog beamforming training and digital Only the beam forming training may be re-performed (enter S160).

반면, 기지국(100)은, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고된 횟수가 기 설정된 특정 임계횟수(B) 이하가 아니면(S185 No), 단말(10)에 대하여 전술의 아날로그 빔 포밍 트레이닝 및 디지털 빔 포밍 트레이닝를 모드 재 수행하도록 다시 말해 채널추정 과정 전체를 재 수행할 수 있다(S110 진입).On the other hand, the base station 100, if the number of times the number of times that the occurrence of the channel outage is reported from the terminal 10 is not less than a predetermined threshold number (B) (S185 No), the analog beamforming training described above for the terminal 10 and In other words, the entire channel estimation process may be re-performed so that the digital beamforming training is performed again (enter S110).

여기서, 기지국(100)은, 단말(10)로부터 채널 Outage 발생이 보고되지 않는 경우(S180 No), 기 설정되어 있는 채널추정 재 수행시간(예: Coherent Time)에 도달하면(S190 Yes) 전송할 하향 데이터가 존재한다면(S200 Yes) 채널추정 과정 전체를 재 수행할 수 있다(S110 진입).Here, when the occurrence of a channel outage is not reported from the terminal 10 (S180 No), the base station 100 reaches a preset channel estimation re-run time (eg, Coherent Time) (S190 Yes). If data exists (S200 Yes), the entire channel estimation process may be re-performed (S110 entry).

이때, 본 발명에서는, 채널추정 재 수행시간(예: Coherent Time)이, 앞선 아날로그 빔 포밍 트레이닝 수행 시 결정한 아날로그 안테나의 개수에 반비례한 크기의 값으로 가변 설정되는 것도 가능하다. 결국, 아날로그 안테나의 개수가 작을수록 빔 폭이 넓어질 것이므로, 채널추정 재 수행시간(예: Coherent Time)은 빔 폭이 넓어질수록 짧게 설정될 것이다. In this case, in the present invention, the channel estimation re-performing time (eg, coherent time) may be variably set to a value having a size inversely proportional to the number of analog antennas determined during the preceding analog beamforming training. As a result, since the smaller the number of analog antennas is, the wider the beam width is, the shorter the channel estimation rerun time (eg, coherent time) will be set as the beam width widens.

이렇게 되면, 넓은 빔 폭의 하이브리드 빔 포밍 신호를 통해 데이터를 수신하는 단말일수록, 채널추정 과정 전체가 재 수행되는 빈도 수가 더욱 줄어들 수 있다.In this case, as a terminal receives data through a hybrid beamforming signal having a wide beam width, the number of frequencies in which the entire channel estimation process is performed again may be further reduced.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 빔 포밍 방법은, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계에 고려하여, 양 측을 균형 있게 만족시킬 수 있는 최적의 빔 포밍을 운영할 수 있다.As described above, in the hybrid beamforming method of the present invention, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, in consideration of a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming, Optimal beamforming can be operated that can satisfy both sides in a balanced manner.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔 포밍 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 본 발명을 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 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The hybrid beamforming method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through 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 in the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The above-described hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments so far, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the following claims. Anyone of ordinary skill in the art will say that the technical idea of the present invention extends to the range in which various modifications or modifications are possible.

본 발명에 따른 하이브리드 빔 포밍 송신장치 및 하이브리드 빔 포밍 방법에 따르면, 하이브리드 빔 포밍 기술을 사용하는 MIMO 시스템에서, 아날로그 빔 포밍 시 사용되는 안테나 수에 따른 전송용량 이득 및 지연 문제 간의 트레이드 오프 관계를 고려하여 최적의 빔 포밍을 운영한다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.According to the hybrid beamforming transmitter and hybrid beamforming method according to the present invention, in a MIMO system using a hybrid beamforming technology, a trade-off relationship between a transmission capacity gain and a delay problem according to the number of antennas used during analog beamforming is considered. In terms of operating optimal beamforming, as it exceeds the limitations of the existing technology, the possibility of marketing or sales of the applied device is sufficient, as well as the degree to which it can be carried out clearly in reality. It is an invention that can be used in the future.

10,20,30 : 단말
100 : 기지국(하이브리드 빔 포밍 송신장치)
110 : 아날로그빔포밍 트레이닝부 120 : 디지털빔포밍 트레이닝부
130 : 트레이닝제어부10, 20, 30: terminal
100: base station (hybrid beamforming transmitter)
110: analog beam forming training unit 120: digital beam forming training unit
130: training control unit

Claims

In the hybrid beamforming transmission apparatus in which digital beamforming and analog beamforming are combined,
An analog beamforming training unit for performing analog beamforming training for analog beamforming to the specific receiving device by differently determining the number of analog antennas according to the estimated channel change between the transmitting device and the specific receiving device;
A digital beamforming training unit for performing digital beamforming training for digital beamforming to the specific receiver through the determined number of analog antenna-based beamforming signals; And
For the specific receiving device, when a preset channel estimation event occurs, if the generated channel estimation event satisfies a preset condition, the analog beamforming training is omitted and only the digital beamforming training is performed again, and the generated channel And a training control unit configured to re-perform the analog beamforming training and the digital beamforming training when the estimated event does not satisfy the condition.

The method of claim 1,
The number of analog antennas,
And when the channel change estimated between the transmitting device and the specific receiving device is large, it is determined to be smaller than when the channel change is small.

The method of claim 1,
The analog beamforming training,
The process of determining an analog beamforming direction based on a specific number of analog antennas for the specific receiving device,
A process of determining the number of analog antennas to be used when beamforming in the analog beamforming direction in consideration of an estimated channel change between the transmitting device and the specific receiving device,
And determining an analog beamforming vector for forming the determined number of analog antenna-based beamforming signals.

The method of claim 3,
The specific number is,
Transmitting apparatus, characterized in that the maximum number of analog antennas connected to a single output terminal of digital beamforming.

The method of claim 3,
The process of determining the number of analog antennas,
When using the specific number of analog antennas, based on signal quality information fed back from the specific reception device, the transmission capacity for the specific reception device is calculated,
Based on the calculated transmission capacity, an expected transmission capacity is calculated by reflecting the overhead of re-performing the analog beamforming training and the digital beamforming training for each number of analog antennas as the channel change,
And determining the number of analog antennas having the largest expected transmission capacity among the estimated transmission capacity calculated for each number of analog antennas.

The method of claim 1,
When the channel estimation event satisfies a preset condition,
The transmission apparatus, characterized in that when the number of occurrences of the channel estimation event is less than or equal to a specific threshold number.

The method of claim 1,
The training control unit,
And selecting whether to apply channel estimation simplification so that the analog beamforming training is omitted and only the digital beamforming training is performed again according to a type of communication service used by the specific receiving device.

◈ Claim 8 was abandoned upon payment of the set registration fee.

In the hybrid beamforming method in which digital beamforming and analog beamforming are combined,
An analog hybrid beamforming transmitting apparatus performs analog beamforming training for analog beamforming to the specific receiving apparatus by differently determining the number of analog antennas according to a channel change estimated between the transmitting apparatus and a specific receiving apparatus. Beamforming training step;
A digital beamforming training step of performing, by the transmission device, digital beamforming training for digital beamforming to the specific receiving device through the determined number of analog antenna-based beamforming signals; And
When a preset channel estimation event occurs for the specific receiving device, the transmitting device skips the analog beamforming training and performs only the digital beamforming training again when the generated channel estimation event satisfies a preset condition. And a channel estimation simplification step of re-performing the analog beamforming training and the digital beamforming training when the generated channel estimation event does not satisfy the condition.

◈ Claim 9 was abandoned upon payment of the set registration fee.

The method of claim 8,
The number of analog antennas,
When the channel change estimated between the transmitting device and the specific receiving device is large, it is determined to be smaller than when the channel change is small.

◈ Claim 10 was abandoned upon payment of the set registration fee.

The method of claim 8,
The analog beamforming training,
The process of determining an analog beamforming direction based on a specific number of analog antennas for the specific receiving device,
A process of determining the number of analog antennas to be used when beamforming in the analog beamforming direction in consideration of an estimated channel change between the transmitting device and the specific receiving device,
And determining an analog beamforming vector for forming the determined number of analog antenna-based beamforming signals.

◈ Claim 11 was abandoned upon payment of the set registration fee.

The method of claim 10,
The process of determining the number of analog antennas,
When using the specific number of analog antennas, based on signal quality information fed back from the specific reception device, the transmission capacity for the specific reception device is calculated,
Based on the calculated transmission capacity, an expected transmission capacity is calculated by reflecting the overhead of re-performing the analog beamforming training and the digital beamforming training for each number of analog antennas as the channel change,
And determining the number of analog antennas having the largest expected transmission capacity among the estimated transmission capacity calculated for each number of analog antennas.

◈ Claim 12 was abandoned upon payment of the set registration fee.

The method of claim 8,
When the channel estimation event satisfies a preset condition,
The hybrid beamforming method, characterized in that when the number of occurrences of the channel estimation event is less than or equal to a specific threshold number.

◈ Claim 13 was abandoned upon payment of the set registration fee.

The method of claim 8,
Prior to the channel estimation simplification step, according to the type of communication service used by the specific receiving device, selecting whether to apply channel estimation simplification to skip the analog beamforming training and perform only the digital beamforming training again. Hybrid beam forming method comprising a.