KR101493615B1 - System for transmitting hybrid analog-digital beamformer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다중안테나 배열 통신에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주파수 선택적 특성을 갖는 채널에서 아날로그 디지털 하이브리드 빔 형성기의 송신 빔(beam) 및 수신 빔들을 효과적으로 학습시키는 것에 관한 것이다.
Field of the Invention [0002] The present invention relates to multi-antenna array communication, and more particularly, to effectively learning transmission beams and reception beams of an analog digital hybrid beam former in a channel having frequency-selective characteristics.
이동 통신·무선 통신에서 과거부터 현재까지 많은 관심을 받으며 사용해오던 기술로 빔 형성(beamforming) 기술이 있다. 또한, 근래 이동/무선 통신에서 큰 관심을 받아 연구/개발되어 온 다중입력다중출력(MIMO) 기술이 있다. Beamforming technology has been used in mobile communication and wireless communication since the past. There is also a multiple-input multiple-output (MIMO) technique that has been studied and developed with great interest in recent mobile / wireless communications.
폐루프(closed-loop) MIMO의 프리코딩(precoding) 기술과 빔 형성 기술은 모두 채널 상태 정보를 이용하여 공간영역에서 신호의 모양을 최적으로 만들어 성능을 높이려는 공통점이 있다. 하지만, 둘 사이의 큰 차이점은 폐루프 MIMO의 프리코딩(precoding)은 기저대역에서 디지털 신호 처리의 의해서 수행되는 것이고, 빔포밍(beamforming)은 RF 블록에서 아날로그 신호 처리에 의해서 수행된다는 점이다. 따라서, 이들을 각각 디지털 빔포밍(beamforming)과 아날로그 빔포밍(beamforming)이라 부르기도 한다. Both precoding and beamforming techniques of closed-loop MIMO have commonality in that they improve the performance by optimizing the shape of signals in the spatial domain using channel state information. However, a major difference between the two is that precoding of the closed loop MIMO is performed by digital signal processing in the baseband, and beamforming is performed by analog signal processing in the RF block. Thus, they are also referred to as digital beamforming and analog beamforming, respectively.
이로 인해 둘 사이의 큰 차이를 보이는 특징은 폐루트 MIMO 프리코딩(precoding)은 부반송파(subcarrier)별로 다른 값으로 설정해줄 수 있는, 즉, 임의로 다른 모양의 빔을 만들어 줄 수 있는 반면에, 아날로그 빔포밍(beamforming)은 모든 부반송파에 동일하게 적용되는 빔을 만들어 사용해야 한다.Therefore, a feature that shows a large difference between the two is that the closed root MIMO precoding can set different values for each subcarrier, that is, it can arbitrarily make beams of different shapes, Beamforming should be used to create a beam that applies equally to all subcarriers.
폐루프 MIMO 프리코딩(precoding) 즉, 디지털 빔포밍(beamforming)이 아날로그 빔포밍(beamforming)보다 성능이 좋지만, 구현 복잡도가 크다는 단점이 있다. 매우 작은 크기로 구현될 것으로 기대되는 밀리미터파(millimeter wave) 통신 모듈(module)에서 높은 용량을 얻기 위해서는 디지털 빔포밍(beamforming)의 구현은 제약을 받는다. 최근에는 전체 빔포밍(beamforming) 기능을 디지털로 구현하는 것은 무리가 있으므로, 일부는 아날로그로 구현하고 나머지 일부는 디지털로 구현하는 하이브리드(hybrid) 아날로그/디지털 빔포머(beamformer)가 제시되어 연구되고 있다.Closed-loop MIMO precoding, that is, digital beamforming, has better performance than analog beamforming, but has a disadvantage of high implementation complexity. Implementation of digital beamforming is constrained to achieve high capacity in a millimeter wave communication module that is expected to be implemented at a very small size. In recent years, it is difficult to implement a full beamforming function in a digital manner. Therefore, a hybrid analog / digital beamformer which implements a part in analog form and a part in digital form has been proposed .
다중경로로 구성된 채널은 흔히 주파수 선택적 특성을 갖는다고 한다. 즉, 송신안테나에서 수신안테나에 이르는 경로의 신호이득 값이 주파수에 따라 달라지는 특성이 있다. 이와 같은 채널에서는 주파수에 따라 최적의 빔포밍(beamforming) 벡터 또는 행렬리 달라져야 한다. 참고로, 단일 스트림(stream) 전송인 경우에는 빔포밍(beamforming) 벡터가 사용되고, 다중 스트림(stream) 전송인 경우에는 빔포밍(beamforming) 행렬이 사용된다.Channels composed of multiple paths are often said to have frequency-selective properties. That is, there is a characteristic in which the signal gain value of the path from the transmitting antenna to the receiving antenna varies depending on the frequency. In such a channel, the optimum beamforming vector or matrix must be changed depending on the frequency. For reference, a beamforming vector is used for a single stream transmission, and a beamforming matrix is used for a multiple stream transmission.
하지만, 아날로그 빔포밍(beamforming)만 사용한다면 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬을 주파수에 따라 다른 값으로 설정해줄 수 없다. 따라서, 주파수에 따라 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬 값이 달리 설정될 수 있도록 디지털 빔포밍(beamforming) 기술을 일부 포함시키는 것이다. However, if only analog beamforming is used, beamforming vectors or matrices can not be set to different values depending on the frequency. Thus, some of the digital beamforming techniques are included so that the beamforming vector or matrix values can be set differently depending on the frequency.
빔포밍(Beamforming) 벡터나 행렬이 모든 주파수 각각에서 최적이 되도록 하기 위해서는 디지털 빔포밍(beamforming) 부분이 너무 커질 우려가 있다. 따라서, 주어진 크기의 디지털 빔포밍(beamforming) 부분을 최대로 활용하여 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬을 주파수 선택적 채널에 최적으로 적응할 수 있도록 하는 것이 해결해야 할 주요 문제이다.Beamforming In order to make the vector or matrix optimal at every frequency, the digital beamforming portion may become too large. Therefore, it is a major problem to be solved that a beamforming vector or a matrix can be optimally adapted to a frequency selective channel by making maximum use of a digital beamforming portion of a given size.
위와 같은 문제에 대해 해결하고자 하는 방안이 제안되었으나, 종래 방안은 성능이 좋지 못하고, 단일 스트림 전송만을 고려한다는 한계가 있었다. Although a solution for solving the above problem has been proposed, the conventional scheme has poor performance and has a limitation that only a single stream transmission is considered.
주파수 선택적 채널 환경에서는 최적의 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬이 주파수에 따라 달라져야 한다. 하지만, 아날로그 빔포머(beamformer)는 주파수 별로 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬 값을 달리 설정해줄 수 없다. 디지털 빔포머(beamformer)는 기저대역에서 처리되므로 주파수가 다른 신호에 다른 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬 값을 설정해줄 수 있다. 하지만, 빔포밍(beamforming) 전체 처리과정을 모두 디지털로 구현하면 구현 복잡도가 커지며 하드웨어도 커질 수 밖에 없다. In a frequency selective channel environment, the optimal beamforming vector or matrix must be frequency dependent. However, an analog beamformer can not set different beamforming vectors or matrix values for different frequencies. Since the digital beamformer is processed in the baseband, different beamforming vectors or matrix values can be set for signals of different frequencies. However, if all of the beamforming processes are implemented in digital, the complexity of the implementation increases and the hardware becomes large.
따라서, 디지털 빔포머(beamformer)를 일부분만 허용하는 하이브리드 아날로그/디지털 빔포머(beamformer)를 고려하게 되는데, 이러한 하이브리드 아날로그/디지털 빔포머(beamformer)는 모든 주파수 신호를 각각 완전히 따로 빔포밍(beamforming) 벡터나 행렬 값을 설정해 줄 수 없다. 따라서, 주어진 디지털 빔포머(beamformer) 부분을 최대한 활용하여 하이브리드 아날로그/디지털 빔포머(beamformer)가 채널의 주파수 선택성에 최적으로 적응할 수 있도록 하는 학습알고리즘의 개발이 요구된다.
Accordingly, a hybrid analog / digital beamformer that allows only a fraction of the digital beamformer is considered, such a hybrid analog / digital beamformer beamforming all frequency signals separately, You can not set a vector or matrix value. Therefore, there is a need to develop a learning algorithm that allows a hybrid analog / digital beamformer to optimally adapt to the frequency selectivity of a channel by taking full advantage of a given digital beamformer portion.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 시스템에서, 주어진 디지털 빔포머 부분을 최대한 활용하여 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기가 채널의 주파수 선택성에 최적으로 적용할 수 있도록 하는 학습 알고리즘을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hybrid analogue digital beamformer system that maximally utilizes a given digital beamformer portion to optimally apply the hybrid analogue digital beamformer to frequency selectivity of a channel in a hybrid analogue digital beamformer system. Learning algorithms.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 다중 안테나 배열 통신 환경에서 주파수 선택적 특성을 갖는 채널에서의 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기(hybrid analog-digital beamformer) 전송 시스템에 있어서, 송신측에서 입력 신호에 대하여 TX 디지털 베이스밴드 빔포밍(TX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍(digital baseband beamforming) 기능을 수행하기 위한 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(TX digital baseband beamformer), 상기 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기에서 출력된 신호를 입력으로 받아 TX 아날로그 빔포밍(TX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 기능을 수행하고, 출력된 신호를 다중 송신 안테나를 통해 전송하기 위한 TX 아날로그 빔 형성기(TX analog beamformer), 수신측에서 상기 다중 송신 안테나에서 전송된 신호를 수신하는 수신 안테나로부터 입력받은 신호를 RX 아날로그 빔포밍(RX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍 기능을 수행하기 위한 RX 아날로그 빔 형성기(RX analog beamformer) 및 상기 RX 아날로그 빔 형성기에서 출력된 신호를 입력으로 받아 RX 디지털 베이스밴드 빔포밍(RX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍 기능을 수행하기 위한 RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(RX digital baseband beamformer)를 포함한다.In order to achieve the above object, there is provided a hybrid analog-digital beamformer transmission system in a channel having frequency-selective characteristics in a multi-antenna array communication environment, A TX digital baseband beamformer for performing a digital baseband beamforming function by multiplying a TX digital baseband beamforming matrix by a TX digital baseband beamforming matrix, TX analog beamformer for performing an analog beamforming function by receiving a signal as a input and multiplying a TX analog beamforming matrix by a TX analog beamforming matrix and for transmitting the output signal through a multiplexing antenna, beamformer), and on the receiving side, An RX analog beamformer for performing an analog beamforming function by multiplying an RX analog beamforming matrix by a signal received from a reception antenna that receives the RX analog beamforming signal, And an RX digital baseband beamformer for performing a digital baseband beamforming function by multiplying an RX digital baseband beamforming matrix by a signal output from the RX digital baseband beamforming matrix generator do.
을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 라이트 싱귤러 벡터(right singular vector)들로 구성된 행렬이고, 을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 레프트 싱귤러 벡터(left singular vector)들로 구성된 행렬로 정의하고, s를 서브캐리어 인덱스(subcarrier index)라고 할 때, 모든 s에 대해 를 모아서, (수학식1)로 정의하고, 이때 λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이며, 다음, 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NTX인 최적화된 Q TX를 찾는 수학식을, (수학식2)로 나타낼 수 있고, (수학식3)이고, (수학식4)이고, 상기 TX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은, (수학식5)의 수학식으로 결정될 수 있다. Is the most dominant (dominant) matrix consisting of the N number of light Cingular vector (right singular vector) of the matrix A, When said most dominant (dominant) of the matrix A is a vector of N Cingular left (left singular vector) to define a matrix, and, s the sub-carrier index (subcarrier index) consisting, for all s Collect, (1), where λ k, s is a k-th dominant C singular value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the matrix, And finding an optimized Q TX with a rank of N TX , (2), < / RTI > (3), < / RTI > (Equation 4), and the TX analog beamforming matrix is: (5). ≪ / RTI >
(수학식6)을 정의하고, 이때 λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이며, 다음 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NRX인 최적의 Q RX를 찾기 위하여, (수학식7), (수학식8)을 적용하고, 상기 RX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은, (수학식9)의 수학식으로 결정될 수 있다.
(6), where lambda k, s is the k-th dominant Cx value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the column vector, To find the optimal Q RX with a rank of N RX , (7), (Equation 8), and the RX analog beamforming matrix may be expressed as: (9). ≪ / RTI >
본 발명에 의하면 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템에서의 학습 방법은 기존의 방법보다 주파수 선택적 채널 환경에서 우수한 성능 즉, 더 큰 채널 용량을 갖는다는 효과가 있다. According to the present invention, the learning method in the transmission system of the hybrid analogue digital beamformer has an excellent performance in a frequency selective channel environment, that is, a larger channel capacity than the conventional method.
또한, 본 발명에서는 다중 스트림(stream) 전송에도 적용할 수 있으며, 기존 방법보다 성능이 훨씬 우수하다는 장점이 있다.
Also, the present invention can be applied to multiple stream transmission, and has an advantage that the performance is much better than the conventional method.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍(beamforming) 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍(beamforming) 방식의 성능을 SNR의 변화에 따라 비교하는 도면이다.
도 3은 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍(beamforming) 방식의 성능을 송수신 RF 체인(chain) 개수의 변동에 따라 비교하는 도면이다.
도 4는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍 방식의 성능을 SNR의 변화에 따라 비교하는 도면이다.
도 5는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍 방식의 성능을 송수신 RF 체인(chain) 개수의 변동에 따라 비교하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a hybrid analogue digital beamformer transmission system structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph comparing performance of an ideal system, a conventional beamforming method, and a beamforming method proposed in the present invention, according to changes in SNR.
FIG. 3 is a diagram for comparing the performance of an ideal system, an existing beam forming system, and a beamforming system proposed in the present invention, according to the variation of the number of transmission and reception RF chains.
FIG. 4 is a diagram for comparing the performance of an ideal system, an existing beam forming system, and a beamforming system proposed in the present invention, according to changes in SNR.
FIG. 5 is a diagram for comparing the performance of the ideal system, the existing beamforming method, and the beamforming method proposed by the present invention, according to the variation of the number of transmitting and receiving RF chains.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
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 terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, 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 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 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 commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명은 다중 안테나 배열 통신 환경에서 주파수 선택적 특성을 갖는 채널에서의 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기(hybrid analog-digital beamformer) 전송 시스템에 대한 것이다.The present invention is directed to a hybrid analog-digital beamformer transmission system in a channel with frequency-selective characteristics in a multi-antenna array communication environment.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템 구조를 나타내는 도면이다.1 is a diagram illustrating a hybrid analogue digital beamformer transmission system structure according to an embodiment of the present invention.
도 1은 아날로그 빔 형성기(analog beamformer)와 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamformer)가 결합되어 있는 하이브리드(hybrid) 구조를 보여준다. FIG. 1 shows a hybrid structure in which an analog beamformer and a digital baseband beamformer are combined.
도 1을 참조하면, 본 발명의 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템은 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(TX digital baseband beamformer)(110), TX 아날로그 빔 형성기(TX analog beamformer)(120), 채널(130), RX 아날로그 빔 형성기(RX analog beamformer)(140), RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(RX digital baseband beamformer)(150)을 포함한다. 1, the hybrid analogue digital beamformer transmission system of the present invention includes a TX
TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(TX digital baseband beamformer)(110)는 송신측에서 입력 신호에 대하여 TX 디지털 베이스밴드 빔포밍(TX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍(digital baseband beamforming) 기능을 수행하는 역할을 한다. A TX
TX 아날로그 빔 형성기(TX analog beamformer)(120)는 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(110)에서 출력된 신호를 입력으로 받아 TX 아날로그 빔포밍(TX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 기능을 수행하고, 출력된 신호를 다중 송신 안테나를 통해 전송하는 역할을 한다. The TX
RX 아날로그 빔 형성기(RX analog beamformer)(130)는 수신측에서 다중 송신 안테나에서 전송된 신호를 수신하는 수신 안테나로부터 입력받은 신호를 RX 아날로그 빔포밍(RX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍 기능을 수행하는 역할을 한다. The RX
RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(RX digital baseband beamformer)(140)는 RX 아날로그 빔 형성기(130)에서 출력된 신호를 입력으로 받아 RX 디지털 베이스밴드 빔포밍(RX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍 기능을 수행하는 역할을 한다. The RX
x[s]는 사용자 정보 심볼 벡터를 나타낸다. 행의 개수가 K인 열벡터라고 가정하자. 여기서 s는 서브캐리어 인덱스(subcarrier index)를 나타낸다. x [s] denotes a user information symbol vector. Suppose that a column vector has K rows. Here, s represents a subcarrier index.
TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamformer)(110)는 송신측에서 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamforming) 기능을 수행한다. A TX
TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(110)는 x[s] 를 입력으로 받아서 x 1[s]=P TX[s]x[s] 기능을 수행한 후, x 1[s] 을 다음 블록으로 보낸다. 이 때 행렬 P TX[s] 의 크기는 열의 개수가 K이며 행의 개수는 NTX 라 하자. NTX 는 베이스밴드 블록(baseband block)에서 아날로그 블록(analog block)으로 연결된 링크의 개수가 된다. NTX 를 송신측 RF 체인(chain)의 개수라고 하기로 한다. TX
디지털 베이스밴드(Digital baseband)에서 수행되는 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamformer)(110)는 서브캐리어(s)에 따라 다른 값으로 설정될 수 있는 특징이 있다.The TX
TX 아날로그 빔 형성기(analog beamformer)(120)에서는 x 1[s] 를 입력으로 받아 x 2[s]=W TX x 1[s] 를 수행한 후, x 2[s] 를 다중 송신안테나를 통해 전송한다. 아날로그 프로세싱(Analog processing)에서는 서브캐리어(subcarrier) 별로 빔포밍(beamforming)을 달리 적용할 수 없기 때문에 아날로그 빔포밍(beamforming) 행렬인 W TX 는 서브캐리어 인덱스(subcarrier index) s를 지니고 있지 않음을 알 수 있다. 송신 안테나 개수는 MTX 라고 가정한다. 도 1에서는 생략되었지만, TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamformer)(110)와 TX 아날로그 빔 형성기(analog beamformer)(120) 사이에는 OFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing) 전송에 필요한 IFFT(inverse fast fourier transform) 신호처리 블록이 있다고 가정한다.TX analog beam former (analog beamformer) (120) in the x 1 [s] receive the input x 2 After performing the [s] = W TX x 1 [s], x 2 [s] through the multiple transmit antennas send. Since analog beamforming can not be applied differently for each subcarrier in the analog processing, it is known that W TX, which is an analog beamforming matrix, does not have a subcarrier index s. . Assume that the number of transmit antennas is M TX . 1, an inverse fast fourier transform (IFFT) required for OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) transmission is provided between a TX
채널(130)은 반사파가 존재할 수 있기 때문에 다중경로 채널이며 따라서 주파수에 따라 각 송신안테나와 각 수신안테나 사이의 채널 이득이 달라지는 주파수 선택적 페이딩 채널로 모델링된다. 채널 행렬 H(s) 도 서브캐리어 인덱스(subcarrier index) s를 포함하고 있음을 알 수 있다.The
수신측에서는 수신 안테나로부터 수신된 심볼 벡터를 y 2[s] 라 하면 RX 아날로그 빔 형성기(analog beamformer)(140)는 y 2[s] 를 입력으로 받아 의 기능을 수행한 후에 출력 y 1[s] 를 다음 블록으로 보낸다.On the receiving side, if the symbol vector received from the receiving antenna is y 2 [s], the
는 W RX 의 에르미트 트랜스포즈(Hermitian transpose) 즉, 공액 복소수(complex conjugate)를 적용한 후에 트랜스포즈(transpose)를 적용하는 것을 나타낸다. 이 역시 아날로그 프로세싱(analog processing)이기 때문에 서브캐리어(subcarrier) 별로 RX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬이 동일하다. Indicates that a transpose is applied after applying Hermitian transpose of W RX , that is, a complex conjugate. Since this is also analog processing, the RX analog beamforming matrix is the same for each subcarrier.
마지막으로 RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(digital baseband beamformer)(150)는 y 1[s] 를 입력으로 받아 를 수행하게 된다.Finally, the RX
디지털 베이스밴드 빔포밍(Digital basband beamforming) 행렬 P R X[s]는 서브캐리어(subcarrier) s 별로 다른 값으로 설정될 수 있다. 수신 안테나 개수는 MRX 라 가정하며, 수신측 RF 체인(chain)의 개수는 NRX 라 표시한다.The digital baseband beamforming matrix P R X [s] may be set to a different value for each subcarrier s. The number of receiving antennas is assumed to be M RX , and the number of receiving RF chains is denoted by N RX .
우선 행렬 A 에 대해 을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 라이트 싱귤러 벡터(right singular vector)들로 구성된 행렬로 정의한다.First, for the matrix A Is defined as a matrix composed of N most dominant right singular vectors of matrix A. [
또한, 을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 레프트 싱귤러 벡터(left singular vector)들로 구성된 행렬로 정의한다.Also, This is defined as the most dominant (dominant) matrix consisting of the N number of left Cingular vector (left singular vector) of the matrix A.
모든 s에 대해 를 모아서 다음과 같은 행렬을 정의한다.For all s The following matrix is defined.
이때, λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이다.In this case, λ k, s is a k-th dominant C singular value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the column vector.
다음, 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NTX인 Q TX를 찾는다.next, And finds Q TX whose rank is N TX .
이러한 최적화 문제에 대한 해는 Eckart-Young-Mirsky matrix approximation theorem이라는 이름으로 다음과 같이 알려져 있다.The solution to this optimization problem is known as the Eckart-Young-Mirsky matrix approximation theorem:
그러면 TX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은 다음 수학식과 같이 결정된다. Then, a TX analog beamforming matrix is determined according to the following equation.
이와 유사한 방식으로 RX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬 은 다음과 같은 방식으로 결정된다.In a similar manner, the RX analog beamforming matrix Is determined in the following manner.
이때, λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이다.In this case, λ k, s is a k-th dominant C singular value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the column vector.
다음, 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NRX인 Q RX를 찾는다.next, And finds Q RX whose rank is N RX .
그리고, Eckart-Young-Mirsky matrix approximation theorem 을 이용하여 최적화에 대한 해를 구한다. Then, we solve the optimization problem using the Eckart-Young-Mirsky matrix approximation theorem.
그러면 RX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은 다음 수학식과 같이 결정된다. Then, the RX analog beamforming matrix is determined according to the following equation.
이상에서 본 발명의 아날로그 송신 빔포밍(beamforming) 행렬 과 아날로그 수신 빔포밍(beamforming) 행렬 의 설계를 제안하였다. In the above, the analog transmission beamforming matrix And an analog receive beamforming matrix The design of
디지털 송신 빔포밍(beamforming) 행렬 P TX(s)의 최적값이나 디지털 수신 빔포밍(beamforming) 행렬 P RX(s)의 최적값은 등가채널 에 대해 폐루프 MIMO의 이론을 이용하여 구할 수 있으므로 자세한 유도방법의 기술은 생략하기로 한다.
The optimal value of the digital transmit beamforming matrix P TX (s) or the optimal value of the digital receive beamforming matrix P RX (s) The description of the detailed derivation method will be omitted since it can be obtained by using the theory of closed loop MIMO.
도 2 내지 도 5는 본 발명에서 제안된 방법의 성능을 보여주는 그래프이다. 2 to 5 are graphs showing the performance of the method proposed in the present invention.
도 2는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍(beamforming) 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍(beamforming) 방식의 성능을 SNR의 변화에 따라 비교하는 도면이다. 도 2에서 전송 스트림(stream) 개수는 1이고, 송신 RF 체인(chain) 개수는 2이고, 수신 RF 체인(chain) 개수는 2이다. FIG. 2 is a graph comparing performance of an ideal system, a conventional beamforming method, and a beamforming method proposed in the present invention, according to changes in SNR. 2, the number of transmission streams is 1, the number of transmission RF chains is 2, and the number of reception RF chains is 2.
도 3은 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍(beamforming) 방식의 성능을 송수신 RF 체인(chain) 개수의 변동에 따라 비교하는 도면이다. 도 3에서 전송 스트림(stream) 개수는 1이고, SNR=0 dB 이다.FIG. 3 is a diagram for comparing the performance of an ideal system, an existing beam forming system, and a beamforming system proposed in the present invention, according to the variation of the number of transmission and reception RF chains. In FIG. 3, the number of transport streams is 1 and the SNR is 0 dB.
도 4는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍 방식의 성능을 SNR의 변화에 따라 비교하는 도면이다. 도 4에서 전송 스트림(stream) 개수는 2이고, 송신 RF 체인(chain) 개수는 2이고, 수신 RF 체인(chain) 개수는 4이다. FIG. 4 is a diagram for comparing the performance of an ideal system, an existing beam forming system, and a beamforming system proposed in the present invention, according to changes in SNR. In FIG. 4, the number of transport streams is 2, the number of transmitted RF chains is 2, and the number of received RF chains is 4.
도 5는 이상적인 시스템, 기존의 빔포밍 방식, 그리고 본 발명에서 제안된 빔포밍 방식의 성능을 송수신 RF 체인(chain) 개수의 변동에 따라 비교하는 도면이다. 도 5에서 전송 스트림(stream) 개수는 2이고, SNR=0 dB 이다. FIG. 5 is a diagram for comparing the performance of the ideal system, the existing beamforming method, and the beamforming method proposed by the present invention, according to the variation of the number of transmitting and receiving RF chains. In FIG. 5, the number of transport streams is 2 and SNR = 0 dB.
도 2 내지 도 5에서‘Ideal’이라 표시된 것은 RF의 체인(chain) 개수가 충분히 많은 이상적인 경우의 성능을 나타낸다. ‘Conventional’이나 ‘Proposed’라 표시된 그래프는 RF chain의 개수가 제한되어 있을 때의 성능을 나타낸다. In FIG. 2 to FIG. 5, 'Ideal' denotes performance in an ideal case where the number of chains of RF is sufficiently large. The graph labeled 'Conventional' or 'Proposed' shows performance when the number of RF chains is limited.
도 2와 도 3은 동시에 전송되는 스트림(stream)의 개수가 K=1인 경우의 성능을 나타낸다. FIG. 2 and FIG. 3 show performance when the number of streams transmitted at the same time is K = 1.
그리고, 도 4와 도 5는 동시에 전송되는 스트림(stream)의 개수가 K=2인 경우의 성능을 나타낸다. 4 and 5 show performance when the number of streams transmitted at the same time is K = 2.
‘Conventional’이라 표시된 그래프는 기존 방법에 의해 아날로그 빔포밍(beamforming) 행렬을 설계했을 때의 성능을 나타내고, ‘Proposed’라 표시된 그래프는 본 발명에서 제안된 방법에 의해 아날로그 빔포밍(beamforming) 행렬을 설계했을 때의 성능을 보여준다. The graph labeled 'Conventional' indicates the performance when an analog beamforming matrix is designed according to the conventional method, and the graph labeled 'Proposed' indicates an analog beamforming matrix by the method proposed in the present invention. It shows the performance when designing.
도 2와 도 4에서는 제한된 RF 체인(chain) 개수를 모두 각각 2개와 4개로 가정하고 SNR의 변동에 따른 성능 비교를 보여주고 있다. In FIGS. 2 and 4, the number of limited RF chains is assumed to be two and four, respectively, and a performance comparison according to the variation of the SNR is shown.
반면에 도 3과 도 5에서는 SNR=0 dB로 가정하고 제한된 RF 체인(chain) 개수의 변동에 따른 성능 비교를 보여준다. On the other hand, FIG. 3 and FIG. 5 show performance comparisons according to the variation of the limited number of RF chains assuming SNR = 0 dB.
도 2 내지 도 5에서 기존 방법에 비해 본 발명에서 제안된 방법이 훨씬 큰 용량을 가짐을 확인할 수 있다.
2 to 5, it can be seen that the method proposed by the present invention has a much larger capacity than the conventional method.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.
110 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기
120 TX 아날로그 빔 형성기
130 채널
140 RX 아날로그 빔 형성기
150 RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기110 TX Digital Baseband Beamformer
120 TX Analog Beam Shaper
130 channels
140 RX analog beam former
150 RX digital baseband beamformer
Claims (3)
송신측에서 입력 신호에 대하여 TX 디지털 베이스밴드 빔포밍(TX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍(digital baseband beamforming) 기능을 수행하기 위한 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(TX digital baseband beamformer);
상기 TX 디지털 베이스밴드 빔 형성기에서 출력된 신호를 입력으로 받아 TX 아날로그 빔포밍(TX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 기능을 수행하고, 출력된 신호를 다중 송신 안테나를 통해 전송하기 위한 TX 아날로그 빔 형성기(TX analog beamformer);
수신측에서 상기 다중 송신 안테나에서 전송된 신호를 수신하는 수신 안테나로부터 입력받은 신호를 RX 아날로그 빔포밍(RX analog beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 아날로그 빔포밍 기능을 수행하기 위한 RX 아날로그 빔 형성기(RX analog beamformer); 및
상기 RX 아날로그 빔 형성기에서 출력된 신호를 입력으로 받아 RX 디지털 베이스밴드 빔포밍(RX digital baseband beamforming) 행렬을 곱하는 방식으로 디지털 베이스밴드 빔포밍 기능을 수행하기 위한 RX 디지털 베이스밴드 빔 형성기(RX digital baseband beamformer)를 포함하며,
을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 라이트 싱귤러 벡터(right singular vector)들로 구성된 행렬이고, 을 행렬 A 의 가장 도미넌트(dominant)한 N개의 레프트 싱귤러 벡터(left singular vector)들로 구성된 행렬로 정의하고, s를 서브캐리어 인덱스(subcarrier index)라고 할 때,
모든 s에 대해 를 모아서,
(수학식1)로 정의하고, 이때 λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이며,
다음, 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NTX인 최적화된 Q TX를 찾는 수학식을,
(수학식2)로 나타낼 수 있고,
(수학식3)이고,
(수학식4)이고,
상기 TX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은,
(수학식5)의 수학식으로 결정되는 것임을 특징으로 하는 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템.
1. A hybrid analog-digital beamformer transmission system in a channel having frequency-selective characteristics in a multi-antenna array communication environment,
A TX digital baseband beamformer for performing a digital baseband beamforming function by multiplying an input signal by a TX digital baseband beamforming matrix at a transmitting side, );
An analog beamforming function is performed by receiving a signal output from the TX digital baseband beam former and a TX analog beamforming matrix, and the output signal is transmitted through a multiplex transmission antenna A TX analog beamformer for transmission;
An RX analog beamformer for performing an analog beamforming function by multiplying an RX analog beamforming matrix by a signal received from a reception antenna that receives a signal transmitted from the multiple transmission antennas at a reception side, beamformer); And
An RX digital baseband beamformer for performing a digital baseband beamforming function by receiving a signal output from the RX analog beamformer as an input and multiplying the received RX digital baseband beamforming matrix by an RX digital baseband beamforming matrix; beamformer,
Is the most dominant (dominant) matrix consisting of the N number of light Cingular vector (right singular vector) of the matrix A, When called the most dominant of the matrix A (dominant) by the N left Cingular vector (left singular vector) to define a matrix, and, s the sub-carrier index (subcarrier index) consisting of,
For all s Collect,
(1), where λ k, s is a k-th dominant C singular value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the column vector,
next, And finding an optimized Q TX with a rank of N TX ,
(2), < / RTI >
(3), < / RTI >
(4), < / RTI >
Wherein the TX analog beamforming matrix comprises:
Is determined by the following equation (5). ≪ EMI ID = 6.0 >
(수학식6)을 정의하고, 이때 λk,s는 H[s]의 k번째로 도미넌트(dominant)한 싱귤러 밸류(singular value)로 을 구성하는 컬럼 벡터(column vector)의 영향력을 나타내는 가중치 값이며,
다음, 의 크기로 최소화하면서, 랭크(rank)가 NRX인 최적의 Q RX를 찾기 위하여,
(수학식7),
(수학식8)을 적용하고,
상기 RX 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 행렬은,
(수학식9)의 수학식으로 결정되는 것임을 특징으로 하는 하이브리드 아날로그 디지털 빔 형성기 전송 시스템.
The method according to claim 1,
(6), where lambda k, s is the k-th dominant Cx value of H [s] Is a weight value indicating the influence of a column vector constituting the column vector,
next, To find the optimal Q RX with a rank of N RX ,
(7),
(Equation 8) is applied,
Wherein the RX analog beamforming matrix comprises:
Is determined by the following equation (9). ≪ EMI ID = 7.0 >
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