KR101859821B1 - 밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템이 개시된다. 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로, 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming) 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하는 단계, 수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 단계, 선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 단계, 및 미리 저장된 코드북(codebook)에 기초하여 상기 선택된 적어도 하나의 사용 단말에 대한 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 코드북은, 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다.

Description

밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DIGITAL-ANALOG HYBRID BEAMFORMING IN THE MILLIMETER WAVE DOWNLINK CHANNEL}
본 발명의 실시예들은 밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔을 형성하는 공간분할 다중접속(SDMA) 기술에 관한 것이다.
현재 4G 셀룰러 시스템에서 사용 중인 6 GHz 이하의 주파수 자원은 기하급수적으로 증가하는 데이터 트래픽을 감당하기에는 부족하므로 광대역의 주파수 자원을 제공할 수 있는 밀리미터파(30 GHz ~ 300 GHz 대역) 통신 기술이 차세대 이동통신 시스템의 후보 기술 중 하나로 각광받고 있다.
밀리미터파 채널은 주파수 특성 상 높은 경로 감쇄를 겪으므로 대량의 안테나를 사용하여 원하는 방향으로 신호대잡음비(SNR) 이득을 얻을 수 있는 빔형성 기술이 필요하며, 밀리미터파 신호는 파장이 짧아서 좁은 면적에 대량의 안테나를 집적하는 것이 가능하다.
다중 안테나 시스템에서는 안테나 수만큼 RF 체인(chain)이 필요한데, RF 체인(chain) 하나 당 수 백 mW의 전력을 소비하므로 수십 개에서 수백 개에 달하는 안테나를 사용하는 경우 비현실적으로 높은 전력과 하드웨어 비용이 요구되며, 너무 많은 차원의 신호를 다루게 됨에 따라 신호 처리 기술의 어려움도 발생한다. 예컨대, RF 체인(chain)은 oscillator, analog-to-digital converter, digital-to-analog converter, power amplifier, pulse shaping filter 등을 포함할 수 있다. 이처럼, 높은 하드웨어 비용 및 신호 처리 기술의 어려움을 극복하기 위하여 대량의 안테나를 RF 체인(chain)의 수는 대폭 줄일 수 있는 디지털-아날로그 하이브리드 빔형성 기술이 요구된다.
아래의 비특허문헌 [ 1]T . S. Rappaport , S. Sun, R. Mayzus , H. Zhao , Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz , M. Samimi , and F. Gutierrez , "Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!," IEEE Access, vol.1, pp. 335-349, May 2013. [ 2]O . El Ayach , S. Rajagopal , S. Abu-Surra, Z. Pi, and R. W. Heath, Jr .,"Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems," IEEE Trans. Wireless Commun ., vol. 13, no. 3, pp. 1499-1513, Jan. 2014.에서는 밀리미터파 채널 환경에서 하이브리드 빔을 형성하는 기술을 설명하고 있다.
한편, 공간분할 다중접속(SDDM)은 공간 자원으로 사용자들을 구분하여 같은 주파수와 시간 자원을 여러 사용자들이 공유하는 접속 기술로서, 주파수 및 시간 자원을 이용하여 사용자들을 구분하는 주파수 분할 다중접속(FDMA), 및 시분할 다중 접속(TDMA)과는 구분된다. 많은 표준화 단체에서 차세대 이동통신 시스템에 이용되는 밀리미터파 통신을 짧은 전파거리 특성상 소형셀에 적합한 기술로 분류하고 있다. 특히, 소형셀은 커피숍, 공항, 경기장, 빌딩숲 등의 대량의 사용자가 밀집된 도심 지역 환경에 설치되어 전체 셀의 전송 용량을 높이기 위해 필요하다. 이처럼, 사용자가 밀집된 도심 지역 환경에서 대량의 사용자들을 지원하기 위해서는 매 전송 시마다 적절한 사용자를 선택하고 어떤 빔으로 어떤 사용자의 신호를 전송할지를 결정하는 스케줄링 기법이 필요하다.
따라서, 제한된 RF 체인의 수를 가지는 밀리미터파 채널 환경에서 적절한 빔을 형성하여 동시에 여러 사용자를 지원하는 공간분할다중접속 기술이 필요하다.
[1] T. S. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, and F. Gutierrez, "Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!," IEEE Access, vol.1, pp. 335-349, May 2013. [2] O. El Ayach, S. Rajagopal, S. Abu-Surra, Z. Pi, and R. W. Heath, Jr.,"Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 3, pp. 1499-1513, Jan. 2014.
본 발명은 밀리미터파 채널 환경에서 기지국에서 빔포밍을 수행하는 기술에 관한 것으로서, 대량의 안테나를 사용하면서도 RF 체인의 수를 대폭 줄여서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍을 수행함으로써, 소비 전력의 감소 및 하드웨어 비용을 감소시키는 기술에 관한 것이다.
또한, 밀리미터파 채널 환경에서 소형 셀에 속하는 밀집된 사용자 단말들을 대상으로 빔포밍을 수행함으로써, 동시에 여러 사용자들을 지원하여 전체 셀의 전송 용량을 높이는 기술에 관한 것이다.
송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로, 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming) 방법에 있어서, 상기 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하는 단계, 수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 단계, 선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 단계, 및 미리 저장된 코드북(codebook)에 기초하여 상기 선택된 적어도 하나의 사용 단말에 대한 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 코드북은, 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 빔포밍 벡터들 각각은, 상기 송신 안테나의 개수x1의 차원을 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 단계는, 상기 하향링크 채널이 밀리미터파 채널임에 따라, 단위 행렬(identity matrix)에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 피드백 정보를 수신하는 단계는, 상기 하향링크 채널이 사용자 간 간섭이 존재하는 채널임에 따라, 상기 사용자 단말들 중 선택된 사용자 단말들로부터 유효 채널 정보(effective channel)를 피드백(feedback) 받을 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 단계는, 상기 피드백된 유효 채널 정보를 이용하여 디지털 선형 프리코딩(digital linear precoding) 및 비선형 프리코딩(non-linear digital precoding) 중 어느 하나에 기초하여 상기 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 디지털 빔포밍 행렬에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔포밍 벡터들은, 서브셋의 개수와 송신 안테나의 개수에 기초하여 계산된 동일 간격으로 빔 패턴(beam pattern)을 형성시킬 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 피드백 정보를 수신하는 단계는, 상기 사용자 단말의 식별 번호, 상기 사용자 단말에서 선택된 SINR값, 선택된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보를 상기 사용자 단말로부터 수신하고, 상기 빔포밍 벡터들은, 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보 및 상기 빔포밍 벡터 인덱스 정보에 해당하는 위치의 빔포밍 벡터들을 나타낼 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 사용자 단말을 선택하는 단계는, 상기 수신된 피드백 정보에 기초하여 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보가 동일한 사용자 단말 별로 그루핑(grouping)하여 그룹으로 분류하고, 상기 그룹에 속하는 사용자들 각각의 SINR에 기초하여 상기 송신 신호 전송을 위한 사용자 단말을 선택할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 아날로그 빔포밍은, 페이즈 쉬프터(phase shifter) 소자에 기초하여 복소 신호의 크기는 제외하고 위상을 제어하는 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다.
적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming)을 수행하는 송신 장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하는 정보 송수신부, 수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 스케줄링부, 선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 디지털 빔포밍 수행부, 및 미리 저장된 코드북(codebook)에 기초하여 상기 선택된 적어도 하나의 사용 단말에 대한 아날로그 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔포밍 수행부를 포함하고, 상기 코드북은, 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 빔포밍 벡터들 각각은, 상기 송신 안테나의 개수x1의 차원을 가질 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 디지털 빔포밍 수행부는, 상기 하향링크 채널이 밀리미터파 채널임에 따라, 단위 행렬(identity matrix)에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 정보 송수신부는, 상기 하향링크 채널이 사용자 간 간섭이 존재하는 채널임에 따라, 상기 사용자 단말들 중 선택된 사용자 단말들로부터 유효 채널 정보(effective channel)를 피드백(feedback) 받을 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 디지털 빔포밍 수행부는, 상기 피드백된 유효 채널 정보를 이용하여 디지털 선형 프리코딩(digital linear precoding) 및 비선형 프리코딩(non-linear digital precoding) 중 어느 하나에 기초하여 상기 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 디지털 빔포밍 행렬에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 빔포밍 벡터들은, 서브셋의 개수와 송신 안테나의 개수에 기초하여 계산된 동일 간격으로 빔 패턴(beam pattern)을 형성시킬 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 정보 송수신부는, 상기 사용자 단말의 식별 번호, 상기 사용자 단말에서 선택된 SINR값, 선택된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보를 상기 사용자 단말로부터 수신할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 스케줄링부는, 상기 수신된 피드백 정보에 기초하여 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보가 동일한 사용자 단말 별로 그루핑(grouping)하여 그룹으로 분류하고, 상기 그룹에 속하는 사용자들 각각의 SINR에 기초하여 상기 송신 신호 전송을 위한 사용자 단말을 선택할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 아날로그 빔포밍 수행부는, 복소 신호의 크기는 제외하고 위상을 제어하기 위해 페이즈 쉬프터(phase shifter) 소자들로 구성될 수 있다.
수신 장치에서의 하이브리드 빔포밍 방법은, 밀리미터파 채널 환경에 기반하여 미리 저장된 코드북(codebook)에 포함된 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산하는 단계, 계산된 SINR 값에 기초하여 기지국에서 빔포밍 시 이용될 빔포밍 벡터와 관련된 SINR 값을 결정하는 단계, 결정된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보, 결정된 SINR 값 및 자신의 식별 번호를 포함하는 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 단계, 및 상기 코드북(codebook)과 상기 피드백 정보에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 수행된 송신 신호를 상기 기지국으로부터 수신하는 단계를 포함하고, 상기 코드북은, 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다.
수신 장치는, 밀리미터파 채널 환경에 기반하여 미리 저장된 코드북(codebook)에 포함된 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산하고, 계산된 SINR 값에 기초하여 기지국에서 빔포밍 시 이용될 빔포밍 벡터와 관련된 SINR 값을 결정하는 SINR 계산부, 결정된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보, 결정된 SINR 값 및 자신의 식별 번호를 포함하는 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 피드백부, 및 상기 코드북(codebook)과 상기 피드백 정보에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 수행된 송신 신호를 상기 기지국으로부터 수신하는 정보 수신부를 포함하고, 상기 코드북은, 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다.
본원발명은, 밀리미터파 채널 환경에서 기지국에서 빔포밍을 수행하는 기술에 관한 것으로서, 대량의 안테나를 사용하면서도 RF 체인의 수를 대폭 줄여서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍을 수행함으로써, 소비 전력의 감소 및 하드웨어 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 밀리미터파 채널 환경에서 소형 셀에 속하는 밀집된 사용자 단말들을 대상으로 빔포밍을 수행함으로써, 동시에 여러 사용자들을 지원하여 전체 셀의 전송 용량을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 하향링크 채널에서 빔포밍을 수행하는 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍 수행 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 송신 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 Nt=8, NRF=2인 경우에 선형 배열 안테나의 코드북에 기초하여 형성된 빔 패턴을 도시한 도면이다.
도 5는 Nt=8x8=64, NRF=4, M=16인 짝수 m에 대해서만 plot한 평면 배열 안테나의 코드북에 기초하여 형성된 빔 패턴을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, NRF 별 평균 SER의 최저 성능을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 수에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 지원하는 사용자의 수를 비교하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, SNR에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널의 스캐터(scatter) 수에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 적은 수의 사용자 단말들이 존재하는 시뮬레이션 환경에서 전송 오류 확률을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 많은 수의 사용자 단말들이 존재하는 시뮬레이션 환경에서 전송 오류 확률을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, RF 체인의 수에 다른 평균 SER을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널의 스캐터(scatter) 수에 따른 영향을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 기지국에 대응하는 수신 장치에서의 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 기지국에 대응하는 수신 장치의 내구 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은 밀리미터파 채널 환경에서, 기지국(Base Station, BS)에 속하는 여러 사용자 단말들(User Equipment, UE)을 대상으로, 빔포밍을 수행하는 기술에 관한 것으로, 특히, 기지국의 송신 안테나의 개수보다 RF 체인의 개수가 작은 경우에 여러 사용자 단말들을 동시에 지원하도록 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 수행하는 하이브리드 빔포밍 기술에 관한 것이다. 본 명세서에서는 RF 체인의 개수가 기지국의 송신 안테나의 개수보다 작은 경우를 가정하여 설명하나, 이는 실시예에 해당되며, RF 체인의 개수가 기지국의 송신 안테나의 개수와 동일할 수도 있다. 즉, RF 체인의 개수는 기지국의 송신 안테나의 개수 이하일 수 있다.
또한, 본 실시예들에서, 기지국과 기지국에 해당하는 셀(예컨대, 펨토셀, 마이크로셀 등)에 속하는 사용자 단말들 간에는 미리 설계된 코드북(codebook)이 사전에 공유되어 각 장치에 저장 및 유지될 수 있으며, 미리 저장된 코드북에 기초하여 기지국은 사용자 단말들을 대상으로 디지털 및 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다.
또한, 본 실시예들에서, 하이브리드 빔포밍은 베이스밴드(baseband) 단에서 수행되는 디지털 빔포밍과 RF 단에서 수행되는 아날로그 빔포밍을 수행하는 것을 나타낼 수 있다. 그리고, 기지국(BS)은 송신 장치로 표현되고, 사용자 단말(UE)은 수신 장치로 표현될 수 있다.
또한, 본 실시예들에서는 기지국에서 코드북에 기초하여 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 수행하는 것을 중심으로 설명하나, 사용자 단말(수신 장치) 역시 기지국에서 빔포밍되어 전송된 신호를 수신하여 원 신호를 복원할 수 있으며, 기지국에서 전송한 원 신호를 복원하기 위해 디지털 빔포밍, 아날로그 빔포밍에 대응하는 구성 요소를 포함할 수 있다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 아래와 같을 수 있다.
1. SDMA(space division multiple access): 공간분할다중접속.
2. Beam: 송신 장치에서 안테나 배열에 곱하는 가중치 벡터에 따라 형성되는 안테나 패턴.
3. 빔포밍(Beamforming): 빔형성으로서, 프리코딩(precoding)으로 표현가능.
4. 코드북(또는 빔 코드북(Beam codebook)): 기지국(즉, 송신 장치)과 사용자 단말들 사이에 사전에 약속된 빔포밍(beamforming) 벡터들로 구성된 매트릭스(matrix).
5. Basestation(BS): 기지국, User(또는 User Equipment): 사용자(또는 사용자 단말).
6. RF(radio frequency): 라디오주파수, BB(baseband): 기저대역.
7. CSI(channel state information): 채널상태정보.
8. CSIR(CSI at receiver): 수신 장치에서 채널 정보를 알고 있음.
9. CSIT(CSI at transmitter): 송신 장치에서 채널 정보를 알고 있음.
10. SNR(signal-to-noise ratio): 신호대잡음비.
11. SINR(signal-to-interference plus noise ratio): 신호대간섭 더하기 잡음비.
12. AWGN(additive white Gaussian noise): 부가백색가우스잡음.
13. DFT(discrete Fourier transform): 이산퓨리에변환.
14. MRT(maximum ratio transmission): 다중 안테나 송신기법 중 하나.
15. MRC(maximal ratio combining): 다중 안테나 수신 기법 중 하나.
16. MIMO(multiple input multiple output): 다중안테나시스템.
본 실시예들에서 사용되는 표기법(notation)은 아래와 같이 정리될 수 있다.
사용되는 밀리미터파 사용되는 용어는 아래와 같을 수 있다.
1. Nt: 기지국(송신 장치)의 송신 안테나 수 (the number of transmit antennas for basestation).
2. Nr: 각 사용자 단말의 수신 안테나 수 (the number of receive antennas for each user).
3. U: 전체 사용자 단말의 수 (the total number of users)
4. K: 전체 U명의 사용자 단말들 중 스케줄링(scheduling)을 통해 송신 신호를 전송하기 위해 선택된 사용자 수 (the number of selected users)
5. NRF: 기지국(즉, 송신 장치)의 RF 체인(chain) 수 (the number of RF chains)
6.
Figure 112016063447566-pat00001
: 기지국(즉, 송신 장치)과
Figure 112016063447566-pat00002
Figure 112016063447566-pat00003
번째 사용자 단말 사이의 복소 채널 행렬(complex channel matrix),
Figure 112016063447566-pat00004
7.
Figure 112016063447566-pat00005
: 아날로그 빔포밍 행렬(RF beamforming matrix),
Figure 112016063447566-pat00006
8.
Figure 112016063447566-pat00007
: 디지털 빔포밍 행렬(Baseband beamforming matrix),
Figure 112016063447566-pat00008
9.
Figure 112016063447566-pat00009
: Expectation operator
10.
Figure 112016063447566-pat00010
:
Figure 112016063447566-pat00011
크기를 갖는 단위 행렬(Identity matrix)
11.
Figure 112016063447566-pat00012
: transpose /conjugate transpose
12.
Figure 112016063447566-pat00013
: ceiling operator
코드북 기반의 공간분할다중접속(SDMA)의 경우, CSIR 을 가정한다. 즉, 각 사용자 단말은 채널 추정을 통해 각자의 채널 행렬을 알고 있음을 가정한다. 빔 코드북(beam codebook)은 기지국과 사용자 단말들 사이에 사전에 설계되어 공유되며, 빔 코드북(즉, 코드북)을 구성하는 모든 빔포밍 벡터들은 서로 직교(orthogonal)한 성질을 만족하도록 빔 코드북이 사전에 설계될 수 있다. 이때, 각 사용자 단말은 피드백(feedback) 채널을 통해 기지국(즉, 송신 장치)으로 자신의 채널 정보를 피드백하는 데, 이때, 모든 채널 벡터값을 피드백하지 않고, 빔 코드북 내의 원하는 빔의 인덱스와 빔 인덱스에 해당하는 빔포밍 벡터와 관련된 SINR값만을 기지국으로 피드백할 수 있다. 그러면, 기지국은 모든 사용자 단말들로부터 피드백된 정보를 이용하여 사용자 및 빔 스케줄링을 수행할 수 있다. 즉, 기지국은 전체 U명의 사용자 단말들 중 K(
Figure 112016063447566-pat00014
)명의 선택된 사용자 단말들을 대상으로 할당할 빔을 선택할 수 있다. 그리고, 기지국은 선택한 K명의 신호를 선택된 해당 빔에 곱하여 동시에 전송함으로써, 여러 명의 사용자들을 동시에 지원할 수 있으며, 사용자 단말은 자신이 피드백했던 빔에 해당하는 유효 채널(effective channel) 벡터에 대해 MRC를 수행하여 기지국에서 전송한 신호를 수신할 수 있다. 이때, 밀리미터파 채널 환경에 적합하게 사전에 설계된 코드북에 기초하여 빔포밍을 수행함에 따라, 채널 환경에 따라 사용자 단말은 유효 채널 정보를 기지국으로 피드백할 수도 있고, 피드백하지 않아도 될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 하향링크 채널에서 빔포밍을 수행하는 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 1에 따르면, 기지국(BS, 즉, 송신 장치)는 전체 U개의 사용자 단말들 중 K개의 사용자 단말을 선택하는 스케줄링을 수행하는 스케줄러(scheduler, 110), 선택된 사용자 단말들에게 신호를 전송하기 위한 디지털 빔포밍(baseband beamforming)을 수행하는 FBB(120, 디지털 빔포밍 행렬) 및 RF 빔포밍 행렬 FRF(130, 아날로그 빔포밍 행렬)을 포함할 수 있다. 이때, 기지국(BS)은 임의의 모양을 갖는 배열 안테나를 송신 안테나로 사용할 수 있다. 예컨대, 선형 배열 안테나, 평면 배열 안테나 등이 이용될 수 있다.
디지털 빔포밍 행렬 FBB(120)은 디지털 신호처리를 통해 복소 신호(complex signal)의 크기 및 위상을 모두 제어하기 위해 이용되며, 디지털 빔포밍을 수행하기 위해 이용될 수 있다.
RF 빔포밍 행렬 FRF(130)은 복소 신호의 크기는 제어하지 못하고, 위상만을 제어하기 위해 이용되는 것으로서, 아날로그 빔포밍 시 이용될 수 있으며, 아날로그 빔포밍이 수행된 신호가 송신 안테나를 통해 사용자 단말들(140)로 전송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 밀리미터파 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍 수행 방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 송신 장치의 내구 구성을 도시한 블록도이다.
도 2의 각 단계들(210 내지 250)은 도 3의 송신 장치(300)의 구성요소인 정보 송수신부(310), 스케줄링부(320), 디지털 빔포밍 수행부(330) 및 아날로그 빔포밍 수행부(340)에 의해 수행될 수 있다.
도 2 및 및 도 3에서는 기지국인 송신 장치(300)가 담당하는 특정 셀에 속하는 사용자 단말들을 대상으로 하이브리드 빔포밍을 수행하는 동작을 예로 들어 설명하기로 한다.
송신 장치(300)와 사용자 단말들(350) 간에는 송신 장치의 송신 안테나의 개수 Nt보다 RF 체인의 개수 NRF가 작은 시스템 모델(Nt≥NRF)에 적합한 코드북이 사전에 공유되어 미리 저장하고 있을 수 있다.
210 단계에서, 정보 송수신부(310)는 송신 장치(300)에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들(350) 각각으로부터 피드백 정보를 수신할 수 있다.
이때, 정보 송수신부(310)는 송신 신호의 빔포밍을 위해 요구되는 사용자 단말의 식별 번호, 사용자 단말에서 선택된 SINR값(예컨대, 최대 SINR 값이 선택됨), 선택된 SINR값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보 및 코드북에서의 서브셋(subset) 인덱스 정보를 포함하는 피드백 정보를 사용자 단말들(350) 각각으로부터 수신할 수 있다.
이외에, 채널 환경이 셀룰러 채널 환경이거나 또는 사용자 단말들 간에 간섭이 기정의된 기준 간섭 이상으로 존재하는 채널 환경인 경우, 상기 피드백 정보는, 유효 채널 정보(effective channel)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 정보 송수신부(310)는 채널 환경에 따라 유효 채널 정보를 추가적으로 더 피드백받을 수도 있다. 이때, 정보 송수신부(310)는 유효 채널 정보를 송신 장치(300)에 속하는 모든 사용자 단말들(350)을 대상으로 피드백받을 수도 있고, 사용자 단말들(350) 중 선택된 일부 사용자 단말들(예컨대, 351, 352)로부터만 유효채널 정보를 피드백받을 수도 있다.
220 단계에서, 스케줄링부(320)는 수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 스케줄링(scheduling)을 수행할 수 있다.
230 단계에서, 디지털 빔포밍 수행부(330)는 선택된 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
예컨대, K개의 사용자 단말들이 선택될 수 있으며, 디지털 빔포밍 수행부(330)는 K개의 송신 신호에 디지털 빔포밍 행렬 FBB를 곱함으로써, 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다. 이때, 채널 환경이 밀리미터파 채널인 경우, 다중경로 성분이 많이 존재하지 않아 사용자 단말들 간의 간섭이 적기 때문에, 상기 디지털 빔포밍 행렬 FBB은 단위 행렬(
Figure 112016063447566-pat00015
)로 구성될 수 있다.
즉, 사용자 단말들 간 간섭이 적은 채널 환경인 경우, 사용자 단말 별로 유효 채널 정보를 추가로 피드백 받지 않아도 되어, 디지털 빔포밍 행렬이 단위 행렬로 구성됨에 따라, 사용자 단말들 간 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍이 별도로 수행되지 않는 것임을 의미할 수 있다. 이처럼, 유효 채널 정보를 사용자 단말들로부터 수신하지 않아도 되어 시스템 오버헤드(overhead)가 감소할 수 있다.
240 단계에서, 아날로그 빔포밍 수행부(340)는 미리 저장된 코드북에 기초하여 선택된 적어도 하나의 사용자 단말들(예컨대, K개의 사용자 단말들)에 대한 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 이때, 아날로그 빔포밍 수행부(340)는 페이즈 쉬프터(phase shifter) 소자들로 구성될 수 있으며, 페이즈 쉬프터 소자들을 이용하여 복수 신호의 크기는 제외하고 위상만을 제어하는 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다.
250 단계에서, 빔포밍된 신호들이 송신 안테나들을 통해 사용자 단말들(350)로 전송될 수 있다.
이때, 코드북은 송신 장치(300)에 마련된 송신 안테나의 개수(Nt) 및 RF 체인의 개수(NRF)에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset), 예컨대, M개의 서브셋들을 포함할 수 있다(즉,
Figure 112016063447566-pat00016
). 그리고, 코드북에 포함된 각 서브셋은 RF 체인의 개수(NRF)에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있으며, 각 빔포밍 벡터는 Ntx1의 차원을 가질 수 있다.
스케줄링을 통해 선택된 K개의 사용자 단말들 중 k번째 사용자 단말에서의 수신 신호는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00017
수학식 1에서,
Figure 112016063447566-pat00018
는 수신 신호 벡터를 나타내고,
Figure 112016063447566-pat00019
는 송신 전력을 나타낼 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00020
로 표현되는 랜덤 채널 행렬의 전력 정규화이므로,
Figure 112016063447566-pat00021
는 빔포밍 행렬들(beamforming matrices)의 전력 정규화를 나타낼 수 있다. 그리고,
Figure 112016063447566-pat00022
로 표현되며, K개의 심볼(symbol)로 구성된 송신 스트림 벡터를 나타낼 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00023
는 송신 심볼의 전력 정규화,
Figure 112016063447566-pat00024
는 부가 잡음 벡터로서 벡터의 각 원소는 복소 가우시안(complex gaussian) 분포를 따르는 랜덤 변수를 나타낼 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00025
는 신호대잡음비를 나타낼 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서, 송신 장치(300)와 사용자 단말들(350) 간의 채널 환경은 사용자 단말들 간의 간섭이 적은 밀리미터파 채널이 이용될 수 있으며, 전체 사용자 단말들 U개 중 u번째 사용자 단말에서의 밀리미터파 채널은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00026
Figure 112016063447566-pat00027
는 랜덤 경로 이득(random path gain, 즉, complex gaussian random variable),
Figure 112016063447566-pat00028
는 채널에 존재하는 다중 경로 path 수,
Figure 112016063447566-pat00029
는 송신 안테나(Nt)로 나가는 각 채널 경로(path)의 고각(elevation angel) / 방위각(azimuth angle)을 나타낼 수 있다. 그리고,
Figure 112016063447566-pat00030
는 송신배열 안테나의 정규화된 배열 스티어링 벡터(normalized array steering vector)로서, 예컨대, 신호의 크기는 제외하고 위상만 바꿔주는 아날로그 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔포밍 행렬을 구성하는 벡터를 나타낼 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00031
는 수신배열 안테나의 정규화된 배열 응답 벡터(normalized array response vector)를 나타낼 수 있다.
이때,
Figure 112016063447566-pat00032
는 임의의 배열 안테나에 관한 것으로서, 예컨대, 선형 배열 안테나의 경우에는 아래의 수학식 4와 같이 표현되고, 평면 배열 안테나(예컨대, 직사각형 모양희 평면 배열 안테나)의 경우에는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다. 먼저, 수식의 단순화를 위해
Figure 112016063447566-pat00033
각각은 아래의 수학식 3과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00034
Figure 112016063447566-pat00035
Figure 112016063447566-pat00036
수학식 4 및 수학식 5에서, λ는 파장, d는 송신 및 수신 안테나의 간격을 나타낼 수 있다.
이하에서는 송신 장치(300)와 사용자 단말들(350) 간에 미리 저장한 밀리미터파 채널환경에 적합한 빔 코드북(즉, 코드북)을 설계하는 동작에 대해 설명하기로 한다. 특히, 코드북은 송신 안테나의 개수보다 RF 체인의 개수가 적은 시스템 환경에서 전송률(sum rate)을 보장하면서, 하드웨어 비용을 감소시키기 위해 설계되는 것으로서, DFT-MRT 빔 코드북(beam codebook)으로 표현될 수 있다.
먼저, 코드북은 송신 장치(300)에서 동시에 여러 개의 빔(beam)을 전송할 때 간섭이 최소화되도록 직교하는 빔포밍 벡터들(orthogonal beamforming vector)로 구성될 수 있으며, Nt개의 원소를 갖는 집합 C로 표현될 수 있다. 즉, 코드북 C는 DFT(Discrete Fourier Transform) 행렬 특성을 가질 수 있다.
이때, 코드북 C는 배열 안테나 구조를 고려하여 채널 벡터에 매치되어(matched) 최대의 빔포밍 이득을 얻을 수 있도록 수 있다. 즉, MRT 빔 모양이 되도록 설계될 수 있으며, 본 실시예들에서는 DFT 행렬 및 MRT의 두 가지 특성을 모두 만족하는 집합 C로 표현되는 코드북을 DFT-MRT 빔 코드북(beam codebook)으로 명명할 수 있다.
예컨대, 송신 장치(즉, 기지국)의 송신 안테나가 선형 배열 안테나인 경우, 코드북 C는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00037
상기 송신 안테나가 평면 배열 안테나인 경우(예컨대, 가로
Figure 112016063447566-pat00038
개, 세로
Figure 112016063447566-pat00039
개의 안테나인 경우), 코드북 C는 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00040
위의 수학식 6에서, 선형 배열 안테나인 경우에 설계된 코드북 C에 포함된 서브셋들은 집합 C 전체를 M개(
Figure 112016063447566-pat00041
)의 서브셋들(즉,
Figure 112016063447566-pat00042
)로 나누고, 나눠진 M개의 서브셋(subset) 각각은 아래의 수학식 8을 만족하는 RF 체인의 수(NRF)에 해당하는 빔포밍 벡터들로 구성될 수 있다. 즉, 코드북 C는 M개의 서브셋들을 포함하며, 각 서브셋은 NRF개의 빔포밍 벡터들로 구성될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00043
이때, 각 서브셋을 구성하는 NRF개의 빔포밍 벡터들(V(m)) 각각은 Ntx1의 차원을 가질 수 있다. 예를 들어, Nt=8, NRF=2인 경우, 서브셋의 수 M=8/2=4로서, 코드북 C는 4개의 서브셋들을 포함하며, 4개의 서브셋들 각각은 8x1의 크기를 갖는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다. 예컨대, 첫번째 서브셋(V1)은 8x1의 크기를 갖는 빔포밍 벡터 V1,1과 V1,2로 구성될 수 있다.
그리고, 각 서브셋의 빔포밍 벡터들은 아래의 수학식 9를 만족하도록 동일 간격으로 배치될 수 있다. 즉, 상기 빔포밍 벡터들은 도 4와 같이 동일 간격으로 빔 패턴(beam pattern)을 형성시킬 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00044
위의 수학식 및 도 4에 따르면, 4개의 서브셋들(V(1), V(2), V(3), V(4))은 아래의 수학식 10과 같이 설계될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00045
한편, 송신 안테나가 평면 배열 안테나 구조를 가지는 경우, 평면 배열 안테나의 빔은 두 개의 독립적인 선형 배열 안테나로 형성한 빔을 곱한 것으로 표현될 수 있다. 즉, w와 v 도메인(domain)에 대해 각각 코드북의 서브셋을 만들어 조합하면 도 5와 같은 빔 패턴이 형성될 수 있다.
위의 수학식 8에 따라 M개의 서브셋들(즉,
Figure 112016063447566-pat00046
)로 구성된 코드북 C에 기초하여 기지국(즉, 송신 장치)는 사용자 및 빔 스케줄링을 수행할 수 있다.
이때, 전체 U개의 사용자 단말들 중 기정의된 K개의 사용자 단말들을 선택하는 사용자 스케줄링을 수행하기 위해, 먼저, 아날로그 빔포밍 행렬(RF beamforming matrix)
Figure 112016063447566-pat00047
로 사용할 후보로서, 코드북을 구성하는 각 서브셋 V(m)은 아래의 수학식 11과 같이 다시 표현될 수 있다. 여기서, K는 U 이하일 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00048
먼저, u번째 사용자 단말은 자신의 채널 정보와 코드북에 기초하여 모든 빔포밍 벡터에 대한 SINR 값을 계산할 수 있다. 즉, u번째 사용자 단말은 코드북에 포함된 모든 빔포밍 벡터 각각에 대한 SINR 값을 계산할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 12에 기초하여 SINR 값이 계산될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00049
수학식 12에서,
Figure 112016063447566-pat00050
는 각 사용자 단말에서 수신 배열 안테나에 곱하는 수신 빔포밍 벡터(즉, weight)를 나타낼 수 있다. 그리고, u번째 사용자 단말은 수신 신호의 SINR을 최대화하기 위해 유효 채널(effective channel)에 맞도록 MRC(maximal ratio combining)를 수행할 수 있다. 그러면, MRC를 수행하여 계산된 수신 신호의 SINR값들 중 최대 SINR값이 선택될 있으며, u번째 사용자 단말은 자신의 식별 번호(즉, 사용자 단말의 식별 번호), 최대 SINR값, 최대 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 최대 SINR 값에 해당하는 코드북 서브셋 인덱스 정보를 송신 장치(즉 기지국)으로 피드백할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 13과 같은 네 가지 정보가 기지국으로 피드백될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00051
수학식 13에서, u는 사용자 단말의 식별 번호, SINRu는 u번째 사용자 단말에서의 최대 SINR 값, mu는 코드북 서브셋 인덱스 정보(즉, 코드북에 포함된 서브셋들 중 u번째 서브셋을 나타내는 인덱스 정보), nu는 빔포밍 벡터 인덱스 정보(즉, 코드북에 포함된 서브셋들 중 u번째 서브셋에서의 u번째 빔포밍 벡터를 나타내는 인덱스 정보)를 나타낼 수 있다.
그러면 사용자 단말 별로 기지국으로 피드백되는 정보량은 아래의 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00052
수학식 14에서, Q는 SINR 값을 피드백할 때 디지털 양자화(digital quantization)하는 비트(bit) 수를 나타낼 수 있다.
사용자 단말들(예컨대, U개)로부터 수신된 피드백 정보에 기초하여 기지국(즉, 송신 장치)는 일정 수(예컨대, K개)의 사용자 단말들을 선택하는 스케줄링을 수행할 수 있다. 예를 들어, 사용자 및 빔 선택 스케줄링은 아래의 표 1에 기초하여 수행될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00053
표 1에 따르면, 밀리미터파 채널의 경우, 다중 경로 성분이 많이 존재하지 않기 때문에 사용자 단말들 간 간섭이 적을 수 있다. 이에 따라. 사용자 단말들 간 간섭을 제거하기 위한 추가적인 디지털 빔포밍(baseband beamforming) FBB을 따로 수행하지 않아도 될 수 있다. 즉,
Figure 112016063447566-pat00054
로 표현될 수 있으며, 사용자 단말 별로 유효 채널 정보(effective channel)를 추가적으로 피드백받지 않고도 빔포밍을 수행하여 송신 신호를 사용자 단말들로 전송할 수 있다. 이처럼, 간섭 제거를 위한 디지털 빔포밍을 별도로 수행하지 않더라도, 위에서 언급한 밀리미터파 채널의 특성으로 인해 사용자 단말에서 사용자 단말들 간의 간섭으로 인한 성능 저하가 미비할 수 있다. 이에 따라, 유효 채널 정보를 기지국으로 피드백함에 따른 시스템 오버헤드(overhead)가 상당히 감소하고, 유효 채널 정보의 피드백에 따른 자원 낭비가 제거될 수 있다.
이상에서는 밀리미터파 채널 환경에서 제안하는 DFT-MRT 빔 코드북에 기초하여 하이브리드 빔포밍(디지털-아날로그 빔포밍)을 수행하는 동작에 대해 설명하였으나, 밀리미터파 채널 환경 이외에 셀룰러 채널 등과 같이 사용자 단말들 간의 간섭이 존재하는 채널 환경에서 DFT-MRT 빔 코드북이 이용될 수도 있다.
이때, 사용자 단말들 간 간섭이 존재하는 채널 환경인 경우, 사용자 단말들 간의 간섭을 제거를 위해 FBB가 설계될 수 있으며, 기지국은 설계된 FBB에 기초하여 K개의 사용자 단말들을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하여 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하고, 간섭이 제거된 신호에 대해 아날로그 빔포밍을 수행한 후 송신 안테나들을 통해 신호를 전송할 수 있다.
예를 들어, 다중 경로 성분이 많이 존재하는 셀룰러 대역의 경우, 기지국은 기지국에 속하는 전체 사용자 단말들 중 기정의된 개수의 선택된 사용자 단말들에게만 유효 채널 정보 획득을 위한 페이징(paging) 신호를 전송할 수 있다. 그러면, 선택된 사용자 단말들은 기지국으로부터 수신된 페이징(paging) 신호에 기초하여 유효 채널 정보를 추가적으로 기지국으로 피드백할 수 있다. 예컨대, 선택된 모든 사용자 단말들을 합하여 최대
Figure 112016063447566-pat00055
개의 복소수(complex number)가 기지국으로 피드백될 수 있으며, k번째 유효 채널 정보는 아래의 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00056
수학식 15에서,
Figure 112016063447566-pat00057
는 선택된 k번째 사용자 단말에서 사용할 수신 빔포밍 벡터(즉, 수신 신호에 곱해지는 가중치(weight))를 나타내고, FRF는 선택된 사용자 단말들이 처음에 기지국으로 피드백할 때 보냈던 코드북의 서브셋들에 포함된 빔포밍 벡터(즉, desired codebook subset으로 구성한 RF beamforming matrix)를 나타낼 수 있다.
그러면 기지국(즉, 송신 장치)은 상기 선택된 사용자 단말들로부터 수신한 유효 채널 정보에 기초하여 사용자 단말들 간 간섭을 제거하는 디지털 빔포밍 행렬(baseband beamforming matrix)을 제로포싱 기법(zero-forcing precoding)에 기초하여 생성할 수 있다. 이때, 사용자 단말들 간 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍 행렬을 생성하기 위해, 제로포싱 이외의 MMSE(Minimum Mean Square Error) 등의 디지털 선형 프리코딩(digital linear precoding)이 이용될 수도 있고, 비선형 프리코딩(non-linear precoding)이 이용될 수도 있다. 비선형 프리코딩(non-linear precoding)으로는 DPC, Tomlinson-Harashima precoding 등이 이용될 수 있다
예를 들어, 아래의 수학식 16에 기초하여 디지털 빔포밍 행렬 FBB는 생성될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00058
수학식 16에서 β는
Figure 112016063447566-pat00059
를 만족시키는 정규화 팩터(normalization factor)이고, 전체 유효 채널 행렬
Figure 112016063447566-pat00060
는 아래의 수학식 17과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00061
이하에서는 도 6 내지 도 14를 참고하여, DFT-MRT 코드북에 기초하여 빔포밍을 수행하여 여러 사용자 단말들로 동시에 신호를 전송함에 따른 성능을 분석하여 설명하고자 한다.
먼저, 밀집된 도심 환경에서 사용자 단말들의 수가 계속 증가할수록, SDMA 기술의 전송률(asymptotic sum rate,
Figure 112016063447566-pat00062
) R은 아래의 수학식 18과 같은 스케일 법칙(scaling law)를 따라 증가할 수 있으며, R은
Figure 112016063447566-pat00063
와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00064
즉, NRF의 다중화 이득(multiplexing gain)을 얻을 수 있으며, 전체 사용자 단말의 수가 증가할수록 logU의 다이버시티 이득(multi-user diversity gain) 또한 얻어질 수 있다.
이때, 사용자 단말이 수가 적은 환경과 많은 환경에 따른 평균 SER(Symbol Error Rate)은 다르게 표현될 수 있으며, 사용자 단말의 수가 적은 경우의 평균 SER은 아래의 수학식 19(NRF=1인 경우의 SER bound)과 같이 표현될 수 있다. 수학식 19는 변조 기법(modulation scheme)으로 M-QAM을 사용하는 경우의 평균 SER을 나타낼 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00065
수학식 19의 평균 SER의 다이버시티 오더(diversity order) d는 아래의 수학식 20과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00066
수학식 20의 다이버시티 오더는 SNR에 따른 평균 SER의 성능 그래프에서 기울기를 나타내는 지표일 수 있다.
그리고,
Figure 112016063447566-pat00067
인 경우, 평균 SER의 다이버시티 오더는 U로 구해질 수 있으며, 아래의 수학식 21과 같이 표현될 수도 있다.
수학식 21에서
Figure 112016063447566-pat00069
은 평균 SER로서, SNR의 함수로 표현될 수 있다.
수학식 18 내지 수학식 21에서는 사용자 단말의 수가 적은 환경(예컨대, NRF=1)인 경우의 평균 SER에 대해 설명하였으나, 사용자 단말의 수가 매우 많은 환경(예컨대, 여러 개의 NRF를 사용하는 환경)에서의 평균 SER은 아래의 수학식 22와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00070
Figure 112016063447566-pat00071
인 경우, 사용자 수가 매우 많으면 평균 SER은 이론적으로 수학식 22의 근사식과 같이 표현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, NRF 별 평균 SER의 최저 성능을 도시한 그래프이다.
도 6에서, 선형 배열 안테나를 사용하는 경우의 SINR 최저값은 아래의 수학식 23과 같이 표현되고, 평면 배열 안테나를 사용하는 경우의 SINR 최저값은 아래의 수학식 24와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016063447566-pat00072
Figure 112016063447566-pat00073
위의 수학식 23 및 24에 기초하여 평균 SER이 높은 SER(high SER)에서 가지는 최저 성능(average SER의 error floor)이 계산될 수 있으며, 계산된 최저 성능은 도 6의 그래프와 같이 표현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 수에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
도 7에서, 기지국은 정사각형 모양의 평면 배열 안테나를 사용, 사용자 단말은 단일 안테나를 사용, 채널 환경은 밀리미터파 채널을 사용하는 경우를 가정한 시뮬레이션을 수행하였다.
도 7에서는 DFT-MRT 코드북에 기초하여 빔포밍을 수행한 경우와 전송률의 성능 비교를 위해 DPC(Dirty Paper Coding), ZFBF with SUS(zero-forcing beamforming with semi-orthogonal user selection), 및 PU2RC(per user unitary rate control)를 사용하였다.
DPC(Dirty Paper Coding)은 다중 사용자 MIMO 시스템에서 이론적 캐패시티(capacity)를 달성하는 최적의 프리코딩 방법이지만, 모든 사용자 단말의 채널 정보를 알아야 하며, 알고리즘의 복잡도가 매우 높아 현실적으로 구현하기 힘들다는 어려움이 존재하다. DPC는 매우 이상적인 경우로서, DFT-MRT 코드북에 기초하여 빔포밍을 수행한 경우와 전송률의 성능 비교를 위해 도 7에서 사용하였다.
ZFBF with SUS는 코드북을 기반으로 사용자 단말들이 SINR 값을 피드백하고, 기지국은 SUS 알고리즘으로 사용자 스케줄링을 한 후에 제로포싱 빔포밍을 수행할 수 있다. 선형 프리코딩 기법으로서 DPC와 비교하여 복잡도가 낮지만, 사용하는 랜덤 코드북은 기존의 셀룰러 대역에 적합하며, 밀리미터파 채널에서는 적절하지 못하여 성능이 급격히 떨어짐을 도 7을 통해 확인할 수 있다.
PU2RC는 랜덤 유니터리 코드북(unitary codebook)을 사용하여 사용자 단말들이 선호하는 코드북 인덱스와 그 때의 SINR 값을 기지국으로 피드백하고, 기지국이 스케줄링한 후에 유니터리 코드북 중 가장 좋은 것으로 선택하여 해당하는 사용자 단말들에게 신호를 전송한다.
ZFBF with SUS 및 PU2RC는 모두 안테나 수만큼의 RF 체인(chain)이 필요하며, 기존 셀룰러 대역(예컨대, 6GHz 이하)의 채널에 적합한 기술로 밀리미터파 채널(예컨대, 30GHz 이상, 60GHz 등)에서는 성능이 급격히 저하된다. 본 발명의 DFT-MRT 코드북을 이용한 빔포밍은 기지국에서 사용하는 대량의 안테나 수와 제한된 개수의 RF 체인(chain)을 사용하고, 밀리미터파 채널의 특성을 고려하여 설계된 것으로서, 밀리미터파 환경에서 제한된 수의 RF 체인으로 전송률이 ZFBF with SUS 및 PU2RC보다 좋은 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 도 7과 같이, 송신 안테나의 수가 64개(Nt=64)이고, RF 체인의 수(NRF=4, 8, 16, 32, 64)인 경우, 다른 제한된 피드백(limited feedback) 기반의 디지털 빔포밍 기술과 비교해서 밀리미터파 채널 환경에서 전송률이 가장 좋은 것을 확인할 수 있다. 즉, DFT-MRT의 경우, 송신 안테나 수보다 적은 수의 RF 체인을 사용하더라도 기존의 디지털 기술(full RF 체인 사용)들보다 밀리미터파 채널에서 높은 전송률을 달성하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 전송률(asymptotic sum rate)의 스케일 법칙(scaling law)을 분석한 결과와 마찬가지로, 사용자 단말의 수(U)가 증가하면서 loglogU의 기울기를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 지원하는 사용자의 수를 비교하는 그래프이다.
도 8에 따르면, 송신 안테나 수의 절반만큼 RF 체인을 사용(예컨대, Nt=64, NRF=32)하더라도 DFT-MRT 코드북에 기초한 빔포밍이 ZFBF with SUS 및 PU2RC과 비슷한 수의 사용자 단말들을 지원하는 것을 확인할 수 있다. 현실적인 수의 RF 체인을 가정하면, 즉, NRF=4, 8, 16인 경우를 가정하면, 밀집된 도심지역의 환경에서 사용자 단말의 수가 50 내지 200명 정도만 있으면(즉, U=50~20), 금방 최대값이 수렴하는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, SNR에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
도 9에 따르면, 송신 안테나 수보다 적은 수의 RF 체인을 사용하더라도, DFT-MRT 코드북에 기초한 빔포밍이 DPC, ZFBF with SUS 및 PU2RC보다 높은 전송률을 달성함을 확인할 수 있다.
그래프 901은 스케줄링을 통해 선택된 사용자 단말들로부터 유효 채널 정보를 추가로 피드백받아 디지털 빔포밍을 사용한 경우로서, SNR이 낮을수록 효과가 미미한 것을 확인할 수 있다. 즉, 밀리미터파 채널(high path-loss와 광대역 사용으로 인해 SNR이 낮은 환경)에서 적은 수의 RF 체인을 사용하면, 사용자 단말들의 유효 채널 정보를 얻기 위해 추가적인 피드백 절차를 거칠 필요가 없음을 알 수 있다. 다시 말해, DFT-MRT 코드북은 밀리미터파 채널의 sparse scattering 특성을 적극 활용함에 따라, 사용자 단말들 간의 간섭이 줄어들기 대문에 특별하게 간섭 제거 기술을 사용하지 않아도 됨을 의미하며, 전체 사용자 단말의 수가 많아지면 스케줄링을 통해 다중 사용자 다이버시티(multi-user diversity) 이득에 의해 사용자 단말들 간의 간섭이 더욱더 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널의 스캐터(scatter) 수에 따른 전송률을 도시한 그래프이다.
스캐터 수(Np)가 적을수록 밀리미터파 채널처럼 sparse scattering 채널이고, Np가 커질수록 점점 기존의 셀룰러 대역 채널처럼 rich scattering 채널이 된다. 도 10에 따르면, 채널이 sparse해 질수록 DFT-MFT 코드북에 의한 빔포밍(proposed BF)의 성능이 점점 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 채널이 sparse하고, RF 체인의 수가 적을수록 사용자 단말들 간 간섭이 감소하여 디지털 빔포밍(baseband beamforming)의 효과가 미미해지는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 다른 디지털 기술들(ZFBF with SUS, PU2RC)는 채널 특성을 고려하지 않았기 때문에 채널의 sparsity와 무관한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 있어서, 적은 수의 사용자 단말들이 존재하는 시뮬레이션 환경에서 전송 오류 확률을 도시한 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일실시예에 있어서, 많은 수의 사용자 단말들이 존재하는 시뮬레이션 환경에서 전송 오류 확률을 도시한 그래프이다.
도 11에 따르면, 기울기가 U로 나타나며, 사용자 단말의 수가 증가할수록 성능이 점점 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 도 11에서, QPSK, BPSK는 각각 4-QAM, 2-QAM을 의미할 수 있다.
도 12에서, 그래프 1201는 성능 분석에서 구한 large U환경에 대한 평균 SER 근사화식을 도시한 것이다. 도 12에 따르면, 사용자 단말의 수가 32(1202), 64(1203), 128(1204), 256(1205), 512(1206)으로 증가할수록 성능이 점점 좋아지고, 이론적으로 구한 근사화식(1201)에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 있어서, RF 체인의 수에 다른 평균 SER을 도시한 도면이다.
도 13에 따르면, NRF가 증가할수록 사용자 단말당 송신 전력이 감소하기 때문에 SNR 손실이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그리고,
Figure 112016063447566-pat00074
인 경우, 디지털 빔포밍(baseband beamforming)을 수행하지 않고도(즉, FBB=IK) 신뢰할 수 있는 성능(평균 SER=10- 5이하)을
Figure 112016063447566-pat00075
범위에서 가짐을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 있어서, 채널의 스캐터(scatter) 수에 따른 영향을 도시한 도면이다.
도 14에 따르면, 사용자 단말들로부터 피드백된 유효 채널 정보를 추가적으로 더 받아서 디지털 빔포밍을 수행하면, 채널의 스캐터(Np)가 많을수록 이득을 더 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 스캐터 수(Np)가 많을수록 사용자 단말들 간 간섭이 커지므로 간섭을 제거하지 않으면 SER 성능이 열화되기 때문이다. 이때, 채널이 매우 sparse하고, 스캐터 수가 1개(Np=1)인 경우, 디지털 빔포밍을 수행하지 않아도 되는 것을 확인할 수 있다.
이때, 채널에 다중경로 성분이 존재하여 Np가 1보다 크게되면, 평균 SER의 기울기가 좋아지는 효과, 즉, 다이버시티 오더(diversity order)를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 사용자 단말이 선호하는 빔포밍 벡터를 선택하여 기지국으로 피드백할 때, 다양한 채널 경로 성분들 중에 가장 좋은 것으로 선택하고, 선택된 채널에 알맞은 빔포밍 벡터를 선택하여 피드백하는 것이므로, 더 좋은 성능을 가지게 되는 것임을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 기지국에 대응하는 수신 장치에서의 신호 처리 방법을 도시한 흐름도이고, 도 16은 본 발명의 일실시예에 있어서, 하이브리드 빔포밍을 수행하는 기지국에 대응하는 수신 장치의 내구 구성을 도시한 블록도이다.
도 15의 각 단계들(1510 내지 1540)은 도 16의 수신 장치(1600)의 구성요소인 SINR 계산부(1610), 피드백부(1620), 및 정보 수신부(1630)에 의해 수행될 수 있다.
도 15 및 도 16에서는 기지국인 송신 장치(300)가 담당하는 특정 셀에 속하는 사용자 단말들 중 스케줄링을 통해 선택된 단말들(예컨대, K개의 단말) 중 어느 하나의 단말(즉, 수신 장치)에서 빔포밍을 위한 피드백 정보를 기지국으로 전송하는 동작을 예로 들어 설명하기로 한다. 도 15 및 도 16에서, 기지국과 공유하는 코드북에 기반하여 기지국에서 디지털 및 아날로그 빔포밍을 수행하기 위한 빔포밍 벡터들을 선택하는 것과 관련된 프로세스, 피드백 프로세스를 제외한 프로세스, 예컨대, 디지털 및 아날로그 빔포밍이 수행되어 송신 안테나를 통해 송신된 신호를 수신하여 원 신호를 복원하기 위한 신호 처리는 송신 장치에 대응하므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
1510 단계에서, SINR 계산부(1610)는 밀리미터파 채널 환경에 기반하여 미리 저장된 코드북(codebook)에 포함된 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산할 수 있다.
여기서, 기지국과 수신 장치(1600) 간에 미리 공유하여 저장된 코드북은 아날로그 빔포밍을 위한 RF 체인의 개수가 송신 안테나의 개수보다 작은 경우에 기정의된 만족하는 성능(예컨대, 전송률)을 유지하도록 설계된 코드북으로서, 특히, 밀리미터파 채널 환경에 적합하도록 설계될 수 있다.
1520 단계에서, 상기 계산된 SINR 값에 기초하여 기지국에서 빔포밍 시 이용될 빔포밍 벡터와 관련된 SINR 값을 결정할 수 있다. 이때, 기지국 및 수신 장치(1600) 각각은 서로 공유하는 코드북(즉, DFT-MRT 코드북)을 저장부(미도시)에 미리 저장하고 있을 수 있다.
예를 들어, SINR 계산부(1610)는 코드북에 포함된 모든 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산할 수 있다. 그리고, SINR 계산부(1610)는 계산된 SINR값들 중 최대 SINR값을 결정할 수 있다.
1530 단계에서, 피드백부(1620)는, 최대 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보 및 빔포밍 벡터 인덱스 정보가 속하는 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보를 포함하는 피드백 정보를 기지국으로 피드백할 수 있다. 그리고, 피드백 정보는 사용자 단말인 수신 장치의 식별 번호 및 결정된 최대 SINR 값을 함께 포함하여 기지국으로 피드백될 수 있다.
이때, 채널 환경이 밀리미터파 채널 환경이 아닌, 셀룰러 환경이거나 또는 사용자 단말들 간 간섭이 기정의된 기준값 이상에 해당하는 채널인 경우, 피드백부(1620)는 기지국으로부터 수신한 페이징(paging) 신호에 기초하여 생성된 유효 채널 정보를 상기 피드백 정보에 더하여 추가적으로 기지국으로 피드백할 수도 있다. 여기서, 유효 채널 정보를 피드백하는 동작은 이미 기지국에서 상세히 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
1540 단계에서, 정보 수신부(1630)는 피드백 정보 및 코드북에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 수행되어, 기지국의 송신 안테나를 통해 전송된 송신 신호를 수신할 수 있다.
이때, 유효 채널 정보를 기지국으로 피드백한 경우, 유효 채널 정보는 디지털 빔포밍을 위해 이용될 수 있으며, 유효 채널 정보에 기초하여 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하는 디지털 빔포밍이 수행되고, 코드북에 포함된 빔포밍 벡터들 중 피드백된 코드북의 서브셋 인덱스 정보와 서브셋 인덱스 정보에 해당하는 위치의 빔포밍 벡터에 기초하여 아날로그 빔포밍이 수행된 신호를 수신할 수 있다.
이때, 기지국과 수신 장치 간의 채널 환경이 셀룰러 환경이거나, 사용자 단말들 간의 간섭이 적은 환경, 예컨대, 밀리미터파 채널 환경인 경우에는, 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하지 않아도 되므로 유효 채널 정보가 피드백되지 않을 수 있다. 이에 따라, 기지국에서도 디지털 빔포밍을 수행하지 않고 아날로그 빔포밍만 수행할 수 있으며. 정보 수신부(1630)는 디지털 빔포밍은 수행되지 않고, 코드북에 기초하여 아날로그 빔포밍만이 수행된 신호를 수신할 수 있다. 여기서, 코드북은 송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고, 서브셋들 각각은 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가질 수 있다. 그리고, 각 빔포밍 벡터들은 Nt(송신 안테나의 개수)x1의 차원을 가질 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 송신 장치에 속하는 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로, 밀리미터파(millimeter wave) 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming) 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하는 단계;
    수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 단계;
    선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 단계; 및
    미리 저장된 코드북(codebook)에 기초하여 상기 선택된 적어도 하나의 사용 단말에 대한 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 코드북은,
    송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고,
    상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가지고,
    상기 일정 개수는 상기 송신 안테나의 개수를 상기 RF 체인의 개수로 나눔으로써 계산된 개수를 나타내고,
    상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터들 각각은, 상기 송신 안테나의 개수x1의 차원을 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍을 수행하는 단계는,
    상기 하향링크 채널이 밀리미터파 채널임에 따라, 단위 행렬(identity matrix)에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 정보를 수신하는 단계는,
    상기 하향링크 채널이 사용자 간 간섭이 존재하는 채널임에 따라, 상기 사용자 단말들 중 선택된 사용자 단말들로부터 유효 채널 정보(effective channel)를 피드백(feedback) 받고,
    상기 디지털 빔포밍을 수행하는 단계는,
    상기 피드백된 유효 채널 정보를 이용하여 디지털 선형 프리코딩(digital linear precoding) 및 비선형 프리코딩(non-linear digital precoding) 중 어느 하나에 기초하여 상기 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 디지털 빔포밍 행렬에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터들은,
    서브셋의 개수와 송신 안테나의 개수에 기초하여 계산된 동일 간격으로 빔 패턴(beam pattern)을 형성시키는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 정보를 수신하는 단계는,
    상기 사용자 단말의 식별 번호, 상기 사용자 단말에서 선택된 SINR값, 선택된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보를 상기 사용자 단말로부터 수신하고,
    상기 빔포밍 벡터들은,
    상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보 및 상기 빔포밍 벡터 인덱스 정보에 해당하는 위치의 빔포밍 벡터들인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 단말을 선택하는 단계는,
    상기 수신된 피드백 정보에 기초하여 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보가 동일한 사용자 단말 별로 그루핑(grouping)하여 그룹으로 분류하고, 상기 그룹에 속하는 사용자들 각각의 SINR에 기초하여 상기 송신 신호 전송을 위한 사용자 단말을 선택하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍은,
    페이즈 쉬프터(phase shifter) 소자에 기초하여 복소 신호의 크기는 제외하고 위상을 제어하는 아날로그 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  10. 적어도 하나의 사용자 단말들을 대상으로 밀리미터파(millimeter wave) 하향링크 채널에서 하이브리드 빔포밍(beamforming)을 수행하는 송신 장치에 있어서,
    상기 적어도 하나의 사용자 단말들 각각으로부터 피드백 정보를 수신하는 정보 송수신부;
    수신된 피드백 정보에 기초하여 송신 신호 전송을 위한 적어도 하나의 사용자 단말을 선택하는 스케줄링부;
    선택된 적어도 하나의 사용자 단말을 대상으로 디지털 빔포밍을 수행하는 디지털 빔포밍 수행부; 및
    미리 저장된 코드북(codebook)에 기초하여 상기 선택된 적어도 하나의 사용 단말에 대한 아날로그 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔포밍 수행부를 포함하고,
    상기 코드북은,
    송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고,
    상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가지고,
    상기 일정 개수는 상기 송신 안테나의 개수를 상기 RF 체인의 개수로 나눔으로써 계산된 개수를 나타내고,
    상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하인 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터들 각각은, 상기 송신 안테나의 개수x1의 차원을 가지는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍 수행부는,
    상기 하향링크 채널이 밀리미터파 채널임에 따라, 단위 행렬(identity matrix)에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 정보 송수신부는,
    상기 하향링크 채널이 사용자 간 간섭이 존재하는 채널임에 따라, 상기 사용자 단말들 중 선택된 사용자 단말들로부터 유효 채널 정보(effective channel)를 피드백(feedback) 받고,
    상기 디지털 빔포밍 수행부는,
    상기 피드백된 유효 채널 정보를 이용하여 디지털 선형 프리코딩(digital linear precoding) 및 비선형 프리코딩(non-linear digital precoding) 중 어느 하나에 기초하여 상기 사용자 단말들 간의 간섭을 제거하기 위한 디지털 빔포밍 행렬을 생성하고, 생성된 디지털 빔포밍 행렬에 기초하여 상기 디지털 빔포밍을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 빔포밍 벡터들은,
    서브셋의 개수와 송신 안테나의 개수에 기초하여 계산된 동일 간격으로 빔 패턴(beam pattern)을 형성시키는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 정보 송수신부는,
    상기 사용자 단말의 식별 번호, 상기 사용자 단말에서 선택된 SINR값, 선택된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보를 상기 사용자 단말로부터 수신하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 스케줄링부는,
    상기 수신된 피드백 정보에 기초하여 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보가 동일한 사용자 단말 별로 그루핑(grouping)하여 그룹으로 분류하고, 상기 그룹에 속하는 사용자들 각각의 SINR에 기초하여 상기 송신 신호 전송을 위한 사용자 단말을 선택하는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 수행부는,
    복소 신호의 크기는 제외하고 위상을 제어하기 위해 페이즈 쉬프터(phase shifter) 소자들로 구성되는 것
    을 특징으로 하는 송신 장치.
  19. 밀리미터파 채널 환경에 기반하여 미리 저장된 코드북(codebook)에 포함된 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산하는 단계;
    계산된 SINR 값에 기초하여 기지국에서 빔포밍 시 이용될 빔포밍 벡터와 관련된 SINR 값을 결정하는 단계;
    결정된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보, 결정된 SINR 값 및 자신의 식별 번호를 포함하는 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 단계; 및
    상기 코드북(codebook)과 상기 피드백 정보에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 수행된 송신 신호를 상기 기지국으로부터 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 코드북은,
    송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고,
    상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가지고,
    상기 일정 개수는 상기 송신 안테나의 개수를 상기 RF 체인의 개수로 나눔으로써 계산된 개수를 나타내고,
    상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하인 것
    을 특징으로 하는 하이브리드 빔포밍 방법.
  20. 밀리미터파 채널 환경에 기반하여 미리 저장된 코드북(codebook)에 포함된 빔포밍 벡터들을 대상으로 SINR 값을 계산하고, 계산된 SINR 값에 기초하여 기지국에서 빔포밍 시 이용될 빔포밍 벡터와 관련된 SINR 값을 결정하는 SINR 계산부;
    결정된 SINR 값에 해당하는 빔포밍 벡터 인덱스 정보, 및 상기 코드북에서의 서브셋 인덱스 정보, 결정된 SINR 값 및 자신의 식별 번호를 포함하는 피드백 정보를 상기 기지국으로 전송하는 피드백부; 및
    상기 코드북(codebook)과 상기 피드백 정보에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 수행된 송신 신호를 상기 기지국으로부터 수신하는 정보 수신부를 포함하고,
    상기 코드북은,
    송신 안테나의 개수 및 RF 체인(chain)의 개수에 기초하여 계산된 일정 개수의 서브셋들(subset)을 포함하고,
    상기 서브셋들 각각은 상기 RF 체인의 개수에 해당하는 빔포밍 벡터들을 가지고,
    상기 일정 개수는 상기 송신 안테나의 개수를 상기 RF 체인의 개수로 나눔으로써 계산된 개수를 나타내고,
    상기 아날로그 빔포밍을 위한 상기 RF 체인의 개수는 상기 송신 안테나의 개수 이하인 것
    을 특징으로 하는 수신 장치.
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