KR102046033B1 - 대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법 및 빔포밍 장치 - Google Patents

대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법 및 빔포밍 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안테나 시스템의 빔포밍 방법에 관한 것으로, 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE(Means Square Error)가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및 송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법 및 빔포밍 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING HYBRID BEAMFORMING IN LARGE-SCALE ANTENNA SYSTEM}
본 발명은 다중 사용자(Multi-user)를 지원하기 위한 안테나 시스템의 빔포밍 방법에 관한 것이다.
차세대 통신으로 많은 관심을 받고 있는 대규모 MIMO(Massive Multiple Input Multiple Output) 기술은 많은 안테나로 인한 전송량 증가와 채널 하드닝(hardening) 효과로 인하여 신호 처리가 간단해지는 장점을 바탕으로 연구되어 왔다. 그러나, 대규모 MIMO 기술은 안테나 수가 증가할수록 많은 수의 RF 체인(RF chain)들이 요구되어 비용과 에너지 소비가 증가한다.
이를 해결하기 위한 방법으로 차세대 통신에서 하이브리드 빔포밍(Hybrid Beamforming) 기법이 많은 각광을 받고 있다. 하이브리드 빔포밍은 보다 적은 수(안테나 개수보다 적은 수)의 RF 체인을 적용하여 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합으로 빔포밍을 생성하므로 보다 효율적인 통신이 가능하다.
그러나, 아날로그 빔포밍은 이상기(phase shifter)로 구현되므로 추가적인 제약 조건(각도(phase)만 조정 가능)이 발생하기 때문에, RF 체인의 수와 안테나 수가 동일한 경우의 이상적인(fully digital) 빔포밍 결과를 얻는 것은 불가능하다.
한국공개특허 10-2015-0075545호 (2015.07.06 공개)
본 발명의 실시예에서는, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 제안하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE(Means Square Error)가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및 송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 포함하는 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다.
또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다.
또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, ZF(Zero-Forcing) 디지털 빔포밍 기법이 적용될 수 있다.
또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 워터필링(Water-Filling) 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하고, 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 아날로그 빔포밍부; 및 송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 디지털 빔포밍부를 포함하는 안테나 시스템의 빔포밍 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍을 위한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍과 통상적인 디지털 빔포밍 및 종래의 하이브리드 빔포밍을 비교한 성능 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예는, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 제안하고자 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍을 위한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템(100)은 디지털 빔포밍부(110), RF 체인부(120), 아날로그 빔포밍부(130) 및 안테나부(140)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템(100)은 송신 장치를 지칭하며, 이러한 송신 장치는 복수의 수신 장치(10-1~10-K)로 신호를 전송할 수 있다.
디지털 빔포밍부(110)는 베이스밴드 프리코딩(baseband precoding)을 수행하여 복수의 데이터 스트림(data stream)에 대해 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.
RF 체인부(120)는, 예를 들어 K개의 RF 체인들로 구성될 수 있으며, 각각의 RF 체인은 디지털 빔포밍부(110)를 통해 디지털 빔포밍된 단일 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.
아날로그 빔포밍부(130)는 RF 체인부(120)에 의해 변환된 각각의 아날로그 신호에 대해 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 이러한 아날로그 빔포밍부(130)는 기존의 아날로그 빔포밍부와 유사하게 어레이 조향 벡터(array steering vector)를 이용하여 RF 프리코딩(Radio Frequency precoding)을 수행할 수 있다.
안테나부(140)는 Nt개의 안테나들로 구성될 수 있으며, 아날로그 빔포밍부(130)에서 아날로그 빔포밍된 신호를 복수의 수신 장치(10-1~10-K)에게 송신할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 복수의 수신 장치(10-1~10-K)들 각각은 한 개의 안테나를 구비하는 것으로 가정하기로 한다. 이때, 수신 장치(10-1~10-K)의 개수는 송신 장치인 안테나 시스템(100)의 RF 체인의 개수와 동일하다.
이와 같이, 안테나 시스템(100)은 복수의 데이터 스트림을 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 순차적으로 수행하여 안테나부(140)를 통해 수신 장치(10-1~10-K)에게 신호를 송신할 수 있으며, 수신 장치(10-1~10-K) 중 K번째 수신 장치(10-K)에서의 전송률(RK)은 다음 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00001
여기서,
Figure 112018008394131-pat00002
는 송신 장치와 K번째 수신 장치의 채널,
Figure 112018008394131-pat00003
는 아날로그 빔포밍,
Figure 112018008394131-pat00004
는 디지털 빔포밍
Figure 112018008394131-pat00005
의
Figure 112018008394131-pat00006
번째 열,
Figure 112018008394131-pat00007
은 잡음 강도를 각각 나타낸다.
송신 전력의 제한이 있을 때, 수신 장치들(10-1~10-K)의 전송률의 합을 최대화하는 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 구하는 최적화 문제는 다음 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00008
여기서,
Figure 112018008394131-pat00009
이고,
Figure 112018008394131-pat00010
는 송신 가능한 최대 전력을 나타내며,
Figure 112018008394131-pat00011
는
Figure 112018008394131-pat00012
의
Figure 112018008394131-pat00013
번째 행 및
Figure 112018008394131-pat00014
번째 열의 성분을 나타낸다.
송신 장치의 안테나가 매우 많아지면, ZF(zero-forcing) 디지털 빔포밍이 매우 효과적임은 널리 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 디지털 빔포밍으로 ZF 디지털 빔포밍 기법을 적용하였으며, 이는 다음 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00015
여기서,
Figure 112018008394131-pat00016
는 송신 전력 제한 조건에 의해 결정되는 값이고,
Figure 112018008394131-pat00017
이다.
Figure 112018008394131-pat00018
가 고정되어 있을 때, ZF 디지털 빔포밍의 특징인
Figure 112018008394131-pat00019
을 이용하면 최적화 문제는 다음 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00020
[수학식 4]에서 최적의
Figure 112018008394131-pat00021
는 수학적 계산을 통해 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 5]와 같다.
Figure 112018008394131-pat00022
다음으로,
Figure 112018008394131-pat00023
를 가정하고
Figure 112018008394131-pat00024
를 구하고자 한다. [수학식 4]에서
Figure 112018008394131-pat00025
은 송신 전력 제한 조건에만 의존함을 알 수 있다. 따라서,
Figure 112018008394131-pat00026
를 최적화 하는 문제는 다음 [수학식 6]과 같은 송신 전력을 최소화하는 문제로 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00027
여기서, 송신 장치의 안테나 수
Figure 112018008394131-pat00028
가 매우 클 때, 아날로그 빔포밍은 일반적으로
Figure 112018008394131-pat00029
을 만족한다. 이를 적용하면 [수학식 6]은 다음 [수학식 7]과 같은 문제로 다시 표현될 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00030
[수학식 7]은 아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건, 예컨대 각 원소의 크기가 1인 제한 조건 때문에 최적의 아날로그 빔포밍을 구하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건이 없을 때의 최적의 아날로그 빔포밍 벡터
Figure 112018008394131-pat00031
를 구한뒤,
Figure 112018008394131-pat00032
와 아날로그 빔포밍
Figure 112018008394131-pat00033
의 MSE(Mean Square Error)를 최소화 하는
Figure 112018008394131-pat00034
를 구하고자 한다.
아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건이 없다면, [수학식 7]은 다음과 같은 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00035
여기서,
Figure 112018008394131-pat00036
는 행렬
Figure 112018008394131-pat00037
의 대각 성분만 존재하고 대각 성분 외의 값은 0이다. [수학식 8]의 부등식에서 등호는
Figure 112018008394131-pat00038
가 양의 값을 갖는(positive definite) 행렬이면서 대각 행렬일 때 성립한다. 따라서,
Figure 112018008394131-pat00039
행렬을 양을 값을 갖는 행렬이면서 대각 행렬로 만드는
Figure 112018008394131-pat00040
은 다음 [수학식 9]로부터 얻을 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00041
여기서,
Figure 112018008394131-pat00042
는 행렬
Figure 112018008394131-pat00043
의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD:
Figure 112018008394131-pat00044
) 결과로부터 얻을 수 있다.
그러면 구하고자 했던 아날로그 빔포밍
Figure 112018008394131-pat00045
은
Figure 112018008394131-pat00046
과의 MSE를 최소화 하는 값으로 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 10]과 같이 나타낸다.
Figure 112018008394131-pat00047
[수학식 10]에서
Figure 112018008394131-pat00048
의 열들은 상호간의 독립적이다. 따라서, [수학식 10]은 다음 [수학식 11]과 같은 문제로 달리 표현할 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00049
[수학식 11]의 경우, 수학적 계산을 통하여
Figure 112018008394131-pat00050
와
Figure 112018008394131-pat00051
의 MSE를 최소화하는
Figure 112018008394131-pat00052
를 찾을 수 있으며, 이는 다음 [수학식 12]와 같다.
Figure 112018008394131-pat00053
여기서,
Figure 112018008394131-pat00054
는
Figure 112018008394131-pat00055
의 각도를 나타낸다.
상기와 같은 과정으로, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 계산할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산함에 있어서, 예를 들어 워터필링(water-filling) 기법으로 안테나 별 송신 전력을 최적으로 할당할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00056
여기서,
Figure 112018008394131-pat00057
는 안테나별 송신 파워와 관련된 대각 행렬을 나타낸다.
이전과 유사하게
Figure 112018008394131-pat00058
가 고정되어 있을 때, 최적화 문제는 다음 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018008394131-pat00059
여기서,
Figure 112018008394131-pat00060
이다. [수학식 14]에서 최적의
Figure 112018008394131-pat00061
는 워터필링 기법을 통해 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 15]와 같다.
Figure 112018008394131-pat00062
여기서,
Figure 112018008394131-pat00063
는 행렬
Figure 112018008394131-pat00064
의
Figure 112018008394131-pat00065
번째 대각 성분을 나타내고,
Figure 112018008394131-pat00066
는
Figure 112018008394131-pat00067
를 만족하는 값으로 선택될 수 있으며,
Figure 112018008394131-pat00068
은 매우 작은 임의의 양수 값이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법은, 수신 장치(10-1~10-K)와의 채널 매트릭스(H)에 대한 특이값 분해 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계(S100)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스는 [수학식 9]의
Figure 112018008394131-pat00069
를 의미할 수 있다.
제1 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00070
)가 구해지면, 이러한 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00071
)와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계(S102)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스는 [수학식 10]의
Figure 112018008394131-pat00072
를 의미할 수 있다. [수학식 10]에서
Figure 112018008394131-pat00073
의 열들은 상호 독립적이므로, [수학식 10]은 [수학식 11]로 달리 표현할 수 있으며, [수학식 11]은 수학적인 계산을 통해 [수학식 12]로 표현되고, 이러한 [수학식 12]를 통해 제1 아날로그 빔포밍 매트리스(
Figure 112018008394131-pat00074
)와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00075
)를 구할 수 있다.
이후, 단계(S104)에서와 같이, 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00076
)와 채널 매트릭스(H)를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00077
)를 계산할 수 있다. 이때, 디지털 빔포밍 매트릭스(
Figure 112018008394131-pat00078
)는, 송신 전력이 제한되고, 수신 장치(10-1~10-K)의 전송률의 합이 최대로 되는 조건을 만족할 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍과 통상적인 디지털 빔포밍 및 종래의 하이브리드 빔포밍을 비교한 성능 그래프이다.
도 3에서는 안테나 시스템(송신 장치)의 안테나 개수가 64개(Nt=64)이고, RF 체인의 개수(수신 장치의 개수)는 8개(K=8)인 경우를 예시하였다.
도 3에서 디지털 빔포밍 그래프는 RF 체인의 수가 송신 장치의 안테나 수와 동일한 경우의 ZF 빔포밍을 적용한 일반적인 디지털 빔포밍 기법에 대한 성능이고, 종래의 하이브리드 빔포밍1은 단순히 큰 배열 이득을 가지도록 채널 성분의 각도의 켤레(conjugate)값을 아날로그 빔포밍으로 설정한 저복잡도 기법이며, 종래의 하이브리드 빔포밍2는 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍이 되풀이되는 설계와 아날로그 빔포밍의 성분 하나 하나를 되풀이하는 과정으로 설계하여 안테나가 증가할수록 복잡도가 기하급수적으로 커지는 기법에 대한 성능을 나타낸다.
본 발명의 실시예에서 제안된 하이브리드 빔포밍1의 복잡도는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 사용되는 특이값 분해의 계산에 따른 복잡도이며, 이에 상응하는 복잡도는
Figure 112018008394131-pat00079
이다. 종래의 하이브리드 빔포밍1은 아날로그 빔포밍을 계산할 때 단순히 채널의 각도의 계산이 복잡도의 주가 되며, 이에 상응하는 복잡도는
Figure 112018008394131-pat00080
이다. 반면, 종래의 하이브리드 빔포밍2는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 역행렬 계산이 복잡도의 주가 되며 되풀이되는 과정이 포함되므로 이에 상응하는 복잡도는
Figure 112018008394131-pat00081
이다.
여기서,
Figure 112018008394131-pat00082
은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 계산할 때 되풀이되는 과정의 횟수이고,
Figure 112018008394131-pat00083
는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 되풀이되는 과정의 횟수이다. 복잡도를 비교해보면 종래의 하이브리드 빔포밍2의 복잡도가 매우 높음을 알 수 있으며, 이에 비해 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍과 종래의 하이브리드 빔포밍1의 복잡도는 매우 낮음을 확인할 수 있다.
제안된 하이브리드 빔포밍2는 워터필링 알고리즘이 적용된 기법을 의미한다. 도 3를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 의한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 저복잡도 하이브리드 빔포밍1 및 빔포밍2는 종래의 하이브리드 빔포밍2보다 훨씬 더 복잡도를 줄이면서도 성능 열화가 적음을 보여주고, 복잡도가 비슷한 종래의 하이브리드 빔포밍1보다는 훨씬 성능이 좋음을 확인할 수 있다. 또한, 워터필링 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따라 제안된 하이브리드 빔포밍2는, 워터필링 알고리즘이 적용되지 않은 빔포밍1보다 복잡도가 조금 더 증가하지만 성능이 좋음을 확인할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 구현하였다.
한편, 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리) 등에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리)에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고, 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
100: 안테나 시스템(송신 장치)
110: 디지털 빔포밍부
120: RF 체인부
130: 아날로그 빔포밍부
140: 안테나부
10-1~10-K: 수신 장치

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
    각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE(Means Square Error)가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
    송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 포함하는
    안테나 시스템의 빔포밍 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
    각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는
    안테나 시스템의 빔포밍 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
    안테나 시스템의 빔포밍 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
    ZF(Zero-Forcing) 디지털 빔포밍 기법이 적용되는
    안테나 시스템의 빔포밍 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
    워터필링(Water-Filling) 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는 단계를 포함하는
    안테나 시스템의 빔포밍 방법.
  6. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
    각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
    송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 수행하는 명령어를 포함하는 프로그램이 기록된
    컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  7. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
    각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
    송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 수행하는
    컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  8. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하고, 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 아날로그 빔포밍부; 및
    송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 디지털 빔포밍부를 포함하는
    안테나 시스템의 빔포밍 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍부는,
    각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는
    안테나 시스템의 빔포밍 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍부는,
    상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
    안테나 시스템의 빔포밍 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍부는,
    ZF 디지털 빔포밍 기법을 이용하여 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
    안테나 시스템의 빔포밍 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 디지털 빔포밍부는,
    워터필링 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는
    안테나 시스템의 빔포밍 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102397219B1 (ko) * 2020-10-19 2022-05-13 국방과학연구소 다중 안테나 전이중 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130017572A (ko) * 2011-08-11 2013-02-20 삼성전자주식회사 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔 결정 방법 및 장치
KR102323130B1 (ko) * 2013-11-27 2021-11-10 삼성전자 주식회사 하이브리드 빔포밍 기반 오픈-루프 mimo 전송 방법 및 장치
KR102130285B1 (ko) 2013-12-26 2020-07-08 삼성전자주식회사 제로-포싱 기반의 하이브리드 빔포밍 방법 및 그 장치
KR101760411B1 (ko) * 2015-09-18 2017-07-31 고려대학교 산학협력단 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법
KR101859821B1 (ko) * 2016-06-30 2018-05-18 한국과학기술원 밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템

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