KR102158206B1 - 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

한 쌍의 유저 노드 간 릴레이 노드의 도움을 받아 반이중 방식으로 통신하는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서 하이브리드 빔포머 필터를 설계하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법이 개시된다. 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치는 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하고, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 아날로그 빔포밍 행렬 설정부 및 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하고, 상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 디지털 빔포밍 행렬 설정부를 포함한다.

Description

하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법{DESIGN APPARATUS AND METOHD OF HYBRID BEAMFORMER FILTER}
본 발명은 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍의 유저 노드 간 릴레이 노드의 도움을 받아 반이중 방식으로 통신하는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서 하이브리드 빔포머 필터를 설계하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 밀리미터파(millimeter wave) 통신 시스템이 차세대 이동통신의 후보기술로 많은 관심을 받고 있다. 밀리미터파 통신 시스템은 급격히 증가되고 있는 요구 데이터 전송량을 지원할 수 있는 넓은 가용대역을 제공할 뿐만 아니라 많은 안테나들을 작은 공간에 직접화하는 것을 가능케 하는 강력한 이점을 안고 있다.
그러나, 밀리미터파 통신 시스템은 기존 이동통신 시스템에 비해 높은 전파 감쇄를 경험하게 되면서, 이를 극복하기 위한 다수의 안테나 어레이를 활용한 빔포밍 기술이 필수적으로 사용되어야 한다. 이때, 빔포밍 이득을 최대화 하기 위해서는 안테나마다 RF 체인이 구성되어야 하는데, RF 체인은 증폭기, 믹서, ADC/DAC 등으로 구성되는 부분으로서 높은 가격, 높은 파워소모를 특징으로 하여 상당한 부담감으로 작용하게 된다.
이에 따라, 밀리미터파 통신 시스템에서의 송수신기 구조는 많은 수의 안테나들과 이보다는 훨씬 적은 RF 체인으로 구성되고, 이 구조를 일반적으로 하이브리드 빔포머라고 정의하고 있으며, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 따로 수행하는 하이브리드 빔포밍 기술이 적용된다.
이러한 하이브리드 빔포밍 방식에 따르면 기존의 전(全) 디지털 빔포밍 방식과든 다르게 부족한 RF 체인 수로 인해 통신 시스템에서의 전송률을 최대화하는 최적해는 구할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 일측면은 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터를 설계하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치 및 방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치는, 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하고, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 아날로그 빔포밍 행렬 설정부 및 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하고, 상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 디지털 빔포밍 행렬 설정부를 포함한다.
한편, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬이 서로 직교하게 하고, Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
또한, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에서 Gram-Schmidt 프로세스를 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬을 업데이트하는 방식으로 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
또한, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 최적해를 상기 아날로그 빔포밍 행렬 및 상기 디지털 빔포밍 행렬의 조합으로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 디지털 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 통신 시스템에서의 각 노드에 마련되는 디지털 빔포밍 행렬을 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬이 최소가 되게 하는 최적화변수로 하는 상기 WMMSE 식을 도출할 수 있다.
또한, 상기 디지털 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 WMMSE 식에 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
또한, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에 대응하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 산출하는 것을 더 포함하고, 상기 디지털 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부로부터 상기 도래각 및 상기 발사각을 수신하고, 상기 도래각 및 상기 발사각을 가능하게 하는 BB 필터 설계를 위한 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
한편, 본 발명의 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법은, 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하는 단계, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하는 단계 및 상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함한다.
한편, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬이 서로 직교하게 하는 단계 및 Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는, 상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에서 Gram-Schmidt 프로세스를 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬을 업데이트하는 방식으로 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 최적해를 상기 아날로그 빔포밍 행렬 및 상기 디지털 빔포밍 행렬의 조합으로 나타내는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하는 단계는, 상기 통신 시스템에서의 각 노드에 마련되는 디지털 빔포밍 행렬을 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬이 최소가 되게 하는 최적화변수로 하는 상기 WMMSE 식을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는, 상기 WMMSE 식에 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하이브리드 빔포머 방식을 채택한 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템의 구축이 가능하며, 이때, 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 쌍간 신호간섭을 효과적으로 제거해 최대의 합전송률 성능을 확보할 수 있으며, 하이브리드 빔포머에 의해 높은 어레이 게인을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 AF 릴레이 노드의 적용으로 짧은 송신범위의 극복 또한 가능하여 무선 통신의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치의 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 아날로그 빔포밍 행렬 설정부에서의 아날로그 빔포밍 행렬 설정 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법의 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의해 구축되는 하이브리드 빔포머 방식을 채택한 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템의 합 전송률과 종래의 다양한 방식에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률을 비교하여 도시한 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)은 하이브리드 빔포밍(beamforming) 구조를 채택하여 N 개의 안테나 및 NRF 개의 RF 체인을 갖는 릴레이 노드(1)와 M 개의 안테나 및 MRF 개의 RF 체인을 갖는 2K 개의 유저 노드(5)를 포함할 수 있다.
본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)은 K 번째 유저 노드(5)와
Figure 112018113353694-pat00001
번째 유저 노드(5)가 릴레이 노드(1)의 도움을 받아 반이중(half-duplex) 방식으로 통신하는 K-쌍 양방향 릴레이 통신 시스템일 수 있다.
본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 K 번째 유저 노드(5)로부터 릴레이 노드(1)로의 채널 행렬은 Hk∈
Figure 112018113353694-pat00002
으로 정의되고, 릴레이 노드(1)로부터 K 번째 유저 노드(5)로의 채널 행렬은 GK∈
Figure 112018113353694-pat00003
으로 정의될 수 있다. 여기서, 밀리미터파 대역 통신의 높은 경로 손실로 인해 K 번째 유저 노드(5)와
Figure 112018113353694-pat00004
번째 유저 노드(5) 간의 직접 경로는 없다고 가정한다.
통상적으로 밀리미터파 대역 통신에서 채널 행렬은 한정된 전파 경로들로 이루어지므로, 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서의 Hk 및 GK 또한 L 개의 전파 경로들로 이루어지는 것으로 가정하는 경우, Hk 및 GK는 각각 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00005
수학식 1에서
Figure 112018113353694-pat00006
및
Figure 112018113353694-pat00007
는 각각 경로 손실(path loss) αk 에서의 복소 경로 이득(complex path gain), Hk 또는 Gk에서 l 번째 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 의미하고,
Figure 112018113353694-pat00008
및
Figure 112018113353694-pat00009
는 각각 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5)에서의 배열 응답 벡터를 의미한다.
한편, Hk 및 GK 각각의 경로 이득은 일예로
Figure 112018113353694-pat00010
및
Figure 112018113353694-pat00011
와 같이 내림차순으로 정렬될 수 있다.
본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 릴레이 노드(1)는 반이중 방식의 통신을 지원하므로, 한 쌍의 유저 노드(5) 간의 정보 교환은 다중 접속 채널(MAC: multiple access channels) 및 방송 채널(BC: broadcast channels)의 두 직교 위상에서 발생할 수 있다.
즉, MAC 위상에서는 2K 개의 유저 노드(5)가 동시에 릴레이 노드(1)로 신호를 전송할 수 있다. 이때, 2K 개의 유저 노드(5)는 제한된 수의 RF 체인으로 인해 필터링 프로세스가 RF(Radio Frequency) 및 BB(Baseband) 작업으로 분리되는 하이브리드 빔포밍 방식을 채택하여 신호를 송신할 수 있다.
따라서, 릴레이 노드(1)에서 유저 노드(5)로부터 수신하는 신호는 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00012
수학식 2에서
Figure 112018113353694-pat00013
는 k 번째 유저 노드(5)가 RF 프리코딩 행렬인
Figure 112018113353694-pat00014
및 BB 프리코딩 행렬인
Figure 112018113353694-pat00015
조건 하에서 사용한 하이브리드 송신 빔포밍 행렬을 나타내고,
Figure 112018113353694-pat00016
및
Figure 112018113353694-pat00017
는 각각 k 번째 유저 노드(5)의 송신 신호 및 릴레이 노드(1)에서의 복소 가우시안 잡음 벡터를 나타낸다. 여기서, RF 프리코딩 행렬인 FRF,k는 위상 시프트(phase shifting)의 역할만을 수행하므로,
Figure 112018113353694-pat00018
로 산출될 수 있다.
또한, BB 위상에서는 릴레이 노드(1)가 수학식 2와 같은 수신 신호(yR)를 모든 유저 노드(5)로 송신할 수 있다. 릴레이 노드(1)는 하이브리드 송수신기
Figure 112018113353694-pat00019
를 이용하여 유저 노드(5)로부터 수신 신호(yR)를 수신하고, 이를 모든 유저 노드(5)로 송신할 수 있다. 여기서,
Figure 112018113353694-pat00020
및
Figure 112018113353694-pat00021
는 각각
Figure 112018113353694-pat00022
및
Figure 112018113353694-pat00023
를 갖는 송수신 RF 빔포밍 행렬과 동일하고,
Figure 112018113353694-pat00024
는 릴레이 노드(1)에서의 BB 작업에 사용될 수 있다.
따라서, 유저 노드(5)에서 릴레이 노드(1)로부터 수신하는 신호는 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00025
수학식 3에서
Figure 112018113353694-pat00026
는 k 번째 유저 노드(5)에서의 복소 가우시안 잡음 벡터를 나타내고,
Figure 112018113353694-pat00027
및
Figure 112018113353694-pat00028
는 각각 자기 간섭 및 쌍간 간섭을 나타낸다.
여기에서, 유저 노드(5)가 송신 신호(sk) 및 자기 간섭 채널(GkQHkFk)을 이용하여 자기 간섭을 제거할 수 있다고 가정하면, 수학식 3은 아래 수학식 4와 같이 간략히 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00029
여기에서, 유저 노드(5)는 하이브리드 수신 빔포밍 행렬인
Figure 112018113353694-pat00030
를 이용하여 수학식 4와 같은 수신 신호를 수신하므로, 유저 노드(5)에서 수신하는 최종 수신 신호는 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 하이브리드 수신 빔포밍 행렬인 행렬인
Figure 112018113353694-pat00031
에서
Figure 112018113353694-pat00032
및
Figure 112018113353694-pat00033
는 각각 BB 프리코딩 행렬인 BB 필터 및
Figure 112018113353694-pat00034
를 갖는 RF 프리코딩 행렬인 RF 필터를 나타낸다.
Figure 112018113353694-pat00035
이와 같은 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 송수신되는 신호에 최적 가우시안 입력 코드워드
Figure 112018113353694-pat00036
를 적용하는 경우, K 번째 유저 노드(5)와
Figure 112018113353694-pat00037
번째 유저 노드(5) 간의 정보율(information rate)은 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00038
수학식 6에서 RNI,k는
Figure 112018113353694-pat00039
를 의미하고, RD,k는
Figure 112018113353694-pat00040
를 의미한다.
이에 따라, 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서의 합 전송률을 최대화하기 위한 최적의 하이브리드 빔포머 필터 산출 식은 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00041
Figure 112018113353694-pat00042
수학식 7에서
Figure 112018113353694-pat00043
및
Figure 112018113353694-pat00044
는 각각 k 번째 유저 노드(5) 및 릴레이 노드(1)의 송신 전력 제약을 의미하고,
Figure 112018113353694-pat00045
은
Figure 112018113353694-pat00046
인 경우 릴레이 노드(1)에서의 수신 신호 공분산 행렬을 의미하며,
Figure 112018113353694-pat00047
는 각각 하이브리드 필터의 구조에서 오는 하드웨어 제약을 의미한다.
통상적으로, 하이브리드 빔포밍 방식의 경우, 수학식 7에 개시된 바와 같이 RF 필터의 구조 상 제약에 의해 수학식 7에서의 최적해를 구할 수 없다. 즉, 하이브리드 빔포밍 방식의 경우, 전(全) 디지털 빔포밍 방식과 달리 안테나의 수에 비해 RF 체인의 수가 부족하므로, 통신 시스템에서의 전송률을 최대화하는 하이브리드 빔포머 필터를 구할 수 없다.
따라서, 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)은 릴레이 노드(1)의 안테나 개수(N) 및 유저 노드(5)의 안테나 개수(M)가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 통신 시스템에서의 전송률을 최대화하는 최적해(수학식 7)를 산출하고, 이로부터 하이브리드 빔포밍 필터를 설계하여 적용함으로써 무선 통신의 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치(10, 이하 장치)는 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11) 및 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)는 도 1에 도시된 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 하이브리드 빔포머를 설계하는 장치를 의미하는 것으로서, 예를 들어, 도 1에 도시된 릴레이 노드(1) 및 2K 개의 유저 노드(5)와 유선 또는 무선 자원으로 연결되거나, 릴레이 노드(1) 및 2K 개의 유저 노드(5)를 지칭하거나, 또는, 릴레이 노드(1) 및 2K 개의 유저 노드(5)의 일부 또는 전부의 기능을 포함할 수 있다.
예를 들면, 본 발명에 따른 장치(10)는 릴레이 노드(1)에 적용되어, 상술한 수학식 7을 이용하여 릴레이 노드(1) 및 2K 개의 유저 노드(5)의 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하고, 릴레이 노드(1) 및 2K 개의 유저 노드(5)의 아날로그 빔포밍 행렬에 대응하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 산출하여 2K 개의 유저 노드(5)에게 알릴 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치(10)는 2K 개의 유저 노드(5)에 적용되어, 릴레이 노드(1)로부터 수신하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 위한 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11) 및 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 본 발명에 따른 장치(10)는 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)는 하이브리드 빔포머 설계를 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11) 및 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)의 구성은 장치(10)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
이하, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 장치(10)의 각 구성에서의 하이브리드 빔포머 설계 방법에 대하여 자세히 설명한다.
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
구체적으로는, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 및 RF 체인의 개수가 동일한 것으로 가정하고(N=NRF, M=MRF), 무선 통신 시스템에서의 합 전송률을 최대화하기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식인 수학식 7을 아래 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00048
Figure 112018113353694-pat00049
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 수학식 8의 최적해를 산출할 수 있으며, 이는 아래 수학식 9와 같다.
Figure 112018113353694-pat00050
수학식 9에서
Figure 112018113353694-pat00051
,
Figure 112018113353694-pat00052
,
Figure 112018113353694-pat00053
,
Figure 112018113353694-pat00054
,
Figure 112018113353694-pat00055
및
Figure 112018113353694-pat00056
는 K 번째 유저 노드(5) 및 릴레이 노드(1) 각각의 대각 전력 할당 행렬(diagonal power allocation matrices)로부터 설정될 수 있다.
즉, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 됨에 따라 본 발명의 반이중 통신 방식에 의해 AU,Hk, AU,Gk, AR,Hk 및 AR,Gk 배열이 점근적으로 서로 직교 상태가 됨에 기인하여 수학식 9와 같은 수학식 8의 최적해를 산출할 수 있다. 다시 말하면, 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 경우, 쌍간 간섭은 무시할 수 있게 되며, 이와 같은 경우, 도 1에 도시된 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)은 채널 행렬이 서로 직교하는 2Ns의 데이터 스트림을 처리하는 K 병렬 쌍방 중계 시스템으로 간주할 수 있다.
또한, 수학식 8 및 9에서 알 수 있듯이, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여, 무선 통신 시스템에서의 합 전송률을 최대화하기 위한 최적해는 아날로그 빔포밍 행렬의 RF 필터와 디지털 빔포밍 행렬의 BB 필터의 조합으로 나타낼 수 있다. 이로부터 도 1에 도시된 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 합 전송률을 최대화하기 위해서는 RF 필터와 BB 필터의 조합으로 이루어지는 하이브리드 필터링 전략이 최적임을 증명된다.
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 수학식 9를 이용하여 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다. 즉, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 수학식 9를 이용하여 본 발명의 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템(1000)에서 채택하는 하이브리드 빔포머에서의 RF 필터를 설계할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 도 2에 도시된 아날로그 빔포밍 행렬 설정부에서의 아날로그 빔포밍 행렬 설정 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면이다.
먼저, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 RF 필터인 FRF,k, QRF,k Rx, QRF,k Tx 및 WRF,k 각각의 i-번째 RF 빔포머를 f( k,i ), q(k,i) Rx, q(k,i) Tx 및 w( k,i )로 나타낼 수 있다.
그리고, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 f( k,i ), q(k,i) Rx, q(k,i) Tx 및 w( k,i ) 각각의 RF 빔포밍 코드북을
Figure 112018113353694-pat00057
,
Figure 112018113353694-pat00058
,
Figure 112018113353694-pat00059
및
Figure 112018113353694-pat00060
로 나타낼 수 있다.
도 3을 참조하면, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 두 개의 보조 행렬을 모든 k에 대해 Hk,res=Hk 및 Gk,res=Gk로 초기화할 수 있다.
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 각 k에 대해 FRF,k, QRF,k Rx, QRF,k Tx 및 WRF,k 각각의 MRF 개의 RF 빔포머를 모두 산출할 수 있도록 MRF 번의 초기화를 반복하고 다음 단계를 수행할 수 있다.
예를 들면, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 아래 수학식 10과 같이 i-번째 RF 빔포머의 RF 빔 벡터를 산출할 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00061
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 Gram-Schmidt 프로세스에 기반하여 Hk,res 및 Gk,res를 업데이트할 수 있다. 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 Hk,res 및 Gk,res에서 위와 같은 단계에서 선택한 RF 빔 벡터의 기여도를 제외하는 방식으로 Hk,res 및 Gk,res를 업데이트할 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 됨에 따라 본 발명의 반이중 통신 방식에 의해 AU,Hk, AU,Gk, AR,Hk 및 AR,Gk 배열이 점근적으로 서로 직교 상태가 되므로, RF 빔포머의 각 코드워드는 이미 정규 직교 상태이다. 따라서, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 아래 수학식 11과 같이 Gram-Schmidt 프로세스에 기반한 Hk,res 및 Gk,res의 업데이트를 간소화할 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00062
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 RF 빔포머 f( k,i ), q(k,i) Rx, q(k,i) Tx 및 w( k,i ) 각각의 RF 빔포밍 코드북에서 위와 같은 단계에서 선택한 RF 빔 벡터를 제거하는 방식으로 RF 빔포밍 코드북을 수정할 수 있다.
이와 같이 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주하고, Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 RF 빔포밍 코드북, 즉, 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다. 여기서, 이와 같은 아날로그 빔포밍 행렬 설정은 릴레이 노드(1)에서만 수행되고, 릴레이 노드(1)에서 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에 대응하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 산출하여 2K 개의 유저 노드(5)에게 알릴 수 있다.
이에 따라, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 산출할 수 있을 뿐만 아니라 그 계산을 간소화함으로써, 전체 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 아날로그 빔포밍 행렬이 고정된 상태에서, 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
구체적으로는, 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 수학식 7에서 RF 필터의 값을 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)에서 산출하는 아날로그 빔포밍 행렬의 값으로 고정하여, 수학식 7에 개시된 합 전송률을 최대화하기 위한 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 아래 수학식 12와 같이 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출할 수 있다.
Figure 112018113353694-pat00063
Figure 112018113353694-pat00064
수학식 12에서
Figure 112018113353694-pat00065
및
Figure 112018113353694-pat00066
는 각각 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬을 나타낸다.
수학식 12에서의 최적화변수인 QBB 및
Figure 112018113353694-pat00067
는 각각 콘벡스(convex)이므로, 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 디지털 빔포밍 행렬의 최적해를 산출할 수 있다. 즉, 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 한 번에 나머지 변수를 고정한 상태에서 하나의 변수를 산출할 수 있으며, 각 변수의 최적해가 수렴할 때까지 각 변수를 업데이트할 수 있다.
이와 같은 방식에 따라 쿤 터커(Karush-Kuhn-Tucker) 조건을 만족하는 수학식 12의 최적해는 아래 수학식 13과 같다.
Figure 112018113353694-pat00068
Figure 112018113353694-pat00069
수학식 12에서 최적 라그랑 누승수(optimal Lagrangian multipliers)
Figure 112018113353694-pat00070
및
Figure 112018113353694-pat00071
는 각각 이분법(bisection method) 및 일립소이드 방법(ellipsoid method)를 이용하여 설정될 수 있다.
이와 같이 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 아날로그 빔포밍 행렬이 고정된 상태에서 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다. 여기서, 유저 노드(5)의 경우에는 릴레이 노드(1)로부터 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에 대응하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 수신할 수 있으며, 이러한 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 가능하게 하는 BB 필터 설계를 위한 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있을 것이다.
이와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 필터를 설계할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하고, 하이브리드 빔포머 산출식에 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 통신 시스템에서의 채널 행렬이 서로 직교하게 하고, Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서, 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하고, 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 디지털 빔포밍 행렬의 최적해를 산출할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)는 하이브리드 빔포머 방식을 채택한 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템의 구축이 가능하며, 이때, 하이브리드 빔포머에 의해 높은 어레이 게인을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 AF 릴레이 노드(1)의 적용으로 짧은 송신범위의 극복 또한 가능하여 무선 통신의 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법은 도 2의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 2의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출할 수 있다(S100).
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 및 RF 체인의 개수가 동일한 것으로 가정하고(N=NRF, M=MRF), 수학식 7로부터 수학식 8과 같은 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출할 수 있다.
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 점근적 분석 기법을 적용하여 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다(S200).
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 수학식 9와 같이 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 최적해를 아날로그 빔포밍 행렬 및 디지털 빔포밍 행렬의 조합으로 나타낼 수 있다.
구체적으로는, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 채널 행렬이 서로 직교하게 나타낼 수 있다. 즉, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 본 발명의 반이중 통신 방식에 의해 AU,Hk, AU,Gk, AR,Hk 및 AR,Gk 배열이 점근적으로 서로 직교 상태가 됨에 기인하여 수학식 9와 같은 수학식 8의 최적해를 산출할 수 있다. 다시 말하면, 릴레이 노드(1) 및 유저 노드(5) 각각의 안테나 개수(N, M)가 무한대가 되는 경우, 쌍간 간섭은 무시할 수 있게 되며, 이와 같은 경우, 2Ns의 데이터 스트림을 처리하는 K 병렬 쌍방 중계 시스템으로 간주할 수 있다.
아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 수학식 10 및 11과 같이 Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다. 즉, 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)는 통신 시스템에서의 채널 행렬을 업데이트하는 방식으로 수학식 9를 만족시키는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다.
디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬 산출 식을 도출할 수 있다(S300).
디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 수학식 7에서 RF 필터의 값을 아날로그 빔포밍 행렬 설정부(11)에서 산출하는 아날로그 빔포밍 행렬의 값으로 고정하여, 수학식 7에 개시된 합 전송률을 최대화하기 위한 하이브리드 빔포머 필터 산출 식으로부터 상기 수학식 12와 같이 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출할 수 있다. 여기서, 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE 식은 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬이 최소가 되게 하는 최적화변수로 하는 식으로 도출될 수 있다.
디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 디지털 빔포밍 행렬 산출 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정할 수 있다(S400).
디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 수학식 13과 같은 디지털 빔포밍 행렬의 최적해를 산출할 수 있다. 즉, 디지털 빔포밍 행렬 설정부(13)는 한 번에 나머지 변수를 고정한 상태에서 하나의 변수를 산출할 수 있으며, 각 변수의 최적해가 수렴할 때까지 각 변수를 업데이트할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 의해 구축되는 하이브리드 빔포머 방식을 채택한 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템의 유리한 효과에 대해 설명한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 의해 구축되는 하이브리드 빔포머 방식을 채택한 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템의 합 전송률과 종래의 다양한 방식에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률을 비교하여 도시한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)는 상술한 바와 같이 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 통신 시스템에서의 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 산출할 수 있으며, 산출한 아날로그 빔포밍 행렬을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출할 수 있다. 이에 따라, 종래의 다양한 하이브리드 빔포밍 행렬 설정 알고리즘에 비해 계산의 복잡도를 간소화할 수 있다.
아래 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(10)에서 하이브리드 빔포밍 행렬을 산출하는 데에 사용되는 계산식(Proposed RF, Proposed BB)과, 종래의 하이브리드 빔포밍 행렬 설정 알고리즘에 사용되는 계산식(FD WMMSE, WMMSE-OMP, Hybrid ZFR-ZFT)를 개시한다.
Figure 112018113353694-pat00072
도 5 및 도 6에 도시된 그래프를 도출하기 위해, 500MHz 및 7dB의 대역 및 노이즈 환경의 통신 시스템을 모델링하였다.
Asymptotic upper-bound 기법에 따라 구축되는 통신 시스템은 쌍간 간섭이 완벽하게 완화되었다고 가정하고 얻은 성능 상한의 통신 시스템이다.
Optimal FD WMMSE 기법에 따라 구축되는 통신 시스템은 FD 도메인(M=MRF 및 N=NRF)에서 제안된 필터 설계 방법에 따라 구축되는 통신 시스템이다.
WMMSE-OMP 기법에 따라 구축되는 통신 시스템은 스파스 근사 프레임워크(sparse approximation framework)를 채택하는 일반적인 OMP 기반 필터 설계 기법에 따라 구축되는 통신 시스템이다.
Hybrid ZFR-ZFT 기법에 따라 구축되는 통신 시스템은 BB 필터 설계에 ZFR-ZFT(zero-forcing reception and zeroforcing transmission) 방식을 채택한 일반적인 하이브리드 빔포머 필터 설계 기법에 따라 구축되는 통신 시스템이다.
도 5를 참조하면, Pk 에 따른 통신 시스템의 합 전송률을 확인할 수 있다. 이때, K=2, MRF=NS, NRF=4Ns 및 L=4이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률이 WMMSE-OMP 및 Hybrid ZFR-ZFT 방식에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률에 비해 월등히 뛰어남을 확인할 수 있다. 이때, Ns가 커질수록 그 차이가 커짐을 확인할 수 있는데, 이는 본 발명에 따라 구축되는 통신 시스템은 멀티 스트림 통신 시스템에 적용되는 것이 보다 유리하다고 볼 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률과 Optimal FD WMMSE 기법에 따라 구축되는 통신 시스템의 합 전송률의 차이는 대략 8% 미만인데, 본 발명은 보다 적은 수의 RF 체인을 구축하므로 결과적으로는 더 나은 성능을 보인다고 할 수 있다.
도 6을 참조하면, MRF=1, NRF=2K, L=8 및 Pk=20dBM으로 설정하고, M 및 N에 대한 점근선 상한과 본 발명에 따라 구축되는 통신 시스템의 평균 합 전송률을 비교할 수 있다. 도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따르면 사용자 수의 쌍에 관계 없이 M 및 N이 모두 증가함에 따라 점근선 상한에 접근한다. 또한, Optimal FD WMMSE 기법은 점근선 상한값 및 제한된 방정식으로 제한되어 있으므로, 본 발명에 따르면 복잡성이 훨씬 적은 점근적 영역에서 Optimal FD WMMSE 기법과 동일한 설계가 가능함을 확인할 수 있다.
이와 같은, 본 발명의 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1000: 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템
1: 릴레이 노드
5: 유저 노드
10: 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치
11: 아날로그 빔포밍 행렬 설정부
13: 디지털 빔포밍 행렬 설정부

Claims (13)

  1. 다중 쌍의 유저 노드 간 릴레이 노드의 도움을 받아 반이중 방식으로 통신하는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서 하이브리드 빔포머 필터를 설계하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치에 있어서,
    상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하고, 상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 아날로그 빔포밍 행렬 설정부; 및
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하고, 상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 디지털 빔포밍 행렬 설정부를 포함하며,
    상기 디지털 빔포밍 행렬 설정부는, 상기 통신 시스템에서의 각 노드에 마련되는 디지털 빔포밍 행렬을 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬이 최소가 되게 하는 최적화변수로 하는 상기 WMMSE 식을 도출하고, 상기 WMMSE 식에 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬이 서로 직교하게 하고, Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에서 Gram-Schmidt 프로세스를 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬을 업데이트하는 방식으로 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 최적해를 상기 아날로그 빔포밍 행렬 및 상기 디지털 빔포밍 행렬의 조합으로 나타내는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부는,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에 대응하는 전파 경로의 도래각(AoA) 및 발사각(AoD)을 산출하는 것을 더 포함하고,
    상기 디지털 빔포밍 행렬 설정부는,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬 설정부로부터 상기 도래각 및 상기 발사각을 수신하고, 상기 도래각 및 상기 발사각을 가능하게 하는 BB 필터 설계를 위한 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치.
  8. 다중 쌍의 유저 노드 간 릴레이 노드의 도움을 받아 반이중 방식으로 통신하는 밀리미터파 대역 다중쌍 양방향 릴레이 통신 시스템에서의 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법에 있어서,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법은, 상기 하이브리드 빔포머 필터를 설계하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 장치에 의해 수행되고,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법은,
    상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 하이브리드 빔포머 필터 산출 식을 도출하는 단계;
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계;
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하는 단계; 및
    상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함하며,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에서 상기 아날로그 빔포밍 행렬 값을 고정하여 디지털 빔포밍 행렬을 산출하는 WMMSE(weighted minimum mean square error)식을 도출하는 단계는,
    상기 통신 시스템에서의 각 노드에 마련되는 디지털 빔포밍 행렬을 각 노드에서의 가중행렬 및 오류 공분산 행렬이 최소가 되게 하는 최적화변수로 하는 상기 WMMSE 식을 도출하는 단계를 포함하며,
    상기 WMMSE 식을 이용하여 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는,
    상기 WMMSE 식에 블록 좌표 하강법(block coordinate descent)을 적용하여 상기 디지털 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬이 서로 직교하게 하는 단계; 및
    Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    Gram-Schmidt 프로세스를 이용하여 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는,
    상기 아날로그 빔포밍 행렬의 코드워드에서 Gram-Schmidt 프로세스를 적용하여 상기 통신 시스템에서의 채널 행렬을 업데이트하는 방식으로 상기 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 통신 시스템을 구성하는 각 노드에 마련되는 안테나 개수가 무한대가 되는 상황을 간주한 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설정하는 단계는,
    상기 하이브리드 빔포머 필터 산출 식에 상기 점근적 분석 기법을 적용하여 상기 통신 시스템에서의 합 전송률이 최대가 되게 하는 최적해를 상기 아날로그 빔포밍 행렬 및 상기 디지털 빔포밍 행렬의 조합으로 나타내는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포머 필터 설계 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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