KR102186869B1

KR102186869B1 - 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템

Info

Publication number: KR102186869B1
Application number: KR1020190095343A
Authority: KR
Inventors: 에드워드; 이경천
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2020-12-04

Abstract

본 기술은 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템을 개시한다. 본 기술의 구현 예에 따르면, RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘으로 선택된 소정 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 연산 복잡도가 낮고, RF 체인의 소비 전력을 줄일 수 있는 동시에 썸레이트를 향상시킬 수 있고, RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘이 적용된 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템의 주파수 효율 SE 및 에너지 효율 EE 을 기존의 FVPS 및 FCPS 방식의 하이브리드 빔포밍 기법에 비교하여 모두 향상시킬 수 있다.

Description

대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템{HYBRIDE ANALOG AND DIGIGNAL BEAMFORMING SYSTEM FOR MASSIVE MIMO SYSTEM}

본 발명은 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 업 링크의 대규모 MIMO 시스템에서 RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘으로 선택된 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거, 연산 복잡도가 낮고, 시스템의 소비 전력을 줄일 수 있으며, 썸레이트(Sum-Rate)를 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

이동 통신에서 기지국(BS)에 다수의 안테나가 장착된 대규모 다중 안테나 시스템은 최근 스펙트럼 및 에너지 효율 측면에서 시스템 성능을 획기적으로 향상시키는 것으로 간주되어 왔다.

종래의 주파수 대역에서 프리-코딩은 전형적으로 공간 서브 스트림들 사이의 간섭 완화를 위해 디지털 영역에서만 처리되며, 이에 따라 전용 무선 주파수 (RF) 체인 및 아날로그 대 디지털 또는 디지털 대 아날로그 변환기 (ADC / DAC)가 사용된다.

이에 5G 이동 통신 등의 차세대 이동통신에 있어서, 기지국은 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 결합한 하이브리드 빔포밍을 활용하기도 하며, 이 경우 디지털 빔포밍의 유연성과 멀티 레이어 전송 및 아날로그 빔포밍의 단순성을 결합하여 안테나의 개수를 효율적으로 증가시켜 대규모 다중 안테나 시스템을 구현한다.

이에 송수신기의 비용과 전력 소비는 대용량 다중 안테나시스템에서 과도한 전력 소모로 이어질 수 있는 안테나의 수에 비례하여 증가되고, 하드웨어의 구성이 복잡하고 다수의 RF 체인의 소비 전력이 큰 문제점이 있었다.

이에 본 출원인은 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 연산 복잡도가 낮고 RF 체인의 소비 전력을 줄일 수 있으며 썸레이트를 향상시킬 수 있고, 주파수 효율 및 에너지 효율을 증가할 수 있는 알고리즘을 제안한다.

A. Alkhateeb, Y. Nam, J. Zhang, and R. W. Heath, " Massive MIMO Combining with Switches,"IEEE Commun. Lett.,vol. 5, no. 3, pp. 232-235, Jun. 2016. A. K. Sah and A. K. Chaturvedi,"Quasi-Orthogonal Combining for Reducing RF Chains in Massive MIMO Systems,"IEEE Commun. Lett., vol. 6, no. 1, pp. 126-129, Feb. 2017. L. Liang, W. Xu and X. Dong, "Low-Complexity Hybrid Precoding in Massive Multiuser MIMO Systems,"IEEE Commun.Lett., vol. 3, no. 6, pp. 653-656, Dec. 2014.

본 발명의 목적은, 연산 복잡도가 낮고 소비 전력을 감소할 수 있으며, 총 달성 가능한 썸레이트(Sum Rate: 합전송율)를 향상시킬 수 있는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 에너지 효율(EE: Energy Efficiency) 및 주파수 효율(SE: Spectral Efficiency)을 동시에 향상할 수 있는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 일 실시예는,

대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템에 있어서,

안테나 및 저잡음 증폭기를 포함하는 안테나 서브 어레이가 다수개 마련되고, 각각의 안테나 서브 어레이의 출력측에 접속되는 다수의 스위칭소자로 구비되며, 외부로부터 공급되는 스위칭신호에 의거 다수의 스위칭소자 각각을 선택적으로 절환하는 다수의 스위칭 네트워크;

각 스위칭 네트워크의 출력단에 접속된 다수의 고정 위상 시프트로 구비되고, 상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 고정된 위상으로 천이하는 다수의 고정 위상 시프트부; 및

상기 고정 위상 시프트의 각 출력 신호를 결합한 다음 공간 스트림(spatial stream)을 출력하는 다수의 RF 체인;

다수의 RF 체인이 각각 접속되어 공간 스트림을 디지털화하는 아날로그 대 디지털변환기; 및

상기 아날로그 대 디지털변환기의 출력단에 접속되어 공간 디코딩하여 빔포밍 형태로 유저 단말로 전송하는 디지털 결합기를 포함하고,

상기 기지국과 유저 단말 간의 전파 환경을 토대로 각 스위칭 네트워크의 각 스위칭소자의 스위칭 신호를 생성하여 스위칭 소자로 전달하는 제어부를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게 상기 다수의 스위칭 네트워크는 상기 안테나의 수와 동일한 수로 구비되고, 각각의 스위칭소자는 상기 제어부의 스위칭신호에 의거 활성 상태 및 비활성 상태 중 하나로 절환하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 제어부는, 상기 활성 상태의 스위칭소자에 의거 RF 체인과 연결된 최적 안테나 세트를 검색하기 위한 완전 검색(Exhaustive search)을 수행하되, 상기 완전 검색은, 감소 검색 기반의 안테나 서브세트 선택(DS-ASS: Decremental Search based Antenna Subset Selection) 기법으로 수행되며, 상기 DS-ASS 검색 기법은 모든 안테나를 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인에 연결한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고, 모든 안테나가 상기 하나의 RF 체인을 제외한 나머지 RF체인 중 하나의 RF 체인에 연결될 때 마다 썸레이트를 연산하며 연산된 썸레이트가 이전 최대 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가된 RF 체인에 연결된 안테나 서브세트 및 증가된 현재 연산된 썸레이트를 최대 썸레이트로 업데이트하고, 반복 검색 횟수를 증가하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 DS-ASS 검색 기법은, 상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정의 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 감소되는 경우 조기 종료하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 상기 DS-ASS 검색 기법은, 상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 증가하지 아니한 경우 이전의 검색된 RF 체인과 연결된 안테나 세트 및 이전의 최대 썸레이트를 유지하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 상기 제어부는,

상기 기지국과 유저 단말 간의 전파 환경을 토대로 활성 상태의 스위칭 소자에 의거 RF 체인과 연결된 최적 안테나 서브세트 S를 검색하기 위한 완전 검색(Exhaustive search)을 수행하되, 상기 완전 검색은, 동적인 활성 상태의 스위칭소자의 수 L 을 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법으로 수행되며,

상기 동적인 L의 CM-ASS 검색 기법은, RF 체인의 수와 동일한 수의 활성 상태의 스위칭소자에 의거 모든 안테나를 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인에 연결한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고, 직교로 구성된 행을 가지는 채널 행렬의 엔트리의 절대값을 오름차순으로 정렬하고, 정렬된 채널 행렬의 각 행에서 가장 작은 채널 행렬에 해당하는 안테나 인덱스 행렬 중 임의의 행에 대응하는 안테나 서브세트의 0이 아닌 하나의 엔트리를 0을 변환한 다음 썸레이트를 연산하며, 연산된 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가한 안테나 서브세트와 연산된 썸레이트를 이전의 최대 썸레이트로 업데이트한 다음 반복 검색 횟수를 증가하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 동적 L의 CM-ASS 검색 기법은, 상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정의 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 감소되는 경우 조기 종료하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 동적 L의 CM-ASS 검색 기법은 상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 증가하지 아니한 경우 이전의 검색된 RF 체인과 연결된 안테나 세트 및 이전의 최대 썸레이트를 유지하도록 구비될 수 있다.

바람직하게 상기 제어부는, 고정된 활성 상태의 스위칭 소자의 수 L 를 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법의 완전 검색을 수행하되, 상기 고정 L 의 CM-ASS 검색 기법은 RF 체인의 수와 동일한 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 모든 안테나와 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인과의 연결을 제거한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고, 안테나 인덱스 행렬의 첫번째 L 의 행에 있는 안테나 인덱스에 대응되는 각 안테나 서브세트의 0 엔트리를 1로 변환한 다음 썸레이트를 연산하며, 연산된 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가된 안테나 서브세트와 연산된 썸레이트를 이전 최대 썸레이트로 업데이트하도록 구비될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘으로 선택된 소정 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 연산 복잡도가 낮고, RF 체인의 소비 전력을 줄일 수 있는 동시에 썸레이트를 향상시킬 수 있다.

또한, 일 실시 예에 의한 RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘이 적용된 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템에서 주파수 효율 SE 및 에너지 효율 EE를 기존의 FVPS 및 FCPS 방식의 하이브리드 빔포밍 기법에 비교하여 모두 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예의 하이브리드 빔포밍 시스템에 적용된 기지국 구성도이다.
도 2는 일 실시예의 시스템의 스위칭소자의 세부 구성도이다.
도 3은 일 실시예의 시스템의 DS-ASS 검색 과정을 보인 순서도이다.
도 4는 일 실시예의 시스템의 CM-ASS 검색 과정을 보인 순서도이다.
도 5는 일 실시예의 시스템의 활성 상태의 스위칭소자 수 별 SE 그래프이다.
도 6은 일 실시예의 검색 기법 및 기존 기법 별 달성된 SE의 그래프이다.
도 7은 일 실시예의 RF 체인 당 선택된 안테나 수 별 SE 비교 그래프이다.
도 8은 일 실시예의 RF 체인 당 CPS의 수 별 SE 비교 그래프이다.
도 9는 일 실시예의 시스템에서 유저 단말 K 수 별 SE 비교 그래프이다.
도 10은 일 실시예의 시스템에서 유저 단말 K 수 별 EE 비교 그래프이다.
도 11은 일 실시예의 K = 4 일때 안테나 수에 대한 EE 비교 그래프이다.
도 12은 일 실시예의 K = 8 일때 안테나 수에 대한 EE 비교 그래프이다.

이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 안테나 어레이에 부등수의 수신 안테나를 할당하여 그룹화함에 따라 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 아나롤그 디지털 빔포밍 기법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 업링크 시 대규모 다중 안테나 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행하는 기지국 BS의 세부 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스위칭 네트워크의 스위칭 소자의 세부 구성도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 다중 MIMO 시스템의 안테나 시스템은 N _r 개의 수신 안테나(11, 12..)와 N _r 개의 RF 체인(51, 52, ..)이 장착된 기지국 BS로 구비되고, 업 링크 시 N < N _r 이고 K 개의 단일 안테나의 유저 단말 User 를 포함한다.

즉, 기지국 BS는 N _r 개의 수신 안테나(11, 12..)와 수신 안테나(11, 12, ...)의 출력단에 접속된 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier: 21,22, ...)를 포함하고, N _r 개의 저잡음 증폭기(21, 22, ...)의 출력단에 접속된 스위칭 네트워크(31, 32..) 및 스위칭 네트워크(31, 32..)의 출력단에 접속된 고정 위상 시프트(41, 42,...)를 더 포함한다.

스위칭 네트워크(31, 32,..)의 각 스위칭 소자는 도 2에 도시된 바와 같이, 비활성 단자(inactive state)와 활성 단자(active state)가 포함되며, 활성 단자(active state) 각각에는 Nc 개의 고정 위상 시프트 CPS(41, 42, ..)가 연결된다.

그리고, 기지국 BS는 각 고정 위상 시프트 CPS(41, 42, ..)의 출력단에 접속된 N _RF = K 개의 RF 체인(51, 52, ..)을 통과한 수신 신호를 디지털화하는 아날로그 대 디지털변환기(ADC : 61, 62, ...)를 포함하고, 아날로그 대 디지털변환기(ADC: 61, 62, ...)의 출력단 접속된 디지털 결합기(70)를 더 포함한다.

이에 RF 체인(51, 52, ..)을 통과한 신호는 아날로그 대 디지털변환기(ADC: 61, 62, ..)에 의거 각각 디지털화한 다음 디지털 결합기(70)에 의거 공간 디코딩 및 tabu 검색 등을 통해 빔포밍된다.

한편, 기지국 BS는 제어부(100)를 더 포함하고, 제어부(100)는 전파 환경에 따라 스위칭 네트워크(31, 32, ..)의 각 스위칭소자를 선택적으로 비활성 단자(inactive state) 또는 활성 단자(active state)로 접속하기 위한 스위칭신호를 생성하며, 이하 제어부(100)에서 스위칭신호를 생성하는 일련의 과정을 설명한다.

우선 K 개의 유저 단말 user와 N _r 의 안테나를 가지는 기지국 BS는 N _RF = K 개의 RF 체인(51, 52, ..)을 구비하고, 각 RF 체인(51, 52,..)에는 N _c 개의 고정 위상 시프트 CPS(41. 42, ..)를 통해 L

개의 안테나(11, 12, ...)가 연결되어 있다고 가정하자. 안테나 대 고정 위상 시프트 CPS 간의 연결을 고려하면 도 2에 도시된 바와 같이, 각 스위칭소자는 활성 상태(active state) 또는 비할성 상태(inactive state)로 동작될 수 있다.

이러한 스위칭 네트워크(31, 32, ...)에서 스위칭소자가 활성 단자에 접속되면 해당 안테나는 하나의 고정 위상 시프트 CPS에 연결되고, 반대로 스위칭소자가 비활성 단자에 접속되면, 해당 안테나는 어떠한 고정 위상 시프트 CPS에 연결되지 아니한다.

이에 기지국 BS의 수신신호는 다음 식 1로 주어진다.

[식 1]

여기서, 수신 신호

는 수신되어진 신호 백터이고, p 는 모든 유저 단말로부터 수신된 전력의 평균이며,

는 전송 신호 백터이며,

는 k 번째 유저 단말에 의해 전송된 심볼이다.

또한,

은 채널 행렬로 정의되며, k 번째 유저 단말의 채널 벡터는

이다. 이에

는

을 가지는 독립 및 동일 분포(Independent and identically distributed)의 추가 백색 가우시안 잡음 벡터이다. 따라서, 상기 수신 신호

는 다음 식 2로 정리될 수 있다.

[식 2]

전송 심볼

를 구하기 위해, 기지국 BS는 수신 신호를 하이브리드 아날로그 디지털 결합하여 기지국 BS의 전송신호를 생성하고 생성된 전송신호는 다음 식 3을 만족한다.

[식 3]

여기서,

는 전송 심볼

에 대해 하이브리드 결합 벡터이고, 전송 심볼

에 대해

은 아날로그 빔포밍 ABF(Analog Beamforming) 행렬이며,

는 디지털 결합 벡터이다.

이에 일 실시 예에서 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

은 스위칭 네트워크(31, 32, ...)의 스위칭소자의 활성 상태와 고정 위상 시프트 CPS(41, 42, ...)의 고정 계수로 도출되며, 이때 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

은 다음 식 4로 나타낼 수 있다.

[식 4]

여기서,

는 복소수 스위칭 행렬이고,

는 위상 시프트 연산 행렬이며,

는 k 번째 RF 체인에 대해 스위칭 행렬로 다음 식 5a 및 식 5b의 조건을 만족한다.

[식 5a]

[식 5b]

여기서 식 5a의 조건은 스위칭 소자의 사용을 나타낼 수 있고, 식 5b의 조건은 각 RF 체인에 대한 연결된 각 안테나가 최대 하나의 CPS에 연결된다는 것을 의미한다.

예를 들어, N _r = 6 이고 N _C = 3 인 경우 k 번째 RF 체인에 대한 스위칭 행렬

는 다음 식 6이다.

[식 6]

식 6에서 두 번째 행과 다섯 번째 행은 k 번째 RF 체인에 대해 안테나 2와 의 스위칭 소자가 비활성 상태인 반면 다른 모든 안테나는 고정 위상 시프트 CPS에 연결된다. 따라서, 안테나 2 및 3의 수신 신호는 k 번째 RF 체인과의 신호 결합에서 제외되고, 안테나 2 및 3의 수신 신호를 제외한 나머지 수신 신호는 고정 위상 시프트 CPS에 결합된다.

L _k 가 k 번째 RF 체인에 대해 활성 상태의 스위칭 소자의 수일 때 상기 식 6은 다음 식 7로 나타낼 수 있다. 식 6에 의하면, L _k 는 4이다.

[식 7]

식 4를 참조하면, 행렬

는 고정 위상 시프트 CPS에 의해 수행되는 위상 시프트 연산 행렬이므로, 위상 시프트 연산 행렬

은 블록 대각 행렬로 다음 식 8로 표현된다.

[식 8]

여기서,

은 활성 가능한 N _C 고정 위상 시프트로서, 다음 식 9로 표현된다.

[식 9]

여기서, 아날로그 빔포밍 ABF 행렬의 k 번째 컬럼 벡터는

로 주어진다. 즉, 활성 상태의 스위칭 소자에 연결된 안테나에 해당하는 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

의 엔트리는 0이 아니고, 반대로 비활성 상태의 스위칭 소자에 연결된 안테나에 해당하는 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

의 엔트리는 0이 된다.

즉, 아날로그 빔포밍 ABF 행렬의 k 번째 컬럼 벡터

의 각 엔트리는 0 이거나 절대값 1이 된다. 즉

이다. k 번째 RF 체인에 대해 선택된 안테나의 수는

L _k 이고 _, 여기서,

로 주어진다. 기지국 BS의 k 번째 유저 단말의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)는 다음 식 10으로 표현된다.

[식 10]

도 1에 도시된 일 실시 예에 따른 업링크 시 다중 MIMO 시스템는 총 달성 가능한 썸레이트를 최대화하는 방식으로 디지털 결합 및 아날로그 결합

를 설계할 수 있다.

이에 총 달성 가능한 썸레이트 C 는 다음 식 11로 공식화할 수 있다.

[식 11]

여기서,

은 식 4 및 식 5a 및 식 5b를 만족하는 아날로그 빔포밍 ABF 행렬 세트이다.

한편, 각 유저 단말의 채널은 독립된 전파 경로 N _p 의 수와 동일하고, k 번째 유저 단말과 기지국 BS 간의 채널 벡터

는 다음 식 12에 의해 주어진다.

[식 12]

여기서,

은

번째 경로의 복소수 이득이고,

은

번째 경로의 도착각(AoA: Angle of arrival)으로 정의된다. 또한

은 기지국 BS에서 안테나 어레이의 응답 벡터로 나타낸다. 기지국 BS는 균일한 선형 어레이(uniform linear array)하므로, 안테나 어레이의 응답 벡터

는 다음 식 13으로 모델링할 수 있다.

[식 13]

여기서, d 는 안테나 공간이고 λ는 캐리어 신호의 파장이다.

한편, 일 실시 예는 식 11의 썸레이트

을 가지는 최적의 RF 체인과 안테나의 결합을 도출하기 위해 스위칭 네트워크(31, 32..)의 스위칭 행렬의 결합 문제를 해결하여야 한다.

첫번째 결합 문제는 N _r K 스위칭 소자의 상태를 2 ^NrK 가능한 조합 전체에서 검색할 때 대규모 MIMO 시스템에서 스위칭소자의 결합을 결정하는 방법이다. 두 번째 결합 문제는 선택된 안테나와 가용 고정 위상 시프트 N _C 간의 최적 연결을 결정하는 방법이다. 예를 들어, N _r 안테나 중 L 개의 안테나가 각 RF 체인에 대해 선택되면, 선택된 안테나와 가용 위상 고정 시프트 N _C 사이에 가능한 연결이 N _C ^KL 인 경우 선택된 안테나와 고정 위상 시프트 N _C 사이의 최적 연결을 결정하는 방법이다. 이에 일 실시 예는 낮은 연산 복잡도 기반의 스위칭 행렬을 2단계로 설계하여 전술한 하위 문제를 해결함에 따라 근접 최적 솔루션을 제공할 수 있다.

이에 첫번째 단계에서 안테나 서브세트의 선택은 무시한다. 즉, 스위칭 행렬

및

각각은

및

로 각각 정의되고, 식 5b 및 식 7의 각각의 스위칭 행렬 및 활성 상태의 스위칭 소자의 수는 각각 식 14a 및 식 14b로 정리된다.

[식 14a]

[식 14b]

따라서, 모든 스위칭소자가 활성 상태이므로, 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

는 0이 아닌 엔트리를 가진다. 0 이 아닌 엔트리를 가지는 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

은

로 정의된다.

낮은 연산 복잡도의 솔루션을 찾기 위해, 일 실시 예는 0이 아닌 엔트리를 가지는 스위칭 행렬

을 설계하기 위해 유클리안 거리(Euclidean distance) 방식을 채택하고 SINR가 향상되도록 간섭 신호에 의해 생성된 식 10의 SINR의 분모의 첫번째 항을 최소화하기 위해 채널 행렬

기반의 직교로 구성된 컬럼을 가지는 채널 행렬

을 채택한다.

또한 일 실시 예는 가장 짧은 유클리안 거리를 기반으로 k 번째 RF 체인에 대한 스위칭 행렬

에서 n 번째 안테나의 스위치는 채널 벡터

에 초근접 위상에 대응되는 위상 시프트 연산 행렬

로부터 위상

를 갖는 고정 위상 시프트 CPS를 선택한다. 그리고,

는 k 번째 RF 체인 상의 n 번째 안테나에 해당하는 채널 계수의 위상이라 하면, 위상

는 다음 식 15로부터 얻는다.

[식 15]

여기서, 선택된 고정 위상 시프트의 인덱스는

이다. 이에 해당 스위칭소자는 활성 상태로 설정되고, 0 이아닌 엔트리를 가지는 스위칭 행렬은 다음 식 16으로 나타낸다.

[식 16]

결국 k 번째 컬럼 벡터에 대한 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

는 다음 식 17로 표현된다.

[식 17]

식 15 및 식 16에서 스위칭 행렬은 안테나 서브세트 선택을 수행하지 아니한다는 전제 하에서 설계되므로, 모든 스위칭 소자는 활성 상태임을 의미한다.

그러나 일 실시 예는 식 5의 스위칭 행렬의 제약 조건 하에서 썸레이트 C 는 식 11을 만족하기 위한 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

를 설계하기 위해 선택된 스위칭소자 세트는 활성 상태이여야 한다.

따라서, 일 실시 예는 식 5의 스위칭 행렬의 제약 조건을 만족하기 위해 첫번째 단계에서 얻어진 스위칭 행렬을 보정하여야 하고, 두번째 단계에서 행렬

을 유도하여야 한다.

각 아날로그 빔포밍 ABF 행렬의 k 번째 컬럼 벡터 S _k 에서 첫번째는 k 번째 RF 체인에 대해 선택된 안테나에 해당된다. k 번째 RF 체인을 위해 선택된 안테나서브세트는 j 번째 RF 체인을 위해 선택된 안테나 서브세트와 반드시 동일하지 아니하다. 즉,

이다. 예를 들어,

는 첫번째 RF 체인에 대해 선택되어진 안테나 인덱스 세트이고,

이 두번째 RF 체인에 대해 선택된 안테나 인덱스 세트이면, n 번째 안테나는 k 번째 RF 체인에 대해 선택되지 아니한 경우 다른 일부 RF 체인에 대해 선택될 수 있으므로, n 번째 안테나는 비활성 상태가 아니다.

여기서, 안테나 서브세트 선택이 반영되도록 안테나 세트

는 스위칭 행렬

을 스위칭 행렬

로 변환한다. 안테나 세트

의 k 번째 컬럼은 스위칭 행렬

를 생성하기 위해 스위칭 행렬

의 각 컬럼 요소 단위를 곱한다. 즉,

에 대해, 스위칭 행렬

는 다음 식 18에 의해 도출된다.

[식 18]

식 4의 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

과 식 18의 스위칭 행렬

을 토대로 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

의 k 번째 컬럼 벡터

는 다음 식 19로 나타낸다.

[식 19]

식 19는 다음 식 20으로 간소화될 수 있고, 이에 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

는 식 21로 정리할 수 있다.

[식 20]

[식 21]

식 21로부터 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

는 안테나 세트

및

의 원소 단위 곱셈을 통해 도출될 수 있고, 여기서

는 고정 위상 시프트 CPS의 N _C 개의 가능 고정 위상 시프트 중 가장 근접 위상에 대한 채널 행렬

의 각 위상 엔트리를 양자화하여 생성되는 반면 안테나 세트

는 각 RF 체인에 대해 선택된 안테나의 엔트리 1을 포함하고, 선택되지 아니한 다른 안테나의 엔트리 0을 포함한다.

또한 기저대역 디지털 결합을 위해 일 실시 예는 최소 평균 제곱 에 러(MMSE: Minimum Means Squared Error) 빔포밍 기법을 채택하며, 유효 채널

를 이용한다. k 번째 유저 단말의 비정규화된 디지털 결합기(70)의 디지털 빔포밍 행렬은 다음 식 22로 나타낼 수 있다.

[식 22]

여기서,

은 유효 채널

의 k 번째 컬럼 벡터이다. 그리고 사후 정규화에서 디지털 결합기 70의 디지털 빔포밍 행렬은 다음 식 23이 된다.

[식 23]

식 21의 아날로그 빔포밍 ABF 행렬

과 식 23의 디지털 빔포밍 행렬

을 이용하여 유저 단말 K 의 썸레이트는 다음 식 24로 연산된다.

[식 24]

여기서,

은 식 10에 의해 주어진 k 번째 유저 단말의 사후 정규화된 SINR 이다. 따라서, 안테나 서브세트 S의 최적화는 다음 식 25a, 25b 및 25c로 공식화할 수 있다.

[식 25a]

[식 25b]

[식 25c]

식 25a 내지 25c에서 안테나 서브세트 선택은 결합 문제이고, 최적 안테나 인덱스 세트 S를 찾기 위한 완전 검색(Exhaustive search)은 과도한 연산 복잡도를 가진다. 이에 일 실시 예는 낮은 연산 복잡도를 가지는 안테나 서브세트의 선택을 수행하기 위해 3개의 근접 최적화 알고리즘(Near optimal algorithms)을 수행한다. 근접 최적화를 위해 감소 검색 기반의 안테나 서브세트 선택 (DS-ASS: Decremental Search based Antenna Subset Selection) 기법이 수행된다. DS-ASS 기법은 모든 안테나가 각 RF 체인에 연결되어 있다고 가정하고 초기 썸레이트를 연산한 다음 매회 반복 검색 프로세서의 수행마다 RF 체인이 연결될 때 썸레이트가 최대로 증가하는 각 RF 체인에 연결된 안테나를 검색한다.

각 반복 검색에서 썸레이트가 최대로 증가하는 각 RF 체인에 연결된 안테나는 특정 RF 체인에 연결된 안테나 세트에서 제거된 다음 DS ASS 검색 기법을 반복 수행하되, 최대 썸레이트에 도달할 때까지 반복 수행한다. 이때 썸레이트는 일부 반복 검색에서 감소될 수 있고, 최대에 도달하기 전에 다시 증가될 수 있다. 따라서 특정 단계에서 썸레이트가 감소되더라도 DS-ASS 검색 기법은 연속

회까지 계속되며,

연속 반복 이상으로 썸레이트가 계속 감소되면 DS ASS 검색 기법은 조기 중지(Early Termination)된다.

도 3은 제어부(100)의 감소 검색 기반의 안테나 서브세트 선택 (DS-ASS: Decremental Search based Antenna Subset Selection) 검색 기법을 실행하기 위한 순서도로서, 도 3을 참조하면, 단계 1에서 안테나 세트

은

로 초기화되고, 단계 3에서 제어부(100)는 식 21 내지 식 24를 이용하여 초기 썸레이트를 연산하고 초기 썸레이트를 최고 썸레이트

로 설정한다.

단계 5에서 제어부(100)는 안테나 세트

의 모든 컬럼을 하나의 컬럼으로 연결하여 안테나 세트

를 벡터

로 재구성한 다음 재구성된 안테나 세트

를 최고 안테나 서브세트 S _best 로 설정한다.

단계 12 내지 14에서, 제어부(100)는 각 로컬 반복 검색에서

의 0이 아닌 엔트리를 0 으로 변환하여 새로운 벡터

를 생성한다. 이에 백터

는 안테나 세트

로 재구성된다. 단계 16에서, 제어부(100)는 썸레이트

를 연산한다. 이러한 로컬 반복 검색이 끝날 때, 단계 18에서 제어부(100)는 최대 썸레이트의 안테나 인덱스

를 도출한다.

단계 19에서, 인테나 서브세트

는 0 엔트리를 가지는

번째 엔트리로 대체되어 업데이트된다. 다음 최대 썸레이트

는 현재 가장 큰 썸레이트 C _best 와 비교한다.

이면, 현재 최고 썸레이트 C _best 및 최고 안테나 세트 S _best 는 최대 썸레이트

와 안테나 서브세트

로 각각 업데이트된다. 또한 단계 20 내지 21에 도시된 바와 같이, 검색 프로세서는 반복 수행된다. 그리고

이면, 검색 기법은

에 도달할 때 까지 현재 최고 썸레이트 C _best 및 최고 안테나 세트 S _best 의 업데이트없이 계속 진행된다.

이러한 DA-ASS 검색 기법은

연속 반복에 대해 썸레이트 C _best 가 증가하지 않는 경우 조기 종료된다. 마지막으로, 단계 27에서, 안테나 서브세트 선택을 위한 솔루션으로 안테나 세트 S _best 는 최적 안테나 세트

을 생성하기 위한 행렬로 정리된다.

이러한 안테나 서브세트 검색 기법의 연산 복잡도를 감소하기 위해, 일 실시 예는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(CM-ASS: Channel Magnitude based Antemma Subset Selection)기법의 검색 프로세서를 제안한다. CM-ASS 검색 기법은 전술한 DA-ASS 기법의 검색 프로세서와는 다르게 같은 수의 활성 상태의 스위치가각 RF 체인에 연결된다. 즉, 임의의 k에 대해

이다.

이러한 CM-ASS 검색 기법은 활성 상태의 스위칭 소자의 갯수 L이 동적 경우와 L이 고정 경우를 고려하여야 한다. 즉, 동적인 경우 활성 상태의 스위칭 소자의 갯수 L은 합산율을 최대화하기 위해 반복적인 검색 기법을 통해 도출되고, L의 값은 채널 상태에 따라 변동된다. 대조적으로, L이 고정인 경우, L은 기 정해진 값으로 고정된다.

L이 동적인 경우 CM-ASS 검색 기법은 모든 안테나가 RF 체인에 연결되어 있다는 가정하여 초기 썸레이트를 연산하고, 모든 안테나에 대해 반복 검색 기법을 수행하여 스위칭소자를 통해 RF 체인과 유저 단말 K 간의 연결을 제거하며, 채널 행렬

기반의 직교로 구성된 행을 가지는 행렬

의 각 행에서 가장 작은 크기를 갖는 엔트리에 해당하는 각 RF 체인에 대한 안테나 서브세트 중 하나를 제거한다. 그리고, 해당하는 안테나 세트에 대해, 썸레이트가 연산된다. 연산된 현재 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 큰 경우 전술한 CM-ASS 검색 기법은 반복된다. 즉, DS-ASS 검색 기법과 유사하게, 동적인 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법은

회까지 연산된 현재 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 크지 아니하면 CM-ASS 검색 기법은 조기 종료한 다음 썸레이트의 연산 횟수를 증가한다.

도 4는 동적인 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법을 실행하는 순서도로서, 도 4를 참조하면, 단계 1 내지 2에서, 제어부(100)는 도 3에 도시된 검색 기법과 동일한다.

그리고, 단계 6 내지 8에서 제어부(100)는 안테나 인덱스 행렬

를 설정한 다음 채널 행렬

의 엔트리의 절대값을 오름차순으로 정렬한다. 단계 13 내지 16에서, 제어부(100)는

번째 반복 동안,

의

번째 행에 있는 안테나 인덱스에 대응하는 안테나 세트

의 각 행에 있는 하나의 0이 아닌 엔트리는 0으로 변환한다. 단계 17에서, 제어부(100)는 해당 안테나 세트의 썸레이트

를 도출한다. 이 후 단계 18 내지 20에서 제어부(100)는 이전 최대 썸레이트 C _best 와 연산된 현재 썸레이트

를 비교한다. 비교 결과

이면, 최적 안테나 세트

은 연산된 현재 안테나 세트

와 연산된 현재 썸레이트

를 각각 업데이트한 다음 CM-ASS 검색 기법을 반복 수행한다.

그리고, 비교 결과

이고, 반복 횟수

이면, CM-ASS 검색 기법은 조기 종료하고 현재 최적 안테나 세트

은 안테나 서브세트 선택에 대한 솔루션으로 채택된다.

한편, L 이 고정인 경우 CM-ASS 기법의 검색 프로세서는 도 4를 참조하면, 단계 1에서 제어부(100)는 안테나 세트

를

로 초기화한 다음 단계 2 및 단계 6 내지 9를 수행한다.

이에 최적 안테나 세트

는 안테나 세트

의 각 열에 있는 L 개의 0 엔트리를 안테나 인덱스 행렬

의 첫번째 L 개의 컬럼에 있는 안테나 인덱스에 해당하는 1로 변환하여 생성된다.

고정된 활성 상태의 스위칭소자의 갯수 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법은 동적인 L 을 갖는 CM-ASS 검색 기법의 단계 11 내지 25을 반복 수행하지 아니하고, N _r -1 회 반복 검색이 요구되고, 단계 17에서의 썸레이트 연산이 요구된다. 따라서, 고정 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법에서의 연산 복잡도는 동적 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법 보다 실질적으로 낮다.

한편, 일 실시 예에 의한 대규모 MIMO 시스템에서의 에너지 효율(EE: Energy Efficiency)은 다음 식 26으로 정의된다.

[식 26]

여기서,

은 달성 가능한 썸레이트이고,

는 대규모 MIMO 시스템의 총 소비 전력이다.

이에 일 실시 예의 단일 저잡음 증폭기(LNA)와 아날로그 디지털 변환기(ADC)의 소비 전력은 각각

및

로 정의되고, 스위칭 소자, 가변 위상 시프트, 및 고정 위상 시프트 각각의 소비 전력은 P _SW, P _VPS , 및 P _CPS 로 정의되며, RF 체인 및 디지털 결합기의 각각은 P _RFC 및 P _BB 로 표현되는 경우 RF 체인의 소비 전력은 혼합기 P _M 와, 부분 발진기 P _LO, 로우 패스 필터 P _LPF, 및 기저 대역 증폭기 P _BBamp 를 포함하므로, 다음 식 27로 주어진다.

[식 27]

각 시스템 별 총 소비 전력은 다음 식 28a 내지 식 28d로 나타낸다.

[식 28a]

[식 28b]

[식 28c]

[식 28d]

여기서,

,

, 및

는 Fully Digitor FD, 풀 연결된 가변 위상 시프트 FVPS, 및 풀 연결된 고정 위상 시프트 FCPS 각각에 대한 소비 전력이다.

는 제안된 대규모 MIMO 시스템의 총 소비 전력이다. CM-ASS 검색 기법인 경우, L _k = L, k = 1, 2, ..., K 이고, 식 28d의 총 소비 전력

는 다음 식 29로 정리된다.

[식 29]

각 구성 요소의 소비 전력은 표 1에 도시된 바와 같다.

[표 1]

식 28d 와 식 29 및 표 1을 토대로, 일 실시 예는 저전력 구성 요소인 고정 위상 시프트 CPS 및 스위칭소자를 사용하기 때문에 fully digital FD 및 FVPS 기법과 비교하여 RF 체인에서 총 전력 소비가 적다. 또한, 식 28d와 식 29에서 각각

과

이므로, 제안된 시스템의 RF 체인에서의 전력 소비는 식 28c의 풀 고정 위상 시프트 FCPS의 소비 전력 보다 낮다. 이에 일 실시 예에 따르면, 비활성 상태의 스위칭 소자는 전력을 소비하지 않으므로 총 전력 소비를 줄어들고, 비활성 상태의 스위칭로 인해 썸레이트는 향상된다.

최적화 시뮬레이션 결과

각 단일 안테나의 유저 단말 K 과 기지국 BS 사이의 Np = 20 전파 경로를 갖는 환경에서 균일하게 분산된 무작위 도착각 AoAs 이 [0, 2π], 및

이다. RF 체인의 수는 유저 단말의 수와 동일하다고 가정한다. 즉 N _RF = K.

도 5는 안테나의 수 N _r = 64, 유저 단말의 수 K = 16, 고정 위상 시프트의 수 N _C = 8, SNR = 0 dB의 대규모 MIMO 시스템에서 고정 위상 시프트 L을 가지는 CM-ASS 검색 기법 수행 시 활성 상태의 스위칭소자의 수 L의 다양한 값에 대한 주파수 효율(SE : Spectral Efficiency)를 도시한 그래프로서, 도 5를 참조하면, 일 실시 예는 최대 SE가

에서 달성됨을 확인할 수 있다. 즉, RF 체인 당 약 25 %의 스위칭소자는 비활성 상태이다.

또한 도 5를 참조하면, 풀 고정 위상 시프트 FCPS 기법과 CM-ASS 검색 기법은 (ⅰ)

일 때 RF 체인 당 스위칭소자의 약 50 %가 활성 상태임을 알 수 있고, (ⅱ) L = N _r 일 때, 모든 스위칭소자는 활성 상태임을 알 수 있다.

이에 일 실시 예는 각 RF 체인에 대해

개의 스위칭소자가 활성 상태인 경우 CM-ASS 검색 기법의 SE는 FCPS 기법의 SE 성능에 도달될 수 있다.

한편, 다른 환경 및 SNR 즉, 고정된 L을 갖는 CM-ASS 기법의 검색 프로세서에서 고정된 L이 0.5N _r 및 0.75N _r 로 설정된다. 이에 고정 L = 0.75N _r 의 CM-ASS 검색 기법은 근접 최적 성능에 달성할 수 있고, L = 0.5N _r 의 CM-ASS 검색 기법은 풀 고정 위상 시프트 FCPS의 SE 성능을 달성하면서도 소비 전력은 매우 작다.

도 6은 일 실시 예의 낮은 복잡도의 CM-ASS 검색 기법의 안테나 서브세트 선택으로 달성된 SE와 그 외의 다른 기법으로 달성된 SE를 나타낸 그래프로서, 큰 N _r 및 K에 대한 완전 검색을 위한 조합의 수가 매우 많으므로 N _r = 8, K = 2 및 N _C = 8 의 작은 시스템에서의 DS-ASS 검색 기법으로 달성된 SE는 도 6에 도시된 바와 같이, 완전 검색(Eoxhaustive Search) 기반의 안테나 서브세트 선택 기법의 SE와 동일함을 알 수 있다. 또한 동적 L을 사용하는 CM-ASS 기법의 성능 손실은 완전 검색 기법에 대해 SNR = 12 dB에서 0.7 % 이다.

도 7은 N _r = 64, K = 16 및 N _C = 8 각각의 CM-ASS 검색 기법으로의 SE와 기존의 다른 기법으로의 SE를 나타낸 그래프로서, 도 7을 참조하면, 일 실시예의 고정 위상 시프트의 CM-ASS 검색 기법으로의 SE는 풀 고정 위상 시프트 FCPS 및 풀 가변 위상 시프트 FVPS의 다른 기법으로의 SE 보다 향상됨을 확인할 수 있다. 여기서, FCPS 기법은

개의 고정 위상 시프트 CPS를 채택하고, FVPS 기법은

개의 가변 위상 시프트 VPS을 이용한다.

그러나 CM-ASS 검색 기법을 이용하여 안테나 서브세트 선택함에 있어, 모든 스위칭소자가 활성 상태인 FCPS 기법에 비해 RF 체인 당 더 적은 수의 활성 상태의 스위칭소자가 이용되며, 이에 각 RF 체인에 대해 썸레이트를 낮출 수 있는 안테나 서브세트는 안테나 선택을 의한 신호 결합이 제외되므로, 제안된 검색 기법으로의 SE 성능이 FCPS 및 FVPS 기법에 비해 향상됨을 알 수 있다.

도 8은 N _C = {4, 6, 8, 12, 16, 24, 32}, N _r = 64, K = N _RF = 16 인 일 실시 예에서 SE 대 RF 체인 당 CPS의 수를 보인 그래프로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 서브 어레이 N _C 를 가지는 일 실시 예에서 제안된 검색 기법으로의 SE는 FCPS 기법으로의 SE 성능이 향상됨을 보여준다. 그러나 FCPS 기법의 SE 성능은 대규모 서브 어레이 N _C 의 경우 FVPS 기법으로의 SE 성능을 초과하지 않는다. 반대로, FVPS 기법으로의 SE 성능과 비교하여 우수한 성능을 보이기 위해 RF 체인 당 8 개의 고정 위상 시프트 CPS로 충분하다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 서브 어레이 N _C 가 16 이후의 SE 성능 향상은 무시할 정도이다.

도 9는 N _r = 64, N _c = 8 인 시스템에서 유저 단말 K 수가 변할 때 SE를 나타낸 도면으로서, 도 9를 참조하면, 일 실시 예의 SE 는 전체 K 범위에서 FCPS 기법의 SE 보다 향상됨을 알 수 있다. 즉, FCPS 기법으로의 SE에 대한 DS-ASS 검색 기법으로의 SE는 유저 단말 K 의 수가 클 때 6 %에 도달되며, 유저 단말 K 의 수가 증가될수록 시스템의 간섭 제한을 받는다. 따라서, 일 실시 예는 유저 단말 K 의 수가 큰 전파 환경에서 스위칭소자가 비활성 상태로 설정됨에 따라 원하는 수신신호의 전력 보다 간섭 전력이 더 많은 수신신호를 제거하여 도 9에 도시된 바와 같이 더 높은 SE 성능 이득을 제공할 수 있다.

한편, 도 10은 유저 단말의 수에 대한 에너지 효율(Energy Effect: EE)을 보인 도면으로서, 도 10을 참조하면, 소정 수의 유저 단말에 대해, 일 실시 예의 기법으로의 EE가 기존의 기법으로의 EE 보다 현저하게 개신됨을 알 수 있다. 즉, 소정 수의 유저 단말 수에 대해 일 실시 예의 EE가 FD 및 FCPS 기법으로의 EE 보다 향상됨을 확인할 수 있다. 예를 들어, K = 8의 경우 FD, FVPS 및 FCPS 기법에 대해 고정 L = 0 : 5N _r 인 CM-ASS 검색 기법으로의 EE 이득은 각각 약 68 %, 72 % 및 20 % 이며, DS-ASS 검색 기법으로의 EE는 FD, FVPS 및 FCPS 기법으로의 EE 보다 향상되고, 각각의 EE 이득은 약 65 %, 71 % 및 12 % 이다.

또한 도 10을 참조하면, L = 0 : 5N _r 으로 고정된 CM-ASS 검색 기법으로의 EE는 DS-ASS 검색 기법으로의 EE와 동적 L의 CM-ASS 검색 기법으로의 EE 보다 높게 달성됨을 알 수 있다. 또한, 동적 L을 가지는 DS-ASS 검색 기법과 CM-ASS 검색 기법은 EE를 향상시키기 보다 주파수 효율 SE가 향상되도록 최적화된다.

대조적으로 고정 L = 0 : 5N _r 인 CM-ASS 검색 기법은 주어진 시간에 반의 스위칭소자만 활성화되므로, 전력 소비는 다른 기법보다 낮을 수 있고, 이에 SE는 감소되거나 더 높은 EE가 얻을 수 있다.

도 11 및 도 12는 일 실시 예의 K = NRF = 4 및 K = NRF = 8 각각에 대해, 수신 안테나의 수에 대한 EE를 나타낸 도면으로서, 도 11 및 도 12를 참조하면, 일 실시 예에서의 EE는 기존의 기법으로의 EE 보다 향상됨을 알 수 있다. 예를 들어, 도 11를 참조하면, N _r = 16 의 수신 안테나에 대해 일 실시 예는 FD, FVPS 및 FCPS 기법으로의 EE와 동일한 EE를 가지며 EE 성능 이득은 약 54 %, 45 % 와 8 % 임을 확인할 수 있다.

또한, N _r = 128 인 경우 고정 L = 0 : 5N _r 인 CM-ASS 검색 기법으로의 EE 이득은 FD, FVPS, 및 FCPS 기법으로의 EE에 비해 각각 84 %, 73 % 및 20 %이다. 그리고, 고정 L = 0 : 75N _r 의 DS-ASS 검색 기법으로의 EE와, 동적 L을 갖는 CM-ASS 검색 기법으로의 EE 및 CM-ASS 검색 기법으로의 EE 각각은 FD, FVPS, 및 FCPS 방식의 EE 에 비해 약 82 %, 70 % 및 13 % 으로 달성된다. 도 12를 참조하면, 일 실시 예에서의 EE 성능 이득이 향상됨을 확인할 수 있다.

한편, 연산 복잡도는 RF 체인 (51, 52, ..)과 연결된 안테나 서브세트 선택을 수행하는데 필요한 검색 기법의 반복 횟수에 따라 증가된다. 또한 안테나 서브세트의 해를 도출하기 위한 검색 기법은

의 디지털 MMSE 결합을 위한 연산과

의 썸 레이트 연산이 각각 필요하다. 여기서,

는 최대 반복 횟수이다. DS-ASS 검색 기법에서의 반복 횟수는

인 반면, 동작 L,

을 가지는 CM-ASS 검색 기법과 고정 L 을 가지는 CM-ASS 검색 기법 각각 적용된 시스템은 반복 횟수

로 설정하여 반복 검색이 필요하지 않다.

가능한 모든 조합을 테스트하기 위한

의 반복 횟수는 완전 검색과 비교하면 최대 반복 횟수

는 크게 감소되고, 이에 조기 종료(ET)가 적용되므로 안테나 서브세트 선택의 해를 얻는데 실제 필요한 반복 횟수는 크게 감소될 수 있다.

또한 다른 연산 부하는 채널 행렬

을 생성하기 위한 QR 분해에 대한

연산과 아날로그 빔포밍 행렬

를 얻기 위한

연산을 포함한다.

업 링크 대규모 MIMO 시스템에서, 일 실시예는 RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘으로 선택된 소정 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 연산 복잡도가 낮고, RF 체인의 소비 전력을 줄일 수 있는 동시에 썸레이트를 향상시킬 수 있다. 또한, 일 실시예는 기존의 FVPS 및 FCPS 기법의 하이브리드 빔포밍 기법에 비교하여 주파수 효율 SE 및 에너지 효율 EE 를 모두 향상시킬 수 있다. 고정된 L 을 가지는 CM-ASS 검색 기법은 기존의 FCPS 기법에 대해 에너지 효율 EE의 성능 이득을 5% 내지 28% 달성할 수 있고, 반면 기존의 FVCP 기법에 대해 EE 의 성능 이득을 45% 내지 73% 얻을 수 있으며, 기존의 FD 기법에 대해 EE의 성능 이득을 54% 내지 84% 의 향상이 있다.

따라서, RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘이 적용된 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 기법은 기존의 FVPS 및 FCPS 방식의 하이브리드 빔포밍 기법에 비교하여 주파수 효율 SE 및 에너지 효율 EE 를 모두 향상시킬 수 있다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘으로 선택된 소정 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 연산 복잡도가 낮고, RF 체인의 소비 전력을 줄일 수 있는 동시에 썸레이트를 향상시킬 수 있고, RF 체인 안테나 서브세트 선택 알고리즘이 적용된 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템의 주파수 효율 SE 및 에너지 효율 EE 을 기존의 FVPS 및 FCPS 방식의 하이브리드 빔포밍 기법에 비교하여 모두 향상시킬 수 있는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 차세대 무선 통신, 5G/6G 이동통신 기지국 및 단말 등의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims

대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템에 있어서,
안테나 및 저잡음 증폭기를 포함하는 안테나 서브 어레이가 다수개 마련되고, 각각의 안테나 서브 어레이의 출력측에 접속되는 다수의 스위칭소자로 구비되며, 외부로부터 공급되는 스위칭신호에 의거 다수의 스위칭소자 각각을 선택적으로 절환하는 다수의 스위칭 네트워크;
각 스위칭 네트워크의 출력단에 접속된 다수의 고정 위상 시프트로 구비되고, 상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 고정된 위상으로 천이하는 다수의 고정 위상 시프트부; 및
상기 고정 위상 시프트의 각 출력 신호를 결합한 다음 공간 스트림(spatial stream)을 출력하는 다수의 RF 체인;
다수의 RF 체인이 각각 접속되어 공간 스트림을 디지털화하는 아날로그 대 디지털변환기; 및
상기 아날로그 대 디지털변환기의 출력단에 접속되어 공간 디코딩하여 빔포밍 형태로 유저 단말로 전송하는 디지털 결합기를 포함하고,
기지국과 유저 단말 간의 전파 환경을 토대로 각 스위칭 네트워크의 각 스위칭소자의 스위칭 신호를 생성하여 스위칭 소자로 전달하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
활성 상태의 스위칭소자에 의거 다수의 RF 체인과 연결된 안테나세트에서 연산된 썸레이트와 이전 최대 썸레이트의 비교 결과로 도출되는 최적 안테나 세트를 검색하기 위한 완전 검색(Exhaustive search)을 수행하되,
상기 완전 검색은,
썸레이트 감소 검색 기반의 안테나 서브세트 선택(DS-ASS: Decremental Search based Antenna Subset Selection) 기법, 동적인 활성 상태의 스위칭소자의 수 L 을 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(동적 L의 CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법, 및 고정된 활성 상태의 스위칭 소자의 수 L 를 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(고정 L의 CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법 중 하나로 수행하는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다수의 스위칭 네트워크는
상기 안테나의 수와 동일한 수로 구비되고, 각각의 스위칭 네트워크는 다수의 스위칭소자로 구비되며, 각각의 스위칭소자는 상기 제어부의 스위칭신호에 의거 활성 상태 및 비활성 상태 중 하나로 절환하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 활성 상태의 스위칭소자에 의거 RF 체인과 연결된 안테나 세트에서 이전 최대 썸레이트와 연산된 현재 썸레이트의 비교 결과로 도출되는 최적 안테나 세트를 검색하기 위한 완전 검색(Exhaustive search)을 수행하되,
상기 완전 검색은, 감소 검색 기반의 안테나 서브세트 선택(DS-ASS: Decremental Search based Antenna Subset Selection) 기법(이하 "DS-ASS 검색 기법"으로 약칭함)으로 수행되며,
상기 DS-ASS 검색 기법은
모든 안테나를 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인에 연결한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고,
모든 안테나가 상기 하나의 RF 체인을 제외한 나머지 RF체인 중 하나의 RF 체인에 연결될 때 마다 썸레이트를 연산하며 연산된 썸레이트가 이전 최대 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가된 RF 체인에 연결된 안테나 서브세트 및 증가된 현재 연산된 썸레이트를 최대 썸레이트로 업데이트하고, 반복 검색 횟수를 증가하도록 구비되는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제3항에 있어서, 상기 DS-ASS 검색 기법은,
상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정의 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 감소되는 경우 조기 종료하도록 구비되는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제4항에 있어서, 상기 DS-ASS 검색 기법은,
상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 증가하지 아니한 경우 이전의 검색된 RF 체인과 연결된 안테나 세트 및 이전의 최대 썸레이트를 유지하도록 구비되는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 기지국과 유저 단말 간의 전파 환경을 토대로 활성 상태의 스위칭 소자에 의거 RF 체인과 연결된 안테나 서브세트에서 이전 최대 썸레이트와 연산된 현재 썸레이트의 비교 결과로 도출되는 최적 안테나 서브세트를 검색하기 위한 완전 검색(Exhaustive search)을 수행하되,
상기 완전 검색은,
동적인 활성 상태의 스위칭소자의 수 L 을 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법(이하 "동적 L의 CM-ASS 검색 기법"으로 약칭함)으로 수행되며,
상기 동적 L의 CM-ASS 검색 기법은,
RF 체인의 수와 동일한 수의 활성 상태의 스위칭소자에 의거 모든 안테나를 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인에 연결한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고,
직교로 구성된 행을 가지는 채널 행렬의 엔트리의 절대값을 오름차순으로 정렬하고, 정렬된 채널 행렬의 각 행에서 가장 작은 채널 행렬에 해당하는 안테나 인덱스 행렬 중 임의의 행에 대응하는 안테나 서브세트의 0이 아닌 하나의 엔트리를 0을 변환한 다음 썸레이트를 연산하며,
연산된 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가한 안테나 서브세트와 연산된 썸레이트를 이전의 최대 썸레이트로 업데이트한 다음 반복 검색 횟수를 증가하는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제6항에 있어서, 상기 동적 L의 CM-ASS 검색 기법은,
상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정의 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 감소되는 경우 조기 종료하도록 구비되는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제7항에 있어서, 상기 동적 L의 CM-ASS 검색 기법은
상기 연산된 썸레이트가 이전의 최대 썸레이트를 기준으로 소정 반복 횟수에 도달할 때까지 계속 증가하지 아니한 경우 이전의 검색된 RF 체인과 연결된 안테나 세트 및 이전의 최대 썸레이트를 유지하도록 구비되는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
고정된 활성 상태의 스위칭 소자의 수 L 를 가지는 채널 크기 기반의 안테나 서브세트 선택(CM-ASS: Channel Magnitude based Antenna Subset Selection) 기법(이하 "고정 L 의 CM-ASS 검색 기법"으로 약칭함)으로 완전 검색을 수행하되,
상기 고정 L 의 CM-ASS 검색 기법은
RF 체인의 수와 동일한 수의 비활성 상태의 스위칭 소자에 의거 모든 안테나와 다수의 RF 체인 중 하나의 RF 체인과의 연결을 제거한 다음 썸레이트를 연산하고 연산된 썸레이트를 초기 최대 썸레이트로 저장하고,
안테나 인덱스 행렬의 첫번째 L 의 행에 있는 안테나 인덱스에 대응되는 각 안테나 서브세트의 0 엔트리를 1로 변환한 다음 썸레이트를 연산하며,
연산된 썸레이트가 이전 최대 썸레이트보다 증가한 경우 증가된 안테나 서브세트와 연산된 썸레이트를 이전 최대 썸레이트로 업데이트하는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템.
제1항 내지 제9항 중 한 항의 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템에 의해 제공되는 RF 체인 안테나 서브세트 선택하는 프로그램을 실행하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.