KR102223266B1 - 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법 및 그 장치 - Google Patents

광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법 및 그 장치가 제시된다. 본 발명에서 제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계 및 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계를 포함한다.

Description

광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법 및 그 장치{Method and Apparatus for analog beamforming for wideband channel}
본 발명은 광대역 다중 안테나(wideband MIMO) 통신 시스템에서 아날로그 빔포밍 방법과 그 시스템에 관한 것이다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output) 통신 시스템은 다수의 안테나를 사용하여 안테나 다이버시티를 얻거나 동시에 여러 스트림을 전송하는 공간 다중화 이득을 얻을 수 있다.
안테나 다이버시티 및 공간 다중화 이득을 얻기 위해서는 신호처리를 통해 송신 및 수신 신호를 특정 방향으로 집중시켜야 하며, 이를 빔포밍 기술이라고 한다. 빔포밍을 하는 위치에 따라 용어를 구분하여 송신단에서는 프리코딩, 수신단에서는 컴바이닝이라고도 한다.
광대역 채널인 경우 주파수 선택적 특성에 따라 지연 확산 또는 분산이 발생하며, 지연 확산이 1개 심볼에 할당되는 시간인 심볼 주기보다 큰 경우 심볼 간 간섭이 발생하고, 이는 통신 성능을 열화시킨다. 안정적인 통신을 위해서는 심볼 간 간섭을 제거하는 신호처리가 필요하다.
전송률이 높아짐에 따라 심볼 주기가 짧아지는 경우 상기한 심볼 간 간섭이 발생하는 가능성이 높아지고, 안정적인 통신을 위해서는 심볼 간 간섭을 제거하는 등화기 및 신호처리 방법을 필요로 한다.
기존의 디지털 MIMO 기술을 적용하기 위해서는 안테나 수만큼의 RF 체인(chain)이 필요하며, RF 체인 하나 당 수백 mW의 전력을 소비하므로 비현실적으로 높은 전력과 하드웨어 비용이 요구되며, 고차원의 시공간 신호를 다루게 됨에 따라 신호 처리의 어려움도 발생한다.
RF 체인은 오실레이터(oscillator), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter), 디지털-아날로그 변환기(digital-to-analog converter), 전력 증폭기(power amplifier), 펄스 정형 필터(pulse shaping filter) 등을 포함할 수 있으며, 높은 하드웨어 비용 및 신호 처리 기술의 어려움을 극복하기 위하여 RF 체인의 수와 시간 차원을 줄일 수 있는 아날로그 빔포밍 기술이 요구된다.
송신기 및 수신기에 여러 개의 안테나를 사용하여 다이버시티 및 공간 다중화 이득을 얻는 다중 안테나 통신 시스템이 제안되었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광대역 밀리미터파 채널 환경에서 아날로그 빔포밍을 수행하여, RF 체인의 수와 디지털 신호처리 블록의 시간 차원을 줄이고, 아날로그 빔포밍을 수행함으로써, 소비 전력의 감소 및 하드웨어 비용을 감소시키는 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 임펄스 응답에서 심볼 지연이 발생하는 광대역 채널 환경에서 심볼 시간 간 간섭을 제거하는 빔포밍을 수행함으로써 전송 용량 증대와 안정적인 통신을 이루는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계 및 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계를 포함한다.
아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계 및 송신 신호를 복원하는 단계를 포함한다.
제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계 및 송신 신호를 복원하는 단계의 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행한다.
아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능하다.
아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는 광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행한다.
제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 및 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어한다.
아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계는 아날로그 빔포밍 수행 시, 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는다.
전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거한다.
제안하는 아날로그 빔포밍을 위한 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같다.
제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 아날로그 소자만을 사용한 아날로그 빔포밍을 수행하고, 기저대역에서 수신 안테나의 수보다 적은 RF 체인을 사용하여 광대역 시스템의 기저대역 신호처리 복잡도를 감소시킨다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머는 위상 천이기, 감쇠기 또는 가변이득 증폭기를 포함하고, 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하고, 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 광대역 채널에 적합한 구조를 갖고, 제한된 범위에서 복소 신호의 크기 제어가 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 아날로그 빔포밍만 사용하는 구조를 고려하고, 아날로그 빔포밍에서 복소 신호의 크기 제어가 제한적으로 가능하기 때문에 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾을 수 있다. 또한, 본 발명에서는 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계와, 송신 신호를 복원하는 단계의 복수 단계 구조의 아날로그 빔포밍을 사용하여 이상적인 디지털 빔포머를 사용한 성능에 보다 근접한 아날로그 빔포밍 기술을 제안한다.
도 1은 종래기술에 따른 디지털 컴바이너(combiner)를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 아날로그 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 두 단계의 디지털 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 두 단계의 아날로그 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Nt = 3, Nt = 32, Nc1 = 3인 시스템에 대해 적용한 전송률과, 디지털 컴바이너를 사용했을 때 합계 전송률을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Nt = 3, Nt = 32, Nc1 = 6인 시스템에 대해 적용한 전송률과, 디지털 컴바이너를 사용했을 때 합계 전송률을 비교한 그래프이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 종래기술에 따른 디지털 컴바이너(combiner)를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 디지털 빔포밍 구조에서 필요한 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수와 같은 것을 확인할 수 있다. 반면에, 본 발명에서 제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머 구조에서 필요한 위한 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같을 수 있다. 도 2를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 아날로그 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
기존의 밀리미터파 아날로그 빔포밍 기술은 협대역 채널에 적합한 구조로 위상 천이기만을 사용하지만, 본 발명에서는 위상 천이기(210)와 감쇠기(220) 또는 가변이득 증폭기(도시하지 않음), 심볼 시간 지연을 사용하여 광대역 채널에 적합한 구조이다. 여기서, 감쇠기 또는 가변이득 증폭기는 상호 대체 가능하다.
또한, 기존의 아날로그 빔포밍 기술은 위상 천이기만을 사용하여 복소 신호의 크기를 제어하지 않지만, 본 발명에서는 제한된 범위에서 복소 신호의 크기 제어가 가능하다.
또한, 기존의 밀리미터파 빔포밍 기술은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍으로 구성된 하이브리드 빔포밍을 사용하지만, 본 발명에서는 아날로그 빔포밍만 사용하는 구조를 고려한다.
본 발명에서는 아날로그 빔포밍에서 복소 신호의 크기 제어가 제한적으로 가능하기 때문에 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는 기술을 제안한다.
또한, 본 발명에서는 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계와, 송신 신호를 복원하는 단계의 복수 단계 구조의 아날로그 빔포밍을 사용하여 이상적인 디지털 빔포머를 사용한 성능에 보다 근접한 아날로그 빔포밍 기술을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 아날로그 컴바이너는 위상 천이기, 감쇠기 또는 가변이득 증폭기를 포함한다.
제안하는 아날로그 빔포머는 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하고, 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행할 때, 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원한다. 합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원하는 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행한다.
제안하는 아날로그 빔포머는 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능하다. 도 4에 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수의 단계로 사용하는 구조를 도시하였다.
제안하는 아날로그 빔포머는 광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행한다. 이때, 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 및 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어한다.
아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산할 때, 아날로그 빔포밍 수행 시 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는다.
전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 빔포머 구조에 필요한 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같을 수 있다. 제안하는 아날로그 소자만 사용한 아날로그 빔포머를 통해 광대역 시스템의 기저대역 신호처리 복잡도를 감소시킨다.
도 3은 종래기술에 따른 두 단계의 디지털 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
종래기술에 따른 디지털 컴바이너는 복수의 컴바이너를 연결하여 복수 단계로 사용 가능하다. 도 3을 참조하면, 두 단계의 디지털 컴바이너를 이용한 디지털 빔포밍에서의 RF 체인의 수는 복수의 송신 안테나의 수와 같은 것을 확인할 수 있다. 반면에, 본 발명에서 제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 두 단계의 아날로그 컴바이너를 이용한 구조에서 필요한 RF 체인의 수는 복수의 송신 안테나의 수보다 작거나 같을 수 있다. 도 4를 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 두 단계의 아날로그 컴바이너를 이용한 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포머의 아날로그 컴바이너는 위상 천이기, 감쇠기 또는 가변이득 증폭기를 포함한다.
제안하는 아날로그 빔포머는 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하고, 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행할 때, 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원한다. 합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원하는 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행한다.
제안하는 아날로그 빔포머는 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능하다.
제안하는 아날로그 빔포머는 광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행한다. 이때, 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 및 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어한다.
아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산할 때, 아날로그 빔포밍 수행 시 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는다.
전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거한다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 아날로그 빔포머 구조에서 필요한 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같을 수 있다. 제안하는 아날로그 빔포머는 아날로그 소자만을 사용하고 광대역 시스템의 기저대역 신호처리 복잡도를 감소시킨다.
광대역 채널 임펄스 응답을
Figure 112019105436205-pat00001
라 하고,
Figure 112019105436205-pat00002
에서 0이 아닌 값을 갖는다.
송신 안테나
Figure 112019105436205-pat00003
개, 안테나 당 송신 에너지
Figure 112019105436205-pat00004
를 사용하고, 송신 신호는 서로 다른 시간 및 안테나 간에 독립하다.
송신 안테나
Figure 112019105436205-pat00005
개, 수신 안테나
Figure 112019105436205-pat00006
개를 사용할 때, 시간
Figure 112019105436205-pat00007
에서 송신 신호
Figure 112019105436205-pat00008
와 수신 신호
Figure 112019105436205-pat00009
의 관계는 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112019105436205-pat00010
여기서
Figure 112019105436205-pat00011
는 가산성 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise; AWGN)을 나타낸다.
도 1 내지 도 2와 같이 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00012
가
Figure 112019105436205-pat00013
에서 0 아닌 값을 가질 때, 입력
Figure 112019105436205-pat00014
에 대한 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00015
출력
Figure 112019105436205-pat00016
는 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112019105436205-pat00017
Figure 112019105436205-pat00018
Figure 112019105436205-pat00019
여기서,
Figure 112019105436205-pat00020
이다.
도 3 내지 도 4와 같이 두 개의 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00021
를 연속하여 사용하는 경우, 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00022
에 대한 출력
Figure 112019105436205-pat00023
과
Figure 112019105436205-pat00024
에 대한
Figure 112019105436205-pat00025
는 각각 수학식 3과 수학식 4와 같다.
[수학식 3]
Figure 112019105436205-pat00026
Figure 112019105436205-pat00027
여기서,
Figure 112019105436205-pat00028
이다.
[수학식 4]
Figure 112019105436205-pat00029
Figure 112019105436205-pat00030
여기서,
Figure 112019105436205-pat00031
Figure 112019105436205-pat00032
이다.
수학식 2의 출력
Figure 112019105436205-pat00033
가 송신 신호
Figure 112019105436205-pat00034
와 최소 Euclidean 거리를 갖는 도 1의 디지털 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00035
는 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
Figure 112019105436205-pat00036
Figure 112019105436205-pat00037
도 3의 두 디지털 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00038
는 각각 수학식 4, 수학식 5 해를 사용한다.
[수학식 4]
Figure 112019105436205-pat00039
Figure 112019105436205-pat00040
여기서,
Figure 112019105436205-pat00041
이다.
[수학식 5]
Figure 112019105436205-pat00042
Figure 112019105436205-pat00043
도 2에서 아날로그 컴바이너 구조를 사용하여 구현 가능한
Figure 112019105436205-pat00044
는 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112019105436205-pat00045
수학식 6을 만족하면서 수학식 5의
Figure 112019105436205-pat00046
와 최소 유클리디안(Euclidean) 거리를 갖는 아날로그 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00047
를 구하는 문제는 수학식 7과 같다.
[수학식 7]
Figure 112019105436205-pat00048
Figure 112019105436205-pat00049
수학식 7의 해
Figure 112019105436205-pat00050
는
Figure 112019105436205-pat00051
각 성분의 크기로 이루어진 행렬
Figure 112019105436205-pat00052
가 rank 1이라는 특징을 이용하여 수학식 8과 같이 구할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112019105436205-pat00053
여기서,
Figure 112019105436205-pat00054
Figure 112019105436205-pat00055
이다.
같은 방법으로 도 4의 아날로그 컴바이너
Figure 112019105436205-pat00056
를 각각 수학식 4, 수학식 5의
Figure 112019105436205-pat00057
로부터 구할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112019105436205-pat00058
여기서,
Figure 112019105436205-pat00059
Figure 112019105436205-pat00060
이다.
[수학식 10]
Figure 112019105436205-pat00061
여기서,
Figure 112019105436205-pat00062
Figure 112019105436205-pat00063
이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제안하는 광대역 채널을 위한 아날로그 빔포밍 방법은 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계(510) 및 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계(520)를 포함한다.
단계(510)에서, 아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행한다. 단계(510)는 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계(511) 및 송신 신호를 복원하는 단계(512)를 포함한다.
단계(510)에서는 합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계(511) 및 송신 신호를 복원하는 단계(512)의 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행한다.
단계(510)에서 아날로그 빔포머는 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능하다. 도 4에 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수의 단계로 사용하는 구조를 도시하였다.
단계(510)는 광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행한다. 이때, 아날로그 빔포밍은 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 및 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어한다.
단계(520)에서 아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산한다. 아날로그 빔포밍 수행 시, 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 단계(520)에서 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는다.
전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거한다.
제안하는 아날로그 빔포밍 방법에서는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 아날로그 빔포밍 구조에서 필요한 RF 체인의 수가 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같다. 또한, 제안하는 아날로그 소자만을 사용한 아날로그 빔포밍 방법을 수행하여 광대역 시스템의 기저대역 신호처리 복잡도를 감소시킨다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Nt = 3, Nt = 32, Nc1 = 3인 시스템에 대해 적용한 전송률과, 디지털 컴바이너를 사용했을 때 합계 전송률을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 Nt = 3, Nt = 32, Nc1 = 6인 시스템에 대해 적용한 전송률과, 디지털 컴바이너를 사용했을 때 합계 전송률을 비교한 그래프이다.
기존의 밀리미터파 아날로그 빔포밍 기술은 협대역 채널에 적합한 구조로 위상 천이기만을 사용하지만, 본 발명에서는 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하여 광대역 채널에 적합한 구조이다.
또한, 기존의 아날로그 빔포밍 기술은 위상 천이기만을 사용하여 복소 신호의 크기를 제어하지 않지만, 본 발명에서는 제한된 범위에서 복소 신호의 크기 제어가 가능하다.
또한, 기존의 밀리미터파 빔포밍 기술은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍으로 구성된 하이브리드 빔포밍을 사용하지만, 본 발명에서는 아날로그 빔포밍만 사용하는 구조를 고려한다.
본 발명에서는 아날로그 빔포밍에서 복소 신호의 크기 제어가 제한적으로 가능하기 때문에 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 최적의 크기 제어 값을 찾는 기술을 제안한다.
또한, 본 발명에서는 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계와, 송신 신호를 복원하는 단계의 복수 단계 구조의 아날로그 빔포밍을 사용하여 이상적인 디지털 빔포머를 사용한 성능에 보다 근접한 아날로그 빔포밍 기술을 제안한다.
본 발명의 실시예에 따르면 5G 이동통신 시스템의 대표 기술 중 하나인 광대역 밀리미터파 MIMO 시스템에 적용할 수 있다. 5G 밀리미터파 통신은 학계뿐만 아니라 산업계에서도 많은 관심을 받고 있으며, 본 발명을 통해 5G 이동통신 시장에서의 기술적 우위를 차지할 수 있다.
또한, 아날로그 소자와 아날로그 빔포밍을 사용하여 광대역 MIMO 시스템의 신호처리 복잡도를 줄이고, 이상적인 디지털 빔포밍을 사용하는 시스템과의 성능 격차를 감소 시킬 수 있다.
본 발명은 광대역 밀리미터파 빔포밍 시스템에 적용되어 5G 이동통신 기술 시장 선도할 것으로 보인다. 전송률 향상을 위해 광대역 통신 시스템 이용은 필연적이며, 광대역 채널 및 통신 부품 특성상 안정적인 통신을 위한 빔포밍 시스템에 대한 기술 수요가 늘어날 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면 광대역 채널 및 짧은 심볼 시간으로 인해 발생하는 심볼 간 간섭을 제거하여 전송 용량을 증대시키고 통신 품질 향상에 기여할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 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.　
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. 복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계; 및
    아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계
    를 포함하고,
    아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는,
    광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하고, 아날로그 소자만을 사용한 아날로그 빔포밍만을 수행하며,
    아날로그 빔포밍은 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 또는 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어하며,
    아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하는 단계는,
    아날로그 빔포밍 수행 시, 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 복소 신호의 크기 제어 값을 찾는
    아날로그 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는,
    다중 안테나 채널을 직교화하는 단계; 및
    송신 신호를 복원하는 단계
    를 포함하는 아날로그 빔포밍 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화하는 단계 및 송신 신호를 복원하는 단계의 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행하는
    아날로그 빔포밍 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행하는 단계는,
    복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능한
    아날로그 빔포밍 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거하는
    아날로그 빔포밍 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    아날로그 빔포밍 구조의 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같은
    아날로그 빔포밍 방법.
  10. 삭제
  11. 위상 천이기, 감쇠기 또는 가변이득 증폭기를 포함하는 아날로그 빔포머에 있어서,
    복수의 송신 안테나로부터 복수의 수신 안테나로 수신된 신호들을 대상으로 아날로그 빔포머를 통해 아날로그 빔포밍을 수행하고,
    아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산하고,
    아날로그 빔포머는 광대역 채널을 위해 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기, 심볼 시간 지연을 사용하고, 아날로그 소자만을 사용한 아날로그 빔포밍만을 수행하며,
    아날로그 빔포머의 위상 천이기와 제한된 수의 감쇠기 및 가변이득 증폭기에 기초하여 복소 신호의 위상 및 크기를 제어하며,
    아날로그 빔포머의 위상 천이기와 감쇠기 또는 가변이득 증폭기의 값을 계산할 때, 아날로그 빔포밍 수행 시 제한된 범위 내에서 복소 신호의 크기를 제어함으로써 제한 조건을 만족하는 범위 내에서 복소 신호의 크기 제어 값을 찾는 아날로그 빔포머.
  12. 제11항에 있어서,
    아날로그 빔포머를 통해 수신 받은 신호들을 대상으로 아날로그 빔포밍을 수행할 때, 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원하는
    아날로그 빔포머.
  13. 제12항에 있어서,
    합계 전송률을 증가시키고, 디지털 빔포밍을 수행하는 시스템과의 유클리디안 거리를 최소화하기 위해 다중 안테나 채널을 직교화한 후 송신 신호를 복원하는 두 단계 아날로그 빔포밍을 수행하는
    아날로그 빔포머.
  14. 제11항에 있어서,
    아날로그 빔포머는 복수의 아날로그 빔포머를 연결하여 복수 단계로 사용 가능한
    아날로그 빔포머.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    전송 용량 및 통신의 안정성을 증가시키기 위해 심볼 시간 지연을 사용하여 아날로그 빔포밍을 수행함으로써 심볼 간 간섭 및 복수의 수신 안테나 간 간섭을 제거하는
    아날로그 빔포머.
  19. 제11항에 있어서,
    아날로그 빔포머의 RF 체인의 수는 복수의 수신 안테나의 수보다 작거나 같은
    아날로그 빔포머.
  20. 삭제
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110014848A (ko) * 2009-08-06 2011-02-14 삼성전기주식회사 적응형 빔포밍을 이용한 다중 안테나 시스템
US20130293411A1 (en) * 2011-01-21 2013-11-07 Freescale Semiconductor ,Inc. Phased-array receiver, radar system and vehicle
KR20150041471A (ko) * 2013-10-08 2015-04-16 삼성전자주식회사 빔포밍 장치 및 빔포밍 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110014848A (ko) * 2009-08-06 2011-02-14 삼성전기주식회사 적응형 빔포밍을 이용한 다중 안테나 시스템
US20130293411A1 (en) * 2011-01-21 2013-11-07 Freescale Semiconductor ,Inc. Phased-array receiver, radar system and vehicle
KR20150041471A (ko) * 2013-10-08 2015-04-16 삼성전자주식회사 빔포밍 장치 및 빔포밍 방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jinseok Choi, et.al., Two-Stage Analog Combining in Hybrid Beamforming Systems With Low-Resolution ADCs, IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 67, Issue. 9 (2019.03.13)* *

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