KR102277866B1 - Hybrid analog and digital beamforming apparatus and method - Google Patents
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Abstract
본 기술은 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법을 개시한다. 본 기술의 구현 예에 따르면, 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행함에 따라, 낮은 연산 복잡도로 대규모 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. The present technology discloses a hybrid analog digital beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system. According to an embodiment of the present technology, hybrid analog-digital beamforming is performed by grouping the number of antennas of the sub-array differently according to the channel state, thereby improving the performance of a large-scale multi-input multi-output (MIMO) system with low computational complexity. .
Description
본 발명은 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각 RF 체인에 연결된 수신 안테나 수를 다르게 최적화하여 그룹핑함에 따라 대규모 MIMO 시스템 성능을 향상시킬 수 있고, 연산 복잡도를 감소할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid analog digital beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system, and more particularly, by optimizing and grouping the number of receiving antennas connected to each RF chain differently, the performance of the large-scale MIMO system can be improved and computational complexity technology that can reduce
이동 통신에서 기지국 (BS)에 다수의 안테나가 장착 된 대규모 다중 입력 다중 출력 (MIMO) 시스템은 최근 스펙트럼 및 에너지 효율 측면에서 시스템 성능을 획기적으로 향상시키는 것으로 간주되어 왔다. In mobile communications, large-scale multiple-input multiple-output (MIMO) systems equipped with multiple antennas at base stations (BSs) have recently been considered to dramatically improve system performance in terms of spectral and energy efficiency.
종래의 주파수 대역에서 프리코딩은 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. In conventional frequency bands, precoding is typically handled only in the digital domain for interference mitigation between spatial sub-streams, whereby dedicated radio frequency (RF) chains and analog-to-digital or digital-to-analog converters (ADC/DACs) are required. used
이에 송수신기의 비용과 전력 소비는 안테나 수에 비례하여 증가하며, 매우 많은 수의 안테나를 사용하는 대규모 MIMO 시스템에서 과도한 전력 소모로 이어질 수 있다.Accordingly, the cost and power consumption of the transceiver increases in proportion to the number of antennas, and may lead to excessive power consumption in a large-scale MIMO system using a very large number of antennas.
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 MIMO 시스템을 구현한다.Therefore, in next-generation mobile communication such as 5G mobile communication, the base station also utilizes hybrid beamforming that combines digital beamforming and analog beamforming. In this case, the flexibility of digital beamforming and the simplicity of multi-layer transmission and analog beamforming are combined. Thus, a large-scale MIMO system is implemented by efficiently increasing the number of antennas.
본 발명의 목적은, 대규모 MIMO 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hybrid analog digital beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system capable of improving performance of the large-scale MIMO system.
본 발명의 다른 목적은 연산 복잡도를 감소할 수 있는 대규모 MIMO 시스템의하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.Another object of the present invention is to provide a hybrid analog-to-digital beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system capable of reducing computational complexity.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 일 실시 예의 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는, According to one aspect for achieving the above object, a hybrid analog digital beamforming apparatus of a large-scale MIMO system of an embodiment,
대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치에 있어서, A hybrid analog digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, comprising:
안테나, 저잡음 증폭기, 및 위상 시프트를 포함하는 다수의 서브 어레이의 출력측에 접속되고 외부로부터 공급되는 스위칭신호에 의거 그룹핑된 수신 신호를 출력하는 스위칭 네트워크;a switching network connected to an output side of a plurality of sub-arrays including an antenna , a low-noise amplifier, and a phase shift and outputting a grouped reception signal based on a switching signal supplied from the outside;
상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 디지털화한 다음 디코딩하는 디지털 수신기; 및a digital receiver that digitizes and then decodes the received signal passing through the switching network; and
상기 채널 상태에 따라 상기 서브 어레이의 안테나 수가 다르게 상기 안테나들을 그룹핑하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 제어부를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다.and a controller for generating a switching signal for grouping the antennas with a different number of antennas of the sub-array according to the channel state and transmitting the generated switching signal to the switching network.
바람직하게 상기 스위칭 네트워크는 상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서브 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비될 수 있다.Preferably, the switching network may be provided in an Unequal Sub Array (UESA) structure in which the number of antennas of the sub-array are grouped differently under the control of the controller.
바람직하게 상기 제어부는,Preferably, the control unit,
상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬 를 도출하고,By performing ordering on the channel matrix, the channel matrix to derive,
상기 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬 을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,set of the number of antennas candidate for a subset of analog coupling matrix for each in is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
상기 도출된 아날로그 결합 행렬 및 채널 행렬 을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량 을 연산하며, The derived analog combining matrix and channel matrix Channel capacity according to a predetermined relation based on computes,
상기 연산된 채널 용량 과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량 이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬 , 안테나 수의 세트 , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬 , 최적 안테나 수의 세트 , 및 연산된 채널 용량 로 업데이트하도록 구비될 수 있다.The calculated channel capacity By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix , set of number of antennas , each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix , set of the optimal number of antennas , and computed channel capacity It may be provided to update to .
바람직하게 상기 제어부는,Preferably, the control unit,
연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수 조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비될 수 있다.To reduce computational complexity, the number of antennas A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition candidate for a subset of It may be provided to perform a Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm for searching a set of the number of antennas having the maximum total channel capacity for .
바람직하게 상기 제어부는,Preferably, the control unit,
서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 이 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.sub-candidate set The optimal antenna set currently found in Antenna sets with higher channel capacity than candidates If it is not found during the repeated search for a predetermined number of times, the reduced complete search (RES) may be terminated early (ET).
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 일 실시 예의 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔 포밍 방법에 있어서,According to another aspect for achieving the above object, in the hybrid analog digital beamforming method for a large-scale MIMO system of an embodiment,
(a) 스위칭 네트워크에서, 다수의 안테나, 저잡음 증폭기, 및 위상 시프트를 포함하는 서브 어레이를 그룹핑하는 단계; 및(a) grouping, in a switching network, a sub-array comprising a plurality of antennas, a low-noise amplifier, and a phase shift; and
(b) 디지털 수신기에서, 상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 디지털화한 다음 디코딩하는 단계를 포함하되,(b) in a digital receiver, digitizing and then decoding the received signal that has passed through the switching network;
(c) 제어부에서 채널 상태에 따라 상기 스위칭 네트워크의 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하기 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호를 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다. (c) generating a switching signal for grouping the number of antennas of the sub-array of the switching network differently according to the channel state by the controller and transmitting the generated switching signal to the switching network;
바람직하게 상기 (a) 단계는, 상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서브 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비될 수 있다.Preferably, step (a) may include a UESA (Unequal Sub Array) structure in which the number of antennas of the sub-array are grouped differently under the control of the controller.
바람직하게 상기 (c) 단계는,Preferably, step (c) comprises:
(c-1) 상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬 를 도출하고,(c-1) channel matrix by performing ordering on the channel matrix to derive,
(c-2) 상기 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬 을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,(c-2) set of the number of antennas candidate for a subset of analog coupling matrix for each in is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
(c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬 및 채널 행렬 을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량 을 연산하며, (c-3) the derived analog combining matrix and channel matrix Channel capacity according to a predetermined relation based on computes,
(c-4) 상기 연산된 채널 용량 과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량 이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬 , 안테나 수의 세트 , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬 , 최적 안테나 수의 세트 , 및 연산된 채널 용량 로 업데이트하도록 구비될 수 있다.(c-4) the calculated channel capacity By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix , set of number of antennas , each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix , set of the optimal number of antennas , and computed channel capacity It may be provided to update to .
바람직하게 상기 (c-1) 단계는,Preferably, the step (c-1) comprises:
연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수 조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비될 수 있다.To reduce computational complexity, the number of antennas A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition candidate for a subset of It may be provided to perform a Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm for searching a set of the number of antennas having the maximum total channel capacity for .
바람직하게 상기 (c-4) 단계 이후에 Preferably after step (c-4)
서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 가 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.sub-candidate set The optimal antenna set currently found in Antenna sets with higher channel capacity than candidates It may be provided so that the reduced complete search (RES) is terminated early (ET) when it is not found during the repeated search for a predetermined number of times.
일 실시 예에 따르면, 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행함에 따라, 낮은 연산 복잡도로 대규모 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. According to an embodiment, by performing hybrid analog-digital beamforming by grouping the number of antennas of the sub-array differently according to channel conditions, performance of a large-scale multi-input multi-output (MIMO) system can be improved with low computational complexity.
도 1은 일 실시예의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시예의 감소된 완전 탐색(RES) 과정의 개념도이다.
도 3은 일 실시예의 RES을 조기 중지(ET)하는 과정의 개념도이다.
도 4는 일 실시예의 총 채널 용량 및 채널 용량의 상계(upper-bound)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 일 실시예의 총 채널 용량을 보인 그래프이다.
도 6은 일 실시예의 에너지 효율을 보인 그래프이다.
도 7은 일 실시예의 에너지 효율 및 총 채널 용량의 그래프이다.
도 8은 일 실시예의 서브 어레이의 그룹핑 동작을 보인 순서도이다.1 is a block diagram of a hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment.
2 is a conceptual diagram of a reduced full search (RES) process according to an embodiment.
3 is a conceptual diagram of a process of early stopping (ET) RES according to an embodiment.
4 is a graph illustrating an upper-bound of a total channel capacity and a channel capacity according to an embodiment.
5 is a graph showing total channel capacity according to an embodiment.
6 is a graph showing energy efficiency according to an embodiment.
7 is a graph of energy efficiency and total channel capacity in one embodiment.
8 is a flowchart illustrating a grouping operation of a sub-array according to an exemplary embodiment.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the content to be described later. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed subject matter may be thorough and complete, and that the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. Like reference numerals refer to like elements throughout. Meanwhile, the terms used in this specification are for the purpose of describing the embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” means that the stated component, step, operation and/or element is the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements. or addition is not excluded.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 안테나 어레이에 부등수의 수신 안테나를 할당하여 그룹화함에 따라 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 기법에 대해 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, a hybrid analog digital beamforming technique capable of improving system performance by allocating and grouping unequal number of receive antennas to a sub-antenna array according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 일 실시 예에 따른 대규모 MIMO에서 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행하는 기지국 BS의 세부 구성도이다.1 is a detailed configuration diagram of a base station BS that performs hybrid analog digital beamforming in large-scale MIMO according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 대규모 MIMO는 N r 개의 수신 안테나(11, 12..)와 N 개의 RF 체인(51, 52, ..)이 장착된 기지국 BS로 구비되고, 업 링크 시 N < N r 이고 K 개의 단일 안테나 단말 MS을 포함한다. 1, large-scale MIMO according to an embodiment is provided with a base station BS equipped with N r receiving antennas 11, 12.. and
즉, 기지국 BS는 Nr 개의 수신 안테나(11, 12..)와, 수신 안테나(11, 12, ...)의 출력단에 접속된 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier: 21,22, ...) 및 위상 시프트(31, 32, ..)를 포함하는 서브 안테나 어레이가 연결되고, 서브 안테나 어레이의 출력단에는 스위칭 네트워크(40)가 연결되며, 스위칭 네트워크(40)의 출력단에는 RF 체인(51, 52, ..)이 연결된다. 스위칭 네트워크(40)는 다수의 서브 어레이의 출력측에 접속되고 외부로부터 공급되는 스위칭신호에 의거 그룹핑된 수신신호를 전달하도록 구비되고, 이에 스위칭 네트워크(40)는 서브 안테나 어레이의 안테나 수를 다르게 설정하는 부등 서브 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비된다.That is, the base station BS includes N r receiving antennas 11, 12.., and a low noise amplifier (LNA: Low Noise Amplifier: 21,22, ..) connected to the output terminals of the receiving
제어부(100)는, 채널의 상태에 따라 상기 스위칭 네트워크(40)를 서브 안테나 어레이의 안테나 수를 다르게 설정하기 위한 상기 스위칭 신호를 생성하도록 구비될 수 있다.The
그리고, 기지국 BS는 RF 체인(51, 52, ..)을 통과한 수신 신호를 디지털화하는 아날로그 대 디지털 변환기(ADC : 61, 62, ...)가 연결되고, 아날로그 결합기(ADC: 61, 62, ...)의 출력단에는 디지털 수신기(70)가 연결된다.And, the base station BS is connected to an analog-to-digital converter (ADC: 61, 62, ...) that digitizes the received signal that has passed through the RF chain (51, 52, ..), and an analog combiner (ADC: 61, 62) , ...) to the output terminal of the
이에 RF 체인(51, 52, ..)을 통과한 수신 신호는 디지털화한 다음 구복호 및 tabu 검색과 같은 향상된 디지털 수신기(70)를 통과하여 복호된다.Accordingly, the received signal passing through the
이에 부등 서브 어레이(UESA) 구조를 가지는 기지국 BS는 제어부(100)에 의거 수신 안테나(11, 12, ...) 및 스위칭 네트워크(40)를 경유한 무선 주파수(RF: Radio Frequency)에 동적으로 연결된다. 이하에서 특별한 언급이 없는 경우 UESA 시스템은 부등 서브 어레이(UESA) 구조를 가지는 스위칭 네트워크(40)가 포함된 기지국 BS를 의미한다. Accordingly, the base station BS having an unequal sub-array (UESA) structure dynamically adjusts to a radio frequency (RF) via the
여기서, RF 체인의 수와 단일 안테나 단말 MS 수와 같고, 즉 이고, 수신 안테나의 수 N r 이 단일 안테나 단말 MS의 수 K 보다 크다고 가정하면, 이에 디지털 수신기(70)의 아날로그 결합 신호는 다음 식 1로 나타낼 수 있다.Here, the number of RF chains is equal to the number of single-antenna terminal MSs, that is, , and it is assumed that the number of reception antennas N r is greater than the number K of single-antenna terminal MSs, the analog combined signal of the
[식 1][Equation 1]
여기서, 는 K 개 단일 안테나 단말 MS로 전송되는 벡터 심볼이고, 각 단일 안테나 단말의 평균 전송 전력은 정규화되어 이고, 는 독립적이고 균등 분산된 부가 백색 가우시안 노이즈(AWGN: additive white Gaussian noise) 샘플의 벡터이다. 여기서, 이다. 또한, 은 K 단말들과 기지국 BS 사이의 채널들을 나타내는 K 열 벡터 들로 구성된 채널 행렬로 나타낸다. 각각의 채널 엔트리 는 k 번째 단일 안테나 단말과 기지국 BS의 i 번째 수신 안테나 사이의 복소 채널 이득으로 나타낼 수 있다.here, is a vector symbol transmitted to K single-antenna terminal MS, and the average transmission power of each single-antenna terminal is normalized. ego, is a vector of independent and uniformly distributed additive white Gaussian noise (AWGN) samples. here, to be. Also, is a K column vector representing channels between K terminals and a base station BS. It is represented by a channel matrix composed of each channel entry may be expressed as a complex channel gain between the k- th single antenna terminal and the i-th reception antenna of the base station BS.
그리고 아날로그 결합 행렬 는 다음과 같이 주어진다.and the analog coupling matrix is given as
여기서, 는 서브 안테나 어레이의 아날로그 가중치 벡터이고, 는 의 m 번째 아날로그 가중치 벡터이며, 일정한 진폭 를 가지나 위상이 다르다. 즉, 이다.here, is the analog weight vector of the sub-antenna array, is is the mth analog weight vector of , constant amplitude has a different status. In other words, to be.
한편, 스위칭 네트워크(40)에서 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가 이라고 가정하면, 할당된 안테나의 수는 이고, 이다. On the other hand, the number of antennas allocated to the n-th sub-array in the
그리고, 수신 안테나의 수 은 이 된다. 그리고 서브 어레이에 할당된 스위칭 네트워크(40)의 수신 안테나(11, 12, ...) 수 세트를 로 정의하면, 이다.And, the number of receiving antennas silver becomes this And a set of the number of receive antennas (11, 12, ...) of the
그리고, UESA 시스템에서 의 최대 고유치를 로 정의하면, 총 채널 용량(total achievable rate) 의 상계(upper bound) 는 식 2로 얻을 수 있으며, 식 2에 Jense의 부등성을 적용하면 총 채널용량의 상계는 식 3을 만족한다. And, in the UESA system the maximum eigenvalue of If defined as , the total channel capacity (total achievable rate) upper bound of can be obtained from
[식 2] [Equation 2]
[식 3][Equation 3]
여기서, 은 으로, 반양정치(positive semidefinite)의 에르미티안(Hermitian) 행렬로 고유 벡터 분해가 가능하고, 이에 의 고유 벡터 와 아날로그 결합 벡터 같을 때 의 최대 고유치는 를 만족할 때 식 3의 등식이 만족된다.here, silver , eigenvector decomposition is possible with a positive semidefinite Hermitian matrix, eigenvector of and analog combined vector when the same The maximum eigenvalue of When , the equation of
식 3으로부터 썸레이트를 최적화하기 위해 일 실시 예의 UESA 시스템은 의 최대 고유치가 식 4를 만족하도록 설계된다.To optimize the thumb rate from
[식 4][Equation 4]
식 4의 조건을 만족하도록 썸레이트를 최적화하는 것이 어렵기 때문에 식 4는 다음 식 5의 조건으로 완화된다. Since it is difficult to optimize the thumb rate to satisfy the condition of
[식 5] [Equation 5]
또한 를 최대화함에 따라, 최대 고유치의 합 의 최대화 문제는 해결될 수 있다. Also By maximizing , the sum of the largest eigenvalues The maximization problem of can be solved.
이에 일 실시 예의 UESA 시스템은 (목표 )이고, 의 최대화(목표 ) 되도록 구현되어야 한다.Accordingly, the UESA system of one embodiment is (goal )ego, maximization of (goal ) should be implemented as much as possible.
또한, 서브 어레이의 수와 수신 안테나(11, 12,..)의 수가 다르게 배열됨에 따라 서브 어레이의 안테나 수 는 다르므로, 일 실시 예의 UESA 시스템은 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대해, 채널 용량을 최적화되어야 한다.In addition, as the number of sub-arrays and the number of receiving
따라서, 목표 를 달성하기 위해 서브 어레이에 할당된 안테나의 수의 세트 는 비 내림 차순으로 배열되어야 한다. 즉, 이다. 이에 일 실시 예의 UESA 시스템은 총 채널용량 가 상계 에 점점 가까워질수록 증가된 채널 용량을 확보할 수 있고, 이에 UESA 시스템에서 총 채널 용량은 ESA 시스템의 총 채널용량과 비교하여 상계 에 좀더 근접된다. Therefore, the goal A set of the number of antennas allocated to the sub-array to achieve should be arranged in non-descending order. In other words, to be. Accordingly, the UESA system of an embodiment has a total channel capacity virtual set-up It is possible to secure increased channel capacity as it gets closer to , and thus, the total channel capacity in the UESA system is offset compared to the total channel capacity of the ESA system. closer to the
그리고, 에서 목표 를 만족하기 위해, 단일 안테나 단말 MS의 수 K 가 일정하게 유지되는 동안 수신 안테나의 수 N r 이 증가될 때 의 상계 는 채널 행렬 의 열(row)을 놈(norm)의 내림 차순 정렬에 의해 최대화할 수 있다. 여기서, 는 기지국 BS 와 K 개의 단일 안테나 단말 MS들 사이의 채널 을 나타내고 의 행 벡터를 포함하는 채널 행렬이다.And, goal in When the number of receive antennas N r increases while the number K of single-antenna terminal MSs is kept constant in order to satisfy offset of is the channel matrix We can maximize the row of , by sorting in descending order of the norm. here, is a channel between the base station BS and K single-antenna terminal MSs to indicate A channel matrix containing a row vector of .
따라서 일 실시 예의 UESA 시스템은 낮은 연산 복잡도를 가지는 서브 어레이의 안테나 수에 대해 근접 최적화를 수행한다. Accordingly, the UESA system according to an embodiment performs proximity optimization on the number of antennas of a sub-array having low computational complexity.
일 실시 예의 UESA 시스템은 서브 어레이의 최적 안테나 수의 세트를 로 정의하면, 가능한 모든 후보 안테나 수의 세트 중 가장 높은 채널용량을 제공할 수 있다.The UESA system of one embodiment determines a set of optimal number of antennas in the sub-array. Defined as , the set of all possible candidate antenna numbers It can provide the highest channel capacity among them.
이러한 서브 어레이의 최적 안테나 수 세트 를 결정하기 위해, 가 최대화된 채널 순서화를 수행한 다음 완전 탐색(ES : exhaustive search) 알고리즘을 통해 모든 후보들에 대해 탐색하며, 후보는 다음과 같이 정의된다.Set of optimal number of antennas in these subarrays to determine, After maximizing channel ordering, all candidates are searched through an exhaustive search (ES) algorithm, and the candidates are defined as follows.
그리고 일 실시 예의 제어부(100)는 모든 후보에 대해 완전 탐색(ES : exhaustive search) 알고리즘을 통해 아날로그 결합 행렬 를 찾은 다음 최대 썸 레이트를 제공하는 후보 세트를 검색한다. 이에 대규모 MIMO 시스템에서 후보의 크기 는 매우 커지고, 이에 높은 연산 복잡도를 가지며, 낮은 연산 복잡도를 위해 후보 세트 에서의 탐색을 실행한다.In addition, the
이러한 연산 복잡도를 줄이기 위해, 일 실시 예의 UESA 시스템은 대부분의 공간 에서 서브 어레이의 최적 안테나 수의 세트 를 검색하는 대신에 조건의 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 대해 ES 알고리즘을 수행하는 감소된 완전 탐색(RES:Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행한다. In order to reduce such computational complexity, the UESA system of an embodiment has most of the space set of optimal number of antennas in the subarray instead of searching for A set of the number of antennas in the sub-array of conditions candidate for a subset of A Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm that performs the ES algorithm on .
도 1에 도시된 UESA 시스템의 제어부(100)는 각 후보들로부터 최적의 아날로그 결합 행렬과 서브 어레이의 최적 안테나 수를 낮은 연산 복잡도로 탐색하기 위한 감소된 완전 탐색 알고리즘(RES: Reduced Exhaustive Search)을 수행할 수 있다.The
도 2는 제어부(100)에 의거 감소된 완전 탐색(RES)과정을 보인 순서도로서, 도 2를 참조하면, 제어부(100)는 채널 행렬에 대해 놈의 열행렬을 내림차순으로 순서화하여 채널 행렬 의 도출한 다음 스텝 2 내지 4에서 서브 세트 의 후보들을 동등하게 검색하며, 스텝 5 및 6에서 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬 을 도출한 다음 도출된 채널 행렬 및 아날로그 결합 행렬 를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량 을 도출한다. 여기서, 관계식은 이다. 2 is a flowchart illustrating a reduced complete search (RES) process by the
그리고 스텝 7 내지 11에서, 제어부(100)는 도출된 총 채널 용량 이 정해진 임계값 τ 보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬 는 최적 아날로그 결합 행렬 을 도출하고, 이때 안테나 세트 은 최적 안테나 세트로 설정한다.And in
이 후 제어부(100)는 총 채널 용량 로 임계값을 업데이트하며, 더 높은 썸레이트를 가지는 아날로그 결합 행렬 및 안테나 세트 이 검색될 때 마다 최적 아날로그 결합행렬 및 최적 안테나 수의 세트 을 업데이트한다.After that, the
도 3은 제어부(100)의 감소된 완전 탐색 후 조기 중지(ET: Early Termination) 과정을 보인 순서도로서, 도 3을 참조하면, 제어부(100)은 서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 가 일정 횟수 count 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES) 알고리즘을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.3 is a flowchart illustrating an Early Termination (ET) process after a reduced complete search of the
이 때 인접된 요소들 사이의 큰 차를 가지는 안테나 세트 이 최적 안테나의 세트 일 가능성이 높다. 따라서, 서브 후보 세트 의 안테나 세트 후보는 안테나 세트 의 인접된 요소들 간의 차를 토대로 배열된다In this case, an antenna set having a large difference between adjacent elements This set of optimal antennas it is likely to be Therefore, a set of sub-candidates Antenna set of Candidate set of antennas is arranged based on the difference between adjacent elements of
즉, 도 3을 참조하면, 단계 1 내지 3에서, 제어부(100)는 를 모두 0으로 설정한 다음 서브 세트 의 i 번째 후보를 로 설정한다.That is, referring to FIG. 3 , in
그리고 단계 4에서 제어부(100)는 n+1 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수 과 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수의 차인 으로 을 연산하고, 단계 5에서 를 연산한다. 여기서, 이다.And in
여기서 가 더 크다는 의미는 후보 의 요소들 사이에 차가 크다는 것이다. 이에 결과적으로, 가 큰 후보 는 유망한 후보로 간주되어 완전 탐색을 먼저 수행된다. 따라서, 단계 7에서, 서브 후보 의 원소들은 벡터 의 원소를 내림차순으로 분류되어 이 도출되고, 단계 8 내지 26에서, 의 후보를 하나씩 완전 탐색하여 최적의 아날로그 결합 행렬 및 최적의 안테나 수 가 결정된다. 여기서 서브 세트 에 대해 완전 탐색하는 일련의 과정은 도 2에 도시된 바와 같다. here is greater means that the candidate There is a large difference between the elements of As a result, a big candidate is considered a promising candidate and a full search is performed first. Therefore, in
즉, 단계 8 내지 15에 의거, 제어부(100)는 채널 행렬의 놈을 내림 차순으로 채널 열을 순서화하여 를 도출한 다음 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬 을 도출하고, 도출된 채널 행렬 및 아날로그 결합 행렬 를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량 을 도출하며, 도출된 총 채널 용량 이 정해진 임계값 보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬 는 최적 아날로그 결합 행렬 을 도출하고, 이때 안테나 세트 은 최적 안테나 세트로 설정한다. That is, based on
이 후 제어부(100)는 단계 16 내지 23에서, 카운터 를 사용하여 새로운 후보가 더 이상의 성능 향상을 제공하지 않는 반복 수를 카운팅하고, 각 후보 에 대해 총 채널용량이 향상되지 아니한 각 후보의 경우, 카운터 는 1씩 증가되고, 그렇지 않으면 0으로 재설정된다. 이 후 카운터가 에 도달하면 최적의 후보가 이미 완전 탐색되었을 가능성이 높으므로 단계 24에서 감소된 완전 탐색(RES) 알고리즘은 조기 종료(ET)된다.After that, the
이때 UESA 시스템의 총 소비 전력은 다음 식 6으로 나타낼 수 있다.In this case, the total power consumption of the UESA system can be expressed by
[식 6][Equation 6]
여기서, , , , , 및 는 각각 LNA(21, 22, ..), 위상 시프트(31, 32,...), 스위칭 네트워크(40), RF 체인부(51, 52, ...), 및 ADC(61, 62, ..) 각각의 소비 전력이다.here, , , , , and LNA (21, 22, ..), phase shift (31, 32, ...), switching
이에 UESA 시스템은 스위칭 네트워크(40)의 사용으로 인해 의 전력 소비가 추가적으로 필요하다. 그러나 스위칭 네트워크(40)에 의해 소모되는 전력은 상대적으로 작기 때문에 총 소비 전력 전체에는 아무런 영향이 미치지 아니한다. Accordingly, the UESA system uses the
최적화 시뮬레이션 결과Optimization simulation results
각 단일 안테나 단말 MS와 기지국 BS 사이의 동일한 수의 유효 채널 경로를 가정하며, 에 대해 유효 채널 경로의 수를 으로 설정된다. 도착 방위각 AoA 은 에서 균일 분포하다고 가정하고, 기지국 BS의 수신 안테나 어레이에는 반 파장의 안테나 간격의 ULA(uniform linear array)로 가정한다. 아날로그 빔형성기의 각 계수의 위상은 로 제한되고 Q는 16으로 설정된다. 마지막으로, SNR은 잡음 전력 에 대한 사용자의 평균 심볼 전력의 비율로 정의된다.Assume the same number of effective channel paths between each single antenna terminal MS and the base station BS, number of effective channel paths for is set to Arrival Azimuth AoA silver is assumed to be uniformly distributed in , and a uniform linear array (ULA) of half-wavelength antenna spacing is assumed in the receiving antenna array of the base station BS. The phase of each coefficient of the analog beamformer is , and Q is set to 16. Finally, SNR is the noise power It is defined as the ratio of the user's average symbol power to
도 4는 SNR=12dB 에서 와 각각에 대한 ESA 시스템 및 UESA 시스템 각각 총 채널 용량(Rate) 및 의 상계(Upper Bound: UBs)를 보인 그래프이다. 4 shows SNR = 12dB. Wow ESA system and UESA system respectively for each total channel capacity (Rate) and It is a graph showing the Upper Bound (UBs) of
감소된 완전 탐색 알고리즘(RES)의 조기 중지(ET) 알고리즘을 수행하는 UESA 시스템에서 각각에 대해 를 가정하고, 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, UESA-ES 시스템의 총 채널 용량 및 채널 용량의 상계가 다른 시스템에 비해 높으며, UESA-RES 및 UESA-RES-ET 시스템은 UESA-ES 대비 약간 낮은 것을 알 수 있다. In the UESA system performing the Early Stop (ET) algorithm of the Reduced Complete Search Algorithm (RES) for each , and referring to FIGS. 4 (a) and 4 (b), the total channel capacity of the UESA-ES system and the upper limit of the channel capacity are higher than other systems, and the UESA-RES and UESA-RES-ET systems are It can be seen that it is slightly lower than -ES.
예를 들어 UESA-ES 시스템은 Nr = 32, N = K = 4, SNR = 0 dB 인 경우 ESA 방식에 비해 약 10.5 % 더 높은 총 채널 용량인 반면 UESA-ES 및 UESA-RES-ET 시스템은 약 10 % 이다. UESA-RES-ET 시스템의 총 채널 용량은 검색 영역이 감소 했음에도 불구하고 UESA-RES 시스템과 거의 동일하다.For example, the UESA-ES system has approximately 10.5% higher total channel capacity compared to the ESA scheme when Nr = 32, N = K = 4, and SNR = 0 dB, whereas the UESA-ES and UESA-RES-ET systems have approximately 10%. The total channel capacity of the UESA-RES-ET system is almost the same as that of the UESA-RES system, despite the reduced search area.
도 5는 SNR=12dB 에서 Nr = 64 및 RF 체인 N = {2, 3, 4, 5} 각각에 대한 ESA 시스템 및 UESA 시스템 각각의 총 채널 용량을 보인 그래프이다. 도 5를 참조하면, 안테나는 ESA 시스템의 서브 안테나 어레이들에 동등하게 할당되기 때문에, 을 제공 할 수 없다. 반대로 UESA 시스템은 아날로그 하이브리드 빔 형성 네트워크의 구현에 보다 유연하게 적용 할 수 있으며 스펙트럼 및 에너지 효율성간에 향상된 균형을 달성할 수 있다. 5 is a graph showing the total channel capacity of each ESA system and UESA system for Nr = 64 and RF chain N = {2, 3, 4, 5}, respectively, at SNR = 12 dB. 5, since the antenna is equally allocated to the sub-antenna arrays of the ESA system, cannot provide Conversely, UESA systems can be more flexibly applied to the implementation of analog hybrid beamforming networks and achieve an improved balance between spectral and energy efficiency.
또한, UESA 시스템은 ESA 시스템보다 우수한 시스템의 성능을 보여 주며, N의 큰 값에 대한 시스템의 성능 향상이 보다 명확함을 알 수 있다.In addition, the UESA system shows better system performance than the ESA system, and it can be seen that the performance improvement of the system for a large value of N is more clear.
한편, 에너지 효율 면에 있어서, 각각의 이고, p = 20 mW 의 기준 전력값이며, 각각의 총 에너지는 로 설정된다.On the other hand, in terms of energy efficiency, each , p = a reference power value of 20 mW, and each total energy is is set to
도 6은 와 각각에 대한 ESA 시스템 및 UESA 시스템 각각의 에너지 효율을 보인 그래프로서, 도 6을 참조하면, UESA-ES 시스템은 ESA 시스템보다 높은 전력을 필요로 하지만 Nr = 64의 경우 ESA 시스템과 비슷한 에너지 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 또한 Nr = 32 인 경우 낮은 SNR 값에서 UESA 시스템의 에너지 효율 향상됨을 확인할 수 있다.6 is Wow As a graph showing the energy efficiency of each ESA system and UESA system for each, referring to FIG. 6 , the UESA-ES system requires higher power than the ESA system, but achieves similar energy efficiency to the ESA system for Nr = 64 it can be seen that In addition, when Nr = 32, it can be seen that the energy efficiency of the UESA system is improved at a low SNR value.
도 7은 SNR = 6dB, , 및 에 대해 ESA 시스템, UESA-ES 시스템, UESA-RES 시스템, 및 UESA-RES-ET 시스템 각각에 대한 에너지 효율 및 총 채널 용량을 보인 그래프로서, 도 7을 참조하면, 총 채널 용량에 대한 향상은 Nr의 모든 값에 대해 확인할 수 있고, UESA 시스템의 에너지 효율면에서의 이득은 Nr이 증가함에 따라 감소됨을 알 수 있다.7 shows SNR = 6 dB, , and As a graph showing energy efficiency and total channel capacity for each of the ESA system, the UESA-ES system, the UESA-RES system, and the UESA-RES-ET system, referring to FIG. 7 , the improvement to the total channel capacity is Nr It can be confirmed for all values of , and it can be seen that the gain in terms of energy efficiency of the UESA system decreases as Nr increases.
한편 최적의 UESA-ES 시스템과 비교하여 UESA-RES 및 UESA-RES-ET 시스템의 단계1 ~ 7에서 후보 순서화는 오프라인으로 수행 할 수 있으므로 이에 대한 연산 복잡성은 무시할 수 있다. 또한 채널의 행 순서화의 복잡도는 다수의 후보에 대해 완전 탐색 알고리즘(ES)의 복잡도에 비해 크게 낮다. 즉, 연산 복잡도는 후보의 수에 비례된다.On the other hand, compared with the optimal UESA-ES system, in
SNR= 12dB, , 및 에 대해, UESA-ES 시스템, UESA-RES 시스템, 및 UESA-RES-ET 시스템의 후보의 수와 UESA-RES-ET 시스템에 대한 는 하기 표 1에서 제시된다.SNR = 12dB, , and For the number of candidates for the UESA-ES system, the UESA-RES system, and the UESA-RES-ET system, and for the UESA-RES-ET system is presented in Table 1 below.
표 1을 참조하면, UESA-ES 시스템은 UESA-RES 시스템 및 UESA-RES-ET 시스템 보다 많은 수의 후보가 요구됨을 알 수 있다. 또한, UESA-RES 시스템 및 UESA-RES-ET 시스템은 감소된 완전 탐색 알고리즘이 수행되므로, 시스템의 성능 손실이 발생되나 연산 복잡도는 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다. Nr = 64 안테나와 N = 4 RF 체인으로 구비된 대규모 MIMO 에서 UESA-ES 시스템은 최적의 해를 찾기 위해 약 40000 개의 후보에 대해 탐색하여야 하나, UESA-RES 시스템 및 UESA-RES-ET 시스템은 UESA-ES 시스템의 후보의 수의 약 5 %와 2 %에 해당하는 1906 및 770 개의 후보에 대해 완전 탐색을 수행하여야 한다.Referring to Table 1, it can be seen that the UESA-ES system requires a greater number of candidates than the UESA-RES system and the UESA-RES-ET system. In addition, since the reduced complete search algorithm is performed for the UESA-RES system and the UESA-RES-ET system, it can be confirmed that the performance loss of the system occurs but the computational complexity is remarkably reduced. In large-scale MIMO equipped with Nr = 64 antennas and N = 4 RF chains, the UESA-ES system must search about 40,000 candidates to find the optimal solution. However, the UESA-RES system and the UESA-RES-ET system - A full search should be performed on 1906 and 770 candidates, which correspond to about 5% and 2% of the number of candidates in the ES system.
결국, 제안한 UESA 시스템에서 전력 소비는 약간 증가되나 총 채널 용량이 최대 10 % 향상됨을 확인할 수 있고, UESA-RES 및 UESA-RES-ET 시스템에서는 안테나 대 서브 어레이 연결을 결정하는 연산 복잡도를 줄일 수 있으며, UESA-ES 시스템의 연산 복잡도는 현저히 낮추어 시스템 성능 손실을 최소화됨을 확인할 수 있다.In the end, it can be seen that the power consumption is slightly increased in the proposed UESA system, but the total channel capacity is improved by up to 10%. In the UESA-RES and UESA-RES-ET systems, the computational complexity of determining the antenna-to-subarray connection can be reduced. , it can be seen that the computational complexity of the UESA-ES system is significantly lowered, thereby minimizing system performance loss.
도 8은 일 실시 예에 따른 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 동작을 보인 순서도로서, 도 8을 참조하면, 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍하도록 구비될 수 있다.8 is a flowchart illustrating a hybrid analog digital beamforming operation for a large-scale MIMO system according to an embodiment. Referring to FIG. 8, the number of antennas of a sub-array is grouped differently according to a channel state to provide a hybrid analog for a large-scale MIMO system. It may be provided for digital beamforming.
일 실시 예에 따른 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공될 수 있다. 상기 프로그램은 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법을 저장한 응용 프로그램, 디바이스 드라이버, 펌웨어, 미들웨어, 동적 링크 라이브러리(DLL) 및 애플릿 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 시스템은 제어부를 포함하고, 제어부는 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법이 기록된 기록 매체를 판독함으로써, 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍하는 방법을 실행할 수 있다.A computer-readable recording medium in which a program for executing a hybrid analog-to-digital beamforming method for a large-scale MIMO system according to an embodiment is recorded may be provided. The program may include at least one of an application program storing the hybrid analog digital beamforming method, a device driver, firmware, middleware, a dynamic link library (DLL), and an applet. The hybrid analog digital beamforming system includes a control unit, and the control unit groups the number of antennas of the sub-array differently according to the channel condition and reads the recording medium in which the hybrid analog digital beamforming method for a large-scale MIMO system is recorded. Accordingly, a hybrid analog digital beamforming method for a large-scale MIMO system may be performed by grouping the number of antennas of the sub-array differently.
도 8을 참조하면 단계(S11)에서, 일 실시 예에 따른 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는, 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬 를 도출할 수 있다.Referring to FIG. 8 , in step S11 , the hybrid analog digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system according to an embodiment performs ordering on the channel matrix to can be derived.
그리고, 단계(S12, S13)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬 을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고, 상기 도출된 아날로그 결합 행렬 및 채널 행렬 을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량 을 연산한다.And, in steps S12 and S13, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment sets the number of antennas. candidate for a subset of analog coupling matrix for each in is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm, and the derived analog combining matrix and channel matrix Channel capacity according to a predetermined relation based on calculate
또한, 단계(S14, S15)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 상기 연산된 채널 용량 과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량 이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬 , 안테나 수의 세트 , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬 , 최적 안테나 수의 세트 , 및 연산된 채널 용량 로 업데이트한다.In addition, in steps S14 and S15, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment performs the calculated channel capacity. By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix , set of number of antennas , each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix , set of the optimal number of antennas , and computed channel capacity update to
여기서, 연산 복잡도를 감소하기 위해, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수 조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행할 수 있다.Here, in order to reduce computational complexity, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment includes the number of antennas. A set of the number of antennas in the sub-array that satisfy the condition candidate for a subset of A Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm that searches for a set of antenna numbers with the maximum total channel capacity can be performed.
한편, 단계(S16)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 이 일정 수 반복하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)한다.On the other hand, in step S16, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment is a sub-candidate set The optimal antenna set currently found in Antenna sets with higher channel capacity than candidates If it is not found during this certain number of iterations, the reduced complete search (RES) is terminated early (ET).
이에 일 실시 예에 따르면, 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행함에 따라, 낮은 연산 복잡도로 대규모 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. Accordingly, according to an embodiment, hybrid analog-digital beamforming is performed by grouping the number of antennas of the sub-array differently according to channel conditions, so that large-scale multi-input multi-output (MIMO) system performance can be improved with low computational complexity.
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.Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. will understand Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.
40 : 스위칭 네트워크
100 ; 제어부40: switching network
100 ; control
Claims (11)
안테나, 저잡음 증폭기, 및 위상 시프트를 포함하는 다수의 서브 어레이의 출력측에 접속되고 외부로부터 공급되는 스위칭신호에 의거 그룹핑된 수신신호를 출력하는 스위칭 네트워크;
상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 디지털화한 다음 디코딩하는 디지털 수신기; 및
채널 상태에 따라 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
채널 행렬 에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬 를 도출하고,
안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬 을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
상기 도출된 아날로그 결합 행렬 및 채널 행렬 을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량 을 연산하며,
상기 연산된 채널 용량 과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량 이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬 , 안테나 수의 세트 , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬 , 최적 안테나 수의 세트 , 및 연산된 채널 용량 로 업데이트하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.A hybrid analog digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, comprising:
a switching network connected to an output side of a plurality of sub-arrays including an antenna, a low-noise amplifier, and a phase shift and outputting a grouped reception signal based on a switching signal supplied from the outside;
a digital receiver that digitizes and then decodes the received signal passing through the switching network; and
Further comprising: a controller for generating a switching signal for grouping the number of antennas of the sub-array differently according to a channel state and transmitting it to the switching network,
The control unit is
channel matrix Channel matrix by ordering on to derive,
set of antennas candidate for a subset of analog coupling matrix for each in is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
The derived analog combining matrix and channel matrix Channel capacity based on a predetermined relational expression based on computes,
The calculated channel capacity By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix , set of number of antennas , each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix , set of the optimal number of antennas , and computed channel capacity A hybrid analog-to-digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, characterized in that it is updated to .
상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서브 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.The method of claim 1, wherein the switching network is
and a UESA (Unequal Sub Array) structure in which the number of antennas of the sub-array is grouped differently under the control of the controller.
연산 복잡도를 감소하기 위해, i 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가 일 때, 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대해 조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트 의 후보 의 서브 세트 에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치. According to claim 2, wherein the control unit,
In order to reduce the computational complexity, the number of antennas allocated to the i-th sub-array is When , set of the number of antennas in a given subarray About A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition candidate of a subset of A hybrid analog-to-digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, characterized in that it is provided to perform a Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm for searching a set of the number of antennas having the maximum total channel capacity.
서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 이 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.According to claim 4, wherein the control unit,
sub-candidate set The optimal antenna set currently found in Antenna sets with higher channel capacity than candidates A hybrid analog-to-digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, characterized in that it is provided to terminate the reduced complete search (RES) early (ET) if it is not found during the repeated search for a predetermined number of times.
(a) 스위칭 네트워크에서, 다수의 안테나, 저잡음 증폭기, 및 위상 시프트를 포함하는 서브 어레이를 그룹핑하는 단계; 및
(b) 디지털 수신기에서, 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 디지털화한 다음 디코딩하는 단계를 포함하되,
(c) 제어부에서, 채널 상태에 따라 상기 스위칭 네트워크의 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 단계를 더 포함하고,
상기 (c) 단계는,
(c-1) 채널 행렬 에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬 를 도출하고,
(c-2) 안테나 수의 세트 에 대한 후보 의 서브 세트 에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬 을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
(c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬 및 채널 행렬 을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량 을 연산하며,
(c-4) 상기 연산된 채널 용량 과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량 이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬 , 안테나 수의 세트 , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬 , 최적 안테나 수의 세트 , 및 연산된 채널 용량 로 업데이트하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.A hybrid analog digital beamforming method for a large-scale MIMO system, comprising:
(a) grouping, in a switching network, a sub-array comprising a plurality of antennas, a low-noise amplifier, and a phase shift; and
(b) in the digital receiver, digitizing and then decoding the received signal that has passed through the switching network;
(c) generating, by the control unit, a switching signal for grouping the number of antennas of the sub-array of the switching network differently according to a channel state, and transmitting the generated switching signal to the switching network;
The step (c) is,
(c-1) channel matrix Channel matrix by ordering on to derive,
(c-2) set of antenna numbers candidate for a subset of analog coupling matrix for each in is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
(c-3) the derived analog combining matrix and channel matrix Channel capacity according to a predetermined relation based on computes,
(c-4) the calculated channel capacity By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix , set of number of antennas , each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix , set of the optimal number of antennas , and computed channel capacity A hybrid analog-to-digital beamforming method for a large-scale MIMO system, characterized in that it is updated to .
상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서브 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.The method of claim 6, wherein (a) step,
and a UESA (Unequal Sub Array) structure in which the number of antennas of the sub-array is grouped differently under the control of the controller.
연산 복잡도를 감소하기 위해, i 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가 일 때, 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트 에 대해 조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트 의 후보 의 서브 세트 에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법. The method of claim 7, wherein the step (c-1) comprises:
In order to reduce the computational complexity, the number of antennas allocated to the i-th sub-array is When , set of the number of antennas in a given subarray About A set of the number of antennas in the sub-array that satisfy the condition candidate of a subset of A hybrid analog-to-digital beamforming method for a large-scale MIMO system, characterized in that it is provided to perform a Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm for searching a set of the number of antennas having the maximum total channel capacity for .
서브 후보 세트 에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트 후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트 이 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.The method of claim 7, wherein after step (c-4)
sub-candidate set The optimal antenna set currently found in Antenna sets with higher channel capacity than candidates A hybrid analog-to-digital beamforming method for a large-scale MIMO system, characterized in that the reduced complete search (RES) is terminated early (ET) if it is not found during the repeated search a predetermined number of times.
[Claim 11] A recording medium having a built-in program capable of executing the hybrid analog digital beamforming method for a large-scale MIMO system according to any one of claims 6, 7, 9, and 10 on a computer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190081245A KR102277866B1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Hybrid analog and digital beamforming apparatus and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190081245A KR102277866B1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Hybrid analog and digital beamforming apparatus and method |
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---|---|
KR20210004593A KR20210004593A (en) | 2021-01-13 |
KR102277866B1 true KR102277866B1 (en) | 2021-07-16 |
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ID=74142938
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020190081245A KR102277866B1 (en) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | Hybrid analog and digital beamforming apparatus and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102277866B1 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR102109918B1 (en) * | 2015-06-15 | 2020-05-12 | 삼성전자주식회사 | Apparatus and method for beamforming using antenna array in wireless communication system |
KR101760411B1 (en) * | 2015-09-18 | 2017-07-31 | 고려대학교 산학협력단 | Apparatus and method of hybrid beamforming |
-
2019
- 2019-07-05 KR KR1020190081245A patent/KR102277866B1/en active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
S.Park et al, "Dynamic Subarrays for Hybrid Precoding in Wideband mmWave MIMO Systems", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol.16, No.5, May 2017(2017.05.)* |
X.Zhai et al, "Joint Transceiver Design With Antenna Selection for Large-Scale MU-MIMO mmWave Systems," IEEE Journal on selected Areas in Communications, Vol.35, No.9, Sept. 2017(2017.09.)* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20210004593A (en) | 2021-01-13 |
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