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

대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법{HYBRID ANALOG AND DIGITAL BEAMFORMING APPARATUS AND METHOD}Hybrid analog digital beamforming apparatus and method for large-scale MIMO system {HYBRID ANALOG AND DIGITAL BEAMFORMING APPARATUS AND METHOD}

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.

X. Gao, L. Dai, S. Han, I. Chih-Lin, and R. W. Heath, “Energy-efficient hybrid analog and digital precoding for mmWave MIMO systems with large antenna arrays,”IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 34, no. 4, pp. 998-1009, 2016. X. Gao, L. Dai, S. Han, I. Chih-Lin, and R. W. Heath, “Energy-efficient hybrid analog and digital precoding for mmWave MIMO systems with large antenna arrays,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 34, no. 4, pp. 998-1009, 2016. Y. Niu, Z. Feng, Y. Li, Z. Zhong, and D. Wu, “Low complexity and near-optimal beam selection for millimeter wave MIMO systems,”in IEEE 13th Int. Conf. Wireless Commun. Mobile Computing (IWCMC),, 2017, pp. 634-639. Y. Niu, Z. Feng, Y. Li, Z. Zhong, and D. Wu, “Low complexity and near-optimal beam selection for millimeter wave MIMO systems,” in IEEE 13th Int. Conf. Wireless Commun. Mobile Computing (IWCMC), 2017, pp. 634-639. S. Park, A. Alkhateeb, and R. W. Heath, “Dynamic subarrays for hybrid precoding in wideband mmWave MIMO systems,”IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 16, no. 5, pp. 2907-2920, 2017. S. Park, A. Alkhateeb, and R. W. Heath, “Dynamic subarrays for hybrid precoding in wideband mmWave MIMO systems,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 16, no. 5, pp. 2907-2920, 2017.

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

Figure 112019069095586-pat00001
를 도출하고,By performing ordering on the channel matrix, the channel matrix
Figure 112019069095586-pat00001
to derive,

상기 안테나 수의 세트

Figure 112019069095586-pat00002
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00003
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00004
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00005
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,set of the number of antennas
Figure 112019069095586-pat00002
candidate for
Figure 112019069095586-pat00003
a subset of
Figure 112019069095586-pat00004
analog coupling matrix for each in
Figure 112019069095586-pat00005
is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,

상기 도출된 아날로그 결합 행렬

Figure 112019069095586-pat00006
및 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00007
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00008
을 연산하며, The derived analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00006
and channel matrix
Figure 112019069095586-pat00007
Channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112019069095586-pat00008
computes,

상기 연산된 채널 용량

Figure 112019069095586-pat00009
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00010
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00011
, 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00012
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00013
, 최적 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00014
, 및 연산된 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00015
로 업데이트하도록 구비될 수 있다.The calculated channel capacity
Figure 112019069095586-pat00009
By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity
Figure 112019069095586-pat00010
If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00011
, set of number of antennas
Figure 112019069095586-pat00012
, each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00013
, set of the optimal number of antennas
Figure 112019069095586-pat00014
, and computed channel capacity
Figure 112019069095586-pat00015
It may be provided to update to .

바람직하게 상기 제어부는,Preferably, the control unit,

연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수

Figure 112019069095586-pat00016
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00017
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00018
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00019
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
Figure 112019069095586-pat00016
A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition
Figure 112019069095586-pat00017
candidate for
Figure 112019069095586-pat00018
a subset of
Figure 112019069095586-pat00019
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

Figure 112019069095586-pat00020
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00021
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00022
이 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.sub-candidate set
Figure 112019069095586-pat00020
The optimal antenna set currently found in
Figure 112019069095586-pat00021
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112019069095586-pat00022
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

Figure 112019069095586-pat00023
를 도출하고,(c-1) channel matrix by performing ordering on the channel matrix
Figure 112019069095586-pat00023
to derive,

(c-2) 상기 안테나 수의 세트

Figure 112019069095586-pat00024
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00025
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00026
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00027
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,(c-2) set of the number of antennas
Figure 112019069095586-pat00024
candidate for
Figure 112019069095586-pat00025
a subset of
Figure 112019069095586-pat00026
analog coupling matrix for each in
Figure 112019069095586-pat00027
is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,

(c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬

Figure 112019069095586-pat00028
및 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00029
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00030
을 연산하며, (c-3) the derived analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00028
and channel matrix
Figure 112019069095586-pat00029
Channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112019069095586-pat00030
computes,

(c-4) 상기 연산된 채널 용량

Figure 112019069095586-pat00031
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00032
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00033
, 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00034
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00035
, 최적 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00036
, 및 연산된 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00037
로 업데이트하도록 구비될 수 있다.(c-4) the calculated channel capacity
Figure 112019069095586-pat00031
By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity
Figure 112019069095586-pat00032
If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00033
, set of number of antennas
Figure 112019069095586-pat00034
, each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00035
, set of the optimal number of antennas
Figure 112019069095586-pat00036
, and computed channel capacity
Figure 112019069095586-pat00037
It may be provided to update to .

바람직하게 상기 (c-1) 단계는,Preferably, the step (c-1) comprises:

연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수

Figure 112019069095586-pat00038
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00039
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00040
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00041
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
Figure 112019069095586-pat00038
A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition
Figure 112019069095586-pat00039
candidate for
Figure 112019069095586-pat00040
a subset of
Figure 112019069095586-pat00041
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

Figure 112019069095586-pat00042
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00043
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00044
가 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.sub-candidate set
Figure 112019069095586-pat00042
The optimal antenna set currently found in
Figure 112019069095586-pat00043
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112019069095586-pat00044
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 N RF chains 51, 52, .., uplink When N < N r , it includes K single-antenna terminal MSs.

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 antennas 11, 12, .. .) and a sub-antenna array including phase shifts 31, 32, .. are connected, a switching network 40 is connected to an output terminal of the sub-antenna array, and an RF chain 51 is connected to an output terminal of the switching network 40 , 52, ..) are connected. The switching network 40 is connected to the output side of a plurality of sub-arrays and is provided to transmit a grouped reception signal based on a switching signal supplied from the outside, whereby the switching network 40 sets the number of antennas of the sub-antenna array differently. It is provided in an unequal sub-array (UESA) structure.

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 control unit 100 may be provided to generate the switching signal for setting the number of antennas of the sub-antenna array differently in the switching network 40 according to a channel state.

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 digital receiver 70 is connected.

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 RF chains 51, 52, .. is digitized and then decoded by passing through the advanced digital receiver 70 such as old decoding and tabu search.

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 reception antennas 11 , 12 , ... and the switching network 40 based on the control unit 100 . Connected. Hereinafter, unless otherwise specified, the UESA system refers to a base station BS including the switching network 40 having an unequal sub-array (UESA) structure.

여기서, RF 체인의 수와 단일 안테나 단말 MS 수와 같고, 즉

Figure 112019069095586-pat00045
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,
Figure 112019069095586-pat00045
, 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 digital receiver 70 can be expressed by Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112019069095586-pat00046
Figure 112019069095586-pat00046

여기서,

Figure 112019069095586-pat00047
K 개 단일 안테나 단말 MS로 전송되는 벡터 심볼이고, 각 단일 안테나 단말의 평균 전송 전력은 정규화되어
Figure 112019069095586-pat00048
이고,
Figure 112019069095586-pat00049
는 독립적이고 균등 분산된 부가 백색 가우시안 노이즈(AWGN: additive white Gaussian noise) 샘플의 벡터이다. 여기서,
Figure 112019069095586-pat00050
이다. 또한,
Figure 112019069095586-pat00051
K 단말들과 기지국 BS 사이의 채널들을 나타내는 K 열 벡터
Figure 112019069095586-pat00052
들로 구성된 채널 행렬로 나타낸다. 각각의 채널 엔트리
Figure 112019069095586-pat00053
k 번째 단일 안테나 단말과 기지국 BS의 i 번째 수신 안테나 사이의 복소 채널 이득으로 나타낼 수 있다.here,
Figure 112019069095586-pat00047
is a vector symbol transmitted to K single-antenna terminal MS, and the average transmission power of each single-antenna terminal is normalized.
Figure 112019069095586-pat00048
ego,
Figure 112019069095586-pat00049
is a vector of independent and uniformly distributed additive white Gaussian noise (AWGN) samples. here,
Figure 112019069095586-pat00050
to be. Also,
Figure 112019069095586-pat00051
is a K column vector representing channels between K terminals and a base station BS.
Figure 112019069095586-pat00052
It is represented by a channel matrix composed of each channel entry
Figure 112019069095586-pat00053
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

Figure 112019069095586-pat00054
는 다음과 같이 주어진다.and the analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00054
is given as

Figure 112019069095586-pat00055
Figure 112019069095586-pat00055

여기서,

Figure 112019069095586-pat00056
는 서브 안테나 어레이의 아날로그 가중치 벡터이고,
Figure 112019069095586-pat00057
Figure 112019069095586-pat00058
의 m 번째 아날로그 가중치 벡터이며, 일정한 진폭
Figure 112019069095586-pat00059
를 가지나 위상이 다르다. 즉,
Figure 112019069095586-pat00060
이다.here,
Figure 112019069095586-pat00056
is the analog weight vector of the sub-antenna array,
Figure 112019069095586-pat00057
is
Figure 112019069095586-pat00058
is the mth analog weight vector of , constant amplitude
Figure 112019069095586-pat00059
has a different status. In other words,
Figure 112019069095586-pat00060
to be.

한편, 스위칭 네트워크(40)에서 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가

Figure 112019069095586-pat00061
이라고 가정하면, 할당된 안테나의 수는
Figure 112019069095586-pat00062
이고,
Figure 112019069095586-pat00063
이다. On the other hand, the number of antennas allocated to the n-th sub-array in the switching network 40
Figure 112019069095586-pat00061
Assuming that , the number of allocated antennas is
Figure 112019069095586-pat00062
ego,
Figure 112019069095586-pat00063
to be.

그리고, 수신 안테나의 수

Figure 112019069095586-pat00064
Figure 112019069095586-pat00065
이 된다. 그리고 서브 어레이에 할당된 스위칭 네트워크(40)의 수신 안테나(11, 12, ...) 수 세트를
Figure 112019069095586-pat00066
로 정의하면,
Figure 112019069095586-pat00067
이다.And, the number of receiving antennas
Figure 112019069095586-pat00064
silver
Figure 112019069095586-pat00065
becomes this And a set of the number of receive antennas (11, 12, ...) of the switching network 40 allocated to the sub-array
Figure 112019069095586-pat00066
If defined as
Figure 112019069095586-pat00067
to be.

그리고, UESA 시스템에서

Figure 112019069095586-pat00068
의 최대 고유치를
Figure 112019069095586-pat00069
로 정의하면, 총 채널 용량(total achievable rate)
Figure 112019069095586-pat00070
의 상계(upper bound)
Figure 112019069095586-pat00071
는 식 2로 얻을 수 있으며, 식 2에 Jense의 부등성을 적용하면 총 채널용량의 상계는 식 3을 만족한다. And, in the UESA system
Figure 112019069095586-pat00068
the maximum eigenvalue of
Figure 112019069095586-pat00069
If defined as , the total channel capacity (total achievable rate)
Figure 112019069095586-pat00070
upper bound of
Figure 112019069095586-pat00071
can be obtained from Equation 2, and if Jense's inequality is applied to Equation 2, the upper bound of the total channel capacity satisfies Equation 3.

[식 2] [Equation 2]

Figure 112019069095586-pat00072
Figure 112019069095586-pat00072

[식 3][Equation 3]

Figure 112019069095586-pat00073
Figure 112019069095586-pat00073

여기서,

Figure 112019069095586-pat00074
Figure 112019069095586-pat00075
으로, 반양정치(positive semidefinite)의 에르미티안(Hermitian) 행렬로 고유 벡터 분해가 가능하고, 이에
Figure 112019069095586-pat00076
의 고유 벡터
Figure 112019069095586-pat00077
와 아날로그 결합 벡터
Figure 112019069095586-pat00078
Figure 112019069095586-pat00079
같을 때
Figure 112019069095586-pat00080
의 최대 고유치는
Figure 112019069095586-pat00081
를 만족할 때 식 3의 등식이 만족된다.here,
Figure 112019069095586-pat00074
silver
Figure 112019069095586-pat00075
, eigenvector decomposition is possible with a positive semidefinite Hermitian matrix,
Figure 112019069095586-pat00076
eigenvector of
Figure 112019069095586-pat00077
and analog combined vector
Figure 112019069095586-pat00078
Figure 112019069095586-pat00079
when the same
Figure 112019069095586-pat00080
The maximum eigenvalue of
Figure 112019069095586-pat00081
When , the equation of Equation 3 is satisfied.

식 3으로부터 썸레이트를 최적화하기 위해 일 실시 예의 UESA 시스템은

Figure 112019069095586-pat00082
의 최대 고유치가 식 4를 만족하도록 설계된다.To optimize the thumb rate from Equation 3, the UESA system of an embodiment is
Figure 112019069095586-pat00082
The maximum eigenvalue of is designed to satisfy Equation 4.

[식 4][Equation 4]

Figure 112019069095586-pat00083
Figure 112019069095586-pat00083

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 Equation 4, Equation 4 is relaxed to the condition of Equation 5 below.

[식 5] [Equation 5]

Figure 112019069095586-pat00084
Figure 112019069095586-pat00084

또한

Figure 112019069095586-pat00085
를 최대화함에 따라, 최대 고유치의 합
Figure 112019069095586-pat00086
의 최대화 문제는 해결될 수 있다. Also
Figure 112019069095586-pat00085
By maximizing , the sum of the largest eigenvalues
Figure 112019069095586-pat00086
The maximization problem of can be solved.

이에 일 실시 예의 UESA 시스템은

Figure 112019069095586-pat00087
(목표
Figure 112019069095586-pat00088
)이고,
Figure 112019069095586-pat00089
의 최대화(목표
Figure 112019069095586-pat00090
) 되도록 구현되어야 한다.Accordingly, the UESA system of one embodiment is
Figure 112019069095586-pat00087
(goal
Figure 112019069095586-pat00088
)ego,
Figure 112019069095586-pat00089
maximization of (goal
Figure 112019069095586-pat00090
) should be implemented as much as possible.

또한, 서브 어레이의 수와 수신 안테나(11, 12,..)의 수가 다르게 배열됨에 따라 서브 어레이의 안테나 수

Figure 112019069095586-pat00091
는 다르므로, 일 실시 예의 UESA 시스템은 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00092
에 대해, 채널 용량을 최적화되어야 한다.In addition, as the number of sub-arrays and the number of receiving antennas 11, 12, .. are arranged differently, the number of antennas in the sub-array
Figure 112019069095586-pat00091
is different, so the UESA system of one embodiment is a set of the number of antennas in a given sub-array.
Figure 112019069095586-pat00092
For this, the channel capacity should be optimized.

따라서, 목표

Figure 112019069095586-pat00093
를 달성하기 위해 서브 어레이에 할당된 안테나의 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00094
는 비 내림 차순으로 배열되어야 한다. 즉,
Figure 112019069095586-pat00095
이다. 이에 일 실시 예의 UESA 시스템은 총 채널용량
Figure 112019069095586-pat00096
가 상계
Figure 112019069095586-pat00097
에 점점 가까워질수록 증가된 채널 용량을 확보할 수 있고, 이에 UESA 시스템에서 총 채널 용량은 ESA 시스템의 총 채널용량과 비교하여 상계
Figure 112019069095586-pat00098
에 좀더 근접된다. Therefore, the goal
Figure 112019069095586-pat00093
A set of the number of antennas allocated to the sub-array to achieve
Figure 112019069095586-pat00094
should be arranged in non-descending order. In other words,
Figure 112019069095586-pat00095
to be. Accordingly, the UESA system of an embodiment has a total channel capacity
Figure 112019069095586-pat00096
virtual set-up
Figure 112019069095586-pat00097
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.
Figure 112019069095586-pat00098
closer to the

그리고,

Figure 112019069095586-pat00099
에서 목표
Figure 112019069095586-pat00100
를 만족하기 위해, 단일 안테나 단말 MS의 수 K 가 일정하게 유지되는 동안 수신 안테나의 수 N r 이 증가될 때
Figure 112019069095586-pat00101
의 상계
Figure 112019069095586-pat00102
는 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00103
의 열(row)을 놈(norm)의 내림 차순 정렬에 의해 최대화할 수 있다. 여기서,
Figure 112019069095586-pat00104
는 기지국 BS 와 K 개의 단일 안테나 단말 MS들 사이의 채널
Figure 112019069095586-pat00105
을 나타내고
Figure 112019069095586-pat00106
의 행 벡터를 포함하는 채널 행렬이다.And,
Figure 112019069095586-pat00099
goal in
Figure 112019069095586-pat00100
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
Figure 112019069095586-pat00101
offset of
Figure 112019069095586-pat00102
is the channel matrix
Figure 112019069095586-pat00103
We can maximize the row of , by sorting in descending order of the norm. here,
Figure 112019069095586-pat00104
is a channel between the base station BS and K single-antenna terminal MSs
Figure 112019069095586-pat00105
to indicate
Figure 112019069095586-pat00106
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

Figure 112019069095586-pat00107
로 정의하면, 가능한 모든 후보 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00108
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.
Figure 112019069095586-pat00107
Defined as , the set of all possible candidate antenna numbers
Figure 112019069095586-pat00108
It can provide the highest channel capacity among them.

이러한 서브 어레이의 최적 안테나 수 세트

Figure 112019069095586-pat00109
를 결정하기 위해,
Figure 112019069095586-pat00110
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
Figure 112019069095586-pat00109
to determine,
Figure 112019069095586-pat00110
After maximizing channel ordering, all candidates are searched through an exhaustive search (ES) algorithm, and the candidates are defined as follows.

Figure 112019069095586-pat00111
Figure 112019069095586-pat00111

그리고 일 실시 예의 제어부(100)는 모든 후보에 대해 완전 탐색(ES : exhaustive search) 알고리즘을 통해 아날로그 결합 행렬

Figure 112019069095586-pat00112
를 찾은 다음 최대 썸 레이트를 제공하는 후보 세트를 검색한다. 이에 대규모 MIMO 시스템에서 후보의 크기
Figure 112019069095586-pat00113
는 매우 커지고, 이에 높은 연산 복잡도를 가지며, 낮은 연산 복잡도를 위해 후보 세트
Figure 112019069095586-pat00114
에서의 탐색을 실행한다.In addition, the control unit 100 according to an embodiment performs an analog coupling matrix through an exhaustive search (ES) algorithm for all candidates.
Figure 112019069095586-pat00112
, then search for the set of candidates that give the maximum thumb rate. Accordingly, the size of candidates in large-scale MIMO systems
Figure 112019069095586-pat00113
is very large, has high computational complexity, and is a candidate set for low computational complexity.
Figure 112019069095586-pat00114
Execute a search in

이러한 연산 복잡도를 줄이기 위해, 일 실시 예의 UESA 시스템은 대부분의 공간

Figure 112021026592326-pat00115
에서 서브 어레이의 최적 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00116
를 검색하는 대신에
Figure 112021026592326-pat00117
조건의 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00118
에 대한 후보
Figure 112021026592326-pat00119
의 서브 세트
Figure 112021026592326-pat00120
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
Figure 112021026592326-pat00115
set of optimal number of antennas in the subarray
Figure 112021026592326-pat00116
instead of searching for
Figure 112021026592326-pat00117
A set of the number of antennas in the sub-array of conditions
Figure 112021026592326-pat00118
candidate for
Figure 112021026592326-pat00119
a subset of
Figure 112021026592326-pat00120
A Reduced Exhaustive Search (RES) algorithm that performs the ES algorithm on .

Figure 112019069095586-pat00121
Figure 112019069095586-pat00121

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 controller 100 of the UESA system shown in FIG. 1 performs a Reduced Exhaustive Search (RES) for searching the optimal analog combining matrix and the optimal number of antennas of the sub-array from each candidate with low computational complexity. can do.

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

Figure 112019069095586-pat00122
의 도출한 다음 스텝 2 내지 4에서 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00123
의 후보들을 동등하게 검색하며, 스텝 5 및 6에서 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00124
을 도출한 다음 도출된 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00125
및 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00126
를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00127
을 도출한다. 여기서, 관계식은
Figure 112019069095586-pat00128
이다. 2 is a flowchart illustrating a reduced complete search (RES) process by the control unit 100. Referring to FIG. 2, the control unit 100 orders the norm column matrix in descending order with respect to the channel matrix to form a channel matrix.
Figure 112019069095586-pat00122
Subsets from steps 2 to 4 after derivation of
Figure 112019069095586-pat00123
Equally search the candidates of , and for each candidate in steps 5 and 6, the analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00124
After deriving , the derived channel matrix
Figure 112019069095586-pat00125
and analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00126
Total channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112019069095586-pat00127
to derive Here, the relation
Figure 112019069095586-pat00128
to be.

그리고 스텝 7 내지 11에서, 제어부(100)는 도출된 총 채널 용량

Figure 112019069095586-pat00129
이 정해진 임계값 τ 보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00130
는 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00131
을 도출하고, 이때 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00132
은 최적 안테나 세트로 설정한다.And in steps 7 to 11, the control unit 100 is the derived total channel capacity
Figure 112019069095586-pat00129
If is greater than a given threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00130
is the optimal analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00131
, where the antenna set
Figure 112019069095586-pat00132
is set as the optimal antenna set.

이 후 제어부(100)는 총 채널 용량

Figure 112019069095586-pat00133
로 임계값을 업데이트하며, 더 높은 썸레이트를 가지는 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00134
및 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00135
이 검색될 때 마다 최적 아날로그 결합행렬
Figure 112019069095586-pat00136
및 최적 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00137
을 업데이트한다.After that, the control unit 100 controls the total channel capacity.
Figure 112019069095586-pat00133
Analog combining matrix with higher thumb rate, updating the threshold with
Figure 112019069095586-pat00134
and antenna set
Figure 112019069095586-pat00135
The optimal analog combination matrix each time is searched for
Figure 112019069095586-pat00136
and set of optimal number of antennas
Figure 112019069095586-pat00137
update

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

Figure 112019069095586-pat00138
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00139
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00140
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 controller 100. Referring to FIG. 3 , the controller 100 controls a sub-candidate set
Figure 112019069095586-pat00138
The optimal antenna set currently found in
Figure 112019069095586-pat00139
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112019069095586-pat00140
It may be provided to prematurely terminate (ET) the reduced complete search (RES) algorithm when is not found during the iterative search for a predetermined number of counts.

이 때 인접된 요소들 사이의 큰 차를 가지는 안테나 세트

Figure 112019069095586-pat00141
이 최적 안테나의 세트
Figure 112019069095586-pat00142
일 가능성이 높다. 따라서, 서브 후보 세트
Figure 112019069095586-pat00143
의 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00144
후보는 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00145
의 인접된 요소들 간의 차를 토대로 배열된다In this case, an antenna set having a large difference between adjacent elements
Figure 112019069095586-pat00141
This set of optimal antennas
Figure 112019069095586-pat00142
it is likely to be Therefore, a set of sub-candidates
Figure 112019069095586-pat00143
Antenna set of
Figure 112019069095586-pat00144
Candidate set of antennas
Figure 112019069095586-pat00145
is arranged based on the difference between adjacent elements of

즉, 도 3을 참조하면, 단계 1 내지 3에서, 제어부(100)는

Figure 112019069095586-pat00146
를 모두 0으로 설정한 다음 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00147
의 i 번째 후보를
Figure 112019069095586-pat00148
로 설정한다.That is, referring to FIG. 3 , in steps 1 to 3, the control unit 100
Figure 112019069095586-pat00146
set to all zeros and then subset
Figure 112019069095586-pat00147
the i-th candidate of
Figure 112019069095586-pat00148
set to

그리고 단계 4에서 제어부(100)는 n+1 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수

Figure 112019069095586-pat00149
과 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수
Figure 112019069095586-pat00150
의 차인
Figure 112019069095586-pat00151
으로
Figure 112019069095586-pat00152
을 연산하고, 단계 5에서
Figure 112019069095586-pat00153
를 연산한다. 여기서,
Figure 112019069095586-pat00154
이다.And in step 4, the control unit 100 determines the number of antennas allocated to the n+1-th sub-array.
Figure 112019069095586-pat00149
and the number of antennas allocated to the nth sub-array
Figure 112019069095586-pat00150
car of
Figure 112019069095586-pat00151
to
Figure 112019069095586-pat00152
, and in step 5
Figure 112019069095586-pat00153
calculate here,
Figure 112019069095586-pat00154
to be.

여기서

Figure 112019069095586-pat00155
가 더 크다는 의미는 후보
Figure 112019069095586-pat00156
의 요소들 사이에 차가 크다는 것이다. 이에 결과적으로,
Figure 112019069095586-pat00157
가 큰 후보
Figure 112019069095586-pat00158
는 유망한 후보로 간주되어 완전 탐색을 먼저 수행된다. 따라서, 단계 7에서, 서브 후보
Figure 112019069095586-pat00159
의 원소들은 벡터
Figure 112019069095586-pat00160
의 원소를 내림차순으로 분류되어
Figure 112019069095586-pat00161
이 도출되고, 단계 8 내지 26에서,
Figure 112019069095586-pat00162
의 후보를 하나씩 완전 탐색하여 최적의 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00163
및 최적의 안테나 수
Figure 112019069095586-pat00164
가 결정된다. 여기서 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00165
에 대해 완전 탐색하는 일련의 과정은 도 2에 도시된 바와 같다. here
Figure 112019069095586-pat00155
is greater means that the candidate
Figure 112019069095586-pat00156
There is a large difference between the elements of As a result,
Figure 112019069095586-pat00157
a big candidate
Figure 112019069095586-pat00158
is considered a promising candidate and a full search is performed first. Therefore, in step 7, the sub-candidate
Figure 112019069095586-pat00159
The elements of is a vector
Figure 112019069095586-pat00160
are sorted in descending order
Figure 112019069095586-pat00161
is derived, in steps 8 to 26,
Figure 112019069095586-pat00162
An optimal analog combining matrix by exhaustively searching the candidates of
Figure 112019069095586-pat00163
and optimal number of antennas
Figure 112019069095586-pat00164
is decided subset here
Figure 112019069095586-pat00165
A series of processes for a complete search is shown in FIG. 2 .

즉, 단계 8 내지 15에 의거, 제어부(100)는 채널 행렬의 놈을 내림 차순으로 채널 열을 순서화하여

Figure 112019069095586-pat00166
를 도출한 다음 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00167
을 도출하고, 도출된 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00168
및 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00169
를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00170
을 도출하며, 도출된 총 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00171
이 정해진 임계값
Figure 112019069095586-pat00172
보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00173
는 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00174
을 도출하고, 이때 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00175
은 최적 안테나 세트로 설정한다. That is, based on steps 8 to 15, the control unit 100 orders the channel columns in descending order of the norm of the channel matrix,
Figure 112019069095586-pat00166
and then for each candidate the analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00167
, and the derived channel matrix
Figure 112019069095586-pat00168
and analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00169
Total channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112019069095586-pat00170
, and the derived total channel capacity
Figure 112019069095586-pat00171
this fixed threshold
Figure 112019069095586-pat00172
Analog Combination Matrix if Greater Than
Figure 112019069095586-pat00173
is the optimal analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00174
, where the antenna set
Figure 112019069095586-pat00175
is set as the optimal antenna set.

이 후 제어부(100)는 단계 16 내지 23에서, 카운터

Figure 112019069095586-pat00176
를 사용하여 새로운 후보가 더 이상의 성능 향상을 제공하지 않는 반복 수를 카운팅하고, 각 후보
Figure 112019069095586-pat00177
에 대해 총 채널용량이 향상되지 아니한 각 후보의 경우, 카운터
Figure 112019069095586-pat00178
는 1씩 증가되고, 그렇지 않으면 0으로 재설정된다. 이 후 카운터가
Figure 112019069095586-pat00179
에 도달하면 최적의 후보가 이미 완전 탐색되었을 가능성이 높으므로 단계 24에서 감소된 완전 탐색(RES) 알고리즘은 조기 종료(ET)된다.After that, the control unit 100 in steps 16 to 23, the counter
Figure 112019069095586-pat00176
is used to count the number of iterations where the new candidate does not provide any further performance improvement, and each candidate
Figure 112019069095586-pat00177
For each candidate whose total channel capacity has not improved for
Figure 112019069095586-pat00178
is incremented by 1, otherwise it is reset to 0. After this, the counter
Figure 112019069095586-pat00179
When , it is highly likely that the best candidate has already been fully searched, so the reduced complete search (RES) algorithm in step 24 is prematurely terminated (ET).

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 Equation 6 below.

[식 6][Equation 6]

Figure 112019069095586-pat00180
Figure 112019069095586-pat00180

여기서,

Figure 112019069095586-pat00181
,
Figure 112019069095586-pat00182
,
Figure 112019069095586-pat00183
,
Figure 112019069095586-pat00184
, 및
Figure 112019069095586-pat00185
는 각각 LNA(21, 22, ..), 위상 시프트(31, 32,...), 스위칭 네트워크(40), RF 체인부(51, 52, ...), 및 ADC(61, 62, ..) 각각의 소비 전력이다.here,
Figure 112019069095586-pat00181
,
Figure 112019069095586-pat00182
,
Figure 112019069095586-pat00183
,
Figure 112019069095586-pat00184
, and
Figure 112019069095586-pat00185
LNA (21, 22, ..), phase shift (31, 32, ...), switching network 40, RF chain section (51, 52, ...), and ADC (61, 62, respectively) ..) is the power consumption of each.

이에 UESA 시스템은 스위칭 네트워크(40)의 사용으로 인해

Figure 112019069095586-pat00186
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 switching network 40 to
Figure 112019069095586-pat00186
additional power consumption is required. However, since the power consumed by the switching network 40 is relatively small, the total power consumption is not affected at all.

최적화 시뮬레이션 결과Optimization simulation results

각 단일 안테나 단말 MS와 기지국 BS 사이의 동일한 수의 유효 채널 경로를 가정하며,

Figure 112019069095586-pat00187
에 대해 유효 채널 경로의 수를
Figure 112019069095586-pat00188
으로 설정된다. 도착 방위각 AoA
Figure 112019069095586-pat00189
Figure 112019069095586-pat00190
에서 균일 분포하다고 가정하고, 기지국 BS의 수신 안테나 어레이에는 반 파장의 안테나 간격의 ULA(uniform linear array)로 가정한다. 아날로그 빔형성기의 각 계수의 위상은
Figure 112019069095586-pat00191
로 제한되고 Q는 16으로 설정된다. 마지막으로, SNR은 잡음 전력
Figure 112019069095586-pat00192
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,
Figure 112019069095586-pat00187
number of effective channel paths for
Figure 112019069095586-pat00188
is set to Arrival Azimuth AoA
Figure 112019069095586-pat00189
silver
Figure 112019069095586-pat00190
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
Figure 112019069095586-pat00191
, and Q is set to 16. Finally, SNR is the noise power
Figure 112019069095586-pat00192
It is defined as the ratio of the user's average symbol power to

도 4는 SNR=12dB 에서

Figure 112019069095586-pat00193
Figure 112019069095586-pat00194
각각에 대한 ESA 시스템 및 UESA 시스템 각각 총 채널 용량(Rate) 및
Figure 112019069095586-pat00195
의 상계(Upper Bound: UBs)를 보인 그래프이다. 4 shows SNR = 12dB.
Figure 112019069095586-pat00193
Wow
Figure 112019069095586-pat00194
ESA system and UESA system respectively for each total channel capacity (Rate) and
Figure 112019069095586-pat00195
It is a graph showing the Upper Bound (UBs) of

감소된 완전 탐색 알고리즘(RES)의 조기 중지(ET) 알고리즘을 수행하는 UESA 시스템에서

Figure 112019069095586-pat00196
각각에 대해
Figure 112019069095586-pat00197
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)
Figure 112019069095586-pat00196
for each
Figure 112019069095586-pat00197
, 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,

Figure 112019069095586-pat00198
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,
Figure 112019069095586-pat00198
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

Figure 112019069095586-pat00199
이고, p = 20 mW 의 기준 전력값이며, 각각의 총 에너지는
Figure 112019069095586-pat00200
Figure 112019069095586-pat00201
로 설정된다.On the other hand, in terms of energy efficiency, each
Figure 112019069095586-pat00199
, p = a reference power value of 20 mW, and each total energy is
Figure 112019069095586-pat00200
Figure 112019069095586-pat00201
is set to

도 6은

Figure 112019069095586-pat00202
Figure 112019069095586-pat00203
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
Figure 112019069095586-pat00202
Wow
Figure 112019069095586-pat00203
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,

Figure 112019069095586-pat00204
, 및
Figure 112019069095586-pat00205
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,
Figure 112019069095586-pat00204
, and
Figure 112019069095586-pat00205
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 steps 1 to 7 of the UESA-RES and UESA-RES-ET systems, candidate ordering can be performed offline, so the computational complexity for this can be ignored. In addition, the complexity of row ordering of the channel is significantly lower than that of the full search algorithm (ES) for a large number of candidates. That is, the computational complexity is proportional to the number of candidates.

SNR= 12dB,

Figure 112019069095586-pat00206
, 및
Figure 112019069095586-pat00207
에 대해, UESA-ES 시스템, UESA-RES 시스템, 및 UESA-RES-ET 시스템의 후보의 수와 UESA-RES-ET 시스템에 대한
Figure 112019069095586-pat00208
는 하기 표 1에서 제시된다.SNR = 12dB,
Figure 112019069095586-pat00206
, and
Figure 112019069095586-pat00207
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
Figure 112019069095586-pat00208
is presented in Table 1 below.

Figure 112019069095586-pat00209
Figure 112019069095586-pat00209

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

Figure 112019069095586-pat00210
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
Figure 112019069095586-pat00210
can be derived.

그리고, 단계(S12, S13)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수의 세트

Figure 112019069095586-pat00211
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00212
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00213
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00214
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고, 상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00215
및 채널 행렬
Figure 112019069095586-pat00216
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00217
을 연산한다.And, in steps S12 and S13, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment sets the number of antennas.
Figure 112019069095586-pat00211
candidate for
Figure 112019069095586-pat00212
a subset of
Figure 112019069095586-pat00213
analog coupling matrix for each in
Figure 112019069095586-pat00214
is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm, and the derived analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00215
and channel matrix
Figure 112019069095586-pat00216
Channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112019069095586-pat00217
calculate

또한, 단계(S14, S15)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 상기 연산된 채널 용량

Figure 112019069095586-pat00218
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00219
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00220
, 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00221
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112019069095586-pat00222
, 최적 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00223
, 및 연산된 채널 용량
Figure 112019069095586-pat00224
로 업데이트한다.In addition, in steps S14 and S15, the hybrid analog digital beamforming apparatus according to an embodiment performs the calculated channel capacity.
Figure 112019069095586-pat00218
By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity
Figure 112019069095586-pat00219
If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112019069095586-pat00220
, set of number of antennas
Figure 112019069095586-pat00221
, each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix
Figure 112019069095586-pat00222
, set of the optimal number of antennas
Figure 112019069095586-pat00223
, and computed channel capacity
Figure 112019069095586-pat00224
update to

여기서, 연산 복잡도를 감소하기 위해, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수

Figure 112019069095586-pat00225
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112019069095586-pat00226
에 대한 후보
Figure 112019069095586-pat00227
의 서브 세트
Figure 112019069095586-pat00228
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.
Figure 112019069095586-pat00225
A set of the number of antennas in the sub-array that satisfy the condition
Figure 112019069095586-pat00226
candidate for
Figure 112019069095586-pat00227
a subset of
Figure 112019069095586-pat00228
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

Figure 112019069095586-pat00229
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00230
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112019069095586-pat00231
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
Figure 112019069095586-pat00229
The optimal antenna set currently found in
Figure 112019069095586-pat00230
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112019069095586-pat00231
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 ; 제어부
40: switching network
100 ; control

Claims (11)

대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치에 있어서,
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
Figure 112021026592326-pat00284
에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
Figure 112021026592326-pat00285
를 도출하고,
안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00286
에 대한 후보
Figure 112021026592326-pat00287
의 서브 세트
Figure 112021026592326-pat00288
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00289
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00290
및 채널 행렬
Figure 112021026592326-pat00291
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00292
을 연산하며,
상기 연산된 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00293
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00294
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00295
, 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00296
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00297
, 최적 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00298
, 및 연산된 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00299
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
Figure 112021026592326-pat00284
Channel matrix by ordering on
Figure 112021026592326-pat00285
to derive,
set of antennas
Figure 112021026592326-pat00286
candidate for
Figure 112021026592326-pat00287
a subset of
Figure 112021026592326-pat00288
analog coupling matrix for each in
Figure 112021026592326-pat00289
is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
The derived analog combining matrix
Figure 112021026592326-pat00290
and channel matrix
Figure 112021026592326-pat00291
Channel capacity based on a predetermined relational expression based on
Figure 112021026592326-pat00292
computes,
The calculated channel capacity
Figure 112021026592326-pat00293
By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity
Figure 112021026592326-pat00294
If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112021026592326-pat00295
, set of number of antennas
Figure 112021026592326-pat00296
, each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix
Figure 112021026592326-pat00297
, set of the optimal number of antennas
Figure 112021026592326-pat00298
, and computed channel capacity
Figure 112021026592326-pat00299
A hybrid analog-to-digital beamforming apparatus for a large-scale MIMO system, characterized in that it is updated to .
제1항에 있어서, 상기 스위칭 네트워크는
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.
삭제delete 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
연산 복잡도를 감소하기 위해, i 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가
Figure 112021026592326-pat00300
일 때, 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00301
에 대해
Figure 112021026592326-pat00247
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00248
의 후보
Figure 112021026592326-pat00249
의 서브 세트
Figure 112021026592326-pat00250
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
Figure 112021026592326-pat00300
When , set of the number of antennas in a given subarray
Figure 112021026592326-pat00301
About
Figure 112021026592326-pat00247
A set of the number of antennas in a sub-array that satisfies the condition
Figure 112021026592326-pat00248
candidate of
Figure 112021026592326-pat00249
a subset of
Figure 112021026592326-pat00250
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.
제4항에 있어서, 상기 제어부는,
서브 후보 세트
Figure 112021026592326-pat00251
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112021026592326-pat00252
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112021026592326-pat00253
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
Figure 112021026592326-pat00251
The optimal antenna set currently found in
Figure 112021026592326-pat00252
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112021026592326-pat00253
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.
대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법에 있어서,
(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
Figure 112021026592326-pat00302
에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
Figure 112021026592326-pat00303
를 도출하고,
(c-2) 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00304
에 대한 후보
Figure 112021026592326-pat00305
의 서브 세트
Figure 112021026592326-pat00306
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00307
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
(c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00308
및 채널 행렬
Figure 112021026592326-pat00309
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00310
을 연산하며,
(c-4) 상기 연산된 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00311
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00312
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00313
, 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00314
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure 112021026592326-pat00315
, 최적 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00316
, 및 연산된 채널 용량
Figure 112021026592326-pat00317
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
Figure 112021026592326-pat00302
Channel matrix by ordering on
Figure 112021026592326-pat00303
to derive,
(c-2) set of antenna numbers
Figure 112021026592326-pat00304
candidate for
Figure 112021026592326-pat00305
a subset of
Figure 112021026592326-pat00306
analog coupling matrix for each in
Figure 112021026592326-pat00307
is derived by performing an exhaustive search (ES) algorithm,
(c-3) the derived analog combining matrix
Figure 112021026592326-pat00308
and channel matrix
Figure 112021026592326-pat00309
Channel capacity according to a predetermined relation based on
Figure 112021026592326-pat00310
computes,
(c-4) the calculated channel capacity
Figure 112021026592326-pat00311
By comparing the predetermined threshold value τ and the comparison result, the channel capacity
Figure 112021026592326-pat00312
If this exceeds the threshold τ, the analog coupling matrix
Figure 112021026592326-pat00313
, set of number of antennas
Figure 112021026592326-pat00314
, each of the thresholds τ is an optimal analog combining matrix
Figure 112021026592326-pat00315
, set of the optimal number of antennas
Figure 112021026592326-pat00316
, and computed channel capacity
Figure 112021026592326-pat00317
A hybrid analog-to-digital beamforming method for a large-scale MIMO system, characterized in that it is updated to .
제6항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
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.
삭제delete 제7항에 있어서, 상기 (c-1) 단계는,
연산 복잡도를 감소하기 위해, i 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가
Figure 112021026592326-pat00318
일 때, 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00319
에 대해
Figure 112021026592326-pat00269
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure 112021026592326-pat00270
의 후보
Figure 112021026592326-pat00271
의 서브 세트
Figure 112021026592326-pat00272
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
Figure 112021026592326-pat00318
When , set of the number of antennas in a given subarray
Figure 112021026592326-pat00319
About
Figure 112021026592326-pat00269
A set of the number of antennas in the sub-array that satisfy the condition
Figure 112021026592326-pat00270
candidate of
Figure 112021026592326-pat00271
a subset of
Figure 112021026592326-pat00272
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 .
제7항에 있어서, 상기 (c-4) 단계 이후에
서브 후보 세트
Figure 112021026592326-pat00273
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure 112021026592326-pat00274
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure 112021026592326-pat00275
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
Figure 112021026592326-pat00273
The optimal antenna set currently found in
Figure 112021026592326-pat00274
Antenna sets with higher channel capacity than candidates
Figure 112021026592326-pat00275
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.
제6항, 제7항, 제9항, 및 제10항 중 한 항의 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 다지털 빔 포밍하는 방법을 컴퓨터 상에서 실행할 수 있는 프로그램이 내장된 기록 매체.

[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.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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