KR102456042B1 - 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 ofdm 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치 - Google Patents

광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 ofdm 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 상기 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치{User Interference Control Method and Apparatus for OFDM-Based Hybrid Beamforming in Wideband Downlink System}
아래의 실시예들은 광대역 하향링크 시스템의 빔포밍(Beamforming) 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치에 관한 것이다.
빔포밍 기술은 다수의 안테나를 이용하여 전송신호를 특정 방향으로 집중시키는 기술이다. 특히, beyond 5G 이동통신 시스템에서 고려하는 서브테라헤르츠(Sub-Terahertz) 등의 초고주파 채널에서는 넓은 대역폭 확보가 용이하며, 매우 짧은 파장으로 인해 수백 수천 개의 안테나를 사용할 수 있으므로 좁은 빔 폭을 형성함으로써 높은 경로 감쇄를 극복할 수 있다.
다중 안테나를 사용하여 기존의 디지털 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 적용하기 위해서는 안테나 수만큼의 RF 체인(Radio Frequency chain)이 필요하나 대량의 안테나를 사용하게 되면 하드웨어 복잡도와 전력소모가 대폭 증가하여 시스템 구현이 불가능해진다. 이를 해결하기 위해, 안테나에 비해 훨씬 적은 수의 RF 체인을 사용하는 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 구조가 쓰이고 있다. 아날로그 빔포밍은 안테나 빔 형성 이득을 얻고, 기저대역 디지털 빔포밍은 다중화 이득을 얻음으로써 디지털 빔포밍 성능에 근접한다. 여기서 아날로그 빔포밍 블록은 회로복잡도를 낮추고자 신호의 위상만 제어할 수 있는 RF 위상천이기로만 구성되어 있는 구조이다.
수백 수천 개의 안테나를 사용하는 광대역 다중 안테나 시스템에서의 송수신기 간 초고주파 채널은 경로 감쇄 등의 물리적 특성으로 인해 공간적 성김현상(spatial sparsity)이 발생한다. 공간적 성김현상이 존재할 때 물리적인 채널 형성 방향으로 아날로그 빔포밍을 형성함으로써 효과적으로 송수신기 간 빔포밍 이득을 얻을 수 있다. 광대역 채널의 심볼간간섭(Inter Symbol Interference, ISI)을 제거하고자 직교 주파수 분할 다중 방식(Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM) 시스템을 사용시 주파수 영역의 디지털 신호가 IDFT(Inverse-DFT) 신호처리 후 RF 체인을 거쳐 하나의 아날로그 신호가 발생한다.
OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 시스템은 아날로그 신호의 빔 이득을 얻고자 아날로그 빔포밍을 설계함으로써, 주파수 영역의 모든 디지털 신호에 대해 잘 설계된 하나의 아날로그 빔포밍을 설계하므로 사용자별 또는 스트림별 독립적인 빔 형성이 어렵고, 이를 DFT(Discrete Fourier Transform)/IDFT 취한 전체 부반송파의 유효 채널에 대하여 부반송파 채널 수만큼의 기저대역 빔포밍 설계하므로 하드웨어 구조적 한계로 인해 주파수 자원 효율의 최적화가 어렵다.
각 부반송파의 기저대역 빔포밍에 적합한 아날로그 빔포밍 설계를 통해 안테나 이득을 얻는 경우 전송률 향상이 용이하므로, 하이브리드 빔포밍 시스템의 전송률을 최대화하기 위해서 기지국과 사용자는 채널에 적합한 아날로그 빔포밍을 형성해야 한다.
(비특허문헌 1)에서는 위상천이기의 구조를 Riemannian manifold 좌표계로 해석하여, Gradient descent를 이용해 디지털 빔포밍으로부터 하이브리드 빔포밍 구조로 분해하는 방법을 제안하였으며, 이를 통해 위상천이기의 크기 제약을 만족하는 manifold optimization 해를 얻음으로써 복소수 값에서 위상값만 추출하지 않아 설계 목적에 맞는 아날로그 빔포밍 설계가 가능함을 보였으나 manifold optimization의 연산 복잡도로 인해 구현이 어렵다. 또한, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 구조 상 공통 아날로그 빔포밍 설계가 필요하며 이는 부반송파 별 독립적으로 설계된 디지털 빔포밍과는 달리 아날로그 빔포밍과 기저대역 빔포밍 간의 관계를 고려하여 설계해야 하므로 광대역에 특화된 설계 방법이라고는 할 수 없다.
(비특허문헌 2)에서는 아날로그 빔포밍과 기저대역 빔포밍 설계 문제를 분리하여 부반송파 별 채널 정보를 이용하여 아날로그 빔포밍을 설계 후 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 방법을 제시하였다. 이 때, 모든 사용자의 부반송파 별 채널의 평균값을 이용하여 전송률을 최대화하기 위한 Gradient descent 알고리즘을 통해 아날로그 빔포밍 설계 방법을 제안하였다. 하지만 실제 유한한 안테나 시스템에서는 잔여 간섭이 발생한다. 따라서, 사용자 별 간섭 제어를 위한 기저대역 빔포밍 설계 방법을 제시하였다. 이는 아날로그 빔포밍에서 간섭 제어를 위해 빔 이득을 효과적으로 이용하지 않아 최적 설계 방법이라고는 할 수 없다.
(비특허문헌 3)에서는 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 기지국에서 상향링크 수신기 구조를 설계하여 간섭 제어 문제를 해결한 뒤 하향링크 송신기 구조로 사용하는 방법을 제안하였다. 구체적으로 두 가지 방법을 제시하였는데, 디지털 빔포밍을 설계 후 하이브리드 빔포밍으로 분해하는 방법과 하이브리드 빔포밍 구조를 고려해 설계하는 방법을 제시하였다. 전자의 경우, (비특허문헌 1)과 같이 최적의 설계 방법이라 할 수 없다. 후자의 경우, 아날로그 빔포밍 설계는 사용자 별 간섭은 고려하지 않은 채 각 사용자의 부반송파 별 채널 정보를 이용해 빔 이득을 최대화하도록 각 사용자 별 아날로그 빔포밍을 설계하였으며, 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하였다. 이는 아날로그 빔포밍에서 간섭 제어를 위해 빔 이득을 효과적으로 이용하지 않아 최적 설계 방법이라고는 할 수 없다.
X. Yu, J.-C. Shen, J. Zhang,and K. B. Letaief, "Alternating minimization algorithms for hybrid precoding in millimeter wave MIMO systems," IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 10, No. 3, pp. 485-500, Apr. 2016. F. Sohrabi, and W. Yu, "Hybrid analog and digital beamforming for mmWave OFDM large-scale antenna arrays," IEEE Journal of Selected Areas in Communications, Vol. 35, No. 7, Jul. 2017. J. P. G-Coma, J. R-Fernandez, N. G-Prelcic, L. Castedo, and R. W. Heath, "Channel estimation and hybrid precoding for frequency selective multiuser mmWave MIMO systems," IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol. 12, no. 2, pp. 353-367, May 2018.
실시예들은 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF 체인을 사용하는 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 사용자 간 간섭을 완화시키는 아날로그 빔포밍 설계를 통해 전송률 향상시키는 기술을 제공한다.
실시예들은 모든 사용자와 부반송파 채널 정보를 이용해 전송률의 하한을 최대화하도록 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하고, 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하여 전송률을 향상시키는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 상기 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 하향링크 시스템의 간섭 제어를 위해 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 구조 중 상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다.
상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 상향링크 시스템의 전송률 하한을 유도하고 상기 상향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한 후, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 전체 부반송파에 공통인 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하기 위해 상기 시스템 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 구할 수 있다.
상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는, 설계된 상기 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함에 따라 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는, 각 사용자의 간섭 제어를 위해 부반송파 별 유효 채널에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는, 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 기지국과 사용자 간의 전송 스트림 별로 정렬시키고, 하향링크 시스템의 기지국의 전력 제약(power constraint)을 반영한 전력 정규화(power normalization)를 거친 최종 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치는, 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 아날로그 빔포밍 설계부; 및 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 상기 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포밍 설계부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍 설계부는, 상향링크 시스템의 전송률 하한을 유도하고 상기 상향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한 후, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍 설계부는, 전체 부반송파에 공통인 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하기 위해 상기 시스템 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 구할 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍 설계부는, 상기 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍 설계부는, 설계된 상기 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함에 따라 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 기저대역 빔포밍 설계부는, 각 사용자의 간섭 제어를 위해 부반송파 별 유효 채널에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
상기 기저대역 빔포밍 설계부는, 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 기지국과 사용자 간의 전송 스트림 별로 정렬시키고, 하향링크 시스템의 기지국의 전력 제약(power constraint)을 반영한 전력 정규화(power normalization)를 거친 최종 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
실시예들에 따르면 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF 체인을 사용하는 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 사용자 간 간섭을 완화시키는 아날로그 빔포밍 설계를 통해 전송률 향상시키는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 모든 사용자와 부반송파 채널 정보를 이용해 전송률의 하한을 최대화하도록 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하고, 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하여 전송률을 향상시키는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
다중 사용자 하향링크 시스템은 사용자 간 간섭 완화가 시스템 전송률 향상에 큰 영향을 미치므로 간섭 제어를 위한 빔포밍 설계가 필요하다. 기지국에서 사용자 간 간섭을 완화하기 위하여 공간상으로 구분되도록 아날로그 빔포밍을 설계하거나, 전체 안테나 크기의 디지털 빔포밍을 하이브리드 빔포밍 구조로 분해하는 방법은 전체 부반송파 채널을 고려한 전송률 관점에서 최적이 아니다.
기저대역 빔포밍은 전체 부반송파 별 디지털 신호처리가 가능하여 자유도가 높으나 실제 안테나 크기의 채널 정보가 아날로그 빔포밍 블록을 거친 뒤 DFT/IDFT 취한 RF 체인 크기의 채널 정보만을 이용할 수 있다. 즉, 기저대역 빔포밍은 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 일부 채널 정보만을 이용할 수 있으므로 아날로그 빔포밍은 사용자간 간섭을 완화하는 동시에 수신하는 신호들을 최대한 추출하고자 빔 이득을 최대화 함으로써 전송률을 향상시킬 수 있다.
아래의 실시예들은 안테나 수보다 적거나 같은 수의 RF 체인을 사용하는 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템에서 사용자 간 간섭을 완화시키는 아날로그 빔포밍 설계를 통해 전송률 향상시키는 2단계의 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법을 제안한다. 첫 번째 단계에서는 모든 사용자와 부반송파 채널 정보를 이용해 전송률의 하한을 최대화하도록 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하며, 두 번째 단계에서는 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하여 전송률을 향상시키는 방법을 제안한다.
먼저, 아래에서 사용되는 notation을 정의한다.
Figure 112021014242314-pat00001
는 기지국 안테나 수,
Figure 112021014242314-pat00002
는
Figure 112021014242314-pat00003
번째 사용자의 안테나 수(모든 사용자가 동일 가정
Figure 112021014242314-pat00004
),
Figure 112021014242314-pat00005
는 OFDM의 전체 부반송파 개수(the number of sub-carrier),
Figure 112021014242314-pat00006
는 전체 사용자 수,
Figure 112021014242314-pat00007
는 각각 기지국과 사용자 별 RF 체인 수(모든 사용자가 동일 가정
Figure 112021014242314-pat00008
),
Figure 112021014242314-pat00009
는 각 사용자에게 전송하는 데이터 스트림(data stream) 수,
Figure 112021014242314-pat00010
는 총 송신 데이터 스트림 수,
Figure 112021014242314-pat00011
는 기지국의 송신 전력,
Figure 112021014242314-pat00012
는 기지국에서
Figure 112021014242314-pat00013
번째 부반송파를 통해
Figure 112021014242314-pat00014
번째 사용자에게 전송하는 송신신호벡터,
Figure 112021014242314-pat00015
는 기지국에서
Figure 112021014242314-pat00016
번째 부반송파를 통해 전송하는 송신신호벡터,
Figure 112021014242314-pat00017
는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00018
번째 사용자 사이의
Figure 112021014242314-pat00019
시간에서 시간 영역 복합 채널 행렬(time domain complex channel matrix),
Figure 112021014242314-pat00020
,
Figure 112021014242314-pat00021
는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00022
번째 사용자 사이의
Figure 112021014242314-pat00023
부반송파에서 주파수 영역 복합 채널 행렬(frequency domain complex channel matrix),
Figure 112021014242314-pat00024
,
Figure 112021014242314-pat00025
는 기지국의 아날로그 빔포밍 행렬,
Figure 112021014242314-pat00026
,
Figure 112021014242314-pat00027
는 기지국이
Figure 112021014242314-pat00028
번째 사용자를 위한
Figure 112021014242314-pat00029
번째 부반송파 채널에 해당하는 baseband 빔포밍 행렬,
Figure 112021014242314-pat00030
,
Figure 112021014242314-pat00031
는
Figure 112021014242314-pat00032
번째 사용자의 아날로그 빔포밍 행렬,
Figure 112021014242314-pat00033
,
Figure 112021014242314-pat00034
는
Figure 112021014242314-pat00035
번째 사용자의
Figure 112021014242314-pat00036
번째 부반송파 채널에 해당하는 기저대역(baseband, BB) 빔포밍 행렬,
Figure 112021014242314-pat00037
,
Figure 112021014242314-pat00038
는 번째 사용자의 잡음(noise) 벡터,
Figure 112021014242314-pat00039
는 잡음(noise) 전력,
Figure 112021014242314-pat00040
는 Expectation operator,
Figure 112021014242314-pat00041
는
Figure 112021014242314-pat00042
단위 행렬(Identity matrix),
Figure 112021014242314-pat00043
는 켤레 전치(conjugate transpose)이다.
도 1은 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치(100)는 아날로그 빔포밍 설계부(110) 및 기저대역 빔포밍 설계부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
아날로그 빔포밍 설계부(110)는 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다(1 단계).
기저대역 빔포밍 설계부(120)는 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다(2 단계).
OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치(100)의 동작 과정은 다음과 같다.
제안하는 2 단계 하향링크 기지국 하이브리드 빔포밍 설계 방법으로써, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 전송률 최대화 문제와 그 하한을 이용한다. 하한을 유도하여 사용자 간 간섭 완화와 동시에 빔 이득을 최대화하도록 아날로그 빔포밍 행렬을 설계 후 각 부반송파의 유효 채널 정보에 대한 사용자 간 간섭 완화 기법을 통해 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 과정을 따른다.
보다 구체적으로, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 전체 사용자에 대한 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 전송률 최대화 문제로부터 하한을 유도한 뒤, Rayleigh quotient를 행렬(matrix) 형태로 확장하여 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 이용해 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
전송률 최대화 문제의 하한은 하향링크 환경에서 각 사용자에게 미치는 간섭에 대한 상한을 이용하여 유도하였으며, 이를 통해 사용자 간 간섭을 고려한다. 부반송파 별 공통의 아날로그 설계를 위해 각 부반송파 별로 사용자 간 간섭을 고려한 뒤 그 전체 지배적 고유벡터(dominant eigenvector) 중 최종 RF 체인 수만큼 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 최종적으로
Figure 112021014242314-pat00044
을 설계할 수 있다.
기저대역 빔포밍 설계부(120)는 부반송파 별 유효 채널에 대하여 사용자 별 기저대역 빔포밍 설계가 가능함에 따라, 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 이용해 사용자 별 부반송파에 대한 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
하향링크 다중 사용자 환경의 OFDM 시스템의 채널 모델을 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021014242314-pat00045
[수학식 2]
Figure 112021014242314-pat00046
여기서,
Figure 112021014242314-pat00047
는 시간 영역에서 샘플링 시간
Figure 112021014242314-pat00048
을 갖는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00049
번째 사용자 간 delay-d MIMO 클러스터 채널을 나타내고,
Figure 112021014242314-pat00050
는 OFDM 시스템 기반 주파수 영역에서
Figure 112021014242314-pat00051
번째 부반송파에 대한 기지국과
Figure 112021014242314-pat00052
번째 사용자 간 채널을 나타낸다.
수학식에 사용된 각 notation은 아래와 같다.
Figure 112021014242314-pat00053
는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00054
번째 사용자 간 채널에 존재하는 클러스터(cluster) 수이고,
Figure 112021014242314-pat00055
는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00056
번째 사용자 간 채널 클러스터에 존재하는 ray 수이며,
Figure 112021014242314-pat00057
는 기지국과
Figure 112021014242314-pat00058
번째 사용자 간 경로 이득이고,
Figure 112021014242314-pat00059
는 펄스 성형 함수(pulse-shaping function)이다. 또한,
Figure 112021014242314-pat00060
는 기지국에서
Figure 112021014242314-pat00061
번째 사용자로 나가는 각 경로 성분의 방위각(azimuth angle)이고,
Figure 112021014242314-pat00062
는 기지국에서
Figure 112021014242314-pat00063
번째 사용자로 들어오는 각 경로 성분의 방위각(azimuth angle)이며,
Figure 112021014242314-pat00064
는 송신/수신 배열 안테나의 정규화 된 배열 응답 벡터(normalized array response vector)로써 ULA(Uniform Linear Array)를 고려한다.
수신 신호 모델은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
예컨대,
Figure 112021014242314-pat00065
번째 사용자가 수신한
Figure 112021014242314-pat00066
번째 부반송파에서의 수신 신호와 수신기를 거친 신호를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021014242314-pat00067
[수학식 4]
Figure 112021014242314-pat00068
여기서,
Figure 112021014242314-pat00069
이다.
전송률 최대화 문제를 통한 기지국 아날로그 빔포밍과 기저대역 빔포밍 설계 문제를 설정할 수 있다. 부반송파 채널 정보를 알 때, 전체 시스템의 하향링크 전송률을 최대화하는 하이브리드 빔포밍 설계는 RF 소자 제약(constraint)을 반영한 아래와 같이 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112021014242314-pat00070
Figure 112021014242314-pat00071
Figure 112021014242314-pat00072
Figure 112021014242314-pat00073
[수학식 6]
Figure 112021014242314-pat00074
[수학식 7]
Figure 112021014242314-pat00075
[수학식 8]
Figure 112021014242314-pat00076
도 2는 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계(S110), 및 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계(S120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광대역 하이브리드 빔포밍은 하나의 아날로그 빔포밍과 전체 부반송파 별 기저대역 빔포머로 구성된다. 전체 부반송파에 대해 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하기 위해 기존 기술에서는 코드북을 이용하여 사용자 별 간섭 완화를 위한 아날로그 빔포밍을 설계하거나 기존 다중 사용자 MIMO 디지털 빔포밍 행렬을 하이브리드 빔포밍 구조로 분해함으로써 아날로그 빔포밍과 기저대역 빔포밍을 설계한다. 이는 전체 부반송파 채널 특성과 사용자 간 간섭(Multi-User Interference, MUI) 제어가 제대로 반영되지 않아 최적의 빔포밍을 설계할 수 없다.
실시예들은 기지국과 사용자 간의 전체 부반송파 채널 정보를 반영하여 하이브리드 빔포밍 구조의 하드웨어 시스템에서 최적 빔포밍을 설계하고자 전체 사용자 주파수 효율의 하한을 유도하고, 하한을 최대화하는 아날로그 빔포밍 설계 및 유효 채널에 대한 부반송파 별 기저대역 빔포밍을 설계하여 전송률을 향상시킬 수 있다.
기존의 기술에서는 기지국에서 사용자 별 아날로그 빔포밍을 설계하거나 기존 디지털 빔포밍 행렬을 하이브리드 빔포밍 구조로 분해하여 아날로그 빔포밍을 설계한다. 전자의 경우, 이상적으로 거대배열 안테나를 가정하여 사용자 간 간섭을 제거하도록 설계하나, 실제 유한한 안테나 크기에서는 잔여 간섭이 발생하므로 기저대역에서 추가적인 간섭 제어가 필요할 뿐만 아니라, 사용자 별 제한된 아날로그 빔을 이용해 RF 체인 수에 비해 안테나 빔 이득을 충분히 얻지 못한다. 후자의 경우, 설계된 아날로그 빔 벡터 간 부정합으로 성능 열화 및 사용자 간 잔여 간섭이 발생하여 전송률을 최대화하는 관점에서 최적의 설계 방법은 아니다.
실시예들은 기지국과 사용자 간의 모든 부반송파 채널의 정보를 반영하여 하이브리드 구조의 하드웨어 시스템에서 사용자 간 간섭 제어를 통한 최적 빔포밍을 설계하고자 전체 사용자 전송률에 대한 하한을 유도하고, 이를 최대화하는 아날로그 빔포밍을 설계 후 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하여 전송률을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법은 도 1을 참조하여 설명한 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치(100)를 예를 들어 설명할 수 있다. 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치(100)는 아날로그 빔포밍 설계부(110) 및 기저대역 빔포밍 설계부(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계(S110)에서, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다.
아날로그 빔포밍 설계부(110)는 하향링크 시스템의 간섭 제어를 위해 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 구조 중 공통의 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다. 즉, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 상향링크 시스템의 전송률 하한을 유도하고 상향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한 후, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 전체 부반송파에 공통인 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하기 위해 시스템 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 구할 수 있다. 여기서, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. 그리고, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 설계된 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함에 따라 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
단계(S120)에서, 기저대역 빔포밍 설계부(120)는 사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다.
기저대역 빔포밍 설계부(120)는 각 사용자의 간섭 제어를 위해 부반송파 별 유효 채널에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다. 여기서, 기저대역 빔포밍 설계부(120)는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 기지국과 사용자 간의 전송 스트림 별로 정렬시키고, 하향링크 시스템의 기지국의 전력 제약(power constraint)을 반영한 전력 정규화(power normalization)를 거친 최종 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
OFDM 기반 광대역 하이브리드 빔포밍 시스템은 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해 RF 체인 수를 안테나 수보다 줄이면서 이를 보상하기 위해 아날로그 빔포밍과 부반송파 별 기저대역 빔포밍으로 구성하는 시스템으로써, 하나의 RF 체인에 연결된 전체 부반송파 디지털 신호에 대하여 물리적으로 하나의 아날로그 빔포밍 블록이 구성될 수 있다.
전체 사용자의 부반송파 채널 정보를 이용하여 아날로그 빔포밍 행렬을 설계함으로써 사용자 간 간섭 제어와 하이브리드 빔포밍 구조의 특성을 반영하고, 각 사용자 별 주파수 대역의 유효 채널 정보를 이용하여 시스템의 전체 전송률을 최대화하도록 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
OFDM 기반 광대역 하이브리드 빔포밍 설계 문제를 다음과 같이 나타낼 수 있다. 부반송파 채널 정보를 알 때, 전송률을 최대화하는 문제를 세우고, 기지국이 하이브리드 빔포밍 구조를 갖는다는 제약조건을 고려할 때 아래와 같은 문제를 세울 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112021014242314-pat00077
Figure 112021014242314-pat00078
Figure 112021014242314-pat00079
Figure 112021014242314-pat00080
[수학식 10]
Figure 112021014242314-pat00081
[수학식 11]
Figure 112021014242314-pat00082
[수학식 12]
Figure 112021014242314-pat00083
하향링크의 기지국 송신 빔포밍을 설계하는 문제를 해결하고자 하며, 각 사용자는 기지국과 다른 사용자 간의 채널 정보를 모르기 때문에 기지국과 사용자 간 수신 신호를 최대화하도록 하이브리드 빔포밍을 설계하는 것을 가정한다.
기지국은 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 상향링크 시스템의 전체 전송률을 최대화하도록 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍 행렬을 고려하고, 이로부터 아날로그 빔포밍 행렬로 전송률 최대화 문제의 하한을 유도하여 모든 사용자의 부반송파 채널에 대해 공통으로 적용되는 아날로그 빔포밍 행렬을 최적 설계한 뒤, 부반송파 별 기저대역 빔포밍 행렬을 설계한다.
보다 구체적으로, 상향링크 시스템의 전송률 하한으로부터 Rayleigh quotient를 이용해 부반송파 별 가상의 아날로그 빔포밍 행렬을 선정하고, 고유값 분해(eigenvalue decomposition)을 통해 전체 부반송파에 해당하는 아날로그 빔포밍 행렬 중 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출함으로써 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한다. 그 후, 각 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 전송률을 최대화하기 위한 기저대역 빔포밍 행렬을 설계할 수 있다.
단계(S110)에서, 아날로그 빔포밍 설계부(110)는 시스템 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계할 수 있다.
하향링크 시스템의 전송률을 최대화하고자 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 상향링크 시스템의 전송률 하한을 유도하고 이를 최대화하도록 아날로그 빔포밍 행렬을 설계함으로써 사용자 간 간섭 제어와 하이브리드 빔포밍 구조의 특성을 반영한 전체 기저대역 빔포밍 행렬의 공통 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한다.
[수학식 13]
Figure 112021014242314-pat00084
Figure 112021014242314-pat00085
u번째 사용자는 기지국과의 수신 신호를 최대화하도록 하이브리드 빔포밍을 설계하는 것을 가정하며,
Figure 112021014242314-pat00086
는 그에 대한 유효 채널을 나타낸다.
사용자의 부반송파 별 기저대역 빔포밍 행렬
Figure 112021014242314-pat00087
은 기지국에서 하이브리드 빔포밍 설계를 마친 후, 데이터 스트림(data stream)별 정렬을 통해 최종적으로 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하며, 이는 2단계에서 다시 설명한다.
상향링크 시스템의 전송률 하한을 유도하여 이를 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계 후 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용하고자 한다.
[수학식 14]
Figure 112021014242314-pat00088
Figure 112021014242314-pat00089
전체 부반송파에 공통인 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하기 위해, 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 Rayleigh quotient를 이용해 아래와 같이 구할 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112021014242314-pat00090
Figure 112021014242314-pat00091
RF 체인 수만큼의 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)들을 추출한다. 이 때 대각행렬
Figure 112021014242314-pat00092
는 내림차순으로 정렬되었음을 가정한다.
가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬들의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)을 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)들을 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한다. 이 때 아날로그 빔포밍 구조의 전력 제약(power constraint)에 따라 위상 정보를 추출한다.
[수학식 16]
Figure 112021014242314-pat00093
Figure 112021014242314-pat00094
[수학식 17]
Figure 112021014242314-pat00095
단계(S120)에서, 기저대역 빔포밍 설계부(120)는 각 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계할 수 있다.
단계(S110)에서 설계한 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함으로써, 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계한다.
[수학식 18]
Figure 112021014242314-pat00096
Figure 112021014242314-pat00097
여기서,
Figure 112021014242314-pat00098
는 앞서 설계한 공통의 아날로그 빔포밍 행렬로 인한 유효 채널을 나타낸다.
부반송파 별 기저대역 빔포밍 행렬을 Rayleigh quotient를 이용해 아래와 같이 구할 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112021014242314-pat00099
Figure 112021014242314-pat00100
위의 방법으로 설계한 기저대역 빔포밍 행렬은 사용자 별 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)들로 구성되지만 기지국과 사용자 간의 전송 스트림별 매칭(matching)이 이루어지지 않았기 때문에 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)을 통해 아래와 같이 최종적으로 기지국과 사용자 간의 스트림을 정렬시킨다.
[수학식 20]
Figure 112021014242314-pat00101
Figure 112021014242314-pat00102
[수학식 21]
Figure 112021014242314-pat00103
이 때,
Figure 112021014242314-pat00104
는 기지국의 전력 제약(power constraint)에 따른 전력 정규화(power normalization)이다.
도 3은 일 실시예에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, SNR에 따른 전송률의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 위의 실험은 기지국 안테나 수
Figure 112021014242314-pat00105
, 기지국 RF 체인 수
Figure 112021014242314-pat00106
이며, 전체 사용자 수
Figure 112021014242314-pat00107
일 때, 각 사용자의 안테나 수
Figure 112021014242314-pat00108
, RF 체인 수
Figure 112021014242314-pat00109
로 구성된 하향링크 시스템 환경에서
Figure 112021014242314-pat00110
크기의 OFDM 시스템을 이용해 사용자 별 데이터 스트림
Figure 112021014242314-pat00111
를 전송하는 경우의 SNR에 따른 전송률을 나타내며, SNR이 커짐에 따라 본 실시에에 따른 [제안 기술]의 전송률 성능이 기존 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법 대비 우수함을 보인다. 그래프에서 [R1]은 (비특허문헌 1)이고, [R2]은 (비특허문헌 2)이며, [R3]은 (비특허문헌 3)이고, [제안 기술]은 본 실시예에 따른 기술을 의미한다.
기존 방법 중 (비특허문헌 1) 및 (비특허문헌 3)은 디지털 빔포밍을 하이브리드 빔포밍 형태로 분해하는 방법이며, (비특허문헌 2)와 제안하는 방법은 주어진 채널 정보를 이용하여 하이브리드 빔포밍을 설계하는 방법으로 후자의 경우가 우수한 성능을 보인다.
제안하는 방법은 아날로그 빔포밍 행렬 설계 시 사용자 간 간섭을 고려하여 설계하였기 때문에 기존 (비특허문헌 2)에 비해 우수한 성능을 보이며, 높은 SNR에서 기존 기법들이 간섭에 의해 성능이 열화되는 반면, 제안하는 방법은 강인한 성능을 보인다.
5G 이동통신 시스템의 핵심 기술인 광대역 밀리미터파 통신은 구현 단계에서 많은 어려움이 발견되어 있으며, 현재 산업계에서는 밀리미터파 빔포밍 기술의 상용화를 위해 상당한 양의 연구 투자를 하고 있다. 또한, 5G를 넘어 beyond 5G 시스템 개발을 목표로 더 많은 양의 주파수 대역을 확보할 수 있는 서브테라헤르츠 통신 기술도 많은 관심을 받고 있다. 따라서 미래 이동통신 시스템에서는 초고주파 채널의 이용은 필연적이며 이에 따라 광대역 빔포밍 기술에 대한 수요가 늘어날 것이다.
미래 이동통신 시스템에서는 초고주파 채널을 사용하여 커버리지가 작아지는 만큼 고밀집 소형셀 네트워크를 구성하여 저전력 고효율 다중 안테나 시스템에 대한 기술수요가 늘어날 것이다.
실시예들에 따르면 다중 사용자 하향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 OFDM 기반 최적 하이브리드 빔포밍 설계를 통해 기존 기술 대비 전송률을 대폭 증대시킬 수 있다. 이러한 실시예들은 5G 및 beyond 5G 이동통신 시스템의 핵심 기술들인 밀리미터파(30 GHz-300 GHz) 및 서브테라헤르츠(0.1 THz- 1THz) 빔포밍 시스템에 적용할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법에 있어서,
    부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, 상기 전송률 최대화 문제의 하한을 유도함으로써, 상기 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계; 및
    사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 상기 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계
    를 포함하고,
    상기 전송률 최대화 문제의 하한은 하향링크 환경에서 각 사용자에게 미치는 간섭에 대한 상한을 이용하여 유도되고,
    상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
    상기 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 구하고,
    상기 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
    하향링크 시스템의 간섭 제어를 위해 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 구조 중 상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
    상기 상향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한 후, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 단계는,
    설계된 상기 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함에 따라 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는,
    각 사용자의 간섭 제어를 위해 부반송파 별 유효 채널에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기저대역 빔포밍을 설계하는 단계는,
    특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 기지국과 사용자 간의 전송 스트림 별로 정렬시키고, 하향링크 시스템의 기지국의 전력 제약(power constraint)을 반영한 전력 정규화(power normalization)를 거친 최종 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 방법.
  9. 광대역 하향링크 시스템의 사용자 간섭 제어를 위한 OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치에 있어서,
    부반송파 별 채널 정보를 통해 전체 사용자에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, 상기 전송률 최대화 문제의 하한을 유도함으로써, 상기 전송률 최대화 문제의 하한으로부터 공통의 아날로그 빔포밍을 설계하는 아날로그 빔포밍 설계부; 및
    사용자 간 간섭을 최소화하며 전송률을 최대화하도록 각 상기 사용자의 부반송파 별 유효 채널에 대한 기저대역 빔포밍을 설계하는 기저대역 빔포밍 설계부
    를 포함하고,
    상기 전송률 최대화 문제의 하한은 하향링크 환경에서 각 사용자에게 미치는 간섭에 대한 상한을 이용하여 유도되고,
    상기 아날로그 빔포밍 설계부는,
    상기 전송률 최대화 문제에 대한 Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬을 구하고,
    상기 가상의 부반송파 별 아날로그 빔포밍 행렬의 고유값 분해(eigenvalue decomposition)를 통해 지배적 고유벡터(dominant eigenvector)를 추출하여 모든 부반송파에 실제로 적용될 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 설계하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 설계부는,
    상기 상향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 아날로그 빔포밍 행렬을 설계한 후, 상향링크/하향링크 이중성 성질을 이용하여 하향링크 시스템의 아날로그 빔포밍 행렬로 사용하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍 설계부는,
    설계된 상기 공통의 아날로그 빔포밍 행렬을 거친 유효 채널에 대한 상향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계함에 따라 하향링크 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 기저대역 빔포밍 설계부는,
    각 사용자의 간섭 제어를 위해 부반송파 별 유효 채널에 대한 상향링크 시스템의 전송률 최대화 문제를 세우고, Rayleigh quotient를 행렬 형태로 확장하여 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 기저대역 빔포밍 설계부는,
    특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD)를 이용하여 기지국과 사용자 간의 전송 스트림 별로 정렬시키고, 하향링크 시스템의 기지국의 전력 제약(power constraint)을 반영한 전력 정규화(power normalization)를 거친 최종 기저대역 빔포밍 행렬을 설계하는 것
    을 특징으로 하는, OFDM 기반 하이브리드 빔포밍 장치.
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Yazhou Zhu, etal., "Low Complexity Hybrid Beamforming for Uplink Multiuser mmWave MIMO Systems", 2017 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2017.05.11.) 1부.*

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