KR20180087563A - 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 장치 - Google Patents

하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 기기가 제공된다. 구체적으로, 빔포머는 수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정한다. 빔포머는 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택한다. 채널의 방향각은 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정된다.

Description

하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONFIGURING OPTIMAL BEAM IN HYBRID BEAMFORMING SYSTEM}
본 명세서는 무선 통신에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 이를 사용하는 기기에 관한 것이다.
무선 통신 시스템은 계속적으로 증가하는 무선 데이터 트래픽의 수요를 충족시키기 위해서 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 방안들이 연구되어 왔다. 이러한 방안 중 하나로 밀리미터파(mmWave) 대역에서 넓은 주파수 대역을 활용하는 빔포밍(beamforming) 기반의 기지국을 사용함으로써 셀룰러 시스템의 획기적인 용량증대를 기대할 수 있다.
한편, 다수 개의 정보를 단일 사용자 혹은 다중 사용자에게 전송하기 위하여, 기존 LTE(Long Term Evolution)-Advanced 등의 표준에서 고려되는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템에서는 다수 개의 디지털 패스(Digital Path) 혹은 RF(Radio Frequency) chain을 보유하고 있다. 이러한 다수 개의 디지털 패스를 사용하여 MIMO 통신을 수행할 경우, 다이버시티 이득(diversity gain) 혹은 멀티플렉싱 이득(multiplexing gain) 등의 성능 이득을 획득할 수 있다. 하지만, 더 큰 이득을 얻기 위하여 디지털 패스의 수를 증가시킬 경우, 디지털 패스 간의 동기화, 비용, 운용 복잡도 등의 문제가 발생할 수 있다.
밀리미터파 대역 시스템에서는 경로 감쇄의 단점을 많은 수의 물리 안테나를 사용한 빔포밍 이득을 통해 상쇄시킬 수 있다. 하지만 기존 MIMO 시스템에서의 디지털 빔포밍 기법은 하나의 물리 안테나에 하나의 RF chain이 필요하므로 많은 수의 RF chain이 필요하다. 이는 비용, 운영의 복잡도 등의 문제를 발생시킨다. 따라서, 밀리미터파 대역에서 효율적인 통신을 하기 위해 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 동시에 사용하는 하이브리드(Hybrid) 빔포밍 시스템을 고려해볼 수 있다. 아날로그 빔포밍은 하나의 RF chain에 여러 개의 물리 안테나를 array로 연결하고, 페이즈 쉬프터(phase shifter)를 사용하여 좁은(narrow) 빔 형성이 가능하다. 디지털 빔포밍에 비해 아날로그 빔포밍은 빔의 샤프함(sharpness) 및 방향성 조절에 대한 유연함(flexibility)은 떨어지지만 디지털 패스의 수를 증가시키지 않음으로 구현 비용과 복잡도가 낮은 장점이 있다. 밀리미터파 대역에서 효율적으로 높은 통신 용량을 얻기 위하여 상기의 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍의 장단점을 적절히 조합한 하이브리드 빔포밍 시스템을 고려해볼 수 있다.
본 명세서는 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 명세서는 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 방법을 제안한다.
먼저 용어를 정리하면, 빔포머는 송신 장치 또는 수신 장치에 대응될 수 있다. 빔포머, 빔포머 모두 송신 방향에 따라 기지국 또는 단말이 될 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 아날로그 빔은 송신 아날로그 빔포머(FRF), 수신 아날로그 빔포머(WRF)에 대응할 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 디지털 빔은 송신 디지털 빔포머(FBB), 수신 디지털 빔포머(WBB)에 대응할 수 있다. 즉, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 빔포머가 최적 빔을 구성하는 방법은 제안되는 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법에 대응될 수 있다.
먼저, 빔포머는 수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정한다. 상기 채널의 방향각은 상기 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정된다. 상기 채널의 방향각은 채널의 AoD(Angle of Departure) 또는 채널의 AoA(Angle of Arrival)일 수 있다. 즉, 수신 신호의 전력 값에 따라 채널의 방향각이 결정되는 것이 아니라 수신 신호의 전력 값을 나타내는 디리클레 커널을 사용하여 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득 값에 대한 실제 AoD/AoA를 추정할 수 있다.
또한, 상기 최대 채널 이득 및 상기 채널의 방향각은 수신 빔의 수 및 수신 빔포밍 각도를 기반으로 추정될 수 있다. 다시 말하면, 빔 스위핑을 통해 얻은 수신 신호의 크기의 샘플들에 가장 잘 맞는 디리클레 커널을 찾기 위해 SSE(Sum Squared Error)를 최소화하는 것을 목표로 하여 채널 이득과 채널의 방향각을 찾을 수 있다.
또한, 빔포머는 상기 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택한다. 상기 아날로그 빔은 상기 채널의 채널의 방향각에 어레이 응답 벡터(array response vector)를 적용하여 선택될 수 있다.
즉, 제안된 방법을 통해 채널의 방향각을 찾은 후, 빔포머는 채널의 방향각을 가지는 빔 방향으로 아날로그 빔포밍을 실시함으로써 성능 개선과 오버헤드의 감소를 달성할 수 있다.
빔포머는 상기 아날로그 빔과 디지털 빔에 대한 피드백 정보를 보고할 수 있다. 또한, 빔포머는 상기 피드백 정보를 기반으로 하이브리드 빔포밍을 수행하여 데이터를 송수신할 수 있다.
또한, 본 명세서는 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 무선 장치를 제안한다.
상기 무선장치는 빔포머 또는 송수신 장치일 수 있다. 상기 무선장치는 무선신호를 전송 및 수신하는 RF(radio frequency)부 및 상기 RF부에 연결되는 프로세서를 포함한다.
먼저 용어를 정리하면, 빔포머는 송신 장치 또는 수신 장치에 대응될 수 있다. 빔포머, 빔포머 모두 송신 방향에 따라 기지국 또는 단말이 될 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 아날로그 빔은 송신 아날로그 빔포머(FRF), 수신 아날로그 빔포머(WRF)에 대응할 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 디지털 빔은 송신 디지털 빔포머(FBB), 수신 디지털 빔포머(WBB)에 대응할 수 있다. 즉, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 빔포머가 최적 빔을 구성하는 방법은 제안되는 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법에 대응될 수 있다.
상기 프로세서는 먼저, 수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정한다. 상기 채널의 방향각은 상기 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정된다. 상기 채널의 방향각은 채널의 AoD(Angle of Departure) 또는 채널의 AoA(Angle of Arrival)일 수 있다. 즉, 수신 신호의 전력 값에 따라 채널의 방향각이 결정되는 것이 아니라 수신 신호의 전력 값을 나타내는 디리클레 커널을 사용하여 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득 값에 대한 실제 AoD/AoA를 추정할 수 있다.
또한, 상기 최대 채널 이득 및 상기 채널의 방향각은 수신 빔의 수 및 수신 빔포밍 각도를 기반으로 추정될 수 있다. 다시 말하면, 빔 스위핑을 통해 얻은 수신 신호의 크기의 샘플들에 가장 잘 맞는 디리클레 커널을 찾기 위해 SSE(Sum Squared Error)를 최소화하는 것을 목표로 하여 채널 이득과 채널의 방향각을 찾을 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택한다. 상기 아날로그 빔은 상기 채널의 채널의 방향각에 어레이 응답 벡터(array response vector)를 적용하여 선택될 수 있다.
즉, 제안된 방법을 통해 채널의 방향각을 찾은 후, 빔포머는 채널의 방향각을 가지는 빔 방향으로 아날로그 빔포밍을 실시함으로써 성능 개선과 오버헤드의 감소를 달성할 수 있다.
빔포머는 상기 아날로그 빔과 디지털 빔에 대한 피드백 정보를 보고할 수 있다. 또한, 빔포머는 상기 피드백 정보를 기반으로 하이브리드 빔포밍을 수행하여 데이터를 송수신할 수 있다.
기존 방식과 같이 높은 해상도로 빔 검색을 실시하는 경우 빔 검색을 위한 시간 자원의 요구량이 클 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 제안하는 방법을 적용하면 계산량이 크게 증가하지도 않으면서 낮은 해상도로 빔 검색을 실시하더라도 높은 해상도의 빔을 선택할 수 있다. 즉, 기존 방법에 대비하여 빔 스위핑을 위해 요구되는 시간적 오버헤드가 감소했음에도 불구하고 비슷한 성능을 보여주는 하이브리드 빔포머 설계가 가능하다.
도 1은 3GPP LTE에서 무선 프레임의 구조를 나타낸다.
도 2는 3GPP LTE에서 하나의 상향링크 슬롯에 대한 자원 그리드(resource grid)를 나타낸 예시도이다.
도 3은 3GPP LTE에서 하향링크 서브프레임의 구조의 예를 나타낸다.
도 4는 안테나 어레이 기반 안테나 구조 및 싱글 빔을 나타낸 일례이다.
도 5는 안테나 어레이 기반 안테나 구조 및 멀티 빔을 나타낸 일례이다.
도 6은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 빔포밍 기반 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 아날로그 빔포머 구조의 일례를 나타낸다.
도 8은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 아날로그 빔포머 구조의 다른 예를 나타낸다.
도 9는 기존 하이브리드 빔포밍 기술이 구현되는 프로토콜을 나타낸다.
도 10은 기존 하이브리드 빔포밍을 사용하여 채널의 방향각을 찾는 방법을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 명세서에서 제안하는 디리클레 커널을 사용하여 채널의 방향각을 찾는 방법을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 명세서의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신 신호의 크기를 디리클레 커널로 나타낸 일례이다.
도 13은 본 명세서에서 제안하는 하이브리드 빔포머를 설계하는 절차를 나타낸 블록도이다.
도 14는 기존 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법과 본 명세서에서 제안하는 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법의 ASE를 비교한 그래프이다.
도 15는 본 명세서의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 16은 본 명세서의 실시예가 구현되는 기기를 나타낸 블록도이다.
이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier-frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)는 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다.
설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP LTE/LTE-A를 위주로 기술하지만 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 3GPP LTE에서 무선 프레임의 구조를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 프레임(radio frame)은 10개의 서브프레임(subframe)으로 구성되고, 하나의 서브프레임은 2개의 슬롯(slot)으로 구성된다. 무선 프레임 내 슬롯은 0부터 19까지 슬롯 번호가 매겨진다. 하나의 서브프레임이 전송되는 데 걸리는 시간을 TTI(transmission time interval)라 한다. TTI는 데이터 전송을 위한 스케줄링 단위라 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 무선 프레임의 길이는 10ms이고, 하나의 서브프레임의 길이는 1ms이고, 하나의 슬롯의 길이는 0.5ms 일 수 있다.
무선 프레임의 구조는 예시에 불과하고, 무선 프레임에 포함되는 서브프레임의 수 또는 서브프레임에 포함되는 슬롯의 수 등은 다양하게 변경될 수 있다.
도 2는 3GPP LTE에서 하나의 상향링크 슬롯에 대한 자원 그리드(resource grid)를 나타낸 예시도이다.
도 2를 참조하면, 상향링크 슬롯은 시간 영역(time domain)에서 복수의 SC-FDMA 심벌을 포함하고, 주파수 영역(frequency domain)에서 Nul 자원블록(Resource Block, RB)을 포함한다. SC-FDMA 심벌은 하나의 심벌 구간(symbol period)을 표현하기 위한 것으로, 시스템에 따라 OFDMA 심벌 또는 심벌 구간이라고 할 수 있다. 자원블록은 자원 할당 단위로 주파수 영역에서 복수의 부반송파를 포함한다. 상향링크 슬롯에 포함되는 자원블록의 수 Nul은 셀에서 설정되는 상향링크 전송 대역폭(bandwidth)에 종속한다. 상향링크 전송 대역폭은 시스템 정보(system information)이다. 단말은 시스템 정보를 획득하여 Nul을 알 수 있다.
자원 그리드 상의 각 요소(element)를 자원요소(resource element)라 한다. 자원 그리드 상의 자원요소는 슬롯 내 인덱스 쌍(pair) (k, ℓ)에 의해 식별될 수 있다. 여기서, k(k=0,...,Nulx12-1)는 주파수 영역 내 부반송파 인덱스이고, ℓ(ℓ=0,...,6)은 시간 영역 내 SC-FDMA 심벌 인덱스이다.
여기서, 하나의 자원블록은 시간 영역에서 7 SC-FDMA 심벌, 주파수 영역에서 12 부반송파로 구성되는 7x12 자원요소를 포함하는 것을 예시적으로 기술하나, 자원블록 내 부반송파의 수와 SC-FDMA 심벌의 수는 이에 제한되는 것은 아니다. 자원블록이 포함하는 SC-FDMA 심벌의 수 또는 부반송파의 수는 다양하게 변경될 수 있다. SC-FDMA 심벌의 수는 CP(cyclic prefix)의 길이에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 노멀(normal) CP의 경우 SC-FDMA 심벌의 수는 7이고, 확장된(extended) CP의 경우 SC-FDMA 심벌의 수는 6이다.
도 2의 3GPP LTE에서 하나의 상향링크 슬롯에 대한 자원 그리드는 하향링크 슬롯에 대한 자원 그리드에도 적용될 수 있다. 다만, 하향링크 슬롯은 시간 영역에서 복수의 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 심벌을 포함한다.
도 3은 3GPP LTE에서 하향링크 서브프레임의 구조의 예를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 하향링크 서브프레임은 2개의 연속적인(contiguous) 슬롯을 포함한다. 하향링크 서브프레임 내의 제1 슬롯의 앞선 최대 3 OFDM 심벌들이 PDCCH(physical downlink control channel)가 할당되는 제어영역(control region)이고, 나머지 OFDM 심벌들은 PDSCH(physical downlink shared channel)가 할당되는 데이터 영역(data region)이 된다. 제어영역에는 PDCCH 이외에도 PCFICH(physical control format indicator channel), PHICH(physical hybrid-ARQ indicator channel) 등의 제어채널이 할당될 수 있다. 여기서, 제어영역이 3 OFDM 심벌을 포함하는 것은 예시에 불과하다. 서브프레임 내 제어영역이 포함하는 OFDM 심벌의 수는 PCFICH를 통해 알 수 있다. PHICH는 상향링크 데이터 전송의 응답으로 HARQ(hybrid automatic repeat request) ACK(acknowledgement)/NACK(not-acknowledgement) 정보를 나른다.
PDCCH는 PDSCH 상의 하향링크 전송의 자원 할당을 알려주는 하향링크 그랜트를 나를 수 있다. 단말은 PDCCH를 통해 전송되는 제어정보를 디코딩하여 PDSCH를 통해 전송되는 하향링크 사용자 데이터를 읽을 수 있다. 또한, PDCCH는 단말에게 PUSCH(physical uplink shared channel) 스케줄링을 위해 사용되는 제어정보를 나를 수 있다. PUSCH 스케줄링을 위해 사용되는 제어정보는 상향링크 전송의 자원 할당을 알려주는 상향링크 그랜트이다.
제어영역은 복수의 CCE(control channel elements)들의 집합으로 구성된다. PDCCH는 하나 또는 몇몇 연속적인 CCE의 집단(aggregation) 상으로 전송된다. CCE는 복수의 자원요소 그룹(resource element group)에 대응된다. 자원요소 그룹은 자원요소로의 제어채널 맵핑을 정의하기 위해 사용된다. 하향링크 서브프레임에서 CCE의 총 수가 Ncce라면, CCE는 0부터 Ncce,k-1까지 CCE 인덱스가 매겨진다. 서브프레임마다 서브프레임 내 제어영역이 포함하는 OFDM 심벌의 수가 변할 수 있기 때문에, 서브프레임 내 CCE의 총 수 역시 서브프레임마다 변할 수 있다.
이하에서는 빔포밍(beamforming) 기술에 대해 설명한다.
빔포밍은 송신단에서 수행되는 송신 빔포밍 및 수신단에서 수행되는 수신 빔포밍으로 구분될 수 있다. 상기 송신 빔포밍은 일반적으로 다수의 안테나를 이용하여 전파의 도달 영역을 특정한 방향으로 집중시켜 지향성(direcivity)을 증대시킨다. 이때, 다수의 안테나들이 집합된 형태는 안테나 어레이(antenna array)라 지칭되고, 상기 안테나 어레이에 포함되는 각 안테나는 어레이 엘레먼트(array element)라 지칭될 수 있다. 상기 안테나 어레이는 선형 어레이(linear array), 평면 어레이(planar array) 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 상기 송신 빔포밍을 사용하면 신호의 지향성이 증대되고 이를 통해 상기 신호의 전송 거리 또한 증가한다. 또한, 지향되는 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않으므로, 수신단에서는 다른 수신단에 대한 신호 간섭이 크게 감소된다.
상기 수신단은 수신 안테나 어레이를 이용하여 수신 신호에 대한 빔포밍을 수행할 수 있다. 상기 수신 빔포밍은 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 상기 특정 방향으로 수신되는 수신 신호의 감도를 증가시키고, 상기 특정 방향 이외의 방향에서 들어오는 신호는 수신 신호에서 배제함으로써 간섭 신호를 차단하는 이득을 제공한다.
도 4는 안테나 어레이 기반 안테나 구조 및 싱글 빔을 나타낸 일례이다.
도 4를 참조하면, 2개의 서브 어레이(sub-array)를 포함하는 하나의 안테나 어레이를 이용하여 1개의 RF(Radio Frequency) 빔(싱글 빔, single beam)을 정의하고 있다. 이때, 하나의 서브 어레이는 8(H)*8(V)*2(P) 안테나(P는 Xpol을 나타낸다)로 구성되고 2개의 RF chain을 갖는다. 또한, 상기 1개의 RF 빔의 너비(width)는 15'(H)*15'(V)이다.
도 5는 안테나 어레이 기반 안테나 구조 및 멀티 빔을 나타낸 일례이다.
도 5를 참조하면, 각 RF chain 별로 서로 다른 방향을 갖는 RF 빔(멀티 빔, multi beam)을 정의하고 있다. 이 경우, 각 RF chain에 따른 4개의 빔은 서로 다른 지역을 커버할 수 있다.
상기 싱글 빔 또는 멀티 빔을 이용하여 빔 스캐닝을 하는 경우, 아래의 표 1과 같은 장단점이 있다.
싱글 빔 멀티 빔
장점 높은 빔 이득(Higher beam gain) 빠른 빔 스캐닝(Faster beam scanning)
단점 느린 빔 스캐닝(Slower beam scanning) 낮은 빔 이득(Lower beam gain)
본 명세서는 밀리미터파 대역 주파수를 사용하는 셀룰러 통신 시스템을 고려한다. 밀리미터파 대역 주파수의 하나의 특징은 파장이 짧아 안테나 간 간격이 가깝다는 것이다. 이에 따라 기존 conventional MIMO처럼 각 안테나마다 RF chain, PA(Power Amplifier), ADC(Analog to Digital Converter)를 가지기엔 하드웨어 복잡도 때문에 구현이 힘들다. 또한, 모든 신호 처리를 기저대역(디지털 영역)에서 동작하기에는 계산량에 따른 전력 소모가 크다는 문제를 가지고 있다. 이러한 하드웨어의 제한 때문에 발생하는 시스템의 복잡도를 낮추기 위해 기지국과 단말은 RF chain의 수를 안테나의 수보다 작게 이용하고 아날로그 빔과 디지털 MIMO를 동시에 운용하는 하이브리드 MIMO 시스템을 사용한다.
밀리미터파 대역 채널은 랭크(rank)가 작기 때문에 작은 수의 RF chain을 사용하는 하이브리드 빔포밍 시스템과 안테나 수만큼의 RF chain을 사용하는 conventional MIMO와의 성능 차이가 크지 않다. 랭크는 안테나 레이어(Layer)의 수에 대응할 수 있다.
기지국과 단말 간 통신에 적합한 아날로그 빔을 선택하기 위해서는 빔 검색 단계가 필요하다. 기존 빔 검색 단계는 채널 정보 없이 코드북 기반 빔 패턴을 통해 수신 전력이 가장 센 빔 페어(beam pair)를 찾고 이를 피드백하여 송수신 아날로그 빔포밍을 수행하는 과정을 포함한다. 이러한 방식을 빔 스위핑(beam sweeping) 기반 빔 검색 단계라고 한다. 하나의 예로, 802.11ad 표준에서 기지국과 단말은 BTI(Beam Training Interval) 구간 동안 아날로그 빔 검색을 실시한다. 우선 SLS(Sector Level Sweep) 단계에서 넓은 빔(혹은 섹터 빔)을 통해 여러 섹터 중 가장 좋은 섹터를 찾은 다음 BRP(Beam Refinement Protocol) 단계에서 SLS에서 찾은 섹터 내에서 좁은 빔을 이용하여 순차적으로 스윕(sweep)하여 더 세밀한 송수신 아날로그 빔을 찾는다.
본 명세서는 밀리미터파 대역 통신 환경에서 빔 검색 방법에 관한 것이다. 특히, 본 명세서는 특히 채널의 AoA(Angle of Arrival) 및/또는 AoD(Angle of Departure) 방향을 더 정확하게 추정하고 빔 검색에 사용되는 시간 자원을 감소시킬 수 있도록 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 기술에 관한 것이다. 이하에서는 상술한 기술을 사용하여 하이브리드 빔포밍 시스템에서 빔포머(beamformer)가 최적 빔을 구성하는 방법을 제안한다.
도 6은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 빔포밍 기반 시스템의 구성도이다.
도 6을 참조하면, 하이브리드 빔포밍 기반 시스템(600)은 일례로, 송신기(610)와 수신기(620)를 포함하여 구성된다. 상기 송신기(610)는 각각 MIMO 채널을 형성하기 위해서 미리 결정된 개수의 안테나(618)를 구비한다. 설명의 편의상, 상기 안테나(618-1, 618-2,..., 618-NT)가 총 NT개 구비된 경우를 가정한다. 상기 수신기(620) 각각 MIMO 채널을 형성하기 위해서 안테나를(622-1, 622-2,..., 622-NR)를 구비할 수 있다. 여기서는, 일례로, 수신기(620)의 안테나(622)의 총 수를 NR개인 경우로 가정하였다. 상기 NT과 NR은 각각 1 이상의 자연수로써, 실시예에 따라 서로 동일한 값으로 설정될 수도 상이한 값으로 설정될 수도 있다.
상기 송신기(610)는 전송할 신호에 대해 부호화 및 프리코딩하기 위한 MIMO 인코더와 기저대역 프리코더(baseband precoder, 612)를 구비하고, 상기 수신기(620)는 상기 안테나(622)를 통해서 수신되는 신호를 컴바이닝하고 복호하기 위한 기저대역 컴바이너(baseband combiner, 628) 및 MIMO 디코더를 구비한다. 상기 송신기(610) 및 수신기(620) 각각은 설명의 편의상 개략적인 구성들을 포함하고 있는 형태로 도시되어 있는 것으로, 본 명세서의 실시예에 따라 보다 세부적인 구성들로 구체화될 수 있다.
용어를 정리하면, FRF는 송신 아날로그 빔포머 및/또는
Figure pat00001
차원의 RF 프리코더(precoder)에 대응할 수 있다. FBB는 송신 디지털 빔포머 및/또는
Figure pat00002
차원의 기저대역 프리코더에 대응할 수 있다. WRF는 수신 아날로그 빔포머 및/또는
Figure pat00003
차원의 RF 컴바이닝 행렬에 대응할 수 있다. WBB는 수신 디지털 빔포머 및/또는
Figure pat00004
차원의 기저대역 컴바이닝 행렬에 대응할 수 있다. 여기서, 상기 NS는 데이터 스트림의 수에 대응할 수 있다. 즉, FBB/WBB는 송신/수신 디지털 빔포머로, 기저대역에서 NRF개의 송수신 데이터에 MIMO 신호 처리를 하는 역할을 한다. 최대로 얻을 수 있는 멀티플렉싱 이득 또는 다이버시티 이득은 NRF이다. FRF/WRF는 송신/수신 아날로그 빔포머로, RF 대역에서 송수신 데이터에 가중치(weight)를 주는 역할을 한다. 페이즈 쉬프터(phase shifter) 또는 스위치(switch) 등을 이용하여 가중치를 줄 수 있고 빔의 방향을 결정할 수 있다.
채널 행렬 H는 차원의
Figure pat00005
행렬로
Figure pat00006
로 나타낼 수 있다. 채널은 AoA(Azimuth of Arrival), AoD(Azimuth of Departure) 및 이에 대응되는 이득으로 구성될 수 있다.
상기한 바와 같은 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템에서 송신기는 다중 사용자 혹은 단일 사용자에게 다수의 신호를 송신(이하, '멀티플렉스 전송'이라 칭함)하는 경우, 해당 수신기를 통해서 피드백(feedback)받은 채널 관련 정보를 다양한 목적으로 활용할 수 있다. 대표적인 예로, 송신기는 멀티플렉싱 전송시 상기한 채널 관련 정보를 기반으로 하는 프리코딩(Precoding) 방식을 적용함에 따라 다중 안테나를 가진 단일 사용자의 신호 간 간섭, 혹은 다중 사용자 간의 간섭을 감소시킴으로써 시스템 전송 용량을 증가시킬 수 있다.
상기 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템에서 주파수 분할 듀플렉싱(Frequency Division Duplexing; FDD)을 사용하는 경우를 가정한다. 이 경우, 수신기는 송신기로부터 기준 신호(reference signal)를 수신하면, 수신한 기준 신호를 이용하여 상기 송신기 및 수신기 사이의 채널 정보를 추정할 수 있다. 그리고, 상기 추정된 채널 정보를 상기 송신기에게 피드백한다. 예를 들어, LTE-Advanced 시스템의 경우, 상기 추정된 채널 정보의 피드백을 PMI(Precoding Matrix Indicator) 피드백이라 칭한다. 그리고, 수신기로부터 피드백받은 PMI는 송신기가 수신기에 대한 프리코딩 매트릭스 형성 시 사용된다. 구체적으로 송신기 및 수신기는 프리코딩 매트릭스를 미리 저장하고, 상기 PMI는 상기 프리코딩 매트릭스 중 하나를 지시한다.
또한, 수신기가 송신기에게 CQI(Channel Quality Indicator) 등을 더 전송하고, 이를 기반으로, 송신기가 스케줄링, MCS(Modulation and Coding Scheme) 선정 등에 사용되도록 할 수 있다.
상기 하이브리드 빔포밍 기반 시스템(600)이 밀리미터파 대역에서 동작할 경우, 높은 주파수 대역으로 인해 매우 작은 안테나 폼 팩터(antenna form factor)를 가지게 된다. 그러므로, 다수 개의 어레이(array) 안테나들을 이용한 빔포밍 시스템의 구성이 매우 용이하게 된다. 이러한 밀리미터파 대역에서의 빔포밍은, 각 어레이 안테나 원소에 서로 다른 위상천이 값을 적용함으로써 원하는 방향으로 빔 방향을 변경하여 전송할 수 있다. 그리고, 밀리미터파 대역에서의 높은 패스 로스(pathloss)를 보상하기 위하여 각 안테나 원소가 좁은 빔폭을 갖도록 배치할 수 있다.
이에 따라, 도 6에 도시한 바와 같은 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템(600)은 안테나 어레이를 사용하여 빔을 형성한다는 점에서 기존의 MIMO 시스템 대비 차이점을 갖는다.
구체적으로, 다중 사용자들에 대한 상기 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템을 구성할 경우, 구비한 안테나 어레이의 개수를 증가시킴에 따라 각 안테나 어레이의 빔이 샤프(sharp)할수록, 해당 안테나에 대한 유효 채널 이득(gain) 값의 차이가 크게 나타난다. 예를 들어, 단일 빔이 하나의 사용자만을 위한 신호를 전송하는 BDMA(Beam Division Multiple Access) 형태의 통신을 가정하면, 상기 단일 빔에 대응하는 안테나에 대한 유효 채널의 이득값이 나머지 안테나들에 비해 매우 높은 값을 가지며, 상기 나머지 안테나들 각각에 대한 유효 채널의 이득값은 '0'에 가까운 값을 갖게 될 수 있다.
한편, 기존의 무선 통신 표준들 중 일례로, LTE-Advanced에서는 PMI 피드백을 위해 유니터리(unitary) 행렬을 기반으로 하는 코드북(code book)을 사용한다. 유니터리 행렬은 채널 이득의 편차가 크지 않고 유니폼(uniform)한 특성을 갖는다.
또한, 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템(600)에서 단말은 BRS(Beam Reference Signal)를 사용하여 물리적인 안테나가 형성하는 빔에 대응하는 아날로그 빔(analog beam)을 선택하고, 코드북을 사용하여 가장 좋은 디지털 빔(digital beam)을 선택한다. 디지털 빔은 디지털 프리코더(digital precoder)에 대응될 수 있다. 단말은 선택한 아날로그 빔과 디지털 빔을 기지국으로 피드백하고, 기지국은 아날로그 빔과 디지털 빔을 사용하여 단말에게 빔 포밍을 수행할 수 있다. 아날로그 빔은 개략적(rough)이고, 빔 폭이 넓고(wide), 느리게 변한다(slow variation). 디지털 빔은 정확하고(precise), 빔 폭이 좁고(narrow), 빠르게 변한다(fast variation). 따라서, 하이브리드 빔포밍 기반 통신 시스템(600)에서는 샤프(sharp)한 최종 빔을 얻을 수 있다.
도 7은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 아날로그 빔포머 구조의 일례를 나타낸다. 도 8은 본 명세서의 실시예가 적용될 수 있는 하이브리드 아날로그 빔포머 구조의 다른 예를 나타낸다.
하이브리드 아날로그 빔포머의 구조는 도 7 및 도 8과 같이 2가지로 나타낼 수 있다. 도 7의 Fully connected(FC) 구조는 각각의 RF 신호가 모든 안테나와 연결되어 있는 구조이다. 도 8의 SA(Subarray) 구조는 각각의 RF 신호가 특정 어레이의 안테나에만 연결되어 있는 구조이다.
도 9는 기존 하이브리드 빔포밍 기술이 구현되는 프로토콜을 나타낸다.
도 9는 빔 스위핑 기반 빔 검색 과정을 나타내는 것으로, 기지국과 단말은 빔 스위핑, 피드백, 데이터 송수신 단계를 거친다. 빔 검색 과정은 구체적으로 빔 전력을 측정하고 최적의 빔 페어를 찾는 일련의 단계를 의미한다.
먼저, 빔 스위핑 단계(910)에서, 기지국은 코드북 기반 사용 가능한 모든 빔을 차례대로 사용하여 파일럿 신호를 송신하고, 단말은 코드북 기반 사용 가능한 모든 빔을 차례대로 사용하여 파일럿 신호를 수신한다. 빔 스위핑 단계(910)에서는 기저대역 단 프리코더와 컴바이너는 사용하지 않는다(FBB, WBB = I). 여기서, 수신 신호 Y는 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
여기서, WRF, FRF는 시스템에서 약속된 코드북으로 구성되어 있다. 상기 수신 신호 Y는 노이즈(N)의 영향도 있음을 나타내고 있다.
피드백 단계(920)에서는, 수신단에서 파일럿 신호의 수신 전력(Reference Signals Received Power; RSRP)을 측정한 후 수신 전력이 가장 클 때의 빔을 선택하고 송신단으로 해당 빔의 인덱스를 피드백한다. 피드백 단계에서 최대 수신 전력을 가지는 빔 인덱스에 대한 수학식은 다음과 같다.
Figure pat00008
데이터 송수신단계(930)에서는, 송수신단에서 선택된 빔으로 빔포밍을 하여 데이터 송수신을 수행한다. 송신단 데이터를 송수신하는 빔에 대한 수학식은 다음과 같다.
Figure pat00009
수신단 데이터를 송수신하는 빔에 대한 수학식은 다음과 같다.
Figure pat00010
상술한 기존 하이브리드 빔포밍 기술은 송수신기에서 미리 정해놓은 코드북의 빔들 중에 빔 스위핑 과정 후 피드백을 통해 가장 좋은 빔을 선택한다. 이러한 방법은 주어진 코드북의 크기로 인해 최적 빔의 해상도(resolution)가 결정되므로 정확한 빔포밍은 어렵다. 예를 들어, 기지국과 단말의 코드북이 10개의 빔을 사용할 때 선택할 수 있는 빔의 최적 빔은 제한되어 있다. 이는 해상도가 낮다는 문제가 있고 채널의 AoA/AoD 방향으로 정확한 빔포밍을 하는데 한계가 있다는 단점도 있다. 기존 하이브리드 빔포밍 기술에서 빔 해상도를 높이려면 코드북의 크기를 키워 빔 검색을 촘촘히 해야한다. 그러나, 앞선 예시에서 사용한 10개의 빔으로 구성된 코드북이 아닌 기지국과 단말이 20개의 빔으로 구성된 코드북을 사용하게 되면 빔의 해상도가 높아져 성능은 개선될 수 있으나 이러한 방법은 빔 검색에 대해 상당히 큰 오버헤드를 초래하게 될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서는 낮은 해상도의 빔 검색을 하더라도 곡선 맞춤(curve fitting)을 실시하여 높은 해상도의 아날로그 빔을 사용할 수 있는 방법을 제안한다. 구체적으로, 본 명세서에서 제안하는 방법은 측정된 수신 신호의 크기를 디리클레 커널(Dirichlet kernel)에 곡선 맞춤을 적용하여 채널의 방향각을 찾는 방법 및 채널의 방향각을 통해서 송수신 아날로그 빔포밍을 적용하는 방법으로 구성된다.
밀리미터파 대역의 채널은 채널의 AoA/AoD가 희소(sparse)하여 특정 각도(a few angle)에서만 채널 전력이 집중되어 있어 전파 특성이 나쁘다는 특성을 가지고 있다. 또한, 밀리미터파 대역은 짧은 파장 때문에 많은 수의 안테나를 송신 및/또는 수신에 사용하게 된다. 개념적으로 희소하다는 것은 시스템들이 약하게 연결되는 것에 해당한다. 희소 행렬은 행렬의 값이 대부분 0인 경우를 가리킨다.
즉, 밀리미터파 대역을 가진 시스템 환경에서는 많은 수의 안테나를 사용하므로 많은 수의 빔들을 생성할 수 있고, 그 중에서 채널의 AoD/AoA에 가장 잘 맞는 빔들을 효과적으로 찾는 것이 중요하다.
기존 하이브리드 빔포밍 시스템에서는 빔 검색 과정을 통해 신호의 수신 전력을 측정하고 이를 통해 가장 적합한 송수신 빔 페어(beam pair)를 선택한다. 즉, 기존 하이브리드 빔포밍 시스템에서는 단순히 빔 검색 과정을 통해 수신 신호의 전력이 가장 큰 빔을 선택한다. 다시 말하면, 빔 검색 과정을 통해 얻은 수신 신호의 전력(RSRP)에 대한 데이터를 활용하여 더 정확한 AoA/AoD를 찾는 방법을 제안한다.
도 10은 기존 하이브리드 빔포밍을 사용하여 채널의 방향각을 찾는 방법을 나타낸 그래프이다. 도 11은 본 명세서에서 제안하는 디리클레 커널을 사용하여 채널의 방향각을 찾는 방법을 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 빔 검색 과정에서 파일럿 신호의 수는 10개이고, 파일럿 신호를 통해 수신 신호의 전력이 가장 큰 빔을 선택하여 빔포밍을 수행하게 된다. 도 10에서 제안하는 방법에 따르면, 실제 AoD(real AoD)의 값은 103˚임에도 불구하고, 수신 신호의 전력 값이 가장 큰 샘플에 대한 AoD를 선택함으로써 정확한 빔포밍을 적용하지 못할 수 있다. 도 10의 그래프에 따르면, 채널 이득이 가장 높은 채널의 AoD가 105˚정도로 실제 AoD와 차이가 있음을 알 수 있다.
그러나, 도 11의 방법에 따르면, 수신 신호의 전력 데이터를 활용하여 곡선 맞춤을 적용한 디리클레 커널을 실시함으로써 정확한 AoA/AoD를 추정하여 빔포밍을 할 수 있다. 즉, 수신 신호의 전력 값에 따라 채널의 방향각이 결정되는 것이 아니라 수신 신호의 전력 값을 나타내는 디리클레 커널을 사용하여 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득 값에 대한 실제 AoD를 추정할 수 있다. 또한, 파일럿 신호도 기존에 사용했던 개수보다 더 적은 8개를 사용하였음에도 보다 정확하게 채널의 방향각을 추정하여 빔포밍을 수행할 수 있다.
수신 신호(y)의 크기는 다음 수학식과 같이 디리클레 커널로 표현될 수 있다. 여기서, 송신 빔은 최적의 방향으로 빔포밍을 하고 있다고 가정한다.
Figure pat00011
Figure pat00012
여기서, 상기
Figure pat00013
는 채널의 AoA에 대응하고, 상기
Figure pat00014
는 수신 빔포밍 각도에 대응할 수 있다. 상기 N은 안테나의 개수에 대응하고, 상기
Figure pat00015
는
Figure pat00016
로 나타낼 수 있다. 즉, 수신 전력이 아닌 수신 신호의 크기(magnitude)가 디리클레 커널을 형성한다. 따라서, 수신기는 RSRP 측정 후 RSRP 데이터의 제곱근(square root)을 한 데이터를 가지고 곡선 맞춤을 적용한 디리클레 커널의 알고리즘을 수행하게 된다.
또한, 빔 스위핑을 통해 얻은 수신 신호의 크기의 샘플들에 가장 잘 맞는 디리클레 커널을 찾기 위해 다음 수학식과 같이 SSE(Sum Squared Error)를 최소화하는 것을 목표로 하여 채널 이득과 채널의 방향각을 찾는다.
Figure pat00017
여기서, 상기
Figure pat00018
은 빔의 개수에 대응하고, 상기
Figure pat00019
은 i번째 빔포밍 각도에 대응하고, 상기
Figure pat00020
은 수신 신호의 샘플들 중 크기가 가장 큰 빔의 최대 빔포밍 각도와 최소 빔포밍 각도에 대응할 수 있다.
이하의 도 12에서는 수신 신호(y)의 크기를 디리클레 커널로 나타낸 예시를 보여준다.
도 12는 본 명세서의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신 신호의 크기를 디리클레 커널로 나타낸 일례이다.
예를 들어, 수신 안테나의 수가 32개, 채널 이득
Figure pat00021
= 11.43,
Figure pat00022
=103˚이고 모든 방향에 대하여 수신 빔을 발생시켜 수신 신호의 크기를 측정하게 되면 도 12와 같이 수신 신호의 크기를 디리클레 커널로 표현할 수 있다.
또한, 기지국을 기준으로 제안된 곡선 맞춤을 적용한 디리클레 커널을 사용하는 아날로그 빔포머 설계 방법을 제안할 수 있다. 기지국이 64개의 안테나를 사용하고 76˚~110˚의 공간에 대하여 빔 스위핑을 실시한다고 할 때, 기존 아날로그 빔포머 설계 방법은 10개의 빔을 사용하여야 한다. 하지만 제안하는 아날로그 빔포머 설계 방법은 도 11과 같이 8개의 빔을 사용하여 8개의 수신 신호의 크기를 측정한 값(Sample point)으로도 정확한 AoD를 찾아낼 수 있다. 제안 방법을 통해 채널의 AoD를 찾은 후, 기지국은 AoD 방향으로 아날로그 빔포밍을 실시함으로써 성능 개선과 오버헤드의 감소를 달성할 수 있다.
도 13은 본 명세서에서 제안하는 하이브리드 빔포머를 설계하는 절차를 나타낸 블록도이다.
도 13을 참조하면, 수신단은 수신 신호(Y)의 샘플 중 가장 큰 전력 값을 가지는 빔 번호(또는 인덱스)에 대한 정보(m, n)을 획득할 수 있다. 즉, 최대 샘플 포인트를 찾을 수 있다(1310). 상기 m은 수신 빔의 번호에 대응하고, 상기 n은 송신 빔의 번호에 대응할 수 있다.
다음으로, 획득한 빔 번호에 대한 정보를 기준으로 곡선 맞춤을 적용한 디리클레 커널을 실시하여 채널의 AoD/AoA를 추정한다(1320). 이때, AoA 추정을 위한 곡선 맞춤을 수행할 때, 가장 좋은 송신 빔으로부터 얻어진 샘플들을 사용한다. 예를 들어, AoA 추정을 위해 n 열에 해당하는 수신 신호의 샘플을 사용하여 곡선 맞춤을 수행한다.
다음으로 수신 신호의 샘플에서 선택된 방향에 대한 영향을 제거한다. 그 다음, RF chain 수(NRF)만큼 채널의 AoD/AoA(
Figure pat00023
) 를 추정할 때까지 앞선 과정을 반복한다(잔여 업데이트 수행, 1330).
마지막으로, 추정된 채널의 AoD/AoA를 사용하여 아날로그 빔포머(FRF, WRF)를 설계한다(1340). 이때,
Figure pat00024
이다. 또한, a는 어레이 응답 벡터(array response vector)이다. 즉, 추정된 채널의 AoD/AoA를 어레이 응답 벡터에 대입하여 아날로그 빔포머(FRF, WRF)로 사용한다.
또한, 하이브리드 빔포머를 설계하기 위해서 유효 채널에 대해서 SVD(Singular Value Decomposition)를 수행하여 획득한 특이 벡터를 디지털 빔포머로 사용할 수 있다.
상기 제안하는 방법은 적은 수의 파일럿을 사용하여 정확한 방향으로 빔포밍이 가능하고, 기존 방법에서 얻은 수신 신호의 전력 데이터를 이용하기 때문에 기존 프로토콜에 쉽게 적용 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 상기 제안하는 방법은 낮은 SNR(Signal to Noise Ratio) 환경에서는 불리하다는 단점이 있다.
도 14는 기존 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법과 본 명세서에서 제안하는 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법의 ASE를 비교한 그래프이다.
제안하는 방법의 구체적인 발명의 효과를 확인하기 위해 3GPP CDL-A채널에서 제안하는 방식을 적용하여 기존 방식과 성능 비교를 실시하였다. 시뮬레이션 환경은 다음 표와 같다.
Figure pat00025
도 14는 제안 방법과 기존 방법의 ASE 비교를 위해 송신 안테나 수 64개, 수신 안테나 수 16개, 부반송파 간격(subcarrier spacing)은 60KHz, FFT 사이즈는 2048, 샘플링 클럭(sampling clock)은 부반송파 간격×FFT 사이즈로 122.88MHz이다. 또한, OFDM 심벌 길이는 FFT 사이즈×(1/샘플링 클럭)으로 16.67us이고, 채널 제네레이션(channel generation)은 100이고, Fully connected 구조, 싱글 빔 스윕 환경에서 모의 실험을 한 결과이다.
도 14를 참조하면, 빔 페어 하나에 대해 하나의 심볼을 전송한다고 하였을 때 빔 스위핑을 위해 요구되는 시간적 오버헤드가 36% 감소했음에도 불구하고, 제안하는 곡선 맞춤 빔포머 설계 방법(Proposed curve fitting beamforming)이 기존 빔포머 설계 방법(Existing beamforming)과 비슷한 성능을 보여주는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 기존 빔포머 설계 방법이 200개의 심볼을 사용했다고 하면 제안하는 곡선 맞춤 빔포머 설계 방법은 128개의 심볼을 사용하고도 기존과 비슷한 성능을 낼 수 있다. 다만, 선형 인터폴레이션(linear interpolation)이 적용된 선형 곡선 맞춤 빔포머 설계 방법(Linear curve fitting beamforming)은 128개의 심볼을 사용하게 되면 기존보다 성능이 확연히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 본 명세서의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
먼저 용어를 정리하면, 빔포머는 송신 장치 또는 수신 장치에 대응될 수 있다. 빔포머, 빔포머 모두 송신 방향에 따라 기지국 또는 단말이 될 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 아날로그 빔은 송신 아날로그 빔포머(FRF), 수신 아날로그 빔포머(WRF)에 대응할 수 있다. 이하에서 설명을 위해 기술되는 디지털 빔은 송신 디지털 빔포머(FBB), 수신 디지털 빔포머(WBB)에 대응할 수 있다. 즉, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 빔포머가 최적 빔을 구성하는 방법은 제안되는 하이브리드 빔포머를 설계하는 방법에 대응될 수 있다.
단계 S1510에서, 빔포머는 수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정한다. 상기 채널의 방향각은 상기 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정된다. 상기 채널의 방향각은 채널의 AoD(Angle of Departure) 또는 채널의 AoA(Angle of Arrival)일 수 있다. 즉, 수신 신호의 전력 값에 따라 채널의 방향각이 결정되는 것이 아니라 수신 신호의 전력 값을 나타내는 디리클레 커널을 사용하여 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득 값에 대한 실제 AoD/AoA를 추정할 수 있다.
또한, 상기 최대 채널 이득 및 상기 채널의 방향각은 수신 빔의 수 및 수신 빔포밍 각도를 기반으로 추정될 수 있다. 다시 말하면, 빔 스위핑을 통해 얻은 수신 신호의 크기의 샘플들에 가장 잘 맞는 디리클레 커널을 찾기 위해 SSE(Sum Squared Error)를 최소화하는 것을 목표로 하여 채널 이득과 채널의 방향각을 찾을 수 있다.
단계 S1320에서, 빔포머는 상기 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택한다. 상기 아날로그 빔은 상기 채널의 채널의 방향각에 어레이 응답 벡터(array response vector)를 적용하여 선택될 수 있다.
즉, 제안된 방법을 통해 채널의 방향각을 찾은 후, 빔포머는 채널의 방향각을 가지는 빔 방향으로 아날로그 빔포밍을 실시함으로써 성능 개선과 오버헤드의 감소를 달성할 수 있다.
빔포머는 상기 아날로그 빔과 디지털 빔에 대한 피드백 정보를 보고할 수 있다. 또한, 빔포머는 상기 피드백 정보를 기반으로 하이브리드 빔포밍을 수행하여 데이터를 송수신할 수 있다.
도 16은 본 명세서의 실시예가 구현되는 기기를 나타낸 블록도이다.
무선장치(1600)는 프로세서(1610), 메모리(1620), RF(radio frequency) 유닛(1630)을 포함할 수 있다.
프로세서(1610)는 상술한 기능, 절차, 방법들을 구현하도록 설정될 수 있다. 라디오 인터페이스 프로토콜(radio interface protocol)의 계층(layer)들은 프로세서에 구현될 수 있다. 프로세서(1610)는 상술한 동작을 구동하기 위한 절차를 수행할 수 있다. 메모리(1620)는 동작적으로 프로세서(1610)에 연결되고, RF 유닛(1630)은 프로세서(1610)에 동작적으로 연결된다.
프로세서(1610)는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 메모리(1620)는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래쉬 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다. RF부(1630)는 무선 신호를 처리하기 위한 베이스밴드 회로를 포함할 수 있다. 실시 예가 소프트웨어로 구현될 때, 상술한 기법은 상술한 기능을 수행하는 모듈(과정, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리(1620)에 저장되고, 프로세서(1610)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(1620)는 프로세서(1610) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 널리 알려진 다양한 수단으로 프로세서(1610)와 연결될 수 있다.
상술한 일례들에 기초하여 본 명세서에 따른 다양한 기법들이 도면과 도면 부호를 통해 설명되었다. 설명의 편의를 위해, 각 기법들은 특정한 순서에 따라 다수의 단계나 블록들을 설명하였으나, 이러한 단계나 블록의 구체적 순서는 청구항에 기재된 발명을 제한하는 것이 아니며, 각 단계나 블록은 다른 순서로 구현되거나, 또 다른 단계나 블록들과 동시에 수행되는 것이 가능하다. 또한, 통상의 기술자라면 간 단계나 블록이 한정적으로 기술된 것이나 아니며, 발명의 보호 범위에 영향을 주지 않는 범위 내에서 적어도 하나의 다른 단계들이 추가되거나 삭제되는 것이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.
상술한 실시예는 다양한 일례를 포함한다. 통상의 기술자라면 발명의 모든 가능한 일례의 조합이 설명될 수 없다는 점을 알 것이고, 또한 본 명세서의 기술로부터 다양한 조합이 파생될 수 있다는 점을 알 것이다. 따라서 발명의 보호범위는, 이하 청구항에 기재된 범위을 벗어나지 않는 범위 내에서, 상세한 설명에 기재된 다양한 일례를 조합하여 판단해야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 빔포머(Beamformer)가 최적 빔을 구성하는 방법에 있어서,
    수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정하는 단계; 및
    상기 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택하는 단계를 포함하되,
    상기 채널의 방향각은 상기 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널의 방향각은 채널의 AoD(Angle of Departure) 또는 채널의 AoA(Angle of Arrival)인 것을 특징으로 하는
    방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 아날로그 빔은 상기 채널의 방향각에 어레이 응답 벡터(array response vector)를 적용하여 선택되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 최대 채널 이득 및 상기 채널의 방향각은 수신 빔의 수 및 수신 빔포밍 각도를 기반으로 추정되는 것을 특징으로 하는
    방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔에 대한 피드백 정보를 보고하는 단계; 및
    상기 피드백 정보를 기반으로 데이터를 송수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  6. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 최적 빔을 구성하는 빔포머(Beamformer)에 있어서,
    무선신호를 전송 및 수신하는 RF(radio frequency)부; 및
    상기 RF부에 동작적으로 연결되는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는
    수신 신호의 전력 샘플에 곡선 맞춤(curve fitting)을 적용한 디리클레 커널(Dirichlet kernel)을 사용하여 채널의 방향각을 추정하고,
    상기 채널의 방향각을 기반으로 아날로그 빔(analog beam)을 선택하되,
    상기 채널의 방향각은 상기 디리클레 커널이 지시하는 최대 채널 이득에 따라 추정되는 것을 특징으로 하는
    빔포머.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 채널의 방향각은 채널의 AoD(Angle of Departure) 또는 채널의 AoA(Angle of Arrival)인 것을 특징으로 하는
    빔포머.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아날로그 빔은 상기 채널의 방향각에 어레이 응답 벡터(array response vector)를 적용하여 선택되는 것을 특징으로 하는
    빔포머.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 최대 채널 이득 및 상기 채널의 방향각은 수신 빔의 수 및 수신 빔포밍 각도를 기반으로 추정되는 것을 특징으로 하는
    빔포머.
  10. 제6항에 있어서, 상기 프로세서는
    상기 아날로그 빔에 대한 피드백 정보를 보고하고, 및
    상기 피드백 정보를 기반으로 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는
    빔포머.
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