KR20190090209A - Method and apparatus for providing hybrid beamforming in large-scale antenna system - Google Patents

Method and apparatus for providing hybrid beamforming in large-scale antenna system Download PDF

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KR20190090209A
KR20190090209A KR1020180008793A KR20180008793A KR20190090209A KR 20190090209 A KR20190090209 A KR 20190090209A KR 1020180008793 A KR1020180008793 A KR 1020180008793A KR 20180008793 A KR20180008793 A KR 20180008793A KR 20190090209 A KR20190090209 A KR 20190090209A
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Abstract

The present invention relates to a beamforming method of an antenna system comprising the steps of: calculating a first analog beamforming matrix based on a singular value decomposition (SVD) result of a channel matrix with at least one reception device; calculating a second analog beamforming matrix having a size of each element of 1 and minimizing the first analog beamforming matrix and a mean square error (MSE); and calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of a transmission power constraint condition.

Description

대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법 및 빔포밍 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING HYBRID BEAMFORMING IN LARGE-SCALE ANTENNA SYSTEM}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a hybrid beam forming method and a beam forming apparatus for a large-scale antenna system,

본 발명은 다중 사용자(Multi-user)를 지원하기 위한 안테나 시스템의 빔포밍 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming method of an antenna system for supporting multi-users.

차세대 통신으로 많은 관심을 받고 있는 대규모 MIMO(Massive Multiple Input Multiple Output) 기술은 많은 안테나로 인한 전송량 증가와 채널 하드닝(hardening) 효과로 인하여 신호 처리가 간단해지는 장점을 바탕으로 연구되어 왔다. 그러나, 대규모 MIMO 기술은 안테나 수가 증가할수록 많은 수의 RF 체인(RF chain)들이 요구되어 비용과 에너지 소비가 증가한다.The massive multiple input multiple output (MIMO) technique, which is attracting much attention as a next generation communication, has been studied based on the advantage of simplifying the signal processing due to the increase of the transmission amount due to many antennas and the channel hardening effect. However, as the number of antennas increases, a large number of RF chains (RF chains) are required in a large-scale MIMO technique, thereby increasing cost and energy consumption.

이를 해결하기 위한 방법으로 차세대 통신에서 하이브리드 빔포밍(Hybrid Beamforming) 기법이 많은 각광을 받고 있다. 하이브리드 빔포밍은 보다 적은 수(안테나 개수보다 적은 수)의 RF 체인을 적용하여 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합으로 빔포밍을 생성하므로 보다 효율적인 통신이 가능하다.As a method for solving this problem, a hybrid beamforming technique has attracted much attention in the next generation communication. Hybrid beamforming uses a smaller number of RF chains (fewer than the number of antennas) to generate beamforming in combination with analog beamforming and digital beamforming, thereby enabling more efficient communication.

그러나, 아날로그 빔포밍은 이상기(phase shifter)로 구현되므로 추가적인 제약 조건(각도(phase)만 조정 가능)이 발생하기 때문에, RF 체인의 수와 안테나 수가 동일한 경우의 이상적인(fully digital) 빔포밍 결과를 얻는 것은 불가능하다.However, because analog beamforming is implemented as a phase shifter, additional constraints (only adjustable in phase) occur, resulting in a fully digital beamforming result where the number of RF chains and the number of antennas are the same It is impossible to obtain.

한국공개특허 10-2015-0075545호 (2015.07.06 공개)Korean Patent Publication No. 10-2015-0075545 (published on Jul.

본 발명의 실시예에서는, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 제안하고자 한다.In the embodiment of the present invention, a hybrid beamforming technique capable of improving the performance while minimizing complexity in a multi-user large-scale antenna system by increasing a data rate of a wireless signal considering a power of a transmitting apparatus is proposed.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and another problem to be solved by the present invention can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.

본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE(Means Square Error)가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및 송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 포함하는 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method comprising: calculating a first analog beamforming matrix based on a Singular Value Decomposition (SVD) result for a channel matrix with at least one receiving device; Calculating a first analog beamforming matrix and a second analog beamforming matrix in which the size of each element is one and the first analog beamforming matrix and a mean square error (MSE) are minimized; And computing a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of transmit power constraints.

여기서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다.Here, the step of calculating the first analog beamforming matrix may calculate the first analog beamforming matrix in a state in which each element has a size of 1.

또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산할 수 있다.In addition, calculating the digital beamforming matrix may calculate a digital beamforming matrix such that the sum of the transmission rates of the at least one receiving device is maximized.

또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, ZF(Zero-Forcing) 디지털 빔포밍 기법이 적용될 수 있다.Also, in the step of calculating the digital beamforming matrix, a Zero-Forcing (ZF) digital beamforming technique may be applied.

또한, 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는, 워터필링(Water-Filling) 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.The step of calculating the digital beamforming matrix may include allocating the transmission power for each antenna of the antenna system using a water-filling technique.

본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하고, 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 아날로그 빔포밍부; 및 송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 디지털 빔포밍부를 포함하는 안테나 시스템의 빔포밍 장치를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a first analog beamforming matrix is computed based on an SVD result for a channel matrix with at least one receiving device, and the first analog beamforming matrix and the second analog beamforming matrix, An analog beamforming unit for calculating a second analog beamforming matrix wherein the MSE is minimized; And a digital beamforming unit for calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of a transmission power limitation condition.

본 발명의 실시예에 의하면, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the transmission rate of the radio signal considering the power of the transmission apparatus can be increased to improve the performance while minimizing the complexity in the multi-user large-scale antenna system.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍을 위한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍과 통상적인 디지털 빔포밍 및 종래의 하이브리드 빔포밍을 비교한 성능 그래프이다.1 is a block diagram of a multi-user large-scale antenna system for hybrid beamforming according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart illustrating an exemplary method of beamforming a multi-user large-scale antenna system in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a performance graph comparing hybrid beamforming of a multi-user large-scale antenna system according to an embodiment of the present invention with conventional digital beamforming and conventional hybrid beamforming.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in various forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, To fully disclose the scope of the invention to a person skilled in the art, and the scope of the invention is only defined by the claims.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing embodiments of the present invention, a detailed description of well-known functions or constructions will be omitted unless otherwise described in order to describe embodiments of the present invention. The following terms are defined in consideration of the functions in the embodiments of the present invention, which may vary depending on the intention of the user, the intention or the custom of the operator. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

본 발명의 실시예는, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 제안하고자 한다.An embodiment of the present invention proposes a hybrid beamforming technique capable of improving the performance while minimizing complexity in a multi-user large-scale antenna system by increasing a transmission rate of a radio signal considering power of a transmission apparatus.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍을 위한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 구성도이다.1 is a block diagram of a multi-user large-scale antenna system for hybrid beamforming according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템(100)은 디지털 빔포밍부(110), RF 체인부(120), 아날로그 빔포밍부(130) 및 안테나부(140)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나 시스템(100)은 송신 장치를 지칭하며, 이러한 송신 장치는 복수의 수신 장치(10-1~10-K)로 신호를 전송할 수 있다.1, an antenna system 100 according to an embodiment of the present invention includes a digital beamforming unit 110, an RF chain unit 120, an analog beamforming unit 130, and an antenna unit 140 . The antenna system 100 according to the embodiment of the present invention refers to a transmitting apparatus, which can transmit signals to a plurality of receiving apparatuses 10-1 to 10-K.

디지털 빔포밍부(110)는 베이스밴드 프리코딩(baseband precoding)을 수행하여 복수의 데이터 스트림(data stream)에 대해 디지털 빔포밍을 수행할 수 있다.The digital beamforming unit 110 may perform baseband precoding to perform digital beamforming on a plurality of data streams.

RF 체인부(120)는, 예를 들어 K개의 RF 체인들로 구성될 수 있으며, 각각의 RF 체인은 디지털 빔포밍부(110)를 통해 디지털 빔포밍된 단일 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.The RF chain portion 120 may be composed of, for example, K RF chains, each of which can convert a digital beamformed single digital signal to an analog signal via a digital beamforming portion 110 have.

아날로그 빔포밍부(130)는 RF 체인부(120)에 의해 변환된 각각의 아날로그 신호에 대해 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 이러한 아날로그 빔포밍부(130)는 기존의 아날로그 빔포밍부와 유사하게 어레이 조향 벡터(array steering vector)를 이용하여 RF 프리코딩(Radio Frequency precoding)을 수행할 수 있다.The analog beamforming unit 130 may perform analog beamforming for each analog signal converted by the RF chain unit 120. [ The analog beamforming unit 130 may perform RF frequency precoding using an array steering vector similar to the conventional analog beamforming unit.

안테나부(140)는 Nt개의 안테나들로 구성될 수 있으며, 아날로그 빔포밍부(130)에서 아날로그 빔포밍된 신호를 복수의 수신 장치(10-1~10-K)에게 송신할 수 있다.The antenna unit 140 may include N t antennas and the analog beamforming unit 130 may transmit the analog beamformed signal to the plurality of receiving apparatuses 10-1 to 10-K.

본 발명의 실시예에서, 복수의 수신 장치(10-1~10-K)들 각각은 한 개의 안테나를 구비하는 것으로 가정하기로 한다. 이때, 수신 장치(10-1~10-K)의 개수는 송신 장치인 안테나 시스템(100)의 RF 체인의 개수와 동일하다.In the embodiment of the present invention, it is assumed that each of the plurality of receiving apparatuses 10-1 to 10-K includes one antenna. At this time, the number of receiving apparatuses 10-1 to 10-K is the same as the number of RF chains of antenna system 100 as a transmitting apparatus.

이와 같이, 안테나 시스템(100)은 복수의 데이터 스트림을 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 순차적으로 수행하여 안테나부(140)를 통해 수신 장치(10-1~10-K)에게 신호를 송신할 수 있으며, 수신 장치(10-1~10-K) 중 K번째 수신 장치(10-K)에서의 전송률(RK)은 다음 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.As described above, the antenna system 100 sequentially performs digital beamforming and analog beamforming on a plurality of data streams, and transmits signals to the receiving apparatuses 10-1 to 10-K through the antenna unit 140 , And the transmission rate (R K ) in the Kth receiving apparatus 10-K among the receiving apparatuses 10-1 to 10-K can be expressed by the following equation (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,

Figure pat00002
는 송신 장치와 K번째 수신 장치의 채널,
Figure pat00003
는 아날로그 빔포밍,
Figure pat00004
는 디지털 빔포밍
Figure pat00005
의
Figure pat00006
번째 열,
Figure pat00007
은 잡음 강도를 각각 나타낸다.here,
Figure pat00002
Is the channel of the transmitting device and the Kth receiving device,
Figure pat00003
Analog beamforming,
Figure pat00004
Lt; / RTI >
Figure pat00005
of
Figure pat00006
Column,
Figure pat00007
Represents the noise intensity, respectively.

송신 전력의 제한이 있을 때, 수신 장치들(10-1~10-K)의 전송률의 합을 최대화하는 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 구하는 최적화 문제는 다음 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.The optimization problem of obtaining the analog beamforming and the digital beamforming that maximize the sum of the transmission rates of the receiving apparatuses 10-1 to 10-K when the transmission power is limited can be expressed by the following equation (2) .

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서,

Figure pat00009
이고,
Figure pat00010
는 송신 가능한 최대 전력을 나타내며,
Figure pat00011
는
Figure pat00012
의
Figure pat00013
번째 행 및
Figure pat00014
번째 열의 성분을 나타낸다.here,
Figure pat00009
ego,
Figure pat00010
Represents the maximum transmittable power,
Figure pat00011
The
Figure pat00012
of
Figure pat00013
Row and
Figure pat00014
Column.

송신 장치의 안테나가 매우 많아지면, ZF(zero-forcing) 디지털 빔포밍이 매우 효과적임은 널리 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 디지털 빔포밍으로 ZF 디지털 빔포밍 기법을 적용하였으며, 이는 다음 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.It is widely known that zero-forcing (ZF) digital beamforming is very effective when the number of antennas of a transmitting apparatus is very large. Therefore, in the embodiment of the present invention, the ZF digital beam forming method is applied to digital beamforming, which can be expressed as Equation (3).

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서,

Figure pat00016
는 송신 전력 제한 조건에 의해 결정되는 값이고,
Figure pat00017
이다.here,
Figure pat00016
Is a value determined by the transmission power limitation condition,
Figure pat00017
to be.

Figure pat00018
가 고정되어 있을 때, ZF 디지털 빔포밍의 특징인
Figure pat00019
을 이용하면 최적화 문제는 다음 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
Is fixed, the characteristic of ZF digital beam forming
Figure pat00019
, The optimization problem can be expressed by the following equation (4).

Figure pat00020
Figure pat00020

[수학식 4]에서 최적의

Figure pat00021
는 수학적 계산을 통해 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 5]와 같다.In Equation (4), the optimal
Figure pat00021
Can be obtained by a mathematical calculation, which is expressed by the following equation (5).

Figure pat00022
Figure pat00022

다음으로,

Figure pat00023
를 가정하고
Figure pat00024
를 구하고자 한다. [수학식 4]에서
Figure pat00025
은 송신 전력 제한 조건에만 의존함을 알 수 있다. 따라서,
Figure pat00026
를 최적화 하는 문제는 다음 [수학식 6]과 같은 송신 전력을 최소화하는 문제로 나타낼 수 있다.to the next,
Figure pat00023
Assuming
Figure pat00024
. In Equation (4)
Figure pat00025
Is dependent only on the transmission power limitation condition. therefore,
Figure pat00026
Can be expressed as a problem of minimizing the transmission power such as Equation (6). &Quot; (6) "

Figure pat00027
Figure pat00027

여기서, 송신 장치의 안테나 수

Figure pat00028
가 매우 클 때, 아날로그 빔포밍은 일반적으로
Figure pat00029
을 만족한다. 이를 적용하면 [수학식 6]은 다음 [수학식 7]과 같은 문제로 다시 표현될 수 있다.Here, the number of antennas of the transmitting apparatus
Figure pat00028
Is very large, the analog beamforming is generally
Figure pat00029
. Applying this, Equation (6) can be expressed again as the following Equation (7).

Figure pat00030
Figure pat00030

[수학식 7]은 아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건, 예컨대 각 원소의 크기가 1인 제한 조건 때문에 최적의 아날로그 빔포밍을 구하기 힘들다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건이 없을 때의 최적의 아날로그 빔포밍 벡터

Figure pat00031
를 구한뒤,
Figure pat00032
와 아날로그 빔포밍
Figure pat00033
의 MSE(Mean Square Error)를 최소화 하는
Figure pat00034
를 구하고자 한다.Equation (7) is difficult to obtain the optimal analog beamforming because of the size constraint condition of the analog beamforming, for example, the constraint that the size of each element is one. Thus, in an embodiment of the present invention, the optimal analog beamforming vector < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00031
After that,
Figure pat00032
And analog beam forming
Figure pat00033
To minimize the mean square error (MSE)
Figure pat00034
.

아날로그 빔포밍의 크기 제한 조건이 없다면, [수학식 7]은 다음과 같은 [수학식 8]로 나타낼 수 있다.If there is no size limitation condition of the analog beamforming, Equation (7) can be expressed by Equation (8) as follows.

Figure pat00035
Figure pat00035

여기서,

Figure pat00036
는 행렬
Figure pat00037
의 대각 성분만 존재하고 대각 성분 외의 값은 0이다. [수학식 8]의 부등식에서 등호는
Figure pat00038
가 양의 값을 갖는(positive definite) 행렬이면서 대각 행렬일 때 성립한다. 따라서,
Figure pat00039
행렬을 양을 값을 갖는 행렬이면서 대각 행렬로 만드는
Figure pat00040
은 다음 [수학식 9]로부터 얻을 수 있다.here,
Figure pat00036
The matrix
Figure pat00037
And the value other than the diagonal component is zero. In Equation (8), the equal sign is
Figure pat00038
Is a positive definite matrix and is a diagonal matrix. therefore,
Figure pat00039
A matrix that is a positive-valued matrix and a diagonal matrix.
Figure pat00040
Can be obtained from the following equation (9).

Figure pat00041
Figure pat00041

여기서,

Figure pat00042
는 행렬
Figure pat00043
의 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD:
Figure pat00044
) 결과로부터 얻을 수 있다. here,
Figure pat00042
The matrix
Figure pat00043
Singular Value Decomposition (SVD)
Figure pat00044
) Results.

그러면 구하고자 했던 아날로그 빔포밍

Figure pat00045
은
Figure pat00046
과의 MSE를 최소화 하는 값으로 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 10]과 같이 나타낸다.The analog beamforming
Figure pat00045
silver
Figure pat00046
Can be obtained as a value that minimizes the MSE with < EMI ID = 10.0 >

Figure pat00047
Figure pat00047

[수학식 10]에서

Figure pat00048
의 열들은 상호간의 독립적이다. 따라서, [수학식 10]은 다음 [수학식 11]과 같은 문제로 달리 표현할 수 있다.In Equation (10)
Figure pat00048
Are independent of each other. Therefore, [Equation 10] can be expressed differently as the following Equation [11].

Figure pat00049
Figure pat00049

[수학식 11]의 경우, 수학적 계산을 통하여

Figure pat00050
와
Figure pat00051
의 MSE를 최소화하는
Figure pat00052
를 찾을 수 있으며, 이는 다음 [수학식 12]와 같다.In the case of Equation (11), through mathematical calculation
Figure pat00050
Wow
Figure pat00051
Minimize the MSE of
Figure pat00052
Can be found, which is shown in Equation (12).

Figure pat00053
Figure pat00053

여기서,

Figure pat00054
는
Figure pat00055
의 각도를 나타낸다.here,
Figure pat00054
The
Figure pat00055
.

상기와 같은 과정으로, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 계산할 수 있다.With the above procedure, analog beamforming and digital beamforming can be calculated.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산함에 있어서, 예를 들어 워터필링(water-filling) 기법으로 안테나 별 송신 전력을 최적으로 할당할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다.Meanwhile, in calculating the digital beamforming matrix according to the embodiment of the present invention, it is possible to optimally allocate the transmission power for each antenna by, for example, a water-filling technique, As shown in Fig.

Figure pat00056
Figure pat00056

여기서,

Figure pat00057
는 안테나별 송신 파워와 관련된 대각 행렬을 나타낸다.here,
Figure pat00057
Represents a diagonal matrix associated with transmit power per antenna.

이전과 유사하게

Figure pat00058
가 고정되어 있을 때, 최적화 문제는 다음 [수학식 14]와 같이 나타낼 수 있다.Similar to the previous one
Figure pat00058
Is fixed, the optimization problem can be expressed by the following equation (14).

Figure pat00059
Figure pat00059

여기서,

Figure pat00060
이다. [수학식 14]에서 최적의
Figure pat00061
는 워터필링 기법을 통해 구할 수 있으며, 이는 다음 [수학식 15]와 같다.here,
Figure pat00060
to be. In Equation 14,
Figure pat00061
Can be obtained through a water filling technique, which is shown in Equation (15).

Figure pat00062
Figure pat00062

여기서,

Figure pat00063
는 행렬
Figure pat00064
의
Figure pat00065
번째 대각 성분을 나타내고,
Figure pat00066
는
Figure pat00067
를 만족하는 값으로 선택될 수 있으며,
Figure pat00068
은 매우 작은 임의의 양수 값이다.here,
Figure pat00063
The matrix
Figure pat00064
of
Figure pat00065
Th diagonal component,
Figure pat00066
The
Figure pat00067
, ≪ / RTI >
Figure pat00068
Is a very small positive integer value.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법을 예시적으로 설명하는 흐름도이다.2 is a flow chart illustrating an exemplary method of beamforming a multi-user large-scale antenna system in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 빔포밍 방법은, 수신 장치(10-1~10-K)와의 채널 매트릭스(H)에 대한 특이값 분해 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계(S100)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스는 [수학식 9]의

Figure pat00069
를 의미할 수 있다.A method of beamforming a multi-user large-scale antenna system according to an embodiment of the present invention includes a first analog beamforming matrix < RTI ID = 0.0 > (Step S100). Here, the first analog beamforming matrix is expressed by Equation (9)
Figure pat00069
. ≪ / RTI >

제1 아날로그 빔포밍 매트릭스(

Figure pat00070
)가 구해지면, 이러한 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure pat00071
)와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계(S102)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스는 [수학식 10]의
Figure pat00072
를 의미할 수 있다. [수학식 10]에서
Figure pat00073
의 열들은 상호 독립적이므로, [수학식 10]은 [수학식 11]로 달리 표현할 수 있으며, [수학식 11]은 수학적인 계산을 통해 [수학식 12]로 표현되고, 이러한 [수학식 12]를 통해 제1 아날로그 빔포밍 매트리스(
Figure pat00074
)와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스(
Figure pat00075
)를 구할 수 있다.A first analog beamforming matrix (
Figure pat00070
) Is obtained, the first analog beamforming matrix (
Figure pat00071
And computing a second analog beamforming matrix with which the MSE is minimized (S102). Here, the second analog beamforming matrix is expressed by Equation (10)
Figure pat00072
. ≪ / RTI > In Equation (10)
Figure pat00073
(11) can be expressed in different manners by using Equation (11), and Equation (11) is expressed by Equation (12) through mathematical calculation, and Equation (12) Through a first analog beamforming mattress (
Figure pat00074
) And a second analog beamforming matrix (< RTI ID = 0.0 >
Figure pat00075
) Can be obtained.

이후, 단계(S104)에서와 같이, 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스(

Figure pat00076
)와 채널 매트릭스(H)를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스(
Figure pat00077
)를 계산할 수 있다. 이때, 디지털 빔포밍 매트릭스(
Figure pat00078
)는, 송신 전력이 제한되고, 수신 장치(10-1~10-K)의 전송률의 합이 최대로 되는 조건을 만족할 필요가 있다.Thereafter, as in step S104, a second analog beamforming matrix (
Figure pat00076
) And a channel matrix H, a digital beamforming matrix < RTI ID = 0.0 >
Figure pat00077
) Can be calculated. At this time, the digital beamforming matrix (
Figure pat00078
Need to satisfy the condition that the transmission power is limited and the sum of the transmission rates of the reception devices 10-1 to 10-K becomes the maximum.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 사용자 대규모 안테나 시스템의 하이브리드 빔포밍과 통상적인 디지털 빔포밍 및 종래의 하이브리드 빔포밍을 비교한 성능 그래프이다.FIG. 3 is a performance graph comparing hybrid beamforming of a multi-user large-scale antenna system according to an embodiment of the present invention with conventional digital beamforming and conventional hybrid beamforming.

도 3에서는 안테나 시스템(송신 장치)의 안테나 개수가 64개(Nt=64)이고, RF 체인의 개수(수신 장치의 개수)는 8개(K=8)인 경우를 예시하였다.3 illustrates a case where the number of antennas of the antenna system (transmitting apparatus) is 64 (N t = 64) and the number of RF chains (number of receiving apparatuses) is 8 (K = 8).

도 3에서 디지털 빔포밍 그래프는 RF 체인의 수가 송신 장치의 안테나 수와 동일한 경우의 ZF 빔포밍을 적용한 일반적인 디지털 빔포밍 기법에 대한 성능이고, 종래의 하이브리드 빔포밍1은 단순히 큰 배열 이득을 가지도록 채널 성분의 각도의 켤레(conjugate)값을 아날로그 빔포밍으로 설정한 저복잡도 기법이며, 종래의 하이브리드 빔포밍2는 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍이 되풀이되는 설계와 아날로그 빔포밍의 성분 하나 하나를 되풀이하는 과정으로 설계하여 안테나가 증가할수록 복잡도가 기하급수적으로 커지는 기법에 대한 성능을 나타낸다.In FIG. 3, the digital beamforming graph is a performance of a general digital beamforming technique applying ZF beamforming when the number of RF chains is equal to the number of antennas of a transmitting apparatus. Conventional hybrid beamforming 1 has a large array gain The hybrid beamforming 2 is a low complexity technique in which the conjugate value of the angle of the channel component is set to analog beamforming. The conventional hybrid beamforming 2 is a technique of repeating analog beamforming and digital beamforming, And the complexity increases exponentially as the antenna increases.

본 발명의 실시예에서 제안된 하이브리드 빔포밍1의 복잡도는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 사용되는 특이값 분해의 계산에 따른 복잡도이며, 이에 상응하는 복잡도는

Figure pat00079
이다. 종래의 하이브리드 빔포밍1은 아날로그 빔포밍을 계산할 때 단순히 채널의 각도의 계산이 복잡도의 주가 되며, 이에 상응하는 복잡도는
Figure pat00080
이다. 반면, 종래의 하이브리드 빔포밍2는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 역행렬 계산이 복잡도의 주가 되며 되풀이되는 과정이 포함되므로 이에 상응하는 복잡도는
Figure pat00081
이다.The complexity of the hybrid beamforming 1 proposed in an embodiment of the present invention is a complexity according to the calculation of the singular value decomposition used in calculating the analog beamforming,
Figure pat00079
to be. In conventional hybrid beamforming 1, when calculating the analog beamforming, the calculation of the angle of the channel simply becomes the main focus of complexity, and the corresponding complexity
Figure pat00080
to be. On the other hand, since the conventional hybrid beamforming 2 includes a process in which the inverse matrix calculation is the main process of the complexity and is repeated when calculating the analog beamforming,
Figure pat00081
to be.

여기서,

Figure pat00082
은 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 계산할 때 되풀이되는 과정의 횟수이고,
Figure pat00083
는 아날로그 빔포밍을 계산할 때 되풀이되는 과정의 횟수이다. 복잡도를 비교해보면 종래의 하이브리드 빔포밍2의 복잡도가 매우 높음을 알 수 있으며, 이에 비해 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍과 종래의 하이브리드 빔포밍1의 복잡도는 매우 낮음을 확인할 수 있다.here,
Figure pat00082
≪ / RTI > is the number of iterations that occur when computing analog beamforming and digital beamforming,
Figure pat00083
Is the number of iterations that occur when calculating the analog beamforming. The complexity of the hybrid beamforming 2 according to the embodiment of the present invention and the conventional hybrid beamforming 1 are very low.

제안된 하이브리드 빔포밍2는 워터필링 알고리즘이 적용된 기법을 의미한다. 도 3를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 의한 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 저복잡도 하이브리드 빔포밍1 및 빔포밍2는 종래의 하이브리드 빔포밍2보다 훨씬 더 복잡도를 줄이면서도 성능 열화가 적음을 보여주고, 복잡도가 비슷한 종래의 하이브리드 빔포밍1보다는 훨씬 성능이 좋음을 확인할 수 있다. 또한, 워터필링 알고리즘이 적용된 본 발명의 실시예에 따라 제안된 하이브리드 빔포밍2는, 워터필링 알고리즘이 적용되지 않은 빔포밍1보다 복잡도가 조금 더 증가하지만 성능이 좋음을 확인할 수 있다.The proposed hybrid beamforming 2 implies a technique using a water filling algorithm. 3, the low complexity hybrid beamforming 1 and the beamforming 2 in the multi-user large-scale antenna system according to the embodiment of the present invention have much less complexity than the conventional hybrid beamforming 2, And it can be confirmed that the performance is much better than the conventional hybrid beam forming 1 having a similar complexity. Also, it can be seen that the proposed hybrid beamforming 2 according to the embodiment of the present invention to which the water filling algorithm is applied has a slightly higher complexity but better performance than the beamforming 1 without the water filling algorithm.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 송신 장치의 전력을 고려한 무선 신호의 전송률을 증가시켜 다중 사용자 대규모 안테나 시스템에서 복잡도를 최소로 하면서 성능을 향상시킬 수 있는 하이브리드 빔포밍 기술을 구현하였다.As described above, according to the embodiment of the present invention, a hybrid beam forming technique capable of improving the performance while minimizing the complexity in a multi-user large-scale antenna system is implemented by increasing the transmission rate of a radio signal considering the power of the transmission apparatus .

한편, 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.In the meantime, each block of the accompanying block diagrams and combinations of steps of the flowchart may be performed by computer program instructions. These computer program instructions may be loaded into a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing apparatus, so that the instructions, which may be executed by a processor of a computer or other programmable data processing apparatus, Thereby creating means for performing functions.

이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리) 등에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 기록매체(또는 메모리)에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.These computer program instructions may also be stored in a computer-usable or computer-readable recording medium (or memory) capable of directing a computer or other programmable data processing apparatus to implement a function in a particular manner, Or stored in a computer-readable recording medium (or memory) are also capable of producing an article of manufacture containing instruction means for performing the functions described in each block of the block diagram.

그리고, 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.Computer program instructions may also be loaded onto a computer or other programmable data processing equipment so that a series of operating steps may be performed on a computer or other programmable data processing equipment to create a computer- It is also possible that the instructions that perform possible data processing equipment provide steps for executing the functions described in each block of the block diagram.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 적어도 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.Also, each block may represent a portion of a module, segment, or code that includes at least one or more executable instructions for executing the specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative embodiments, the functions mentioned in the blocks may occur out of order. For example, two blocks shown in succession may actually be executed substantially concurrently, or the blocks may sometimes be performed in reverse order according to the corresponding function.

100: 안테나 시스템(송신 장치)
110: 디지털 빔포밍부
120: RF 체인부
130: 아날로그 빔포밍부
140: 안테나부
10-1~10-K: 수신 장치100: Antenna system (transmitting apparatus)
110: Digital beam forming section
120: RF chain section
130: analog beamforming unit
140:
10-1 to 10-K: receiving apparatus

Claims (12)

적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE(Means Square Error)가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 포함하는
안테나 시스템의 빔포밍 방법.Calculating a first analog beamforming matrix based on a Singular Value Decomposition (SVD) result for a channel matrix with at least one receiving device;
Calculating a first analog beamforming matrix and a second analog beamforming matrix in which the size of each element is one and the first analog beamforming matrix and a mean square error (MSE) are minimized; And
Calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of transmit power constraints
Method of beamforming an antenna system. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는
안테나 시스템의 빔포밍 방법.The method according to claim 1,
Wherein calculating the first analog beamforming matrix comprises:
The first analog beamforming matrix is calculated in a state in which there is no constraint that the size of each element is 1
Method of beamforming an antenna system. 제 1 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
안테나 시스템의 빔포밍 방법.The method according to claim 1,
Wherein calculating the digital beamforming matrix comprises:
Calculating a digital beamforming matrix such that the sum of the transmission rates of the at least one receiving device is maximized
Method of beamforming an antenna system. 제 1 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
ZF(Zero-Forcing) 디지털 빔포밍 기법이 적용되는
안테나 시스템의 빔포밍 방법.The method according to claim 1,
Wherein calculating the digital beamforming matrix comprises:
Zero-Forcing (ZF) digital beamforming technique applied
Method of beamforming an antenna system. 제 1 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계는,
워터필링(Water-Filling) 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는 단계를 포함하는
안테나 시스템의 빔포밍 방법.The method according to claim 1,
Wherein calculating the digital beamforming matrix comprises:
And allocating the transmit power for each antenna of the antenna system using a Water-Filling technique
Method of beamforming an antenna system. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 수행하는 명령어를 포함하는 프로그램이 기록된
컴퓨터 판독 가능 기록 매체.Calculating a first analog beamforming matrix based on an SVD result for a channel matrix with at least one receiving device;
Calculating a second analog beamforming matrix wherein the size of each element is one and the first analog beamforming matrix and the MSE are minimized; And
Calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of transmit power constraint conditions;
Computer readable recording medium. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계;
각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계; 및
송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 단계를 수행하는
컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.Calculating a first analog beamforming matrix based on an SVD result for a channel matrix with at least one receiving device;
Calculating a second analog beamforming matrix wherein the size of each element is one and the first analog beamforming matrix and the MSE are minimized; And
Performing a step of calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of a transmission power limitation condition
A computer program stored on a computer readable recording medium. 적어도 하나의 수신 장치와의 채널 매트릭스에 대한 SVD 결과를 기초로 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하고, 각 원소의 크기가 1이면서, 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스와 MSE가 최소화되는 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는 아날로그 빔포밍부; 및
송신 전력 제한 조건을 고려하여 상기 제2 아날로그 빔포밍 매트릭스와 상기 채널 매트릭스를 기초로 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는 디지털 빔포밍부를 포함하는
안테나 시스템의 빔포밍 장치.Calculating a first analog beamforming matrix based on an SVD result for a channel matrix with at least one receiving device and calculating a first analog beamforming matrix having a size of each element and a second analog beamforming matrix An analog beamforming unit for calculating a forming matrix; And
And a digital beamforming section for calculating a digital beamforming matrix based on the second analog beamforming matrix and the channel matrix in consideration of transmission power limitation conditions
A beam forming apparatus for an antenna system. 제 8 항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍부는,
각 원소의 크기가 1이라는 제한 조건이 없는 상태에서 상기 제1 아날로그 빔포밍 매트릭스를 계산하는
안테나 시스템의 빔포밍 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the analog beamforming unit comprises:
The first analog beamforming matrix is calculated in a state in which there is no constraint that the size of each element is 1
A beam forming apparatus for an antenna system. 제 8 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍부는,
상기 적어도 하나의 수신 장치의 전송률의 합이 최대가 되도록 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
안테나 시스템의 빔포밍 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the digital beamforming unit comprises:
Calculating a digital beamforming matrix such that the sum of the transmission rates of the at least one receiving device is maximized
A beam forming apparatus for an antenna system. 제 8 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍부는,
ZF 디지털 빔포밍 기법을 이용하여 상기 디지털 빔포밍 매트릭스를 계산하는
안테나 시스템의 빔포밍 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the digital beamforming unit comprises:
The digital beamforming matrix is calculated using the ZF digital beamforming technique
A beam forming apparatus for an antenna system. 제 8 항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍부는,
워터필링 기법을 이용하여 상기 안테나 시스템의 각각의 안테나 별로 상기 송신 전력을 할당하는
안테나 시스템의 빔포밍 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the digital beamforming unit comprises:
The transmission power is allocated to each antenna of the antenna system using a water filling technique
A beam forming apparatus for an antenna system.
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