KR20210004593A - 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법 - Google Patents

대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210004593A
KR20210004593A KR1020190081245A KR20190081245A KR20210004593A KR 20210004593 A KR20210004593 A KR 20210004593A KR 1020190081245 A KR1020190081245 A KR 1020190081245A KR 20190081245 A KR20190081245 A KR 20190081245A KR 20210004593 A KR20210004593 A KR 20210004593A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antennas
sub
digital beamforming
matrix
channel capacity
Prior art date
Application number
KR1020190081245A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102277866B1 (ko
Inventor
딴 난 응웬
이경천
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020190081245A priority Critical patent/KR102277866B1/ko
Publication of KR20210004593A publication Critical patent/KR20210004593A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102277866B1 publication Critical patent/KR102277866B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0408—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas using two or more beams, i.e. beam diversity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0613—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission
    • H04B7/0615—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal
    • H04B7/0617—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using simultaneous transmission of weighted versions of same signal for beam forming
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0686—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
    • H04B7/0691—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission using subgroups of transmit antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0697—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using spatial multiplexing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

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.

Description

대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법{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.
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.
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.
이에 송수신기의 비용과 전력 소비는 안테나 수에 비례하여 증가하며, 매우 많은 수의 안테나를 사용하는 대규모 MIMO 시스템에서 과도한 전력 소모로 이어질 수 있다.
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.
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. 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.
본 발명의 다른 목적은 연산 복잡도를 감소할 수 있는 대규모 MIMO 시스템의하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 일 실시 예의 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는,
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 수신 신호를 출력하는 스위칭 네트워크;
상기 스위칭 네트워크를 통과한 수신 신호에 대해 디지털화한 다음 디코딩하는 디지털 수신기; 및
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.
바람직하게 상기 스위치 네트워크는 상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서버 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 제어부는,
상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
Figure pat00001
를 도출하고,
상기 안테나 수의 세트
Figure pat00002
에 대한 후보
Figure pat00003
의 서브 세트
Figure pat00004
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure pat00005
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure pat00006
및 채널 행렬
Figure pat00007
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure pat00008
을 연산하며,
상기 연산된 채널 용량
Figure pat00009
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure pat00010
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure pat00011
, 안테나 수의 세트
Figure pat00012
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure pat00013
, 최적 안테나 수의 세트
Figure pat00014
, 및 연산된 채널 용량
Figure pat00015
로 업데이트하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 제어부는,
연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수
Figure pat00016
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure pat00017
에 대한 후보
Figure pat00018
의 서브 세트
Figure pat00019
에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 제어부는,
서브 후보 세트
Figure pat00020
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure pat00021
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure pat00022
이 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.
상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 일 실시 예의 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔 포밍 방법에 있어서,
(a) 스위칭 네트워크에서, 다수의 안테나, 저잡음 증폭기, 및 위상 시프트를 포함하는 서브 어레이를 그룹핑하는 단계; 및
(b) 디지털 수신기에서, 상기 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 생성하고 생성된 스위칭 신호를 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (a) 단계는, 상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서버 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 (c) 단계는,
(c-1) 상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
Figure pat00023
를 도출하고,
(c-2) 상기 안테나 수의 세트
Figure pat00024
에 대한 후보
Figure pat00025
의 서브 세트
Figure pat00026
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure pat00027
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
(c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure pat00028
및 채널 행렬
Figure pat00029
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure pat00030
을 연산하며,
(c-4) 상기 연산된 채널 용량
Figure pat00031
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure pat00032
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure pat00033
, 안테나 수의 세트
Figure pat00034
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure pat00035
, 최적 안테나 수의 세트
Figure pat00036
, 및 연산된 채널 용량
Figure pat00037
로 업데이트하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 (c-1) 단계는,
연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수
Figure pat00038
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure pat00039
에 대한 후보
Figure pat00040
의 서브 세트
Figure pat00041
에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 (c-4) 단계 이후에
서브 후보 세트
Figure pat00042
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure pat00043
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure pat00044
가 일정 횟수 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
도 1은 일 실시 예에 따른 대규모 MIMO에서 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍을 수행하는 기지국 BS의 세부 구성도이다.
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.
즉, 기지국 BS는 N r 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 서버 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비된다.
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.
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.
이에 RF 체인(51, 52, ..)을 통과한 수신 신호는 디지털화한 다음 구복호 및 tabu 검색과 같은 향상된 디지털 수신기(70)를 통과하여 복호된다.
이에 부등 서버 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 서버 어레이(UESA) 구조를 가지는 스위칭 네트워크(40)가 포함된 기지국 BS를 의미한다.
여기서, RF 체인의 수와 단일 안테나 단말 MS 수와 같고, 즉
Figure 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.
[식 1]
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
는 K 개 단일 안테나 단말 MS로 전송되는 벡터 심볼이고, 각 단일 안테나 단말의 평균 전송 전력은 정규화되어
Figure pat00048
이고,
Figure pat00049
는 독립적이고 균등 분산된 부가 백색 가우시안 노이즈(AWGN: additive white Gaussian noise) 샘플의 벡터이다. 여기서,
Figure pat00050
이다. 또한,
Figure pat00051
은 K 단말들과 기지국 BS 사이의 채널들을 나타내는 K 열 벡터
Figure pat00052
들로 구성된 채널 행렬로 나타낸다. 각각의 채널 엔트리
Figure pat00053
는 k 번째 단일 안테나 단말과 기지국 BS의 i 번째 수신 안테나 사이의 복소 채널 이득으로 나타낼 수 있다.
그리고 아날로그 결합 행렬
Figure pat00054
는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00055
여기서,
Figure pat00056
는 서브 안테나 어레이의 아날로그 가중치 벡터이고,
Figure pat00057
는
Figure pat00058
의 m 번째 아날로그 가중치 벡터이며, 일정한 진폭
Figure pat00059
를 가지나 위상이 다르다. 즉,
Figure pat00060
이다.
한편, 스위칭 네트워크(40)에서 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나 수가
Figure pat00061
이라고 가정하면, 할당된 안테나의 수는
Figure pat00062
이고,
Figure pat00063
이다.
그리고, 수신 안테나의 수
Figure pat00064
은
Figure pat00065
이 된다. 그리고 서브 어레이에 할당된 스위칭 네트워크(40)의 수신 안테나(11, 12, ...) 수 세트를
Figure pat00066
로 정의하면,
Figure pat00067
이다.
그리고, UESA 시스템에서
Figure pat00068
의 최대 고유치를
Figure pat00069
로 정의하면, 총 채널 용량(total achievable rate)
Figure pat00070
의 상계(upper bound)
Figure pat00071
는 식 2로 얻을 수 있으며, 식 2에 Jense의 부등성을 적용하면 총 채널용량의 상계는 식 3을 만족한다.
[식 2]
Figure pat00072
[식 3]
Figure pat00073
여기서,
Figure pat00074
은
Figure pat00075
으로, 반양정치(positive semidefinite)의 에르미티안(Hermitian) 행렬로 고유 벡터 분해가 가능하고, 이에
Figure pat00076
의 고유 벡터
Figure pat00077
와 아날로그 결합 벡터
Figure pat00078
Figure pat00079
같을 때
Figure pat00080
의 최대 고유치는
Figure pat00081
를 만족할 때 식 3의 등식이 만족된다.
식 3으로부터 썸레이트를 최적화하기 위해 일 실시 예의 UESA 시스템은
Figure pat00082
의 최대 고유치가 식 4를 만족하도록 설계된다.
[식 4]
Figure pat00083
식 4의 조건을 만족하도록 썸레이트를 최적화하는 것이 어렵기 때문에 식 4는 다음 식 5의 조건으로 완화된다.
[식 5]
Figure pat00084
또한
Figure pat00085
를 최대화함에 따라, 최대 고유치의 합
Figure pat00086
의 최대화 문제는 해결될 수 있다.
이에 일 실시 예의 UESA 시스템은
Figure pat00087
(목표
Figure pat00088
)이고,
Figure pat00089
의 최대화(목표
Figure pat00090
) 되도록 구현되어야 한다.
또한, 서브 어레이의 수와 수신 안테나(11, 12,..)의 수가 다르게 배열됨에 따라 서브 어레이의 안테나 수
Figure pat00091
는 다르므로, 일 실시 예의 UESA 시스템은 주어진 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure pat00092
에 대해, 채널 용량을 최적화되어야 한다.
따라서, 목표
Figure pat00093
를 달성하기 위해 서브 어레이에 할당된 안테나의 수의 세트
Figure pat00094
는 비 내림 차순으로 배열되어야 한다. 즉,
Figure pat00095
이다. 이에 일 실시 예의 UESA 시스템은 총 채널용량
Figure pat00096
가 상계
Figure pat00097
에 점점 가까워질수록 증가된 채널 용량을 확보할 수 있고, 이에 UESA 시스템에서 총 채널 용량은 ESA 시스템의 총 채널용량과 비교하여 상계
Figure pat00098
에 좀더 근접된다.
그리고,
Figure pat00099
에서 목표
Figure pat00100
를 만족하기 위해, 단일 안테나 단말 MS의 수 K 가 일정하게 유지되는 동안 수신 안테나의 수 N r 이 증가될 때
Figure pat00101
의 상계
Figure pat00102
는 채널 행렬
Figure pat00103
의 열(row)을 놈(norm)의 내림 차순 정렬에 의해 최대화할 수 있다. 여기서,
Figure pat00104
는 기지국 BS 와 K 개의 단일 안테나 단말 MS들 사이의 채널
Figure pat00105
을 나타내고
Figure pat00106
의 행 벡터를 포함하는 채널 행렬이다.
따라서 일 실시 예의 UESA 시스템은 낮은 연산 복잡도를 가지는 서브 어레이의 안테나 수에 대해 근접 최적화를 수행한다.
일 실시 예의 UESA 시스템은 서브 어레이의 최적 안테나 수의 세트를
Figure pat00107
로 정의하면, 가능한 모든 후보 안테나 수의 세트
Figure pat00108
중 가장 높은 채널용량을 제공할 수 있다.
이러한 서브 어레이의 최적 안테나 수 세트
Figure pat00109
를 결정하기 위해,
Figure pat00110
가 최대화된 채널 순서화를 수행한 다음 완전 탐색(ES : exhaustive search) 알고리즘을 통해 모든 후보들에 대해 탐색하며, 후보는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00111
그리고 일 실시 예의 제어부(100)는 모든 후보에 대해 완전 탐색(ES : exhaustive search) 알고리즘을 통해 아날로그 결합 행렬
Figure pat00112
를 찾은 다음 최대 썸 레이트를 제공하는 후보 세트를 검색한다. 이에 대규모 MIMO 시스템에서 후보의 크기
Figure pat00113
는 매우 커지고, 이에 높은 연산 복잡도를 가지며, 낮은 연산 복잡도를 위해 후보 세트
Figure pat00114
에서의 탐색을 실행한다.
이러한 연산 복잡도를 줄이기 위해, 일 실시 예의 UESA 시스템은 대부분의 공간
Figure pat00115
에서 서브 에러이의 최적 안테나 수의 세트
Figure pat00116
를 검색하는 대신에
Figure pat00117
조건의 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure pat00118
에 대한 후보
Figure pat00119
의 서브 세트
Figure pat00120
에 대해 ES 알고리즘을 수행하는 감소된 완전 탐색(RES:Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행한다.
Figure 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.
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 pat00122
의 도출한 다음 스텝 2 내지 4에서 서브 세트
Figure pat00123
의 후보들을 동등하게 검색하며, 스텝 5 및 6에서 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬
Figure pat00124
을 도출한 다음 도출된 채널 행렬
Figure pat00125
및 아날로그 결합 행렬
Figure pat00126
를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량
Figure pat00127
을 도출한다. 여기서, 관계식은
Figure pat00128
이다.
그리고 스텝 7 내지 11에서, 제어부(100)는 도출된 총 채널 용량
Figure pat00129
이 정해진 임계값 τ 보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬
Figure pat00130
는 최적 아날로그 결합 행렬
Figure pat00131
을 도출하고, 이때 안테나 세트
Figure pat00132
은 최적 안테나 세트로 설정한다.
이 후 제어부(100)는 총 채널 용량
Figure pat00133
로 임계값을 업데이트하며, 더 높은 썸레이트를 가지는 아날로그 결합 행렬
Figure pat00134
및 안테나 세트
Figure pat00135
이 검색될 때 마다 최적 아날로그 결합행렬
Figure pat00136
및 최적 안테나 수의 세트
Figure pat00137
을 업데이트한다.
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 pat00138
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure pat00139
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure pat00140
가 일정 횟수 count 반복 탐색하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES) 알고리즘을 조기 종료(ET)하도록 구비될 수 있다.
이 때 인접된 요소들 사이의 큰 차를 가지는 안테나 세트
Figure pat00141
이 최적 안테나의 세트
Figure pat00142
일 가능성이 높다. 따라서, 서브 후보 세트
Figure pat00143
의 안테나 세트
Figure pat00144
후보는 안테나 세트
Figure pat00145
의 인접된 요소들 간의 차를 토대로 배열된다
즉, 도 3을 참조하면, 단계 1 내지 3에서, 제어부(100)는
Figure pat00146
를 모두 0으로 설정한 다음 서브 세트
Figure pat00147
의 i 번째 후보를
Figure pat00148
로 설정한다.
그리고 단계 4에서 제어부(100)는 n+1 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수
Figure pat00149
과 n 번째 서브 어레이에 할당된 안테나의 수
Figure pat00150
의 차인
Figure pat00151
으로
Figure pat00152
을 연산하고, 단계 5에서
Figure pat00153
를 연산한다. 여기서,
Figure pat00154
이다.
여기서
Figure pat00155
가 더 크다는 의미는 후보
Figure pat00156
의 요소들 사이에 차가 크다는 것이다. 이에 결과적으로,
Figure pat00157
가 큰 후보
Figure pat00158
는 유망한 후보로 간주되어 완전 탐색을 먼저 수행된다. 따라서, 단계 7에서, 서브 후보
Figure pat00159
의 원소들은 벡터
Figure pat00160
의 원소를 내림차순으로 분류되어
Figure pat00161
이 도출되고, 단계 8 내지 26에서,
Figure pat00162
의 후보를 하나씩 완전 탐색하여 최적의 아날로그 결합 행렬
Figure pat00163
및 최적의 안테나 수
Figure pat00164
가 결정된다. 여기서 서브 세트
Figure pat00165
에 대해 완전 탐색하는 일련의 과정은 도 2에 도시된 바와 같다.
즉, 단계 8 내지 15에 의거, 제어부(100)는 채널 행렬의 놈을 내림 차순으로 채널 열을 순서화하여
Figure pat00166
를 도출한 다음 각 후보에 대해 아날로그 결합 행렬
Figure pat00167
을 도출하고, 도출된 채널 행렬
Figure pat00168
및 아날로그 결합 행렬
Figure pat00169
를 토대로 기 정해진 관계식에 의거 총 채널 용량
Figure pat00170
을 도출하며, 도출된 총 채널 용량
Figure pat00171
이 정해진 임계값
Figure pat00172
보다 큰 경우 아날로그 결합 행렬
Figure pat00173
는 최적 아날로그 결합 행렬
Figure pat00174
을 도출하고, 이때 안테나 세트
Figure pat00175
은 최적 안테나 세트로 설정한다.
이 후 제어부(100)는 단계 16 내지 23에서, 카운터
Figure pat00176
를 사용하여 새로운 후보가 더 이상의 성능 향상을 제공하지 않는 반복 수를 카운팅하고, 각 후보
Figure pat00177
에 대해 총 채널용량이 향상되지 아니한 각 후보의 경우, 카운터
Figure pat00178
는 1씩 증가되고, 그렇지 않으면 0으로 재설정된다. 이 후 카운터가
Figure pat00179
에 도달하면 최적의 후보가 이미 완전 탐색되었을 가능성이 높으므로 단계 24에서 감소된 완전 탐색(RES) 알고리즘은 조기 종료(ET)된다.
이때 UESA 시스템의 총 소비 전력은 다음 식 6으로 나타낼 수 있다.
[식 6]
Figure pat00180
여기서,
Figure pat00181
,
Figure pat00182
,
Figure pat00183
,
Figure pat00184
, 및
Figure pat00185
는 각각 LNA(21, 22, ..), 위상 시프트(31, 32,...), 스위칭 네트워크(40), RF 체인부(51, 52, ...), 및 ADC(61, 62, ..) 각각의 소비 전력이다.
이에 UESA 시스템은 스위칭 네트워크(40)의 사용으로 인해
Figure 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.
최적화 시뮬레이션 결과
각 단일 안테나 단말 MS와 기지국 BS 사이의 동일한 수의 유효 채널 경로를 가정하며,
Figure pat00187
에 대해 유효 채널 경로의 수를
Figure pat00188
으로 설정된다. 도착 방위각 AoA
Figure pat00189
은
Figure 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 pat00191
로 제한되고 Q는 16으로 설정된다. 마지막으로, SNR은 잡음 전력
Figure pat00192
에 대한 사용자의 평균 심볼 전력의 비율로 정의된다.
도 4는 SNR=12dB 에서
Figure pat00193
와
Figure pat00194
각각에 대한 ESA 시스템 및 UESA 시스템 각각 총 채널 용량(Rate) 및
Figure pat00195
의 상계(Upper Bound: UBs)를 보인 그래프이다.
감소된 완전 탐색 알고리즘(RES)의 조기 중지(ET) 알고리즘을 수행하는 UESA 시스템에서
Figure pat00196
각각에 대해
Figure 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.
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.
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 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.
또한, UESA 시스템은 ESA 시스템보다 우수한 시스템의 성능을 보여 주며, N의 큰 값에 대한 시스템의 성능 향상이 보다 명확함을 알 수 있다.
한편, 에너지 효율 면에 있어서, 각각의
Figure pat00199
이고, p = 20 mW 의 기준 전력값이며, 각각의 총 에너지는
Figure pat00200
Figure pat00201
로 설정된다.
도 6은
Figure pat00202
와
Figure 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.
도 7은 SNR = 6dB,
Figure pat00204
, 및
Figure 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.
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.
SNR= 12dB,
Figure pat00206
, 및
Figure pat00207
에 대해, UESA-ES 시스템, UESA-RES 시스템, 및 UESA-RES-ET 시스템의 후보의 수와 UESA-RES-ET 시스템에 대한
Figure pat00208
는 하기 표 1에서 제시된다.
Figure 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.
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.
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.
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.
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 pat00210
를 도출할 수 있다.
그리고, 단계(S12, S13)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수의 세트
Figure pat00211
에 대한 후보
Figure pat00212
의 서브 세트
Figure pat00213
에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
Figure pat00214
을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고, 상기 도출된 아날로그 결합 행렬
Figure pat00215
및 채널 행렬
Figure pat00216
을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
Figure pat00217
을 연산한다.
또한, 단계(S14, S15)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 상기 연산된 채널 용량
Figure pat00218
과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
Figure pat00219
이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
Figure pat00220
, 안테나 수의 세트
Figure pat00221
, 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
Figure pat00222
, 최적 안테나 수의 세트
Figure pat00223
, 및 연산된 채널 용량
Figure pat00224
로 업데이트한다.
여기서, 연산 복잡도를 감소하기 위해, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 안테나 수
Figure pat00225
조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
Figure pat00226
에 대한 후보
Figure pat00227
의 서브 세트
Figure pat00228
에 대해 최대 총 채널 용량을 가지는 안테나 수의 세트를 검색하는 감소된 완전 탐색 (RES: Reduced Exhaustive Search) 알고리즘을 수행할 수 있다.
한편, 단계(S16)에서, 일 실시 예에 따른 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치는 서브 후보 세트
Figure pat00229
에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
Figure pat00230
후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
Figure pat00231
이 일정 수 반복하는 동안 발견되지 아니한 경우 감소된 완전 탐색(RES)을 조기 종료(ET)한다.
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.
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.
40 : 스위칭 네트워크
100 ; 제어부

Claims (11)

  1. 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
    상기 채널 상태에 따라 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 네트워크로 전달하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스위치 네트워크는
    상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서버 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
    Figure pat00232
    를 도출하고,
    상기 안테나 수의 세트
    Figure pat00233
    에 대한 후보
    Figure pat00234
    의 서브 세트
    Figure pat00235
    에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00236
    을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
    상기 도출된 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00237
    및 채널 행렬
    Figure pat00238
    을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
    Figure pat00239
    을 연산하며,
    상기 연산된 채널 용량
    Figure pat00240
    과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
    Figure pat00241
    이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00242
    , 안테나 수의 세트
    Figure pat00243
    , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00244
    , 최적 안테나 수의 세트
    Figure pat00245
    , 및 연산된 채널 용량
    Figure pat00246
    로 업데이트하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
    연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수
    Figure pat00247
    조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
    Figure pat00248
    에 대한 후보
    Figure pat00249
    의 서브 세트
    Figure 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.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    서브 후보 세트
    Figure pat00251
    에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
    Figure pat00252
    후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
    Figure 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.
  6. 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 포함하는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    상기 제어부의 제어에 의거 상기 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하는 부등 서버 어레이(UESA: Unequal Sub Array) 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    (c-1) 상기 채널 행렬에 대해 순서화를 수행하여 채널 행렬
    Figure pat00254
    를 도출하고,
    (c-2) 상기 안테나 수의 세트
    Figure pat00255
    에 대한 후보
    Figure pat00256
    의 서브 세트
    Figure pat00257
    에 각각에 대한 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00258
    을 완전 탐색(ES: Exhaustive Search) 알고리즘을 수행하여 도출하고,
    (c-3) 상기 도출된 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00259
    및 채널 행렬
    Figure pat00260
    을 기반으로 기 정해진 관계식에 의거 채널 용량
    Figure pat00261
    을 연산하며,
    (c-4) 상기 연산된 채널 용량
    Figure pat00262
    과 기 정해진 임계값 τ을 비교하여 비교 결과 채널 용량
    Figure pat00263
    이 상기 임계값 τ을 초과하는 경우 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00264
    , 안테나 수의 세트
    Figure pat00265
    , 상기 임계값 τ 각각을 최적 아날로그 결합 행렬
    Figure pat00266
    , 최적 안테나 수의 세트
    Figure pat00267
    , 및 연산된 채널 용량
    Figure pat00268
    로 업데이트하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (c-1) 단계는,
    연산 복잡도를 감소하기 위해, 안테나 수
    Figure pat00269
    조건을 만족하는 서브 어레이의 안테나 수의 세트
    Figure pat00270
    에 대한 후보
    Figure pat00271
    의 서브 세트
    Figure 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.
  10. 제8항에 있어서, 상기 (c-4) 단계 이후에
    서브 후보 세트
    Figure pat00273
    에서 현재 찾아진 최적 안테나 세트
    Figure pat00274
    후보보다 더 높은 채널 용량의 안테나 세트
    Figure 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.
  11. 제6항 내지 제10항 중 한 항의 채널 상태에 따라 서브 어레이의 안테나 수를 다르게 그룹핑하여 대규모 MIMO 시스템을 위한 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍하는 방법을 컴퓨터 상에서 실행할 수 있는 프로그램이 내장된 기록 매체.

KR1020190081245A 2019-07-05 2019-07-05 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법 KR102277866B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190081245A KR102277866B1 (ko) 2019-07-05 2019-07-05 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190081245A KR102277866B1 (ko) 2019-07-05 2019-07-05 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210004593A true KR20210004593A (ko) 2021-01-13
KR102277866B1 KR102277866B1 (ko) 2021-07-16

Family

ID=74142938

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190081245A KR102277866B1 (ko) 2019-07-05 2019-07-05 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102277866B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160147499A (ko) * 2015-06-15 2016-12-23 삼성전자주식회사 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이를 사용한 빔포밍 장치 및 방법
KR20170034015A (ko) * 2015-09-18 2017-03-28 고려대학교 산학협력단 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160147499A (ko) * 2015-06-15 2016-12-23 삼성전자주식회사 무선 통신 시스템에서 안테나 어레이를 사용한 빔포밍 장치 및 방법
KR20170034015A (ko) * 2015-09-18 2017-03-28 고려대학교 산학협력단 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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 et al, "Dynamic Subarrays for Hybrid Precoding in Wideband mmWave MIMO Systems", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol.16, No.5, May 2017(2017.05.)* *
X. 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.Zhai et al, "Joint Transceiver Design With Antenna Selection for Large-Scale MU-MIMO mmWave Systems," IEEE Journal on selected Areas in Communications, Vol.35, No.9, Sept. 2017(2017.09.)* *
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.

Also Published As

Publication number Publication date
KR102277866B1 (ko) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10771142B2 (en) System and method for hierarchal beamforming and rank adaptation for hybrid antenna architecture
US10951293B2 (en) Wireless communication method and wireless communication apparatus
KR102193357B1 (ko) 무선 통신 시스템의 하이브리드 프리코딩 제공 방법 및 그 전자 장치
US11652535B2 (en) Beamforming device for antenna arrays
KR101859821B1 (ko) 밀리미터파 하향링크 채널에서 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 방법 및 시스템
Nguyen et al. Unequally sub-connected architecture for hybrid beamforming in massive MIMO systems
CN101669298B (zh) 预处理多输入通信系统待传输的数据的方法和设备
CN101617522A (zh) 在多输入多输出网络中创建波束赋形信道的方法和系统
KR20150114855A (ko) 무선 통신 시스템에서 단일 스트림 다중 빔 송수신 방법 및 장치
CN105991167B (zh) 低复杂度的毫米波mimo模拟波束赋形方法
Ahmed et al. Hybrid analog and digital beamforming for space-constrained and energy-efficient massive MIMO wireless systems
KR102277866B1 (ko) 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 아날로그 디지털 빔포밍 장치 및 방법
CN108683441B (zh) 混合预编码中的多用户波束赋形方法
Kaushik et al. Energy efficiency maximization in millimeter wave hybrid MIMO systems for 5G and beyond
Niu et al. Low complexity and near-optimal beam selection for millimeter wave MIMO systems
Ding et al. Grouping optimization based hybrid beamforming for multiuser MmWave massive MIMO systems
Yu et al. An energy-efficient hybrid precoding algorithm for multiuser mmWave massive MIMO systems
KR102186869B1 (ko) 대규모 mimo 시스템의 하이브리드 빔포밍 시스템
Wang et al. Hybrid beamforming design for millimeter wave multiuser MIMO systems with dynamic subarrays
Asaad et al. Asymptotic performance analysis of spatially reconfigurable antenna arrays
Gheorghe et al. Massive MIMO technology for 5G adaptive networks
KR101539533B1 (ko) 다중 안테나／반송파 시스템을 위한 증폭 후 전달 릴레이 방법 및 장치
Huang et al. Energy-efficient hybrid precoding with a grouped-adaptive-connected structure
Zhai Smart Antenna Technology in Mobile Communication and Its Research Progress
Reddy et al. A Systematic Review on Beamforming Aided Channel Estimation Techniques for MIMO System

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right