KR20230079917A

KR20230079917A - Mimo 시스템을 위한 가변 분해능 adc를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20230079917A
Application number: KR1020210167145A
Authority: KR
Inventors: 홍대식; 황인철; 이학건; 정진교
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-06-07

Abstract

본 발명은 아날로그 빔포머가 신호 경로의 수에 무관하게 신호를 전송하는 사용자 단말의 수에 대응하는 개수의 RA-ADC를 선택하고, 선택된 RA-ADC에 파워가 집중된 수신 신호를 전달하여, 선택된 RA-ADC가 높은 분해능을 가질수 있도록 함으로써, 수신 신호의 파워 이득을 최대한 유지하면서 양자화 오차를 최소화시킬 수 있는 RA-ADC를 갖는 MIMO 시스템을 위한 빔포밍 장치 및 방법을 제공한다.

Description

MIMO 시스템을 위한 가변 분해능 ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법{Hybrid Beamforming Apparatus and Method with Resolution Adaptive ADC for MIMO System}

본 발명은 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로, MIMO 시스템을 위한 가변 분해능 ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 통신 용량을 증대시키기 위해 다수의 안테나를 이용하는MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 시스템은 다수의 ADC(Analog-Digital Converter)가 요구하며, 이로 인해 매우 큰 전력을 소모하는 문제가 있다.

ADC는 주로 송신 신호(s)에 노이즈(n)가 추가되어 수신된 수신 신호(y = s + n)를 인가받아, 수신 신호에 대응하는 값을 갖는 디지털 신호(y_Q)를 획득하기 위해 이용되며, ADC에서 소모되는 파워(P_ADC)는 수학식 1과 같다.

(여기서 b는 비트 분해능(bit resolution)을 나타내고, c는 변환 단위당 에너지 소모량(energy consumption per conversion step)을 나타내며, f_s 는 샘플링율(Sampling rate)을 나타낸다.)

수학식 1에 따라 ADC에서 소모되는 파워를 저감시키기 위해서는 변환 단위당 에너지 소모량(c)이나 샘플링율(f_s) 또는 비트 분해능(b) 중 적어도 하나를 낮추어야 한다. 그러나 변환 단위당 에너지 소모량(c)은 ADC 자체에서 결정되는 요소로서 이를 낮추기 위해서는 고가의 반도체를 이용해야 하며, 샘플링율(f_s)은 통신 시스템에서 미리 결정될 뿐만 아니라 광대역을 이용하는 경우 오히려 증가하게 된다. 따라서 ADC의 비트 분해능(b)을 낮추는 것이 현실적인 방법일 뿐만 아니라, 비트 분해능(b)이 1비트씩 증가할 때마다 전력 소모가 2배씩 증가하므로, 비트 분해능(b)을 줄이는 것이 파워 소모를 저감시키는 가장 효율적인 방법이다.

다만 ADC의 비트 분해능(b) 또한 MIMO 시스템의 성능에 중요한 영향을 미치는 팩터로서, ADC의 비트 분해능(b)이 낮으면, 양자화 오차(quantization error)가 증가하게 된다. 송신 신호(s)의 파워가 1로 정규화(s~CN(0, 1))될 때, 비트 분해능(b)에 따른 디지털 신호(y_Q)는 부가적 양자화 노이즈 모델(Addictive quantization noise model: AQNM)에 따라 부가적 양자화 노이즈(q)를 포함하여 y_Q = (1-β_b)y + q 로 획득된다. 여기서 부가적 양자화 노이즈(q)또한 정규화된 양자화 오차(β_b)에 기반하여 가변된다. 그리고 AQNM 모델에 따르면, ADC의 비트 분해능(b)이 1비트씩 감소할 때마다 정규화된 양자화 오차(β_b)가 3 ~ 4배 증가하는 것으로 알려져 있다.

따라서 MIMO 시스템에서는 전력 소모를 저감시키기 위해 낮은 분해능을 갖는 ADC를 적용하면서도 양자화 오차 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 현재 낮은 분해능의 ADC를 이용하는 구조로는 모든 ADC가 1 ~ 3bit의 동일하게 낮은 분해능을 갖는 고정 ADC 구조와 이상적인 수준의 높은 분해능을 갖는 ADC와 1 ~ 3bit의 낮은 분해능을 갖는 ADC를 함께 이용하는 혼합 ADC 구조 및 모든 ADC가 비트 분해능을 상황에 따라 변경할 수 있는 가변 분해능 ADC(Resolution Adaptive ADC: 이하 RA-ADC)를 이용하는 구조가 알려져 있으며, 이중에서 RA-ADC를 이용하는 구조가 가장 우수한 성능을 달성할 수 있는 것으로 알려져 있다.

RA-ADC는 비트 분해능을 변경할 수 있는 ADC로서, ADC 내에서 비트 분해능을 결정하는 다수의 비교기(comparator)를 선택적으로 온/오프함으로써 ADC의 비트 분해능을 조절할 수 있도록 한다. 그리고 RA-ADC 구조의 MIMO 시스템에서는 RA-ADC가 다수개로 이용된다. 이때 다수개의 ADC로 인가되는 수신 신호의 전체 파워를 활성화되는 RA-ADC가 분배하여 이용하게 된다. 이로 인해 활성화된 RA-ADC의 개수에 따라 총 양자화 오차(Total quantization error: Q_tot)가 크게 변화하게 된다.

도 1은 RA-ADC의 개수에 따라 분배되는 수신 신호의 파워와 이에 따른 총 양자화 오차의 변화를 나타낸다.

도 1에서는 MIMO 시스템이 5개의 RA-ADC를 포함하고, 수신 신호의 파워를 5개의 RA-ADC 중 서로 다른 개수로 활성화된 RA-ADC에 균등하게 분배하는 경우를 나타낸다. 전체 수신 신호의 파워가 1로 정규화된 경우를 가정하면, 5개의 RA-ADC가 모두 활성화된 경우, 각 RA-ADC에 인가되는 수신 신호의 파워는 0.2이다. 그리고 활성화된 RA-ADC가 4 ~ 1개로 순차적으로 감소하면, 활성화된 각 RA-ADC로 인가되는 수신 신호의 파워는 0.2, 0.3333, 0.5 및 1로 순차적으로 증가하게 된다.

그리고 총 양자화 오차는 수학식 2와 같이 계산된다.

여기서

은 n번째 ADC의 정규화된 양자화 오차, b_n은 n번째 ADC의 비트 분해능, p_n은 n번째 ADC에 수신된 수신 신호의 파워를 나타낸다.

활성화된 RA-ADC의 개수에 따라 수학식 2에 의해 계산된 총 양자화 오차가 도 1에 함께 표시되어 있다. 도 1에 표시된 바와 같이, 활성화된 RA-ADC의 개수가 감소할수록 총 양자화 오차는 크게 감소함을 알 수 있다. 이는 수신 신호의 파워를 적은 수의 RA-ADC 만을 활성화하여 집중시킬수록, 활성화된 RA-ADC가 수신 신호를 정밀하게 디지털 신호로 변환시킬 수 있으므로, 결과적으로 총 양자화 오차를 감소시킬 수 있기 때문이다.

한편 상기한 바와 같이, MIMO 시스템은 무선 통신 용량 증대를 위해, 다수의 안테나를 이용하여 빔포밍을 수행하며, MIMO 시스템의 빔포밍을 위해 다양한 빔포밍 구조가 제안되었다. 기존의 MIMO 시스템에서의 빔포밍 구조는 다수의 안테나 각각에 대해 ADC가 구비되었으나, 이는 비용의 증가와 파워 소비가 크다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 최근에는 하이브리드 빔포밍 구조가 주로 이용되고 있다.

도 2는 하이브리드 빔포밍 장치의 일 예를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 빔포밍 장치는 M개의 안테나가 포함된 안테나부(100), M개의 안테나 각각을 통해 수신된 수신 신호의 위상을 변환하고, 위상 변환된 수신 신호를 결합하여 빔을 형성함으로써 파워 이득(power gain)을 획득하는 아날로그 빔포머(Analog beamformer)(200)와 안테나 개수 이하의 N개(N ≤ M)개의 ADC(RF-chain이라고도 함)를 포함하여 아날로그 빔포머에서 위상 조절된 신호를 인가받아 디지털 신호로 변환하는 AD 변환부(300) 및 N개의 ADC를 통해 인가되는 디지털 신호의 크기(amplitude)와 위상을 조절하여 신호간 간섭을 제거함으로써 수신 신호에 대한 다중화 이득(Multiplexing gain)을 획득하는 디지털 빔포머(Digital beamformer)(400)를 포함한다.

도 2에서와 같이, 하이브리드 빔포밍 장치에서는 아날로그 빔포머(200)와 디지털 빔포머(400)를 구분하고, 아날로그 빔포머(200)와 디지털 빔포머(400)가 다수의 안테나로 수신되는 신호를 조합하여 처리하도록 함으로써, AD 변환부(300)에 요구되는 ADC의 개수를 줄일 수 있도록 한다.

하이브리드 빔포밍 장치는 또한 아날로그 빔포머(200)의 구성에 따라 다시 여러가지로 구분된다. 아날로그 빔포머(200)가 M × N개의 VPS(variable phase shifter)로 구성된 VPS 기반 빔포머, M × N개의 VPS 와 Mlog₂M 개의 CPS(constant phase shifter)로 구성되는 2단계 빔포머, M × N개의 스위치와 M × N개의 인버터로 구성되는 SI 기반 빔포머 및 N개의 스위치로 구성되는 스위치 기반 빔포머 등이 있다. 이중 VPS 기반 빔포머가 가장 우수한 성능을 나타낸다고 알려져 있다.

이와 같은 기존의 빔포밍 구조에서는 비록 안테나 개수(M)보다는 적은 N개의 ADC를 이용하지만, 파워 이득을 확보하기 위해 N개의 ADC에서 가급적 많은 ADC를 사용하도록 구성된다. 특히 안테나의 개수(M)와 더불어 신호 경로(signal path)의 수가 증가할수록 수신 신호가 더 많은 수의 ADC로 분산되어 인가되도록 구성된다. 예로서 기존의 빔포밍 구조에서는 안테나 개수(M)와 신호를 전송하는 사용자 단말(UE)의 수가 변화하지 않더라도, 채널(H)에서 신호가 전송되는 경로의 수가 증가하면, 증가된 경로의 수에 따라 더 많은 ADC를 이용하도록 구성된다. 이는 기존의 하이브리드 빔포밍 장치에서는 사용되는 ADC의 개수가 빔의 개수에 비례하도록 구성되기 때문이다.

그러나 상기한 바와 같이, 하이브리드 빔포밍 장치가 RA-ADC를 사용하는 경우, 수신 신호의 파워가 많은 수의 RA-ADC로 분산될수록 양자화 오차가 증가한다. 따라서 기존의 하이브리드 빔포밍 구조에서와 같이 파워 이득을 확보하기 위해, 사용하는 RA-ADC의 개수를 증가시키면, 이와 함께 양자화 오차가 증가되는 문제가 있다. 그에 반해 양자화 오차를 감소시키기 위해 활성화되는 RA-ADC의 개수를 줄인다면 수신 신호의 파워 이득에 손실이 발생된다. 결과적으로 수신 신호의 파워 이득을 향상시키면서 동시에 양자화 오차를 저감시킬 수 없다는 한계가 있다.

한국 등록 특허 제10-2271887호 (2021.06.25 등록)

본 발명의 목적은 수신 신호의 파워 이득을 최대한 유지하면서 양자화 오차를 최소화할 수 있는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 RA-ADC를 이용하는 MIMO 시스템에서 신호 경로의 수에 무관하게 사용자 단말의 수에 따라 가능한 적은 수의 RA-ADC만을 선택하여 수신 파워를 집중시킴으로써, RA-ADC가 높은 분해능을 가질수 있어 양자화 오차를 최소화할 수 있는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 장치는 각각 인가되는 신호의 세기에 따라 분해능을 가변하여 디지털 신호로 변환하는 N개의 가변 분해능 ADC(이하 RA-ADC)를 구비하는 AD 변환부; 상기 디지털 신호를 인가받아 기지정된 방식으로 디코딩하여 디지털 데이터를 획득하는 디지털 빔포머; M(N ≤ M 인 자연수)개의 안테나로 수신되는 M개의 수신 신호의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하여 K(K ≤ N인 자연수)개의 사용자 단말에서 전송된 신호를 수신하도록 하며, 상기 M개의 빔 각각에 의한 빔 공간 상에서 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널에 대응하는 가중치를 상기 빔 공간으로 수신된 M개의 수신 신호 각각에 가중하여 M개의 가중 수신 신호를 획득하며, 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 상기 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널을 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태에 기반하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 K개의 RA-ADC로 집중하여 전달하는 아날로그 빔포머; 및 상기 아날로그 빔포머의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 아날로그 빔포머는 서로 직교하는 M개의 로우 벡터로 구성된 M × M 크기의 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)에 따라 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하도록 상기 M개의 안테나를 통해 수신되는 M개의 수신 신호 각각의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고, 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 M개의 신호를 출력하는 고정 위상 변환부; 상기 M개의 빔 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 빔 채널 행렬(H_b)을 기반으로, 상기 빔 공간에서 수신되는 M개의 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말의 빔 채널 상태에 대응하는 가중치를 빔 공간에서 M개의 수신 신호에 가중하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 가중 위상 변환부; 및 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 가중 빔 채널 행렬(

)을 기반으로, 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태가 기지정된 문턱값 이상이면, 해당 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 RA-ADC로 전달하고, 상기 문턱값 미만이면, K개의 사용자 단말에 대응하지 않는 나머지 RA-ADC 중 하나로 전달하는 스위치부를 포함할 수 있다.

상기 가중 위상 변환부는 상기 제어부에 의해 상기 M개의 안테나와 상기 K개의 사용자 단말 사에의 채널 행렬(H)과 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 결합된 상기 빔 채널 행렬(H_b)을 기반으로 획득되는 M × M 크기의 대각 행렬로서 상기 M개의 수신 신호 각각에 대응하는 가중치를 원소로 갖는 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에 따라, 빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각의 크기와 위상을 조절하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득할 수 있다.

상기 스위치부는 상기 제어부에 의해 상기 빔 채널 행렬(H_b)과 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 결합된 상기 가중 빔 채널 행렬(

)을 기반으로 획득되며 각 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 1개인 N × M 크기의 희소 행렬인 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)에 따라, 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC에 전달할 수 있다.

상기 고정 위상 변환부는 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)의 대응하는 원소에 따라 상기 M개의 안테나 중 대응하는 안테나를 통해 인가되는 수신 신호의 위상을 변환하여 결합하는 M × M개의 고정 위상 시프터를 포함하되, 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)인 경우(W^H ₁ = T_DFT), Mlog₂M 개의 고정 위상 시프터를 포함할 수 있다.

상기 가중 위상 변환부는 각각 서로 병렬 연결된 2개의 가변 위상 시프터를 구비하여, 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에서 대응하는 대각 원소인 가중치(a_m)에 따라 위상 조절된 M개의 수신 신호 중 대응하는 수신 신호의 크기와 위상을 조절하는 M개의 위상 변환 모듈을 포함할 수 있다.

상기 스위치부는 각각 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 M개의 칼럼 벡터 중 대응하는 칼럼 벡터에 따라 상기 N개의 RA-ADC 중 1개의 RA-ADC를 선택하는 M개의 1:N 선택 스위치를 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 방법은 M(N ≤ M 인 자연수)개의 안테나로 수신되는 M개의 수신 신호의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하여 K(K ≤ N인 자연수)개의 사용자 단말에서 전송된 신호를 수신하는 단계; 상기 M개의 빔 각각에 의한 빔 공간 상에서 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널에 대응하는 가중치를 상기 빔 공간으로 수신된 M개의 수신 신호 각각에 가중하여 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 단계; 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 상기 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널을 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태에 기반하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 K개의 RA-ADC로 집중하여 전달하는 단계; 상기 M개의 가중 수신 신호가 인가된 RA-ADC가 인가된 신호의 세기에 따라 분해능을 가변하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 및 상기 디지털 신호를 인가받아 기지정된 방식으로 디코딩하여 디지털 데이터를 획득하는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템을 위한 RA-ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법은 아날로그 빔포머가 신호 경로의 수에 무관하게 신호를 전송하는 사용자 단말의 수에 대응하는 개수의 RA-ADC를 선택하고, 선택된 RA-ADC에 파워가 집중된 수신 신호를 전달하여, 선택된 RA-ADC가 높은 분해능을 가질수 있도록 함으로써, 수신 신호의 파워 이득을 최대한 유지하면서 양자화 오차를 최소화시킬 수 있다.

도 1은 RA-ADC의 개수에 따라 분배되는 수신 신호의 파워와 이에 따른 총 양자화 오차의 변화를 나타낸다.
도 2는 하이브리드 빔포밍 장치의 일 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 분해능 ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치의 개략적 구성을 나타낸다.
도 4는 도 3의 하이브리드 빔포밍 장치에서 아날로그 빔포머의 상세 구성을 나타낸다.
도 5 내지 도 7은 도 3의 아날로그 빔포머의 각 스테이지별 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다
도 8은 가변 분해능 ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 방법을 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 실시예에 따른 RA-ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치를 설명하기에 앞서, 기존의 RA-ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치의 동작을 구체적으로 설명한다.

RA-ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치 또한 도 2에서와 같이, M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 구비하는 안테나부(100), M개의 안테나 각각에 대한 파워 이득을 획득하는 아날로그 빔포머(또는 아날로그 컴바이너(Analog Combiner)라고도 함)(200)와 안테나 개수 이하의 N개(N ≤ M)의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)를 구비하는 AD 변환부(300) 및 N개의 RA-ADC에 대응하여 다중화 이득을 획득하는 디지털 빔포머(또는 디지털 컴바이너(Digital Combiner)라고도 함)(400)를 포함한다.

아날로그 빔포머(200)는 안테나부(100)의 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M) 각각의 파워 이득을 조절하여, M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)가 적어도 하나의 빔을 형성하도록 하여, 형성된 빔에 따라 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 통해 수신 신호 신호의 파워를 분배하여 AD 변환부(300)의 다수의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)로 전달한다.

이때 아날로그 빔포머(200)를 통과한 후, MIMO 채널(H)에 대한 파워 이득은 즉 채널 이득은

이라 할 수 있다. 여기서 W는 아날로그 빔포머(200)가 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 통해 인가된 수신 신호 각각을 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)로 전달하는 과정에서 파워 이득을 조절하는 파워 이득 행렬로서 (M × N) 크기의 행렬이고, 행렬(W^H)은 파워 이득 행렬(W)에 대한 켤레 전치 행렬(conjugate transpose matrix)이다.

그리고 수신 신호가 아날로그 빔포머(200)를 통과한 후에도 MIMO 채널(H)의 파워 이득을 유지하기 위해서는 수학식 3을 만족해야 한다.

또한 상기한 바와 같이 양자화 오차를 줄이기 위해서는 AD 변환부(300)의 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 가능한 적은 수의 RA-ADC를 이용해야 한다. 이에 AD 변환부(300)에서 사용하지 않는 RA-ADC의 개수를 X라고 할 때, 아날로그 빔포머(200)는 사용하지 않는 RA-ADC에는 수신 신호를 인가하지 않으므로, 아날로그 빔포머(200)의 사용하지 않는 RA-ADC를 고려한 파워 이득 행렬(W)은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

여기서 0_M×X는 (M × X) 크기의 0 행렬이다.

즉 파워 이득 행렬(W)에서 사용하지 않는 RA-ADC의 개수(X)만큼의 칼럼(column)이 0으로 채워져야 한다.

전체 RA-ADC의 개수가 N개이므로, 사용하지 않는 RA-ADC의 개수(X)는 0 ~ N-1 사이의 값을 가질 수 있으며, X가 증가될수록 적은 수의 RA-ADC를 사용함을 의미한다. 또한 MIMO 시스템에서 수신되어야 하는 수신 신호의 개수, 즉 신호를 전송하는 사용자 단말의 수가 K인 경우, 채널 행렬(H)의 랭크(rank)가 K 이므로, 아날로그 빔포머(200)를 통과한 후에도 MIMO 채널(H)의 파워 이득을 유지하기 위해서 실제 사용하지 않는 RA-ADC의 개수(X)의 최대값은 N-K가 될 수 있다. 따라서 사용하지 않는 RA-ADC의 개수(X)는 0 ~ N-K의 범위에서 설정될 수 있으며, 이에 수신 신호의 파워 이득을 유지하면서 양자화 오차를 최소화하기 위한 아날로그 빔포머(200)의 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)은 수학식 5로 표현될 수 있다.

여기서 U는 (M × K) 크기를 갖는 채널 행렬(H)의 좌 특이 행렬(left singular matrix)이다.

즉 MIMO 채널의 파워 이득을 유지하기 위해서는 사용하는 ADC의 수(N-K)가 사용자 단말(UE)의 수(K) 이상(N-K ≥ K)이어야 하며, RA-ADC를 이용하는 구조에서 파워 이득을 유지하면서 양자화 오차를 최소화하기 위해서는 사용하는 RA-ADC의 수(N-K)와 사용자 단말(UE)의 수(K) 가 동일(N-K = K)해야 한다.

안테나의 수(M)가 무한대에 근접하다고 가정할 경우, 수학식 5의 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)은 수학식 6과 같이 나타날 수 있다.

여기서 h₁ ~ h_K는 채널 행렬(H)의 1 ~ K번째 칼럼 벡터를 나타내고,

는 채널 행렬(H)의 켤레 행렬(conjugate matrix)을 의미한다.

수학식 6에 따르면 안테나의 수(M)가 무한대에 근접할 때, H의 칼럼 벡터(h₁ ~ h_K)들은 직교(orthogonal)하게 되고, 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)의 각 칼럼 벡터들(

)은 서로 다른 크기(amplitude)를 갖는다.

기존의 하이브리드 빔포밍 장치에서는 아날로그 빔포머의 동작을 나타내는 행렬(W^H)의 각 요소들이 동일한 크기를 가져, 수학식 6과 같이 최적 파워 이득 행렬(WOPT)을 구성할 수 없다. 따라서 파워 이득만이라도 최대가 되도록 N개의 ADC를 모두 이용하게끔 파워 이득 행렬(W)이 구성되었다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템을 위한 RA-ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치에서는 아날로그 빔포머(200)가 수학식 6과 같이 각 칼럼 벡터들의 요소들이 서로 다른 크기를 가질 수 있으므로, 일부 RA-ADC에 수신 파워를 집중시킬 수 있으며, 이에 본 발명의 실시예의 아날로그 빔포머(200)는 양자화 오차를 고려하여 K개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_K)에 수신 신호의 파워가 집중되도록 수학식 6과 같이 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)을 구성할 수 있다. 즉 파워 이득을 유지하면서 K개의 ADC로 수신 신호가 전달되도록 구성될 수 있다.

수학식 6의 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)은 서로 직교하는 빔들의 선형 조합으로 볼 수 있으며, 이에 빔 공간 채널 표현(Beam space channel representation) 방식을 통해 서로 직교하는 M개의 칼럼 벡터로 구성된 M × M 크기의 행렬(A)과 직교하는 다수의 빔에 따른 빔 공간 채널 행렬(

)의 곱으로 표현될 수 있다. 여기서 행렬(A)이 이산 푸리에 변환 행렬(A=T_DFT)로 설정될 경우, 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)은 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

여기서 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)은 서로 직교하는 M개의 빔을 나타내는 M개의 칼럼 벡터(T_DFT,1, T_DFT,2, …, T_DFT,M)로 수학식 8과 같이 구성되고, 빔 공간 채널 행렬(

)은 각각 모든 원소가 0이거나 또는 임의의 1개의 원소만이 0이 아닌 값을 갖는 M개의 로우 벡터로 수학식 9와 같이 구성된다.

그리고 빔 공간 채널 행렬(

)은 M × M 크기의 대각 행렬(Diagonal matrix)(D)과 각각 임의의 1개의 원소만이 1의 값을 갖는 M개의 로우 벡터로 구성되는 M × N 크기의 희소 행렬(sparse matrix)(S)의 곱으로 표현될 수 있다.

따라서 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)의 켤레 전치 행렬(

)은 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.

수학식 10으로부터 아날로그 빔포머(200)는 각각 M × N 크기의 희소 행렬(S)과 M × M 크기의 대각 행렬(D) 및 M × M 크기의 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT) 각각의 켤레 전치(S^H, D^H, T^H _DFT)에 대응하여 서로 다른 동작을 수행하는 3개의 스테이지 요소로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MIMO 시스템을 위한 가변 분해능 ADC를 갖는 하이브리드 빔포밍 장치의 개략적 구성을 나타내고, 도 4는 도 3의 빔포밍 장치에서 아날로그 빔포머의 상세 구성을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 장치는 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 구비하는 안테나부(100), 아날로그 빔포머(200)와 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)를 구비하는 AD 변환부(300), 디지털 빔포머(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.

여기서 안테나부(100)와 AD 변환부(300) 및 디지털 빔포머(400)는 도 2의 안테나부(100)와 AD 변환부(300) 및 디지털 빔포머(400)와 동일하게 구성될 수 있으며, AD 변환부(300)의 N개의 ADC는 RA-ADC를 포함하는 것으로 가정한다. 다만 본 실시예의 빔포밍 장치에서 아날로그 빔포머(200)는 3개의 스테이지 요소로서 고정 위상 변환부(210), 가중 위상 변환부(220) 및 스위치부(230)로 구성될 수 있다.

제어부(500)는 수학식 10의 희소 행렬(S)과 대각 행렬(D) 각각의 켤레 전치 행렬(S^H, D^H)을 획득하고, 획득된 켤레 전치 행렬(S^H, D^H)에 기반하여, 가중 위상 변환부(220) 및 스위치부(230)를 제어한다. 그리고 제어부(500)는 희소 행렬(S)의 켤레 전치 행렬(S^H)에 따라 AD 변환부(300)의 N개의 ADC는 RA-ADC를 활성화 또는 비활성화할 수 있으며, 디지털 빔포머(400)를 기존과 동일한 방식으로 제어할 수 있다.

도 4를 참조하면, 고정 위상 변환부(210)는 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하도록 구성된다. 이때 고정 위상 변환부(210)의 동작은 고정된 위상 변환을 수행하도록 구성되는 다수의 모듈에 의해 M × M 크기의 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)의 켤레 전치 행렬(T^H _DFT)로 표현될 수 있으며, 각 로우 벡터에 따라 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 통해 수신되는 M개의 수신 신호 각각의 위상을 변환하고, 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합함으로써, M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하도록 한다. 일 예로 고정 위상 변환부(210)는 Mlog₂M 개의 고정 위상 시프터(constant phase shifter)로 구성되어, M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 통해 수신되는 M개의 수신 신호 각각의 위상을 조절하고, 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 M개의 빔을 형성할 수 있다.

가중 위상 변환부(220)는 제어부(500)에서 설정되는 M × M 크기의 대각 행렬(D)의 켤레 전치 행렬(D^H)에 대응하여, 고정 위상 변환부(210)에서 위상 조절 및 결합되어 인가되는 M개의 수신 신호의 크기와 위상을 조절함으로써, M개의 수신 신호에 가중치를 가중한다. 가중 위상 변환부(220)는 일 예로 도 4의 우측에 도시된 바와 같이, 각각 2개의 가변 위상 시프터(variable phase shifter)가 병렬로 연결된 M개 위상 변환 모듈(221 ~ 22M)으로 구성될 수 있다. M개 위상 변환 모듈(221 ~ 22M) 각각은 대각 행렬(D)에 대한 켤레 전치 행렬(D^H)에서 대응하는 대각 원소의 값에 따라 가중 위상 변환부(220)에서 위상 조절 및 결합되어 전달된 M개의 수신 신호의 크기 및 위상을 증감시킨다. M개 위상 변환 모듈(221 ~ 22M) 각각에서 병렬로 연결된 2개의 가변 위상 시프터는 고정 위상 변환부(210)에서 전송되는 신호의 위상을 개별적으로 조절하여 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 발생하도록 함으로써, 인가된 신호의 위상뿐만 아니라 크기(amplitude)를 조절하여 가중 수신 신호를 출력할 수 있다.

한편 스위치부(230)는 제어부(500)에서 설정된 M × N 크기의 희소 행렬(S)의 켤레 전치 행렬(S^H)에 따라 제어되어, 가중 위상 변환부(220)에서 전달된 M개의 가중 수신 신호를 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)로 전달한다. 여기서 희소 행렬(S)의 켤레 전치 행렬(S^H)에서 M개의 칼럼 벡터 각각은 N개의 원소 중 하나만이 1의 원소를 가질 수 있다.

스위치부(230)는 제어부(500)에 의해 제어되는 M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M)로 구현될 수 있으며, M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M) 각각은 희소 행렬(S)에 대한 켤레 전치 행렬(S^H)에서 대응하는 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 배치된 위치에 따라, AD 변환부(300)의 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 1개의 RA-ADC를 선택하는 1:N 선택 스위치로 구현될 수 있다. 이때, 서로 다른 스위치 모듈(231 ~ 23M)이 동일한 RA-ADC를 선택할 수도 있다. 즉 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 각각은 2개 이상의 스위치 모듈에 의해 중첩되어 선택될 수도 있으며, 어떠한 스위치 모듈에 의해서도 선택되지 않을 수도 있다.

특히 본 실시예에서 제어부(500)는 희소 행렬(S)의 켤레 전치 행렬(S^H)에서 M개의 칼럼 벡터 각각이 N개의 원소 중 1 ~ K번째 원소 중 하나의 원소가 1의 원소를 가지도록 함으로써, 스위치부(230)의 M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M)이 신호를 전송하는 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에 대응하여 K개의 RA-ADC를 선택하도록 할 수 있다. 즉 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)이 전송하는 신호의 전송 경로에 무관하게 신호를 전송한 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)의 개수(K)에 대응하여, K개의 RA-ADC를 선택하고 신호를 집중시킴으로써 양자화 오차가 최소화되도록 할 수 있다.

다만, 제어부(500)는 채널 상태에 따라 스위치부(230)가 K개를 초과하는 RA-ADC를 선택하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 제어부(500)는 희소 행렬(S)의 켤레 전치 행렬(S^H)의 M개의 칼럼 벡터에서 적어도 하나의 칼럼 벡터는 K+1번째에서 N번째 원소 중 하나의 원소가 1의 원소를 갖도록 설정할 수 있다. 스위치부(230)가 K개를 초과하는 RA-ADC를 선택하는 조건에 대해서는 후술하도록 한다.

AD 변환부(300)의 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)는 스위치부(230)의 M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M)에 의해 각각 선택되고, 선택된 RA-ADC는 선택한 스위치 모듈(231 ~ 23M)로부터 가중 수신 신호를 인가받아 디지털 신호로 변환한다. 이때 상기한 바와 같이, M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M)은 동일한 RA-ADC를 선택하여 가중 수신 신호를 전송할 수 있으며, 이와 같이 다수의 스위치 모듈에 의해 공통으로 선택된 RA-ADC는 다수의 스위치 모듈로부터 전달된 가중 수신 신호가 중첩되어 더 큰 세기로 인가되므로, 높은 분해능으로 인가된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 반면, 선택되지 않은 RA-ADC는 신호가 전달되지 않으므로 디지털 신호를 출력하지 않는다. 선택되지 않는 RA-ADC는 디지털 신호로 변환하는 작업을 수행하지 않으므로, 하이브리드 빔포밍 장치의 전력 소비가 저감되도록 할 수 있으며, 경우에 따라서는 제어부(500)가 희소 행렬(S)에 대한 켤레 전치 행렬(S^H)을 기반으로 선택되지 않는 RA-ADC들을 비활성화시킬 수도 있다.

디지털 빔포머(400)는 제어부(500)의 제어에 따라 AD 변환부(300)에서 고분해능으로 디지털 변환된 디지털 신호를 인가받아 기지정된 방식에 따라 디코딩하여 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)를 통해 수신된 K개의 수신 신호에 대응하는 K개의 디지털 데이터를 획득한다. 디지털 빔포머(400)의 동작은 기존의 하이브리드 빔포밍 장치의 디지털 빔포머(400)와 동일하므로 여기서는 상세하게 설명하지 않는다.

도 5 내지 도 7은 도 3의 아날로그 빔포머의 각 스테이지별 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 5 내지 도 7에서는 본 실시예에서 아날로그 빔포머(200)의 3개의 스테이지인 고정 위상 변환부(210), 가중 위상 변환부(220) 및 스위치부(230) 각각의 동작이 W^H ₁, W^H ₂, W^H ₃로 행렬(W₁, W₂, W₃) 각각에 대한 켤레 전치 행렬의 형태로 표현되고, 이에 따른 아날로그 빔포머(200) 전체의 동작은 W^H _PROP로 행렬(W_PROP)의 켤레 전치 행렬로 표현된다고 가정한다. 상기에서 고정 위상 변환부(210), 가중 위상 변환부(220) 및 스위치부(230) 각각의 동작이 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)과 대각 행렬(D) 및 희소 행렬(S)의 켤레 전치(S^H, D^H, T^H _DFT)에 대응한다고 하였으므로, 3개의 행렬(W^H ₁, W^H ₂, W^H ₃)은 3개의 행렬(T^H _DFT, D^H, S^H)과 동일(W^H ₁ = T^H _DFT, W^H ₂ = D^H, W^H ₃ = S^H)하고, 최적 파워 이득 행렬(W_OPT)은 행렬(W^H _PROP)과 동일(W_OPT = W^H _PROP)하다. 따라서 이하에서는 설명의 편의를 위하여 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)과 대각 행렬(D) 및 희소 행렬(S)의 켤레 전치(S^H, D^H, T^H _DFT)을 각각 제1 내지 제3 스테이지 행렬(W^H ₁, W^H ₂, W^H ₃)이라 한다.

도 3 및 도 4와 함께, 도 5를 참조하면 아날로그 빔포머(200)에서 제1 스테이지에 해당하는 고정 위상 변환부(210)는 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M) 각각으로 수신되는 수신 신호들의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고, 위상 변환된 수신 신호들을 기지정된 방식으로 결합하여 서로 직교하는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M)을 형성함으로써, K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에서 전송되어 채널(H)을 통해 전송되는 수신 신호가 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M)을 통해 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)로 수신되도록 한다. 실제 동작의 관점에서, 고정 위상 변환부(210)는 제1 스테이지 행렬(W^H ₁ = T^H _DFT)의 M개의 로우 벡터에 대응하는 M개의 빔을 형성하여, M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)로 수신된 M개의 수신 신호를 빔 공간 채널 표현 방식에 따라 빔 도메인에서 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M) 각각으로 수신된 신호로 표현될 수 있다.

그리고 도 6에서와 같이, 고정 위상 변환부(210)의 동작을 나타내는 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)을 M개의 안테나(ANT₁ ~ ANT_M)와 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K) 사이의 채널을 나타내는 M × K 크기의 채널 행렬(H)과 결합하면, 빔 공간 채널 표현 방식에 따라 빔 도메인에서의 빔에 의해 형성되는 채널을 나타내는 빔 채널 행렬(H_b)은 H_b = W^H ₁H 로 표현될 수 있다. 그리고 빔 채널 행렬(H_b)은 수학식 11로 표현될 수 있다.

여기서 빔 채널 행렬(H_b)의 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(h^b _m,k)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 빔 채널을 의미한다.

한편, 가중 위상 변환부(220)는 M개의 빔 각각에 대한 가중치를 가중하며, 이를 위해 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M) 각각으로 수신된 신호 각각의 크기와 위상을 조절하여 M개의 가중 수신 신호를 출력한다. 가중 위상 변환부(220)의 동작은 제어부(500)에 의해 지정되는 제2 스테이지 행렬(W^H ₂ = D^H)로 수학식 12로 표현될 수 있다.

여기서 원소(a_m)는 가중 위상 변환부(220)의 M개 위상 변환 모듈(221 ~ 22M) 중 m번째 위상 변환 모듈(22m)이 m번째 빔(BEAM_m)으로 수신되는 신호에 부가하는 가중치를 의미하며, 제어부(500)는 가중치(a_m)를 수학식 13에 따라 설정할 수 있다.

여기서 c는 미리 지정된 상수이다.

수학식 13에 따르면, 가중치(a_m)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 수학식 11에 따라 계산되는 각 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에 대한 단말별 빔 채널(h^b _m,1 ~ h^b _m,k) 중 파워가 가장 큰 채널(

)에 따라 결정된다. 이에 가중 위상 변환부(220)의 M개의 위상 변환 모듈(22m) 각각은 계산된 M개의 가중치(a₁ ~ a_M)를 대응하는 위상 조절된 수신 신호에 가중한다. 다시 말해 가중 위상 변환부(220)는 M개의 위상 조절된 신호 각각에 포함된 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에서 전송된 K개의 신호 중 가장 강하게 포함된 신호에 따라 가중치(a₁ ~ a_M)를 결정하고, 결정된 가중치(a₁ ~ a_M)를 대응하는 위상 조절된 신호에 가중하는 것으로 볼 수 있다.

그리고 채널(H)에 고정 위상 변환부(210)와 가중 위상 변환부(220)의 동작을 모두 결합시키면, 도 7과 같이 표현될 수 있다. 도 7에서와 같이, 채널(H)에 고정 위상 변환부(210)와 가중 위상 변환부(220)의 동작을 모두 결합된 가중 빔 채널 행렬(

)은 수학식 14로 표현될 수 있다.

여기서 가중 빔 채널 행렬(

)의 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 가중 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(

)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 가중 빔 채널을 의미한다.

스위치부(230)는 제어부(500)의 제어에 따라 M개의 가중 수신 신호를 인가받아 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)로 전달한다.

제어부(500)는 M개의 가중 수신 신호를 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N)에 선택적으로 전달하는 스위치부(230)의 동작을 제어하기 위해 수학식 15와 같이 제3 스테이지 행렬(W^H ₃ = S^H)을 설정할 수 있다.

수학식 15에 따르면, 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)은 각 칼럼에서 1의 값을 갖는 원소가 1개인 희소 행렬로서, 원소(s_n,m)의 값이 1인 경우(s_n,m = 1), 스위치부(230)의 M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M) 중 m번째 스위치 모듈(23m)은 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 n번째 RA-ADC(ADC_n)로 인가된 가중 수신 신호를 전달한다는 것을 의미한다. 이에 제3 스테이지 행렬(W^H ₃ = S^H)에서 N개의 원소(s_n,m)로 구성되는 M개의 칼럼 벡터 각각은 대응하는 스위치 모듈(231 ~ 23M)이 N개의 RA-ADC 중 하나의 RA-ADC를 선택하도록 하는 선택 신호로 볼 수 있다.

따라서 스위치부(230)의 M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M) 각각은 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 하나의 RA-ADC로 가중 수신 신호를 전달하며, 이때, M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M) 중 둘 이상의 스위치 모듈이 동일한 RA-ADC로 가중 수신 신호를 중첩하여 전달할 수도 있다.

이때 제어부(500)는 수학식 15의 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 각 원소(s_n,m)를 수학식 16에 따라 설정할 수 있다.

수학식 16에 따르면, 제어부(500)는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M) 중 m번째 빔(BEAM_m)에서 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K) 중 n번째 사용자 단말(UE_n)의 채널 파워가 가장 큰 경우, 대응하는 가중 수신 신호를 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 n번째 RA-ADC(ADC_n)로 전달한다. 이때, 제어부(500)는 기본적으로 n을 1 ~ K 범위 이내에서 설정(n ≤ K)한다. 따라서 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)의 개수(K)에 대응하는 K개의 RA-ADC만이 스위치부(230)에 의해 선택되어 이용되도록 한다.

다만, 채널(H)의 상태에 따라서는 아날로그 빔포머(200)가 K개의 RA-ADC만을 선택하여 수신 신호를 집중시켜 전달하는 경우, 아날로그 빔포머(200)에 요구되는 파워 이득에 손실이 발생할 수 있다. 이러한 파워 이득 손실을 방지하기 위해서 제어부(500)는 수학식 17의 조건에 따라 K개의 RA-ADC 이외에 추가적인 RA-ADC를 이용할 수도 있다.

여기서 T는 미리 지정된 상수로서 문턱값을 나타내고, n*은 m번째 빔(BEAMm)에서 K개의 사용자 단말(UE1 ~ UEK) 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 사용자 단말의 인덱스를 의미한다.

수학식 17에 따르면, 제어부(500)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 n번째 사용자 단말(UE_n*)에 대한 단말별 가중 빔 채널(

)의 크기와 m번째 빔(BEAM_m)에서 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K) 각각에 대한 단말별 가중 빔 채널(

, …,

)의 크기의 누적합의 비가 기지정된 문턱값(T)보다 작으면, 원소(s_n*,m)의 값을 0으로 설정하고, 기본적으로 선택되는 K개의 RA-ADC에 포함되지 않은 나머지 N-K개의 RA-ADC 중 임의의 RA-ADC를 추가로 선택되도록, K + 1 ~ N 사이의 임의의 수(n')에 따른 원소(s_n',m)를 1로 설정할 수 있다.

즉 제어부(500)는 M개의 가중 수신 신호 각각에 대응하는 가중 빔 채널에서 파워가 가장 강한 가중 빔 채널(

)을 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말의 채널 파워가 해당 빔 채널의 전체 단말별 가중 빔 채널(

, …,

) 파워에서 차지하는 비율이 기지정된 문턱값(T) 이상이면, 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 RA-ADC로 가중 수신 신호가 전달되도록 스위치부(230)를 제어하는 반면, 기지정된 문턱값(T) 미만이면, 사용자 단말에 대응하지 않는 다른 RA-ADC로 가중 수신 신호가 전달되도록 스위치부(230)를 제어한다. 다시 말해 스위치부(230)는 M개의 가중 수신 신호 각각에서 포함된 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에서 전송된 K개의 신호 중 가장 강하게 포함된 신호에 따라 N개의 RA-ADC 중 대응하는 RA-ADC를 선택하여 가중 수신 신호를 전달하는 것으로 볼 수 있다.

결과적으로 본 실시예의 하이브리드 빔 포밍 장치에서 아날로그 빔포머(200)는 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)의 수(K)에 따라 AD 변환부(300)의 N개의 RA-ADC(ADC₁ ~ ADC_N) 중 K개의 RA-ADC만을 선택하여 수신된 신호를 집중하여 전송하도록 함으로써, 선택된 K개의 RA-ADC가 높은 분해능으로 디지털 변환할 수 있도록 한다. 이에 따라 양자화 오차가 최소가 되도록 한다.

그러나 수학식 17에서와 같이, m번째 빔(BEAM_m)에서 가장 큰 채널 파워를 갖는 n*번째 사용자 단말(UEn*)에서 전송된 신호가 전체 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에서 m번째 빔(BEAM_m)을 통해 전송되는 전체 신호에서 차지하는 비율이 문턱값(T) 미만이면 수신 신호에 대한 파워 이득에 대한 손실이 발생하게 된다. 이에 본 실시예의 제어부(500)는 수학식 17이 만족되는 경우, 스위치부(230)가 K개의 RA-ADC보다 많은 RA-ADC를 선택하여 신호를 전달하도록 제어함으로써 파워 이득 손실이 발생하는 것을 방지한다.

도 8은 가변 분해능 ADC를 갖는 MIMO 시스템을 위한 빔포밍 방법을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 빔 포밍 방법은 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)의 서로 직교하는 M개의 로우 벡터에 따라 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M)을 형성한다(S11). 여기서 M × M 크기의 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)은 M × M 개의 고정 위상 시프터에 의해 형성되며, 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)로 설정될 경우, 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)은 Mlog₂M 개의 고정 위상 시프터를 이용하여 구현될 수 있다.

그리고 제어부(500)는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M)으로 수신되는 M개의 신호 각각에 대응하는 가중치(a_m)를 계산하여, 제2 스테이지 행렬(W^H ₂ = D^H)을 획득한다(S12). 여기서 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)의 가중치(a_m)는 수학식 13에 따라 m번째 빔(BEAM_m)에서 각 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K)에 대한 채널(h^b _m,1 ~ h^b _{m, K}) 중 파워가 가장 큰 채널(

)에 비례하는 값으로 계산될 수 있다.

제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 획득되면, 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)의 가중치(a_m)에 따라 빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각의 크기 및 위상을 조절한다(S13). 즉 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M) 각각에 대응하는 M개의 가중치(a₁ ~ a_M)로 구성되는 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에 따라, 빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각의 크기 및 위상을 조절할 수 있다. 여기서 가중치(a_m)를 가중하는 단계는 각각 가변 위상 시프터가 병렬로 연결된 M개 위상 변환 모듈(221 ~ 22M)를 이용하여 수행될 수 있다.

M개의 위상 조절된 수신 신호에 가중치(a_m)가 가중되어 M개의 가중 수신 신호가 획득되면, 제어부(500)는 N개의 RA-ADC 중 M개의 가중 수신 신호를 전달할 RA-ADC를 선택하기 위한 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)을 획득한다(S14).

여기서 제어부(500)는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_M) 중 m번째 빔(BEAM_m)에서 K개의 사용자 단말(UE₁ ~ UE_K) 중 n*번째 사용자 단말(UE_n*)의 채널 파워가 가장 큰 경우, m번째 빔(BEAM_m)에 대해 n번째 RA-ADC(ADC_n)가 선택되도록 하는 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)을 획득한다. 제어부(500)는 수학식 16에 따라 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 원소(s_n,m)를 계산할 수 있다.

이때, 제어부(500)는 기본적으로 n을 1 ~ K 범위 이내에서 설정(n ≤ K)하지만, 수학식 17과 같이, m번째 빔(BEAM_m)에서 n*번째 사용자 단말(UE_n*)에 대한 가중 채널(

, …,

)의 크기의 누적합의 비가 기지정된 문턱값(T)보다 작으면, 원소(s_n*,m)의 값을 0으로 설정하고, K + 1 ~ N 사이의 임의의 수(n')에 따른 원소(s_n',m)를 1로 설정하여 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)을 획득할 수 있다.

제3 스테이지 행렬(W^H ₃)이 획득되면, M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M) 각각이 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 M개의 칼럼 벡터 중 대응하는 칼럼 벡터의 원소 값에 따라 N개의 RA-ADC 중 하나의 RA-ADC를 선택하고, 인가된 가중 수신 신호를 선택된 RA-ADC로 전달한다(S15). 이때, M개의 스위치 모듈(231 ~ 23M)은 N개의 원소로 구성되는 대응하는 칼럼 벡터에서 원소값이 1인 원소의 위치에 따라 N개의 RA-ADC 중 하나의 RA-ADC를 선택하며, 다수의 스위치 모듈(231 ~ 23M)이 동일한 RA-ADC를 선택하여 가중 수신 신호를 중첩하여 전달할 수도 있다.

여기서 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)을 기반으로 직교 빔을 형성하는 단계(S11)로부터 RA-ADC를 선택하여 가중 수신 신호를 전달하는 단계(S15)까지는 아날로그 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔포밍 단계(S10)라고 할 수 있다.

아날로그 빔포밍 단계(S10)에 의해 N개의 RA-ADC 중 선택된 RA-ADC에 수신 신호가 집중되어 인가되면, 선택된 RA-ADC는 인가되는 가중 수신 신호의 세기에 따라 분해능을 조절하여 디지털 신호로 변환한다(S20).

그리고 디지털 빔포머(400)는 변환된 디지털 신호를 기지정된 방식에 따라 디코딩하여, 디지털 데이터를 획득한다(S30).

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 안테나부 200: 아날로그 빔포머
210: 고정 위상 변환부 220: 가중 위상 변환부
230: 스위치부 300: AD 변환부
400: 디지털 빔포머

Claims

MIMO 시스템을 위한 하이브리드 빔포밍 장치에 있어서,
각각 인가되는 신호의 세기에 따라 분해능을 가변하여 디지털 신호로 변환하는 N개의 가변 분해능 ADC(이하 RA-ADC)를 구비하는 AD 변환부;
상기 디지털 신호를 인가받아 기지정된 방식으로 디코딩하여 디지털 데이터를 획득하는 디지털 빔포머;
M(N ≤ M 인 자연수)개의 안테나로 수신되는 M개의 수신 신호의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하여 K(K ≤ N인 자연수)개의 사용자 단말에서 전송된 신호를 수신하도록 하며, 상기 M개의 빔 각각에 의한 빔 공간 상에서 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널에 대응하는 가중치를 상기 빔 공간으로 수신된 M개의 수신 신호 각각에 가중하여 M개의 가중 수신 신호를 획득하며, 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 상기 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널을 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태에 기반하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 K개의 RA-ADC로 집중하여 전달하는 아날로그 빔포머; 및
상기 아날로그 빔포머의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제1항에 있어서, 상기 아날로그 빔포머는
서로 직교하는 M개의 로우 벡터로 구성된 M × M 크기의 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)에 따라 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하도록 상기 M개의 안테나를 통해 수신되는 M개의 수신 신호 각각의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고, 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 M개의 신호를 출력하는 고정 위상 변환부;
상기 M개의 빔 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 빔 채널 행렬(H_b)을 기반으로, 상기 빔 공간에서 수신되는 M개의 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말의 빔 채널 상태에 대응하는 가중치를 빔 공간에서 M개의 수신 신호에 가중하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 가중 위상 변환부; 및
상기 M개의 가중 수신 신호 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 가중 빔 채널 행렬(
)을 기반으로, 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태가 기지정된 문턱값 이상이면, 해당 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 RA-ADC로 전달하고, 상기 문턱값 미만이면, K개의 사용자 단말에 대응하지 않는 나머지 RA-ADC 중 하나로 전달하는 스위치부를 포함하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제2항에 있어서, 상기 가중 위상 변환부는
상기 제어부에 의해 상기 M개의 안테나와 상기 K개의 사용자 단말 사에의 채널 행렬(H)과 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 결합된 상기 빔 채널 행렬(H_b)을 기반으로 획득되는 M × M 크기의 대각 행렬로서 상기 M개의 수신 신호 각각에 대응하는 가중치를 원소로 갖는 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에 따라, 빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각의 크기와 위상을 조절하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제3항에 있어서, 상기 가중치(a_m)는
상기 M개의 안테나와 상기 K개의 사용자 단말 사에의 채널 행렬(H)과 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 결합되어 수학식

(여기서 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(h^b _m,k)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 빔 채널을 의미한다.)
으로 표현되는 빔 채널(H_b = W^H ₁H)로부터 수학식

(여기서 c는 미리 지정된 상수이다.)
에 따라 계산되고, 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)은 수학식

에 따라 획득되는 하이브리드 빔포밍 장치.
제4항에 있어서, 상기 스위치부는
상기 제어부에 의해 상기 빔 채널 행렬(H_b)과 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 결합된 상기 가중 빔 채널 행렬(
)을 기반으로 획득되며 각 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 1개인 N × M 크기의 희소 행렬인 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)에 따라, 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC에 전달하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제5항에 있어서, 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)은
상기 M개의 가중 수신 신호 중 m번째 가중 수신 신호가 상기 N개의 RA-ADC 중 n번째 RA-ADC로 전달됨을 의미하는 원소(s_n,m)에 의해 수학식

에 따르는 희소 행렬로 구성되고,
상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 각 원소(s_n,m)는
상기 빔 채널 행렬(H_b)에 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 결합되어 수학식

(여기서 가중 빔 채널 행렬(
)의 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 가중 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(
)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 가중 빔 채널을 의미한다.)
으로 표현되는 가중 빔 채널(
)로부터 수학식

으로 계산되어 획득되는 하이브리드 빔포밍 장치.
제6항에 있어서, 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)은
수학식

(여기서 T는 기지정된 문턱값을 나타내고, n*은 m번째 빔(BEAMm)에서 K개의 사용자 단말(UE1 ~ UEK) 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 사용자 단말의 인덱스를 의미한다.)
을 만족하는 경우, 원소(s_n*,m)의 값은 0으로 설정되고, 동일 칼럼 벡터에서 K보다 크고 N보다 작은 n'번째 위치의 원소(s_n',m)의 값이 1로 설정되는 하이브리드 빔포밍 장치.
제7항에 있어서, 상기 고정 위상 변환부는
상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)의 대응하는 원소에 따라 상기 M개의 안테나 중 대응하는 안테나를 통해 인가되는 수신 신호의 위상을 변환하여 결합하는 M × M개의 고정 위상 시프터를 포함하되, 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 이산 푸리에 변환 행렬(T_DFT)인 경우(W^H ₁ = T_DFT), Mlog₂M 개의 고정 위상 시프터를 포함하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제8항에 있어서, 상기 가중 위상 변환부는
각각 서로 병렬 연결된 2개의 가변 위상 시프터를 구비하여, 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에서 대응하는 대각 원소인 가중치(a_m)에 따라 위상 조절된 M개의 수신 신호 중 대응하는 수신 신호의 크기와 위상을 조절하는 M개의 위상 변환 모듈을 포함하는 하이브리드 빔포밍 장치.
제9항에 있어서, 상기 스위치부는
각각 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 M개의 칼럼 벡터 중 대응하는 칼럼 벡터에 따라 상기 N개의 RA-ADC 중 1개의 RA-ADC를 선택하는 M개의 1:N 선택 스위치를 포함하는 하이브리드 빔포밍 장치.
MIMO 시스템을 위한 하이브리드 빔포밍 장치에서 수행되는 하이브리드 빔포밍 방법에 있어서,
M(N ≤ M 인 자연수)개의 안테나로 수신되는 M개의 수신 신호의 위상을 기지정된 방식으로 변환하고 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하여 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하여 K(K ≤ N인 자연수)개의 사용자 단말에서 전송된 신호를 수신하는 단계;
상기 M개의 빔 각각에 의한 빔 공간 상에서 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널에 대응하는 가중치를 상기 빔 공간으로 수신된 M개의 수신 신호 각각에 가중하여 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 단계;
상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 상기 K개의 사용자 단말 각각에 대한 빔 채널 중 파워가 가장 강한 빔 채널을 갖는 사용자 단말을 판별하고, 판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태에 기반하여 상기 M개의 가중 수신 신호를 N개의 가변 분해능 ADC(이하 RA-ADC) 중 판별된 사용자 단말에 대응하는 K개의 RA-ADC로 집중하여 전달하는 단계;
상기 M개의 가중 수신 신호가 인가된 RA-ADC가 인가된 신호의 세기에 따라 분해능을 가변하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
상기 디지털 신호를 인가받아 기지정된 방식으로 디코딩하여 디지털 데이터를 획득하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포밍 방법.
제11항에 있어서, 상기 신호를 수신하는 단계는
서로 직교하는 M개의 로우 벡터로 구성된 M × M 크기의 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)에 따라 상기 M개의 안테나가 서로 직교하는 M개의 빔을 형성하도록 상기 M개의 안테나를 통해 수신되는 M개의 수신 신호 각각의 위상을 변환하고 위상 변환된 M개의 수신 신호를 결합하는 하이브리드 빔포밍 방법.
제12항에 있어서, 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득하는 단계는
빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 빔 채널 행렬(H_b)을 획득하는 단계;
상기 빔 채널 행렬(H_b)을 기반으로, 빔 공간에서 M개의 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하는 단계;
판별된 사용자 단말의 빔 채널 상태에 대응하는 가중치를 계산하여, 상기 M개의 수신 신호 각각에 대응하는 가중치를 원소로 갖는 M × M 크기의 대각 행렬인 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)을 획득하는 단계; 및
상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)에 따라 상기 M개의 가중 수신 신호를 획득하기 위해 빔 공간에서 상기 M개의 수신 신호의 크기와 위상을 조절하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포밍 방법.
제13항에 있어서, 상기 가중치(a_m)는
상기 M개의 안테나와 상기 K개의 사용자 단말 사에의 채널 행렬(H)과 상기 제1 스테이지 행렬(W^H ₁)이 결합되어 수학식

(여기서 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(h^b _m,k)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 빔 채널을 의미한다.)
으로 표현되는 빔 채널(H_b = W^H ₁H)로부터 수학식

(여기서 c는 미리 지정된 상수이다.)
에 따라 계산되고, 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)은 수학식

에 따라 획득되는 하이브리드 빔포밍 방법.
제14항에 있어서, 상기 K개의 RA-ADC로 집중하여 전달하는 단계는
상기 빔 채널 행렬(H_b)과 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 결합하여 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에 대한 상기 K개의 사용자 단말과의 빔 채널 상태를 나타내는 가중 빔 채널 행렬(
)을 획득하는 단계;
상기 가중 빔 채널 행렬(
)을 기반으로, 상기 M개의 가중 수신 신호 각각에서 K개의 사용자 단말 중 가장 높은 빔 채널 상태를 갖는 사용자 단말을 판별하여 각 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 1개인 N × M 크기의 희소 행렬인 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)을 획득하는 단계; 및
상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)에 따라 상기 M개의 가중 수신 신호를 상기 N개의 RA-ADC에 전달하는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포밍 방법.
제15항에 있어서, 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)을 획득하는 단계는
판별된 사용자 단말에 대한 빔 채널 상태가 기지정된 문턱값 이상이면, 해당 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 판별된 사용자 단말에 대응하는 위치에 배치되는 단계; 및
상기 문턱값 미만이면, 해당 칼럼 벡터에서 1의 값을 갖는 원소가 상기 K개의 사용자 단말에 대응하지 않는 위치에 배치되는 단계를 포함하는 하이브리드 빔포밍 방법.
제16항에 있어서, 상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)은
상기 M개의 가중 수신 신호 중 m번째 가중 수신 신호가 상기 N개의 RA-ADC 중 n번째 RA-ADC로 전달됨을 의미하는 원소(s_n,m)에 의해 수학식

에 따르는 희소 행렬로 구성되고,
상기 제3 스테이지 행렬(W^H ₃)의 각 원소(s_n,m)는
상기 빔 채널 행렬(H_b)에 상기 제2 스테이지 행렬(W^H ₂)이 결합되어 수학식

(여기서 가중 빔 채널 행렬(
)의 각 로우는 M개의 빔(BEAM₁ ~ BEAM_m) 각각에 대한 가중 빔 채널 벡터를 나타내고, 각 원소(
)는 m번째 빔(BEAM_m)에서 k번째 사용자 단말(UE_k)에 대한 단말별 가중 빔 채널을 의미한다.)
으로 표현되는 가중 빔 채널(
)로부터 수학식

으로 계산되되,
수학식

(여기서 T는 기지정된 문턱값을 나타내고, n*은 m번째 빔(BEAMm)에서 K개의 사용자 단말(UE1 ~ UEK) 중 가장 큰 채널 파워를 갖는 사용자 단말의 인덱스를 의미한다.)
을 만족하는 경우, 원소(s_n,m)의 값은 0으로 설정되고, 동일 칼럼 벡터에서 K보다 크고 N보다 작은 n'번째 위치의 원소(s_n',m)의 값이 1로 설정되는 하이브리드 빔포밍 방법.