WO2022154265A1 - 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치 - Google Patents

광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치 Download PDF

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hybrid beamforming
detecting
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박현철
전성배
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    • H04B7/0686—Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission

Definitions

  • the following embodiments relate to beamforming technology, and more particularly, to a single carrier-based hybrid beamforming method and apparatus of a wideband system.
  • This invention is a research conducted with the support of the Information and Communication Planning and Evaluation Institute with the funding of the government (Ministry of Science and ICT) in 2021 (No.2018-0-00809, development of beyond 5G mobile communication transformation technology using new resources).
  • a beamforming (or precoding) technique is a technique for concentrating a transmission signal in a specific direction using a plurality of antennas.
  • it is easy to secure a wide bandwidth in ultra-high frequency channels such as sub-terahertz communication considered in the beyond 5G mobile communication system. High path attenuation can be overcome.
  • an RF (Radio Frequency) chain as many as the number of antennas is required.
  • implementation becomes impossible.
  • a digital-analog hybrid beamforming structure using a much smaller number of RF chains compared to an antenna is used.
  • Analog beamforming obtains antenna beamforming gain, and baseband digital beamforming approximates digital beamforming performance by obtaining multiplexing gain.
  • the analog beamforming block has a structure composed of only an RF phase shifter capable of controlling only the phase of a signal in order to reduce circuit complexity.
  • ISI inter-symbol interference
  • Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM)-based hybrid beamforming technology which is a technology that effectively controls inter-symbol interference (ISI) with a low-power hardware structure, entails cyclic prefix overhead, and as the transmission rate increases, There is a difficulty in that the required computational load is large.
  • the single-carrier wideband system has the advantage of no cyclic prefix overhead and can further reduce the amount of signal detection computation compared to OFDM. Interference must be controlled at the same time.
  • ISI inter-symbol interference
  • ISI inter-symbol interference
  • the digital-analog hybrid beamforming structure used in the existing technology cannot handle a received signal between a plurality of symbol times because analog beamforming operates independently of a symbol time, so there is a limit to inter-symbol interference (ISI) control. Accordingly, a hybrid beamforming technology for controlling interference in a single carrier wideband system is required.
  • ISI inter-symbol interference
  • Non-patent literature S. Payami, M. Sellathurai, and K. Nikitopoulos, "Low-complexity hybrid beamforming for massive MIMO systems in frequency-selective channels," IEEE Access, vol. 7, pp. 36 195-36 206, Apr. 2019.
  • the embodiments describe a single carrier-based hybrid beamforming method and apparatus of a wideband system, and more specifically, an analog multi-tap capable of controlling interference such as inter-symbol interference (ISI) using a single carrier-based hybrid beamforming structure.
  • ISI inter-symbol interference
  • Hybrid beamforming technology is provided.
  • ISI inter-symbol interference
  • a single carrier-based hybrid beamforming method of a wideband system implemented by a computer device includes: detecting an output signal using an analog beamforming unit including a plurality of taps; and detecting a final output signal using the detected output signal using a baseband digital beamformer.
  • the detecting of the output signal using the analog beamformer may include synthesizing the received signal using a time delay in the analog beamformer to remove interference.
  • the detecting of the output signal using the analog beamformer may include detecting the output signal by applying an analog combiner including a plurality of taps to the signal received from the user at the base station.
  • the analog combiner consists of a phase shifter network of a plurality of layers, and by mounting a symbol delay in each layer to collect and synthesize signals received at different symbol times, inter-symbol interference in a wideband channel (Inter-Symbol Interference, ISI) can be eliminated.
  • ISI Inter-Symbol Interference
  • the detecting of the final output signal using the baseband digital beamformer may include detecting the final output signal by applying a single-tap baseband combiner to the output signal detected by the base station.
  • the method may further include designing an optimized beamforming using a conjugate gradient method in a complex circle manifold to maximize the sum transmission rate of the uplink.
  • the designing of the optimized beamforming includes defining the constraint as a complex circle manifold, and defining the constraint as a complex circle manifold in order to design an optimal beamforming by reflecting the constraint of the analog beamforming unit using the phase shifter. By finding the conjugate gradient defined in the manifold, the direction of movement to the optimal solution can be found and optimized step by step.
  • the complex circle manifold is a Riemannian manifold defined by a Riemannian gradient, and a line search method is performed through the conjugate gradient of the objective function of the total transmission rate of the uplink. can be optimized.
  • a single carrier-based hybrid beamforming apparatus of a wideband system includes: a first detector configured to detect an output signal using an analog beamformer including a plurality of taps; and a second detector configured to detect a final output signal using the detected output signal using a baseband digital beamformer.
  • the first detector may synthesize a received signal using a time delay in the analog beamformer to remove interference.
  • the first detector may detect an output signal by applying an analog combiner including a plurality of taps to a signal received from a user in the base station.
  • the analog combiner consists of a phase shifter network of a plurality of layers, and by mounting a symbol delay in each layer to collect and synthesize signals received at different symbol times, inter-symbol interference in a wideband channel (Inter-Symbol Interference, ISI) can be eliminated.
  • ISI Inter-Symbol Interference
  • the second detector may detect a final output signal by applying a single-tap baseband combiner to the output signal detected by the base station.
  • the apparatus may further include a beamforming design unit for designing optimized beamforming by using a conjugate gradient method in a complex circle manifold to maximize the total transmission rate of the uplink.
  • the beamforming design unit defines the constraint as a complex circle manifold, and a conjugate defined in the complex circle manifold, in order to design an optimal beamforming by reflecting the constraint of the analog beamformer using the phase shifter. By finding the slope, it is possible to find the direction of movement to the optimal solution and optimize it step by step.
  • the complex circle manifold is a Riemannian manifold defined by a Riemannian gradient, and can be optimized by a line search method through the conjugate gradient of the objective function of the sum transmission rate of the uplink.
  • the first detection unit is composed of an analog combiner composed of a plurality of taps
  • the second detection unit is composed of a baseband combiner composed of a single tap coupled to the analog combiner, and the data for detecting the final output signal It may be a detection unit.
  • a single carrier-based hybrid beamforming method and apparatus of a wideband system capable of controlling interference such as inter-symbol interference (ISI) using a single carrier-based hybrid beamforming structure may be provided.
  • ISI inter-symbol interference
  • ISI inter-symbol interference
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a single carrier-based hybrid beamforming system in a wideband multi-user uplink according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a single carrier-based hybrid beamforming method of a wideband system according to an embodiment.
  • 3 is a diagram for explaining a method of removing interference by setting an initial starting point of an algorithm according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a GSO initialization effect according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a comparison between an SC hybrid BF according to an embodiment and a conventional technology.
  • the following embodiments propose an analog multi-tap hybrid beamforming structure and method capable of controlling interference such as inter-symbol interference (ISI) using a single carrier-based hybrid beamforming structure.
  • ISI inter-symbol interference
  • the single carrier-based hybrid beamforming structure removes a significant portion of interference such as inter-symbol interference (ISI) by synthesizing a received signal using a time delay in an analog beamforming block, a simpler baseband beamforming operation signal can be detected.
  • ISI inter-symbol interference
  • analog beamforming has a structural limitation in that it can control only the phase because it uses a phase shifter.
  • N t is the number of user antennas, assuming that all users have the same number of antennas.
  • N r is the number of base station antennas.
  • N RF is the number of base station RF chains.
  • U is the total number of users.
  • N s is the number of data streams transmitted in one symbol time.
  • P t is the transmit power of the user.
  • s u [k] is a signal containing information that the u-th user wants to transmit at the k-th symbol time.
  • x u [k] is the transmission signal obtained by obtaining the antenna array gain of the u-th user.
  • H u [d] is an uplink delay-d MIMO cluster channel between a u-th user and a base station having a sampling time T s in the time domain.
  • r[k] is a signal received by the base station at the kth symbol time.
  • z[k] is a Gaussian noise vector.
  • r RF [k] is analog combiner to r[k] is the applied signal.
  • y[k] is the final output signal to which the analog combiner is applied followed by the baseband combiner.
  • I k is the K x K identity matrix.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a single carrier-based hybrid beamforming system in a wideband multi-user uplink according to an embodiment.
  • a single carrier-based hybrid beamforming system is shown in a wideband multi-user uplink, and multi-tap analog beamforming and single-tap baseband beamforming can be implemented.
  • U uplink users 101 communicate with the base station 102 at the same time, and each user 101 is equipped with a single RF chain and N t antennas.
  • the base station 102 uses N r antennas and N RF RF chains.
  • the signal processing unit of the base station 102 designs analog and digital beamforming, which is composed of an initial value setting unit of the proposed algorithm, a beamforming design unit, and a data detection unit.
  • the single carrier-based hybrid beamforming apparatus of a broadband system may include an initial value setting unit 110 , a beamforming design unit 120 , and a data detection unit 130 .
  • the data detector 130 may include a first detector and a second detector.
  • a beam is an antenna pattern formed according to a weight vector multiplied by an antenna array at the transceiver end
  • the beam dictionary is a set of beam pattern candidates that can be configured according to the azimuth angle at the transceiver end.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a single carrier-based hybrid beamforming method of a wideband system according to an embodiment.
  • the single carrier-based hybrid beamforming method of a broadband system implemented as a computer device includes detecting an output signal using an analog beamforming unit including a plurality of taps (S120), and The detection of the final output signal by using the detected output signal by the baseband digital beamformer (S130) may be included.
  • the method may further include designing optimized beamforming using a conjugate gradient method in a complex circle manifold to maximize the sum data rate of the uplink ( S110 ).
  • an initial value may be set in order to design an optimized beamforming.
  • the single carrier-based hybrid beamforming method of the wideband system according to an embodiment may be described in more detail by taking the single carrier-based hybrid beamforming apparatus of the wideband system according to the embodiment described with reference to FIG. 1 as an example.
  • the first detector of the data detector 130 may detect an output signal using an analog beamformer including a plurality of taps.
  • the data detection unit 130 may include a first detection unit and a second detection unit, and more specifically, the first detection unit is composed of an analog combiner including a plurality of taps, and the second detection unit is combined with the analog combiner. It consists of a single-tap baseband combiner to detect the final output signal.
  • the first detector may synthesize the received signal using a time delay in the analog beamformer to remove interference.
  • the interference may be inter-symbol interference (ISI) or the like.
  • the first detector may detect an output signal by applying an analog combiner including a plurality of taps to a signal received from a user in the base station.
  • the analog combiner consists of a phase shifter network of a plurality of layers, and by attaching a symbol delay to each layer to collect and synthesize signals received at different symbol times, inter-symbol interference (ISI) in a wideband channel ) can be removed.
  • ISI inter-symbol interference
  • the second detector of the data detector 130 may detect the final output signal using the detected output signal by using a baseband (BB) digital beamformer.
  • BB baseband
  • the second detector may detect the final output signal by applying a single-tap baseband combiner to the output signal detected by the base station.
  • the beamforming design unit 120 may design optimized beamforming by using the conjugate gradient method in the complex circle manifold to maximize the total transmission rate of the uplink.
  • the optimal solution can be obtained through the conjugate gradient method, but since an excessive amount of computation is required to obtain the conjugate gradient, the optimal beamforming can be designed by reconfiguring the problem of maximizing the lower limit of the sum rate of the uplink. .
  • the beamforming design unit 120 defines the constraint as a complex circle manifold and calculates the conjugate gradient defined in the complex circle manifold in order to design an optimal beamforming by reflecting the constraint of the analog beamforming unit using the phase shifter. It is possible to find the direction of movement to the optimal solution and optimize it step by step.
  • the complex circle manifold is a Riemannian manifold defined in the Riemannian gradient, and it can be optimized by the line search method through the conjugate gradient of the objective function of the sum transmission rate of the uplink.
  • the initial value setting unit 110 may provide a method (GSO algorithm) for determining an effective initial value of the conjugate gradient method.
  • GSO-based initial value setting has the effect of reducing the number of iterations compared to random selection.
  • a phase shifter network of a plurality of layers in an analog beamformer structure and a symbol delay are mounted on each layer to collect and synthesize signals received at different symbol times.
  • Embodiments may perform optimization under a set of possible solutions according to the constraints in order to design an optimal beamforming by directly reflecting the constraints of analog beamforming using a phase shifter.
  • This constraint can be defined as a complex circle manifold, and a stepwise approach is possible by finding the direction of movement to the optimal solution by obtaining the conjugate gradient defined in the complex circle manifold.
  • the stepwise optimization process using the conjugate gradient it is possible to reset the objective function and set effective initial values to reduce the amount of computation.
  • the u-th user may transmit a transmission signal x u [k] obtained with an N t antenna array gain through transmission analog precoding f u , and can be expressed as follows.
  • s u [k] is a signal of transmit power P t containing information that the u-th user intends to transmit at the k-th symbol time, which is independent of the user index and time. in other words, is satisfied with
  • each component of the f u matrix has the same size, Normalize the transmit power by limiting to condition is also satisfied.
  • a signal received by the base station at the k-th symbol time may be expressed as follows.
  • the effective channel to the receiving antenna of the base station including the u-th user's precoding , r[k] can be expressed as
  • the receiving end may apply hybrid beamforming.
  • the base station is an analog combiner consisting of M taps on the received signal.
  • Wow, single-tap baseband combiner in a row can be applied to detect the signal.
  • the analog combiner consists of a phase shifter network of M layers, and since each layer is equipped with a symbol delay, signals received at different symbol times can be collected and synthesized.
  • the signal to which the analog combiner W RF [m] is applied to r[k] can be expressed as follows.
  • the reception signal r RF [k] at the kth symbol time may be affected by the transmission signal from symbol time k to k-(D+M-2), that is, up to D+M-2 before.
  • the final output signal y[k] is obtained by applying the single-tap baseband combiner, and the transmission signal can be detected based on this. This can be expressed as
  • the signal-to-noise/interference ratio and the sum transmission rate of the uplink can be calculated as follows.
  • the output signal y[k] at the kth symbol time includes a transmission signal corresponding to the D RF symbol time.
  • the symbol that occupies the largest share of energy can be found and detected as follows.
  • the interference between the u-th user's transmission signal and multiple antennas the inter-symbol interference (or inter-symbol-time interference) (ISI), and the noise part may be defined as follows.
  • a Signal to Interference plus Noise Ratio (SINR) for the u-th user's transmission signal is as follows, and the sum rate R u of the uplink can be derived.
  • the hybrid beamforming design problem for maximizing the total data rate of the uplink is the same as (P0).
  • the uplink conjugate sum transmission rate is the sum transfer rate R u to Wow
  • the relational expression of it can be expressed as follows.
  • (P1) can obtain an optimal solution through the conjugate gradient method, but has a disadvantage in that it requires an excessive amount of computation to obtain the conjugate gradient.
  • complex circle can be viewed as a submanifold in the complex space C, so The product of the complex circles of It is a sub-manifold of These manifolds are called complex circle manifolds and can be defined as follows.
  • the complex circle manifold M is a Riemannian manifold in which the Riemannian gradient is defined. Through this, the optimal solution can be obtained by finding the direction in which the objective function increases or decreases.
  • the Riemann gradient defined in the complex circle manifold M can be obtained by projecting the Euclidean conjugate gradient onto the tangent space and can be expressed as follows.
  • Table 1 shows a conjugate gradient method algorithm using a Riemann gradient according to an embodiment. Through the conjugate gradient of the derived objective function, it can be optimized by the line search method.
  • Table 2 shows a method of setting an initial starting point of an algorithm according to an embodiment (GSO-based initialization setting).
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of removing interference by setting an initial starting point of an algorithm according to an embodiment.
  • M denotes the previously described complex circle manifold.
  • Table 3 shows simulation parameters according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a GSO initialization effect according to an embodiment.
  • the GSO-based initial value setting according to an embodiment has an effect of reducing the number of repetitions by about 10 times compared to random selection.
  • FIG. 5 is a graph illustrating a comparison between an SC hybrid BF according to an embodiment and a conventional technology.
  • the technique of the present invention described above is expressed as an SC hybrid BF, and a result of comparing it with an existing technique (OFDM hybrid, etc.) is shown.
  • the technology according to the embodiments is advantageous when high energy efficiency is required, such as a wireless sensor network and IoT small equipment.
  • analog beamforming is configured with a single layer phase shifter.
  • This is a structure that does not consider inter-symbol interference (ISI) and is suitable for narrowband channels and OFDM systems in which inter-symbol interference (ISI) does not occur. ), there is a limit to performance improvement.
  • Embodiments may synthesize signals between different symbol times in analog beamforming by using a plurality of layers of phase shifters and symbol delays.
  • the existing technique designed the optimal beamforming using the Riemann gradient defined in the complex circle manifold in the narrowband channel model.
  • the embodiments apply an optimization technique using a Riemann slope in a single-carrier wideband channel model that simultaneously considers inter-symbol interference (ISI) and interference between different antennas, and a method of resetting an objective function and setting an initial value for reducing the amount of computation.
  • ISI inter-symbol interference
  • Embodiments may be applied to millimeter wave (30 GHz-300 GHz) and sub-terahertz (0.1 THz-1THz) beamforming systems, which are core technologies of 5G and beyond 5G mobile communication systems. Millimeter wave and sub-terahertz communication technologies are attracting a lot of attention from academia as well as industry.
  • Broadband mmWave communication which is a core technology of 5G mobile communication system, has many difficulties in the implementation stage, and the industry is currently investing a significant amount of research investment for the commercialization of mmWave beamforming technology.
  • sub-terahertz communication technology that can secure a larger amount of frequency bands with the goal of developing a 5G system beyond 5G is also receiving a lot of attention. Therefore, the use of ultra-high frequency channels is inevitable in future mobile communication systems, and accordingly, the demand for broadband beamforming technology will increase.
  • high-density small cell networks are configured to increase the technology demand for low-power, high-efficiency multi-antenna systems.
  • the device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component.
  • devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions.
  • the processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • OS operating system
  • the processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software.
  • the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.
  • Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device.
  • the software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.
  • the method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium.
  • the computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
  • Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks.
  • - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치
아래의 실시예들은 빔포밍 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 발명은 2021년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구이다(No.2018-0-00809, 새로운 자원을 활용한 beyond 5G 이동통신 변혁기술 개발).
빔포밍(Beamforming 또는 precoding) 기술은 다수의 안테나를 이용하여 전송 신호를 특정 방향으로 집중시키는 기술이다. 특히, beyond 5G 이동통신 시스템에서 고려하는 서브테라헤르츠(Sub-terahertz communication) 등의 초고주파 채널에서는 넓은 대역폭 확보가 용이하며, 매우 짧은 파장으로 인해 수백 수천 개의 안테나를 사용할 수 있으므로 좁은 빔 폭을 형성함으로써 높은 경로 감쇄를 극복할 수 있다.
다중 안테나를 사용하여 기존의 디지털 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 적용하기 위해서는 안테나 수만큼의 RF(Radio Frequency) chain이 필요하나 대량의 안테나를 사용하게 되면 하드웨어 복잡도와 전력소모가 대폭 증가하여 시스템 구현이 불가능해진다. 이를 해결하기 위해, 안테나에 비해 훨씬 적은 수의 RF chain을 사용하는 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 구조가 사용되고 있다. 아날로그 빔포밍은 안테나 빔 형성 이득을 얻고, 기저 대역 디지털 빔포밍은 다중화 이득을 얻음으로써 디지털 빔포밍 성능에 근접한다. 여기서, 아날로그 빔포밍 블록은 회로복잡도를 낮추고자 신호의 위상만 제어할 수 있는 RF 위상 천이기로만 구성되어 있는 구조이다.
한편, 광대역 시스템은 주파수 선택적 채널에서 작동함에 따라 서로 다른 심볼 시간 신호 사이에 간섭인 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)이 시스템 전송률에 큰 영향을 미친다.
저전력 하드웨어 구조로 심볼 간 간섭(ISI)을 효과적으로 제어하는 기술인 직교 주파수 분할 다중방식(Orthogonal Frequency Division Modulation, OFDM) 기반 하이브리드 빔포밍 기술은 cyclic prefix 오버헤드를 수반하고, 전송률이 증가함에 따라 신호 검출에 필요한 연산 부담이 크다는 어려움이 있다. 대안으로, 단일 반송파 광대역 시스템은 cyclic prefix 오버헤드가 없고 OFDM과 비교하여 신호 검출 연산량을 더욱 줄일 수 있다는 장점이 있으나, 광대역 채널로 인해 발생하는 심볼 간 간섭(ISI)과 MIMO 시스템에서 발생하는 다중 안테나 간 간섭을 동시에 제어해야 한다.
다중 사용자 광대역 시스템은 심볼 간 간섭(ISI)과 사용자 간 간섭 완화가 시스템 전송률 향상에 큰 영향을 미치므로 간섭 제어를 위한 빔포밍 설계가 필요하다. 심볼 간 간섭(ISI)은 광대역 채널의 큰 시간 지연으로 인해 송신 신호가 여러 심볼 시간에 분산되어 수신하는 것이 원인으로, 심볼 간 간섭(ISI)을 해소하기 위해서는 여러 다른 심볼 시간에 수신한 신호를 모아서 합성해야 한다.
기존 기술에서 사용하는 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 구조는 아날로그 빔포밍이 심볼 시간에 독립적으로 동작하기 때문에 복수 개의 심볼 시간 사이의 수신 신호를 다룰 수 없어 심볼 간 간섭(ISI) 제어에 한계가 있다. 이에 따라 단일 반송파 광대역 시스템에서 간섭을 제어하는 하이브리드 빔포밍 기술이 요구된다.
(비특허문헌) S. Payami, M. Sellathurai, and K. Nikitopoulos, "Low-complexity hybrid beamforming for massive MIMO systems in frequency-selective channels," IEEE Access, vol. 7, pp. 36 195-36 206, Apr. 2019.
실시예들은 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 단일 반송파 기반의 하이브리드 빔포밍 구조를 사용하여 심볼 간 간섭(ISI) 등의 간섭을 제어할 수 있는 아날로그 멀티탭 하이브리드 빔포밍 기술을 제공한다.
실시예들은 아날로그 빔포밍 블록에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성함으로써 심볼 간 간섭(ISI) 등 간섭을 상당 부분 제거하기 때문에 보다 간단한 기저 대역 빔포밍 연산으로 신호 검출이 가능한 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계; 및 검출된 상기 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계는, 간섭을 제거하기 위해 상기 아날로그 빔포밍부에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성할 수 있다.
상기 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계는, 기지국에서 사용자로부터 수신한 신호에 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너를 적용하여 출력 신호를 검출할 수 있다.
상기 아날로그 컴바이너는, 복수 개의 레이어(layer)의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있으며, 각각의 상기 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 다른 심볼 시간에 수신한 신호들을 모아서 합성함에 따라, 광대역 채널에서 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)을 제거할 수 있다.
상기 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계는, 기지국에서 검출된 상기 출력 신호에 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호를 검출할 수 있다.
상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계는, 위상 천이기를 사용하는 상기 아날로그 빔포밍부가 갖는 제약 조건을 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 상기 제약 조건을 복소 원 다양체로 정의하고, 상기 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 최적화할 수 있다.
상기 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계는, 상기 복소 원 다양체는 리만 기울기(Riemannian gradient)에서 정의되는 리만 다양체(Riemannian manifold)이고, 상향링크의 합계 전송률의 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 장치는, 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 제1 검출부; 및 검출된 상기 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 제2 검출부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 검출부는, 간섭을 제거하기 위해 상기 아날로그 빔포밍부에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성할 수 있다.
상기 제1 검출부는, 기지국에서 사용자로부터 수신한 신호에 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너를 적용하여 출력 신호를 검출할 수 있다.
상기 아날로그 컴바이너는, 복수 개의 레이어(layer)의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있으며, 각각의 상기 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 다른 심볼 시간에 수신한 신호들을 모아서 합성함에 따라, 광대역 채널에서 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)을 제거할 수 있다.
상기 제2 검출부는, 기지국에서 검출된 상기 출력 신호에 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호를 검출할 수 있다.
상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계하는 빔포밍 설계부를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 설계부는, 위상 천이기를 사용하는 상기 아날로그 빔포밍부가 갖는 제약 조건을 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 상기 제약 조건을 복소 원 다양체로 정의하고, 상기 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 최적화할 수 있다.
상기 복소 원 다양체는 리만 기울기(Riemannian gradient)에서 정의되는 리만 다양체(Riemannian manifold)이고, 상향링크의 합계 전송률의 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화할 수 있다.
상기 제1 검출부는 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너로 구성되고, 상기 제2 검출부는 상기 아날로그 컴바이너와 결합되는 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너로 구성되어, 최종 출력 신호를 검출하는 데이터 검출부일 수 있다.
실시예들에 따르면 단일 반송파 기반의 하이브리드 빔포밍 구조를 사용하여 심볼 간 간섭(ISI) 등의 간섭을 제어할 수 있는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 아날로그 빔포밍 블록에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성함으로써 심볼 간 간섭(ISI) 등 간섭을 상당 부분 제거하기 때문에 보다 간단한 기저 대역 빔포밍 연산으로 신호 검출이 가능한 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광대역 다중 사용자 상향링크에서 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 알고리즘의 초기 시작점을 설정하여 간섭을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 GSO 초기화 효과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 SC hybrid BF와 기존 기술과의 비교를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 단일 반송파 기반의 하이브리드 빔포밍 구조를 사용하여 심볼 간 간섭(ISI) 등의 간섭을 제어할 수 있는 아날로그 멀티탭 하이브리드 빔포밍 구조와 그 방법을 제안한다.
실시예들에 따른 단일 반송파 기반의 하이브리드 빔포밍 구조는 아날로그 빔포밍 블록에서 시간 지연을 이용해 수신 신호를 합성하여 심볼 간 간섭(ISI) 등 간섭을 상당 부분 제거하기 때문에, 보다 간단한 기저 대역 빔포밍 연산으로 신호 검출이 가능하다.
한편, 아날로그 빔포밍은 위상 천이기를 사용하기 때문에 위상만 제어할 수 있는 구조적 한계가 있으나, 여기에서는 이러한 제약 조건 하에서 전송률을 최대화하는 해를 찾는 방법을 제안한다.
먼저, 시스템 모델에 사용되는 수식을 정의한다.
Nt는 사용자 안테나 수, 모든 사용자가 동일한 안테나 수 가정이다.
Nr는 기지국 안테나 수이다.
NRF는 기지국 RF chain 수이다.
U는 전체 사용자 수이다.
Ns는 한 심볼 시간에 전송하는 data stream 수이다.
Pt는 사용자의 송신 전력이다.
su[k]는 u번째 사용자가 k번째 심볼 시간에 전송하려는 정보를 담은 신호이다.
xu[k]는 u번째 사용자의 안테나 어레이 이득을 얻은 송신 신호이다.
Hu[d]는 시간 영역에서 샘플링 시간 Ts을 갖는 u번째 사용자와 기지국 간 상향링크 delay-d MIMO 클러스터 채널이다.
r[k]는 기지국에서 k번째 심볼 시간에 받은 신호이다.
z[k]는 가우시안 잡음 벡터이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000001
는 u번째 사용자의 프리코딩을 포함하여 기지국의 수신 안테나까지의 유효 채널이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000002
는 기지국의 아날로그 컴바이너 행렬이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000003
는 기지국의 기저 대역 컴바이너 행렬이다.
rRF[k]는 r[k]에 아날로그 컴바이너
Figure PCTKR2021018528-appb-I000004
을 적용한 신호이다.
y[k]는 아날로그 컴바이너와 이어서 기저 대역 컴바이너를 적용한 최종 출력 신호이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000005
는 Expectation operator이다.
Ik는 K x K Identity matrix이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000006
는 conjugate transpose이다.
Figure PCTKR2021018528-appb-I000007
는 conjugate transpose이다.
도 1은 일 실시예에 따른 광대역 다중 사용자 상향링크에서 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광대역 다중 사용자 상향링크에서 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 시스템을 나타내며, 다중 탭 아날로그 빔포밍과 단일 탭 기저 대역 빔포밍을 구현할 수 있다.
예를 들어, U명의 상향링크 사용자(101)가 동시에 기지국(102)과 통신을 하며, 각 사용자(101)는 단일 RF chain과 Nt개 안테나가 장착되어 있다. 기지국(102)은 안테나 Nr개와 RF chain NRF개를 사용한다. 각 사용자(101)는 단일 스트림을 전송하여, 한 심볼 시간에 동시 전송하는 상향링크 스트림은 총 Ns=U개가 된다.
기지국(102)의 신호처리부에서 아날로그 및 디지털 빔포밍을 설계하며, 이는 제안하는 알고리즘의 초기값 설정부, 빔포밍 설계부 및 데이터 검출부로 구성되어 있다. 다시 말하면, 일 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 장치는 초기값 설정부(110), 빔포밍 설계부(120) 및 데이터 검출부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 데이터 검출부(130)는 제1 검출부 및 제2 검출부를 포함할 수 있다.
여기서 빔(Beam)은 송수신단에서 안테나 배열에 곱하는 가중치 벡터에 따라 형성되는 안테나 패턴이고, Beam dictionary는 송수신단에서 방위각 상하각에 따라 구성할 수 있는 빔 패턴 후보 집합이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치로 구현되는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법은, 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계(S120), 및 검출된 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계(S130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
실시예에 따라 출력 신호를 검출하기 이전에, 상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계(S110)를 더 포함할 수 있다. 또한, 최적화된 빔포밍을 설계하기 위해 초기값을 설정할 수 있다.
일 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법은 도 1에서 설명한 일 실시예에 따른 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 장치를 예를 들어 보다 구체적으로 설명할 수 있다.
단계(S120)에서, 데이터 검출부(130)의 제1 검출부는 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출할 수 있다.
여기서 데이터 검출부(130)는 제1 검출부 및 제2 검출부를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 제1 검출부는 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너로 구성되고, 제2 검출부는 아날로그 컴바이너와 결합되는 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너로 구성되어 최종 출력 신호를 검출할 수 있다.
제1 검출부는 간섭을 제거하기 위해 아날로그 빔포밍부에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성할 수 있다. 여기서 간섭은 심볼 간 간섭(ISI) 등일 수 있다.
제1 검출부는 기지국에서 사용자로부터 수신한 신호에 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너를 적용하여 출력 신호를 검출할 수 있다. 여기서, 아날로그 컴바이너는 복수 개의 레이어(layer)의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있으며, 각각의 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 다른 심볼 시간에 수신한 신호들을 모아서 합성함에 따라 광대역 채널에서 심볼 간 간섭(ISI)을 제거할 수 있다.
단계(S130)에서, 데이터 검출부(130)의 제2 검출부는 검출된 출력 신호를 기저 대역(baseband, BB) 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출할 수 있다.
제2 검출부는 기지국에서 검출된 출력 신호에 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호를 검출할 수 있다.
한편, 출력 신호를 검출하기 이전에 최적화된 빔포밍을 설계할 수 있다.
즉, 단계(S110)에서, 빔포밍 설계부(120)는 상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계할 수 있다. 이 때, 켤레 기울기 방법을 통해 최적 해를 구할 수 있으나, 켤레 기울기를 구하는 데 과도한 연산량을 필요로 하므로, 상향링크의 합계 전송률의 하한을 최대화하는 문제로 재구성하여 최적화된 빔포밍을 설계할 수 있다.
빔포밍 설계부(120)는 위상 천이기를 사용하는 아날로그 빔포밍부가 갖는 제약 조건을 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 제약 조건을 복소 원 다양체로 정의하고, 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 최적화할 수 있다. 여기서, 복소 원 다양체는 리만 기울기(Riemannian gradient)에서 정의되는 리만 다양체(Riemannian manifold)이고, 상향링크의 합계 전송률의 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화할 수 있다.
또한, 초기값 설정부(110)는 켤레 기울기 방법의 효과적인 초기값을 정하는 방법 (GSO 알고리즘)을 제공할 수 있다. GSO 기반 초기값 설정은 임의 선택 대비 반복 횟수를 줄이도록 하는 효과가 있다.
이와 같이 실시예들은 아날로그 빔포머 구조로 복수 개의 레이어의 위상 천이기 네트워크와, 각각의 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 여러 다른 심볼 시간에 수신한 신호를 모아서 합성할 수 있다.
실시예들은 위상 천이기를 사용한 아날로그 빔포밍이 갖는 제약 조건을 직접 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 제약 조건에 따른 가능 해 집합 하에서 최적화를 수행할 수 있다. 이 제약 조건은 복소 원 다양체로 정의할 수 있으며, 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 접근이 가능하다. 켤레 기울기를 이용한 단계적 최적화 과정에서 연산량을 줄이기 위한 목적 함수 재설정과 효과적인 초기값을 설정할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 광대역 다중 사용자 상향링크에서 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 시스템 모델에 대해 보다 상세히 설명한다.
송신 신호 모델
u번째 사용자는 송신 아날로그 프리코딩 fu을 통해 Nt 안테나 어레이 이득을 얻은 송신 신호 xu[k]를 전송할 수 있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000008
여기서, su[k]는 u번째 사용자가 k번째 심볼 시간에 전송하려는 정보를 담은 송신 전력 Pt의 신호이고, 이는 사용자 인덱스 및 시간에 독립적이다. 즉,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000009
을 만족한다.
송신 아날로그 프리코딩 fu은 위상 천이기를 통해 구현하기 때문에 fu 행렬의 각 성분은 모두 같은 크기를 갖고,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000010
로 제한하면 송신 전력 정규화
Figure PCTKR2021018528-appb-I000011
조건 역시 만족한다.
상향링크 다중 사용자 환경의 채널 모델
Figure PCTKR2021018528-appb-I000012
는 시간 영역에서 샘플링 시간 Ts을 갖는 u번째 사용자와 기지국 간 상향링크 delay-dMIMO 클러스터 채널을 나타내며, 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000013
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000014
는 u번째 사용자와 기지국 간 채널에 존재하는 클러스터(cluster) 수이고,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000015
는 u번째 사용자와 기지국 간 채널 클러스터에 존재하는 ray 수이며,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000016
는 u번째 사용자와 기지국 간 경로 이득을 나타낸다. 또한,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000017
는 펄스 성형 함수(pulse-shaping function)이고,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000018
는 u번째 사용자에서 기지국으로 나가는 각 경로 성분의 azimuth angle이며,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000019
는 u번째 사용자에서 기지국으로 들어오는 각 경로 성분의 azimuth angle이고,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000020
는 송신/수신 배열 안테나의 normalized array response vector로써 균일 선형 배열 안테나(Uniform Linear Array, ULA)를 고려한다.
수신 신호 모델
기지국에서 k번째 심볼 시간에 받은 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000021
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000022
는 가우시안 잡음 벡터이다.
u번째 사용자의 프리코딩을 포함하여 기지국의 수신 안테나까지의 유효 채널을
Figure PCTKR2021018528-appb-I000023
라 정의하면, r[k]는 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000024
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000025
이다.
일 실시예에 따르면 수신단에서 하이브리드 빔포밍을 적용할 수 있다.
보다 구체적으로, 기지국은 수신 신호에 M개 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너
Figure PCTKR2021018528-appb-I000026
와, 연달아서 단일 탭으로 된 기저 대역 컴바이너
Figure PCTKR2021018528-appb-I000027
를 적용하여 신호를 검출할 수 있다.
아날로그 컴바이너는 M개 layer의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있고, 각각의 layer에는 심볼 딜레이가 장착되어 있기 때문에 여러 다른 심볼 시간에 수신한 신호를 모아서 합성할 수 있다.
r[k]에 아날로그 컴바이너 WRF[m]을 적용한 신호는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000028
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000029
이다.
k번째 심볼 시간에서의 수신 신호 rRF[k]는 심볼 시간 k부터 k-(D+M-2)까지, 즉 최대 D+M-2 이전의 송신 신호에 영향을 받을 수 있다.
이는 D탭 채널과 M탭 아날로그 컴바이너로 인한 것으로, 특정 수신 신호가 영향을 받는 심볼 시간 범위를
Figure PCTKR2021018528-appb-I000030
라 정의할 수 있다.
아날로그 컴바이너 적용 이후, 단일 탭의 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호 y[k]를 얻고, 이를 바탕으로 송신 신호를 검출할 수 있다. 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000031
아래와 같이 신호대잡음및간섭비 및 상향링크의 합계 전송률을 계산할 수 있다.
k번째 심볼 시간에서의 출력 신호 y[k]에는 DRF 심볼 시간만큼의 송신 신호가 포함되어 있다. 이 중에서 가장 큰 에너지 비중을 차지하는 심볼
Figure PCTKR2021018528-appb-I000032
을 아래와 같이 찾아 검출할 수 있다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000033
이 때, u번째 사용자의 송신 신호와 다중 안테나 간 간섭, 심볼 간 간섭(또는 심볼 시간 간 간섭)(ISI) 및 잡음 부분은 아래와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000034
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000035
은 각각
Figure PCTKR2021018528-appb-I000036
에서 u번째 행 벡터들이다.
u번째 사용자의 송신 신호에 대한 신호대잡음및간섭비(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)는 아래와 같고, 상향링크의 합계 전송률 Ru를 도출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000037
Figure PCTKR2021018528-appb-I000038
아래에서는 하이브리드 빔포밍 설계의 문제 설정을 통해 보다 상세히 설명한다.
상향링크의 합계 전송률 최대화
상향링크의 합계 전송률을 최대화하는 하이브리드 빔포밍 설계 문제는 (P0)과 같다.
[수학식 10]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000039
Ru는 SINRu에 대해 증가 함수이기 때문에, (P0)의 최적 해는 각각의 SINRu가 최댓값을 갖는 조건에서 얻어진다.
Generalized eigenvalue problem을 이용하여 SINRu을 최대화하는
Figure PCTKR2021018528-appb-I000040
와
Figure PCTKR2021018528-appb-I000041
의 관계식을 구할 수 있다.
[수학식 11]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000042
Figure PCTKR2021018528-appb-I000043
와
Figure PCTKR2021018528-appb-I000044
의 관계식을 (P0)에 대입하여 단일 변수 최적화 문제 (P1)을 얻는다.
[수학식 12]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000045
여기서, 상향링크의 켤레 합계 전송률
Figure PCTKR2021018528-appb-I000046
는 합계 전송률 Ru에
Figure PCTKR2021018528-appb-I000047
와
Figure PCTKR2021018528-appb-I000048
의 관계식을 대입한 것으로, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000049
[수학식 14]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000050
상향링크의 합계 전송률의 하한을 최대화하는 문제
(P1)은 켤레 기울기 방법을 통해 최적 해를 구할 수 있으나, 켤레 기울기를 구하는 데 과도한 연산량을 필요로 하다는 단점이 있다.
기하-조화 평균 부등식을 이용하여 (P1) 목적 함수
Figure PCTKR2021018528-appb-I000051
의 하한
Figure PCTKR2021018528-appb-I000052
를 얻을 수 있다.
[수학식 15]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000053
Figure PCTKR2021018528-appb-I000054
를 최대화하는 문제는 logarithm 함수 안에 항의 분모를 최소화하는 문제와 같다. 이를 (P2)라 하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000055
아래에서는 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용한 최적화를 설명한다.
아날로그 빔포밍이 갖는 제약 조건에 따른 가능 해 집합
(P1) 및 (P2)의 제약 조건으로 인해 가능 해 집합은
Figure PCTKR2021018528-appb-I000056
개의 복소 원
Figure PCTKR2021018528-appb-I000057
들의 곱으로 생각할 수 있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 17]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000058
복소 원
Figure PCTKR2021018528-appb-I000059
는 복소공간 C의 부분 다양체로 볼 수 있으므로
Figure PCTKR2021018528-appb-I000060
개의 복소 원들의 곱은
Figure PCTKR2021018528-appb-I000061
의 부분 다양체에 해당한다. 이러한 다양체를 복소 원 다양체 라 하고 아래와 같이 정의할 수 있다.
[수학식 18]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000062
복소 원 다양체에서 기울기를 이용한 최적화
복소 원 다양체 M은 Riemannian gradient가 정의되는 Riemannian manifold이고, 이를 통해 목적 함수가 증가 또는 감소하는 방향을 찾아 움직임으로 최적해를 구할 수 있다.
유클리드 공간에서의 유클리드 기울기를 구하는 과정을 통해, 복소 원 다양체에서 정의되는 리만 기울기 또한 구할 수 있다.
복소 변수를 가진 스칼라 함수
Figure PCTKR2021018528-appb-I000063
의 유클리드 켤레 기울기는
Figure PCTKR2021018528-appb-I000064
으로 정의된다.
(P1), (P2)의 목적 함수를 각각
Figure PCTKR2021018528-appb-I000065
라 하면, 각각의 유클리드 켤레 기울기
Figure PCTKR2021018528-appb-I000066
는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 19]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000067
[수학식 20]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000068
여기서,
Figure PCTKR2021018528-appb-I000069
이다.
복소 원 다양체 M에서 정의되는 리만 기울기는 유클리드 켤레 기울기를 탄젠트 공간에 투영하여 구할 수 있으며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 21]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000070
표 1은 일 실시예에 따른 리만 기울기를 이용한 켤레 기울기 방법 알고리즘을 나타낸다. 유도한 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화할 수 있다.
[표 1]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000071
표 2는 일 실시예에 따른 알고리즘의 초기 시작점을 설정하는 방법을 나타낸다(GSO 기반 초기화 설정).
[표 2]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000072
도 3은 일 실시예에 따른 알고리즘의 초기 시작점을 설정하여 간섭을 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서, M은 앞에서 설명한 복소 원 다양체를 나타낸다.
아래에서는 시뮬레이션 결과를 설명한다.
표 3은 일 실시예에 따른 시뮬레이션 파라미터를 나타낸다.
[표 3]
Figure PCTKR2021018528-appb-I000073
Figure PCTKR2021018528-appb-I000074
이다.
도 4는 일 실시예에 따른 GSO 초기화 효과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 GSO 기반 초기값 설정은 임의 선택 대비 10회 정도 반복 횟수를 줄이는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 SC hybrid BF와 기존 기술과의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 앞에서 설명한 본 발명의 기술은 SC hybrid BF로 표현되고, 이를 기존 기술(OFDM hybrid 등)과 비교한 결과를 나타낸다.
실시예들에 따른 합계 전송률 또는 에너지 효율 목표에 따라 반복(iteration) 수를 조절하여 사용할 수 있으며, 합계 전송률이 낮은 조건에서 OFDM 대비 높은 에너지 효율을 얻는 것을 확인할 수 있다. 실시예들에 따른 기술은 무선 센서 네트워크 및 IoT 소형 장비와 같이 높은 에너지 효율을 필요로 할 때 유리하다.
기존 기술에서는 단일 레이어 위상 천이기로 아날로그 빔포밍을 구성한다. 이는 심볼 간 간섭(ISI)을 고려하지 않은 구조로 심볼 간 간섭(ISI)이 발생하지 않는 협대역 채널 및 OFDM 시스템에 적합하나, 심볼 간 간섭(ISI)이 발생하는 광대역 채널에는 심볼 간 간섭(ISI)을 제어하지 못해 성능 개선에 한계가 있다. 실시예들은 복수 레이어의 위상 천이기와 심볼 딜레이를 사용하여 아날로그 빔포밍에서 서로 다른 심볼 시간 사이의 신호를 합성할 수 있다.
또한, 기존 기술은 협대역 채널 모델에서 복소 원 다양체에서 정의되는 리만 기울기를 사용하여 최적의 빔포밍을 설계하였다. 실시예들은 이를 심볼 간 간섭(ISI)과 서로 다른 안테나 간 간섭을 동시에 고려하는 단일 반송파 광대역 채널 모델에서 리만 기울기를 사용하는 최적화 기법을 적용하고, 연산량 감축을 위한 목적 함수 재설정과 초기값 설정 방법을 포함할 수 있다.
실시예들은 5G 및 beyond 5G 이동통신 시스템의 핵심 기술인 밀리미터파(30 GHz-300 GHz) 및 서브테라헤르츠(0.1 THz- 1THz) 빔포밍 시스템에 적용할 수 있다. 밀리미터파 및 서브테라헤르츠 통신 기술은 학계뿐만 아니라 산업계에서도 많은 관심을 받고 있다.
5G 이동통신 시스템의 핵심 기술인 광대역 밀리미터파 통신은 구현 단계에서 많은 어려움이 발견되어 있으며, 현재 산업계에서는 밀리미터파 빔포밍 기술의 상용화를 위해 상당한 양의 연구 투자를 하고 있다. 또한, 5G를 넘어 beyond 5G 시스템 개발을 목표로 더 많은 양의 주파수 대역을 확보할 수 있는 서브테라헤르츠 통신 기술도 많은 관심을 받고 있다. 따라서 미래 이동통신 시스템에서는 초고주파 채널의 이용은 필연적이며 이에 따라 광대역 빔포밍 기술에 대한 수요가 늘어날 것이다.
미래 이동통신 시스템에서는 초고주파 채널을 사용하여 커버리지가 작아지는 만큼 고밀집 소형셀 네트워크를 구성하여 저전력 고효율 다중 안테나 시스템에 대한 기술 수요가 늘어날 것이다.
이상과 같이, 실시예들에 따르면 다중 사용자 하향링크 시스템의 전송률을 최대화하는 OFDM 기반 최적 하이브리드 빔포밍 설계를 통해 기존 기술 대비 전송률을 대폭 증대시킬 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 컴퓨터 장치로 구현되는 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 방법에 있어서,
    복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계
    를 포함하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계는,
    간섭을 제거하기 위해 상기 아날로그 빔포밍부에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 단계는,
    기지국에서 사용자로부터 수신한 신호에 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너를 적용하여 출력 신호를 검출하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 아날로그 컴바이너는,
    복수 개의 레이어(layer)의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있으며, 각각의 상기 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 다른 심볼 시간에 수신한 신호들을 모아서 합성함에 따라, 광대역 채널에서 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)을 제거하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 단계는,
    기지국에서 검출된 상기 출력 신호에 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호를 검출하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계
    를 더 포함하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계는,
    위상 천이기를 사용하는 상기 아날로그 빔포밍부가 갖는 제약 조건을 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 상기 제약 조건을 복소 원 다양체로 정의하고, 상기 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 최적화하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 최적화된 빔포밍을 설계하는 단계는,
    상기 복소 원 다양체는 리만 기울기(Riemannian gradient)에서 정의되는 리만 다양체(Riemannian manifold)이고, 상향링크의 합계 전송률의 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 방법.
  9. 광대역 시스템의 단일 반송파 기반 하이브리드 빔포밍 장치에 있어서,
    복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 빔포밍부를 이용하여 출력 신호를 검출하는 제1 검출부; 및
    검출된 상기 출력 신호를 기저 대역 디지털 빔포밍부를 이용하여 최종 출력 신호를 검출하는 제2 검출부
    를 포함하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 검출부는,
    간섭을 제거하기 위해 상기 아날로그 빔포밍부에서 시간 지연을 이용하여 수신 신호를 합성하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 검출부는,
    기지국에서 사용자로부터 수신한 신호에 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너를 적용하여 출력 신호를 검출하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 아날로그 컴바이너는,
    복수 개의 레이어(layer)의 위상 천이기 네트워크로 이루어져 있으며, 각각의 상기 레이어에 심볼 딜레이를 장착하여 다른 심볼 시간에 수신한 신호들을 모아서 합성함에 따라, 광대역 채널에서 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)을 제거하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제2 검출부는,
    기지국에서 검출된 상기 출력 신호에 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너를 적용하여 최종 출력 신호를 검출하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상향링크의 합계 전송률을 최대화하도록 복소 원 다양체에서 켤레 기울기 방법을 사용하여 최적화된 빔포밍을 설계하는 빔포밍 설계부
    를 더 포함하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 빔포밍 설계부는,
    위상 천이기를 사용하는 상기 아날로그 빔포밍부가 갖는 제약 조건을 반영하여 최적의 빔포밍을 설계하기 위해, 상기 제약 조건을 복소 원 다양체로 정의하고, 상기 복소 원 다양체에서 정의되는 켤레 기울기를 구하여 최적 해로의 이동 방향을 찾아 단계적으로 최적화하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복소 원 다양체는 리만 기울기(Riemannian gradient)에서 정의되는 리만 다양체(Riemannian manifold)이고, 상향링크의 합계 전송률의 목적 함수의 켤레 기울기를 통해 line search 방법으로 최적화하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 제1 검출부는 복수 개의 탭으로 이루어진 아날로그 컴바이너로 구성되고, 상기 제2 검출부는 상기 아날로그 컴바이너와 결합되는 단일 탭으로 이루어진 기저 대역 컴바이너로 구성되어, 최종 출력 신호를 검출하는 데이터 검출부인 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 빔포밍 장치.
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