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KR20130017572A - 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔 결정 방법 및 장치 - Google Patents

하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔 결정 방법 및 장치 Download PDF

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KR20130017572A
KR20130017572A KR1020110080076A KR20110080076A KR20130017572A KR 20130017572 A KR20130017572 A KR 20130017572A KR 1020110080076 A KR1020110080076 A KR 1020110080076A KR 20110080076 A KR20110080076 A KR 20110080076A KR 20130017572 A KR20130017572 A KR 20130017572A
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beamforming vector
analog
transmission
vector
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황덕동
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 수신단의 방법은, 송신단에 대한 채널 정보를 측정하는 과정과, 측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 과정과, 결정된 송신 빔포밍 벡터의 정보를 송신단으로 피드백하는 과정을 포함하여, 송신단과 수신단 간에 등가의 MIMO 채널을 형성함으로써, 피드백 정보의 양을 감소시킬 수 있다.

Description

하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔 결정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING ANALOG BEAM IN HYBRID BEAMFORMING SYSTEM}
본 발명은 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍을 사용하는 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에 관한 것으로서, 특히 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), 3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution) 등과 같은 종래의 무선 통신 시스템은 2 내지 10 GHz 정도 범위의 마이크로 웨이브(micro wave) 주파수를 사용하고 있다. 상기 종래의 무선 통신 시스템은 비교적 긴 파장의 주파수를 사용하기 때문에, 주로 전방향(omnidirectional) 또는 저지향성(low-directivity) 안테나를 채용한다.
점차 증가하는 높은 전송률에 대한 요구에 따라, 밀리미터 웨이브(millimeter wave) 대역의 주파수를 사용하는 시스템이 고려되고 있다. 상기 밀리미터 웨이브 대역은 상기 마이크로 웨이브에 비하여 매우 높은 전송률을 제공할 수 있다. 그러나, 상기 밀리미터 웨이브 대역은 주파수가 높아질수록, 감쇄(attenuation) 현상이 심해지는 특성이 있다. 따라서, 상기 밀리미터 웨이브 대역을 이용하는 시스템에서는 감쇄 현상으로 인한 신호 품질 저하를 극복하기 위해 빔포밍 기법이 지원되어야 한다.
특히, 상기 밀리미터 웨이브를 이용하는 무선통신 시스템에서 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 동시에 수행하는 하이브리드 빔포밍 기법이 적용될 수 있다. 즉, 복수의 디지털 빔포밍부를 포함하는 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍을 이용할 경우, 다중 안테나 기술로 인한 다양한 이득을 취할 수 있다. 그러나, 아날로그 빔포밍을 위하여 많은 수의 안테나 엘리먼트가 사용되므로, 송신단 안테나와 수신단 안테나 간에 형성되는 채널은 매우 큰 복잡도를 가지게 되며, 이에 따라 피드백되어야 하는 정보의 양이 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍을 이용하는 무선 통신 시스템에서 복잡도가 낮으면서 피드백 정보의 양이 적은 빔포밍 방식이 제안될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 피드백 채널 정보의 량을 감소시키기 위해, 등가의 다중입출력(Equivalent Multiple Input Multiple Output) 채널을 형성하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 MIMO 기법에 따라 아날로그 빔을 결정하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 수신단의 방법은, 송신단에 대한 채널 정보를 측정하는 과정과, 측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 과정과, 결정된 송신 빔포밍 벡터의 정보를 송신단으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 송신단의 방법은, 빔 훈련용 기준 신호를 송신하는 과정과, 수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터의 정보를 수신하는 과정과, 수신된 송신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 송신 빔을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 수신단의 장치는, 송신단에 대한 채널 정보를 측정하고, 측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 제어부와, 결정된 송신 빔포밍 벡터의 정보를 송신단으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 송신단의 장치는, 수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터의 정보를 수신하는 피드백 정보 수신부와, 빔 훈련용 기준 신호를 송신하고, 수신된 송신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 송신 빔을 형성하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 MIMO 기법에 따라 아날로그 빔을 결정하여 송신단과 수신단 간에 등가의 MIMO 채널을 형성함으로써, 피드백 정보의 양을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 송신단의 블럭 구성을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신단의 블럭 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 송신단의 동작 절차를 도시하는 도면, 및
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신단의 동작 절차를 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 본 발명에서는 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다. 이하 본 발명은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)/OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나, 이하 본 발명은 다른 규격을 따르는 무선통신 시스템에도 동일한 방식으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 송신단의 블럭 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 송신단은 K1개의 채널 부호부(100-1 내지 100-K1), 디지털 빔포밍부(110), K1개의 변조부(120-1 내지 120-K1), 아날로그 빔포밍부(130) 및 N개의 안테나(140-1 내지 140-N), 빔 설정부(150) 및 피드백 정보 수신부(160)를 포함하여 구성된다. 즉, 송신단은 K1개의 RF 체인(chain)을 포함하며, N개의 안테나를 포함한다. 여기서 RF 체인은 채널 부호부(100-1 내지 100-K1)부터 변조부(120-1 내지 120-K1)에 이르기까지의 송신 신호를 처리하는 경로를 의미한다.
K1개의 채널 부호부(100-1 내지 100-K1) 각각은 채널인코더(channel encoder) 및 변조기(modulator)를 포함하여 구성됨으로써, 수신단으로 송신될 신호를 부호화한 후, 변조하여 출력한다.
디지털 빔포밍부(110)는 K1개의 채널 부호부(100-1 내지 100-K1)로부터의 신호에 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기법을 적용하여 디지털 빔포밍을 수행한 후, K1개의 변조부(120-1 내지 120-K1) 각각으로 제공한다. 이때, 디지털 빔포밍부(110)는 단기 채널 정보 즉, 현재 시점에 측정 혹은 피드백된 채널 정보를 이용하여 디지털 빔포밍을 수행한다. 디지털 빔포밍부(110)는 시공간 부호(Space Time Coding) 기법, 공간 다중화(Space Multiplexing) 기법 및 폐 루프 빔포밍(Closed loop Beamforming) 기법 등을 이용하여 송신 신호에 대한 디지털 빔포밍을 수행한다.
K1개의 변조부(120-1 내지 120-K1) 각각은 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산기 및 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Convertor)를 포함하여 구성됨으로써, 디지털 빔포밍부(110)로부터 제공되는 디지털 신호를 IFFT 연산한 후, 아날로그 신호로 변환하여 출력한다.
아날로그 빔포밍부(130)는 K1개의 변조부(120-1 내지 120-K1)로부터 출력되는 K1개의 송신 신호에 대해 송신 빔포밍 가중치를 적용하여 위상을 변경함으로써 빔을 형성한 후 N개의 안테나(140-1 내지 140-N)로 출력한다. 즉, 아날로그 빔포밍부(130)는 복수의 위상 변경부(132-1 내지132-N, 134-1 내지 134-N) 및 결합부(136)를 포함하여 됨으로써, K1개의 RF 체인으로부터 출력되는 K1개의 송신 신호 각각을 N개의 신호로 분리한 후, 분리된 각 송신 신호의 위상을 미리 설정된 송신 빔포밍 벡터(w, p), 즉 송신 빔포밍 가중치들(w1,...wN, p1,...,pN)에 따라 변경하고 위상이 변경된 송신 신호를 결합하여 빔을 형성한 후, 빔이 형성된 송신 신호를 해당 안테나(140-1 내지 140-N)로 출력한다. 예를 들어, K1번째 변조부(120-K1)로부터 출력된 송신 신호는 N개의 신호로 분리된 후, N개의 위상 변경부(132-1 내지 132-N)로 입력되어 미리 설정된 송신 빔포밍 벡터(p)에 따라 위상이 변경된 후 출력되고, N개의 결합부(136-1 내지 136-N)에 의해 다른 송신 신호와 결합되어 N개의 안테나(140-1 내지 140-N)를 통해 송신 처리된다. 이때, 위상 변경부(132-1 내지 132-N, 134-1 내지 134-N)의 송신 빔포밍 가중치들(w1,...wN, p1,...,pN)은 수신단으로부터 피드백되는 정보에 따라 설정되는 값으로서, 디지털 빔포밍부(110)에서 사용되는 MIMO 기법에 따라 달라질 수 있다.
빔 설정부(150)는 아날로그 빔포밍을 위한 송신 빔포밍 벡터를 설정하기 위해, 아날로그 빔포밍부(130)의 송신 빔포밍 벡터를 제어하여 빔 훈련용 기준 신호를 송신하기 위한 기능을 제어 및 처리한다. 즉, 빔 설정부(150)는 미리 저장된 코드북을 이용하여 K1개의 송신 빔포밍 벡터를 생성하고, 생성된 K1개의 송신 빔포밍 벡터를 아날로그 빔포밍부(130)에 적용한 후, 아날로그 빔포밍부(130)의 송신 빔포밍 벡터에 따라 형성되는 빔 훈련용 기준 신호를 수신단으로 송신하기 위한 기능을 제어 및 처리한다. 또한, 본 발명에 따라 빔 설정부(150)는 피드백 정보 수신부(160)를 통해 수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 수신하여 아날로그 빔포밍부(130)의 송신 빔포밍 가중치들을 설정한다.
여기서, 빔 설정부(150)의 빔 설정에 따라 송신단과 수신단 간에 등가의 다중 입출력 채널이 형성될 수 있다. 예를 들어, 송신단의 RF 체인 수와 수신단의 RF 체인 수가 각각 2(K1 = 2, K2 = 2)인 경우, 아래의 수학식 1과 같은 다중 입출력 채널이 형성될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서,
Figure pat00002
는 송신단과 수신단 간에 형성되는 등가의 채널 행렬을 의미하며. w 및 p는 송신 빔포밍 벡터를 의미하며, r1 및 r2는 수신 빔포밍 벡터를 의미한다. H는 송수신단의 안테나 사이에 형성되는 M×N 채널 행렬을 의미한다. 즉, 송수신 안테나 간에 형성되는 채널 행렬 H는 본 발명에 따라 선택되는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터에 의해 2 × 2 차원의 등가 채널 행렬
Figure pat00003
로 변경될 수 있으며, 이때 송수신 빔포밍 벡터들은
Figure pat00004
로 흡수되어 종래에 알려진 MIMO 기법을 그대로 적용할 수 있다. 일반적으로, 송신단의 RF 체인 수는 송신단 안테나 수보다 적거나 같고, 수신단의 RF 체인 수는 수신단의 안테나 수보다 적거나 같으므로, 등가 채널
Figure pat00005
는 원래는 채널 H보다 적은 복잡도를 갖게 된다.
이후, 빔 설정부(150)는 아날로그 송신 빔의 설정이 완료되었음을 나타내는 신호를 제어부(미도시)로 알린다. 그러면 제어부(미도시)는 송신 신호를 K1개의 채널부호부(100-1 내지 100-K1)로 출력하여 디지털/아날로그 빔포밍을 통해 수신단으로 신호를 송신하기 위한 기능을 제어 및 처리한다. 여기서, 제어부(미도시)는 송신단의 전반적인 동작을 제어 및 처리하는 장치로서, 빔 설정부(150)는 제어부(미도시)에 포함될 수 있다.
피드백 정보 수신부(160)는 수신단으로부터 피드백되는 정보를 수신하여 빔 설정부(150) 혹은 디지털 빔포밍부(110)로 출력한다. 즉, 피드백 정보 수신부(160)는 수신단으로부터의 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 빔 설정부(150)로 제공하고, 수신단으로부터의 단기 채널 정보를 디지털 빔포밍부(110)로 제공한다. 여기서, 단기 채널 정보는 임계 시간 이하 동안에 측정된 송수신단 간의 채널 정보를 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신단의 블럭 구성을 도시하고 있다.
도 2를 참조하면, 수신단은 M개의 안테나(200-1 내지 200-M), 아날로그 빔포밍부(130), K2개의 복조부(220-1 내지 220-K2), 디지털 빔포밍부(230), K2개의 채널 복호부(240-1 내지 240-K2), 제어부(250) 및 피드백부(260)를 포함하여 구성된다. 이때, 제어부(250)는 채널 추정부(252), 빔 결정부(254) 및 빔 설정부(250)를 포함하여 구성된다. 수신단은 K2개의 RF 체인을 포함하며, M개의 안테나를 포함한다. 여기서 RF 체인은 복조부(220-1 내지 220-K2)부터 채널 부호부(240-1 내지 240-N)에 dlfmrlRK지의 수신 신호를 처리하는 경로를 의미한다.
먼저, 제어부(250)는 M개의 안테나(200-1 내지 200-M)로부터의 수신 신호를 바탕으로 송신단과의 채널을 추정하고, 채널 추정 결과를 이용하여 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정하여, 송신 빔포밍 벡터 정보를 송신단으로 전송하고 아날로그 빔포밍부(130)의 수신 빔포밍 벡터를 설정하기 위한 기능을 제어 및 처리한다.
즉, 제어부(250)의 채널 추정부(252)는 송신단과 수신단 간에 형성된 채널을 추정한다. 이때, 채널 추정부(252)는 아날로그 빔포밍을 위해 장기 채널 정보를 추정하여 빔 결정부(254)로 제공하고, 디지털 빔포밍을 위해 단기 채널 정보를 추정하여 피드백부(260)로 제공한다. 채널 추정부(252)는 송신단으로부터 빔 훈련용 기준 신호가 수신되는 경우, 임계 시간 이상 동안 측정된 채널 정보들의 평균치, 즉, 장기 채널 정보를 추정하여 빔 결정부(254)로 제공한다. 이때, 채널 추정부(252)는 현재 시점에 수신된 빔 훈련용 기준 신호와 이전 시점에 수신된 빔 훈련용 기준 신호들을 바탕으로 추정된 채널 정보들의 평균치를 추정하여 빔 결정부(254)로 제공할 수 있다. 또한, 채널 추정부(252)는 송신단으로의 피드백이 필요할 때마다, 해당 시점에 수신된 신호로부터 단기적인 채널 정보를 추정하여 피드백부(260)로 제공한다.
빔 결정부(254)는 채널 추정부(252)로부터 제공되는 장기 채널 정보를 바탕으로 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정한다. 특히, 빔 결정부(254)는 송신단 및 수신단에서 사용되는 디지털 빔포밍 기법(혹은 MIMO 기법)에 따라 전송량의 최대 혹은 오류 확률을 최소화하는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정한다. 이때, 빔 결정부(254)는 디지털 빔포밍부(230)에서 시공간 부호(space time coding) 기법을 이용하는 경우, 등가 채널
Figure pat00006
의 프로비니어스 놈(
Figure pat00007
)이 최대가 되는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 선택한다. 반면, 빔 결정부(254)는 디지털 빔포밍부(230)에서 공간 다중화(spatial multiplexing) 혹은 폐 루프 빔포밍(closed loop beamforming)을 이용하는 경우, 등가 채널
Figure pat00008
의 디터미넌트(
Figure pat00009
)가 최대가 되는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 선택한다. 이때, MIMO 기법에 따라 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 방식은 설계자 및 운영자에 의해 결정 및 저장될 것이다. 빔 결정부(254)는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터가 결정되면, 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 피드백부(260)로 제공하고, 수신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 빔 설정부(256)로 제공한다. 여기서, 빔 결정부(254)가 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정하기 위해 장기 채널 정보를 이용하는 것은, 장기 채널 정보를 이용할 경우 시간 변화에 따른 채널 정보의 변화량이 적은 특성을 이용하여 송신단으로 피드백되는 정보의 양을 감소시키기 위함이다.
빔 설정부(256)는 빔 결정부(254)로부터 제공되는 수신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 이용하여 아날로그 빔포밍부(210)의 수신 빔포밍 가중치들(r11,...r1M,rK21,..,rK2M)을 설정한다. 즉, 빔 설정부(256)는 아날로그 빔포밍부(210)에 포함된 복수의 위상 지연부()의 위상 지연량을 설정한다.
피드백부(260)는 제어부(250)의 제어에 따라 송신단과 수신단 간에 형성된 채널에 대한 정보를 피드백한다. 피드백부(250)는 빔 결정부(254)로부터 제공되는 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보(예: 빔 인덱스 정보)를 송신단으로 피드백한다. 피드백부(250)는 제어부(250)의 제어에 따라 채널 추정부(252)로부터 제공되는 단기 채널 정보를 송신단으로 피드백한다.
아날로그 빔포밍부(210)는 M개의 안테나(200-1 내지 200-M)로부터의 수신 신호의 위상을 변경하여 빔을 형성한 후 K2개의 복조부(220-1 내지 220-K2)로 제공한다. 즉, 아날로그 빔포밍부(210)는 M개의 안테나(200-1 내지 200-M) 각각으로부터 출력되는 K2개의 신호에 수신 빔포밍 벡터(r1, ..., rK2)에 따른 수신 빔포밍 가중치들(r11,...r1M,rK21,..,rK2M)을 적용하여 결합한 후, 결합한 신호를 K2개의 복조부(220-1 내지 220-K2)로 출력한다. 예를 들어, M번째 안테나(200-1)로부터의 수신 신호는 RF 체인의 수 즉, K2개로 분리된 후, K2개의 위상 변경부(212-M 내지 214-M)로 입력되어 미리 설정된 수신 빔포밍 벡터(r1M, ..., rK2M)에 따라 위상이 변경된 후 출력되고, K2개의 결합부(216-1 내지 216-K2)에 의해 다른 안테나로부터의 수신 신호와 결합되어 K2개의 복조부(220-1 내지 220-M) 각각으로 제공된다.
K2개의 복조부(220-1 내지 220-K2) 각각은 FFT(Fast Fourier Transform) 연산기 및 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Convertor)를 포함하여 구성됨으로써, 아날로그 빔포밍부(210)로부터 제공되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, FFT 연산을 수행하여 출력한다.
디지털 빔포밍부(230)는 K2개의 복조부(220-1 내지 220-K2)로부터의 신호에 MIMO(Mutilep Input Multiple Output) 기법을 적용하여 디지털 빔포밍이 적용된 신호를 검출한 후, K2개의 채널 복호부(240-1 내지 240-K2) 각각으로 제공한다. 이때, 디지털 빔포밍부(230)는 단기 채널 정보 즉, 현재 시점에 측정 혹은 피드백된 채널 정보를 이용하여 디지털 빔포밍을 수행한다. 디지털 빔포밍부(110)는 시공간 부호(Space Time Coding) 기법, 공간 다중화(Space Multiplexing) 기법 및 폐 루프 빔포밍(Closed loop Beamforming) 기법 등을 이용하여 디지털 빔포밍이 수행된 수신 신호를 검출한다.
K2개의 채널 복호부(240-1 내지 240-K1) 각각은 채널디코더(channel encoder) 및 복조기(demodulator)를 포함하여 구성됨으로써, 디지털 빔포밍부(230)로부터 출력된 수신 신호를 복조한 후, 복호하여 출력한다.
그러면, 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 송신단안의 안테나 수가 N개이고, 수신단의 안테나 수가 M개이며, 송신단의 RF 체인 수와 수신단의 RF 체인 수가 각각 2(K1 = 2, K2 = 2)인 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 송신단의 동작 절차를 도시하고 있다.
도 3을 참조하면, 송신단은 301단계에서 빔 훈련용 기준 신호를 전송한다. 이때, 빔 훈련용 기준 신호는 신호 송신을 위한 최적의 아날로그 송신 빔포밍 벡터를 설정하기 위한 것으로서, 송신단은 아날로그 빔포밍부(110)에 적용되는 송신 빔포밍 벡터를 제어하여 빔 훈련용 기준 신호를 송신한다.
이후, 송신단은 303단계에서 수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 수신하고, 수신된 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보를 이용하여 아날로그 빔포밍부(110)에 아날로그 송신 빔포밍 벡터를 설정한다. 여기서, 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보는 송신 빔포밍 벡터를 나타내는 빔 인덱스일 수 있다. 여기서, 송신 빔포밍 벡터는 장기 채널 정보를 반영하여 설정된 것으로서, 사용중인 MIMO 기법에 따른 전송량을 최대화하거나 오류 확률을 최소화하는 벡터이다. 송신단은 아날로그 빔포밍부(110)에 송신 빔포밍 벡터를 설정함으로써, 송신단과 수신단 간에 수학식 1과 같은 등가의 다중 입출력 채널을 형성할 수 있다.
이후, 송신단은 307단계로 진행하여 수신단으로부터 피드백되는 단기 채널 정보를 이용하여 송신 신호에 MIMO 기법을 적용하여 디지털 빔포밍을 수행하고, 309단계로 진행하여 디지털 빔포밍이 수행된 송신 신호에 아날로그 송신 빔포밍 벡터를 적용하여 신호를 송신한다.
이후, 송신단은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 수신단의 동작 절차를 도시하고 있다. 여기서는, 설명의 편의를 위하여, 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 디지털 빔포밍을 위해 시공간 부호 기법 혹은 공간 다중화 기법을 사용하는 경우를 가정하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 401단계에서 수신단은 송신단으로부터의 빔 훈련용 기준 신호를 수신하고, 403단계로 진행하여 임계 시간 이상 동안 측정된 채널 정보들의 평균치, 즉, 장기 채널 정보를 추정한다. 다시 말해, 수신단은 현재 시점에 수신된 빔 훈련용 기준 신호로부터 추정된 채널 정보와 이전 시점에 수신된 빔 훈련용 기준 신호들을 바탕으로 추정된 채널 정보들의 평균치를 계산하여 장기 채널 정보를추정한다.
이후, 수신단은 403단계에서 사용 중인 디지털 빔포밍 기법 즉, MIMO 기법을 확인한다. 만일, 시공간 부호 기법을 이용하는 경우, 수신단은 407단계로 진행하여 전송량을 최대화 혹은 오류 확률을 최소화할 수 있도록 등가 채널
Figure pat00010
의 프로비니어스 놈이 최대가 되는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 선택한다. 반면, 공간 다중화 기법을 이용하는 경우, 수신단은 409단계로 진행하여 전송량을 최대화 혹은 오류 확률을 최소화할 수 있도록 등가 채널
Figure pat00011
의 디터미넌트가 최대가 되는 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 선택한다. 여기서, 송신 빔포밍 벡터와 수신 빔포밍 벡터를 결정하기 위해 장기 채널 정보를 이용하는 것은, 장기 채널 정보를 이용할 경우 시간 변화에 따른 채널 정보의 변화량이 적은 특성을 이용하여 송신단으로 피드백되는 정보의 양을 감소시키기 위함이다.
이후, 수신단은 411단계에서 송신 빔포밍 벡터에 대한 정보(예: 빔 인덱스)를 송신단으로 피드백하고, 413단계로 진행하여 수신 빔포밍 벡터에 따라 수신단의 아날로그 빔포밍부(210)에 포함된 위상 지연부들()의 아날로그 수신 빔포밍 가중치들()을 설정한다.
이후, 수신단은 415단계에서 아날로그 수신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 빔포밍을 수행하여 송신단으로부터의 신호를 수신하고, 417단계로 진행하여 수신 신호에 MIMO 기법을 적용하여 디지털 빔포밍을 수행함으로써 신호를 검출하고, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
상술한 도 4에서는 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 디지털 빔포밍을 위해 시공간 부호 기법 혹은 공간 다중화 기법을 사용하는 경우를 가정하여 설명하였으나, 본 발명은 종래에 알려진 다른 MIMO 기법에도 동일한 방식으로 적용될 수 있을 것이다. 즉, 수신단은 사용 중인 MIMO 기법에 따라 전송량을 최대화 혹은 오류확률을 최소화하기 위한 송수신 빔포밍 벡터를 선택할 수 있다. 물론, 이때 각 MIMO 기법과 송수신 빔포밍 벡터를 결정하는 방식, 즉, 등가 채널
Figure pat00012
의 프로비니어스 놈이 최대가 되는 송수신 빔포밍 벡터를 결정할 것인지 등가 채널
Figure pat00013
의 디터미넌트가 최대가 되는 송수신 빔포밍 벡터를 결정할 것인지는 설계자 혹은 운영자에 의해 미리 설정될 수 있으며, 종래에 잘 알려진 방식을 따를 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 디지털/아날로그 하이브리드 빔포밍 시스템에서 송신단과 수신단 간에 등가의 다중 입출력 채널을 형성하도록 하는 아날로그 빔포밍 벡터를 설정하고, 복잡도가 낮은 등가의 다중 입출력 채널을 이용하여
종래에 잘 알려진 MIMO 기법을 적용함으로써, 피드백되는 정보의 양을 감소시킬 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 수신단의 방법에 있어서,
    송신단에 대한 채널 정보를 측정하는 과정과,
    측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 과정과,
    결정된 송신 빔포밍 벡터의 정보를 송신단으로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 과정은,
    사용 중인 디지털 빔포밍 기법 기법에서 전송량의 최대화 및 오류확률의 최소화 중 적어도 하나를 만족하는 빔포밍 벡터를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    빔포밍 벡터를 선택하는 과정은,
    사용 중인 디지털 빔포밍 기법이 시공간 부호 기법인 경우, 등가 채널의 프로비니어스 놈을 최대로 하는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    빔포밍 벡터를 선택하는 과정은,
    사용 중인 디지털 빔포밍 기법이 공간 다중화 기법 및 폐루프 빔포밍 기법 중 어느 하나인 경우, 등가 채널의 디터미넌트를 최대로 하는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 과정은,
    임계 시간 이상 동안의 채널에 대한 평균치를 나타내는 장기 채널 정보를 이용하여 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    송신단으로부터 빔 훈련용 기준 신호를 수신하는 과정을 더 포함하며,
    빔 훈련용 기준 신호를 바탕으로 장기 채널 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정한 후, 해당 시점의 채널 정보를 나타내는 단기 채널 정보를 피드백하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    결정된 수신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 수신 빔을 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 송신단의 방법에 있어서,
    빔 훈련용 기준 신호를 송신하는 과정과,
    수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터의 정보를 수신하는 과정과,
    수신된 송신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 송신 빔을 형성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    아날로그 송신 빔이 형성된 후, 수신단으로부터 피드백되는 단기 채널 정보를 이용하여 송신 신호에 대한 디지털 빔포밍을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 수신단의 장치에 있어서,
    송신단에 대한 채널 정보를 측정하고, 측정된 채널 및 사용 중인 디지털 빔포밍 기법에 따라 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정하는 제어부와,
    결정된 송신 빔포밍 벡터의 정보를 송신단으로 피드백하는 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부는, 사용 중인 디지털 빔포밍 기법 기법에서 전송량의 최대화 및 오류확률의 최소화 중 적어도 하나를 만족하는 빔포밍 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제어부는, 사용 중인 디지털 빔포밍 기법이 시공간 부호 기법인 경우, 등가 채널의 프로비니어스 놈을 최대로 하는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제어부는, 사용 중인 디지털 빔포밍 기법이 공간 다중화 기법 및 폐루프 빔포밍 기법 중 어느 하나인 경우, 등가 채널의 디터미넌트를 최대로 하는 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부는. 임계 시간 이상 동안의 채널에 대한 평균치를 나타내는 장기 채널 정보를 이용하여 아날로그 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제어부는, 송신단으로부터 수신되는 빔 훈련용 기준 신호를 바탕으로 장기 채널 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제어부는, 송신 빔포밍 벡터 및 수신 빔포밍 벡터 중 적어도 하나를 결정한 후, 상기 피드백부를 제어하여 해당 시점의 채널 정보를 나타내는 단기 채널 정보를 피드백하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 11항에 있어서,
    상기 제어부에서 결정된 결정된 수신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 수신 빔을 형성하는 아날로그 빔포밍부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 하이브리드 빔포밍 시스템에서 아날로그 빔을 결정하는 송신단의 장치에 있어서,
    수신단으로부터 송신 빔포밍 벡터의 정보를 수신하는 피드백 정보 수신부와,
    빔 훈련용 기준 신호를 송신하고, 수신된 송신 빔포밍 벡터에 따라 아날로그 송신 빔을 형성하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제어부는, 아날로그 송신 빔이 형성된 후, 수신단으로부터 피드백되는 단기 채널 정보를 이용하여 송신 신호에 대한 디지털 빔포밍이 수행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
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