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KR102228091B1 - Apparatus and method for hybrid beamforming of millimeter wave massive mimo systems - Google Patents

Apparatus and method for hybrid beamforming of millimeter wave massive mimo systems Download PDF

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KR102228091B1
KR102228091B1 KR1020190129162A KR20190129162A KR102228091B1 KR 102228091 B1 KR102228091 B1 KR 102228091B1 KR 1020190129162 A KR1020190129162 A KR 1020190129162A KR 20190129162 A KR20190129162 A KR 20190129162A KR 102228091 B1 KR102228091 B1 KR 102228091B1
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matrix
vector
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analog
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Inventor
이경천
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 기술은 밀리미터파 기반의 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법이 개시된다. 본 기술의 구체적인 예에 따르면, 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성 및 결합하고, RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 생성 및 결합하여 데이터 스트림을 복원함에 따라 아날로그 도메인과 디지털 도메인으로 분리하여 하이브리드 빔포밍을 수행하여 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율의 최대화할 수 있고, 이에 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.The present technology discloses a hybrid beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system based on millimeter wave. According to a specific example of the present technology, singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix is performed in the baseband domain to derive a singular vector of a data stream, and a digital beam is generated and combined with the derived singular vector, and incremental continuous in the RF domain. As a data stream is restored by retrieving a subset of the array response vectors from the dictionary matrix through a selection technique, generating and combining analog beams with the retrieved array response vectors, hybrid beamforming is performed by separating into analog domains and digital domains. The complexity can maximize the spectral efficiency, thereby improving the performance of the system.

Description

밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID BEAMFORMING OF MILLIMETER WAVE MASSIVE MIMO SYSTEMS}Hybrid beamforming device and method for millimeter wave-based large-scale MIMO system {APPARATUS AND METHOD FOR HYBRID BEAMFORMING OF MILLIMETER WAVE MASSIVE MIMO SYSTEMS}

본 발명은 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디지털 도메인과 아날로그 도메인을 분리하여 빔포밍을 수행함에 따라 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율을 향상시킬 수 있고 시스템의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 기술에 관한 것이다The present invention relates to a hybrid beamforming apparatus and method for a millimeter wave-based large-scale MIMO system, and more particularly, by separating a digital domain and an analog domain to perform beamforming, it is possible to improve spectral efficiency with low computational complexity. It is about a technology that can improve the performance of the system.

현재 4G 셀룰러 시스템에서 사용 중인 6 GHz 이하의 주파수 자원은 기하급수적으로 증가하는 데이터 트래픽을 감당하기에는 부족하므로 광대역의 주파수 자원을 제공할 수 있는 밀리미터파(30 GHz ~ 300 GHz 대역) 통신 기술이 차세대 이동통신 시스템의 후보 기술 중 하나로 각광받고 있다.Since the frequency resources of 6 GHz or less currently used in 4G cellular systems are insufficient to handle the exponentially increasing data traffic, millimeter wave (30 GHz to 300 GHz band) communication technology that can provide broadband frequency resources is the next generation mobile. It is in the spotlight as one of the candidate technologies for communication systems.

밀리미터파 채널은 주파수 특성상 높은 경로 감쇄를 겪으므로 대량의 안테나를 사용하여 원하는 방향으로 신호대 잡음비(SNR) 이득을 얻을 수 있는 빔형성 기술이 필요하며, 밀리미터파 신호는 파장이 짧아서 좁은 면적에 대량의 안테나를 집적하는 것이 가능하다.Since the millimeter wave channel suffers high path attenuation due to its frequency characteristics, a beamforming technique that can obtain a signal-to-noise ratio (SNR) gain in a desired direction using a large number of antennas is required. It is possible to integrate the antenna.

이에 5G 이동 통신 등의 밀리미터파 채널을 이용한 차세대 이동통신에 있어서, 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 결합한 하이브리드 빔포밍을 활용하기도 하며, 이 경우 디지털 빔포밍의 유연성과 멀티 레이어 전송 및 아날로그 빔포밍의 구현 용이성을 결합하여 안테나의 개수를 효율적으로 증가시켜 대규모 다중 안테나 시스템을 구현한다.Therefore, in the next-generation mobile communication using millimeter wave channels such as 5G mobile communication, hybrid beamforming that combines digital beamforming and analog beamforming is used. In this case, the flexibility of digital beamforming and multi-layer transmission and analog beamforming are used. By combining the ease of implementation, the number of antennas is efficiently increased to implement a large-scale multi-antenna system.

이러한 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하기 위해 최적의 RF 프리코더 및 RF 결합기는 사전(Dictionary) 행렬에서 가장 높은 이득을 갖는 채널 전파 경로에 대응하는 어레이 응답 벡터를 선택하도록 설계된다.In order to perform hybrid beamforming in such a millimeter wave-based large-scale MIMO system, an optimal RF precoder and RF combiner are designed to select an array response vector corresponding to a channel propagation path having the highest gain from a dictionary matrix.

이때 다중 데이터 스트림 전송에서 시스템의 성능을 향상시키기 위해 최근에는 OMP (orthogonal matching pursuit) 기반 알고리즘이 개발되었다. OMP 기반 알고리즘은 최적의 프리코더 및 결합기와 전체 하이브리드 프리코더 및 결합기 간의 차의 Frobenius norm을 최소화하는 어레이 응답 벡터를 선택한다. At this time, in order to improve the performance of the system in the transmission of multiple data streams, an orthogonal matching pursuit (OMP)-based algorithm has been recently developed. The OMP-based algorithm selects an array response vector that minimizes the Frobenius norm of the difference between the optimal precoder and combiner and the entire hybrid precoder and combiner.

그러나 OMP 기반 알고리즘을 이용한 시스템은 가능한 모든 어레이 응답 벡터의 결합에 대해 완전 검색 기법을 통해 어레이 응답 벡터를 선택하여야 하므로, 여전히 연산 복잡도가 높다. However, the system using the OMP-based algorithm still has high computational complexity since it is necessary to select the array response vector through a complete search technique for all possible combinations of the array response vectors.

이에 스펙트럼 효율 측면에서 높은 계산 복잡성 및 상대적으로 낮은 성능 문제에 직면하며, 이에 대한 추가 개선이 요구된다.Accordingly, in terms of spectral efficiency, high computational complexity and relatively low performance are encountered, and further improvement is required.

이에 본 출원인은 아날로그 도메인과 디지털 도메인을 분리하여 하이브리드 빔포밍을 수행하되, RF 도메인에서 최대 스펙트랄 효율을 가지는 유효 채널 경로의 인덱스와 매칭되는 사전행렬의 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하고, 기저대역 도메인에서 채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 도출된 저차원 유효 채널에 대해 특이값 분해(SVD: Singular value decomposition) 연산을 통해 특이 벡터를 도출하고 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 형성하는 기술을 제안하고자 한다. Accordingly, the applicant performs hybrid beamforming by separating the analog domain and the digital domain, but forms an analog beam with the array response vector of the prior matrix matching the index of the effective channel path having the maximum spectral efficiency in the RF domain. Singular value decomposition (SVD) for the low-dimensional effective channel derived by the product of the channel matrix and the matrix of the RF precoder in the band domain to derive a singular vector and form a digital beam with the derived singular vector. I would like to propose a technology.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 아날로그 도메인과 디지털 도메인을 분리하여 하이브리드 빔포밍을 수행함에 있어, 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율의 최대화 문제의 해를 도출할 수 있고, 이에 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.The present invention for solving this problem is that in performing hybrid beamforming by separating the analog domain and the digital domain, it is possible to derive a solution to the problem of maximizing spectral efficiency with low computational complexity, thereby improving the performance of the system. It is an object of the present invention to provide a hybrid beamforming apparatus and method for a large-scale MIMO system based on millimeter wave that can be used.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. In addition, it will be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means shown in the claims and combinations thereof.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 양태에 의거 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치는,Hybrid beamforming apparatus of a millimeter wave-based large-scale MIMO system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object,

데이터 스트림에 대해 기저대역 프리코드에 의거 디지털 빔을 형성한 다음 RF 프리코더를 통해 아날로그 빔을 형성하여 빔포밍하는 송신기; 및A transmitter for beamforming by forming a digital beam for the data stream based on a baseband precode and then forming an analog beam through an RF precoder; And

송신기로부터 전달받은 빔을 RF 결합기에 의거 아날로그 결합한 다음 기저대역 결합기를 통해 디지털 결합하여 데이터 스트림을 복원하는 수신기를 포함하되,Including a receiver for restoring the data stream by analog-combining the beam transmitted from the transmitter based on an RF combiner and then digitally combining the beam received from the transmitter through a baseband combiner,

상기 송신기는The transmitter is

RF 도메인과 기저대역 도메인으로 분리하여 아날로그 빔 및 디지털 빔으로 생성하도록 구비되고, It is provided to generate an analog beam and a digital beam by separating it into an RF domain and a baseband domain,

상기 수신기는 The receiver

생성된 빔에 대해 RF 도메인과 기저대역 도메인으로 분리하여 아날로그 결합 및 디지털 결합을 수행하여 데이터 스트림을 복원하도록 구비될 수 있다.The generated beam may be separated into an RF domain and a baseband domain to perform analog combining and digital combining to restore a data stream.

바람직하게 상기 송신기는,Preferably the transmitter,

기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하고,A digital beam is generated as a singular vector by performing singular value decomposition of the low-dimensional effective channel matrix in the baseband domain,

RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 생성하도록 구비될 수 있다.It may be provided to retrieve a subset of the array response vectors from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain and to generate an analog beam with the retrieved array response vectors.

바람직하게 상기 수신기는, Preferably the receiver,

RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하고, In the RF domain, a subset of the array response vector is retrieved from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique, and the received beams are analog-combined with the retrieved array response vector,

기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 결합하도록 구비될 수 있다.It may be provided to derive a singular vector of a data stream by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in the baseband domain, and to digitally combine the derived singular vector.

바람직하게 상기 RF 프리코더는Preferably the RF precoder is

소정 개수의 채널 경로에 각각에 대해 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고,Set the antenna array vector as the spectral capacity for each of a predetermined number of channel paths,

스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며,Selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and removing the selected index from the entire set is repeated,

반복 횟수가 송신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하도록 구비될 수 있다. When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the transmitter, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index may be selected as an array response vector, and an analog beam may be formed using the selected array response vector.

바람직하게 상기 RF 결합기는,Preferably the RF combiner,

채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 유효 채널 행렬을 도출하고, The effective channel matrix is derived by the product of the channel matrix and the matrix of the RF precoder,

도출된 유효 채널 행렬의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하며,Set the antenna array vector of the derived effective channel matrix as the spectral capacity,

스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하고,After selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices and removing the selected index from the entire set is repeated,

반복 횟수가 수신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하도록 구비될 수 있다. When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the receiver, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index may be selected as an array response vector, and the beams received as the selected array response vector may be analog-combined.

바람직하게 상기 기저대역 프리코더는,Preferably the baseband precoder,

채널 행렬과 RF 프리코드의 행렬과 RF 결합기의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고,The low-dimensional effective channel matrix is derived by multiplying the channel matrix and the matrix of the RF precode and the Hermitian transpose matrix of the matrix of the RF combiner,

도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하도록 구비될 수 있다.It may be provided to generate a digital beam with a singular vector derived through a singular value decomposition operation on the derived low-dimensional effective channel matrix.

바람직하게 상기 기저대역 결합기는,Preferably the baseband coupler,

채널 행렬과 RF 결합기의 행렬과 RF 프리코더의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고The low-dimensional effective channel matrix is derived by multiplying the channel matrix and the matrix of the RF combiner and the matrix of the RF precoder by the Hermitian transpose matrix.

도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 결합하도록 구비될 수 있다.It may be provided to combine the digital beam with a singular vector derived through a singular value decomposition operation on the derived low-dimensional effective channel matrix.

본 발명의 다른 실시 양태에 의거, 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법은,According to another embodiment of the present invention, a hybrid beamforming method of a millimeter wave-based large-scale MIMO system,

송신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하는 단계; Deriving a singular vector by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain by a transmitter, and generating a digital beam from the derived singular vector;

송신기의 RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 디지털 빔에 대해 아날로그 빔을 형성하여 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하고, Including the step of performing beamforming by searching for an array response vector from a dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain of the transmitter and forming an analog beam for the digital beam with the searched array response vector,

수신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 수신된 빔을 디지털 결합하는 단계; 및Deriving a singular vector by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain by a receiver, and digitally combining the received beam with the derived singular vector; And

수신기의 RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 결합하는 단계를 포함하도록 구비될 수 있다.It may be provided to include the step of retrieving an array response vector from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain of the receiver and combining the analog beams with the retrieved array response vector.

바람직하게 상기 아날로그 빔 형성 단계는,Preferably the analog beam forming step,

소정 개수의 유효 채널 경로의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고,Set antenna array vectors of a predetermined number of effective channel paths as spectral capacity,

스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며,Selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and removing the selected index from the entire set is repeated,

반복 횟수가 송신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하도록 구비될 수 있다. When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the transmitter, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index may be selected as an array response vector, and an analog beam may be formed using the selected array response vector.

바람직하게 상기 아날로그 빔 결합 단계는,Preferably the analog beam combining step,

수신된 채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 결합 채널 행렬을 도출하고, The combined channel matrix is derived by the product of the received channel matrix and the matrix of the RF precoder,

도출된 결합 채널 행렬의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하며,Set the antenna array vector of the derived combined channel matrix as the spectral capacity,

스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가한 다음 전체 집합에서 선택된 인덱서를 제거하는 과정을 반복 수행하고,After selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and then repeating the process of removing the selected indexer from the entire set,

반복 횟수가 수신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하도록 구비될 수 있다. When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the receiver, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index may be selected as an array response vector, and the beams received as the selected array response vector may be analog-combined.

일 실시 예에 따르면 하이브리드 빔포밍장치의 송신기 및 수신기의 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성 및 결합하고, RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 생성 및 결합하여 데이터 스트림을 복원함에 따라 아날로그 도메인과 디지털 도메인으로 분리하여 하이브리드 빔포밍을 수행하여 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율의 최대화할 수 있고, 이에 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment, a singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix is performed in baseband domains of a transmitter and a receiver of a hybrid beamforming apparatus to derive a singular vector of a data stream, and a digital beam is generated and combined with the derived singular vector. In the RF domain, a subset of the array response vector is retrieved from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique, and an analog beam is generated and combined with the retrieved array response vector to restore the data stream, thereby separating the data stream into an analog domain and a digital domain. By performing forming, spectral efficiency can be maximized with low computational complexity, thereby improving system performance.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예의 시스템의 구성을 보인 개략도이다.
도 2는 일 실시예의 시스템의 RF 프리코더의 동작 순서도이다.
도 3은 일 실시예의 시스템의 RF 결합기의 동작 순서도이다.
도 4는 일 실시예의 SNR 대 스펙트랄 효율의 예시도이다.
도 5는 일 실시예의 안테나 크기 대 스펙트랄 효율의 예시도이다.
도 6은 일 실시예의 전파 경로 수 대 스펙트럼 효율의 예시도이다.
도 7은 일 실시예의 안테나 개수 대 FLOP의 수를 보인 예시도이다.
도 8은 일 실시예의 전파 경로 수 대 FLOP의 수를 보인 예시도이다.
The following drawings attached in the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later, so the present invention is described in such drawings. It is limited to and should not be interpreted.
1 is a schematic diagram showing the configuration of a system according to an embodiment.
2 is a flowchart illustrating an operation of an RF precoder in the system according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating an operation of an RF combiner of the system according to an exemplary embodiment.
4 is an exemplary diagram of SNR versus spectral efficiency in one embodiment.
5 is an exemplary diagram of antenna size versus spectral efficiency in an embodiment.
6 is an exemplary diagram of the number of propagation paths versus spectral efficiency in one embodiment.
7 is an exemplary diagram showing the number of antennas versus the number of FLOPs according to an embodiment.
8 is an exemplary diagram showing the number of propagation paths versus the number of FLOPs according to an embodiment.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will be apparent with reference to the embodiments described later together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and are common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have, and the invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in the present specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Terms used in the present invention have selected general terms that are currently widely used as possible while taking functions of the present invention into consideration, but this may vary according to the intention or precedent of a technician working in the field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning of the terms will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present invention, not a simple name of the term.

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 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, the term "unit" used in the specification refers to a hardware component such as software, FPGA, or ASIC, and "unit" performs certain roles. However, "unit" is not meant to be limited to software or hardware. The “unit” may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.

따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.Thus, as an example, "unit" refers to components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, processes, functions, properties, procedures, Includes subroutines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, database, data structures, tables, arrays and variables. The functions provided within the components and "units" may be combined into a smaller number of components and "units" or may be further separated into additional components and "units".

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.

일 실시 예가 적용되는 통신 시스템은 각각의 구성요소에 대해 임의 개를 임의의 적절한 구성으로 포함할 수도 있다. 일반적으로, 컴퓨팅 및 통신 시스템들은 광범위한 구성들로 나타나며, 도면은 본 개시의 범위를 어떤 특정 구성으로 한정하지 않는다. 도면은 본 특허 문서에서 개시된 다양한 특성들이 사용될 수 있는 하나의 동작 환경을 도시하고 있지만, 그러한 특성들은 어떤 다른 적절한 시스템에서 사용될 수도 있다.The communication system to which the exemplary embodiment is applied may include arbitrary dogs for each component in any appropriate configuration. In general, computing and communication systems appear in a wide variety of configurations, and the drawings do not limit the scope of the present disclosure to any particular configuration. Although the figure shows one operating environment in which the various features disclosed in this patent document may be used, such features may be used in any other suitable system.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일 실시예들은 밀리미터파 채널 환경에서 송신기의 커버리지 내에 속하는 수신기를 대상으로 빔포밍을 수행하는 기술에 관한 것으로, 송신기의 안테나의 개수보다 RF 체인의 개수가 작거나 같은 경우에 다수의 수신기에 동시에 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 수행하는 하이브리드 빔포밍 기술에 관한 것이다. 본 명세서에서는 송신기의 RF 체인의 개수가 안테나의 개수보다 작거나 같은 경우를 가정하여 설명한다. 즉, RF 체인의 개수는 송신기의 안테나 개수 이하일 수 있다.The embodiments relate to a technology for performing beamforming for a receiver that falls within the coverage of a transmitter in a millimeter-wave channel environment. When the number of RF chains is less than or equal to the number of antennas of the transmitter, multiple receivers simultaneously receive digital It relates to a hybrid beamforming technology that performs beamforming and analog beamforming. In this specification, it is assumed that the number of RF chains of the transmitter is less than or equal to the number of antennas. That is, the number of RF chains may be less than or equal to the number of antennas of the transmitter.

또한, 일 실시예에서 송신기와 수신기 간에는 미리 설계된 사전 행렬을 공유하여 저장 및 유지될 수 있으며, 미리 저장된 사전 행렬에 기초하여 송신기는 수신기를 대상으로 아날로그 빔을 형성 및 결합할 수 있다. 여기서, 사전 행렬이라 함은 송신기와 수신 간의 사전에 약속된 어레이 응답 벡터(빔포밍 벡터)들로 구성된 행렬을 의미한다.In addition, in an embodiment, a pre-designed dictionary matrix may be shared between the transmitter and the receiver to be stored and maintained. Based on the pre-stored dictionary matrix, the transmitter may form and combine an analog beam targeting the receiver. Here, the dictionary matrix refers to a matrix composed of array response vectors (beamforming vectors) previously promised between a transmitter and a receiver.

또한, 일 실시예들에서 하이브리드 빔포밍은 기저밴드(baseband) 단에서 수행되는 디지털 빔과 RF 단에서 수행되는 아날로그 빔을 빔포밍하는 것으로 나타낼 수 있다. In addition, in some embodiments, hybrid beamforming may be represented by beamforming a digital beam performed at a baseband end and an analog beam performed at an RF end.

일 실시예들에서는 송신기의 사전 행렬에 기초하여 아날로그 빔포밍을 수행하는 것을 중심으로 설명하나, 수신기 역시 송신기에서 빔포밍되어 전송된 신호를 수신하여 원신호를 복원할 수 있으며, 기지국에서 전송한 원신호를 복원하기 위해 디지털 빔포밍, 아날로그 빔포밍에 대응하는 구성 요소를 포함할 수 있다In some embodiments, an analog beamforming is performed based on a prior matrix of the transmitter, but the receiver can also restore the original signal by receiving a signal transmitted by beamforming by the transmitter. Components corresponding to digital beamforming and analog beamforming may be included in order to restore a signal.

일 실시 예의 송신기는 디지털 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 사용하여 도출된 어레이 응답 벡터로 디지털 빔을 형성하고, 아날로그 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 검색된 어레이 응답 벡터의 서브세트로 아날로그 빔을 형성하여 안테나를 통해 수신기로 전달한다.The transmitter of an embodiment forms a digital beam from an array response vector derived using singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in the digital domain, and a sub of the array response vector retrieved from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the analog domain. An analog beam is formed as a set and transmitted to a receiver through an antenna.

일 실시 예의 수신기는 아날로그 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하여 검색된 어레이 응답 벡터로 안테나를 통해 수신된 빔에 대해 아날로그 결합하고, 디지털 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 사용하여 도출된 특이 벡터로 아날로그 결합된 빔에 대해 디지털 결합하여 데이터 스트림을 출력한다.The receiver of an embodiment searches for a subset of the array response vector from the dictionary matrix through the incremental continuous selection technique in the analog domain, and performs analog coupling to the beam received through the antenna with the searched array response vector, and performs a low-dimensional effective channel in the digital domain. A data stream is output by digitally combining the analog-combined beam with a singular vector derived using the singular value decomposition of the matrix.

도 1은 일 실시예가 적용되는 단일 유저 밀리미터 기반 대규모 MIMO 시스템의 구성을 보인 도면으로서, 도 1을 참조하면, 일 실시 예는 아날로그 도메인과 디지털 도메인을 분리하여 빔포밍하고 안날로그 도메인 및 디지털 도메인을 분리하여 수신된 빔을 결합하여 데이터 스트림을 복원하도록 구현될 수 있다. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a single-user millimeter-based large-scale MIMO system to which an embodiment is applied. Referring to FIG. 1, in an embodiment, an analog domain and a digital domain are separated for beamforming, and an analog domain and a digital domain are formed. It may be implemented to recover the data stream by combining the separately received beams.

이에 일 실시 예가 적용되는 단일 유저 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템(S)은 송신기(100)과 수신기(200)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신기(100)는 N t 개의 안테나(110)와 M t 개의 RF 체인(130)을 포함하고, 수신기(200)는 N r 개의 안테나(210)와 M r 개의 RF 체인(230)을 포함할 수 있다.Accordingly, the single-user millimeter wave-based large-scale MIMO system S to which an embodiment is applied may include a transmitter 100 and a receiver 200. Here, the transmitter 100 has N t antennas 110 and M t RF chain (130) Including, Receiver 200 has N r Antenna 210 and M r RF chain 230 Can include.

또한, 데이터 스트림 N s 는 빔의 형태로 수신기(200)로 보내지고,

Figure 112019106042423-pat00001
이고,
Figure 112019106042423-pat00002
라고 가정하고, 송신기(100)는 데이터 스트림 N s 을 디지털 처리하기 위해
Figure 112019106042423-pat00003
의 행렬
Figure 112019106042423-pat00004
의 기저대역 프리코더(140)와 위상 시프트에 의해 구현되는
Figure 112019106042423-pat00005
의 행렬
Figure 112019106042423-pat00006
의 RF 프리코더(120)를 더 포함할 수 있다.In addition, the data stream N s is sent to the receiver 200 in the form of a beam,
Figure 112019106042423-pat00001
ego,
Figure 112019106042423-pat00002
Assuming that, the transmitter 100 digitally processes the data stream N s
Figure 112019106042423-pat00003
Procession of
Figure 112019106042423-pat00004
Implemented by the baseband precoder 140 and the phase shift of
Figure 112019106042423-pat00005
Procession of
Figure 112019106042423-pat00006
It may further include an RF precoder 120 of.

한편 수신기(200)는

Figure 112019106042423-pat00007
의 행렬
Figure 112019106042423-pat00008
의 RF 결합기(220)와
Figure 112019106042423-pat00009
의 행렬
Figure 112019106042423-pat00010
의 기저대역 결합기(240)를 더 포함하여 수신 신호에 순차적으로 적용하도록 구비될 수 있다.Meanwhile, the receiver 200
Figure 112019106042423-pat00007
Procession of
Figure 112019106042423-pat00008
RF combiner 220 and
Figure 112019106042423-pat00009
Procession of
Figure 112019106042423-pat00010
It may be provided to sequentially apply to the received signal by further including a baseband combiner 240 of.

이러한 협대역 블록 페이딩 전파 채널 모델에서 수신 신호

Figure 112019106042423-pat00011
는 하기 식 1로 주어진다.In this narrowband block fading propagation channel model, the received signal
Figure 112019106042423-pat00011
Is given by Equation 1 below.

[식 1][Equation 1]

Figure 112019106042423-pat00012
Figure 112019106042423-pat00012

여기서,

Figure 112019106042423-pat00013
는 평균 전송 신호 전력이고,
Figure 112019106042423-pat00014
는 하이브리드 결합 후 수신 신호 벡터이며,
Figure 112019106042423-pat00015
Figure 112019106042423-pat00016
이 되도록 정규화된 신호 전력을 가지는 전송 신호 벡터이다. 또한,
Figure 112019106042423-pat00017
Figure 112019106042423-pat00018
를 만족하는 채널행렬이며,
Figure 112019106042423-pat00019
Figure 112019106042423-pat00020
을 포함하는 독립적이고 동일하게 분포된 부가 백색 가우시안 잡음 벡터이다. here,
Figure 112019106042423-pat00013
Is the average transmitted signal power,
Figure 112019106042423-pat00014
Is the received signal vector after hybrid combining,
Figure 112019106042423-pat00015
silver
Figure 112019106042423-pat00016
It is a transmission signal vector having a signal power normalized to be. Also,
Figure 112019106042423-pat00017
silver
Figure 112019106042423-pat00018
Is a channel matrix that satisfies
Figure 112019106042423-pat00019
Is
Figure 112019106042423-pat00020
Is an independent and equally distributed additive white Gaussian noise vector including.

일 실시 예는 밀리미터 기반의 대규모 MIMO 시스템에서 스펙트랄 효율

Figure 112019106042423-pat00021
을 최대화하기 위한 기저대역 프리코더(140)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00022
및 RF 프리코더(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00023
와 RF 결합기(220)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00024
및 기저대역 결합기(240)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00025
를 설계하여야 한다.One embodiment is spectral efficiency in a millimeter-based large-scale MIMO system
Figure 112019106042423-pat00021
Matrix of baseband precoder 140 to maximize
Figure 112019106042423-pat00022
And the matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00023
And the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00024
And matrix of baseband combiner 240
Figure 112019106042423-pat00025
Should be designed.

이에 스펙트랄 효율

Figure 112019106042423-pat00026
는 다음 식 2a 내지 식 2c로 주어진다.This is spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00026
Is given by the following equations 2a to 2c.

[식 2a][Equation 2a]

Figure 112019106042423-pat00027
Figure 112019106042423-pat00027

[식 2b][Equation 2b]

Figure 112019106042423-pat00028
Figure 112019106042423-pat00028

[식 2c][Equation 2c]

Figure 112019106042423-pat00029
Figure 112019106042423-pat00029

여기서,

Figure 112019106042423-pat00030
Figure 112019106042423-pat00031
이다. 식 2b는 RF 도메인에서의 위상 시프트에 의거 도출되고, 식 2c는 송신기(100)의 총 전력 제한으로 도출된다. here,
Figure 112019106042423-pat00030
Wow
Figure 112019106042423-pat00031
to be. Equation 2b is derived based on the phase shift in the RF domain, and Equation 2c is derived as the total power limit of the transmitter 100.

또한 일 실시 예는 밀리미터파 채널의 제한된 산란 특성으로 인해 기하 채널 모델을 채택하고 송신기(100) 및 수신기(200)의 각 안테나(110)(210)는 저잡음 전력증폭기 PA 및 저잡음 전력증폭기 LPA 각각 포함하는 균일 선형 안테나 어레이로 구비된다.In addition, one embodiment adopts a geometric channel model due to the limited scattering characteristics of the millimeter wave channel, and each antenna 110 and 210 of the transmitter 100 and the receiver 200 includes a low noise power amplifier PA and a low noise power amplifier LPA, respectively. It is provided with a uniform linear antenna array.

이에 물리적인 채널 행렬

Figure 112019106042423-pat00032
는 다음 식 3a 및 식 3b를 만족한다.This is the physical channel matrix
Figure 112019106042423-pat00032
Satisfies the following equations 3a and 3b.

[식 3a][Equation 3a]

Figure 112019106042423-pat00033
Figure 112019106042423-pat00033

[식 3b][Equation 3b]

Figure 112019106042423-pat00034
Figure 112019106042423-pat00034

여기서, L 제한된 산란 특성에 대응되는 유효 채널 경로로

Figure 112019106042423-pat00035
로 가정하면, 경로 이득 행렬은
Figure 112019106042423-pat00036
로 나타낼 수 있다. Where L is To the effective channel path corresponding to the limited scattering characteristics
Figure 112019106042423-pat00035
Assuming as, the path gain matrix is
Figure 112019106042423-pat00036
It can be expressed as

여기서,

Figure 112019106042423-pat00037
Figure 112019106042423-pat00038
번째 경로의 복소수 이득이고,
Figure 112019106042423-pat00039
Figure 112019106042423-pat00040
는 어레이 응답 행렬(사전 행렬)이다. 여기서, 어레이 응답 행렬의 열은 송신기(100) 및 수신기(200)에서 방위각 AoD와 AoA에 대응되는 어레이 응답 벡터이고, 정규화된 어레이 응답 벡터는 다음 식 4 및 식 5로 각각 나타낸다.here,
Figure 112019106042423-pat00037
Is
Figure 112019106042423-pat00038
Is the complex gain of the th path,
Figure 112019106042423-pat00039
Wow
Figure 112019106042423-pat00040
Is the array response matrix (the dictionary matrix). Here, the columns of the array response matrix are array response vectors corresponding to the azimuth angles AoD and AoA in the transmitter 100 and the receiver 200, and the normalized array response vectors are represented by the following Equations 4 and 5, respectively.

[식 4][Equation 4]

Figure 112019106042423-pat00041
Figure 112019106042423-pat00041

[식 5][Equation 5]

Figure 112019106042423-pat00042
Figure 112019106042423-pat00042

여기서,

Figure 112019106042423-pat00043
Figure 112019106042423-pat00044
Figure 112019106042423-pat00045
번째 경로의 방위각 AoD(angle of departure)와 AoA(angle of arrival)이고, d 안테나 간격이며, λ는 캐리어 신호의 파장이다.here,
Figure 112019106042423-pat00043
Wow
Figure 112019106042423-pat00044
Is
Figure 112019106042423-pat00045
Is the azimuth angle of departure (AoD) and angle of arrival (AoA) of the first route, and d is Is the antenna spacing, and λ is the wavelength of the carrier signal.

최적의 하이브리드 빔포밍장치는 채널 행렬

Figure 112019106042423-pat00046
의 특이값 분해의 첫번째 데이터 스트림 N s 오른쪽/왼쪽 특이(singular) 벡터를 취함으로써 제공될 수 있다. The optimal hybrid beamforming device is a channel matrix
Figure 112019106042423-pat00046
The first data stream of the singular decomposition of N s can be provided by taking the right/left singular vectors.

또한 최적의 프리코더 및 결합기의 열은 어레이 응답 벡터

Figure 112019106042423-pat00047
,
Figure 112019106042423-pat00048
Figure 112019106042423-pat00049
각각의 선형 결합으로 나타낼 수 있다.In addition, the optimal precoder and combiner columns are the array response vectors.
Figure 112019106042423-pat00047
,
Figure 112019106042423-pat00048
Figure 112019106042423-pat00049
It can be represented by each linear combination.

즉, 스펙트랄 효율

Figure 112019106042423-pat00050
를 최대화하고 시스템의 성능을 개선하며 공동 RF / 기저대역 최적화에 대한 연산 복잡성을 줄이기 위해, 일 실시 예의 하이브리드 빔포밍장치는 아날로그 및 디지털 도메인을 분리하여 디지털 스트림을 빔포밍하고, 아날로그 및 디지털 도메인을 분리하여 수신된 빔을 결합하여 복원할 수 있다. 즉, 하이브리드 빔장치는 아날로그 도메인(RF 도메인)에서 사전의 어레이 응답 벡터의 서브세트를 사용하여 RF 프리코더(120) 및 RF 결합기(220) 행렬을 설계하고, 디지털 도메인(기저대역 도메인)에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 이용하여 도출된 특이 벡터로 기저대역 프리코더(140) 및 기저대역 결합기(240) 행렬을 생성할 수 있다I.e. spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00050
In order to maximize the performance of the system, improve the performance of the system, and reduce the computational complexity for joint RF/baseband optimization, the hybrid beamforming apparatus of an embodiment separates the analog and digital domains to beamforming a digital stream, and separates the analog and digital domains. The separated and received beams can be combined and restored. That is, the hybrid beam apparatus designs the RF precoder 120 and RF combiner 220 matrices using a subset of the array response vectors in advance in the analog domain (RF domain), and saves them in the digital domain (baseband domain). The baseband precoder 140 and the baseband combiner 240 may generate matrices with singular vectors derived using singular value decomposition of the dimensional effective channel matrix.

스펙트랄 효율

Figure 112019106042423-pat00051
을 최대화하기 위해, 일 실시 예에서 송신기(100)의 기저대역 프리코드(140)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00052
및 기저대역 프리코드(140)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00053
에 대한 Hermitian 전치 행렬
Figure 112019106042423-pat00054
Figure 112019106042423-pat00055
을 만족한다고 가정하고, 기저대역 결합기(240)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00056
및 기저대역 결합기(240)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00057
의 Hermitian 전치 행렬
Figure 112019106042423-pat00058
Figure 112019106042423-pat00059
를 만족한다고 가정하면, RF 프리코더(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00060
와 RF 결합기(220)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00061
는 스펙트랄 효율의 최대화를 위해, 사전 행렬
Figure 112019106042423-pat00062
,
Figure 112019106042423-pat00063
L 어레이의 응답 벡터 중 RF 체인(130)의 M t 벡터 및 RF 체인(230)의 M r 벡터의 선택하여 설계된다. 여기서
Figure 112019106042423-pat00064
는 Ns X Ns 단위 행렬이다. Spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00051
In order to maximize, in one embodiment, the matrix of the baseband precode 140 of the transmitter 100
Figure 112019106042423-pat00052
And a matrix of baseband precodes 140
Figure 112019106042423-pat00053
Hermitian transpose matrix for
Figure 112019106042423-pat00054
Is
Figure 112019106042423-pat00055
Assuming that is satisfied, the matrix of the baseband combiner 240
Figure 112019106042423-pat00056
And matrix of baseband combiner 240
Figure 112019106042423-pat00057
Hermitian transpose matrix
Figure 112019106042423-pat00058
Is
Figure 112019106042423-pat00059
Assuming that is satisfied, the matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00060
And the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00061
Is the prior matrix for maximization of spectral efficiency.
Figure 112019106042423-pat00062
,
Figure 112019106042423-pat00063
M t vector of the RF chain 130 among the response vectors of the L array of And the selection of the M r vector of the RF chain 230. here
Figure 112019106042423-pat00064
Is the N s XN s It is an identity matrix.

기저대역 프리코드(140)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00065
와 기저대역 결합기(240)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00066
와 RF 프리코더(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00067
와 RF 결합기(220)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00068
의 최적화는 스펙트랄 효율
Figure 112019106042423-pat00069
의 최대화 문제의 해로 도출될 수 있고, 스펙트랄 효율
Figure 112019106042423-pat00070
의 최대화 문제는 하기 식 6a 및 식 6b로 각각 공식화될 수 있다.Matrix of baseband precodes (140)
Figure 112019106042423-pat00065
And matrix of baseband combiner 240
Figure 112019106042423-pat00066
And the matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00067
And the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00068
Optimization of the spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00069
Can be derived as a solution to the maximization problem of spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00070
The maximization problem of can be formulated by the following equations 6a and 6b, respectively.

[식 6a][Equation 6a]

Figure 112019106042423-pat00071
Figure 112019106042423-pat00071

[식 6b][Equation 6b]

Figure 112019106042423-pat00072
Figure 112019106042423-pat00072

여기서,

Figure 112019106042423-pat00073
이다.here,
Figure 112019106042423-pat00073
to be.

또한 고정된 RF 프리코더(120)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00074
및 RF 결합기(220)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00075
와 기저대역 프리코더(140)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00076
및 기저대역 결합기(240)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00077
의 최적화는 스펙트랄 효율
Figure 112019106042423-pat00078
최대화 문제의 해로 도출될 수 있다.Also, the matrix of the fixed RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00074
And the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00075
And matrix of baseband precoder (140)
Figure 112019106042423-pat00076
And matrix of baseband combiner 240
Figure 112019106042423-pat00077
Optimization of the spectral efficiency
Figure 112019106042423-pat00078
It can be derived as a solution to the maximization problem.

그리고, RF 프리코더(120) 및 RF 결합기(220) 각각은 방위각 AoD와 AoA로부터 도출되는 고정 크기의 어레이 응답 벡터

Figure 112019106042423-pat00079
Figure 112019106042423-pat00080
의 요소를 가지며, 위상 시프트에 의해 구현될 수 있다.And, each of the RF precoder 120 and the RF combiner 220 is a fixed-size array response vector derived from the azimuth AoD and AoA
Figure 112019106042423-pat00079
Figure 112019106042423-pat00080
It has an element of, and can be implemented by phase shift.

우선 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율의 최대화 문제의 해를 도출하기 위해 RF 프리코더(120) 및 RF 결합기(220)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00081
,
Figure 112019106042423-pat00082
의 최적화를 도출한다. 즉, RF 결합기의 행렬은
Figure 112019106042423-pat00083
을 만족하고 대형 안테나 어레이가 유지된다고 가정하에 RF 프리코더(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00084
는 설계되어야 한다.First, the matrix of the RF precoder 120 and the RF combiner 220 to derive a solution to the problem of maximizing spectral efficiency with low computational complexity.
Figure 112019106042423-pat00081
,
Figure 112019106042423-pat00082
To derive the optimization of. In other words, the matrix of the RF combiner is
Figure 112019106042423-pat00083
And the matrix of the RF precoder 120 on the assumption that a large antenna array is maintained.
Figure 112019106042423-pat00084
Must be designed.

즉, RF 결합기(220)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00085
Figure 112019106042423-pat00086
의 결합 채널 행렬
Figure 112019106042423-pat00087
을 적용하여 설계된다. 각각 RF 프리코더(120) 및 RF 결합기(220)의 준최적화 문제는 다음 식 7a 및 식 7b로 주어진다.That is, the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00085
Is
Figure 112019106042423-pat00086
Combined channel matrix of
Figure 112019106042423-pat00087
It is designed by applying. The sub-optimization problem of the RF precoder 120 and RF combiner 220, respectively, is given by the following equations 7a and 7b.

[식 7a][Equation 7a]

Figure 112019106042423-pat00088
Figure 112019106042423-pat00088

[식 7b][Equation 7b]

Figure 112019106042423-pat00089
Figure 112019106042423-pat00089

여기서,

Figure 112019106042423-pat00090
이다. 여기서,
Figure 112019106042423-pat00091
는 평균 전송 신호 전력이고, N s 는 데이터 심볼이며,
Figure 112019106042423-pat00092
는 분산이다.here,
Figure 112019106042423-pat00090
to be. here,
Figure 112019106042423-pat00091
Is the average transmitted signal power, N s is the data symbol,
Figure 112019106042423-pat00092
Is the variance.

그리고 낮은 연산 복잡도로 최적의 어레이 응답 벡터를 선택하기 위해 일 실시 예의 RF 프리코더(120) 및 RF 결합기(220)는 사전에서 정의된 어레이 응답 벡터의 서브세트를 증분 연속 선택 알고리즘을 사용하여 선택한다. In addition, in order to select an optimal array response vector with low computational complexity, the RF precoder 120 and the RF combiner 220 of an embodiment select a subset of the array response vectors defined in advance using an incremental continuous selection algorithm. .

즉, 임의의 m 번째 반복에 대해 최대 스펙트럼 용량(채널 용량)을 제공하기 위한 사전 행렬

Figure 112019106042423-pat00093
Figure 112019106042423-pat00094
번째 열은 RF 프리코더(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00095
m 번째 열로 선택된다. 또한 RF 프리코더(120)의 부분 행렬
Figure 112019106042423-pat00096
은 사전 행렬
Figure 112019106042423-pat00097
m 번째 열로 선택되고, m 번째 반복에 대응되는 스펙트럼 용량
Figure 112019106042423-pat00098
,
Figure 112019106042423-pat00099
은 하기 식 8로 나타낸다.That is, a dictionary matrix to provide the maximum spectral capacity (channel capacity) for any m-th iteration
Figure 112019106042423-pat00093
of
Figure 112019106042423-pat00094
The first column is the matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00095
Is selected as the m th column of. Also, the partial matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00096
Is a dictionary matrix
Figure 112019106042423-pat00097
Spectral capacity selected as the m- th column of and corresponding to the m-th iteration
Figure 112019106042423-pat00098
,
Figure 112019106042423-pat00099
Is represented by the following formula (8).

[식 8][Equation 8]

Figure 112019106042423-pat00100
Figure 112019106042423-pat00100

여기서,

Figure 112019106042423-pat00101
이다. here,
Figure 112019106042423-pat00101
to be.

사전 행렬

Figure 112019106042423-pat00102
의 부분 행렬
Figure 112019106042423-pat00103
을 고려하면, m+1 번째 반복에 대한 사전 행렬
Figure 112019106042423-pat00104
에서 RF 프리코더(120)는 m+1 번째 반복에서의 스펙트럼 용량
Figure 112019106042423-pat00105
을 설정하고, 설정된 m+1 번째 반복에서의 스펙트럼 용량
Figure 112019106042423-pat00106
는 하기 식 9로 주어진다.Dictionary matrix
Figure 112019106042423-pat00102
Partial matrix of
Figure 112019106042423-pat00103
Considering, the lexicographic matrix for the m+1th iteration
Figure 112019106042423-pat00104
In the RF precoder (120) is the spectral capacity at m+1th iteration
Figure 112019106042423-pat00105
And the spectral capacity at the set m+1th iteration
Figure 112019106042423-pat00106
Is given by Equation 9 below.

[식 9][Equation 9]

Figure 112019106042423-pat00107
Figure 112019106042423-pat00107

식 9에 Sherman-Morrision 공식과

Figure 112019106042423-pat00108
를 적용하면, 다음 식 10을 도출할 수 있다.Sherman-Morrision formula in Equation 9 and
Figure 112019106042423-pat00108
If is applied, the following Equation 10 can be derived.

[식 10][Equation 10]

Figure 112019106042423-pat00109
Figure 112019106042423-pat00109

그리고, 양의 반정 부호 행렬(positive semidefinite matrix)인

Figure 112019106042423-pat00110
로 정의하면 식 10은 하기 식 11로 정리된다.And, the positive semidefinite matrix
Figure 112019106042423-pat00110
If defined as, Equation 10 is summarized in Equation 11 below.

[식 11][Equation 11]

Figure 112019106042423-pat00111
Figure 112019106042423-pat00111

여기서, 식 11에서 증분 값

Figure 112019106042423-pat00112
Figure 112019106042423-pat00113
에 대한 양의 수이고, 스페트럼 용량
Figure 112019106042423-pat00114
m 의 증가 함수이다.Where, the increment value in Equation 11
Figure 112019106042423-pat00112
silver
Figure 112019106042423-pat00113
Is the number of positives for the spectral capacity
Figure 112019106042423-pat00114
Is the increasing function of m.

식 11로부터 m+1 반복에서 선택된 스펙트럼 용량

Figure 112019106042423-pat00115
에 대한
Figure 112019106042423-pat00116
번째 어레이 응답 벡터의 기여
Figure 112019106042423-pat00117
는 다음 식 12에 의거 결정된다.Spectral capacity selected from m+1 iterations from Equation 11
Figure 112019106042423-pat00115
for
Figure 112019106042423-pat00116
The contribution of the first array response vector
Figure 112019106042423-pat00117
Is determined according to Equation 12 below.

[식 12] [Equation 12]

Figure 112019106042423-pat00118
Figure 112019106042423-pat00118

식 11 및 식 12로부터 m+1 번째 반복에서 선택된 스펙트럼 용량

Figure 112019106042423-pat00119
은 다음 식 13으로 정리된다.Spectral capacity selected in m+ 1th iteration from Equation 11 and Equation 12
Figure 112019106042423-pat00119
Is summarized in Equation 13 below.

[식 13][Equation 13]

Figure 112019106042423-pat00120
Figure 112019106042423-pat00120

여기서,

Figure 112019106042423-pat00121
번째 경로는
Figure 112019106042423-pat00122
,
Figure 112019106042423-pat00123
이고, 최대 스펙트럼 용량과 동일한
Figure 112019106042423-pat00124
번째 안테나 어레이 벡터는 하기 식 14로 얻어진다.here,
Figure 112019106042423-pat00121
The second path is
Figure 112019106042423-pat00122
,
Figure 112019106042423-pat00123
And is equal to the maximum spectral capacity
Figure 112019106042423-pat00124
The antenna array vector is obtained by Equation 14 below.

[식 14][Equation 14]

Figure 112019106042423-pat00125
Figure 112019106042423-pat00125

매회 반복에 대해 양의 반정 부호 행렬

Figure 112019106042423-pat00126
Figure 112019106042423-pat00127
으로 업데이트되며 업데이트된 양의 반정 부호 행렬
Figure 112019106042423-pat00128
는 하기 식 15와 같다.Positive half-definite matrix for each iteration
Figure 112019106042423-pat00126
silver
Figure 112019106042423-pat00127
And updated positive half-definite matrix
Figure 112019106042423-pat00128
Is as shown in Equation 15 below.

[식 15][Equation 15]

Figure 112019106042423-pat00129
Figure 112019106042423-pat00129

여기서, (a)는 Sherman-Morrison 공식을 적용하여 도출될 수 있으며, (a)는 하기 식 16으로 얻어진다. Here, (a) can be derived by applying the Sherman-Morrison formula, and (a) is obtained by Equation 16 below.

[식 16][Equation 16]

Figure 112019106042423-pat00130
Figure 112019106042423-pat00130

식 16을 식 15에 대입하여 정리하면, 하기 식 17으로 도출된다.If Equation 16 is substituted for Equation 15 and summarized, it is derived by Equation 17 below.

[식 17][Equation 17]

Figure 112019106042423-pat00131
Figure 112019106042423-pat00131

이에 연산 복잡도를 감소하기 위해

Figure 112019106042423-pat00132
번째 어레이 응답 벡터의 기여
Figure 112019106042423-pat00133
는 식 19와 같이 초기화될 수 있다.Therefore, in order to reduce the computational complexity
Figure 112019106042423-pat00132
The contribution of the first array response vector
Figure 112019106042423-pat00133
Can be initialized as in Equation 19.

[식 19][Equation 19]

Figure 112019106042423-pat00134
Figure 112019106042423-pat00134

일 실시 예의 RF 프리코더(120)는 행렬

Figure 112019106042423-pat00135
를 구성하기 위해 사전 행렬
Figure 112019106042423-pat00136
Figure 112019106042423-pat00137
번째 열 중
Figure 112019106042423-pat00138
의 어레이 응답 벡터를 선택하는 알고리즘을 수행한다.The RF precoder 120 of an embodiment is a matrix
Figure 112019106042423-pat00135
Dictionary matrix to construct
Figure 112019106042423-pat00136
of
Figure 112019106042423-pat00137
Out of the second column
Figure 112019106042423-pat00138
Perform an algorithm to select an array response vector of.

도 2는 RF 프리코더(120)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00139
를 도출하는 일련의 과정과 각 단계 별 연산 복잡도를 보인 도면으로서, 도 2를 참조하면, RF 프리코더(120)는 양의 반정 부호 행렬
Figure 112019106042423-pat00140
,
Figure 112019106042423-pat00141
, 및
Figure 112019106042423-pat00142
번째 어레이 응답 벡터의 기여
Figure 112019106042423-pat00143
를 각각 연산하며, 이때 연산 복잡도는 도 2에 도시된 바와 같다. 2 is a matrix of the RF precoder 120
Figure 112019106042423-pat00139
As a diagram showing a series of processes for deriving and computational complexity for each step, referring to FIG. 2, the RF precoder 120 is a positive half-definite code matrix
Figure 112019106042423-pat00140
,
Figure 112019106042423-pat00141
, And
Figure 112019106042423-pat00142
The contribution of the first array response vector
Figure 112019106042423-pat00143
Each is calculated, and the calculation complexity is as shown in FIG. 2.

즉, 단계 1에서, RF 프리코더(120)는 양의 반정 부호 행렬

Figure 112019106042423-pat00144
, 선택된 어레이 응답 벡터들의 인덱스 집합
Figure 112019106042423-pat00145
, 전체집합
Figure 112019106042423-pat00146
의 어레이 응답 벡터를 초기화한다. 단계 2 내지 4에서 일 실시 예는 1부터 L을 포함하는 유효 채널 경로
Figure 112019106042423-pat00147
의 각 안테나 어레이 벡터의 기여를
Figure 112019106042423-pat00148
로 초기화한다.That is, in step 1, the RF precoder 120 is a positive half-definite code matrix
Figure 112019106042423-pat00144
, The set of indices of the selected array response vectors
Figure 112019106042423-pat00145
, Whole set
Figure 112019106042423-pat00146
Initialize the array response vector of. In steps 2 to 4, one embodiment includes L from 1 Effective channel path
Figure 112019106042423-pat00147
The contribution of each antenna array vector of
Figure 112019106042423-pat00148
Initialize with

그리고, 단계 5 내지 단계 8에서, 일 실시 예는 스펙트럼 용량의 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스

Figure 112019106042423-pat00149
를 선택한 다음 전체집합
Figure 112019106042423-pat00150
에서 선택된 어레이 응답 벡터의 인덱스
Figure 112019106042423-pat00151
를 제거하는 반면, 기 선택된 인덱스들의 집합인
Figure 112019106042423-pat00152
에 어레이 응답 벡터의 인덱스
Figure 112019106042423-pat00153
를 추가한다. 단계 9, 10, 11 및 12에서, 일 실시 예는 반복 횟수 m이 RF 체인(130)의 수 M t 보다 작은 경우 식 16 내지 18에 의거 양의 반정 부호 행렬
Figure 112019106042423-pat00154
Figure 112019106042423-pat00155
으로 업데이트한다. 반복 횟수 m이 RF 체인(130)의 수 M t 에 도달할 때까지 단계 9 내지 11, 및 12 내지 14를 반복 수행한다.And, in step 5 to step 8, one embodiment is the index of the array response vector contributed to the maximum of the spectral capacity
Figure 112019106042423-pat00149
Select and then set the whole
Figure 112019106042423-pat00150
The index of the array response vector selected from
Figure 112019106042423-pat00151
Is removed, whereas the set of pre-selected indices
Figure 112019106042423-pat00152
The index of the array response vector to
Figure 112019106042423-pat00153
Add In steps 9, 10, 11 and 12, in one embodiment, the number of repetitions m is greater than the number M t of the RF chain 130 For small cases, a positive half-code matrix according to Equations 16 to 18
Figure 112019106042423-pat00154
To
Figure 112019106042423-pat00155
Update to. Steps 9 to 11 and 12 to 14 are repeated until the number of repetitions m reaches the number M t of the RF chains 130.

한편, 식 8 내지 식 19를 변환하여 식 7b의 준최적화 문제의 해를 도출함에 따라 RF 결합기(220)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00156
를 생성할 수 있다.Meanwhile, the matrix of the RF combiner 220 is obtained by transforming Equations 8 to 19 to derive the solution of the sub-optimization problem of Equation 7b.
Figure 112019106042423-pat00156
Can be created.

도 3은 RF 결합기(220)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00157
를 생성하는 과정과 각 단계 별 연산 복잡도를 나타낸 도면으로서, 도 3을 참조하면, RF 결합기(220)는 사전 행렬
Figure 112019106042423-pat00158
L 열에서 M r 어레이의 응답 벡터를 선택하는 과정을 통해 RF 결합기(220)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00159
을 도출할 수 있다. 3 is a matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00157
As a diagram showing the process of generating and the computational complexity for each step, referring to FIG. 3, the RF combiner 220 is a dictionary matrix
Figure 112019106042423-pat00158
Of M r in column L of Matrix of the RF combiner 220 through the process of selecting the response vector of the array
Figure 112019106042423-pat00159
Can be derived.

여기서, RF 결합기(220)의 행렬

Figure 112019106042423-pat00160
를 도출하는 일련의 과정은 RF 프리코드(120)의 행렬
Figure 112019106042423-pat00161
를 도출하는 일련의 과정과 동일 또는 유사하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.Here, the matrix of the RF combiner 220
Figure 112019106042423-pat00160
A series of processes for deriving is the matrix of the RF precode 120
Figure 112019106042423-pat00161
Since it is the same or similar to a series of processes for deriving a, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 일 실시 예는 스펙트랄 효율 최대화 문제의 해로 기저대역 프리코더(140) 및 기저대역 결합기(240)의 각 행렬

Figure 112019106042423-pat00162
,
Figure 112019106042423-pat00163
를 결정할 수 있고, 저차원 유효 채널
Figure 112019106042423-pat00164
은 다음 식 20으로 정의된다.Meanwhile, in an embodiment, each matrix of the baseband precoder 140 and the baseband combiner 240 is a solution to the spectral efficiency maximization problem.
Figure 112019106042423-pat00162
,
Figure 112019106042423-pat00163
Can determine the low-dimensional effective channel
Figure 112019106042423-pat00164
Is defined by Equation 20 below.

[식 20][Equation 20]

Figure 112019106042423-pat00165
Figure 112019106042423-pat00165

기저대역 프리코더(140) 및 기저대역 결합기(240)는 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해의 연산

Figure 112019106042423-pat00166
에 의해 행렬
Figure 112019106042423-pat00167
,
Figure 112019106042423-pat00168
를 각각 생성할 수 있다. The baseband precoder 140 and the baseband combiner 240 calculate the singular value decomposition of the low-dimensional effective channel matrix
Figure 112019106042423-pat00166
Procession by
Figure 112019106042423-pat00167
,
Figure 112019106042423-pat00168
Each can be created.

즉, 일 실시 예는 각 행렬

Figure 112019106042423-pat00169
,
Figure 112019106042423-pat00170
에 대해
Figure 112019106042423-pat00171
Figure 112019106042423-pat00172
의 첫번째 데이터 스트림 N s 열을 각각 획득할 수 있다.That is, in one embodiment, each matrix
Figure 112019106042423-pat00169
,
Figure 112019106042423-pat00170
About
Figure 112019106042423-pat00171
And
Figure 112019106042423-pat00172
Each of the first data streams N s of may be obtained.

이에 각 행렬

Figure 112019106042423-pat00173
,
Figure 112019106042423-pat00174
을 생성하기 위해 유효 채널 행렬
Figure 112019106042423-pat00175
의 특이값 분해를 수행하면, 채널 행렬
Figure 112019106042423-pat00176
의 크기보다 유효 채널 행렬
Figure 112019106042423-pat00177
크기가 작기 때문에 일 실시 예의 연산 복잡도는 크게 감소된다. Each matrix
Figure 112019106042423-pat00173
,
Figure 112019106042423-pat00174
Effective channel matrix to generate
Figure 112019106042423-pat00175
Performing the singular value decomposition of, the channel matrix
Figure 112019106042423-pat00176
Effective channel matrix than the size of
Figure 112019106042423-pat00177
Since the size is small, the computational complexity of an embodiment is greatly reduced.

시스템 성능에 대한 시뮬레이션 결과Simulation results for system performance

일 실시 예의 단일 유저 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템에서 유효 채널 경로 L= 15 인 채널 환경에서 균일한 분포된 랜덤 방위각 AoD 및 AoA 이

Figure 112019106042423-pat00178
이고, 안테나 간격
Figure 112019106042423-pat00179
이며, 송신기(100)와 수신기(200)의 RF 체인(130)의 수가 동일하며, 최소 소비 에너지를 가지는 멀티 스트림 전송을 위해 RF 체인(130)의 수와 데이터 스트림 N s 동일하다고 가정하자. 즉
Figure 112019106042423-pat00180
,
Figure 112019106042423-pat00181
. 여기서, 신호대 잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)는
Figure 112019106042423-pat00182
으로, 분산과 평균 전송신호 전력의 비로 나타낸다. 그리고, 데이트 스트림 당 동일한 전력 할당을 가지는 각 프리코더에는 동일한 총 전력 제약이 적용된다. In a single-user millimeter wave-based large-scale MIMO system according to an embodiment, uniformly distributed random azimuth angles AoD and AoA are obtained in a channel environment with an effective channel path L=15.
Figure 112019106042423-pat00178
Is, and the antenna spacing
Figure 112019106042423-pat00179
It is assumed that the number of RF chains 130 of the transmitter 100 and the receiver 200 is the same, and that the number of RF chains 130 and the data stream N s are the same for multi-stream transmission having the minimum energy consumption. In other words
Figure 112019106042423-pat00180
,
Figure 112019106042423-pat00181
. Here, the signal-to-noise ratio (SNR) is
Figure 112019106042423-pat00182
It is expressed as the ratio of the variance and the average transmission signal power. In addition, the same total power constraint is applied to each precoder having the same power allocation per data stream.

도 4는 이고, Nt = Nr = 64 and M = Ns = 4 인 균일 선형 어레이(ULA : uniform linear array) 시스템에서 다양한 신호대 잡음 비에 대해 달성할 수 있는 스펙트랄 효율을 비교한 도면으로서, 도 4를 참조하면, 일 실시 예는 스펙트랄 효율 최대화 문제의 해로 행렬

Figure 112019106042423-pat00183
,
Figure 112019106042423-pat00184
,
Figure 112019106042423-pat00185
,
Figure 112019106042423-pat00186
를 생성되므로, 신호대 잡음비(SNR) 범위에서 기존의 알고리즘(OMP)과 비교하여 높은 시스템의 성능이 달성됨을 알 수 있다. FIG. 4 is a diagram comparing spectral efficiencies that can be achieved for various signal-to-noise ratios in a uniform linear array (ULA) system with Nt = Nr = 64 and M = Ns = 4, and FIG. 4 Referring to, an embodiment is a matrix as a solution to the spectral efficiency maximization problem
Figure 112019106042423-pat00183
,
Figure 112019106042423-pat00184
,
Figure 112019106042423-pat00185
,
Figure 112019106042423-pat00186
As compared to the conventional algorithm (OMP) in the signal-to-noise ratio (SNR) range, it can be seen that high system performance is achieved.

도 5는 M = Ns = 4이고 SNR = 10 dB 인 시스템에서, Nt = Nr = {32, 64, 128, 256, 512}의 안테나 어레이 크기 별 달성할 수 있는 스펙트랄 효율을 보인 도면으로서, 도 5를 참조하면, 큰 안테나 어레이의 한계에서 어레이 응답 벡터가 최적의 프리코딩 벡터 및 결합 벡터로 수렴되므로, 일 실시 예에 의거 시스템의 성능은 기존의 OMP 알고리즘에 비해 우수함을 알 수 있다.5 is a diagram showing the spectral efficiency achievable for each antenna array size of Nt = Nr = {32, 64, 128, 256, 512} in a system with M = Ns = 4 and SNR = 10 dB. Referring to 5, since the array response vector converges to an optimal precoding vector and a combination vector at the limit of a large antenna array, it can be seen that the performance of the system is superior to that of the conventional OMP algorithm according to an embodiment.

도 6은 Nt = Nr = 64, M = Ns = 4, SNR = 10 dB 인 시스템에서 달성 할 수 있는 스펙트럼 효율에 대한 채널의 전파 경로 수의 영향을 보인 도면으로서, 도 6을 참조하면, 유효 채널 경로 L = 40와 같은 산란 채널 환경에서 일 실시 예는 기존의 OMP 알고리즘보다 약 7.4 %의 스펙트럼 효율 이득을 달성됨을 확인할 수 있다.6 is a diagram showing the effect of the number of propagation paths of a channel on the spectral efficiency achievable in a system with Nt = Nr = 64, M = Ns = 4, and SNR = 10 dB. It can be seen that in the scattering channel environment such as path L = 40, an exemplary embodiment achieves a spectral efficiency gain of about 7.4% compared to the conventional OMP algorithm.

도 7은 다양한 안테나 어레이 크기 별 floating-point operations (FLOPs) 수를 보인 도면으로서, 도 7을 참조하면, Nt = Nr = {32, 64, 128, 256, 512}이고 M = Ns = 4인 균일 선형 어레이 시스템에서, 일 실시 예의 연산 복잡도는 기존의 OMP 알고리즘에 비교하여 감소됨을 알 수 있다. 예를 들어, Nt = Nr = 32 및 Nt = Nr = 512인 경우, 기존의 OMP 알고리즘 대비 일 실시 예의 연산 복잡도 감소 비가 각각 78.8%, 98.7% 이다.7 is a diagram showing the number of floating-point operations (FLOPs) for each size of various antenna arrays. Referring to FIG. 7, Nt = Nr = {32, 64, 128, 256, 512} and M = Ns = 4 It can be seen that in the linear array system, the computational complexity of an embodiment is reduced compared to the conventional OMP algorithm. For example, in the case of Nt = Nr = 32 and Nt = Nr = 512, the reduction ratio of the computational complexity of an embodiment compared to the conventional OMP algorithm is 78.8% and 98.7%, respectively.

도 8은 Nt = Nr = 64 및 M = Ns = 4인 균일 선형 어레이 시스템에서 전파 경로의 수가 변할 때 연산 복잡도를 보인 도면으로서, 도 8을 참조하면, 유효 채널 경로 L = 4 이고, L = 40일 때 일 실시 예에 의한 연산 복잡도가 기존의 OMP 알고리즘의 연산 복잡도 대비 각각 96.5%, 74.3% 낮음을 알 수 있다. FIG. 8 is a diagram showing computational complexity when the number of propagation paths changes in a uniform linear array system with Nt = Nr = 64 and M = Ns = 4. Referring to FIG. 8, an effective channel path L = 4 and L = 40 When is, it can be seen that the computational complexity according to an embodiment is 96.5% and 74.3% lower than that of the existing OMP algorithm, respectively.

이에 일 실시 예는 아날로그 도메인에서 사전의 어레이 응답 벡터의 서브세트를 증분 연속 선택 기법을 통해 검색하여 RF 프리코더 및 RF 결합기를 생성하고, 디지털 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를사용하여 기저대역 프리코더 및 기저대역 결합기를 생성함에 따라 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율을 최대화할 수 있고, 밀리미터 기반 대규모 MIMO 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.Accordingly, one embodiment generates an RF precoder and an RF combiner by searching for a subset of the prior array response vectors in the analog domain through an incremental continuous selection technique, and using singular value decomposition of the low-dimensional effective channel matrix in the digital domain. By generating a baseband precoder and a baseband combiner, spectral efficiency can be maximized with low computational complexity, and performance of a millimeter-based large-scale MIMO system can be improved.

일 실시 예의 다른 양태에 의거 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법은, 송신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하는 단계; RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 디지털 빔에 대해 아날로그 빔을 형성하는 단계를 포함하고, 수신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 수신된 빔을 디지털 결합하는 단계; 및 RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 결합하는 단계를 포함하도록 구비될 수 있다.According to another aspect of an embodiment, the hybrid beamforming method of a millimeter wave-based large-scale MIMO system is performed by decomposing a singular value of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain by a transmitter to derive a singular vector of a data stream. Generating a digital beam from a vector; Retrieving a subset of the array response vectors from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain, and forming an analog beam for the digital beam with the retrieved array response vector, and is valid in a baseband domain by a receiver. Deriving a singular vector of the data stream by performing singular value decomposition of the channel matrix, and digitally combining the received beam with the derived singular vector; And retrieving a subset of the array response vectors from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain and combining the analog beams with the retrieved array response vectors.

여기서, 상기 아날로그 빔 형성 단계는, 소정 개수의 유효 채널 경로의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고, 최대 스펙트럼 용량을 가지는 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며, 반복 횟수가 송신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하도록 구비될 수 있다. Here, in the step of forming the analog beam, the antenna array vectors of a predetermined number of effective channel paths are set as the spectral capacity, the index of the array response vector having the maximum spectral capacity is selected, and the selected index is added to the set of pre-selected indices. , Iteratively performs the process of removing the selected index from the entire set, and when the number of iterations reaches the number of RF chains of the transmitter, the column of the dictionary matrix corresponding to the selected index is selected as the array response vector, and the selected array response vector is analog. It may be provided to form a beam.

또한, 상기 아날로그 빔 결합 단계는, 수신된 채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 결합 채널 행렬을 도출하고, 도출된 결합 채널 행렬의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고, 최대 스펙트럼 용량을 가지는 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며, 반복 횟수가 수신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하도록 구비될 수 있다. In addition, in the step of combining the analog beam, a combined channel matrix is derived by a product of a received channel matrix and a matrix of an RF precoder, and an antenna array vector of the derived combined channel matrix is set as a spectral capacity, and has a maximum spectral capacity. After selecting the index of the array response vector, the selected index is added to the set of pre-selected indices, and the process of removing the selected index from the entire set is repeated. When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the receiver, the selected index is It may be provided to select a column of a corresponding dictionary matrix as an array response vector and analogly combine a beam received with the selected array response vector.

한편, 상기 디지털 빔 형성 단계는, RF 결합기의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬과 채널 행렬과 RF 프리코드의 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고, 도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하도록 구비될 수 있다.Meanwhile, in the digital beam forming step, a low-dimensional effective channel matrix is derived by multiplying a Hermitian transpose matrix for a matrix of an RF combiner and a channel matrix and a matrix of an RF precode, and singular values for the derived low-dimensional effective channel matrix It may be provided to generate a digital beam with a singular vector derived through a decomposition operation.

상기 디지털 빔 결합 단계는, RF 프리코더의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬과 채널 행렬과 RF RF 결합기의 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고 도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 결합하도록 구비될 수 있으며, 이러한 하이브리드 빔포밍 방법의 각 단계는 전술한 송신기(100)의 기저대역 프리코더(140), RF 프리코더(120)과 수신기(200)의 RF 결합기(220)와 기저대역 결합기(240)에서 수행되는 기능으로 자세한 원용은 생략한다. The digital beam combining step is to derive a low-dimensional effective channel matrix by multiplying the Hermitian transpose matrix for the matrix of the RF precoder and the channel matrix and the matrix of the RF RF combiner to derive a singular value decomposition operation on the derived low-dimensional effective channel matrix. It may be provided to combine the digital beam with the singular vector derived through, and each step of this hybrid beamforming method includes the baseband precoder 140, the RF precoder 120 and the receiver ( This is a function performed by the RF combiner 220 and the baseband combiner 240 of 200), and detailed reference will be omitted.

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 수행되 거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거 나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명 된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a form different from the described method, or have different configurations. Appropriate results can be achieved even if substituted or substituted by elements or equivalents. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.

기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성 및 결합하고, RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 생성 및 결합하여 데이터 스트림을 복원함에 따라 아날로그 도메인과 디지털 도메인으로 분리하여 하이브리드 빔포밍을 수행하여 낮은 연산 복잡도로 스펙트랄 효율의 최대화 문제의 해를 도출할 수 있고, 이에 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보 를 가져올 수 있으며, 무선 통신 서비스를 제공하는 시스템의 시판 또는 영업의 가 능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업 상 이용가능성이 있는 발명이다.The singular value decomposition of the low-dimensional effective channel matrix is performed in the baseband domain to derive the singular vector of the data stream, the digital beam is generated and combined with the derived singular vector, and the array from the dictionary matrix through the incremental continuous selection technique in the RF domain The problem of maximizing spectral efficiency with low computational complexity by performing hybrid beamforming by separating into analog and digital domains by retrieving a subset of response vectors and restoring the data stream by generating and combining analog beams with the retrieved array response vectors. In terms of accuracy and reliability of the operation of the hybrid beamforming device and method of a millimeter wave-based large-scale MIMO system that can improve the performance of the system, and further improve the performance of the system, it will bring a great progress in terms of performance efficiency. It is an invention that has industrial applicability because it is not only possible to market or sell a system providing a wireless communication service sufficiently, but also to a degree that can be implemented clearly in reality.

Claims (10)

삭제delete 데이터 스트림에 대해 기저대역 프리코드에 의거 디지털 빔을 형성한 다음 RF 프리코더를 통해 아날로그 빔을 형성하여 빔포밍하는 송신기; 및
송신기로부터 전달받은 빔을 RF 결합기에 의거 아날로그 결합한 다음 기저대역 결합기를 통해 디지털 결합하여 데이터 스트림을 복원하는 수신기를 포함하되,
상기 송신기는
RF 도메인과 기저대역 도메인으로 분리하여 아날로그 빔 및 디지털 빔으로 생성하도록 구비되고,
상기 수신기는
생성된 빔에 대해 RF 도메인과 기저대역 도메인으로 분리하여 아날로그 결합 및 디지털 결합을 수행하여 데이터 스트림을 복원하도록 구비되며,
상기 송신기는
기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하고,
RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 생성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
A transmitter for beamforming by forming a digital beam for the data stream based on a baseband precode and then forming an analog beam through an RF precoder; And
Including a receiver for restoring the data stream by analog-combining the beam transmitted from the transmitter based on an RF combiner and then digitally combining the beam received from the transmitter through a baseband combiner,
The transmitter is
It is provided to generate an analog beam and a digital beam by separating it into an RF domain and a baseband domain,
The receiver
The generated beam is separated into an RF domain and a baseband domain to perform analog combining and digital combining to restore a data stream,
The transmitter is
A digital beam is generated as a singular vector by performing singular value decomposition of the low-dimensional effective channel matrix in the baseband domain,
A hybrid beamforming apparatus for a millimeter wave-based large-scale MIMO system, comprising: searching a subset of array response vectors from a dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in an RF domain and generating an analog beam using the searched array response vectors.
제2항에 있어서, 상기 수신기는
RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터의 서브세트를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하고,
기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 데이터 스트림의 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 결합하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
The method of claim 2, wherein the receiver
In the RF domain, a subset of the array response vector is retrieved from the dictionary matrix through an incremental continuous selection technique, and the received beams are analog-combined with the retrieved array response vector,
A hybrid beamforming apparatus for a millimeter wave-based large-scale MIMO system, comprising deriving a singular vector of a data stream by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain, and digitally combining the derived singular vector.
제2항에 있어서, 상기 RF 프리코더는
소정 개수의 채널 경로에 각각에 대해 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고,
스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며,
반복 횟수가 송신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
The method of claim 2, wherein the RF precoder
Set the antenna array vector as the spectral capacity for each of a predetermined number of channel paths,
Selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and removing the selected index from the entire set is repeated,
When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the transmitter, millimeter wave-based large-scale MIMO, characterized in that it is provided to select a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index as an array response vector and to form an analog beam with the selected array response vector. Hybrid beamforming device of the system.
제4항에 있어서, 상기 RF 결합기는,
채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 유효 채널 행렬을 도출하고,
도출된 유효 채널 행렬의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하며,
스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하고,
반복 횟수가 수신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
The method of claim 4, wherein the RF combiner,
The effective channel matrix is derived by the product of the channel matrix and the matrix of the RF precoder,
Set the antenna array vector of the derived effective channel matrix as the spectral capacity,
After selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, the process of adding the selected index to the set of pre-selected indices and removing the selected index from the entire set is repeated,
When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the receiver, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index is selected as an array response vector, and the beams received with the selected array response vector are analog-combined. Hybrid beamforming device for large-scale MIMO system.
제2항에 있어서, 상기 기저대역 프리코더는,
채널 행렬과 RF 프리코드의 행렬과 RF 결합기의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고,
도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
The method of claim 2, wherein the baseband precoder,
The low-dimensional effective channel matrix is derived by multiplying the channel matrix and the matrix of the RF precode and the Hermitian transpose matrix of the matrix of the RF combiner,
A hybrid beamforming apparatus for a millimeter wave-based large-scale MIMO system, comprising generating a digital beam with a singular vector derived through a singular value decomposition operation on the derived low-dimensional effective channel matrix.
제6항에 있어서, 상기 기저대역 결합기는,
채널 행렬과 RF 결합기의 행렬과 RF 프리코더의 행렬에 대한 Hermitian 전치 행렬의 곱으로 저차원 유효 채널 행렬을 도출하고
도출된 저차원 유효 채널 행렬에 대한 특이값 분해 연산을 통해 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 결합하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 장치.
The method of claim 6, wherein the baseband coupler,
The low-dimensional effective channel matrix is derived by multiplying the channel matrix and the matrix of the RF combiner and the matrix of the RF precoder by the Hermitian transpose matrix.
A hybrid beamforming apparatus for a millimeter wave-based large-scale MIMO system, comprising: combining digital beams with singular vectors derived through singular value decomposition operations on the derived low-dimensional effective channel matrix.
송신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 디지털 빔을 생성하는 단계;
송신기의 RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 디지털 빔에 대해 아날로그 빔을 형성하여 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하고,
수신기에 의거 기저대역 도메인에서 저차원 유효 채널 행렬의 특이값 분해를 수행하여 특이 벡터를 도출하며 도출된 특이 벡터로 수신된 빔을 디지털 결합하는 단계; 및
수신기의 RF 도메인에서 증분 연속 선택 기법을 통해 사전 행렬로부터 어레이 응답 벡터를 검색하고 검색된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 결합하는 단계를 포함하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법.
Deriving a singular vector by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain by a transmitter, and generating a digital beam from the derived singular vector;
Including the step of performing beamforming by searching for an array response vector from a dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain of the transmitter and forming an analog beam for the digital beam with the searched array response vector,
Deriving a singular vector by performing singular value decomposition of a low-dimensional effective channel matrix in a baseband domain by a receiver, and digitally combining the received beam with the derived singular vector; And
Hybrid beamforming of a millimeter wave-based large-scale MIMO system, comprising the step of searching for an array response vector from a dictionary matrix through an incremental continuous selection technique in the RF domain of the receiver and combining the analog beams with the searched array response vector. Way.
제8항에 있어서, 상기 아날로그 빔을 형성하는 단계는,
소정 개수의 유효 채널 경로의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하고,
스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 전체 집합에서 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하며,
반복 횟수가 송신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 아날로그 빔을 형성하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법.
The method of claim 8, wherein forming the analog beam,
Set antenna array vectors of a predetermined number of effective channel paths as spectral capacity,
After selecting the index of the array response vector that has contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and repeating the process of removing the index from the entire set,
When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the transmitter, millimeter wave-based large-scale MIMO, characterized in that it is provided to select a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index as an array response vector and to form an analog beam with the selected array response vector. Hybrid beamforming method of the system.
제9항에 있어서, 상기 아날로그 빔을 결합하는 단계는,
수신된 채널 행렬과 RF 프리코더의 행렬의 곱으로 유효 채널 행렬을 도출하고,
도출된 유효 채널 행렬의 안테나 어레이 벡터를 스펙트럼 용량으로 설정하며,
스펙트럼 용량에 최대 기여한 어레이 응답 벡터의 인덱스를 선택한 다음 선택된 인덱스를 기 선택된 인덱스들의 집합에 추가하고, 인덱스 전체 집합에서 선택된 인덱스를 제거하는 과정을 반복 수행하고,
반복 횟수가 수신기의 RF 체인의 개수에 도달되면, 선택된 인덱스에 해당하는 사전 행렬의 열을 어레이 응답 벡터로 선택하고 선택된 어레이 응답 벡터로 수신된 빔을 아날로그 결합하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 기반 대규모 MIMO 시스템의 하이브리드 빔포밍 방법.
The method of claim 9, wherein combining the analog beams,
The effective channel matrix is derived by the product of the received channel matrix and the matrix of the RF precoder,
Set the antenna array vector of the derived effective channel matrix as the spectral capacity,
After selecting the index of the array response vector that contributed the most to the spectral capacity, adding the selected index to the set of pre-selected indices, and repeatedly performing the process of removing the selected index from the entire set of indices,
When the number of repetitions reaches the number of RF chains of the receiver, a column of a dictionary matrix corresponding to the selected index is selected as an array response vector, and the beams received with the selected array response vector are analog-combined. Hybrid beamforming method of large-scale MIMO system.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102287794B1 (en) * 2021-04-29 2021-08-09 세종대학교산학협력단 Millimeter wave-based Multi-User massive MIMO-based hybrid beamforming system and analog precoder matrix acquisition method applied thereto
CN114422302A (en) * 2021-11-29 2022-04-29 新华三技术有限公司成都分公司 Channel estimation method, device and equipment
CN115001545A (en) * 2022-05-10 2022-09-02 江南大学 Hybrid precoding method in millimeter wave large-scale MIMO system
US20220405602A1 (en) * 2021-06-21 2022-12-22 Qualcomm Incorporated Channel feature extraction via model-based neural networks
CN115801156A (en) * 2022-09-09 2023-03-14 江南大学 Millimeter wave MIMO beam domain channel modeling method and system
CN116505986A (en) * 2023-04-14 2023-07-28 南京邮电大学 A Precoding Method Combined with Quantum Variation in Millimeter Wave Massive MIMO System

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140133481A (en) * 2013-05-10 2014-11-19 삼성전자주식회사 Apparatus and method for selecting transmit and receive beam in wireless communication system
KR20170008143A (en) * 2015-07-13 2017-01-23 삼성전자주식회사 Apparatus and method for hybrid precoding in wireless communication system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140133481A (en) * 2013-05-10 2014-11-19 삼성전자주식회사 Apparatus and method for selecting transmit and receive beam in wireless communication system
KR20170008143A (en) * 2015-07-13 2017-01-23 삼성전자주식회사 Apparatus and method for hybrid precoding in wireless communication system

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102287794B1 (en) * 2021-04-29 2021-08-09 세종대학교산학협력단 Millimeter wave-based Multi-User massive MIMO-based hybrid beamforming system and analog precoder matrix acquisition method applied thereto
US11711123B2 (en) 2021-04-29 2023-07-25 Industry Academy Cooperation Foundation Of Sejong University Millimeter wave-based multi-user massive MIMO-based hybrid beamforming system and analog precoder matrix acquisition method applied thereto
US20220405602A1 (en) * 2021-06-21 2022-12-22 Qualcomm Incorporated Channel feature extraction via model-based neural networks
CN114422302A (en) * 2021-11-29 2022-04-29 新华三技术有限公司成都分公司 Channel estimation method, device and equipment
CN114422302B (en) * 2021-11-29 2024-03-22 新华三技术有限公司成都分公司 Channel estimation method, device and equipment
CN115001545A (en) * 2022-05-10 2022-09-02 江南大学 Hybrid precoding method in millimeter wave large-scale MIMO system
CN115801156A (en) * 2022-09-09 2023-03-14 江南大学 Millimeter wave MIMO beam domain channel modeling method and system
CN116505986A (en) * 2023-04-14 2023-07-28 南京邮电大学 A Precoding Method Combined with Quantum Variation in Millimeter Wave Massive MIMO System

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