Millimeter wave (mmWave) signals experience a significant path-loss in free space. To overcome this weakness, a large number of antennas are needed to obtain a high beamforming gain. Although a large number of antennas can be implemented in small area due to the short wavelength, the digital beamforming techniques cannot be implemented easily due to the high complexity of hardware. To solve this problem, the hybrid beamforming systems which have smaller number of radio frequency (RF) chains are proposed in the literature. Although the hybrid beamforming systems may achieve the spectral efficiencies of the digital beamforming systems closely, the spectral efficiency cannot be monotonically increased along with the number of data streams even in the case of digital beamformer due to the limited scattering in mmWave channel. This means that the number of spatial degrees of freedom (DOF) in mmWave channel is much smaller than that in rich scattering channel. Therefore, we need only small number of RF chains of hybrid beamformer which can support the spatial DOF of the channel.
In this paper, we assume the channel as the clustered channel model which can describe the limited scattering environment. We calculate the theoretical number of spatial DOF of the channel which can be considered as the maximum number of data streams that can be simultaneously transmitted. Based on the spatial DOF, we find the smallest number of RF chains in hybrid beamformer to approach the performance of digital beamformer. In addition, we propose a multi-user precoding method for sparse channel that can be applied to both digital beamformer and hybrid beamformer. The proposed precoder can be constructed basically by the block diagonalization (BD). However, the original BD precoding method cannot make the null space of each user large enough to obtain the full multiplexing gain in sparse channel. Due to this fact, multi-user hybrid beamforming systems which use the original BD method have error floors in bit error rate (BER) curve. To solve this problem, we modify the original BD precoding method so that the null space of each user can be expanded. From the simulation results, we can find that the proposed method can provide dramatically improved BER performance in both digital beamformer and hybrid beamformer.
무선기기 사용량의 증가로 인해 데이터트래픽량은 기하급수적으로 증가하는 추세이며, 밀리미터파 대역은 차세대 무선통신에 사용될 주요 주파수 대역 후보 중 하나로써 크게 두 가지의 장점이 있다. 첫 번째로, 광대역의 비허가 대역 (30~300GHz)을 사용하여 사용자에게 초당 수 기가바이트의 데이터 전송율을 제공할 수 있다. 두 번째로, 밀리미터파의 짧은 파장을 이용해 좁은 면적에 많은 안테나를 집적할 수 있다. 이렇게 배열 안테나를 사용하여 빔 형성 기술을 적용할 수 있는데, 이를통해 거리에 따라 전파손실율이 매우 큰 밀리미터파 신호의 단점을 보완할 수 있다.
단일 사용자 및 다중 사용자를 위한 다중안테나 시스템에서 빔 형성을 위해 사용하는 프리코딩 기법은 singular value decomposition (SVD), block diagonalization (BD), Tomlinson-Harashima Precoding (THP) 등 여러 가지가 있지만 이러한 기법을 적용학 위해서는 phase shifter로 신호의 위상만 제어하는 아날로그 빔 형성 구조로는 불가능하며 신호의 크기까지 제어할 수 있는 디지털 신호처리과정이 반드시 필요하다. 디지털 신호처리를 위해서는 디지털-아날로그 변환기 (DAC, 송신단에서 필요) 또는 아날로그-디지털 변환기 (ADC, 수신단에서 필요) 와 RF chain이 각 안테나마다 설치되어야 하기 때문에 하드웨어 복잡도가 상당히 증가하게되어 실제 구현에 어려움이 따르게 된다. RF chain 수를 줄이기 위한 방안으로 아날로그 구조와 디지털 구조를 병합한 하이브리드 구조가 있는데, 수 십개 또는 수 백개의 안테나를 사용하는 밀리미터파 빔 형성 구조에서는 이러한 하이브리드 빔 형성 구조가 반드시 필요하게 된다.
한편, 본 논문에서 고려하는 밀리미터파 대역에서는 채널의 scattering이 부족하여 기존의 마이크로파 대역의 rich scattering 환경에서 고려하는 전송기술을 그대로 사용할 수 없다. 밀리미터파 채널에서는 높은 신호감쇄 특성으로 인해 sparse scattering 채널이 되어 공간 자유도가 줄어들게 되는데, 이로인해 디지털 빔 형성 구조를 사용하더라도 안테나 수만큼의 공간 다중화 이득을 얻을 수 없다. 따라서 하이브리드 빔 형성 구조를 설계 할 때, 디지털 빔 형성 구조의 성능에 최대한 가깝게 하면서 하드웨어 복잡도를 최소로 낮출 수 있다.
본 논문에서는 먼저, 밀리미터파 대역의 채널을 모델링하기 위해 클러스터 채널 모델을 소개하고, 채널의 공간 자유도를 계산하여 채널에서 얻을 수 있는 공간 다중화 이득을 도출한다. 두 번째로, 단일 사용자를 위한 밀리미터파 하이브리드 빔 형성 구조에서 주어진 채널정보, 안테나 수, 전송하고자 k는 스트림 수에 따라 디지털 구조의 성능을 달성하기 위한 최소의 RF chain 수를 찾는다. 마지막으로, 밀리미터파 채널에서 다중사용자를 위한 빔 형성 기법을 제안한다. 다중 사용자 프리코딩 기법으로 비교적 낮은 복잡도를 갖는 BD를 사용한다. 기존의 BD를 그대로 사용하면 채널의 공간 자유도가 적기 때문에 특히 RF chain수가 부족한 하이브리드 구조에서는 공간 다중화를 하면서 동시에 사용자간 간섭을 모두 제거하기가 힘들다. 본 논문에서는 BD기법을 그대로 이용하지 않고, null space를 확장함으로써 다른 사용자가 사용하지 않는 채널방향을 모두 사용하도록 하여 디지털 뿐만 아니라 하이브리드 구조의 비트오류확률을 대폭 향상시킨다.
하이브리드 빔 형성 시스템 연구는 기본적으로 RF chain수를 줄여 하드웨어 구현에 대한 부담을 줄이기 위한 것으로써 현실적인 문제들을기반으로 한다. 본 논문에서는 이상적인 (양자화 되지 않은) phase shifter와 이상적인 (높은 해상도의) DAC/ADC까지 고려하여 조금 더 현실적인 문제들을 해결한다면 차세대 무선통신 시스템의 현실화를 앞당길 수 있을 것이다.