Recently, with the rapid development of wireless communication technology, international standard-
ization work is on the way for the upcoming fifth generation(5G) mobile communication. Fifth generation
mobile communications should provide up to 20 times peak data rate, 100 times area traffic capacity,
and 10 times connection density than existing fourth generation(4G) mobile communications. In order
to satisfy these 5G core performance indicators, the ultra dense network(UDN) architecture should be
considered. In the case of UDN, area traffic capacity can be increased by reducing the cell size and closely installing the base stations, reliability can be also increased through efficient interference cancellation, and high transmission capacity can be provided with massive MIMO technology. However, connecting all the small-cell base stations to the backhaul network with conventional wired optical cable results in prohibitive cost, and it is difficult to support the high-speed network in a place where optical cable is difficult to install. In order to solve this problem, many researches have been actively studied to connect wirelessly a backhaul network of small-cell base stations.
The ultra wide area wireless backhaul system features multiple antenna structure of wireless backhaul-
hub and access-points, massive information transmission, wide cell coverage, and massive connectivity.
Utilizing this multiple antenna structure, the spatial multiplexing gain, the diversity gain, and the beam gain can be obtained. Through this gain, large capacity transmission, efficient interference cancellation, pathloss overcoming and reliable transmission can be achieved. However, such a large array antenna system causes high channel estimation complexity, feedback overhead, and system complexity, which makes actual implementation difficult.
In order to solve these problems, a hybrid beam forming technique which reduces the hardware
complexity by reducing the number of radio frequency(RF) chains has been studied, and some researches
are underway to reduce the amount of channel information feedback by utilizing the covariance channel,
which is the second-order statistics. However, in the case of these researches, there is a limitation in
providing a large-capacity transmission to each multiple user due to considering a system in which SU-
MIMO with multiple streams or MU-MIMO with a single stream for each user. In addition, in order
to apply the above studies to the ultra wide area wireless backhaul network, it is necessary to apply
the beamforming technology to compensate the pathloss due to the wide area support, and precoding
technology should be considered to efficiently remove inter-beam interference.
In this thesis, we proposed a transmit and receive beamforming scheme that can reduce the complex-
ity of the system while reflecting the characteristics of the ultra wide area backhaul network as mentioned above. To do this, the wireless backhaul-hub performs three-stage beamforming, and the access-point performs one-stage beamforming. In the first-stage beamforming of the wireless backhaul-hub, it is
designed to radiate a fixed analog beams to the supported area without reflecting the instantaneous
channel information. These analog beams was intended to overcome the pathloss. In the second-stage
beamforming, we designed a digital beamforming block that eliminates inter-access-point interference
by leveraging the effective channel matrix whose size was reduced through the backhaul-hub first-stage
beamforming and the access-point beamforming. In the last third-stage beamforming, a MIMO process-
ing block is designed to enable multiple stream transmission between the wireless backhaul-hub and each
access-point. In the case of the access-point, eigen-beamforming is performed in the dominant eigenvalue
direction of the effective channel. For each case of the uplink and downlink of the proposed system, the
average spectral efficiency and the bit error rate performance were analyzed by tracking the eigenvalue
distribution of the effective channel through each beamforming block, and the analytical results were
compared with the simulated results to verify the accuracy.
최근 무선 통신 기술의 급격한 발전과 함께, 다가오는 5세대 이동통신을 위해 국제 표준화 작업이 한
창이다. 5세대 이동통신은 기존 4세대 이동통신에 비해 20배 향상된 최고 속도, 100배 향상된 단위용량, 10
배의 연결성 등을 제공해야 한다. 이러한 5G의 핵심 성능 지표를 만족하기 위해서는 초밀집 네트워크(Ultra
Dense Network, UDN) 구조가 고려되어야 할 것이다. UDN의 경우 셀의 사이즈를 줄이고 기지국을 촘촘
하게 설치함으로써 단위 용량을 높이고, 효율적인 간섭 제거 방법을 통해 신뢰도 높이며, massive MIMO
기술을 통해 높은 전송 용량을 제공할 수 있다. 하지만 기존의 방식처럼 모든 스몰셀 기지국의 백홀망을 유선
광케이블로 연결하는 것은 막대한 비용을 초래하며, 또한 광케이블을 설치하기 힘든 곳에서는 초고속 네트
워크 지원이 어렵게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 스몰셀 기지국 백홀망을 무선으로 연결하는
연구가 활발히 진행되고 있다.
초광역 무선 백홀망 시스템은 무선 백홀 허브 및 액세스 포인트의 다중 안테나 구조, 대용량 정보 전송,
넓은 셀 커버리지, 대량의 연결성 등을 특징으로 한다. 다중 안테나 구조를 활용하여 공간 다중화 이득,
다이버시티 이득, 빔 이득을 얻을 수 있으며, 이러한 이득을 통해 대용량 전송, 효율적인 간섭 제거, 경로
감쇄 극복 및 신뢰도 높은 전송을 달성할 수 있다. 하지만 이러한 거대 배열 안테나 시스템의 경우 높은 채널
추정 복잡도, 피드백 오버헤드 및 시스템 복잡도를 초래하여 실제 구현을 어렵게 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 라디오 주파수 체인 수를 줄여 하드웨어 복잡도를 낮추는 하이브리드
빔 형성 기법이 연구되고 있으며, 채널의 2차 통계 값인 공분산 채널을 활용해 채널 정보 피드백 양을 줄이기
위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 해당 연구들의 경우, 다중 사용자 각각에게 단일 스트림을 전송하거나
단일 사용자에게 다중 스트림을 전송하는 시스템을 고려하고 있어, 다중 사용자 각각에게 대용량 전송을 제공
하기에는 한계가 존재한다. 또한 위의 연구들을 초광역 무선 백홀망에 적용하기 위해서는 광역 지원에 따른
경로 감쇄를 보상하기 위한 빔 형성 기술 접목이 필요하며, 빔 간 간섭을 효율적으로 제거하고 전송용량을
확보하기 위한 프리코딩 기술을 고려하여야 한다.
본 학위 논문에서는 위에서 언급한 초광역 무선 백홀망의 특징을 잘 반영하면서도 시스템 복잡도를
줄일 수 있는 송수신 빔 형성 기법을 제안하였다. 이를 위해 무선 백홀 허브에서는 3단계 빔 형성을 수행
하도록 하였고, 액세스 포인트는 1단계 빔 형성을 수행하도록 하였다. 무선 백홀 허브의 1단계 빔 형성의
경우, 실시간 채널 반영 없이 지원하는 영역으로 고정 아날로그 빔을 방사하도록 설계하였다. 아날로그 빔
이득을 통해 경로 감쇄를 극복하고자 하였다. 2단계 빔형성의 경우, 1단계 빔 형성과 액세스 포인트의 빔
형성을 통해 사이즈가 줄어든 유효채널을 활용하여 액세스 포인트간 간섭을 제거하는 디지털 빔포밍 블록을
설계하였다. 마지막 3단계 빔 형성의 경우, 무선 백홀 허브와 각 액세스 포인트 간 다중 스트림 전송이
가능하도록 MIMO 처리 블록을 설계하였다. 액세스 포인트의 경우, 유효채널의 지배적인 고유값 방향으로
고유 빔 형성을 수행하도록 하였다. 제안하는 시스템의 상향링크와 하향링크 각각의 경우에 대해서, 각 빔
형성 블록을 통해 변화되는 채널의 고유값 분포를 추적함으로써 평균 주파수 효율과 비트오율 성능 분석을
수행하였고, 시뮬레이션 결과와 비교해 결과의 정확도를 검증하였다.
