Wireless access networks are developing to provide high-quality voice calls and video calls as well as high-speed/high-capacity data transmission for accurate and rapid sharing of information in dense living spaces of the modern society and for providing services such as mobile video, Machine-to-Machine (M2M), Internet of Things (IoT), and etc. Millimeter Wave (mmWave) is one of the promising spectrum bands which can support huge data transmission with large bandwidth in 30-300 GHz frequency band. Thanks to the short wavelength of the mmWave, a large number of antenna elements can be employed in the limited dimensions of mmWave transceivers. In addition, data transmission in a narrow beam overcomes the large propagation loss in mmWave wireless networks. For efficient operation/beamforming exploiting many antennas, hence, hybrid beamforming that appropriately operates analog beamforming and digital beamforming is applied to the system.
Most of all, we propose a cooperative beamforming scheme to improve the data rate without increasing the hardware complexity of the sub-connected beamforming structure using many antenna elements. The proposed beamforming creates an antenna group of one sub-array and one or more antenna groups of a neighbouring sub-arrays as a group of antennas of a logical sub-array in order to combine individual beams. Beam combining via virtual beamforming attains higher beamforming gain by generating a narrower beam through beam combining and flexible operation without modification of the beamforming structure. In addition, a beam pattern according to a typical hybrid beamforming and a codebook according to a pattern are enhanced to provide additional beam patterns and codebooks according to these patterns.
Next, we propose efficient beam and user scheduling algorithms in time-varying mmWave wireless networks with combined beams and non-combined beams operating environments through virtual beamforming as well as with multi-beam transmission environments. First, in the virtual beamforming structure providing combined and non-combined beams, appropriate scheduling pairs of beam and user are selected to maximise the sum of data rates of all users at each scheduling time. In order to maximise the sum of data rates for all users, the optimal combined beams and non-combined beams are selected based on the beam combining expected transmission rate and the non-combined expected transmission rate. A precoding is constructed through beam combining to users expecting a high sum of data rates, by excluding for inappropriate beams where a small data rate is expected in order to avoid the high computational complexity due to the comparisons of all combined and non-combined beams. Second, we propose a user beam on/off scheduling and user scheduling algorithm considering inter-beam interference in a multi-beam transmission environment where serving beams are quantised in the beam-space spatially and adjacent beams overlap partially with each other. The user beam on/off scheduling avoids the interference between adjacent active beams. In other words, it is avoided that the simultaneous selection of dominant interference beams with values similar to the magnitude of the serving signal. The beam on/off scheduling algorithm excepting the dominant interference beams substantially reduces the computational complexity of the algorithm by constructing a special graph that considers inter-beam interference.
Finally, via simulations based on real millimeter wave environment, we verify that the proposed technique can achieve a high data rate without much loss of fairness. Simulation results also show that the proposed algorithm is close to the optimal performance with much higher computational complexity.
무선 접속 망은 고품질의 음성통화와 영상통화 제공에 더불어 현대사회의 밀집한 생활공간에서 정보의 정확하고 신속한 공유와 모바일 비디오, M2M 및 IoT 등의 서비스 제공을 위한 고속/고용량의 데이터 전송을 제공하도록 발전 중이다. 30-300 GHz 밀리미터파 주파수 대역은 넓은 대역폭을 통해 거대한 데이터 전송 지원이 가능한 유망 스펙트럼 대역 중 하나로 주목받고 있다. 밀리미터파는 짧은 파장 덕분에 제한된 공간에 많은 안테나 배치가 가능하다. 그리고 많은 안테나 배열로 생성한 세밀 빔을 통한 데이터 전송을 통해 높은 경로 손실을 극복할 수 있다. 따라서 많은 안테나의 효율적 운용/빔포밍을 위해 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍을 적절하게 운용하는 하이브리드 빔포밍을 시스템에 적용한다.
우선, 본 연구에서는 많은 안테나를 적용하는 빔포밍 구조의 하드웨어 복잡도 증가 없이 데이터 전송률 향상을 위한 협력 빔포밍 방식을 제안한다. 제안하는 빔포밍은 가상으로 하나의 서브 어레이 안테나 그룹과 인접한 다른 서브 어레이 안테나 그룹을 논리적인 하나의 서브 어레이 안테나 그룹화로 빔을 결합한다. 가상 빔포밍은 빔 결합을 통한 더 세밀한 빔을 생성하여 더 높은 빔포밍 이득 제공과 빔포밍 구조의 변경없는 유연한 운용이 가능하다. 추가로 전형적인 하이브리드 빔포밍에 따른 빔 패턴과 패턴에 따른 코드북을 보완하여 추가 빔 패턴과 패턴에 따른 코드북을 제공한다.
다음으로, 시간에 따라 변하는 밀리미터파 무선 네트워크에서 가상 빔포밍 방식을 통한 결합 빔과 비결합 빔 운용 환경과 공간 상에 중첩하여 분포하는 다중 빔 전송 환경에서 각각 효율적인 빔 선택과 사용자 스케줄링 방식을 제안한다. 첫 번째로, 결합 및 비결합 빔을 제공하는 가상 빔포밍 구조에서 매 스케줄링 시간에 모든 사용자의 데이터 전송률 합을 최대화하는 적절한 빔과 사용자 스케줄링 쌍을 선택한다. 모든 사용자의 데이터 전송률 합을 최대화하기 위해 빔 결합 기대 전송률과 비결합 기대 전송률을 바탕으로 최적의 결합 빔과 비결합 빔을 선택한다. 그리고 모든 결합 및 비결합 빔 비교의 높은 계산 복잡도 회피를 위해 작은 데이터 전송률이 기대되는 비결합 빔을 제외하고 높은 데이터 전송률 합이 기대되는 사용자에게 빔결합을 통해 서비스하도록 프리코딩을 생성한다. 두 번째로, 공간 상에 중첩하여 분포하는 다중 빔 전송 환경에서 인접 빔 간 간섭을 고려하여 사용자 빔 온/오프 스케줄링 및 사용자 스케줄링 기법을 제안한다. 사용자 빔 온/오프 스케줄링은 인접한 활성 빔 사이의 간섭, 즉 서빙 신호의 크기와 비슷한 값을 갖는 지배적인 간섭 빔의 동시 선택을 회피한다. 지배적인 간섭 빔 회피 빔 온/오프 스케줄링 알고리즘은 인접 빔 간 간섭을 고려한 그래프를 구성하여 알고리즘의 계산 복잡도를 상당히 감소시킨다.
마지막으로, 실제 밀리미터파 환경을 고려한 시뮬레이션을 통해 제안된 기법이 많은 공정성을 희생시키지 않으면서 높은 데이터 전송률 합계를 달성할 수 있음을 확인한다. 또한 제안 알고리즘이 훨씬 더 높은 계산 복잡도를 갖는 최적 정책의 성능에 가깝게 도달함을 확인한다.
