Millimeter wave (mmWave) beamforming (BF) technique, which uses a large bandwidth, is expected to play a key role in 5G and beyond-5G mobile communications. However, the use of a large number of antennas to compensate the high path-loss of high-frequency channels causes several problems in practice. First, a lot of radio frequency (RF) chains are needed as many as antennas, which requires considerable implementation cost and power consumption. To address this, digital-analog hybrid BF technique, which significantly reduces the number of RF chains by introducing analog BF, should be used. Second, although the mmWave BF systems are expected to increase the areal capacity in ultra-dense network (UDN), the feedback overhead required for channel information exchange may be problematic. In particular, the size of the channel matrix increases depending on the number of antennas, and the amount of resources required for feedback increases along with the number of users or base stations, resulting in a significant overhead which degrades the throughput. This dissertation deals with the BF systems with limited feedback information to reduce implementation complexity and feedback overhead. Also, since all the users in UDN cannot be simultaneously supported by a single transmission, we propose a joint design of user scheduling and hybrid BF, and address different network scenarios. In addition, the performances of the proposed schemes are analyzed for each scenario, and the design guidelines for choosing the system parameters are provided.
광대역의 주파수 자원을 활용하는 밀리미터파 빔포밍 기술은 5세대 이동통신 및 그 이후의 통신 시스템에서 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 그러나 고주파 채널의 높은 경로 손실을 보상하기 위해 대량의 안테나를 사용해야 하므로 구현관점에서 여러가지 문제가 발생한다. 첫 번째로, 안테나 수 만큼 무선주파수 부품이 필요하므로 구현 비용과 전력 소모량이 상당히 증가한다. 이를 해결하기 위해, 무선주파수 부품 수를 대폭 줄이고 아날로그 빔포밍을 도입한 디지털-아날로그 하이브리드 빔포밍 기술이 필수적으로 사용되어야 한다. 두 번째로, 밀리미터파 빔포밍 시스템은 고밀집 네트워크에서 면적당 전송 용량을 증대시킬 것으로 기대되지만, 채널 정보 교환에 필요한 피드백 오버헤드가 문제가 될 수 있다. 특히, 안테나 수에 따라 채널 행렬의 크기도 증가하며 사용자나 기지국 수에 따라서도 피드백 정보량이 증가하여 실질적인 무선 트래픽 처리량이 매우 낮아질 수 있다. 이 논문에서는 구현 복잡도와 피드백 오버헤드를 낮추기 위해 제한된 피드백 정보를 사용하는 빔포밍 시스템을 다룬다. 또한, 고밀집 네트워크에서는 모든 사용자를 한번에 지원할 수는 없으므로 사용자 스케줄링과 하이브리드 빔포밍의 동시 설계 방법을 제안하며, 적용가능한 여러가지 네트워크 시나리오를 다룬다. 추가적으로, 각 시나리오에 대하여 제안 기술의 성능을 분석하고, 적합한 시스템 파라미터 선택 방법을 제공한다.
