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세정 도
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기획시리즈 ICT 신기술최신 ICT 이슈 기획시리즈 5G 5G 밀리미터파통신물리계층연구동향 * 정지훈소정호서준영박기승 * 성영철 ** 한국과학기술원박사과정한국과학기술원석사과정 * 한국과학기술원부교수 *** 국제전기통신연합 (ITU) 에서는 2020년에 IMT2020이라는이름으로 5세대이동통신 (5G) 의국제표준을승인할예정이다.

1 기획시리즈 ICT 신기술최신 ICT 이슈 기획시리즈 5G 5G 밀리미터파통신물리계층연구동향 * 정지훈소정호서준영박기승 * 성영철 ** 한국과학기술원박사과정한국과학기술원석사과정 * 한국과학기술원부교수 *** 국제전기통신연합 (ITU) 에서는 2020년에 IMT2020이라는이름으로 5세대이동통신 (5G) 의국제표준을승인할예정이다. 본고에서는 5G의초고속전송을위해사용되는밀리미터파 (millimeter wave) 통신에대해서알아본다. 특히, 물리계층에서밀리미터파통신의특성들을살펴보고, 이특성들을이용한채널추정과빔포머설계기술연구동향에대해살펴본다. 또한, 이를구체화한 3GPP의관련표준동향도간단히소개한다. I. 서론 이동통신기술은 4세대 LTE, LTE-Advanced, LTE-Advanced Pro를거쳐이제바야흐로 5세대이동통신 (5G) 으로발전되어가고있다. 5G는초고화질동영상스트리밍, 3차원영상, 실감미디어등사용자경험을극대화하는멀티미디어애플리케이션들과 IoT(Internet-Of-Things) 실현을위한무선인프라를제공할것이다. 국제전기통신연합 (ITU) 에서는 IMT-2020이라는이름으로 5세대이동통신기술의국제표준을 2020년에승인할예정이다 [1]. 이를위해 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서는 5G 라는이름으로 IMT-2020의후보기술을만들고있으며, 이것이흔히 5G 라고불리는표준기술이다. 3GPP에서는새로운무선접속기술인 NR(New Radio) 의정의및개발과 4세대기술인기존의 LTE를발전시키는방향, 모두를 5G라고정의하고있으며 [2], 2018년 9월에 phase I, 2019년 12월에 phase II를완료하는것을목표로삼고있다. 5G 표준에서는다음의 3가지가큰축을이룬다. 첫째, 높은전송속도를목표로하는 embb(enhanced * 본내용은정지훈박사과정 ( , j.chung@kaist.ac.kr) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITP의공식적인입장이아님을밝힙니다. 정보통신기술진흥센터 1

2 주간기술동향 [ 표 1] IMT-2020 embb를위한요구조건 구분 Key capabilities Peak data rate 20Gbit/s User experienced data rate 100Mbit/s Area traffic capacity 10Mbit/s/m 2 Spectrum efficiency 3x Network energy efficiency 100x Mobility 500km/h < 자료 > ITU-R, M mobile broadband), 둘째, 신뢰성을높이고, 지연속도를획기적으로단축시키는 URLLC(Ultra- Reliable and Low Latency Communication), 셋째, 수많은기기들의무선접속을목표로하는 mmtc(massive Machine Type Communication) 이다. 본고에서는이세가지축중에초고속무선전송을통해초고화질동영상스트리밍, 3차원영상, 실감미디어서비스를가능하게하는 embb에대해간단히살펴본다 [1]. [ 표 1] 은 IMT-2020의 embb에관한요구조건이다. ITU가지정한 5G 요구사항에따르면 embb의최대전송속도는하향링크 (downlink, DL) 기준으로 20Gbps를요구하며, 이는기존 4G에비해 20배빠른속도이다 [1]. 이를달성하기위해서는대역폭당전송속도, 즉주파수효율 (spectral efficiency) 을증대시키는기술들과더불어통신에사용되는대역폭자체를넓힐필요성이있다. 밀리미터파대역은기존의이동통신에서사용하던 6GHz 미만 (sub-6ghz) 대역과구별되는, 파장이 mm 단위인 30~300GHz의주파수대역을지칭한다. 채널용량은주파수대역폭에비례해서증가하기때문에, 높은주파수의밀리미터파대역의아직할당되지않은넓은대역폭을사용하면고속의데이터전송이가능하다. 밀리미터파는짧은파장때문에기존의 sub-6ghz 대역통신보다경로손실 (path loss) 이훨씬크다는단점이존재하지만, 다수의안테나를작은공간에집적시킬수가있어서하드웨어의소형화가가능하다. 이러한특징을바탕으로다중안테나빔포밍기술을적용하여밀리미터파대역에서의큰경로손실을극복하기위한많은연구가진행되고있고, 3GPP에서도밀리미터파통신을 above-6ghz 라는이름으로표준으로채택하고있다. 본고에서는크게 1 밀리미터파대역통신의특성, 2 밀리미터파채널추정기술, 3 밀리미터파빔포머설계기술을중심으로밀리미터파물리계층 (physical layer) 연구에대해간략히소개하고, 또한이와관련된표준화동향을소개한다. 2

넓은대역폭의밀리미터파대역통신을위해서는첫째, 다중반송파전송방식 (Multi-Carrier Transmission) 을이용할경우, 넓은대역폭을효율적으로사용할수있는무선리소스그리드 (Resource Grid) 의재설정이필요하며, 둘째, 앞서말한큰경로손실을극복해야한다.

3 기획시리즈 5G II. 밀리미터파대역통신의특성 밀리미터파대역의무선채널은다음과같은주요특성들을가진다. 첫째, 밀리미터파대역무선채널은넓은대역폭을제공할수있다. 둘째, 밀리미터파대역무선채널은높은주파수특성으로인해높은직진성과큰경로손실을가지며, 셋째, rich scattering 환경의채널특성을가지는기존의 sub-6ghz 대역과는달리전파경로의수가매우적은희소 (sparse) 채널특성을가진다. 이로인해기존채널모델과는다른밀리미터파채널특성에맞는새로운채널모델이만들어지고있다. 넓은대역폭의밀리미터파대역통신을위해서는첫째, 다중반송파전송방식 (Multi-Carrier Transmission) 을이용할경우, 넓은대역폭을효율적으로사용할수있는무선리소스그리드 (Resource Grid) 의재설정이필요하며, 둘째, 앞서말한큰경로손실을극복해야한다. 전자의다중반송파통신의경우, 기존의협대역에서사용하던부반송파간격 (Subcarrier Spacing) 을유지할경우넓어진대역폭을모두커버하기위해서는엄청난수의부반송파를필요로하게된다. 이경우필요한 DFT(Discrete Fourier Transform) 사이즈가너무증가하여하드웨어복잡도가현격히늘어나게된다. 이문제는다양한부반송파간격을정의하여넓어진대역폭을커버함으로써해결할수있다. 후자의큰경로손실의경우, 파일럿신호와빔트레이닝 (Beam Training) 등을통해 sparse 특성의채널을효율적으로추정한후, 높은지향성빔포밍 (Highly Directional Beamforming) 으로경로손실을극복할수있다. 이러한높은지향성의빔포밍을위해서는다수의안테나가필요하다. 다행히, 밀리미터파는파장이짧아작은공간에다수의안테나를집적할수있다. 하지만, 빔포밍을위해서는안테나뿐만아니라안테나를구동하는회로들도필요로하는데, 모든안테나마다 RF(Radio Frequency) 체인을사용하여빔포밍을전적으로디지털단에서구현할수있지만, 이경우엄청난하드웨어복잡도를요구한다. 빔포밍에필요한하드웨어복잡도를줄이고현실적구현을위해빔포밍을아날로그단과디지털단에적절히배분해서구현하는하이브리드빔포밍이고려되고있다 [3]. 학계와산업계에서는이와같은 5G 밀리미터파의단점을극복하고, 장점을살려초고속의밀리미터파대역무 < 자료 > 한국과학기술원자체작성선통신을가능하게하는채널특성모델링, 파일럿신호설계, 빔트레이닝, 채널추정, 고지향 [ 그림 1] 밀리미터파통신의특성 정보통신기술진흥센터 3

4 주간기술동향 성빔포밍등다양한연구가활발히진행되고있다. 1. 5G NR 표준채널모델및프레임설정 3GPP의 5G NR에서는밀리미터파대역통신을위해 above 6GHz 라는이름으로표준규격을만들고있다. 기존의 LTE에서논의되었던 3차원채널모델이 above 6GHz 까지확장된형태로 NR 표준으로제시되었다 [4],[5]. 기존의 UMi(urban micro cell), UMa(urban macro cell) 외에실내모델인 Indoor-office 와 rural deployment scenario를고려하는 RMa(rural macro cell) 시나리오가추가되었다. 또한, 링크계층 (Link Level) 구현을위해간소화한모델인 CDL(Clustered Delay Line) 과 TDL(Tapped Delay Line) 모델이표준에추가되었다. CDL 모델은신호가채널에존재하는각각의클러스터를통과할때 20개의신호로분산되어수신안테나에도달하는것을모델링한것이다. 이때클러스터각각을통과하는신호의지연시간 (delay), 파워, 네종류의각도 (Angle Of Departure: AoD, Zenith angle Of Departure: ZoD, Angle Of Arrival: AoA, Zenith angle Of Arrival: ZoA) 값및관련파라미터가정의된다. 반면, TDL 모델의경우, CDL 모델처럼채널에있는각각의클러스터파라미터를정의하는대신채널전체에대해각탭들의 PDP(Power- Delay Profile) 만을정의하여제공한다. 따라서, 네종류의각도값이나타나지않고, 각클러스터를통과한신호가 20개의신호로분산되는과정도모델화되어있지않은간소화된형태이다. CDL과 TDL 모델각각 NLOS(Non-Line-of-Sight) 만을반영하는모델 3가지와 LOS(Line-of-Sight) 까지도반영하는모델 2가지가있다. CDL 모델과 TDL 모델에서정의된지연시간은정규화된값으로, delay spread model의설정에따라그에해당하는미리정의된파라미터값을곱하여사용하게되며, 미리정의된각도값은채널모델을설계할때원하는각도분포에따라선형변환하여 [ 표 2] Numerology에따른 subcarrier spacing과서브프레임당슬롯수의관계 Numerology(μ) 2 μ 15[kHz] subframe 당슬롯수 슬롯당심볼수 < 자료 > 3GPP TS

5 기획시리즈 5G 적용할수있다. 다중반송파전송방식을이용하여밀리미터파대역의넓은대역폭을효과적으로사용하기위해서는 4G 대비새로운프레임구조가필요하다. 이를위해 5G NR에서는다양한전송프레임설정을제공한다. 즉, numerology라는파라미터를도입하여기존 LTE의리소스그리드상의부반송파를확장하여부반송파간격을유동적으로설정할수있도록하였다. Numerology 파라미터는 0~5까지설정할수있는데, 0일때기존 LTE 에서사용하던 15kHz 의부반송파간격을사용하고, numerology 값이 1 늘어날때마다부반송파간격은 2배로늘어나며, 주어진길이의서브프레임당슬롯수는두배로증가한다 [4]. 5G NR에서는다양한 numerology 값을통해다양한주파수간격과시간영역길이를가진심볼들을정의함으로써넓은대역폭을적당한크기의 DFT로커버할수있도록하였다. III. 밀리미터파채널추정기술 밀리미터파대역채널에서의큰경로손실을보상하기위해서는좁은빔폭의지향성빔포밍기술이필수적이다. 이러한빔포밍을위해서는기본적으로파일럿빔및신호 (Pilot Beam and Signal) 를이용한송신기와수신기사이의채널정보 (Channel State Information) 의획득이이루어져야한다. 그러나, 밀리미터파채널의경우앞서언급하였듯이, 큰경로손실과 sparse 채널특성으로인해채널추정이어렵게된다. 이러한큰손실의 sparse 밀리미터파채널을추정하기위한쉽고효과적인방법은빔트레이닝 (Beam Training) 방식이다. 빔트레이닝방식은위상천이기 (Phase Shifter) 만을이용하여아날로그영역에서빔채널추정이가능하다 [5]-[6]. 이방식은송신기와수신기가순차적으로지향성아날로그빔을교체하면서링크의신호대잡음비를최대화하는송수신빔짝 (Beam Pair) 을찾는방식으로, 이러한접근은 IEEE 표준 ad[7] 와 c[8] 등에이미사용되었다. 하지만, 이방식은모든송수신빔을순차적으로전송해야하는큰오버헤드가발생하는단점을갖는다. 이러한순차적빔트레이닝의오버헤드단점을극복하기위해학계에서밀리미터파채널의희소성 (Sparsity) 성질을활용한다양한채널추정기법들이제안되었다. 밀리미터파채널은, 기지국과단말기사이에다수방향의전파경로가존재하는 rich scattering 환경과는달리매우적은수의방향에서만전파경로가존재하는 sparse 전파특성을가지며, 간략하게아래와같이 L개의전파경로가존재하는 sparse MIMO 채널로모델링할수있다. 정보통신기술진흥센터 5

6 주간기술동향 여기서, N t 와 N r 은각각송신기와수신기의안테나개수, 는 l번째전파경로의이득, 와 는각각 l번째전파경로의정규화된도래각 (AOA) 과발사각 (AOD) 을의미하고, a RX ( ) 과 a TX ( ) 는각각수신응답벡터 (response vector) 와송신조종벡터 (steering vector) 를의미하다. 전파경로의희소성특성은경로수 L이송수신안테나의개수에비해매우작다는것을의미한다. 즉, L N t N r 을의미한다. 위채널모델을아래와같은가상채널표현 (virtual channel representation) 으로다시쓸수있다 [3]. 여기서, A R 는도래각을 -1/2부터 1/N r 간격으로 N r 개만큼양자화한각도들에대한응답벡터들을늘여놓은행렬이고 A T 는전체발사각의범위를 N t 개만큼양자화한각도들에대한조종벡터들을늘여놓은행렬이다. 다시채널의희소성특성은이 H V 행렬이, 양자화의오차를무시하였을경우, L 개의성분만 0이아닌값을가진다는것을의미한다. 흔히, 이 H V 행렬을가상채널행렬 (virtual channel matrix) 이라부른다. 이러한양자화된가상채널표현을사용하면, 밀리미터파대역 sparse MIMO 채널추정문제는가상채널행렬의 L( N t, N r ) 개의 0이아닌성분의위치와값을구하는문제로변환될수있고, 이는최근 sparse recovery 문제에각광받고있는 CS(Compressed Sensing) 이론을적용하여풀수있다 [9]-[12]. 즉, H V 행렬을구하는채널추정문제는벡터화 (Vectorization) 를통해송신신호와수신빔포머로결정되는 sensing matrix 인 A와 h v =vec(h v ) 를만족하는 h v 를사용하여아래와같이선형화된꼴로적을수있다. 여기서, h v 는 L의희소성을가지게되는데, 위문제는바로 CS에있어기준문제의꼴이된다. 이러한채널의 sparse 모델과 CS에기반한다양한채널추정및파일럿신호설계에관한연구가진행되고있는데 (Adaptive Compressed Sensing[9], Random Compressive Sensing[10], [12], Joint Random and Adaptive Compressed Sensing[11]), 이러한연구들이빔트레이닝을대체하여실제표준에사용되기위해서는높은추정정확도의 sensing matrix를야기하는효과적인송신파일럿빔설계, 저복잡도의 CS 디코딩알고리즘등이개발되어져야할것으로보인다. 또한, 특정사용자가장시간동안서비스를받을경우매슬롯당사용자의채널을새로추정하는것보다기존의채널정보를이용해채널을추적 (Tracking) 하는것이더욱효율적이다. 이를위해 sparse MIMO 채널이시간에따라변화하는밀리미터파대역시변채널 (Time-Varying Channel) 에대한채널추정및채널트래킹기법들이연구되었다. 예로서, [13] 에서는시간에따라변화하는 sparse MIMO 채널의전파경로들의도래각과발사각의변화를아래와같이가정하고, 이에대한 6

7 기획시리즈 5G < 자료 > 한국과학기술원자체작성 채널트래킹기법이제안되었다. [ 그림 2] sparse MIMO 채널과가상채널행렬 여기서, n은채널블록의시간축의인덱스, X U(-δ,δ) 는 X가 [-δ,δ] 구간에서균등분포로생성되는랜덤변수임을의미하고 δ는작은값이가정되었다. 또한, [14] 에서는시간에따라변화하는가상채널행렬의 0이아닌성분들의위치변화를 Markovian random walk로모델화하고, POMDP(Partially Observable Markov Decision Process) 기법기반 Channel Estimation 및트래킹을위한파일럿설계방식이제안되었다. 앞서언급한많은채널추정방식들이다중반송파통신에서한부반송파채널로주어진협대역 (Narrow Band) 채널모델을기반으로제안되었다. 하지만, 밀리미터파대역의광대역채널에서 Frequency-Selectivity를이용하는채널추정기법들의필요성이대두되었으며 [15],[16], 현재광대역기반의채널추정기법들에대한연구또한활발히이루어지고있다. 1. 5G NR 채널추정앞에서는밀리미터파대역의무선채널을추정하는이론적연구에대해서간략히살펴보았다. 이제, 5G NR에서고려되는현실적채널추정에대해서살펴본다. 수신기에서의수신신호는송신신호와채널의곱 ( 좀더복잡하게는 Convolution) 으로나타난다. 이때채널값을알면수신신호로부터송신신호값을알수있고, 반대로송신된신호의값을미리알고있다면수신기는수신신호로부터채널값을알수있다. 이러한채널추정방식을트레이닝기반채널추정방식이라고 정보통신기술진흥센터 7

8 주간기술동향 부른다. 4G와더불어 5G에서도이러한트레이닝기반채널추정방식을사용하고이를위해서수신기에게미리알려진송신신호즉, 파일럿신호또는기준신호 (Reference Signal: RS) 를전송한다. 이러한기준신호는다시셀전체에적용되는셀공통의기준신호 (cell-specific reference signal) 와각사용자별기준신호 (User-Dedicated Reference Signal) 로구분되며, 이러한다양한기준신호는채널추정뿐만아니라잡음및간섭전력의크기, 수신신호대잡음비추정등에도이용된다. 특히, 4G LTE에서다중안테나 MIMO 기술이적용됨으로써다양한기준신호의필요성이발생하였다. 기지국와단말기사이의실제채널은프리코딩이적용되지않은셀공통의기준신호를통해서알수있다. 하지만, 다중안테나 MIMO 기술이적용될경우전송의성능을증가시키기위해송신단에서각사용자별로 MIMO 프리코딩 (precoding) 이적용된다. 이경우수신을위해서는수신기는기지국과사용자단말기간의실제채널과더불어송신기에서사용된프리코더 (precoder) 도알아야한다. 이를위해기지국은제어채널을이용해각사용자별로사용된프리코더정보를알려주거나, 아니면, 프리코더이전에사용자별기준신호를삽입함으로써각사용자수신기는채널과프리코더의곱을한꺼번에추정하여디코딩할수있다. 이러한기준신호를 4G에서는 DMRS(Demodulation Reference Signal) 로명명하였다. 현재논의가진행되고있는 5G NR 표준의채널추정을위한 RS에서는기존 LTE/LTE-A에서 CSI 획득을위한 CRS가사라지고, 크게 DMRS(Demodulation Reference Signal), CSI-RS(Channel- State Information Reference Signal), SRS(Sounding Reference Signal), 그리고 PTRS(Phase- Tracking Reference Signal) 등 4가지 RS가채널추정을위해사용된다. 밀리미터파대역의전파특성상셀전체에빔포밍없이어느정도성능의채널추정이어렵기때문에 CRS는크게의미가없어진것이다. 나머지기준신호에대해서간략히설명하면, 먼저 DMRS는기존 4G에서처럼 demodulation을위한기준신호로 precoding 및빔포밍을포함하는채널을추정하기위해사용된다. 밀리미터파통신의경우빔포밍의폭이좁기때문에더많은수의다중사용자지원이가능한데, 이를위해 NR에서의 DMRS는다중사용자멀티플렉싱을지원함으로써성능향상을제공한다. CSI-RS는 NR에서하향링크의 CSI 획득, DL beam management, time/frequency tracking, mobility 등의다양한기능을지원한다. 송신기와수신기의실질적인채널정보를효율적으로획득하기위해 NR에서는 aperiodic/semi-persistent/periodic 및 wideband/partial band 등유연한형태의 CSI-RS를제공한다. SRS는상향링크에대해 CSI-RS와비슷한역할을수행한다. PTRS는 NR 빔포밍에있어중요한기준신호로, 발진기에서발생하는위상 (phase) 잡음및변이를보상하는역할을수행하는데사용된다. 8

9 기획시리즈 5G IV. 밀리미터파대역빔포머설계기술 앞서언급하였듯이, 밀리미터파대역통신에서는고주파채널의특성상낮은주파수대역에비해큰경로손실이발생하고, 이를보완하기위해서는많은수의안테나를활용한고지향성빔포밍기술이필수적이다. 이를달성하기위한거대배열안테나시스템구현방식은크게세가지이다. 첫째는모든빔포밍에따른처리를아날로그영역에서하는 full analog beamforming, 둘째는모든빔포밍처리를디지털영역에서수행하는 full digital beamforming, 셋째는이둘을적절히배합한 analog-digital hybrid beamforming이다. 이중 full analog beamforming은구현복잡도는상대적으로낮으나, 임의의빔포밍행렬을구현하기가어렵다. Full digital beamforming의경우디지털신호처리를이용하여임의의빔포밍행렬을구현하여사용자간간섭및전력제어가용이하나, 각안테나와 ADC/DAC 사이에 RF 체인하나씩을요구하여구현복잡도가높다. 그리하여, 현실적인구현방법으로이두방식을적절히배합한 analog-digital hybrid beamforming이고려되고있다. 이하이브리드빔포밍방식에서는안테나의수보다적은수의 RF 체인을사용하는데, 안테나단과 DAC(Digital-to-Analog Converter) 사이에서는아날로그빔포머를구성하고, DAC 이전의디지털영역에서디지털프로세싱을통해디지털빔포머를구현하는방식이다. 이때아날로그빔포머의경우빔포밍에필요한각복소변수로나타나는보정값 (weight) 은가변이득증폭기 (variable-gain amplifier) 와위상천이기 (phase shifter) 로구현할수있다. 뿐만아니라, 구현의복잡도를줄이기위해위상천이기만으로도구현할수있다. 주로아날로그빔포밍을통해서는사용자채널에잘정합된방향으로빔을형성하고, 완벽하지못한아날로그빔포밍에서발생하는사용자간간섭제거나추가프로세싱은디지털단에서빔포밍이나신호처리등으로구현한다. 여기 < 자료 > 한국과학기술원자체작성 [ 그림 3] 하이브리드빔포밍구조 정보통신기술진흥센터 9

10 주간기술동향 서, 디지털단에서적용하는기술의종류에따라아날로그빔포밍은그에맞게적절히이루어져야한다. 디지털단에서는간단히선형프리코딩 (linear precoding) 을적용할수있고, 더높은성능을위해서는 Tomlinson-Harashima Precoding과같은비선형신호처리방식을적용할수도있다. 하이브리드빔포밍방식은훨씬적은 RF 체인수로 full digital beamforming에근접하는성능을낼수있음이알려졌다. 이러한하이브리드빔포밍방식의장점으로인해학계와산업계에서하이브리드빔포밍에관해단일사용자경우, 다중사용자경우, 광대역다중사용자경우와같은다양한환경에서광범위한연구가이루어졌고, 현재도이루어지고있다. 단일사용자의예를간단히살펴보면, 빔설계문제의최적화목표함수로전송용량을고려하여주어진빔설계의제약조건내에서전송용량을최대화하도록빔을설계할수있다. 하지만, 이러한제약하의아날로그빔과디지털빔의설계최적화문제는일반적으로매우어려운문제이다. 이를위해다양한방법의우회설계기법들이제안되었는데, [17] 에서는직접적으로전송용량을최대화하는하이브리드빔포머를설계하지않고아래수식과같이우리가구할수있는전송용량을최대화하는풀디지털빔포머와설계하고자하는하이브리드빔포머의차이를최소화하는빔설계방법을제안하였다. 여기서, F opt 는최적의풀디지털빔포머, F RF 와 F BB 는각각하이브리드빔포머에서아날로그빔포머와디지털빔포머를나타낸다. 단일사용자 MIMO에서더나아가서다중사용자환경에서다수의안테나를사용하여하이브리드빔포머를설계할때필요한채널피드백오버헤드를줄이기위해아날로그빔을미리설계된코드북내에서선택하는방식이제안되었다. [18] 에서는미리설계된아날로그빔을저장한코드북내에서각사용자의채널의가장큰고유벡터와가장정합된아날로그빔을선택하고, 선택된아날로그빔에기반하여디지털단에서제로포싱 (Zero-Forcing) 빔을설계함으로써스트림간또는사용자간간섭을제어하는하이브리드빔포머설계방법을제안하였다. 이방식외에도현재다양한하이브리드빔설계알고리즘들이존재하며, 이러한하이브리드설계방식은매우현실적인방안으로실제 5G NR에서의적용가능성은매우높다. 최근에는가변이득증폭기를사용하지않고위상천이기두개를사용하여 2보다작은임의의이득과위상을구현하는방식이개발되어아날로그빔포머구현의복잡도가한층감소하였다 [19]. 다중반송파통신하이브리드빔포밍의경우디지털빔포머는부반송파채널별로독립적으로구현될수있으나, 아날로그빔포머는모든부반송파채널에동시에적용된다. 이러한제약을고려한광대역하이브리드빔포머설계에관한연구가최근진행되고있다. 이와같이경로손실이큰밀리미터파대역에서무선통신을가능케하는고지향성빔포밍을저전력, 저복잡도로구현하는많은연구들이진행되었으며, 이러 10

11 기획시리즈 5G 한연구결과들이실제 5G 밀리미터파대역통신에적용될것으로예상된다. 1. 5G NR 빔형성기법이제 5G NR에서고려되는실질적빔포밍방식에대해간단히살펴보면, 현재활발히논의가진행되고있는 5G NR 표준에서는기지국에서많은안테나를사용하기위해편파안테나 (polarized antenna) 를고려하고, 이러한많은안테나사용에적합한앞서언급한하이브리드빔포밍구조를고려하고있다 [20]. 이렇게많은안테나를사용할경우빔포밍에필요한채널정보피드백을위해큰오버헤드가발생하기때문에, 채널정보를그대로피드백하는것이아니라, 채널정보피드백을위한코드북 (codebook) 을설계하였다. 기본적으로표준상에서논의된코드북은아날로그빔벡터들로써 DFT를기반으로하는빔을사용한다. 기지국에서는여러개의안테나패널을고려하는데각안테나패널은수직에해당하는안테나패널의행의수 N 1, 수평에해당하는안테나패널의열의수 N 2, 추가적으로각안테나에대응되는편파안테나가존재하여총 N t =2 N 1 N 2 개의안테나로이루어진다. 이때아날로그빔포머는각각의수직, 수평으로 2π만큼의공간을가장간단하게각각 N 1, N 2 개의크기로공간을분리하는 DFT 빔을사용하고, 추가적으로오버샘플링을통해각 DFT 빔사이의빈공간을채워넣는빔을사용한다. 따라서, 오버샘플링정도에따라전체공간을몇개의각도로나누는지가결정된다. 이때편파안테나의경우같은방향의빔을공유하게되며하나의편파안테나그룹과다른편파안테나그룹이형성하는빔간의추가적인위상변환을위한값이들어가게된다. 이러한추가적인위상변환을위한값의경우전체대역폭이아닌 sub-band < 자료 > 한국과학기술원자체작성 [ 그림 4] Type I, II CSI 코드북구조 정보통신기술진흥센터 11

12 주간기술동향 라는몇개의부반송파그룹별로피드백이이루어지게된다. 즉, 빔방향에관련된피드백값이이아날로그빔포머설정을위한값이고, 각부반송파그룹별로피드백을하게되는위상변환값이디지털빔포머를위한피드백값이된다. 표준에서는채널정보의피드백양을조절하기위해 [ 그림 4] 와같이크게두가지형태로코드북을설계한다. 먼저 Type I CSI 코드북은각아날로그빔을그대로사용하되편파안테나로사용하는빔의위상을서로다르게하는것만을고려하였지만, Type II CSI 코드북은아날로그빔의위상뿐만아니라선형결합까지고려하여코드북을설계한다. 이외에도 Type II CSI 코드북에서는 DFT 빔을기반으로하지않는방식의빔설계를위한코드북도지원한다. V. 결론 본고에서는 5G를이루는많은기술들중에서물리계층밀리미터파대역통신기술에관한연구동향을간략히살펴보았다. 밀리미터파대역통신은 6GHz 이상의주파수대역을사용하여넓은대역폭을제공하고, 경로손실은크지만고지향성빔포밍을사용하여이를보상해줄수있다. 희소한밀리미터파무선채널을효율적으로빨리추정하는빔트레이닝기술, 저복잡도로고지향성의빔포밍을달성하는하이브리드빔포밍기술, 이에필요한파일럿신호설계및피드백설계기술등이이미높은수준에도달해있다. 3GPP에서도관련기술을바탕으로표준을작성하고있으며, IMT-2020 표준에적용되는것이기대된다. 밀리미터파대역통신은기존저주파대역의제어시그널링과결합되어작은크기의핫스폿셀에서이전까지셀룰러시스템이제공하지못했던엄청난데이터전송속도를제공해줄것이다. IMT-2020의요구사항을충족시키고작은스마트폰내에서밀리미터파통신을실현하기위해관련후속연구가지속적으로필요하고, 앞으로도이연구분야에서많은성과가나올것으로기대된다. [ 참고문헌 ] [1] Recommendation ITU-R M , IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, Sep [2] PCG38_02, Summary minutes, decisions and actions from 3GPP PCG Meeting#37, held in London, UK, on 20 Oct [3] R. W. Heath, N. Gonz?lez-Prelcic, S. Rangan, W. Roh, and A. M. Sayeed, An overview of signal processing techniques for millimeter wave MIMO systems, IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol.10, no.3, Apr. 2016, pp

13 기획시리즈 5G [4] 3GPP TS NR; Physical channels and modulation, V15.0.0, Dec [5] J. Wang et al., Beam codebook based beamforming protocol for multi-gbps millimeterwave WPAN systems, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.27, no.8, Oct. 2009, pp [6] L. Chen, Y. Yang, X. Chen, and W. Wang, Multi-stage beamforming codebook for 60 GHz WPAN, in Proc. 6th Int. ICST Conf. Commun. Netw. China(CHINACOM), Aug. 2011, pp [7] E. Perahia, C. Cordeiro, M. Park, and L. L. Yang, IEEE ad: Defining the next generation multi-gbps Wi-Fi, in Proc. 7th IEEE Consum. Commun. Netw. Conf.(CCNC), Jan. 2010, pp.1-5. [8] IEEE WPAN Millimeter Wave Alternative PHY Task Group 3C(TG3c). [Online]. Available: contributions.html [9] A. Alkhateeb, O. El Ayach, G. Leus, and R. W. Heath, Jr., Channel estimation and hybrid precodingfor millimeter wave cellular systems, IEEE J. Sel. Topics Signal Process., vol.8, no.5, Oct. 2014, pp [10] A. Alkhateeb, G. Leusz, and R. W. Heath, Compressed sensing based multi-user millimeter wave systems: How many measurements are needed? in Proc. IEEE Int. Conf. Acoust., Speech Signal Process.(ICASSP), Brisbane, QLD, Australia, Apr. 2015, pp [11] Y. Han and J. Lee, Two-stage compressed sensing for millimeter wave channel estimation, in Proc. IEEE Int. Symp. Inf. Theory, Jul. 2016, pp [12] D. E. Berraki, S. M. D. Armour, and A. R. Nix, Application of compressive sensing in sparse spatial channel recovery for beamforming in mmwave outdoor systems, in Proc. IEEE Wireless Commun. Netw. Conf.(WCNC), Apr. 2014, pp [13] J. He et al., Millimeter wave MIMO channel tracking systems, in Proc. IEEE GLOBECOM Workshop, Dec. 2014, pp [14] J. Seo, Y. Sung, G. Lee, and D. Kim, Training beam sequence design for millimeterwave MIMO systems: A POMDP framework, IEEE Trans. Signal Process., vol.64, Mar. 2016, pp [15] Z. Gao, C. Hu, L. Dai, and Z.Wang, Channel estimation for millimeterwave massive MIMO with hybrid precoding over frequency-selective fading channels, IEEE Commun. Lett., vol.20, no.6, June 2016, pp [16] K. Venugopal, A. Alkhateeb, N. G. Prelcic, and R. W. Heath, Jr., Channel estimation for hybrid architecture based wideband millimeter wave systems, IEEE J. Sel. Areas Commun., vol.35, no.9 Sep [17] O. E. Ayach, R. W. Heath Jr., S. A.-Surra, S. Rajagopa, and Z. Pi, Low complexity precoding for large millimeter wave MIMO systems, IEEE International Conference on Communications(ICC), Jun [18] A. Alkhateeb, G. Leus and R. W. Heath Jr., Limited feedback hybrid precoding for 정보통신기술진흥센터 13

14 주간기술동향 multi-user millimeter wave systems, IEEE Trans. On. Wireless Commun., Nov [19] X. Yu, J Zhang and K. B. Letaief, Partially-connected hybrid precoding in mm-wave systems with dynamic phase shifter networks, IEEE International Workshop on Signal Proccessing Advances in Wireless Communications(SPAWC), Jul [20] 3GPP TS NR; Physical layer procedures for data, V15.0.0, Dec

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¼º¿øÁø Ãâ·Â-1 Bandwidth Efficiency Analysis for Cooperative Transmission Methods of Downlink Signals using Distributed Antennas In this paper, the performance of cooperative transmission methods for downlink transmission