[최신모바일기술 #04] Beamforming

Beamforming은 주파수를 빔 모양으로 만들어 신호를 수신 측에 집중시키는 기술이다. 주로 진폭과 위상을 조절하여 특정 방향으로 신호를 집중시키고 다른 방향에서는 신호를 최소화하는 방식으로 동작한다.

 

Multi-Tx-Antenna Beamforming

 

가장 기본적으로 Multi-Tx-Antenna Beamforming은 단말기 쪽으로 downlink하는 상황에서 송신 측에서 다중 안테나를 사용하여 Beamforming하는 방식이다. 이때 수신 측에서 받는 신호의 세기는 송신 측의 안테나 수에 비례하여 SNR과 Data Rate가 증가한다.

 

Beamforming의 타입은 크게 2가지로 나눌 수 있다.

• High correlation between Tx antennas : 위상만으로 조정하는 classical beamforming이 해당
• Low correlation between Tx antennas : 진폭과 위상 모두 조정하는 beamforming이 해당. Diversity와 Spatial Multiplexing에서도 높은 gain을 얻기 위함이다.

---

Analog and Digital Beamforming

Analog Beamforming

Digital Beamforming

 

Analog Beamforming

• RF 대역에서 weight vector를 처리하여 하나의 빔을 형성
• 하나의 송수신기만을 사용
• 낮은 복잡성
• 낮은 파워 소모량 + 낮은 비용 → Coverage에 최적화

Digital Beamforming

• Baseband 대역에서 weight vector를 처리하여 여러 방향으로 빔을 형성
• 모든 안테나 요소 혹은 포트 각각에 송수신기를 사용
• 높은 복잡성
• 높은 파워 소모량 + 높은 비용 → Capacity와 Flexibility에 최적화 

---

Hybrid Beamforming

위에서 봤던 Analog와 Digital 방식의 장점만을 결합하여 만든 기술로, Analog BF로 신호의 위상과 진폭을 조절하여 확보한 넓은 coverage에 빔을 형성하고, Digital BF로 각 사용자에게 최적화하기 위해 빔을 세부조정한다. 기본적인 빔을 형성할 때 Analog 방식을 사용하기에 전력 소모와 비용을 낮추면서, 이후 Digital 방식을 사용하여 다수의 사용자에게 지원도 가능하게 한다.

 

Hybrid Beamforming은 2가지 타입이 존재하는데, 각각의 송수신기가 모든 안테나에 연결된 Fully connected와 안테나를 N개의 그룹을 지어 송수신기를 N만큼만 연결한 Partially connected가 있다.

• 송수신기가 N개, 안테나가 N*M개라고 가정.
• Fully connected
  • 송수신기가 모든 안테나에 연결되어 있어 컨트롤이 더 쉽고 정밀한 빔포밍 가능
  • 그러나 복잡도가 높고(RF paths 수 N^2M개) 비용과 전력 소모가 크다.
• Partially connected
  • 복잡도가 낮고(RF paths 수 NM개) 비용과 전력 소모가 작다.
  • 대신 송수신기 당 얻는 BF gain이 1/N으로 감소한다. (Fully는 M*N, Partially는 M)

Fully Connected

Partially Connected

---

Beamforming in FDD & TDD

Beamforming은 FDD(Frequency Division Duplex)와 TDD(Time Division Duplex)에서 서로 다른 성능을 보여준다.

 

1) FDD

FDD는 Frequency로 나눠 Duplex 통신을 하는 환경인데, 그럼 UL와 DL에서 서로 다른 주파수를 사용해야 하므로 UL의 채널 정보가 DL에 사용될 수 없다. 그럼 단말기로부터 채널 정보를 받아서 DL 빔포밍을 하면 되지 않나? 생각할 수 있지만, 이 과정에서 오버헤드가 증가하기 때문에 한계가 있다. 따라서 precoding codebook을 사용한다.

 

Precoding Codebook : Tx(기지국)과 Rx(단말기)가 동일한 코드북을 공유한 후, 단말기는 코드북 내에서 자신에게 맞는 최적의 beamforming weight를의 인덱스를 Tx에 전송한다. 그럼 Tx는 수신된 인덱스를 기반으로 weight vector을 사용하여 빔포밍을 수행하는 방식이다.

 

2) TDD

 

TDD는 같은 주파수 내에서 시간이 다른 것이므로, UL의 채널 정보가 DL에 사용될 수 있다. 따라서 Beamforming의 성능 자체는 FDD보다 TDD에서 더 잘나오고 난이도도 FDD에서가 더 쉽다.