빔포밍(beamforming)

빔포밍이란? 간단히 말해서 신호를 쏠때 weight vector을 곱해서 신호를 특정 방향으로 집중 시키는 기술입니다. 

빔포밍은 아날로그 빔포밍, 디지털 빔포밍, 하이브리드 빔포밍이 있습니다

 

 

 

Analog BF

아날로그 빔포밍은 RF단에다 weight 백터를 적용함. RF에서 적용하기 때문에 빔이 특정한 한 방향으로만 신호가 나갑니다( 다른 방향쪽으로는 신호가 매우 약해짐 ) -> 동시에 여러 방향으로 나가지 못함

 

Digital BF

모뎀에서 RF단 까지의 transeiver을 안테나마다 하나하나 지정해줌. 그리고 weight 벡터는 모뎀에서 적용함. 즉 digital 빔포밍은 안테나에 여러 모뎀에 다중 연결을 하고 모뎀마다 weight 벡터를 다르게 적용해준다면 여러 방향으로 필요할 때마다 바꿔서 사용할 수 있음

 

Hybrid BF

아날로그 빔포빙위에다 디지털 빔포밍을 적용한 기술, RF단에서 weight 벡터를 적용시켜 신호의 안정성을 챙기고 baseband 단에서도 weight 벡터를 적용시켜서 방향을 조정할 수 있도록하는 기술. 5G 그리고 mmWave 대역으로 나아갈 수록 이 기술이 중요함. 

 

Hybrid BF는 다음과 같이 2가지 종류로 나누어짐

 

(a) Fully Connected

     transeiver 하나가 모든 안테나의 연결되는 구조, 하드웨어적으로 연결이 많아짐. control이 쉬워지고 유연성 있지만 복잡해서 구축하기 어려움

 

(b) Partially Coneected

 안테나를 그룹핑을 하고 하나의 transeiver은 하나의 그룹과 연결되는 구조, fully connected보다 성능이 조금 떨어질수도 있지만 비용이 비교적 저렴하고 구축하기 덜 복잡함. 현재 시스템에서 주로 사용하는 구조

 

 

 

	Analog Beamforming	Digital Beamforming	Hybrid Beamforming
Weight vector 적용점	RF 단에서 적용	baseband 단에서 적용	RF, baseband 둘다 적용
transceiver 수	하나만 있으면 됨	baseband 모뎀 별로 다수의 transceiver 필요	transceiver 많아야함
기술적 난이도	복잡하지 않음	비교적 복잡함	복잡함
사용 방향	신호의 방향 변경에 유연하지 않으므로 지속적인 coverage를 내는데 적합	baseband 단에서 신호의 방향을 결정할 수 있으므로 아날로그 빔포밍보다 유연한기술이 필요한 곳에 쓰임	mmWave로 나아갈 수록 많이 사용됨
비용	적음	많음(하드웨어 장비와 많은 연산이 요구되기 때문에)	많음

 

 

빔포밍을 적용하기 위해서는 weight 벡터를 잘 설정해야하는데 weight 벡터는 Tx가 전송하는 채널의 CSI(Channel State Information)을 잘알아야 함. (기지국 입장에선 DL 채널정보를 알아야함)

CSI 를 알아내는 방법은 FDD와 TDD가 있음. 

 

FDD : 디바이스와 기지국 사이에 uplink, downlink 채널을 각각 다른 주파수 대역을 사용하는 방법. 즉 DL, UL에서 사용하는 채널이 다르기 때문에 디바이스의 UL에 DL에 대한 채널정보를 포함하여 기지국에 보내는 방식으로 CSI를 알아냄.

이 것은 높은 overhead을 일으킴. 비효율적

 

TDD : 동일한 주파수 채널을 일부는 DL, 또 일부는 UL을 시분할적으로 사용함. 즉, 디바이스와 기지국에서 사용하는 채널의 특성은 서로 반대되는 특성을 가지게됨. ( 기지국은 UL 신호를 통해 CSI를 얻을 수 있음 -> channel resprocity )