이번 포스트부터는 배운 3가지 multi-antenna technology 중 두 번째인 beamforming에 대해 알아보자
Beamforming
beamforming은 기지국에서 서비스 영역을 마치 스포트라이트처럼 쏴주는 기술인데 위의 그림을 보면 두 안테나가 원래 서비스할 수 있는 영역이 50까지의 길이가 최대라면 두 안테나에 특정 weight를 곱해서(amplitude와 phase 조절) 서비스할 수 있는 영역의 방향을 조절할 수 있고, 서비스 가능 영역의 최대 길이를 2배인 100까지 늘릴 수 있다. 그 대신에 3dB Beam Width라고 서비스 가능 영역의 넓이는 1/2로 줄어든다.
beamforming을 사용하면 terminal의 SNR을 증가시켜 Rx 퍼포먼스를 향상시킬 수 있다.
beamforming에 관한 추가적인 내용은 아래 그림을 참고
Analog Beamforming
beamforming은 사용하는 방식이나 구조에 따라 analog, digital, hybrid로 나뉘는데 먼저 analog beamforming을 사용하는 방식을 보면 위와 같고, 그 특징을 간단히 정리하자면 아래와 같다.
- 1개의 transceiver(transmitter + receiver) 사용
- weight를 base band가 아닌 RF band에 곱해줌
- beam을 하나만 만들 수 있음
Digital Beamforming
digital beamforming의 특징은 아래와 같다
- N개(안테나의 수)의 transceiver 사용
- weight를 base band에 곱해줌
- beam 여러개 생성 가능(마치 아래 그림)
⚡️Analog vs. Digital Beamforming
analog와 digital beamforming의 장단점을 정리하자면 아래와 같다.
- analog : 가격 저렴, 복잡도 낮음, flexible하지 못함, beam을 여러개 만들 수 없음
- digital : 가격 비쌈, 복잡도 높음, flexible 함, beam 여러개 생성 가능
추가적으로 5G에서는 analog beamforming을 사용하는데, 이는 5G가 사용 주파수가 높기 때문에 coverage가 좁은데, 이를 상쇄하기 위해 저렴한 analog beamforming이 최적이기 때문이다.
Hybrid Beamforming
실제 대규모 antenna system을 구현하는데 digital beamforming을 사용하기에는 복잡도, 에너지, 가격 측면에서 많은 어려움이 있기 때문에 analog와 digital의 방식을 합친 Hybrid Beamforming을 사용한다.
Hybrid 방식은 위의 그림과 같이 먼저 다수의 안테나들을 그룹으로 나눠 analog beamforming을 해주어(이때 weight들은 모두 동일) 각각의 그룹이 마치 하나의 안테나가 작동하는 것처럼 보이게 한다. 그 이후에 그룹의 수만큼 생성된 beam에 digital beamforming을 해주는 방식이다.
Hybrid Beamforming은 다시 transceiver를 어떻게 배치하느냐에 따라 두 가지 방식으로 나뉜다.
- Fully Connected : 모든 안테나에 transceiver를 달아줌
- Partially Connected : 각각의 column(아마 analog BF 해주는 그룹들)에 transceiver 한 개씩 달아줌
Beamforming in FDD(frequency dividion duplex)
기지국에서 UE로 좋은 beam을 제공하기 위해서는 CSI(channel state info)를 알아야 한다. 그런데 FDD에서는 down link에 사용되는 채널과 up link에 사용되는 채널이 다르기 때문에 DL 채널 정보를 알기 위해서는 아래 두 방법 중 하나를 사용해야 한다.
- non-codebook based beamforming : 기지국이 DL로 특정 sequence를 전송한 다음 UE는 전송받은 sequence(measurement)를 UL을 통해 다시 기지국으로 보내어 기지국에서 확인하는 방식 -> overhead가 크다
- ⚡️codebook based beamforming : beam들을 미리 만들어 놓은 후에 관련 정보를 codebook(특정 beam을 만들기 위한 weight vector가 저장)으로 만들어 단말기, 기지국 모두가 저장한다. 단말기는 기지국에 자신에게 가장 좋은 beam의 index만 보내는 방식 -> 첫번째 방법 대비 overhead 감소(아래 그림 참고)
Beamforming in TDD(time division duplex)
UL과 DL이 같은 채널을 사용하기 때문에 UL 채널 정보가 DL 채널 정보로 사용이 가능하다.(단말기로부터 신호를 받으면 Tx CSI를 쉽게 알 수 있음) 따라서 non-codebook based beamforming이 FDD 사용 때 대비해서 더욱 쉽다.
TDD beamforming이 FDD beamforming 보다 성능이 뛰어나고 효율적이다.
사용하는 안테나가 많을수록 Tx CSI를 아는 것이 더욱 복잡하기 때문에 TDD가 더욱 유리하다. 따라서 안테나를 많이 사용하는 5G 시스템에서 TDD beamforming을 사용한다.(5G 사용 주파수 大 -> 다수의 안테나가 요구 -> TDD beamforming 사용)
3D Beamforming
