전송행렬 표시기(PMI) 피드백 정보만을 기반으로 한 향상된 코드북 생성 접근법을 제안한다. 이 접근법은 이산적인 PMI 데이터로부터 커널 밀도 추정(KDE)을 활용하여 더 높은 해상도의 분포를 생성하고, k-mean 군집화 알고리즘을 적용함으로써, 빔포밍 벡터 집합을 반복적으로 갱신하여 채널 특성과 사용자 장비(UE) 위치에 자율적으로 적응한다. 제안하는 코드북은 기준 신호(reference signaling)나 채널 측정 보고(channel measurement report)에 어떠한 변경도 없이 기존 시스템에 적용될 수 있다는 점에서 3GPP 표준을 준수하며, 이를 통해 빔포밍 성능을 유의미하게 향상시킬 수 있다.

무인항공기(UAV)를 활용한 무선 인프라 구축은 차세대 통신 시스템의 커버리지를 효과적으로 확장하고 고밀도 트래픽을 지원할 수 있다. 공중 기지국(ABS)으로서 UAV를 포함하는 무선 시스템을 설계하는 것은 ABS의 이동성으로 인해 환경 주변과 사용자 장비(UE) 기기까지의 상대 전파 경로가 시간에 따라 변하는 특성을 갖기 때문에 어려운 과제이다. 따라서 UAV의 다양한 위치에 대해 채널을 정확히 추정하는 것이 필수적이다. 본 논문에서는 ABS를 포함하는 무선 시스템에 대해 디지털 트윈 기반 성능 평가 절차를 도입하여, 특정 목표 배치 지역에 대한 채널 모델링의 정확도를 향상시키는 방안을 제안한다. 전파 환경의 상세한 건물 및 지형 정보를 반영하는 레이 트레이싱 채널 모델을 사용하여, 강화학습 기반 UAV 위치 최적화 알고리즘을 제시한다. 딥 결정론적 정책 기울기(DDPG)를 활용함으로써 제안된 알고리즘은 디지털 트윈 상에서 전체 처리량을 계산하고 UAV의 원하는 상태를 결정한다. 성능 평가 결과는 알고리즘의 궤적 학습 능력과, 지상 기지국(GBS)과 비교하여 그림자 영역의 양을 감소시킨 상태에서 시스템 성능이 우수함을 보여준다.

채널 상태 정보(CSI)에 대한 제한된 피드백 제약 하에서의 정확한 빔포밍은, 다중입출력(MIMO) 전송의 품질에 미치는 막대한 영향에도 불구하고, 항상 해결하기 어려운 과제였다. 이 과제는 특히 무선 채널에서 심각한 경로손실을 상쇄하기 위해 고이득 빔이 요구되는 밀리미터파(mmWave) 전송에서 더욱 중요해지는데, 빔 방향이 부정확하면 눈에 띄는 성능 저하가 발생할 수 있기 때문이다. 또한 도시 환경에서의 이동 단말 및 인구 통행으로 인한 신호 차단은, 신호 전송을 위한 블라인드 스팟뿐 아니라 CSI 피드백에도 영향을 주어 빔포밍 성능을 저하시킬 수 있다. 본 논문에서는 피드백 오버헤드를 실질적으로 줄이면서도 고도로 이동하는 사용자에게 정확한 빔을 전송하는 새로운 방식을 제안한다. 이를 위해 모바일 사용자의 궤적을 따라 여러 개의 빔으로 구성된 beam signatures를 도입한다. 사용자 장치(UE)가 보고한 송신행렬 지시자(PMI)에 해당하는 스폿 빔을 형성하는 대신, 기지국(BS)은 이전 보고의 이력을 활용하여 적절한 빔 시그니처를 결정하고 예측된 UE 위치로 빔을 전송한다. 다음 빔 위치에 대한 사전적 의사결정은, 주어진 도로 조건에서의 전형적인 이동 동작으로부터 얻은 학습 데이터를 사용한 딥러닝(DL)의 도움으로 수행되며, 그 결과 채널 환경에 대한 적응성을 제공하고 정확도를 점진적으로 향상시킨다. beambook 으로 불리는 빔 시그니처의 집합은, 빔이 시공간 코드북으로 발전할 수 있도록 기존의 공간 차원에 시간 차원을 추가한다. beambook은 CSI 피드백 주기가 현재 5G 뉴 라디오(NR) 표준에서 지원하는 파라미터보다 상당히 길더라도, 모바일의 궤적 전반에 걸쳐 향상되고 신뢰할 수 있는 빔포밍을 제공한다. 제안된 beambook은 빔포밍 정확도와 처리율 성능 모두에서 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬 및 벡터 양자화(VQ)를 기반으로 한 기존 코드북보다 유의미하게 우수함을 보여준다.

이산 푸리에 변환(DFT) 기반 코드북은 대규모 이차원 균일 평면 배열(UPA)을 포함하여 서로 다른 형상과 크기의 배열을 사용하는 빔포밍에서 현재 가장 널리 채택되는 코드북 중 하나이다. DFT 기반 코드벡터는 임의의 각 해상도로 손쉽게 생성할 수 있으며, 생성되는 빔의 지향성(directive) 특성으로 인해 밀리미터파(mmWave) 채널에 잘 적용된다. 그러나 코드벡터의 고정된 집합은 사용자 분포와 전파 환경에 관계없이 동일하게 적용되며, 특정 전송 시나리오에서는 빔포밍 성능이 제한적일 수 있다. 본 논문에서는 채널 상태 정보(CSI)의 제한된 피드백 하에서 대규모 배열을 사용하는 다중입력 다중출력(MIMO) 전송을 위한 빔포밍 벡터 집합을 생성하는 새로운 방식을 제안한다. 사용자로부터 보고되는 프리코더 행렬 지시자(Precoder matrix indicator, PMI)와 채널 품질 지시자(Channel quality indicator, CQI)는 기지국(BS)에서 딥러닝(DL) 모듈에 의해 자율적으로 결정되는 새로운 코드벡터 집합 생성을 위한 근거가 된다. 이 과정은 딥 신경망(DNN)에서 손실함수(loss function)의 반환이 감소한 상태에서 코드북의 갱신된 버전을 생성하기 위해 반복적으로 수행된다. 각 BS에 대한 시변(time-varying) 코드북은 주어진 무선 환경의 특성을 자동으로 반영하여 해당 채널 및 트래픽 조건에 적응한다. BS에서 전송되는 기준 신호(RS)는 빔포밍된 CSI-RS의 형태로 주기적으로 전송되므로 시스템 사용자에게는 동작이 투명하며, 별도의 중요한 사양 변경이 필요하지 않다. 제안의 잠재적 이득을 달성하기 위해서는 간단한 플러그 앤 플레이 방식의 BS 설치만으로 충분하며, 이는 DL 엔진의 구현 세부사항과 이에 대한 성능 시뮬레이션 결과로 입증된다.

전송행렬 표시기(PMI) 피드백 정보만을 기반으로 한 향상된 코드북 생성 접근법을 제안한다. 이 접근법은 이산적인 PMI 데이터로부터 커널 밀도 추정(KDE)을 활용하여 더 높은 해상도의 분포를 생성하고, k-mean 군집화 알고리즘을 적용함으로써, 빔포밍 벡터 집합을 반복적으로 갱신하여 채널 특성과 사용자 장비(UE) 위치에 자율적으로 적응한다. 제안하는 코드북은 기준 신호(reference signaling)나 채널 측정 보고(channel measurement report)에 어떠한 변경도 없이 기존 시스템에 적용될 수 있다는 점에서 3GPP 표준을 준수하며, 이를 통해 빔포밍 성능을 유의미하게 향상시킬 수 있다.

무인항공기(UAV)를 활용한 무선 인프라 구축은 차세대 통신 시스템의 커버리지를 효과적으로 확장하고 고밀도 트래픽을 지원할 수 있다. 공중 기지국(ABS)으로서 UAV를 포함하는 무선 시스템을 설계하는 것은 ABS의 이동성으로 인해 환경 주변과 사용자 장비(UE) 기기까지의 상대 전파 경로가 시간에 따라 변하는 특성을 갖기 때문에 어려운 과제이다. 따라서 UAV의 다양한 위치에 대해 채널을 정확히 추정하는 것이 필수적이다. 본 논문에서는 ABS를 포함하는 무선 시스템에 대해 디지털 트윈 기반 성능 평가 절차를 도입하여, 특정 목표 배치 지역에 대한 채널 모델링의 정확도를 향상시키는 방안을 제안한다. 전파 환경의 상세한 건물 및 지형 정보를 반영하는 레이 트레이싱 채널 모델을 사용하여, 강화학습 기반 UAV 위치 최적화 알고리즘을 제시한다. 딥 결정론적 정책 기울기(DDPG)를 활용함으로써 제안된 알고리즘은 디지털 트윈 상에서 전체 처리량을 계산하고 UAV의 원하는 상태를 결정한다. 성능 평가 결과는 알고리즘의 궤적 학습 능력과, 지상 기지국(GBS)과 비교하여 그림자 영역의 양을 감소시킨 상태에서 시스템 성능이 우수함을 보여준다.

채널 상태 정보(CSI)에 대한 제한된 피드백 제약 하에서의 정확한 빔포밍은, 다중입출력(MIMO) 전송의 품질에 미치는 막대한 영향에도 불구하고, 항상 해결하기 어려운 과제였다. 이 과제는 특히 무선 채널에서 심각한 경로손실을 상쇄하기 위해 고이득 빔이 요구되는 밀리미터파(mmWave) 전송에서 더욱 중요해지는데, 빔 방향이 부정확하면 눈에 띄는 성능 저하가 발생할 수 있기 때문이다. 또한 도시 환경에서의 이동 단말 및 인구 통행으로 인한 신호 차단은, 신호 전송을 위한 블라인드 스팟뿐 아니라 CSI 피드백에도 영향을 주어 빔포밍 성능을 저하시킬 수 있다. 본 논문에서는 피드백 오버헤드를 실질적으로 줄이면서도 고도로 이동하는 사용자에게 정확한 빔을 전송하는 새로운 방식을 제안한다. 이를 위해 모바일 사용자의 궤적을 따라 여러 개의 빔으로 구성된 beam signatures를 도입한다. 사용자 장치(UE)가 보고한 송신행렬 지시자(PMI)에 해당하는 스폿 빔을 형성하는 대신, 기지국(BS)은 이전 보고의 이력을 활용하여 적절한 빔 시그니처를 결정하고 예측된 UE 위치로 빔을 전송한다. 다음 빔 위치에 대한 사전적 의사결정은, 주어진 도로 조건에서의 전형적인 이동 동작으로부터 얻은 학습 데이터를 사용한 딥러닝(DL)의 도움으로 수행되며, 그 결과 채널 환경에 대한 적응성을 제공하고 정확도를 점진적으로 향상시킨다. beambook 으로 불리는 빔 시그니처의 집합은, 빔이 시공간 코드북으로 발전할 수 있도록 기존의 공간 차원에 시간 차원을 추가한다. beambook은 CSI 피드백 주기가 현재 5G 뉴 라디오(NR) 표준에서 지원하는 파라미터보다 상당히 길더라도, 모바일의 궤적 전반에 걸쳐 향상되고 신뢰할 수 있는 빔포밍을 제공한다. 제안된 beambook은 빔포밍 정확도와 처리율 성능 모두에서 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬 및 벡터 양자화(VQ)를 기반으로 한 기존 코드북보다 유의미하게 우수함을 보여준다.

이산 푸리에 변환(DFT) 기반 코드북은 대규모 이차원 균일 평면 배열(UPA)을 포함하여 서로 다른 형상과 크기의 배열을 사용하는 빔포밍에서 현재 가장 널리 채택되는 코드북 중 하나이다. DFT 기반 코드벡터는 임의의 각 해상도로 손쉽게 생성할 수 있으며, 생성되는 빔의 지향성(directive) 특성으로 인해 밀리미터파(mmWave) 채널에 잘 적용된다. 그러나 코드벡터의 고정된 집합은 사용자 분포와 전파 환경에 관계없이 동일하게 적용되며, 특정 전송 시나리오에서는 빔포밍 성능이 제한적일 수 있다. 본 논문에서는 채널 상태 정보(CSI)의 제한된 피드백 하에서 대규모 배열을 사용하는 다중입력 다중출력(MIMO) 전송을 위한 빔포밍 벡터 집합을 생성하는 새로운 방식을 제안한다. 사용자로부터 보고되는 프리코더 행렬 지시자(Precoder matrix indicator, PMI)와 채널 품질 지시자(Channel quality indicator, CQI)는 기지국(BS)에서 딥러닝(DL) 모듈에 의해 자율적으로 결정되는 새로운 코드벡터 집합 생성을 위한 근거가 된다. 이 과정은 딥 신경망(DNN)에서 손실함수(loss function)의 반환이 감소한 상태에서 코드북의 갱신된 버전을 생성하기 위해 반복적으로 수행된다. 각 BS에 대한 시변(time-varying) 코드북은 주어진 무선 환경의 특성을 자동으로 반영하여 해당 채널 및 트래픽 조건에 적응한다. BS에서 전송되는 기준 신호(RS)는 빔포밍된 CSI-RS의 형태로 주기적으로 전송되므로 시스템 사용자에게는 동작이 투명하며, 별도의 중요한 사양 변경이 필요하지 않다. 제안의 잠재적 이득을 달성하기 위해서는 간단한 플러그 앤 플레이 방식의 BS 설치만으로 충분하며, 이는 DL 엔진의 구현 세부사항과 이에 대한 성능 시뮬레이션 결과로 입증된다.

5G 뉴 라디오(NR)는 향상된 모바일 광대역(eMBB) 서비스와 대규모 기계형 통신(mMTC)과 같은 기능을 제공한다. 다중입력 다중출력(MIMO) 전송은 이러한 기능을 가능하게 하는 데 필수적인 기술로서, 충분한 수의 소자들로 구성된 안테나 배열을 사용하여 원하는 사용자 위치로 정확하고 높은 이득을 갖는 빔을 생성한다. 향후의 새로운 서비스에서는 다양한 형태의 이동 단말이 서로 다른 위치에 등장할 것으로 예상되며, 빔포밍은 이러한 방향성의 다양화를 수용할 필요가 있다. 그러나 기존 배열 구조를 활용하는 것은 3차원 공간에서 임의의 수신기 위치로 신호를 전송하는 데 한계가 있다. 따라서 등방적(isotropic) 방식으로 정확한 빔을 형성할 수 있는 새로운 유형의 배열이 요구되며, 이에 상응하는 전송 전략을 규명할 필요가 있다. 본 논문에서는 3차원 균일 구면 배열(Uniform Spherical Array; USA)의 구성과 활용을 조사한다. 이러한 배열을 위한 빔포밍 벡터와 기저 코드북을 정의하고, 생성된 빔의 특성을 기존 배열이 생성하는 빔과의 비교를 통해 분석한다. 빔 간 간섭을 최소화하기 위한 배열 파라미터를 결정하고, 배열의 적절한 구성을 사용하여 다사용자 전송 성능을 평가한다. 또한 실제 환경에서의 합-전송률(sum-rate) 성능을 제시하기 위해 안테나 소자에 방사 패턴을 적용한다.

밀리미터파(mmWave) 통신은 5G NR(5G new radio) 이동통신 시스템의 핵심 기술이다. 대규모 안테나 배열을 이용한 효율적인 빔포밍은 mmWave 대역에서 겪는 상당한 경로 손실을 대응하기 위해 중요하다. 기존의 완전 디지털 빔포밍 방식은 각 안테나마다 별도의 무선 주파수(RF) 체인을 요구하므로, 과도한 하드웨어 비용과 소비 전력을 초래한다. 이러한 상황에서, 완전 디지털 빔포밍에 근접한 성능을 제공하면서 복잡도를 낮추는 하이브리드 빔포밍은 mmWave 다중 사용자 전송을 위한 유망한 해결책이다. 본 논문은 기존의 하이브리드 빔포밍 전략을 확장하여, 대규모 안테나 배열에서 하드웨어 비용과 복잡도를 효과적으로 감소시키는 새로운 아키텍처를 제안한다. 제안된 방식은 2차원 공간에서 중첩될 수 있도록 균일 평면 배열(UPA, uniform planar array) 형태의 다중 서브어레이를 포함한다. 이에 상응하는 안테나 구조를 2차원 중첩 부분 연결(2D-OPC, two-dimensional overlapped partially connected) 서브어레이 구조라고 한다. 우리는 mmWave 채널에서 효율적인 빔포밍을 위한 다목적 안테나 배열 설계 시 성능-복잡도 간 트레이드오프를 제시하기 위해, 제안된 방식의 성능을 평가한다.

수신 신호의 품질과 시스템 스펙트럼 효율을 향상시키기 위해, 주어진 안테나 배열을 이용한 정확한 빔포밍은 다중입출력(MIMO) 시스템에 필수적이다. 원하는 MIMO 전송 성능을 얻기 위해서는, 배열 구조에 부합하는 빔포밍 벡터로 구성된 코드북의 구축이 중요하다. 서로 다른 유형의 이동 트래픽을 효과적으로 커버하기 위해, 5G new radio의 기지국은 다양한 크기와 형상의 안테나 배열을 사용한다. 그럼에도 불구하고 지금까지 3GPP 표준에서 채택된 코드북은 균일 선형 배열과 균일 평면 배열을 기반으로 하므로, 더 넓은 범주의 안테나 배열에 대해 설계 기법이 필요하다. 본 논문에서는 사용자 장비(UE)의 채널 특성에 따라 초기 위상과 스텝 크기를 유연하게 설정할 수 있는 매개변수를 갖춘 균일 원형 배열을 위한 코드북 구축 방법을 제안한다. 3GPP 공간 채널 모델에서 시험한 결과, 제안한 코드북은 셀 내 모든 UE 위치에서 기존 코드북에 비해 상당한 이득을 보였다.

대규모 배열을 이용하여 3차원 전체 공간에 대해 효율적인 빔포밍을 수행하기 위해, 구형(spherical) 형상의 안테나 구조를 차세대 송수신기에 사용할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 목적을 위해 측지구(geodesic) 구면 위에 구성된 안테나 배열의 활용을 제안하고, 이에 상응하는 빔포밍 성능을 분석한다. 특히, 정이십면체(icosahedron)에 기반한 측지구 안테나 배열이 생성하는 빔 패턴을 평가하고, 이를 기존의 빔 패턴과 비교한다. 또한, 제한된 피드백 채널 시나리오의 실제 운용에 적용할 수 있는 측지구 배열의 12-섹터(sector) 동작을 위한 빔포밍 벡터도 제시한다.

5G 이동통신 시스템의 시스템 수용량을 증대하기 위해, 밀리미터파 대역에서 대규모 배열을 활용하는 다중입출력(MIMO) 전송 기법은 큰 주목을 받아 왔다. 소형 셀의 사용자 단말기(UE), 다양한 위치의 실내 사물인터넷(IoT) 기기, 그리고 공중 항법을 수행하는 드론 등 5G 통신에서 예상되는 여러 유형의 수신기를 대응하기 위해서는, 전방위(all-directional) 전송 능력을 갖춘 새로운 유형의 안테나 배열이 필요하다. 그러나 일반적인 패널 배열을 사용하는 기존 안테나 구조는 수평 및 수직 방향 모두에서 전송 각도에 제한이 있다. 본 논문에서는 차세대 무선 시스템을 위한 효율적인 대규모 MIMO 전송을 위해 다수의 삼각 패널로 구성된 3차원(3D) 배열 구조를 활용하는 방안을 제안한다. 이러한 3D 배열 구성에 적합한 균일 삼각 배열(UTA)의 빔포밍 특성을 분석하고, UTA에 적용 가능한 기본 코드북을 제시한다. 또한 다수의 UTA 패널을 갖는 안테나 구조를 사용하여 다중사용자 전송 성능을 평가함으로써 제안의 유효성을 입증한다.