특허 개요
본 특허는 다중 안테나 무선 통신에서 수신단이 채널 상태에 맞는 빔포밍 정보를 골라 송신단에 전달하는 머신 러닝 기반 제한 피드백 기술입니다. 수신단은 완전 연결 심층신경망(DNN)으로 수신 신호 또는 채널 정보에서 특징 행렬을 만들고 행 단위 정규화한 뒤, 하나 이상의 0이 아닌 값을 갖는 완화된 선택 벡터로 코드북 후보 코드워드의 가중치 조합을 지정합니다. 송신단은 선택 벡터와 코드북의 곱으로 코드워드를 얻고, 완전 연결 레이어와 행 단위 정규화를 거쳐 빔포밍용 프리코더를 결정합니다.
- 핵심 기능
수신단은 수신 신호 또는 채널 정보에서 특징 행렬을 생성·정규화하고, 코드북 후보별 가중치를 담은 선택 벡터를 송신단으로 피드백합니다. 송신단은 이 선택 벡터와 공유 코드북으로 코드워드를 획득한 뒤 복원 특징 행렬을 통해 프리코더를 결정하며, 학습 완료 후 온라인 구간에서는 코드워드 인덱스 기반 조회 방식으로 빔포밍을 수행할 수 있습니다.
- 차별 강점
종래 제한된 피드백 코드북은 정확한 채널 정보 확보를 전제로 하고, 이진화 기반 양자화는 표현 범위가 제한되어 양자화 손실과 학습 중 경사 소실 문제가 발생할 수 있습니다. 본 기술은 하나의 코드워드만 선택하는 대신 다중 비영 요소의 선택 벡터로 후보 코드워드를 가중 조합해 표현 자유도를 높이고, 코드북과 시스템 파라미터를 함께 학습·최적화합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 MIMO 이동통신, FDD 시스템, 코드북 기반 CSI 피드백, 빔포밍·프리코딩 알고리즘 분야에 활용 가능하며, 5G-Advanced 및 6G 무선 액세스 기술 검증으로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 기지국 장비, 무선 단말, 모뎀 칩, 무선 접속망 소프트웨어와 통신사 네트워크 최적화 솔루션에 적용할 수 있습니다.
연구 개발 단계
다중 안테나 제한된 피드백 환경에서 피드백 비트 수 변화에 따른 양자화 손실을 이진화 기반 DNN 방식과 비교해, 제안 방식의 손실이 더 적은 정성 결과를 확인했습니다. 검증은 송신 안테나 4개, 수신 안테나 1개 및 Rayleigh fading 채널 조건의 시뮬레이션에 한정되며, 실제 무선 장비 환경 성능은 확인이 필요합니다.
- 통신 시스템: 다중 안테나 제한된 피드백 시스템
- 비교 방식: DNN 기반 벡터 양자화 방식과 이진화 기반 DNN 방식
- 시뮬레이션 조건: 송신 안테나 4개, 수신 안테나 1개, Rayleigh fading 채널
현재 성과
피드백 비트 수가 증가할수록 제안한 DNN 기반 벡터 양자화 방식은 이진화 기반 DNN 방식보다 적은 양자화 손실을 보였습니다. 후보 코드워드를 가중 조합하는 선택 벡터를 사용해 이진화 방식보다 높은 표현 자유도를 확보하는 구조입니다. 실제 장비 환경의 통신 품질 향상 폭은 PoC에서 확인이 필요합니다.
송신 안테나 4개, 수신 안테나 1개, Rayleigh fading 채널 조건에서 피드백 비트 수에 따른 양자화 손실을 비교했습니다. 수신단의 선택 벡터 생성과 송신단의 코드북 기반 프리코더 결정 절차를 대상으로 검증했습니다. 다양한 안테나 구성과 실제 무선 장비에서의 재현성은 추가 확인이 필요합니다.
기존 이진화 기반 양자화는 제한된 출력 표현과 양자화 구간의 경사 소실로 인해 DNN 학습에 제약이 있을 수 있습니다. 본 기술은 하나 이상의 비영 요소를 갖는 선택 벡터로 코드워드 후보의 가중치 조합을 지정해 이러한 제약을 완화합니다. 학습 완료 후에는 송신단 신경망 연산 없이 인덱스와 코드북 조회 기반으로 빔포밍을 수행하도록 구성한 점도 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
다양한 송수신 안테나 구성과 채널 환경에서의 양자화 손실 및 빔포밍 성능 검증
실제 무선 장비 환경에서 지연, 연산량, 피드백 오버헤드 및 통신 품질 검증
기지국·단말·모뎀 칩 구현 환경에서의 상호운용성 및 통합 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
무선 통신 시스템에서 제한된 피드백을 위한 머신 러닝 기반 벡터 양자화 방법 및 장치
10-2021-0058709 (2021.05.06)
1020220151449 (2022.11.15)
1025433050000 (2023.06.09)
이인규, 장정현
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단