빔포밍

3. 빔포밍 종류

이동통신 시스템에서 빔포밍은 빔 방향, 빔 형성 정보, 빔의 역할, 동시 사용자 수 등 다양한 기준에 따라 구분된다.

• 빔 방향에 따른 분류: 기지국에서 단말기 방향으로 빔을 형성하는 다운링크 빔포밍과 단말기에서 기지국 방향으로 빔을 형성하는 업링크 빔포밍으로 나뉜다.
• 빔 형성 정보에 따른 분류: 단말기가 기지국에 채널 정보를 알려주는 피드백 빔포밍과 기지국이 단말기 방향을 측정하여 빔을 형성하는 방향 빔포밍으로 나뉜다.
• 빔의 역할에 따른 분류: 사용자 간 신호 간섭을 최소화하는 간섭 제거 빔포밍과 사용자의 채널에 맞춰 빔을 형성하는 전력 증대 빔포밍으로 나뉜다.
• 동시 사용자 수에 따른 분류: 여러 사용자에게 동시에 빔을 형성하는 다중 사용자 빔포밍과 단일 사용자에게만 빔을 형성하는 단일 사용자 빔포밍으로 나뉜다.

• 일반 빔 형성기: 버틀러 행렬처럼 고정된 가중치와 시간 지연을 사용하여 신호를 결합하며, 주로 센서 위치와 파동 방향 정보를 사용한다.
• 적응형 빔 형성기: 배열이 수신한 신호 속성을 추가로 활용하여 원치 않는 신호를 제거한다. (예: MUSIC, SAMV) 시간 또는 주파수 도메인에서 수행할 수 있다.

3. 1. 피드백 빔포밍과 방향 빔포밍

3. 2. 단일 사용자 빔포밍과 다중 사용자 빔포밍

• 빔 방향에 따라 다운링크 빔포밍과 업링크 빔포밍으로 나눈다. 기지국에서 단말기 방향으로 빔포밍을 할 때는 다운링크 빔포밍이며, 단말기에서 기지국 방향으로 빔포밍을 할 때는 업링크 빔포밍이다.
• 빔을 어떤 정보를 통해 형성하느냐에 따라 피드백 빔포밍과 방향 빔포밍으로 나눈다. 다운링크 빔포밍에서 예를 들면, 피드백 빔포밍은 단말들이 기지국에게 빔 형성에 필요한 정보인 다운링크 채널 정보를 피드백하도록 구성되며, 방향 빔포밍은 피드백 없이 기지국이 단말기의 방향을 측정하여 빔포밍한다. 피드백 빔포밍은 채널 정보를 피드백하여 피드백 링크를 통한 무선 자원 손실이 발생하는 대신 정확한 빔 형성이 가능하다. 반대로 방향 빔포밍은 피드백을 사용하므로 생기는 무선 자원의 손실은 없지만, 채널 정보를 정확히 알기 힘들어 빔포밍 형성의 정확도가 떨어진다.
• 형성된 빔의 역할에 따라 간섭 제거 빔포밍과 전력 증대 빔포밍으로 나눈다. 간섭 제거 빔포밍은 빔을 전송하는 사용자들 간에 신호 간섭을 최소화하도록 빔들을 형성하며, 전력 증대 빔포밍은 빔을 전송하는 사용자의 채널에 일치하는 방향으로 빔을 형성한다. 간섭 제거 빔포밍은 둘 이상의 사용자에게 동시에 빔포밍할 때 주로 사용된다.
• 동시 사용자 수에 따라 빔포밍을 구분하기도 하는데, 한 명 이상의 사용자에게 빔을 형성하는 다중 사용자 빔포밍과 단일 사용자에게만 빔을 형성하는 단일 사용자 빔포밍으로 나뉜다. 간섭 제거 빔포밍은 다중 사용자 빔포밍에 사용되며, 전력 증대 빔포밍은 주로 단일 사용자 빔포밍에 사용되지만 복잡도를 낮추는 목적으로 다중 사용자 빔포밍에 활용하기도 한다.

3. 3. 간섭 제거 빔포밍과 전력 증대 빔포밍

4. 빔포밍 기술

빔 형성은 송신기 배열의 지향성을 변경하기 위해 각 송신기의 신호 위상과 상대적인 진폭을 제어하여 파면에 긍정적이고 부정적인 간섭 패턴을 생성하는 기술이다. 수신 시에는 다양한 센서의 정보를 결합하여 예상 방사 패턴을 우선적으로 관찰한다.

예를 들어, 소나에서 멀리 떨어진 배를 향해 날카로운 음파 펄스를 보낼 때, 빔 형성 기술은 각 프로젝터에서 약간 다른 시간에 펄스를 보내 모든 펄스가 정확히 같은 시간에 배에 도달하도록 한다. 이는 단일 강력한 프로젝터에서 나오는 강한 펄스와 같은 효과를 낸다. 이 기술은 스피커를 사용한 공중, 안테나를 사용한 레이더/무선에서도 사용 가능하다. 수동 소나 및 능동 소나의 수신에서는 각 수중 청음기에서 지연된 신호를 약간 다른 시간에 결합하여, 모든 신호가 정확히 같은 시간에 출력에 도달하도록 한다. 이는 마치 단일 고감도 수중 청음기에서 온 것처럼 큰 신호를 만든다.

협대역 시스템에서 시간 지연은 "위상 이동"과 같으므로, 각 안테나가 약간 다른 양만큼 이동한 안테나 배열을 위상 배열이라 한다. 레이더의 전형적인 협대역 시스템은 대역폭이 중심 주파수의 작은 부분에 불과하다. 광대역 시스템에서는 이러한 근사가 적용되지 않으며, 이는 소나에서 일반적이다. 수신 빔 형성기에서 각 안테나의 신호는 다른 "가중치"로 증폭될 수 있다. 다른 가중 패턴(예: Dolph–Chebyshev)을 사용하여 원하는 감도 패턴을 얻는다. 주엽과 함께 널과 부엽이 생성되며, 주엽 폭(빔 폭)과 부엽 레벨, 널의 위치를 제어할 수 있다. 이는 특정 방향의 노이즈나 전파 방해를 무시하는 데 유용하다. 전송 시에도 유사한 결과를 얻을 수 있다.

빔 형성은 크게 일반(고정 또는 스위치 빔) 빔 형성기와 적응형 빔 형성기(위상 배열)로 나눌 수 있다. 전자는 주로 센서의 위치와 관심 있는 파동 방향에 대한 정보만 사용하며, 후자는 배열이 실제로 수신한 신호의 속성과 결합하여 다른 방향에서 원치 않는 신호의 거부를 개선한다. 적응형 빔 형성기는 다양한 상황에 자동으로 반응을 적응시킬 수 있으며, 광대역 시스템에서는 주파수 도메인에서 프로세스를 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

빔 형성은 계산 집약적일 수 있다. 소나 위상 배열은 소프트웨어에서 실시간으로 처리할 수 있을 만큼 데이터 속도가 낮고 유연하다. 반대로, 레이더 위상 배열은 데이터 속도가 높아 일반적으로 전용 하드웨어 처리가 필요하며 한 번에 한 방향으로만 송수신하도록 하드웨어적으로 연결되어 있다. 그러나 새로운 필드 프로그래머블 게이트 어레이는 레이더 데이터를 실시간으로 처리하고 소프트웨어처럼 빠르게 다시 프로그래밍할 수 있어 하드웨어/소프트웨어 구분이 모호해지고 있다.

소나 빔 형성은 전자기 빔 형성과 유사한 기술을 사용하지만 구현 세부 사항에서 상당한 차이를 보인다. 소나 응용 분야는 1Hz에서 최대 2MHz까지 다양하며, 배열 요소는 구성에 따라 그 크기와 숫자가 매우 다양하다. 이는 시스템 구성 요소의 요구 사항 사이에서 소나 빔 형성 설계 노력을 크게 이동시킨다.

소나 배열은 1차원("선형"), 2차원("평면"), 3차원(구형 및 원통형) 배열로 사용된다. 선형 배열은 선박 뒤에 끌리는 다중 요소 수동 시스템과 측면 주사 소나에, 평면 배열은 선체 장착 소나 및 일부 측면 주사 소나에, 구형 및 원통형 배열은 현대 잠수함 및 선박의 '소나 돔'에 사용된다. 소나는 넓은 영역 검색과 같은 일부 응용 분야에서 모든 방향을 동시에 청취/방송해야 하므로 다중 빔 시스템이 필요하다. 협대역 소나 수신기에서 각 빔의 위상은 신호 처리 소프트웨어로 완전히 조작할 수 있다. 또한 소나는 음파의 느린 전파 속도 문제를 보상하기 위해 빔 형성을 사용하며, 측면 주사 소나에서는 빔 조향을 통해 놓칠 수 있는 펄스를 "잡는다".

딜레이 앤 섬 빔포밍 기술은 여러 개의 마이크를 사용하여 음원을 추정한다. 유전자 알고리즘을 사용하면 마이크 위치나 개수 조정에 따른 성능 변화 문제를 해결하고, 최적의 마이크 배열 구성을 빠르게 찾을 수 있다.^[2]

능동 위상 배열 안테나 등, 지향성을 능동적으로 제어할 수 있는 안테나에서는 이전부터 빔포밍이 사용되었다. 또한 소나에서도 송파기·수파기를 배열하여 빔포밍을 수행한다. IEEE 802.11n의 MIMO, 멀티 유저 MIMO 기술은 제한된 주파수 대역을 유효하게 활용하기 위한 공간 다중화를 위해 빔포밍을 활용한다. 최근에는 고주파 디바이스의 집적 회로화가 진행됨에 따라 무선 LAN이나 휴대 전화 등의 통신 장비에도 채용되고 있다. 위성 방송, 위성 통신에서도 강우 감쇠를 피하기 위해 사용된다.^[11]

4. 1. 아날로그, 디지털, 하이브리드 빔포밍

5. 수학적 모델

빔포밍된 송신 신호 벡터 $\backslash mathbf\{x\}$는 다음과 같이 모델링할 수 있다.

:$\backslash mathbf\{x\}=\backslash mathbf\{w\}s$

여기서 $\backslash mathbf\{w\}$는 빔포밍 벡터이고 $s$는 송신 심볼이다. LOS 환경이라고 가정하면, 신호 대 잡음비를 최대화하기 위해 빔포밍 벡터는 방향 벡터의 켤레(conjugate) 벡터를 사용한다. 각도가 $\backslash theta$에서 오는 신호라고 하면 방향 벡터는 다음과 같다.

:$\backslash mathbf\{a\}(\backslash theta)\; =\; [1,~\; e^\{-j\; \backslash pi\; \backslash sin(\backslash theta)\},~\; e^\{-2j\; \backslash pi\; \backslash sin(\backslash theta)\},~\; ...]^T$

이에 따른 최적 빔벡터는 $\backslash mathbf\{w\}\; =\; \backslash mathbf\{a\}^H(\backslash theta)$와 같다.

6. 빔포밍 활용

이동통신 시스템에서 빔포밍은 각 사용자별로 동기복조를 위한 전용 위상기준 신호를 송신하는 데 사용된다. IMT-2000 시스템에서는 빔형성 기술이 표준화되어 있다.^[9]

소나 빔포밍은 전자기 빔포밍과 유사하지만 구현 방식에서 차이가 있다. 소나 응용 분야는 1Hz에서 2MHz까지 다양하며, 배열 요소는 크거나 작을 수 있고, 그 수도 수백 개에 달할 수 있다. 이러한 특징은 소나 빔포밍 설계에 큰 영향을 미친다. 어뢰와 같은 소나 시스템은 최대 100개의 요소로 구성된 배열을 사용하며, 100도의 시야에서 빔 조향을 수행하고 능동 및 수동 모드로 작동한다. 소나 배열은 1차원(선형), 2차원(평면), 3차원(구형, 원통형) 형태로 사용된다.

• 1차원 선형 배열: 선박 뒤에 끌리는 다중 요소 수동 시스템, 단일 또는 다중 요소 측면 주사 소나
• 2차원 평면 배열: 능동/수동 선체 장착 소나, 일부 측면 주사 소나
• 3차원 구형 및 원통형 배열: 현대 잠수함 및 선박의 소나 돔

7. 음성 오디오 빔포밍

빔포밍은 칵테일 파티 문제와 같이 방 안에 있는 여러 명의 스피커와 같은 음원을 추출하는 데 사용될 수 있다. 이를 위해서는 스피커의 위치를 미리 알아야 하며, 예를 들어 어레이의 마이크에 도달하는 소리의 도착 시간을 사용하여 거리를 추론할 수 있다.

반송파 신호 통신과 비교하여 자연 오디오는 다양한 주파수를 포함한다. 다른 주파수가 서로 다른 최적의 빔 형성 필터를 가지므로 (따라서 병렬로 별도의 문제로 처리한 다음 나중에 재조합할 수 있으므로) 빔포밍 전에 주파수 대역을 분리하는 것이 유리하다. 이러한 대역을 적절하게 격리하려면 특수한 비표준 필터 뱅크가 필요하다. 반대로, 예를 들어 표준 고속 푸리에 변환(FFT) 대역 필터는 신호에 존재하는 유일한 주파수가 정확한 고조파라고 암묵적으로 가정한다. 이러한 고조파 사이에 있는 주파수는 일반적으로 모든 FFT 채널을 활성화하는데, 이는 빔 형성 분석에서 원하는 것이 아니다. 대신, 각 채널에서 로컬 주파수만 감지되도록 필터를 설계할 수 있으며(원래 신호를 재구성할 수 있는 재조합 속성을 유지하면서), 이는 FFT 기저와 달리 일반적으로 직교하지 않는다.

8. 이동통신 표준에서의 빔포밍

이동 통신 시스템에서 빔포밍 활용 사례이다. IMT-2000 시스템에서는 빔형성 기술을 사용하면서 각 사용자별로 동기복조를 할 수 있도록 '''전용 위상기준 신호'''를 송신할 수 있도록 표준화되어 있다.

이동 통신 표준에 사용되는 빔포밍 기술은 더 높은 처리량을 통해 더 높은 밀도의 셀을 달성하기 위해 더 복잡한 시스템을 사용하도록 세대를 거쳐 발전해 왔다.

MIMO 기능을 갖춘 점점 더 많은 소비자 802.11ac 와이파이 장치가 빔포밍을 지원하여 데이터 통신 속도를 높일 수 있다.^[3]

참조

_[1] 논문 Beamforming: A versatile approach to spatial filtering http://www.engr.wisc[...]
_[2] 간행물 2018 4th International Conference on Cloud Computing Technologies and Applications (Cloudtech) IEEE 2018-11-00
_[3] 웹사이트 All about beamforming, the faster Wi-Fi you didn't know you needed http://www.pcworld.c[...] IDG Consumer & SMB 2015-10-19
_[4] 문서 Systems Aspects of Digital Beam Forming Ubiquitous Radar https://web.archive.[...]
_[5] 간행물 2016 13th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON)
_[6] 간행물 2016 European Conference on Networks and Communications (EuCNC)
_[7] 논문 Hybrid Beamforming in mm-Wave MIMO Systems Having a Finite Input Alphabet https://eprints.soto[...]
_[8] 논문 On Outage-Based Beamforming Design for Dual-Functional Radar-Communication 6G Systems https://ieeexplore.i[...] 2023-08-00
_[9] 웹사이트 ビーム フォーミングとは？ http://lan-cables.co[...] 2017-01-20
_[10] 웹사이트 防衛庁規格 水中音響用語－機器 https://www.mod.go.j[...] 2016-12-11
_[11] 웹사이트 ビームフォーミング機能を持つ、第5世代通信(5G)、衛星通信、Ｘバンドレーダ向けマイクロ波・ミリ波デバイスの取り扱い開始 http://netwell.co.jp[...]
_[12] 논문 Digital transmission over cross-coupled linear channels 1985-07-00
_[13] 논문 Spatio-temporal coding for wireless communication 1998-03-00
_[14] 논문 Layered space–time architecture for wireless communication in a fading environment when using multiple antennas 1996-00-00
_[15] 논문 Detection algorithm and initial laboratory results using V-BLAST space–time communication architecture 1999-01-00
_[16] 문서 Systems Aspects of Digital Beam Forming Ubiquitous Radar http://www.dtic.mil/[...]
_[17] 간행물 Hybrid analog-digital downlink beamforming for massive MIMO system with uniform and non-uniform linear arrays https://ieeexplore.i[...]
_[18] 간행물 Analog beamsteering for flexible hybrid beamforming design in mmwave communications https://ieeexplore.i[...]
_[19] 간행물 Hybrid Beamforming in mm-Wave MIMO Systems Having a Finite Input Alphabet https://ieeexplore.i[...]