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5G NR 전송을 위한 다중 랭크 코드북 설계 방안 및 성능 평가

A Design Methodology and Performance Evaluation of Multi-Rank Codebooks for 5G NR Transmission

초록/요약

큰 규모의 안테나 어레이를 사용하는 대규모 다중입출력 (massive multiple-input multiple-output; massive MIMO) 시스템은 주파수 효율성, 에너지 효율 및 공간 다중화 이득을 증가시킴으로써 차세대 이동통신 시스템에서 중요한 역할을 수행할 것으로 기대된다. 5G-NR (5G-new radio)이라 불리우는 차세대 이동통신에서 새로운 주파수 대역인 밀리미터파 대역과 대규모 다중입출력 시스템의 활용에 따른 실험적 성능평가를 위해 새로운 공간채널모델 (spatial channel model; SCM)에 대한 필요성이 제시되었고, 그에 따라 표준화기구인 3GPP에서 밀리미터파 대역을 포함하고 패널안테나가 적용된 공간채널모델을 TR 38.900문서를 통해 발표하였다. 대규모 다중입출력 전송을 통해 차세대 이동통신에서 요구하는 주파수 효율을 달성하기 위해서는 채널상태정보 (channel state information; CSI)의 효율적인 피드백 및 빔포밍 방식이 중요하다. 따라서 새로운 CSI 피드백 연구를 위해, 3D-SCM을 활용하여 MIMO 채널의 통계적 특성을 조사하였다. 그 결과 현재 LTE 표준 코드북은 채널분포에 맞지않는 장기코드북이 선정되는 경우가 존재하고, 불필요한 교차위상차가 할당되어 피드백 자원의 낭비를 야기한다는 점을 발견하였다. 본 논문에서는 표준 코드북의 단점을 개선하여 교차위상안테나 구조를 갖는 균일선형어레이에 적합한 8-Tx 멀티랭크 코드북을 제안한다. 직교빔 쌍 (orthogonal beam pair; OBP)을 정의하고 적용하여 코드북 설계의 복잡성을 줄이고, 가변 파라미터를 활용하는 코드워드를 구성함으로써 다양한 채널 환경에 적응적으로 동작할 수 있도록 하였다. 제안 코드북의 효율성 및 우수성을 증명하기 위해, 제안코드북 및 기존코드북을 동일한 조건 하에 성능을 평가하여 비교하고 제안코드북의 이득을 정량화하여 효율성을 입증한다.

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초록/요약

Massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems using large-scale antenna arrays are expected to play an important role in next generation mobile communication systems by increasing frequency efficiency, energy efficiency and spatial multiplexing gain. In the next generation mobile communication, called 5G-NR (5G-new radio), the need for a new spatial channel model has been suggested for experimental research and demonstration, with the use of massive MIMO and new frequency bands including the millimeter-wave. As a result, 3GPP announced the three-dimensional spatial channel model (3D-SCM) with the millimeter-wave band and a panel antenna structure which is specified in TR 38.900 document. An efficient beamforming strategy and channel state information (CSI) feedback schemes are important to achieve the desired bandwidth efficiency in 5G-NR through massive MIMO transmission. Therefore, for the new CSI feedback scheme, we investigated the statistical characteristics of MIMO channels using the 3D-SCM and recognized the limitations of the codebook adopted by current 3GPP standards. These limitations include inappropriate long-term codebook selection and unnecessary co-phasing combinations used for the cross-polarized antenna arrays. In this thesis, we improved the observed shortcomings to propose a multi-rank codebook suitable for the 8-Tx cross-polarized linear antenna arrays. By defining and utilizing an orthogonal beam pair (OBP), we reduce the complexity of the codebook design and construct the codevectors using variable parameters to provide channel adaptability. Performance of the proposed codebook is evaluated under the 3D-SCM environment and compared to those of existing codebooks, to quantify the gain achieved by the presented result.

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