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KR100316777B1 - 차세대 이동 통신 시스템에서의 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치 - Google Patents

차세대 이동 통신 시스템에서의 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치 Download PDF

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KR100316777B1
KR100316777B1 KR1019990035191A KR19990035191A KR100316777B1 KR 100316777 B1 KR100316777 B1 KR 100316777B1 KR 1019990035191 A KR1019990035191 A KR 1019990035191A KR 19990035191 A KR19990035191 A KR 19990035191A KR 100316777 B1 KR100316777 B1 KR 100316777B1
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Abstract

본 발명은 차세대 이동 통신 시스템에서의 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치를 개시한다. 이동 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법은, (a) 기지국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 단계, (b) 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달하는 단계, (c) 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계, (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계 및 (e) 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며, 여기서, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 이동국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 기지국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값이다.

Description

차세대 이동 통신 시스템에서의 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치{Closed loop transmit antenna diversity method, base station apparatus and mobile station apparatus therefor in next generation mobile communication system}
본 발명은 전송 안테나 다이버시티에 관한 것으로, 특히 차세대 이동 통신 시스템에서의 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치에 관한 것이다.
3세대 이동 통신 시스템은 2세대 이동 통신 시스템 대표적으로, 개인 휴대 통신 시스템(PCS)보다 고속 데이터를 전송하기 위한 표준을 갖는다. 유럽, 일본은 비동기 방식인 W-CDMA 방식을, 북미는 동기 방식인 IS-2000 CDMA 방식을 무선 접속 규격으로 표준화하고 있다. 이동 통신 시스템은 한 기지국을 통해 여러 이동국 단말기가 교신하는 형태로 구성된다.
이동 통신 시스템에서 고속 데이터를 전송하기 위해서는 페이딩을 잘 극복해야 한다. 페이딩은 수신 신호의 진폭을 수 dB에서 수십 dB까지 감소시킨다. 페이딩을 잘 극복하기 위해서, 여러 가지 다이버시티 기술이 사용된다. CDMA 방식은 채널의 지연 확산(delay spread)을 이용해 다이버시티 수신하는 레이크(rake)를 채택하고 있다. 레이크는 다중 경로 다이버시티 기술이다. 이 기술은 지연 확산이 작은 경우에 동작하지 않는 단점이 있다. 인터리브와 코딩을 이용하는 시간 다이버시티 기술은 도플러 확산 채널에서 사용된다. 이 방식은 저속 도플러 채널에서는 이용하기 힘들다.
지연 확산이 작은 실내 채널과 저속 도플러 채널인 보행자 채널에서 페이딩을 극복하기 위해 공간 다이버시티가 사용된다. 공간 다이버시티는 두 개 이상의 안테나를 이용하는 방식이다. 한 안테나에 의해 전달된 신호가 페이딩으로 인해 줄어들 경우에, 다른 안테나의 신호를 이용하여 수신하는 방법이다. 공간 방식 안테나 다이버시티는 수신 안테나를 이용하는 수신 안테나 다이버시티와 전송 안테나를 이용하는 전송 안테나 다이버시티로 분류된다. 단말기는 면적과 비용 측면에서 수신 안테나 다이버시티를 설치하기 힘들므로, 기지국 전송 안테나 다이버시티의 사용이 권장되고 있다.
또한, 전송 안테나 다이버시티는 단말기로 부터 업링크 채널 정보를 피드백하여 동작하는 폐쇄 루프(close loop) 전송 다이버시티와 피드백이 없는 개방 루프(open loop) 전송 다이버시티로 분류된다. 폐쇄 루프 전송 다이버시티는 개방 루프 전송 다이버시티에 비해 신호 대 잡음 및 간섭 비(SINR) 측면에서 두 배의 이득을 가진다. 그러나, 채널 정보를 피드백하여 동작하는 폐쇄 루프 전송 다이버시티의 성능은 피드백 주기에 크게 영향을 받는 단점이 있다. 피드백 주기가 길면, 피드백 정보가 단말기로 가기 전에 채널이 변하게 되어 성능이 떨어진다. 빠르게 변하는 채널을 추적하기 위해, 단위 시간당 많은 정보가 피드백되면 업링크 용량이 떨어진다. 따라서, 최고 도플러 주파수가 높아 채널이 빨리 변하는 경우에, 채널에 대한 정밀한 정보를 보내는 것보다 꼭 필요한 최소한의 정보를 신속히 보내는 것이 성능 향상에 더 도움이 된다.
또한, 전송 안테나 다이버시티는 다이버시티 결합 모드에 따라 최대 비율 조합(MRC:Maximal Ratio Combine) 모드, 등가 이득 조합(EGC:Equal Gain Combine) 모드 및 선택적 조합(SC:Selective Combine) 모드로 분류된다. 등가 이득 조합 모드는 최대 이득 조합 모드에 비해 약간 성능이 열화하지만, 피크 대 평균비(PAR:Peak to Average Ratio)가 낮아 많이 사용된다. PAR가 높은 최대 비율 조합 모드의 경우에, CDMA 기지국의 전송 파워 증폭기 비용이 매우 비싸다.
도 1은 코히어런트 결합을 위해 등가 이득 모드로 동작하는 일반적인 전송 안테나 다이버시티 방식 기지국의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 임의의 i번째 이동국은 기지국의 두 개의 전송 안테나(100,110)로 부터 전송된 각각의 채널 정보를 측정하여 안테나간 위상차를 구하고, 기지국으로 다시 피드백한다. 기지국은 피드백 정보 디코더(120)를 통해 피드백 정보인 위상차를 디코딩하고, 그 결과를 위상 보상기(130)를 통해 위상 보상한다. 송신 신호 생성기(140)에서 생성된 데이타 신호는 제1 파일럿 신호와 함께 제1 안테나(100)를 통해 전송되고, 위상 보상된 위상차로 웨이팅한 데이타 신호는 제2 파일럿 신호와 함께 제2 안테나(110)를 통해 전송된다.
종래의 전송 안테나 다이버시티 방식으로, 미국 캘리포니아 스탠포드에 스탠포드 유니버시티에서 출원한 미국 특허 No.5,634,199, 'Method of Subspace Beamforming Using Adaptive Transmitting Antennas with Feedback'(Dreak Gerlach, Columbus, Ohio; Arogyaswami Paulraj, stanford; Gregory G. Raleigh, El Grannanda, both of Calif., May 27, 1997)와 미국 특허 No.5,471,647, 'Method for Minimizing Cross-talk in Adaptive Transmission Antennas'(Dreak Gerlach, Columbus, Ohio; Arogyaswami Paulraj, stanford)는 전송 다이버시티를 피드백 모드로 사용하는 것에 대한 특허이다.
이들 특허는 퍼터베이션 알고리듬(Perturbation algorithm)과 이득 매트릭스를 이용한 채널 측정 및 피드백 방식을 제안하고 있으나, 채널 정보를 효율적으로처리하는데 최적의 방법은 아니다.
한편, 모토롤러사는 도 1에서 채널 정보를 효율적으로 양자화하여 피드백하는 방법을 제안하였다. 등가 이득 모드로 동작하는 전송 다이버시티 방식을 사용하는 경우에, 기준 안테나와의 위상차를 2비트 정보 {0, π/2, π, -π/2} 또는 1비트 정보 {0, π}로 양자화하였다. 등가 이득 모드는 두 개의 전송 안테나 채널의 위상이 서로 틀려 상쇄 간섭을 일으킬 경우에, 다이버시티 안테나들의 위상을 기준 안테나의 위상으로 미리 보상해 각 안테나의 채널을 통해 들어오는 신호가 동위상(co-phase)이 되도록 하는 다이버시티 결합 방법이다. 기준 안테나와의 위상차는 k번 안테나 채널의 위상에서 1번 안테나 즉, 기준 안테나 채널의 위상을 뺀 것이다.
2비트 정보 등가 이득 모드는 최적으로 채널을 양자화했지만 여전히 빠르게 변하는 채널의 경우 비트를 더 줄일 필요가 있다. 1비트로 양자화한 경우는 정보를 너무 많이 잃어버려 고속에서 2비트 등가 이득 모드보다 우수하긴 해도, 고속이 아닌 경우에 성능이 우수하지 못하다. 2비트 정보를 좀 더 빠른 주기로 피드백하는 방식이 제안되었는데, 이 방식은 업링크 용량을 많이 줄이는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 피드백 정보로서 전달함으로써, 차세대 통신 시스템에서 중요시되는 다운링크와 업링크의 성능을 효과적으로 향상시키는, 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 특히, 두 개의 안테나를 사용할 경우에 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 피드백 정보로서 전달함으로써, 이동 통신 시스템에서 중요시되는 다운링크와 업링크의 성능을 효과적으로 향상시키고, 고속으로 변하는 채널을 잘 추적하는, 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 상기 방법을 수행하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 위한 기지국 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 상기 방법을 수행하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 위한 이동국 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 코히어런트 결합을 위해 등가 이득 모드로 동작하는 일반적인 전송 안테나 다이버시티 방식 기지국의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 두 개의 안테나를 사용하는 경우에 각 안테나의 채널, 보상해야 할 값 및 피드백할 정보의 기하학적 상호 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 전송 안테나 다이버시티를 위한 본 발명에 의한 기지국 장치의 바람직한 실시예에 따른 블럭도이다.
도 5는 전송 안테나 다이버시티를 위한 본 발명에 의한 이동국 장치의 바람직한 실시예에 따른 블럭도이다.
상기 과제를 이루기 위하여, 이동 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법은,
(a) 기지국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 단계, (b) 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달하는 단계, (c) 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계, (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계 및 (e) 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며, 여기서, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 이동국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 기지국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값이다.
또한, 상기 과제를 이루기 위하여, 무선 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법은,
(a) 전송국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 수신국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 단계, (b) 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 전송국으로 전달하는 단계, (c) 전송국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계, (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계 및 (e) 전송국에서 수신국으로 전송할 데이타에 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며, 여기서, 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 수신국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 전송국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값이다.
상기 다른 과제를 이루기 위하여, 이동 통신 시스템에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법은,
(a) 기지국에 사용된 두 개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 구하는 단계, (b) 부호를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달하는 단계, (c) 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계, (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계 및 (e) 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 상기 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비한다.
상기 또다른 과제를 이루기 위하여, 이동 통신 시스템에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 위한 본 발명에 의한 기지국 장치는,
임의의 i번 이동국으로 부터 생성된 피드백 정보를 수신하는 제1 및/또는 제2 안테나, 수신된 피드백 정보를 해석하여 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 검출하는 피드백 정보 디코더, 단위 시간당 변화량을 이용하여 제2 안테나 가중치를 구하는 가중치 계산부 및 이동국으로 전송할 데이타 신호와 파일럿 신호를 제1 안테나를 통해 전송하고, 데이타 신호에 어레이 안테나 가중치를 곱하여 제2 안테나를 통해 전송하는 전송부를 구비하며, 여기서, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 이동국에서 피드백 정보로서 측정된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량에 업링크 채널 잡음에 의한 피드백 오류를 포함한 값이다.
상기 또다른 과제를 이루기 위하여, 이동 통신 시스템에서 기지국에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보를 생성하는 본 발명에 의한 이동국 장치는,
두 개의 안테나중 기준 안테나의 1~L번 다중 경로 채널을 각각 측정하여 콘쥬게이트하고, 기준 안테나로 부터 1~L번 다중 경로 파일럿 심볼을 각각 수신하는 제1~제L 핑거, 콘쥬게이트한 값과, 대응하는 파일럿 심볼을 각각 곱하는 제1~제L 곱셈기, 제1~제L 곱셈기의 출력을 더하는 덧셈기, 덧셈기의 출력인 복소수 신호 중 허수 부분을 선택하는 허수 선택기 및 선택된 허수 부분의 부호를 판별하여 양의값 또는 음의 값을 나타내는 신호를 상기 피드백 정보로서 출력하는 결정기를 구비한다.
이하, 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법 및 이를 위한 기지국 장치 및 이동국 장치를 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
먼저, 기지국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정한다(제200단계). 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달한다(제210단계).
본 발명은 특징적으로 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하여 피드백 정보로서 전달한다. 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 피드백해야할 데이타량을 적게 하면서 채널 상태를 잘 표현하는 피드백 정보이다. 여기서, 상호 안테나간 위상차()는 공간상에서 가장 가까운 위치에 있는 두 안테나의 위상차이다.는 i번 이동국의 t시간에서 k번 안테나 채널의 위상이다. k = 2, ,K 이며, K는 전송에 사용하는 안테나 수이다. 임의의 k-1번 안테나는 k,k+1, ..,K번 안테나 중에서 k번 안테나와 공간상에서 가장 가까운 위치에 있다. 공간상 거리가 가까울 수록 서로 비슷한 채널 환경을 겪는다. 이 값은 종래에 이용된 기준 안테나와의 위상차에 해당하는보다 정보량이 적다.
제200단계에서 측정된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당변화량()은 이동국이 현재 구한 상호 안테나간 위상차()에서 기지국이 알고 있는 상호 안테나간 위상차()를 뺀 값이다. 단위 시간당 변화량()은 변화한 양만 나타내기 때문에 상호 안테나간 위상차()보다 정보량이 적다. 여기서, i=1,2,...,I는 이동국 단말기를 구별하는 번호이고,는 정보를 피드백하는데 걸린 시간이다. 여기서, 기지국이 알고 있는 위상차는 이동국이 이전에 구한 상호 안테나간 위상차를 업링크를 통해 기지국으로 전달한 값이다. 기지국이 알고 있는 상호 안테나간 위상차는 피드백 오류가 있을 경우에 이동국이 이전 시간에 구해 피드백한 상호 안테나간 위상차와 틀리다.로 나타낸다.는 업링크 채널 잡음에 의한 피드백 오류이다.
특히, 기지국에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에, 상호 안테나간 위상차(, 이하, 간략히로 나타냄)는 다음 수학식 1을 이용하여 구한다.
여기서,와는 한 기지국에서 공통으로 사용하는 서로 직교하는 파일럿 신호를 이용하여 구한 i번 이동국의 제1 안테나 채널 정보와, 제2 안테나 채널 정보를 각각 나타낸다. 즉, 이동국 사용자별로 구분된 다운링크 파일럿심볼을 이용하여 채널 정보를 측정한다.
두 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량()은 다음 수학식 2와 같이 나타낸다.
여기서, 제2 안테나 채널 정보를 기지국이 알고 있는 위상차로 웨이팅한 값을라 하면, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량()은 다음 수학식 3과 같이 나타낸다.
도 3은 두 개의 안테나를 사용하는 경우에 각 안테나의 채널, 보상해야 할 값 및 피드백할 정보의 기하학적 상호 관계를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, i번 이동국의 제1 안테나 채널 정보()와 소정의 위상차를 갖는 i번 이동국의 제2 안테나 채널 정보()의 관계를 알 수 있다. 도시된 바와 같이,은 i번 이동국의 제1 안테나 채널 정보에 대해 위상차의 단위 시간당 변화량만큼 위상차를 갖도록 i번 이동국에 맞게 조절된 제2 안테나 채널 정보이다.
또한, 기지국에 사용된 두 개의 안테나에 대해 이동국에서 채널을 측정하는데, 고속으로 채널이 변할 경우를 고려할 수 있다. 변하는 채널을 잘 추적하기 위해 본 발명에서는 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 구하고, 그 부호만 피드백 정보로서 기지국으로 전달한다. 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호()를 구하기 위해, 전술한를 이용하는 대신에 기지국에서 각 이동국 사용자마다 필수적으로 보내지는 파일럿 심볼()를 사용하는 것이 효율적이다. 도 3을 참조하면,와 파일럿 심볼()이 동일한 부호를 갖는다는 것을 알 수 있다. 도 3에서, 파일럿 심볼에 곱해진는 i번 이동국의 파워 제어에 의한 크기 변화에 반비례하는 값이다.
여기서, 파일럿 심볼()은 본래 전송 링크 파워 제어와 코히어런트 복조를 위해 사용되고 있다. 파일럿 심볼()을 사용함으로써 전송 다이버시티를 위해 기지국이 각 이동국 사용자마다를 측정하기 위한 부가 정보를 보내지 않아도 된다는 장점이 있다. 부가 정보를 다운링크로 보내면, 다운링크 용량을 늘리는 전송 다이버시티의 이득이 줄어든다. 그러나, 필수적으로 사용되는 정보인 파일럿 심볼()을 사용함으로써뿐만 아니라,를 측정하기 위한 부가 정보도 필요 없게 되므로, 다운링크 용량을 더 많이 늘린다. 안테나 채널 측정용 파일럿 심볼은 약 10%의 채널 용량을 차지한다.
상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호()는 다음 수학식 4와 같이 나타낸다.
단, y=angle(x)는 x의 위상을 -π<y≤π 사이의 값으로 조정한다.
다시, 도 2를 참조하면, 제210단계 후에, 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석한다(제220단계). 기지국은 이동국으로 부터 업링크를 통해 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 피드백 정보로서 수신한다. 여기서, 기지국에서 해석된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은이다.는 업링크 채널 잡음에 의한 피드백 오류이다.
제220단계 후에, 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구한다(제230단계). 기지국은 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량으로 부터 다음 수학식 5와 같이 현재 상호 안테나간 위상차를 구한다.
기지국이 알고 있는 상호 안테나간 위상차()를 저장하고, 저장된 값에 변화량을 더하기 위해서는 누적기가 요구된다. 여기서,는 누적기의 스텝 크기를 나타낸다. 최적의 스텝 크기를 얻기 위해서 기지국은 각 안테나로 부터 수신된 신호에서 도플러 주파수를 측정하고, 측정된 값에 비례하는 스텝 크기를 설정한다. 특히, 이동국에서 기지국으로 상호 안테나간 위상차의 단위 시간 변화량의 부호만을 피드백 정보로서 전달할 경우에, 최적의 스텝 크기를 구할 필요가 있다.
만일, 도플러 주파수를 측정하는 것이 용이하지 않으면, 스텝 크기를 일반적으로 π/4로 설정한다. 이 값은 실험을 통해 얻어진 값으로, 속도에 관계없이 우수한 성능을 나타내었다. 그러나, 아주 고속 이동국(상대적으로 틀리지만 약 40km/h 이상)의 경우에는 π/2로 설정하는 것이 더 우수하다. 따라서, 스텝 크기를 속도 변화에 따라 π/4에서 π/2로 또는 π/2에서 π/4로 전환시킨다. 도플러 주파수를 이용한 스텝 크기의 최적화는 업링크와 다운링크 도플러의 상호 작용 특성을 이용한다.
수학식 5에서 구한 상호 안테나간 위상차()로 부터 안테나 위상 보상을 위한 어레이 안테나 가중치()를 구한다. 어레이 안테나 가중치는 복수개의 안테나를 사용하여 어레이를 이룰 때, 기준 안테나에 대해 다른 안테나의 위상 보상을 위해 요구되는 위상 보상치이다.
제230단계 후에, 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 제230단계에서 구한 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력한다(제240단계).
지금까지 이동 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법에 대해 설명하였다. CDMA에서 기지국와 이동국간에 다중 경로 채널이 형성되는 경우에, 다중 경로에 따른 지연 확산이 크므로 이동국은 여러개의 핑거를 이용한다. 전술한 제200단계에서 이동국은 여러개의 핑거를 이용하여 다중 경로 채널의 각 채널에 대해 각각 단위 시간당 변화량을 측정한다.이와 같이 측정된 단위 시간당 변화량들로 부터 최적의 단위 시간당 변화량()을 구하기 위해, 아이겐 방법(eign method)을 이용하여 더한다.
간략히 설명하면, 아이겐 방법은 안테나간 채널 상관 매트릭스의 최대 아이겐값에 해당하는 아이겐 벡터를 최적의 다이버시티 가중치로 설정하는 알고리즘이다. 여기서,이고,이다. K는 안테나 수이고, L은 다중 경로 수이다. 자세한 내용은 D. Gerlach의 논문 'Adaptive Transmitting Antenna Method for Multipath Environments' (GlobeCom'94, pp. 425~429)을 참조한다.
특히, 기지국에서 두 개의 안테나를 이용하고, 기지국과 이동국간에 다중 경로 채널이 형성된 경우에, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호()는 이 알고리즘을 이용하여 다음 수학식 6과 같이 간단히 구할 수 있다.
여기서, 다중 경로는 l=1,2, ,L개로 나타내고, L은 최대 다중 경로 수이다. 다중 경로 채널에 대응하여 이동국이 여러개의 핑거를 이용해야 할 경우에, 이와 같이 아이겐 방법을 이용하여 최적의 단위 시간당 변화량의 부호를 구하면, 기존 방법과 달리 매트릭스 곱셈을 할 필요가 없으므로 이동국이 매우 간단하게 구현된다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 다이버시티 방법은 이동 통신 시스템에서 기지국과 이동국간에 사용하는 것으로 기술되어 있다. 그러나, 무선 통신 시스템에서 전송국과 수신국간에도 사용할 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
도 4는 전송 안테나 다이버시티를 위한 본 발명에 의한 기지국 장치의 블럭도로서, 두 개의 안테나를 사용할 경우를 예로 한다.
도 4에 도시된 기지국 장치는 제1 및 제2 안테나(400 및 410), 피드백 정보 디코더(420), 도플러 측정기(430), 제1 곱셈기(440), 덧셈기(450), 지연기(460), 위상 조정기(470), 송신 신호 생성기(480) 및 제2 곱셈기(490)로 구성된다.
임의의 i번 이동국으로 부터 생성된 피드백 정보는 제1 안테나(400) 및/또는 제2 안테나(410)를 통해 수신된다. 피드백 정보 디코더(420)는 수신된 피드백 정보를 해석하여 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량()을 검출한다. 여기서, 기지국에서 검출된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량()은로 나타낸다. 도플러 측정기(430)는 제1 안테나(400)와 제2 안테나(410)로 부터 수신된 신호를 이용하여 최적의 스텝 크기(μi)를 구한다. 측정이 불가능하거나 어려울 경우에는 일반적으로 π/4로 출력한다. 스텝 크기를 π/4로 설정하면 거의 종래의 방식보다 우수하지만, 아주 고속 이동국(상대적으로 틀리지만 40km/h이상)의 경우에, π/2로 하는 것이 더 우수하다. 이에 대응하기 위해서, 도플러 측정기(430)는 스텝 크기를 속도 변화에 따라 π/4에서 π/2로 또는 π/2에서 π/4로 전환가능한 스위치(미도시)를 포함한다.
제1 곱셈기(440)는 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량()에 최적의 스텝 크기()를 곱하여를 출력한다. 덧셈기(450)는와 지연기(460)의 출력 즉, 소정 시간()만큼 지연된 상호 안테나간 위상차()를 더하여, 상호 안테나간 위상차()를 출력한다. 위상 조정기(470)는 상호 안테나간 위상차()로 부터 제2 안테나(410)의 위상 보상을 위한 안테나 가중치()를 출력한다.
송신 신호 생성기(480)는 전송할 데이타 신호를 생성하여 제1 안테나(400)와 제2 곱셈기(490)로 출력한다. 또한, 생성된 파일럿 신호를 제1 안테나(400)로 출력한다. 제1 안테나(400)로 보내진 데이타 신호와 파일럿 신호는 시간, 주파수 또는 코드로 서로 직교하게 변조되어 있다. 제2 곱셈기(490)는 전송할 데이타 신호와 안테나 가중치(를 곱하여 제2 안테나(410)로 출력한다. 제1 안테나(400)는 데이터 신호와 파일럿 신호를 전송하고, 제2 안테나(410)는 제2 곱셈기(490)의 출력 신호를 전송한다.
도 5는 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보를 생성하는 본 발명에 의한 이동국 장치의 블럭도로서, CMDA에서 다중 경로에 따른 지연 확산이 커서 복수개의 핑거를 이용하는 경우를 예로 한다.
도 5에 도시된 CDMA 이동국 장치는 제1~제L 핑거(501~50L), 제1~제L 곱셈기(511~51L), 덧셈기(520), 허수 선택기(530) 및 결정기(540)로 구성된다.
본 발명에 의한 임의의 i번 이동국은 기지국에서 복수개의 전송 안테나를 사용할 경우에 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 전달한다. 그러나, 특히, 두 개의 전송 안테나를 사용할 경우에 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 대신하여 변화량의 부호만 전달한다. 고속으로 채널이 변할 경우에, 변하는 채널을 잘 추적할 수 있기 때문이다. 이와 같이 부호만 전달하더라도, 기지국에서는 도플러 주파수를 이용함으로써 변화량을 추정할 수 있다.
본 발명에 의한 임의의 i번 이동국은 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 피드백 정보로서 출력하기 위해, 기준 안테나인 제1 안테나(400)에 대한 채널 및 파일럿 심볼을 사용한다.
구체적으로, 제1 핑거(501)는 제1 안테나(400)의 1번 다중 경로 채널을 측정하여 콘쥬게이트(conjugate)하고, 제1 안테나(400)로 부터 1번 다중 경로 파일럿 심볼()을 수신한다. 제1 핑거(501)에 연결된 제1 곱셈기(511)는 콘쥬게이트한 제1 안테나(400)의 1번 다중 경로 채널(과 1번 다중 경로 파일럿 심볼()을 입력하여 곱한다.
제2 핑거(502)는 제1 안테나(400)의 2번 다중 경로 채널을 측정하여 콘쥬게이트하고, 제1 안테나(400)로 부터 2번 다중 경로 파일럿 심볼()을 수신한다. 제2 핑거(502)에 연결된 제2 곱셈기(512)는 콘쥬게이트한 제1 안테나(400)의 2번 다중 경로 채널(과 2번 다중 경로 파일럿 심볼()을 입력하여 곱한다.
마찬가지로, 제L 핑거(50L)는 제1 안테나(400)의 L번 다중 경로 채널을 측정하여 콘쥬게이트하고, 제1 안테나(400)로 부터 L번 다중 경로 파일럿 심볼()을 수신한다. 제L 핑거(50L)에 연결된 제L 곱셈기(51L)는 콘쥬게이트한 제1 안테나(300)의 L번 다중 경로 채널(과 L번 다중 경로 파일럿 심볼()을 입력하여 곱한다.
제1~제L 곱셈기(511~51L)에 공통으로 연결된 덧셈기(520)는 이들 출력 신호를 더한다. 허수 선택기(530)는 덧셈기(520)에서 더해진 결과인 복소수 신호중 허수 부분만을 선택하여 출력한다. 결정기(540)는 허수 선택기(532)로 출력된 신호의 부호를 판별하여 부호가 양일 경우에 0을, 음일 경우에 1을 출력한다. 결정기(540)로 부터 출력된 신호 0 또는 1은 피드백 채널을 통해 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 신호로서 기지국으로 전달된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 첫째, 종래의 방식에 비해 이동 통신 시스템에서 중요시되는 업링크와 다운링크의 용량을 더 많이 개선한다. 특히, 모토롤라사가 제안한 방식보다 시속 20km/h에서 잡음 및 간섭 신호의 전력에 의한 영향이 25%이상 줄어들었다. 전송 다이버시티를 조절하기 위해 같은 주기로 이동국이 피드백 정보를 전달할 경우에, 종래의 방식보다 절반의 정보만 전달하여도 동일한 성능을 보장한다.
두번째, 특히, 두 개의 안테나를 사용할 경우에, 이동국에 대해 이미 필수적으로 할당되어 있는 파일럿 심볼을 이용하여 피드백 정보를 측정함으로써, 다이버시티 안테나의 채널을 측정하기 위한 부가 파일럿이 불필요하고, 다운링크의 용량이 늘어나 사용자 정보를 더 많이 보낼 수 있다.
세번째, 두 개의 안테나를 사용할 경우에, 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 구함으로써 이동국에서 종래의 방식보다 매우 간단히 채널을 측정하고, 피드백 정보로서 1비트만 할당하면 되고, 또한, 다중 경로 채널인 경우에 아이겐 방법을 이용하므로 간단히 채널을 측정한다.
네번째, 이동국 속도 변화에 따라 성능을 최적화하는 기지국의 구현이 용이하다. 속도에 따라 이동국과의 3번 레이어 메시지 핸드쉐이킹 기법으로 모드를 전환하는 종래의 방식과 달리, 본 발명에 의한 기지국 장치는 도플러 주파수를 측정하여 스텝 크기를 최적화함으로써 이동국의 속도 변화에 상관없이 우수한 성능을 갖는다.

Claims (14)

  1. 이동 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법에 있어서,
    (a) 기지국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 단계;
    (b) 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달하는 단계;
    (c) 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계;
    (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계; 및
    (e) 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 상기 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며,
    여기서, 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 이동국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 기지국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    이동국 사용자별로 구분된 다운링크 파일럿 심볼을 이용하여 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  3. 제2항에 있어서, 다중 경로 채널인 경우에 상기 (a) 단계는,
    각 채널에 대해 측정된 단위 시간당 변화량들을 아이겐 방법을 이용하여 더하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    각 안테나로 부터 수신된 신호에서 도플러 주파수를 측정하고, 그 결과를 상기 해석된 피드백 정보에 적용하여 상기 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를구하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  5. 이동 통신 시스템에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법에 있어서,
    (a) 기지국에 사용된 두 개의 안테나에 대해 이동국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량의 부호를 구하는 단계;
    (b) 상기 부호를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 기지국으로 전달하는 단계;
    (c) 기지국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계;
    (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계; 및
    (e) 기지국에서 이동국으로 전송할 데이타에 상기 어레이 안테나 가중치를 곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며,
    여기서, 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 이동국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 기지국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    (a1) 두 개의 안테나중 기준 안테나의 채널을 측정하여 콘쥬게이트한 값과, 상기 기준 안테나로 부터 수신된 파일럿 심볼을 곱하는 단계;
    (a2) 곱한 값인 복소수 신호 중 허수 부분만을 선택하는 단계; 및
    (a3) 선택된 허수 부분의 부호를 판별하여 양의 값 또는 음의 값을 나타내는 신호를 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  7. 제5항에 있어서, 다중 경로 채널인 경우에 상기 (a) 단계는,
    (a1) 두 개의 안테나중 기준 안테나의 1~L(여기서, L은 2이상의 정수)번 다중 경로 채널을 각각 측정하여 콘쥬게이트한 값과, 상기 기지국으로 부터의 1~L번 다중 경로 파일럿 심볼을 각각 곱하는 단계;
    (a2) 곱한 값들을 더하고, 더한 값인 복소수 신호 중 허수 부분만을 선택하는 단계; 및
    (a3) 선택된 허수 부분의 부호를 판별하여 양의 값 또는 음의 값을 나타내는 신호를 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    (d1) 두 개의 안테나로 부터 수신된 신호에서 도플러 주파수를 측정하여 최적의 스텝 크기를 구하는 단계;
    (d2) 해석된 피드백 정보에 스텝 크기를 곱하는 단계;
    (d3) 곱한 값과 상기 기지국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 더하여 현재 상호 안테나간 위상차를 구하는 단계; 및
    (d4) 상기 현재 상호 안테나간 위상차로 부터 안테나 위상 보상을 위한 상기 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (d1) 단계에서 도플러 주파수를 측정하는 것이 용이하지 않으면 스텝 크기를 기본적으로 π/4로 정하며, 속도 변화에 따라 π/4에서 π/2로 또는 π/2에서 π/4로 전환가능한 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  10. 무선 통신 시스템에서 복수개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법에 있어서,
    (a) 전송국에 사용된 복수개의 안테나에 대해 수신국에서 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 측정하는 단계;
    (b) 측정 결과를 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보로서 전송국으로 전달하는 단계;
    (c) 전송국에서 피드백 정보를 수신하여 해석하는 단계;
    (d) 해석된 피드백 정보를 이용하여 각 안테나에 대한 어레이 안테나 가중치를 구하는 단계; 및
    (e) 전송국에서 수신국으로 전송할 데이타에 상기 어레이 안테나 가중치를곱하여 해당 안테나를 통해 출력하는 단계를 구비하며,
    여기서, 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 현재 수신국이 구한 상호 안테나간 위상차에서 전송국이 알고 있는 이전 상호 안테나간 위상차를 뺀 값인 것을 특징으로 하는 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티 방법.
  11. 이동 통신 시스템에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 위한 기지국 장치에 있어서,
    임의의 i번 이동국으로 부터 생성된 피드백 정보를 수신하는 제1 및/또는 제2 안테나;
    수신된 피드백 정보를 해석하여 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량을 검출하는 피드백 정보 디코더;
    상기 단위 시간당 변화량을 이용하여 제2 안테나 가중치를 구하는 가중치 계산부; 및
    상기 이동국으로 전송할 데이타 신호와 파일럿 신호를 제1 안테나를 통해 전송하고, 상기 데이타 신호에 상기 어레이 안테나 가중치를 곱하여 제2 안테나를 통해 전송하는 전송부를 구비하며,
    여기서, 상기 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량은 상기 이동국에서 피드백 정보로서 측정된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량에 업링크 채널 잡음에 의한 피드백 오류를 포함한 값인 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가중치 계산부는,
    제1 및 제2 안테나로 부터 수신된 신호에서 도플러 주파수를 측정하고, 측정된 결과에 비례하는 최적의 스텝 크기를 구하는 도플러 측정기;
    상기 피드백 디코더에서 검출된 상호 안테나간 위상차의 단위 시간당 변화량에 상기 스텝 크기를 곱하는 제1 곱셈기;
    소정 시간만큼 지연된 상호 안테나간 위상차를 저장하는 지연기;
    제1 곱셈기의 출력과 지연기의 출력을 더하여 상호 안테나간 위상차를 출력하는 덧셈기; 및
    상기 상호 안테나간 위상차에 해당하는 위상 보상치를 제2 안테나 가중치로 출력하는 위상 조정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 도플러 측정기는,
    도플러 주파수를 측정하는 것이 용이하지 않으면 스텝 크기를 기본적으로 π/4로 정하며, 속도 변화에 따라 π/4에서 π/2로 또는 π/2에서 π/4로 전환하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  14. 이동 통신 시스템에서 기지국에서 두 개의 안테나를 이용하는 경우에 폐쇄 루프 전송 안테나 다이버시티를 조절하기 위한 피드백 정보를 생성하는 이동국 장치에 있어서,
    두 개의 안테나중 기준 안테나의 1~L번 다중 경로 채널을 각각 측정하여 콘쥬게이트하고, 기준 안테나로 부터 1~L번 다중 경로 파일럿 심볼을 각각 수신하는 제1~제L 핑거;
    콘쥬게이트한 값과, 대응하는 파일럿 심볼을 각각 곱하는 제1~제L 곱셈기;
    제1~제L 곱셈기의 출력을 더하는 덧셈기;
    덧셈기의 출력인 복소수 신호 중 허수 부분을 선택하는 허수 선택기; 및
    선택된 허수 부분의 부호를 판별하여 양의 값 또는 음의 값을 나타내는 신호를 상기 피드백 정보로서 출력하는 결정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동국 장치.
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