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KR101772040B1 - 이동통신 시스템에서 빠른 빔 링크 형성을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

이동통신 시스템에서 빠른 빔 링크 형성을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR101772040B1
KR101772040B1 KR1020130000064A KR20130000064A KR101772040B1 KR 101772040 B1 KR101772040 B1 KR 101772040B1 KR 1020130000064 A KR1020130000064 A KR 1020130000064A KR 20130000064 A KR20130000064 A KR 20130000064A KR 101772040 B1 KR101772040 B1 KR 101772040B1
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Abstract

본 발명의 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 빔 링크 형성 방법은, 하향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정하는 단계; 기준 신호를 포함하여 상기 하향 빔을 단말에게 전송하는 단계; 및 상기 기준 신호를 포함하는 상향 빔을 상기 단말로부터 수신하여, SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하도록 상기 하향빔을 업데이트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고주파 대역의 BDMA cellular system에서 기지국과 단말 사이의 초기 빔 링크 및 adaptive beamforming을 이용한 빔 링크를 빠르게 구축할 수 있는 효과가 있다.

Description

이동통신 시스템에서 빠른 빔 링크 형성을 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR FAST BEAM-LINK CONSTRUCTION SCHEME IN THE MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선통신 시스템에서 빔 링크를 빠르게 구축할 수 있는 방법 및 이를 지원하는 장치에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 기지국과 단말 사이에 상호간 기준 신호 전송 (alternating reference signal transmission)을 이용하여, 수신 SNR (signal-to-noise ratios, SNR)이 상승하는 빔 링크를 효과적으로 구축할 수 있는 방법 및 이를 지원하는 장치에 대한 것이다.
일반적으로 이동 통신 시스템은 사용자의 활동성을 보장하면서 음성 서비스를 제공하기 위해 개발되었다. 그러나 이동 통신 시스템은 점차로 음성뿐 아니라 데이터 서비스까지 영역을 확장하고 있으며, 현재에는 고속의 데이터 서비스까지 제공하고 있다. 이에 따라 무선 데이터 트래픽 수요는 지속적으로 증가하여, 높은 데이터 전송률을 지원에 대한 니즈(needs)가 존재한다.
일반적으로 높은 데이터 전송률 제공 방법으로는 더 넓은 주파수 대역을 사용하는 방법과 주파수 효율성을 개선시키는 방법이 존재한다. 그러나 후자의 경우, 현 세대의 통신기술들이 이미 이론적인 한계치에 가까운 주파수 사용 효율을 제공하고 있어서 기술 개량을 통해 이 이상으로 주파수 사용 효율을 높이는 것이 현실적으로 용이하지 않다. 따라서 넓은 주파수 대역을 사용하는 기술이 주목된다.
현재 이동 통신 셀룰라 시스템에서 사용하고 있는 주파수 대역(<5GHz)에서는 넓은 주파수 대역 확보가 매우 어렵기 때문에 더 높은 주파수 대역에서 이러한 광대역 주파수를 확보해야 할 필요성이 있다. 현재의 주파수 분배 정책 상 1GHz 이상의 광대역 통신이 가능한 대역은 한정적이기 때문에, 30GHz 이상의 밀리미터파 대역을 무선통신에 사용하는 방안이 대두된다.
하지만, 이런 높은 주파수 대역에서는 거리에 따른 신호감쇄가 매우 심하게 발생하는 문제가 발생한다. 구체적으로 설명하면, 무선 통신을 위한 전송 주파수가 높아질수록 전파 경로 손실은 증가하며, 이로 인하여 전파 도달거리는 상대적으로 짧아져 서비스 영역(coverage)의 감소를 초래하게 되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위하여 전파 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위한 중요 기술 중 하나가 빔포밍(beamforming) 기술이다.
송신 빔포밍은 일반적으로 다수의 안테나를 이용하여 각 안테나로부터 송신되는 신호를 특정한 방향으로 집중시키는 방법이다. 다수의 안테나가 집합된 형태를 어레이 안테나(array antenna), 어레이 안테나에 포함되어 있는 안테나를 요소 안테나 또는 안테나 엘리먼트 (antenna element)라고 말할 수 있다.
송신 빔포밍을 사용하면 신호의 전파 도달 거리를 증가시킬 수가 있고, 또한 해당 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않기 때문에 다른 사용자에게 미치는 간섭이 매우 줄어들게 되는 장점이 있다.
한편, 수신 측에서도 수신 어레이 안테나를 이용하여 수신 빔포밍을 수행할 수 있는데, 수신 빔포밍 또한 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 해당 방향으로 들어오는 수신 신호 감도를 증가시키고 해당 방향 이외의 방향으로 들어오는 신호를 수신 신호에서 배제함으로써 간섭 신호를 차단할 수 있는 기술이다.
이러한 빔포밍 기술은 고주파수 대역의 통신 시스템에 적용하기에 유리하다. 전송 주파수가 높아질수록 전파의 파장은 짧아지므로, 반 파장 간격으로 안테나를 구성하는 경우 동일한 면적 내에 더 많은 안테나들로 어레이 안테나를 구성할 수 있기 때문이다. 즉, 고주파수 대역에서 동작하는 통신 시스템은 낮은 주파수 대역에서 빔포밍 기술을 사용하는 것에 비해 상대적으로 더 높은 안테나 이득을 얻을 수 있으므로 빔포밍 기술을 적용하기에 유리하다.
본 발명은 고주파 대역의 BDMA(Beam division multiple access) 셀룰러 시스템에서 채널 상태 (channel state information, CSI) 추정을 위한 오버헤드를 줄이고, 단말의 오리엔테이션 변화가 빈번한 경우에도 통신 품질을 높일 수 있는 빔링크를 효율적으로 구축하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 기지국과 단말 사이에서의 상호간 기준 신호 전송 (alternating reference signal transmission)과 좁은 빔 컨바이닝 (narrow beam combining)을 기반으로 하는 적응적 빔 웨이트 업데이트(adaptive beam weight update를 이용하여 빔 링크를 빠르게 구축하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 빔 링크 형성 방법은, 하향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정하는 단계; 기준 신호를 포함하여 상기 하향 빔을 단말에게 전송하는 단계; 및 상기 기준 신호를 포함하는 상향 빔을 상기 단말로부터 수신하여, SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하도록 상기 하향빔을 업데이트하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 본 발명의 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 단말의 빔 링크 형성 방법은, 상향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 상향 빔을 결정하는 단계; 기준 신호를 포함한 하향 빔을 상기 상향 빔을 이용하여 기지국으로부터 수신하는 단계; 상기 상향 빔에 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하여 업데이트 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가 본 발명의 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 빔 링크를 형성하는 기지국은, 단말과 신호를 송수신하는 송수신부; 및 하향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정하고, 기준 신호를 포함하여 상기 하향 빔을 단말에게 전송하며, 상기 기준 신호를 포함하는 상향 빔을 상기 단말로부터 수신하여, SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하도록 상기 하향빔을 업데이트하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 빔 링크를 형성하는 단말은, 기지국과 신호를 송수신하는 송수신부; 및 상향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 상향 빔을 결정하고, 기준 신호를 포함한 하향 빔을 상기 상향 빔을 이용하여 기지국으로부터 수신하며, 상기 상향 빔에 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하여 업데이트 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고주파 대역의 BDMA cellular system에서 기지국과 단말 사이의 초기 빔 링크 및 adaptive beamforming을 이용한 빔 링크를 빠르게 구축할 수 있는 효과가 있다. 그리고 본 발명을 따르면, 기존의 근거리 통신을 다루는 빔 스위핑 (beam sweeping)과는 달리 실제 셀룰러 시스템 환경에서 빔을 구축할 수 있는 효과가 있다.
나아가 본 발명은 기지국과 단말간의 alternating reference signal transmission을 단 1회 수행함으로써 빔 링크를 구축할 수 있기 때문에 급변하는 통신 channel 상황의 빔 링크 구축 방법으로 적합한 효과가 있다. 그리고 본 발명을 따르면 기지국과 단말간의 일대일 adaptive 빔포밍시 가질 수 있는 모든 빔 링크 조합 중에서 설정된 sector를 cover하는 초기 wide beam을 기본정보로 하여 추려낸 일부 빔 링크 조합 중에서 최적을 선택하기 때문에 효율적으로 빔 링크를 업데이트 할 수 있는 효과가 있다.
한편 본 발명은 beamforming weight update를 위한 reference signal 송신에 소요되는 시간 자원이 적고 이를 피드백하는 별도의 과정을 수행하지 않기 때문에 full CSI를 추정하는 방법에 비해 상향링크, 하향링크 자원 제어가 용이한 효과가 있다.
한편 본 발명은 detection된 symbol를 reference signal을 이용하여 처음 빔 링크를 형성하기 위한 training time을 제외하고 별도의 training time시간을 가질 필요 없이 데이터 통신 도중 동시에 빔 링크를 업데이트 할 수 있는 효과가 있다. 이로 인하여, 데이터 통신 도중 detection된 symbol과 그에 대응하는 수신 신호를 subarray를 구성하는 element의 최대 개수만큼 메모리에 저장하여 데이터 통신 도중 동시에 빔 링크를 update할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 고정 빔 (fixed beam) 기반의 빔 스위핑(beam sweepimg)을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 송수신기를 설명하기 위한 도면
도 3 및 도 4는 본 발명을 따르는 기지국에서 좁은 빔으로 넓은 빔을 분할하고, 단말에서 오리엔테이션 변화를 고려하여 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치 (weight)를 적용한 전방향 빔을 이용하는 개념도
도 5는 최초의 넓은 빔 b0 k의 구성을 설명하기 위한 도면
도 6은 단말을 구성하는 임의의 어레이 안테나의 엘리멘트 안테나의 최대 개수가 4인 경우, 기지국에서 단말로의 송수신 과정을 설명하기 위한 도면
도 7은 엘리멘트 안타나 개수가 4개인 단말에서 신호 분리 및 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)hi k 를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면
도 8 내지 도 10은 기지국의 빔포밍 가중치를 업데이트하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 11은 본 발명의 빔링크 형성 과정을 설명하기 위한 도면
도 12은 본 발명의 실시예에 따르는 기지국의 내부 구성을 도시하는 블록도
도 13은 본 발명의 실시예에 따르는 단말의 내부 구성을 도시하는 블록도
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
[MIMO (Multiple Input Multiple Output, MIMO) 채널 추정 (channel estimation) 기반의 다이버시티 이득(diversity gain)은 최소 자승 (Least squares), MMSE(mini–mental state examination) 등의 관점에서 최적의 채널 추정 값을 구하고 이를 이용하여 시-공간 코딩(space-time coding), MRC (Maximal Ratio Combining) 등을 행한 후 얻어질 수 있다.
또는 상기 다이버시티 이득은 채널 추정 값을 SVD(Singular Value Decomposition)한 후 maximum singular value에 대응되는 singular vector를 이용하여 빔포밍(beamforming) 후 얻어질 수도 있다. 일반적으로 MIMO wireless communication에서 신호모델은 다음과 같이 쓰여 진다.
Figure 112013000045647-pat00001
위의 식에서 는 r x 1 received signal vector, 는 r x t MIMO channel matrix, 는 t x 1 training signal vector, 는 r x 1 noise vector이다. Channel estimation을 위한 N번의 training signal 수신을 통해 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112013000045647-pat00002

위의 신호를 송수신 training을 통해서 얻었을 때, Least squares 관점에서 최적의 channel estimate는
Figure 112013000045647-pat00003
이며, estimation error는 다음과 같다.
Figure 112013000045647-pat00004
이며, estimation error는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112013000045647-pat00005
위에서 구한 channel estimate를 이용하여 SVD 후, maximum singular value에 대응되는 singular vector를 송수신 beamforming weight로 정하는 것이 SNR 최대화 측면에서 최적해이다.]
일반적인 MIMO 채널 추정 (MIMO channel estimation) 기반의 다이버시티 이득(diversity gain)을 얻기 위해서는 기본적으로 기지국에서 단말로 많은 기준 신호 (training signal, reference signal) 전송이 필요하다. 그리고 단말에서 기지국으로 채널 정보를 피드백 하는 경우, 많은 정보량 때문에 오버헤드가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 다시 말하면, 채널 추정 기반 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 많은 다운링크, 업링크 자원이 요구된다.
또한 고주파대역의 BDMA(Beam division multiple access) 셀룰러 시스템(cellular system)에서는 전송 파워의 감쇄까지 고려해야 하므로 위와 같은 방법에서 낮은 SNR에 의한 불완전한 채널 추정은 통신 성능 저하의 중요한 요인이 될 수 있다. 때문에 상기 시스템에서는 전송 파워 (transmit power)의 감쇄에 대비하여 여러 개의 안테나 엘리먼트 (antenna element)로 송, 수신단을 구성하여 충분한 송수신 파워 (transmit/receive power)를 얻으려고 하는데, 송수신단의 안테나 엘리먼트 개수가 증가할수록 채널 추정시 필요한 다운링크와 업링크 자원 또한 증가하여 오버헤드 문제가 더욱 심각해지게 된다.
나아가 초기 통신과 같이 channel 정보가 없는 상황에서 수신신호의 세기가 노이즈의 세기 이하로 내려갈 수 있으므로 이에 대한 대응책도 필요하다. 채널 정보를 얻는 과정에서의 오버헤드 및 채널 정보가 없는 초기 통신시 low SNR은 채널 정보 기반의 빔 포밍을 사용하지 않고 방향 빔포밍을 사용함으로써 해결할 수 있다.
하지만 전방위 (omni) 빔패턴을 가지는 기존의 단말 안테나와 다르게 directional한 빔패턴을 가지는 단말 안테나의 경우 단말의 잦은 오리엔테이션(orientation) 변화는 잦은 채널 변화를 야기하고 결과적으로 기준 코디네이션 (reference coordinate)에 대한 일정 방향의 방향 빔 웨이트도 변화되는 결과가 되므로, 통신의 품질을 보장하기 위해서 더 빈도 높은 대응책을 요구하게 된다.
예를 들면 부분 CSI 추정 (partial CSI estimation) 또는 단말의 수신 신호에 대한 DOA estimation을 자주하고 빔포밍 웨이트도 그에 맞게 자주 업데이트되어야 한다.
이렇듯 고주파대역 사용에 의한 전송 파워의 감쇄 -> 전송 파워 감쇄를 보상하고 수신 SNR 향상을 위해 많은 안테나 엘리먼트 사용 -> 채널 추정시 오버헤드 증가 및 초기 통신 시의 수신 SNR 확보 문제 대두 -> CSI가 없이 또는 partial CSI만으로 방향 빔을 형성 후 통신 -> 잦은 단말의 오리엔테이션 변화에 대비하여 빈도 높은 대응책 필요로 이어지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, M x N beam sweeping 기반 송수신 빔 형성의 경우, M개의 전송 빔 (transmit beam)과 N개의 수신 빔(receive beam)이 송신단과 수신단 사이에 미리 설정될 수 있다.
도 1은 고정 빔 (fixed beam) 기반의 빔 스위핑(beam sweepimg)을 설명하기 위한 도면이다. 도 1a는 섹터 레벨 트레이닝(sector level training)의 경우이며, 도 1b는 빔 레벨 트레이닝 (bean level training)이 적용된 경우이다.
도시된 바와 같이, 도 1a와 도 1b의 고정 빔을 스위핑하여 형성할 수 있는 경우의 수는 각각 3*3, 9*3이다. 이 때 모든 경우의 수에 대해 수신 SNR을 비교하고, 최대의 수신 SNR을 나타내는 빔 링크가 사용되게 된다.
도 1과 같이 M x N 빔 스위핑 (beam sweeping) 기반 송수신 빔 형성의 경우, IEEE 802.15.3c(WPAN)와 IEEE 802.11ad(WLAN)에서는 일대일 대응된 기지국과 단말에 대해서 M번의 전송 빔포밍(transmit beamforming), N번의 수신 빔포밍 (receive beamforming), 즉 M x N개의 빔포밍 조합을 수행하고 수신 SNR을 측정한 후 최대 수신 SNR을 나타내는 빔 링크를 선택하여 사용하도록 제안되어 있다.
그러나 상기 스펙에서는 기지국과 단말 사이의 일대일 대응상황에서 고정 빔 (fixed beam)을 사용하여 통신을 하는 환경으로써 통신의 품질을 향상시킬 수 있는 adaptive 빔포밍을 이용한 빔 링크 형성에 대해 구체적으로 제안되어 있지 않다. 그리고 상기 스펙은 WPAN 또는 WLAN환경에서 빔 스위핑 (beam sweeping)을 통한 통신링크 구축이기 때문에 셀룰러 시스템에서 적용이 어려운 문제가 있다.
따라서 본 발명은 고주파대역 BDMA 셀룰러 시스템에서 CSI 추정을 위한 오버헤드를 줄이고, 단말의 오리엔테이션 변화가 빈번한 경우에 대비하여 통신 품질을 높이는 adaptive 빔 통신 링크를 빠르게 구축하는 방법을 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명에서는 기지국과 단말 사이에서의 상호간 기준 신호 전송 (alternating reference signal transmission)과 좁은 빔 컨바이닝 (narrow beam combining)을 기반으로 하는 적응적 빔 웨이트 업데이트(adaptive beam weight update를 이용한다. 이때 조정 빔은 아날로그 빔과 디지털 빔에 모두 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 송수신기를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 송수신기는 여러 개의 안테나 엘리멘트를 한 개의 RF 채인(chain)에 묶어 서브어레이(subarray)를 구성한 트렌시버를 기본으로 할 수 있다.
상기 트렌시버의 각 안테나 엘리멘트에 대한 채널에는 아날로그 빔포밍을 위한 phase shifter와 power amplifier가 달려 있다. 또한 각 서브어레이에 대해서는 전송모드(transmit mode)에서 D/A 컨버터(D/A converter)로 작용하고 수신 모드에서 A/D 컨버터 (A/D converter)로 작용하는 컨버터가 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명을 따르는 기지국에서 좁은 빔으로 넓은 빔을 분할하고, 단말에서 오리엔테이션 변화를 고려하여 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치 (weight)를 적용한 전방향 빔을 이용하는 개념도 이다.
도 3에서 도시된 바와 같이 기지국은 송수신 빔포밍 웨이트를 업데이트하기 위해 좁은빔 컨바이닝 (narrow beam combining)을 기반으로 최초 디자인된 넓은 빔(wide beam)을 수신 SNR이 향상되도록 몇 개의 좁은 빔 (narrow beam)으로 분할하게 된다. 구체적인 분할 방법은 첨부된 도면과 함께 후술된다.
도 4에서 도시된 바와 같이 단말은 오리엔테이션이 변경되는 경우 안테나의 페이즈가 변경되게 된다. 도 4는 이러한 단말의 orientation에 의한 단방향 빔포밍의 어려움을 극복하고자 수신된 신호로부터 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치 (weight)를 적용하는 개념을 도시한다.
빔 분할과 MRC 가중치 계산은 alternating reference signal transmission을 통하여 상호 의존적으로 수행될 수 있으며, 결과적으로 채널 상호 (channel reciprocity)를 가정하여 기지국의 송수신 빔포밍은 업데이트된 빔 가중치 (beam weight), bk 1 를 이용하고 단말의 송수신 빔포밍은 그에 대응되는 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight), hk 1를 이용함으로써 빔 링크를 형성할 수 있다. 구체적인 방법은 첨부된 도면과 함께 후술된다.
도 5는 최초의 넓은 빔 bk 0의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
먼저 기지국에서 broadcasting을 위해 사용하는 wide beam과 그에 대한 단말의 MRC weight로 형성된 초기 빔 링크 후보에 대해서 최대의 수신 SNR을 내는 빔 링크가 선정되고 하향링크(downlink)와 상향링크(uplink) 동기화(synchronization)도 완료되었다고 가정한다.
초기 빔 링크가 선정되었다는 것은 곧, 기지국이 커버하는 몇 개의 섹터 중 (generality loss 없이) 임의의 k번째 섹터 (k th sector)에 단말이 위치하고 있음을 기지국이 파악했고 그에 대응되는 초기 기지국의 넓은 송수신 빔, bk 0가 설정되었다는 의미이다. 이러한 bk 0는 도 5에 도시된 바와 같이 wT,L(k-1)+1, wT,L(k-1)+2 또는 wT,L*k등의 좁은 빔의 리니어 컴비네이션(linear combination)이라고 할 수 있다.
도 6은 단말을 구성하는 임의의 어레이 안테나의 엘리멘트 안테나의 최대 개수가 4인 경우, 기지국에서 단말로의 송수신 과정을 설명하기 위한 도면이다.
기지국의 초기 송수신 빔, bk 0가 설정된 후, 도 6은 i=0인 경우이다. 예를 들어 하나의 어레이 안테나를 구성하는 엘리멘트 안테나의 최대 개수가 4인 경우, 도 6은 단말에서 안테나 별로 신호를 분리하기 위하여 기준 신호(reference signal을 송신하는 과정을 도시한다.
여기서 송신 빔포밍은 4회에 걸쳐 bk 0로써 일정하며 기지국은 bk 0에 기준 신호인 S1을 실어 전송한다. 단말은 DFT matrix의 column 또는 hadamard matrix의 column을 이용한 수신빔을 형성하여 상기 bk 0를 수신하며, 각 antenna element 별로 신호를 분리하기 위한 기반을 마련할 수 있다. 신호를 분리하는 구체적인 방법은 도 7을 참고하여 설명한다.
도 7은 엘리멘트 안타나 개수가 4개인 단말에서 신호 분리 및 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight), hk i 를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 도시된 바와 같이 단말은, DFT matrix 또는 Hadamard matrix를 4회 수신한 신호로 구성된 벡터에 곱해줌으로써 straightforward하게 수신 신호를 분리할 수 있다. 이와 같은 수신 신호 분리는 모든 subarray에 대해서 동시에 이루어지기 때문에, 서브어레이(subarray)에 대한 수신 신호가 각 안테나 엘리멘트 (antenna element) 별 수신 신호로 각각 분리될 수 있다.
도 7에서 분리된 신호는 단말의 송수신 빔으로 이용될 hk i 를 구하기 위해 사용될 수 있으며, 이후 hk 0 / llhk 0ll2 를 송신 빔포밍 가중치로 하여 단말에서 기지국으로 기준 신호를 전송할 수 있다. 기지국이 이러한 기준신호를 bk 0로 수신하는 경우, channel reciprocity를 가정하여 이전의 단말에서의 수신 SNR과 동일한 수신 SNR을 얻을 수 있지만, 더 높은 SNR을 획득하기 위하여 빔포밍 가중치를 업데이트 하는 과정을 수행할 수도 있다. 구체적인 과정은 도 8 내지 도 10을 참고하여 설명한다.
도 8 내지 도 10은 빔포밍 가중치를 업데이트하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7에 대한 설명에서 전술한 바와 같이, 신호의 수신 -> 신호의 분리 -> beamforming weight update하는 과정을 통해 얻어진 기지국의 송수신 beamforming weight, bk 1를 다시 송신빔으로 하여, 기지국은 단말로 기준 신호를 전송할 수 있다. (도 6 및 도 7에서 i=1)
이후 단말은 이에 대해 hk 0 를 구한 것과 동일한 과정으로 hk 1를 구하고 hk 1 / llhk 1ll2 를 송수신 beamforming weight로써 사용할 수 있다.
이를 수식으로 설명하면 아래와 같다.
Figure 112013000045647-pat00006

한편, RF단에 power amplifier가 없어 아날로그 빔포밍 가중치 (analog beamforming weight)가 constant modulus일 경우에 상기 과정을 수식으로 설명하면 아래와 같다.
Figure 112013000045647-pat00007
여기서 N은 전송기의 요소 안테나 (antenna element) 개수, M은 수신기의 안테나 엘리멘트 개수, bk 1(J) 는 bk 1의 J번째 원소, m(j) 은 m의 j번째 원소, Ф(x) 는 x의 phase와 동일한 phase를 가지고 modulus가 1인 complex value이다.
위에서 주목할 점은 bk 1의 경우, bk 0보다 작은 수의 좁은 빔들로 리니어 컴비네이션 (linear combination)되기 때문에 개념적으로 넓은 빔(wide beam)이 몇 개의 좁은 빔(narrow beam)으로 분할된 형태가 된다.
도 11은 본 발명의 빔링크 형성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11에서 도시된 바와 같이, 기지국은 UE가 존재하는 것으로 예상되는 섹터에 와이드빔을 이용하여 기준 신호를 전송할 수 있다. 이때 기지국은 상기 기준 신호를 포함하는 하향 송신 빔을 단말의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 전송할 수 있다.
이후 단말은 상기 하향 빔을 수신하여 각 안테나 엘리멘트 별 수신 신호로 분리할 수 있다. 이후 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용한 상향 송신 빔을 기지국의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 전송할 수 있다.
이후 기지국은 상기 상향 빔을 수신하여 각 안테나 엘리멘트 별 수신 신호로 분리할 수 있다. 이후 SNR이 증가하는 방향으로 와이드빔을 분할하여 가중치를 업데이트 할 수 있으며, 상기 가중치를 적용한 하향 송신빔을 전송할 수 있다.
도 12은 본 발명의 실시예에 따르는 기지국의 내부 구성을 도시하는 블록도이다. 도 12에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 기지국은 송수신부(1210)와 제어부(1220)를 포함할 수 있다.
송수신부(1210)는 단말 또는 인접한 기지국과 데이터 또는 신호를 송수신한다. 그리고 제어부(1220)는 기지국의 전반적인 동작을 위해 기지국의 각 블록간의 신호 흐름을 제어한다.
특히, 제어부(1220)는 본 발명에 따라 빔 링크를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부는 하향링크 송수신에 사용할 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정한다. 그리고 제어부는 기준 신호를 포함하여 상기 하향빔을 단말에게 전송한다. 상기 하향빔은 단말의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 전송할 수 있다.
나아가 제어부는 상기 기준 신호를 포함하는 상향 빔을 상기 하향 빔을 이용하여 단말로부터 수신할 수 있다. 그리고 제어부는 상기 상향 빔을 기지국의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 수신 받은 후 분리한 신호를 얻을 수 있다. 이후 제어부는 분리한 신호를 이용하여 SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하는 방향으로 빔 가중치를 결정하여 상기 하향빔을 업데이트 할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따르는 단말의 내부 구성을 도시하는 블록도이다.
도 13에서 도시되는 바와 같이, 본 발명의 단말은 송수신부(1310)와 제어부(1320)를 포함할 수 있다.
송수신부(1310)는 기지국과 데이터 또는 신호를 송수신한다. 그리고 제어부(1320)는 단말의 전반적인 동작을 위해 단말의 각 블록간의 신호 흐름을 제어한다.
특히, 제어부(1220)는 본 발명에 따라 빔 링크를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부는 기준 신호를 포함하는 하향빔을 상향빔을 이용하여 수신할 수 있다. 상기 하향빔은 단말의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 수신할 수 있다.
그리고 제어부는 상기 하향 빔을 단말의 subarray를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 수신하여 분리한 신호를 얻을 수 있다. 이후 제어부는 분리한 신호를 이용하여 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치 (weight)를 결정하여 상기 상향빔을 업데이트 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 단말기는 휴대폰, PDA(Personal Digital Assistant), 내비게이션(navigation), 디지털 방송 수신기, PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 휴대용 전자기기 장치를 말한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1210 : 기지국의 송수신부
1220 : 기지국의 제어부
1310 : 단말의 송수신부
1320 : 단말의 제어부

Claims (18)

  1. 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 기지국의 빔 링크 형성 방법에 있어서,
    하향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정하는 단계;
    복수의 하향링크 기준 신호를 적어도 하나의 상기 하향 빔을 이용하여 단말에게 전송하는 단계;
    복수의 상향링크 기준 신호를 상향 빔을 이용하여 상기 단말로부터 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 복수의 상향링크 기준 신호에 따라, SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하도록 상기 적어도 하나의 하향 빔을 업데이트하는 단계; 를 포함하고,
    상기 복수의 하향링크 기준 신호는 각 안테나 엘리멘트에 대한 각각의 채널 상태를 예측하기 위해, 상기 단말의 서브어레이(subarray)를 구성하는 상기 각 안테나 엘리멘트 별로 분리되고,
    상기 복수의 상향링크 기준 신호의 각 상향링크 기준 신호는 상기 예측된 각각의 채널 상태에 기반하여 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 업데이트하는 단계는,
    상기 분리된 복수의 하향링크 기준 신호를 이용하여 SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하는 방향으로 빔 가중치를 결정하여 상기 하향 빔을 업데이트 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전송하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 하향 빔을 이용하여 상기 서브 어레이를 구성하는 상기 안테나 엘리멘트의 개수만큼 상기 하향링크 기준 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 단말의 빔 링크 형성 방법에 있어서,
    상향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 상향 빔을 결정하는 단계;
    복수의 하향링크 기준 신호를 적어도 하나의 하향 빔을 이용하여 기지국으로부터 수신하는 단계;
    상기 복수의 하향링크 기준 신호는 각 안테나 엘리멘트에 대한 각각의 채널 상태를 예측하기 위해, 상기 단말의 상기 각 안테나 엘리멘트 별로 분리하는 단계; 및
    상기 예측된 각각의 채널 상태에 기반하여 생성된 복수의 상향링크 기준 신호를 전송하는 적어도 하나의 상향 빔에 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하여 업데이트 하는 단계; 를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 업데이트된 상향 빔을 이용하여 상기 복수의 상향링크 기준 신호를 상기 기지국에게 전송하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 업데이트 하는 단계는,
    상기 분리된 복수의 하향링크 기준 신호를 이용하여 상기 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 전송하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 상향 빔을 이용하여, 상기 기지국의 서브 어레이(subarray)를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 상기 상향링크 기준 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 빔 링크를 형성하는 기지국에 있어서,
    단말과 신호를 송수신하는 송수신부; 및
    하향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 하향 빔을 결정하고, 복수의 하향링크 기준 신호를 적어도 하나의 상기 하향 빔을 이용하여 단말에게 전송하도록 상기 송수신부를 제어하며, 복수의 상향링크 기준 신호를 상향 빔을 이용하여 상기 단말로부터 수신하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 수신된 복수의 상향링크 기준 신호에 따라, SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하도록 상기 적어도 하나의 하향 빔을 업데이트하도록 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 복수의 하향링크 기준 신호는 각 안테나 엘리멘트에 대한 각각의 채널 상태를 예측하기 위해, 상기 단말의 서브어레이(subarray)를 구성하는 상기 각 안테나 엘리멘트 별로 분리되고,
    상기 복수의 상향링크 기준 신호의 각 상향링크 기준 신호는 상기 예측된 각각의 채널 상태에 기반하여 생성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 분리된 복수의 하향링크 기준 신호를 이용하여 SNR (signal-to-noise ratios)이 증가하는 방향으로 빔 가중치를 결정하여 상기 하향빔을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 하향 빔을 이용하여 상기 서브 어레이를 구성하는 상기 안테나 엘리멘트의 개수만큼 상기 하향링크 기준 신호를 전송하도록 상기 송수신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  14. 빔포밍 기법을 사용하는 무선 통신 시스템에서 빔 링크를 형성하는 단말에 있어서,
    기지국과 신호를 송수신하는 송수신부; 및
    상향링크 송수신에 사용하기 위한 적어도 하나 이상의 상향 빔을 결정하고, 복수의 하향링크 기준 신호를 적어도 하나의 하향 빔을 기지국으로부터 수신하도록 상기 송수신부를 제어하며, 상기 복수의 하향링크 기준 신호는 각 안테나 엘리멘트에 대한 각각의 채널 상태를 예측하기 위해, 상기 단말의 상기 각 안테나 엘리멘트 별로 분리하고, 상기 예측된 각각의 채널 상태에 기반하여 생성된 복수의 상향링크 기준 신호를 전송하는 적어도 하나의 상향 빔에 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하여 업데이트 하도록 제어하는 제어부; 를 포함하는 단말.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 업데이트된 상향빔을 이용하여 상기 복수의 상향링크 기준 신호를 상기 기지국에게 전송하는 것을 특징으로 하는 단말.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 분리된 복수의 하향링크 기준 신호를 이용하여 상기 MRC(Maximal Ratio Combining) 가중치(weight)를 적용하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단말.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 적어도 하나의 상향 빔을 이용하여, 상기 기지국의 서브 어레이(subarray)를 구성하는 안테나 엘리멘트의 개수만큼 상기 상향링크 기준 신호를 전송하도록 상기 송수신부를 제어하는 것을 특징으로 하는 단말.

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