KR20120030200A

KR20120030200A - 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120030200A
Application number: KR1020100092125A
Authority: KR
Inventors: 박경민
Original assignee: 주식회사 팬택
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-28
Also published as: WO2012036481A3; US8867655B2; WO2012036481A2; US20130177102A1

Abstract

다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송장치 및 방법을 제공한다.
이러한 본 발명은 정보비트를 성상맵핑하여 변조심벌을 생성하는 변조부, 상기 변조심벌에 프리코딩 행렬을 곱하여 프리코딩된 심벌을 생성하는 프리코딩부, 및 상기 프리코딩된 심벌을 전송하는 복수의 송신 안테나를 개시한다. 방사각에 관계없이 일정한 빔 폭을 지원하여 각도퍼짐에 의한 전력손실을 막고, 큰 방사각에서의 음영지역 발생을 해결할 수 있다.

Description

다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF TRANSMITTING DATA USING MULTIPLE ANTENNA AND BEAM FORMING}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 다중 셀룰러 통신 시스템에서 각 셀이 다른 셀들을 고려하지 않고, 동일한 시간 및 주파수 대역에서 주파수 재사용도 (frequency reuse) ‘1’을 유지한 상태에서 기지국과 단말간의 통신이 이루어지게 될 경우 셀 경계에 가깝게 위치한 단말일수록 수신 신호의 전력 감소로 인한 신호의 왜곡(distortion) 및 다른 셀들로부터의 간섭으로 인하여 성능이 매우 열악해진다.

이러한 전력 감소 및 간섭에 의한 성능 악화 현상을 극복하기 위하여 지금까지 여러 기법들이 연구되었으며, 그 중 한 기법으로서 다중 셀간 또는 다중 전송단 간 협조적 송수신 방법(Coorperative Transmission and Reception Scheme)이 논의되고 있다. 협조적 송수신 방법은 LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 표준에서는 협력형 다중점(Coordinated Multiple Point; CoMP) 송수신 방식이라 불리기도 한다. 협력형 다중점 송수신 방식은 서로 다른 기지국 또는 다중 전송단이 협력하여 동일 단말과 통신을 수행하는 방법을 널리 지칭한다. 즉, 복수의 기지국이 협력하여 하향링크 전송 또는 상향링크 수신을 수행하는 방식으로서, 여기에는 복수의 기지국이 협력하여 하향링크 또는 상향링크 스케줄링을 수행하는 것이 포함된다. 이 방식은 셀간 경계지역 또는 신호 수신 감도가 열악한 지역에 있어 셀의 중심지역 또는 신호 수신 감도가 좋은 지역에 있는 단말에 비해 신호의 세기가 약한 단말들에게 송신 전력 이득과 신호 감도를 향상시켜줄 수 있고, 간섭의 영향을 효과적으로 제거하여 전체 시스템의 전송률을 향상시킬 수 있다.

다중 안테나 기술은 무선통신 시스템의 송신기 또는 수신기에서 다중 안테나를 사용하여 용량증대 혹은 성능개선을 꾀하는 기술이다. 다중 안테나 기술은 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않고 다중 안테나에서 수신된 단편적인 데이터 조각을 한데 모아 완성하는 기술송신 안테나의 수와 수신 안테나의 수를 동시에 늘리게 되면, 안테나 수에 비례하여 이론적인 채널 전송 용량이 증가하므로, 주파수 효율을 향상시킬 수 있다.

다중 안테나 기술과 협조적 송수신 방법을 접목하면, 셀 경계의 단말 또는 수신 감도가 열악한 지역에 위치한 단말의 수신신호의 세기를 증대시킬 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 다른 셀에 있는 단말에 간섭을 줄 수 있으며, 이러한 간섭을 제거하기 위해 송신 안테나의 수를 증가시키면 빔의 폭(beam width)이 좁아져서 전력손실이 발생하는 문제가 있다.

본 발명의 기술적 과제는 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 수신장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 전송방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 다중 안테나와 빔 포밍을 이용한 데이터 수신방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 빔 폭을 일정하게 유지하는 빔 포밍방법을 을 제공함에 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 전송장치를 제공한다. 상기 전송장치는 정보비트(information bit)를 성상맵핑(constellation mapping)하여 변조심벌(modulation symbol)을 생성하는 변조부, 상기 변조심벌에 프리코딩 행렬(precoding matrix)을 곱하여 프리코딩된 심벌(precoded symbol)을 생성하는 프리코딩부, 및 상기 프리코딩된 심벌을 전송하는 복수의 송신 안테나를 포함한다.

상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉘고, 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제1 방향을 따라 제1 간격마다 하나씩 배열된다. 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격마다 하나씩 배열된다. 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 다중 안테나 시스템에서의 단말을 제공한다. 상기 단말은 기지국으로부터 프리코딩 행렬을 기초로 프리코딩된 심벌을 수신하는 수신 안테나, 상기 프리코딩된 심벌에 프리코딩 역행렬을 곱하여 변조심벌을 생성하는 디프리코딩부, 및 상기 변조심벌을 복조하여 정보비트를 생성하는 복조부를 포함한다.

상기 프리코딩 행렬은 상기 단말이 동일 평면상의 동일한 위상의 신호를 수신하도록, 각 요소가 결정된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 다중 안테나 시스템에서 전송방법을 제공한다. 상기 전송방법은 정보비트를 성상맵핑하여 변조심벌을 생성하는 단계, 상기 변조심벌에 프리코딩 행렬을 곱하여 프리코딩된 심벌을 생성하는 단계, 및 복수의 송신 안테나를 이용하여 상기 프리코딩된 심벌을 단말로 전송하는 단계를 포함한다.

상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉘고, 각 안테나 그룹은 신호를 전송하고자 하는 방향에 대하여 1차 선형 배열을 형성한다. 각 안테나 그룹은 신호를 전송하고자 하는 방향과 동일 평면상에 존재하도록 배치하는 것을 원칙으로 하며, 또한 각 안테나 그룹은 동일 단말에 신호 전송 시 신호의 전파 경로가 다를 수 있도록 거리를 두고 배치한다.

또는, 상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉘고, 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제1 방향을 따라 제1 간격마다 하나씩 배열된다. 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격마다 하나씩 배열된다. 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 다중 안테나 시스템에서의 신호의 수신방법을 제공한다. 상기 수신방법은 기지국으로부터 프리코딩 행렬을 기초로 프리코딩된 심벌을 수신하는 단계, 상기 프리코딩된 심벌에 프리코딩 역행렬을 곱하여 변조심벌을 생성하는 단계, 및 상기 변조심벌을 복조하여 정보비트를 생성하는 단계를 포함한다.

방사각에 관계없이 일정한 빔 폭을 지원하여 각도퍼짐에 의한 전력손실을 막고, 큰 방사각에서의 음영지역 발생을 해결할 수 있다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 다중 셀 환경의 무선 통신시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 다중 안테나를 이용한 빔 포밍(beam forming) 방법의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 4는 다중 안테나를 이용한 빔 포밍 방법의 다른 예를 나타내는 개념도이다.
도 5는 빔 포밍을 구현하기 위한 안테나 배열(antenna array) 및 방사각 θ로 신호가 방사될 시 각 안테나에서 방사된 신호 간 전파 경로의 거리차에 대한 도면이다.
도 6은 선형배열된 4개의 송신 안테나를 이용한 빔 포밍시 실제 신호의 전파 패턴을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 8개의 선형배열된 안테나를 이용한 빔 포밍시 실제 신호의 전파 패턴을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 다중 안테나를 구비한 송신장치를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 예에 따른 2개의 안테나 그룹에 따른 송신 안테나의 배열을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 예에 따른 프리코딩 행렬의 각 요소를 구성하는 방법을 보여준다.
도 11은 본 발명의 일 예에 따른 수신장치를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 예에 따른 복수의 송신 안테나를 이용한 기지국의 신호 전송방법을 설명하는 순서도이다.
도 13은 본 발명에 따른 다중 안테나를 이용한 빔 포밍 방법의 일 예를 나타내는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 다른 예에 따른 2개의 안테나 그룹에 따른 송신 안테나의 배열을 나타내는 도면이다.
도 15는 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 일 예이다.
도 16은 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 다른 예이다.
도 17은 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 또 다른 예이다.

이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)는 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다. LTE-A(Advanced)는 3GPP LTE의 진화이다.

도 1은 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다. 이는 E-UMTS(Evolved- Universal Mobile Telecommunications System)의 망 구조일 수 있다. E-UMTS 시스템은 LTE(Long Term Evolution) 시스템이라고 할 수도 있다. 무선 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위해 널리 배치된다.

도 1을 참조하면, E-UTRAN(Evolved-UMTS Terrestrial Radio Access Network)은 제어 평면(control plane)과 사용자 평면(user plane)을 제공하는 기지국(20; Base Station, BS)을 포함한다.

단말(10; User Equipment, UE)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(Mobile station), UT(User Terminal), SS(Subscriber Station), 무선기기(Wireless Device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(20)은 일반적으로 단말(10)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 하나의 기지국(20)은 적어도 하나의 셀에 대해 서비스를 제공할 수 있다. 기지국(20) 간에는 사용자 트래픽 혹은 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수도 있다. 이하에서 하향링크(downlink)는 기지국(20)에서 단말(10)로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말(10)에서 기지국(20)으로의 통신을 의미한다. 하향링크는 순방향 링크(forward link)라고도 하며, 상향링크는 역방향 링크(reverse link)라고도 한다. 하향링크에서 송신기는 기지국(20)의 일부분일 수 있고, 수신기는 단말(10)의 일부분일 수 있다. 상향링크에서 송신기는 단말(10)의 일부분일 수 있고, 수신기는 기지국(20)의 일부분일 수 있다.

기지국(20)들은 X2 인터페이스를 통하여 서로 연결될 수 있다. 기지국(20)은 S1 인터페이스를 통해 EPC(Evolved Packet Core), 보다 상세하게는 MME(Mobility Management Entity)/S-GW(Serving Gateway, 30)와 연결된다. S1 인터페이스는 기지국(20)과 MME/S-GW(30) 간에 다수-대-다수 관계(many-to-many-relation)를 지원한다.

무선통신 시스템에 적용되는 다중 접속 방식에는 제한이 없다. CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single-Carrier FDMA), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 또는 공지된 다른 변조 기술들과 같은 다중 접속 기법들에 기초할 수 있다. 이들 변조 기법들은 통신 시스템의 다중 사용자들로부터 수신된 신호들을 복조하여 통신 시스템의 용량을 증가시킨다.

단말과 네트워크 사이의 무선 인터페이스 프로토콜(radio interface protocol)의 계층들은 통신시스템에서 널리 알려진 개방형 시스템간 상호접속 (Open System Interconnection; OSI) 모델의 하위 3개 계층을 바탕으로 제1 계층(L1), 제2 계층(L2), 제3 계층(L3)으로 구분될 수 있다. 이 중에서 제1 계층에 속하는 물리계층은 물리채널(physical channel)을 이용한 정보 전송 서비스(information transfer service)를 제공하며, 제3 계층에 위치하는 무선 자원 제어(radio resource control; 이하 RRC라 함) 계층은 단말과 네트워크 간에 무선 자원을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위해 RRC 계층은 단말과 네트워크 간에 RRC 메시지를 서로 교환한다.

물리계층에서 사용되는 몇몇 하향링크 물리 제어채널들이 있다. PDCCH(physical downlink control channel)는 단말에게 PCH와 DL-SCH(downlink-shared channel)의 자원 할당 및 DL-SCH와 관련된 HARQ(hybrid automatic repeat request) 정보에 대해 알려준다. PDCCH는 단말에게 하향링크 전송에 관련된 제어정보를 포함하는 하향링크 그랜트(downlink grant) 및 상향링크 전송에 관련된 제어정보를 포함하는 상향링크 그랜트(uplink grant)를 나를 수 있다. 하향링크 전송에 관한 제어정보는 자원 할당에 대한 정보, 변조 및 코딩에 관한 정보, HARQ 프로세스(process)에 관한 정보, 신규 데이터 지시자(new data indicator), 반복 버젼(redundancy version)에 대한 정보, 전력제어에 대한 정보를 포함한다. 다중 안테나 시스템에서, 하향링크 전송에 관한 제어정보는 프리코딩(precoding)에 관련된 정보를 더 포함한다.

상향링크 전송에 관한 스케줄링 제어정보는 자원 할당에 대한 정보, 호핑 정보(hopping information), 변조 및 코딩에 대한 정보, HARQ 프로세스에 대한 정보, 신규 데이터 지시자, 전력제어 정보, 복조를 위한 기준신호의 자원에 관한 정보, CQI(channel quality information) 전송 요청 정보를 포함한다. 상향링크 전송에서 다중 안테나가 지원되는 경우 하향링크 제어정보와 같이 프리코딩 관련 정보가 전송될 수 있다.

도 2는 다중 셀 환경의 무선 통신시스템을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바에 따르면 하나의 단말은 셀간 협조적 전송 방법(cooperative transmission scheme)에 따라 복수의 셀들과 통신을 수행한다. 협조적 전송 방법은 서로 다른 다중 셀이 협력하여 하나의 단말과 통신을 수행하는 방법을 널리 지칭한다. 협조하는 복수의 셀들을 협조적 셀들(cooperative cells)이라 하고, 협조하는 복수의 기지국을 협조적 기지국들(cooperative eNBs)라 한다. 협조적 전송 방법은 LTE-A에서는 COMP(coordinated multiple points) 전송 방식이라 불리기도 한다. 하나의 기지국은 복수의 셀을 관할할 수 있으나, 이하에서 설명의 편의를 위해 하나의 기지국은 하나의 셀을 관할하는 것으로 가정한다.

협조적 기지국들은 크게 주요 기지국과 보조 기지국으로 구성된다. 주요 기지국은 서빙 기지국(serving BS)이라 불리기도 하고, 보조 기지국은 인접 기지국(neighboring BS) 또는 타 기지국(other BS)이라 불리기도 한다. 주요 기지국에서는 상기 주요 기지국에서의 상기 단말을 위한 하향링크 스케줄링 정보뿐만 아니라, 보조 기지국에서의 상기 단말을 위한 하향링크 스케줄링 정보도 전송될 수 있다. 보조 기지국에서는 상기 단말을 위한 하향링크 스케줄링 정보가 전송될 수도 있고, 전송되지 않을 수도 있다.

일반적으로 다중 셀룰러 통신 시스템에서 각 셀이 다른 셀들을 고려하지 않고, 동일한 시간 및 주파수 대역에서 주파수 재사용도 (frequency reuse) ‘1’을 유지한 상태에서 기지국과 단말간의 통신이 이루어지게 될 경우 셀 경계에 가깝게 위치한 단말일수록 다른 셀들로부터의 간섭으로 인하여 성능이 매우 열악해진다.

이러한 간섭에 의한 성능 악화 현상을 극복하기 위하여 지금까지 여러 기법들이 연구되었으며, 그 중 한 기법으로서 다중 셀간 협조적 전송 방법을 이용할 경우 간섭의 영향을 효과적으로 제거하여 전체 시스템의 전송률을 향상시킬 수 있다.

도 2를 참조하면, 무선 통신 시스템은 복수의 기지국(200-1, 200-2, …) 및 단말(210-1. 210-2, 210-3)을 포함한다. 각 기지국은 하나의 셀에 속한다. 각 기지국은 하나 또는 복수의 송신 안테나를 포함한다.

단말(210-1)은 제1 셀(Cell1)에 속해 있다. 따라서, 제1 셀(Cell1)은 주요셀 또는 서빙셀이고, 기지국(200-1)은 주요 기지국 또는 서빙 기지국이다. 한편, 단말(210-1)은 제1 셀(Cell1), 제2 셀(Cell2) 및 제3 셀(Cell3)의 경계에 위치한다. 따라서, 단말(210-1)에게 주요 기지국인 기지국(200-1)뿐만 아니라, 보조 기지국들인 기지국(200-2) 및 기지국(200-3)도 단말(210-1)에게 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 기지국(200-1), 기지국(200-2) 및 기지국(200-3)은 협조적 기지국으로서, 단말(210-1)에게 협조적으로 데이터를 전송한다. 따라서, 간섭 신호를 최소화하여 단말(210-1)의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

협조적 기지국이 단말(210-1)에게 협조적으로 데이터 신호를 전송하는 경우, 제4, 제5, …, 제K 기지국이 전송하는 신호는 단말(210-1)에게 간섭 신호가 된다. 주요 기지국 및 보조 기지국의 인덱스 집합은 S ={1, 2, 3}으로, 간섭 신호를 전송하는 인접 기지국의 인덱스 집합은 I = {4, 5, …, K}로 표현할 수 있다.

다만, 이는 셀 경계에 위치한 단말에게 주요 기지국 및 보조 기지국이 협조적 전송을 하는 경우의 일 예일 뿐, 협조적 전송을 하는 기지국 및 셀의 위치, 개수 등을 제한하는 것이 아니다. 협조적 기지국은 단말과 인접 기지국 사이의 거리, SINR, 전송 효율(Spectral Efficiency) 등을 고려하여 적절하게 정해질 수 있다.

도 3은 다중 안테나를 이용한 빔 포밍(beam forming) 방법의 일 예를 나타내는 개념도이다.

도 3을 참조하면, 기지국(300)은 다중 안테나(305-1, 305-2,...305-N)를 구비하고, 셀(310)내의 단말(320-1, 320-2)에 빔 포밍 기반으로 신호를 전송한다. 무선통신에서 빔 포밍은 안테나에서 방사된 에너지가 특정한 방향을 따라서 집중적으로 방사되는 안테나 구현 방식이다. 빔 포밍의 목적은 원하는 방향으로부터 신호를 수신하거나 원하는 방향으로 신호를 전달하는 것이다. 다중 안테나 시스템에서 빔 포밍을 이용하면, 각 안테나별로 위상정보를 컨트롤하여 기지국(300)과 단말(320-1, 320-2)의 위치각도에 따라 신호의 세기를 조절함으로써 주변의 간섭을 제거하여 성능을 높일 수 있다. 스마트 안테나는 효율성을 높이기 위해 다중 안테나(305-1, 305-2,...305-N)를 이용해 구현될 수 있다. 도 3에서 2개의 단말(320-1, 320-2)만을 도시하였으나, 이는 예시일 뿐 셀(310)내에는 그 이상 그 이하 수의 단말이 기지국(300)과 통신을 수행할 수 있다. 도 3은 전파의 방사각에 따라 빔의 형태가 변함을 나타낸다. 이에 대한 자세한 내용은 도 6 및 도 7의 시뮬레이션 결과와 함께 설명하도록 한다.

단말의 위치에 따라 형성되는 각각의 빔은, 그 빔 폭(beam width)이 방사각에 따라 넓게 퍼지거나, 좁게 편중될 수 있다.

도 4는 다중 안테나를 이용한 빔 포밍 방법의 다른 예를 나타내는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 셀(410)은 복수의 섹터(sector, 410-1, 410-2, 410-3)로 구별되고, 각 섹터의 안테나는 빔 포밍 기반으로 신호를 전송한다. 제1 단말(420-1)은 제1 섹터(410-1)에 위치하고, 제2 단말(420-2)은 제2 섹터(410-2)에 위치한다. 제1 단말(420-1)과 제2 단말(420-2)은 서로 다른 섹터에 위치하므로, 서로 다른 시스템 정보, 주파수 대역, 또는 전송 파라미터를 기초로 통신을 수행한다. 각 섹터(410-1, 410-2, 410-3)를 담당하는 선형배열 안테나는 다른 섹터에 존재하는 단말에 신호를 전송하지 않으나, 셀간 협조적 송수신을 수행하는 경우 다른 섹터에 존재하는 단말에 빔 포밍 또는 프리코딩을 통해 신호를 전송하게 된다.

이 때 선형배열 안테나는 대단히 큰 방사각으로 신호를 전송하게 되며, 따라서 담당하는 섹터내에 존재하는 단말에 신호를 전송하는 경우 보다 넓이가 큰 빔을 사용하여 신호를 전송하게 된다. 그 결과 셀간 협조적 송수신시 단말이 수신하는 전력이 감소하며 또한 넓은 영역에 걸쳐 간섭이 발생하게 된다.

예를 들어, 제2 섹터(410-2)가 제1 섹터(410-1)에 위치하는 제1 단말(420-1)에 대해 신호를 전송한다고 가정하자. 이 때, 제2 섹터(410-2)의 안테나에서 형성되는 빔의 폭은, 방사각이 0°인 때와 비교하여 상대적으로 넓어져서 제2 섹터(410-2)에 위치하는 제2 단말(420-2)에 간섭으로 작용한다.

이러한 간섭을 제거하기 위해, 제2 섹터(410-2)의 신호의 빔 폭(beam width)을 세밀하게 조정하면, 제1 단말(420-1)이 상기 신호의 간섭으로부터 벗어날 수 있다. 여기서, 빔 폭을 세밀하게 함은 레솔루션(resolution)을 증가시키는 것과 동일한 개념이다. 빔 폭을 세밀하게 하는 방법으로서, 안테나의 개수를 증가시키는 방법이 있다. 예를 들어, 기존에 빔 포밍을 위해 4개의 안테나를 사용하던 것을 8개의 안테나로 증가시키면, 빔 폭이 세밀해질 수 있다. 다만, 이 경우, 빔 폭이 빔의 고유한 각도퍼짐(angular spread) 미만으로 되어, 전력손실이 발생할 수 있다.

섹터 경계에 위치한 단말은 음영지역에 속하므로, 상기 단말로 전송되는 신호의 강도가 약해질 수 있다. 상기 단말에 대해 협조적 전송방식을 적용하면, 단말의 수신신호강도를 높일 수 있다. 이러한 협조적 전송방식을 셀내 협조적 전송방식(intra-cell cooperative transmission scheme) 또는 셀내 CoMP라 한다. 이에 반해 복수의 기지국이 협조적 전송방식에 의해 단말과 무선 통신을 수행하는 것을 셀간(inter-cell) 협조적 전송방식 또는 셀간 CoMP라 한다. 셀간 협조적 전송방식의 경우, 다수의 기지국에 관한 채널정보 및/또는 제어정보들을 공유하여야 하므로, 매우 복잡한 단계를 거쳐 통신이 수행된다. 또한 전송 지연 등이 발생할 우려가 있어 효율성에 한계가 있다. 반면, 셀내 협조적 전송방식은 하나의 기지국이 모든 제어 및 일련의 통신 과정을 수행하므로 비교적 간단한 방식으로 추가적인 전송 지연 없이 통신을 수행할 수 있다.

도 5는 빔 포밍을 구현하기 위한 안테나 배열(antenna array) 및 방사각 로 신호가 방사될 시 각 안테나에서 방사된 신호 간 전파 경로의 거리차에 대한 도면이다.

도 5를 참조하면, 기지국(500)에 4개의 안테나(510-1, 510-2, 510-3, 510-4)가 동일선상에서 일정한 간격 d마다 하나씩 배열된다. 이러한 배열을 1×4 선형 배열(linear array)라 한다. 4개의 안테나(510-1, 510-2, 510-3, 510-4)는 송신기의 안테나로서, 상기 송신기는 단말의 일부일 수도 있고, 기지국의 일부일 수도 있다. 여기서는 설명의 편의를 위해 기지국(500)의 일부라 가정한다. 4개의 안테나(510-1, 510-2, 510-3, 510-4)가 송출하는 각각의 신호 x₁, x₂, x₃, x₄는 모두 하나의 단말(520)에 도달하는 때에, 단말이 상대적으로 관찰하는 신호들이다. LoS(Line of Sight)의 상태에서 단말(520)이 기지국과 충분히 먼 거리에 있다고 가정할 때, 상기 신호들이 전파되는 방사각(angle of departure; AOD)은 모두 θ로 동일하다고 할 수 있다. 여기서, 방사각은 단말을 향해 방사되는 신호가 안테나와 이루는 각도이다.

단말의 입장에서 볼 때, 신호 x₁, x₂, x₃, x₄는 다음과 같은 특성을 가진다. 신호 x₂는 신호 x₁에 비하여 dsinθ만큼 위상이 앞선다(leading). 마찬가지로, 신호 x₃은 신호 x₂에 비하여 다시 dsinθ만큼 위상이 앞선다. 다시, 신호 x₄를 기준으로 볼 때, 신호 x₁, x₂, x₃의 위상 뒤짐은 각각 3dsinθ, 2dsinθ, dsinθ이다. 즉, 단말(520)이 수신하는 신호 x₁, x₂, x₃, x₄간에는 일정한 위상차가 발생한다.

따라서, 단말(520)이 동일한 위상의 신호들을 수신할 수 있도록, 4개의 안테나(510-1, 510-2, 510-3, 510-4)간의 간격 d와, 방사각 θ를 고려한 새로운 빔 포밍 행렬(beam forming matrix)을 미리 전송심벌(transmit symbol)에 곱하여 전송하는 방법이 고려될 수 있다. 예를 들어, 각 안테나의 신호를 일정한 위상만큼 뒤쳐지게함(lagging)으로써, 단말(520)에 도달할 때 발생하는 위상 앞섬 현상을 제거할 수 있다. 이 경우, 빔 포밍 행렬 V는 다음의 수학식 1과 같다.

수학식 1을 참조하면, 빔 포밍 행렬 V내에서 1인 요소(element)는 해당 신호를 그대로 전송하는 요소이고, e^- ^jdsin ^θ인 요소는 해당 신호의 위상을 dsingθ만큼 늦추는 요소이다. 상기 빔 포밍 행렬 V를 이용하면, 각 안테나의 신호간에 발생하는 위상차를 제거할 수 있다.

물론, 이는 어느 신호를 기준으로 하느냐에 따라 위상 앞섬이 될 수도 있고, 위상 뒤짐(phase lagging)이 될 수도 있다. 신호의 위상이 상대적으로 뒤지는 경우, 뒤지는 위상의 신호를 일정 위상만큼 더할 수 있으며, 이때 상기 빔 포밍 행렬 V는 다른 형태를 띄게 된다.

이와 같이, 섹터 간 협조적 송수신(intra-cell CoMP) 방식에 대하여, 수학식 1에 따른 빔 포밍 행렬을 이용하는 경우, 안테나의 개수가 상대적으로 적으므로, 섹터의 경계 부근에서의 빔 폭이 상대적으로 넓게 퍼진다. 이는 섹터단위로 구분된 셀에서, 섹터간의 간섭을 증가시키고 전력손실을 일으키는 문제가 있다. 따라서, 빔 폭을 세밀하게 하기 위해, 전술된 바와 같이 안테나의 개수를 증가시킬 수 있으나, 이는 또 다른 문제점이 있다. 이는 도 6과 도 7의 시뮬레이션 결과에서 설명된다. 이하에서 AoD란 방사각을 의미한다.

도 6은 선형배열된 4개의 송신 안테나를 이용한 빔 포밍시 실제 신호의 전파 패턴을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 6을 참조하면, x축은 빔 폭(beam width)이고, y축은 신호의 세기(dB)이다. 이 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 방사각이 0°, 45°, 60°인 경우의 신호의 빔 폭은 점점 커진다. 이는 방사각에 따라서, 빔 폭에 차이가 있음을 의미한다. 대체적으로 각 방사각에 따른 빔 폭은 넓은 편이며, 방사각마다 빔 폭의 크기도 일정치 않다. 빔 폭의 크기가 넓고, 일정치 않다는 것은 그 만큼 간섭의 확률이 높음을 나타낸다.

도 7은 8개의 선형배열된 안테나를 이용한 빔 포밍시 실제 신호의 전파 패턴을 나타내는 시뮬레이션 결과이다.

도 7을 참조하면, x축은 빔 폭이고, y축은 신호의 세기이다. 이 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이, 도 6과 비교하여, 방사각이 0°, 45°, 60°인 경우의 신호의 빔 폭은 대체로 세밀한 편이다.

0°부근의 작은 방사각을 요구하는 단말에 신호를 전송시 신호는 대단히 높은 레솔루션을 가지고 전파된다. 무선통신에서 신호는 언제나 각도퍼짐(angular spread)을 가지고 전파되는데, 프리코딩(precoding)에 의한 빔 폭이 각도퍼짐에 비하여 좁을 경우 전송 전력의 일부를 단말에 전달할 수 없어 전력 손실이 발생한다. 즉, 선형배열에서 안테나의 수가 많으면 많을수록 간섭이 제거되는 대신, 각도퍼짐 환경에서 전력 손실이 발생하게 된다.

따라서, 방사각에 관계없이 일정한 빔 폭을 지원하여 각도퍼짐에 의한 전력손실을 막고, 큰 방사각에서의 음영지역 발생을 해결하는 안테나 배열 및 빔 포밍 행렬이 필요하다.

도 8은 본 발명의 일 예에 따른 다중 안테나를 구비한 송신장치를 나타내는 블록도이다.

도 8을 참조하면, 송신장치(800)는 변조부(modulator, 805), 프리코딩부(precoding unit, 810), 전송처리부(815), 복수의 송신 안테나(820-1, 820-2,..., 820-N, 820-(N+1),..., 820-2N) 및 프리코딩 행렬 구성부(825)를 포함한다.

변조부(805)는 의미있는 정보를 담고있는 정보비트(information bit)를 성상맵핑(constellation mapping)하여, 변조심벌(modulation symbol)을 생성한다. 정보비트는 수신장치로 보낼 사용자 정보를 포함한다. 또한, 정보비트는 사용자 평면의 정보의 전송 또는 무선자원 할당과 관련된 제어정보를 포함할 수 있다. 성상맵핑이란, 적어도 하나의 비트를 복소평면상의 하나의 성상점에 맵핑하는 것을 의미한다. 예를 들어, BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조에서는 1비트가 1 또는 -1에 맵핑되고, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조에서는 2비트가 1, j, -1, -j에 맵핑된다. 변조는 상기 BPSK, QPSK외에도, 8PSK, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)등이 있다.

프리코딩부(810)는 프리코딩 행렬 구성부(825)에 의해 구성되는 프리코딩 행렬(precoding matrix)을 상기 변조심벌에 곱하여 프리코딩된 심벌(precoded symbol)을 생성한다. 프리코딩 행렬은 빔포밍 벡터(beamforming vector)라 불릴 수도 있다. 프리코딩된 심벌은 다음의 수학식 2와 같은 방식으로 생성될 수 있다.

여기서, x는 변조심벌이고, V는 2N×1의 프리코딩 행렬이며, S는 프리코딩된 심벌이다. 프리코딩 행렬 V는 2N개의 요소(element)로 구성된다. 또한, 프리코딩 행렬 V의 각 요소는 복수의 송신 안테나(820-1, 820-2,..., 820-N, 820-(N+1),..., 820-2N)의 배열에 따라 특정한 패턴의 위상을 가진다.

전송처리부(815)는 프리코딩된 심벌에 대해 OFDM 변조 방식 또는 SC-FDMA 변조 방식을 이용하여 전송심벌(transmission symbom)을 생성한다. 전송심벌은 OFDM 심벌 또는 SC-FDMA 심벌일 수 있다. 전송처리부(815)는 상기 프리코딩된 심벌에 대해 주파수 영역에서의 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하고, 다시 이에 대해 시간영역에서의 IFFT(Inverse FFT)를 수행하여, OFDM 심벌을 생성한다. 또는, 전송처리부(815)는 상기 프리코딩된 심벌에 대해 주파수 영역에서의 DFT(Descrete Fourier Transform)를 수행하고, 다시 이에 대해 시간영역에서의 IFFT를 수행하여, SC-FDMA 심벌을 생성한다.

복수의 송신 안테나(820-1, 820-2,..., 820-N, 820-(N+1),..., 820-2N)는 상기 전송심벌을 수신장치로 전송한다. 여기서, 복수의 송신 안테나(820-1, 820-2,..., 820-N, 820-(N+1),..., 820-2N)는 배열패턴(array pattern)에 따라 몇 개의 안테나 그룹(group)으로 나뉠 수 있다. 예를 들어, 복수의 송신 안테나(820-1, 820-2,..., 820-N, 820-(N+1),..., 820-2N)는 2개의 안테나 그룹으로 나뉜다. 이와 관하여는 도 9에서 보다 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 예에 따른 2개의 안테나 그룹에 따른 송신 안테나의 배열을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해, N=4라고 가정한다.

도 9를 참조하면, 제1 안테나 그룹은 송신 안테나들(915-1, 915-2, 915-3, 915-4)로 구성되고, 제2 안테나 그룹은 송신 안테나들(915-5, 915-6, 915-7, 915-8)로 구성된다. 이러한 송신 안테나의 배열을 2×4 선형배열 또는 2차원(2D)배열 또는 평면배열이라 한다.

제1 안테나 그룹의 송신 안테나들(915-1, 915-2, 915-3, 915-4)은 제1 방향(direction)을 따라 제1 간격 d₁마다 하나씩 배열되고, 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들(915-5, 915-6, 915-7, 915-8)은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격 d₁마다 하나씩 배열된다. 이 때, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치한다. 또한, 상기 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들(915-1, 915-2, 915-3, 915-4)과, 상기 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들(915-5, 915-6, 915-7, 915-8)간의 거리 d₂는 일정하다. 각 안테나 그룹이 형성하는 빔의 방사각은 동일 평면상에서 이론상 -90°~ 0°~ 90°이다.

도 9에서는 N=4이고, 2개의 안테나 그룹만을 예시로 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 N>4인 경우뿐만 아니라, 2개 이상의 안테나 그룹에도 적용될 수 있음은 물론이다.

다시 도 8을 참조하면, 프리코딩 행렬 구성부(825)는 복수의 송신 안테나의 배열을 참조하여, 상기 변조심벌에 대한 프리코딩에 사용할 프리코딩 행렬을 구성한다. 프리코딩 행렬의 구성이란 프리코딩 행렬의 각 요소(element)를 결정하는 과정을 의미한다. 보다 상세하게는, 프리코딩 행렬의 구성이란, 상기 각 요소의 위상성분을 조정하는 과정을 의미한다. 프리코딩 행렬 구성부(825)는 상기 제1 안테나 그룹(820-1, 820-2,..., 820-N)과 상기 제2 안테나 그룹(820-(N+1),..., 820-2N)이 특정 단말에 대해 동일 평면상에서 동일한 위상의 신호를 전송하도록 프리코딩 행렬 V의 각 요소를 결정할 수 있다. 설명의 편의를 위해, 도 10에서는 도 8에서와 같은 안테나 그룹의 배열에서 신호가 전송되는 경우, 프리코딩 행렬 구성부(825)가 프리코딩 행렬 V의 각 요소를 구성하는 방법을 보여준다.

도 10을 참조하면, 제1 안테나 그룹과 제2 안테나 그룹에 속하는 모든 송신 안테나가 동일한 신호 x를 전송한다고 가정한다. 단말이 관찰하는 신호 x의 위상은, 신호 x가 어느 송신 안테나를 통해 전송되는지에 따라 달라진다. 이하에서, 동일한 신호 x가 제k 송신 안테나로 전송될 때 위상 p_k만큼 변경되어 단말에 도달하는 신호를 x_k이라 한다.

제1 안테나 그룹의 각 송신 안테나가 전송하는 신호는 x₁, x₂, x₃, x₄이다. x₄를 기준으로 x₁, x₂, x₃의 위상은 각각 3d₁sinθ, 2d₁sinθ, d₁sinθ만큼 뒤쳐진다(lagging). 여기서, θ는 송신 안테나에서 단말로 전송되는 신호가 상기 송신 안테나와 이루는 각도인 방사각이다.

한편, 제2 안테나 그룹의 각 송신 안테나가 전송하는 신호는 x₅, x₆, x₇, x₈이다. x₄를 기준으로 x₅, x₆, x₇, x₈의 위상은 각각 d₂cosθ, d₂cosθ-d₁sinθ, d₂cosθ-2d₁sinθ, d₂cosθ-3d₁sinθ만큼 뒤쳐진다.

즉, 제2 안테나 그룹이 제1 안테나 그룹으로부터 일정한 거리 d만큼 떨어짐으로 인하여, 제2 안테나 그룹의 신호에는 위상차 d₂cosθ가 추가적으로 발생한다. 동일한 안테나 그룹내의 송신 안테나간의 위상차는 sin 성분이 지배적(dominant)이나, 서로 다른 안테나 그룹간의 위상차는 cos 성분이 추가적으로 작용함을 알 수 있다.

단말은 신호 x를 수신하여야 하는데, 실제로 단말이 수신하는 신호는 서로 다른 위상의 신호들인 x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆, x₇, x₈이다. 만약, 신호간의 위상차가 180°가 되면, 서로 상쇄되어 0이 된다. 이 경우 기지국이 신호를 전송하여도 단말은 신호를 검출할 수 없다. 따라서, 이러한 문제를 방지하기 위하여 위상차를 적절히 보상해 주어야 한다. 즉, 동일한 그룹내에서의 송신 안테나간의 신호 위상차, 그리고 서로 다른 그룹간의 송신 안테나간의 신호 위상차가 보상되어야 한다. 이는 수학식 3과 같이 프리코딩 행렬 V의 각 요소에 위상성분(phase component)을 추가함으로서 해결될 수 있다.

수학식 3을 참조하면, 상기 프리코딩 행렬의 각 요소의 위상성분은 방사각 θ, 동일 안테나 그룹내의 송신 안테나간의 거리 d₁ 및 서로 다른 안테나 그룹간의 거리 d₂의 함수이다. 따라서, 프리코딩 행렬 구성부(825)는 송신 안테나의 거리에 관한 정보 및 방사각에 관한 정보를 미리 알고 있거나, 입력을 받아야 한다. 한편, 상기 프리코딩 행렬 V는 각 안테나 그룹이 형성하는 빔의 방사각은 동일 평면상에서 수평성분으로 정의되고, 그 범위는 -60°~ 0°~ +60°인 것으로 가정한다. 만약, 빔의 방사각의 수직성분까지 고려하면, 프리코딩 행렬 V는 수직성분의 각도 τ까지 고려하여 구성되어야 하며, 이에 관하여는 후술된다.

프리코딩 행렬 V의 각 요소는 각각 하나의 송신 안테나에 대응한다. 1행의 요소는 1이므로, 이는 제1 송신 안테나를 통해 전송되는 신호 x₁에는 별도의 위상보정을 하지 않음을 의미한다. 한편, 2행의 요소는 e^- ^jd1sin ^θ이다. 즉, 프리코딩 행렬 구성부(825)는 원래 x₂에 -d₁sinθ만큼의 위상보정을 적용한다. 이로써, 프리코딩을 거친 신호 x₂가 단말에 도달할 때의 위상은 x₁과 동일해진다. 또한, 6행의 요소는 e^d2cos ^θ- ^jd1sin ^θ 이다. 즉, 프리코딩 행렬 구성부(825)는 원래 x₆에 d₂cosθ-jd₁sinθ만큼의 위상보정을 적용한다. 이로써, 프리코딩을 거친 신호 x₆이 단말에 도달할 때의 위상은 x₁과 동일해진다. 이와 같은 방식에 의해, 각 신호 x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆, x₇, x₈는 단말의 입장에서 동일한 위상을 가진 신호로 여겨질 수 있다.

상기 수학식 3에서는 신호 x₁보다 나머지 신호들의 위상이 앞서므로, 나머지 신호들의 위상을 위상 뒤쳐지게 하는 방식으로 프리코딩 행렬을 구성하였다. 그러나, 다른 신호(예를 들어, 신호 x₄)를 기준으로 할 때에는, 나머지 신호들의 위상을 앞서게 하는 방식으로 프리코딩 행렬을 구성하여야 한다. 이와 같이 어느 신호를 기준으로 위상을 결정하느냐에 따라 프리코딩 행렬의 각 요소가 위상 앞섬이 될 수도 있고, 위상 뒤짐(phase lagging)이 될 수도 있다.

이와 같이 복수의 송신 안테나의 배열상태와, 각 송신 안테나의 위상을 보정하는 수학식 3의 프리코딩 행렬 V를 이용하면, 상기 복수의 송신 안테나에서 형성되는 빔 폭(beam width)을 전체 방사각에 걸쳐서 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들어, d₁과 d₂를 일정 임계값 a보다 작도록 송신 안테나를 배열하면, 빔 폭은 일정 각도보다 작은 수준으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 특정 단말에 대해 형성되는 빔은 다른 셀 또는 섹터로부터의 신호의 간섭을 일으키지 않고, 전력의 손실도 줄일 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 예에 따른 수신장치를 나타내는 블록도이다.

도 11을 참조하면, 수신장치(1100)는 복수의 수신 안테나(1105-1,..., 1105-M), 수신처리부(1110), 디프리코딩부(de-precoding unit, 1115) 및 복조부(demodulator, 1120)를 포함한다.

복수의 수신 안테나(1105-1,..., 1105-M)는 송신장치로부터 무선신호를 수신한다. 상기 무선신호는 전송심벌을 포함하고, 상기 전송심벌은 OFDM 심벌 또는 SC-FDMA 심벌일 수 있다. 복수의 송신 안테나가 빔포밍에 의해 상기 무선신호를 전송하는 경우, 상기 무선신호는 복수의 신호로 구성되고, 상기 복수의 신호는 각각 위상조정에 의해 수신장치(1100)의 관점에서 동일한 위상을 가진다.

수신처리부(1110)는 상기 전송심벌에 대해 OFDM 복조 또는 SC-FDMA 복조를 수행하여, 프리코딩된 심벌을 추출한다. OFDM 복조는, 상기 전송심벌에 대해 IFFT 및 FFT를 수행하여 얻어진다. SC-FDMA 복조는, 상기 전송심벌에 대해 IFFT 및 DFT를 수행하여 얻어진다.

디프리코딩부(1115)는 상기 프리코딩된 심벌에 대해, 프리코딩 역행렬을 곱하여, 변조심벌을 추출한다.

복조부(1120)는 상기 변조심벌에 대해 복조를 수행하여, 정보비트를 추출한다.

상기의 일련의 과정에 의해, 수신장치(1100)는 복수의 송신 안테나로부터 동일한 위상의 신호를 수신할 수 있다.

본 발명에 따른 송신 안테나의 2D 배열과, 상기 2D 배열 구조를 고려하는 프리코딩 행렬은 특히 협력형 다중점 송수신 시스템에서 더 큰 효과를 발휘할 수 있다. 협력형 다중점 송수신 시스템에서, 셀 경계에 위치한 단말은 양 셀에서 빔을 수신한다. 이 때 상기 빔의 폭이 불필요하게 넓을 경우, 상기 빔을 수신할 필요가 없는 다른 단말은 상기 빔에 의한 간섭을 받는다. 이는 하나의 셀이 섹터로 구분되고, 섹터 경계에 있는 단말에 대해 양 섹터에서 빔을 전송하는 경우에도 동일하게 적용된다. 그런데, 본 발명에 따를 때, 복수의 송신 안테나가 송신하는 빔은, 방사각이 60°인 경우와 방사각이 0°인 경우에 있어서 빔의 폭이 거의 차이가 없다.

이와 같이 빔의 폭이 방사각의 크기에 따라 큰 차이가 없는 이유는, 프리코딩 행렬 V에 속하는 각 요소의 위상성분이 sin성분과 cos성분으로 이루어져 있기 때문이다. 방사각 θ가 커지면 sin성분의 변화는 상대적으로 미약하고, cos성분의 변화가 두드러진다. 반면, 방사각 θ가 작아지면 cos성분의 변화는 상대적으로 미약하고, sin성분의 변화가 두드러진다. 이러한 원리에 의해 빔의 폭이 방사각에 관계없이 일정하게 유지될 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 예에 따른 복수의 송신 안테나를 이용한 기지국의 신호 전송방법을 설명하는 순서도이다.

도 12를 참조하면, 기지국은 정보비트를 변조하여 변조심벌을 생성한다(S1200). 기지국은 상기 변조심벌에 대한 프리코딩에 사용할 프리코딩 행렬을 구성한다(S1205). 상기 프리코딩 행렬의 크기는 송신 안테나의 개수에 의존적으로 결정된다. 예를 들어, 송신 안테나의 개수가 N이면, 상기 프리코딩 행렬의 크기는 N×M이다. 여기서, M은 프리코딩 행렬에 입력되는 계층(layer)의 개수 또는 랭크(rank)의 개수일 수 있다. 프리코딩 행렬을 구성하는 각 요소는 복수의 송신 안테나에서 단말로 방사되는 각 신호의 위상이 상기 단말의 관점에서 동일하도록 조정하는 위상성분(phase component)을 포함한다. 상기 위상성분은 기지국에 구비된 복수의 송신 안테나의 배열에 기초하여 결정된다. 따라서, 상기 프리코딩 행렬이 N×1이면, 서로 다른 위상성분을 가지는 N개의 프리코딩된 심벌이 생성된다.

기지국은 상기 변조심벌에 상기 구성된 프리코딩 행렬을 곱하여 프리코딩된 심벌을 생성한다(S1210).

기지국은 상기 프리코딩된 심벌을 OFDM 변조 또는 SC-FDMA 변조 처리하여 전송심벌을 생성한다(S1215). 상기 전송심벌은 OFDM 심벌 또는 SC-FDMA 심벌일 수 있다. 상기 프리코딩된 심벌이 N개이면, 상기 전송심벌도 N개가 생성되며, 이들은 각각 N개의 송신 안테나를 통해 전송된다.

기지국은 상기 전송심벌을 복수의 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송한다(S1220). 상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉜다. 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제1 방향을 따라 제1 간격마다 하나씩 배열되고, 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격마다 하나씩 배열된다. 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치한다. 상기 복수의 송신 안테나에서 방사되는 신호가 상기 단말과 이루는 각도를 방사각이라 하며, 상기 방사각에 따라 상기 위상성분이 결정되고, 상기 위상성분은 다시 상기 프리코딩 행렬의 요소를 결정한다. 이에 따라, 상기 프리코딩 행렬은 상기 전송심벌의 위상을 보정한다.

도 13은 본 발명에 따른 다중 안테나를 이용한 빔 포밍 방법의 일 예를 나타내는 개념도이다. 이는 셀내 협조적 전송방식에 따른 빔 포밍 방법이다.

도 13을 참조하면, 셀(1300)은 제1 섹터(sector 1), 제2 섹터(sector 2), 제3 섹터(sector 3)으로 구분된다. 단말(1305)은 제1 섹터의 경계 부근에 위치하고, 제1 섹터와 제3 섹터로부터 셀내 협조적 전송방식에 따라 신호를 수신한다. 제1 섹터의 송신 안테나로부터 형성되는 제1 빔(bean 1)과 제3 섹터의 송신 안테나로부터 형성되는 제2 빔(beam 2)은 모두 단말(1305)을 향한다.

여기서, 제1 빔과 제2 빔은 각 섹터의 송신 안테나와 60°이상에 이르는 방사각을 형성한다. 그럼에도 불구하고, 빔의 폭이 넓어지지 않고 일정하게 유지되어 전력손실이 발생하지 않고, 송신전력의 대부분이 그대로 단말에 전달된다. 또한, 섹터의 경계부근에서 간섭에 의한 음영지역이 발생하는 문제도 해결된다.

여기서, 방사각은 각 섹터의 제1 안테나 그룹과 제2 안테나 그룹과 동일 평면상에서 형성된다. 그러나, 송신 안테나는 단말에 비해 높은 고도에 위치하는 것이 일반적이다. 따라서 실제로는 송신 안테나로부터 형성되는 빔의 방사각은 상기 동일 평면상에서의 각도인 수평성분 θ뿐만 아니라, 수직성분 τ도 포함한다. 다만, 단말은 송신 안테나로부터 멀리 떨어져 있다고 가정할 때, 상기 수직성분 τ는 거의 0°에 가까울 것이므로, 단말은 상기 동일 평면상에 위치하는 것으로 볼 수 있으며, 상기에서 설명된 프리코딩 행렬은 상기 수직성분 τ≒0으로 가정한 경우이다. 보다 세밀한 위상조정을 위해 방사각의 수직성분을 고려하는 경우, 송신 안테나의 빔은 도 14와 같이 형성된다.

도 14는 본 발명의 다른 예에 따른 2개의 안테나 그룹에 따른 송신 안테나의 배열을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해, N=4라고 가정한다.

도 14를 참조하면, 단말(1420)과 2D 배열된 송신 안테나(1415-1, 1415-2,..., 1415-8)가 이루는 방사각의 수직성분 τ에 의해, 프리코딩 행렬의 위상성분은 아래와 같은 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

수직성분 τ는 2D 배열된 송신 안테나(1415-1, 1415-2,..., 1415-8) 각각으로부터 전송되는 신호간의 위상차를 보정하기 위한 오프셋(offset) 파라미터이며, 단말(1420)별로 달리 설정된다.

그러나, 전술된 바와 같이, 단말(1420)과 2D 배열된 송신 안테나(1415-1, 1415-2,..., 1415-8)간의 거리가 매우 큰 경우에는 수직성분 τ는 무시할 정도로 작다. 따라서, 대부분의 경우 수직성분 τ≒0이므로, 결국 프리코딩 행렬은 수학식 3과 같이 주어질 가능성이 크다.

도 15는 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 일 예이다. 이는 방사각의 수평성분만을 고려한 경우로서, θ=0°인 경우이다. x축은 빔 폭(beam width)이고, y축은 신호의 최대 크기를 1이라 고정하고 상대적인 이득을 도식한 것이다.

도 15를 참조하면, 8개의 선형배열된 송신 안테나를 사용하는 경우, 빔 폭이 가장 좁아 레솔루션이 높다. 반면, 4개의 선형배열된 송신안테나와 2D 배열된 송신 안테나의 빔 폭은 거의 동일하다.

도 16은 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 다른 예이다. 이는 방사각의 수평성분만을 고려한 경우로서, θ=45°인 경우이다. x축은 빔 폭이고, y축은 신호의 최대 크기를 1이라 고정하고 상대적인 이득을 도식한 것이다.

도 16을 참조하면, 8개의 선형배열된 송신 안테나를 사용하는 경우, 여전히 빔 폭이 가장 좁아 레솔루션이 높다. 2D 배열된 송신 안테나의 빔 폭은 8개의 선형배열된 송신 안테나를 사용하는 경우보다는 크고, 4개의 선형배열된 송신안테나를 사용하는 경우보다는 작다. 또한 4개의 선형배열된 송신 안테나가 AoD 증가 방향으로 빔 퍼짐 현상을 보이는 데 비하여 2D 배열된 송신 안테나는 안정적인 빔 형태를 유지한다.

도 17은 여러가지 송신 안테나 배열에 의한 빔 형성을 비교하는 시뮬레이션 결과의 또 다른 예이다. 이는 방사각의 수평성분만을 고려한 경우로서, θ=60°인 경우이다. x축은 빔 폭이고, y축은 신호의 세기를 최대 크기를 1이라 고정하고 상대적인 이득을 도식한 것이다.

도 17을 참조하면, 4개의 선형배열된 송신안테나를 사용하는 경우 빔의 폭은 매우 크다. 한편, 2D 배열된 송신 안테나의 빔 폭은 8개의 선형배열된 송신 안테나를 사용하는 경우와 거의 유사하다.

도 15 내지 도 17의 시뮬레이션 결과를 분석하면, 방사각의 변화에 따라 2D 배열된 송신 안테나의 빔 폭은 대체로 -20°~ +20°범위로 거의 일정하다. 이는 전술된 바와 같이 프리코딩 행렬의 각 요소에 포함된 위상성분이 cos성분과 sin성분으로 구성되어 있기 때문이다. 방사각의 변화에 따라 cos성분과 sin성분이 번갈아가며 지배적이 되어서, 빔 폭을 유지시켜준다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

Claims

정보비트(information bit)를 성상맵핑(constellation mapping)하여 변조심벌(modulation symbol)을 생성하는 변조부;
상기 변조심벌에 프리코딩 행렬(precoding matrix)을 곱하여 프리코딩된 심벌(precoded symbol)을 생성하는 프리코딩부; 및
상기 프리코딩된 심벌을 전송하는 복수의 송신 안테나를 포함하되,
상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉘고, 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제1 방향을 따라 제1 간격마다 하나씩 배열되고, 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격마다 하나씩 배열되며, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치함을 특징으로 하는, 전송장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 안테나 그룹과 상기 제2 안테나 그룹은 제2 간격만큼 이격됨을 특징으로 하는, 전송장치.
제 2 항에 있어서,
특정 단말이 동일 평면상의 동일한 위상의 신호를 수신하도록, 상기 프리코딩 행렬의 각 요소(element)를 조정하는 프리코딩 행렬 구성부를 더 포함함을 특징으로 하는, 전송장치.
제 3 항에 있어서,
상기 각 요소는 복수의 송신 안테나에 맵핑되고, 상기 변조심벌의 위상을 결정하는 위상성분을 포함함을 특징으로 하는, 전송장치.
제 4 항에 있어서,
상기 위상성분은 상기 복수의 송신 안테나에서 상기 특정 단말로 전송되는 신호와 상기 복수의 송신 안테나간의 각도인 방사각의 함수임을 특징으로 하는, 전송장치.
제 4 항에 있어서,
상기 위상성분은 상기 제2 간격의 함수임을 특징으로 하는, 전송장치.
제 3 항에 있어서,
상기 프리코딩 행렬 구성부는 상기 프리코딩 행렬을 아래의 수학식과 같이 구성함을 특징으로 하는, 전송장치.

여기서, 상기 제1 및 제2 안테나 그룹은 각각 4개의 송신 안테나를 포함하고, d₁은 상기 제1 간격이며, d₂는 상기 제2 간격이고, θ는 방사각이며, 상기 프리코딩 행렬의 제1 행 내지 제4 행은 상기 제1 안테나 그룹에 맵핑되고, 제5 행 내지 제8 행은 상기 제2 안테나 그룹에 맵핑됨.
다중 안테나 시스템에서의 단말에 있어서,
기지국으로부터 프리코딩 행렬을 기초로 프리코딩된 심벌을 수신하는 수신 안테나;
상기 프리코딩된 심벌에 프리코딩 역행렬을 곱하여 변조심벌을 생성하는 디프리코딩부; 및
상기 변조심벌을 복조하여 정보비트를 생성하는 복조부를 포함하되,
상기 프리코딩 행렬은 상기 단말이 동일 평면상의 동일한 위상의 신호를 수신하도록, 각 요소가 결정됨을 특징으로 하는, 단말.
정보비트를 성상맵핑하여 변조심벌을 생성하는 단계;
상기 변조심벌에 프리코딩 행렬을 곱하여 프리코딩된 심벌을 생성하는 단계; 및
복수의 송신 안테나를 이용하여 상기 프리코딩된 심벌을 단말로 전송하는 단계를 포함하되,
상기 복수의 송신 안테나는 2개의 안테나 그룹으로 나뉘고, 제1 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제1 방향을 따라 제1 간격마다 하나씩 배열되고, 제2 안테나 그룹의 송신 안테나들은 제2 방향을 따라 상기 제1 간격마다 하나씩 배열되며, 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 평행하고 동일 평면상에 위치함을 특징으로 하는, 전송방법.
제 9 항에 있어서,
상기 프리코딩 행렬은 상기 복수의 송신 안테나의 수와 동일한 수의 요소들를 포함하고, 상기 요소들은 상기 복수의 송신 안테나에 각각 맵핑되며, 상기 요소들은 상기 변조심벌의 위상을 결정하는 위상성분을 포함함을 특징으로 하는, 전송방법.
제 10 항에 있어서,
상기 위상성분은 상기 단말이 동일 평면상의 동일한 위상의 신호를 수신하도록, 상기 요소들의 위상을 결정함을 특징으로 하는, 전송방법.
다중 안테나 시스템에서의 신호의 수신방법에 있어서,
기지국으로부터 프리코딩 행렬을 기초로 프리코딩된 심벌을 수신하는 단계;
상기 프리코딩된 심벌에 프리코딩 역행렬을 곱하여 변조심벌을 생성하는 단계; 및
상기 변조심벌을 복조하여 정보비트를 생성하는 단계를 포함하되,
상기 프리코딩 행렬은 상기 단말이 동일 평면상의 동일한 위상의 신호를 수신하도록, 각 요소가 결정됨을 특징으로 하는, 수신방법.