KR20050106658A - A smart antenna system for forming an eigenbeam of downlink for base station in ofdm/tdd systems, and a method thereof - Google Patents

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KR20050106658A
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base station
channel
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김성락
최인경
권동승
황승구
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한국전자통신연구원
삼성전자주식회사
주식회사 케이티
주식회사 케이티프리텔
에스케이 텔레콤주식회사
하나로텔레콤 주식회사
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Abstract

본 발명은 모든 부반송파가 공간 공분산을 갖는 OFDM 시스템 및 채널 가역성을 갖는 TDD 시스템에 있어서, OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, OFDM 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성(reciprocity)을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 한 사용자를 위하여 할당된 상향 링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유 빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 궤환 없이 직접 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 필요한 하향링크의 순시 공간 공분산을 상향 링크의 부반송파의 순시 공간 공분산의 보간(interpolation)을 이용하여 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 최적 고유빔의 선택이 부정확하여 랜덤하게 발생하는 에러는 수신기 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 복구할 수 있다.The present invention relates to an OFDM system having a spatial covariance and a TDD system having channel reversibility, and a smart antenna system and a method for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme. According to the present invention, the complexity of the communication system can be reduced by using the fact that all subcarriers of the OFDM system have the same spatial covariance and that the TDD system has channel reciprocity. In addition, according to the present invention, a spatial covariance matrix for eigenbeam formation can be directly obtained without feedback using pilots of all subcarriers of the uplink allocated for a user. In addition, according to the present invention, necessary instantaneous spatial covariance of downlink can be obtained by using interpolation of instantaneous spatial covariance of uplink subcarriers. In addition, according to the present invention, an error that occurs randomly due to incorrect selection of an optimal eigenbeam can be mostly recovered by a channel decoder at the rear of the receiver.

Description

OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법 {A smart antenna system for forming an eigenbeam of downlink for base station in OFDM/TDD systems, and a method thereof}Smart antenna system and method for forming an eigenbeam of downlink for base station in OFDM / TDD systems, and a method

본 발명은 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 모든 부반송파가 공간 공분산(spatial covariance)을 갖는 직교주파수 분할 다중화(OFDM) 시스템과 채널 가역성(reciprocity)을 갖는 시분할 다중화(TDD) 시스템에 있어서, OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a smart antenna system and a method for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme, more specifically, an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system in which all subcarriers have a spatial covariance In a time division multiplexing (TDD) system having over-channel reciprocity, the present invention relates to a smart antenna system and a method for forming a downlink unique beam for OFDM / TDD scheme.

언제, 어디서나, 어떤 종류의 데이터라도 원하는 상대방과의 송수신을 가능하게 해주는 이동통신 시스템을 완벽하게 구현하기 위해서, 전세계적으로 통일된 단일 표준안으로 동작하고, 현재의 이동 통신 시스템보다 훨씬 높은 수준의 서비스를 제공하는 차세대(3rd Generation) 이동통신 시스템이 상용화되고 있다.To fully implement a mobile communication system that allows any type of data to send and receive with the desired party anytime, anywhere, operates under a single, globally standardized standard, and is a much higher level of service than current mobile communication systems. Next generation (3rd Generation) mobile communication systems that provide a commercially available.

이러한 차세대 이동통신 시스템은 현재 서비스 중인 음성신호뿐 아니라, 영상 및 기타 데이터를 높은 신뢰도로 송수신하게 된다. 또한, 서비스가 다양해짐에 따라 송수신 데이터의 대역폭은 현재보다 훨씬 넓은 밴드를 차지하게 되며, 또한 이동 통신망 자체의 수요도 더욱 증가할 것으로 예상된다.The next generation mobile communication system transmits and receives images and other data with high reliability as well as voice signals currently in service. In addition, as services are diversified, the bandwidth of transmission and reception data occupies a much wider band than the present, and the demand of the mobile communication network itself is expected to increase further.

따라서 차세대 이동통신 시스템의 가장 중요한 기술적 과제는 가능한 좁은 대역폭을 사용하여 보다 많은 데이터를 신뢰성 있게 전송하는 기술을 제시할 수 있어야 한다.Therefore, the most important technical challenge of the next generation mobile communication system should be to present a technique for transmitting more data reliably using the narrowest bandwidth possible.

그렇지만, 사용 대역폭의 축소와 신뢰도의 증대는 동시에 달성할 수 없으므로 지금까지 제시된 기존의 기술로는 차세대 이동통신에서 대두될 용량 및 신뢰도 문제를 해결할 수 없었다.However, the reduction of bandwidth used and the increase of reliability cannot be achieved at the same time, so the existing technologies proposed to date cannot solve the capacity and reliability problems that will arise in the next generation of mobile communication.

최근 수년간 안테나의 빔 패턴을 조정하여 간섭과 잡음을 억제함으로써, 통신 시스템에서의 용량 증대와 신뢰도 향상을 동시에 달성하는 새로운 기술이 활발히 연구 중이다. 소위, 스마트 안테나 기술이라고 불려지는 이 기술은 차세대 이동통신 시스템의 핵심기술로 부각되고 있다.In recent years, new technologies are being actively researched to adjust the beam pattern of the antenna to suppress interference and noise, thereby simultaneously increasing capacity and improving reliability in a communication system. The so-called smart antenna technology is emerging as a core technology of the next generation mobile communication system.

이러한 스마트 안테나 기술은 기지국이 무선통신 단말기 가입자에게 최적의 빔을 설정해줌으로써, 전파 간섭을 줄여 통신 용량을 증대시키고, 통신 품질을 향상시켜주는 기술이라고 할 수 있다.Such a smart antenna technology can be said that the base station sets the optimal beam to the subscribers of the wireless communication terminal, thereby reducing the radio interference to increase the communication capacity and improve the communication quality.

예를 들어, 기지국에 설치된 스마트 안테나 시스템은 1) 사무실과 같은 고정된 목표, 2) 개인 및 인공위성과 같은 저속 이동 중인 목표, 및 3) 차량 및 열차 등과 같은 고속 이동 중인 목표들의 각각의 스피드에 적응적으로 대처하여 최적의 빔 패턴을 계속적으로 제공하여, 상기 목표물 방향으로는 최대의 이득을 제공하고, 여타의 방향으로는 상대적으로 훨씬 작은 이득을 줌으로써, 그만큼 간섭을 억제하는 효과를 내게 된다. 즉, 이러한 스마트 안테나 시스템은 이동통신 시스템의 용량을 증대시키고 및 통신의 신뢰도를 향상시키게 된다.For example, a smart antenna system installed in a base station may adapt to the speed of each of 1) fixed targets such as offices, 2) slow moving targets such as personal and satellite, and 3) fast moving targets such as vehicles and trains. In this way, the optimum beam pattern is continuously provided to provide maximum gain in the direction of the target, and relatively much smaller gain in the other direction, thereby suppressing interference. That is, such a smart antenna system increases the capacity of the mobile communication system and improves the reliability of communication.

따라서 이러한 스마트 안테나 기술은 많은 데이터를 신뢰성 있게 보내야 하는 차세대 통신 방식인 W-CDMA 및 CDMA2000 등에 적용되어야 할 최신 기술이라 할 수 있다.Therefore, such smart antenna technology is the latest technology to be applied to W-CDMA and CDMA2000, which is a next-generation communication method that must reliably transmit a lot of data.

이제까지 대부분의 송신 스마트 안테나는 하향링크를 위한 연구가 대부분이었다. 일반적으로 폐루프(closed-loop) 하향링크 빔 형성 기술을 적용하기 위해서는 기지국이 하향링크의 순시 채널을 미리 알고 있어야 한다.Until now, most transmission smart antennas have been mostly researched for downlink. In general, in order to apply a closed-loop downlink beamforming technique, the base station must know the downlink instantaneous channel in advance.

그런데 주파수 전이중(Frequency Division Duplex: FDD) 모드에서는 상향 및 하향 채널의 주파수 대역이 서로 다르기 때문에, 이동 단말기가 순시 채널정보를 기지국으로 궤환시켜야만 한다. 이때 필요한 많은 궤환 정보량은 폐루프 빔 형성 기술의 장애가 될 수 있다.However, in the frequency division duplex (FDD) mode, since the frequency bands of the upstream and downstream channels are different from each other, the mobile terminal must feed back the instantaneous channel information to the base station. In this case, a large amount of feedback information required may be an obstacle to the closed loop beamforming technique.

종래의 블라인드(blind) 빔 형성 기술은 상향 및 하향링크의 전파환경과 공간적 통계 특성이 유사하다는 가정 하에, 상향 채널을 측정하여 적응적으로 하향링크의 빔을 형성하는 기술이다. 이러한 블라인드 빔 형성 기술은 채널의 가역성을 이용하므로 궤환 정보가 필요하지 않은 반면에, 빔 형성 벡터가 순시 채널의 변이를 따르지 않으므로 다이버시티 이득을 상실하게 된다.The conventional blind beam forming technique is a technique for adaptively forming a downlink beam by measuring an uplink channel under the assumption that spatial propagation environments of uplink and downlink are similar to spatial statistical characteristics. This blind beamforming technique uses the reversibility of the channel and thus does not require feedback information, whereas the beamforming vector loses diversity gain because the beamforming vector does not follow the instantaneous channel variation.

상기 공간 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 하향링크의 순시 채널 정보를 반드시 궤환해야 하는데, 송신 안테나 수가 증가할수록 궤환 정보량은 더 늘어나고, 또한 상기 순시 채널의 변이를 추적하기 위해서는 궤환률도 높아지기 때문에 송신 안테나 수가 많거나 이동체의 이동속도가 높은 경우에는, 전술한 빔 형성 기술을 적용하기에는 상당한 어려움이 있다. 최근 이러한 문제를 완화하기 위한 여러 가지 기술들이 제안되고 있다.In order to obtain the spatial diversity gain, the instantaneous channel information of downlink must be fed back. As the number of transmitting antennas increases, the amount of feedback information increases, and in order to track the instantaneous channel variation, the number of transmitting antennas increases. In the case where the moving speed of the moving object is high, there is considerable difficulty in applying the aforementioned beam forming technique. Recently, various techniques have been proposed to alleviate this problem.

한편, 종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제1999-43679호(1999. 10. 09 출원)에는 "이동통신 시스템에서 송신 안테나 다이버시티 제어 장치 및 방법"이 개시되어 있는데, 폐루프 송신 안테나 다이버시티에서 적응적으로 가중치를 계산하여 송신 안테나 다이버시티를 수행하는 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.On the other hand, as a prior art, Korean Patent Application No. 1999-43679 (October 09, 1999 application) discloses "A transmission antenna diversity control apparatus and method in a mobile communication system", which is a closed loop transmission antenna diversity A control device and method for adaptively calculating weights to perform transmit antenna diversity.

구체적으로, 상기 대한민국 특허출원번호 제1999-43679호의 발명은 최적의 가중치 벡터를 일정 기간동안 지속적으로 추적하고, 즉, 초기 하향채널의 상태를 검출하여 가중치 벡터를 구하고, 다음 하향 채널의 상태를 검출할 때에는 이미 구한 가중치 벡터를 이용하여 좀 더 정확한 가중치 벡터를 구함으로써, 채널의 상태에 따라 송신 안테나 다이버시티에 사용되는 모든 안테나 각각에 가변되는 가중치를 적용하고, 이전의 가중치를 이용해 현재의 가중치를 계산하는 적응형 가중치 계산을 수행하게 된다.Specifically, the invention of Korean Patent Application No. 1999-43679 continuously tracks an optimal weight vector for a certain period of time, that is, obtains a weight vector by detecting a state of an initial downlink channel, and detects a state of a next downlink channel. In this case, a more accurate weight vector is obtained by using the weight vector already obtained, and then a weight variable that is applied to each antenna used for transmit antenna diversity according to the channel state is applied, and the current weight is used by using the previous weight. Adaptive weight calculation is performed.

한편, 종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호(2000. 03. 08 출원)에는 "이동통신 시스템에서 피드백 정보를 이용하는 반맹목적(blind) 방식의 송신 안테나 어레이 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 이러한 송신 안테나 어레이 시스템의 장치 및 방법은 적어도 2개 이상의 안테나 소자와 그에 따른 가중치 벡터를 이용해, 원하는 특정 단말국으로의 적절한 송신빔을 기지국이 형성해줌으로써 가입자 용량을 증대하기 위한 것이다.On the other hand, as a prior art, Korean Patent Application No. 2000-11617 (filed Mar. 08, 2000) entitled "Blind transmission method and method for transmitting antenna array using feedback information in a mobile communication system" The present invention discloses an apparatus and method for transmitting antenna array system for increasing subscriber capacity by forming an appropriate transmission beam to a specific terminal station desired by using at least two antenna elements and corresponding weight vectors. will be.

구체적으로, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호의 발명에 따른 기지국 장치는, 안테나 어레이를 통해 수신되는 역방향 신호를 처리하는 역방향 처리기; 수신되는 역방향 신호에서 순방향 페이딩 정보를 추출하는 순방향 페이딩 정보 인수기; 순방향 페이딩 정보와 수신된 역방향 신호를 이용하여 송신빔 형성을 위한 가중치 벡터를 생성하는 빔 형성 제어기; 및 상기 가중치 벡터에 의해 송신 메시지를 송신빔으로 형성하여, 상기 안테나 어레이에 출력하는 순방향 처리기로 구성된다. 또한, 단말국 장치는 순방향 신호를 수신하여 처리하는 순방향 처리기; 수신된 순방향 신호의 각 경로별 순방향 페이딩 정보들을 추정하는 순방향 페이딩 추정기; 추정된 각 경로별 순방향 페이딩 정보들을 결합하여 부호화하는 순방향 페이딩 부호기; 및 부호화된 순방향 페이딩 정보를 송신 메시지와 함께 다중화하여 상기 기지국으로 궤환하는 역방향 처리기로 구성된다.Specifically, the base station apparatus according to the invention of Korean Patent Application No. 2000-11617, the reverse processor for processing the reverse signal received through the antenna array; A forward fading information acceptor for extracting forward fading information from the received reverse signal; A beamforming controller for generating a weight vector for transmitting beamforming using forward fading information and the received reverse signal; And a forward processor configured to form a transmission message as a transmission beam based on the weight vector, and output the transmission message to the antenna array. In addition, the terminal station apparatus includes a forward processor for receiving and processing the forward signal; A forward fading estimator for estimating forward fading information for each path of the received forward signal; A forward fading encoder for combining and encoding the estimated forward fading information for each path; And a reverse processor for multiplexing the encoded forward fading information with the transmission message and feeding back to the base station.

따라서, 대한민국 특허출원번호 제2000-11617호의 발명은 다중경로를 가지는 이동통신 시스템에서 피드백 지연시간이 작거나 클 경우 단말기의 이동속도에 따라 기본형(예측형) 빔 형성 방법과 맹목적 순방향 빔 형성 방법을 선택하는 혼합형 순방향 빔 형성 방식을 사용함으로써, 순방향 페이딩 정보를 단말기로부터 궤환 받아 보다 신뢰성 있는 송신빔을 형성하여 용량을 증대시키고, 단말기의 송신 전력을 절약할 수 있다.Accordingly, the invention of Korean Patent Application No. 2000-11617 uses a basic (predictive) beam forming method and a blind forward beam forming method according to the moving speed of a terminal when the feedback delay time is small or large in a mobile communication system having a multipath. By using the selected mixed forward beamforming method, the forward fading information is fed back from the terminal to form a more reliable transmission beam, thereby increasing capacity and saving transmission power of the terminal.

한편, 종래 기술로서, 2001년에 간행된 European Trans. Telecomm.지의 제12권의 365 내지 378 페이지에는 "Exploiting the Short-term and Long-term Channel Properties in Space and Time: Eigenbeam forming Concepts for the BS in WCDMA"라는 명칭의 논문이 게재되어 있다.On the other hand, as a prior art, European Trans. Published in 2001. In pages 12 to 378 of Vol. 12 of Telecomm., A paper entitled "Exploiting the Short-term and Long-term Channel Properties in Space and Time: Eigenbeam forming Concepts for the BS in WCDMA" is published.

이 선행 논문은 고유빔 형성의 개념에 의하여, 기지국에 적응 안테나를 갖는 CDMA 시스템의 시공간 송수신기 구조를 개시하고 있는데, 상기 고유빔 형성의 개념은 장기(long-term) 채널 성질을 이용함으로써, 프로세싱 차원을 줄일 뿐 아니라 하향링크에서 공간 공분산 행렬의 평균을 구하거나, 또는 상향링크에서 유사한 순시 탭의 공간 공분산 행렬을 고유 분할함으로써, 공간과 시간상에서 탈상관 다이버시티 브랜치(decorrelated diversity branches)를 얻게 된다.This prior paper discloses the structure of a space-time transceiver of a CDMA system having an adaptive antenna at a base station by the concept of intrinsic beam shaping. The concept of intrinsic beam shaping uses a long-term channel property to provide a processing dimension. In addition to reducing the meantime, the spatial covariance matrix is averaged in the downlink, or the spatial covariance matrix of similar instantaneous taps is uniquely divided in the uplink, thereby obtaining decorrelated diversity branches in space and time.

한편, 종래 기술에 따른 미합중국 특허출원번호 제2003-144032호(2003. 07. 31 출원)에는 "BEAM FORMING METHOD"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다. 이러한 빔 형성 방법은, 고유빔 형성의 개념에 의하여, 기지국에 적응 안테나를 갖는 CDMA 시스템의 시공간 송수신기 구조를 제안하고 있다.Meanwhile, US Patent Application No. 2003-144032 (filed Jul. 31, 2003) according to the prior art discloses an invention named "BEAM FORMING METHOD". This beamforming method proposes a space-time transceiver structure of a CDMA system having an adaptive antenna in a base station based on the concept of intrinsic beamforming.

구체적으로, 미합중국 특허출원번호 제2003-144032호의 발명에 따르면, 레이크 수신기의 특성인 장기 고유빔 형성과 단기 최적 결합의 단점을 제거하고 장점을 결합함으로써, 그 계산 복잡도가 낮아지게 되며, 또한, 고유 레이크(eigenrake)가 다양한 전파환경에 적응적이므로 안테나 수가 증가하여도 단기 프로세싱을 위한 피드백이 증가하지 않아도 되고, 채널의 장기 특성과 단기 특성을 동시에 이용하여 다이버시티 이득(diversity gain)과 간섭 완화 효과를 얻을 수 있다.Specifically, according to the invention of US Patent Application No. 2003-144032, by combining the advantages and eliminating the disadvantages of long-term intrinsic beam formation and short-term optimal coupling, which are characteristics of the rake receiver, the computational complexity is lowered, and also unique Since the eigenrake is adaptable to various propagation environments, the feedback for short-term processing does not need to increase even if the number of antennas increases, and the diversity gain and interference mitigation effect can be achieved by using the long-term and short-term characteristics of the channel simultaneously. You can get it.

한편, 최근 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 표준안에 제안된 고유빔 형성(eigenbeam) 스마트 안테나 기술은 하향링크의 빔 형성을 위해 요구되는 정보를 상향링크를 통하여 궤환함으로써 실현될 수 있으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.On the other hand, the recent eigenbeam smart antenna technology proposed in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard can be realized by feeding back information required for beamforming in downlink through uplink. Same as

먼저, 공간 채널 특성(Spatial channel property)은 장기 채널 특성(long- term channel property)과 단기 채널 특성(short-term channel property)으로 구분할 수 있다. 여기서, 상기 장기 채널 특성은 안테나 소자들간의 상관(correlation), 지형지물, 단말기 위치 등에 따라 장기적으로 변하는 공간 채널 특성을 말하며, 상기 단기 채널 특성은 레일라이 페이딩(Rayleigh fading)에 의존하여 단기적으로 빨리 변하는 공간 채널 특성을 말한다.First, a spatial channel property may be classified into a long-term channel property and a short-term channel property. Here, the long-term channel characteristic refers to a spatial channel characteristic that changes in the long term according to the correlation between the antenna elements, the feature, the location of the terminal, and the like, and the short-term channel characteristic changes rapidly in the short term depending on Rayleigh fading. Spatial channel characteristics.

일반적으로, 기지국이 송신한 직교(orthogonal) 파일롯을 이용하여 구해지는 단말기의 단기 공간 공분산 행렬(Short-term spatial covariance matrix)은 다음 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 즉, 단기 공간 공분산 행렬( R ST )은,In general, a short-term spatial covariance matrix of a terminal obtained by using an orthogonal pilot transmitted by a base station can be obtained as in Equation 1 below. In other words, the short-term spatial covariance matrix R ST is

여기서, 은 n번째 순시 탭(temporal tap)의 채널 벡터로서, 이 되며, 이때, L은 송신 안테나 수를 나타낸다.here, Is the channel vector of the nth temporal tap, Where L represents the number of transmit antennas.

또한, 장기 공간 공분산 행렬(Long-term spatial covariance matrix)은 다음의 수학식 2와 같이 구할 수 있다. 즉, 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은,In addition, a long-term spatial covariance matrix can be obtained as in Equation 2 below. That is, the long-term spatial covariance matrix R LT is

이 되며, 여기서, 는 포겟팅 팩터(forgetting factor)를 나타낸다., Where Denotes a forgetting factor.

전술한 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은 고유 분할(eigen-decomposition)에 의해 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.The long-term spatial covariance matrix R LT described above may be expressed by Equation 3 by eigen-decomposition.

여기서, 로서 고유치을 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 또한, 상기 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터를 나타낸다.here, Eigenvalues as Is a diagonal matrix with And v L represents an eigenvector corresponding to λ L.

또한, 적은 량의 궤환이나 계산 복잡도를 빨리 줄이기 위해 L개의 고유벡터 중 개의 큰 고유치에 해당하는 고유벡터를 고유빔(Eigen-beam) 또는 고유 모드(Eigen-mode)라고 정의한다. 이러한 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력 이 최대가 되게 하는 고유빔을 선택하게 된다.Also, among the L eigenvectors, we can quickly reduce the amount of feedback or computational complexity. The eigenvectors corresponding to the large eigenvalues of the dog are defined as eigen-beams or eigen-modes. The received power of the terminal among these unique beams The intrinsic beam which makes this maximum is selected.

상기 3GPP의 WCDMA 시스템에서는 DPCCH(Dedicated Physical Control Channel) 채널을 통해 1500bps의 궤환 속도에 맞게 단말기로부터 기지국으로 한 프레임에 한 비트씩의 고유빔을 전송하게 되고, 만일 고유 모드가 2개라면 나머지 매 슬롯마다 고유 모드 중 어느 것을 선택할 것인가를 결정하여, 그 결과를 단말기로부터 기지국으로 전송하게 된다.The 3GPP WCDMA system transmits a unique beam of one bit per frame from the terminal to the base station at a feedback rate of 1500bps over a dedicated physical control channel (DPCCH) channel. Each of which determines which of the unique modes to select, and transmits the result from the terminal to the base station.

하지만, 이러한 3GPP 방식을 이용할 때, OFDM 방식은 각 부반송파마다 다른 빔 형성 벡터를 가지므로 필요한 궤환 정보가 크게 증가하기 때문에 실질적으로 효율적인 통신 시스템 구현이 불가능하다는 문제점이 있다.However, when the 3GPP scheme is used, the OFDM scheme has a different beamforming vector for each subcarrier, and thus, there is a problem in that a practically efficient communication system cannot be implemented because the required feedback information is greatly increased.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, OFDM 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템은 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있는 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the prior art is to reduce the complexity of a communication system by using the fact that all subcarriers of an OFDM system have the same spatial covariance and that the TDD system has channel reversibility. The present invention provides a smart antenna system and method for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme.

또한, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 한 사용자를 위하여 할당된 상향 링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유 빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 궤환 없이 직접 얻을 수 있는 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention for solving the problems of the prior art, OFDM / which can directly obtain the spatial covariance matrix for the unique beam formation without feedback by using the pilots of all subcarriers of the uplink allocated for one user The present invention provides a smart antenna system and method for forming a downlink unique beam of a TDD scheme.

또한, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 필요한 하향링크의 순시 공간 공분산을 상향 링크의 부반송파의 순시 공간 공분산의 보간(interpolation)을 이용하여 얻을 수 있는 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, another object of the present invention for solving the problems of the prior art, the downlink of the OFDM / TDD scheme that can obtain the required instantaneous spatial covariance of the downlink by using interpolation of the instantaneous spatial covariance of the uplink subcarrier It is to provide a smart antenna system and a method for forming a unique beam for a link.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 기지국용 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송신 장치는,As a means for achieving the above object, the base station transmitting apparatus of the smart antenna system for forming a downlink unique beam for the base station of the orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) / time division multiplexing (TDD) method according to the present invention,

각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 전송하거나, 단말기 수신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 다중 안테나;Multiple antennas for transmitting each OFDM symbol to a terminal receiving end or receiving each OFDM symbol transmitted from the terminal receiving end;

상기 다중 안테나를 통해 소정 개수만큼 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하며, 상기 채널 추정 결과를 이용하여, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 기지국 수신단; 및Fourier transform each OFDM symbol received through the multiple antennas and output them as parallel signals, estimate a channel from the Fourier transformed parallel signal, and use the channel estimation result to perform the Fourier transformed parallel signal. A base station receiver for detecting a symbol from the base station, converting the symbol into a series of serial signals, and outputting a decoded signal; And

직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하고, 상기 기지국 수신단의 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시켜, 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 기지국 송신단Convert each channel-coded symbols serially input into a predetermined number of parallel signals and generate respective beam weights from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result of the base station receiver, thereby generating the respective beams having their own beams. Base station transmitter to generate and output symbols

을 포함하여 구성되는 특징이 있다.There is a feature configured to include.

여기서, 상기 기지국 송신단은, 상기 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 직렬/병렬(S/P) 변환기; 상기 병렬 신호를 상기 다중 안테나 수만큼 복사하는 신호 복사기; 상기 채널 추정 결과에 따라 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 고유빔 가중치를 발생하는 빔 가중치 발생기; 상기 신호 복사기의 출력에 상기 빔 가중치 발생기로부터 발생된 빔 가중치를 각각 곱하여 출력하는 빔 가중치 곱셈기; 및 상기 소정 개수의 병렬 신호를 입력하여 각각 하나의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 복수의 역퓨리에 변환기를 포함할 수 있다.Here, the base station transmitting end, the serial / parallel (S / P) converter for converting the serially input channel coded symbols into a predetermined number of parallel signals; A signal copier for copying the parallel signal by the number of multiple antennas; A beam weight generator for generating a unique beam weight from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result; A beam weight multiplier for multiplying and outputting beam outputs generated from the beam weight generator by the output of the signal copier; And a plurality of inverse Fourier transformers for inputting the predetermined number of parallel signals to generate and output one OFDM symbol each.

여기서, 상기 빔 가중치 발생기는, 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기; 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기; 상향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단기 공간 공분산 행렬 발생기; 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 장기 공간 공분산 행렬 발생기; 상기 상향링크를 통해 얻어진 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 소정 개수의 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 출력하는 부반송파간 공간 공분산 행렬 보간기; 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 고유 분할기; 및 상기 분할된 고유빔과 상기 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 빔 가중치 선택기를 포함할 수 있다.Here, the beam weight generator includes: a pilot spatial covariance matrix generator for generating a pilot spatial covariance matrix of each subcarrier by inputting a channel matrix for each pilot according to the channel estimation result; A subcarrier spatial covariance matrix generator for generating a spatial covariance matrix for each subcarrier by inputting the spatial covariance matrix for each pilot by using a predetermined number of pilots present in one subcarrier; A short-term spatial covariance matrix generator for generating a short-term spatial covariance matrix by inputting each of the subcarrier spatial covariance matrices using uplink subcarriers all having the same spatial covariance matrix; A long term spatial covariance matrix generator for inputting the short term spatial covariance matrix and outputting a long term spatial covariance matrix; An inter-subcarrier spatial covariance matrix interpolator for inputting an uplink subcarrier spatial covariance matrix obtained through the uplink and outputting a predetermined number of downlink subcarrier spatial covariance matrices; An eigendivider that inputs the long-term spatial covariance matrix and divides and outputs the eigenbeam into respective eigenbeams; And a beam weight selector for inputting the divided eigenbeam and the spatial covariance matrix for each subcarrier of the downlink and outputting beam weights for each subcarrier.

여기서, 상기 단기 공간 공분산 행렬은, 수신되는 패킷의 길이가 짧은 경우에 상기 장기 공간 공분산 행렬과 동일한 행렬인 것을 특징으로 한다.Here, the short-term spatial covariance matrix is characterized in that the same matrix as the long-term spatial covariance matrix when the length of the received packet is short.

여기서, 상기 고유 분할기의 고유빔은 소정 개수의 고유벡터 중 큰 고유치에 해당하는 고유벡터로 정의되며, 복수의 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력이 최대가 되게 하는 고유빔으로 분할되는 것을 특징으로 한다.Here, the eigenbeam of the eigendivider is defined as an eigenvector corresponding to a large eigenvalue among a predetermined number of eigenvectors, and is characterized in that the eigenbeam is divided into eigenbeams to maximize the reception power of the terminal.

여기서 상기 기지국 수신단은, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 안테나 수만큼 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 채널 추정기; 상기 채널 추정기의 결과를 이용하여 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병렬/직렬(P/S) 변환기; 및 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더를 포함할 수 있다.The base station receiver may include: a plurality of Fourier transformers for inputting OFDM symbols respectively received through the multiple antennas, Fourier transforming the number of antennas, and outputting parallel signals; A channel estimator for estimating a channel from the Fourier transformed parallel signal; A signal detector for detecting a symbol from the Fourier-transformed parallel signal using the result of the channel estimator and outputting a predetermined number of detected parallel signals; A parallel / serial (P / S) converter converting the detected parallel signals into a series of serial signals and outputting the converted serial signals; And a channel decoder for decoding and outputting the serially converted signal.

여기서, 상기 채널 추정기는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파별 각 파일롯의 채널 행렬을 출력하는 것을 특징으로 한다.Here, the channel estimator outputs a channel matrix of each pilot for each subcarrier to calculate a beamforming weight.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치는,On the other hand, as another means for achieving the above object, the terminal transceiver device of the smart antenna system for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme according to the present invention,

기지국 송신단으로부터 송신되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하거나, 각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 각각 전송하는 다중 안테나;Multiple antennas for receiving each OFDM symbol transmitted from the base station transmitting end or transmitting each OFDM symbol to the base station receiving end;

상기 기지국 송신단으로부터 각각 고유빔을 형성하여 송신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단말기 수신단; 및OFDM signals transmitted by forming a unique beam from the base station transmitter are respectively input to Fourier transform and output as parallel signals. The symbols are detected from the Fourier transformed parallel signals, converted into a series of serial signals, and then decoded. Terminal receiving end for outputting; And

각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하고, 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 상기 다중 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 단말기 송신단Each of the channel-coded symbols input in serial is converted into a predetermined number of parallel signals, respectively, and the N parallel signals are copied by the number of multiple antennas in which a plurality of user signals are input as multiplexed N parallel signals. Terminal transmitter for generating and outputting OFDM symbols

을 포함하여 구성되는 특징이 있다.There is a feature configured to include.

여기서, 상기 단말기 수신단은, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 다중 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 P/S 변환기; 및 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더를 포함할 수 있다.The terminal receiving terminal may include: a plurality of Fourier transformers for inputting OFDM symbols respectively received through the multiple antennas, Fourier transforming each of the multiple antennas, and outputting parallel signals; A signal detector for detecting a symbol from the Fourier transformed parallel signal and outputting a predetermined number of detected parallel signals; A P / S converter converting the detected parallel signal into a series of serial signals and outputting the serial signal; And a channel decoder for decoding and outputting the serially converted signal.

여기서, 상기 채널 디코더는, 상향링크의 부반송파 간격이 채널 대역폭을 넘어서 보간이 부정확하거나 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 것을 특징으로 한다.In this case, the channel decoder may recover an error occurring randomly when an interpolation is incorrect because an uplink subcarrier interval exceeds a channel bandwidth or an optimal natural beam selection is inaccurate due to a fast moving speed of the terminal.

여기서, 상기 단말기 송신단은, 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 복수의 기지국 안테나 수만큼의 복수의 S/P 변환기; 복수의 사용자 신호가 다중화되어 N개의 병렬 신호로 입력되는 경우, 상기 복수의 기지국 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하는 신호 복사기; 및 상기 N개의 병렬 신호를 각각 입력하여 각각 하나의 OFDM 심볼을 생성하는 상기 복수의 기지국 안테나 수만큼의 복수의 역퓨리에 변환기를 포함할 수 있다.The terminal transmitting end may include: a plurality of S / P converters corresponding to a plurality of base station antennas for converting channel-coded symbols respectively inputted in series into a predetermined number of parallel signals; A signal copying machine for copying the N parallel signals by the number of base station antennas when a plurality of user signals are multiplexed and input as N parallel signals; And a plurality of inverse Fourier transformers corresponding to the number of base station antennas, respectively, for inputting the N parallel signals to generate one OFDM symbol.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법은,On the other hand, as another means for achieving the above object, the base station transmission and reception method of the smart antenna system for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme according to the present invention,

a) 상향링크를 통해 단말기 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;a) receiving each OFDM symbol transmitted from a terminal transmitter through uplink;

b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 단계;b) Fourier transforming each of the received OFDM symbols and outputting each of them as a parallel signal, and estimating a channel from the Fourier transformed parallel signal;

c) 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 단계;c) converting serially input channel coded symbols into a predetermined number of parallel signals;

d) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시키는 단계; 및d) generating respective beam weights from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result; And

e) 상기 각각의 빔 가중치에 따라 고유빔을 형성하고, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 상향링크를 통해 단말기 수신단으로 전송하는 단계e) forming a unique beam according to the respective beam weights, generating respective OFDM symbols, and transmitting them to the terminal receiving terminal through uplink

를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.There is a feature consisting of.

여기서, 상기 d) 단계는, ⅰ) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅱ) 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅲ) 하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 상향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계; ⅳ) 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계; ⅴ) 상기 상향링크를 통해 얻어진 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 소정 개수의 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계; ⅵ) 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 단계; 및 ⅶ) 상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.Here, step d) includes the steps of: i) generating a spatial covariance matrix for each pilot of each subcarrier by inputting a channel matrix for each pilot according to the channel estimation result; Ii) generating a spatial covariance matrix for each subcarrier by inputting the spatial covariance matrix for each pilot using a predetermined number of pilots present in one subcarrier; Iv) generating a short-term spatial covariance matrix by inputting the spatial covariance matrix for each subcarrier, respectively, using a predetermined number of uplink subcarriers received by one user having the same spatial covariance matrix; Iii) outputting a long term spatial covariance matrix by inputting the short term spatial covariance matrix; Iii) outputting a spatial covariance matrix for each downlink subcarrier by inputting a spatial covariance matrix for each uplink subcarrier obtained through the uplink; Iii) inputting the long-term spatial covariance matrix and dividing the long-term spatial covariance matrix into respective eigenbeams; And iii) inputting the divided eigenbeam and the spatial covariance matrix for each subcarrier of the uplink, and outputting beam weights for each subcarrier.

여기서, 상기 ⅰ) 단계는, 수학식 을 이용하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하며, 여기서, 는 c번째 부반송파의 번째 파일롯 톤으로 얻어지는 순시 공간 공분산 행렬인 것을 특징으로 한다.Here, the step iii), To obtain the spatial covariance matrix of each subcarrier by pilot, where Is the c subcarrier It is characterized in that the instantaneous spatial covariance matrix obtained by the first pilot tone.

여기서, 상기 ⅱ) 단계는 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 수학식 와 같이 정의되는 부반송파 c의 공간 공분산 행렬을 구하는 것을 특징으로 한다.Wherein, step ii) is present in one subcarrier Using two pilots It is characterized by obtaining a spatial covariance matrix of subcarriers c defined as follows.

여기서, 상기 ⅲ) 단계는 한 사용자에 할당된 상향 링크의 C개의 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지므로, 수학식 을 이용하여 단기 공간 공분산 행렬( R ST )을 구하는 것을 특징으로 한다.In step (iii), since all C subcarriers of the uplink allocated to one user have the same spatial covariance matrix, It is characterized by obtaining the short-term spatial covariance matrix R ST .

여기서, 상기 ⅳ) 단계는 수학식 를 이용하여 장기 공간 공분산 행렬( R LT )을 구하며, 여기서, 는 프레임 수이며, 는 포겟팅 팩터(forgetting factor)인 것을 특징으로 한다.Where step iii) is To obtain the long-term spatial covariance matrix ( R LT ), where Is the number of frames, Is characterized in that the forgetting factor (forgetting factor).

여기서, 상기 ⅵ) 단계는 수학식 를 이용하여 고유 분할을 수행하며, 여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터인 것을 특징으로 한다.Where step iii) is To perform unique partitioning, where Eigenvalue as Is a diagonal matrix with And v L is an eigenvector corresponding to λ L.

여기서, 상기 ⅶ) 단계는, 수학식 를 이용하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하며, 여기서, 는 하향 링크의 k번째 부반송파인 것을 특징으로 한다.Here, the step iii), Output beam weights for each subcarrier using Is the k-th subcarrier of the downlink.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법은,On the other hand, as another means for achieving the above object, a method of transmitting and receiving a terminal of the smart antenna system for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme according to the present invention,

a) 기지국 송신단으로부터 전송되는 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;a) receiving each OFDM symbol having a unique beam transmitted from a base station transmitting end;

b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하는 단계;b) Fourier transforming each of the received OFDM symbols and outputting the parallel symbols in parallel;

c) 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단계;c) detecting a symbol from the Fourier transformed parallel signal, converting the symbol into a series of serial signals, and outputting a decoded signal;

d) 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 단계;d) converting each of the channel-coded symbols input in series into a predetermined number of parallel signals, respectively;

e) 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 복수의 단말기 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 단계; 및e) generating the respective OFDM symbols by copying the N parallel signals by the number of terminal antennas inputted with N parallel signals multiplexed by a plurality of user signals; And

f) 상기 각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 각각 전송하는 단계f) transmitting each OFDM symbol to a base station receiving end, respectively

를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.There is a feature consisting of.

여기서, 상기 c) 단계는, 상향링크의 부반송파 간격이 채널 대역폭을 넘어서 보간이 부정확하거나, 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In the step c), when the uplink subcarrier spacing exceeds the channel bandwidth and the interpolation is inaccurate or the terminal's moving speed is inaccurate, the optimal natural beam selection becomes inaccurate. It can be included as.

따라서 본 발명에 따르면, OFDM/TDD 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있고, 한 사용자를 위하여 할당된 상향 링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유 빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 궤환 없이 직접 얻을 수 있으며, 또한, 필요한 하향링크의 순시 공간 공분산을 상향 링크의 부반송파의 순시 공간 공분산의 보간을 이용하여 얻을 수 있으며, 또한, 최적 고유빔의 선택이 부정확하여 랜덤하게 발생하는 에러는 수신기 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 복구할 수 있다.Therefore, according to the present invention, the complexity of the communication system can be reduced by using the fact that all subcarriers of the OFDM / TDD system have the same spatial covariance and that the TDD system has channel reversibility, and the uplink allocated for one user can be reduced. By using the pilots of all subcarriers in the link, the spatial covariance matrix for eigenbeam formation can be obtained directly without feedback, and the necessary instantaneous spatial covariance of the downlink can be obtained by interpolation of the instantaneous spatial covariance of the uplink subcarrier. In addition, a randomly generated error due to incorrect selection of an optimal eigenbeam can be mostly recovered by a channel decoder at a rear end of the receiver.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템 및 그 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a smart antenna system and a method for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme according to the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in detail.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 시스템에서는 L개의 기지국 안테나 수, M개의 단말기 안테나 수에 대해 고려한다. 일반적으로, OFDM(또는 OFDMA) 시스템에서는 한 사용자에 할당된 하향 부반송파(sub-carrier) 그룹과 상향 부반송파 그룹이 다른 경우가 대부분이다.First, in an OFDM / TDD system according to an embodiment of the present invention, the number of L base station antennas and the number of M terminal antennas are considered. In general, in an OFDM (or OFDMA) system, a downlink subcarrier group and an uplink subcarrier group allocated to one user are different from each other.

본 발명의 실시예에서는 한 사용자에게 하향링크로 K개의 부반송파가 할당되었다고 가정하며, 이때, K 부반송파는 주파수 다이버시티를 이용하기 위하여 일정 간격으로 배치되며, 연속적이지 않는 것이 일반적이다. 부반송파 인덱스가 k인 부반송파는 한 사용자에게 할당된 K개의 부반송파 중에서 k번째 부반송파를 의미한다. 또한, 한 사용자에게 상향 링크로서 C개의 부반송파가 할당되며, C 부반송파가 하향 링크와 같은 원리로 연속적으로 배치하지 않는 것이 일반적이다. 또한, 부반송파 인덱스가 c인 부반송파는 한 사용자에게 할당된 C개의 부반송파 중에서 c번째 부반송파를 의미한다.In the embodiment of the present invention, it is assumed that K subcarriers are allocated to a user in downlink, and in this case, K subcarriers are arranged at regular intervals to use frequency diversity and are not continuous. A subcarrier having a subcarrier index of k means a k th subcarrier among K subcarriers assigned to a user. In addition, C subcarriers are allocated to one user as an uplink, and it is common that C subcarriers are not continuously arranged on the same principle as the downlink. In addition, a subcarrier having a subcarrier index of c means a c th subcarrier among C subcarriers assigned to a user.

먼저, 하향링크의 송신 신호는 다음의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.First, the downlink transmission signal may be expressed as Equation 4 below.

여기서, 는 k번째 부반송파에 대한 빔 형성 벡터이며, 이고, 는 k번째 부반송파로 송신되는 OFDM 심볼이다.here, For the k subcarriers Beamforming vector, ego, Is an OFDM symbol transmitted on the kth subcarrier.

본 발명의 실시예에 따른 OFDM 시스템은 광대역을 사용하기 때문에 송신 신호는 주파수 선택성 페이딩 채널을 통하여 전송된다. 또한, 송신 안테나(l)와 수신안테나(m)간의 채널 임펄스 응답(Channel Impulse Response: CIR)은 로 표현될 수 있으며, 여기서 P는 다중 경로의 수이다.Since the OFDM system according to the embodiment of the present invention uses a wide band, the transmission signal is transmitted through a frequency selective fading channel. In addition, a channel impulse response (CIR) between the transmitting antenna l and the receiving antenna m is Where P is the number of multipaths.

따라서 주파수 영역의 채널 응답은 다음의 수학식 5와 같다.Therefore, the channel response in the frequency domain is as shown in Equation 5 below.

또한, 부반송파 k에 대한 MIMO(Multi Input Multi Output) 채널 행렬은 다음의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.In addition, the MIMO channel matrix for the subcarrier k may be expressed by Equation 6 below.

또한, 수신기에서 DFT를 거친 수신 신호는 다음의 수학식 7과 같이 주어진다.In addition, the received signal passing through the DFT in the receiver is given by Equation 7 below.

여기서, 는 크기가 인 잡음 행렬을 나타낸다.here, Is the size Represents the noise matrix.

상기 수학식 5의 채널에서 다른 경로간의 상관 관계가 없다고 가정할 때, 다음의 수학식 8과 같은 관계가 성립된다.Assuming that there is no correlation between different paths in the channel of Equation 5, the following relationship is established.

여기서, 는 채널 임펄스 응답(CIR)의 전력 지연 프로파일(power delay profile)이며,here, Is the power delay profile of the channel impulse response (CIR),

이 되며, 상기 채널()의 공간 공분산 행렬은 다음 수학식 10과 같이 정의할 수 있다.Becomes the channel ( The spatial covariance matrix of) can be defined as in Equation 10 below.

로 주어진다. 따라서 각 부반송파의 채널 행렬()의 공간 공분산 행렬()은 다음 수학식 11과 같이 주어질 수 있다.Is given by Therefore, the channel matrix of each subcarrier ( Spatial covariance matrix () ) May be given by Equation 11 below.

전술한 수학식 11에서 각 부반송파의 채널 행렬()의 공간 공분산 행렬 ()은 임의의 부반송파 k에 함수가 아닌 것을 보여준다. 다시 말하면, OFDM 시스템에서는 부반송파마다 각기 다른 주파수 선택적 페이딩을 겪게 되므로, 각 부반송파마다 서로 다른 채널 특성을 갖게 되지만, 공간 공분산 행렬은 모든 부반송파에 동일하다는 사실을 얻을 수 있다.In Equation 11, the channel matrix of each subcarrier ( Spatial covariance matrix of ) Shows that it is not a function on any subcarrier k. In other words, in the OFDM system, since each subcarrier undergoes different frequency selective fading, each subcarrier has different channel characteristics, but the spatial covariance matrix is the same for all subcarriers.

결론적으로, 공간 공분산 행렬은 모든 부반송파에 동일하여 모든 부반송파를 평균함으로 정확한 추정치를 구할 수 있다.In conclusion, the spatial covariance matrix is the same for all subcarriers, so that an accurate estimate can be obtained by averaging all subcarriers.

한편, 상향 링크의 c번째 부반송파의 m번째 단말기 안테나에서 l번째 기지국 안테나 사이의 주파수 영역 채널 응답은 로 정의된다. 전술한 바와 같이, TDD 시스템의 채널 가역성에 의해, 이것은 하향 링크의 l번째 안테나 기지국에서 m번째 단말기 안테나 사이의 주파수 영역 채널 응답과 동일하다. 이러한 논리에 근거하여, 상향 링크의 c번째 부반송파의 번째 파일롯을 이용하여, 다음의 수학식 12와 같이 정의되는 하향 MIMO 채널 행렬을 구할 수 있다.Meanwhile, the frequency domain channel response between the m th antenna of the uplink c subcarrier and the l th base station antenna is Is defined as As mentioned above, due to the channel reversibility of the TDD system, this is equal to the frequency domain channel response between the m th terminal antenna at the l th antenna base station in the downlink. Based on this logic, the c subcarrier of the uplink By using the first pilot, a downlink MIMO channel matrix defined as in Equation 12 can be obtained.

여기서, 는 c번째 부반송파의 번째 파일롯 톤으로 얻어지는 순시 공간 공분산 행렬로서 다음의 수학식 13과 같이 정의될 수 있다.here, Is the c subcarrier An instantaneous spatial covariance matrix obtained as the first pilot tone may be defined as in Equation 13 below.

여기서, 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 다음과 같이 정의된 c번째 부반송파의 공간 공분산 행렬을 구할 수 있다.Where a subcarrier exists Spatial covariance matrix of the c-th subcarrier defined as follows can be obtained using three pilots.

상기에서 설명한 바와 같이, 한 사용자에 할당된 상향 링크의 C개의 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지기 때문에, 다음의 수학식 15와 같은 단기 공간 공분산 행렬을 구할 수 있다.As described above, since all C subcarriers of the uplink allocated to one user have the same spatial covariance matrix, a short-term spatial covariance matrix can be obtained as shown in Equation 15 below.

또한, 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은 전술한 3GPP WCDMA 시스템의 수학식 2와 동일하게 다음의 수학식 16과 같이 얻어진다. 상기 장기 공간 공분산 행렬( R LT )은,In addition, the long-term spatial covariance matrix R LT is obtained as in Equation 16 below, as in Equation 2 of the above-described 3GPP WCDMA system. The long-term spatial covariance matrix R LT is

이 되는데, 여기서, 는 프레임 수이며, 상기 번째 프레임에서 구해지는 단기 공간 공분산 행렬이다. 만일 패킷의 길이가 아주 짧다면 는 0으로 둘 수 있고, 결과적으로 가 된다.This is where, Is the number of frames, and Is It is a short-term spatial covariance matrix obtained in the first frame. If the packet is very short Can be left at 0, resulting in Becomes

또한, 고유 모드는 다음의 수학식 17과 같이 고유 분할을 수행하여 얻어진다.In addition, the eigen mode is obtained by performing eigendivision as shown in Equation 17 below.

여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터이다. 그런데, 전술한 3GPP와는 달리 궤환이 없으므로 L개의 고유 벡터 모두를 고유 모드로 정의할 수 있다.here, Eigenvalue as Is a diagonal matrix with And v L is an eigenvector corresponding to λ L. However, unlike 3GPP described above, since there is no feedback, all L eigenvectors may be defined as an eigen mode.

한편, 하향 링크에 사용되는 부반송파와 상향 링크에 사용되는 부반송파가 다른 경우 하향 링크의 k번째 부반송파를 위한 는 아래와 같이 구해진다.Meanwhile, if the subcarriers used for the downlink and the subcarriers used for the uplink are different, the k-th subcarriers for the downlink are different. Is obtained as follows.

이때, 는 부반송파 사이의 코히어런트(coherent) 특성을 고려하여 상향 링크를 이용하여 얻어진 의 보간(interpolation)에 의해 구해질 수 있다. 가장 바람직한 예로서, 하향 부반송파 k가 실제로 j번째 부반송파이고, 하향 부반송파 k 이전에 가장 가까운 상향링크 부반송파 가 실제 번째 부반송파이고, 이후의 가장 가까운 상향링크 부반송파 가 실제 번째 부반송파이라고 가정하면, 이때, 의 보간에 의해 구해질 수 있다.At this time, Is obtained by using the uplink considering the coherent characteristics between subcarriers. Can be obtained by interpolation of. As a most preferred example, the downlink subcarrier k is actually the jth subcarrier, and the uplink subcarrier closest to the downlink subcarrier k. Is real The first subcarrier and the nearest uplink subcarrier thereafter. Is real Assume that the first subcarrier is Is and Can be obtained by interpolation.

따라서 1차 선형 보간을 이용하고 , 를 다음의 수학식 19내지 수학식 21과 같이 가정할 수 있다.So using linear linear interpolation , and Can be assumed as Equation 19 to Equation 21 below.

따라서 상기 의 각각의 요소는,Thus above Each element of,

로 주어지게 된다.Is given by.

따라서, 상향 링크 프레임에서 구해진 최적의 하향 빔은 다음 프레임인 i+1 의 프레임의 하향 링크에서 활용될 수 있다.Therefore, the optimal downlink beam obtained in the uplink frame can be utilized in the downlink of the frame of the next frame i + 1.

만일, 상향 링크의 부반송파의 간격이 코히어런트 대역폭(coherent bandwidth)보다 크거나, 또는 단말기의 이동 속도가 빠를 경우, 틀린 고유빔이 선택될 확률이 발생할 수 있다. 이때, 잘못된 고유 빔 선택에 의한 에러는 랜덤성을 가지며, 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 수정이 가능할 것이다.If the uplink subcarrier spacing is greater than the coherent bandwidth, or the movement speed of the terminal is fast, a probability that an incorrect unique beam may be selected may occur. At this time, the error due to the wrong eigen beam selection is random, and can be mostly corrected by the channel decoder at the later stage.

이하, 전술한 본 발명의 원리를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 안테나 시스템에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, a smart antenna system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the above-described principles of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 단말기를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 기지국을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a terminal of a smart antenna system of the OFDM / TDD scheme according to an embodiment of the present invention, Figure 2 illustrates a base station of a smart antenna system of the OFDM / TDD scheme according to an embodiment of the present invention It is a block diagram for that.

도 1 및 도 2를 각각 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 단말기는 M개의 안테나(140-1, 140-2, …, 140-M)를 구비하며, 기지국은 L개의 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)를 구비하며, 상기 단말기 및 기지국은 각각 송신단 및 수신단으로 이루어지게 된다.1 and 2, the terminal of the smart antenna system of the OFDM / TDD scheme according to an embodiment of the present invention is provided with M antennas (140-1, 140-2, ..., 140-M), The base station includes L antennas 250-1, 250-2, ..., 250-L, and the terminal and the base station are respectively composed of a transmitting end and a receiving end.

도 1에서, 상기 단말기 송신단은 직렬-병렬(S/P) 변환기(110), 신호 복사기(120), 송신안테나 수(M)만큼의 역퓨리에 변환기(Inverse Fast Fourier Transformer: IFFT)(130-1, 130-2, …, 130-M)를 구비한다. 또한, 상기 단말기 수신단은 수신안테나 수(M)만큼의 퓨리에 변환기(Fast Fourier Transformer: FFT)(160-1, 160-2, …, 160-M), 신호 검파기(Detector)(170), 병렬-직렬(P/S) 변환기(180) 및 채널 디코더(190)를 구비한다. 또한, 단말기 안테나(140-1, 140-2, …, 140-M)는 각각의 안테나 스위치(150-1, 150-2, …, 150-M)를 통해 하향 통신 시에는 단말기 송신단에 접속되고, 상향 통신 시에는 단말기 수신단에 접속된다.In FIG. 1, the terminal transmitter has an inverse fast fourier transformer (IFFT) 130-1 as much as the serial-to-parallel (S / P) converter 110, the signal copier 120, and the number of transmit antennas (M). , 130-2, ..., 130-M). In addition, the terminal receiving terminal is a Fourier transformer (FFT) 160-1, 160-2, ..., 160-M as many as the number of reception antennas (M), the signal detector (170), parallel- A serial (P / S) converter 180 and a channel decoder 190. In addition, the terminal antennas 140-1, 140-2, ..., 140-M are connected to the terminal transmitter during downlink communication through the respective antenna switches 150-1, 150-2, ..., 150-M. In case of uplink communication, the terminal is connected to the terminal receiving terminal.

도 2에서, 기지국 송신단은 직렬-병렬 변환기(210), 신호 복사기(220), 빔 가중치 곱셈기(230), 안테나 수(L)만큼의 역퓨리에 변환기(240-1, 240-2, …, 240-L)를 구비한다. 또한, 기지국 수신단은 기지국 안테나 수(L) 만큼의 퓨리에 변환기(270-1, 270-2, …, 270-L), 채널 추정기(290), 신호 검파기(280), 병렬 직렬(P/S) 변환기(320) 및 채널 디코더(330)를 구비한다. 또한, 기지국 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)는 각각의 안테나 스위치(260-1, 260-2, …, 260-L)를 통해 하향 통신 시에는 기지국 수신단에 접속되고, 상향 통신 시에는 기지국 송신단에 접속된다.In FIG. 2, the base station transmitting end is a serial-to-parallel converter 210, a signal copier 220, a beam weight multiplier 230, an inverse Fourier transformer 240-1, 240-2, ..., 240 as many as the number of antennas (L). -L). In addition, the base station receiving stage is a Fourier transformer 270-1, 270-2, ..., 270-L as many as the base station antennas (L), the channel estimator 290, the signal detector 280, and the parallel serial (P / S) Converter 320 and channel decoder 330 are included. In addition, the base station antennas 250-1, 250-2, ..., 250-L are connected to the base station receiving end in downlink communication through the respective antenna switches 260-1, 260-2, ..., 260-L. In case of uplink communication, the base station is connected to the base station transmitter.

도 1을 다시 참조하면, 상기 단말기 송신단의 S/P 변환기(110)는 입력된 채널 부호화된 심볼들을 C개의 병렬(parallel) 신호로 변환하는 역할을 한다.Referring back to FIG. 1, the S / P converter 110 of the terminal transmitter converts the input channel coded symbols into C parallel signals.

상기 신호 복사기(120)는 상기 단말기 안테나 수(M)만큼 복사하게 된다. 또한, 각각의 역퓨리에 변환기(130-1, 130-2, …, 130-M)는 상기 C개의 병렬 신호를 각각 입력하여 하나의 OFDM 심볼을 생성하게 된다.The signal copier 120 copies as much as the number of terminal antennas (M). In addition, each of the inverse Fourier transformers 130-1, 130-2,..., 130 -M respectively inputs the C parallel signals to generate one OFDM symbol.

이후, 상기 신호 복사기(120)로부터 출력되는 OFDM 심볼들(121-1, 121-2, …, 121-M)은 상기 각각의 역퓨리에 변환기(130-1, 130-2, …, 130-M)를 거쳐 단말기 안테나(140-1, 140-2, …, 140-M)를 통하여 전송된다.Thereafter, the OFDM symbols 121-1, 121-2,..., 121 -M output from the signal copier 120 are respectively inversed Fourier transformers 130-1, 130-2,..., 130 -M. Is transmitted through the terminal antennas 140-1, 140-2, ..., 140-M.

전술한 과정을 거친 후에, 도 2에 도시된 L개의 단말기 안테나(250-1, 250-2 …, 250-L)를 통해 수신되며, 이후 각각 L개의 퓨리에 변환기(270-1, 270-2, …, 270-L)가 병렬 신호(271-1, 271-2, …, 271-M)를 출력하게 된다.After the above process, the signal is received through the L terminal antennas 250-1, 250-2, ..., 250-L shown in FIG. 2, and then L Fourier transformers 270-1, 270-2, ..., 270-L outputs parallel signals 271-1, 271-2, ..., 271-M.

이와 같이 퓨리에 변환된 신호는 채널 추정기(290)와 신호 검파기(280)에 입력되는데, 상기 신호 검파기(280)는 상기 채널 추정기(290)의 결과를 이용하여 자기만의 C개의 검파된 신호를 출력한다.The Fourier-transformed signal is input to the channel estimator 290 and the signal detector 280. The signal detector 280 outputs its own C detected signals using the results of the channel estimator 290. do.

이와 같이 검파된 신호는 병렬-직렬 변환기(320)를 거쳐 일련의 직렬 신호를 출력하고, 상기 직렬 신호는 채널 디코더(330)를 거쳐 최종 결과 신호(Decoded data)를 출력하게 된다.The detected signal outputs a series of serial signals through the parallel-to-serial converter 320, and the serial signals output the final result signal (Decoded data) through the channel decoder 330.

여기서, 상기 채널 추정기(290)는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파의 각 파일롯마다 채널 행렬을 출력한다. 예를 들면, 상기 채널 추정기(290)는 c번째 부반송파의 번째 파일롯으로부터 수학식 10의 채널 행렬 을 추정하게 된다.Here, the channel estimator 290 outputs a channel matrix for each pilot of each subcarrier to calculate the beamforming weight. For example, the channel estimator 290 may determine the c subcarrier. Channel matrix of Equation 10 from the first pilot Will be estimated.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 기지국의 빔 가중치 발생기(310)의 구조를 보여주고 있다.On the other hand, Figure 3 shows the structure of the beam weight generator 310 of the base station in the OFDM / TDD smart antenna system according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 발생기(310)는 파일롯별 공간공분산 행렬 발생기(311), 부반송파별 공간공분산 행렬 발생기(312), 단기 공간공분산 행렬 발생기(313), 장기 공간공분산 행렬 발생기(314), 고유 분할기(315), 부반송파간 공간 공분산 보간기(316) 및 빔 가중치 선택기(317)로 구성된다.Referring to FIG. 3, the beam weight generator 310 according to an embodiment of the present invention includes a spatial covariance matrix generator 311 for each pilot, a spatial covariance matrix generator 312 for each subcarrier, a short-term spatial covariance matrix generator 313, and a long term. It consists of a spatial covariance matrix generator 314, an eigendivider 315, an intercarrier spatial covariance interpolator 316, and a beam weight selector 317.

본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 발생기(310)에서, 상기 각 부반송파의 각 파일롯별 채널 행렬로부터 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기(311)를 통하여 수학식 13의 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하게 된다.In the beam weight generator 310 according to an embodiment of the present invention, the spatial covariance matrix of each subcarrier of Equation 13 is obtained from the channel matrix of each pilot of each subcarrier through the spatial covariance matrix generator 311 of each pilot. You will get it.

이후, 상기 각 부반송파의 각 파일롯별 공간 공분산 행렬은 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬 보간기(316)에 입력되어 전술한 수학식 14에 의해 부반송파별 순시 공간 공분산 행렬을 출력한다.Subsequently, the spatial covariance matrix for each pilot of each subcarrier is input to the spatial covariance matrix interpolator 316 for each subcarrier to output an instantaneous spatial covariance matrix for each subcarrier according to Equation 14 described above.

이때, 각 부반송파별 공간 공분산 행렬은 단기 공간 공분산 행렬 발생기(313)를 통하여 전술한 수학식 15에 의해 단기 공간 공분산 행렬을 발생하고, 이후 상기 장기 공간 공분산 행렬 발생기(314)를 통하여 전술한 수학식 16에 의해 장기 공간 공분산 행렬을 출력하게 된다.In this case, the spatial covariance matrix for each subcarrier generates the short-term spatial covariance matrix by Equation 15 described above through the short-term spatial covariance matrix generator 313, and then the above-described equation through the long-term spatial covariance matrix generator 314. By 16, the long-term spatial covariance matrix is output.

만일, 상기 수학식 16에서 을 0이라 하면, 결과적으로 가 되는데, 이 경우 상기 장기 공간 공분산 행렬과 상기 단기 공간 공분산 행렬을 분리할 필요가 없게 된다.If, in Equation 16 Is 0, the result is In this case, there is no need to separate the long-term spatial covariance matrix and the short-term spatial covariance matrix.

다음으로, 상기 고유 분할기(315)는 상기 장기 공간 공분산 행렬을 수신하여 전술한 수학식 17에 의해 L개의 고유빔을 출력하게 된다.Next, the eigendivider 315 receives the long-term spatial covariance matrix and outputs L eigenbeams according to Equation 17 described above.

전술한 바와 같이, 통상적으로 OFDM 시스템에서 하향링크에 사용되는 부반송파와 상향링크에 사용되는 부반송파는 다르다. 따라서 부반송파간의 주파수 코히어런트 특성에 따라 상향링크를 이용하여 얻어진 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬 을 부반송파간 공간 공분산 보간기(316)에 입력하여 K개의 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬 를 출력한다.As described above, a subcarrier used for downlink and a subcarrier used for uplink are typically different in an OFDM system. Therefore, the spatial covariance matrix for each subcarrier of the uplink obtained using the uplink according to the frequency coherent characteristic between the subcarriers. To the subcarrier spatial covariance interpolator 316, the K downlink spatial covariance matrix for each subcarrier Outputs

또한, 고유빔과 부반송파별 공간 공분산 행렬 을 빔 가중치 선택기(317) 입력하여 수학식 18에 의하여 부반송파별 빔 가중치 (311-1), (311-2) 및 (311-K)를 출력한다.In addition, the spatial covariance matrix for each unique beam and subcarrier The beam weight selector 317 and input the beam weight for each subcarrier by Equation 18 (311-1), (311-2) and Outputs (311-K).

도 2를 다시 참조하면, 상기 기지국 송신단의 S/P 변환기(210)는 직렬로 입력된 채널 부호화된 심볼들을 K개의 병렬 신호로 변환하는 역할을 하고, 상기 신호 복사기(220)는 상기 K개의 병렬 신호를 단말기 안테나 수(L)만큼 복사하는 역할을 하며, 또한, 상기 빔 가중치 곱셈기(230)는 상기 신호 복사기(220)의 출력에 빔 가중치를 곱하는 역할을 한다.Referring back to FIG. 2, the S / P converter 210 of the base station transmitting end converts serially input channel coded symbols into K parallel signals, and the signal copier 220 converts the K parallel signals. The signal is copied by the number of terminal antennas (L), and the beam weight multiplier 230 serves to multiply the beam weight by the output of the signal copier 220.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 기지국의 빔 가중치 곱셈기의 내부를 보여주고 있다.On the other hand, Figure 4 shows the inside of the beam weight multiplier of the base station in the OFDM / TDD smart antenna system according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 가중치 곱셈기에서, 각각의 역퓨리에 변환기(240-1, 240-2, …, 240-L)는 K개의 신호를 입력하여 하나의 OFDM 심볼을 생성하게 되며, 상기 OFDM 심볼들은 기지국 안테나(250-1, 250-2, …, 250-L)를 통하여 전송되게 된다.Referring to FIG. 4, in the beam weight multiplier according to an embodiment of the present invention, each of the inverse Fourier transformers 240-1, 240-2,..., 240-L receives one OFDM symbol by inputting K signals. The OFDM symbols are transmitted through the base station antennas 250-1, 250-2, ..., 250-L.

상기 과정을 거쳐 전송된 OFDM 심볼들은, 도 1에 도시된 바와 같이, M개의 기지국 안테나(140-1, 140-2 …, 140-M)를 통해 수신된 후, 각 M개의 퓨리에 변환기(160-1, 160-2, …, 160-M)가 병렬 신호(161-1, 161-2, …, 161-M)를 출력하게 된다.The OFDM symbols transmitted through the above process are received through M base station antennas 140-1, 140-2,..., 140 -M as shown in FIG. 1, and then each M Fourier transformers 160-. 1, 160-2, ..., 160-M output the parallel signals 161-1, 161-2, ..., 161-M.

이와 같이 퓨리에 변환된 신호는 신호 검파기(170)에 입력되며, 상기 검파된 신호는 병렬-직렬 변환기(180)를 거쳐 일련의 직렬 신호를 출력하고, 이후 상기 직렬 신호는 채널 디코더(190)를 거쳐 최종 결과 신호를 출력하게 된다.The Fourier-transformed signal is input to the signal detector 170, and the detected signal outputs a series of serial signals through the parallel-to-serial converter 180. The serial signals are then passed through the channel decoder 190. The final result signal is output.

한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 상향 링크 i 프레임에서 구해진 최적 하향 빔은 다음 프레임인 i+1 프레임의 하향 링크에서 활용될 수 있다. 만일, 상향 링크의 부반송파의 간격이 코히어런트 대역폭(coherent bandwidth)보다 크거나, 또는 단말기의 이동 속도가 빠르면 잘못된 고유빔 선택에 의해 에러를 발생시킬 수 있다. 이와 같이 발생된 에러는 랜덤성을 가질 수 있지만, 후단에 있는 채널 디코더(190)에 의해 대부분 수정할 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the optimal downlink beam obtained in the uplink i frame may be utilized in the downlink of the next frame i + 1 frame. If the uplink subcarrier spacing is larger than the coherent bandwidth or the terminal moves faster, an error may be generated by the wrong unique beam selection. The error generated as described above may have randomness, but may be mostly corrected by the channel decoder 190 at a later stage.

결국, 본 발명의 실시예에 따르면, OFDM/TDD 시스템의 모든 부반송파가 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성을 갖는다는 점을 이용하여, 상향링크를 통한 빔 형성에 필요한 정보의 궤환을 없애고, 상향링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 구하게 되다.Finally, according to an embodiment of the present invention, by using the fact that all subcarriers of the OFDM / TDD system has a spatial covariance and that the TDD system has a channel reversibility, feedback of information necessary for beamforming over the uplink The spatial covariance matrix for eigenbeam formation is obtained by using the pilots of all subcarriers of the uplink.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described in connection with specific embodiments thereof, it will be appreciated that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the claims. Anyone who owns it can easily find out.

본 발명에 따르면, OFDM 시스템의 모든 부반송파가 동일한 공간 공분산을 갖는다는 점과 TDD 시스템이 채널 가역성(reciprocity)을 갖는다는 점을 이용하여 통신 시스템의 복잡도를 줄일 수 있다.According to the present invention, the complexity of the communication system can be reduced by using the fact that all subcarriers of the OFDM system have the same spatial covariance and that the TDD system has channel reciprocity.

또한, 본 발명에 따르면, 한 사용자를 위하여 할당된 상향 링크의 모든 부반송파의 파일롯들을 이용하여 고유 빔 형성을 위한 공간 공분산 행렬을 궤환 없이 직접 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, a spatial covariance matrix for eigenbeam formation can be directly obtained without feedback using pilots of all subcarriers of the uplink allocated for a user.

또한, 본 발명에 따르면, 필요한 하향링크의 순시 공간 공분산을 상향 링크의 부반송파의 순시 공간 공분산의 보간(interpolation)을 이용하여 얻을 수 있다.In addition, according to the present invention, necessary instantaneous spatial covariance of downlink can be obtained by using interpolation of instantaneous spatial covariance of uplink subcarriers.

또한, 본 발명에 따르면, 최적 고유빔의 선택이 부정확하여 랜덤하게 발생하는 에러는 수신기 후단에 있는 채널 디코더에 의해 대부분 복구할 수 있다.In addition, according to the present invention, an error that occurs randomly due to incorrect selection of an optimal eigenbeam can be mostly recovered by a channel decoder at the rear of the receiver.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 단말기 블록도이다.1 is a block diagram of a terminal of a smart antenna system of the OFDM / TDD scheme according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템의 기지국 블록도이다.2 is a block diagram of a base station of a smart antenna system of the OFDM / TDD scheme according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 기지국의 빔 가중치 발생기의 블록도이다.3 is a block diagram of a beam weight generator of a base station in an OFDM / TDD smart antenna system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 OFDM/TDD 방식의 스마트 안테나 시스템에서 기지국의 빔 가중치 곱셈기의 블록도이다.4 is a block diagram of a beam weight multiplier of a base station in an OFDM / TDD smart antenna system according to an embodiment of the present invention.

Claims (21)

직교주파수 분할 다중화(OFDM)/시분할 다중화(TDD) 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템에 있어서,A smart antenna system for forming a downlink unique beam of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) / time division multiplexing (TDD) scheme, 각각의 OFDM 심볼을 단말기 수신단으로 전송하거나, 단말기 수신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 다중 안테나;Multiple antennas for transmitting each OFDM symbol to a terminal receiving end or receiving each OFDM symbol transmitted from the terminal receiving end; 상기 다중 안테나를 통해 소정 개수만큼 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하며, 상기 채널 추정 결과를 이용하여, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 기지국 수신단; 및Fourier transform each OFDM symbol received through the multiple antennas and output them as parallel signals, estimate a channel from the Fourier transformed parallel signal, and use the channel estimation result to perform the Fourier transformed parallel signal. A base station receiver for detecting a symbol from the base station, converting the symbol into a series of serial signals, and outputting a decoded signal; And 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하고, 상기 기지국 수신단의 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시켜, 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 기지국 송신단Convert each channel-coded symbols serially input into a predetermined number of parallel signals and generate respective beam weights from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result of the base station receiver, thereby generating the respective beams having their own beams. Base station transmitter to generate and output symbols 을 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.Base station transmission and reception apparatus of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제1항에 있어서, 상기 기지국 송신단은,The method of claim 1, wherein the base station transmitting end, 상기 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 직렬/병렬(S/P) 변환기;A serial / parallel (S / P) converter for converting the serially input channel coded symbols into a predetermined number of parallel signals; 상기 병렬 신호를 상기 다중 안테나 수만큼 복사하는 신호 복사기;A signal copier for copying the parallel signal by the number of multiple antennas; 상기 채널 추정 결과에 따라 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 고유빔 가중치를 발생하는 빔 가중치 발생기;A beam weight generator for generating a unique beam weight from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result; 상기 신호 복사기의 출력에 상기 빔 가중치 발생기로부터 발생된 빔 가중치를 각각 곱하여 출력하는 빔 가중치 곱셈기; 및A beam weight multiplier for multiplying and outputting beam outputs generated from the beam weight generator by the output of the signal copier; And 상기 소정 개수의 병렬 신호를 입력하여 각각 하나의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 복수의 역퓨리에 변환기A plurality of inverse Fourier transformers for inputting the predetermined number of parallel signals to generate and output one OFDM symbol each 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.Base station transmission and reception apparatus of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제2항에 있어서, 상기 빔 가중치 발생기는,The method of claim 2, wherein the beam weight generator, 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 파일롯별 공간 공분산 행렬 발생기;A pilot spatial covariance matrix generator for generating a pilot spatial covariance matrix of each subcarrier by inputting a channel matrix of each pilot according to the channel estimation result; 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 부반송파별 공간 공분산 행렬 발생기;A subcarrier spatial covariance matrix generator for generating a spatial covariance matrix for each subcarrier by inputting the spatial covariance matrix for each pilot by using a predetermined number of pilots present in one subcarrier; 상향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단기 공간 공분산 행렬 발생기;A short-term spatial covariance matrix generator for generating a short-term spatial covariance matrix by inputting each of the subcarrier spatial covariance matrices using uplink subcarriers all having the same spatial covariance matrix; 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 장기 공간 공분산 행렬 발생기;A long term spatial covariance matrix generator for inputting the short term spatial covariance matrix and outputting a long term spatial covariance matrix; 상기 상향링크를 통해 얻어진 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 소정 개수의 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 출력하는 부반송파간 공간 공분산 행렬 보간기; An inter-subcarrier spatial covariance matrix interpolator for inputting an uplink subcarrier spatial covariance matrix obtained through the uplink and outputting a predetermined number of downlink subcarrier spatial covariance matrices; 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 고유 분할기; 및An eigendivider that inputs the long-term spatial covariance matrix and divides and outputs the eigenbeam into respective eigenbeams; And 상기 분할된 고유빔과 상기 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 빔 가중치 선택기A beam weight selector for inputting the divided eigenbeam and the spatial covariance matrix for each subcarrier of the downlink and outputting beam weights for each subcarrier 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.Base station transmission and reception apparatus of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 단기 공간 공분산 행렬은, 수신되는 패킷의 길이가 짧은 경우에 상기 장기 공간 공분산 행렬과 동일한 행렬인 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.And the short-term spatial covariance matrix is a matrix equal to the long-term spatial covariance matrix when the length of a received packet is short. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 고유 분할기의 고유빔은 소정 개수의 고유벡터 중 큰 고유치에 해당하는 고유벡터로 정의되며, 복수의 고유빔 중에서 단말기의 수신 전력이 최대가 되게 하는 고유빔으로 분할되는 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.The eigenbeam of the eigendivider is defined as an eigenvector corresponding to a large eigenvalue among a predetermined number of eigenvectors, and is divided into eigenbeams to maximize reception power of a terminal among a plurality of eigenbeams. A base station transceiver of a smart antenna system for forming a unique beam. 제1항에 있어서, 상기 기지국 수신단은,The method of claim 1, wherein the base station receiving end, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 안테나 수만큼 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기;A plurality of Fourier transformers for inputting OFDM symbols respectively received through the multiple antennas, Fourier transforming the number of antennas, and outputting parallel signals; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 채널 추정기;A channel estimator for estimating a channel from the Fourier transformed parallel signal; 상기 채널 추정기의 결과를 이용하여 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기;A signal detector for detecting a symbol from the Fourier-transformed parallel signal using the result of the channel estimator and outputting a predetermined number of detected parallel signals; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 병렬/직렬(P/S) 변환기; 및A parallel / serial (P / S) converter converting the detected parallel signals into a series of serial signals and outputting the converted serial signals; And 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더A channel decoder for decoding and outputting the serially converted signal 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.Base station transmission and reception apparatus of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 채널 추정기는 빔 형성 가중치 계산을 위하여 각 부반송파별 각 파일롯의 채널 행렬을 출력하는 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 장치.And the channel estimator outputs a channel matrix of each pilot for each subcarrier to calculate a beamforming weight. OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템에 있어서,In the smart antenna system for forming a downlink unique beam of the OFDM / TDD scheme, 기지국 송신단으로부터 송신되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하거나, 각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 각각 전송하는 다중 안테나;Multiple antennas for receiving each OFDM symbol transmitted from the base station transmitting end or transmitting each OFDM symbol to the base station receiving end; 상기 기지국 송신단으로부터 각각 고유빔을 형성하여 송신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단말기 수신단; 및OFDM signals transmitted by forming a unique beam from the base station transmitter are respectively input to Fourier transform and output as parallel signals. The symbols are detected from the Fourier transformed parallel signals, converted into a series of serial signals, and then decoded. Terminal receiving end for outputting; And 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하고, 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 상기 다중 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 출력하는 단말기 송신단Each of the channel-coded symbols input in serial is converted into a predetermined number of parallel signals, respectively, and the N parallel signals are copied by the number of multiple antennas in which a plurality of user signals are input as multiplexed N parallel signals. Terminal transmitter for generating and outputting OFDM symbols 을 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.Device for transmitting and receiving a smart antenna system for forming a downlink unique beam including a. 제8항에 있어서, 상기 단말기 수신단은,The method of claim 8, wherein the terminal receiving end, 상기 다중 안테나를 통해 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 입력하여 상기 다중 안테나 수만큼 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호를 출력하는 복수의 퓨리에 변환기;A plurality of Fourier transformers for inputting OFDM symbols respectively received through the multiple antennas, Fourier transforming the number of multiple antennas to output parallel signals; 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 소정 개수의 검파된 병렬 신호를 출력하는 신호 검파기;A signal detector for detecting a symbol from the Fourier transformed parallel signal and outputting a predetermined number of detected parallel signals; 상기 검파된 병렬 신호를 일련의 직렬 신호로 변환하여 출력하는 P/S 변환기; 및A P / S converter converting the detected parallel signal into a series of serial signals and outputting the serial signal; And 상기 직렬로 변환된 신호를 디코딩하여 출력하는 채널 디코더A channel decoder for decoding and outputting the serially converted signal 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.Device for transmitting and receiving a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 채널 디코더는, 상향링크의 부반송파 간격이 채널 대역폭을 넘어서 보간이 부정확하거나 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.The channel decoder recovers an error that occurs randomly when an uplink subcarrier spacing exceeds a channel bandwidth and an interpolation is inaccurate or the terminal's moving speed is inaccurate. Terminal transceiver device of a smart antenna system for forming a unique beam. 제8항에 있어서, 상기 단말기 송신단은,The method of claim 8, wherein the terminal transmitting end, 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 복수의 기지국 안테나 수만큼의 복수의 S/P 변환기;A plurality of S / P converters as many as a plurality of base station antennas for converting channel-coded symbols inputted in series into a predetermined number of parallel signals, respectively; 복수의 사용자 신호가 다중화되어 N개의 병렬 신호로 입력되는 경우, 상기 복수의 기지국 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하는 신호 복사기; 및A signal copying machine for copying the N parallel signals by the number of base station antennas when a plurality of user signals are multiplexed and input as N parallel signals; And 상기 N개의 병렬 신호를 각각 입력하여 각각 하나의 OFDM 심볼을 생성하는 상기 복수의 기지국 안테나 수만큼의 복수의 역퓨리에 변환기A plurality of inverse Fourier transformers as many as the number of base station antennas, each inputting the N parallel signals to generate one OFDM symbol 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 장치.Device for transmitting and receiving a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법에 있어서,A base station transmission / reception method of a smart antenna system for forming downlink unique beam for OFDM / TDD scheme, a) 상향링크를 통해 단말기 송신단으로부터 전송되는 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;a) receiving each OFDM symbol transmitted from a terminal transmitter through uplink; b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 각각 출력하고, 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 채널을 추정하는 단계;b) Fourier transforming each of the received OFDM symbols and outputting each of them as a parallel signal, and estimating a channel from the Fourier transformed parallel signal; c) 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 변환하는 단계;c) converting serially input channel coded symbols into a predetermined number of parallel signals; d) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 부반송파의 각 파일롯별 채널로부터 각각의 빔 가중치를 발생시키는 단계; 및d) generating respective beam weights from each pilot channel of each subcarrier according to the channel estimation result; And e) 상기 각각의 빔 가중치에 따라 고유빔을 형성하고, 각각의 OFDM 심볼을 생성하여 상향링크를 통해 단말기 수신단으로 전송하는 단계e) forming a unique beam according to the respective beam weights, generating respective OFDM symbols, and transmitting them to the terminal receiving terminal through uplink 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Base station transmission and reception method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제12항에 있어서, 상기 d) 단계는,The method of claim 12, wherein the d) step, ⅰ) 상기 채널 추정 결과에 따른 각 파일롯별 채널 행렬을 입력하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;Iii) generating a spatial covariance matrix for each pilot of each subcarrier by inputting a channel matrix for each pilot according to the channel estimation result; ⅱ) 하나의 부반송파에 존재하는 소정 개수의 파일롯을 이용하여, 상기 파일롯별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각각의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;Ii) generating a spatial covariance matrix for each subcarrier by inputting the spatial covariance matrix for each pilot using a predetermined number of pilots present in one subcarrier; ⅲ) 하나의 사용자에게 수신되는 소정 개수의 상향링크 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 갖는 것을 이용하여, 상기 부반송파별 공간 공분산 행렬을 각각 입력하여 단기 공간 공분산 행렬을 발생하는 단계;Iv) generating a short-term spatial covariance matrix by inputting the spatial covariance matrix for each subcarrier, respectively, using a predetermined number of uplink subcarriers received by one user having the same spatial covariance matrix; ⅳ) 상기 단기 공간 공분산 행렬을 입력하여 장기 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계;Iii) outputting a long term spatial covariance matrix by inputting the short term spatial covariance matrix; ⅴ) 상기 상향링크를 통해 얻어진 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 소정 개수의 하향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 출력하는 단계;Iii) outputting a spatial covariance matrix for each downlink subcarrier by inputting a spatial covariance matrix for each uplink subcarrier obtained through the uplink; ⅵ) 상기 장기 공간 공분산 행렬을 입력하여, 각각의 고유빔(eigenbeam)으로 분할하여 출력하는 단계; 및Iii) inputting the long-term spatial covariance matrix and dividing the long-term spatial covariance matrix into respective eigenbeams; And ⅶ) 상기 분할된 고유빔과 상기 상향링크의 부반송파별 공간 공분산 행렬을 입력하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하는 단계Iii) outputting the beam weight for each subcarrier by inputting the divided eigenbeam and the spatial covariance matrix for each uplink subcarrier 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Base station transmission and reception method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 ⅰ) 단계는, 수학식 을 이용하여 각 부반송파의 파일롯별 공간 공분산 행렬을 구하며, 여기서, 는 c번째 부반송파의 번째 파일롯 톤으로 얻어지는 순시 공간 공분산 행렬인 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Step iii), To obtain the spatial covariance matrix of each subcarrier by pilot, where Is the c subcarrier A base station transmit / receive method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam, characterized in that the instantaneous spatial covariance matrix obtained by the second pilot tone. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 ⅱ) 단계는 한 부반송파에 존재하는 개의 파일롯을 이용하여 수학식 와 같이 정의되는 부반송파 c의 공간 공분산 행렬을 구하는 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Step ii) is present in one subcarrier Using two pilots A base station transmission / reception method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam, characterized in that it obtains a spatial covariance matrix of subcarriers c defined as follows. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 ⅲ) 단계는 한 사용자에 할당된 상향 링크의 C개의 부반송파가 모두 동일한 공간 공분산 행렬을 가지므로, 수학식 을 이용하여 단기 공간 공분산 행렬( R ST )을 구하는 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.In step iii), the C subcarriers of the uplink allocated to one user all have the same spatial covariance matrix, A base station transmission / reception method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam, characterized in that to obtain a short-term spatial covariance matrix ( R ST ) by using a. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 ⅳ) 단계는 수학식 를 이용하여 장기 공간 공분산 행렬( R LT )을 구하며, 여기서, 는 프레임 수이며, 는 포겟팅 팩터(forgetting factor)인 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Step iii) is a mathematical equation To obtain the long-term spatial covariance matrix ( R LT ), where Is the number of frames, The base station transmission and reception method of the smart antenna system for forming a downlink unique beam, characterized in that the forcing factor (forgetting factor). 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 ⅵ) 단계는 수학식 를 이용하여 고유 분할을 수행하며, 여기서,로서 고유치(eigenvalue)를 요소로 갖는 대각선 행렬이며, 이고, v L은 λL에 대응하는 고유벡터인 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Step iii) is a mathematical equation To perform unique partitioning, where Eigenvalue as Is a diagonal matrix with And v L is an eigenvector corresponding to λ L. The base station transmit / receive method of a smart antenna system for forming a downlink eigenbeam. 제18항에 있어서,The method of claim 18, 상기 ⅶ) 단계는, 수학식 를 이용하여 각 부반송파별 빔 가중치를 출력하며, 여기서, 는 하향 링크의 k번째 부반송파인 것을 특징으로 하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 기지국 송수신 방법.Step iii), Output beam weights for each subcarrier using The base station transmission and reception method of the smart antenna system for forming a downlink unique beam, characterized in that the downlink k-th subcarrier. OFDM/TDD 방식의 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법에 있어서,A method for transmitting / receiving a terminal of a smart antenna system for forming an OFDM / TDD type downlink unique beam, a) 기지국 송신단으로부터 전송되는 고유빔이 형성된 각각의 OFDM 심볼을 수신하는 단계;a) receiving each OFDM symbol having a unique beam transmitted from a base station transmitting end; b) 상기 각각 수신되는 OFDM 심볼들을 각각 퓨리에 변환하여 병렬 신호로 출력하는 단계;b) Fourier transforming each of the received OFDM symbols and outputting the parallel symbols in parallel; c) 상기 퓨리에 변환된 병렬 신호로부터 심볼을 검출하여 일련의 직렬 신호로 변환한 후, 디코딩된 신호를 출력하는 단계;c) detecting a symbol from the Fourier transformed parallel signal, converting the symbol into a series of serial signals, and outputting a decoded signal; d) 각각 직렬로 입력되는 채널 부호화된 심볼들을 소정 개수의 병렬 신호로 각각 변환하는 단계;d) converting each of the channel-coded symbols input in series into a predetermined number of parallel signals, respectively; e) 복수의 사용자 신호가 다중화된 N개의 병렬 신호로 입력되는 복수의 단말기 안테나 수만큼 상기 N개의 병렬 신호를 복사하여, 각각의 OFDM 심볼을 생성하는 단계; 및e) generating the respective OFDM symbols by copying the N parallel signals by the number of terminal antennas inputted with N parallel signals multiplexed by a plurality of user signals; And f) 상기 각각의 OFDM 심볼을 기지국 수신단으로 각각 전송하는 단계f) transmitting each OFDM symbol to a base station receiving end, respectively 를 포함하는 하향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.Terminal transmission and reception method of a smart antenna system for forming a downlink unique beam comprising a. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 c) 단계는, 상향링크의 부반송파 간격이 채널 대역폭을 넘어서 보간이 부정확하거나, 상기 단말기의 이동 속도가 빨라서 최적 고유빔 선택이 부정확해지는 경우, 랜덤하게 발생하는 에러를 복구하는 단계를 추가로 포함하는 상향링크용 고유빔을 형성하기 위한 스마트 안테나 시스템의 단말기 송수신 방법.The step c) further includes recovering an error that occurs randomly when an interpolation is incorrect because an uplink subcarrier spacing exceeds a channel bandwidth or an optimal eigenbeam selection is inaccurate due to a fast moving speed of the terminal. Terminal transmission and reception method of a smart antenna system for forming a unique beam for uplink.
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