KR100525390B1 - 공통 채널을 위한 빔 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전용 채널을 위한 빔 형성과는 독립적으로, 상기 각 안테나마다 상기 공통 채널을 위한 웨이트 벡터를 산출하되, 상기 각 안테나마다 균등하게 할당된 방향에 대하여 최대 이득을 가지도록 하는 적어도 하나의 웨이트 벡터를 산출하는 단계와, 특정 사용자에 대한 공통 채널의 데이터를 상기 웨이트 벡터에 곱하여 전송하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국이 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 방법에 관한 것으로써, 기지국의 용량을 증가시키고, 통화 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Description

공통 채널을 위한 빔 형성 방법{Method of Beam Forming for Common Channel}

본 발명은 공통 채널을 위한 빔 형성 방법에 관한 것으로써, 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국에서 안테나 어레이를 사용하여 신호를 전송하는 경우, 공통 채널을 통해 전송되는 신호를 위한 빔 형성을 하기 위한 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 스마트 안테나 시스템은 다수의 안테나를 기지국에 설치하여 특정 사용자의 위치에 따른 빔을 형성하여 다른 사용자의 위치로는 신호를 전송하지 않고, 특정 사용자가 위치한 방향으로만 신호를 전송할 수 있는 시스템이다.

상기 스마트 안테나 시스템은 특정 사용자 방향으로만 빔을 형성하기 때문에 전용 채널을 위한 빔을 형성하는 데에는 문제가 없지만, 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 데에는 모든 방향으로 빔을 형성해야 하기 때문에 WCDMA 시스템에서의 공통 채널과 스마트 안테나 시스템의 개념은 다소 상반된다고 할 수 있다.

WCDMA 시스템에서 공통 채널은 특정 기지국이 관리하는 하나의 셀 영역에 속하고 있는 모든 단말기를 전송 대상으로 하는 채널을 가리킨다. 예를 들어, 임의의 단말기의 전원이 켜지면, 이 단말기는 기지국이 송신하는 동기 채널을 통하여 기지국과 동기되고, 이후에 공통 파일럿 채널을 수신한다.

이와 같이, 단말기는 이런 공통 채널들을 수신하지 않고서는 통화 상태로 진입할 수 없는 특성을 지닌다.

따라서, 스마트 안테나가 설치된 기지국은 WCDMA 시스템의 공통 채널을 어떻게 전송할 것인가를 고려해야 한다.

즉, 종래 기술의 WCDMA 시스템에서의 기지국은 원하는 정보를 단말기로 송신하는 경우에 단일 안테나를 사용하기 때문에 공통 채널과 특정 사용자를 위한 전용 채널을 동시에 전송하는데 별도의 어려움이 없었다.

그러나, 스마트 안테나 시스템은 다수의 안테나를 사용하기 때문에 공통 채널과 전용 채널을 전송하는데 있어 다음과 같은 문제점이 있을 수 있다.

도 1의 예를 들어, 사용자1, 사용자3, 사용자4의 각각의 단말기는 이미 공통 채널을 수신한 후, 전용 채널에 대해 빔을 형성하고 있는 상태를 가정하고, 사용자2의 단말기는 전원이 차단되어 있는 상태를 가정하면, 사용자1, 사용자3, 사용자4의 각 단말기에 전송할 공통 채널의 빔 형성을 위해 전용 채널 빔 형성 웨이트와 같은 웨이트 벡터로 사용한다고 하면, 사용자 2는 공통 채널을 수신하는 데 어려움을 겪게 된다.

따라서, 공통 채널이 한 셀 내에서 모든 방향으로 전송되어야 하는 점을 고려하여 특정 사용자의 방향으로 빔을 형성해야 하는 전용 채널과 달리 공통 채널을 위한 별도의 웨이트 벡터를 따로 만들어 내야 한다.

물론 공통 채널을 안테나 어레이의 구성 안테나 중 하나의 안테나로만 전송할 수도 있으나, 하나의 안테나만을 사용하여 모든 셀 영역에 신호를 전송하기 위해 그 특정 안테나의 신호 세기만을 높여야 하므로 전용 채널의 빔 형성에 간섭을 일으키는 단점이 있다.

그리고, 별도의 안테나를 전용 채널을 위한 안테나 어레이 외에 공통 채널 전송을 위해서 사용할 수도 있으나 이것은 별도의 안테나가 필요하여 스마트 기지국의 가격 상승 요인이 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 기지국 용량을 증가시키기 위한 복수의 안테나를 통한 신호의 전송 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 통신 품질을 향상시키기 위한 복수의 안테나를 통한 신호의 전송 방법을 제공하기 위한 것이다.

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WCDMA 시스템을 위한 공통 채널 및 전용 채널을 적응 안테나 어레이를 이용하여 전송하는 방법 및 이를 위한 장치를 제안한다.상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국이 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 방법에 있어서, 전용 채널을 위한 빔 형성과는 독립적으로, 상기 각 안테나마다 상기 공통 채널을 위한 웨이트 벡터를 산출하되, 상기 각 안테나마다 균등하게 할당된 방향에 대하여 최대 이득을 가지도록 하는 적어도 하나의 웨이트 벡터를 산출하는 단계와, 특정 사용자에 대한 공통 채널의 데이터를 상기 웨이트 벡터에 곱하여 전송하는 단계를 포함하는 공통 채널을 위한 빔 형성 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국이 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 방법에 있어서, 상기 기지국이 담당하는 셀을 균등한 각도로 분할하고, 상기 분할된 각도마다 각 빔의 메인 로브가 위치하도록 웨이트 벡터들을 구성하는 단계와, 모든 사용자에 대한 공통 채널의 데이터를 상기 웨이트 벡터들에 곱하여 전송하는 단계를 포함하는 공통 채널을 위한 빔 형성 방법을 제공한다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 일반적인 스위칭 빔 시스템을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2에 도시된 빔형성기의 빔형성을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 빔 시스템은 여러 개의 빔 형성기(101a~101c)를 두고, 빔 선택기(102)에 의해 이 중 최적의 빔 패턴을 생성하는 빔을 선택하도록 하고 있다.

이때, 상기 빔 형성기(101a~101c)는 각 안테나에 수신된 신호의 벡터(x₁(t), x₂(t),...,x_N(t))와 상기와 같은 웨이트 벡터의 허미션(Hermitian) 연산(w₁(t), w₂(t),...,w_N(t))을 복소 내적하여 형성한다.

상기 각 안테나에 수신되는 신호는 각 안테나 순서대로 신호 벡터로 생성됨을 가정한다.

이와 같은 원리에 따라 본 발명에 따른 공통 채널 및 전용 채널 전송을 위한 빔 형성은 다음과 같은 구성에 의하여 이루어진다.

도 4는 본 발명에 따른 적응 안테나 어레이의 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 공통 채널 데이터의 빔을 형성하는 공통 채널 빔형성기(201)와, 전용 채널 데이터의 빔을 형성하는 전용 채널 빔형성기(202-1~202-L;L은 2이상의 정수)와, 상기 공통 채널 빔형성기(201)의 출력을 확산하는 공통 채널 확산기(202-1~203-N;N은 2이상의 정수)와, 상기 전용 채널 빔형성기(202-1~202-L)의 출력을 확산하는 전용 채널 확산기(204-1~204-L, 205-1~205-L)와, 이 확산된 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털 아날로그 변환기(206-1 ~ 206-N)와, 이 기저대역의 아날로그 신호를 초고주파 대역으로 변환하는 주파수 상향 변환기(207-1 ~ 207-N)로 구성된다.

이와 같은 구성에 따른 동작을 설명하기에 앞서 웨이트 벡터 및 이 웨이트 벡터의 빔패턴에 대한 개념을 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 웨이트 벡터는 주어진 수신 신호 벡터로부터 원하는 신호 성분의 방향으로는 이득을 크게 주고, 다른 방향으로는 이득을 최소화 함으로써, 특정 방향으로 수신되는 원신호만을 수신할 수 있도록 각 안테나에 곱해주어야 하는 벡터를 일컫는 것이다.

이 웨이트 벡터를 구하는 방법은 여러 가지 방법이 있는데, 이중에서 스위칭 빔 어레이는 미리 계산된 웨이트 벡터 여러 개를 가지고 신호를 수신하는 방법으로, 각 웨이트 벡터가 특정 방향으로 최대의 이득을 가지고 있도록 미리 설정하여 각 빔이 그 방향으로 들어오는 신호원을 더 크게 받아들일 수 있도록 하는 방법이다.

즉, 수신 신호 벡터로부터 웨이트 벡터를 계산하는 복잡한 알고리즘을 사용하지 않고 미리 설정된 여러 개의 빔 중 하나를 선택하여 신호를 수신하는 방법이다.

상기 웨이트 벡터의 빔패턴은 상기 웨이트 벡터와, 방향 벡터를 모든 각도에 대해서 내적한 결과값, 즉 각 각도에서 웨이트 벡터가 어떤 이득을 나타내는지 보여주는 것으로, 웨이트 벡터() 에 대한 빔패턴의 함수 (P(q))은 다음 수학식 1과 같다.

,

이때, q는 각도 theta로 대체 가능하며, 는 방향 벡터를 나타내는 것으로, 다음 수학식 2로 나타낼 수 있다.

이때, 함수 P(q)를 모든 방향(-90도 ~ 90도)을 x축으로 하여 그린 것이 웨이트 벡터의 빔 패턴이다. 이러한 빔 패턴의 한 예를 도 5에 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 30도 방향으로 최대의 이득을 주도록 빔을 설정하려면 상기 수학식 2의theta에 30도를 대입하면 30도 방향에 주빔(main robe)이 형성되는 웨이트 벡터를 구할 수 있다.

제1 실시예

본 발명에서는 이와 같은 스위칭 빔 시스템을 이용하여 특정 방향으로 최대 이득을 나타내는 빔을 여러 개 형성하여 모든 셀 영역에 공통 채널을 전송할 수 있도록 하는 방법을 제시한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 공통 채널 전송 빔을 생성하기 위한 절차를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 기지국은 해당 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기의 수에 따라 공통 채널 전송에 이용되어질 웨이트 벡터 수 테이블을 마련한다. (S10)

또한, 해당 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기의 수가 같다 할지라도, 각 단말기들이 셀 영역 내에서 산발적으로 위치하거나, 응집하여 위치할 수도 있으므로, 같은 웨이트 벡터 수를 갖지만 다른 위상 배치의 빔 패턴을 갖도록 웨이트 벡터 셋 테이블을 마련한다. (S11)

즉, 해당 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기의 수가 많아질수록 이용되는 웨이트 벡터 수는 증가하는 특성을 지닌다.

이와 동시에 이 단말기들의 위치가 셀 영역에서 어떤 분포도를 가지느냐에 따라 이용되는 웨이트 벡터들의 각 메인 로브의 위치들은 등간격을 이루거나, 0도~30도, 30도 ~60도, 60도~90도, 0도~-30도, -30도~-60도, -60도~-90도 중 특정 간격에 메인 로브의 위치들이 집중되도록 웨이트 벡터 셋 테이블을 마련한다. 즉, 단말기의 위치 분포도가 큰 셀 영역에 공통 채널 전송 빔이 더 할당되도록 하는 것이다.

이때, 상기 기지국은 해당 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기들의 위치를 파악할 수 있는 기능을 갖는 것을 가정한다.

따라서, 해당 기지국은 공통 채널을 각 단말기에 전송하고자 하는 경우에, 먼저 해당 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기 수를 파악한다. 그리고, 이 단말기들의 액티브 셋 영역에서의 위치 분포도를 파악한다.(S12)

상기 파악된 단말기 수 및 위치 분포도에 따라 선택된 웨이트 벡터들을 이용하여 공통 채널 전송 빔을 생성한다.(S13)

이와 같은 공통 채널 전송 빔은 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 공통 채널 빔형성기(201)에 의해서 생성되고, 이 생성된 빔은 스위칭 빔 안테나 어레이의 수 N에 상응하여 구비되는 각각의 공통 채널 확산기(202-1~203-N;N은 2이상의 정수)에 의해 확산되고, 이 확산된 신호는 디지털 아날로그 변환기(206-1 ~ 206-N)에 의해 아날로그 신호로 변환되고, 이 아날로그 신호는 주파수 상향 변환기(207-1 ~ 207-N)에 의해 초고주파 대역으로 변환되어 최종적으로 안테나 어레이를 통하여 각 단말기들에 전송된다.

상기 공통 채널 전송과는 별도로 특정 단말기들에 전송되기 위한 전용 채널데이터는 사용자 단말기 수 L에 상응하여 구비되는 전용 채널 빔형성기들(202-1~202-L;L은 2이상의 정수)중 어느 하나에 의해 빔으로 형성되고, 이 생성된 빔은 전용 채널 확산기(204-1~204-L, 205-1~205-L)중 어느 하나에 의해 확산되고, 이 확산된 신호는 디지털 아날로그 변환기(206)에 의해 아날로그 신호로 변환되고,이 기저대역의 아날로그 신호는 주파수 상향 변환기(207)에 의해 초고주파 대역으로 변환된다.

이와 같이 수신 빔을 생성할 때 응용되던 스위칭 빔 시스템을 WCDMA 시스템의 공통 채널을 전송할 때 사용하고자 하는 것은 일단 스위칭 빔 시스템의 웨이트 벡터를 만드는 것은 매우 간단하기 때문이다.

아울러, 각 각도 방향으로 최대 이득을 가지는 빔 패턴을 만들어 내는 웨이트 벡터를 여러 개 만들어 각 방향으로 전송하게 함으로써 결국 모든 방향으로 공통 채널이 골고루 방사될 수 있도록 하기 위해서이다.

그리고, 스위칭 빔을 만들 때 각 빔이 가지는 최대 이득 방향이 아닌 곳에서는 그 빔패턴의 이득이 줄어들기 때문에 촘촘히 빔들을 많이 만들어서 설정하면 그런 단점을 극복할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 공통 채널 전송 빔 패턴을 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 미리 설정되어 있는 여러 빔 중 하나를 선택하는 것으로, 기지국이 담당하여야 하는 지역을 빔 모양으로 세분화하여 각 빔이 세분된 영역을 담당하는 시스템이라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 스위칭 빔 시스템은 섹터를 세분화하는 효과를 가진다고 할 수 있다. 그리고, 단말기가 셀 영역을 이동함에 따라 각 빔에 단말기가 속하게 되면, 그 해당 빔을 단말기에 설정해 주면 되는 것이다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에서는 기지국이 공통 채널을 전체 셀 영역의 모든 단말기에 전송함에 있어, 별도의 안테나를 설치하지 않고, 전용 채널을 위한 빔 형성과의 간섭없이, 각 지역을 담당하는 스위칭 빔을 미리 설정하여 그 빔을 모두 전송하게 하여 전체 셀 영역에 고루 공통 채널이 전송될 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 공통 채널을 모든 방향으로 전송하고자 하고자 할 때 하나의 사용자 및 하나의 공통 채널만을 고려하고, D개의 스위칭 빔을 사용한다고 가정하면, 안테나 어레이가 설치된 WCDMA용 기지국에서 전송되는 공통 채널 신호는 다음 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

이때, 는 스위칭 빔을 형성하기 위한 미리 정하여진 웨이트 벡터를 나타내고, s_common`(t)는 특정 사용자의 특정 공통 채널을 위한 데이터를, 는 스위칭 빔 형성을 위한 웨이트 벡터의 특정 사용자의 특정 공통 채널을 위한 데이터가 곱하여진 신호를 나타낸다.

이렇게 하면, 안테나 어레이를 사용함으로써 전체 셀 영역에 신호가 고루 전파될 수 없는 단점을 극복할 수 있다.

이 공통 채널을 다른 전용 채널과 동시에 전송한다고 가정하면, 전용 채널은 특정 방향으로 빔을 형성할 수 있는 다른 웨이트 벡터를 사용하기 때문에 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

이때, 는 빔형성된 전용 채널 신호를, 는 전용 채널을 위한 웨이트 벡터를 , 는 빔형성 전의 전용 채널 신호를 각각 나타낸다.

제 2 실시예

본 발명에서는 상기와 같은 방법 이외에도 각 스위칭 빔의 웨이트 벡터를 더하여 신호를 전송하게 할 수도 있는데, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공통 채널 전송 빔의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 스위칭 빔의 각 빔을 만들기 위한 웨이트 벡터들을 모두 더하여 만든 빔으로서, 스위칭 빔의 각각에 비해 빔 모양이 모든 방향으로 고루 이득을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

전용 채널을 위해서라면 도 8의 빔 모양이 전혀 적당하지 않지만 전체 셀 영역으로 신호가 고루 분포되어야 하는 공통 채널을 위해서는 적당한 빔 모양이라고 할 수 있다. 이 방법을 위한 웨이트 벡터는 다음 수학식 5로 표현할 수 있다.

즉, 각각의 스위칭 빔을 형성하기 위한 웨이트 벡터를 나타내는 를 alpha_k라는 계수로 곱하고, D개의 스위칭 빔들에 대해 모두 더해 하나의 웨이트 벡터를 만들어 내는데, 그 만들어낸 웨이트 벡터의 방사 패턴이 전방향으로 신호가 방사될 수 있게끔 alpha_k 계수를 미리 결정하면 되는 것이다.

이 방법은 공통 채널을 전송하고자 할 때, 수학식 3이 나타내는 방법처럼 스위칭 빔 개개의 빔을 모두 공통 채널에 곱하여 전방향으로 공통 채널 신호를 전송하는 것이 아니라 미리 전방향으로 신호를 방사할 수 있는 빔패턴을 의도적으로 만들어서 그 웨이트 벡터 하나에만 공통 채널 신호를 곱해 신호를 전송하는 방법이라고 할 수 있다.

본 발명이 적용되는 WCDMA 시스템의 공통 채널은 본 발명이 순방향 채널을 대상으로 하기 때문에, CPICH (Common Pilot channel), P-CCPCH (Primary Common Control Physical channel), S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) (이중 Paging Channel을 포함하는 S-CCPCH의 경우만 해당됨), SCH (Synchronization Channel), AICH (Acquisition Indication Channel), CD/CA-ICH (Collision Detector/Channel Assignment Indicator Channel), PICH (Page Indication Channel), CSICH (CPCH Status Indicator Channel)와 같은 채널들이 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 기지국의 용량을 증가시키고, 통화 품질을 향상시키는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전용 채널 및 공통 채널 전송을 위한 빔 패턴의 일 예를 나타낸 도면.

도 2는 일반적인 스위칭 빔 시스템을 나타낸 도면.

도 3은 도 2에 도시된 빔형성기의 빔형성 모듈을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 적응 안테나 어레이의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5는 일반적인 빔 패턴의 예를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 공통 채널 전송 빔을 생성하기 위한 절차를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 공통 채널 전송 빔 패턴을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공통 채널 전송 빔의 다른 예를 나타낸 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

201 : 공통 채널 빔형성기

202-1~202-L : 전용 채널 빔형성기

203-1~203-N : 공통 채널 확산기

204-1~204-L, 205-1~205-L : 전용 채널 확산기

206-1~206-N : 디지털 아날로그 변환기

207-1~207-N : 주파수 상향 변환기

Claims (8)

1. 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국이 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 방법에 있어서,

   전용 채널을 위한 빔 형성과는 독립적으로, 상기 각 안테나마다 상기 공통 채널을 위한 웨이트 벡터를 산출하되, 상기 각 안테나마다 균등하게 할당된 방향에 대하여 최대 이득을 가지도록 하는 적어도 하나의 웨이트 벡터를 산출하는 단계; 및

   특정 사용자에 대한 공통 채널의 데이터를 상기 웨이트 벡터에 곱하여 전송하는 단계

   를 포함하는 공통 채널을 위한 빔 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산출된 적어도 하나의 웨이트 벡터들을 선형적으로 합산하는 단계를 더 포함하고, 상기 공통 채널의 데이터를 상기 합산된 웨이트 벡터에 곱하여 전송하는 것을 특징으로 하는 공통 채널을 위한 빔 형성 방법.
3. 적어도 하나의 안테나를 구비한 기지국이 공통 채널을 위한 빔을 형성하는 방법에 있어서,

   상기 기지국이 담당하는 셀을 균등한 각도로 분할하고, 상기 분할된 각도마다 각 빔의 메인 로브가 위치하도록 웨이트 벡터들을 구성하는 단계; 및

   모든 사용자에 대한 공통 채널의 데이터를 상기 웨이트 벡터들에 곱하여 전송하는 단계

   를 포함하는 공통 채널을 위한 빔 형성 방법.
4. 안테나 어레이가 구비된 기지국 시스템에서,

   단말기 수에 따라 이용될 웨이트 벡터 수 및 이 단말기들의 위치 분포도에 따라 이용될 웨이트 벡터 셋 테이블을 마련하는 단계;

   입력된 데이터가 상기 기지국이 관리하는 모든 단말기에 보내어질 데이터인지 아닌지를 판단하는 단계;

   상기 기지국을 액티브 셋으로 하는 단말기의 수 및 이 단말기들의 위치 분포도를 파악하는 단계;

   상기 데이터가 모든 단말기에 보내어질 데이터인 경우 상기 파악된 결과에 따라 상기 테이블에 마련된 웨이트 벡터 수 또는 웨이트 벡터 셋을 선택하는 단계;

   상기 선택된 웨이트 벡터를 이용하여 상기 모든 단말기에 전송되어질 공통 채널 전송 빔을 생성하는 단계; 및

   상기 공통 채널 전송 빔을 확산 및 변환하여 상기 안테나를 통해 상기 기지국을 액티브 셋으로 하는 모든 단말기들에 전송하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복수의 안테나를 통한 신호의 전송 방법.
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