KR100666402B1 - 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치 및 송신 방법 - Google Patents

셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치 및 송신 방법 Download PDF

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장갑석
김일규
김영훈
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한국전자통신연구원
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Abstract

셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치에서, 할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고, 각 그룹을 적어도 두 개의 서브그룹으로 분할하고, 복수의 그룹에 의해 형성되는 복수의 서브그룹 중 복수의 제1 서브그룹을 셀 경계용으로 할당한다. 송신 장치는 복수의 제1 서브그룹의 사용자 신호에 각각 대응하는 빔형성 가중치를 곱하고, 빔형성 가중치가 곱해진 사용자 신호에 부반송파를 할당한 후 복수의 안테나를 통하여 송신한다.
주파수, 부반송파, 셀룰러, 할당, 서브그룹, 다중 안테나

Description

셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치 및 송신 방법{TRANSMITTING DEVICE AND TRANSMITTING METHOD OF BASESTATION IN CELLULAR SYSTEM}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 1번 셀에서의 기지국과 단말을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 각각 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 셀 별 주파수 할당 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3 내지 도 6의 셀 별 주파수 할당 방법에 따라 기지국에서 단말로 신호를 송신하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치의 개략적인 블록도이다.
도 9는 도 8의 셀 경계용 다중 안테나 변조기의 상세 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나에서의 빔형성을 나타내는 도면이다.
도 11은 기지국 송신 장치의 복수의 안테나를 나타내는 도면이다.
본 발명은 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치 및 송신 방법에 관한 것으로, 특히 직교 주파수 분할 다중(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) 변복조를 이용하는 셀룰러 시스템에서 셀 경계 영역에 대한 데이터 송신 방법에 관한 것이다.
OFDM 셀룰러 시스템은 다수 사용자 다이버시티 이득을 이용하여 하향 링크의 데이터 전송율(throughput)을 향상시키고 있다. 다수 사용자 다이버시티 이득 방식은 인접한 부반송파들을 하나로 묶어서 그룹을 만들고, 각 사용자에게 채널 특성이 좋은 그룹을 할당하여 그룹 단위로 데이터를 전송하는 방식이다. 다수 사용자 다이버시티 이득을 얻기 위해서는 OFDM 셀룰러 시스템이 각 사용자로부터 채널 특성이 좋은 그룹에 대한 정보를 피드백 받아야 한다. 이러한 다수 사용자 다이버시티 이득은 주어진 주파수 대역 내에서 그룹 수가 많을수록 더 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나 그룹 수가 많아지면 피드백 량이 많아지는 단점이 있으므로 그룹 수를 증가시키는 데에는 한계가 있다.
그리고 OFDM 셀룰러 시스템에서는 셀 간 간섭으로 셀 경계에서의 데이터 전송율이 저하되는 문제점이 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 부분 주파수 재사용(fractional frequency reuse) 방식이 사용되고 있다. 부분 주파수 재사용 방식은 복수의 기지국(셀)이 있는 경우에 각 기지국이 주파수 대역 별로 송신 전력을 적절히 조절하여 셀 경계에 위치한 사용자는 특정 주파수 대역에서만 통신이 가능하도록 하는 방식이다. 이러한 특정 주파수 대역을 "셀 경계용 주파수"라 한다. 그 리고 각 셀마다 셀 경계용 주파수를 서로 다른 주파수로 설정하면 셀 경계 사용자간 간섭을 줄일 수 있다.
그런데, 부분 주파수 재사용 방식을 사용하여도 한정된 그룹의 개수로 인해 셀 경계용으로 할당될 수 있는 그룹 수가 적다. 이로 인해, 다수 사용자 다이버시티 이득이 감소하여 셀 경계에서의 데이터 전송율이 저하될 수 있으며, 또한 주파수 선택도가 낮아서 코딩 이득이 저하되기 때문에 전송율이 감소할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 셀 경계에서 데이터 전송율을 향상시킬 수 있는 셀룰러 시스템의 송신 장치 및 데이터 전송 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치는, 셀 경계 사용자 신호 생성기 및 셀 경계용 다중 안테나 변조기를 포함한다. 셀 경계 사용자 신호 생성기는, 할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고, 각 그룹을 적어도 두 개 이상의 서브그룹으로 분할하고, 상기 복수의 그룹에 의해 형성되는 복수의 서브그룹 중 복수의 제1 서브그룹을 셀 경계용으로 할당하며, 상기 복수의 제1 서브그룹에 각각 대응하는 복수의 셀 경계 사용자 신호를 각 부반송파에 생성한다. 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 상기 복수의 셀 경계 사용자 신호에 각각 대응하는 빔형성 가중치를 적용한다.
상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 상기 복수의 제1 서브그룹에 각각 대응하는 복수의 서브그룹 빔형성기를 포함하며, 각 서브그룹 빔형성기는 상기 복수 의 셀 경계 사용자 신호 중 대응하는 셀 경계 사용자 신호에 상기 대응하는 빔형성 가중치를 곱할 수 있다.
상기 셀 경계 사용자 신호 생성기는, 상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하여 상기 복수의 제1 서브그룹 중 상기 피드백 정보에 대응하는 제1 서브그룹에 상기 단말의 상기 셀 경계 사용자 신호를 할당할 수 있다.
이때, 상기 피드백 정보는 상기 복수의 제1 서브그룹 중 채널 특성이 좋은 제1 서브그룹에 대한 정보 및 상기 단말이 셀 경계에 위치하는지 셀 중심에 위치하는지에 대한 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀룰러 시스템에서 단말로 신호를 송신하는 방법은, 할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고, 상기 복수의 그룹 중 적어도 하나의 제1 그룹을 셀 경계용으로 할당하고 상기 제1 그룹 이외의 나머지 제2 그룹을 셀 중심용으로 할당하며, 상기 적어도 하나의 제1 그룹을 복수의 서브그룹으로 분할한다. 그리고 이 송신 방법은, 상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보로부터 상기 단말의 셀 내 위치를 판단한다. 다음, 이 송신 방법은, 상기 단말이 셀 경계에 위치하는 경우에 상기 복수의 서브그룹 중 상기 피드백 정보에 대응하는 서브그룹의 부반송파를 상기 단말로 할당하고, 상기 할당된 부반송파에 상기 단말의 사용자 신호를 실어 송신한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 셀룰러 시스템에서 단말로 신호를 송신하는 방법은, 할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고, 상기 복수의 그룹 중 적어도 하나의 그룹을 셀 경계용으로 할당하고 상기 복수의 그룹을 셀 중심용으로 할당하며, 상기 셀 경계용으로 할당된 상기 적어도 하나의 그룹을 복수의 서브그룹으로 분할한다. 그리고 이 송신 방법은, 상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보로부터 상기 단말의 셀 내 위치를 판단한다. 다음, 이 송신 방법은, 상기 단말이 셀 경계에 위치하는 경우에 상기 복수의 서브그룹 중 상기 피드백 정보에 대응하는 서브그룹의 부반송파를 상기 단말로 할당하고, 상기 할당된 부반송파에 상기 단말의 사용자 신호를 실어 송신한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 그리고 각 블록은 특정한 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치 및 데이터 송신 방법에 대해서 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 셀룰러 시스템을 OFDM 변복조를 이용하는 셀룰러 시스템으로 설명한다.
먼저, 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 셀룰러 시스템에서 주파수를 할당하여 신호를 송신하는 방법에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1의 1번 셀에서의 기지국과 단말을 나타내는 도면이다. 도 1에서는 설명의 편의상 셀룰러 시스템에 7개의 셀(C1-C7)이 형성되어 있는 것으로 도시하였다.
도 1을 보면, 1번 셀(C1)을 중심으로 6개의 셀(C2-C7)이 시계 방향으로 형성되어 있다. 이러한 구조에서 1번 셀(C1)은 다른 6개의 셀(C2-C7)과 모두 인접하여 있으므로, 셀룰러 시스템은 1번 셀의 경계(C11)에 다른 6개의 셀의 경계(C21-C71)에 할당되는 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 할당한다. 2번, 4번 및 6번 셀(C2, C4, C6)은 서로 인접하여 있지 않으므로, 셀룰러 시스템은 이들 셀의 경계(C21, C41, C61)에 동일한 주파수 대역을 할당한다. 마찬가지로, 3번, 5번 및 7번 셀(C3, C5, C7)은 서로 인접하여 있지 않으므로, 셀룰러 시스템은 이들 셀의 경계(C31, C51, C71)에 동일한 주파수 대역을 할당한다. 그리고 셀룰러 시스템은 2번, 4번 및 6번 셀의 경계(C21, C41, C61)에 할당되는 주파수 대역과 3번, 5번 및 7번 셀의 경계(C31, C51, C71)에 할당되는 주파수 대역을 다르게 설정한다.
그러면 도 2에 도시한 바와 같이 각 셀의 기지국(10)은 할당된 주파수 대역을 사용하여 셀 중심의 단말(20a)과 셀 경계의 단말(20b)로 데이터를 송신할 수 있다.
다음, 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 셀룰러 시스템에서 셀 중심과 셀 경계에 주파수를 할당하는 방법에 대해서 도 3 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3 내지 도 6은 각각 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 셀 별 주파수 할당 방법을 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 6에서는 셀룰러 시스템이 할당된 주파수 대역을 10개의 그룹(F1-F10)으로 나누는 것으로 가정하였으며, 각 그룹은 인접하여 있는 복수의 부반송파로 형성되어 있다.
먼저, 도 3을 보면, 제1 실시예에 따른 셀룰러 시스템은 각 그룹(F1-F10)에서 일부 부반송파(F1a-F10a)에 해당하는 서브그룹을 셀 경계용으로 할당하고, 나머지 부반송파(F1b-F10b)에 해당하는 서브그룹을 셀 중심용으로 할당한다.
구체적으로, 셀룰러 시스템은 1번 셀의 경계(C11)에는 각 그룹(F1-F10)의 일부 부반송파(F1a-F10a)를 할당하고 1번 셀(C1)의 중심에는 각 그룹(F1-F10)의 나머지 부반송파(F1b-F10b)를 할당한다. 그리고 셀룰러 시스템은 1번 셀의 경계(C11)에 할당된 부반송파(F1a-F10a)와는 다른 부반송파(F1c-F10c)를 가지는 서브그룹을 2번, 4번 및 6번 셀의 경계(C21, C41, C61)에 할당하고, 나머지 부반송파(F1d-F10d)를 가지는 서브그룹을 이들 셀(C2, C4, C6)의 중심에 할당한다. 또한, 셀룰러 시스템은 1번, 2번, 4번 및 6번 셀의 경계(C11, C21, C41, C61)에 할당된 부반송파(F1a-F10a, F1c-F10c)와는 다른 부반송파(F1e-F10e)를 가지는 서브그룹을 3번, 5번 및 7번 셀의 경계(C31, C51, C71)에 할당하고, 나머지 부반송파(F1f-F10f)를 가지는 서브그룹을 이들 셀(C3, C5, C7)의 중심에 할당한다. 이와 같이 하면, 셀 경계의 단말(도 2의 20b)에 셀 중심의 단말(도 2의 20a)이 사용할 수 있는 그룹(F1- F10)과 동일한 개수의 그룹이 할당될 수 있으므로, 셀 경계에서도 다수 사용자 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있다.
그리고 셀 중심 및 셀 경계의 단말(20a, 20b)은 각각 셀 중심 또는 셀 경계에 있는지 여부와 10개의 그룹(F1-F10) 중 채널 특성이 좋은 그룹에 대한 정보를 기지국(10)으로 피드백하고, 기지국(10)은 피드백 정보를 이용하여 주파수 자원을 스케줄링할 수 있다. 이때, 두 단말(20a, 20b)이 동일한 그룹에 대한 정보를 기지국(10)으로 피드백한 경우에도 두 단말(20a, 20b)은 서로 다른 부반송파를 사용할 수 있다. 그리고 피드백 데이터량은 그룹의 개수에 따라 결정되므로 모든 단말은 셀 위치에 관계 없이 동일한 피드백 데이터량을 가질 수 있다.
다음, 도 4를 보면, 제2 실시예에 따른 셀룰러 시스템은 셀 경계에 각 그룹에서 일부 부반송파를 가지는 서브그룹을 할당한다는 점에서는 제1 실시예와 동일하지만, 셀 중심에 각 그룹의 모든 부반송파를 할당한다는 점에서는 제1 실시예와 다르다. 따라서 제2 실시예에 따른 셀룰러 시스템도 셀 경계의 단말에 셀 중심의 단말이 사용할 수 있는 그룹(F1-F10)과 동일한 개수의 그룹을 할당할 수 있다. 다만, 셀 중심의 단말(20a)이 사용할 수 있는 한 그룹 내의 부반송파의 개수(이하, "그룹의 크기"라 함)는 셀 경계의 단말(20b)의 분포에 따라 달라질 수 있다. 따라서 기지국(10)이 단말(20a, 20b)의 피드백 정보를 이용하여 주파수 자원을 스케줄링할 때, 셀 중심 단말(20a)이 사용하는 그룹의 일부 부반송파를 셀 경계 단말(20b)이 사용하는지 여부에 대한 정보를 셀 중심 단말(20a)로 제공한다.
이상, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서는 각 그룹의 일부 부반송파를 가지 는 서브그룹을 셀 경계용으로 할당하였지만, 이와는 달리 제3 및 제4 실시예와 같이 일부 그룹의 모든 부반송파를 셀 경계로 할당할 수도 있다.
도 5를 보면, 제3 실시예에 따른 셀룰러 시스템은 복수의 그룹(F1-F10) 중에서 일부 그룹을 셀 경계에 할당하고 나머지 그룹을 셀 중심에 할당한다. 그리고 셀룰러 시스템은 셀 경계에 할당되는 그룹을 복수의 서브그룹으로 나누어서 운용한다. 예를 들어, 도 5와 같이 1번 셀의 경계(C11)에 5번 및 8번 그룹(F5, F8)이 할당되고, 나머지 8개의 그룹(F1-F4, F6, F7, F9, F10)이 1번 셀(C1)의 중심에 할당된다. 그리고 셀룰러 시스템은 5번 및 8번 그룹(F5, F8)을 각각 4개의 서브그룹(F51-F54, F81-F84)으로 나누어서 셀 경계용으로 할당한다. 마찬가지로, 2번, 4번 및 6번 셀의 경계(C21, C41, C61)에 3번 및 7번 그룹(도시하지 않음)을 8개의 서브그룹으로 분할하여 할당하고 나머지 그룹을 이들 셀의 중심에 할당할 수 있다. 또한, 3번, 5번 및 7번 셀의 경계(C31, C51, C71)에 2번 및 6번 그룹(도시하지 않음)을 8개의 서브그룹으로 분할하여 할당하고 나머지 그룹을 이들 셀의 중심에 할당할 수 있다.
그러면 8개의 그룹이 셀 중심용으로 할당되는 것처럼 8개의 서브그룹이 셀 경계용으로 할당될 수 있으므로, 각 그룹(F5, F8)을 전체로 할당하는 경우에 비해 다수 사용자 다이버시티 이득을 증가시킬 수 있다. 이때, 기지국(10)이 주파수 자원을 스케줄링할 수 있도록, 셀 중심의 단말(20a)은 채널 특성이 좋은 그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백하고, 셀 경계용 단말(20b)은 채널 특성이 좋은 서브그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백한다.
그리고 도 6을 보면, 제4 실시예에 따른 셀룰러 시스템은 셀 경계에 일부 그룹을 복수의 서브그룹으로 나누어 할당한다는 점에서는 제3 실시예와 동일하지만, 셀 중심에 모든 그룹을 할당한다는 점에서는 제1 실시예와 다르다. 즉, 10개의 그룹(F1-F10)이 셀 중심용으로 할당되고, 2개의 그룹(F5, F8)이 각각 5개의 서브그룹(F51a-F55a, F81a-F85a)으로 분할되어 총 10개의 서브그룹(F51a-F55a, F81a-F85a)이 셀 경계용으로 할당된다. 그리고 도 4와 같이, 기지국(10)이 단말(20a, 20b)의 피드백 정보를 이용하여 주파수 자원을 스케줄링할 때, 셀 중심 단말(20a)이 사용하는 그룹의 일부 서브그룹을 셀 경계 단말(20b)이 사용하는지 여부에 대한 정보를 셀 중심 단말(20a)로 제공한다.
다음, 도 3 내지 도 6과 같이 주파수가 할당된 경우에 기지국에서 셀 중심의 단말과 셀 경계의 단말로 데이터를 송신하는 방법에 대해서 도 2 및 도 7을 참조하여 설명한다. 도 7은 도 3 내지 도 6의 셀 별 주파수 할당 방법에 따라 기지국에서 단말로 데이터를 전송하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7을 보면, 먼저 셀룰러 시스템이 도 3 내지 도 6과 같이 할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고 각 그룹을 적어도 두 개의 서브그룹으로 분할한 후에, 복수의 그룹 및/또는 복수의 서브그룹을 셀 중심용 및 셀 경계용으로 할당한다(S710). 각 단말(20a, 20b)은 셀 중심에 있는지 또는 셀 경계에 있는지를 판단하고 이를 해당 셀의 기지국(10)으로 피드백한다(S720). 그리고 셀 중심에 있는 단말(20a)은 셀 중심용으로 할당된 그룹 중 채널 특성이 좋은 그룹에 대한 정보를 기지국(10)으로 피드백하고, 셀 경계에 있는 단말(20b)은 셀 경계용으로 할당된 그룹 또는 서브그룹 중 채널 특성이 좋은 그룹 또는 서브그룹에 대한 정보를 기지국(10)으로 피드백한다(S730).
이때, 도 3 및 도 4의 경우, 셀 중심 및 셀 경계 단말(20a, 20b)은 각각 셀 중심용 및 셀 경계용으로 할당된 10개의 그룹(F1-F10) 중 채널 특성이 좋은 그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백한다. 그리고 도 5의 경우, 셀 중심 단말(20a)은 셀 중심용으로 할당된 8개의 그룹(F1-F4, F6, F7, F9, F10) 중 채널 특성이 좋은 그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백하고, 셀 경계 단말(20b)은 셀 경계용으로 할당된 2 그룹(F5, F8)의 8개의 서브그룹(F51-F54, F81-F84) 중 채널 특성이 좋은 서브그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백한다. 마찬가지로, 도 6의 경우, 셀 중심 단말(20a)은 셀 중심용으로 할당된 10개의 그룹(F1-F10) 중 채널 특성이 좋은 그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백하고, 셀 경계 단말(20b)은 셀 경계용으로 할당된 그룹(F5, F8)의 10개의 서브그룹(F51a-F55a, F81a-F85a) 중 채널 특성이 좋은 서브그룹 정보를 기지국(10)으로 피드백한다.
다음, 기지국(10)은 피드백 정보를 이용하여 각 단말(20a, 20b)의 셀 내 위치를 파악하고, 피드백 정보에 해당하는 그룹 또는 서브그룹에서 셀 경계용으로 할당된 주파수 대역을 셀 경계의 단말(20b)로 할당하고 피드백 정보에 해당하는 그룹에서 셀 중심용으로 할당된 부반송파를 셀 중심의 단말(20a)로 할당하여 주파수 자원을 스케줄링한다(S740). 이때, 도 4의 경우, 셀 중심용으로 할당된 대역이 셀 경계용으로 할당된 대역을 공유하고 있으므로, 기지국(10)은 해당 그룹의 일부 부반송파를 셀 경계 단말(20b)이 사용하는지 여부(즉, 그룹의 크기에 대한 정보)를 셀 중심 단말(20a)로 제공한다. 그리고 도 6의 경우, 셀 중심 단말(20a)이 두 개의 그룹(F5, F8) 중 하나의 그룹을 사용하는 경우에, 기지국(10)은 해당 그룹의 일부 서브그룹을 셀 경계 단말(20b)이 사용하는지 여부를 셀 중심 단말(20a)로 제공한다. 다만, 셀 중심 단말(20a)이 두 개의 그룹(F5, F8) 이외의 다른 그룹을 사용하는 경우에, 기지국(10)은 셀 중심 단말(20a)로 그룹의 크기에 대한 정보를 제공하지 않을 수 있다.
이와 같이, 기지국(10)이 주파수 자원을 스케줄링한 후, 셀 경계 사용자 신호를 할당된 셀 경계용 부반송파에 실어 단말(20b)로 송신하고, 셀 중심 사용자 신호를 할당된 셀 중심용 부반송파에 실어 단말(20a)로 송신한다(S750).
이상, 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에서는 셀 경계의 다수 사용자 다이버시티 이득을 증가시키기 위해 셀 경계의 단말에 할당될 수 있는 주파수 그룹 또는 서브그룹의 개수를 증가시켰다. 이때, 채널 지연 확산을 고려하여 그룹 내에서 페이딩 특성의 변화가 적도록 주파수 그룹의 크기를 결정하면, 하나의 그룹을 복수의 서브그룹으로 분할하여 사용하는 제3 및 제4 실시예의 경우 서브그룹 간의 페이딩이 비슷하여 다수 사용자 다이버시티 이득 또는 채널 코딩 이득이 낮아질 수 있다. 아래에서는 서브그룹 별로 서로 다른 페이딩을 가지게 하여 주파수 선택도를 높일 수 있는 실시예에 대해서 도 8 내지 도 10을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치의 개략적인 블록도이며, 도 9는 도 8의 셀 경계용 다중 안테나 변조기의 상세 블록도이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 송신 안테나에서의 빔형성을 나타내는 도 면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 송신 장치는 셀 경계 사용자 신호 생성기(110), 셀 중심 사용자 신호 생성기(120), 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210), 셀 중심용 다중 안테나 변조기(220), 복수의 부반송파 할당기(300), 복수의 OFDM 송신기(400) 및 복수의 안테나(500)를 포함한다. 즉, 제5 실시예에 따른 송신 장치는 다중 안테나를 사용하여 복수의 빔을 형성한 후에 신호를 해당하는 빔을 통하여 송신한다.
구체적으로, 셀 중심 사용자 신호 생성기(120)는 부반송파 별로 셀 중심 사용자 신호를 생성하며, 셀 경계 사용자 신호 생성기(110)는 부반송파 별로 셀 경계 사용자 신호를 생성한다. 이때, 셀 경계 사용자 신호 생성기(110)는 앞서 설명한 것처럼 셀 경계 단말로부터 채널 특성이 좋은 서브그룹 정보를 포함하는 피드백 신호를 수신하며, 셀 경계 단말에 해당하는 사용자 신호를 피드백 신호에 해당하는 서브그룹의 부반송파에 대응시킨다. 이러한 셀 중심 및 셀 경계 사용자 신호 생성기(120, 110)는 도 3 내지 도 6에서 설명한 주파수 할당 방법에 따라 주파수 대역을 복수의 그룹 및 복수의 서브그룹으로 분할한 후에 부반송파 별로 사용자 신호를 생성한다.
셀 중심용 다중 안테나 변조기(220)는 부반송파 별로 셀 중심 사용자 신호를 다중 안테나 전송을 위한 데이터로 변조하며, 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 서브그룹 별로 셀 경계 사용자 신호를 다중 안테나 송신을 위한 데이터로 변조한다. 이러한 다중 안테나 송신 방식으로 시공간 부호화(space time encoding) 방 식, 빔형성(beam forming) 방식, 공간 다중화(spatial multiplexing) 방식 등이 있다. 이때, 셀 경계에서는 신호 대 잡음 비가 작으므로 셀 경계 사용자 신호에 대해서는 공간 다중화 대신에 빔형성 방식과 시공간 부호화 방식이 주로 사용될 수 있다.
복수의 부반송파 할당기(300)는 각각 복수의 OFDM 송신기(400)에 대응하고, 복수의 OFDM 송신기(400)는 각각 복수의 안테나에 대응한다. 각 부반송파 할당기(300)는 대응하는 안테나(500) 별로 셀 경계 및 셀 중심의 단말에게 서로 다른 부반송파를 할당하여 대응하는 OFDM 송신기(400)로 전달한다. 각 OFDM 송신기(400)는 부반송파 별 데이터를 입력받아 OFDM 송신 심벌을 만들어 대응하는 안테나(500)로 전달하고, 각 안테나(500)는 OFDM 송신 심벌을 송신한다.
그리고 도 9를 보면, 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 복수의 서브그룹을 각각 복수의 빔에 할당하기 위해 복수의 서브그룹 빔형성기(2101-210N)를 포함한다. 이러한 복수의 서브그룹 빔형성기(2101-210N)는, 할당된 주파수 대역이 분할되어 형성된 복수의 그룹 중에서 셀 경계용으로 할당된 복수의 서브그룹에 각각 대응한다. i번째 서브그룹 빔형성기(210i)는 셀 경계 사용자 신호 생성기(110)로부터 전달되는 i번째 서브그룹의 셀 경계 사용자 신호에 빔형성 가중치를 곱하여 복수의 부반송파 할당기(300)로 전달한다(여기서, i는 서브그룹 번호로서 1과 N 사이의 정수). 이와 같이 함으로써, i번째 서브그룹에 할당된 사용자 신호는 대응하는 빔을 통하여 송신될 수 있다. 이때, i번째 서브그룹 빔형성기(210i)에서 부반송파 할당 기(300)로 전달되는 k번째 부반송파에 해당하는 신호(
Figure 112006025053375-pat00001
)는 수학식 1과 같이 된다.
Figure 112006025053375-pat00002
여기서,
Figure 112006025053375-pat00003
는 복수의 서브그룹 중 i번째 서브그룹의 k번째 부반송파에 해당하는 셀 경계 사용자 신호이며(k는 1과 K 사이의 정수),
Figure 112006025053375-pat00004
는 i번째 서브그룹 빔형성기(210i)에 적용되는 빔형성 가중치이다. 이때,
Figure 112006025053375-pat00005
는 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure 112006025053375-pat00006
여기서, M은 송신 안테나(500)의 개수이다.
이때, 도 10과 같이 복수의 안테나(500)에 의해 복수의 빔이 형성되는 경우에, 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 복수의 빔에 대한 복수의 빔형성 가중치[
Figure 112006025053375-pat00007
] 중에서 어떤 빔형성 가중치[
Figure 112006025053375-pat00008
]를 i번째 서브그룹에 할당할지를 결정한다(여기서, n은 빔형성 가중치 번호로서 1과 N 사이의 정수). 예를 들어, 도 5와 같이 셀 경계용으로 8개의 서브그룹이 할당되는 경우에, 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 8개의 빔 각각에 대한 8개의 빔형성 가중치를 8개의 서브그룹에 어떻게 할당할지를 결정한다.
이와 같이 제5 실시예는 셀 경계용으로 할당된 복수의 서브그룹을 서로 다른 빔을 통하여 송신하기 때문에, 서브그룹 별로 서로 다른 페이딩을 가질 수 있다.
다음, 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)가 복수의 빔형성 가중치를 복수의 서브그룹에 할당하는 방법에 대해서 표 1 및 표 2를 참조하여 상세하게 설명한다. 표 1 및 표 2는 각각 본 발명의 제6 및 제7 실시예에 따른 빔형성 가중치 할당 방법을 나타내는 도면이다. 그리고 아래에서는 도 5와 같이 셀 경계용으로 8개의 서브그룹(F51-F54, F81-F84)이 할당되고 반시계 방향으로 8개의 빔이 형성되는 것으로 가정한다.
이와 같이 빔이 형성될 때 두 개의 빔이 인접할수록 지향하는 각이 비슷하므로, 제6 실시예에 따른 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 인접한 빔들의 가중치를 주파수가 인접해 있지 않은 서브그룹들에 각각 할당한다. 예를 들어, 5번째 그룹의 4개의 서브그룹(F51-F54)이 서로 인접해 있고 8번째 그룹의 4개의 서브그룹(F81-F84)이 서로 인접해 있으므로, 표 1과 같이 1번 빔의 가중치[
Figure 112006025053375-pat00009
]를 1번째 서브그룹(F51)에 할당하고 2번 빔의 가중치[
Figure 112006025053375-pat00010
]를 5번째 서브그룹(F81)에 할당할 수 있다. 마찬가지로 3번째, 5번째 및 7번째 빔의 가중치[
Figure 112006025053375-pat00011
]가 2번째, 3번째 및 4번째 서브그룹(F52, F53, F54)에 각각 할당되고, 4번째, 6번째 및 8번째 빔의 가중치[
Figure 112006025053375-pat00012
]가 6번째, 7번째 및 8번째 서브그룹(F82, F83, F84)에 각각 할당된다. 그러면 인접한 두 서브 그룹(F51, F52)의 부반송파가 떨어져 있는 1번과 3번 빔을 통하여 전송되므로, 두 서브그룹(F51, F52)이 서로 다른 페이딩을 가질 수 있다.
서브그룹 번호(i) 1 2 3 4 5 6 7 8
빔형성 가중치 번호(n) 1 3 5 7 2 4 6 8
그리고 제6 실시예에 따른 셀룰러 시스템의 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 표 1에 대응하는 정보를 저장하여 두고, 복수의 서브그룹(2101-210N)에 각각 해당하는 빔형성 가중치를 할당할 수 있다.
이상, 제6 실시예에서는 단말에 관계 없이 동일한 빔형성 가중치 할당 방법을 적용하지만, 제7 실시예에 따른 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 단말 별로 빔형성 가중치 할당 방법을 다르게 설정한다. 구체적으로 인접한 빔들의 가중치를 서로 다른 그룹의 서브그룹들에 각각 할당하면서, 각 단말에 대한 빔형성 가중치 할당을 다르게 설정한다. 이를 위해 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210)는 표 2와 같이 8개의 빔형성 가중치를 8개의 서브그룹에 할당하는 방법을 복수 개 정의하여 두고, 각 할당 방법에 코드 번호를 붙일 수 있다. 그리고 기지국 송신 장치의 셀 경계용 다중 안테나 변조기(210) 또는 단말이 복수의 할당 코드 번호 중에서 하나의 코드 번호를 선정하여 사용할 수 있다.
서브그룹 번호(i) 1 2 3 4 5 6 7 8 할당 코드 번호
빔형성 가중치 번호(n) 1 3 5 7 2 4 6 8 1
3 5 7 1 4 6 8 2 2
5 7 1 3 6 8 2 4 3
7 1 3 5 8 2 4 6 4
그런데, 셀 경계 단말들이 거의 동일한 방향에 몰려 있을 때, 셀 경계 단말들에게 동일한 빔이 할당되는 경우에 시스템 성능이 저하될 수 있다. 그러나 제7 실시예와 같이 하면 셀 경계 단말들에게 서로 다른 빔이 할당되기 때문에 시스템 성능 저하를 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 제5 내지 제7 실시예에서는 셀 경계용으로 할당된 복수의 서브그룹에 각각 서로 다른 빔형성 가중치를 대응시켜 서브그룹 별로 서로 다른 페이딩을 가지게 하였다. 이러한 빔형성 가중치 할당 방법은 도 3 및 도 4에서 설명한 제1 및 제2 실시예의 복수의 그룹에도 적용할 수 있다. 이때, 도 9에서 각 서브그룹 대신에 각 그룹의 일부 부반송파(F1a-F10a)에 해당하는 서브그룹에 대해서 빔형성 가중치를 적용하면 된다.
다음, 빔형성 가중치를 설정하는 방법에 대해서 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은 기지국 송신 장치의 복수의 안테나(500)를 나타내는 도면이다.
도 11과 같이, 복수의 안테나(500)가 일정 간격으로 떨어져 있는 선형 배열 안테나의 경우에,
Figure 112006025053375-pat00013
를 지향하는 n번째 빔의 빔형성 가중치[
Figure 112006025053375-pat00014
]는 수학식 3과 같이 설정될 수 있다.
Figure 112006025053375-pat00015
여기서, H는 컨쥬게이트 트랜스포즈(conjugate transpose)이고, d는 두 안테나(500) 사이의 간격이며, k는 파수(wavenumber)이고, M은 복수의 안테나(500)의 개수이다.
그런데, 수학식 3과 같이 빔형성 가중치를 설정하는 경우에, 기지국 송신 장치는 항상 단말에게 안테나 간격과 반송파 주파수에 대한 정보를 제공해야 한다. 따라서 이와 달리 수학식 4와 같이 빔형성 가중치를 설정할 수도 있다. 즉,
Figure 112006025053375-pat00016
를 지향하는 n번째 빔의 빔형성 가중치[
Figure 112006025053375-pat00017
]는 n이 짝수인 경우에
Figure 112006025053375-pat00018
행렬의 n번째 행으로 설정되고 n이 홀수인 경우에
Figure 112006025053375-pat00019
행렬의 n번째 행으로 설정될 수 있다. 여기서,
Figure 112006025053375-pat00020
행렬과
Figure 112006025053375-pat00021
행렬은 각각 수학식 5 및 6과 같이 주어진다.
Figure 112006025053375-pat00022
Figure 112006025053375-pat00023
Figure 112006025053375-pat00024
이와 같이 하면, 단말이 안테나(500)의 개수만 알면 빔형성 가중치를 알 수 있으므로, 기지국 송신 장치(10)가 단말로 제공할 정보량이 줄어들 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
그리고 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램 또는 그 프로그램을 기록한 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이는 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 당업자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 의하면, 복수의 서브그룹을 셀 경계에 할당할 수 있으므로 다수 사용자 다이버시티 이득이 증가하여 셀 경계에서의 데이터 전송율을 증가시킬 수 있다. 또한, 두 서브그룹이 인접하는 경우에는 두 서브그룹의 데이터를 서로 다른 빔형성 가중치를 적용하여 송신함으로써 두 서브그룹이 서로 다른 페이딩을 가지도록 할 수 있다.

Claims (18)

  1. 셀룰러 시스템의 기지국 송신 장치에 있어서,
    할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하고, 각 그룹을 적어도 두 개 이상의 서브그룹으로 분할하고, 상기 복수의 그룹에 의해 형성되는 복수의 서브그룹 중 복수의 제1 서브그룹을 셀 경계용으로 할당하며, 상기 복수의 제1 서브그룹에 각각 대응하는 복수의 셀 경계 사용자 신호를 각 부반송파에 생성하는 셀 경계 사용자 신호 생성기, 그리고
    상기 복수의 셀 경계 사용자 신호에 각각 대응하는 빔형성 가중치를 적용하는 셀 경계용 다중 안테나 변조기
    를 포함하는 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 상기 복수의 제1 서브그룹에 각각 대응하는 복수의 서브그룹 빔형성기를 포함하며,
    각 서브그룹 빔형성기는 상기 복수의 셀 경계 사용자 신호 중 대응하는 셀 경계 사용자 신호에 상기 대응하는 빔형성 가중치를 곱하는 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 상기 복수의 제1 서브그룹에 서로 다 른 상기 빔형성 가중치를 할당하는 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 상기 복수의 제1 서브그룹 중 인접하는 두 제1 서브그룹에 인접하지 않는 두 빔의 빔형성 가중치를 할당하는 송신 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 인접하는 두 빔의 빔형성 가중치를 서로 다른 그룹에 속하는 두 제1 서브그룹에 각각 할당하는 송신 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 셀 경계용 다중 안테나 변조기는 셀 경계에 있는 복수의 단말에게 동일한 형태로 상기 빔형성 가중치를 할당하는 송신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 빔형성 가중치 중 i번째 빔형성 가중치는
    Figure 112006025053375-pat00025
    이며, 상기
    Figure 112006025053375-pat00026
    는
    Figure 112006025053375-pat00027
    이고, 상기 k는 파수(wavenumber)이며, 상기 d는 복수의 안테나의 간격이고, 상기
    Figure 112006025053375-pat00028
    는 상기 i번째 빔이 지향하는 방향이며, 상기 M은 상기 복수의 안테나의 개수인 송신 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 빔형성 가중치 중 i번째 빔형성 가중치는, 상기 i가 짝수인 경우에
    Figure 112006025053375-pat00029
    행렬의 i번째 행이고 상기 i가 짝수인 경우에
    Figure 112006025053375-pat00030
    행렬의 i번째 행이며,
    상기
    Figure 112006025053375-pat00031
    행렬은
    Figure 112006025053375-pat00032
    이고,
    상기
    Figure 112006025053375-pat00033
    행렬은
    Figure 112006025053375-pat00034
    이며, 상기
    Figure 112006025053375-pat00035
    행렬은
    Figure 112006025053375-pat00036
    이고,
    상기 M은 상기 복수의 안테나의 개수인 송신 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 경계 사용자 신호 생성기는, 상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하여 상기 복수의 제1 서브그룹 중 상기 피드백 정보에 대응하는 제1 서브그룹에 상기 단말의 상기 셀 경계 사용자 신호를 할당하는 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 복수의 제1 서브그룹 중 채널 특성이 좋은 제1 서 브그룹에 대한 정보 및 상기 단말이 셀 경계에 위치하는지 셀 중심에 위치하는지에 대한 정보를 포함하는 송신 장치.
  11. 셀룰러 시스템에서 단말로 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하는 단계,
    상기 복수의 그룹 중 적어도 하나의 제1 그룹을 셀 경계용으로 할당하고 상기 제1 그룹 이외의 나머지 제2 그룹을 셀 중심용으로 할당하는 단계,
    상기 적어도 하나의 제1 그룹을 복수의 서브그룹으로 분할하는 단계,
    상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하는 단계,
    상기 피드백 정보로부터 상기 단말의 셀 내 위치를 판단하는 단계,
    상기 단말이 셀 경계에 위치하는 경우에 상기 복수의 서브그룹 중 상기 피드백 정보에 대응하는 서브그룹의 부반송파를 상기 단말로 할당하는 단계, 그리고
    상기 할당된 부반송파에 상기 단말의 사용자 신호를 실어 송신하는 단계
    를 포함하는 송신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 단말이 셀 중심에 있는지 셀 경계에 있는지에 대한 정보 및 상기 복수의 서브그룹 중 채널 특성이 좋은 서브그룹에 대한 정보를 포함하는 송신 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 송신하는 단계는,
    상기 단말의 사용자 신호에 상기 피드백 정보에 대응하는 서브그룹의 빔형성 가중치를 적용하는 단계, 그리고
    상기 빔형성 가중치가 적용된 상기 단말의 사용자 신호를 상기 할당된 부반송파에 실어 복수의 안테나를 통하여 송신하는 단계
    를 포함하는 송신 방법.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 복수의 서브그룹의 개수와 상기 제2 그룹의 개수가 동일한 송신 방법.
  15. 셀룰러 시스템에서 단말로 신호를 송신하는 방법에 있어서,
    할당된 주파수 대역을 복수의 그룹으로 분할하는 단계,
    상기 복수의 그룹 중 적어도 하나의 그룹을 셀 경계용으로 할당하고 상기 복수의 그룹을 셀 중심용으로 할당하는 단계,
    상기 셀 경계용으로 할당된 상기 적어도 하나의 그룹을 복수의 서브그룹으로 분할하는 단계,
    상기 단말로부터 피드백 정보를 수신하는 단계,
    상기 피드백 정보로부터 상기 단말의 셀 내 위치를 판단하는 단계,
    상기 단말이 셀 경계에 위치하는 경우에 상기 복수의 서브그룹 중 상기 피드 백 정보에 대응하는 서브그룹의 부반송파를 상기 단말로 할당하는 단계, 그리고
    상기 할당된 부반송파에 상기 단말의 사용자 신호를 실어 송신하는 단계
    를 포함하는 송신 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 피드백 정보는 상기 단말이 셀 중심에 있는지 셀 경계에 있는지에 대한 정보 및 상기 복수의 서브그룹 중 채널 특성이 좋은 서브그룹에 대한 정보를 포함하는 송신 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 송신하는 단계는,
    상기 단말의 사용자 신호에 상기 피드백 정보에 대응하는 서브그룹의 빔형성 가중치를 적용하는 단계, 그리고
    상기 빔형성 가중치가 적용된 상기 단말의 사용자 신호를 상기 할당된 부반송파에 실어 복수의 안테나를 통하여 송신하는 단계
    를 포함하는 송신 방법.
  18. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 복수의 서브그룹의 개수와 상기 복수의 그룹의 개수가 동일한 송신 방법.
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