KR100706620B1 - 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 안테나를 적용한 OFDM 무선통신 시스템 등에서 스위치 빔(Switched Beam)을 이용한 초기 동기 시, 인접한 섹터의 빔과의 거리를 고려하여 간섭의 확률을 최소로 하는 빔을 선택하기 위한 빔 선택 방법에 관한 것으로, 각 셀이 다수개의 섹터로 구분되고, 각 섹터당 일정 개수의 고정 빔을 갖는 무선통신 시스템에서 초기 동기 시 인접 셀 섹터의 고정 빔과 중첩되지 않도록 빔을 선택하기 위한 방법에 있어서, 섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 확인하는 제1 단계; 서로 인접한 셀에서 선택되는 빔들간에 일정 거리를 갖도록 상기 제1 단계에서 확인된 섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 이용해 각 시간 슬롯에서 선택될 빔 번호의 수열을 계산하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열에 따라 각 시간 슬롯에서 빔을 선택하는 제3 단계를 포함한다.

초기 동기, 빔 선택, 스위치 빔, 고정 빔, 스마트 안테나, OFDM, OFDM/TDMA, OFDMA

Description

스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법{Method for switching beams during initial synchronization process using switched beam}

도 1a 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서 전방향 셀의 고정 빔 패턴 및 스위치 빔을 나타낸 설명도,

도 1b 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서 3섹터 셀의 고정 빔 패턴 및 스위치 빔을 나타낸 설명도,

도 2a 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM/FDD 시스템의 상/하향링크 서브프레임 구조도,

도 2b 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM/TDD 시스템의 상/하향링크 서브프레임 구조도,

도 3a 는 2섹터 셀에서 각 섹터당 8개 고정 빔이 있는 경우 인접 셀 빔과 중첩되는 현상을 나타낸 설명도,

도 3b 는 3섹터 셀에서 각 섹터당 8개 고정 빔이 있는 경우 인접 셀 빔과 중첩되는 현상을 나타낸 설명도,

도 3c 는 4섹터 셀에서 각 섹터당 4개 고정 빔이 있는 경우 인접 셀 빔과 중첩되는 현상을 나타낸 설명도,

도 4a 는 본 발명에 따라 2섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제1 실시예 설명도,

도 4b 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제2 실시예 설명도,

도 4c 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제3 실시예 설명도,

도 4d 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 6개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제4 실시예 설명도,

도 4e 는 본 발명에 따라 4섹터 셀의 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제5 실시예 설명도,

도 5a 는 본 발명이 적용되는 OFDM/TDMA 시스템에서 스위치 빔 운영 방법에 대한 일실시예 설명도,

도 5b 는 본 발명이 적용되는 OFDMA 시스템에서 스위치 빔 운영 방법에 대한 다른 실시예 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 셀(cell) 20 : 섹터(sector)

31 : 빔 번호 32 : 고정 빔(fixed beam)

33 : 스위치 빔(switched beam)

본 발명은 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스마트 안테나를 적용한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 셀룰러 시스템 등에서 스위치 빔(Switched Beam)을 이용한 초기 동기 시 인접 셀 빔과의 중첩으로 인해 발생되는 셀간 간섭을 최소화하기 위한 빔 선택 방법에 관한 것이다.

최근에 데이터의 고속 전송에 대한 요구가 커지고 있으며, 고속 전송의 적합성 때문에 OFDM이 최근 여러 고속 통신 시스템의 전송 방식으로 채택되고 있다. 이러한 OFDM 시스템에 수신신호 대 잡음비 증가, 서비스 커버리지 확장, 기지국 용량 증대 등의 목적과 주파수 재사용률 1을 적용한 OFDM 셀룰러 시스템의 경우, 동일 채널 간섭의 제거 등을 목적으로 스마트 안테나 기법을 적용할 수 있다.

하지만, 기존 OFDM 셀룰러 시스템에 스마트 안테나를 도입할 경우, 스마트 안테나 사용자와 전방향 안테나 사용자의 혼재 시에 지원방안과 데이터 채널과 방송 정보의 커버리지 불일치 등의 문제점이 발생한다. 일반적으로, 이러한 경우 스마트 안테나 영역과 전방향 안테나 영역을 심볼 단위로 나누는 방법과, 스마트 안테나의 빔으로 방송 정보들을 여러 시간 슬롯에 걸쳐 전송하여 커버리지를 높이는 방법으로 문제들을 해결할 수 있다.

그런데, 단말국의 초기 접속 및 동작을 위해서는, 시스템의 기본 운영 파라미터들을 기지국에서 방송용 신호로 전송하여야 한다. 일반적으로, 스마트 안테나를 적용하는 통신 시스템은 기지국에서 다수 개의 안테나를 사용하고 단말국에서는 하나의 안테나를 사용하기 때문에, 기지국에서 적응형 빔 형성을 위한 안테나 가중치 벡터를 계산하기 위해서는 먼저 상향링크에서 단말국의 신호를 검출하여야 한다.

하지만, 단말국의 초기 접속 및 동작을 위해서, 단말국은 기본 시스템 운영 파라미터를 하향링크의 방송용 신호로서 획득해야 하므로, 기지국에서의 적응형 빔 형성을 통한 기본 시스템 운영 파라미터 전송은 어렵게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 일반적으로 기지국에서 초기의 기본 시스템 운영 파라미터를 미리 설정된 여러 방향의 스위치 빔을 통해 시간 혹은 주파수별로 반복적으로 전송한다.

그러나 상기의 방법은 다중 셀 환경에서 각 기지국에서 방사하는 빔이 겹치는 경우, 인접 셀간 부반송파들의 충돌로 인해 발생하는 정보 손실의 문제점이 있다.

즉, 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서는 데이터 채널과 방송 정보의 커버리지 불일치를 해결하는 방법으로 스위치 빔을 사용하여 여러 시간 슬롯에 걸쳐 방송 정보를 전송한다. 하지만, 이 경우 일반적으로 일정한 순서로 빔을 스위칭하게 되는데, 빔 중첩으로 인한 간섭의 가능성이 존재한다.

비록, 인접 셀 빔과의 중첩을 방지하기 위한 선행기술의 일예로, SDMA를 적용한 무선통신 시스템에서 방송채널을 통한 정보 전송에 대한 방법을 제안하고 있는 "Radio communications system in which traffic is transmitted on the broadcast channel(US 6,795,413, 2004. 9. 21 등록)(이하, '선행기술'이라 함)"이 존재하지만, 상기 선행기술은 방송 정보를 전달하는 과정에서 인접 셀의 전송을 금지하여 간섭을 방지하고자 하는 기술로서, 방송 정보 전송을 위해 한 기지국이 슈퍼프레임에서 한 프레임 동안만 방송 정보를 송출한다. 따라서 상기 선행기술에 따르면, 방송 정보 전송 시 인접 셀과의 간섭이 발생하지 않는 장점이 있지만, 단말국의 등록까지는 많은 시간이 소요되는 단점이 존재한다. 이에 반하여, 본 발명에서는 모든 셀이 동시에 방송 정보를 전송하는 것을 고려 대상으로 하고, 이때 발생할 수 있는 간섭을 방지하기 위해 빔 선택 방법을 적용함으로써, 인접 셀과의 간섭이 거의 없는 상황에서 짧은 시간에 초기 등록을 할 수 있도록 하고자 한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스마트 안테나를 적용한 OFDM 무선통신 시스템 등에서 스위치 빔(Switched Beam)을 이용한 초기 동기 시, 인접한 섹터의 빔과의 거리를 고려하여 간섭의 확률을 최소로 하는 빔을 선택하기 위한 빔 선택 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 각 셀이 다수개의 섹터로 구분되고, 각 섹터당 일정 개수의 고정 빔을 갖는 무선통신 시스템에서 초기 동기 시 인접 셀 섹터의 고정 빔과 중첩되지 않도록 빔을 선택하기 위한 방법에 있어서, 섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 확인하는 제1 단계; 서로 인접한 셀에서 선택되는 빔들간에 일정 거리를 갖도록 상기 제1 단계에서 확인된 섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 이용해 각 시간 슬롯에서 선택될 빔 번호의 수열을 계산하는 제2 단계; 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열에 따라 각 시간 슬롯에서 빔을 선택하는 제3 단계를 포함한다.

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본 발명은 OFDM 셀룰러 시스템에서 초기 동기 시 셀간 간섭을 방지하기 위한 기술에 관한 것으로서, 인접 섹터 빔과의 거리를 고려하며 선택한 모든 빔들이 일정 거리를 유지하도록 하여 빔의 중첩을 피한다. 여기에서는 모든 셀에서 방송 정보 전송이 동시에 일어나는 경우를 고려하고, 다양한 섹터 셀과 다양한 고정 빔이 존재하는 경우를 고려한다.

본 발명에 따르면, 인접 셀과의 간섭이 거의 없는 상황에서 짧은 시간에 초기 등록이 가능하고, 여러 가지 섹터 셀의 경우와 여러 가지 고정 빔을 고려하여 다양한 시스템(TDMA(Time Division Multiple Access), TDD(Time division duplex) 뿐만 아니라, FDMA(Frequency Division Multiple Access), FDD(Frequency Division Duplexing), 이동 광대역 무선 접속(Mobile BWA) 등)에 적용할 수 있으며, OFDM/TDMA 시스템과 OFDMA 시스템 등에서 스위치 빔 운용시 성능 개선의 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서의 초기 동기 과정은, 기지국이 단말국의 위치나 가중치 벡터를 획득하지 못한 상태에서 최초로 단말국에게 하향링크 프리앰블과 방송 정보를 전달하는 과정으로서, 이와 같은 상황에서 기지국은 적응형 빔을 적용하기 힘들기 때문에 회전하는 형태의 스위치 빔을 사용한다.

여기서, 회전하는 형태의 스위치 빔이라 함은, 시간 슬롯당 고정 빔 중 하나의 빔을 선택하여 일정 시간 슬롯 동안 셀의 전 영역 또는 일정 영역에 프리앰블과 방송 정보를 전송하는 것으로서, 동기와 방송 정보 획득에 성공한 단말국은 기지국으로 제어 심볼을 전송하여 등록을 시도한다. 이때, 하향링크 전송에서 스위치 빔을 이용한 것과는 달리, 상향링크 전송에서 기지국은 무지향성 빔이나 스위치 빔, 고정 빔, 적응형 빔 중 어느 하나를 사용하여 제어 심볼을 수신할 수 있다.

그러나 이때 만약 기지국이 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시 빔을 선택할 때 임의의 순서로 빔을 선택한다면, 인접 셀의 빔과 겹칠 수 있고, 이러한 경우 셀간 간섭을 유발할 수 있다. 특히, 주파수 재사용률 1인 OFDM 셀룰러 시스템의 경우 인접 셀의 부반송파와 충돌이 발생하여 성능이 크게 열화될 수 있다.

따라서 OFDM 셀룰러 시스템에서 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시 셀간 간섭을 최소화하기 위한 빔 선택 방법으로서, 인접 섹터 빔과의 거리를 고려하며 선택한 모든 빔들이 일정 거리를 유지하도록 하여 빔의 중첩을 피한다.

이때, 다양한 섹터를 갖는 셀 환경에서 인접한 섹터(섹터 셀)의 빔과의 거리를 고려하여 간섭의 확률을 최소로 하는 빔을 선택하는 방법으로서, 2섹터 셀에서 각 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우 각 섹터당 존재하는 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하고(하기의 도 4a 참조), 3섹터 셀에서 각 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우 각 섹터당 존재하는 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하며(하기의 도 4b 참조), 3섹터 셀에서 각 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우 각 섹터당 존재하는 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하고(하기의 도 4c 참조), 3섹터 셀에서 각 섹터당 6개의 고정 빔이 존재하는 경우 각 섹터당 존재하는 6개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하며(하기의 도 4d 참조), 4섹터 셀에서 각 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우 각 섹터당 존재하는 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택한다(하기의 도 4e 참조).

도 1a 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서 전방향 셀의 고정 빔 패턴 및 스위치 빔을 나타낸 설명도이고, 도 1b 는 본 발명이 적용되는 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서 3섹터 셀의 고정 빔 패턴 및 스위치 빔을 나타낸 설명도이다.

원형 안테나 배열과 선형 안테나 배열을 사용하여 유연하게 섹터를 구성할 수 있는 스마트 안테나 시스템에서는, 고정 빔의 번호를 전방향 셀(Omni Cell)(10)과 섹터 셀(Sectored Cell)(20)에 모두 동일하게 사용할 수 있도록 하기 위하여 전방향 셀(10)에서 부여하는 번호를 섹터 셀(20)에서도 동일하게 사용한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 전방향 셀(10) 안에 고정 빔(fixed beam)(32) 패턴을 구성할 수 있으며, 고정 빔(32)은 순차적인 빔 번호(31)를 갖는다.

그리고 스위치 빔(switched beam)(33)은 고정 빔(32) 중에서 하나의 빔을 선택하는 것으로, 예를 들어 전방향 셀(10)에 24개의 고정 빔(32)이 있는 경우 전체 24개의 빔 중 하나의 빔을 스위치 빔으로 선택한다.

상기 도 1a의 전방향 셀(10)은 도 1b와 같은 섹터당 8개의 고정 빔 패턴을 갖는 3섹터 셀(20)로 구성하는 것이 가능하므로, 전방향 셀(10)은 섹터0, 섹터1, 섹터2로 나뉘며, 섹터(섹터 셀)(20)당 8개의 고정 빔(32)을 갖는다.

그리고 섹터 셀(20)에서 고정 빔(32)의 번호(빔 번호)(31) 역시 전방향 셀(10)과 동일하게 순차적으로 부여하며, 섹터0의 제일 왼쪽 빔을 1번이라 하고 섹터2의 제일 오른쪽 빔을 24번이라 한다.

또한, 스위치 빔(33)은 고정 빔(32) 중에서 하나의 빔을 선택하는 것으로, 예를 들어 3섹터 셀(20)의 경우 각 섹터(20)마다 해당 섹터에 존재하는 8개의 고정 빔(32) 중 하나의 빔을 스위치 빔으로 선택한다.

그럼, 도 2a 및 2b를 참조하여 스마트 안테나를 적용한 OFDM/FDD 시스템 및 OFDM/TDD 시스템의 상/하향링크 서브프레임 구조를 살펴보기로 한다.

스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템에서 기본 시스템 운영 파라미터는 다수의 스위치 빔을 통해 반복적으로 전송되며, 이를 위하여 프리앰블(a)과 방송 정보(b)의 쌍을 하향링크 서브프레임(211,221)의 앞부분에 반복하여 구성한다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, OFDM/FDD 시스템의 프레임(210)은 하향링크 서브프레임(211)과 상향링크 서브프레임(212)으로 구성되며, 보호대역(213)으로 두 서브프레임(211,212)을 구분한다.

여기서, 하향링크 서브프레임(211)은 기지국에서 전송하는 것으로, 앞부분에 도시된 프리앰블(a)과 방송 정보(b) 쌍에는 단말국의 상향링크 전송을 위한 정보들이 포함되며, 공간 다이버시티를 얻기 위해 같은 정보를 스위치 빔을 이용하여 반복적으로 전송한다.

또한, 다음에 도시된 프리앰블(c)과 방송 정보(d), 하향링크 데이터 심볼(e)은 특정 단말국을 위한 것으로, 적응형 빔을 이용하여 유니캐스트(unicast)로 전송되며, 이 방송 정보(d)는 특정 단말국에게 전송되는 하향링크 데이터 심볼(e)에 대한 정보만을 포함한다.

또한, 그 다음에 도시된 프리앰블(f)과 방송 정보(g) 쌍은 조금 떨어져 전송되는 하향링크 데이터 심볼들(i)의 정보들을 포함하며, 동일한 정보들이 스위치 빔으로 전송된다. 이 하향링크 데이터 심볼(i)의 앞부분에는 프리앰블(h)이 존재하며, 이 프리앰블(h)과 하향링크 데이터 심볼(i)은 적응형 빔으로 전송된다.

한편, 상향링크 서브프레임(212)은 다수의 단말국에서 전송하는 것으로, 상향링크 전송에 필요한 정보들을 수신한 단말국은 제어심볼(j)을 전송하여 등록을 시도하며, 기지국은 다양한 형태의 빔을 사용하여 제어심볼(j)을 수신할 수 있다.

또한, 다음에 도시된 프리앰블(k)과 상향링크 데이터 심볼(l)은 등록이 완료된 단말국이 자신에게 할당된 시간에 전송하게 되며, 기지국은 적응형 빔을 사용하여 수신할 수 있다.

한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, OFDM/TDD 시스템의 프레임(220) 역시 하향링크 서브프레임(221)과 상향링크 서브프레임(222)으로 구성되며, 각 서브프레임(221,222) 사이에 보호 시간(223)을 두어 각 시간 슬롯을 구분한다.

여기서, OFDM/TDD 시스템의 하향링크 서브프레임(221)과 상향링크 서브프레임(222)의 구성은 상기 도 2a의 OFDM/FDD 시스템의 하향링크 서브프레임(211)과 상향링크 서브프레임(212)의 구성과 동일하며, 다만 OFDM/TDD에서는 상향링크에서 계산한 빔 형성 계수를 하향링크에 적용하여 적응형 빔을 사용할 수 있다.

다음으로, 도 3a 내지 3c를 참조하여 빔 선택으로 발생하는 인접 셀 빔과의 중첩에 대해 설명하기로 하고, 이후 인접 셀 빔과의 중첩을 피하기 위한 빔 선택 방법에 대해 살펴보기로 한다.

도 3a는 인접 셀의 섹터(섹터 셀)의 고정 빔 패턴에 대한 예시도로서, 2섹터 셀에 각 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우를 나타내고 있다.

도 3a에서, 각 셀은 섹터0과 섹터1로 나뉘며, 설명의 편의를 위하여 셀0의 섹터0을 '기준 섹터'로 정한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 기준 섹터는 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터1, 셀3의 섹터1과 인접하고 있으며, 기준 섹터의 빔은 인접 섹터로 향하고 있다. 따라서 셀0의 1~8번 빔은, 셀1의 11~14번 빔, 셀2의 9~11번 빔, 셀3의 14~16번 빔과 중첩될 가능성이 있다.

한편, 도 3b는 인접 셀의 섹터(섹터 셀)의 고정 빔 패턴에 대한 예시도로서, 3섹터 셀에 각 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우를 나타내고 있다.

도 3b에서, 각 셀은 섹터0, 섹터1, 섹터2로 나뉘며, 셀0의 섹터0(기준 섹터)는 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터2와 인접하고 있다. 따라서 셀0의 1~4번 빔은 인접한 셀1의 13~16번 빔과 중첩될 가능성이 있고, 셀0의 5~8번 빔은 인접한 셀2의 17~20번 빔과 중첩될 가능성이 있다.

다른 한편, 도 3c는 인접 셀의 섹터(섹터 셀)의 고정 빔 패턴에 대한 예시도로서, 4섹터 셀에 각 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우를 나타내고 있다.

도 3c에서, 각 셀은 섹터0, 섹터1, 섹터2, 섹터3으로 나뉘며, 셀0의 섹터0(기준 섹터)는 셀1의 섹터3, 셀2의 섹터2, 셀3의 섹터3과 인접하고 있다. 따라서 셀0의 1~4번 빔은 인접한 셀1의 13~14번 빔, 셀2의 9~12번 빔, 셀3의 13~16번 빔과 중첩될 가능성이 있다.

그럼, 도 4a 내지 4e를 참조하여 다양한 섹터 셀의 경우 빔간 간섭(상기 도 3a 내지 3c의 인접 셀 빔과의 중첩)을 피하기 위한 빔 선택 방법에 대해 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 4a 는 본 발명에 따라 2섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제1 실시예 설명도로서, 2섹터 셀에 각 섹터당 8개의 고정 빔이 있는 경우이다.

도 4a는 상기 도 3a에서 셀0의 섹터0을 기준 섹터로 나타낸 것으로, 빔 선택 방법은 모든 셀에 동일하게 적용된다. 예를 들어, 섹터0에서 1번 빔, 섹터1에서 9번 빔을 선택한다면, 모든 셀에서 1번과 9번 빔을 스위치 빔으로 선택한다.

N~N+7번 시간 슬롯 동안 섹터0에서 1~8번까지 차례로 빔을 선택한다면, 섹터1에서의 빔 선택에 따라 중첩 여부가 결정됨을 알 수 있다. 즉, 빔을 선택할 때는 인접한 모든 셀의 빔들과의 거리, 다음 시간 슬롯에서 선택할 수 있는 경우의 수를 고려해야 한다. 예를 들어, 섹터1에서 9~16번 빔까지 순서대로 선택한다면, N+3, N+4 시간 슬롯에서 4, 5번 빔은 12, 13번 빔과 중첩되게 된다.

이와 같은 경우를 방지하기 위하여, N~N+3 시간 슬롯 동안 12~9번 빔을 선택하고 N+4~N+7 시간 슬롯 동안 16~13번 빔을 선택한다면 빔들이 중첩되지는 않겠지만, N+1번 시간 슬롯에서 2, 11번 빔을 선택하는 경우와 같이 다소 인접한 빔이 선택되게 된다. 따라서 N~N+3번 시간 슬롯에서 9, 12, 11, 10번 빔을, N+4~N+7번 시간 슬롯 동안 15, 14, 13, 16번 빔을 선택할 경우 일정한 빔의 간격을 유지하는 선택 방법이 된다.

여기서, 빔을 선택하는 방법은 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 1]에서 BN은 빔 번호를 의미하며, SN은 섹터 번호, FN은 프레임 번호를 의미한다. 또한, N은 한 프레임에서 프리앰블 전송 횟수, NoB는 섹터에 있는 고정 빔의 수를 의미한다. 또한, 집합 [1:N]은 1부터 N까지 정수열을 의미한다. 예를 들어, N이 4일 때 [1:4]는 수열 [1 2 3 4]이다. 또한, 연산기호

는 나머지 연산을 의미한다. 또한, 수열

는 각 섹터에서 선택하는 빔의 선택 순서를 나타내는 수열로서 상기 조건을 만족하도록 구성되며, 섹터 개수, 섹터당 빔의 수, 섹터의 빔 선택 방법에 따라 달라진다. 또한, 수열 ps[]의 값을 선택하기 위한 인덱스는

에 의해 생성되며, 인덱스에 따라 선택된 빔 번호는 수열 ps[]을 만든다.

상기 도 4a에 도시된 바와 같이, 2섹터 셀에서 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우에, 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하는 수열 ps[]는 하기의 [수학식 2]와 같다.

예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같이 2섹터 셀에서 섹터당 8개의 빔이 존재하는 경우, 전송되는 프레임의 번호는 1번, 프레임당 반복해서 전송하는 프리앰블이 4개라고 가정할 때, 섹터1에서 선택하는 빔은 15, 14, 13, 16이다.

섹터1에서는 다음 프레임의 첫 번째 프리앰블을 위해 9번 빔을 선택한다.

도 4b 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제2 실시예 설명도로서, 상기 도 3b의 셀0의 섹터0, 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터2만을 확대한 것이며, 빔의 번호는 상기 도 3b를 따른다.

전술한 바와 같이, J번째 시간 슬롯에서 선택하는 빔은 인접 셀의 빔과 전혀 간섭이 없어야 한다.

그러나 셀0의 섹터0, 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터2는 마주하고 있기 때문에, 섹터0에서 1번 빔을 선택한다면 섹터1의 15, 16번 빔은 간섭의 가능성 높다. 여기서, 간섭의 가능성이 가장 적은 빔은 9번 빔이며, 간섭이 적은 4개의 빔, 즉 9~12번 빔을 하나의 그룹으로 묶어 그룹 A1이라 한다. 또한, 섹터2에서 그룹 A1과 가장 간섭이 적은 4개의 빔을 선택한다면 17~20번 빔이 되며, 이 빔들을 그룹 A2라고 한다.

따라서 전체적으로 1번과의 간섭을 고려하여 그룹 A1과 그룹 A2에서 빔을 선택하며, 1~4번 빔의 선택시 간섭의 확률이 비슷하도록 두 그룹에서 빔을 선택한다. 예를 들어, 1번 빔을 선택했을 때, 그룹 A1에서 9번 빔, 그룹 A2에서 17번 빔을 선택하면 간섭의 확률은 가장 낮게 되겠으나, 2번 빔을 선택했을 때 위와 유사한 수준의 간섭 확률을 유지하기 위한 선택은 없게 된다. 여기서, 설명의 편의상 1번 빔과 마주하고 있는 16번 빔을 기준으로 16번 빔과의 간격을 빔간 거리로 정의한다. 예를 들어, 1번 빔과 9번 빔은 빔간 거리가 7이다. 여기서는 일정 이하의 간섭 확률을 유지할 수 있도록 그룹 A1과 그룹 A2에서 빔을 선택할 때 빔간 거리 2 이상을 갖도록 한다.

또한, 5~8번 빔을 선택할 경우에도 섹터1의 13~16번 빔을 그룹 B1, 섹터2의 21~24번 빔을 그룹 B2라고 정의하고, 빔간 거리 2 이상을 유지하도록 그룹 B1과 B2에서 빔을 선택한다.

상기 도 4b와 같이 3섹터 셀에서 섹터당 8개의 고정 빔이 있는 경우에, 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하는 수열 ps[]는 하기의 [수학식 3]과 같다.

도 4c 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제3 실시예 설명도이다.

도 4c 는 상기 도 3b의 셀0의 섹터0, 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터2만을 확대한 것으로, 빔의 번호는 상기 도 3b를 따르되, 셀에 4개의 고정 빔이 있는 경우라 가정하며, 상기 도 4b의 3섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법과 동일한 규칙으로 수열 ps[]를 구성할 수 있다. 다만, 이 경우 4개의 고정 빔을 이용하기 때문에 8개의 고정 빔에 비하여 빔 폭이 넓어져 8개의 빔을 적용한 경우(상기 도 4b 참조)에 비해 간섭에 영향을 더 받게 되나, 짧은 시간 슬롯 동안 방송 정보를 전달할 수 있는 장점이 있다.

상기 도 4c에 도시된 바와 같이, 3섹터 셀에서 섹터당 4개의 고정 빔이 있는 경우에, 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하는 수열 ps[]는 하기의 [수학식 4]와 같다.

도 4d 는 본 발명에 따라 3섹터 셀의 6개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제4 실시예 설명도이다.

도 4d 역시 상기 도 3b의 셀0의 섹터0, 셀1의 섹터1, 셀2의 섹터2만을 확대한 것으로, 빔의 번호는 상기 도 3b를 따르며, 상기 도 4b의 3섹터 셀의 8개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법과 유사한 규칙으로 수열 ps[]를 구성할 수 있다.

상기 도 4d에 도시된 바와 같이, 3섹터 셀에서 섹터당 6개의 고정 빔이 있는 경우에, 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하는 수열 ps[]는 하기의 [수학식 5]와 같다.

도 4e 는 본 발명에 따라 4섹터 셀의 4개의 고정 빔 중에서 빔을 선택하는 방법에 대한 제5 실시예 설명도로서, 4섹터 셀에 각 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우를 나타내고 있다.

도 4e에 도시된 바와 같이, 4섹터 셀의 경우 기준 셀과 인접 셀의 빔간 최대 거리가 짧아지게 되므로 중첩의 가능성은 더욱 증대된다. 이와 같이 4개의 빔을 사용할 경우에는 넓은 빔폭 때문에 간섭이 발생하는 확률이 증대되게 되나, 빔간 중첩을 최소화하는 빔 선택 방법을 사용하여 셀간 간섭의 확률을 낮출 수 있다.

도 4e에 도시된 바와 같이, 빔간 중첩을 최소화하기 위하여, 섹터0과 섹터1은 순서대로 빔을 선택하고, 나머지 섹터는 회전하는 빔을 피하는 방향으로 선택한다.

상기 도 4e에 도시된 바와 같이, 4섹터 셀에서 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우에, 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하는 수열 ps[]는 하기의 [수학식 6]과 같다.

상기와 같은 빔 선택 방법을 이용한다면, 하기의 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 OFDM/TDMA 시스템과 OFDMA 시스템에서 하향링크 프리앰블과 방송 정보를 빔 선택 방법에 따른 스위치 빔을 사용하여 전달할 수 있다.

그럼, 도 5a 및 5b를 참조하여 OFDM/TDMA 시스템 및 OFDMA 시스템에서 스위치 빔 운영의 실예를 살펴보기로 한다.

도 5a에 도시된 OFDM/TDMA 시스템은 단말국에게 시간 슬롯을 할당하여 사용자를 구별하는 방식으로 한 단말국이 전체 주파수 대역을 사용하기 때문에, 셀룰라 시스템에서는 셀간 간섭이 크게 발생한다.

비록, 스마트 안테나를 적용한 셀룰러 시스템에서는 적응형 빔을 형성하여 간섭신호를 제거할 수 있지만, 스위치 빔을 사용하는 초기 동기 과정에서는 셀간 간섭이 발생할 수 있다. 이때, 셀간 간섭을 방지하기 위해 상기 빔 선택 방법을 적용할 수 있다.

도 5a는 OFDM/TDMA 시스템의 하향링크 서브프레임(510)을 나타낸 것으로, 하향링크 서브프레임(510) 앞부분에 위치한 프리앰블(511)과 방송 정보(512)의 쌍과 하향링크 서브프레임(510) 중간에 위치한 프리앰블(516)과 방송 정보(517) 쌍은 상기 빔 선택 방법에 의해 선택된 스위치 빔을 사용하여 반복적으로 전송된다. 이때, 앞부분의 쌍(511,512)과 중간 부분의 쌍(516,517)은 서로 다른 정보를 포함하기 때문에 빔 선택 방법은 독립적으로 이루어진다.

여기서, 하향링크 서브프레임(510)은 기지국에서 전송하는 것으로, 앞부분에 도시된 프리앰블(511)과 방송 정보(512) 쌍에는 단말국의 상향링크 전송을 위한 정보들이 포함되며, 공간 다이버시티를 얻기 위해 같은 정보를 스위치 빔을 이용하여 반복적으로 전송한다.

또한, 다음에 도시된 프리앰블(513)과 방송 정보(514), 하향링크 데이터 심볼(515)은 특정 단말국을 위한 것으로, 적응형 빔을 이용하여 유니캐스트(unicast)로 전송되며, 이 방송 정보(514)는 특정 단말국에게 전송되는 하향링크 데이터 심볼(515)에 대한 정보만을 포함한다.

또한, 그 다음에 도시된 프리앰블(516)과 방송 정보(517) 쌍은 조금 떨어져 전송되는 하향링크 데이터 심볼들(519)의 정보들을 포함하며, 동일한 정보들이 스위치 빔으로 전송된다. 이 하향링크 데이터 심볼(519)의 앞부분에는 프리앰블(518)이 존재하며, 이 프리앰블(518)과 하향링크 데이터 심볼(519)은 적응형 빔으로 전송된다.

한편, 도 5b에 주어진 OFDMA 시스템에서는 단말국에 서로 다른 부채널을 할당하며, 방송 정보를 전달하기 위한 목적으로 특별한 부채널을 할당한다.

도 5b는 OFDMA 시스템의 하향링크 서브프레임(520)을 나타낸 것으로, 하향링크 서브프레임(520) 앞부분에 동기를 위한 프리앰블(521)이 있으며, 이후 방송 정보를 전송하기 위한 주파수 대역(523)과 데이터 전송을 위한 주파수 대역(522)을 구분하여 할당한다.

여기서, 프리앰블(524)과 방송 정보(525) 쌍은 스위치 빔을 이용하여 반복적으로 전송되며, 데이터(하향링크 데이터 심볼)는 적응형 빔을 이용하여 전송된다.

특히, 주파수 재사용률이 1인 OFDMA 시스템에서 방송 정보를 전달하는 대역이 동일할 경우, 이 대역에 대하여 상기 빔 선택 방법을 적용함으로써 셀간 간섭을 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 스마트 안테나를 적용한 OFDM 셀룰러 시스템 등에서 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시에 기지국간 빔 선택 방법을 통하여 간섭을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 인접 셀과의 간섭이 거의 없는 상황에서 짧은 시간에 초기 등록이 가능하고, 여러 가지 섹터 셀의 경우와 여러 가지 고정 빔을 고려하여 다양한 시스템(TDMA(Time Division Multiple Access), TDD(Time division duplex) 뿐만 아니라, FDMA(Frequency Division Multiple Access), FDD(Frequency Division Duplexing), 이동 광대역 무선 접속(Mobile BWA) 등)에 적용할 수 있으며, OFDM/TDMA 시스템과 OFDMA 시스템 등에서 스위치 빔 운용 시 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (14)

1. 각 셀이 다수개의 섹터로 구분되고, 각 섹터당 일정 개수의 고정 빔을 갖는 무선통신 시스템에서 초기 동기 시 인접 셀 섹터의 고정 빔과 중첩되지 않도록 빔을 선택하기 위한 방법에 있어서,

   섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 확인하는 제1 단계;

   서로 인접한 셀에서 선택되는 빔들간에 일정 거리를 갖도록 상기 제1 단계에서 확인된 섹터 번호와, 프레임 번호와, 하나의 프레임에서 프리앰블 전송 횟수와, 각 섹터의 고정 빔의 수를 이용해 각 시간 슬롯에서 선택될 빔 번호의 수열을 계산하는 제2 단계;

   상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열에 따라 각 시간 슬롯에서 빔을 선택하는 제3 단계를 포함하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서 빔 번호의 수열은, 하기의 [수학식 1]에 의거하여 계산되는 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.

   [수학식 1]

   

   (여기서, BN은 빔 번호, SN은 섹터 번호, FN은 프레임 번호, N은 한 프레임에서 프리앰블 전송 횟수, NoB는 섹터에 존재하는 고정 빔의 수, 집합 [1:N]은 1부터 N까지의 정수열, 연산기호

   

   는 나머지 연산, 수열

   

   는 각 섹터에서 선택하는 빔의 선택 순서를 나타낸다.)
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서, 서로 인접한 셀에서 선택되는 빔들간에 일정 거리가 적어도 2 이상인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
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5. 제 2 항에 있어서,

   2섹터 셀에서 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우, 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열은,

   

   인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
6. 제 2 항에 있어서,

   3섹터 셀에서 섹터당 8개의 고정 빔이 존재하는 경우, 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열은,

   

   인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
7. 제 2 항에 있어서,

   3섹터 셀에서 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우, 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열은,

   

   인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   3섹터 셀에서 섹터당 6개의 고정 빔이 존재하는 경우, 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열은,

   

   인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
9. 제 2 항에 있어서,

   4섹터 셀에서 섹터당 4개의 고정 빔이 존재하는 경우, 상기 제2 단계에서 계산된 빔 번호의 수열은,

   

   인 것을 특징으로 하는 스위치 빔을 이용한 초기 동기 시의 빔 선택 방법.
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