KR100810231B1 - 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용한 신호 송신방법 및 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용한 신호 송신방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 구비하는 기지국의 신호 송신 방법에 있어서, 단말기와의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값을 측정하고, 상기 추정된 채널에 상응하여 전자기파를 측정하고, 측정된 전자기파의 편광 위상을 측정하고, 상기 채널의 변화값과 미리 결정된 임계값을 비교하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값 이하이면 상기 추정된 채널을 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값을 초과하면 상기 측정된 편광 위상을 이용한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하는 과정을 포함한다.
빔 포밍, 편광 정합, Maximal Ratio Combining, 업링크, 다운링크

Description

무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 이용한 신호 송신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING SIGNAL USING MULTI ANTENNA IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 일반적인 무선 통신 시스템에서 빔 포밍을 수행하는 수신기와 송신기의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 무선 통신 시스템에서 전기파의 전파를 도시한 도면.
도 3은 무선 통신 시스템에서 편광을 이용하여 신호를 송신하는 BS의 수신기와 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 동작 과정을 도시한 순서도.
본 발명은 무선 통신 시스템에서 신호의 송신에 관한 것으로, 특히 무선 통신 시스템에서 채널의 변화에 상응하여 다중 안테나를 이용한 신호 송신 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 통신 시스템에서 사용되는 듀플렉싱(duplexing) 방식은 크게 주파수를 기준으로 업링크(Uplink) 및 다운링크(Downlink) 전송을 듀플렉싱하는 주파수 분할 듀플렉싱(FDD: Frequency Division Duplexing, 이하 'FDD'라 칭하기로 한다) 방식과, 시간을 기준으로 업링크 및 다운링크 전송을 듀플렉싱하는 시분할 듀플렉싱(TDD: Time Division Duplexing, 이하 'TDD'라 칭하기로 한다) 방식을 포함한다.
상기 FDD 방식은, 업링크와 다운링크가 상이한 주파수를 사용하여 듀플렉싱되는 방식이다. 상기 FDD 방식을 사용하기 위해서 송신부, 일예로 기지국(BS: Base Station, 이하 'BS'라 칭하기로 한다)과 수신부, 일예로 단말기(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 한다) 각각은 송신 안테나(Tx ANT) 및 수신 안테나(Rx ANT)를 독립적으로 구비한다. 즉, 상기 BS와 상기 MS는 상기 송신 안테나와 상기 수신 안테나를 구비한 송신기와 수신기를 독립적으로 각각 포함한다.
또한, 상기 TDD 방식은 상기 FDD 방식과 달리 업링크 및 다운링크가 주파수가 아닌 시간을 사용하여 듀플렉싱되는 방식이다. 상기 TDD 방식이 무선 통신 시스템에 적용된 경우, 상기 무선 통신 시스템은, 업링크와 다운링크의 주파수가 동일하므로 상기 업링크 신호를 송신하는 업링크 시구간과 상기 다운링크 신호를 송신하는 다운링크 시구간을 미리 구분한다. 그리하여, 상기 업링크 시구간에서는 업링크 신호만을 송신하고 상기 다운링크 시구간에서는 상기 다운링크 신호만을 송신한다. 따라서, 상기 TDD 방식은 상기 FDD 방식에 비해 업링크 및 다운링크 신호 송수신을 위한 스케쥴링(scheduling) 복잡도가 증가하지만 주파수의 사용 효율이 증가하여 자원의 효율성 면에서 효과를 가진다.
또한, 상기 무선 통신 시스템에서 다수개의 안테나를 사용하여 통신 링크의 성능을 향상시키는 방식으로 빔 포밍(beamforming) 방식이 사용된다. 상기 빔 포밍 방식은 수신 빔 포밍 방식과 송신 빔 포밍 방식으로 나눌 수 있다. 상기 수신 빔 포밍 방식은 수신 안테나들 간에 상관이 존재할 때 수신기에서 미리 설정되어 있는 수신 방향에 상응하도록 신호를 수신하여 빔 포밍을 수행하는 방식이다. 또한, 상기 수신 빔 포밍 방식은 상기 MS보다는 상기 BS에서 업링크 신호를 수신하는데 적합한 방식이다. 여기서, 상기 송신 빔 포밍 방식은 송신기에서 다수개의 송신 안테나들을 사용하여 신호를 송신할 때 송신의 신뢰성을 향상시키기 위한 방식이다.
여기서, 상기 수신기 각 안테나가 겪는 채널을 추정하여 추정된 채널값을 보상하여 더하는 최대비 컴바이닝(MRC: Maximal Ratio Combining, 이하 'MRC'라 칭하기로 한다) 방식을 기반으로 하는 송신 빔 포밍 방식을 사용할 수 있다. 이러한 경우, 무선 통신 시스템은, 수신기의 신호대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio, 이하 'SNR'이라 칭하기로 한다)를 개선할 수 있다. 그리고, 상기 송신기는 상기 수신기에서 추정한 채널 정보를 사용하여 송신 빔 포밍을 수행할 수 있다.
또한, TDD 방식을 사용하는 무선 통신 시스템, 즉 TDD 무선 통신 시스템 에서 상기 송신 빔 포밍을 이용할 경우, 상기 TDD 무선 통신 시스템은 업링크와 다운링크의 반송파 주파수가 같으므로 MS가 저속으로 이동하면, 업링크와 다운링크 사이의 시간 동안에는 채널의 변화가 거의 없다. 그러므로 상기 TDD 무선 통신 시스템은 수신기에서 추정된 채널 정보를 이용해 송신 빔 포밍을 수행한다. 또한, 상기 TDD 무선 통신 시스템이 다수의 안테나를 포함할 경우 간섭 신호를 제거할 수 있으므로 동시에 다수의 MS들에 대하여 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이러한 방식을 공간 분할 다중 접속(SDMA: Spatial Division Multiple Access, 이하 'SDMA'라 칭하기로 한다) 방식이라 한다.
이렇게 TDD 방식을 사용하는 무선 통신 시스템은, 채널의 변화 속도가 작으면 업링크에서 추정한 채널이 다운링크의 채널과 같다고 가정하여 송신 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이때, 업링크에서 다수의 MS들의 채널을 추정한 경우에는 상기 채널 추정을 이용하여 서로 간섭을 주지 않는 송신 빔 포밍을 다수의 MS에게 수행하여 SDMA를 수행할 수 있다. 이하에서는 도 1을 참조하여 채널 추정을 기반으로 한 송신 빔 포밍 방식을 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 무선 통신 시스템에서 빔 포밍을 수행하기 위한 수신기와 송신기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 수신기(100)는, 업링크에서 순시 채널(H1, H2)을 추정하는 수신 안테나들(101,111)과, 상기 안테나들(101,111)이 각각 추정한 순시 채 널(H1, H2)에 각 순시 채널(H1, H2)의 켤레(conjugate)값(H1 *, H2 *)을 곱하는 곱셈기들(103, 113), 및 상기 곱셈기들(103,113)의 각 출력값을 합하는 덧셈기(120)를 포함한다. 즉, 상기 수신기(100)는 수신 안테나들(101,111)을 통해 순시 채널(H1, H2)을 추정한 후, 곱셈기들(103,113)과 덧셈기(120)를 통해 MRC를 수행한다. 또한, 상기 송신기(150)는, 업링크에서 수신기(100)가 추정한 동일한 순시 채널(H1, H2)을 이용하여 송신 빔 포밍을 수행하기 위한 덧셈기(170)와, 곱셈기들(153,163), 및 송신 안테나들(151,161)를 포함한다. 여기서, 상기 곱셈기들(153,163)은 상기 수신기(100)의 곱셈기들(103,113)과 동일하게 상기 순시 채널(H1, H2)의 켤레값(H1 *, H2 *)을 곱한다.
이와 같이 추정한 채널에 기반으로 한 송신 빔 포밍 방식과 SDMA방식을 상기 TDD 무선 통신 시스템에적용하면, MS가 저속으로 이동 시 업링크와 다운링크 사이의 시간 동안에 채널의 변화가 거의 없으므로, 즉 업링크에서 수신기가 추정한 순시 채널의 변화가 거의 없으므로 상기 순시 채널을 이용한 송신 빔 포밍의 수행이 가능하다. 그러나, 상기 MS가 고속으로 이동할 경우, 업링크에서 수신기가 추정한 순시 채널은 다운링크에서도 동일할 것이라는 보장이 없으므로, 상기 수신기가 추정한 순시 채널을 이용하여 송신 빔 포밍을 수행함에는 한계가 있다. 또한, 상기 MS가 고속으로 이동하여 빠르게 채널이 변화하는 상태에서의 송신 빔 포밍 방식은 전방위적(Omni-directional)으로 송신하는 방식보다 송신의 성능이 저하될 수 있으며, SDMA 방식의 경우에는 상기 MS들 간의 간섭이 제거되도록 송신 빔을 결정하는데 업링크와 다운링크에서의 채널이 불일치하므로 간섭이 제거되지 않아 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 채널의 변화에 상응하여 다중 안테나를 이용한 신호 송신 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 이동 속도에 따라 신호 송신 방식을 변경하는 신호 송신 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 구비하는 기지국의 신호 송신 방법에 있어서, 단말기와의 채널을 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값을 측정하는 과정과, 상기 추정된 채널에 상응하여 전자기파를 측정하고, 측정된 전자기파의 편광 위상을 측정하는 과정과, 상기 채널의 변화값과 미리 결정된 임계값을 비교하는 과정과, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값 이하이면 상기 추정된 채널을 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하는 과정과, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값을 초과하면 상기 측정된 편광 위상을 이용한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하는 과정을 포함한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 구비하는 신호 송신 장치에 있어서, 단말기와의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값과 전자기파를 측정하고, 상기 측정한 전자기파의 편광 위상을 측정하는 수신기와, 상기 채널의 변화값과 미리 결정된 임계값을 비교하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값 이하이면 상기 추정된 채널을 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값을 초과하면 상기 측정된 편광위상을 이용한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하는 송신기를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은, 무선 통신 시스템에서 채널의 변화에 상응하여 다중 안테나를 이용하여 신호를 송신하는 방안을 제안한다. 특히, 본 발명은, 채널이 고속으로 변화할 경우, 전자기파의 편광을 정합하여 신호를 송신하고, 채널이 저속으로 변화할 경우에는 빔 포밍을 하여 신호를 송신하는 방법 및 장치를 제안한다.　 상기 발명에서는, 수신부, 예컨대 단말기(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 한다)와 통신을 수행하는 송신부, 예컨대 기지국(BS: Base Station, 이하 'BS'라 칭하기로 한다)이 하나 이상의 송수신 안테나를 각각 구비하는 수신기와 송신기를 포함한다. 상기 수신기는 업링크(Uplink)에서 채널의 추정 및 상기 채널의 변화값과 편광 위상을 측정한다. 그리고, 상기 송신기는 상기 추정 및 측정 결과에 상응하여 신호를 MS로 송신한다. 여기서 상기 신호 송신은 편광 위상을 정합하여 신호를 송신하는 방식과 빔 포밍(beamforming)을 수행하여 신호는 송신하는 방식 중 적어도 하나를 포함한다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는, 시분할 듀플렉싱(TDD: Time Division Duplexing, 이하 'TDD'라 칭하기로 한다) 방식의 무선 통신 시스템, 즉 TDD 무선 통신 시스템을 기반으로 채널의 변화에 상응하여 신호를 송신하는 방법 및 장치에 관해 설명하지만, 본 발명은 하나 이상의 송수신 안테나를 포함하는 모든 무선 통신 시스템에 적용 가능하다. 이하의 설명에서는 설명의 편의를 위해, 전자기파 중에서 전기장과 상기 전기장의 편광 위상을 측정하고, 상기 편광 위상이 측정된 전기장의 편광을 정합하는 것을 중심으로 설명하나, 본 발명은, 상기 전자기파 중에서 자기장을 측정하여 상기 측정된 자기장의 편광을 정합하는 경우에도 적용 가능하다. 즉, 본 발명은, 전기장 및 자기장의 각 축 방향, x축 방향, y축 방향, 및 z축 방향의 편광 위상을 측정하고, 상기 측정된 편광 위상을 보상, 편광 정합하여 신호를 송신하는 경우에도 적용 가능하다.
도 2는 무선 통신 시스템에서 전기파의 전파(propagation)를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전기파는 안테나의 편광(polarization), 또는 분극에 따라서 공간상에서 위상이 전달된다. 이때 상기 전기파의 전기장(E)이 z축 방향으로 전파하고 있다고 가정하면, 임의의 고정된 위치에서의 x-y 평면상 전기장(E)(201)은, x축 방향의 전기장(Ex)과 y축 방향의 전기장(Ey)을 가지며, 편광 위상(φ)을 갖는다. 이때, 상기 전기장(E)(201)은 해당 안테나의 편광과 안테나의 공간상에서의 위치와 주변 환경에 따라 반사 및 회절 등에 의해 결정된다.
그리고, 수신 안테나가 특정 위상으로 편광된 안테나일 경우, 수신 안테나는 상기 특정 편광 위상을 가지며 편광되어 수신되는 전파를 수신할 때 그 수신 전력이 최대가 된다. 다시 말해, 상기 수신 안테나는 자신이 편광된 위상과 대응하는 위상으로 편광되어 수신되는 전파를 수신할 경우 최대의 수신 전력을 갖는다. 그러므로, 편광 현상을 이용하여 안테나로 신호를 송수신할 경우 원하는 전파만을 구분하거나 송수신 안테나에서 편광된 각도를 조정함으로써 신호의 송수신 효율을 높일 수 있다. 또한, 편광 현상은 송신 안테나의 편광 위상(φ)과, 주변 물체에 의한 반사, 및 회절에 따른 위상 지연 현상 등에 의해 순시적으로는 임의의 편광 위상이 전파된다. 하지만, 오랜 기간 평균된 수신 전력을 확인하면 주파수나 수신기의 속도와는 관계없이 일정하게 편광되어 전파되는 특성을 갖는다.
도 3은 무선 통신 시스템에서 전술한 바와 같은 전기파의 편광 특성을 이용하여 신호를 송신하는 BS의 수신기와 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 BS의 수신기(310)는, 서로 직교하는, 즉 수직/수평 2개의 편광 수신 안테나들(311,313)과, 상기 편광 수신 안테나들(311,313)이 수신한 각각의 전기장들(Ex, Ey)을 측정하는 전기장 측정기들, 즉 Ex 측정기(315)와 Ey 측정기(317), 및 편광 위상 측정기(319)를 포함한다.
상기 2개의 편광 수신 안테나들(311,313)은 MS(301)로부터 수신되는 업링크에서 전기장을 수신한다. 즉 x축 방향의 편광 수신 안테나(311)는 x축 방향의 전기장(Ex)을 수신하고, y축 방향의 편광 수신 안테나(313)는 y축 방향의 전기장(Ey)을 수신한다. 상기 수신된 전기장들(Ex, Ey)은 각 전기장 측정기들(315,317)로 전달되며, 상기 전기장 측정기들(315,317)은 각각 x방향의 전기장(Ex)과 y방향의 전기장(Ey)을 측정한다. 이렇게 상기 전기장 측정기들(315,317)이 x방향의 전기장(Ex)과 y방향의 전기장(Ey)을 측정하면, 상기 편광 위상 측정기(319)는 하기 수학식 1을 통해 편광 위상(φ)을 산출함으로써 편광 위상 값을 측정한다.
Figure 112005054726395-pat00001
이렇게 상기 수신기(310)가 편광 위상(φ)을 측정하면, 상기 수신기(310)를 포함하는 상기 BS는 상기 측정한 편광 위상(φ)을 보상하여, 즉 편광을 정합하여 상기 MS(301)로부터 전송되는 신호를 수신함으로써 수신 SNR을 개선한다. 예컨대, 상기 수신기(310)는 측정된 편광 위상(φ)을 보상을 위해 2개의 편광 수신 안테나들(311,313)의 위치와 방향을 조정하고, 상기 조정된 2개의 편광 수신 안테나들(311,313)은 상기 MS(301)로부터 전송되는 신호와 편광이 정합됨에 따라 수신기(310)는 최대 수신 전력을 갖는다.
또한, 상기 BS의 송신기(350)는 서로 직교하는, 즉 수직/수평 2개의 편광 송신 안테나들(351,353)과 전기장 편광 정합기들, 즉 Ex 편광 정합기(355)와 Ey 편광 정합기(357)를 포함한다. 상기 각 편광 정합기(355,357)는, 다운링크(Downlink)에서 BS가 MS(303)로 신호를 송신할 때, 각 전기장(Ex, Ey)의 편광 위상을 상기 수신기(310)가 측정한 수신 편광 위상(φ)에 정합한 후, 상기 정합한 각 전기장(Ex, Ey)을 편광 송신 안테나들(351,353)로 전달한다. 상기 편광 송신 안테나들(351,353)은 상기 편광 위상이 정합된 각 전기장(Ex, Ey)을 상기 MS(303)로 송신함으로써 상기 MS(303)가 최대 수신 전력을 갖도록 한다. 즉, 송신기(350)는 MS(303)의 수신 안테나와 편광이 정합된 신호를 송신함으로써 상기 MS(303)는 최대 수신 전력을 갖는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 수신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 수신기(410)는, 서로 직교하는, 즉 수직/수평 2개의 편광 수신 안테나들(411,413)과, 편광 위상/채널 변화 측정기(415), 곱셈기들(417,419), 및 덧셈기(421)를 포함한다.
상기 편광 수신 안테나들(411,413)은 상기 MS(401)로부터 전송되는 신호를 수신하며, 이때 업링크에서 편광 특성을 갖는 순시 채널(H1, H2)을 추정한다. 즉, 상기 MS(401)로부터 수신하는 매 프레임마다 채널을 추정한다. 이렇게 추정된 순시 채널(H1, H2)은 곱셈기들(417,419)로 전달되며, 상기 곱셈기들(417,419)은 상기 순시 채널(H1, H2)에 각 순시 채널(H1, H2)의 켤레(conjugate)값(H1 *, H2 *)을 곱한다. 상기 곱셈기들(417,419)에서 각 순시 채널(H1, H2)에 자신의 켤레값(H1 *, H2 *)이 곱해진 각각의 결과값은 덧셈기(421)로 전달된다. 상기 덧셈기(421)는 상기 결과값들을 합한다. 이렇게 수신기(410)는 편광 수신 안테나들(411,413)을 통해 상기 순시 채널(H1, H2)을 추정한다. 다음으로 상기 곱셈기들(417,419)에서 상기 순시 채널(H1, H2)에 순시 채널(H1, H2)의 켤레값(H1 *, H2 *)을 각각 곱하고, 상기 곱한 결과값들을 덧셈기(421)에서 더하여 최대비 컴바이닝(MRC: Maximal Ratio Combining, 이하 'MRC'라 칭하기로 한다)을 수행한다.
또한, 상기 편광 위상/채널 변화 측정기(415)는, 편광 수신 안테나들(411,413)에서 수신된 순시 채널(H1, H2)의 전자기파 중에서 전기장, 즉 x축 방향의 전기장(Ex)과 y축 방향의 전기장(Ey)을 각각 측정한다. 그리고 상기 수학식 1을 이용하여 편광 위상(φ)을 측정한다. 아울러, 상기 편광 위상/채널 변화 측정기(415)는, 상기 편광 수신 안테나(411,413)에서 추정한 순시 채널(H1, H2)을 이용하여 채널의 변화 정도를 나타내는 채널 변화값(S)을 측정한다. 다시 말해, 상기 수신기(410)는 임의의 n번째 프레임에서 추정한 순시 채널(H(n))과 그 다음 프레임, 즉 n+1번째 프레임에서 추정한 순시 채널(H(n+1))을 이용하여 채널 변화값(S)을 측정한다. 여기서, 상기 채널 변화값(S)는 하기 수학식 2에 의해 정의된다.
Figure 112005054726395-pat00002
이렇게 상기 수신기(410)는 순시 채널(H1, H2)을 매 프레임마다 추정하여 전 술한 바와 같은 MRC를 수행하며, 상기 순시 채널(H1, H2)의 채널 변화값(S)과 각 전기장들(Ex, Ey) 및, 상기 전기장(Ex, Ey)의 편광 위상(φ)을 측정한다.
이와 같이 수신기(410)에서 추정한 순시 채널(H1, H2)과 측정한 채널 변화값(S), 각 전기장들(Ex, Ey), 및 편광 위상(φ)에 상응하여 상기 수신기(410)를 포함하는 BS는 송신기를 통해 신호를 MS(401)로 송신한다. 즉, 상기 BS가 포함하는 송신기는 상기 추정한 순시 채널(H1, H2)과 측정한 상기 순시 채널(H1, H2)의 채널 변화값(S)과 각 전기장들(Ex, Ey) 및, 상기 전기장(Ex, Ey)의 편광 위상(φ)에 상응하여 신호를 MS로 송신한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 송신기 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 송신기(510)는, 서로 직교하는, 즉 수직/수평 2개의 편광 송신 안테나들(511,513)과, 편광 정합기(515), 곱셈기들(517,519)과, 덧셈기(521), 및 제어부(523)와 스위칭부(525)를 포함한다.
상기 제어부(523)는 MS(501)로의 신호 송신을 위해 무선 채널 환경에 상응하여 사용자에 의해 미리 설정된 임계값과 앞서 도 4에서 설명한 바와 같이 수신기(410)가 측정한 채널 변화값(S)을 서로 비교한다. 그런 다음, 상기 제어부(523)는 상기 비교 결과에 상응하여 스위칭부(525)의 스위칭 동작을 제어한다. 이때, 상기 채널 변화값(S)이 임계값보다 클 경우, 상기 제어부(523)는, 채널이 고속으로 변화 한다고 판단하여 송신기(510)가 채널의 변화와 무관한 편광 위상을 보상하는 편광 정합을 이용하여 신호를 송신하도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(523)는 스위칭부(525)가 편광 정합기(515)와 연결되도록 한다.
반면, 상기 채널 변화값(S)이 임계값 이하일 경우, 상기 제어부(523)는, 채널이 저속으로 변화한다고 판단하고, 상기 판단에 상응하여 업링크와 다운링크의 채널이 동일 판단한다. 그에 따라, 제어부(523)는, 업링크에서 상기 수신기(410)가 추정한 채널을 기반으로 MRC를 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하도록 상기 스위칭부(525)가 덧셈기(521)와 연결되도록 한다.
이때, 전자의 경우와 같이 상기 스위칭부(525)가 편광 위상 정합기(515)와 연결되면, 상기 스위칭부(525)의 연결에 상응하여 편광 위상 정합기(515)는, 다운링크에서 상기 MS(501)로 전송할 신호의 각 전기장들(Ex, Ey)의 편광 위상을 상기 수신 편광 위상(φ)에 정합한 후, 상기 편광 송신 안테나들(511,513)을 통해 상기 MS(501)로 신호를 송신한다. 즉, 상기 편광 송신 안테나들(511,513)은 각 전기장들(Ex, Ey)의 편광 위상이 정합된 신호를 상기 MS(501)로 송신함으로써 상기 MS(501)가 최대 수신 전력을 갖도록 한다. 이렇게 상기 송신기(510)는 채널이 고속으로 변화할 경우, 채널의 변화와 무관한 상기 편광 정합을 이용하여 신호를 송신한다.
그리고, 후자의 경우와 같이 상기 스위칭부(525)가 상기 덧셈기(521)와 연결되면, 상기 스위칭부(525)의 연결에 상응하여 상기 덧셈기(521)와 상기 곱셈기들(517,519)은, 업링크에서 상기 수신기(410)가 추정한 순시 채널(H1, H2), 즉 채널에 상응하여 앞서 상기 수신기(410)에서 설명한 바와 같이 MRC를 이용하여 빔 포밍을 수행한 후, 상기 편광 송신 안테나들(511,513)을 통해 상기 MS(501)로 신호를 송신한다. 이렇게 상기 송신기(510)는 채널이 저속으로 변화할 경우, 상기 추정한 채널에 상응하여 MRC를 이용하여 빔 포밍을 수행함으로써 신호의 간섭을 제거하는 공간 분할 다중 접속(SDMA: Spatial Division Multiple Access, 이하 'SDMA'라 칭하기로 한다) 방식을 수행할 수 있다.
한편, 상기 MS(501)는, 상기 송신기(510)로부터 신호를 단일 안테나로 수신함으로써, 상기 송신기(510)가 순시 채널(H1, H2)을 이용하여 MRC를 통한 빔 포밍을 수행한 후, 신호를 송신 하는지, 또는 편광 위상 정합 이용하여 신호를 송신 하는지에 관계없이 모든 신호의 수신 가능하다. 그에 따라, 본 발명은, 채널의 변화에 상응하여 BS가 송신 방식을 변경하여 신호를 MS로 송신할지라도 상기 변경 사실을 MS로 알려주지 않아도 된다. 그에 따라, 본 발명은 시스템에서 추가적 메시지의 전송이 불필요하며, 또한 본 발명은, BS가 송신 방식을 변경하여 신호를 송신할지라도, 상기 송신된 신호를 수신하기 위한 MS의 구조 변경 또한 불필요하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 BS의 동작 과정을 도시한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 601단계에서 상기 BS의 수신기는 서로 직교하는, 즉 수직/수평 2개의 편광 수신 안테나를 통해 MS로부터 업링크에서 채널을 수신하면 603단계와 605단계로 각각 진행한다. 상기 603단계에서 상기 수신한 채널의 전자기파, 즉 x축 방향의 전기장(Ex)과 y축 방향의 전기장(Ey)을 각각 측정한 다음, 상기 측정한 전기장들(Ex, Ey)을 통해 편광 위상(φ)을 측정한다. 또한, 상기 605단계에서 수신한 채널에서 각 편광 수신 안테나의 순시 채널을 추정하고, 607단계에서 상기 추정한 순시 채널을 이용하여 채널 변화값을 측정한다. 그런 다음, 609단계에서 송신기는 BS와 MS 간의 신호 송신을 위한 무선 채널 환경에 상응하여 미리 설정된 임계값과 상기 수신기에서 측정한 채널 변화값을 비교한다.
이때, 상기 채널 변화값이 임계값보다 클 경우, 채널이 고속으로 변화한다고 판단하여 상기 BS의 송신기가 채널 변화와 무관한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하도록 611단계로 진행한다. 상기 611단계에서 송신기는 MS로 전송할 각 전기장들(Ex, Ey)의 편광 위상을 상기 603단계에서 측정한 편광 위상(φ)에 정합하여 편광 송신 안테나들을 통해 MS로 신호를 송신한다.
반면, 상기 609단계에서 채널 변화값이 임계값보다 작을 경우, 채널이 저속으로 변화한다고 판단, 즉 업링크와 다운링크의 채널이 동일하다고 판단하여 613단계로 진행한다. 상기 613단계에서 송신기는 상기 605단계에서 추정한 채널 기반으로 MRC하여 빔 포밍을 수행한 후, 편광 송신 안테나들을 통해 MS로 신호를 송신한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술 하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 무선 통신 시스템에서 채널의 변화에 상응하여 신호를 송신함으로써, 빔 포밍의 성능 저하를 방지하며, 신호의 간섭을 제거하여 SDMA을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은 신호를 수신하는 단말기 등의 이동 속도에 적응적으로 신호 송신 방식, 즉 편광 위상 정합을 통한 신호 송신 방식과 빔 포밍의 수행을 통한 신호 송신 방식으로 변경하여 신호를 송신할 수 있다. 또한, 본 발명은 시스템의 구조 변경 및 추가 메시지 없이 신호의 송신이 가능하므로 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 구비하는 기지국의 신호 송신 방법에 있어서,
    단말기와의 채널을 추정하는 과정과,
    상기 추정된 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값을 측정하는 과정과,
    상기 추정된 채널에 상응하여 전자기파를 측정하고, 측정된 전자기파의 편광 위상을 측정하는 과정과,
    상기 채널의 변화값과 미리 결정된 임계값을 비교하는 과정과,
    상기 채널의 변화값이 상기 임계값 이하이면 상기 추정된 채널을 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하는 과정과,
    상기 채널의 변화값이 상기 임계값을 초과하면 상기 측정된 편광 위상을 이용한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하는 과정을 포함하는 신호 송신 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 편광 정합은 상기 측정된 전자기파의 편광 위상과 송신 신호 전자기파의 편광 위상을 정합하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 포밍은 상기 추정된 채널을 최대비 컴바이닝하여 빔 포밍하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 채널 추정은 상기 단말기로부터 수신되는 신호를 각 프레임 단위로 채널 추정하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  6. 무선 통신 시스템에서 다중 안테나를 구비하는 신호 송신 장치에 있어서,
    단말기와의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값과 전자기파를 측정하고, 상기 측정한 전자기파의 편광 위상을 측정하는 수신기와,
    상기 채널의 변화값과 미리 결정된 임계값을 비교하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값 이하이면 상기 추정된 채널을 이용한 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하고, 상기 채널의 변화값이 상기 임계값을 초과하면 상기 측정된 편광위상을 이용한 편광 정합을 수행하여 신호를 송신하는 송신기를 포함하는 신호 송신 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 편광 정합은 상기 측정된 전자기파의 편광 위상과 송신 신호 전자기파의 편광 위상을 정합하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 빔포밍은 상기 추정된 채널을 최대비 컴바이닝하여 빔 포밍하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 수신기는, 상기 단말기로부터 수신되는 신호를 각 프레임 단위로 채널을 추정하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 수신기는,
    상기 단말기의 신호를 수신하여 채널을 추정하는 안테나들과, 상기 안테나들서 측정한 채널에 상응하여 상기 채널의 변화값과 전자기파를 측정하고, 상기 측정한 전자기파의 편광 위상을 측정하는 편광 위상/채널 변화 측정기를 포함하는 신호 송신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수신기는,
    상기 추정된 각 채널의 켤레값을 각각 곱하는 곱셈기와,
    상기 곱셈기들의 출력을 더하여 최대비 컴바이닝(MRC: Maximal Ratio Combining)을 수행하는 덧셈기를 더 포함하는 신호 송신 장치.
  13. 제6항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 수신기의 채널의 변화값에 상응하여 추정된 채널을 통한 빔 포밍과 추정된 편광 위상을 이용한 편광 정합 중 적어도 하나의 방식을 사용하여 신호를 송신하도록 제어하는 제어부와,
    상기 제어부의 제어에 따른 신호 송신 방식으로 신호가 송신되도록 스위칭하는 스위치를 포함하는 신호 송신 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 측정한 전자기파의 편광 위상과 송신할 신호의 전자기파의 편광
    위상을 정합하는 편광 위상 정합기와,
    상기 추정한 채널을 기반으로 빔 포밍을 수행하여 신호를 송신하는 빔포밍부를 더 포함하는 신호 송신 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 빔 포밍부는,
    빔포밍을 수행하여 신호를 송신하도록 하는 덧셈부와,
    상기 덧셈부의 출력 신호에 상기 추정된 각 채널의 켤레값을 곱하는 곱셈기들을 더 포함하는 신호 송신 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 추정된 채널은 순시 채널임을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  17. 제 4항에 있어서,
    상기 최대비 컴바이닝은 상기 추정된 각 채널의 켤레값을 곱하고, 곱해진 켤레값을 더하여 최대비 컴바이닝하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 방법.
  18. 제 6항에 있어서,
    상기 수신기가 추정한 채널은 순시 채널임을 특징으로 하는 신호 송신 장치.
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