KR100975705B1 - 이동 통신 시스템에서 신호 송수신 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동 통신 시스템에서, 중계국이 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 적어도 1개의 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함할 경우, 각 이동 단말을 위해 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 선택하고, 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신한다.
풀 듀플렉스 모드, 평균 채널 전력 이득, 안테나 셋#1, 안테나 셋#2

Description

이동 통신 시스템에서 신호 송수신 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TRANSMITTING/RECEIVING SIGNAL IN A MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 일반적인 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 구조를 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 프레임 구조를 도시한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템에서 중계국이 액티브 안테나 셋(Active Antenna Set) 결정 알고리즘을 사용하여 자 이동 단말에 대한 안테나를 결정하는 과정을 도시한 순서도
본 발명은 이동 통신 시스템의 신호 송수신 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 멀티 홉(multi-hop) 방식을 사용하는 시분할 듀플렉스(TDD: Time-Division Duplex, 이하 'TDD'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템(이하, '멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템'이라 칭하기로 한다)에서 신호를 송수신하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
차세대 통신 시스템에서는 고속의 전송 속도를 가지면서도, 대용량의 다양한 서비스 품질(QoS: Quality of Service, 이하 'QoS' 칭하기로 한다)들을 가지는 서비스들을 이동 단말(MS: Mobile Station, 이하 'MS'라 칭하기로 한다)들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 상기 차세대 통신 시스템에서 그 사용을 적극적으로 고려하고 있는 방식들중의 한 방식이 멀티 홉 방식이다. 그러면, 여기서 도 1을 참조하여 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 구조에 대해서 설명하기로 한다.
상기 도 1은 일반적인 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 인터넷 백본(internet backbone)(111)과, 이동 통신 네트워크(mobile communication network)(113)와, 다수의 기지국(BS: base station)들, 즉 기지국#1(115-1)와 기지국#2(115-2)와, 다수의 중계국(RS: Relay Station)들, 즉 중계국#1(117-1)와 중계국#2(117-2)와, 다수의 이동 단말들, 즉 이동 단말#1(119-1)와, 이동 단말#2(119-2)와, 이동 단말#3(119-3)와, 이동 단말#4(119-4)을 포함한다.
상기 다수의 중계국들(117-1,117-2)은 처리량 증가(Throughput Enhancement) 혹은 서비스 영역 확장(Service Coverage Extension)을 위해 설치된다. 상기 인터넷 백본(111)은 상기 이동 통신 네트워크(113)에 연결되며, 상기 이동 통신 네트워크(113)는 상기 기지국들(115-1,115-2)과 통신을 수행한다. 상기 기지국#1(115-1)은 상기 중계국들(117-1,117-2)과 통신을 수행한다. 상기 기지국#1(115-1)은 상기 중계국들(117-1,117-2)에 대한 모(parent) 기지국이 되며, 상기 중계국들(117-1,117-2)은 상기 기지국#1(115-1)의 자(children) 중계국들이 되는 것이다.
상기 중계국#1(117-1)은 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)과 통신을 수행한다. 상기 중계국#1(117-1)은 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)의 모 중계국이 되며, 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)은 상기 중계국#1(117-1)의 자 이동 단말들이 되는 것이다. 상기 이동 단말#4(119-4)은 중계국을 통하지 않고 기지국, 즉 기지국#1(1151-1)과 직접 통신을 수행하며, 이렇게 중계국을 통하지 않고 기지국과 직접 통신을 수행하는 이동 단말을 '레가시(legacy, 이하 'legacy'라 칭하기로 한다) 이동 단말'이라 칭하기로 한다. 따라서 상기 이동 단말#4(119-4)은 상기 기지국#1(115-1)의 legacy 이동 단말이 되는 것이다.
다운링크(downlink) 시구간 동안, 상기 중계국들(117-1,117-2)은 상기 기지국#1(115-1)에서 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)을 타겟으로 하여 송신하는 신호를 수신하고, 상기 수신 신호를 상기 상기 기지국#1(115-1)과 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)간의 채널 상태보다 더 좋은 채널 상태를 가지는 중계국-이동 단말 링크(link)를 통해 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)에게 재송신한다.
또한, 업링크(uplink) 시구간 동안, 상기 중계국들(117-1,117-2)은 상기 이동 단말들(119-1,119-2,119-3)에서 송신되는 신호를 수신하고, 상기 수신한 신호를 상기 기지국#1(115-1)로 재송신한다. 여기서, 상기 다운링크 시구간 및 업링크 시구간동안 수행되는 신호 재송신 동작은 단순 증폭 및 전달(amplify-and-forward, 이하 'AF'라 칭하기로 한다) 모드에 상응하게 수행될 수도 있고, 복호 및 전 달(decode-and-forward, 이하 'DF'라 칭하기로 한다) 모드에 상응하게 수행될 수도 있다. 상기 AF 모드 및 DF 모드에 대해서 설명하면 다음과 같다.
상기 AF 모드에서는, 중계국은 수신된 신호를 단순히 증폭한 후 이를 해당 자(children) 이동 단말들로 송신한다. 따라서 상기 AF 모드에서는, 백색 가산성 잡음(additive white noise)까지 증폭된 신호가 중계국에서 이동 단말들로 재송신된다.
상기 DF 모드에서는, 중계국은 기지국으로부터 수신한 신호를 디코딩하고, 상기 디코딩한 신호를 재 인코딩 및 재 스케쥴링을 수행하여 해당 이동 단말들로 재송신한다. 결과적으로, 상기 AF 모드는 비교적 간단한 중계국 구조를 구현 가능하게 하고, 상기 DF 모드가 중계 송신의 신뢰성 및 효율성에 있어서는 바람직하다.
일반적으로, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 하프 듀플렉스 모드(half-duplex mode)로 동작한다. 상기 하프 듀플렉스 모드로 동작할 경우, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 순차적으로 다운링크 신호 및 업링크 신호를 송신한다. 여기서, 상기 다운링크 신호의 기본 송신 단위를 다운링크 프레임(frame)이라고 가정하기로 하고, 상기 업링크 신호의 기본 송신 단위를 업링크 프레임이라고 가정하기로 한다.
첫 번째로, 상기 다운링크 프레임을 송신하는 동작에 대해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 첫 번째 단계에서, 중계국이 다운링크 프레임을 송신하지 않는 동안 기지국은 제1다운링크 프레임을 자 중계국 및 legacy 이동 단말에게 송신한다. 다음으로, 두 번째 단계에서 중계국이 상기 첫 번째 단계에서 수신한 제2다운링크 프레임을 자 이동 단말에게 송신한다. 여기서, 상기 제2다운링크 프레임은 상기 중게국의 해당 자 이동 단말들을 위한 정보를 포함하며, 상기 정보는 상기 기지국이 송신한 제1다운링크 프레임으로부터 수신된다.
두 번째로, 상기 업링크 프레임을 송신하는 동작에 대해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 첫 번째 단계에서 중계국이 업링크 프레임을 송신하지 않는 동안 자 이동 단말은 중계국에게 업링크 프레임을 송신하고, legacy 이동 단말은 기지국에게 업링크 프레임을 송신한다. 다음으로, 두 번째 단계에서 중계국은 첫 번째 단계에서 업링크 프레임을 상기 중계국의 모 기지국에게 송신한다. 여기서, 상기 두 번째 단계에서 송신되는 업링크 프레임은 상기 자 이동 단말들이 업링크 프레임을 송신하는 동안 상기 자 이동 단말로부터 수신한 정보를 포함한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 상기 하프 듀플렉스 모드는 중계국이 신호 송신 동작과 신호 수신 동작을 동시에 수행할 수 없다는 전제를 기반으로 하는 모드이다. 또한, 상기 하프 듀플렉스 모드는 안테나들의 근접 필드 효과(near-field effect, 이하 'near-field effect'라 칭하기로 한다) 뿐만 아니라 주파수 재사용 계수(frequency reuse factor) 1과의 호환성을 기반으로 하는 모드이다.
상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템이 상기 하프 듀플렉스 모드로 동작할 경우 다운링크 프레임 시구간에서 기지국과 중계국간의 간섭 발생이 방지되고, 업링크 프레임 시구간에서 중계국과 이동 단말간의 간섭 발생이 방지된다. 그러나, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템이 상기 하프 듀플렉스 모드를 사용할 경우에는 데이터 레이트(data rate)가 1/2이 되어 데이터 레이트 측면에서 제한이 발생하게 된다.
한편, 이동 통신 시스템의 무선 채널 환경은 유선 채널 환경과는 달리 다중 경로 간섭(multipath interference)과, 쉐도잉(shadowing)과, 전파 감쇠와, 시변 잡음과, 간섭 및 페이딩(fading) 등과 같은 다양한 요인들로 인해 불가피한 에러가 발생하여 정보의 손실이 발생한다. 상기 정보 손실은 실제 송신 신호에 심한 왜곡을 발생시켜 상기 이동 통신 시스템 전체 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.
따라서, 차세대 통신 시스템에서는 상기 페이딩 현상으로 인한 통신의 불안정성을 제거하기 위해 다이버시티 방식 사용을 적극적으로 고려하고 있다. 상기 다이버시티 방식은 크게 시간 다이버시티(time diversity) 방식과, 주파수 다이버시티(frequency diversity) 방식 및 안테나 다이버시티(antenna diversity) 방식, 즉 공간 다이버시티(space diversity) 방식으로 분류된다.
상기 안테나 다이버시티 방식은 다중 안테나(multiple antenna)를 사용하는 방식으로서, 수신 안테나들을 다수개로 구비하여 적용하는 수신 안테나 다이버시티 방식과 송신 안테나들을 다수개로 구비하여 적용하는 송신 안테나 다이버시티 방식 및 다수개의 수신 안테나들과 다수개의 송신 안테나들을 구비하여 적용하는 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multiple Input Multiple Output, 이하 'MIMO'라 칭하기로 한다) 방식으로 분류된다. 여기서, 상기 MIMO 방식은 일종의 시공간 부호화(STC: Space-Time Coding, 이하 'STC'라 칭하기로 한다) 방식이며, 상기 STC 방식은 미리 설정된 부호화 방식으로 부호화된 신호를 다수개의 송신 안테나들을 사용하여 송신함으로써 시간 영역(time domain)에서의 부호화 방식을 공간 영역(space domain)으로 확장하여 보다 낮은 에러 레이트를 달성하는 방식을 나타낸다.
상기에서 설명한 바와 같이 MIMO 방식을 사용할 경우 정보 손실을 감소시키 는 것이 가능하므로, 상기 MIMO 방식을 사용하는 것은 고속 대용량 데이터 전송에 효율적이다. 그러나, 현재 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서는 MIMO 방식을 사용하는 것에 대해 구체적인 방안을 제안하고 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서 신호를 송수신하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서 풀 듀플렉스(full duplex) 모드로 신호를 송수신하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multi-Input-Multi-Output) 다이버시티 이득을 획득하도록 신호를 송수신하는 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시스템은; 신호 송수신 시스템에 있어서, 기지국과, 적어도 1개의 이동 단말과, 중계국을 포함하며, 상기 중계국은 상기 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 상기 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함하며, 상기 제2안테나 셋에서 적어도 1개의 이동 단말을 위한 적어도 1개의 안테나를 선택하고, 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신함을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 이동 통신 시스템의 중계국에서 신호 송수신 방법에 있어서, 상기 중계국이 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 적어도 1개의 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함할 경우, 각 이동 단말을 위해 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 선택하는 과정과, 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신하는 과정을 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 이동 통신 시스템에서 풀 듀플렉스(full duplex) 모드로 신호를 송수신하면서도, 다중 입력 다중 출력(MIMO: Multi-Input-Multi-Output, 이하 'MIMO'라 칭하기로 한다) 다이버시티 이득을 획득하도록 신호를 송수신하는 시스템 및 방법을 제안한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어 상기 이동 통신 시스템을 일 예로 멀티 홉(multi-hop) 방식을 사용하는 시분할 듀플렉스(TDD: Time-Division Duplex, 이하 'TDD'라 칭하기로 한다) 이동 통신 시스템(이하, '멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템'이라 칭하기로 한다)이라고 가정하기로 한다. 또한, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 멀티 캐리어(multi-carrier)를 사용하거나, 혹은 단일 캐리 어(single carrier)를 사용하는 것이 가능하며, 이하 설명의 편의상 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 멀티 캐리어를 사용한다고 가정하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 프레임(frame) 구조를 도시한 도면이다.
상기 도 2에 도시되어 있는 프레임 구조는 기지국(BS: Base Station)과, 중계국(RS: Relay Station)과, 이동 단말(MS: Mobile Station)이 주파수 영역(frequency domain)에서 동일 주파수 대역(F1)을 사용할 경우를 가정할 경우의 프레임 구조이다. 상기 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 프레임 구조는 크게 다운링크(downlink) 프레임과 업링크(uplink) 프레임으로 구분된다. 상기 다운링크 프레임은 다운링크 프레임 #1(210)과 다운링크 프레임 #2(220)으로 구분되고, 상기 업링크 프레임은 업링크 프레임 #1(230)과 업링크 프레임 #2(240)으로 구분된다. 그러면 여기서 상기 다운링크 프레임 #1(210)과, 다운링크 프레임 #2(220)과, 업링크 프레임 #1(230)과 업링크 프레임 #2(240)에 대해서 설명하기로 한다.
첫 번째로, 상기 다운링크 프레임 #1(210)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 다운링크 프레임 #1(210)은 기지국에서 자(children) 중계국 및 레가시(legacy, 이하 'legacy '라 칭하기로 한다) 이동 단말에게 송신하는 프레임이다. 여기서, legacy 이동 단말이라 함은 중계국을 통하지 않고 기지국과 직접 통신을 수행하는 이동 단말을 의미한다.
상기 다운링크 프레임 #1(210)은 적어도 하나의 기지국 프리앰블(preamble) 영역(211)과, 제어 오버헤드(control overhead) 영역(213)과, 데이터 심벌(data symbol) 영역(215)과, 파일럿 심벌(pilot symbol) 영역(217)을 포함한다. 상기 기지국 프리앰블 영역(211)은 해당 기지국의 프리앰블 신호가 송신되는 영역이다. 상기 제어 오버헤드 영역(213)은 상기 다운링크 프레임#1(210)의 채널화 및 스케쥴링에 대한 비트맵(bitmap)과, 업링크 프레임#1(230) 및 업링크 프레임#2(240)상의 legacy 이동 단말들에 대한 채널화 및 스케쥴링에 대한 비트맵이 송신되는 영역이다.
상기 데이터 심벌 영역(215)은 자 중계국 및/혹은 legacy 이동 단말을 타겟으로 하는 트래픽 데이터(traffic data)가 송신되는 영역이다. 상기 파일럿 심벌 영역(217)은 수신측에서의 채널 추정을 위한 파일럿 신호가 송신되는 영역이다.
두 번째로, 상기 다운링크 프레임 #2(220)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 다운링크 프레임 #2(220)은 중계국에서 자 이동 단말에게 송신하는 프레임이다. 상기 다운링크 프레임 #2(220)은 적어도 하나의 중계국 프리앰블 영역(221)과, 제어 오버헤드 영역(223)과, 데이터 심벌 영역(225)과, 파일럿 심벌 영역(227)을 포함한다. 상기 중계국 프리앰블 영역(221)은 해당 중계국의 프리앰블 신호가 송신되는 영역이다. 상기 제어 오버헤드 영역(223)은 상기 다운링크 프레임#2(220)의 채널화 및 스케쥴링에 대한 비트맵이 송신되는 영역이다.
상기 데이터 심벌 영역(225)은 중계국에서 자 이동 단말을 타겟으로 하는 트래픽 데이터가 송신되는 영역이다. 상기 파일럿 심벌 영역(227)은 수신측에서의 채널 추정을 위한 파일럿 신호가 송신되는 영역이다.
세 번째로, 상기 업링크 프레임 #1(230)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 업링크 프레임 #1(230)은 이동 단말에서 모 중계국 혹은 모 기지국으로 송신하는 프레임이다. 상기 업링크 프레임 #1(230)은 적어도 데이터 심벌 영역(231)과, 파일럿 심벌 영역(233)과, 사운딩 존(sounding zone)(235)을 포함한다. 상기 데이터 심벌 영역(231)은 모 중계국 혹은 모 기지국을 타겟으로 하는 트래픽 데이터가 송신되는 영역이다.
상기 파일럿 심벌 영역(233)은 수신측에서의 채널 추정을 위한 파일럿 신호가 송신되는 영역이다. 상기 사운딩 존(235)은 사운딩 신호(sounding signal)이 송신되는 영역이며, 상기 사운딩 신호는 수신측에서 이동 단말의 채널 상태를 추정하기 위해서 송신되는 신호이며, 모 기지국의 요구 혹은 모 기지국의 요구에 따른 모 중계국의 요구가 존재할 경우에만 송신된다.
네 번째로, 상기 업링크 프레임 #2(240)에 대해서 설명하기로 한다.
상기 업링크 프레임 #2(240)은 중계국에서 모 기지국으로 송신하는 프레임이다. 상기 업링크 프레임 #2(240)은 적어도 데이터 심벌 영역(241)과, 파일럿 심벌 영역(243)을 포함한다. 상기 데이터 심벌 영역(241)은 모 기지국을 타겟으로 하는 트래픽 데이터가 송신되는 영역이다. 상기 파일럿 심벌 영역(243)은 수신측에서의 채널 추정을 위한 파일럿 신호가 송신되는 영역이다.
상기에서는 본 발명에서 제안하는 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 프레임 구조에 대해서 설명하였다.
한편, 종래 기술 부분에서도 설명한 바와 같이 일반적으로 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 하프 듀플렉스 모드(half-duplex mode)로 동작하고 있다. 그러나, 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템이 하프 듀플렉스 모드로 동작할 경우, 중계국은 신호 송신 동작과 신호 수신 동작을 동시에 수행할 수 없어 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템의 데이터 레이트(data rate)가 1/2이 되어 데이터 레이트 측면에서 제한이 존재하였다.
따라서, 본 발명에서는 중계국이 신호 송신 동작과 신호 수신 동작을 동시에 수행하도록 하여 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템이 풀 듀플렉스(full duplex) 모드로 동작하는 것을 가능하게 하여 데이터 레이트 측면에서의 제한이 발생하지 않도록 하는 방안을 제안한다. 즉, 본 발명에서는 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서 동일한 다운링크 프레임 시구간에서 중계국이 모 기지국으로부터 다운링크 프레임#1(210)을 수신함과 동시에, 자 이동 단말로 다운링크 프레임#2(220)를 송신하도록 하고, 동일한 업링크 프레임 시구간에서 중계국이 자 이동 단말로부터 업링크 프레임#1(230)을 수신함과 동시에 모 기지국으로 업링크 프레임#2(240)를 송신하도록 한다. 이렇게, 동일한 다운링크 프레임 및 동일한 업링크 프레임에서 중계국이 신호 송신 동작과 신호 수신 동작을 동시에 수행하는 것이 가능하기 때문에 상기 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템은 풀 듀플렉스 모드로 동작하는 것이 가능하게 된다.
이렇게, 풀 듀플렉스 모드로 동작할 경우 기지국과 중계국간의 간섭 발생과, 중계국과 이동 단말간의 간섭 발생을 방지하기 위해 본 발명에서는 중계국이 다수의 안테나들을 사용하도록 한다. 즉, 본 발명에서는 중계국이 MIMO 방식을 사용하도록 한다. 이렇게, 중계국이 다수의 안테나들을 사용하기 때문에 상기 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템은 MIMO 다이버시티 이득을 획득하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 중계국이 포함하는 다수의 안테나들을 모 기지국과의 통신에만 전용으로 사용되는 안테나 셋(antenna set)#1과, 자 이동 단말과의 통신에만 전용으로 사용되는 안테나 셋#2로 구분한다. 여기서, 상기 안테나 셋#1은 적어도 1개의 안테나를 포함하며, 상기 안테나 셋#2 역시 적어도 1개의 안테나를 포함한다. 또한, 상기 안테나 셋#1과 안테나 셋#2는 상호간에 간섭을 발생시키지 않도록 물리적으로 이격되는 등의 형태로 설치된다.
그러면 여기서 멀티 홉 TDD 이동 통신 시스템에서 상기 안테나 셋들을 사용하여 상기 다운링크 프레임들과 업링크 프레임들을 송수신하는 동작에 대해서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 중계국은 동일한 다운링크 프레임 시구간에서, 안테나 셋 #1을 사용하여 모 기지국에서 송신한 다운링크 프레임 #1(210)을 수신하고, 이와 동시에 안테나 셋 #2를 사용하여 자 이동 단말로 다운링크 프레임 #2(220)를 송신한다. 또한, 상기 중계국은 동일한 업링크 프레임 시구간에서, 안테나 셋 #2를 사용하여 자 이동 단말에서 송신한 업링크 프레임 #1(230)을 수신하고, 이와 동시에 안테나 셋#1을 사용하여 모 기지국으로 업링크 프레임 #2(240)를 송신한다.
한편, 중계국이 포함하는 안테나 셋들중 안테나 셋#2을 어떻게 사용하는지에 따라 상기 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템의 성능이 상이해진다. 여기서, 중계국과 모 기지국간의 채널을 LOS(Line-Of-Sight) 채널이라고 가정하면, 상기 중계국과 모 기지국간의 채널 상태는 항상 가장 양호한 채널 상태, 즉 가장 강력하고(robust) 신뢰성 있는(trusty) 채널 상태를 가진다.
그러나, 상기 중계국과 자 이동 단말의 채널 상태는 가변적이며, 따라서 안테나 셋#2을 어떻게 사용하는지에 따라 상기 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템의 성능이 상이해진다. 그러면 여기서 상기 중계국이 상기 안테나 셋 #2가 포함하는 안테나들을 어떻게 선택하여 자 이동 단말에게 신호를 송신하는지에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 임의의 이동 단말은 초기 억세스(initial access) 절차를 통해 중계국과 연결된다. 이렇게, 이동 단말이 연결되면 상기 중계국은 상기 이동 단말과의 신호 송수신 동작에 사용할 안테나 셋을 조정할 수 있는데, 이에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 초기 억세스 절차를 통해 중계국과 이동 단말이 연결되면, 상기 중계국은 상기 이동 단말로 사운딩 신호를 송신할 것을 요청한다. 그러면, 상기 중계국의 요청에 상응하게 상기 이동 단말은 사운딩 신호를 송신하고, 상기 중계국은 상기 이동 단말에서 송신한 사운딩 신호를 수신하여 상기 중계국과 이동 단말간의 다운링크 채널 상태를 추정한다. 여기서, 상기 중계국과 이동 단말간의 다운링크 채널 상태는 상기 중계국이 안테나 셋 #2가 포함하는 다수의 안테나들을 사용하므로 상기 다수의 안테나들 각각에 대한 다운링크 채널 상태가 되는 것이다.
이렇게, 상기 다수의 안테나들 각각에 대한 다운링크 채널 상태를 추정한 중계국은 상기 이동 단말에 대한 스케쥴링(scheduling) 동작을 수행하여 상기 이동 단말에 할당할 캐리어들을 결정한다. 여기서, 상기 스케쥴링 동작 자체는 본 발명 과 직접적인 연관이 없으므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 이동 단말에 대한 스케쥴링이 완료되면, 상기 중계국은 상기 이동 단말로 신호를 송신할 안테나를 선택하게 된다. 그러면 여기서 상기 이동 단말로 신호를 송신할 안테나를 선택하는 동작에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템이 1개의 기지국과, R개의 중계국들과, Mr(단, r = 1, 2, ... , R)개의 자 이동 단말들을 포함하고, 상기 R개의 중계국들 각각은 Nr개의 안테나들을 포함하는 안테나 셋 #2를 포함한다고 가정하기로 한다. 이동 단말 #mr(단, mr = 1, 2, ... , Mr)에 할당된 캐리어들에 대한 평균 채널 전력 이득(ACPG: Average Channel Power Gain, 이하 'ACPG'라 칭하기로 한다)을
Figure 112006070390605-pat00001
이라 칭하기로 한다. 여기서, 상기 nr은 안테나 인덱스(index)를 나타내며 nr = 1, 2, ... , Nr이다. 또한, 액티브 안테나 셋(active antenna set)
Figure 112006070390605-pat00002
은 중계국 #r에서 하기의 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘에 상응하게 결정된다.
<액티브 안테나 셋 결정 알고리즘>
Update
Figure 112006070390605-pat00003
, for nr = 1, 2, ... , Nr, mr = 1, 2, ... , Mr;
for mr = 1 : Mr
Figure 112006070390605-pat00004
= φ;
Figure 112006070390605-pat00005
Figure 112006070390605-pat00006
while
Figure 112006070390605-pat00007
and
Figure 112006070390605-pat00008
Figure 112006070390605-pat00009
Figure 112006070390605-pat00010
next
next
상기 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘에서
Figure 112006070390605-pat00011
는 미리 설정한 ACPG 임계값을 나타내며,
Figure 112006070390605-pat00012
은 액티브 안테나 셋
Figure 112006070390605-pat00013
이 포함하는 엘리먼트(element)들, 즉 안테나들의 개수를 나타내며, 상기
Figure 112006070390605-pat00014
은 상기 중계국의 안테나 셋 #2가 포함하는 안테나들의 총 개수 MAX_SUPPORTED_TX 이하의 값을 가진다. 또한, 상기 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘에서
Figure 112006070390605-pat00015
는 상기
Figure 112006070390605-pat00016
을 최대화시키는 nr을 나타낸다. 상기 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘에서는 ACPG를 안테나 선택의 기준 파라미터(parameter)로 사용하였지만, 상기 ACPG 이외에도 안테나별 채널 상태를 나타낼 수 있는 파라미터라면 상기 ACPG를 대신하여 사용할 수 있음은 물론이다. 결국 상기 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘을 통해 상기 이동 단말들의 전송 용량을 최대화할 수 있다.
한편, 상기 중계국은 이동 단말의 전송 용량 증대를 위해 상기 액티브 안테 나 셋에 포함되는 안테나들을 통해서는 시공간(space-time) 부호, 일 예로 시공간 블록 부호(STBC: Space Time Block Code)를 사용하여 신호를 송신하도록 할 수도 있다. 여기서, 시공간 부호를 사용하여 신호를 송신하는 것 자체는 본 발명과 직접적인 연관이 없으므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
그러면 여기서 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템에서 중계국이 액티브 안테나 셋 결정 알고리즘을 사용하여 자 이동 단말에 대한 안테나를 결정하는 실시예에 대해서 설명하기로 한다.
상기 도 3을 참조하면, 먼저 311단계에서 중계국은 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들 각각에 대한 자 이동 단말의 ACPG에 대한 정보를 사용하여 최대 ACPG를 가지는 안테나를 선택한다. 여기서, 할당 가능 안테나 셋이라 함은 상기 중계국의 안테나 셋 #2이 포함하는 안테나들중 현재 자 이동 단말에 할당 가능한 안테나들 포함한다. 상기 중계국은 상기 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들 각각에 대한 ACPG에 대한 정보는 자 이동 단말이 송신한 사운딩 신호를 가지고 알 수 있으며, 이에 대해서는 상기에서 설명하였으므로 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 상기 중계국이 선택한 안테나의 ACPG는 상기 ACPG의 임계값
Figure 112006070390605-pat00017
를 초과할 수도 있고 그 이하일 수도 있으며, 이는 상기 안테나 선택과는 상관없다. 상기 중계국은 상기 선택한 안테나를 상기 할당 가능 안테나 셋에서 제외시킨 후 313단계로 진행한다.
상기 313단계에서 상기 중계국은 선택한 안테나의 개수가 상기 중계국이 신호 송신에 사용하는 안테나들의 총 개수 MAX_SUPPORTED_TX 이상인지를 검사한다. 상기 검사 결과 선택한 안테나의 개수가 MAX_SUPPORTED_TX 이상일 경우 상기 할당 가능 안테나 셋에 더 이상 선택할 안테나가 존재하지 않으므로 안테나 결정 과정을 종료한다.
한편, 상기 313단계에서 검사 결과 선택한 안테나의 개수가 MAX_SUPPORTED_TX 미만일 경우 315단계로 진행한다. 상기 315단계에서 상기 중계국은 상기 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들중 상기 임계값
Figure 112006070390605-pat00018
를 초과하는 안테나가 존재하는지 검사한다. 상기 검사 결과 상기 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들중 상기 임계값
Figure 112006070390605-pat00019
를 초과하는 안테나가 존재하지 않을 경우 상기 중계국은 상기 할당 가능 안테나 셋에 더 이상 선택할 안테나가 존재하지 않으므로 안테나 결정 과정을 종료한다.
한편, 상기 315단계에서 검사 결과 상기 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들중 상기 임계값
Figure 112006070390605-pat00020
를 초과하는 안테나가 존재할 경우 상기 중계국은 상기 311단계로 되돌아간다. 이렇게, 해당 이동 단말과 통신을 수행할 안테나들을 선택한 후, 상기 선택한 안테나들의 ACPG에 상응하도록 변조 및 코딩 방식(MCS: Modulation and Coding Scheme)을 사용할 수도 있음은 물론이다. 상기와 같이 적응적으로 안테나들을 선택함으로써 상기 이동 단말들의 전송 용량을 최대화할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템에서 풀 듀플렉스모드로 신호를 송수신할 수 있도록 함으로써 데이터 레이트 측면에서의 제한을 방지할 수 있다는 이점을 가진다. 또한, 본 발명은 멀티홉 TDD 이동 통신 시스템에서 이동 단말의 ACPG에 상응하게 이동 단말과의 통신에 사용할 안테나들을 선택하여 신호를 송수신할 수 있도록 함으로써 MIMO 다이버시티 이득을 획득할 수 있다는 이점을 가진다.

Claims (27)

  1. 이동 통신 시스템에서 신호 송수신 시스템에 있어서,
    기지국과,
    적어도 1개의 이동 단말과,
    중계국을 포함하며,
    상기 중계국은 상기 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 상기 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함하며, 상기 제2안테나 셋에서 적어도 1개의 이동 단말을 위한 적어도 1개의 안테나를 선택하고, 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신하되,
    상기 중계국은 상기 기지국이 상기 중계국으로 송신한 제1다운링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 이동 단말로 제2다운링크 신호를 송신함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 적응적으로 선택함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나의 추정된 채널 상태를 사용하여 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 적응적으로 선택함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 이동 단말로부터 수신되는 사운딩 신호를 사용하여 상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나의 채널 상태를 추정함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1안테나 셋과 제2안테나 셋은 공간적으로 분리되어 있음을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 통해 시공간 부호를 사용하여 상기 이동 단말로 신호를 송신함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 이동 단말이 상기 중계국으로 송신한 제1업링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 기지국으로 제2업링크 신호를 송신함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1다운링크 신호가 수신되는 주파수 대역은 상기 제2다운링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 동일하거나, 혹은 상기 제2다운링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 중첩됨을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중계국은 상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나들의 개수가 2개 이상일 경우, 상기 2개 이상의 안테나들 각각에 대한 채널 상태를 사용하여 상기 이동 단말과의 신호 송수신에 사용할 적어도 1개의 안테나를 선택함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 채널 상태는 평균 채널 전력 이득임을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  11. 이동 통신 시스템의 중계국에서 신호 송수신 방법에 있어서,
    상기 중계국이 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 적어도 1개의 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함할 경우, 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말을 위한 적어도 1개의 안테나를 선택하는 과정과,
    상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신하는 과정을 포함하되,
    상기 기지국이 상기 중계국으로 송신한 제1다운링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 이동 단말로 제2다운링크 신호를 송신함을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 안테나를 선택하는 과정은;
    상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 적응적으로 선택하는 과정을 포함하는 신호 송수신 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 1개의 안테나를 선택하는 과정은;
    상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나의 추정된 채널 상태를 사용하여 상기 제2안테나 셋에서 상기 이동 단말과의 통신 용량을 최대화시키도록 적어도 1개의 안테나를 적응적으로 선택하는 과정을 포함하는 신호 송수신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나의 채널 상태는 상기 이동 단말로부터 수신되는 사운딩 신호를 사용하여 추정됨을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1안테나 셋과 제2안테나 셋은 공간적으로 분리되어 있음을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 선택한 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신하는 과정은;
    상기 선택한 안테나를 통해 시공간 부호를 사용하여 상기 이동 단말로 신호를 송신하는 과정을 포함하는 신호 송수신 방법.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1다운링크 신호가 수신되는 주파수 대역은 상기 제2다운링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 동일하거나, 혹은 상기 제2다운링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 중첩됨을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 이동 단말이 상기 중계국으로 송신한 제1업링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 기지국으로 제2업링크 신호를 송신하는 과정을 포함하는 신호 송수신 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1업링크 신호가 수신되는 주파수 대역은 상기 제2업링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 동일하거나, 혹은 상기 제2업링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 중첩됨을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나들의 개수가 2개 이상일 경우, 상기 이동 단말과의 신호 송수신 수행에 사용되는 적어도 1개의 안테나는 상기 제2안테나 셋이 포함하는 적어도 2개의 안테나들 각각에 대한 채널 상태를 사용하여 선택됨을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 채널 상태는 평균 채널 전력 이득임을 특징으로 하는 신호 송수신 방법.
  23. 제10항에 있어서,
    상기 중계국은;
    상기 제2안테나 셋에서 현재 상기 이동 단말에 할당 가능한 안테나들을 포함하는 할당 가능 안테나 셋을 생성하고, 상기 생성한 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들중 최대 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나를 선택하고,
    상기 선택한 안테나를 상기 할당 가능 안테나 셋에서 제외시키고, 현재까지 선택한 안테나의 개수가 상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나들의 개수 미만일 때에만 상기 할당 가능 안테나 셋에 미리 설정한 임계값을 초과하는 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나가 존재하는지 검사하고,
    상기 임계값을 초과하는 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나가 존재할 경우 그 중 최대 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나를 선택함을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나들중 적어도 1개의 안테나를 사용하여 이동 단말과의 신호 송수신을 수행하는 과정은;
    상기 제2안테나 셋에서 현재 상기 이동 단말에 할당 가능한 안테나들을 포함하는 할당 가능 안테나 셋을 생성하고, 상기 생성한 할당 가능 안테나 셋이 포함하는 안테나들중 최대 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나를 선택하는 과정과,
    상기 선택한 안테나를 상기 할당 가능 안테나 셋에서 제외시키고, 현재까지 선택한 안테나의 개수가 상기 제2안테나 셋이 포함하는 안테나들의 개수 미만일 때에만 상기 할당 가능 안테나 셋에 미리 설정한 임계값을 초과하는 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나가 존재하는지 검사하는 과정과,
    상기 임계값을 초과하는 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나가 존재할 경우 그 중 최대 평균 채널 전력 이득을 가지는 안테나를 선택하는 과정과,
    상기 선택한 안테나를 사용하여 이동 단말과의 신호 송수신을 수행하는 과정을 포함하는 신호 송수신 방법.
  25. 제7항에 있어서,
    상기 제1업링크 신호가 수신되는 주파수 대역은 상기 제2업링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 동일하거나, 혹은 상기 제2업링크 신호가 송신되는 주파수 대역과 중첩됨을 특징으로 하는 신호 송수신 시스템.
  26. 기지국 및 적어도 1개의 이동 단말을 포함하는 이동 통신 시스템의 신호 송수신을 위한 중계국 장치에 있어서,
    상기 중계국 장치는 상기 기지국과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제1안테나 셋과, 상기 이동 단말과의 신호 송수신을 위해 사용되며, 적어도 1개의 안테나를 포함하는 제2안테나 셋을 포함하며, 상기 제2안테나 셋에서 적어도 1개의 이동 단말을 위한 적어도 1개의 안테나를 선택하고, 상기 선택한 적어도 1개의 안테나를 사용하여 상기 이동 단말과 신호를 송수신하되,
    상기 중계국 장치는 상기 기지국이 상기 중계국 장치로 송신한 제1다운링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 이동 단말로 제2다운링크 신호를 송신함을 특징으로 하는 중계국 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 중계국 장치는 상기 이동 단말이 상기 중계국 장치로 송신한 제1업링크 신호를 수신하는 시구간과 동일한 시구간에서 상기 기지국으로 제2업링크 신호를 송신함을 특징으로 하는 중계국 장치.
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