KR101380437B1 - 분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법 - Google Patents

분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분산 소형 기지국(DBS)을 포함하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 분산 소형 기지국(DBS)에서 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 매크로 기지국(MBS)에 전송하고, 상기 매크로 기지국(MBS)이 상기 초기화 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 예측 단계; 상기 예측 거리와 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 거리를 비교하여 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 존재 여부를 판단하는 판단 단계; 상기 직접 경로가 존재한다고 판단된 경우, 상기 매크로 기지국(MBS)이 주파수과 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조절하면서 파일럿 신호를 반복적으로 전송하고, 상기 분산 소형 기지국(DBS)은 상기 파일럿 신호가 정상 수신된 경우에 한해 수신 확인 신호를 상기 매크로 기지국(MBS)에 전송하는 반복 전송 단계; 및 상기 매크로 기지국(MBS)이 수신 확인 신호를 수신하지 못하는 경우, 상기 반복 전송 단계를 종료하고, 마지막으로 수신 확인 신호를 수신했을 때의 주파수와 빔 폭을 기반으로 빔 특성을 결정하는 단계를 포함하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법을 제공한다.

Description

분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법{MOBILE COMMUNICATION SYSTEM UTILIZING DISTRIBUTED SMALL BASE STATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서 초고주파수 대역에서 세밀 빔 폭을 가지는 빔을 형성할 수 있도록 하고, 이를 통해 분산소형 기지국과 매크로 기지국간 통신을 지원하는 분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법에 관한 것이다.
정보 통신 기술의 발달에 따라 사용자는 다양한 통신 환경에서 통신 기능의 제공을 요구하고 있다. 특히 이동 통신 서비스의 경우에는 다양한 통신 환경의 변화에 유기적으로 대응할 수 있도록 셀(Cell)의 크기가 점차로 축소되어가는 경향이 있다.
이러한 통신 환경의 변화에 대응하기 위한 차세대 이동 통신 서비스에서는 기존의 매크로 기지국(Macro Base Station : 이하 MBS)을 기반으로 하는 셀보다 유동적인 셀을 구축할 수 있도록 MBS와 더불어 분산 소형 기지국((Distributed small Base Station : 이하 DBS)을 기반으로 소형 셀을 구성한다.
MBS와 DBS의 통신을 위해서는 BDMA 빔 형성 동작이 수행되어야 하는 데, BDMA 빔 형성에 이용되는 주파수 및 빔 폭에 따라 통신 환경은 도1과 같이 다양하게 변화된다.
먼저, 낮은 주파수(예를 들어, 셀룰러 대역)과 넓은 빔 폭을 가지는 빔을 이용하는 경우에는, 직접 경로 존재 여부와 상관없이 MBS와 DBS는 서로 통신할 수 있으나, 높은 주파수(예를 들어, 초고주파 대역)과 넓은 빔 폭을 가지는 빔을 이용하는 경우에는, 상대측에 신호가 도달하지 못하는 문제가 발생한다. 또한, 좁은 빔 폭을 가지는 경우에는, 낮은 주파수와 높은 주파수 모두에서 직접 경로가 존재할 때에만 MBS와 DBS가 서로 통신할 수 있는 특징을 가진다.
그러나 낮은 주파수 대역에서 세밀 빔 폭은 형성하는 것은 현실적으로 거의 불가능한 문제가 있다. 이는 빔 폭은 신호의 파장에 비례하고 안테나 크기(전체 안테나 크기)에 반비례하여, 셀룰러 대역의 2GHz 주파수를 사용하고자 한다면, 고주파 대역의 20GHz 주파수를 사용하는 경우 대비 약 10배 정도 큰 안테나를 확보해야만 하는 문제가 발생하기 때문이다.
한편, 초고주파 대역에서 세밀 빔 폭을 가지는 빔 폭을 형성하고, 이를 통해 MBS와 DBS간 신호를 송수신하는 경우, 다음과 같은 송수신 성능 이득을 확보할 수 있다.
첫째, 주파수 증가에 따른 더 넓은 대역폭을 확보할 수 있다. 셀룰러 대역 2GHz에서 100MHz 대역폭과 비교하여, 고주파 환경 20GHz에서 1GHz 대역폭 사용 시, 동일한 주파수 효율(spectral efficiency)을 갖는 시스템에서 약 10배의 성능 이득을 확보할 수 있다.
둘째, 세밀 빔 형성이 가능하여 멀티 빔 포밍 동작을 지원할 수 있다. 주파수 증가에 따라 안테나 간격(일반적으로 반파장 길이)이 줄어들어, 실제 안테나의 전체 길이가 한정된 상황에서 더 많은 수의 안테나 어레이를 사용하여 세밀 빔 형성이 가능하다. 만약, 빔 폭 9도의 빔을 사용한다고 가정하면, 동시에 40개의 빔 형성이 가능하여 빔을 사용하지 않는 시스템과 비교하는 경우, 40배의 공간 재사용 이득을 확보할 수 있다.
셋째, 세밀 빔 형성에 따른 전력 이득을 확보할 수 있다. 즉, 한정된 송신 전력 조건에서 빔을 사용하지 않고 전송하는 경우에 비교하여, 목표 방향으로 전파되는 전력을 집중하는 효과로 인하여 수신 전력 이득을 확보할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, MBS와 DBS간 통신은 초고주파를 사용하며 세밀 빔 폭을 가지는 빔을 통해 수행하는 것이 가장 바람직함을 알 수 있다.
그러나 초고주파 대역에서 MBS와 DBS간 통신을 지원하기 위한 세밀 빔은 도1에 도시된 바와 같이 MBS와 DBS 사이에 직접 경로가 존재하는 경우에만 형성 가능하나, 종래의 기술은 BDMA 빔 형성을 위한 채널 상황 판별을 지원하지 못해 종래의 기술로는 이를 구현될 수 없다는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 초고주파 대역에서 MBS와 DBS간 통신을 지원하기 위한 세밀 빔을 형성할 수 있도록 하는 분산소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템 및 이의 빔 포밍 방법에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 분산 소형 기지국(DBS)에서 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 매크로 기지국(MBS)에 전송하고, 상기 매크로 기지국(MBS)이 상기 초기화 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 예측 단계; 상기 예측 거리와 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 거리를 비교하여 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 존재 여부를 판단하는 판단 단계; 상기 직접 경로가 존재한다고 판단된 경우, 상기 매크로 기지국(MBS)이 주파수과 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조절하면서 파일럿 신호를 반복적으로 전송하고, 상기 분산 소형 기지국(DBS)은 상기 파일럿 신호가 정상 수신된 경우에 한해 수신 확인 신호를 상기 매크로 기지국(MBS)에 전송하는 반복 전송 단계; 및 상기 매크로 기지국(MBS)이 수신 확인 신호를 수신하지 못하는 경우, 상기 반복 전송 단계를 종료하고, 마지막으로 수신 확인 신호를 수신했을 때의 주파수와 빔 폭을 기반으로 빔 특성을 결정하는 단계를 포함하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법을 제공한다.
상기 파일럿 신호는 상기 제1 주파수 대역 보다 높은 주파수를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 예측 단계는 "
Figure 112012079794261-pat00001
"(상기 Pd는 초기화 신호(Tx)의 수신 전력, 상기 Po는 초기화 신호(Tx)의 송신 전력, 상기 Go는 송수신 안테나의 이득(gain)을 포함한 계수, 상기 k는 경로 손실 지수(pathloss exponent))인 것을 특징으로 한다.
상기 판단 단계는 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)의 예측 거리와 직접 경로 거리간 거리 오차값을 계산하는 단계; 및 상기 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하면, 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS) 사이에는 직접 경로가 존재한다고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 판단 단계는 다른 분산 소형 기지국(DBS)로부터 상기 초기화 신호의 수신 전력과 위치 정보를 추가 수신하면, 상기 초기화 신호의 수신 전력과 위치 정보를 이용하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)의 신호 전송 범위를 예측하고, 상기 예측된 신호 전송 범위를 통해 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)의 예측 거리를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반복 전송 단계는 상기 매크로 기지국(MBS)이 파일럿 신호를 전송하는 단계; 상기 분산 소형 기지국(DBS)이 상기 파일럿 신호를 수신하면, 상기 파일럿 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 예측 단계; 상기 예측 거리와 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 거리를 비교하여 상기 파일럿 신호의 정상 수신 여부를 판단하는 단계; 상기 파일럿 신호의 정상 수신된 경우에 한해, 상기 수신 확인 신호를 상기 매크로 기지국(MBS)에 전송하는 단계; 상기 수신 확인 신호를 수신한 상기 매크로 기지국(MBS)이 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 조절한 후, 상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는 상기 주파수를 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는 빔 폭을 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는 안테나 수를 조정하여 빔 폭을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 전송하여 직접 경로 검색을 요청하고, 파일럿 신호가 전송되면 상기 파일럿 신호의 전력을 통해 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 존재하는 지를 확인하는 분산 소형 기지국; 및 상기 초기화 신호의 전력을 통해 상기 분산 소형 기지국과의 직접 경로 존재 여부를 확인하고, 직접 경로가 존재하는 경우에 한해 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조정하면서, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하되 가장 높은 주파수대와 가장 좁은 빔 폭을 가지는 빔 특성을 파악하는 매크로 기지국를 포함하는 이동 통신 시스템을 제공한다.
상기 매크로 기지국을 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 매크로 기지국은 안테나 수를 조정하여 빔 폭을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 매크로 기지국은 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하는 경우에는 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 조정한 후 상기 파일럿 신호를 재전송하되, 그렇지 않으면 이전에 전송한 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭을 기반으로 빔 특성을 파악하는 것을 특징으로 한다.
상기 분산 소형 기지국을 상기 파일럿 신호의 전력을 기반으로 상기 매크로 기지국과의 거리를 예측하고, 상기 예측된 거리가 상기 매크로 기지국과 분산 소형 기지국간 직접 경로 거리와 유사하면, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 초고주파 대역에서 MBS와 DBS간 통신을 지원하기 위한 세밀 빔을 형성할 수 있도록 함으로써, 주파수 증가에 따른 더 넓은 대역폭을 확보하고, 세밀 빔 형성이 가능하여 멀티 빔 포밍 동작을 지원할 수 있으며, 세밀 빔 형성에 따른 전력 이득을 확보하는 등의 다양한 송수신 이득을 확보할 수 있게 된다.
도1은 BDMA 빔 형성에 이용되는 주파수 및 빔 폭에 따른 통신 환경을 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DBS를 활용하는 이동 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예 따른 신호 전력과 신호 전송 거리간 상관 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 통신 시스템의 빔 포밍 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도5은 본 발명의 일 실시예에 따른 MBS와 DBS간 직접 경로 존재 여부 판별 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도6 및 도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MBS와 DBS간 직접 경로 존재 여부 판별 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도8 및 도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 BDMA 빔 특성을 결정 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도10 및 도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 BDMA 빔 특성을 결정 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
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. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DBS를 활용하는 이동 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이동 통신 시스템은 적어도 하나의 매크로 기지국(MBS) 및 적어도 하나의 분산 소형 기지국(DBS)을 포함하여 구성되며, 이때의 MBS와 DBS은 유동적인 소형 셀을 구성할 수 있다.
이에 본 발명의 이동 통신 시스템은 MBS 및 DBS의 자유로운 네트워크 진입 및 이탈을 지원하며, MBS 및 DBS의 유동적인 네트워크 진입 및 이탈이 발생할 때마다 MBS 및 DBS간 통신 링크 형성을 위한 빔 포밍 동작을 수행해야 한다.
그리고 2차원 이상의 안테나 어레이를 사용하여 통신 링크의 수동 설정이 어려운 경우, 특정 통신 링크가 외부 환경에 의해 단절되는 경우에도 MBS 및 DBS간 통신 링크 형성을 위한 빔 포밍 동작을 수행해야 한다. 또한, 다수의 DBS의 멀티 홉(multihop)에 기반한 백홀 링크를 형성하거나, MBS, 주변 DBS와의 자동화된 링크 형성에 기반한 토폴로지를 파악하고자 하는 경우에도 빔 포밍 동작을 수행할 수 있을 것이다.
참고로, 도3에 도시된 바와 같이 신호의 전력은 거리에 비례하여 점차 감소되는 특징을 가지므로, 신호의 송/수신 전력 차로부터 신호 전송 거리를 손쉽게 예측할 수 있다.
그러나 DBS와 MBS간에 통신 장애물이 존재하여 신호가 직접 경로가 아닌 다중 경로를 통해 전송되는 경우, 신호가 직접 경로를 통해 전송되는 경우의 신호 전송 거리와 다중 경로를 통해 전송되는 경우의 신호 전송 거리 사이에는 상당한 차이가 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 신호의 송/수신 전력 차부터 신호 전송 거리를 예측한 후, 예측된 신호 전송 거리가 직접 경로 거리와의 유사도를 통해 현재 전송된 신호가 직접 경로를 통해 전송되었는지 다중 경로를 통해 전송되었는지를 파악할 수 있도록 한다.
그리고 직접 경로가 존재한다는 가정 하에 셀룰러 대역에서 초고주파 대역에 걸쳐 주파수를 조절하면서 빔 폭을 점차로 세밀화하여 MBS와 DBS간 직접 경로에 가장 적합한 빔 특성을 결정하도록 한다.
그 결과, 본 발명의 이동 통신 시스템은 초고주파 대역에서의 세밀 빔을 형성할 수 있게 되어, 주파수 증가에 따른 더 넓은 대역폭을 확보하고, 세밀 빔 형성이 가능하여 멀티 빔 포밍 동작을 지원할 수 있으며, 세밀 빔 형성에 따른 전력 이득을 확보하는 등의 다양한 송수신 이득을 확보할 수 있게 된다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 통신 시스템의 빔 포밍 방법을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 빔 포밍 방법은 크게 DBS로부터 전송되는 신호의 세기와 MBS와 DBS간 거리를 기반으로 셀룰러 대역에서의 MBS와 DBS간 직접 경로가 존재하는지 판별하는 단계(S100)와, 셀룰러 대역에서 초고주파 대역에 걸쳐 주파수를 조절하면서 빔 폭을 점차로 세밀화하여, MBS와 DBS간 직접 경로에 가장 적합한 빔 특성을 결정하는 단계(S200)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서는 셀룰러 대역과 같은 낮은 주파수 대역에서 MBS와 DBS 사이에 별도의 통신 장애물이 없는 직접 경로가 존재하는 지 확인한 후, MBS와 DBS간 직접 경로가 존재하는 경우에 한하여 빔 특성 조절 동작을 추가 수행하여 초고주파 대역에서 세밀 빔 폭을 가지는 빔이 최종적으로 형성되도록 함을 알 수 있다.
계속하여 도5 내지 도11을 참고하여 본 발명의 빔 포밍 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편이를 위해, DBS 및 MBS 각각이 빔 포밍 동작에 이용되는 신호의 송신 전력과, 상대편 MBS과 DBS의 위치 정보를 사전에 모두 알고 있다고 가정하기로 한다.
도5은 본 발명의 일 실시예에 따른 MBS와 DBS간 직접 경로 존재 여부 판별 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면으로, 이는 MBS가 하나의 DBS와 통신하여 직접 경로 존재 여부를 확인하는 경우에 관한 것이다.
먼저, DBS는 셀룰러 대역(3GHz 이하)의 주파수와 기 설정된 송신 전력(Po)을 가지는 초기화 신호(Tx)를 생성하여 MBS로 전송한다(S111).
초기화 신호(Tx)를 수신한 MBS는 초기화 신호(Tx)의 수신 전력을 파악하고, 이를 초기화 신호(Tx)의 송신 전력과 비교하여 DBS와 MBS간 거리를 예측한다(S112). S112의 거리 예측 동작은 이하의 수학식1에 의해 수행될 수 있을 것이다.
Figure 112012079794261-pat00002
이때, Pd는 초기화 신호(Tx)의 수신 전력, Po는 초기화 신호(Tx)의 송신 전력, Go는 송수신 안테나의 이득(gain)을 포함한 계수, k는 경로 손실 지수(pathloss exponent)이다.
참고로, 본 발명의 MBS와 DBS간 직접 경로는 각종 통신 장애물(obstacle)로 인해 블록킹(blocking) 또는 쉐도잉(shadowing) 현상이 발생하지 않는 경로를 찾기 위한 것이므로, 블록킹(blocking) 또는 쉐도잉(shadowing), 및 다중 경로 효과를 고려하기 위한 파라미터는 필요로 하지 않는다. 경로 손실 지수는 고정값(예를 들어, 2인 조건)을 사용하여 상기 수학식1을 계산하는 것이 바람직하나, 다양한 시스템 구동 환경(예를 들어, MBS가 다수의 DBS와 통신하여 직접 경로를 탐색하는 경우 등)을 고려하여 시스템 관리자가 차후 능동적으로 변경할 수도 있음은 물론 당연할 것이다. 그리고 빔 포밍 동작에 사용되는 신호의 송신 전력(Po)는 차후 실제 신호 송수신 동작에 사용되는 신호의 송신 전력에 비해 상대적으로 큰 값을 가지는 것이 바람직한데, 이는 자원 효율에 신경 쓰기보다는 직접 경로 탐색의 신뢰성을 보장할 수 있도록 하기 위함이다.
MBS는 DBS과 자신의 위치 정보(예를 들어, GPS 정보)를 서로 비교하여 DBS와 MBS간 직접 경로 거리를 계산하고, 이를 상기의 예측된 DBS와 MBS간 거리와 비교하여 거리 오차값을 산출한다(S113).
만약, 산출된 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하면(S114), MBS는 DBS와 MBS간에는 별도의 통신 장애물이 없는 직접 경로가 존재함을 DBS에 통보하고(S115), DBS와 MBS간에서는 별도의 통신 장애물이 존재하여 직접 경로가 존재하지 못함을 DBS에 통보하도록 한다(S116). 이때, 오차 범위는 시스템 관리자에 의해 능동적으로 설정 및 변경될 수 있는 값이다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 MBS와 DBS간 직접 경로 존재 여부 판별 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면으로, 이는 MBS는 도7과 같이 기본적으로 다수의 DBS들을 통신할 수 있다는 점을 감안하여, MBS가 이미 인식하고 있는 DBS들을 추가 활용하는 경우에 관한 것이다.
만약, DBS#1가 셀룰러 대역(3GHz 이하)의 주파수와 기 설정된 송신 전력(Po)을 가지는 초기화 신호(Tx)를 생성하여 전송하면, 신호 전송 범위에 속하는 DBS#2, DBS#3, 및 MBS는 DBS#1는 초기화 신호(Tx)를 모두 수신하게 된다(S121).
MBS는 도5에서와 동일한 방식으로 DBS#1과 자신과의 거리를 예측하고(S122), DBS#2, DBS#3는 초기화 신호(Tx)의 수신 전력(Pr', Pr")을 획득한 후, 이를 자신의 위치 정보(location(DBS#2), location(DBS#3))와 함께 MBS에 전송하게 된다(S123-1, S123-2).
그러면 MBS는 DBS#2가 전송한 초기화 신호(Tx)의 수신 전력(Pr')과 DBS#2의 위치 정보(location(DBS#2))를 기반으로 DBS#1의 제1 신호 전송 범위를 예측하고, DBS#3가 전송한 초기화 신호(Tx)의 수신 전력(Pr")과 DBS#3의 위치 정보(location(DBS#3))를 기반으로 DBS#1의 제2 신호 전송 범위를 예측한다(S124).
그리고 MBS는 DBS#1의 제1 신호 전송 범위와 제2 신호 전송 범위를 고려하여 DBS#1과 MBS간 예측 거리를 보정한 후(S125), 보정 완료된 예측 거리와 DBS#1과 MBS간 직접 경로 거리를 비교하여 거리 오차값을 산출한다(S126).
만약, 산출된 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하면(S127), MBS는 DBS에 DBS와 MBS간 직접 경로가 존재함을 통보하고(S128), 그렇지 않으면 MBS는 DBS에 DBS와 MBS간 직접 경로가 없음을 통보한다(S129).
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 BDMA 빔 특성을 결정 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면으로, 이는 신호 주파수와 빔 폭을 함께 조정하여 빔 특성을 결정하는 경우에 관한 것이다.
먼저, MBS와 DBS 사이를 가로 막는 통신 장애물이 없는 직접 경로가 존재한다고 판단한 MBS는 초기 주파수(f0)를 가지는 파일럿 신호(Pilot)를 초기 안테나 수(n0)를 가지는 안테나를 통해 DBS 쪽으로 전송하도록 한다(S211).
DBS는 MBS의 파일럿 신호(Pilot)를 수신하면, MBS와 DBS간 직접 경로 존재 여부 판별 단계에서와 동일한 방식으로 파일럿 신호(Pilot)의 수신 전력과 송신 전력을 비교하여 DBS와 MBS간 거리를 예측한다(S212).
그리고 DBS와 MBS간 예측 거리와 직접 경로 거리와 비교하여 거리 오차값을 산출한 후(S213), 산출된 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하면(S214), DBS는 도9의 (a) 및 (b)와 같이 DBS와 MBS간 직접 경로가 목표한 빔 폭 내에 존재한다고 판단하고, 수신 확인 신호(ACPT)를 MBS에 전송한다(S215).
반면, 산출된 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위를 벗어나면(S214), DBS는 도9의 (c)와 같이 DBS와 MBS간 직접 경로가 목표한 빔 폭을 벗어나 존재한다고 판단하고, 수신 확인 신호(ACPT)를 MBS에 전송하지 않는다(S216).
MBS는 수신 확인 신호(ACPT)를 수신한 경우에 한해(S217), 주파수와 안테나 수를 증가시켜 파일럿 신호(Pilot)의 주파수는 증가되고 빔 폭은 더욱 좁아지도록 한 후(fk > fk -1, nk > nk -1)(S218), 다시 파일럿 신호(Pilot) 전송 단계(S211)로 진입하여 증가된 주파수와 더욱 좁아진 빔 폭을 가지는 파일럿 신호(Pilot)가 DBS로 재전송되도록 한다(S218).
한편, MBS가 DBS의 수신 확인 신호(ACPT)를 수신하지 못하면(S217), 마지막 조정된 빔 특성(주파수 및 안테나 수)을 통해서는 MBS의 파일럿 신호(Pilot)가 DBS에 성공적으로 전송되지 못함을 확인하고, 수신 확인 신호(ACPT)를 마지막으로 수신했을 때의 빔 특성(주파수 및 안테나 수)을 최종 빔 특성으로 결정하도록 한다(S219).
즉, 본 발명에서는 S211 내지 S218을 반복 수행하여 파일럿 신호(Pilot)의 주파수는 셀룰러 대역에서 초고주파 대역으로 점차 증가되고, 빔 폭은 점차 세밀화시키면서, DBS와 MBS가 성공적으로 통신할 수 있는 한계치를 파악하고, 이를 기준으로 빔 특성을 최종 결정함으로써, DBS와 MBS의 통신은 안정적으로 지원하되 DBS와 MBS의 통신 환경에 최적화되는 빔 특성을 결정할 수 있도록 한다.
도10 및 도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 BDMA 빔 특성을 결정 단계를 보다 상세히 설명하기 위한 도면으로, 이는 신호 주파수는 고정시키고 빔 폭만을 조정하여 빔 특성을 결정하는 경우에 관한 것이다.
먼저, MBS와 DBS 사이를 가로 막는 통신 장애물이 없는 직접 경로가 존재한다고 판단한 MBS는 고정 주파수(ffix)를 가지는 파일럿 신호(Pilot)를 초기 안테나 수(n0)를 가지는 안테나를 통해 DBS 쪽으로 전송하도록 한다(S221).
DBS는 MBS의 파일럿 신호(Pilot)를 수신하면, 파일럿 신호(Pilot)의 수신 전력과 송신 전력을 비교하여 DBS와 MBS간 거리를 예측한 후(S222), DBS와 MBS간 직접 경로 거리와 비교하여 거리 오차값을 산출한다(S223).
그리고 산출된 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하는 경우에 한해(S224), 수신 확인 신호(ACPT)를 MBS에 전송하도록 한다(S225).
MBS는 DBS의 수신 확인 신호(ACPT)를 수신한 경우(S227), 안테나 수만을 증가시켜, 도10과 같이 파일럿 신호(Pilot)의 빔 폭이 세밀화되도록 한 후(ffix , nk (nk> nk -1)), 다시 파일럿 신호(Pilot) 전송 단계(S221)로 진입하여 세밀화된 빔 폭을 가지는 파일럿 신호(Pilot)가 DBS로 재전송되도록 한다(S228).
한편, MBS가 DBS의 수신 확인 신호(ACPT)를 수신하지 못하면(S217), 마지막 조정된 빔 특성(고정 주파수 및 안테나 수)을 통해서는 MBS의 파일럿 신호(Pilot)가 DBS에 성공적으로 전송되지 못함을 확인하고, 수신 확인 신호(ACPT)를 마지막으로 수신했을 때의 빔 특성(고정 주파수 및 안테나 수)을 최종 빔 특성으로 결정하도록 한다(S229).
즉, 본 발명에서는 S221 내지 S228을 반복 수행하여 빔 폭은 점차 세밀화되도록 하여, DBS와 MBS가 성공적으로 통신할 수 있는 최소 빔 폭을 파악하고, 이를 기준으로 빔 특성을 최종 결정하도록 한다.
또한, 본 발명에서는 설명의 편이를 위해 BDMA 빔 특성 결정 단계를 두 가지 방법으로 서로 구분하여 설명하였지만, 필요한 경우 두 가지 방법을 혼용하여 사용할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 도8의 BDMA 빔 특성 결정 단계를 수행하다가 도10의 BDMA 빔 특성 결정 단계를 수행하거나, 도10의 BDMA 빔 특성 결정 단계를 수행하다가 도8의 BDMA 빔 특성 결정 단계를 수행하도록 할 수도 있을 것이다.
또 다르게는 주파수 증가 동작을 수행한 후, 안테나 수 증가 동작을 수행하도록 함으로써, 최적의 주파수 대역을 파악한 상태에서 빔 폭을 추가적으로 수행하는 방식으로 최적의 빔 특성을 결정하도록 할 수도 있을 것이다. 물론 반대의 방법도 당연 가능할 것이다.
도12는 본 발명의 실시예가 적용되는 이동 시스템의 구현 예를 도시한 도면이다.
도12을 참고하면, 본 발명의 DBS(100)는 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 전송하여 직접 경로 검색을 요청하는 직접 경로 검색 요청부(110)와, MBS(200)로부터 파일럿 신호가 전송되면 상기 파일럿 신호의 전력을 통해 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 존재하는 지를 확인하는 빔 특성 확인부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
직접 경로 검색 요청부(110)는 직접 경로의 검색을 위한 초기화 신호를 생성 및 출력하는 초기화 신호 송신부(111), 및 MBS(200)로부터 직접 경로 존재 여부를 통보받는 직접 경로 존재 확인부(112)를 포함하여 구성되고, 빔 특성 확인부(120)는 빔 특성 확인을 위해 MBS(200)로부터 전송되는 파일럿 신호를 수신하는 파일럿 신호 수신부(121), 파일럿 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 DBS(100)와 MBS(200)간 거리를 예측하는 거리 예측부(122), 거리 예측부(122)의 예측 결과와 DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로 거리를 비교하여 거리 오차값을 계산하는 오차 계산부(123), 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 포함되는 경우에 한해 DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로가 목표한 빔 폭 내에 존재한다고 판단하고, 이에 대응되는 수신 확인 신호를 MBS(200)에 전송하는 수신 확인 신호 송신부(124) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 MBS(200)는 초기화 신호의 전력을 통해 DBS(100)와 MBS(200)간에 직접 경로가 존재하는 지 확인하는 직접 경로 검색부(210)와, DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로가 존재하는 경우에 한해 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조정하면서, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하되 가장 높은 주파수대와 가장 좁은 빔 폭을 가지는 빔 특성을 파악하는 빔 특성 제어부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
직접 경로 검색부(210)는 초기화 신호를 수신하는 생성 및 출력하는 초기화 신호 수신부(211), 초기화 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 DBS(100)와 MBS(200)간 거리를 예측하는 거리 예측부(212), 거리 예측부(212)의 예측 결과와 DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로 거리를 비교하여 거리 오차값을 계산하는 오차 계산부(213), 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 포함되는 경우에 한해 DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로가 존재한다고 판단하고, 이를 DBS(100)에 통보하는 직접 경로 존재 판단부(214) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
빔 특성 제어부(220)는 빔 특성 결정을 위한 파일럿 신호를 생성하여 DBS(100)에 제공하는 파일럿 신호 송신부(221), 파일럿 신호에 응답하여 DBS(100)가 DBS(100)와 MBS(200)간 직접 경로가 목표한 빔 폭 내에 존재함을 통보하는 수신 확인 신호를 전송하면, 이를 수신하는 수신 확인 신호 수신부(222), 및 수신 확인 신호가 전송되는 범위내에서 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조정하여, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하되 가장 높은 주파수대와 가장 좁은 빔 폭을 가지는 빔 특성을 파악하는 빔 특성 조정부(223) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 분산 소형 기지국(DBS)에서 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 매크로 기지국(MBS)에 전송하고, 상기 매크로 기지국(MBS)이 상기 초기화 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 예측 단계;
    상기 예측 거리와 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 거리를 비교하여 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 존재 여부를 판단하는 판단 단계;
    상기 직접 경로가 존재한다고 판단된 경우, 상기 매크로 기지국(MBS)이 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조절하면서 파일럿 신호를 반복적으로 전송하고, 상기 분산 소형 기지국(DBS)은 상기 파일럿 신호가 정상 수신된 경우에 한해 수신 확인 신호를 상기 매크로 기지국(MBS)에 전송하는 반복 전송 단계; 및
    상기 매크로 기지국(MBS)이 수신 확인 신호를 수신하지 못하는 경우, 상기 반복 전송 단계를 종료하고, 마지막으로 수신 확인 신호를 수신했을 때의 주파수와 빔 폭을 기반으로 빔 특성을 결정하는 단계를 포함하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파일럿 신호는
    상기 제1 주파수 대역 보다 높은 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 예측 단계는
    이하의 식에 따라 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법,
    Figure 112012079794261-pat00003

    상기 Pd는 초기화 신호(Tx)의 수신 전력, 상기 Po는 초기화 신호(Tx)의 송신 전력, 상기 Go는 송수신 안테나의 이득(gain)을 포함한 계수, 상기 k는 경로 손실 지수(pathloss exponent)임.
  4. 제1항에 있어서, 상기 판단 단계는
    상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)의 예측 거리와 직접 경로 거리간 거리 오차값을 계산하는 단계; 및
    상기 거리 오차값이 기 설정된 오차 범위내에 존재하면, 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS) 사이에는 직접 경로가 존재한다고 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 판단 단계는
    다른 분산 소형 기지국(DBS)로부터 상기 초기화 신호의 수신 전력과 위치 정보를 추가 수신하면, 상기 초기화 신호의 수신 전력과 위치 정보를 이용하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)의 신호 전송 범위를 예측하고, 상기 예측된 신호 전송 범위를 통해 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)의 예측 거리를 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반복 전송 단계는
    상기 매크로 기지국(MBS)이 파일럿 신호를 전송하는 단계;
    상기 분산 소형 기지국(DBS)이 상기 파일럿 신호를 수신하면, 상기 파일럿 신호의 송신 전력과 수신 전력을 비교하여 상기 분산 소형 기지국(DBS)와의 거리를 예측하는 예측 단계;
    상기 예측 거리와 상기 매크로 기지국(MBS)와 분산 소형 기지국(DBS)간 직접 경로 거리를 비교하여 상기 파일럿 신호의 정상 수신 여부를 판단하는 단계;
    상기 파일럿 신호의 정상 수신된 경우에 한해, 상기 수신 확인 신호를 상기 매크로 기지국(MBS)에 전송하는 단계;
    상기 수신 확인 신호를 수신한 상기 매크로 기지국(MBS)이 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 조절한 후, 상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는
    상기 주파수를 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는
    빔 폭을 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 파일럿 신호를 전송하는 단계로 재진입하는 단계는
    안테나 수를 조정하여 빔 폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 분산 소형 기지국을 활용하는 이동 통신 시스템에서의 빔 포밍 방법.
  10. 제1 주파수 대역의 초기화 신호를 전송하여 직접 경로 검색을 요청하고, 파일럿 신호가 전송되면 상기 파일럿 신호의 전력을 통해 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 존재하는 지를 확인하는 분산 소형 기지국; 및
    상기 초기화 신호의 전력을 통해 상기 분산 소형 기지국과의 직접 경로 존재 여부를 확인하고, 직접 경로가 존재하는 경우에 한해 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 조정하면서, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하되 가장 높은 주파수대와 가장 좁은 빔 폭을 가지는 빔 특성을 파악하는 매크로 기지국를 포함하는 이동 통신 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 매크로 기지국을
    상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 단계적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 이동 통신 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 매크로 기지국은
    안테나 수를 조정하여 빔 폭을 증가시키는 것을 특징으로 하는 이동 통신 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 매크로 기지국은
    직접 경로가 목표한 빔 폭내에 속하는 경우에는 상기 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭 중 적어도 하나를 조정한 후 상기 파일럿 신호를 재전송하되, 그렇지 않으면 이전에 전송한 파일럿 신호의 주파수와 빔 폭을 기반으로 빔 특성을 파악하는 것을
    특징으로 하는 이동 통신 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 분산 소형 기지국을
    상기 파일럿 신호의 전력을 기반으로 상기 매크로 기지국과의 거리를 예측하고, 상기 예측된 거리가 상기 매크로 기지국과 분산 소형 기지국간 직접 경로 거리와 유사하면, 직접 경로가 목표한 빔 폭내에 존재한다고 판단하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 시스템
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