KR101667802B1 - 랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기 - Google Patents

랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기 Download PDF

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Abstract

사이드 로브의 영향을 축소하여 빔폭을 줄이는 효과를 얻을 수 있는 랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기가 개시된다.
일양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍 방법은, 일련의 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성하는 단계; 타겟 방향에 대해서 동일한 게인과 동일한 위상을 갖는 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터, 복수의 상기 비트 그룹 각각에, 대응되는 빔패턴을 지정하는 단계: 및 복수의 상기 비트 그룹마다 상기 대응되는 빔패턴을 이용하여 빔을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기{METHOD FOR RANDOM JITTER BEAM FORMING AND TRANSMITTER AND RECEIVER THEREOF}
본 발명은 빔포밍 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이드 로브의 영향을 축소하여 빔 폭을 줄이는 효과를 얻기 위한 랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기에 관한 것이다.
빔포밍(beamforming)은 안테나에서 방사된 에너지를 공간 상에서 특정한 방향을 따라 집중시킴으로써, 원하는 방향으로부터 신호를 수신하거나(수신기의 경우), 원하는 방향으로 신호를 전달하는(송신기의 경우) 것을 말한다.
빔포밍을 종종 공간적인 필터링이라고 말하며, 이 때 빔 폭은 안테나의 개수와 안테나 어레이의 구조에 의해서 결정된다.
그런데, 기존의 빔포밍 기법들은 빔 폭을 줄이기 위하여 높은 빔 분해능을 얻는 데에 한계가 있었다.
사이드 로브의 영향을 축소하여 빔폭을 줄이는 효과를 얻을 수 있는 랜덤 지터 빔포밍 방법, 이를 이용한 송신기 및 수신기를 제공한다.
일 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍 방법은, 일련의 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성하는 단계; 타겟 방향에 대해서 동일한 게인과 동일한 위상을 갖는 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터, 복수의 상기 비트 그룹 각각에, 대응되는 빔패턴을 지정하는 단계: 및 복수의 상기 비트 그룹마다 상기 대응되는 빔패턴을 이용하여 빔을 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 빔패턴을 지정하는 단계에서, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에는 상기 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터 무작위로 하나의 빔패턴이 지정될 수 있다.
또는, 상기 빔패턴을 지정하는 단계에서, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에는 소정의 규칙에 따라 상기 빔패턴이 지정될 수 있다.
다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기는, 일련의 전송 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성하는 비트 그룹 생성부; 타겟 방향에 대해서 동일한 게인과 동일한 위상을 갖는 2 이상의 빔패턴의 집합을 제어하는 빔 제어부; 복수의 상기 비트 그룹 각각에, 상기 2 이상의 빔패턴 중에서 대응되는 빔패턴을 지정하는 빔포밍부: 상기 대응되는 빔패턴이 지정된 상기 비트 그룹 각각을 아날로그 신호로 변환하는 D-A변환부; 및 상기 아날로그 신호를 전송하는 송신부;를 포함한다.
또 다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기는, 안테나 어레이를 통하여 라디오 주파수 신호를 수신하여 연속 시구간 베이스밴드 신호 (continuous time baseband signal) 로 변환하는 수신부; 상기 연속 시구간 베이스밴드 신호를 상기 안테나 어레이의 안테나의 개수만큼의 이산 시간도메인 신호(discrete time signal)로 변환하는 A-D 변환부; 및 상기 주파수도메인 신호에 빔포밍을 수행하여 랜덤 지터 빔포밍된 신호를 구하는 빔포밍부;를 포함한다.
이 때, 상기 랜덤 지터 빔포밍된 신호로부터 비트 그룹을 조합하여 수신 데이터 시퀀스를 생성하는 비트 그룹 조합부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 전송되는 바이너리 시퀀스 벡터 및 수신 신호 벡터를 이용하여 교차연관계수를 계산하는 교차연관계수 계산부;를 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 교차연관계수 계산부는, 상기 교차연관계수가 기지정된 임계값보다 큰 경우에 상기 수신기가 타겟 디바이스인 것으로 판단할 수 있다.
또 다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신방법은, 안테나 어레이를 통하여 라디오 주파수 신호를 수신하여 연속 시구간 베이스밴드 신호로 변환하는 단계; 상기 연속 시구간 베이스밴드 신호를 상기 안테나 어레이의 안테나의 개수만큼의 이산 시간도메인 신호로 변환하는 단계; 및 상기 이산 시간도메인 신호에 빔포밍을 수행하여 랜덤 지터 빔포밍된 신호를 구하는 단계;를 포함한다.
본 발명을 이용하면, 높은 분해능으로 특정 방향에 있는 타겟 단말기로만 신호나 메시지를 송신하는 방법 및 장치를 구현하거나, 높은 분해능으로 특정 방향에 있는 타겟 단말기로부터만 신호나 메시지를 수신하는 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명을 이용하면, 특정 방향에 있는 타겟 단말기에 대해서만 정상적인 신호나 메시지를 송신하는 방법 및 장치를 구현하거나, 특정 방향에 있는 타겟 단말기로부터만 정상적인 신호나 메시지를 수신하는 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 전송 빔 패턴과 디바이스의 위치 간 관계를 예시한 도면,
도 2는 바이너리 시퀀스와 비트 그룹 및 빔 패턴 간의 관계를 예시한 도면,
도 3a는 타겟 디바이스에서 수신되는 비트 그룹들의 이득의 크기를 나타낸 도면,
도 3b는 타겟 디바이스와 다른 방향에서 수신되는 비트 그룹들의 이득의 크기를 나타낸 도면,
도 4는 일 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍 방법의 일례를 나타낸 흐름도,
도 5는 다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기의 일례를 나타낸 블록도,
도 6은 또다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기의 일례를 나타낸 블록도,
도 7은 랜덤 지터 빔포밍 기법이 적용된 OFDM 송신기의 일례를 나타낸 블록도,
도 8은 4-안테나 시나리오의 두 빔패턴의 방향에 따른 게인의 크기를 예시한 도면,
도 9는 4-안테나 시나리오의 두 빔패턴의 방향에 따른 위상의 변화를 예시한 도면,
도 10은 4-안테나 시나리오 랜덤 지터 빔포밍의 교차연관계수(ρ)의 일례를 3D 맵으로 나타낸 도면이다.
이하 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 전송 빔패턴과 디바이스의 위치 간 관계를 예시한 도면이다.
도 1에서는 4개의 안테나로 구성된 등간격 선형 안테나 어레이를 이용하고 있다.
디바이스 A, B, C는 1/2 전력 이득을 가지며, D, E는 사이드 로브(10)의 방향에 놓여 있다고 가정한다.
논의의 단순화를 위하여 자유공간 경로 손실(free-space path loss)를 가정할 때, B와 D는 타겟 디바이스와 동일한 수신 신호 세기(RSS: Received Signal Strength)를 가진다. 또한, C와 E는 타겟 디바이스(T)의 2배의 수신 신호 세기를 가진다.
사용자가 신호를 전송하면서 타겟 디바이스(T)만이 수신하기를 원하는 경우를 생각해본다. 비록 디바이스 A가 타겟 디바이스의 절반의 수신 신호 세기를 갖지만, 디바이스 A의 신호잡음비(SNR)는 사용자가 전송하는 신호를 충분히 수신할 정도로 높을 수 있다. 나아가, B와 D 및 C와 E는 각각 타겟 디바이스의 수신 신호 세기의 1배 또는 2배의 수신 신호 세기를 가질 수 있다.
즉, 디바이스(A,B,C,D,E)가 사용자에게 Euclidean 거리 또는 타겟 디바이스에 대한 각 거리(angular distance)의 측면에서 충분히 가깝기만 하다면 사용자가 전송하는 신호를 수신할 수 있게 된다. 이는 사용자가 바라는 결과가 아니다.
이 문제를 해결하기 위하여, 사이드 로브(10)에 의한 영향을 받지 않는 빔포밍 기법(scheme)이 필요하게 된다. 나아가, 이 기법은 개선된 각 해상도(angular resolution)을 가짐으로써 실질적으로 안테나의 개수를 증가시키지 않을 수 있어야 한다. 이동 단말(mobile device)에서는 안테나의 최대 개수가 종종 제한되기 때문이다.
제안된 랜덤 지터 빔포밍 기법은 안테나 어레이의 응답이 타겟 디바이스의 방향에서는 고정되지만 그 밖의 방향에서는 변동되도록 동작한다.
K개의 기정의된 어레이 계수 벡터(array coefficient vector)의 집합이 정의된다. 집합 내의 모든 어레이 계수 벡터는 그 빔패턴이 타겟 디바이스의 방향(예컨대 0°)에서는 동일한 값의 고정된 이득(gain)을 갖지만, 다른 방향에서는 상이한 게인을 갖도록 설계된다. 빔패턴은 기정의된 K개의 어레이 계수 벡터 중에서 선택이 된다.
도 2는 바이너리 시퀀스와 비트 그룹 및 빔패턴 간의 관계를 예시한 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 바이너리 시퀀스(20)는 비트 그룹(200,210,…,220)으로 분할된다. 각 비트 그룹(200,210,…,220)은 K개의 기정의된 빔패턴의 집합으로부터 무작위로 선택된 상이한 빔패턴을 이용하여 전송된다.
즉, 비트 그룹(200)은 빔패턴(201)을, 비트 그룹(210)은 빔패턴(211)을, 비트 그룹(220)은 빔패턴(221)을 각각 이용하여 전송된다.
도 3a는 타겟 디바이스에서 수신되는 비트 그룹들의 이득의 크기를 나타낸 도면이다.
도 3a에서 나타낸 바와 같이, 타겟 디바이스에는 모든 비트 그룹(300,310, …,320)이 동일한 크기(amplitude)로 수신된다. 랜덤 지터 빔포밍에 따르면 모든 빔패턴이 타겟 방향에 대해서는 동일한 어레이 이득을 가지고 있기 때문이다.
따라서, 수신된 모든 비트 그룹(300,310,…,320)의 크기(300a,310a,320a)는 서로 동일하다.
도 3b는 타겟 디바이스와 다른 방향에서 수신되는 비트 그룹들의 이득의 크기를 나타낸 도면이다.
타겟 디바이스와 다른 방향의 디바이스들에서는, SNR이 높더라도, 각 비트 그룹(300',310',…,320')의 이득이 가변적(fluctuate)이 된다. 즉, 수신된 모든 비트 그룹(300',310',…,320')의 크기(300b,310b,320b)는 서로 같은 값이 아니다. 이처럼 랜덤 지터 빔포밍을 이용하는 경우에 타겟 방향에 있지 않은 디바이스가 수신한 각 비트 그룹의 수신 신호 세기가 일정하지 않은 까닭은, 송신기에서 데이터 전송 시에 적용한 랜덤 지터때문이다.
한편, 비트 그룹과 비트 그룹 사이의 이득의 변동(sway)의 정도는 타겟 디바이스로부터의 각 거리가 멀어질수록 심화된다.
도 4는 일 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다.
도 4에서 나타낸 바와 같이, 랜덤 지터 빔포밍 방법은, 비트 그룹 생성 단계(S100), 빔패턴 지정 단계(S200) 및 빔 전송 단계(S300)를 포함한다.
비트 그룹 생성 단계(S100)에서는, 일련의 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹이 생성된다.
다음으로, 빔패턴 지정 단계(S200)에서는 각각의 비트 그룹마다 빔패턴이 지정된다.
이 때, 인접한 두 비트 그룹에 대해서는 서로 다른 빔패턴이 지정되도록 하는 것이 좋다. 예컨대, 2가지의 빔패턴으로 이루어진 집합의 경우에는, 빔패턴(BP1)과 빔패턴(BP2)이 번갈아서 지정되도록 할 수 있다.
한편, 빔패턴의 집합 내에서 무작위로 빔패턴을 선정하여 비트 그룹에 지정할 수도 있으며, 일정한 규칙에 따라서 순서대로 지정을 할 수도 있다.
한편, 송신 디바이스가 랜덤 지터 빔포밍을 이용하여 송신을 한 경우, 수신 디바이스는 자신이 타겟 디바이스인지 여부를 계산할 수 있다.
Figure 112012085889195-pat00001
와
Figure 112012085889195-pat00002
을 각각 전송되는 바이너리 시퀀스를 표현하는 벡터 및 그에 대응하는 수신 신호를 표현하는 벡터라고 하자. 이 때, 교차연관계수(cross-correlation coefficient: ρ)는 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112012085889195-pat00003
.
교차연관계수(ρ)는 수신 디바이스에서 계산되며, 이 때 <a,b>는 a벡터와 b벡터의 내적(inner product)을 뜻한다.
만약 교차연관계수(ρ)가 소정의 임계값(threshold)보다 큰 경우, 수신 디바이스는 자신이 타겟 디바이스인 것으로 판단을 하게 된다. 이 경우, 수신 디바이스는 송신 디바이스에게 그 수신 디바이스의 ID를 회신할 수 있다.
그러나, 만약 교차연관계수가 임계값보다 작은 경우, 수신 디바이스는 자신이 타겟 디바이스가 아닌 것으로 판단하여, 응답을 하지 않도록 할 수 있다.
교차연관계수는 전력에 의하여 정규화되므로, 수신 신호 세기(RSS)에 대한 의존도가 최소화된다. 대신에, 교차연관계수는 주로 수신된 신호에서의 이득의 일관성(consistency)을 측정하는 역할을 수행한다.
도 5는 다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 5에서 나타낸 바와 같이, 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기(50)는, 비트 그룹 생성부(500), 빔 제어부(510), 빔포밍부(520), D-A 변환부(530) 및 송신부(540)를 포함한다.
비트 그룹 생성부(500)는 일련의 전송 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성한다.
빔 제어부(510)는, K개의 어레이 계수 벡터를 정의하여 저장한다. (K≥2)
빔포밍부(520)는, 복수의 상기 비트 그룹 각각에, 빔 제어부(510)에 저장된 K개의 빔패턴 중에서 대응되는 빔패턴을 지정한다.
D-A 변환부(530)는, 이산 시간도메인 신호를 연속 시간도메인 아날로그 신호로 변환한다.
송신부(540)는, 변환된 연속 시간도메인 아날로그 신호를 저잡음증폭하고 안테나 어레이를 통하여 전송한다. 도면에 나타내지는 않았으나, 필요한 경우, 중간주파수 변환 및 증폭을 더 수행할 수도 있다.
도 6은 또다른 양상에 따른 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 6에서 나타낸 바와 같이, 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기(60)는, 수신부(610), A-D 변환부(620), 빔 제어부(630) 및 빔포밍부(640)를 포함한다.
수신부(610)는 안테나 어레이를 통하여 라디오 주파수 신호를 수신하여 연속 시구간 베이스밴드 신호 (continuous time baseband signal) 로 변환한다.
A-D 변환부(620)는 연속 시구간 베이스밴드 신호를 안테나 어레이의 안테나의 개수만큼의 이산 시간도메인 신호(discrete time signal)로 변환한다. 예컨대 4-안테나 시나리오에서는 이산 시간도메인 신호는 4개로 출력될 수 있으며, 이를 위하여 A-D변환부에는 4개의 A-D 컨버터가 필요할 수 있다.
빔 제어부(630)는 빔패턴에 관한 어레이 계수 벡터를 정의하고 저장한다.
빔포밍부(640)는 디지털 신호로 변환된 수신 신호에 빔포밍을 수행하여 랜덤 지터 빔포밍된 서브캐리어 신호를 구한다.
한편, 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기(60)는 비트 그룹 조합부(650)를 더 포함할 수 있다. 비트 그룹 조합부(650)는, 랜덤 지터 빔포밍된 신호들로부터 비트 그룹들을 조합하여 수신 데이터 시퀀스를 생성한다.
한편, 랜덤 지터 빔포밍 기법은 서브캐리어 레벨에서 빔 스위칭을 하는 OFDM 시스템에서 매우 효과적으로 적용될 수 있다.
도 7은 랜덤 지터 빔포밍 기법이 적용된 OFDM 송신기의 일례를 나타낸 블록도이다.
도 7에서, 제n번째 서브 캐리어는 제n번째 빔패턴을 이용하여 전송된다.
이 때, 어레이 계수(ωni)는 OFDM 서브캐리어부(700)의 제n번째 서브 캐리어에 관한 제i번째 안테나의 어레이 계수가 된다.
도 7의 실시예에서는 4개의 안테나를 이용하여 안테나 어레이를 구성하고 있으므로, i = 1, …, 4가 된다. 또한, n = 1, …, N인 것으로 한다.
제n번째 빔패턴(즉 BPn)은 K개의 기정의된 빔패턴의 집합으로부터 임의로 선택될 수 있다. 수신 디바이스측에서는 랜덤 지터 빔포밍 기법을 이용하여 전송되는 신호를 수신하기 위하여 별도의 준비가 필요없다. 도 7의 실시예에서는 빔패턴에 관한 어레이 계수를 저장하고 있는 빔 제어부가 빔포밍부(710)에 포함된 것으로 볼 수 있다.
이후, P-S(Parallel-to-Serial) 변환부(720)에서는 고속푸리에변환에 의하여 주파수도메인 신호로 변환된 다음 D-A 변환 및 송신부(730)로 전달된다.
D-A 변환부(730)에서는 주파수도메인 신호가 연속 시간도메인 신호로 변환된 후, 적정 크기로 증폭되어 안테나 어레이(735)를 통하여 송신된다.
즉, 랜덤 지터 빔포밍 방법은, 사이드 로브의 영향을 감소시킴으로써, 안테나 어레이의 실효 빔폭(effective beam-width)를 줄여주는 효과를 가진다.
랜덤 지터 빔포밍 기법의 적용 분야는 크게 두 가지를 들 수 있다.
첫째, 근접한 위치에 여러 개의 단말기가 있을 때 이를 구분하여 특정 단말기를 선택하는 대상인식 분야가 있다.
대상인식 분야에서 기존의 빔포밍 기술을 사용할 경우, 어레이 안테나의 빔 폭을 충분히 줄이기 위해서는 안테나 개수를 많이 사용하여야 한다. 더욱이, 안테나 개수를 많이 사용한다 하더라도 어레이의 빔패턴의 사이드 로브 방향에 타 단말기가 위치하여 간섭을 일으킬 경우 이 간섭을 극복하고 대상 단말기를 구분하는 것은 매우 어렵다. 특히, 간섭 단말기가 송신기로부터 가까운 경우 간섭 단말기가 수신하는 파워는 대상 단말기보다도 클 수 있기 때문에 간섭 문제를 극복하는 것이 불가능하다. 반면, 랜덤 지터 빔포밍 기법은 단말기를 구분하는 기준으로서 수신 신호의 전력에 관하여 정규화된 값인 교차연관계수를 사용하므로, 간섭의 문제를 해결할 수 있다.
대상인식 분야에 관한 적용의 예로서, 랜덤 지터 빔포밍 기법을 적용한 송신기를 들 수 있다.
랜덤 지터 빔포밍 기법을 적용한 송신기는, 타겟 디바이스가 있는 방향을 타겟 방향 또는 시선 방향(look direction)으로 설정한 후, 미리 정의된 알려진 시퀀스(known sequence)를 송신한다.
이 경우, 타겟 디바이스는 수신 신호와 미리 정의된 알려진 시퀀스 간의 교차연관계수가 1에 가까운 값을 갖는 반면, 타겟 디바이스와 다른 방향에 있는 단말기의 경우 교차연관계수가 0에 가까운 매우 작은 값을 가질 것이다.
앞서 설명할 바와 같이, 교차연관계수는 수신 디바이스에서 계산된다.
따라서, 이 교차연관계수값을 임계값(threshold)과 비교하여 그 값이 임계값 보다 크면 자신이 타겟 방향 상에 있는 타겟 디바이스라고 판단하고, 임계값보다 작으면 자신이 타겟 방향 상에 있지 않으므로 타겟 디바이스가 아니라고 판단할 수 있게 된다.
둘째, 근접한 위치에 여러 개의 단말기가 있을 때 특정 단말기에만 메시지를 전송하고, 타 메시지에는 정상적인 메시지가 전송되지 않도록 하는 보안 관련 응용 분야가 있다.
기존의 빔포밍 기법을 사용할 경우, 다른 디바이스, 예컨대 도청 디바이스(eavesdropper)가 타겟 디바이스에 가까이 있는 경우, 도청 디바이스가 수신하지 못하게 하면서 타겟 디바이스에만 메시지를 전송하는 것은 매우 힘들었다. 특히, 도청 디바이스의 수신 감도를 미리 알 수 없기 때문에 얼마나 좁은(sharp) 빔을 사용하는 것이 효과적인지 판단하는 것은 불가능하다. 또한 도청 디바이스가 송신기 가까이에 있는 경우에는 (사이드 로브의 영향으로 인하여) 도청 디바이스의 방향에 상관없이 전송 메시지를 수신할 수도 있다.
반면, 랜덤 지터 빔포밍 기법을 사용하면 수신기의 감도가 아무리 좋다 하더라도, 그리고 수신 신호의 SNR이 아무리 높다 하더라도 타겟 방향에서 약간만 각 거리가 떨어지더라도 수신 신호를 디코딩할 수 없게 된다. 더욱이, 빔의 폭을 송신기가 조절할 수 있기 때문에(예컨대 안테나 어레이의 안테나 개수 증감을 통하여) 신뢰성이 더욱 향상될 수 있다.
한편, 랜덤 지터 빔포밍의 성능은 수치적으로 시뮬레이션될 수 있다.
이하 도 8 및 도 9에서는 4개의 안테나로 이루어지는 ULA(Uniform Linear Array)에 대한 시뮬레이션("4-안테나 시나리오") 을 살펴본다.
4-안테나 시나리오는 예컨대 5GHz 대역의, 최대 4개의 안테나가 내장될 수 있는 전형적인 스마트폰에 적용될 수 있다. K=2라고 가정할 때, 2개의 기정의된 빔패턴이 빔패턴의 집합에 포함된다.
도 8은 4-안테나 시나리오의 두 빔패턴의 방향에 따른 이득의 크기를 예시한 도면이다.
또한, 도 9는 4-안테나 시나리오의 두 빔패턴의 방향에 따른 위상의 변화를 예시한 도면이다.
도 8에서 나타낸 바와 같이, 빔 R과 빔 L은 타겟 방향(이 실시예에서는 0°)에 대한 이득이 2로 서로 일치한다. 또한, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 빔 R과 빔 L은 타겟 방향(이 실시예에서는 0°)에 대한 위상이 0으로 서로 일치한다.
도 9의 예에서, 두 개의 빔패턴은 타겟 방향(여기에서는 0°)과 그 주변이 아닌 방향에 대해서 180°의 위상차를 가진다. 이처럼 K=2인 경우, 두 빔패턴이 180°의 위상차를 갖는 경우 랜덤 지터 빔포밍의 성능이 향상될 수 있다.
마찬가지로, 3개의 빔패턴을 사용하는 경우에는 360°/3 = 120°씩 빔패턴들이의 위상차를 갖게 하는 경우에 랜덤 지터 빔포밍의 성능이 향상될 수 있다.
잘 설계된 2개의 빔패턴을 이용하면 랜덤 지터 빔포밍의 목표를 효과적으로 달성할 수 있으며, 이는 시뮬레이션을 통해서도 확인할 수 있다.
도 10은 4-안테나 시나리오 랜덤 지터 빔포밍의 교차연관계수(ρ)의 일례를 3D 맵으로 나타낸 도면이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 교차연관계수는 사용자로부터의 거리에 따라 약간씩 변화하며, 각도의 단조 감소 함수로서 사이드 로브의 영향을 무시할 수 있다. 가령, 임계값이 0.9인 경우, 각 해상도(angular resolution)를 5.2°의 좁은 값으로 얻을 수 있다. 더욱 보수적인 임계값인 0.8을 적용하더라도, 각 해상도를 9.8°로 얻을 수도 있다.
이러한 점은, 종래의 빔포밍 기법을 사용하는 경우에 0.9의 임계값에 대해서는 약 21°의 각해상도가, 0.8의 임계값에 대해서는 약 24°의 각해상도가 얻어지는 것에 비해서 주목할 만하다. 그런데, 종래의 빔포밍 기법의 더 큰 문제점은, ±40.7°에서 ±56.8° 사이의 사이드 로브 방향에서 교차연관계수가 임계값보다 큰 경우가 발생할 수 있으며, 따라서 이 구간에 있는 디바이스가 타겟 디바이스로 잘못 판단될 수 있다는 점이다.
한편, 이상에서는 리니어 어레이 안테나를 이용하여 평면 상의 방향을 예시하여 랜덤 지터 빔포밍 방법 및 이를 이용한 송신기 및 수신기에 대하여 설명하였다. 그러나, 이차원(2D) 안테나 어레이를 랜덤 지터 빔포밍 방법에 사용할 수도 있다. 이 경우, 이차원 평면이 아닌 삼차원 공간 내에서 타겟 방향을 정하여 랜덤 지터 빔포밍을 행할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 7에서는 랜덤 지터 빔포밍 기법을 주파수 축에서 구현하여 OFDM 시스템에 적용한 실시예를 설명하였다. 그러나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 랜덤 지터 빔포밍 방법을 시간 축에서 구현하여 TDMA 시스템에 적용하거나, 코드 축에서 적용하여 CDMA 시스템에 적용하는 것도 가능함은 물론이다.

Claims (13)

  1. 일련의 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성하는 단계;
    타겟 방향에 대해서 동일한 이득을 가지지만 상기 타겟 방향과 다른 방향에 대해서는 상이한 이득을 갖는 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터 선택하여, 복수의 상기 비트 그룹 각각에, 대응되는 빔패턴을 지정하는 단계: 및
    복수의 상기 비트 그룹마다 상기 대응되는 빔패턴을 이용하여 빔을 형성하는 단계;를 포함하는 랜덤 지터 빔포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔패턴을 지정하는 단계에서, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에는 상기 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터 무작위로 하나의 빔패턴이 지정되는 랜덤 지터 빔포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔패턴을 지정하는 단계에서, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에는 소정의 규칙에 따라 상기 빔패턴이 지정되는 랜덤 지터 빔포밍 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 방향은 타겟 디바이스의 방향인 랜덤 지터 빔포밍 방법.
  5. 일련의 전송 바이너리 시퀀스를 분할하여 복수의 비트 그룹을 생성하는 비트 그룹 생성부;
    타겟 방향에 대해서 동일한 이득을 가지지만 상기 타겟 방향과 다른 방향에 대해서는 상이한 이득을 갖는 2 이상의 빔패턴의 집합을 제어하는 빔 제어부;
    복수의 상기 비트 그룹 각각에, 상기 2 이상의 빔패턴 중에서 선택하여 대응되는 빔패턴을 지정하는 빔포밍부:
    상기 대응되는 빔패턴이 지정된 상기 비트 그룹 각각을 아날로그 신호로 변환하는 D-A변환부; 및
    상기 아날로그 신호를 전송하는 송신부;를 포함하는 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빔패턴 지정부는, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에 상기 2 이상의 빔패턴들의 집합으로부터 무작위로 하나의 빔패턴을 지정하는 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 빔패턴 지정부는, 복수의 상기 비트 그룹의 각각에 소정의 순서에 따 라 상기 빔패턴을 지정하는 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 송신기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항 내지 제4항 중에서 어느 하나의 청구항에 따른 랜덤 지터 빔포밍 방법을 이용하여 전송되거나 또는 제5항 내지 제7항 중에서 어느 하나의 청구항에 따른 송신기로부터 랜덤 지터 빔포밍을 이용하여 전송되는 바이너리 시퀀스 벡터 및 수신 신호 벡터를 이용하여 교차연관계수를 계산하는 교차연관계수 계산부;를 포함하는 수신기.
  11. 제10항에서,
    상기 교차연관계수 계산부는, 상기 교차연관계수가 기지정된 임계값보다 큰 경우에 수신한 바이너리 시퀀스에 대하여 자신이 타겟 디바이스인 것으로 판단하는 랜덤 지터 빔포밍을 이용한 수신기.
  12. 삭제
  13. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021528650A (ja) * 2018-06-22 2021-10-21 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 方法、測定環境および被試験装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090323773A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Interdigital Patent Holdings, Inc. Method and apparatus for signaling precoding vectors

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090043174A (ko) * 2007-10-29 2009-05-06 엘지전자 주식회사 프리코딩을 이용한 송신 데이터 생성 방법, 생성된 송신데이터 전송 방법, 생성된 송신 데이터 수신 방법 및 그전송 장치
US8200286B2 (en) * 2008-10-31 2012-06-12 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Base station and method for improving coverage in a wireless communication system using antenna beam-jitter and CQI correction

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090323773A1 (en) * 2008-06-30 2009-12-31 Interdigital Patent Holdings, Inc. Method and apparatus for signaling precoding vectors

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