KR101801378B1 - 밀리미터파 기반 안테나 구조 및 이의 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 구조는 빔포밍 안테나의 특성, 성능, 기지국 커버리지, 높이를 고려하여 스폿 빔의 스폿 빔 센터에서 바닥면 투영기준으로 제1 직경의 유효 빔 영역과 제2 직경의 비중첩 빔 영역을 가지도록 배치되고, 상기 제2 직경이 상기 제1 직경보다 지정된 크기만큼 작도록 배치되는 적어도 하나의 상기 빔포밍 안테나를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티미터파를 기반으로 하는 개선된 통신 기능을 제공할 수 있다.

Description

밀리미터파 기반 안테나 구조 및 이의 운용 방법{Antenna structure based on mmWave and Operation Method thereof}

본 발명은 밀리미터파를 이용한 셀룰러 이동통신 시스템 설계 및 운용에 관련된 기술에 관한 것이다.

이동통신시스템에서 모바일 트래픽 폭증에 대비하기 위한 방법으로 현재 크게 세 가지가 제안되고 있다. 첫 번째 방법은 주파수의 스펙트럼 효율을 높이는 방법이고, 두 번째 방법은 사용 주파수를 더 늘리는 방법이며, 세 번째 방법은 스몰 셀을 조밀화시키는 방법이다. 두 번째 방법의 경우 기존 셀룰러 주파수로 사용될 주파수인 B6(Below 6GHz)가 부족하기 때문에 이동통신으로 사용하고 있지 않은 고주파수대역(A6: Above 6GHz 특히, mmWave로 정의된 대역)을 이동통신시스템에 사용하기 위한 새로운 기술 개발이 필요한 상황이다. 그러나 아래에서 기술한 다섯 가지 관점에서 밀리미터파를 이용한 셀룰러 시스템의 설계 및 구현은 매우 도전적이라고 할 수 있다.

첫째, “도달거리와 직진통신” 관점에서, 고주파수일수록 주파수의 제곱에 비례하여 경로손실이 증가하여, 결과적으로 도달거리가 짧고 직진성이 강해 LOS에서만 통신이 된다는 문제가 있다.

둘째, “쇄도윙” 관점에서, 밀리미터파는 쇄도윙에 민감하여 장애물(예: 벽돌)을 한 번 맞으면 매우 큰 신호감쇄가 발생할 수 있고, 습도 및 비에 의한 페이드가 발생하기도 한다.

셋째, “급속한 채널 변동 및 수시 접속 단절” 관점에서, 단말 이동 시 고주파일수록 channel coherence time이 작아지는데(예를 들어, 단말 이동 시 도플러 스프레드가 상대적으로 커지고 셀룰러에 비해 채널이 usec 단위로 변화가 발생) 장애물이 생기는 경우 경로 손실이 급격한 스윙을 보일 수 있다. 결과적으로 이러한 현상은 시스템 관점에서 볼 때 접속이 갑작스럽게 중단되는 일이 많아지게 되고 통신 환경이 갑작스럽게 중단되는 상황에 빨리 적응하여야 하는 문제가 있다.

넷째, “다중 사용자 조정” 관점에서, 기존 밀리미터파는 액세스가 아닌 백홀에 사용되어 p-to-p 전송으로 제한된 수의 사용자 혹은 다중 동시 전송을 제한하는 MAC 프로토콜에 의해 제어된다. 이와는 달리 밀리미터파가 액세스 링크로 사용되려면 서로 간섭을 주는 여러 개의 링크상에서의 동시 전송을 고려하는 새로운 메커니즘이 필요하다.

다섯째, 프로세싱 전력 소모측면에서, 안테나의 A/D 변환에서의 전력 소모를 고려해야 하는데 얼마나 저전력 저비용의 소자를 만들어 낼 수 있느냐 하는 것이 상용화에서 중요한 부분일 수 있다.

상술한 관점들 중 “도달 거리 및 직진 통신” 그리고 “쇄도윙” 측면에서 고주파일수록 경로 손실이 증대되지만 빔포밍 기술을 통해 안테나 이득을 키우고 RF 안테나 어셈블리 기술을 이용한 빔 스티어링을 통하여 직진통신이 되도록 유도하면 실제 기존 셀룰러 시스템에서 사용되는 주파수의 자유공간 손실에 근접하게 하게 할 수 있다. 이 경우, 도심환경에서 매질에 의한 반사에 의해서 쇄도윙이 사라지는 효과를 거둘 수 있다는 긍정적인 결과(밀리미터파를 액세스 망에 사용할 수도 있다)가 제시되기도 하지만, 여전히 밀리미터파를 액세스 링크에 사용하기 위해서는 많은 장애 요인이 존재하는 것이 현실이다. 이와 관련하여, 한국 공개특허공보 제10-2016-0081756호(2016.07.08. 공개)는 빔 포밍 기반의 무선 통신 시스템에서 RF 신호를 다중화함으로써 빔을 제어하는 안테나 다중화 방법을 제안하고 있다. 그러나, 이동통신시스템에서 모바일 트래픽 폭증에 대비하기 위한 밀리미터파 기반의 안테나 구조가 가지는 상기의 문제를 해결하기는 어려운 문제가 있다.

본 발명은 밀리미터파를 이용하는 셀룰러 이동통신 시스템에서 기지국 전체 안테나 구조 및 단말 안테나 구조 설계에 대한 내용을 제공하고 이들 간에 간단한 시스템 운용 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 구조는 빔포밍 안테나의 특성, 성능, 기지국 커버리지, 높이를 고려하여 스폿 빔의 스폿 빔 센터에서 바닥면 투영기준으로 제1 직경의 유효 빔 영역과 제2 직경의 비중첩 빔 영역을 가지도록 배치되고, 상기 제2 직경이 상기 제1 직경보다 지정된 크기만큼 작도록 배치되는 적어도 하나의 빔포밍 안테나를 포함할 수 있다.

상기 비중첩 빔 영역은 상기 제2 직경의 원호 센터와 기지국 안테나 정중앙과 일치되는 원호 형태의 투영 빔 센터 서클 및 상기 비중첩 빔 영역의 직경의 반에 해당하는 폭을 가지는 투영 빔 센터 서클을 포함할 수 있다.

상기 복수개의 빔포밍 안테나에 의한 제1 직경의 평균 유효 투영 빔 영역 및 상기 복수개의 빔포밍 안테나에 의한 제2 직경의 평균 비중첩 투영 빔 영역이 형성되도록 배치될 수 있다.

상기 빔포밍 안테나들은 기지국 페이지 기준 빔 센터 지향 각도 및 기지국 페이즈 기준 빔 폭을 통해 지향하는 평균 유효 투영 빔 영역을 기계적으로 수직 또는 수평으로 틸팅하도록 설계되거나, 전자적인 위상 조절을 이용한 빔스티어링을 통하여 빔 틸팅이 가능하도록 마련될 수 있다.

상기 평균 비중첩 빔 영역이 지정된 크기 이상 보장되도록 상기 빔포밍 안테나들의 스폿 빔들의 빔 틸팅이 수행되도록 마련될 수 있다.

상기 빔포밍 안테나들은 밀리미터파 광대역을 일정 단위 주파수로 나누어 정의한 복수개의 빔 컴포넌트 캐리어를 복수개의 그룹으로 분리하고 빔이 중첩되게 배치될 수 있다.

복수개의 그룹으로 분할된 빔포밍 안테나들 중 한 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들은 대략적인 투영된 유효 빔 영역만을 고려하여 배치되고 투영된 유효 빔 영역이 담당하지 못하는 영역들을 주파수의 다른 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들이 인터리빙 형태로 중첩 배치될 수 있다.

상기 빔포밍 안테나는 패치 어레이 안테나 또는 혼 안테나 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 빔포밍 안테나들은 그룹핑된 섹터빔 구조를 기반으로 매크로 셀 기능을 지원하고, 스폿 빔 구조를 기반으로 스몰 셀 역할을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단말 안테나 구조는 복수개의 단말 페이즈로 그룹핑되는 복수개의 패치 어레이 안테나를 포함하고, 상기 패치 어레이 안테나들은 상단, 중단, 하단에 각각 복수개가 배치될 수 있다.

상기 패치 어레이 안테나들은 단말의 실제 바디 표면을 따라 바디 표면의 둘레를 둘러 배치될 수 있다.

상기 단말 안테나 구조는 상기 상단의 상부면 및 상기 하단의 하부면에 각각 배치되는 패치 어레이 안테나들을 더 포함할 수 있다.

상기 패치 어레이 안테나들은 상기 상단, 중단, 하단 각각에 동일한 개수의 패치 어레이 안테나들이 복수의 방향에 대하여 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 단말 운용 방법은 상단과 중단 및 하단에 각각 복수개의 패치 어레이 안테나들이 배치된 단말 운용 방법에 있어서, 상기 패치 어레이 안테나들 각각에 해당하는 복수개의 단말 페이지 포트로부터 셀 기준 신호를 측정하여 지정된 크기 이상의 신호 세기를 가지는 포트를 기억하는 동작, 하드웨어적 성능에 따라 소프트 컴바이닝 가능한 포트 수와 신호 수준에 해당하는 수신 포트들을 고려하여 지정된 신호 수준에 해당하는 수신 포트들의 평균값들을 계산하거나 소프트 컴바이닝한 신호 수신 값들 가장 양호한 값을 계산하는 동작, 상기 계산 결과에 대응하여 링크 포트를 결정하는 동작를 포함할 수 있다.

상기 방법은 포트별 셀 기준 신호 측정을 통하여 업링크 포트를 결정하는 동작 및 컴바이닝 및 평균 셀 기준 신호 측정값을 이용하여 셀로 정의된 빔 그룹간 이동을 수행하는 동작 중 적어도 하나를 포함하는 빔 트래킹 동작을 더 포함할 수 있다.

상기 업링크 포트를 결정하는 동작은 셀간 핸드오버를 수행하기 위한 계산된 셀 기준 신호 수신 측정값을 획득하는 동작, 포트별 셀 기준 신호 수신 측정값이 가장 큰 포트를 업링크 전송을 위한 포트로 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 빔 트래킹 동작은 동일한 빔 영역에서 빔 트래킹을 수행하는 동작, 동일한 기지국에 인접한 두 빔 포밍 안테나가 형성하는 빔 경계에서의 빔 트래킹을 수행하는 동작, 두 개의 기지국 각각의 빔들의 경계지역에서 빔트래킹을 수행하는 동작 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 빔 경계에서의 빔 트래킹을 수행하는 동작은 상기 셀 기준 신호 측정값이 큰 순서대로 몇 개의 포트를 선택하는 동작, 선택된 포트에서 각 포트별로 다시 수락 가능한 신호 수준으로 들어오는 여러 개의 빔 기준 신호 측정값들을 찾고 가장 큰 빔 기준 신호 측정값이 들어오는 포트를 업링크 포트로 선택하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 경계 지역에서 빔 트래킹을 수행하는 동작은 상기 셀 기준신호 측정값을 통해 다수의 포트를 결정하고 다시 그 포트에서 빔 신호 기준 신호 측정을 통하여 최적의 포트를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 결정하는 동작은 결정된 셀의 유효 포트별 동일한 셀을 갖는 기 측정된 다수의 빔 기준 신호 측정에 의하여 최적의 업링크 빔 포트를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

상기 단말 운용 방법은 아이들 빔 트래킹과 관련하여 빔별 이웃 빔 정보 및 셀별 빔 기준 신호 정보를 포함하는 기지국 시스템 정보를 수신하는 동작을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면 기지국의 안테나 구조 설계, 단말의 안테나 설계 및 동작을 통하여 기지국의 빔 및 셀 플래닝과 이러한 상태에서의 단말 기능 동작을 정의함으로써 밀리미터파를 셀룰러 시스템과 같이 액세스 링크로 활용할 수 있도록 지원한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 어레이 RF 어셈블리를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 RF 안테나 어셈블리의 배열에 따른 빔패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 다수의 빔포밍 안테나를 이용한 기지국 안테나 구성 방법을 나타낸 도면이다.
도 4의 본 발명의 실시 예에 따른 각 BPH별 투영 빔 센터 서클을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나 기반의 기지국 커버리지를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국 전체 안테나 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시 예에 따른 분할된 유효 투영 빔 영역을 이용한 빔 플래닝의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 기계적 틸팅을 고려한 예를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 복수개의 섹터 빔 형성 빔포밍 안테나의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 섹터빔의 센터가 투영되는 기준 빔 센터 서클을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 단말 안테나 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 빔별 절대 시작 포인트 및 반복 주기를 설명하는 도면이다.
도 13은 빔1에서 빔 8이 t1이라는 동일한 절대 시작 시간에 서로 다른 빔 포지션을 갖고 있고 동일한 2 Time Unit이라는 반복 주기를 갖는 경우에서의 빔별 기준 신호 자원 엘리먼트의 위치를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 포트별 셀 기준 신호를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 빔 트래킹 유형을 나타낸 도면이다.
도 16는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 빔 트래킹 유형을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 제3 빔 트래킹 유형을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 운용 방법을 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 한 예를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 설명하는 본 발명은 하나의 기지국에서 핫 스폿 빔의 특정 FA 모두를 하나의 통신 채널로 취급하여 안정적인 커버리지 계층의 매크로 셀 효과를 낼 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명은 기지국 스위치 빔포밍 및 단말 스위치 빔포밍의 핫 스폿 환경에서의 시스템 운용에 대하여 개시한다. 특히, 본 발명은 하나의 기지국내에서 동일 TTI에 동일 제어 및 동일 데이터를 전송 수신하는 구성과, 기지국에서 SISO, 스위치드 빔포밍의 기술을 적용하고, 단말에서 스위치드 빔 트래킹을 통한 최적 빔 선택을 수행한다. 이 동작에서 기지국은 다중 빔 준비를 수행하며, 단말은 기지국 판단 조건에 의한 최적 빔 선택을 수행할 수 있다. 상술한 동작을 통하여 본 발명은 안정적인 핫 스폿 특정 FA의 수신이득을 향상시키고 다른 핫 스폿 FA들을 스몰 셀 처럼 사용하는 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 어레이 RF 어셈블리를 설명하는 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 어레이 RF 어셈블리를 포함하는 통신 모듈은 서브케리어 매핑 모듈, M-point IDFT 모듈, Add CP/PS 모듈, DAC 모듈, Phase Shifter 모듈, 어레이 RF 어셈블리를 포함할 수 있다. 본 발명에 적용되는 어레이 RF 어셈블리는 OFDM과 배열 안테나의 특징이 결합된 것으로 하나의 엘리멘트가 하나의 빔을 만들 수도 있고, 또는 여러 엘리멘트들을 특정한 룰에 의해 모듈형태로 배치한 어레이 안테나 모듈(Array Antenna Module, 이하 AAM)일 수 있다. 이러한 어레이 RF 어셈블리는 배치 형태에 따라 더욱 샤프하게 빔을 만들 수 있다. 도시된 도면에서는 8x8의 어레이 안테나 모듈(AAM)을 예시하고 있으며 N X N의 AAM이 될 수도 있다. 이러한 AAM이 하나 혹은 그 이상이 모여 어레이 RF 어셈블리를 형성하여 하나의 빔을 형성할 수 있다. 상술한 도 1의 RF 안테나 어셈블리는 다양한 배열에 따라 Broadside, End-fire, Chevyshev와 같은 다양한 빔패턴 생성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 RF 안테나 어셈블리의 배열에 따른 빔패턴을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, RF 안테나 어셈블리의 배열을 조정함으로써, Broadside, End-fire, Chevyshev와 같은 다양한 빔패턴이 생성될 수 있다. 다양한 예시로서, 통신 모듈은 RF 안테나 어셈블리의 각 엘리멘트의 위상 조절 제어를 통해서 동일한 빔패턴에 대하여 빔의 방향을 기계적 방법이 아닌 전자적 방법에 의해 빠르게 변경(빔스티어링)시킬 수도 있다.

도 3은 다수의 빔포밍 안테나를 이용한 기지국 안테나 구성 방법을 나타낸 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 하나의 원호 중심에 기지국 안테나를 배치 하는 경우, 패치 어레이 안테나 형태의 빔포밍 안테나를 사용하든지 아니면 혼 형태의 빔포밍 안테나를 사용하든지 관계없이 빔포밍 안테나의 특성 및 성능 그리고 기지국 커버리지(예. 400m), 높이(H 50m)를 고려하여 스폿 빔의 spot beam center에서 바닥면 투영기준으로 직경(예. 80m)의 유효 빔 영역과 직경(예. 50m)의 비중첩 빔 영역을 정의할 수 있다.

빔포밍 안테나의 바닥 투영면 기준 유효 빔 영역과 비중첩 빔 영역을 빔포밍 안테나의 특성과 성능 그리고 기지국 커버리지, 높이(H)를 고려하여 정할 경우, 비중첩 빔 영역은 일정 직경(D: 예. 50m)의 원호 센터와 기지국 안테나 정중앙과 일치되는 원호 점선(BPH1(Base Station Phase 1)으로 도면상에서는 지칭, BPH1에 장착되는 빔포밍 안테나가 기본적으로 지향하는 빔 센터 서클(projected baseline beam center circle: 투영 빔 센터 서클) 그리고 비중첩 빔 영역의 직경의 반에 해당하는 폭(예. Dx1/2=25m)을 갖는 투영 빔 센터 서클을 그릴 수 있다. 도면에 도시된 BPH2, BPH3, BPH4, BPH5, BPH6, BPH7에 장착되는 빔포밍 안테나들의 스폿 빔 센터는 장착되는 각 BPH에 의해 투영되는 투영 빔 센터 서클을 갖게 된다. 여기에서 각 빔 센터 서클간 폭은 단순히 기지국 커버리지의 일정 직경(예. D=400m) 및 BPH의 개수(예. 7개), 일정 폭(예. 400/(7*2)=28.57)을 고려하여 비중첩 빔 영역을 정의할 수도 있다.

도 4의 본 발명의 실시 예에 따른 각 BPH별 투영 빔 센터 서클을 설명하는 도면이다.

BRH는 다중 스폿 빔들을 형성할 수 있는 다수의 빔포밍 안테나를 장착된 적층형 고리형 단을 의미할 수 있다. 상술한 BPH 다수 개가 적층하는 형태로 기지국 커버리지 전체를 다수의 스폿 빔으로 구성시킬 수 있다.

도 4에서 설명하는 각 BPH는 도 3의 BPH별 투영 빔 센터 서클을 가질 수 있다. 이 경우 해당 BPH에 기본 장착된 스폿 빔 형성 빔포밍 안테나들에 의해 형성되는 빔의 센터가 동일한 빔 센터 서클에 위치하는 것을 의미할 수 있다. 이를 위하여, 각 BPH별로 h, i, j, k, l, m, n의 BPH baseline beam center pointing angle(BPH 기준 빔 센터 지향 각도)을 가지게 되며 기본적으로는 h<i<j<k<l<m<n의 특성을 갖게 된다. 또한 BPH에 상관 없이 평균 유효 투영 빔 영역(예: D=80m) 그리고 평균 비중첩 투영 빔 영역(예: D=50m)를 갖도록 하기 위해서 BPH별 a, b, c, d, e, f, g과 같은 BPH baseline beam width(BPH 기준 빔폭)을 가지게 되며 기본적으로는 a>b>c>d>e>f>g의 특성을 갖게 된다. 이러한 BPH 기준빔 센터 지향 각도 및 BPH 기준 빔 폭은 BPH별 장착되는 빔포밍 안테나의 특성과 성능을 고려하게 되며 결국 BPH별 BPHx-ID(Inner Diameter), BPHx-OD(Outer Diameter), BPHx-H(Height), IaBPSs(BPH사이의 간격: Interval among BPHs)을 설계하여 BPH를 적층하게 한다. 즉, BPH별로 장착되는 빔포밍 안테나는 동일한 BPH인 경우 BPH 기준 빔센터 지향 각도와 BPH 기준 빔 폭을 갖도록 되므로 동일한 성능과 동일한 특성의 빔포밍 안테나이다.

이러한 설계를 통하여 기지국의 스폿 빔은 BPH에 상관없이 기본적으로 동일한 평균 유효 투영 빔 면적을 갖게 될 수 있다. 또한, BPH별로 장착된 안테나에서 방사되는 End-fire 형태의 스폿빔의 투영된 빔 센터는 각 BPH의 투영 기준 빔 센터 서클에 위치하게 된다. 그리고 각 BPH에 장착가능한 빔포밍 안테나의 수 제한될 수가 있다. 예컨대 BPH7(25)는 360도를 기준으로 360/25에 해당하는 각도로 배치 되어 총 25개의 빔포밍 안테나가 장착 가능할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

도 3과 도 4에서의 전체적인 기지국 설계에 따라서 BPH별 빔포밍 안테나들에 의해 형성되는 스폿 빔에 대한 투영된 빔 센터는 BPH별 투영 기준 빔 센터 서클에 놓이게 되고 평균 유효 투영 빔 영역을 갖게 된다. 그러나 이렇게 되는 경우에 있어서는 스폿 빔간 간섭이 발생할 수 있다. 도 4에 도시된 빔포밍 안테나들은 BPH 기준 빔 센터 지향 각도 및 BPH 기준 빔 폭을 통해 지향하는 평균 유효 투영 빔 영역을 기계적으로 수직, 수평으로 틸팅하도록 설계한다(패치 어레이 안테나의 경우 전자적인 위상 조절을 이용한 빔스티어링을 통하여 빔 틸팅이 가능하게 지원할 수도 있지만 기계적인 빔 틸팅을 기본으로 할 수도 있다.

이러한 빔 틸팅을 통해서 결국 각각의 스폿 빔들이 평균 비중첩 빔 영역(예: D=50m 점선)을 어느 정도 보장하도록 스폿 빔이 구성되게 설계함으로써 빔간 간섭을 물리적으로 줄일 수 있도록 기지국의 전체 안테나 구조를 설계할 수 있다. 다시 말하여, 기지국의 전체 안테나 구조는 평균 비중첩 빔 영역이 지정된 크기 이상 보장되도록 스폿 빔들의 빔 틸팅을 배치하여 빔간 간섭을 물리적으로 저감시킬 수 있다. 또한, BPHx-ID, BPHx-OD, BPHy-H, IaBPSs, BPH별 안테나 높이에 따라서 BPH별 BPH 기준빔 센터 지향 각도 및 BPH별 BPH 기준 빔 폭이 결정되는데 이러한 기지국 전체 안테나 설계 파라매터 설계에 의하여 빔포밍 안테나의 성능 및 특성을 보완할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나 기반의 기지국 커버리지를 설명하는 도면이다.

도 5처럼 기지국의 서비스 커버리지를 다수의 스폿 빔으로 구성하기 위한 기지국 안테나 설계의 예는 아래의 표 1(The design example of overall MWMSB BS Antenna)과 같다.

BPH	a*	b*	c*	d*	e*
BPH7	50.0	4.152/3.848/0.6	0.2(6-7)	09/18	g 04.00/ n 75.83
BPH6	49.2	3.749/3.451/0.6	0.2(5-6)	06/18	f 05.29/ m 73.83
BPH5	48.4	3.346/3.054/0.6	0.2(4-5)	15/15	e 07.34/ l 71.09
BPH4	47.6	2.944/2.656/0.6	0.2(3-4)	15/15	d 10.85/ k 67.14
BPH3	46.8	2.541/2.259/0.6	0.2(2-3)	06/09	c 17.43/ j 61.02
BPH2	46.0	2.139/1.861/0.6	0.2(1-2)	03/06	b 30.56/ i 50.67
BPH1	45.2	1.736/1.464/0.6	-	03/03	a 49.83/ h 31.57

여기서, a*:-AH [m], b*:-OD/-ID/-H[m], c*:IaBPHs[m], d*:Beamforming antenna number(real mounted/available mounted), e*:Baseline beam width/baseline center pointing angle [degree]

BPH7의 예를 들면, a*에서 BPH7-AH는 50m이고 b*에서 BPH7-OD는 4.152m이고 BPH7-ID는 3.848m이고 BPH7-H는 0.6m이고 BPH7과 BPH6와의 이격에 해당하는 IaBPHs(6-7)은 0.2 m이다. d*에서 BPH7에 장착 가능한 빔포밍 안테나는 18개이지만 도 5의 스팟빔으로 구성된 커버리지를 만들기 위해 BPH7에 실제 장착하는 빔포밍 안테나는 9개이며 BPH7 baseline beam witdth에 해당하는 g는 4도이고 BPH7 baseline beam center pointing angle에 해당하는 n은 75.83도이다. 빔포밍 안테나에 대한 구현 성능을 고려하여 도 3과 같은 투영되는 빔 센터 서클 및 그 빔 센터 서클사이의 간격을 설계하고 도 5와 같이 동일한 스팟 빔이 되어 촘촘히 구성되도록 표 1과 같은 설계를 진행한다.

도 5를 참조하면, 스폿 빔을 형성하는 다수의 빔포밍 안테나들을 이용하여 도시된 바와 같이 기지국 커버리지를 구성하는 경우 57개의 스몰 셀을 각 지역에 따로 따로 배치하는 것과 유사하게 기지국 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 그러나 57개의 독립적 스몰 셀들이 배치되는 경우 스몰 셀간의 셀 경계에 위치한 단말의 성능저하와 유사하게 스폿 빔간의 경계에 위치한 단말의 성능 저하가 예상될 수 있다. 또한 스폿 빔 사이의 영역에 위치한 단말의 급격하고 빈번한 핸드오버가 발생할 수 있으며, 이에 대응하여 기지국의 급격하고 빈번한 빔 스위칭이 발생할 수 있다. 따라서 도 5에서와 같은 구조는 용량 증대를 위한 다중 스폿 빔 형성이 가능한 빔포밍 안테나들을 이용한 기지국 배치 설계만을 구현하고, 빔 스위칭 혹은 빔 경계 위치로 인한 성능 저하 부분에 대한 시스템적인 운용이 요구될 수 있다. 이러한 성능 저하 부분을 물리적으로 해결하기 위한 기지국 전체 안테나 구조가 도 6에서 설명된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 기지국 전체 안테나 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 6 의 상단은 밀리미터파 광대역 1GHz를 125MHz의 단위 주파수로 나누어 빔 컴포넌트 캐리어를 정의하되, 이 광대역 전체를 하나의 빔으로 형성하는 경우에 해당할 수 있다. 이러한 환경에서, 빔의 경계에 있는 단말 혹은 핸드오버되는 단말의 경우 간섭에 의해 성능저하 및 핸드오버 실패를 유발할 수 있다. 한편, 도 6의 하단은 8개의 빔 컴포넌트 캐리어를 2개의 그룹(여기서는 2개 그룹이지만 다양하게 구분 가능)으로 분리하여 Part1을 사용하는 빔과 Part 2를 사용하는 빔을 중첩되게 배치하는 경우에 해당할 수 있다. 이러한 환경은 특정 Part의 빔 경계에서 다른 Part에 대한 좋은 신호품질이 감지되므로 간섭이 약한 쪽으로 우회할 수 있게 된다.

상기 도 6의 상단은 상술한 비중첩 투영 빔 영역을 보장하기 위하여 빔의 성능(중첩 빔 영역을 최소화하면서 커버리지 홀이 생기지 않도록 BPH별로 다양한 빔포밍 안테나들을 만드는 것)을 높여야 하는 환경에서 요구되는 빔 성능을 구현하기가 어려운 부분이 존재한다. 그러나 도 6의 하단의 사용주파수를 나누어 중첩시킴으로써 PART 1의 유효 투영 빔 영역을 지정된 크기만큼 겹치게 하거나 겹치지 않게 하더라도 다른 PART 2가 그 부분을 커버하므로 간섭이 없는 쪽으로 연결시킬 수 있는 장점이 있다.

실시 예 1

주파수 분할 중첩 빔 배치 구조를 갖는 BPH-기반 적층 기지국 안테나 구조

도 7은 본 발명의 한 실시 예에 따른 분할된 유효 투영 빔 영역을 이용한 빔 플래닝의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 6의 하단과 같은 배치의 예가 도 7과 같이 빔 플래닝을 할 수 있다 (PART 1에 소속된 빔은 서로 중첩되지 않게 하면서 PART 2에 소속된 빔도 서로 중첩되지 않게 하면서 PART 1의 커버리지 홀 부분을 PART 2가 커버하고 또 반대로 PART 2의 커버리지 홀 부분을 PART1이 커버하는 형태). 이 때 기지국의 안테나 구조는 도 4와 동일하다. 도 6의 상단 비중첩 빔 배치 구조와 달리 BPH에 장착하는 빔포밍 안테나의 위치가 달라질 수 있다. 이러한 배치는 비중첩 빔 배치 구조에서의 빔간 간섭이 없는 장점으로 경계에서의 급격한 성능 저하가 없는 장점을 갖고 있으나 단말이 피크 커패서티(용량)을 얻을 수 없는 단점이 존재할 수도 있다. 예를 들어 단말이 FA 8개를 모두 이용하는 경우 도 6의 상단은 8개의 FA 모두에서 피크 커패서티를 뽑아 낼 가능성이 있으나 도 7의 배치 즉, 도 6의 하단부는 8FA 이용 시의 FA별로 피크 용량을 얻을 수는 없다. 그러나 단말이 4FA만 사용하도록 설계되었다면 이러한 문제는 발생하지 않을 수도 있다. 하지만 도 7 및 도 6의 하단부와 같은 빔 플래닝은 도 6 상단의 빔플래닝에 비교하여 시스템 관점에서 모든 지역에서 고른 커패서티를 갖는 좀 더 공평한 시스템이 될 수 있다. 도 7은 결국 초기 기지국 안테나 설계에서 빔 포밍 안테나의 투영된 유효 빔 영역과 투영된 비중첩 빔 영역에 맞게 빔 포밍 안테나의 빔 특성과 성능을 끌어내야 하므로 실질적인 구현에 있어서 상당한 어려움이 존재할 수 있다. 그러나, 도 7과 같이 주파수를 두 구획으로 분할하고 주파수의 한 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들은 대략적인 투영된 유효 빔 영역만을 고려하여 듬성 듬성하게 배치하고 투영된 유효 빔 영역이 담당하지 못하는 영역들을 주파수의 다른 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들이 그 빈 공간을 인터리빙(기우듯이)하듯이 중첩 배치함으로써 빔포밍 안테나의 성능 및 빔패턴 특성에 대하여 상대적으로 적은 제약을 기반으로 실제 배치에 유리한 점을 제공할 수 있다.

실시 예 2

Group 빔 포밍 안테나 기반 적층 기지국 안테나 구조

도 8은 본 발명의 한 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 기계적 틸팅을 고려한 예를 설명하는 도면이다.

도 7의 중첩 빔 배치 구조가 적용된 도 4의 전체 기지국 안테나 구조에서 BPH별 빔포밍 안테나의 위치는 그대로 두고 도 8과 같이 PART 1(FA1,2,3,4)와 PART 2(FA5,6,8,9)의 빔포밍 안테나로 분리하여 기계적 틸팅을 고려할 수 도 있다. 이러한 경우는 도 4의 전체 기지국 안테나 구조를 하나도 바꾸지 않을 수 있다. 다만 BPH안의 빔포밍 장착 안테나가 등간격으로 배치되는 경우 틸팅 각도가 더 커질 수 있다.

다양한 예시로서, mmWave-based multi-sector beam cellular system에서 기지국 안테나 구조의 제2 타입으로서, 기지국의 경우 앞서 언급한 패치 어레이 안테나가 아닌 혼 안테나를 사용하여 빔 포밍 영역을 고정하여 사용할 수도 있다(후자의 경우 빔스티어링은 되지 않고 기계적인 빔 틸팅만 가능함). 이와 관련하여, 상기 언급한 적층형 안테나 구조가 아니라 단일층 안테나 구조를 만들고 동일한 안테나 특성을 갖는 안테나들을 그 단의 둘레에 배치한다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 복수개의 섹터 빔 형성 빔포밍 안테나의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, BPH는 한 개만 존재하고 빔포밍 안테나의 섹터빔 형성 패턴 및 성능에 따라 투영된 비중첩 섹터 빔 영역이 겹쳐지지 않는 영역에 기반하여 BPH에 장착할 섹터 빔 포밍 안테나의 개수가 정의될 수 있다. BPH(36)이란 10도 등 간격으로 36개의 섹터 빔 형성 빔포밍 안테나들을 배치하는 구조를 의미할 수 있다. 섹터 빔포밍 안테나의 빔 패턴과 성능에 따라 BPH-ID, BPH-OD, BPH-H가 결정된다. 그리고 섹터빔의 센터가 투영되는 기준 빔 센터 서클이 도 10과 같이 정의될 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 섹터빔의 센터가 투영되는 기준 빔 센터 서클을 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 도 9의 n(빔포밍 안테나들의 개수), a(빔포밍 안테나들의 빔 영역)값이 정해지면 도 10과 같은 각 빔포밍 안테나들의 투영 비중첩 빔 영역은 중첩되지 않도록 빔이 배치가 될 수 있다. BPH에 장착되는 섹터 빔포밍 안테나의 개수는 36개가 아니라 다양하게 장착할 수 있다. 예컨대, 섹터 빔포밍 안테나 개수는 12개 혹은 6개 등이 될 수 있다.

섹터빔 플레닝 구조도 도 6의 하단과 같이 간섭의 효과를 줄이기 위하여 도 9와 유사한 주파수 분할 중첩 섹터 빔 배치 구조도 고려할 수 있다. 이러한 경우 두가지 방법을 고려할 수 있다. BPH단을 두 개를 만들어 PART 1은 하나의 BPH1에 PART 2는 다른 하나의 BPH2에 두어 BPH1의 36개의 섹터빔 포밍 안테나를 배치하고 다른 BPH2에는 중첩 빔 구조를 만들기 위해 BPH1에 5도를 틀어 배치하게 할 수 있고 BPH가 다르더라도 동일한 투영 기준 빔 센터 서클을 갖도록 BPH 기준 빔 센터 지향 각도와 BPH 기준 빔 폭을 새로 정의할 수도 있다.

다양한 예시로서, mmWave-based multi-sector beam & multi-spot cellular system에서 기지국 안테나 구조의 제3 타입으로서, 도 4 및 도 5의 스폿 빔 구조와 도 9 및 10의 섹터빔 구조를 혼합하여 기지국의 구조를 만들 수도 있다. 예를 들어 섹터빔 구조를 통해 빔 그룹핑을 통해 셀을 만들고 각 빔에서 공동으로 할당한 해당 셀의 기준 신호(CRS)를 적절히 처리할 수 있다. 이러한 환경에서 단말은 측정 시 기존 셀 신호 측정과 유사한 통신 환경에 놓일 수 있다. 이를 위하여 섹터 빔을 그룹핑하여 셀을 만들어 매크로 셀과 같은 효과(커버리지 지원 계층)를 갖도록 하고 스폿 빔은 스몰 셀과 같은 역할을 수행할 수 있다. 이 과정에서 스폿 빔은 커패서티 지원 계층으로 분리하여 섹터 빔과 스폿 빔이 혼합된 기지국 안테나 구조를 설계할 수 있다.

다양한 예시로서, 본 발명은 mmWave-based multi-spot or sector beam cellular system에서 단말 안테나 구조를 제공할 수 있다.

단말의 경우 소형화 및 제품 표면에 안테나를 배치하기 위하여 기지국과 달리 반드시 패치 어레이 안테나 사용을 전제로 할 필요가 있다. 단말의 형상에 따라 장착할 수 있는 패치 안테나의 방향과 형상은 다를 수 있지만 단말(MS: Mobile Station)의 안테나 전체 구조와 동작을 설명하기 위하여 아래와 같은 단말 안테나 전체 구조를 고려하여 단말의 기능 동작을 기술하기로 한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 단말 안테나 구조의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 단말 안테나 구조는 세 개의 MPH(Mobile Station Phase)로 구성되어 있고 MPH옆의 괄호 안의 숫자는 패치 어레이 안테나의 수를 의미한다. 예를 들어 MPH2(8)은 MPH2에 8개의 패치 안테나가 도 11의 오른쪽과 같이 장착(MPH2-P1 ~ P8)되어 있다는 것을 의미할 수 있다. MPH1(9)은 MPH1에 8개의 패치 어레이 안테나(MPH1-P1 ~ P8)에 추가적으로 위쪽으로 한 개의 패치 어레이 안테나(MPH1-P0)가 장착되어 있음을 나타내고 있다. 따라서 단말은 총 26개의 패치 안테나 어레이를 장착하고 있다는 것을 가정하고 있으며 다른 MPH도 MPHx와 함께 포트 넘버링(-Px)를 조합함으로써 단말의 모든 패치 어레이 안테나들에 식별 번호를 부여할 수 있다. 도 11은 한 예로써 단말의 형상에 따라 장착 가능한 패치 안테나의 수를 최종 결정할 수 있다.

단말 전체 안테나 구조, patch array antenna의 수, uplink beam width(MS Uplink BeamWidth)는 앞서 기술한 멀티 빔 환경에서 기지국 구조에 의해 만들어지는 빔 및 셀 플래닝에 의한 커버리지와 그 안의 투영 빔 영역을 고려하여 관련 설계들을 변경할 수 있다. 실제 상용화 제품에서는 MS의 real body 형상을 그대로 유지하면서 그것의 body surface를 따라 patch antenna들을 장착할 수도 있다.

다양한 예시로서, mmWave-based multi-spot or sector beam cellular system에서의 시스템 운용 방법과 관련하여, 각각의 기지국 빔은 자신이 소속한 셀에 해당하는 셀 기준 신호를 갖고 있고 빔은 빔 고유의 빔 기준신호를 갖고 있을 수 있다. 셀 기준 신호 이든지 빔 고유 기준 신호이든지 이웃 빔, 이웃 셀간에서는 간섭이 발생하지 않을 수 있다. 특히 빔 기준 신호 설계는 지정된(또는 특정) 시간 단위(time unit)별로 포지션 8개별 두 개의 자원 영역 엘리먼트를 16개 정도 고려하고, 두 개의 자원 영역 엘리먼트를 그룹핑하여 8개의 포지션을 지정할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 빔별 절대 시작 포인트 및 반복 주기를 설명하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 어떤 한 빔에 대하여 빔 기준 신호가 정해졌다는 것은 절대 시작 포인트(Absolute Start Time)와 8개의 포지션 중 하나 그리고 반복 주기(Repetition period)가 정해 졌다는 것을 의미할 수 있다. 절대 시작 시간은 SFN & Subframe을 기준으로 하므로 반복되는 숫자의 조합으로 표현될 수 있다. 예를 들어 SFN은 0에서 4095로 반복되고 그 SFN의 서브프레임 0에서 9이므로 절대 시작 시간이 정해 질 수 있다.

도 13은 빔1에서 빔 8이 t1이라는 동일한 절대 시작 시간에 서로 다른 빔 포지션을 갖고 있고 동일한 2 Time Unit이라는 반복 주기를 갖는 경우에서의 빔별 기준 신호 자원 엘리먼트의 위치를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, t1에서는 동일한 절대 시작 시간에서 각 위치별로 기준신호(RS)를 설정하고 다른 위치에는 어떤 것도 할당하지 않고 있다. 그리고, t1+1 Time Unit에서는 모든 빔이 기준 신호(RS)를 설정하지 않고 모든 포지션에 어떤 것도 할당하지 않는다. 그러나 t1+ 2 Time Unit에서는 빔 별 포지션에 따라 빔 기준 신호를 각 포지션에 할당한다. 그렇다면 빔 9에서 빔 16에게 동일한 절대 시작 시간 t2를 주고 포지션을 다르게 할당하고 2 Time Unit이라는 반복주기를 할당하면 총 16개의 빔에 대하여 빔 기준신호의 간섭 없이 자원을 할당할 수 있다. 마찬가지로 절대 시작 시간 주기 및 반복 주기를 조절하면 16개 보다 더 많은 수의 빔 기준 신호를 간섭 없이 할당할 수 있다. 단, 빔 반복 주기가 길어지면 단말에서 빔 스위칭을 위한 신뢰성에 문제가 되므로 적절하게 설계되어야만 한다. 이러한 빔 기준 신호 비간섭 설계를 위하여 포지션을 8개가 아닌 다수 개로 만드는 것은 시스템 관점에서 고려되어야 한다. 너무 많은 포지션을 설계하는 것은 자원 낭비를 초래할 수 있다.

다양한 예시로서, 아이들 상태에서의 다운링크 빔 선택/재선택, 셀 선택/재선택 과정과 관련하여, 기지국의 다운링크 빔은 기본적으로 빔고유의 빔 기준 신호를 제공하며 하나의 빔 혹은 다수의 빔으로 그룹핑된 셀은 공통의 셀 기준 신호를 제공할 수 있다. 이러한 빔 기준 신호 혹은 셀 기준 신호는 상호 간섭이 없도록 배치하고 주기적으로 배치될 수 있다. 단말(MS 혹은 UE)는 network가 지시한 측정 방법 및 판단 기준에 따라 26개의 MPH port로부터 셀 기준 신호(downlink cell reference signal)을 측정하여 지정된 크기 이상의 신호 세기를 가진 MPH 포트 또는 가장 좋은 MPH port 순으로 나열할 수 있다. 단말은 지정된 크기 이상의 신호와 관련한 수신 포트들의 각 포트별 수신 측정 값을 저장하고 가장 센 하나의 포트를 기억한다. 또한, 하드웨어적 성능에 따라 소프트 컴바이닝 가능한 포트 수와 지정된 신호 수준에 해당하는 수신 포트들을 고려하여 소프트 컴바이닝한 신호 수신 값(소프트 컴바이닝 셀 기준 신호 수신 측정 값)을 갖도록 하거나 아니면 신호 수준에 해당하는 수신 포트들의 평균값(평균 셀 기준 신호 수신 측정값)들을 계산한다. 이하 소프트 컴바이닝 셀 기준 신호 수신 측정값 혹은 평균 셀 기준 신호 수신 측정값은 계산된 셀기준 신호 수신 측정값으로 설명하기로 한다.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 포트별 셀 기준 신호를 나타낸 도면이다.

도 14를 참조하면, C1 상태와 관련하여, 기지국 빔포밍 안테나는 어떤 빔포밍을 하므로 빔별 셀 기준 신호를 LOS에서 측정하는 것을 가정한다면 빔별 셀 기준 신호는 공통일 수 있다. 이 경우 포트별 셀 기준 신호(RS: Reference Signal)는 빔의 특성을 따라갈 수 있다. 그러나 계산된 셀 기준 신호 수신 측정값(평균 혹은 소프트 컴바이닝)을 사용하면 기존과 유사한 셀 기준 신호의 수신 측정 특성을 유지할 수 있다. 즉, 단말은 포트별 셀 기준 신호 측정을 통하여 업링크 포트를 결정하고 컴바이닝 및 평균 셀 기준 신호 측정값을 이용하여 셀로 정의된 빔 그룹간 이동 즉, 셀간 핸드오버를 수행한다.

계산된 셀 기준 신호 수신 측정값은 셀간 핸드오버를 수행하기 위한 값으로 사용하며 포트별 셀 기준 신호 수신 측정값이 가장 큰 포트가 업링크 전송을 위한 포트가 될 수 있다. 이러한 셀 기준 신호 수신 측정값을 계산하고 또한 전송할 업링크 포트를 정하는 과정을 빔 트래킹(Beam Tracking)이라고 정의할 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 빔 트래킹 유형을 나타내며, 도 16는 본 발명의 실시 예에 따른 제2 빔 트래킹 유형을 나타내며, 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 제3 빔 트래킹 유형을 나타낸다.

도시된 빔 트래킹 유형은 아이들 상태뿐만 아니라 접속 상태에서도 설명될 수 있다. 단 운용측면에서 아이들 상태와 접속 상태가 다를 수 있다. 각각의 빔은 자신이 소속한 셀에 해당하는 셀 기준 신호를 갖고 있고 빔은 빔 고유의 빔 기준신호를 갖고 있다. 아이들에서의 빔 트래킹은 전적으로 셀 기준 신호에 기반하여 이루어지고 부가적으로 셀 기준 신호 측정에 보완될 수 있다.

도 15를 참조하면, 동일한 빔 영역에서 빔 트래킹이 PHASE I, II, III로 나타날 수 있다. 단말(MS)은 빔포밍 안테나 1이 형성하는 빔 1 영역에 존재하고 포트별 셀 기준 신호 측정값에 의하여 셀 기준 신호 측정값이 가장 큰 포트인 MPH1-P0를 PHASE I에서 인식할 수 있다(아이들 상태에서는 도면처럼 업링크로 빔을 쏘지는 않는다).

도 16을 참조하면, 동일한 기지국에 인접한 두 빔포밍 안테나가 형성하는 빔 경계에서의 빔 트래킹이 PHASE I, II, III로 나타날 수 있다. 도 15에서 설명한 바와 같이 단말(MS)은 모든 포트로부터 셀 기준 신호 측정을 수행한다. 그러나 도 16과 같은 경우는 두 개의 빔이 동일한 셀 기준 신호(Cell RS1)을 갖기 때문에 정말 정확한 업링크 포트 결정이 힘들 수 있다. 따라서 셀 기준 신호 측정값이 큰 순서대로 몇 개의 포트를 선택하고 그 포트에서 각 포트별로 다시 수락 가능한 신호 수준으로 들어오는 여러 개의 빔 기준 신호 측정값들을 찾고 가장 큰 빔 기준 신호 측정값이 들어오는 포트를 업링크 포트로 선택하여야만 한다. PHASE II에서 단말(MS)이 회전 이동함으로써 MPH1-P0는 더 이상 업링크 가능한 최적의 포트가 아니고 다시 2동작의 측정 과정(셀 기준 신호 기반 측정, 빔 기준 신호 기반 측정)을 통해 MPH1-P7이 가장 적절한 업링크 포트임을 찾는다.

도 17을 참조하면, 두 개의 기지국(BS X, BS Y)의 각각의 빔 Beam 1, 빔 Beam 2의 경계지역에서의 빔트래킹이 PHASE I, II, II로 나타날 수 있다. 도 16에서 설명한 바와 같이 단말은 셀 기준신호 측정값을 통해 다수의 포트를 결정하고 다시 그 포트에서 빔 신호 기준 신호 측정을 통하여 최적의 포트를 찾게 된다. 그러나, 현재 PHASE I에서 셀 경계 지역이므로 이러한 2동작 측정 과정 전에 앞서 언급한 계산된 셀 기준 신호 측정이 이루어져야만 한다. 단말은 모든 포트로부터 수신 가능한 다수의 셀 기준 신호 수신 측정을 수행한다. 이 경우는 Cell RS1과 Cell RS2가 측정되는데 계산된 셀 기준 신호 측정방법에 의하여 측정하면 Cell RS1이 큰지 아니면 Cell RS2가 큰지를 비교할 수 있다. 단말은 신호의 세기가 큰 쪽을 내가 캠핑하는 셀로 지정할 수 있다. 다시 말하면 각 포트에서 Cell RS1과 Cell RS2가 측정되면, 단말은 각 포트에서 Cell RS1의 측정값이 유효 수준인 것을 컴바인하거나 혹은 평균값으로 계산된 Cell RS1 기반 셀 기준 신호 측정값을 얻을 수 있다. 이와 유사하게 단말은 각 포트에서 Cell RS2의 측정값이 유효 수준인 것을 컴바인 하거나 혹은 평균값을 내어 계산된 Cell RS2 기반 셀 기준 신호 측정값을 얻는다. 단말은 Cell RS1 및Cell RS2 기반 셀 기준 신호 측정값들 사이의 비교를 통해 거주할 셀을 결정한다.

만약 Cell RS1을 결정하였다면 단말은 유효 포트에서 수신된 공통 Cell RS1을 갖는 다수의 빔 기준 신호에 대한 측정값을 얻어 최적의 업링크 포트를 선택한다. PHASE I에서 단말은 상술한 과정을 통하여 MPH1-P0를 결정할 수 있다. 그러나 PHASE II에서 단말 에 대한 회전 및 이동이 이루어졌다면 앞서 말한 과정이 계속 반복되면서 최적의 업링크 포트를 결정한다. PHASE III에서 단말은 MPH3-P0를 결정할 수 있다.

상술한 도 15 내지 도 17의 운용 과정을 종합하면 첫번째 각 포트별 다수의 셀 기준 신호에 대한 측정값과 동시에 다수의 빈 기준 신호 측정이 병렬적으로(패러렐하게) 이루어지게 된다. 포트별 셀 기준 신호 측정값에 대한 셀별 계산된 셀 기준 신호 측정값에 의해 캠핑할 셀이 결정될 수 있다. 단말은 결정된 셀의 유효 포트별 동일한 셀을 갖는 기 측정된 다수의 빔 기준 신호 측정에 의하여 최적의 업링크 빔 포트를 결정할 수 있다. 아이들 상태에서의 빔/셀 선택/재선택과정 모두 단말 의 주도에 의해 결정된다. 이러한 아이들 빔 트래킹을 지원하기 위하여 기지국이 시스템 정보를 통하여 어느 한 빔별로 이웃 빔 정보를 제공하고 셀별로 빔 기준 신호 정보를 제공한다면 단말의 아이들에서의 빔 트래킹 과정을 간소화 시킬 수도 있다. 왜냐하면 셀 별 빔 기준 신호가 정의되어 있고 기지국이 다른 인접 빔사이에서는 빔 기준 신호가 다르도록 플레닝을 하고 어떤 빔을 기준으로 이웃정보가 제공된다면 단말은 어떤 셀 경계에 있을 경우 대략적으로 측정할 빔 기준신호를 예측할 수 있어서 측정 복잡성이나 시간을 줄일 수 있다. 그리고 어떤 빔 기준 신호가 들어온다면 단말은 그 이웃 빔 기준 신호를 알기 때문에 블라인드하게 모든 빔을 측정하지 않아도 되므로 이러한 시스템 정보 제공이 빔 트래킹의 시간이나 노력을 감소시킬 수 있다.

다양한 예시로서, 접속된 상태에서의 다운링크 빔 선택/재선택, 셀 선택/재선택 과정과 관련하여, 앞서 언급한 아이들 상태에서의 다운링크 빔 선택/재선택, 셀 선택/재선택 과정은 IDLE Mobility라 할 수 있다. 이러한 이동성은 전적으로 단말(UE 또는 MS)에 의해 결정된다. 그러나 아이들 상태에 있는 UE가 어떤 서비스를 받기 위해서 트리거를 했다면 도 18에서와 같이 운용될 수 있다.

도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 운용 방법을 나타낸 도면이다.

IDLE Mobility에 의해서 포트별 CRS(셀 기준 신호)/BSIRS(Beam Specific Information 기준 신호, 예: 상기 빔 기준 신호) 기반한 베스트 셀, 베스트 포트를 결정하는 빔 트래킹을 수행하는 과정에서 MIB, SIB 정보를 통하여 빔 트래킹 시간을 절감시킬 수 있다.

도 18을 참조하면, 단말(UE)이 서비스를 요청하면 IDLE에서의 빔트래킹을 통해 지정한 업링크 포트로 M1(RACH Preamble)을 시도한다. 이를 받은 네트워크(NW)는 M2(Random Access Response-L2 Message)를 단말(UE)에 전송하고, 이를 받은 단말(UE)은 M3(RRCConnectionRequest-L3)를 네트워크(NW)에 전송한다. 네트워크(NW)는 다시 M4(RRCConnectionSetup)를 단말(UE)에 전송하고, 이를 수신한 단말(UE)은 Conenction이 완결됨음을 알리는 M5메시지(RRCConnectionSetupComplete)를 네트워크(NW)에 전송한다. 이 절차를 통해 단말(UE)과 네트워크(NW) 간에 무선 접속이 공식적으로 설정되고, 네트워크(NW)는 M4 메시지 내부에 단말(UE) Specific한 측정 방법 및 기준을 제공 수 있다.

IDLE Mobility의 SIB 정보로는 셀 기반 정보를 제공하여 빔 트래킹 시간을 줄여 주었다면 네트워크(NW)가 제공한 M4 혹은 그 이후의 RRCConnectionReconfiguration 메시지를 기반으로 해당 단말(UE)에게 필요한 CRS 혹은/그리고 필요한 BSI-RS 정보를 제공하여 단말(UE)이 이 정보에 기반하여서만 빔트래킹을 수행할 수 있도록 지원한다.

그러나 IDLE Mobility에서는 빔 스위칭, 셀 변경이 네트워크(NW)가 준 시스템 정보에 기반하여 단말(UE) 독자적으로 이루어졌다면 Connected Mobility에서는 네트워크(NW)가 정한 빔내에서 단말(UE)의 빔트래킹은 가능하지만 빔 스위칭 및 셀 변경은 전적으로 네트워크(NW)가 맡게 된다. 빔 스위칭의 경우는 측정 요청한 다수의 빔에 대한 BSI-RS 측정 피드백을 통하여 네트워크(NW) MAC에서 DCI 정보를 통해 빔 스위칭이 이루어지고 CRS에 대한 측정 보고(MR-Measurement Report-L3 메시지)를 통하여 L3 주도의 셀 변경이 이루어지게 된다.

도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 한 예를 나타낸 도면이다.

도 19를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 버스(1200)를 통해 연결되는 적어도 하나의 프로세서(1100), 메모리(1300), 사용자 인터페이스 입력 장치(1400), 사용자 인터페이스 출력 장치(1500), 스토리지(1600), 및 네트워크 인터페이스(1700)를 포함할 수 있다.

프로세서(1100)는 중앙 처리 장치(CPU) 또는 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600)에 저장된 명령어들에 대한 처리를 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1300) 및 스토리지(1600)는 다양한 종류의 휘발성 또는 불휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(1300)는 ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다.

따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 동작은 프로세서(1100)에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈, 또는 그 2 개의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM과 같은 저장 매체(즉, 메모리(1300) 및/또는 스토리지(1600))에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서(1100)에 커플링되며, 그 프로세서(1100)는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서(1100)와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 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 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

1. 빔포밍 안테나의 특성, 성능, 기지국 커버리지, 높이를 고려하여 스폿 빔의 스폿 빔 센터에서 바닥면 투영기준으로 상기 스폿 빔이 유효한 영역을 의미하는 제1 직경의 유효 빔 영역과 상기 제1 직경의 유효 빔 영역 내에서 상기 스폿 빔과 서로 다른 스폿 빔의 유효 빔 영역과 중첩되지 않는 제2 직경의 비중첩 빔 영역을 가지도록 배치되고,
   상기 제2 직경이 상기 제1 직경보다 지정된 크기만큼 작도록 배치되는 적어도 하나의 상기 빔포밍 안테나를 포함하되,
   상기 빔포밍 안테나가 복수개인 경우, 상기 복수개의 빔포밍 안테나들은 상기 복수개의 빔포밍 안테나에 의한 제1 직경의 평균 유효 투영 빔 영역 및 상기 복수개의 빔포밍 안테나에 의한 제2 직경의 평균 비중첩 투영 빔 영역이 형성되도록 배치되는 기지국 안테나 구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 비중첩 빔 영역은
   상기 제2 직경의 원호 센터와 기지국 안테나 정중앙과 일치되는 원호 형태의 투영 빔 센터 서클 및 상기 비중첩 빔 영역의 직경의 반에 해당하는 폭을 가지는 투영 빔 센터 서클을 포함하는 기지국 안테나 구조.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 빔포밍 안테나들은
   기지국 페이지 기준 빔 센터 지향 각도 및 기지국 페이즈 기준 빔 폭을 통해 지향하는 평균 유효 투영 빔 영역을 기계적으로 수직 또는 수평으로 틸팅하도록 설계되거나, 전자적인 위상 조절을 이용한 빔스티어링을 통하여 빔 틸팅이 가능하도록 설계되는 기지국 안테나 구조.
5. 제1항에 있어서,
   평균 비중첩 빔 영역이 지정된 크기 이상 보장되도록 상기 빔포밍 안테나들의 스폿 빔들의 빔 틸팅이 수행되는 기지국 안테나 구조.
6. 제1항에 있어서,
   상기 빔포밍 안테나들은
   밀리미터파 광대역을 일정 단위 주파수로 나누어 정의한 복수개의 빔 컴포넌트 캐리어를 복수개의 그룹으로 분리하고 빔이 중첩되게 배치되는 기지국 안테나 구조.
7. 제1항에 있어서,
   복수개의 그룹으로 분할된 빔포밍 안테나들 중 한 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들은 투영된 유효 빔 영역만을 우선적으로 고려하여 배치되고 투영된 유효 빔 영역이 담당하지 못하는 영역들을 주파수의 다른 구획을 담당하는 빔포밍 안테나들이 인터리빙 형태로 중첩 배치되는 기지국 안테나 구조.
8. 제1항에 있어서,
   상기 빔포밍 안테나는
   패치 어레이 안테나 또는 혼 안테나 중 적어도 하나를 포함하는 기지국 안테나 구조.
9. 제1항에 있어서,
   상기 빔포밍 안테나들은
   그룹핑된 섹터빔 구조를 기반으로 매크로 셀 기능을 지원하고, 스폿 빔 구조를 기반으로 스몰 셀 역할을 수행하는 기지국 안테나 구조.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 상단과 중단 및 하단에 각각 복수개의 패치 어레이 안테나들이 배치된 단말 운용 방법에 있어서,
    상기 패치 어레이 안테나들 각각에 해당하는 복수개의 단말 페이지 포트를 통해 수신되는 셀 기준 신호의 신호 세기를 측정하여 지정된 크기 이상의 신호 세기를 가지는 포트를 기억하는 동작;
    하드웨어적 성능에 따라 소프트 컴바이닝 가능한 포트 수와 미리 설정된 신호 수준에 해당하는 수신 포트들을 고려하여 지정된 신호 수준에 해당하는 수신 포트들을 통해 수신된 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 평균값들을 계산하거나 소프트 컴바이닝한 신호 수신 값들 중 가장 양호한 값을 계산하는 동작;
    상기 계산의 결과에 대응하여 링크 포트를 결정하는 동작; 및
    포트별 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정을 통하여 업링크 포트를 결정하는 동작 및 컴바이닝과 평균 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정 값을 이용하여 셀로 정의된 빔 그룹간 이동을 수행하는 동작 중 적어도 하나를 포함하는 빔 트래킹 동작을 포함하는 단말 운용 방법.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서,
    상기 업링크 포트를 결정하는 동작은
    셀간 핸드오버를 수행하기 위한 계산된 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값을 획득하는 동작;
    포트별 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값이 가장 큰 포트를 업링크 전송을 위한 포트로 결정하는 동작;을 포함하는 단말 운용 방법.
17. 제14항에 있어서,
    상기 빔 트래킹 동작은
    동일한 빔 영역에서 빔 트래킹을 수행하는 동작;
    동일한 기지국에 인접한 두 빔 포밍 안테나가 형성하는 빔 경계에서의 빔 트래킹을 수행하는 동작;
    두 개의 기지국 각각의 빔들의 경계에서 빔 트래킹을 수행하는 동작; 중 적어도 하나를 포함하는 단말 운용 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 빔 경계에서의 빔 트래킹을 수행하는 동작은
    상기 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값이 큰 순서대로 몇 개의 포트를 선택하는 동작;
    선택된 포트에서 각 포트별로 다시 수락 가능한 신호 수준으로 들어오는 여러 개의 빔 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값들을 찾고 가장 큰 빔 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값이 들어오는 포트를 업링크 포트로 선택하는 동작;을 포함하는 단말 운용 방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 빔 경계 지역에서의 빔 트래킹을 수행하는 동작은
    상기 셀 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정값을 통해 다수의 포트를 결정하고 다시 그 포트에서 빔 신호 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정을 통하여 최적의 포트를 결정하는 동작;을 포함하는 단말 운용 방법.
20. 제14항에 있어서,
    상기 결정하는 동작은
    결정된 셀의 유효 포트별 동일한 셀을 갖는 기 측정된 다수의 빔 기준 신호의 신호 세기에 대한 측정에 의하여 최적의 업링크 빔 포트를 결정하는 동작;을 포함하는 단말 운용 방법.
21. 제14항에 있어서,
    아이들 빔 트래킹과 관련하여 빔별 이웃 빔 정보 및 셀별 빔 기준 신호의 신호 세기에 대한 정보를 포함하는 기지국 시스템 정보를 수신하는 동작;을 더 포함하는 단말 운용 방법.
    

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