KR101894240B1 - 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법 및 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치 - Google Patents

안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법 및 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치 Download PDF

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Abstract

안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법은 컴퓨터장치가 사전에 설정된 가중치 세트에서 임의로 선택된 복수의 가중치를 적용하여 특정 안테나에 대한 초기 빔을 정의하고, 상기 특정 안테나가 생성하고자하는 목표 빔과 상기 초기 빔 사이의 사이드 로브(side-lobe)의 제1 차이를 결정하는 단계, 상기 제1 차이가 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터 장치가 상기 가중치 세트에서 선택되지 않았던 가중치 중 선택된 복수의 새로운 가중치를 적용하여 상기 특정 안테나에 대한 새로운 빔을 정의하고, 상기 목표 빔과 상기 새로운 빔 사이의 사이드 로브의 제2 차이를 결정하는 단계 및 상기 컴퓨터 장치가 최종적으로 선택된 복수의 가중치를 최종 가중치로 결정하는 단계를 포함한다. 상기 제2 차이가 상기 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터장치가 상기 제2 차이를 결정하는 단계를 반복한다. 상기 초기 빔 및 상기 새로운 빔은 복수의 안테나 사이의 간섭을 고려한 방사 패턴을 이용하여 정의된다.

Description

안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법 및 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치{WEIGHT DETERMINING METHOD FOR BEAMFORMING AND WEIGHT DETERMINING APPARATUS FOR BEAMFORMING}
이하 설명하는 기술은 빔포밍을 위한 가중치 결정 기법에 관한 것이다.
종래 이동통신은 시간, 주파수, 코드, 공간과 같은 자원을 사용하여 통신을 수행하였다. 최근에는 빔 분할 다중 접속(Beam Division Multiple Access) 기법이 등장하였다. 빔 분할 다중 접속은 기본적으로 복수의 빔을 사용하여 각 빔을 서로 다른 자원으로 활용하는 방법이다.
복수의 안테나를 사용하여 빔 포밍을 수행하는데 안테나간 상호 간섭이 문제될 수 있다. 종래 기술은 안테나간 상호간섭이 적용된 안테나 포트별 방사패턴을 상호간섭이 적용되지 않았을 때의 이상적인 방사패턴으로 보정하였다.
박종근, 서진배, 고성원, 이주용, "비면허대역 원거리 무선백홀 빔포밍 시스템 설계", 2016년 한국통신학회 하계종합학술발표회
종래 기술은 이상적인 방사 패턴을 보정 행렬을 통해 구현하였다. 보정 행렬은 최소 제곱법(least-square method)을 이용하여 결정할 수 있다. 다만 최소 제곱법을 이용하여 방사 패턴을 복원하면 정확한 방사 패턴을 복원하기 힘들어서 안테나간 상호 간섭의 영향을 줄이기 어려운 면이 있다. 나아가 종래 기술은 선형 배열 단일 편파 안테나 구조를 전제로한 것으로, 2차원 형태를 갖는 패턴/편파 안테나에는 적용하기 힘들었다.
이하 설명하는 기술은 원하는 빔 형태를 생성하기 위한 가중치를 결정하는 기법을 제공하고자 한다.
안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법은 컴퓨터장치가 사전에 설정된 가중치 세트에서 임의로 선택된 복수의 가중치를 적용하여 특정 안테나에 대한 초기 빔을 정의하고, 상기 특정 안테나가 생성하고자하는 목표 빔과 상기 초기 빔 사이의 사이드 로브(side-lobe)의 제1 차이를 결정하는 단계, 상기 제1 차이가 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터 장치가 상기 가중치 세트에서 선택되지 않았던 가중치 중 선택된 복수의 새로운 가중치를 적용하여 상기 특정 안테나에 대한 새로운 빔을 정의하고, 상기 목표 빔과 상기 새로운 빔 사이의 사이드 로브의 제2 차이를 결정하는 단계 및 상기 컴퓨터 장치가 최종적으로 선택된 복수의 가중치를 최종 가중치로 결정하는 단계를 포함한다. 상기 제2 차이가 상기 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터장치가 상기 제2 차이를 결정하는 단계를 반복하고, 상기 초기 빔 및 상기 새로운 빔은 복수의 안테나 사이의 간섭을 고려한 방사 패턴을 이용하여 정의된다.
빔포밍을 위한 가중치 결정 장치는 특정 안테나에 대한 복수의 가중치를 포함하는 가중치 세트를 저장하는 저장장치, 상기 가중치 세트 중에서 선택된 복수의 가중치를 적용하여 상기 특정 안테나가 형성하는 빔을 정의하고, 상기 정의된 빔과 목표 빔의 사이브 로브(side-lobe) 차이를 기준으로 상기 특정 안테나에 대한 가중치를 결정하는 연산장치를 포함한다. 상기 연산장치는 상기 차이가 임계값 이상인 경우 상기 가중치 세트에서 선택되지 않았던 가중치 중 선택된 복수의 새로운 가중치를 적용하여 정의되는 새로운 빔과 상기 목표 빔 사이의 사이드 로브 차이를 결정하는 단계를 반복하고, 최종적으로 선택된 복수의 가중치를 최종 가중치로 결정한다. 상기 초기 빔 및 상기 새로운 빔은 복수의 안테나 사이의 간섭을 고려한 방사 패턴을 이용하여 정의된다.
이하 설명하는 기술은 가중치 세트에서 적합한 가중치를 반복적으로 선택하여 안테나를 위한 최적의 가중치를 결정한다. 나아가 이하 설명하는 기술은 2차원 형태를 갖는 안테나에도 적용가능하다.
도 1은 BDMA 시스템을 도시한 예이다.
도 2는 패턴/편파 BDMA 시스템의 개념을 도시한 예이다.
도 3은 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치에 대한 예이다.
도 4는 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법에 대한 순서도의 예이다.
도 5는 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법에 대한 순서도의 다른 예이다.
도 6은 가중치를 적용하여 빔포밍을 수행한 효과에 대한 그래프이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 기술은 복수의 빔을 사용하여 통신을 수행하는 통신 시스템에서 안테나 사이의 간섭을 제거하기 위한 기법이다. 이하 설명하는 기술은 빔 패턴을 일정하게 조절하여, 인접한 빔 사이에 간섭을 줄이기 위한 기법이다. 이하 설명하는 기술은 복수의 안테나를 사용하는 시스템에 적용될 수 있다. 이하 설명하는 기술은 빔 분할 다중 접속 통신(Beam Division Multiple Access: BDMA) 시스템에 적용될 수 있다. 나아가 이하 설명하는 기술은 패턴/편파 안테나를 이용한 BDMA 시스템(이하 패턴/편파 BDMA 시스템이라고 함)에도 적용될 수 있다.
먼저 BDMA 시스템에 대해 설명한다. 도 1은 BDMA 시스템을 도시한 예이다. BDMA 시스템은 BDMA 기술에 기반한 무선 통신 시스템을 의미한다. BDMA 시스템은 AP 장치(10)가 서로 다른 각도(방향)에 있는 단말(5)들에게 각각 빔을 전송하여 동시에 여러 단말(5)에 데이터를 전송한다(하향 링크). AP 장치(10)는 사전에 단말(5)의 위치를 알고 있다고 전제한다. AP 장치(10)는 빔의 방향을 전환하거나, 일정한 영역을 빔포밍(beamforming)할 수 있는 안테나를 이용할 수 있다.
단말(5)이 기지국에 데이터를 보낼 때도 마찬가지로 AP 장치(10)으로 향하는 빔을 전송한다. 하나의 단말이 하나의 빔을 전용하지 않고 비슷한 각도의 위치에 있는 단말들이 하나의 빔을 공용하여 기지국과 통신할 수 있다. 예컨대, 도 1에서 Beam 2는 3개의 단말과 AP 장치(10)가 통신하는 채널이 된다. 이 경우 하나의 빔을 공용하는 단말들은 주파수/시간 자원을 나누어 이용하는 것이 바람직하다.
AP 장치(10)는 이동통신의 기지국과 같은 장치를 포함한다. 예컨대, AP 장치(10)는 이동통신의 매크로셀을 구성하는 기지국, 이동통신의 스몰 셀(small cell)을 구성하는 AP 장치, WiFi의 AP 장치, ZigBee와 같은 근거리 통신을 위한 AP 장치 등을 포함하는 개념이다. 이하 설명에서 AP 장치(10)는 특정 통신 방식을 이용하여 단말(5)과 통신하는 장치를 의미한다. AP 장치(10)는 코어 네트워크와 단말(5)을 연결하는 기능을 수행할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 AP 장치(10)는 이동통신 네트워크의 기지국(nodeB, eNodeB 등)이라고 가정한다.
단말(5)은 AP 장치(10)를 통해 무선 통신을 하는 각종 장치를 포함한다. 예컨대, 단말(5)은 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북, 웨어러블 기기 등을 포함한다. 단말(5)은 기본적으로 사용자가 소지하여 이동성을 갖는다. 또는 단말(5)은 이동하는 장치(차량 등)에 부착되어 이동성을 가질 수도 있다. 이하 설명의 편의를 위해 단말(5)은 사용자 소지하는 스마트폰과 같은 휴대 장치라고 가정한다.
도 2는 패턴/편파 BDMA 시스템의 개념을 도시한 예이다. 패턴/편파 BDMA 시스템은 패턴/편파 BDMA 기술에 기반한 무선 통신 시스템을 의미한다. 패턴/편파 BDMA는 패턴 및 편파 중 적어도 하나를 상이한 빔을 사용한다. 이를 통해 패턴/편파 BDMA는 패턴 및/또는 편파 다중성(diversity)을 추가적으로 부여한다.
이하 패턴 안테나는 일정한 패턴을 갖는 복수의 안테나 소자를 일정하게 배열한 안테나 장치를 의미한다. 여기서 패턴이란 방사 패턴을 의미한다. 복수의 안테나 장치는 안테나 소자의 종류 및/또는 배열의 차이를 이용하여 서로 다른 방사 패턴을 생성할 수 있다. 편파 안테나는 일정한 편파 패턴을 갖는 안테나 소자를 일정하게 배열한 안테나 장치를 의미한다. 편파 안테나는 전술한 바와 같이 전기장 안테나와 자기장 안테나를 동시에 사용하여 전기장과 자기장 영역에서 서로 구분되는 신호를 전송하는 안테나를 의미한다. 패턴/편파 안테나는 일정한 패턴을 갖는 복수의 안테나 소자와 일정한 편파 패턴을 갖는 안테나 소자를 모두 사용하는 안테나 장치를 의미한다.
도 2는 상부에 패턴/편파 안테나의 예를 도시한다. 도 2에 도시한 바와 같이 패턴/편파 안테나(100)는 안테나 어레이(array)일 수 있다. 즉 패턴/편파 안테나는 복수의 단위 패턴/편파 안테나를 포함할 수 있다. 복수의 단위 패턴/편파 안테나로 구성되는 안테나 어레이를 이하 패턴/편파 안테나 어레이(100)라고 명명한다. 도 3에서 하나의 단위 패턴/편파 안테나(50)를 사각형 점선으로 표시하였다. 하나의 단위 패턴/편파 안테나(50)는 복수의 안테나 요소들(51, 52, 53. 54)을 포함한다. 복수의 안테나 요소들(51, 52, 53. 54)은 서로 각각 다른 방사 패턴을 가질 수 있다.
패턴/편파 안테나 어레이(100)는 빔포밍을 통하여 각각 B개의 빔섹터를 구성할 수 있다. 패턴/편파 안테나 어레이(100)는 섹터별로 유일한(unique) 가중치를 갖는 빔포머들을 이용하여 빔들을 공간적으로 빔섹터로 분리시키고, 서로 다른 패턴/편파 안테나를 사용하여 동일한 AoD (Angle of Direction)를 갖는 빔들을 전송할 수 있다. 이를 통해 패턴 편파 안테나 어레이는 각 빔섹터 안에서 다수의 패턴/편파 특성을 갖는 신호가 동시에 전송되도록 할 수 있다. 도 3을 살펴보면 K개의 패턴/편파 안테나를 이용하여 K개의 서로 다른 방사 패턴을 동시에 전송한다. 즉 패턴 편파 안테나 어레이를 사용하여 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 전송이 가능하다. 단말(5)이 하나의 안테나를 사용한다면 MISO(Multiple-Input Single-Output) 전송이 가능하다.
패턴/편파 안테나를 사용하는 BDMA 시스템을 패턴/편파 BDMA 시스템이라고 한다. 패턴/편파 BDMA 시스템에서는 동일한 빔섹터를 구성하는 다중 패턴/편파 신호들 사이의 간섭을 프리코더(precoder)로 미리 제거한 다음 전송한다. 패턴/편파 BDMA 시스템은 종래 BDMA방식의 빔포밍 이득과 패턴/편파 안테나를 사용한 패턴 편파 이득을 동시에 얻을 수 있다.
도 2에 도시한 안테나 어레이는 복수의 단위 안테나를 포함한다. 전술한 바와 같이 각 단위 안테나는 복수의 안테나 요소를 포함한다. 하나의 단위 안테나가 하나의 빔을 형성할 수도 있다. 나아가 복수의 단위 안테나가 협력하여 하나의 빔을 형성할 수도 있다. 이하 설명하는 기술은 전체 안테나 장치가 형성하는 빔을 일정하게 조정하여 서로 간섭을 배제하기 위한 것이다.
아날로그 빔포밍 시스템은 위상 변환기(phase shifter), 감쇠기(attenuator) 및 증폭기(power amplifier)를 포함한다. 아날로그 빔포밍 시스템은 위상 및 파워값을 조절하여 특정한 빔을 형성한다. 위상 변환기 등에 가중치를 적용하여 특정한 위상을 생성한다. 디지털 빔포밍 시스템은 빔을 형성하기 위한 제어기(controller)가 디지털 빔포머(digital beamformer)를 일정하게 제어하여 빔을 형성한다. 이 과정에서 역시 빔패턴을 결정하는 가중치를 사용한다. 결국 안테나의 종류에 따라 다를 수 있지만 특정한 가중치가 빔의 형성에 관여한다.
이하 설명하는 기술은 각 단위 안테나가 빔패턴을 형성하기 위해 필요한 가중치를 결정한다. 이하 설명하는 기술은 서로 인접한 빔이 서로 최대한 간섭하지 않는 가중치를 결정할 수 있다. 이하 설명하는 기술은 특정 지역에 대해 목표하는 빔패턴과 같거나 최대한 유사한 형태의 빔패턴을 형성할 수 있는 가중치를 결정한다.
도 3은 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치에 대한 예이다. 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치는 물리적으로 다양한 장치에 구현될 수 있다. 가중치 결정 장치는 컴퓨터 장치(310), AP 장치(320), 네트워크에 연결된 별도의 장치(330) 등 다양할 수 있다. 각 장치가 가중치를 결정하는 과정은 후술한다.
도 3(a)는 컴퓨터 장치(310)가 가중치를 결정하는 예를 도시한다. 컴퓨터 장치(310)는 특정 안테나에 대한 빔포밍을 시뮬레이션할 수 있는 프로그램을 사용할 수 있다. 즉 컴퓨터 장치(310)는 특정 안테나가 빔을 형성하기 위한 데이터 및 가중치 세트를 사전에 입력받고, 가중치 세트에서 특정한 가중치를 결정할 수 있다. 최종적으로 결정된 가중치는 실제 빔포밍을 위한 안테나 장치에 전달될 수 있다.
도 3(b)는 AP 장치(320)가 가중치를 결정하는 예이다. AP 장치(320)가 가중치 세트에서 특정한 가중치를 최종적으로 선택할 수 있다. 그리고 AP 장치(320)는 선택한 가중치를 안테나에 적용하여 특정한 빔을 형성한다.
도 3(c)는 네트워크에 연결된 장치(330)가 가중치를 결정하는 예이다. 네트워크에 연결된 장치(330)는 이동통신 코어망에 위치하는 제어 장치 또는 게이트웨이일 수 있다. 네트워크에 연결된 장치(330)는 AP 장치에 유선 또는 무선으로 연결되는 별도의 장치일 수도 있다.
네트워크에 연결된 장치(330)는 저장장치(331), 연산장치(332) 및 통신 모듈(333)을 포함한다. 저장장치(331)는 가중치 세트, 가중치 결정에 필요한 데이터 및 프로그램을 저장한다. 연산장치(332)는 후술하는 가중치 결정과정을 수행하고, 최종적으로 특정한 가중치를 결정한다. 통신모듈(333)은 가중치 결정과정에 필요한 데이터를 외부에서 입력받을 수 있다. 통신모듈(333)은 최종적으로 결정한 가중치를 안테나 장치 측에 전달할 수도 있다.
AP 장치(320)는 저장장치(321), 연산장치(322), 빔포밍 회로(323) 및 안테나(324)을 포함한다. 저장장치(321)는 가중치 세트, 가중치 결정에 필요한 데이터 및 프로그램을 저장한다. 연산장치(322)는 후술하는 가중치 결정과정을 수행하고, 최종적으로 특정한 가중치를 결정한다. 빔포밍 회로(323)는 최종적으로 결정된 가중치를 결정하여 빔포밍에 대한 제어를 수행한다. 안테나(324)는 빔포밍 회로(323)가 전달하는 제어 명령 내지 데이터에 따라 빔을 생성한다.
도시하지 않았지만, 컴퓨터 장치(310)는 기본적으로 저장장치 및 연산장치를 포함한다. 저장장치 및 연산장치는 전술한 동일 장치와 동일한 동작을 수행한다.
이하 가중치 결정 장치가 가중치를 결정하는 과정을 설명한다. 복수의 안테나가 하나의 빔을 형성한다. 전체 안테나는 N개의 빔을 형성한다고 가정한다. 전체 안테나의 개수는 Nt로 정의한다. 하나의 빔(i 번째)을 형성하는 복수의 안테나의 개수를 Ni라고 정의한다. 이 경우 Nt는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017036456837-pat00001
가중치 결정 장치는 하나의 빔을 형성하는 적어도 하나의 안테나에 대한 가중치를 결정한다. 가중치 결정 장치는 하나의 빔에 대한 가중치를 결정하는 과정을 반복하여 전체 N 개의 빔에 대한 가중치를 결정한다. 설명의 편의를 위해 하나의 빔에 대한 가중치를 결정하는 과정을 중심으로 설명한다.
도 4는 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법(400)에 대한 순서도의 예이다. 가중치 결정 장치는 먼저 i 번째 빔을 형성하는 안테나들에 대한 빔 패턴을 입력받는다(410). 이때 입력받는 값은 특정 안테나들을 이용하여 형성하고자 하는 빔 패턴이다. 이를 목표 빔이라고 명명한다. 목표 빔은 최적의 빔이라고 할 수 있다. 빔 패턴은 특정 편면을 기준으로 한 고각(elevation) 및 방위각(azimuth)으로 정의될 수 있다. 빔 패턴을 나타내는 입력값은 (θ, Φ)이라는 요소를 갖는 행렬로 표현될 수 있다. 입력 값은 행렬로 나타내어지며 행렬의 소자들은 특정 고각(θ) 및 방위각(Φ)에 해당하는 빔의 E-field 값들로 나타낼 수 있다. 물론 빔 패턴을 다른 값으로 정의할 수도 있을 것이다.
만약 고각(θ)과 방위각(Φ) 방향으로 각각 sele, sazi의 샘플 개수로 행렬을 형성했다면, 입력 값 Bdes는
Figure 112017036456837-pat00002
의 행렬로 나타내어진다.
가중치 결정 장치는 사전에 안테나에 적용가능한 복수의 가중치를 포함하는 가중치 세트를 마련한다. 가중치 세트는 양자화된 가중치를 포함할 수 있다. 가중치 세트는 아날로그 빔포밍 시스템의 경우 각각의 소자들이 얻을 수 있는 값들을 포함한다. 가중치 세트는 디지털 빔포밍 시스템의 경우 원하는 해상도(resolution)에 맞춰 양자화된 값들을 포함한다. 가중치는 빔에 대한 빔포밍을 제어한다. 가중치는 빔의 위치 및 형태를 결정할 수 있다.
가중치 결정 장치는 가중치 세트 중 아직 선택하지 않았던 가중치를 선택한다(420). 가중치 결정 장치는 가중치를 선택하면 특정 안테나로 형성 가능한 빔 패턴을 정의할 수 있다(420). 가중치 결정 장치는 특정 프로그램을 이용하여 선택된 가중치를 적용한 빔 패턴을 시뮬래이션해볼 수도 있다. 또는 경우에 따라 가중치 결정 장치는 안테나 장치를 이용하여 선택한 가중치를 이용하여 빔을 실제 형성해 볼 수도 있다.
가중치 결정 장치는 가중치 세트에서 Ni개의 가중치 w를 중복 가능하게 임의로 선택할 수 있다. 선택한 가중치는
Figure 112017036456837-pat00003
의 벡터를 형성한다.
측정이나 시뮬레이션을 통하여 얻을 수 있는 안테나 간 상호간섭이 반영된 k 번째 (k = 1, 2, ... , Ni) 안테나 소자의 방사패턴을
Figure 112017036456837-pat00004
라 가정한다. 복수의 안테나로 구성되는 특정 안테나 장치에서 안테나 사이의 간섭이 발생할 수 있다. 간섭이 발생하는 경우 안테나 소자의 방사 패턴은 간섭이 없는 경우와 다른 패턴을 갖게 된다. 결국 Ek는 안테나 사이의 간섭이 발생하는 경우 k 번째 안테나 소자에서 방출하는 방사 패턴을 의미한다. 간섭 상황에서 안테나 소자의 방사 패턴을 실제 측정을 통해서 또는 시뮬레이션을 통해 파악할 수 있다.
이 경우 w을 이용하여 생성된 B는 아래의 수학식 2와과 같이 정의할 수 있다. 아래 B는 결국 안테나 사이의 간섭을 고려한 상태의 빔을 의미한다.
Figure 112017036456837-pat00005
특정 안테나는 빔을 형성하여 서비스 가능한 특정 지역이 존재한다. 특정 안테나가 서비스하는 서비스 제공 지역 As는
Figure 112017036456837-pat00006
라고 가정한다. 이때, 원하는 빔 패턴의 빔 폭 ABW가
Figure 112017036456837-pat00007
라고 가정하면 빔의 사이드 로브(side-lobe)에 해당하는 지역 Aside는 Aside = S - BW로 나타낼 수 있다.
이때, 특정 θ,Φ에서 B의 사이드 로브의 크기가 Bdes보다 작은 부분은 고려하지 않아야 한다. B의 사이드 로브의 크기가 Bdes보다 작은 부분을
Figure 112017036456837-pat00008
라고 가정한다. 이 경우 빔에 대한 가중치 w를 통해 생성된 빔 B와 목표 빔 사이의 사이드 로브에서의 차이 e는 아래의 수학식 3과 같이 나타내어 질 수 있다. 가중치 결정 장치는 아래 수학식 3을 이용하여 선택된 가중치를 적용한 특정 빔과 목표 빔 사이의 차이 e를 결정한다(430).
Figure 112017036456837-pat00009
가중치 결정 장치는 상기 차이 e와 특정 임계값 ε을 비교한다(440). 차이 e가 임계값 ε보다 크다면 현재 선택된 가중치는 최적의 가중치가 아닐 수 있다. 가중치 결정 장치는 임계값 ε보다 작은 차이를 갖는 복수의 가중치를 결정하고자 한다. 이를 위해 가중치 결정 장치는 가중치 세트에서 다른 가중치를 다시 선택하고, 상기 차이 e와 임계값 ε을 비교하는 과정을 반복적으로 수행한다.
가중치 결정 장치는 가중체 세트에서 현재 선택된 가중치를 대체하는 새로운 가중치를 선택한다. 가중치 결정 장치는 아직 선택되지 않은 가중치 중에서 새로운 가중치를 선택한다. 복수의 안테나에 각각에 대한 가중치에 대해 각각 새로운 가중치를 선택한다. 이 과정은 가중치 업데이트라고 할 수 있다.
새로운 가중치를 선택하는 기준은 다양할 수 있다. (i) 가중치 결정 장치는 새로운 가중치도 임의로 선택할 수 있다. (ii) 또는 가중치 결정 장치는 현재 선택된 가중치와 특정 관계에 있는 가중치 중에서 어느 하나를 새로운 가중치로 선택할 수도 있다. 예컨대, 가중치 결정 장치는 현재 선택된 가중치 가장 인접한 특정 가중치를 새로운 가중치로 선택할 수 있다. 가중치 세트에서 각 가중치는 특정한 위치로 식별될 수 있다. 가중치 세트가 일정한 행렬로 표현되면, 가중치 결정 장치는 행렬에서의 위치를 기준으로 새로운 가중치를 결정할 수 있다. 가중치 결정 장치는 가중치 세트에서 수평 방향, 수직 방향 또는 모든 방향에서 가장 인접한 값을 새로운 값으로 선택할 수 있다. 이 경우 가장 인접한 값이 여러 개인 경우, 가중치 결정 장치는 임의의 값을 선택할 수 있다.
가중치 결정 장치는 새롭게 선택한 가중치
Figure 112017036456837-pat00010
을 생성한다. w'을 이용하여 생성된 B'과 Bdes간 사이드 로드 부분에서의 차이 e'을 계산한다. 만일 e≥e'이라면, w=w', e=e', B=B'로 업데이트한다. 만일 그렇지 않다면, w, e 및 B의 값은 변하지 않는다. 이 수행을 e < ε이 될 때까지 반복한다. e < ε는 순간 이 수행을 종료하며 이때의 w를 출력 값으로 산출한다. 가중치 결정 장치는 최종적으로 선택된 빔을 최종 가중치로 결정한다(450).
또한 가중치를 선택하여 사이드 로브의 차이와 임계값을 비교하는 과정을 반복하는 횟수가 itermax를 넘게 되면, 가중치 결정과정을 종료할 수 있다. 이 경우 가중치 결정 장치는 최종적으로 선택된 빔을 최종 가중치로 결정한다. 도 5는 사이드 로브의 차이와 임계값을 비교하는 과정을 반복하는 횟수를 일정하게 제한한 예이다.
도 5는 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법(500)에 대한 순서도의 다른 예이다. 가중치 결정 장치는 먼저 i 번째 빔을 형성하는 안테나들에 대한 빔 패턴을 입력받는다(510). 사이드 로브의 차이와 임계값을 비교하는 과정의 반복 횟수를 식별하기 위한 변수를 사용한다. "iter"는 반복 횟수를 나타낸다. 예컨대, 초기 iter = 0이다. 가중치 결정 장치는 가중치 세트 중 아직 선택하지 않았던 가중치를 선택하고, 특정 안테나에 선택한 가중치를 적용하여 형성 가능한 빔 패턴을 정의한다(520). 가중치 결정 장치는 전술한 수학식 3을 이용하여 선택된 가중치를 적용한 특정 빔과 목표 빔 사이의 차이 e를 결정한다(530).
가중치 결정 장치는 현재 특정빔과 목표 빔 사이의 차이를 비교한 횟수 iter가 사전에 설정한 임계값 itermax 이하인지 확인한다(540). itermax ≥ iter 라면 가중치 결정 장치는 상기 차이 e와 특정 임계값 ε을 비교한다(550). itermax < iter 이면서, e < ε라면 가중치 결정 장치는 현재 최종적으로 선택된 빔을 최종 가중치로 결정한다(560). itermax ≥ iter 이면서, e ≥ ε라면 가중치 결정 장치는 다시 새로운 복수의 가중치를 선택하고, 선택된 가중치로 정의되는 빔과 목표 빔 사치의 차이 비교하는 과정을 반복한다.
한편 itermax > iter 라면 가중치 결정 장치는 현재 최종적으로 선택된 빔을 최종 가중치로 결정한다(560).
가중치 결정 장치는 전체 N개의 빔을 위해 가중치를 결정하는 과정을 반복한다. 전체 과정이 종료되면 가중치 결정 장치는 N개의 서로 안테나에 대한 가중치를 결졍하게 된다. i번째 빔 생성을 위한 가중치t를 wi라 가정하면, 최종적으로 전체 시스템에 적용되는 가중치 wfinal은 아래의 수학식 4와 같이 블록 대각 행렬의 형태로 나타내어 질 수 있다.
Figure 112017036456837-pat00011
가중치 결정 장치는 최종적으로 결정한 가중치 wfinal를 안테나 장치에 전달한다. 안테나 장치는 wfinal를 이용하여 빔 포밍을 수행한다.
도 6은 가중치를 적용하여 빔포밍을 수행한 효과에 대한 그래프이다. 시뮬레이션 환경은 2포트 집적 안테나 배열 구조를 가정하였다. 또한, 서비스 제공 지역은 3-sector 환경에서 일반적으로 쓰이는 - 60 ~ 60 ˚로 가정하였고, 빔의 방향(look direction)은 방위각 방향으로 40 ˚로 가정하였다. 도 6에서 목표값은 원하는 빔 패턴으로 안테나간 상호간섭이 없을 때의 가장 이상적인 빔 패턴을 나타낸다. 대조 기법은 안테나간 상호간섭이 존재하는 상황에서의 빔 패턴을 나타낸다. 제안기법은 전술한 가중치 결정 과정을 통해 생성한 빔 패턴을 나타낸다. 도 6에서와 같이 제안 기법은 빔 패턴이 원하는 목표 빔에 거의 근접함을 알 수 있다. 제안 기법은 대조 기법에 비해 최대 10 dB만큼의 사이드 로브를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
본 실시례 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
5 : 단말
10 : AP 장치
50 : 안테나
51, 52, 53, 54 : 안테나 요소
310, 320, 330 : 가중치 결정 장치
321 : 저장장치
322 : 연산장치
323 : 빔포밍 회로
324 : 안테나
331 : 저장장치
332 : 연산장치
333 : 통신모듈

Claims (14)

  1. 컴퓨터장치가 사전에 설정된 가중치 세트에서 임의로 선택된 복수의 가중치를 적용하여 특정 안테나에 대한 초기 빔을 정의하고, 상기 특정 안테나가 생성하고자하는 목표 빔과 상기 초기 빔 사이의 사이드 로브(side-lobe)의 제1 차이를 결정하는 단계;
    상기 제1 차이가 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터 장치가 상기 가중치 세트에서 선택되지 않았던 가중치 중 선택된 복수의 새로운 가중치를 적용하여 상기 특정 안테나에 대한 새로운 빔을 정의하고, 상기 목표 빔과 상기 새로운 빔 사이의 사이드 로브의 제2 차이를 결정하는 단계; 및
    상기 컴퓨터 장치가 최종적으로 선택된 복수의 가중치를 최종 가중치로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 제2 차이가 상기 임계값 이상인 경우 상기 컴퓨터장치가 상기 제2 차이를 결정하는 단계를 반복하고, 상기 초기 빔 및 상기 새로운 빔은 복수의 안테나 사이의 간섭을 고려한 방사 패턴을 이용하여 정의되는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가중치 세트는 사전에 설정된 순서에 따라 복수의 가중치를 저장하고, 상기 복수의 가중치는 일정한 위치로 식별되는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 새로운 빔을 정의하는 단계에서
    상기 컴퓨터 장치는 현재 선택된 복수의 가중치 각각에 대해 상기 위치를 기준으로 인접한 가중치 중 하나를 결정하여 상기 복수의 새로운 가중치를 결정하는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 컴퓨터장치는 상기 제2 차이가 상기 임계값 이상이지만 상기 반복하는 횟수가 기준값 이상인 경우 현재 선택된 복수의 가중치를 상기 최종 가중치로 결정하는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터장치는 빔포밍을 수행하는 장치, 빔포밍을 위한 안테나 장치, 안테나 장치를 포함하는 기지국 및 기지국에 정보를 전달하는 네트워크 장치 중 적어도 하나인 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터장치는 고각과 방위각으로 정의되는 빔의 패턴을 기준으로 상기 사이드 로브의 차이를 결정하는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 컴퓨터장치는 선택한 복수의 가중치를 적용하여 정의한 빔의 사이드 로브 영역에서 상기 목표 빔의 사이드 로브보다 작은 부분을 제외하고, 상기 목표빔과의 차이를 결정하는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가중치는 빔에 대한 위치 및 형태를 결정하는 안테나 빔포밍을 위한 가중치 결정 방법.
  9. 특정 안테나에 대한 복수의 가중치를 포함하는 가중치 세트를 저장하는 저장장치;
    상기 가중치 세트 중에서 선택된 복수의 가중치를 적용하여 상기 특정 안테나가 형성하는 초기 빔을 정의하고, 상기 초기 빔과 목표 빔의 사이브 로브(side-lobe) 차이를 기준으로 상기 특정 안테나에 대한 가중치를 결정하는 연산장치를 포함하되,
    상기 연산장치는 상기 차이가 임계값 이상인 경우 상기 가중치 세트에서 선택되지 않았던 가중치 중 선택된 복수의 새로운 가중치를 적용하여 정의되는 새로운 빔과 상기 목표 빔 사이의 사이드 로브 차이를 결정하는 단계를 반복하고, 최종적으로 선택된 복수의 가중치를 최종 가중치로 결정하고,
    상기 초기 빔 및 상기 새로운 빔은 복수의 안테나 사이의 간섭을 고려한 방사 패턴을 이용하여 정의되는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가중치 세트는 사전에 설정된 순서에 따라 복수의 가중치를 저장하고, 상기 복수의 가중치는 일정한 위치로 식별되는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연산장치는 현재 선택된 복수의 가중치 각각에 대해 상기 위치를 기준으로 인접한 가중치 중 하나를 결정하여 상기 복수의 새로운 가중치를 결정하는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 연산장치는 상기 차이가 상기 임계값 이상이지만 상기 반복하는 횟수가 기준값 이상인 경우 현재 선택된 복수의 가중치를 상기 최종 가중치로 결정하는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 연산장치는 선택한 복수의 가중치를 적용하여 정의한 빔의 사이드 로브 영역에서 상기 목표 빔의 사이드 로브보다 작은 부분을 제외하고, 상기 목표빔과의 차이를 결정하는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 최종 가중치를 적용하여 빔 포밍을 수행하는 빔 포밍 회로를 더 포함하는 빔포밍을 위한 가중치 결정 장치.
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