KR101989507B1

KR101989507B1 - 단일 rf 체인에 기반한 빔포밍 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101989507B1
Application number: KR1020160037679A
Authority: KR
Inventors: 송재수; 김형진; 서석; 오정훈; 조성철
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2019-06-17
Also published as: KR20170113916A

Abstract

단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 처리 시, 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔 설정을 변경하며 각 빔 패턴 별 제1 성능 측정값을 측정하는 빔추적 모드, 및 제1 성능 측정값에 기초하여 최적의 빔 패턴을 선택하는 빔포밍 모드를 처리하고, 선택된 최적 빔 패턴의 정보에 기초하여 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔을 형성하되, 빔포밍 모드에서 최적의 빔 패턴의 성능을 지속적으로 검사하여 제2 성능 측정값을 측정하고, 제2 성능 측정값이 임계값 이하가 되면 상기 빔추적 모드를 재수행하며, 빔추적 모드에서 제1 타임 윈도우를 설정하여 제1 성능 측정값을 측정하고, 빔포밍 모드에서 제1 타임 윈도우보다 긴 제2 타임 윈도우를 설정하여 제2 성능측정값을 측정한다.

Description

단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BEAMFORMING BASED ON SINGLE RF CHAIN}

본 발명은 단일 RF 체인을 사용하는 트랜시버를 통해 무선 통신 시스템에 빔포밍 기법을 적용하는 빔포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.

스마트 기기의 보급 및 멀티미디어 서비스의 증가에 따라 모바일 서비스 트래픽이 폭증하고 있으며, 이로 인해 통신 시스템의 용량 증대가 요구되고 있다. 무선 통신 시스템의 성능을 향상시키기 위한 여러 가지 방안 중에 하나로서, 송수신단에 여러 개의 안테나를 사용하는 다중 안테나(Multiple Input Multiple Output, MIMO) 시스템이 제안되었다.

이러한 MIMO 시스템을 사용함으로써, 동시에 두 개 이상의 데이터 스트림을 전송하여 다중화 이득(multiplexing gain)을 얻을 수 있고, 동일한 데이터 스트림을 여러 경로(path)로 전송하여 다이버시티 이득을 얻을 수 있으며, 지향성 빔을 생성하여 빔포밍 이득(즉, 안테나 이득)을 얻을 수 있다. 이와 같이, MIMO 시스템을 사용하는 동작 방식에는 여러 가지 방식이 존재하며, 이들 동작 방식들을 적용하기 위해서 공통적으로 다중 안테나와 함께 다중 RF체인(multiple RF chain)이 필요하였다.

이처럼, 종래의 MIMO 시스템을 적용한 무선 통신 시스템에서는 송수신단에 다중 안테나와 다중 RF체인을 사용하므로, 비용이 증가하고 전력 소모 및 부피가 커지는 등의 문제가 있었다. 최근에는 안테나 수를 수백 개로 증가시킨 거대 MIMO(massive MIMO)를 적용하여 시스템 성능을 극대화시키는 기술이 등장하였다. 이에 따라, 단일 RF 체인을 이용하여 기존의 MIMO 효과를 얻을 수 있도록 하는 기술에 대한 필요성이 커지고 있다.

단일 RF체인을 사용하는 빔포밍 안테나는, 능동 안테나와 기생소자 간 상호 결합(mutual coupling)에 의해 빔 패턴이 형성되는 성질을 이용한 SPA(Switched Parasitic Antenna) 또는 ESPAR(Electronically Steerable Passive Array Radiator) 안테나가 대표적이다.

도 1은 일반적인 단일 RF체인에 기반한 빔포밍 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 SPA 및 ESPAR의 구성을 나타내었다. 이러한 SPA 및 ESPAR는 하나의 능동 안테나(1)와 여러 개의 기생 안테나(즉, 수동 안테나)(2)로 구성되는데, 이와 같은 구조의 안테나를 컴팩트 다중 입출력 안테나(Compact MIMO)라 한다. 이러한 Compact MIMO안테나는 하나의 능동 안테나가 RF단과 연결되고 여러 개의 기생 안테나는 온/오프 스위치 또는 가변 저항 소자와 연결된다. 그리고 기생 안테나의 스위치나 가변 저항의 저항 값을 조정함으로써 능동 안테나와 수동 안테나의 상호 결합을 변화시켜 지향성 빔을 형성할 수 있다. 이에 따라 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 이러한 단일 RF 체인 기반의 빔포밍 안테나는 전력소모가 적으며 크기 및 부피가 작아 이동 단말에 적용이 용이하다.

한편, 다중 RF 체인에 기반한 MIMO 시스템의 빔포밍 기법에서는, 다수의 능동 안테나가 독립적으로 RF체인과 연결되어 있어, 각 안테나로부터 수신되는 다수 개의 신호 측정값에 대한 신호 처리를 수행하였다. 그러나 단일 RF체인 기반의 빔포밍 기법에서는 RF체인이 하나이기 때문에 모든 신호가 RF단에서 하나로 출력되므로 기존의 신호처리 방법을 적용하기 어렵다. 또한, 단일 RF 체인 기반의 빔포밍 기법에서는, 형성 가능한 여러 빔 패턴 중 현재 채널 환경에 가장 적합한 빔 패턴을 찾는 빔 탐색이 중요한 조건이 된다. 또한, compact MIMO 기반의 빔포밍 안테나의 경우, 신호 측정값을 얻을 수 있는 능동 안테나가 한 개만 존재하기 때문에 기존 다중 안테나 대비 N배(즉, 배열(array) 안테나의 안테나 개수가 N 개일 때)의 빔 패턴 탐색 시간이 필요하다.

이처럼, 단일 RF 체인 기반의 빔포밍 기법에서는 무선 채널 상태에 적합한 빔 패턴을 빠르게 탐색하기 위한 고속 빔 패턴 탐색이 가능한 빔포밍 방식이 요구된다.

이와 관련하여, 한국등록특허 제10-1472796 호(발명의 명칭: 무선 통신을 위한 빔포밍)는, 다운링크 빔포밍 시스템(downlink beamforming system)의 제어 하에 수행되는 방법으로서, 복수의 모바일 장치의 속도 정보를 각각 수신하는(receiving) 단계, 상기 속도 정보에 기초하여 상기 복수의 모바일 장치를 저속 그룹 및 고속 그룹 중 적어도 하나의 그룹으로 분류(classifying)하는 단계, 미리 정해진 범위 내의 위치에 기초하여 상기 저속 그룹에 있는 적어도 일부의 모바일 장치를 하나 이상의 서브 그룹으로 나누는 단계, 및 상기 저속 그룹 및 고속 그룹을 위한 빔을 생성하는(generating) 단계를 포함하며, 상기 저속 그룹에 있는 모바일 장치의 속도는 미리 정해진 속도보다 느리고 상기 고속 그룹에 있는 모바일 장치의 속도는 상기 미리 정해진 속도보다 빠른 특징을 갖는 방법을 개시하고 있다.

본 발명의 실시예는 단일 RF체인 빔포밍 안테나를 이용하여 무선통신시스템에서 실시간으로 빔포밍 기법을 적용하되 고속 빔 패턴 탐색을 처리하는 빔포밍 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 장치는, 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔 설정을 변경하며 각 빔 패턴 별 제1 성능 측정값을 측정하는 빔추적 모드, 및 상기 제1 성능 측정값에 기초하여 최적의 빔 패턴을 선택하는 빔포밍 모드를 처리하는 빔 패턴 성능 측정부; 및 상기 선택된 최적 빔 패턴의 정보에 기초하여 상기 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔을 형성하는 안테나 제어부를 포함한다.

이때, 상기 빔 패턴 성능 측정부는, 상기 빔포밍 모드에서 상기 최적의 빔 패턴의 성능을 지속적으로 검사하여 제2 성능 측정값을 측정하고, 상기 제2 성능 측정값이 임계값 이하가 되면 상기 빔추적 모드를 재수행하되, 상기 빔추적 모드에서 제1 타임 윈도우를 설정하여 상기 제1 성능 측정값을 측정하고, 상기 빔포밍 모드에서 상기 제1 타임 윈도우보다 긴 제2 타임 윈도우를 설정하여 상기 제2 성능측정값을 측정한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 단일 RF 체인 기반의 컴팩트 다중 입출력 안테나를 활용함으로써, 구조상 간단하면서도 저전력 및 좁은 공간에서의 빔 형성이 가능하다.

또한, 단일 RF 체인 기반 트랜시버를 사용하여 무선통신 시스템에 빔포밍을 적용하는데 있어서 실시간 고속 빔 추적이 가능하며, 무선 채널의 빠른 변화를 추적하기 위하여 모든 가능한 수의 빔 패턴을 탐색하지 않더라도 빠르게 최적의 빔 패턴을 찾을 수 있다. 이처럼, 단일 RF 체인 구조의 빔포밍에 따른 빔추적 절차에서, 빔탐색 수행시간을 줄이고 빔포밍 상태에서 선택된 빔 패턴에 의해 제공되는 데이터 서비스의 만족도를 QoS 레벨에서 모니터링함으로써 빔포밍에 따른 성능을 크게 향상 시킬 수 있다.

또한, 일정 시간 또는 수신 신호의 성능이 기준 성능 이하로 떨어진 경우에도 다시 빠르게 최적의 빔 패턴을 찾을 수 있다.

도 1은 일반적인 단일 RF체인에 기반한 빔포밍 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치의 구조를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 추적 상태의 동작 절차를 설명하기 위한 순서도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍상태의 동작 절차를 설명하기 위한 순서도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔추적 상태에서의 빔 패턴 성능 평가 절차를 설명하기 위한 순서도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 상태에서의 빔 패턴 성능 평가 절차를 설명하기 위한 순서도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고, 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 장치 및 방법은, 단일 RF 체인을 사용하는 빔포밍 안테나를 적용하여 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예에 서는 빔포밍 안테나로서 앞서 도 1에서 설명한 ESPAR 또는 SPA 안테나를 사용하나, 빔포밍 안테나의 종류는 한정되지 않으며 다양한 종류의 단일 RF 체인을 사용하는 컴팩트 다중 입출력 안테나가 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 방법에서는, 단일 RF체인 구조에 의한 빔포밍 절차 수행 시, 전체 동작 절차를 빔추적 모드 및 빔포밍 모드로 구분하여 처리할 수 있다. 이때, 빔추적 상태에서는, 최적 빔 패턴을 찾기 위해 안테나 설정을 변경하면서 각 빔 패턴의 성능을 측정하여 측정값을 저장한다. 그리고, 빔포밍 상태에서는, 빔추적 상태에서 얻어진 측정값을 바탕으로 최적의 빔 패턴을 선택하여 데이터 서비스를 수행한다. 또한, 빔포밍 상태에서는 선택된 빔 패턴의 성능을 지속적으로 검사하여, 성능이 떨어질 경우 다시 빔추적을 개시하도록 빔추적 상태로 천이한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 방법에서는, 단일 RF 체인 구조에 의해 빔추적 상태에서 데이터 손실이 발생할 가능성이 있으므로, 최대한 짧은 시간에 해당 절차를 수행한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 방법에서는, 성능 측정값으로서 짧은 시간에 측정이 가능한 수신전계강도(Received Signal Strength Indicator, RSSI) 및 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 사용하며, 이를 위한 타임 윈도우(time window)값이 정해진다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치 및 방법에서는, 빔포밍 상태에서 설정된 빔 패턴에 의해 제공되는 데이터 서비스의 QoS 만족도를 파악하는 것이 중요하므로, 성능 측정값으로서 긴 시간에 걸쳐서 측정이 필요한 패킷 에러율(Packet Error Rate, PER)을 사용하며, 이를 위한 타임 윈도우 값이 정해진다

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 장치 및 그 방법에 대해서 구체적으로 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.

그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 설명하기 위한 순서도 이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)는 동기/자원 관리부(110), 빔 패턴 성능 측정부(120), 빔 패턴 성능 저장부(130) 및 안테나 제어부(140)를 포함한다. 이때, 빔포밍 장치(100)는 단일 RF 체인을 사용하는 빔포밍 안테나(300)의 빔 패턴을 제어한다.

이때, 빔포밍 장치(100)는 빔추적 모드 및 빔포밍 모드를 처리한다.

동기/자원 관리부(110)는 빔포밍 절차를 수행하기 위해 장치 내 자원 및 동기 정보와 빔포밍 안테나의 상태를 관리한다.

빔 패턴 성능 측정부(120)는 빔추적 모드를 처리하여, 여러 가지 빔 패턴 중에서 현재 채널 환경에서 최적의 성능을 얻을 수 있는 빔 패턴 정보를 획득하는 절차를 수행한다. 그리고, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 빔포밍 모드를 처리하여, 현재 설정된 최적의 빔 패턴을 형성할 수 있는 빔 패턴 정보를 안테나 제어부(140)에 제공한다. 또한, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 형성된 빔 패턴이 데이터 서비스에 필요한 성능을 만족하는지 주기적으로 검사를 수행하고, 그 결과를 빔 패턴 성능 저장부(130)에 저장한다.

안테나 제어부(140)는 빔 패턴 성능 측정부(120)로부터 획득한 빔 패턴 정보를 이용하여 빔을 형성하고 데이터 송수신을 수행한다.

구체적으로, 도 3을 참조하여 빔포밍 장치(100)를 통한 빔포밍 방법에 대해서 좀 더 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 동기/자원 관리부(110)를 통해 빔포밍 초기화를 처리한다(S301).

빔포밍 초기화 단계에서는, 빔포밍 알고리즘 동작에 필요한 내부 메모리를 초기화하고, 빔포밍 알고리즘 동작에 필요한 여러 파라미터 값을 디폴트(default)로 설정한다. 또한, 빔포밍 초기화 단계에서는, 초기 빔 패턴 설정을 위한 빔포밍 안테나의 제어도 수행할 수 있다.

이러한 빔포밍 초기화가 완료된 상태에서 상대 노드와의 데이터 통신이 가능하게 되면, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 빔추적 모드를 실행하여 다음과 같은 기설정된 빔추적 절차를 수행한다.

빔 패턴 성능 측정부(120)는 임의의 빔 패턴을 선택하여 안테나 제어부(140)를 통해 해당 빔 패턴이 형성되도록 한다(S302).

그런 다음, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 형성된 빔 패턴을 통해서 수신된 패킷에 기초하여 해당 빔 패턴의 성능을 측정한다(S303).

이때, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 형성된 빔 패턴을 통해 수신된 패킷으로부터 성능 측정값(RSSI, SNR, PER)을 획득하며, 이 값을 이용하여 해당 빔 패턴의 성능을 측정한다. 빔 패턴 성능 측정부(120)는 성능 측정값의 신뢰도를 높이기 위하여 N개의 패킷에 대하여 동일한 측정값을 획득하여 평균값을 취할 수 있다.

다음으로, 모든 빔 패턴에 대하여 성능 측정이 완료되면, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 성능 측정값들을 바탕으로 빔 패턴 별 성능 평가를 수행한다(S304).

이러한, 성능 평가는 성능 측정값의 조합에 기초하여 이루어지며, 채널 환경에 따라 성능 평가 대상 빔 패턴들이 선택될 수 있다.

이처럼 빔 패턴들에 대한 성능 평가가 완료되면, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 선택된 빔 패턴 정보들과 함께 빔포밍 모드로 천이한다. 이때, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 빔 패턴들의 성능 측정 값들을 빔 패턴 성능 저장부(130)에 저장하여, 빔포밍 모드에서 이를 이용할 수 있도록 한다.

빔포밍 모드에서, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 상기 획득한 빔 패턴에 대한 성능 평가 결과를 이용하여 최적 성능을 얻을 수 있는 빔 패턴을 형성한다(S305).

즉, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 최적의 빔 패턴을 결정하고, 그에 대한 빔 패턴 정보를 안테나 제어부(140)로 전달하여 최적 빔 패턴이 형성되도록 한다.

이후, 안테나 제어부(140)는 해당 최적 빔 패턴을 사용해서 규격에서 정해진 절차에 따라, 모뎀(200)을 통한 상대 노드와의 데이터 송수신을 수행한다(S306).

한편, 데이터 송수신 중에 채널 환경이 바뀌어 사용 중인 빔 패턴이 요구되는 성능을 만족하지 못할 수 있다. 따라서, 빔 패턴 성능 측정부(120)는 데이터 송수신을 수행하면서 지속적으로 빔 패턴에 대한 성능 평가를 수행한다(S307).

이때, 빔 패턴 성능 평가는, 수신되는 데이터의 성능 측정값 정보를 이용한다. 만약 빔 패턴 성능 평가의 결과가 미리 정해진 임계값을 만족하면 해당 빔 패턴을 사용하여 지속적으로 데이터 송수신을 수행한다. 반면, 성능 평가의 결과가 임계값을 만족하지 못하면 새로운 빔 패턴을 탐색하기 위하여 빔추적 모드로 천이하여 빔추적 절차를 재수행한다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 빔추적 모드 및 빔포밍 모드에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 빔 추적 상태의 동작 절차를 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 자원 관리 기능을 수행하는 주체(예를 들면, MAC scheduler)로부터 동기 및 자원 할당 정보를 획득한다(S410).

즉, 빔포밍을 하고자 하는 대상이 무선 프레임의 어느 위치에 자원(예: 주파수, 시간 등)을 할당 받았는지에 대한 정보를 획득할 수 있다. 이러한 무선 자원 정보는 무선 시스템마다 다르게 표현될 수 있으며, 그 종류는 한정되지 않는다. 예를 들면, 시분할 다중접속방식(Time Division Multiple Access, TDMA)에서는 자원으로서 시간이 설정되고, 직교주파수분할 다중접속방식(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA)에서는 자원으로서 시간 및 주파수가 설정된다.

이러한 자원 할당 정보를 이용하여 무선 프레임 상의 해당 위치에서 빔 패턴을 설정하고(S420, S430), 그에 따른 성능을 측정하여 평가한다(S440).

이때, 빔 패턴 설정을 위해서는 빔포밍 안테나와의 인터페이스를 통하여 제어 신호를 설정해야 한다. 예를 들어, SPA안테나의 경우에는 제어 신호로서 각 기생 소자 스위치의 ON/OFF 정보를 설정하고, ESPAR안테나의 경우에는 각 기생 소자의 리액턴스 값을 설정할 수 있다. 이처럼, 안테나 설정이 완료되면 해당 빔 패턴을 통해 전송된 데이터의 성능을 측정한다. 측정된 성능 측정값은 메모리(즉, 빔 패턴 성능 저장부(130))에 저장된다.

그런 다음, 사용 가능한 모든 빔 패턴에 대하여 위와 같은 절차가 완료되었는지 판단한다(S450).

상기 판단의 결과로서 모든 빔 패턴에 대한 성능 측정값이 획득되면 빔추적 절차가 완료되며, 모든 빔 패턴에 성능 측정값이 획득되지 않으면 다시 상기 단계 (S410)으로 천이한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 상태의 동작 절차를 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 빔추적 모드로부터 획득한 각 빔 패턴 별 성능 정보를 이용하여 최적의 빔 패턴을 결정한다(S510).

이때, 각 빔 패턴 별 성능 정보는 빔 패턴 성능 저장부(130)에 의해 데이터베이스(DB)에 저장되어 있으며, 이를 획득하여 빔 패턴을 결정할 수 있다.

다음으로, 결정된 빔 패턴에 따라서 안테나 설정이 수행된다(S520).

이후, 해당 빔 패턴에 의한 데이터 송수신이 이루어진다(S530).

이때, 송수신 데이터를 기반으로 성능 측정이 수행되고(S540), 각 성능 측정 후 현재의 빔 패턴의 성능이 해당 서비스를 제공하기 위해 필요한 성능을 만족하는지 평가한다(S550).

상기 평가 결과, 필요 성능을 만족하면 현재의 빔 패턴을 사용하여 계속해서 데이터 송수신을 수행하고, 성능이 만족하지 못하면 빔추적 상태로 천이하여 빔추적 절차를 수행한다.

한편, 이상에서 설명한 바와 같이, 빔추적 모드 및 빔포밍 모드에서는 성능 측정값으로서 각각 RSSI 및 SNR과, PER를 사용한다. 이때, RSSI와 SNR은 채널의 상태를 판단하기 위해 짧은 시간 구간에서 측정이 가능한 파라미터이다. PER은 통계적으로 의미있는 값을 측정하기 위해서는 긴 시간 구간에서 측정이 필요하다.

빔추적 절차에서는 최적의 빔 패턴을 찾기 위해 가능한 많은 빔 패턴을 형성하면서 측정이 이루어지므로, 데이터 송수신이 중단될 경우뿐만 아니라 데이터 송수신 수행 중에도 오류가 발생할 가능성이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)는 빔추적 절차 수행에 따른 데이터 서비스의 끊김을 최소화하기 위해 빔추적 절차를 최소화한다. 이를 위해, 빔추적 절차에서 성능 측정값으로 RSSI나 SNR을 사용하여 짧은 구간에 측정이 가능하도록 한다.

반면, 빔포밍 절차에서는 최적으로 측정된 빔 패턴을 사용하여 데이터 송수신을 수행하면서 성능 측정을 수행하므로, 빔추적 상태에서와 같이 짧은 시간에 성능 측정을 수행해야 하는 조건이 필요하지 않다. 또한 설정되는 변조 및 부호화(Modulation and Coding Scheme, MCS)에 따라서 동일한 SNR값에 대해서 다른 PER값이 얻어지게 된다. 따라서, 실제 데이터 서비스의 QoS 요구사항은 PER값에 의해 정해지므로, 빔포밍 상태에서의 성능 측정은 RSSI/SNR뿐만 아니라 PER에 대해서도 수행되어야 한다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)는 PER값을 검사한다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 빔추적 상태 및 빔포밍 상태에서의 빔 패턴 성능 평가 절차를 상세히 설명하도록 한다.

도 6 및 도 7의 절차를 설명하기에 앞서 각 성능 평가 지수의 산출에 사용되는 파라미터들을 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 서는, 성능 측정 평균값을 계산하기 위한 타임 윈도우(time window)를 짧은 시간 구간 동안 측정하기 위한 타임 윈도우인 W_short와 긴 시간 구간 동안 측정하기 위한 타임 윈도우인 W_long로 설정하였다.

이때, W_short를 RSSI, SNR에 적용하고 W_long 를 PER에 적용하면, RSSI, SNR 및 PER의 평균 값은 다음과 같은 수학식 1에 의해 표현될 수 있다.

상기 수학식 1에서, RSSI(t), SNR(t), PER(t)는 각각 시간 t인 순간의 순시값이고,

은 시간t인 순간의 과거 time window동안의 평균값이다. 여기서,

와

는 시간 t로부터 과거 W_short 동안의 패킷에 대한 평균값이고

는 은 시간 t로부터 과거 W_long 동안의 패킷에 대한 평균값이다. 이렇게 구해지는 각 성능 측정값을 이용한 각 빔 패턴의 성능평가 지수(PM: Performance Metric)는 다음의 수학식 2 및 3과 같이 표현될 수 있다.

상기 수학식 2는 빔추적 모드에서의 성능 평가 지수를 의미한다.

상기 수학식 3은 빔포밍 모드에서의 성능 평가 지수를 의미한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔추적 상태에서의 빔 패턴 성능 평가 절차를 설명하기 위한 순서도이다.

도 6에서와 같이, 형성된 빔 패턴으로 안테나가 데이터를 수신하면, 수신된 데이터로부터 RSSI 및 SNR 평균값을 계산한다(S610).

이때, RSSI 및 SNR 평균값은 상기 수학식 1을 사용하여 산출할 수 있다.

이에 따라, 시간 t의 순간이 제1 타임 윈도우인 W_short이상이 되는지 판단한다(S620).

상기 판단의 결과 시간 t가 타임 윈도우 W_short 미만의 시간인 경우 데이터 수신 단계로 천이한다. 이러한 반복된 과정을 통해 수학식 1에 따른 RSSI 및 SNR 평균값을 계산할 수 있다.

다음으로, 시간 t의 순간이 타임 윈도우인 W_short이상라고 판단된 경우, RSSI 및 SNR 평균값에 기초하여 그 성능을 평가한다(S630).

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 상태에서의 빔 패턴 성능 평가 절차를 설명하기 위한 순서도이다.

도 7에서와 같이, 형성된 빔 패턴으로 안테나가 데이터를 수신하면, 수신된 데이터로부터 RSSI, SNR 및 PER의 평균값을 계산한다(S710).

이에 따라, 시간 t의 순간이 제1 타임 윈도우인 W_short이상이 되는지 판단한다(S720).

다음으로, 시간 t의 순간이 제1 타임 윈도우 W_short이상라고 판단된 경우, RSSI 및 SNR 평균값에 기초하여 그 성능을 평가한다(S730).

한편, PER의 평균값은 시간 t의 순간이 제2 타임 윈도우인 W_long 이상이 되는지 판단한다(S740).

상기 판단의 결과 시간 t가 제2 타임 윈도우 W_long 미만의 시간인 경우 데이터 수신 단계로 천이한다. 이러한 반복된 과정을 통해 수학식 1에 따른 PER 평균값을 계산할 수 있다.

다음으로, 시간 t의 순간이 제2 타임 윈도우 W_long 이상라고 판단된 경우, PER평균값에 기초하여 그 성능을 평가한다(S750).

이상, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)를 통한 빔포밍 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 능동 안테나 2: 기생 안테나
100: 빔포밍 장치 200: 모뎀
300: 빔포밍 안테나 110: 동기/자원 관리부
120: 빔 패턴 성능 측정부 130: 빔 패턴 성능 저장부
140: 안테나 제어부

Claims

컴팩트 다중 입출력 안테나를 포함하는 단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 장치에 있어서,
상기 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔 설정을 변경하며 각 빔 패턴 별 제1성능 측정값을 측정하는 빔추적 모드, 및 상기 제1 성능 측정값에 기초하여 최적의 빔 패턴을 선택하는 빔포밍 모드를 처리하는 빔 패턴 성능 측정부; 및
상기 선택된 최적 빔 패턴의 정보에 기초하여 상기 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔을 형성하는 안테나 제어부를 포함하며,
상기 빔 패턴 성능 측정부는,
상기 빔포밍 모드에서 상기 최적의 빔 패턴의 성능을 지속적으로 검사하여 제2 성능 측정값을 측정하고, 상기 제2 성능 측정값이 임계값 이하가 되면 상기 빔추적 모드를 재수행하되,
상기 빔 패턴 성능 측정부는 데이터 손실 및 QoS 만족도 파악을 고려하여, 상기 빔추적 모드에서의 타임 윈도우인 제1 타임 윈도우보다, 상기 빔포밍 모드에서의 타임 윈도우인 제2 타임 윈도우를 상대적으로 길게 설정하고, 상기 빔추적 모드에서 상기 제1 타임 윈도우에 따라 상기 제1 성능 측정값을 측정하고, 상기 빔포밍 모드에서 상기 제2 타임 윈도우에 따라 상기 제2 성능 측정값을 측정하는 빔포밍 장치.
제1항에 있어서,
상기 컴팩트 다중 입출력 안테나는,
하나의 RF 전원에 연결된 능동안테나와,
하나 이상의 수동 안테나를 포함하고,
상기 수동 안테나는,
가변 부하와 연결된 것
인 빔포밍 장치.
제2항에 있어서,
상기 가변 부하는,
가변 리액턴스 부하, 스위치, 가변 저항, 가변 임피던스 중 어느 하나인 것
인 빔포밍 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 성능 측정값은,
상기 제1 타임 윈도우에 따라 측정된 수신 전계 강도 및 신호대 잡음비를 토대로 산출하는 것
인 빔포밍 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 성능 측정값은,
상기 제2 타임 윈도우에 따라 측정된 수신 전계 강도, 신호대 잡음비 및 패킷 에러율을 토대로 산출하는 것
인 빔포밍 장치.
하나의 능동 안테나와 하나 이상의 수동안테나를 포함하는 컴팩트 다중 입출력 안테나를 이용하는 단일 RF 체인에 기반한 빔포밍 방법에 있어서,
상기 컴팩트 다중 입출력 안테나의 빔 설정을 변경하여 빔 패턴을 형성하고, 형성된 각 빔패턴에 대하여 제1 성능 측정값을 측정하고, 측정된 제1 성능 측정값을 데이터 베이스에 저장하는 빔추적 단계; 및
상기 데이터 베이스에 저장된 제1 성능 측정값을 토대로 최적 빔패턴을 탐지하여 최적 빔패턴을 형성하고, 형성된 빔패턴을 이용하여 데이터를 전송하고, 최적 빔패턴의 제2 성능 측정값을 상기 데이터 베이스에 저장하는 빔포밍 단계;를 포함하고,
데이터 손실 및 QoS 만족도 파악을 고려하여, 상기 빔추적 단계에서의 타임 윈도우인 제1 타임 윈도우보다, 상기 빔포밍 단계에서의 타임 윈도우인 제2 타임윈도우를 상대적으로 길게 설정하고, 상기 제1 타임 윈도우에 따라 상기 제1 성능 측정값을 측정하고, 상기 제2 타임 윈도우에 따라 상기 제2 성능 측정값을 측정하는 것
을 특징으로 하는 빔포밍 방법.
제6항에 있어서,
상기 제1 성능 측정값은,
설정된 제1 타임 윈도우에 따라 측정된 수신 전계 강도 및 신호대 잡음비를 토대로 산출하고,
상기 제2 성능 측정값은,
상기 제1 타임 윈도우보다 길게 설정된 제2 타임 윈도우에 따라 측정된 수신 전계 강도, 신호대 잡음비 및 패킷 에러율을 토대로 산출하는 것
인 빔포밍 방법.
제6항에 있어서,
상기 빔추적 단계는,
(1) 자원 관리 기능을 수행하는 주체로부터 동기 및 자원 할당 정보를 획득하는 단계;
(2) 성능 평가할 빔패턴을 결정하는 단계;
(3) 상기 결정된 빔패턴에 따라 상기 수동 안테나의 설정을 변경하는 단계; 및
(4) 상기 변경된 수동 안테나의 설정에 대하여 제1 성능 측정값을 측정하여 데이터 베이스에 저장하는 단계;
를 포함하되,
상기 단계 (1) 내지 단계 (4)는 모든 수동 안테나의 설정에 대하여 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는
빔포밍 방법.
제6항에 있어서,
상기 빔포밍 단계는,
(a) 상기 데이터 베이스에 저장된 제1 성능 측정값 중 가장 높은 값을 가지는 빔패턴을 최적 빔패턴으로 결정하는 단계;
(b) 상기 결정된 최적 빔패턴에 따라 상기 수동 안테나의 설정을 변경하는 단계;
(c) 상기 변경된 수동 안테나의 설정을 이용하여, 데이터를 송수신하는 단계;
(d) 상기 변경된 수동 안테나의 설정에 대하여 제2 성능 측정값을 측정하여 데이터 베이스에 저장하는 단계; 및
(e) 상기 데이터 베이스에 저장된 제2 성능 측정값을 토대로 최적 빔패턴의 성능을 측정하는 단계;
를 포함하는 빔포밍 방법.
제9항에 있어서,
상기 빔포밍 단계는,
상기 빔추적 단계를 더 포함하고,
상기 측정된 최적 빔패턴의 제2 성능 측정값이 임계값 이하인 경우에,
상기 빔추적 단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는
인 빔포밍 방법.