KR102043141B1 - 무선통신 시스템에서 적응적 빔포밍 이득 조정 장치 및 방법 - Google Patents

무선통신 시스템에서 적응적 빔포밍 이득 조정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서 빔포밍 이득 조정에 관한 것으로, 통신 노드의 동작은, 빔포밍 이득을 조정할 것을 결정하는 과정과, 빔 폭의 변경을 통해 상기 빔포밍 이득을 조정하는 과정과, 조정된 빔포밍 이득에 따라 신호를 송신 또는 수신하는 과정을 포함한다.

Description

무선통신 시스템에서 적응적 빔포밍 이득 조정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ADAPTIVE BEAMFORMING GAIN CONTROL IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선통신 시스템에 관한 것이다.
무선 통신 시스템의 송신단은 안테나를 이용하여 전기적 신호를 발생시키고, 수신단은 무선채널을 통하여 상기 송신단에서 발생시킨 전기적 신호를 수신한다. 송수신 안테나에서의 빔포밍 이득(Beamforming Gain)을 통해서 얻을 수 있는 수신단에서의 수신 신호의 이득을 모델로서 송신기와 수신기가 충분히 먼 거리에 존재(Far-field)하는 Friis 식이 흔히 사용된다. 도 1은 종래의 무선통신 시스템의 송신단(110) 및 수신단(120)을 도시하고 있다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, Gt의 빔포밍 이득을 가지는 송신단 안테나 및 Gr의 빔포밍 이득을 가지는 수신단 안테나가 거리 d 만큼 떨어져 있는 경우, 상기 Friss 식은 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112013018127861-pat00001
상기 <수학식 1>에서, 상기 Pr는 수신 신호의 전력, 상기 Pt는 송신신호의 전력, 상기 Gt는 송신기의 안테나 이득, 상기 Gr는 수신기의 안테나 이득, 상기 λ는 파장의 길이, 상기 d는 송신기와 수신기 사이의 거리를 의미한다. 상기 송신기의 안테나 이득은 송신 빔포밍 이득, 상기 수신기의 안테나 이득은 수신 빔포밍 이득이라 지칭될 수 있다.
상기 <수학식 1>은 자유 공간(Free space)에서 적용 가능한 식이다. 따라서, 실제 시스템에 적용 시, 무선 채널의 특성에 따라 약간의 변형이 가해질 수 있다. 상기 <수학식 1>을 통해, 수신기에서 수신되는 전력은 송신기와 수신기의 안테나의 이득 값에 비례함이 나타난다. 상기 Friss 수식을 통해, 송신 전력, 송신 빔포밍 및 수신 빔포밍 이득 값을 높이면, 수신단에서의 수신 신호의 품질을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 2은 종래의 무선통신 시스템에서 빔훈련(Beam training)을 도시하고 있다. 상기 도 2에서, 기지국(BS : Base Station)(210)에서의 빔포밍 이득 값은 GBS로, 사용자국(MS : Mobile station, UE : User Equipment)(220)에서의 빔포밍 이득 값은 GMS로 표현되었다. 상기 도 2를 참고하면, 상기 기지국(210) 및 상기 사용자국(220) 간의 송신 신호 및 수신 신호의 효율을 높이기 위해서, 특정 방향으로 지향성을 가지는 상기 기지국(210)의 신호 및 상기 사용자국(220)의 신호의 방향을 일치시키는 과정이 필요하다. 일반적으로, 상기 신호의 방향을 일치시키는 과정은 '빔 훈련(beam training)'이라 지칭된다. 상기 빔 훈련은 송신 신호의 방향과 수신 신호의 방향이 정확히 일치하도록 함으로써, 상기 도 1을 참고하여 설명한 Friss 식에서의 수신 신호의 전력 값을 최대화하고자 하는 절차이다.
상기 도 2를 참고하여 하향링크에서의 빔 훈련 절차를 설명하면 다음과 같다. 고정된 빔포밍 이득인 GBS를 가지는 상기 기지국(210)은 고유한 방향으로 고유한 시퀀스(Sequence)를 송신한다. 상기 시퀀스는 각각 빔 인덱스(Index)와 1:1로 매핑(Mapping)되며, 상기 사용자국(220)에서는 어느 방향에서 오는 빔이 가장 좋은 빔인지를 구분할 수 있다. 상기 사용자국(220)은 상기 기지국(210)의 하나의 빔 인덱스에 대해서 고정된 빔포밍 이득인 GMS를 가지는 다수의 방향들로 빔을 수신한 후, 어느 방향에서 빔을 수신할 경우 가장 높은 전력의 신호를 수신할 수 있는지를 판단한다. 상술한 절차는 상향링크에서도 동일하게 적용될 수 있다. 이 경우, 송신단은 상기 사용자국(220)이 되고, 수신단은 상기 기지국(210)이 된다. 예를 들면, 상기 도 2와 같이, 상기 기지국(210)은 5개의 빔 인덱스들 1 내지 5(211 내지 215)를 가지고, 상기 사용자국(220)은 3개의 빔 인덱스들 1 내지 3(221 내지 223)을 가질 경우, 상기 기지국(210)의 빔_3(213)과 상기 사용자국(220)의 빔_2(222)가 마주보고 있으므로, 상기 기지국(210)의 빔_3(213)과 상기 사용자국(220)의 빔_2(222)의 조합이 수신단에서의 수신 전력을 최대화한다.
상술한 빔 훈련을 통해서, 수신단에서의 수신 전력이 최대가 되도록 송신단의 최적의 빔 인덱스와 수신단에서의 최적의 빔 인덱스가 결정될 수 있다. 상술한 빔 훈련 절차는 주기적(Periodic) 또는 필요에 따라(Event-driven) 실시될 수 있다. 일반적으로, 사용자국이 이동성이 있을 경우에는 주기적으로 실시하게 되며, 이 경우, 짧은 주기로 실시할 경우, 오버헤드는 매우 크다. 따라서, 빔 훈련 시, 보다 효과적으로 전력의 최대화를 이룰 수 있다면, 빔 훈련 절차로 인한 오버헤드가 감소될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예는 무선통신 시스템에서 효율적인 빔 포밍을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예는 무선통신 시스템에서 빔 훈련 절차로 인한 오버헤드랄 감소시키기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 무선통신 시스템에서 빔 이득을 조정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 통신 노드의 동작 방법은, 빔포밍 이득을 조정할 것을 결정하는 과정과, 빔 폭의 변경을 통해 상기 빔포밍 이득을 조정하는 과정과, 조정된 빔포밍 이득에 따라 신호를 송신 또는 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 통신 노드의 동작 방법은, 상대방 노드의 빔포밍 이득을 조정할 것을 결정하는 과정과, 빔포밍 이득 조정을 지시하는 메시지를 상기 상대방 노드로 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 통신 노드 장치는, 빔포밍 이득을 조정할 것을 결정하고, 빔 폭의 변경을 통해 상기 빔포밍 이득을 조정하는 제어부와, 조정된 빔포밍 이득에 따라 신호를 송신 또는 수신하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제4견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 통신 노드 장치는, 상대방 노드의 빔포밍 이득을 조정할 것을 결정하는 제어부와, 빔포밍 이득 조정을 지시하는 메시지를 상기 상대방 노드로 송신하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
무선 통신시스템에서 적응적으로 빔포밍의 이득을 제어함으로써, 빔포밍으로 인한 성능 향상이 최대화된다.
도 1는 종래의 무선통신 시스템의 송신단 및 송신단을 도시하는 도면,
도 2은 종래의 무선통신 시스템에서 빔훈련(Beam training)을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔 폭 및 빔포밍 이득의 관계를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔포밍 관련 능력 정보 제공을 위한 신호 교환을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 상향링크 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 신호 교환을 도시하는 도면,
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 하향링크 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 신호 교환을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 사용자국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 사용자국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔포밍 방식에 따른 빔포밍 장치의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 통신 노드의 동작 절차를 도시하는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우, 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 무선통신 시스템에서 보다 효율적으로 빔 포밍을 수행하기 위한 기술에 대해 설명한다. 이하 본 발명은 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)/OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식의 무선통신 시스템을 예로 들어 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 빔 훈련 절차를 통해서 빔의 인덱스가 결정되면, 송신단 또는 수신단은 빔의 방향을 바꾸지 아니하고, 빔포밍 이득을 조정할 수 있다. 상기 빔포밍 이득을 조정하기 위해, 상기 송신단 또는 상기 수신단은 빔 폭을 제어함으로써 상기 빔포밍 이득을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔 폭 및 빔포밍 이득의 관계를 도시하고 있다.
상기 도 3을 참고하면, 기지국(310)에서 WBS1의 빔 폭에 대응되는 빔포밍 이득 값은 GBS1, WBS2의 빔 폭에 대응되는 빔포밍 이득 값은 GBS2로 표현된다. 또한, 사용자국(320)에서 WMS1의 빔 폭에 대응되는 빔포밍 이득 값은 GMS1, WMS2의 빔 폭에 대응는 빔포밍 이득 값은 GMS2, WMS3의 빔 폭에 대응되는 빔포밍 이득 값은 GMS3로 표현된다. 이때, 'WBS1 > WBS2', 'GBS1 < GBS2' 의 관계가 성립되고, 'WMS1 > WMS2 > WMS2', 'GMS1 < GMS2 < GMS3'의 관계가 성립한다. 즉, 빔 폭 및 빔포밍 이득은 서로 반비례의 관계를 가진다.
빔 훈련에 적용되는 상기 기지국(310)에서의 고정된 빔포밍 이득 값을 GBS1이라고 하고, 상기 사용자국(320)에서의 고정된 빔포밍 이득 값을 GMS1이라고 가정한다. 상기 기지국(310) 및 상기 사용자국(320)은 빔포밍 이득 GBS1 및 GMS1의 상태로 빔 인덱스들을 결정한다. 빔 인덱스들이 결정된 후, 상기 기지국(310) 및 상기 사용자국(320)은 빔 폭을 조정함으로써, 빔포밍 이득 값을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 기지국(310)이 빔 폭을 WBS2으로 조정하면, 빔포밍 이득이 GBS2로 증가한다. 또한, 상기 사용자국(320)이 빔 폭을 WMS3로 조정하면, 빔포밍 이득이 GMS3로 증가한다. 빔포밍 이득이 커지면, 수신단에서의 수신 전력값은 더 커지게 된다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 빔 폭을 조정하여 적응적으로 빔포밍 이득 값을 조정하는 기법을 제시한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기지국 및 상기 사용자국은 빔 폭을 조정함으로써 빔포밍 이득을 조정할 수 있다. 상기 빔포밍을 통해 형성되는 빔은 안테나 별 위상의 변경을 통해 이루어지므로, 상기 빔 폭의 조정 역시 안테나 별 위상의 변경을 통해 이루어진다. 따라서, 상기 빔 폭을 조정하기 위해, 상기 사용자국은 빔 폭에 대응하는 다수의 위상 조합들의 집합(set)을 보유하고 있어야한다. 디지털 빔포밍의 경우, 상기 위상 조합은 프리코딩 행렬(precoding matrix)로 지칭될 수 있다.
상기 위상 조합들의 집합은 사용자국에 미리 저장되어 있을 수 있다. 또는, 상기 위상 조합들의 집합은 기지국으로부터 시스템 정보로서 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 위상 조합들의 집합은 기지국의 제어에 따라 변경될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔포밍 관련 능력 정보 제공을 위한 신호 교환을 도시하고 있다.
상기 도 4를 참고하면, 상기 빔 포밍 관련 능력에 대한 정보 제공 절차는 3개의 단계들(401, 403, 405)를 포함한다. 상기 3개의 단계들 중, 401단계 및 405단계 중 하나는 생략 가능하지만, 403단계 절차를 통해서 기지국은 사용자국의 빔 포밍 관련 능력을 획득해야 한다. 상기 도 4에 도시된 빔 포밍 관련 능력에 대한 정보 제공 절차는 망 진입(network entry) 절차의 일부로서 수행될 수 있다. 특히, 상기 도 4에 도시된 빔 포밍 관련 능력에 대한 정보 제공 절차는 망 진입 절차 중 능력 협상(capability negotiation)의 일부로서 수행될 수 있다. 상기 도 4에 도시된 각 단계를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
401단계에서, 기지국(410)은 사용자국(420)으로 빔 포밍 관련 능력에 대한 정보를 요구한다. 즉, 상기 기지국(410)은 능력 메시지 요청(capability message request)를 송신한다. 상기 능력 메시지 요청은 요청하는 항목을 지시한다. 예를 들어, 상기 능력 메시지 요청은 하기 <표 1>에 나타난 필드를 포함할 수 있다.
필드 내용
빔포밍 능력 관련 정보 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 관련 정보
다른 예로, 상기 능력 메시지 요청은 하기 <표 2>에 나타난 필드들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
필드 내용
빔포밍 이득 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 이득에 대한 정보 요청
빔 개수 사용자국이 지원 가능한 빔 방향 개수에 대한 정보 요청
403단계에서, 상기 사용자국(420)은 빔 포밍 관련 능력에 대한 정보를 상기 기지국(410)으로 전송한다. 다시 말해, 상기 사용자국(420)은 능력 메시지 응답(capability message response)를 송신한다. 상기 능력 메시지 응답은 빔포밍 이득의 조정 범위에 대한 정보를 포함한다. 예를 들어, 상기 능력 메시지 응답은 하기 <표 3>, 하기 <표 4>, 또는, 하기 <표 5>에 나타난 필드들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
필드 내용
빔 개수 사용자국이 지원 가능한 빔 방향 개수
최대 빔포밍 이득 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 이득의 최대값
최소 빔포밍 이득 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 이득의 최소값
빔포밍 이득 단계 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 이득들 간 이득 차이 값
필드 내용
빔 개수 사용자국이 지원 가능한 빔 방향 개수
빔포밍 이득의 유효 개수 사용자국이 지원 가능한 빔포밍 이득 개수
GMS1 첫번째 빔포밍 이득 값
...
GMSN N번째 빔포밍 이득 값
필드 내용
빔 개수 사용자국이 지원 가능한 빔 방향 개수
빔 포밍 프리코딩 행렬(precoding matrix) 사용자국이 지원 가능한 프리코딩 행렬 집합(set)
405단계에서, 상기 기지국(410)은 상기 사용자국(420)으로 빔 포밍 관련 인덱스 정보를 알린다. 다시 말해, 상기 기지국(410)은 능력 메시지 확인(capability message confirm)을 송신한다. 예를 들어, 상기 능력 메시지 확인은 하기 <표 6> 또는 하기 <표 7>에 나타난 필드들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
필드 내용
빔 인덱스 개수 사용자국의 빔 개수에 매핑되는 인덱스 개수
빔포밍 이득 인덱스 개수 사용자국의 빔포밍 이득 개수에 매핑되는 인덱스 개수
필드 내용
빔 인덱스 개수 사용자국의 빔 개수에 매핑되는 인덱스 개수
빔 포밍 프리코딩 행렬 집합의 인덱스 사용자국이 지원 가능한 프리코딩 행렬 집합(set)의 인덱스
상기 도 4에 도시된 절차와 상기 기지국(410)은 상기 사용자국(420)의 사용 가능한 빔의 개수 및 빔포밍 이득 값의 개수와 이득 값을 획득하거나, 또는, 빔포밍을 위한 프리코딩 행렬에 관한 정보를 획득함으로써, 적응적으로 상기 사용자국(420)의 빔포밍 이득 값을 제어할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 상향링크 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 신호 교환을 도시하고 있다.
기지국(510) 및 사용자국(520)간 빔 훈련이 완료되면, 상기 사용자국(520)에서의 빔 인덱스, 빔포밍 방향, 빔포밍 이득 값 중 적어도 하나가 결정된다. 상기 빔 인덱스는 상기 기지국(510) 및 상기 사용자국(520) 간 사전에 약속된 빔포밍 방향 및 빔포밍 이득 값을 나타낼 수 있다. 상기 빔 훈련 절차를 통해 결정된 빔 방향 및 빔포밍 이득 값은 사용자국(520)에서 기지국(510)으로의 신호 전송 시 적용되며, 다음 번 빔 훈련 과정을 실시하기 전까지는 상기 빔 인덱스는 변하지 아니한다.
상향링크 데이터 전송시, 상기 사용자국(520)은 특정 빔 방향, 특정 빔포밍 이득 값(GMS _T) 및 특정 전력 값(PMS)으로 신호를 전송한다. 상기 사용자국(520)에서의 빔포밍 이득은 빔포밍 종류에 따라 고정된 값이므로, 상기 사용자국(520)은 송신 전력 값을 조정함으로서 상기 기지국(510)에서의 수신 신호 품질을 향상시킬 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 사용자국(520)에서 지향성 안테나(Directional Antenna)를 가지고 있을 경우, 상기 사용자국(520)은 상기 전력 값뿐만 아니라 빔포밍 이득 값을 적응적으로 조정할 수 있다.
상기 도 5를 참고하면, 501단계에서, 상기 사용자국(520)은 상기 기지국(510)으로 신호를 송신한다. 이때, 상기 신호의 송신 빔포밍 이득은 GMS _T이다. 그리고, 503단계에서, 상기 기지국(510)은 수신 신호 품질을 산출한다. 상기 수신 신호 품질은 수신 신호 세기(RSS : Received Signal Strength), SNR(Signal-to-noise Ratio), SIR(Signal-to-Interference Ratio), SINR(Signal-to-interference and noise ratio), BER(Bit Error rate), PER(Packet Error Rate) 등이 될 수 있고, 또는, 상기 RSS, 상기 SNR, 상기 SIR, 상기 SINR, 상기 BER, 상기 PER들의 평균적인 변화량을 나타내는 편차 값(deviation)이나 분산 값(variance)이 될 수도 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 신호 품질은 사용자국의 이동성을 나타내는 값으로서, 이동 속도 또는 위치의 변화 값일 수 있다.
이후, 505단계에서, 상기 기지국(510)은 상기 사용자국(520)으로 송신 빔포밍 이득을 증가할 것 또는 감소할 것을 지시하는 빔포밍 이득 제어(beamforming gain control) 메시지를 전송한다. 예를 들어, 상기 사용자국(520)으로부터 무선 신호를 수신한 기지국(510)은 상기 수신 신호 품질이 일정 임계값(Threshold)보다 작아서, 수신 신호 품질을 향상시킬 수 있다고 판단한 경우, 상기 기지국(510)은 상기 사용자국(520)으로 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을 지시하는 빔포밍 이득 제어 메시지를 전송한다. 반대로, 상기 수신 신호 품질이 일정 임계값(Threshold) 보다 크다고 판단되면, 상기 사용자국(520)으로 빔포밍 이득을 조정하지 않거나, 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을 지시하는 빔포밍 이득 제어 메시지를 전송한다. 상기 βt는 실수 값을 가지며, 이득을 조정하지 아니하는 경우 '0' 값으로 설정될 수 있다. 상기 송신 빔포밍 이득을 높이거나 낮출 경우, 송신 빔포밍 이득의 증감량을 표현하기 위해 dB(Decibel) 단위가 사용될 수 있다.
또한, 상기 빔포밍 이득 제어 메시지는 BGC(Beamforming Gain control) 정보를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 BGC 정보는 하나 이상의 비트로 구성된다. 예를 들어, 상기 BGC 정보가 1 비트로 구성되는 경우, '0'은 송신 빔포밍 이득을 낮출 것을, '1'은 빔포밍 이득을 높일 것을 지시하도록 정의될 수 있다. 다른 예로, 상기 BGC 정보가 2 비트로 구성되는 경우, '00'은 송신 빔포밍 이득을 낮출 것을,'11'은 송신 빔포밍 이득을 높일 것을, '01' 및 '10'는 송신 빔포밍 이득을 유지할 것을 지시하도록 정의될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 BGC 정보다 다수의 비트들로 구성되는 경우, 다수의 비트 조합들에 대하여 빔포밍 이득의 절대적인 값들이 할당될 수 있다. 예를 들어, 상기 BGC 정보가 3 비트로 구성되는 경우, '000'은 0[dB], '001'은 +1[dB], '010'은 +2[dB], '011'은 +3[dB], '100'은 -1[dB], '101'은 -2[dB], '110'은 -3[dB]를 지시하도록 정의될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 <표 6>에 나타난 "빔포밍 이득 인덱스 개수" 필드가 사용된 경우, 특정 비트열에 특정 빔포밍 이득 값이 할당될 수 있다. 예를 들어, '00'은 0[dB], '01'은 5[dB], '10'은 10[dB], '11'은 20[dB]를 할당받을 수 있다.
또한, 상기 βt를 이용하여 빔포밍 이득을 조정할 경우, 실제 사용자국에서 전송하는 신호의 방향이 바뀔 수도 있으므로, 빔포밍 이득뿐 아니라 원래 빔 훈련에서 결정된 빔 방향을 더 정확하게 조정할 수 있는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터 αt를 함께 전송할 수도 있다. 상기 미세 방향 제어 파라미터 αt는 방향 및 각도 중 적어도 하나를 나타내는 정보이거나, 또는, 기지국 및 사용자국 간 미리 약속된 방향 및 각도 중 적어도 하나를 나타내는 인덱스 값일 수 있다. 상기 αt의 구체적인 값은, 상기 αt의 적용으로 인해 빔 훈련 과정에서 결정된 빔의 방향을 크게 변경함 없이, 상기 βt에 의한 빔포밍 이득 조정으로 인해 발생하는 빔 방향의 오차값을 조정하는 정도의 값으로 결정됨이 바람직하다.
또한, 상기 βt, 상기 αt 에 따라 송신 전력 값(PMS)이 변경될 수 있으므로, 상기 전력 값의 변화량 △P에 대한 정보 또한 상기 빔포밍 이득 제어 신호에 포함될 수 있다. 이때, 상기 βt, 상기 αt, 상기 △P 값을 직접 전송하지 않고, 다른 형식의 값들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 βt, 상기 αt, 상기 △P를 조정하기 위해서 상기 기지국 및 상기 사용자국 간 미리 약속된 빔 포밍 이득 및 방향에 맵핑(mapping) 된 인덱스를 이용하거나, 또는, 프리코딩 행렬의 인덱스를 이용할 수도 있다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 βt, 상기 αt, 상기 △P를 직접 송신하는 대신, 상기 인덱스를 송신할 수 있다. 상기 프리코딩 행렬은 디지털단에서 디지털 신호의 크기 및 위상을 조절하거나, 안테나의 바로 앞단에서 아날로그 신호의 크기 및 위상을 조절할 수 있는 값들로 구성될 수 있다.
이후, 507단계에서, 상기 사용자국(520)은 상기 기지국(510)의 지시에 따라 조정된 송신 빔포밍 이득으로 신호를 송신한다. 즉, 상기 송신 빔포밍 이득은 GMS _T-βt 또는 GMS _T+βt이다. 예를 들어, 상기 사용자국(520)은 송신 빔포밍 이득을 증가시키는 경우 송신 빔의 폭을 감소시키고, 상기 송신 빔 포밍 이득을 감소시키는 경우 송신 빔의 폭을 증가시킨다. 다시 말해, 상기 사용자국(520)은 변경된 빔 폭에 따라 송신 빔을 형성한다.
상기 도 5를 참고하여 설명한 실시 예에서, 상기 기지국(510)은 수신 신호 품질을 높이고자 하는 경우 상기 사용자국(520)의 송신 빔포밍 이득을 증가시킨다. 그러나, 통신 환경에 따라, 상기 송신 빔포밍 이득을 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 신호 품질을 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 상기 신호 품질 및 상기 임계치의 비교 결과와 송신 빔포밍 이득 증가/감소 간 상관 관계는 통신 환경에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 상관 관계는 상기 기지국(510) 및 상기 사용자국(520)의 무선 채널이 LOS(Line Of Sight) 환경인지 또는 NLOS(Non-LOS) 환경인지에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 기지국(510) 및 상기 사용자국(520)의 무선 채널이 LOS 환경인 경우, 송신 빔포밍 이득을 높이는 것, 즉, 빔 폭을 좁히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 반면, 상기 무선 채널이 NLOS 환경인 경우, 일정 범위 내에서 송신 빔포밍 이득이 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 빔 폭이 넓어지면 다중 경로(multi-path) 수가 증가할 수 있기 때문이다. 상기 LOS 및 상기 NLOS 여부는 채널의 변화량을 이용하여 판단될 수 있다. 따라서, 상기 도 5에 도시되지 아니하였으나, 상기 기지국(510)은 상기 채널의 변화량을 특정 임계치와 비교함으로써, 상기 LOS 및 상기 NLOS 여부를 판단하고, 판단 결과에 대응하는 상관 관계에 따라 상기 송신 빔포밍 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 상기 상관 관계는 상기 사용자국(520)의 이동 속도에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 사용자국(520)의 이동 속도가 특정 임계치보다 작은 경우, 송신 빔포밍 이득을 높이는 것, 즉, 빔 폭을 좁히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 반면, 상기 사용자국(520)의 이동 속도가 특정 임계치보다 큰 경우, 일정 범위 내에서 송신 빔포밍 이득이 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 상기 기지국(510)은 상기 사용자국(520)에 의해 측정 및 보고되는 위치 정보에 기초하거나, 또는, 채널 변화량에 기초하여 상기 사용자국(520)의 이동 속도를 판단할 수 있다. 따라서, 상기 도 7에 도시되지 아니하였으나, 상기 기지국(510)은 상기 사용자국(520)의 이동 속도를 추정하고, 상기 이동 속도를 특정 임계치와 비교한 후, 비교 결과에 대응하는 상관 관계에 따라 상기 송신 빔포밍 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 하향링크 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 신호 교환을 도시하고 있다.
하향링크 데이터 전송 시, 기지국(610)은 신호를 전송하고, 사용자국(620)은 특정 빔 방향 및 특정 수신 빔포밍 이득 값(GMS _R)으로 신호를 수신한다. 이때, 상기 사용자국(620)에서 지향성 빔포밍을 사용할 경우, 수신 빔포밍 이득 값을 조정할 수 있다.
상기 도 6을 참고하면, 601단계에서, 상기 기지국(610)은 상기 사용자국(620)으로 신호를 송신한다. 이때, 상기 신호의 수신 빔포밍 이득은 GMS _R이다. 그리고, 603단계에서, 상기 기지국(610)으로부터 무선 신호를 수신한 상기 사용자국(620)은 수신 신호 품질을 측정하고, 상기 수신 신호 품질을 상기 기지국(610)으로 보고한다. 상기 수신 신호 품질은 RSS, SNR, SIR, SINR, BER, PER 등이 될 수 있고, 또는, 상기 RSS, 상기 SNR, 상기 SIR, 상기 SINR, 상기 BER, 상기 PER들의 평균적인 변화량을 나타내는 편차 값이나 분산 값이 될 수도 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 신호 품질은 사용자국의 이동성을 나타내는 값으로서, 이동 속도 또는 위치의 변화 값일 수 있다.
605단계에서, 상기 수신 신호 품질을 보고받은 상기 기지국(610)은 수신 빔포밍 이득을 증가할 것 또는 감소할 것을 지시하는 빔포밍 이득 제어 메시지를 전송한다. 예를 들어, 보고된 수신 신호 품질이 일정 임계값(Threshold)보다 작아서, 수신 신호 품질을 향상시켜야 한다고 판단한 경우, 상기 기지국(610)은 상기 사용자국(620)으로 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βr)할 것을 지시하는 빔포밍 이득 제어 메시지를 전송한다. 반면, 상기 수신 신호 품질이 일정 임계값(Threshold) 보다 크다고 판단되면, 상기 기지국(610)은 상기 사용자국(620)으로 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βr)할 것을 지시하는 수신 빔포밍 이득 제어 메시지를 전송한다. 상기 βr은 실수 값을 가지며, 이득을 조정하지 아니하는 경우 '0' 값으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 βr를 이용하여 빔포밍 이득을 조정할 경우, 실제 사용자국에서 전송하는 신호의 방향이 바뀔 수도 있으므로, 빔포밍 이득뿐 아니라 원래 빔 훈련에서 결정된 빔 방향을 더 정확하게 조정할 수 있는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터 αr을 함께 전송할 수도 있다. 상기 미세 방향 제어 파라미터 αr는 방향 및 각도 중 적어도 하나를 나타내는 정보이거나, 또는, 기지국 및 사용자국 간 미리 약속된 방향 및 각도 중 적어도 하나를 나타내는 인덱스 값일 수 있다. 상기 αr의 구체적인 값은, 상기 αr의 적용으로 인해 빔 훈련 과정에서 결정된 빔의 방향을 크게 변경함 없이, 상기 βr에 의한 빔포밍 이득 조정으로 인해 발생하는 빔 방향의 오차값을 조정하는 정도의 값으로 결정됨이 바람직하다.
이때, 상기 βr, 상기 αr 값을 직접 전송하지 않고, 다른 형식의 값들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 βr, 상기 αrd을 조정하기 위해서 상기 기지국 및 상기 사용자국 간 미리 약속된 빔 포밍 이득 및 방향에 맵핑 된 인덱스를 이용하거나, 또는, 프리코딩 행렬의 인덱스를 이용할 수도 있다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 βr, 상기 αr을 직접 송신하는 대신, 상기 인덱스를 송신할 수 있다. 상기 프리코딩 행렬은 디지털단에서 디지털 신호의 크기 및 위상을 조절하거나, 안테나의 바로 앞단에서 아날로그 신호의 크기 및 위상을 조절할 수 있는 값들로 구성될 수 있다.
이후, 607단계에서, 상기 사용자국(620)은 상기 기지국(610)의 지시에 따라 조정된 빔포밍 이득으로 신호를 수신한다. 즉, 상기 수신 빔포밍 이득은 GMS _R-βr 또는 GMS _R+βr이다. 예를 들어, 상기 사용자국(620)은 수신 빔포밍 이득을 증가시키는 경우 수신 빔의 폭을 감소시키고, 상기 수신 빔 포밍 이득을 감소시키는 경우 수신 빔의 폭을 증가시킨다. 다시 말해, 상기 사용자국(620)은 변경된 빔 폭에 따라 수신 빔을 형성한다.
상기 도 6을 참고하여 설명한 실시 예에서, 상기 기지국(610)은 수신 신호 품질을 높이고자 하는 경우 상기 사용자국(620)의 수신 빔포밍 이득을 증가시킨다. 그러나, 통신 환경에 따라, 상기 수신 빔포밍 이득을 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 신호 품질을 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 상기 신호 품질 및 상기 임계치의 비교 결과와 수신 빔포밍 이득 증가/감소 간 상관 관계는 통신 환경에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 상관 관계는 상기 기지국(610)(610) 및 상기 사용자국(620)의 무선 채널이 LOS 환경인지 또는 NLOS 환경인지에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 기지국(610)(610) 및 상기 사용자국(620)의 무선 채널이 LOS 환경인 경우, 수신 빔포밍 이득을 높이는 것, 즉, 빔 폭을 좁히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 반면, 상기 무선 채널이 NLOS 환경인 경우, 일정 범위 내에서 수신 빔포밍 이득이 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 빔 폭이 넓어지면 다중 경로 수가 증가할 수 있기 때문이다. 상기 LOS 및 상기 NLOS 여부는 채널의 변화량을 이용하여 판단될 수 있다. 따라서, 상기 도 9에 도시되지 아니하였으나, 상기 기지국(610)(610)은 상기 채널의 변화량을 특정 임계치와 비교함으로써, 상기 LOS 및 상기 NLOS 여부를 판단하고, 판단 결과에 대응하는 상관 관계에 따라 상기 수신 빔포밍 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
다른 예로, 상기 상관 관계는 상기 사용자국(620)의 이동 속도에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 사용자국(620)의 이동 속도가 특정 임계치보다 작은 경우, 수신 빔포밍 이득을 높이는 것, 즉, 빔 폭을 좁히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 반면, 상기 사용자국(620)의 이동 속도가 특정 임계치보다 큰 경우, 일정 범위 내에서 수신 빔포밍 이득이 낮추는 것, 즉, 빔 폭을 넓히는 것이 수신 세기를 증가시킬 수 있다. 상기 기지국(610)(610)은 상기 사용자국(620)에 의해 측정 및 보고되는 위치 정보에 기초하거나, 또는, 채널 변화량에 기초하여 상기 사용자국(620)의 이동 속도를 판단할 수 있다. 따라서, 상기 도 9에 도시되지 아니하였으나, 상기 기지국(610)(610)은 상기 사용자국(620)의 이동 속도를 추정하고, 상기 이동 속도를 특정 임계치와 비교한 후, 비교 결과에 대응하는 상관 관계에 따라 상기 수신 빔포밍 이득을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
상기 도 5 및 상기 도 6을 참고하여 설명한 본 발명의 실시 예에서, 빔포밍 이득의 증가량/감소량, 빔포밍 이득 값은 dB 단위를 이용하여 직접적으로 표현된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 빔포밍 이득의 증가량/감소량, 상기 빔포밍 이득 값은 빔 폭을 이용하여 표현될 수 있다.
또한, 상기 도 5 및 상기 도 6을 참고하여 설명한 본 발명의 실시 예에서, 빔포밍 이득의 조정 여부는 상기 기지국에 의해 판단된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 사용자국에 의해 상기 빔포밍 이득 조정 여부가 판단될 수 있다. 이 경우, 상기 사용자국은 수신 신호 품질을 임계치와 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 빔포밍 이득 조정 여부를 판단할 수 있다. 빔포밍 이득 조정이 판단된 경우, 상기 사용자국은 사용자국의 빔포밍 이득을 조정하거나, 또는, 상기 기지국으로 기지국의 빔포밍 이득 조정을 요청할 수 있다.
또한, 상기 도 5 및 상기 도 6을 참고하여 설명한 본 발명의 실시 예에서, 상기 기지국이 상기 사용자국으로 빔포밍 이득 조정을 요청한다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 기지국은 상기 사용자국으로 빔포밍 이득 조정을 요청하지 아니하고, 기지국의 빔포밍 이득을 조정할 수 있다.
또한, 상기 도 5 및 상기 도 6을 참고하여 설명한 본 발명의 실시 예에서, 상기 기지국은 신호 품질을 이용하여 빔포밍 이득 조정 여부를 판단한다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 기지국은 상기 사용자국의 이동성을 추정하고, 상기 이동성에 따라 상기 빔포밍 이득 조정 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 상기 이동성은 신호 품질의 변화 정도를 통해 추정되거나, 상기 사용자국의 위치 추정 결과를 통해 추정될 수 있다. 예를 들어, 상기 위치 추정은 GPS(Global Positioning System)을 통해 수행될 수 있다. 즉, 상기 이동성이 큰 경우, 상기 빔포밍 이득 조정, 다시 말해, 빔 폭 감소는 수신 전력 향상에 오히려 방해가 될 수 있다. 따라서, 상기 이동성이 큰 경우, 상기 기지국은 빔포밍 이득을 조정하지 아니할 것을 판단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 7을 참고하면, 상기 기지국은 701단계에서 사용자국으로부터 무선 채널을 통해 신호를 수신한다. 여기서, 상기 사용자국은 빔포밍을 통해 방향성을 가지는 신호를 송신한다. 상기 기지국이 상기 사용자국으로부터의 신호를 수신함에 있어서, 상기 기지국은 수신 빔포밍을 수행할 수 있다.
상기 신호를 수신한 후, 상기 기지국은 703단계로 진행하여 수신 신호에 대한 신호 품질을 측정한다. 예를 들어, 상기 신호는 데이터 전달을 위한 트래픽 신호, 제어 정보 전달을 위한 제어 신호, 채널 추정을 위한 사운딩 신호, 파일럿 신호 중 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 품질은 RSS, SNR, SIR, SINR, BER, PER 중 적어도 하나를 포함하거나, 상기 RSS, 상기 SNR, 상기 SIR, 상기 SINR, 상기 BER, 상기 PER들의 평균적인 변화량을 나타내는 편차 값, 분산 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 신호 품질은 사용자국의 이동성을 나타내는 값으로서, 이동 속도 또는 위치의 변화 값일 수 있다.
이어, 상기 기지국은 705단계로 진행하여 측정된 신호 품질 및 임계치를 비교한다. 여기서, 상기 임계치는 하나 또는 다수일 수 있다. 상기 임계치는 목표하는 수신 신호 품질을 나타낸다.
상기 비교 후, 상기 기지국은 707단계로 진행하여 상기 신호 품질 및 상기 적어도 하나의 임계치와의 비교 결과에 따라 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 제어하는 제어 신호를 송신한다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 송신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 상기 비교 결과 및 상기 송신 빔포밍 이득의 증감 간 상관 관계는 구체적인 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 상관 관계는 사용되는 신호 품질이 무엇인가에 의존할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)하도록 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 반면, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 같은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)하거나, 또는, 유지(0)할 것을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크며, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 큰 경우, 송신 빔포밍 이득을 감소할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송하고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크나, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 작은 경우, 송신 빔포밍 이득을 유지할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)하도록 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 그리고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 같은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)하거나, 또는, 유지(0)할 것을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크며, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 큰 경우, 송신 빔포밍 이득을 증가할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송하고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크나, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 작은 경우, 송신 빔포밍 이득을 유지할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 신호 품질 및 상기 임계치의 비교 결과와 송신 빔포밍 이득 증가/감소 간 상관 관계는 달라질 수 있다. 이에 따라, 상기 기지국은 어떠한 상관 관계에 따라 상기 송신 빔포밍 이득을 제어할지를 판단하기 위해, 상기 사용자국과의 무선 채널이 LOS 환경인지 여부, 또는, 상기 사용자국의 이동 속도가 특정 임계치를 초과하는지 여부를 더 판단할 수 있다.
상술한 실시 예들에서, 송신 빔포밍 이득의 증가 시, 감소 시, 유지 시 모두 제어 메시지가 송신된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 기지국은, 상기 송신 빔포밍 이득의 감소 또는 유지를 고려함 없이, 상기 송신 빔포밍 이득을 증가시키고자 하는 경우에만 상기 제어 메시지를 송신할 수 있다. 즉, 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득 제어는 이득이 증가하는 방식으로만 수행될 수 있다.
또한, 이득의 증감을 지시하는 파라미터에 더하여, 상기 제어 메시지는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터(αt) 및 송신 전력 값의 변화량(△P) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 송신 빔포밍 이득 제어를 위한 사용자국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 8을 참고하면, 상기 사용자국은 801단계에서 무선 채널을 통해 기지국으로 신호를 전송한다. 예를 들어, 상기 신호는 데이터 전달을 위한 트래픽 신호, 제어 정보 전달을 위한 제어 신호, 채널 추정을 위한 사운딩 신호, 파일럿 신호 중 하나일 수 있다.
이후, 상기 사용자국은 803단계로 진행하여 상기 기지국으로부터 송신 빔포밍 이득 조정을 위한 제어 메시지를 수신한다. 상기 제어 메시지는 송신 빔포밍 이득의 증가, 감소 또는 유지를 지시한다. 상기 송신 빔포밍 이득의 증가 또는 감소를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지는 증가량, 감소량, 증가/감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 송신 빔포밍 이득의 유지를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지는 '0'으로 설정된 증가량 또는 감소량, 유지할 것을 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 송신 빔포밍 이득의 유지를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니할 수 있다.
이어, 상기 사용자국은 805단계로 진행하여 상기 제어 메시지에 의해 지시되는 바에 따라 송신 빔포밍 이득을 조정한다. 예를 들어, 상기 제어 메시지가 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 사용자국은 현재 송신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 더한 값으로 송신 빔포밍의 이득을 조정한다. 반면, 상기 제어 메시지에 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 사용자국은 현재 사용자국의 송신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 뺀 값으로 송신 빔포밍의 이득을 조정한다. 또한, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니하거나, 또는, 현재의 송신 빔포밍 이득을 유지(0)할 것이 지시되는 경우, 상기 사용자국은 현재 사용자국의 송신 빔포밍 이득 값을 계속 유지한다.
상기 송신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 파라미터에 더하여, 상기 제어 메시지는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터(αt) 및 송신 전력 값의 변화량(△P) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 사용자국은 빔 방향 및 전력 값을 더 조정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 9를 참고하면, 기지국은 901단계에서 무선 채널을 통해 사용자국으로 신호를 전송한다. 예를 들어, 상기 신호는 데이터 전달을 위한 트래픽 신호, 제어 정보 전달을 위한 제어 신호, 채널 추정을 위한 파일럿 신호, 동기 획득을 위한 동기 신호 중 하나일 수 있다.
이후, 상기 기지국은 903단계로 진행하여 상기 신호에 대하여 상기 사용자국에 의해 측정한 신호 품질의 보고를 수신한다. 예를 들어, 상기 신호 품질의 보고는 상기 기지국으로부터 할당된 피드백 채널을 통해 수신될 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 품질은 RSS, SNR, SIR, SINR, BER, PER 중 적어도 하나를 포함하거나, 상기 RSS, 상기 SNR, 상기 SIR, 상기 SINR, 상기 BER, 상기 PER들의 평균적인 변화량을 나타내는 편차 값, 분산 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 신호 품질은 사용자국의 이동성을 나타내는 값으로서, 이동 속도 또는 위치의 변화 값일 수 있다.
이어, 상기 기지국은 905단계로 진행하여 보고된 신호 품질 및 임계치를 비교한다. 여기서, 상기 임계치는 하나 또는 다수일 수 있다. 상기 임계치는 목표하는 수신 신호 품질을 나타낸다.
상기 비교 후, 상기 기지국은 907단계로 진행하여 상기 신호 품질 및 상기 적어도 하나의 임계치와의 비교 결과에 따라 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 제어하는 제어 신호를 송신한다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 송신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 상기 비교 결과 및 상기 송신 빔포밍 이득의 증감 간 상관 관계는 구체적인 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 상관 관계는 사용되는 신호 품질이 무엇인가에 의존할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βr)하도록 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 반면, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 같은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βr)하거나, 또는, 유지(0)할 것을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크며, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 큰 경우, 수신 빔포밍 이득을 감소할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송하고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크나, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 작은 경우, 수신 빔포밍 이득을 유지할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βr지시하는 제어 메시지를 송신한다. 그리고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 같은 경우, 상기 기지국은 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βr또는, 유지(0)할 것을 지시하는 제어 메시지를 송신한다. 예를 들어, 상기 기지국은 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크며, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 큰 경우, 수신 빔포밍 이득을 증가할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송하고, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크나, 상기 측정된 신호 품질이 또 다른 임계치보다 작은 경우, 수신 빔포밍 이득을 유지할 것을 지시하는 제어 메시지를 전송할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 신호 품질 및 상기 임계치의 비교 결과와 수신 빔포밍 이득 증가/감소 간 상관 관계는 달라질 수 있다. 이에 따라, 상기 기지국은 어떠한 상관 관계에 따라 상기 수신 빔포밍 이득을 제어할지를 판단하기 위해, 상기 사용자국과의 무선 채널이 LOS 환경인지 여부, 또는, 상기 사용자국의 이동 속도가 특정 임계치를 초과하는지 여부를 더 판단할 수 있다.
상술한 실시 예들에서, 수신 빔포밍 이득의 증가 시, 감소 시, 유지 시 모두 제어 메시지가 송신된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 기지국은, 상기 수신 빔포밍 이득의 감소 또는 유지를 고려함 없이, 상기 수신 빔포밍 이득을 증가시키고자 하는 경우에만 상기 제어 메시지를 송신할 수 있다. 즉, 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득 제어는 이득이 증가하는 방식으로만 수행될 수 있다.
또한, 상기 수신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 파라미터에 더하여, 상기 제어 메시지는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터(αr)를 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 수신 빔포밍 이득 제어를 위한 사용자국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 10을 참고하면, 사용자국은 1001단계에서 기지국으로부터 무선 채널을 통해 신호를 수신하고, 수신 신호에 대한 신호 품질을 측정한다. 예를 들어, 상기 신호는 데이터 전달을 위한 트래픽 신호, 제어 정보 전달을 위한 제어 신호, 채널 추정을 위한 사운딩 신호, 파일럿 신호 중 하나일 수 있다.
이어, 상기 사용자국은 1003단계로 진행하여 측정된 신호 품질의 보고를 기지국으로 송신한다. 예를 들어, 상기 신호 품질의 보고는 상기 기지국으로부터 할당된 피드백 채널을 통해 송신될 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 품질은 RSS, SNR, SIR, SINR, BER, PER 중 적어도 하나를 포함하거나, 상기 RSS, 상기 SNR, 상기 SIR, 상기 SINR, 상기 BER, 상기 PER들의 평균적인 변화량을 나타내는 편차 값, 분산 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 신호 품질은 사용자국의 이동성을 나타내는 값으로서, 이동 속도 또는 위치의 변화 값일 수 있다.
이후, 상기 사용자국은 1005단계로 진행하여 상기 기지국으로부터 수신 빔포밍 조정을 위한 제어 메시지를 수신한다. 상기 제어 메시지는 수신 빔포밍 이득의 증가, 감소 또는 유지를 지시한다. 상기 수신 빔포밍 이득의 증가 또는 감소를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지는 증가량, 감소량, 증가/감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 수신 빔포밍 이득의 유지를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지는 '0'으로 설정된 증가량 또는 감소량, 유지할 것을 지시하는 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 수신 빔포밍 이득의 유지를 지시하는 경우, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니할 수 있다.
이어, 상기 사용자국은 1007단계로 진행하여 상기 제어 메시지에 의해 지시되는 바에 따라 수신 빔포밍 이득을 조정한다. 예를 들어, 상기 제어 메시지가 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 사용자국은 현재 수신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 더한 값으로 수신 빔포밍의 이득을 조정한다. 반면, 상기 제어 메시지에 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 사용자국은 현재 사용자국의 수신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 뺀 값으로 수신 빔포밍의 이득을 조정한다. 또한, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니하거나, 또는, 현재의 수신 빔포밍 이득을 유지(0)할 것이 지시되는 경우, 상기 사용자국은 현재 사용자국의 수신 빔포밍 이득 값을 계속 유지한다.
상기 수신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 파라미터에 더하여, 상기 제어 메시지는 빔 방향 조정을 위한 미세 방향 제어 파라미터(αr)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 사용자국은 빔 방향을 더 조정할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 11을 참고하면, 상기 기지국은 통신부(1110), 저장부(1120), 제어부(1130)를 포함한다.
*상기 통신부(1110)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능을 수행한다. 예를 들어, 상기 통신부(1110)는 디지털 블럭 및 RF(Radio Frequency) 블럭을 포함한다. 상기 디지털 블럭은 부호화기, 복호기, DAC(Digital to Analog converter) 등을 포함하며, 상기 RF 블럭은 증폭기(Amplifier), 믹서(Mixer), 오실레이터(oscillator) 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 통신부(1110)는 송신 빔포밍을 위한 구성 요소 및 수신 빔포밍을 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 상기 빔포밍을 위한 구성 요소는 이하 도 13a 내지 이하 도 13c를 참고하여 상세히 설명된다. 상기 저장부(1120)는 상기 기지국이 동작하는데 필요한 프로그램, 설정 정보 등을 저장한다,
상기 제어부(1130)는 상기 기지국의 전반적인 기능들을 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(1130)는 빔 훈련 절차를 수행한다. 또한, 상기 제어부(1130)는 상기 빔 훈련 절차를 통해 결정된 빔 인덱스에 따라 빔포밍을 수행하도록 상기 통신부(1110)를 제어한다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 제어부(1130)는 빔포밍 이득 제어 절차를 수행하고, 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 통해 결정된 이득 값에 따라 빔포밍 이득을 조정하도록 상기 통신부(1110)를 제어한다. 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 위해, 상기 제어부(1130)는 상향링크 신호에 대한 신호 품질을 측정하는 신호품질측정부(1132), 빔포밍 이득의 조정 여부 및 변화량을 결정하는 빔포밍이득결정부(1134), 결정된 변화량을 알리기 위한 제어 메시지를 생성하는 제어메시지처리부(1136)를 포함한다. 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 위한 상기 제어부(1130)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상향링크 빔포밍 이득 제어의 경우, 상기 제어부(1130)는 사용자국으로부터 무선 채널을 통해 수신되는 상향링크 신호에 대한 신호 품질을 측정하고, 측정된 신호 품질 및 임계치를 비교한다. 또한, 하향링크 빔포밍 이득 제어의 경우, 상기 제어부(1130)는 상기 통신부(1110)를 통해 무선 채널을 통해 사용자국으로 신호를 전송한 후, 상기 신호에 대하여 상기 사용자국에 의해 측정한 신호 품질의 보고를 수신한다. 이어, 상기 제어부(1130)는 보고된 신호 품질 및 임계치를 비교한다. 그리고, 상기 제어부(1130)는 상기 신호 품질 및 상기 임계치의 비교 결과에 따라 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득의 증감을 결정하고, 상기 송신 빔포밍 이득의 증감을 지시하는 상기 제어 메시지를 상기 통신부(1110)를 통해 전송한다.
상기 비교 결과 및 상기 송신/수신 빔포밍 이득의 증감 간 상관 관계는 구체적인 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 제어부(1130)는 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우 상기 사용자국의 송신/수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 상기 임계치와 같은 경우 상기 사용자국의 송신/수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)하거나, 유지(0)할 것을 결정한다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 제어부(1130)는 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 작은 경우 상기 사용자국의 송신/수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을, 상기 측정된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 상기 임계치와 같은 경우 상기 사용자국의 송신/수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)하거나, 유지(0)할 것을 결정한다.
또한, 상기 제어부(1130)는 어떠한 상관 관계에 따라 상기 송신/수신 빔포밍 이득을 제어할지를 판단하기 위해, 상기 사용자국과의 무선 채널이 LOS 환경인지 여부, 또는, 상기 사용자국의 이동 속도가 특정 임계치를 초과하는지 여부를 더 판단할 수 있다.
상술한 실시 예들에서, 송신/수신 빔포밍 이득의 증가 시, 감소 시, 유지 시 모두 제어 메시지가 송신된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 제어부(1130)는, 상기 송신 빔포밍 이득의 감소 또는 유지를 고려함 없이, 상기 송신 빔포밍 이득을 증가시키고자 하는 경우에만 상기 제어 메시지를 송신할 수 있다. 다시 말해, 상기 보고된 신호 품질이 상기 임계치보다 크거나 상기 임계치와 같은 경우, 상기 제어부(1130)는 상기 제어 메시지를 전송하지 아니할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 사용자국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 12를 참고하면, 상기 사용자국은 통신부(1210), 저장부(1220), 제어부(1230)를 포함한다.
상기 통신부(1210)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능을 수행한다. 예를 들어, 상기 통신부(1210)는 디지털 블럭 및 RF 블럭을 포함한다. 상기 디지털 블럭은 부호화기, 복호기, DAC 등을 포함하며, 상기 RF 블럭은 증폭기, 믹서, 오실레이터 등을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 통신부(1210)는 송신 빔포밍을 위한 구성 요소 및 수신 빔포밍을 위한 구성 요소를 포함할 수 있다. 상기 빔포밍을 위한 구성 요소는 이하 도 13a 내지 이하 도 13c를 참고하여 상세히 설명된다. 상기 저장부(1220)는 상기 사용자국이 동작하는데 필요한 프로그램, 설정 정보 등을 저장한다,
상기 제어부(1230)는 상기 사용자국의 전반적인 기능들을 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(1230)는 빔 훈련 절차를 수행한다. 또한, 상기 제어부(1230)는 상기 빔 훈련 절차를 통해 결정된 빔 인덱스에 따라 빔포밍을 수행하도록 상기 통신부(1210)를 제어한다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따라, 상기 제어부(1230)는 빔포밍 이득 제어 절차를 수행하고, 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 통해 결정된 이득 값에 따라 빔포밍 이득을 조정하도록 상기 통신부(1210)를 제어한다. 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 위해, 상기 제어부(1230)는 하향링크 신호에 대한 신호 품질을 측정하는 신호품질측정부(1232), 기지국으로부터 수신되는 제어 메시지를 해석함으로써 심포밍 이득의 변화 여부 및 변화량을 판단하는 제어메시지처리부(1234)를 포함한다. 상기 빔포밍 이득 제어 절차를 위한 상기 제어부(1230)의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상향링크 빔포밍 이득 제어의 경우, 상기 제어부(1230)는 상기 통신부(1210)를 통해 무선 채널을 통해 기지국으로 신호를 전송한 후, 상기 기지국으로부터 송신 빔포밍 이득 조정을 위한 제어 메시지를 수신한다. 이어, 상기 제어부(1230)는 상기 제어 메시지에 의해 지시되는 바에 따라 송신 빔포밍 이득을 조정한다. 예를 들어, 상기 제어 메시지가 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 송신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 더한 값으로 송신 빔포밍의 이득을 조정한다. 반면, 상기 제어 메시지에 상기 사용자국의 송신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 사용자국의 송신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 뺀 값으로 송신 빔포밍의 이득을 조정한다. 또한, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니하거나, 또는, 현재의 송신 빔포밍 이득을 유지(0)할 것이 지시되는 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 사용자국의 송신 빔포밍 이득 값을 계속 유지한다.
하향링크 빔포밍 이득 제어의 경우, 상기 제어부(1230)는 기지국으로부터 무선 채널을 통해 신호를 수신하고, 수신 신호에 대한 신호 품질을 측정한 후, 상기 통신부(1210)를 통해 측정된 신호 품질의 보고를 기지국으로 송신한다. 이후, 상기 제어부(1230)는 상기 기지국으로부터 수신 빔포밍 조정을 위한 제어 메시지를 수신한다. 그리고, 상기 제어부(1230)는 상기 제어 메시지에 의해 지시되는 바에 따라 수신 빔포밍 이득을 조정한다. 예를 들어, 상기 제어 메시지가 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 증가(+βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 수신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 더한 값으로 수신 빔포밍의 이득을 조정한다. 반면, 상기 제어 메시지에 상기 사용자국의 수신 빔포밍 이득을 특정 값만큼 감소(-βt)할 것을 지시하는 제어 정보가 포함된 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 사용자국의 수신 빔포밍의 이득에서 βt 만큼 뺀 값으로 수신 빔포밍의 이득을 조정한다. 또한, 상기 제어 메시지가 수신되지 아니하거나, 또는, 현재의 수신 빔포밍 이득을 유지(0)할 것이 지시되는 경우, 상기 제어부(1230)는 현재 사용자국의 수신 빔포밍 이득 값을 계속 유지한다.
사용자국에서 송신 및 수신 빔포밍의 이득을 조정하기 위해서 빔포밍을 기법을 이용할 경우, 상기 무선 신호 송수신장치와 빔포밍의 구성을 도 13a 내지 도 13c를 참고하여 상세히 설명한다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 빔포밍 방식에 따른 빔포밍 장치의 블록 구성을 도시하고 있다.
빔포밍은 빔포밍이 수행되는 시점에 따라 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍으로 구분된다. 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍의 차이는 빔 방향을 결정하는 빔포밍 파라미터가 DAC 이전에 결정되는지 상기 DAC 이후에 결정되는지 여부이다. 상기 디지털 빔포밍의 경우, DAC 이전에 상기 빔포밍 파라미터가 비트열(bit stream)에 곱해진다. 반면, 상기 아날로그 빔포밍의 경우, DAC 이후에 빔포밍 파라미터가 각 안테나를 통해 송신될 신호들 각각의 크기 또는 위상을 조절한다. 또한, 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍을 모두 수행하는 경우, 혼합 빔포밍도 가능하다.
도 13a의 디지털 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 13a를 참고하면, 정보(information) 비트열은 부호화부(1311) 및 변조부(1312)를 통해 복소 심벌(complex symbol)열로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값들을 의미하며, 상기 비트열은 각 독립된 경로로 입력되는 하나 이상의 비트열들 일 수 있다. 안테나 별로 독립적인 비트열이 전송될 경우, 복소 심벌들은 다중화되어 각 경로로 제공되고, 모든 안테나에서 동일한 비트열이 전송될 경우, 동일한 복소 심벌들이 모든 경로로 제공된다. 상기 복소 심벌들은 각 경로의 프리코더(precoder)들(1313-1 내지 1313-N)에 의해 빔포밍 파라미터(Wd1, …, WdN)와 곱해진 후, IFFT 연산기들(1314-1 내지 1314-N), P/S(Parallel to Serial) 변환기들(1315-1 내지 1315-N), CP(Cyclic Prefix) 삽입기들(1316-1 내지 1316-N)을 통해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC들(1317-1 내지 1317-N)에 의해 아날로그 신호로 변환된다. 이후, 각 경로의 아날로그 신호들은 믹서(mixer)들(1319-1 내지 1319-N)에 의해 RF 대역 신호로 변환되고, 전력 증폭기(PA : Power Amplifier)들(1320-1 내지 1320-N)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 디지털 빔포밍의 경우, 각 안테나 별로 DAC(1319)가 구비되며, 빔포밍 파라미터는 상기 DAC(1319) 이전에 복소 심벌에 곱해진다. 그러므로, 상기 디지털 빔포밍의 빔포밍 파라미터는, 안테나가 N개인 경우, Wd1, …, WdN이 되며, 상기 파라미터의 각 인자도 복소수이다. 또한, 다수의 안테나 그룹이 하나의 안테나를 구성할 경우, MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기법이 적용될 수 있다. 이 경우, 안테나 그룹별로 Wd1, …, WdN의 빔포밍 파라미터가 정의되며, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 복소수로 구성되는 행렬 또는 벡터값이 된다. 상기 MIMO 기법이 적용될 경우, 상기 빔포밍을 위한 프리코더들(1313-1 내지 1313-N) 외에, 상기 MIMO 기법을 위한 프리코더 블록은 상기 빔포밍 프리코드 블록들(1313-1 내지 1313-N)과 독립적으로 존재할 수 있다.
도 13b는 아날로그 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 13b를 참고하면, 정보 비트열은 부호화부(1321) 및 변조부(1322)를 통해 복소 심벌들로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값을 의미한다. 상기 복소심벌들은 IFFT 연산기들(1323-1 내지 1323-N), P/S 변환기들(1324-1 내지 1324-N), CP 삽입기들(1325-1 내지 1325-N)을 통해 OFDM 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC(1326)에 의해 아날로그 신호로, 믹서(1327)를 통해 RF 대역 신호로 변환된다. 상기 RF 대역 신호는 각 안테나의 경로로 입력되고, 위상/크기 변환기들(1328-1 내지 1328-N)에 의해 크기 및 위상이 변화되고, 전력 증폭기들(1329-1 내지 1329-N)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 아날로그 빔포밍은 정보 비트열을 채널코딩, 변조, 아날로그 변환한 후, 안테나에서 전송되기 이전에 아날로그 신호의 크기 또는 위상을 변화시킴으로써 각 안테나에서 전송되는 빔의 방향을 결정하게 된다. 예를 들어, 빔포밍 파라미터를 각각의 안테나별로 Wa1,…, WaN인 경우, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 안테나 별 신호의 크기값 및 위상값 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 아날로그 빔포밍은 상기 크기값 및 상기 위상값을 동시에 바꾸거나, 상기 위상값만 조정할 수 있다. 또한, 다수의 안테나 그룹이 하나의 안테나를 구성할 경우, MIMO 기법이 적용될 수 있다. 이 경우, 안테나 그룹별로 Wa1, …, WaN의 빔포밍 파라미터가 정의되며, 상기 빔포밍 파라미터의 각 인자는 안테나 그룹별 신호의 크기 또는 위상값 중 적어도 하나 이상으로 구성되는 행렬 또는 벡터값이 된다.
도 13c는 혼합 빔포밍을 수행하는 장치의 블록 구성을 도시하고 있다. 상기 도 13c를 참고하면, 정보 비트열은 부호화부(1331) 및 변조부(1332)를 통해 복소 심벌들로 변환된다. 상기 비트열은 '0' 또는 '1'의 값을 갖는 연속적인 정보값들을 의미하며, 상기 비트열은 각 독립된 경로로 입력되는 하나 이상의 비트열들 일 수 있다. 상기 복소 심벌들은, 상기 도 13a와 유사하게, 각 경로의 프리코더들(1333-1 내지 1333-N)에 의해 빔포밍 파라미터(Wd1, …, WdN)와 곱해진 후, IFFT 연산기들(1334-1 내지 1334-N), P/S 변환기들(1335-1 내지 1335-N), CP 삽입기들(1336-1 내지 1336-N)을 통해 OFDM 심벌들로 변환된다. 이후, 디지털 신호인 상기 OFDM 심벌들은 DAC들(1337-1 내지 1337-N)에 의해 아날로그 신호로 변환된 후, 믹서들(1338-1 내지 1338-N)에 의해 RF 대역 신호로 변환된다. 이후, 디지털 빔포밍된 각 경로의 신호들은, 상기 도 13b와 유사하게, 각 안테나 경로의 위상/크기 변환기들(1341-11 내지 1341-1N, …, 1341-N1 내지 1341-NN)에 의해 크기 및 위상이 변화되고, 동일한 안테나를 통해 송신될 신호들은 합산기들(1342-1 내지 1342-N)에 의해 합산된다. 합산된 신호들은 각 안테나 경로의 전력 증폭기들(1343-11 내지 1343-1N, …, 1343-N1 내지 1343-NN)을 통해 증폭된 후, 각 안테나를 통해 송신된다. 상술한 바와 같이, 혼합 빔포밍은 상기 디지털 빔포밍 및 상기 아날로그 빔포밍을 모두 포함한다. 이 경우, 빔포밍 파라미터는 디지털 빔포밍을 위한 Wd1,…WdN 및 아날로그 빔포밍을 위한 Wa1,…WaN를 포함하며, 2 종류의 빔포밍 파라미터는 독립적으로 또는 특정 관계식을 가지고 빔포밍을 제어한다.
상기 도 13a 내지 도 13c는 송신 빔포밍을 위한 블록 구성을 도시한다. 수신 빔포밍의 경우, 상기 DAC가 ADC(Analog to Digital converter)로, 상기 프리코더가 포스트코더(post-coder)로, 상기 부호화가 복호화로, 상기 변조가 복조로 대체되고, 증폭기의 방향 및 신호의 이동 방향이 우측에서 좌측으로 변경된다. OFDM 시스템이 아닌 경우, 상기 기술한 블록들 중에서, IFFT 연산기들, P/S 변환기들, CP 삽입기들이 생략될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 무선통신 시스템에서 통신 노드의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 14를 참고하면, 상기 통신 노드는 1401단계에서 빔 훈련 절차를 통해 빔 방향을 결정한다. 즉, 상기 통신 노드는 다른 상대방 노드와 통신을 수행하며, 신호의 송수신을 효과적으로 수행하기 위해, 상기 상대방 노드와의 통신을 위한 빔 방향을 결정한다. 여기서, 상기 빔 방향은 송신 빔 방향 및 수신 빔 방향 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 수신 빔 방향 결정의 경우, 상기 통신 노드는 다수의 후보 빔 방향들을 이용하여 신호를 수신하고, 각 빔 방향에 대한 수신 신호 세기를 이용하여 최적의 빔 방향을 선택할 수 있다. 또한, 송신 빔 방향 결정의 경우, 상기 통신 노드는 다수의 후보 빔 방향들을 이용하여 신호를 송신하고, 상기 상대방 노드에서 측정된 각 빔 방향에 대한 수신 신호 세기를 이용하여 최적의 빔 방향을 선택할 수 있다.
상기 빔 방향을 결정한 후, 상기 통신 노드는 1403단계로 진행하여 빔포밍 이득 조정이 필요한지 판단한다. 상기 빔포밍 이득 조정은 상기 통신 노드에 의해, 또는, 상기 상대방 노드에 의해 판단될 수 있다. 예를 들어, 수신 빔포밍 이득의 조정이 상기 통신 노드에 의해 판단되는 경우, 상기 통신 노드는 수신 신호의 신호 품질을 측정하고, 상기 신호 품질을 임계치와 비교한 후, 비교 결과에 따라 상기 수신 빔포밍 이득의 조정 여부를 판단할 수 있다. 또한, 송신 빔포밍 이득의 조정이 상기 통신 노드에 의해 판단되는 경우, 상기 통신 노드는 상기 상대방 노드에 의해 측정된 신호 품질을 수신하고, 상기 신호 품질을 임계치와 비교한 후, 비교 결과에 따라 상기 수신 빔포밍 이득의 조정 여부를 판단할 수 있다. 또한, 빔포밍 이득의 조정이 상기 상대방 노드에 의해 판단되는 경우, 상기 통신 노드는 상기 상대방 노드로부터 수신되는 메시지를 통해 송신 빔포밍 이득 또는 수신 빔포밍 이득의 조정 여부를 판단할 수 있다.
만일, 상기 빔포밍 이득 조정이 필요하면, 상기 통신 노드는 1405단계로 진행하여 송신 빔포밍을 조정한다. 예를 들어, 상기 통신 노드는 상기 빔포밍 이득을 증가하는 경우 빔 폭을 감소시키고, 상기 빔포밍 이득을 감소하는 경우 빔 폭을 증가시킨다. 다시 말해, 상기 통신 노드는 상기 빔포밍 이득을 증가하는 경우 상대적으로 좁은 빔을 형성하고, 상기 빔포밍 이득을 감소하는 경우 상대적으로 넓은 빔을 형성한다.
본 발명은 기지국 및 사용자국 간의 시그널링을 통해 상기 사용자국의 송신/수신 빔포밍 이득을 제어하는 기술을 설명하였다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 술한 송신/수신 빔포밍 이득 절차는 사용자국 및 사용자국 간에도 적용될 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 D2D(Device to Device) 통신에도 적용될 수 있다. 이 경우, 상술한 절차에서, 일방 사용자국은 상술한 절차에서 상기 기지국과 같이, 타방 사용자국은 상술한 절차에서 상기 사용자국과 같이 동작한다.
본 발명의 청구항 및/또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금, 본 발명의 청구항 및/또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(ROM, Read Only Memory), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(CD-ROM, Compact Disc-ROM), 디지털 다목적 디스크(DVDs, Digital Versatile Discs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 상기 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(Local Area Network), WLAN(Wide LAN), 또는 SAN(Storage Area Network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 발명의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 발명의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (51)

  1. 무선통신 시스템에서 단말의 동작 방법에 있어서,
    빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 향해 빔포밍된 제1 신호를 송신 또는 수신하는 과정과,
    상기 단말의 안테나에 관련된 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 메시지를 수신하는 과정과,
    상기 메시지에 기반하여 상기 빔포밍 이득을 제어하는 과정과,
    상기 제어된 빔포밍 이득으로 빔포밍된 제2 신호를 송신 또는 수신하는 과정을 포함하며,
    상기 빔포밍 이득은, 상기 빔 방향의 변경 없이 제어되며,
    상기 메시지는, 상기 빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 사용하는 동안 확인되는 상기 단말의 채널 품질 변화에 응하여 기지국에 의해 송신되는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가, 상기 빔포밍 이득의 감소, 상기 빔포밍 이득의 유지 중 하나를 지시하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가량, 상기 빔포밍 이득의 감소량, 상기 빔포밍 이득의 증가 후의 이득 값, 상기 빔포밍 이득의 감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 메시지는, 송신 전력의 변화를 지시하는 정보, 빔 방향을 제어하는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    기지국으로 빔포밍 능력에 관한 정보를 송신하는 과정을 더 포함하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔포밍 능력에 관한 정보는, 최대 빔포밍 이득 값, 최소 빔포밍 이득 값, 상기 최대 빔포밍 이득 값 및 상기 최소 빔포밍 이득 값 간의 구간 개수, 조정 가능한 빔포밍 이득 값들 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 향해 빔포밍된 제1 신호를 수신 또는 송신하는 과정과,
    단말의 안테나에 관련된 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 메시지를 생성하는 과정과,
    상기 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 상기 메시지를 상기 단말로 송신하는 과정과,
    상기 제어된 빔포밍 이득으로 빔포밍된 제2 신호를 수신하는 과정을 포함하며,
    상기 빔포밍 이득은, 상기 단말의 빔 방향의 변경 없이 제어되며,
    상기 메시지는, 상기 빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 사용하는 동안 확인되는 상기 단말의 채널 품질 변화에 응하여 상기 단말로 송신되는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가, 상기 빔포밍 이득의 감소, 상기 빔포밍 이득의 유지 중 하나를 지시하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가량, 상기 빔포밍 이득의 감소량, 상기 빔포밍 이득의 증가 후의 이득 값, 상기 빔포밍 이득의 감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 메시지는, 송신 전력의 변화를 지시하는 정보, 빔 방향을 제어하는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 단말로부터 빔포밍 능력에 관한 정보를 수신하는 과정을 더 포함하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 빔포밍 능력에 관한 정보는, 최대 빔포밍 이득 값, 최소 빔포밍 이득 값, 상기 최대 빔포밍 이득 값 및 상기 최소 빔포밍 이득 값 간의 구간 개수, 조정 가능한 빔포밍 이득 값들 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  13. 청구항 7에 있어서,
    상기 단말과의 채널이 LOS(line of sight) 환경인지 여부, 상기 단말로부터의 수신 신호 품질, 상기 단말의 이동 속도 중 적어도 하나에 기반하여, 상기 빔포밍 이득의 증가를 지시할지 또는 감소를 지시할지를 결정하는 과정을 더 포함하는 방법.

  14. 무선통신 시스템에서 단말 장치에 있어서,
    송수신부와,
    상기 송수신부와 연결된 적어도 하나의 프로세서를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 향해 빔포밍된 제1 신호를 송신 또는 수신하고,
    상기 단말의 안테나에 관련된 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 메시지를 수신하고,
    상기 메시지에 기반하여 상기 빔포밍 이득을 제어하고,
    상기 제어된 빔포밍 이득으로 빔포밍된 제2 신호를 송신 또는 수신하도록 제어하며,
    상기 빔포밍 이득은, 상기 단말의 빔 방향의 변경 없이 제어되며,
    상기 메시지는, 상기 빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 사용하는 동안 확인되는 상기 단말의 채널 품질 변화에 응하여 기지국에 의해 송신되는 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가, 상기 빔포밍 이득의 감소, 상기 빔포밍 이득의 유지 중 하나를 지시하는 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가량, 상기 빔포밍 이득의 감소량, 상기 빔포밍 이득의 증가 후의 이득 값, 상기 빔포밍 이득의 감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 메시지는, 송신 전력의 변화를 지시하는 정보, 빔 방향을 제어하는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 기지국으로 빔포밍 능력에 관한 정보를 송신하도록 제어하는 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 빔포밍 능력에 관한 정보는, 최대 빔포밍 이득 값, 최소 빔포밍 이득 값, 상기 최대 빔포밍 이득 값 및 상기 최소 빔포밍 이득 값 간의 구간 개수, 조정 가능한 빔포밍 이득 값들 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  20. 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    송수신부와,
    상기 송수신부와 연결된 적어도 하나의 프로세서를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 향해 빔포밍된 제1 신호를 수신 또는 송신하고,
    단말의 안테나에 관련된 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 메시지를 생성하고,
    상기 빔포밍 이득을 제어할 것을 지시하는 상기 메시지를 상기 단말로 송신하고,
    상기 제어된 빔포밍 이득으로 빔포밍된 제2 신호를 수신하도록 제어하며,
    상기 빔포밍 이득은, 상기 단말의 빔 방향의 변경 없이 제어되며,
    상기 메시지는, 상기 빔 훈련 절차에 기반하여 결정된 빔 방향을 사용하는 동안 확인되는 상기 단말의 채널 품질 변화에 응하여 상기 단말로 송신되는 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가, 상기 빔포밍 이득의 감소, 상기 빔포밍 이득의 유지 중 하나를 지시하는 장치.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 메시지는, 상기 빔포밍 이득의 증가량, 상기 빔포밍 이득의 감소량, 상기 빔포밍 이득의 증가 후의 이득 값, 상기 빔포밍 이득의 감소 후의 이득 값 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 메시지는, 송신 전력의 변화를 지시하는 정보, 빔 방향을 제어하는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 단말로부터 빔포밍 능력에 관한 정보를 수신하도록 제어하는 장치.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 빔포밍 능력에 관한 정보는, 최대 빔포밍 이득 값, 최소 빔포밍 이득 값, 상기 최대 빔포밍 이득 값 및 상기 최소 빔포밍 이득 값 간의 구간 개수, 조정 가능한 빔포밍 이득 값들 중 적어도 하나를 포함하는 장치.
  26. 청구항 20에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프로세서는, 상기 단말과의 채널이 LOS(line of sight) 환경인지 여부, 상기 단말로부터의 수신 신호 품질, 상기 단말의 이동 속도 중 적어도 하나에 기반하여, 상기 빔포밍 이득의 증가를 지시할지 또는 감소를 지시할지를 결정하는 장치.
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