KR102100147B1 - 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법 및 장치 - Google Patents

아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법 및 장치를 개시한다. 상기 방법은, 송신기로부터, 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신하는 과정과, 상기 제1 메시지를 기반으로 복수의 송신 빔들 중에서 선택된 적어도 하나의 송신 빔에 대한 보고 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 송신기로부터 상기 보고 정보에 기반하여 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 수신하는 과정과, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 결정하는 과정과, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 피드백 정보에 근거하여 스케줄된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 모드에 따라 상기 송신기로부터 데이터 버스트를 수신하는 과정을 포함한다.

Description

아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COMMUNICATION ON ANALOG AND DIGITAL HYBRID BEAM-FORMING}
본 발명은 빔포밍 기반 무선 이동통신 시스템에 관한 것으로서, 특히, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선통신 시스템은 지속적으로 증가하는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 방향으로 발전하고 있다. 예를 들어, 무선통신 시스템은 데이터 전송률 증가를 위해 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), MIMO(Multiple Input Multiple Output) 등의 통신기술을 바탕으로 주파수 효율성(Spectral Efficiency)을 개선하는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.
스마트폰 및 태블릿 PC에 대한 수요 증가와 이를 바탕으로 다량의 트래픽을 요구하는 응용 프로그램의 폭발적 증가로 인해 데이터 트래픽에 대한 요구가 더욱 가속화되면서, 주파수 효율성 개선 기술만으로는 폭증하는 무선 데이터 트래픽 수요를 만족시키기 어려워지게 되었다.
상술한 문제점을 극복하기 위한 방법으로 초고주파 대역을 사용하는 무선통신 시스템에 대한 관심이 급증하고 있다. 초고주파 대역을 통해 무선 통신을 지원하는 경우, 초고주파 대역의 주파수 특성상 경로손실, 반사손실 등의 전파손실이 증가하며, 전파 손실에 의해 전파의 도달거리가 짧아져 서비스 영역(coverage)이 감소하는 문제가 발생한다. 따라서 초고주파 대역을 사용하는 무선통신 시스템에서는 빔포밍 기술을 이용하여 전파의 경로손실을 완화하여 전파의 전달 거리를 증가시킴으로써, 서비스 영역을 증대시킬 수 있다.
빔포밍 기술의 지원을 위해서 디지털 도메인에서의 MIMO 프로세싱(processing)과 디지털 프리코더(precoder) 또는 코드북(codebook)을 이용하는 다수의 RF(Radio Frequency) 경로를 통한 디지털 빔포밍(digital beamforming) (혹은 Tx(Transmit) pre-IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 빔포밍 / Rx(Receive) post-FFT(Fast Fourier Transform) 빔포밍) 방식과, 다수의 아날로그(analog)/RF 소자(e.g., phase shifter, PA(Power Amplifier), VGA(Variable Gain Amplifier))와 안테나 구조를 이용한 아날로그 빔포밍(analog beamforming) (혹은 Tx post-IFFT beamforming / Rx pre-FFT beamforming이라 칭함)의 방식이 존재한다. 전자의 경우 빔포밍 이득 증대를 위해 값비싼 DAC(Digital to Analog Converter)/ADC(Analog to Digital Converter) 소자의 사용 및 구현의 복잡도 증가가 발생하는 단점이 있는 반면, 후자의 경우 빔포밍 운용에 있어서 주파수 자원의 효율적 운용이나 빔포밍 성능의 극대화 관점에서 제한이 발생하는 단점이 존재한다.
초고주파 대역에서는 높은 주파수 대역 사용에 따라 파장 길이가 짧아지기 때문에, 작은 공간 안에 무수히 많은 안테나 소자를 배치하는 ULA(Uniform Linear Array) 또는 UPA(Uniform Planar Array)와 같은 어레이 안테나(array antenna)를 이용한 아날로그 빔포밍 적용이 유리하다. 그러나, 앞에 상술한 바와 같이 아날로그 빔포밍만으로는 자원의 효율적인 사용 및 MIMO 운용, 예를 들어 단일 사용자(Single User: SU) MIMO(SU-MIMO) 공간 다중화(spatial multiplexing)나 다중 사용자(Multiple User: MU) MIMO(MU-MIMO)을 통한 사용자/시스템 효율(user/system throughput)의 증대나 다이버시티(diversity) 또는 추가적인 디지털 빔포밍을 통한 수신 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 증대 또는 안정도(reliability) 향상의 관점에서 한계를 가진다.
이에 따라, 효과적인 MIMO/BF(BeamForming) 운용을 위하여 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍이 결합한 하이브리드 빔포밍(hybrid BF) 구조의 지원이 필요하게 되었다.
본 발명은 통신 시스템에서 신호를 송수신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 초고주파 통신 시스템에서 빔포밍을 통해 신호를 송수신하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명은 단말과 기지국의 신호 송수신에 있어 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합을 통한 하이브리드 빔포밍 구조를 제공한다.
본 발명은 단말과 기지국 간의 상향/하향 링크에 대해 지향성을 가지는 한 개 이상의 아날로그 빔 세트(set)로부터 최적의(best) 한 개 이상의 빔을 선택하고, 이들의 조합을 통한 디지털 MIMO/BF 운용을 수행하는 효율적인 하이브리드 빔포밍 운용 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은; 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서, 송신기로부터, 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신하는 과정과, 아날로그 빔포밍을 위한 보고 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 보고 정보는, 상기 제1 메시지를 기반으로 복수의 아날로그 송신 빔들 중에서 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하고, 상기 송신기로부터 상기 보고 정보에 기반하여 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 수신하는 과정과, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널을 추정하는 과정과, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 결정하는 과정과, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서, 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들의 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신기에게 송신하는 과정과, 상기 수신기에 의해 상기 제1 메시지에 따라 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 보고 정보를 상기 수신기로부터 수신하는 과정과, 상기 보고 정보를 기반으로 상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 상기 수신기에게 송신하는 과정과, 상기 수신기로부터, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신하는 과정과, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서, 디지털 빔포밍 수신부와, 아날로그 빔포밍 수신부와, 상기 디지털 빔포밍 수신부 및 상기 아날로그 빔포밍 수신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 송신기로부터, 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신하고, 아날로그 빔포밍을 위한 보고 정보를 상기 송신기로 전송하고, 상기 보고 정보는, 상기 제1 메시지를 기반으로 상기 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중에서 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하고, 상기 송신기로부터 상기 보고 정보에 기반하여 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 수신하고, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 결정하고, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 기지국 장치에 있어서, 디지털 빔포밍 송신부와, 아날로그 빔포밍 송신부와, 상기 디지털 빔포밍 송신부 및 상기 아날로그 빔포밍 송신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 아날로그 빔포밍 송신부의 복수의 아날로그 송신 빔들의 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신기에게 송신하고, 상기 수신기에 의해 상기 제1 메시지에 따라 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 보고 정보를 상기 수신기로부터 수신하고, 상기 보고 정보를 기반으로 상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 선택하고, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 상기 수신기에게 송신하고, 상기 수신기로부터, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서, 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 송신기로부터 수신하는 과정과, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정을 수행하는 과정과, 상기 채널 추정을 수행한 결과 얻어진 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 랭크와 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 결정하는 과정과, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 송신기에 의한 방법에 있어서, 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 결정하는 과정과, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 수신기에게 송신하는 과정과, 상기 수신기로부터, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 랭크 및 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 수신하는 과정과, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하는 과정을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서, 디지털 빔포밍 수신부와, 아날로그 빔포밍 수신부와, 상기 디지털 빔포밍 수신부 및 상기 아날로그 빔포밍 수신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 송신기로부터 수신하고, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정을 수행한 결과 얻어진 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 랭크와 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 결정하고, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 기지국 장치에 있어서, 디지털 빔포밍 송신부와, 아날로그 빔포밍 송신부와, 상기 디지털 빔포밍 송신부 및 상기 아날로그 빔포밍 송신부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 결정하고, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 수신기에게 송신하고, 상기 수신기로부터, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 랭크 및 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층(PHY)의 블록도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층의 블록도를 도시한 것이다.
도 3(도 3a 및 도 3b로 구성됨)은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 송/수신 빔포밍 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국과 단말 간의 통신을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 빔 공간에서 특정 셀/섹터의 영역을 커버 하도록 서로 다른 방향으로 생성된 아날로그 빔들의 예를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합을 고려한 하이브리드 빔포밍의 수행 절차를 나타낸 것이다.
도 7(도 7a 및 도 7b로 구성됨)은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 송/수신빔포밍 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 MIMO/BF을 위한 스케줄링 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 MIMO/BF를 위한 측정 및 피드백 절차를 나타낸 흐름도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 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. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
송신 빔포밍은 다수의 안테나를 이용하여 전파의 도달 영역을 특정한 방향으로 집중시켜 지향성(directivity)를 증대시킨다. 이 때, 다수의 안테나가 집합된 형태를 안테나 어레이(antenna array), 어레이에 포함되어 있는 안테나를 어레이 엘레먼트(array element)(혹은 안테나 소자)라 한다. 이러한 안테나 어레이는 선형 어레이(linear array), 평면 어레이(planar array)를 포함하는 다양한 형태가 될 수 있다. 송신 빔포밍을 사용하면 신호의 지향성 증대를 통해 전송 거리를 증가시킬 수 있고, 또한 해당 방향 이외의 다른 방향으로는 신호가 거의 전송되지 않기 때문에 해당 사용자 외 다른 사용자에 대한 신호 간섭을 크게 줄일 수 있는 이득이 있다.
한편, 수신 측에서도 수신 안테나 어레이를 이용하여 수신 신호에 대한 빔포밍을 수행할 수 있는데, 이 또한 전파의 수신을 특정 방향으로 집중시켜 해당 방향으로 들어오는 수신 신호 감도를 증가시키고, 해당 방향 이외의 방향에서 들어오는 신호를 수신 신호에서 배제함으로써 간섭 신호를 차단하는 이득을 얻을 수 있다.
고주파수 대역 무선 이동통신 시스템은 고주파수 대역에서의 높은 전파 경로 손실을 완화하기 위하여 빔포밍 기술을 사용하며, 더욱이 데이터와 제어신호 간 불균형을 줄이기 위해 모든 경우에 대하여 빔포밍을 적용할 필요가 있다. 이와 같은 빔포밍 기술을 사용하기 위한 기술로 IEEE 802.11ad에서 적용된 SLS(Sector Level Sweep: SLS) 방식과 BRP(Beam Refinement Protocol) 방식이 있다.
IEEE 802.11ad 규격은 무선 근거리 네트워크(Wireless Local Area Network: WLAN) 기반의 기술로서, 60GHz의 초고주파 대역에서 반경 10~20 미터 내의 매우 작은 서비스 영역을 제공한다. 이 때, 초고주파 대역에서 발생되는 전파 전달 특성 문제를 해결하기 위해 빔포밍 기술을 사용한다.
IEEE 802.11ad 규격에서 정의된 SLS 방식은 빔포밍을 수행하려는 단말(Station: STA)가 여러 방향으로 동일한 섹터 프레임을 반복하여 송출하고, 상대(peer) STA는 준 전방향성(Quasi-omni) 안테나로 각각의 섹터 프레임을 수신한 후, 가장 감도가 좋은 방향에 대하여 피드백을 전송한다. 이러한 과정을 통해서 STA는 상대 STA에서의 가장 감도가 좋은 방향에 대한 정보를 획득하여 빔포밍을 수행할 수 있다.
IEEE 802.11ad 규격에서 정의된 BRP 방식은 SLS를 수행한 후 송수신 빔포밍 이득을 향상시키기 위해 두 STA간의 송수신 빔 방향을 더욱 세밀하게 미세 조정하는 기술이다. 일반적으로 두 STA가 SLS을 통해 최적의 송신빔을 찾을 후, 송신빔과 가장 잘 맞는 수신 빔을 찾기 위해 BRP를 이용한다. 또한, SLS와 BRP의 반복을 통해 송수신 빔 방향 조합을 미세 조정할 수 있다.
이에 비해, 기존 4G까지의 셀룰라 통신시스템에서는 sub-1GHz 또는 1~3GHz 주파수 대역에서 등방성(isotropic) 또는 전방향(omnidirectional) 송수신을 기본으로 하여 제어채널 및 데이터를 송수신하는 구조로 이루어졌다. 단, 특정 채널 조건을 만족하는 사용자에 대하여 일부 자원을 디지털 빔포밍을 통해 할당하는 선택적인 기능을 지원하기도 한다.
기존 셀룰라 시스템에서는 채널 특성에 따라 자연스럽게 발생하는 다중경로전파(multipath propagation) 특성과 복수개의 송수신 안테나를 통한 MIMO와 같은 송수신 다이버시티를 적용하여 추가적인 성능이득을 획득하는 방안에 대한 연구가 진행되었다.
이에 반해, 밀리미터파와 같은 초고주파 대역에서는 위에서 언급한 채널특성과 송수신 빔포밍 적용으로 인하여 채널의 다중경로 전파특성이 줄어들어 빔포밍 이득을 얻을 수 있는 반면 송수신 다이버시티 지원에 어려움이 발생하게 된다. 이에 따라 종래의 연구도 주로 빔포밍을 적용함에 있어 빔포밍 이득을 최대화 하여 수신 SNR(Signal-to-Noise Ratio)과 같은 성능지수(performance index)를 최적화하는 빔계수(beamforming weight coefficient) 결정에 한정되었다.
WiGig(Wireless Gigabit)와 같은 기술에서는 MIMO를 지원하지 않으며 기본적으로 하나의 RF 경로(RF path or RF chain)를 가지고 다수개의 RF/안테나 소자를 통한 아날로그 어레이를 통한 빔포밍을 기반으로 운용된다. 이 때, 특정 빔패턴에 대해 여러 방향으로 스위핑(sweeping)을 수행하고 수신측에서 가장 수신 신호가 센 한 개의 빔을 선택하여 피드백 함으로써 빔포밍 운용이 이루어진다. 이는 주로 실내에서 이동성이 없이 수 미터 이내의 근접거리에서 일반적으로 가시선(Line of Sight: LoS)의 채널경로를 가지는 환경에서 적용이 가능한 기술이다. 수십 km/h의 이동성이나 단말의 빠른 회전을 가지거나 장애물로 인한 비-가시선(Non-LoS: NLoS) 경로 특성 또는 채널 페이딩(fading)에 의한 급격한 채널상황의 변경이 이루어지는 실외의 무선이동통신에서는 특정 방향으로의 빔이득을 최대화 하면서 지향성(directivity)을 가지는 좁은 빔폭의 빔 운용만으로는 사용자 환경에 따른 큰 성능의 열화에 따른 민감도가 증대될 수 있다.
또 다른 MIMO/BF 기술로는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long-Term Evolution)과 WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)의 디지털 BF로서, 디지털 프리코딩(Digital Precoding)을 기반으로 하여 8스트림 미만의 MIMO/BF를 지원하지만, 다중 RF 경로의 지원을 위한 하드웨어 복잡도 문제와 신호 오버헤드 문제로 인해 초고주파 BF에 적용되기는 어렵다. 또한 WiGig의 아날로그 BF는 빔 스위핑(Beam Sweeping)과 MIMO 기술을 지원하지 않는 단일 빔 적용에 따른 성능 한계를 가지며, 다중경로 채널 환경에서 성능 열화가 발생한다는 문제점을 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 사용 가능한 하이브리드 빔포밍(Hybrid BF) 기술은, RF 단에서 고이득의 빔포밍을 통해 경로 손실을 극복할 수 있는 아날로그 빔포밍(Analog BF)과 MIMO 기술을 통해 용량을 극대화할 수 있는 디지털 빔포밍(Digital BF)을 결합(hybrid)한다.
빔포밍을 기반으로 동작하는 초고주파 대역 무선이동 통신시스템은, 초고주파 대역의 채널 전파특성으로 인해 나타나는 큰 전파손실(propagation loss) 및 투과손실(penetration loss)과 작은 다중경로 전파특성, 그리고 빔포밍의 적용에 따라 발생하는 강한 방향성으로 인하여 채널의 페이딩(fading)과 장애물에 대해 민감해진다.
단말과 기지국의 송/수신에 있어 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합을 통한 하이브리드 빔포밍 구조는, 상향/하향 링크에 대해 지향성을 가지는 한 개 이상의 아날로그 빔 세트(set)로부터 최적의 한 개 이상의 빔을 선택하고, 이들의 조합을 통한 디지털 MIMO/BF 운용을 효율적으로 수행함으로써, 초고주파 대역에서의 큰 전파손실을 극복함과 동시에 MIMO/BF 기법의 추가적인 적용을 통하여 채널용량/다이버시티(channel capacity/diversity) 등의 성능을 극대화한다.
이를 위해 본 발명의 실시예는 하이브리드 빔포밍 모드의 선택 절차를 포함한다. 기지국(Base Station: BS)은 빔 공간들(beam spaces)을 커버하는 다중방향성 빔들을 통해 기준 신호(reference signal)를 전송하며, 단말(Mobile Station: MS)에게 빔 공간 아날로그 빔 선택 모드를 지시한다. 상기 모드의 선택은 접속 모드(connected) 동안의 단말 상태를 기반으로 이루어질 수 있다. 단말은 빔 공간 스위핑 및 측정을 통해 하나 혹은 그 이상의 아날로그 빔(즉, 기지국 송신 빔(BS Tx Beam))을 선택하고, 선택된 아날로그 빔에 대한 정보를 기지국에게 보고한다.
기지국은 추가적으로 선택된 송신 아날로그 빔을 단말에게 지시하며, 단말은 선택된 아날로그 빔을 위한 빔포밍 계수들로 이루어진 빔 공간 채널 행렬(또는 유효 채널 행렬)을 추정한다. 이후 기지국 및/또는 단말은 빔 공간 채널 행렬을 기반으로 MIMO 모드의 선택과 프리코더(precoder)의 선택을 수행한다. 이때 단말이 미리 주어진 코드북(codebook)을 통해 프리코더를 선택하거나, 혹은 기지국이 단말로부터 보고된 빔 공간 채널 행렬을 기반으로 프리코딩 행렬을 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층(PHY)의 블록도(block diagram)를 도시한 것이다. 여기에서는 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍을 동시에 적용하는 하이브리드 구조를 예로 도시하였다.
도 1을 참조하면, L개의 레이어들에 해당하는 L개의 디지털 신호들은 부호화기(ENC)(110-1,110-L)와 변조기(MOD)(115-1,115-L)를 거쳐 MIMO 부호화기(120)로 입력되며, MIMO 부호화기(120)에서 출력된 Mt개의 스트림들은 프리코더(125)에 의해 프리코딩되어 Nf개의 RF 경로들에 대응하는 Nf개의 프리코딩된 신호들로 변환된다. 프리코딩된 신호들 각각은, IFFT(130-1,130-Nf), 병렬/직렬 변환기(Parallel to Serial converter: P/S)(135-1,135-Nf)와 순환 프리픽스(Cyclic Prefix: CP) 삽입기(140-1,140-Nf) 및 DAC(Digital-to-Analog converter)(145-1,145-Nf)로 이루어진 RF 경로들을 거쳐 아날로그 빔포밍부(150)로 입력된다.
DAC(145-1,145-Nf) 이후의 아날로그 빔포밍부(150)는 RF 경로 별로 다수 개의 주파수 변환기(Frequency Converter or Mixer)와 위상 변환기(Phase Shifter)와 전력 증폭기(PA)/VGA를 포함하며, RF 경로들로부터 입력되는 신호들을 다수개의 안테나 소자(antenna element)에 대한 위상(phase)과 신호세기(amplitude)로 제어함으로써 특정 방향으로 전송되는 빔들을 형성한다. 상기 형성된 빔들은, 빔포밍 이득을 증가시키기 위하여 다수의 안테나 소자를 그룹핑하여 구성된 안테나 어레이(antenna array)(155)를 통해 전송된다.
또한 DAC(145-1,145-Nf) 이전의 IFFT(130-1,130-Nf)를 포함하는 RF 경로들과 MIMO 부호화기(120)/프리코더(125)에 의한 디지털 빔포밍을 통하여, 추가적인 빔포밍 이득 확보 외에 다중 사용자 운용, 주파수 대역 선택적(frequency selective) 할당, 다중빔 형성 등의 기능을 얻을 수 있다. 도 1의 구조는 다수 블록들의 변경과 조합을 통하여 여러 가지 형태로 변형될 수 있다.
이러한 하이브리드 빔포밍 구조를 바탕으로 형성되는 서로 다른 빔폭과 빔이득을 가지는 한 개 이상의 빔은, 기준 신호/데이터채널(data channel)/제어 채널(control channel)의 채널 특성에 따라서, 또는 단말의 이동성 및 채널특성을 고려하여, 또는 상향링크(uplink: UL)/하향링크(downlink: DL)나 송신(transmit)/수신(receive)에 따라서 서로 다르게 운용될 수 있다. 선택된 빔은 특정 방향으로 특정 빔폭과 빔이득을 가지도록 아날로그/디지털 단의 빔포밍 계수(coefficient)를 조절함으로써 생성된다. 이 때, 안테나 입력전력이 동일하게 설정되는 경우, 빔폭을 넓게 생성함에 따라 해당 빔의 지향 방향에 대한 최대 빔이득이 작아지는 상관관계를 가지게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 빔포밍을 지원하기 위한 기지국 송신단 물리계층의 블록도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, L개의 레이어들에 해당하는 L개의 디지털 신호들은 부호화기(ENC)(210-1,210-L)와 변조기(MOD)(215-1,215-L)를 거쳐 MIMO 부호화기(220)로 입력되며, MIMO 부호화기(220)에서 출력된 Mt개의 스트림들은 프리코더(225)에 의해 프리코딩되어 Nf개의 RF 경로들에 대응하는 Nf개의 프리코딩된 신호들로 변환된다. 프리코딩된 신호들 각각은, IFFT(230-1,230-Nf), P/S(235-1,235-Nf)와 CP 삽입기(240-1,240-Nf) 및 DAC(245-1,245-Nf)로 이루어진 RF 경로들을 거쳐 아날로그 빔포밍부(250)로 입력된다.
아날로그 빔포밍부(250)는 다수 개의 위상 변환기(Phase Shifter)와 전력 증폭기(PA)/VGA를 통하여 특정 방향으로 전송되는 빔을 형성한다. 상기 형성된 빔은 Nt개의 안테나 어레이 그룹들(255)를 통해 전송된다. 도 2의 구조에서 Nf개의 RF 경로는 Nt개의 안테나 어레이 그룹들에 각각 대응한다.
도 3(도 3a 및 도 3b로 구성됨)은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 송/수신 빔포밍 구조를 도시한 것으로서, 도시한 바와 같이 송신기(300)는 디지털 빔포밍부(310)와 아날로그 빔포밍부(330)로 구성되며, 이들은 IFFT(320), P/S(Parallel-to-Serial converter)(325) 및 DAC(327)로 각각 구성된 복수의 RF 경로들에 의해 상호 결합된다.
디지털 빔포밍부(310)는 MIMO 부호화기(312)와 기저대역(Base Band: BB) 프리코더(314)를 포함하며, 아날로그 빔포밍부(330)는 RF 경로별 주파수 변환기(332) 및 위상 변환/전력 증폭기들(334)과 안테나 어레이들(336)로 구성된다. 아날로그 빔들은 RF 경로(즉 RF 체인) 별로 분리된 안테나 어레이들(336)에 의해 형성된다. 도시하지 않을 것이지만, 송신기(300)는 디지털 빔포밍부(310)와 아날로그 빔포밍부(330)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍을 위해 필요한 정보들을 획득 및 수신기와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(310)와 아날로그 빔포밍부(330)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
송신기(300)에 의해 형성된 빔들은 송수신기 다중 안테나 간 MIMO 채널(H)(340)에 대해 형성하는 빔공간 유효 채널을 통해 수신기(305)에 도달한다. 수신기(305)는 송신기(300)와 유사하게, 아날로그 빔포밍부(350)와 디지털 빔포밍부(370)로 구성되며, 이들은 ADC(360), S/P(Serial-to-Parallel converter)(362) 및 FFT(364)로 각각 구성된 복수의 RF 경로들에 의해 상호 결합된다. 아날로그 빔포밍부(350)는 RF 경로별 안테나 어레이들(352)과 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)/위상 변환기들(354) 및 주파수 변환기들(356)로 구성된다. 디지털 빔포밍부(370)는 기저대역 결합기(372)와 MIMO 복호화기(374)를 포함하여 구성된다.
도시하지 않을 것이지만, 수신기(305)는 디지털 빔포밍부(370)와 아날로그 빔포밍부(350)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍을 위해 필요한 정보들을 획득 및 송신기(300)와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(370)와 아날로그 빔포밍부(350)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 RF 경로(즉 RF 체인) 별로 분리된 안테나 어레이들로부터 송출된 아날로그 빔들에 대해 채널 추정을 수행하여 최적의(best) 아날로그 빔을 결정하게 된다.
송신기(300)는 아날로그 빔포밍을 통하여 지향성을 가지는 서로 다른 방향으로의 아날로그 빔을 형성하고, 아날로그 송/수신 빔들 중에서 선택된 아날로그 송/수신 빔의 조합 상에서 추가적으로 디지털 MIMO/BF 프로세싱에 의하여 향상된 성능의 데이터 송/수신을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국과 단말 간의 통신을 개략적으로 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이, 기지국(400)은 하나 혹은 그 이상의 섹터들로 구성된 셀을 서비스 커버리지로서 운용하며, 앞서 설명한 디지털/아날로그 빔포밍 구조를 통해 복수의 송수신 빔들(412)을 형성한다. 기지국(400)은 다수의 빔포밍 된 신호를 동시에 또는 연속적으로 스위핑(sweeping)(410)하여 전송한다.
기지국(400)의 셀 내에 위치하는 단말(420)은 구현에 따라서 수신 빔포밍을 지원하지 않으면서 전방향으로(omnidirectional) 수신을 하거나, 수신 빔포밍을 지원하되 특정 빔포밍 패턴(pattern)을 한 번에 한 가지만 지원하여 수신하거나, 수신 빔포밍을 지원하면서 다수의 빔포밍 패턴을 서로 다른 방향으로 동시에 지원 가능한 구조를 가질 수 있다.
수신 빔포밍을 지원하지 않는 구조를 가지는 경우, 단말(420)은 기지국(400)의 송신 빔별 기준 신호에 대한 채널 품질을 측정하고 이를 보고함으로써, 기지국(400)의 다수 송신빔 중 단말(420)에 대한 최적의 빔을 선택하게 된다. 수신 빔포밍을 지원하는 구조를 가지는 경우, 단말(420)은 수신빔 패턴 별로 기지국(400)의 다수 송신빔에 대한 채널품질을 측정하고, 기지국 송신빔들과 단말의 수신빔들의 모든 조합에 대해 전체 혹은 상위 몇 개의 측정 결과를 기지국(400)에 보고함으로써, 기지국(400)은 단말(420)을 위한 적절한 송신빔을 할당할 수 있다. 단말(420)이 동시에 여러 개의 기지국 송신빔을 수신 가능하거나 여러 개의 기지국 송신빔과 단말 수신빔 조합을 지원 가능한 경우, 기지국(400)은 반복전송 또는 동시 전송을 통한 다이버시티 전송을 고려한 빔 선택을 수행할 수 있다.
도 5는 빔 공간에서 특정 셀/섹터의 영역을 커버(cover) 하도록 서로 다른 방향으로의 아날로그 빔들을 생성한 예시를 나타낸 것이다. 여기에서는 하나의 안테나 어레이가 사용되는 경우의 빔 패턴들을 도시하였다. 도시한 바와 같이, 기준 방향(azimuth angle 또는 elevation angle)(0도)의 빔(500)을 중심으로 소정 빔폭과 빔이득을 가지는 다수의 빔들이 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합을 고려한 하이브리드 빔포밍의 수행 절차를 나타낸 것이다. 여기에서는 동기/방송 채널 영역과 하향링크(DL) 서브프레임 및 상향링크(UL) 서브프레임으로 구성되는 TDD(Time Division Duplex) 프레임 구조의 예를 도시하였으나, FDD(Frequency Division Duplex) 혹은 다른 프레임 구조에서도 유사한 동작이 적용 가능함에 유의하여야 한다.
도 6을 참조하면, 과정 612에서 기지국(600)은 셀/섹터 내의 서로 다른 방향으로 RF 체인(chain) 별 혹은 안테나 어레이 별로 한 개 이상의 아날로그 빔을 형성하고 각 아날로그 빔들을 통하여 단말에서 각 방향 별 아날로그 빔들에 대한 채널품질(channel quality), 예를 들어 CINR(Carrier-to-Interference-and-Noise Ratio)/RSSI(Receive Signal Strength Indicator)를 측정할 수 있는 기준 신호(reference signal), 예를 들어 mid-amble 또는 CSI-RS를 실어서 전송한다. 기준 신호는 일 예로서 하향링크 서브프레임 중 지정된 시간영역 내의 NTx개의 서브-시간영역들을 통해서 전송될 수 있다.
여기서 NTx는 기지국의 RF 체인 별로 또는 안테나 어레이 별로 지원하는 아날로그 송신 빔들의 개수를 의미한다. 즉 기지국은, 하나의 서브-시간영역(일 예로, 시간 심볼 구간(symbol duration)) 내에서 서로 다른 RF 체인에 대한 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 기준 신호를 서로 다른 주파수 자원에 할당하여 전송한다. 이로써 NTx 개의 서브-시간영역들에 걸쳐서 RF 체인 별로 서로 다른 방향으로의 아날로그 송신 빔들에 대한 기준 신호들이 전송된다.
과정 614에서 단말(605)은 해당 기준 신호들로부터 각 기지국 RF 체인에 대한 아날로그 빔 별 채널 측정을 수행하고, 측정 결과 얻어진 채널 품질(즉 CINR 혹은 RSSI 등)을 기준으로 기지국-단말 간 데이터 송수신에 적합한 특정한 기준(threshold/condition)을 만족하는 한 개 이상의 기지국 RF 체인 또는 안테나 어레이를 선택하거나, RF 체인별 또는 안테나 어레이별 아날로그 빔을 선택한다. 일 예로서 단말(605)는 미리 주어진 M의 값에 따라, 최대 M개의 기지국 아날로그 빔들을 선택하거나, 기지국 RF 체인별 또는 안테나 어레이별로 최대 M개의 아날로그 빔들을 선택할 수 있다.
단말(605)도 하이브리드 빔포밍을 운용하는 경우, 단말(605)은 한 개 이상의 단말 수신 빔들을 스위핑(sweeping)하면서 기지국 송신 아날로그 빔과 단말 수신 아날로그 빔들의 조합에 대한 채널 품질을 측정하고, 측정 결과를 기준으로 한 개 이상의 기지국 송신 아날로그 빔 또는 기지국 송신 아날로그 빔 ?? 단말 수신 아날로그 빔의 조합을 선택할 수 있다. 송/수신 아날로그 빔의 선택을 위한 기준/조건(criteria/condition)은 단말(605)의 자체적인 임계값을 기준으로 운용될 수도 있고, 기지국(600)이 셀 내의 전체 단말들에 대해서 또는 각 단말 별로 알려준 특정 빔 선택 메트릭(metric) 및/또는 임계값 조건으로 운용될 수 있다.
이러한 빔 선택 메트릭은, 한 개 이상의 RF 체인들을 통하여 전송되는 아날로그 빔들에 대해 RF 체인 별 아날로그 빔에 대한 빔포밍이 반영된 유효 채널과 이러한 유효 채널로 구성되는 채널 행렬 측정을 통해 구해지는 MIMO 스트림 별 SNR의 평균값/최대값/최소값 또는 채널용량 공식(channel capacity formula)을 바탕으로 계산된 채널 용량(channel capacity) 등과 같은 여러 가지 형태로 나타내어질 수 있다.
과정 616에서 단말(605)은, 각 기지국 송신 아날로그 빔과 단말 수신 아날로그 빔 조합에 대하여 채널품질 측정을 통해 선택된 한 개 이상의 기지국 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 정보와, RF 체인별 또는 안테나 어레이별 하나 이상의 아날로그 송신 빔 또는 한 개 이상의 기지국/단말 아날로그 송/수신 빔 조합을 나타내는 아날로그 빔 인덱스(index) 정보를 기지국(600)에 보고(report)한다. 상기 보고되는 정보들은 일 예로서 상향링크 서브프레임의 지정된 보고 영역을 통해 전송될 수 있다. 과정 618에서 기지국(600)은 상기 아날로그 빔 인덱스 정보를 기반으로, 기지국(600)에서의 스케줄링을 고려하여 기지국 송신 아날로그 빔(들)의 보다 세밀한 선택(down-selection)을 최종적으로 수행할 수 있다. 기지국(600)은 최종적으로 선택된 기지국 RF 체인 또는 안테나 어레이와, RF 체인별 또는 안테나 어레이별 아날로그 송신 빔들에 대한 정보를 하향링크 서브프레임 내의 하향링크 제어 메시지를 통해 단말(605)에게 전달한다.
과정 620에서 단말(605)은 상기 최종적으로 선택된 기지국 아날로그 송신빔들과 이들에 최적으로 매핑(mapping)되는 단말 아날로그 수신빔들의 조합에 대하여 빔 공간에서의 유효 채널 행렬(Effective Channel Matrix)에 대한 추정을 수행한다. 상기 유효 채널 행렬은 안테나 공간(antenna space)에서 기지국과 단말의 송/수신 안테나 간의 채널 행렬에 대해, 기지국의 아날로그 송신 빔포밍과 단말의 아날로그 수신 빔포밍이 적용된 형태로 나타내어질 수 있다. 일 예로서 상기 유효 채널 행렬은 하기 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013041503179-pat00001
여기서 H는 이상적인 채널 행렬을 나타내고,
Figure 112013041503179-pat00002
는 추정된 유효 채널 행렬을 나타내고, s는 송신 신호를 나타내고, y는 수신 신호를 나타내고, n은 잡음을 나타낸다. 또한 WBB는 디지털 빔포밍부의 빔포밍 계수 행렬을 나타내며, WRF는 아날로그 빔포밍부의 빔포밍 계수 행렬(beamforming weight matrix)을 나타낸다. 아래첨자로 추가된 MS 및 BS는 각각 단말 및 기지국에서 적용된 빔포밍 계수 행렬을 의미한다. NRF,MS와 NRF,BS는 각각 단말과 기지국이 구비하는 RF 경로들의 개수를 의미한다.
이와 같이 추정된 유효 채널 행렬을 이용하여, 과정 620에서 단말(605)은 기지국(600)에서의 디지털 빔포밍을 위한 최적의 MIMO 랭크(rank)(혹은 MIMO 스트림의 개수), MIMO 프리코더(혹은 코드북), 유효 CINR(혹은 CQI(Channel Quality Indication), MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨) 중 적어도 하나를 추정/예측한다.
선택 가능한(alternative) 실시예로서 단말(605)은, 하나 이상의 기지국 RF 체인 또는 안테나 어레이와, 이들 각각에 대한 아날로그 빔, 및 하나 이상의 단말 RF 체인 또는 안테나 어레이와, 이들 각각에 대한 아날로그 빔으로 형성되는 유효채널 행렬을 바탕으로, 지원 가능한 MIMO 랭크 또는 MIMO 스트림 수들을 결정할 수 있다. 또한 단말(605)은 특정 송신 프리코더(precoder) 또는 미리 정해진 코드북(codebook) 또는 PMI(Precoder Matrix Index)을 이용한 프리코딩(precoding)을 송신단에서 적용하였을 때 예상되는 MIMO 스트림 별 수신 SNR 평균값/최대값/최소값 또는 예상되는 채널용량(channel capacity) 등을 바탕으로, 앞서 설명한 빔 선택 매트릭(metric)을 최대화할 수 있는 프리코더 또는 코드북을 선택할 수 있다. 유효 CINR 값은 상기 선택된 프리코더 또는 코드북에 따라 추정된다.
이때, 지원 가능한 MIMO 랭크 수 또는 MIMO 스트림의 수는 기지국에서 단말에 대하여 할당하는 최대 RF 체인 개수에 의하여 제한되거나, 다른 예로서 기지국의 운용에 따라 단말에 대하여 임의로 제한되거나, 기지국 또는 단말에서 선택한 RF 체인 또는 안테나 어레이의 개수에 의하여 추가적으로 제한될 수 있다. 다른 실시예로서, 단말에 대하여 지원하고자 하는 MIMO 랭크 또는 MIMO 스트림 개수는 기지국이나 단말에 의해서 미리 결정되며, 단말은 상기 결정된 개수 내에서 전송 성능을 최적화 하는 코드북 또는 PMI를 선택하고, 상기 선택된 코드북 또는 PMI에 해당하는 유효 CINR 값을 추정하여 기지국으로 피드백할 수 있다.
과정 622에서 단말(605)은 상기 추정/예측 결과 결정한 정보를 기지국에 피드백 하며, 과정 624에서 기지국(605)은 상기 피드백된 정보를 이용하여 단말(605)에 대한 하이브리드 빔포밍 스케줄링을 수행하고, 스케줄된 MIMO 모드 및/또는 MCS 레벨에 따라 하향링크 데이터 버스트(data burst)를 전송한다.
다른 실시예로서 과정 622에서 단말(605)은 상기 추정된 유효 채널 행렬을 나타내는 정보를 기지국에 피드백하며, 과정 624에서 기지국은 상기 피드백된 정보를 이용하여 상기 유효 채널 행렬(matrix)에 대한 SVD(Singular Value Decomposition) 수행이나 다른 MIMO/BF 운용 기법을 적용하여 적절한 MIMO 프리코더(혹은 코드북)을 직접 선택한 후 스케줄링 및 데이터 전송을 수행할 수 있다. 본 명세서에서는 이와 같은 유효 채널 행렬을 피드백하는 운용 기법을, 유효 채널 행렬에 대한 아날로그 피드백이라 칭할 것이다.
다른 실시예로서, 과정 614 내지 620에서 단말은 기지국의 RF 체인 또는 안테나 어레이와 RF 체인/안테나 어레이 별 아날로그 빔을 선택하거나, 또는 기지국의 RF 체인/안테나 어레이와 RF 체인/안테나 어레이 별 송신 아날로그 빔과 단말의 RF 체인/안테나 어레이와 RF 체인/안테나 어레이 별 송수신 아날로그 빔 조합을 선택한 후, 상기 선택된 RF 체인/안테나 어레이 및 송/수신 아날로그 빔들에 대하여 디지털 MIMO 프리코딩을 고려한 MIMO 랭크 또는 MIMO 스트림 수, 프리코더 또는 코드북/PMI 등을 선택하고, 유효 CINR 또는 CQI를 추정하는 순차적인 동작 대신, 과정 614 내지 620을 동시에 수행할 수 있다. 다시 말해서 단말은, 모든 가능한 기지국 송신 RF 체인/안테나 어레이 및 각각의 송신 아날로그 빔들과, 단말 수신 RF 체인/안테나 어레이 및 각각의 송수신 아날로그 빔들의 조합에 대하여 MIMO 스트림 수 또는 MIMO 코드북 선택을 위한 계산을 수행하고, 실질적으로 동시에, 기지국과 단말의 RF 체인/안테나 어레이와 RF 체인/안테나 어레이 별 아날로그 빔들과 MIMO 스트림 수 및 디지털 프리코더/코드북 등의 정보를 선택할 수도 있다. 선택된 정보들은 아날로그 피드백으로서 기지국으로 보고된다.
이상에서는 하향링크 하이브리드 빔포밍을 기반으로 단말/기지국의 운용 동작과 절차를 설명하였으나, 상향링크에 대하여 단말/기지국의 역할이 서로 바꾸어 유사한 형태로 하이브리드 빔포밍 운용이 가능함은 물론이다.
도 7(도 7a 및 도 7b로 구성됨)은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 송/수신 빔포밍 구조를 도시한 것이다. 도시된 구조는 도 1의 하이브리드 송/수신 빔포밍 구조를 기반으로, 단말과 기지국 간에 아날로그 빔포밍을 통하여 지향성을 가지는 서로 다른 방향으로의 아날로그 송/수신 빔들을 형성하고, 아날로그 송/수신 빔들 중에서 선택된 아날로그 송/수신 빔들의 조합에 추가적으로 디지털 MIMO/BF 프로세싱을 통하여 향상된 성능의 데이터 송/수신을 수행한다.
도 7a를 참조하면, 송신기(700)는 디지털 빔포밍부(710)와 아날로그 빔포밍부(730)로 구성되며, 이들은 IFFT(720), P/S(725) 및 DAC(727)로 각각 구성된 복수의 RF 경로들에 의해 상호 결합된다. 디지털 빔포밍부(710)는 MIMO 부호화기(712)와 기저대역(BB) 프리코더(714)를 포함하며, 아날로그 빔포밍부(730)는 RF 경로별 주파수 변환기(732) 및 위상 변환/전력 증폭기들(734)을 포함한다. 위상 변환/전력 증폭기들(734)로부터의 신호들은 안테나 소자 별로 합산된 후 안테나 어레이(736)의 각 안테나 소자로 입력된다. 아날로그 빔들은 복수의 RF 경로들(즉 RF 체인들)에 의해 공유되는 하나의 안테나 어레이(736)에 의해 형성된다.
도시하지 않을 것이지만, 송신기(700)는 디지털 빔포밍부(710)와 아날로그 빔포밍부(730)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍을 위해 필요한 정보들을 획득 및 수신기와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(710)와 아날로그 빔포밍부(730)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
송신기(700)에 의해 형성된 빔들은 송수신기 다중 안테나 간 MIMO 채널(H)(740)에 대해 형성하는 빔공간 유효 채널을 통해 수신기(705)에 도달한다.
도 7b를 참조하면, 수신기(705)는 송신기(700)와 유사하게, 아날로그 빔포밍부(750)와 디지털 빔포밍부(770)로 구성되며, 이들은 ADC(760), S/P(762) 및 FFT(764)로 각각 구성된 복수의 RF 경로들에 의해 상호 결합된다. 아날로그 빔포밍부(750)는 RF 경로별 안테나 소자들을 가지는 안테나 어레이(752)과 저잡음 증폭(LNA)/위상 변환기들(754) 및 주파수 변환기(756)로 구성된다. 디지털 빔포밍부(770)는 기저대역 결합기(772)와 MIMO 복호화기(774)를 포함하여 구성된다.
도시하지 않을 것이지만, 수신기(705)는 디지털 빔포밍부(770)와 아날로그 빔포밍부(750)를 제어하며, 하이브리드 빔포밍을 위해 필요한 정보들을 획득 및 송신기(700)와의 사이에서 교환하고, 디지털 빔포밍부(770)와 아날로그 빔포밍부(750)를 제어하기 위해 필요한 정보들, 일 예로서 빔포밍 계수 행렬 등을 결정하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 하나의 안테나 어레이(736)를 공유하는 복수의 RF 경로(즉 RF 체인) 별로 송출되는 아날로그 빔들에 대해 채널 추정을 수행하여 최적의(best) 아날로그 빔을 결정하게 된다.
송신기(700)는 아날로그 빔포밍을 통하여 지향성을 가지는 서로 다른 방향으로의 아날로그 빔들을 형성하고, 아날로그 송/수신 빔들 중에서 선택된 아날로그 송/수신 빔의 조합 상에서 추가적으로 디지털 MIMO/BF 프로세싱을 통하여 향상된 성능의 데이터 송/수신을 수행한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 3의 송신단과 도 7의 수신단이 조합된 송수신 구조가 사용되거나, 혹은 도 7의 송신단과 도 3의 수신단이 조합된 송수신 구조가 사용될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 도 1 또는 도 2의 변형된 하이브리드 송/수신 빔포밍 구조를 기반으로 하는 구조가 사용될 수도 있다.
이하, 하이브리드 빔포밍을 수행함에 있어서, 아날로그 빔(즉 기지국 송신빔)을 선택하고, 추가적으로 디지털 MIMO/BF 운용을 위한 디지털 프리코더(precoder) 또는 코드북(codebook)에 대한 추정 및 선택을 수행하여 피드백하는 단말의 동작과, 그에 대응하는 기지국의 동작을 설명한다. 이하에서는 기지국이 송신하고 단말이 수신하는 하향링크의 동작에 대하여 설명할 것이나, 상향링크에 대해서도 유사하게 동작이 가능함은 자명할 것이다.
기지국과 단말은, 하이브리드 빔포밍을 위한 한 개 이상의 아날로그 빔(즉 기지국 송신빔) 또는 기지국 송신빔-단말 수신빔을 포함하는 빔 조합(beam pair)을 선택하는 절차와, 선택된 한 개 이상의 아날로그 빔 또는 빔 조합에 대한 디지털 MIMO/BF을 스케줄링하는 절차를 순차적으로 또는 동시에 수행한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 MIMO/BF을 위한 스케줄링 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 과정 802에서 기지국은 단말에게 브로드캐스팅(broadcasting) 또는 유니캐스팅(unicasting)을 통하여, 기지국에서 지원하는 빔포밍 관련 정보를 전달한다. 상기 빔포밍 관련 정보는 아날로그 빔포밍 관련 정보를 포함한다. 상기 아날로그 빔포밍 관련 정보는 일 예로서 기지국의 RF 체인/안테나 어레이 개수, 기지국의 RF 체인/안테나 어레이 별로 서로 다른 방향으로 형성된 기지국 송신빔들의 개수, 각 기지국 송신빔의 어레이 이득(array gain), 기지국에서 동시 지원 가능한 빔 개수, 하나의 단말 또는 하나의 버스트(burst)에 대해 동시 지원 가능한 빔 개수, 기지국 송신빔 별 기준 신호의 구성 정보 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 빔포밍 관련 정보는 하이브리드 빔포밍을 위한 디지털 빔포밍 관련 정보를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 일 실시예로서 양자화된 코드북(quantized codebook)을 기반으로 한 디지털 프리코더 방식의 디지털 빔포밍이 적용되는 경우, 디지털 빔포밍 관련 정보는 단말에게 사용 가능한 코드북 세트(codebook set)에 대한 정보를 포함한다. 다른 실시예로서 아날로그 빔포밍 관련 정보는 셀 내의 각 단말에게 브로드캐스팅 혹은 유니캐스팅되며, 디지털 빔포밍 관련 정보는 아날로그 빔조합의 선택을 완료한 단말에게 유니캐스팅될 수 있다.
과정 804에서 기지국은 네트워크 진입(network entry)을 수행 중이거나 수행 완료한 단말에게 하이브리드 빔포밍, 특히 아날로그 빔포밍을 위한 피드백 정보를 요청하는 요청 메시지를 전송한다. 상기 요청 메시지는, 하이브리드 빔포밍을 위하여 RF 체인/안테나 어레이, 아날로그 빔, 디지털 MIMO 프리코딩 기법 등을 선택하기 위해 필요한 측정/선택 조건(measurement/selection condition)을 포함할 수 있다.
일 예로서 상기 측정/선택 조건은, 보고될 기지국 송신 RF 체인/송신 안테나 어레이 개수, 보고될 기지국 송신 RF 체인/송신 안테나 어레이 별 기지국 송신빔들의 (최대) 개수, 보고될 빔 조합들의 (최대) 개수, 단말 수신빔 별로 보고될 기지국 송신빔들의 (최대) 개수, 보고될 단말 수신빔들의 (최대) 개수 중 적어도 하나와 같은 측정 조건을 포함한다. 다른 예로서 상기 측정/선택 조건은 MIMO 스트림들의 (최대) 개수, 기지국 송신빔 또는 기지국 송신빔-단말 수신빔의 선택을 위한 채널품질 조건, 피드백되기를 원하는 특정 MIMO 모드(specific MIMO mode) 중 적어도 하나와 같은 선택 조건을 포함한다.
상기 채널품질 조건은, 일 예로서, 빔 선택을 위한 신호 세기(CINR 또는 RSSI)에 대한 임계값 CINRTh/RSSITh, 상대적 임계값(relative threshold) ΔCINRTh/ΔRSSITh, 표준편차 임계값(standard deviation threshold)
Figure 112013041503179-pat00003
/
Figure 112013041503179-pat00004
, 상관 임계값(correlation threshold)
Figure 112013041503179-pat00005
, 선택된 다중 빔조합에 대한 통합(combined) CINR/RSSI의 임계값(threshold), 선택된 다중 빔조합 간 특정 기준(e.g., 빔조합들 중 최대 CINR/RSSI) 대비 CINR/RSSI의 차이에 대한 임계값 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한 특정 MIMO 모드는 일 예로서 MIMO-SM(Spatial Multiplexing), MIMO-STC(Space Time Code) 및 MIMO/BF 중 적어도 하나가 될 수 있다. 추가적으로 상기 측정/선택 조건은 기지국에 의해 지정된 지원 가능한 MIMO 랭크 개수 또는 MIMO 스트림의 개수를 더 포함할 수 있다.
과정 806에서 단말로부터 상기 측정/선택 조건을 바탕으로 선택된 하나 이상의 기지국 RF 체인/안테나 어레이와 하나 이상의 빔 조합(혹은 기지국 송신빔)과 해당 채널품질 정보(일 예로서 RSSI 혹은 CINR)을 포함하는 보고 메시지가 기지국으로 피드백된다. 과정 808에서 기지국은 상기 선택된 하나 이상의 기지국 송신빔 또는 빔 조합과 그의 채널품질 정보를 기반으로, 자체적인 스케줄링 기준 등을 고려하여 하나 이상의 기지국 RF 체인/안테나 어레이와 기지국 RF 체인/안테나 어레이별 하나 이상의 빔조합을 축소 선택(down-selection)하는 추가적인 동작을 수행한다.
과정 810에서 기지국은 선택된 하나 이상의 빔조합에 대해 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 요청하는 요청 메시지를 단말에게 전송한다. 상기 요청 메시지는 기지국에서 선택된 하나 이상의 기지국 RF 체인/안테나 어레이와 상기 선택된 각 기지국 RF 체인/안테나 어레이를 고려한 하나 이상의 빔조합에 대한 정보를 포함하며, 추가적으로 디지털 빔포밍 관련 정보를 포함할 수 있다. 여기서 상기 디지털 빔포밍 관련 정보는 상기 선택된 빔 조합에 대한 채널 측정 및 피드백 보고 조건을 나타내는 정보를 포함한다. 일 예로서 상기 채널 측정 및 피드백 보고 조건은, 단말에 할당된 기지국의 RF 경로들의 최대 개수, MIMO 스트림의 최대 개수, 아날로그/디지털/하이브리드 MIMO/BF를 위해 필요한 피드백 정보를 지시한다.
일 실시예로서, 양자화된 코드북을 기반으로 한 디지털 프리코더 방식의 디지털 빔포밍이 적용되는 경우, 상기 디지털 빔포밍 관련 정보는 단말에게 사용 가능한 코드북 세트(codebook set)에 대한 정보를 포함한다. 다른 실시예로서 단말과 기지국은 사전에 특정 규칙에 따라 설정된(pre-set or pre-defined) 코드북 세트에 대한 정보를 공통적으로 미리 저장할 수 있다.
선택 가능한 다른 실시예로서 상기 디지털 빔포밍 관련 정보는 아날로그 피드백 기반의 디지털 빔포밍이 수행될 것인지, 혹은 코드북 기반의 디지털 빔포밍이 수행될 것인지를 지시하는 정보를 포함할 수 있다. 또 다른 선택 가능한 실시예로서 상기 디지털 빔포밍 관련 정보는, 피드백 받을 정보의 내용, 일 예로서 단말에서 추정한 최적의 MIMO 모드, 최적의 디지털 프리코더를 나타내는 최적(preferred) 프리코더 행렬 지시자(Precoder Matrix Indicator: PMI), 최적 코드북, MIMO 스트림들의 개수, 추정된 채널품질 정보, 추정된 MCS 레벨, 채널 행렬의 원소(element)들, 또는 채널 행렬 자체나 그에 준하는 정보를 재구성할 수 있는 정보 중 적어도 하나를 지시할 수 있다.
이후 기지국과 단말 간에 코드북 기반의 디지털 빔포밍이 적용되는지 혹은 아날로그 피드백 기반의 디지털 빔포밍이 적용되는지에 따라서 과정 812 혹은 과정 814가 수행된다. 적용되는 디지털 빔포밍의 종류는, 기지국과 단말 간의 협상, 기지국의 지시, 단말의 요청, 기지국 및 단말의 성능, 시스템 표준 등과 같은 여러 가지 방식으로 정해질 수 있다.
과정 812에서 기지국은 단말로부터 코드북 기반의 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신한다. 상기 피드백 정보는 선택된 빔 조합을 기반으로 단말에서 추정한 최적의 MIMO 모드, 최적의 디지털 프리코더를 나타내는 최적(preferred) 프리코더 행렬 지시자(Precoder Matrix Indicator: PMI), 최적 코드북, MIMO 스트림들의 개수, 추정된 채널품질 정보, 추정된 MCS 레벨 중 적어도 하나를 포함한다. 과정 814에서 기지국은 단말로부터 아날로그 피드백 기반의 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신한다. 상기 피드백 정보는 채널 행렬의 원소(element)들, 또는 채널 행렬 자체나 그에 준하는 정보를 재구성할 수 있는 정보로서, 일 예로 정규화된 채널 행렬(normalized channel matrix), 분해된 채널 행렬(decomposed channel matrix), 채널 공분산 행렬(channel covariance matrix) 등을 포함할 수 있다.
과정 816에서 기지국은 과정 812 혹은 과정 814에서 수신한 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보와 과정 806에서 수신한 아날로그 빔포밍을 위한 피드백 정보를 조합하여 최종적으로 하이브리드 빔포밍을 위한 스케줄링을 수행하여, MIMO 모드와 그에 관련된 구성, 일 예로서 선택된 빔 조합, MIMO 스트림들, 선택된 디지털 프리코더를 나타내는 PMI, MCS 레벨을 결정하고, 과정 818에서 상기 선택/스케줄된 구성에 따라 데이터 버스트를 할당하여 단말로 전송한다.
일 예로서 아날로그 피드백 기반의 디지털 빔포밍을 위해 채널 행렬에 대한 정보가 단말로부터 피드백된 경우, 과정 816에서 기지국은 선택된 빔 조합에 대해 여러 디지털 MIMO 프리코더들(코드북들)을 가지는 서로 다른 MIMO 모드들에 대한 채널 용량을 추정하고, 가장 큰 채널 용량을 가지는(혹은 주어진 조건을 만족하는) 적어도 하나의 MIMO 모드를 선택하며, 선택된 빔 조합에 대한 디지털 빔포밍을 위한 최적 PMI(프리코더 혹은 코드북)을 선택하고, 채널품질 정보(CSI(Channel State Information), CQI, CINR, RSSI 혹은 MCS 레벨)을 추정함으로써, 디지털 빔포밍을 위해 필요한 구성을 결정한다.
선택 가능한 실시예로서 기지국은 과정 806에서 단말로부터 피드백 정보를 수신한 후, 추가적인 빔 선택과 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보의 요구를 생략하고 과정 816으로 바로 진행할 수 있다. 이 경우 아날로그 빔포밍을 위한 빔 선택과 디지털 빔포밍(혹은 프리코딩)을 위한 추정 및 구성의 선택은 단말에 의해 완료된다.
선택 가능한 다른 실시예로서, 기지국은 과정 804에서 단말에 아날로그 빔포밍 및 디지털 프리코딩을 위한 피드백 정보를 동시에 요구하고, 과정 806에서 RF 체인/안테나 어레이, RF 체인/안테나 어레이 별 아날로그 빔, 하나 이상의 아날로그 빔들을 조합하여 전송하는 디지털 프리코딩을 위한 코드북/PMI와 MIMO 랭크와 같은 피드백 정보를 동시에 수신한 후, 과정 816으로 바로 진행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 MIMO/BF를 위한 측정 및 피드백 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 과정 902에서 단말은 기지국으로부터 브로드캐스트 혹은 유니캐스트 채널을 통해 빔포밍 관련 정보를 수신한다. 상기 빔포밍 관련 정보는 아날로그 빔포밍 관련 정보와 디지털 빔포밍 관련 정보 중 적어도 하나를 포함한다. 일 예로 아날로그 빔포밍 관련 정보는 기지국 RF 체인 개수, 기지국 안테나 어레이 개수, 기지국 RF 체인/안테나 어레이별 송신빔들의 개수, 기지국 송신빔별 기준 신호의 구성 등을 지시한다.
과정 904에서 단말은 기지국으로부터, 하이브리드 빔포밍, 특히 아날로그 빔포밍을 위한 피드백 요청을 수신하고, 과정 906에서 상기 피드백 요청에 포함된 기지국의 측정/선택 조건을 확인한다. 상기 측정/선택 조건은 일 예로서 선택 가능한 기지국 RF 체인/안테나 어레이들의 (최대) 개수, 선택 가능한 기지국 송신빔들의 (최대) 개수, 선택 가능한 빔 조합들의 (최대) 개수, 단말 수신빔 별 기지국 송신빔들의 (최대) 개수, 단말 수신빔들의 (최대) 개수, MIMO 스트림들의 (최대) 개수, 기지국 송신빔 또는 기지국 송신빔-단말 수신빔의 선택을 위한 채널품질 조건, 특정 MIMO 모드를 위한 기준 중 적어도 하나를 포함한다.
과정 908에서 단말은 기지국이 요청한 측정/선택 조건에 맞춰서 기지국 송신빔들과 단말 수신빔들의 빔 조합들(혹은 기지국 송신빔들)에 대한 채널품질을 측정하고, 과정 910에서 측정 결과를 기반으로 하나 이상의 빔 조합(혹은 기지국 송신빔)을 선택한다.
하기에서 단말의 빔 조합 선택에 대한 일 실시예를 설명한다.
하기 <수학식 2>는 과정 908에서 단말이 측정한 채널 행렬을 나타낸 것이다.
Figure 112013041503179-pat00006
Figure 112013041503179-pat00007
는 NT개의 기지국 송신빔과 NR개의 단말 수신빔에 대응하는 NTXNR 크기의 추정된 채널 행렬을 의미한다.
Figure 112013041503179-pat00008
는 i번째 단말 수신빔에 대한 빔 가중치이며,
Figure 112013041503179-pat00009
는 j번째 기지국 송신빔에 대한 빔 가중치를 의미하고, H는 기지국 송신 안테나와 단말 수신 안테나 간의 채널 값을 의미한다.
과정 910에서는 하기의 <수학식 3> 혹은 <수학식 4>의 조건을 만족하는 채널 원소(element)를 가지는 i번째 단말 수신빔과 j번째 기지국 수신빔의 조합이 선택된다.
Figure 112013041503179-pat00010
Figure 112013041503179-pat00011
여기서
Figure 112013041503179-pat00012
는 i번째 단말 수신빔과 j번째 기지국 송신빔에 대한 채널 값을 의미하며,
Figure 112013041503179-pat00013
는 AWGN(Additive White Gaussian Noise)의 분산을 의미한다. 또한 CINRij 및 RSSIij는 j번째 기지국 송신빔에서 i번째 단말 수신빔으로 도달하는 기준 신호에 대해 측정된 CINR 및 RSSI를 의미하고, CINRmax 및 RSSImax는 복수의 빔 조합들에 대해 측정된 CINR 및 RSSI 중 최대값들 maxi,j(RSSIij)/maxi,j(RSSIij)를 의미하고, CINRTh 및 RSSITh는 과정 904에서 기지국의 측정/선택 조건에 의해 주어진 임계값들을 의미한다. 다른 실시예로서 CINRmax 혹은 RSSImax 대신 소정의 기준값 CINRref 혹은 RSSIref가 사용될 수 있다.
이상의 실시예에서, 단말은 CINR 또는 RSSI가 특정 임계값 이상이거나, 여러 빔 조합에 대한 측정값들 중 최대값(혹은 특정 기준값) 대비 차이가 특정 임계값 이내인 기지국 송신빔 또는 빔 조합을 선택한다.
다른 실시예로서 단말은 CINR(혹은 RSSI)의 표준편차가 주어진 임계값 이하인 기지국 송신빔 또는 빔 조합을 선택한다.
Figure 112013041503179-pat00014
Figure 112013041503179-pat00015
또 다른 실시예로서 단말은 빔 조합들 간의 상관값들을 계산하여, 기지국에 의해 주어진 상관 임계값 이하의 상관값을 가지는 빔조합들을 선택한다.
Figure 112013041503179-pat00016
상기 <수학식 6>에서 단말은 i번째 단말 수신빔 및 j번째 기지국 송신빔의 빔 조합과, m번째 단말 수신빔 및 n번째 기지국 송신빔의 빔 조합을 선택할 수 있다.
또 다른 실시예로서 빔 선택을 위한 조건은 기지국에서 주어지거나 단말에서 자체적으로 설정될 수 있다.
과정 912에서 단말은 상기 선택한 하나 이상의 빔 조합을 해당 채널품질 정보(일 예로서 RSSI 혹은 CINR)와 함께 기지국에게 피드백 한다. 과정 914에서 단말은 기지국으로부터, 기지국에 의해 선택된 하나 이상의 빔 조합에 대해 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 요청하는 요청 메시지를 수신한다. 상기 요청 메시지는 기지국에서 선택된 하나 이상의 빔조합에 대한 정보를 포함하며, 추가적으로 디지털 빔포밍 관련 정보를 포함할 수 있다. 여기서 상기 디지털 빔포밍 관련 정보는 상기 선택된 빔 조합에 대한 채널 측정 및 피드백 보고 조건을 나타내는 정보를 포함한다. 일 예로서 상기 채널 측정 및 피드백 보고 조건은, 단말에 할당된 기지국의 RF 경로들의 최대 개수, MIMO 스트림의 최대 개수, 아날로그/디지털/하이브리드 MIMO/BF를 위해 필요한 피드백 정보를 지시한다.
과정 916에서 단말은 상기 요청 메시지로부터 기지국에 의해 선택된 빔 조합을 확인하고, 상기 선택된 빔 조합에 대한 채널 측정 및 피드백 보고 조건을 확인한다. 과정 918에서 단말은 상기 확인된 조건에 따라, 상기 선택된 빔 조합에 대한 채널 측정을 수행한다. 하기의 <수학식 7>은 선택된 기지국 송신빔과 단말 수신빔 조합에 대해 단말에서 측정된 유효 채널 행렬을 나타낸다.
Figure 112013041503179-pat00017
여기서 M과 N은 통신을 위해 사용할 단말 수신빔들의 개수 및 기지국 송신빔들의 개수를 의미한다.
Figure 112013041503179-pat00018
와
Figure 112013041503179-pat00019
는 상기 아날로그 송수신 빔 조합 선택을 통하여 선택된 i번째 단말 수신빔과 j번째 기지국 송신빔에 대한 빔 가중치를 각각 나타낸다.
이후 기지국과 단말 간에 코드북 기반의 디지털 빔포밍이 적용되는지 혹은 아날로그 피드백 기반의 디지털 빔포밍이 적용되는지에 따라서 과정 920 혹은 과정 922가 수행된다. 적용되는 디지털 빔포밍의 종류는, 기지국과 단말 간의 협상, 기지국의 지시, 단말의 요청, 기지국 및 단말의 성능, 시스템 표준 등과 같은 여러 가지 방식으로 정해질 수 있다.
과정 920에서 단말은 과정 918에서 측정된 유효 채널 행렬을 나타내는 피드백 정보를 기지국으로 전송한다. 일 예로서 상기 피드백 정보는 상기 유효 채널 행렬 자체, 정규화된 유효 채널 행렬, 분해된 유효 채널 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 공분산 행렬(covariance matrix)
Figure 112013041503179-pat00020
, 상기 유효 채널 행렬의 원소들, 상기 유효 채널 행렬을 재구성할 수 있는 정보 중 하나를 포함한다.
과정 922에서 단말은 상기 과정 918에서 측정된 유효 채널 행렬을 기반으로 선택된 빔 조합에 대한 하이브리드 빔포밍에 따른 MIMO/BF 용량(channel capacity)을 추정 및 예측하고, 디지털 빔포밍을 위해 필요한 구성을 결정한다. 구체적으로 단말은 MIMO 모드를 선택하고, MIMO 스트림들의 개수를 결정하며, 최적 PMI를 결정하고, CQI를 추정한다. 여기서 MIMO 모드는 MIMO Tx diversity, MIMO-BF, MIMO-SM, MIMO-STC 중에서 선택될 수 있다. 또한 추정 CQI는 CINR, RSSI, 유효(Effective) CINR, MCS 레벨 중 적어도 하나가 될 수 있다. 과정 924에서 단말은 상기 결정된 디지털 빔포밍 정보, 일 예로서 최적의 MIMO 모드, 최적의 디지털 프리코더를 나타내는 최적(preferred) 프리코더 행렬 지시자(PMI), 최적 코드북, MIMO 스트림들의 개수, 추정된 채널품질 정보, 추정된 MCS 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 피드백 정보를 기지국으로 전송한다.
상기 과정 922에서 단말은 여러 디지털 MIMO 프리코더들(코드북들)을 가지는 서로 다른 MIMO 모드들에 대하여 채널 용량을 추정하고, 가장 큰 채널 용량을 보이는 혹은 주어진 조건을 만족하는 적어도 하나의 MIMO 모드와 MIMO 스트림(stream) 수를 선택하며, 선택된 빔 조합에 대한 디지털 빔포밍을 위한 최적 PMI(프리코더 혹은 코드북)를 선택하고, 채널 품질(CQI, CINR, RSSI 혹은 MCS 레벨)을 추정함으로써, 디지털 빔포밍 정보를 생성한다.
과정 926에서 단말은 과정 920 혹은 과정 924에서 보고된 피드백 정보를 기반으로 기지국 스케줄링에 의해 할당된 구성을 사용하여 기지국으로부터 데이터 버스트를 수신한다.
선택 가능한 실시예로서 단말은 과정 910에서 빔 조합을 선택한 후, 바로 과정 918로 진행하여 스스로 선택한 빔 조합에 대한 채널 측정을 수행할 수 있다. 이 경우 아날로그 빔포밍을 위한 빔 선택은 단말에 의해 완료된다.
선택 가능한 다른 실시예로서 기지국의 요청에 따라서 또는 단말 스스로의 결정에 따라서, 과정 910에서 단말은 기지국 RF 체인/안테나 어레이와, 이들을 통해 전송되는 기지국 송신 아날로그 빔들 또는 송수신 아날로그 빔 조합들을 선택함과 동시에, 다중 빔들을 통한 디지털 MIMO 프리코딩/빔포밍을 위한 MIMO 랭크, MIMO 프리코더/코드북을 선택할 수 있다.
한편, 앞서 상술한 송/수신 하이브리드 빔포밍 운용은 단말과 기지국의 하이브리드 빔포밍 구조에 따라서 아날로그 빔의 채널측정과 선택에 있어서 고려해야 하는 송/수신 빔의 개수나 단말과 기지국의 아날로그 빔 조합 수가 달라지게 되고, 디지털 프리코딩 운용에 있어서 동시에 사용 가능한 다중 아날로그 빔의 최대 개수도 제한을 받게 된다. 이에 따라, 단말과 기지국은, 각각의 하이브리드 빔포밍 구조 또는 이에 따른 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔포밍을 포함하는 하이브리드 빔포밍 성능(capability)을 서로 공유한다.
하기의 <표 1>은 하이브리드 빔포밍 구조에 따른 하이브리드 빔포밍 성능 필드들의 예를 나타낸 것이다. 하기와 같이, 성능 필드들은 송/수신에 있어 아날로그 빔포밍 지원여부, 디지털 MIMO/빔포밍 지원여부와 서로 다른 방향으로의 아날로그 송/수신 빔의 개수, 동시에 지원 가능한 아날로그 송/수신 빔의 개수 (또는 송/수신 RF 경로의 개수) 중 적어도 하나를 포함한다.
Category Description Value
Tx Hybrid BF capability
(in case of downlink for BS, in case of uplink for MS)		 Capability to support Tx analog beamforming 0b0: non-support
0b1: support
Number of separate Tx arrays/subarrays 0b000: 1 ~ 0b111: 8
Number of Tx analog beamforming-patterns (or beams) per array/subarray 0b0000: 1 ~ 0b11111: 32 analog beam(s)
Capability to support Tx digital MIMO/BF 0b0: non-support
0b1: support
Max number of Tx digital MIMO streams supported 0b000: 1 ~ 0b111: 8 stream(s)
Capability of transmitting concurrently with multiple different Tx analog beams 0b0: non-support
0b1: support
Max number of Tx analog beams supported concurrently
(Number of Tx RF chains)		 0b000: 1 ~ 0b111: 8
Rx Hybrid BF capability
(in case of uplink for BS, in case of downlink for MS)		 Capability to support Rx analog beamforming 0b0: non-support
0b1: support
Number of separate Rx arrays/subarrays 0b000: 1 ~ 0b111: 8
Number of Rx analog beamforming-patterns (or beams) per array/subarray 0b0000: 1 ~ 0b11111: 32 analog beam(s)
Capability to support Rx digital MIMO/BF 0b0: non-support
0b1: support
Max number of Rx digital MIMO streams supported 0b000: 1 ~ 0b111: 8 stream(s)
Capability of receiving concurrently with multiple different Rx analog beams 0b0: non-support
0b1: support
Max number of Rx analog beams supported concurrently
(Number of Rx RF chains)		 0b000: 1 ~ 0b111: 8
상기의 하이브리드 빔포밍과 관련된 성능 필드들은 단말이 기지국에 연결되는 네트워크 진입(network entry), 핸드오버(handover), 또는 아이들로부터의 웨이크업(wake-up from idle) 혹은 네트워크 재진입(network re-entry) 과정에서 단말과 기지국 간에 성능 협상(capability negotiation) 절차를 위한 메시지 송수신을 통해 기지국과 단말 간에 공유될 수 있다. 다른 실시예로서, 기지국은 셀 내 단말들에 대한 공통 시스템 정보를 운반하는 브로드캐스트 채널(broadcast channel)의 메시지 혹은 단말 별 유니캐스트 메시지(unicast message)를 통해 상기 하이브리드 빔포밍에 관련된 성능 필드들을 전송할 수 있다 또 다른 실시예로서 기지국은 단말 별로 CSI, CQI, 혹은 MIMO 피드백을 요청하면서, 관련 요청 메시지 내에 상기 하이브리드 빔포밍에 관련된 성능 필드들을 포함시킬 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 단말과 기지국의 송/수신에 있어 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍의 조합을 통한 하이브리드 빔포밍 구조를 기반으로 상/하향 링크에 대해 지향성을 가지는 한 개 이상의 아날로그 빔 세트(set)로부터 최적의 한 개 이상 빔 선택과 이들의 조합을 통한 디지털 MIMO/BF 운용을 수행하는 효율적인 하이브리드 빔포밍 운용을 통해 초고주파 대역에서의 큰 전파손실을 극복함과 동시에, MIMO/BF 기법의 추가적인 적용을 통하여 효율 및 다이버시티 등의 성능을 극대화 할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (42)

  1. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서,
    송신기로부터, 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신하는 과정과,
    아날로그 빔포밍을 위한 보고 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과, 상기 보고 정보는, 상기 제1 메시지를 기반으로 복수의 아날로그 송신 빔들 중에서 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하고,
    상기 송신기로부터 상기 보고 정보에 기반하여 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 수신하는 과정과,
    상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널을 추정하는 과정과,
    상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 결정하는 과정과,
    상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하는 과정을 포함하고,
    상기 제1 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 송신기의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 통신 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 보고 정보는,
    선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 제2 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북, 채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    상기 채널 추정 결과에 기반하여 추정된 유효 채널 행렬, 정규화된 유효 채널 행렬, 분해된 유효 채널 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 공분산 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 원소들, 상기 유효 채널 행렬을 재구성할 수 있는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 메시지는,
    보고될 송신 RF 체인들의 개수, 보고될 송신 안테나 어레이들의 개수, 보고될 송신 RF 체인별 또는 송신 안테나 어레이별 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 빔 조합들의 개수, 아날로그 수신 빔 별로 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 수신 빔들의 개수, MIMO 스트림들의 개수, 피드백 되기를 원하는 MIMO 모드, 지원 가능한 MIMO 랭크 개수, 지원 가능한 MIMO 스트림 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널 추정 결과에 따라 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔과 그에 대응하는 적어도 하나의 아날로그 수신 빔의 조합을 결정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 임계값 이상의 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기를 가지는 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 기준값과의 차이가 소정 상대 임계값 이상인 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기를 가지는 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기의 표준편차가 소정 임계값 이상인 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 임계값 이상의 상관값을 가지는 한 쌍의 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이와, 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나에 대한 아날로그 송신 빔을 기반으로 형성되는 유효 채널 행렬을 결정하고,
    지원 가능한 MIMO 랭크 또는 MIMO 스트림 개수에 대해 예상되는 MIMO 스트림별 신호대잡음비(SNR) 또는 채널 용량을 최대화하는 프리코더 또는 코드북을 선택하고,
    상기 선택된 프리코더 또는 코드북에 따른 유효 반송파대 간섭및잡음비(CINR) 값을 추정하고,
    상기 선택된 프리코더 또는 코드북과 상기 유효 CINR 값 중 적어도 하나를 상기 디지털 빔포밍을 위한 정보로 구성함에 의해 생성됨을 특징으로 하는 통신 방법.
  11. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서,
    송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들의 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신기에게 송신하는 과정과,
    상기 수신기에 의해 상기 제1 메시지에 따라 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 보고 정보를 상기 수신기로부터 수신하는 과정과,
    상기 보고 정보를 기반으로 상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 상기 수신기에게 송신하는 과정과,
    상기 수신기로부터, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신하는 과정과,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하는 과정을 포함하고,
    상기 제1 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 송신기의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 통신 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 보고 정보는,
    선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 제2 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북,채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    상기 채널 추정 결과에 기반하여 추정된 유효 채널 행렬, 정규화된 유효 채널 행렬, 분해된 유효 채널 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 공분산 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 원소들, 상기 유효 채널 행렬을 재구성할 수 있는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 제1 메시지는,
    보고될 송신 RF 체인들의 개수, 보고될 송신 안테나 어레이들의 개수, 보고될 송신 RF 체인별 또는 송신 안테나 어레이별 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 빔 조합들의 개수, 아날로그 수신 빔 별로 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 수신 빔들의 개수, MIMO 스트림들의 개수, 피드백 되기를 원하는 MIMO 모드, 지원 가능한 MIMO 랭크 개수, 지원 가능한 MIMO 스트림 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  17. 삭제
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔과 그에 대응하는 적어도 하나의 아날로그 수신 빔의 조합을 결정하는 과정을 더 포함하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  19. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서,
    디지털 빔포밍 수신부와,
    아날로그 빔포밍 수신부와,
    상기 디지털 빔포밍 수신부 및 상기 아날로그 빔포밍 수신부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    송신기로부터, 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신하고,
    아날로그 빔포밍을 위한 보고 정보를 상기 송신기로 전송하고, 상기 보고 정보는, 상기 제1 메시지를 기반으로 상기 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중에서 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하고,
    상기 송신기로부터 상기 보고 정보에 기반하여 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 수신하고,
    상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 결정하고,
    상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하고,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하도록 구성되고,
    상기 제1 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 단말 장치.
  20. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 기지국 장치에 있어서,
    디지털 빔포밍 송신부와,
    아날로그 빔포밍 송신부와,
    상기 디지털 빔포밍 송신부 및 상기 아날로그 빔포밍 송신부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 아날로그 빔포밍 송신부의 복수의 아날로그 송신 빔들의 빔포밍을 위한 측정 및 선택에 대한 정보를 포함하는 제1 메시지를 수신기에게 송신하고,
    상기 수신기에 의해 상기 제1 메시지에 따라 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 보고 정보를 상기 수신기로부터 수신하고,
    상기 보고 정보를 기반으로 상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 선택하고,
    상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 포함하는 제2 메시지를 상기 수신기에게 송신하고,
    상기 수신기로부터, 상기 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 피드백 정보를 수신하고,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하도록 구성되고,
    상기 제1 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 기지국 장치.
  21. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신 방법에 있어서,
    송신기로부터 빔포밍을 위한 측정에 관련된 정보를 포함하는 메시지를 수신하는 과정과,
    상기 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 송신기로부터 수신하는 과정과,
    상기 메시지에 따라, 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정을 수행하는 과정과,
    상기 채널 추정을 수행한 결과 얻어진 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 랭크와 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 결정하는 과정과,
    상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정과,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하는 과정을 포함하고,
    상기 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 송신기의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 통신 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 보고 정보를 상기 송신기로 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북, 채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    상기 채널 추정 결과에 기반하여 추정된 유효 채널 행렬, 정규화된 유효 채널 행렬, 분해된 유효 채널 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 공분산 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 원소들, 상기 유효 채널 행렬을 재구성할 수 있는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 메시지는,
    보고될 송신 RF 체인들의 개수, 보고될 송신 안테나 어레이들의 개수, 보고될 송신 RF 체인별 또는 송신 안테나 어레이별 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 빔 조합들의 개수, 아날로그 수신 빔 별로 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 수신 빔들의 개수, MIMO 스트림들의 개수, 피드백 되기를 원하는 MIMO 모드, 지원 가능한 MIMO 랭크 개수, 지원 가능한 MIMO 스트림 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 임계값 이상의 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기를 가지는 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 기준값과의 차이가 소정 상대 임계값 이상인 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기를 가지는 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 신호 대 간섭 및 잡음비 또는 신호세기의 표준편차가 소정 임계값 이상인 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정과,
    상기 복수의 아날로그 송신 빔들 중 소정 임계값 이상의 상관값을 가지는 한 쌍의 아날로그 송신 빔을 선택하는 과정 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  28. 제 21 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이와, 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나에 대한 아날로그 송신 빔을 기반으로 형성되는 유효 채널 행렬을 결정하고,
    지원 가능한 MIMO 랭크 또는 MIMO 스트림 개수에 대해 예상되는 MIMO 스트림별 신호대잡음비(SNR) 또는 채널 용량을 최대화하는 프리코더 또는 코드북을 선택하고,
    상기 선택된 프리코더 또는 코드북에 따른 유효 반송파대 간섭및잡음비(CINR) 값을 추정하고,
    상기 선택된 프리코더 또는 코드북과 상기 유효 CINR 값 중 적어도 하나를 상기 디지털 빔포밍을 위한 정보로 구성함에 의해 생성됨을 특징으로 하는 통신 방법.
  29. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 송신기에 의한 방법에 있어서,
    빔포밍을 위한 측정에 관련된 정보를 포함하는 메시지를 수신기로 송신하는 과정과,
    상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 결정하는 과정과,
    상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 수신기에게 송신하는 과정과,
    상기 수신기로부터, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 랭크 및 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 수신하는 과정과,
    상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하는 과정을 포함하고,
    상기 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 송신기의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 통신 방법.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 수신기로부터 보고 정보를 수신하는 과정을 더 포함하고, 상기 보고 정보는,
    선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 제2 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  32. 제 29 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북, 채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    상기 채널 추정 결과에 기반하여 추정된 유효 채널 행렬, 정규화된 유효 채널 행렬, 분해된 유효 채널 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 공분산 행렬, 상기 유효 채널 행렬의 원소들, 상기 유효 채널 행렬을 재구성할 수 있는 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  34. 제 29 항에 있어서, 상기 메시지는,
    보고될 송신 RF 체인들의 개수, 보고될 송신 안테나 어레이들의 개수, 보고될 송신 RF 체인별 또는 송신 안테나 어레이별 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 빔 조합들의 개수, 아날로그 수신 빔 별로 보고될 아날로그 송신 빔들의 개수, 보고될 아날로그 수신 빔들의 개수, MIMO 스트림들의 개수, 피드백 되기를 원하는 MIMO 모드, 지원 가능한 MIMO 랭크 개수, 지원 가능한 MIMO 스트림 개수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 통신 방법.
  35. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 통신을 수행하는 단말 장치에 있어서,
    디지털 빔포밍 수신부와,
    아날로그 빔포밍 수신부와,
    상기 디지털 빔포밍 수신부 및 상기 아날로그 빔포밍 수신부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    송신기로부터 빔포밍을 위한 측정에 관련된 정보를 포함하는 메시지를 수신하고, 상기 송신기의 복수의 아날로그 송신 빔들 중 상기 송신기에 의해 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 송신기로부터 수신하고, 상기 메시지에 따라 상기 송신기에 의해 선택된 상기 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정을 수행한 결과 얻어진 채널 추정 결과를 기반으로 디지털 빔포밍을 위한 랭크와 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 결정하고, 상기 결정된 피드백 정보를 상기 송신기로 전송하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 송신기로부터 수신하도록 구성되고,
    상기 메시지는,
    아날로그 송신 빔 또는 아날로그 송신-수신 빔 쌍의 선택을 위한 채널품질 조건으로서, 신호 대 간섭 및 잡음비 세기 또는 신호 세기에 대한 임계값, 상대적 임계값, 표준편차 임계값, 상관 임계값 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는 단말 장치.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 송신기의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 단말 장치.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 제어부는,
    선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 보고 정보를 상기 송신기로 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  38. 제 35 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북, 채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  39. 아날로그 및 디지털 하이브리드 빔포밍을 통한 기지국 장치에 있어서,
    디지털 빔포밍 송신부와,
    아날로그 빔포밍 송신부와,
    상기 디지털 빔포밍 송신부 및 상기 아날로그 빔포밍 송신부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    빔포밍을 위한 측정에 관련된 정보를 포함하는 메시지를 수신기로 송신하고, 상기 수신기를 위한 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 결정하고, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 정보를 상기 수신기에게 송신하고, 상기 수신기로부터, 상기 결정된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔에 대한 채널 추정 결과를 기반으로 결정된 디지털 빔포밍을 위한 랭크 및 프리코딩의 정보를 포함하는 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보에 근거하여 선택된 MIMO 모드 및 프리코더에 따라, 스케줄된 데이터 버스트를 상기 수신기에게 송신하도록 구성됨을 특징으로 하는 기지국 장치.
  40. 제 39 항에 있어서, 상기 각 아날로그 송신 빔은,
    상기 기지국 장치의 복수의 RF(Radio Frequency) 체인들 또는 안테나 어레이들 중, 선택된 적어도 하나의 RF 체인 또는 안테나 어레이에 의해 형성되는 것임을 특징으로 하는 기지국 장치.
  41. 제 39 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 수신기로부터 보고 정보를 수신하도록 구성되며, 상기 보고 정보는,
    선택된 적어도 하나의 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이를 나타내는 제1 정보와, 상기 선택된 송신 RF 체인 또는 안테나 어레이 별로 선택된 적어도 하나의 아날로그 송신 빔을 나타내는 제2 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  42. 제 39 항에 있어서, 상기 피드백 정보는,
    하나 혹은 그 이상의 송신 RF 체인, 하나 혹은 그 이상의 송신 안테나 어레이, MIMO 모드, 최적의 MIMO 랭크(rank), MIMO 스트림의 개수, MIMO 프리코더, MIMO 코드북, 채널품질 정보, MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
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