KR102153588B1 - 단말의 이동성에 따라서 채널 품질 지시자를 측정하는 단말 - Google Patents

단말의 이동성에 따라서 채널 품질 지시자를 측정하는 단말 Download PDF

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Abstract

단말이 기지국에 대해 이동하는 경우, 단말의 기지국에 대한 위치 변위를 변수로 하는, 기지국에 의해 수신되는 수신 신호의 수신 세기 함수로부터, 수신 신호의 세기에 관한 감량 확률을 계산하는 단계, 그리고 수신 신호의 세기에 관한 감량 확률을 바탕으로 CQI를 측정하는 단계를 통해 기지국에 피드백할 CQI를 계산하는 단말이 제공된다.

Description

단말의 이동성에 따라서 채널 품질 지시자를 측정하는 단말{TERMINAL FOR ESTIMATING CHANNEL QUALITY INDICATOR ACCORDING TO MOBILITY OF TERMINAL}
본 기재는 단말의 이동성을 고려하여 CQI를 측정하는 단말에 관한 것이다.
5세대 이동통신 시스템은 단말에게 최대 20[Gbps]의 데이터 전송율을 제공할 수 있고, 동시에 단말의 셀 내 위치와 무관하게 100[Mbps] 내지 1[Gbps] 수준의 데이터 전송율을 유지할 수 있다. 또한, 5세대 이동통신 시스템에서 대기 시간(latency)은 1[ms] 이내이어야 하고, 매우 많은 단말의 동시 접속 등을 지원할 수 있다. 이러한 5세대 이동통신 시스템의 기술적 목표가 달성되기 위해서, 밀리미터파 대역을 이동통신 시스템에 적용하는 방안이 제안되고 있다. 밀리미터파 대역은 넓은 대역폭을 확보하기 용이하므로 초고속 데이터 전송에 매우 유리하고, 물리 계층의 대기 시간도 줄일 수 있는 장점이 있다.
다만, 밀리미터파 대역의 채널은 거리에 따른 전파 감쇠가 매우 심하고, 건물이나 지형 등에 의한 전파 방해(propagation blockage)를 많이 받는다. 따라서 밀리미터파 대역이 이동통신 시스템에서 사용되기 위해서는, 전파 거리에 따른 감쇠를 극복하기 위한 지향성 빔을 형성하는 빔포밍이 필요하다. 그리고 이때 기지국은, 셀 영역을 완전히 커버하고 다중 사용자를 지원하기 위해서, 복수의 빔을 동시에 사용할 수 있어야 한다.
특히, 밀리미터파 대역과 같이 지향성 빔을 사용하는 이동통신 시스템에서, 데이터 전송을 위해서 기지국이 지향성 빔을 생성할 때, 피드백된 위치 정보와 전송되는 데이터 사이에는 시간 차이가 발생한다. 즉, 단말이 이동하는 경우, 기지국이 알고 있는 단말의 위치(즉, 빔이 지향하는 위치)와 단말이 실제로 위치하고 있는 지점이 서로 다르고, 기지국과 단말 사이의 채널의 채널 품질 지시자(channel quality indicator, CQI)가 정확하게 측정될 필요가 있다.
한 실시예는, 지향성 빔을 사용하는 이동통신 시스템에서 단말의 이동성을 고려하여 CQI를 측정하는 단말을 제공한다.
한 실시예에 따르면, 프로세서, 메모리, 그리고 무선 통신부를 포함하고, 프로세서는 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여, 단말이 기지국에 대해 이동하는 경우, 단말의 기지국에 대한 위치 변위를 변수로 하는, 기지국에 의해 수신되는 수신 신호의 수신 세기 함수로부터, 수신 신호의 세기에 관한 감량 확률을 계산하는 단계, 그리고 수신 신호의 세기에 관한 감량 확률을 바탕으로 CQI를 측정하는 단계를 수행하는 단말이 제공된다.
한 실시예에 따르면 단말의 기지국에 대한 위치 변위를 변수로 갖는 수신 신호 세기 함수를 바탕으로 CQI를 측정함으로써, 빔포밍이 사용되는 이동통신 시스템에 최적화된 CQI를 제공할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 기지국과 단말 사이의 채널을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 기재의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 기재는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 기재를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은, 이동국(mobile station, MS), 이동 단말(mobile terminal, MT), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE), 기계형 통신 장비(machine type communication device, MTC device) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 기지국(base station, BS)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 중계 노드(relay node, RN), 기지국 역할을 수행하는 진보된 중계기(advanced relay station, ARS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS), 소형 기지국[펨토 기지국(femto BS), 홈 노드B(home node B, HNB), 홈 eNodeB(HeNB), 피코 기지국(pico BS), 매크로 기지국(macro BS), 마이크로 기지국(micro BS) 등] 등을 지칭할 수도 있고, ABS, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, RN, ARS, HR-RS, 소형 기지국 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 기지국과 단말 사이의 채널을 개략적으로 나타낸 도면이다.
일반적으로, 30[Ghz] 내지 300[Ghz]에 해당하는 밀리미터파 대역은 직진성이 강하므로 전파 경로 상에 위치한 물체에 의한 회절 및 반사 특성이 좋지 않고 대기 중에서의 감쇠가 크다. 따라서 기지국(110)과 단말(120) 사이에는 제한된 개수의 경로만 존재할 수 있으며, 특히 가시선(line of sight, LoS)에 대응하는 채널은 다른 경로에 대응하는 채널에 비해 매우 우세하므로, 전체 채널은 LoS 성분만으로 구성되는 것으로 가정될 수 있다.
도 1을 참조하면, 기지국(110)은 빔을 형성하기 위한 안테나 배열로서 유니폼 선형 어레이(uniform linear array, ULA)를 사용하고, 단말 k (120)는 기지국(110)의 보어 사이트(bore-sight)에 대해서 θ k 만큼 벗어나 위치하고 있다. LoS에 대응하는 채널의 이득은
Figure 112016123394799-pat00001
이다. 아래에서 수학식 1은 기지국(110)과 단말 k (120)사이의 채널을 나타낸다.
Figure 112016123394799-pat00002
수학식 1에서 M은 기지국(110)의 ULA에 포함된 안테나 요소(antenna element)의 개수이고, e(θ k )는 신호가 기지국(110)의 ULA에 도달할 때 발생하는 지연(delay)에 따른 위상차에 의한 채널값을 나타낸다.
밀리미터 대역의 채널 특성에 따라서 감쇠가 매우 크므로, 기지국(110)은 지향성 빔을 생성하여 채널 감쇠를 극복할 수 있다. 이때 기지국(110)은, 빔이 단말(120)과의 채널과 최대의 상관 관계(correlation)를 갖도록 하는 방데르몽드(Vandermonde) 행렬을 사용할 수 있다. 수학식 2는 방데르몽드 행렬을 나타낸다.
Figure 112016123394799-pat00003
단말(120)이 기지국(110)에게 단말(120)의 위치에 관한 정보(θ k )를 피드백하면, 기지국(110)은 피드백에 기반하여, 단말(120)이 최대의 수신 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 갖도록 빔을 생성할 수 있다. 이때 기지국(110)은 수학식 2의 ω를 πsin(θ k )로 설정(ω=πsin(θ k ))할 수 있다. 따라서 단말(120)은 위치에 관한 정보 θ k 와 함께, 기지국(110)이 ω=πsin(θ k )로 하여 신호를 전송할 때 사용되는 CQI를 기지국(110)에게 전달한다. CQI는 단말(120)이 수신 SNR에 기반하여 미리 결정된 오류율 이내로 데이터를 수신할 수 있도록 하는, 변조 방식(QPSK, 16-QAM, 64-QAM 등) 및 부호화율(code-rate)을 나타낸다. 단말(120)에 의해 전달된 CQI 및 위치에 관한 정보 θ k 를 바탕으로, 기지국(110)의 매체 접근 제어(media control access, MAC) 계층(layer)은, 스케줄링을 수행하고 데이터를 생성하며, 기지국(110)의 물리 계층(physical layer, PHY layer)은 빔을 형성하고 상위 계층의 지시에 따라 형성된 빔을 사용하여 단말(120)에게 데이터를 전송한다.
이동통신 시스템에서 일반적으로, 단말(120)이 기지국(110)으로 피드백을 전송하는 시점과, 기지국(110)이 피드백을 사용하여 정보를 전송하는 시점 사이에는 시간 차이가 존재하고, 이러한 시간 차이 동안 단말(120)의 이동 등에 의해 채널 변화가 일어난다. 따라서, 단말(120)의 위치에 관한 정보 θ k 가 변경된 이후, 기지국(110)이 단말(120)의 피드백에 포함된 θ k 를 이용하여 빔을 형성하면, 단말(120)의 수신 SNR은 단말(120)이 움직이지 않을 때와 달리 작아질 수 있다. 따라서 단말(120)은 CQI를 기지국(110)에게 피드백 하기 전에 이러한 상황을 미리 고려하여 CQI를 측정할 수 있다.
단말(120)이 기지국(110)에게 피드백을 전송한 시간 t의 단말(120)의 제1 위치를 θ k (t) 라 하고, 단말(120)이 기지국(110)으로부터 피드백에 기반하여 형성된 빔을 수신한 시간 (t+dt)의 단말(120)의 제2 위치를 θ k (t+dt)라 하면, 수학식 3과 같이 단말(120)의 위치 관계가 표현될 수 있다.
Figure 112016123394799-pat00004
수학식 3에서 Δ는 단말(120)의 제2 위치와 제1 위치 사이의 차이, 즉 단말(120)의 기지국(110)에 대한 위치 변위이므로, 시간 차이(dt)가 크지 않거나, 단말(120)의 이동 속력이 크지 않으면, Δ도 크지 않다고 가정된다. Δ를 크지 않다고 가정하는 것은, 단말(120)에 의해 피드백된 위치 정보와 현재 단말(120)의 위치 사이의 차이가 크면 기지국(110)은 피드백된 위치 정보에 기반하여 빔을 형성할 수 없고, 통신 링크가 깨지는 경우도 있을 수 있기 때문이다. 따라서 현재 원활하게 운영되고 있는 이동통신 시스템에서 dt는 충분히 작고, 따라서 Δ 역시 작은 것으로 가정된다. 시간 t+dt에서 기지국(110) 및 단말(120) 사이의 채널 벡터는 수학식 4와 같다.
Figure 112016123394799-pat00005
그리고, 수학식 4에서 sin(θ k (t+dt))는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016123394799-pat00006
수학식 5에서, O(Δ 2 )가 매우 작은 값이어서 0으로 근사되었고, 수학식 5를 사용하여 수학식 4의 채널 벡터를 다시 표현하면 수학식 6과 같다.
Figure 112016123394799-pat00007
기지국(110)이 시간 t에 수신된 피드백을 바탕으로 시간 t+dt에 빔을 생성하고 생성된 빔을 통해 신호를 전송하면, 단말(120)의 수신 신호 세기는 수학식 7과 같다.
Figure 112016123394799-pat00008
수학식 7에서 Δ는 랜덤 변수(random variable)이므로, 수학식 7에 따른 수신 신호 세기도 역시 무작위이다. 수신 신호 세기 함수의 누적 분포 함수(cumulative distribution function, CDF)를 통해서 위치 변위에 따른 수신 신호 세기를 알 수 있지만, 수학식 7의 CDF를 직접적으로 계산하는 것은 매우 어렵다. 왜냐하면 수신 신호 세기 함수가 랜덤 변수 Δ의 복잡한 함수이고, Δ가 복조 지수 함수의 파라미터이며, 수신 신호 세기는 랜덤 변수 Δ로 표현된 함수의 절대값으로 나타나기 때문이다. 따라서 수학식 7의 지수 함수를 수학식 8과 같이 근사한다.
Figure 112016123394799-pat00009
수학식 8과 같은 근사가 가능한 것은 사인 함수의 값이 x가 0에 가까울 경우 매우 작아 0으로 근사될 수 있고(즉, x→0이면, sin(x)→0), Δ·cos(θ k (t))가 매우 작아서 0으로 가정될 수 있기 때문이다.
수학식 8을 바탕으로 수학식 7의 수신 신호 세기 함수를 다시 표현하면 수학식 9와 같다.
Figure 112016123394799-pat00010
그리고, 수신 신호 세기 함수의 CDF는 수학식 10과 같다.
Figure 112016123394799-pat00011
수학식 10에서 y≥0이고, δy는 아래 수학식 11을 만족시키는 Δ 값이다.
Figure 112016123394799-pat00012
수학식 11에서 y가 작아질수록 δy는 커지고, 이것은 위치 변위가 크면 빔과 현재 위치 사이의 미스매치(mismatch)가 증가하여 수신 신호 세기가 작아지기 때문이다. 아래 수학식 12가 성립하면, 수학식 11이 만족될 수 있는 유일한 양수 δy가 항상 존재하게 되고, 이때 δy는 (M-1)차 방정식의 해로써 획득될 수 있다. 만약 y=
Figure 112016123394799-pat00013
2이면, δy=0이다.
Figure 112016123394799-pat00014
수학식 12에서, Δmax는 Δ의 최대값이다.
만약 단말(120)의 이동에 따른 기지국(110)에 대한 단말(120)의 위치 변화 Δ가 -δ에서 +δ까지 균등하게 분포하면(즉, Δ~Unif[-δ, δ]), 수학식 10의 수신 신호 세기 함수의 CDF는 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016123394799-pat00015
단말(120)은 수학식 13을 이용하여 신호의 수신 세기가 미리 결정된 세기 y 이하로 떨어질 확률, 즉, 수신 신호의 세기에 관한 감량 확률(outage probability)을 계산할 수 있다. 예를 들어, 단말(120)이 90% 이상의 확률로 수신 신호 세기를 보장하기를 원하면, 아래 수학식 14와 같은 계산을 통해 필요한 δy를 설정할 수 있고, 단말(120)은 수학식 14를 만족시키는 최대 δy 및 그에 따른 y를 바탕으로 CQI를 측정하여 기지국(110)에게 피드백 할 수 있다.
Figure 112016123394799-pat00016
이와 유사하게, 단말(120)의 이동에 따른 기지국(110)에 대한 단말(120)의 위치 변화 Δ가, 평균이 0이고 분산이 σ인 정규 분포를 따르는 경우(즉, Δ~N(0, σ)), 수학식 10의 수신 신호 세기 함수의 CDF는 수학식 15와 같이 Q-함수(function)를 사용하여 어림될 수 있다.
Figure 112016123394799-pat00017
즉, 단말(120)은 Q-함수를 이용하여 수신 세기의 원하는 감량 확률에 따라서 y를 계산하고, 이에 따라 CQI를 측정하여 기지국(110)에게 피드백할 수 있다.
도 2는 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템은, 기지국(210)과 단말(220)을 포함한다.
기지국(210)은, 프로세서(processor)(211), 메모리(memory)(212), 그리고 무선 통신부(radio frequency unit, RF unit)(213)를 포함한다. 메모리(212)는 프로세서(211)와 연결되어 프로세서(211)를 구동하기 위한 다양한 정보 또는 프로세서(211)에 의해 실행되는 적어도 하나의 프로그램을 저장할 수 있다. 무선 통신부(213)는 프로세서(211)와 연결되어 무선 신호를 송수신 할 수 있다. 프로세서(211)는 본 기재의 실시예에서 제안한 기능, 과정, 또는 방법을 구현할 수 있다. 이때, 본 기재의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 무선 인터페이스 프로토콜 계층은 프로세서(211)에 의해 구현될 수 있다. 한 실시예에 따른 기지국(210)의 동작은 프로세서(211)에 의해 구현될 수 있다.
단말(220)은, 프로세서(221), 메모리(222), 그리고 무선 통신부(223)를 포함한다. 메모리(222)는 프로세서(221)와 연결되어 프로세서(221)를 구동하기 위한 다양한 정보 또는 프로세서(221)에 의해 실행되는 적어도 하나의 프로그램을 저장할 수 있다. 무선 통신부(223)는 프로세서(221)와 연결되어 무선 신호를 송수신 할 수 있다. 프로세서(221)는 본 기재의 실시예에서 제안한 기능, 단계, 또는 방법을 구현할 수 있다. 이때, 본 기재의 한 실시예에 따른 무선 통신 시스템에서 무선 인터페이스 프로토콜 계층은 프로세서(221)에 의해 구현될 수 있다. 한 실시예에 따른 단말(220)의 동작은 프로세서(221)에 의해 구현될 수 있다.
본 기재의 실시예에서 메모리는 프로세서의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, 메모리는 이미 알려진 다양한 수단을 통해 프로세서와 연결될 수 있다. 메모리는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체이며, 예를 들어, 메모리는 읽기 전용 메모리(read-only memory, ROM) 또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)를 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 밀리미터파 대역에서 신호를 송수신하는 단말로서,
    프로세서, 메모리, 그리고 무선 통신부를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행하여,
    기지국에게 피드백을 전송한 이후 상기 기지국으로부터 상기 피드백에 기반하여 형성될 빔을 수신하기까지 상기 단말의 위치가 변경될 것을 미리 고려하여 채널 품질 지시자(channel quality indicator, CQI)를 측정하는 단계,
    상기 무선 통신부를 이용하여, 상기 위치에 관한 위치 정보와, 상기 단말의 위치 변경이 미리 고려되어 측정된 CQI를 상기 기지국에게 피드백 하는 단계, 그리고
    상기 무선 통신부를 이용하여, 상기 위치 정보 및 상기 CQI를 바탕으로 형성된 빔을 상기 기지국으로부터 수신하는 단계
    를 수행하는, 단말.
  2. 제1항에서,
    상기 프로세서는 상기 단말의 위치가 변경될 것을 미리 고려하여 CQI를 측정하는 단계를 수행할 때,
    상기 기지국으로부터 수신되는 신호의 수신 세기에 관한 감량 확률을 설정하는 단계, 그리고
    상기 감량 확률에 따른 상기 단말의 위치 변위 및 상기 수신 세기를 바탕으로 상기 CQI를 계산하는 단계
    를 수행하는, 단말.
  3. 제2항에서,
    상기 프로세서는 상기 감량 확률에 따른 상기 단말의 위치 변위 및 상기 수신 세기를 바탕으로 상기 CQI를 계산하는 단계를 수행할 때,
    상기 수신 세기의 누적 분포 함수(cumulative distribution function, CDF)를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계
    를 수행하는, 단말.
  4. 제3항에서,
    상기 프로세서는 상기 수신 세기의 CDF를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계를 수행할 때,
    상기 단말의 이동에 따른 상기 기지국에 대한 상기 단말의 위치 변화가 미리 결정된 구간 내에서 균등 분포한다는 가정을 바탕으로 상기 CDF를 추정하는 단계
    를 수행하는 단말.
  5. 제3항에서,
    상기 프로세서는 상기 수신 세기의 CDF를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계를 수행할 때,
    상기 단말의 이동에 따른 상기 기지국에 대한 상기 단말의 위치 변화가 평균이 0이고 분산이 σ인 정규 분포에 따른 다는 가정을 바탕으로 상기 CDF를 추정하는 단계
    를 수행하는 단말.
  6. 단말이 밀리미터파 대역에서 신호를 송수신하는 방법으로서,
    기지국에게 피드백을 전송한 이후 상기 기지국으로부터 상기 피드백에 기반하여 형성될 빔을 수신하기 전까지, 상기 단말의 위치가 변경될 것을 미리 고려하여, 상기 위치에 관한 위치 정보를 피드백하기 전에, 채널 품질 지시자(channel quality indicator, CQI)를 측정하는 단계,
    상기 위치 정보 및 상기 단말의 위치 변경이 미리 고려되어 측정된 CQI를 상기 기지국에게 피드백 하는 단계, 그리고
    상기 위치 정보 및 상기 CQI를 바탕으로 형성된 빔을 상기 기지국으로부터 수신하는 단계
    를 포함하는 신호 송수신 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 단말의 상기 위치가 변경될 것을 미리 고려하여, 상기 CQI를 측정하는 단계는,
    상기 기지국으로부터 수신되는 신호의 수신 세기에 관한 감량 확률을 설정하는 단계, 그리고
    상기 감량 확률에 따른 상기 단말의 위치 변위 및 상기 수신 세기를 바탕으로 상기 CQI를 계산하는 단계
    를 포함하는, 신호 송수신 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 감량 확률에 따른 상기 단말의 위치 변위 및 상기 수신 세기를 바탕으로 상기 CQI를 계산하는 단계는,
    상기 수신 세기의 누적 분포 함수(cumulative distribution function, CDF)를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계
    를 포함하는, 신호 송수신 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 수신 세기의 CDF를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계는,
    상기 단말의 이동에 따른 상기 기지국에 대한 상기 단말의 위치 변화가 미리 결정된 구간 내에서 균등 분포한다는 가정을 바탕으로 상기 CDF를 추정하는 단계
    를 포함하는, 신호 송수신 방법.
  10. 제8항에서,
    상기 수신 세기의 CDF를 통해서 상기 위치 변위에 따른 상기 수신 세기를 계산하는 단계는,
    상기 단말의 이동에 따른 상기 기지국에 대한 상기 단말의 위치 변화가 평균이 0이고 분산이 σ인 정규 분포에 따른 다는 가정을 바탕으로 상기 CDF를 추정하는 단계
    를 포함하는, 신호 송수신 방법.
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