KR102168183B1

KR102168183B1 - 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치 및 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법

Info

Publication number: KR102168183B1
Application number: KR1020150095511A
Authority: KR
Inventors: 박해성; 최창순
Original assignee: 에스케이텔레콤 주식회사
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2020-10-20
Also published as: EP3319242A4; CN107710642A; EP3319242A1; EP3319242B1; JP2018524919A; JP6483293B2; US20180205421A1; CN107710642B; WO2017007177A1; US10236946B2; KR20170004744A

Abstract

본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 큰 제1 안테나 빔과 두 번째로 큰 제2 안테나 빔을 도출하여 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 계산된 비율값과 미리 저장된 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 함수를 이용하여 단말 위치 추적을 위한 최적의 안테나빔을 생성함으로써, 상대적으로 적은 계산량으로 보다 정확한 단말위치 추적이 가능하다. 또한, 단말 위치 추적을 통해 고주파 대역 기반 무선 통신에서 높은 경로손실 문제를 극복하여 수신 전계 강도를 보장할 수 있으며, 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성/유지시킬 수 있다.

Description

단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치 및 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법{APPARATUS FOR GENERATING BEAM TO TRACE LOCATION OF TERMINAL AND METHOD FOR ESTIMATING ANGLE OF ARRIVAL OF THE TERMINAL}

본 발명은 빔 생성 방법에 관한 것으로, 특히 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 큰 제1 안테나 빔과 두 번째로 큰 제2 안테나 빔을 도출하여 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 계산된 비율값과 미리 저장된 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 함수를 이용하여 단말 위치 추적을 위한 최적의 안테나빔을 생성함으로써, 상대적으로 적은 계산량으로 보다 정확한 단말위치 추적이 가능하도록 하는 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치 및 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법에 관한 것이다.

현재 이동통신에서 주로 사용하고 있는 6GHz 이하의 저주파 대역의 경우, 이동통신, 방송, 위성통신 등 기존 시스템에 의해 포화되었거나 파편화(Fragmentation)되어 있어 대용량 데이터 전송 등을 위한 초광대역폭 주파수 확보가 어렵다.

이에 따라, 6GHz 이상의 센티미터파(cmwave : 파장이 센티미터 단위의 전자기파로 보통 3~30GHz 대역) 또는 밀리미터파(mmwave : 파장이 밀리미터 단위의 전자기파로 보통 30~300GHz 대역) 등의 고주파 대역이 5G 주요 스펙트럼으로 부각되고 있다.

이러한 고주파 대역은 중심 주파수가 높아질수록 운용 대역폭을 넓힐 수 있는 RF 시스템의 구현 관점에서 유리하며, 안테나의 고밀도화가 가능하다. 즉, 고주파 대역에서는 동일한 안테나의 물리적 크기를 가정한 경우, 주파수가 높아짐에 따라 안테나를 구성하는 복사소자(Radiator) 간 물리적 간격이 줄어들어 보다 많은 수의 복사소자를 집적시킬 수 있다. 이때, 이러한 다수의 복사소자는 RF 신호의 크기(Amplitude)와 위상(Phase)을 제어하여 다양한 형태의 안테나 빔을 생성하는 3D 빔포밍(Beamforming) 및 다중 전송을 가능하게 하는 Massive MIMO 기술의 H/W 기반이 된다.

한편, 고주파 대역의 경우 앞서 설명한 바와 같이 현재 셀룰러 대역에 비해 광대역 주파수를 사용할 수 있는 큰 장점이 존재하나, 상대적으로 증가된 경로손실과 고주파 대역의 특징인 고직진성, 저회절성을 극복하는 것이 가장 큰 과제이다. 이를 위해 고주파의 사용으로 인해 증가한 다수개의 안테나 복사소자를 활용하여 이득이 높은 펜슬 빔(Pencil Beam)을 형성함으로써 늘어난 경로손실을 극복하게 된다.

그러나, 고주파 대역에서는 빔폭이 매우 좁아지고 전파의 직진성이 강해지는 반면 회절성은 약화되므로, 단말의 위치 변화에 따라 기지국/단말이 각각 적절한 송수신 빔을 운용하지 못하면 통신이 원활하지 않게 되는 문제점이 발생한다.

도 1 및 도 2에는 종래 저주파 대역 기반 무선통신 시스템에서의 안테나 운용방식 개념과 안테나 빔 패턴을 예시하였다.

위 도 1 및 도 2를 참조하면, 현재까지의 저주파 대역 기반 무선통신에서는 기지국과 단말간 송수신 거리에 따른 전자기파의 감쇄, 즉 경로손실이 적은 6GHz 이하의 저주파 대역을 주로 활용하여 상대적으로 넓은 빔폭을 갖는 안테나를 적용하더라도 원활한 통신링크 생성이 가능했다.

그러나, 5G 대용량 전송을 위해 고려하고 있는 6GHz 이상의 고주파 대역에서 넓은 빔폭의 안테나를 적용하면 높은 경로손실로 인해 수신전계를 보장할 수 없다.

도 3은 종래 고주파 대역 기반 무선통신에서 최적빔 설정방식 개념을 도시한 것으로, 기존에 제안된 방식은 미리 설정된 다수 개의 안테나 빔 집합 가운데 가장 우수한 무선링크를 보장하는 빔을 선택하는 빔 스위칭(Beam Switching) 기법이다.

그러나, 사전에 정의된 안테나 빔 집합에서 후보 안테나 빔 수가 적거나, 후보 안테나 빔의 빔폭이 넓은 경우에는 안테나 빔 내 주엽(Main Lobe)으로 전자기파가 송수신되더라도 전계에 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여 종래 빔 스위칭 기법에서의 문제점을 좀더 상세히 설명하기로 한다.

도 4와 도 5는 안테나 빔 인덱스별 안테나 측정 빔패턴을 나타낸다. 단 측정된 안테나 빔패턴 데이터는 연속적인(continuous) 값이 아닌 일정 각도 간격별로 이산화된(discrete) 값을 갖는다.

기존의 최적 안테나빔을 도출하는 방식은 도 6에서 나타낸 바와 같이 각 안테나 수신빔별로 수신신호의 크기를 비교하여 가장 큰 수신신호 크기를 나타내는 안테나빔을 선택하는 방식이다. 이 경우, 단말방향이 안테나 수신빔의 중심각과 일치하지 않는 경우(도 6에서는 수신빔#3으로 선택되며, 단말방향이 각도 0도에 위치하지 않는 경우), 최대 중심각에서의 전자기파 크기와 인접빔#2과의 교차점에서의 전자기파 크기 만큼의 손실이 발생하게 된다.

이에 따라, 종래에는 빔 스위칭 기법의 문제점에 대응하기 위한 다른 방법으로, 처음에는 빔폭이 넓은 형태의 안테나 빔으로 기지국과 단말간 최적 빔을 찾고 선택된 빔 영역을 좁은 빔폭을 갖는 안테나 빔으로 세분화하는 재귀적 반복을 통해 적합한 빔을 찾는 방식이나, 각 스테이지(stage)에서 단말의 위치추정을 위해 Maximum Likelihood(ML) 기반의 DoA(Direction of Arrival) 방식 등이 제안된 바 있다.

그러나, 위와 같이 제안된 다른 방법에서는 기본적으로 각 스페이지에서 사용하는 전체 빔에서의 수신데이터를 활용하고, 이를 매트릭스(Matrix) 연산 등을 통해 각도를 추정해야 함에 따라 계산량이 상대적으로 높은 문제점이 있었다.

삭제

대한민국 공개특허번호 10-2014-0065630호(공개일자 2014년 05월 30일)

따라서, 본 발명에서는 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 큰 제1 안테나 빔과 두 번째로 큰 제2 안테나 빔을 도출하여 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 계산된 비율값과 미리 저장된 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 함수를 이용하여 단말 위치 추적을 위한 최적의 안테나빔을 생성함으로써, 상대적으로 적은 계산량으로 보다 정확한 단말위치 추적이 가능하도록 하는 단말 위치 추적을 빔 생성 장치 및 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법을 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치로서, 다수의 안테나 빔 중에서 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 강한 제1 안테나 빔과 두 번째로 강한 제2 안테나 빔을 도출하는 최적빔 도출부와, 상기 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 상기 비율값과 상기 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔이 조합되는 영역에 대한 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 기 계산된 추세선 수식을 이용하여 상기 제1 안테나 빔의 상기 단말에 대한 지향각을 추정하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 계산된 비율값을 상기 추세선 수식에 대입하여 도출되는 값을 상기 단말의 방향이 상기 제1 안테나 빔의 방향에 대해 틀어진 각도에 대한 오프셋 값으로 산출하고, 상기 오프셋값이 보상되는 상기 지향각을 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 안테나 빔에서의 수신신호 크기값을 상기 제2 안테나 빔의 수신신호 크기값으로 나누어 상기 비율값을 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 추세선 수식은, 인접한 각각의 안테나 빔의 패턴에 의해 결정되며, 사전에 계산되어 미리 저장되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법으로서, 다수의 안테나 빔 중에서 단말로부터 수신된 수신신호의 크기가 가장 강한 제1 안테나 빔과 두 번째로 강한 제2 안테나 빔을 도출하는 단계와, 상기 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하는 단계와, 상기 비율값과 상기 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔이 조합되는 영역에 대한 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 추세선 수식을 이용하여 상기 제1 안테나 빔의 상기 단말에 대한 지향각을 추정하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 단말에 대한 지향각을 추정하는 단계는, 상기 비율값을 상기 추세선 수식에 대입하여 도출되는 값을 상기 단말의 방향이 상기 제1 안테나 빔의 방향에 대해 틀어진 각도에 대한 오프셋 값으로 산출하는 단계와, 상기 오프셋값이 보상되는 상기 지향각을 추정하여 상기 제1 안테나 빔의 상기 단말에 대한 지향각을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 큰 제1 안테나 빔과 두 번째로 큰 제2 안테나 빔을 도출하여 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 계산된 비율값과 미리 저장된 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 함수를 이용하여 단말 위치 추적을 위한 최적의 안테나빔을 생성함으로써, 상대적으로 적은 계산량으로 보다 정확한 단말위치 추적이 가능한 이점이 있다.

또한, 단말 위치 추적을 통해 고주파 대역 기반 무선 통신에서 높은 경로손실 문제를 극복하여 수신 전계 강도를 보장할 수 있으며, 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성/유지시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래 저주파 대역 기반 기존 무선통신 시스템에서의 안테나 운용방식 예시도,
도 2는 종래 저주파 대역 기반 기존 무선통신 시스템에서의 안테나 빔 패턴 예시도,
도 3은 고주파 대역 기반 무선통신에서의 기존 최적빔 설정방식 예시도,
도 4 내지 도 5는 고주파 대역 기반 무선통신에서의 안테나 측정 빔패턴 예시도,
도 6은 종래 고주파 대역 기반 차세대 무선통신에서의 최적빔 도출 예시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치의 상세 블록 구성도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중안테나 수신빔 패턴으로부터 도출된 대상빔과 인접빔간의 패턴크기 비율 예시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 대상빔과 인접빔간의 패턴크기 비율로부터 추세선 수식 도출 예시도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수신신호 크기 비율을 통한 단말 위치 추정 예시도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고주파 대역 기반 무선통신에서의 최적빔 설정방식 예시도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법 처리 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 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.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치의 상세 블록 구성을 도시한 것으로, 빔패턴 측정부(702), 저장부(704), 빔 생성부(706), 신호세기 측정부(708), 제어부(710), 최적빔 도출부(712) 등을 포함할 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 빔 생성 장치(700)의 각 구성요소에서의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 빔패턴 측정부(702)는 다중 빔의 빔 패턴을 측정하고, 빔패턴으로부터 대상빔, 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등을 도출한다. 이때, 빔패턴 측정부(702)는 이와 같이 도출한 대상빔, 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등에 대한 정보를 저장부(704)에 저장하여 본 발명의 실시예에 따른 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 과정에서 제어부(710)에 의해 참조될 수 있도록 할 수 있다.

빔 생성부(706)는 고주파 대역의 다중빔을 생성하여 단말로 빔포밍을 수행한다. 이러한 빔 생성부(706)는 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 또는 디지털 빔포밍(digital beamforming)을 통해 다중빔을 생성할 수 있다. 이때, 아날로그 빔포밍이라 함은 각각 서로 상이한 베이스 밴드(baseband)에서 순차적으로 하나의 빔을 생성하는 것을 말할 수 있으며, 디지털 빔포밍이라 함은 각각 서로 상이한 베이스 밴드에서 병렬적으로 다수의 빔을 동시에 생성하는 것을 말할 수 있다.

또한, 빔 생성부(706)는 위와 같은 아날로그 빔포밍 또는 디지털 빔포밍을 위해 베이스밴드부, 위상 변환부, 저잡음 증폭부, 믹서부 등의 다양한 구성요소를 포함할 수 있으며, 이러한 각각의 구성은 빔포밍 관련 분야에서 이미 적용중인 일반적인 구성에 해당하므로 이들 구성에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

신호세기 측정부(708)는 단말로부터 전송된 RACH Preamble 또는 Sounding Reference Signal을 기반으로, 기지국 다중 안테나 수신빔 집합에서 각 안테나 수신빔별 단말로부터 수신된 수신신호 크기를 도출한다.

이때, 신호세기 측정부(708)는 빔 생성부(706)에서 생성된 빔이 아날로그 빔포밍으로 생성된 경우에는 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기를 순차적으로 도출할 수 있으며, 디지털 빔포밍으로 생성된 경우에는 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기를 병렬적으로 동시에 도출할 수 있다.

최적빔 도출부(712)는 신호세기 측정부(708)를 통해 빔 생성부(706)가 생성한 안테나 수신빔별 수신신호 크기에 대한 정보를 수신하는 경우, 수신신호 크기를 비교하여 가장 강한 수신신호가 감지된 수신빔인 대상빔과 대상빔과 인접한 두 번째로 강한 수신신호가 감지된 인접빔에 대한 정보를 도출한다.

이어, 제어부(710)는 대상빔과 인접빔으로 도출된 수신빔 쌍(pair)에서 사전 저장된 대상빔, 인접빔의 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등의 정보를 산출하고, 각각의 안테나 빔에서 단말로부터 수신된 수신신호의 전계값을 적용하여 대상빔의 방향에 대해 단말의 지향각이 틀어진 오프셋값을 산출한다.

이어, 제어부(710)는 산출된 오프셋값이 보상될 수 있는 지향각을 추정하고, 대상빔의 빔포밍 방향을 추정된 지향각으로 다시 생성한다. 이와 같이 수정된 대상빔의 지향각에 대한 정보는 빔 생성부(706)로 전송되어 단말 방향과 일치하는 최적의 대상빔이 다시 생성됨으로써 단말과 기지국간 송수신 전계가 개선될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 여러 개의 사전 설정된 다중 빔에서 수신신호의 크기가 가장 큰 두 개의 빔을 도출한 후 이들 간의 수신신호 크기 비율 계산만을 통해 대상빔과 단말간 지향각의 오프셋값을 구할 수 있음으로써, 상대적으로 계산량을 줄일 수 있다. 즉, 사전에 안테나 빔간의 빔패턴 크기 비율을 계산해놓고 이를 데이터베이스(database)화하거나 또는 커브 피팅(curve fitting)을 통해 단순화된 추세선 수식을 만들고, 수신신호의 크기 비율을 추세선 수식에 넣는 경우 복잡한 계산 없이도 상대적으로 용이한 계산을 통해 대상빔과 단말간 틀어진 오프셋 값의 추정이 가능하다. 즉, 종래 고주파 대역 무선통신시스템에서는 최적의 안테나 빔을 추정하는 데 너무 많은 시간이 소요되며 저지연(low latency)을 보장할 수 없던 것에 비하여 본 발명에서는 상대적으로 적은 계산량을 통해 정확한 지향각 추정이 가능하다.

이하, 예를 들어 좀더 상세히 설명하면, 도 5에서 도시된 바와 같은 사전에 측정된 안테나 패턴에 대해 도 8에서와 같이 각도별 가장 큰 패턴크기를 갖는 대상빔과 두 번째로 큰 패턴크기를 갖는 인접빔 조합을 도출할 수 있다.

이때, 도 8에서는 6개의 영역이 도출된 것을 도시하고 있으며, 이와 같이 도출된 영역별로 측정된 안테나 패턴 데이터에서 대상빔의 크기를 인접빔의 크기로 나누어 대상빔과 인접빔간 패턴크기 비율을 구할 수 있다. 이때, 안테나 패턴 데이터는 이산화된 값이므로 구해진 패턴크기 비율 역시 일정 각도 간격으로 이산화된 값을 나타낸다.

도 9는 각 영역별로 이산화된 대상빔, 인접빔 조합별 패턴크기 비율 데이터를 커브 피팅(curve fitting)하여 도출한 추세선을 도시한 것이다. 이러한 추세선은 대상빔과 인접빔의 패턴크기 비율과 각도의 관계를 나타내는 함수로 선형, 다항식, 지수함수 등 다양한 수식으로 표현될 수 있으며, 또한, 이러한 추세선은 안테나 제작 후 빔패턴 측정을 통해 시스템을 운용하기 전에 데이터베이스화할 수 있다.

예를 들어, 도 9에 나타낸 이산화된 패턴크기 측정 데이터로부터 도출된 대상빔이 #3, 인접빔이 #2인 영역에서의 추세선은 아래의 [수학식 1]에서와 같은 수식으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

x(각도) = log_e(y(beam ratio)/121.3)/2.6

위와 같이 영역별 추세선이 사전에 도출된 후, 예를 들어 도 10에 나타낸 바와 같은 각도에 위치한 단말(800)이 RACH Preamble 또는 Sounding Reference Signal을 송신하는 것을 가정하면, 안테나 수신빔 패턴데이터에 따라, 수신빔 #3에서 가장 강한 신호가 수신될 수 있으며, 수신빔 #2에서 두번째로 강한 신호가 수신될 수 있다.

이에 따라 대상빔 #3, 인접빔 #2인 영역(810)에서 사전에 도출된 추세선(820)을 이용하여 단말로부터 수신된 신호의 지향각(Angle of Arrival)을 추정할 수 있다.

이때, 대상빔 #3, 인접빔 #2인 영역에 대한 추세선 수식에 해당하는 값 중에서 대상빔 #3에서 수신된 단말의 수신신호 크기를 인접빔 #2에서 수신된 수신신호의 크기로 나눈 값(830)이 교차하는 지점에 대응되는 각도 값(θ)으로 도출할 수 있다. 이때, 이와 같이 도출된 각도 값(θ)이 단말이 대상빔 #3의 방향과 틀어진 오프셋값이 될 수 있다.

예를 들어 도 10과 같이 도출된 대상빔 #3, 인접빔 #2로부터 수신된 전계 크기의 비율이 60이라고 하면 단말 위치의 추정 각도는 위 [수학식 1]에서와 같은 추세선 수식을 이용하는 경우, log_e(60/121.3)/2.6 = -0.27(도)로 도출될 수 있다.

따라서, 위와 같이 계산된 오프셋값을 이용하여 단말로부터 송신된 신호의 지향각(Angle of Arrival)을 추정할 수 있는 것이다.

이어, 도 11에서와 같이 오프셋 값을 이용하여 추정된 지향각(AoA)에 해당하는 단말의 위치로 안테나 빔(902)을 생성하는 경우, α 만큼 안테나 빔 패턴의 크기가 개선되는 것을 알 수 있다.

따라서, 기존의 빔 스위치 방식에서 안테나 빔(900)을 선택하는 방식과 대비하여 보다 우수한 전파환경을 제공할 수 있으며, 간단한 수식(추세선 수식)만으로 각도 추정이 가능하므로, 복잡한 매트릭스 연산을 요구하는 Maximum Likelihood 방식에 비해서 빠른 각도 추정도 가능한 것을 알 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 단말 위치 추적을 위한 빔 생성 장치에서 다중빔 기반 단말 지향각 추정방법 처리 흐름을 도시한 것이다. 이하, 도 7 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 빔 생성장치(700)의 빔패턴 측정부(702)에서 다중 안테나 빔의 빔 패턴을 측정한다(S1200). 이때, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 단말로부터 송신되는 신호를 수신하기 위해 생성되는 기지국 안테나 수신빔에 대한 빔 패턴을 측정하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이어, 빔패턴 측정부(702)는 다중 안테나 빔의 빔패턴 중 단말로부터 수신된 수신신호의 크기를 비교하여 수신신호의 크기가 가장 큰 안테나 수신빔을 대상빔, 두 번째로 큰 안테나 수신빔을 인접빔으로 설정하고, 도 8 내지 도 9에서 보여지는 바와 같이 대상빔과 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식을 도출한다(S1202).

이때, 위와 같이 도출된 대상빔과 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등의 정보는 빔 생성장치(700)의 저장부(704)에 저장되어 단말의 지향각 추정 과정에서 제어부(710)에 의해 참조될 수 있다.

위와 같이, 대상빔과 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등의 정보가 도출되어 저장된 후, 예를 들어 단말(800)로부터 RACH Preamble 또는 Sounding Reference Signal이 전송될 수 있다(S1204).

그러면, 빔 생성장치(700)의 신호세기 측정부(708)는 단말(800)로부터 전송된 RACH Preamble 또는 Sounding Reference Signal을 기반으로, 다중 안테나 수신빔 집합에서 각 안테나 수신빔별 단말(800)로부터 수신된 수신신호 크기를 도출한다(S1206). 이때, 신호세기 측정부(708)는 빔 생성부(706)에서 생성된 빔이 아날로그 빔포밍으로 생성된 경우에는 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기를 순차적으로 도출할 수 있으며, 디지털 빔포밍으로 생성된 경우에는 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기를 병렬적으로 동시에 도출할 수 있다.

위와 같이, 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기가 도출된 경우, 최적빔 도출부(712)는 각 안테나 수신빔별 수신신호 크기를 비교하고(S1208), 가장 강한 수신신호가 감지된 안테나 수신빔인 대상빔과 두 번째로 강한 수신신호가 감지된 안테나 수신빔인 인접빔에 대한 정보를 확인하여 안테나 수신빔 쌍을 도출한다(S1210).

이어, 제어부(710)는 수신신호 크기의 비교를 통해 도출된 대상빔과 인접빔에 대한 정보와 도 8 내지 도 9에서와 같은 다중 안테나 수심빔의 대상빔, 인접빔 조합별 패턴크기 비율 및 추세선 수식 등의 정보를 이용하여 단말(800)에 대한 지향각을 추정한다(S1212).

즉, 제어부(710)는 예를 들어 단말(800)이 안테나 수신빔 패턴에 대해 도 10에 나타낸 바와 같은 각도에 위치하여 RACH Preamble 또는 Sounding Reference Signal을 송신하는 것을 가정하는 경우, 단말(800)로부터의 수신신호가 가장 크게 감지되는 대상빔으로 안테나 수신빔 #3을 도출하게 되고, 인접빔으로 안테나 수신빔 #2를 도출할 수 있다.

그러면, 제어부(710)는 안테나 수신빔 #3와 안테나 수신빔 #2의 영역에 대한 추세선 수식에 해당하는 함수값 중에서 대상빔 #3에서 수신된 단말(800)의 수신신호 크기를 인접빔 #2에서 수신된 수신신호의 크기로 나눈 값이 교차하는 지점에 대응되는 각도 값을 도출할 수 있다. 이때, 이와 같이 도출된 각도 값이 단말이 대상빔 #3의 방향과 틀어진 오프셋 값이 될 수 있으므로, 제어부(710)는 대상빔 #3의 단말에 대한 지향각을 오프셋 값만큼 보상하여 정확한 지향각을 추정할 수 있게 되는 것이다.

이어, 제어부(710)는 위와 같이 추정된 지향각으로 대상빔 #3의 단말에 대한 지향각으로 설정하여 대상빔 #3를 다시 생성한다(S1214).

이에 따라, 도 11에서 보여지는 바와 같이 단말에 대한 안테나 수신빔이 기존 빔 스위칭 방식에 따른 고정된 방향의 다수의 안테나 빔 중 하나의 안테나 빔(900)으로 선택되는 것이 아니라, 단말의 방향과 정확하게 일치하는 안테나 수신빔(902)으로 새로이 생성됨으로써 송수신 전계 크기가 개선될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고주파 대역 기반 무선통신에서 다수의 안테나 빔 중 단말에서 송신하여 기지국으로 수신된 수신신호의 크기가 가장 큰 제1 안테나 빔과 두 번째로 큰 제2 안테나 빔을 도출하여 제1 안테나 빔과 제2 안테나 빔의 수신신호 크기 비율값을 계산하고, 계산된 비율값과 미리 저장된 안테나 패턴 크기 비율에 대응되는 함수를 이용하여 단말 위치 추적을 위한 최적의 안테나빔을 생성함으로써, 상대적으로 적은 계산량으로 보다 정확한 단말위치 추적이 가능하다. 또한, 단말 위치 추적을 통해 고주파 대역 기반 무선 통신에서 높은 경로손실 문제를 극복하여 수신 전계 강도를 보장할 수 있으며, 기지국과 단말간 최적의 무선 링크를 생성/유지시킬 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 다양한 안테나 빔 중 기지국 안테나 수신빔을 예를 들어 설명하였으나, 단말 안테나 수신빔에도 적용이 가능하며, 또한 역으로 단말과 기지국의 안테나 송신빔에서도 다중빔을 운용하는 경우 모두 동일하게 적용이 가능하다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 5G와 같은 고주파 대역 이동통신 시스템에서 저지연 서비스(low latency service)와 안정적이며 개선된 무선링크 생성이 보다 용이하게 구현되도록 할 수 있다.

702 : 빔패턴 측정부 704 : 저장부
706 : 빔 생성부 708 : 신호세기 측정부
710 : 제어부 712 : 최적빔 도출부

Claims

빔 생성 장치에 있어서,
다수의 수신빔 중에서, 단말로부터 가장 큰 크기를 갖는 수신 신호가 수신되는 제 1 수신빔과 상기 단말로부터 두 번째로 큰 크기를 갖는 수신 신호가 수신되는 제 2 수신빔을 도출하는 빔 도출부와,
상기 다수의 수신빔 중에서 상기 제 1 수신빔이 가장 큰 이득을 갖고 상기 제 2 수신빔이 두 번째로 큰 이득을 갖는 영역에서의 방향별 상기 제 1 수신빔의 이득과 상기 제 2 수신빔의 이득의 비에 관한 정보를 저장하는 저장부와,
상기 저장부에 저장된, 상기 영역에서의 방향별 상기 제 1 수신빔의 이득과 상기 제 2 수신빔의 이득의 비에 관한 정보; 및 상기 제 1 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기와 상기 제 2 수신빔을 통해 수신된 수신신호 크기의 비율값에 기초하여 상기 단말의 방향을 추정하는 제어부
를 포함하는 빔 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 정보는 상기 제 1 수신빔의 이득과 상기 제 2 수신빔의 이득의 비와 방향과의 관계에 관한 수학식을 포함하는 빔 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제 1 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기를 상기 제 2 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기로 나누어 상기 비율값을 계산하는 빔 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 추정된 단말의 방향을 지향각으로 하는 수신빔을 생성하는 빔 생성부
를 더 포함하는빔 생성 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 다수의 수신빔 각각을 통해 상기 단말로부터 수신되는 RACH (Random Access Channel) 프리앰블 또는 사운딩 참조 신호 (Sounding Reference Signal; SRS)의 크기를 산출하는 신호세기 측정부
를 더 포함하는 빔 생성 장치.
빔 생성 장치에서 수행되는 빔 생성 방법으로서,
다수의 수신빔 중에서, 단말로부터 가장 큰 크기를 갖는 수신 신호가 수신되는 제 1 안테나 빔과 상기 단말로부터 두 번째로 큰 크기를 갖는 수신신호가 수신되는 제 2 수신빔을 도출하는 단계와,
상기 다수의 수신빔 중에서 상기 제 1 수신빔이 가장 큰 이득을 갖고 상기 제 2 수신빔이 두 번째로 큰 이득을 갖는 영역에서의 방향별 상기 제 1 수신빔의 이득과 상기 제 2 수신빔의 이득의 비에 관한 정보; 및 상기 제 1 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기와 상기 제 2 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기의 비율값에 기초하여 상기 단말의 방향을 추정하는 단계
를 포함하는 빔 생성 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 단말의 방향을 추정하는 단계는
상기 제 1 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기를 상기 제 2 수신빔을 통해 수신된 수신신호의 크기로 나누어 상기 비율값을 계산하는 단계
를 포함하는 빔 생성 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 다수의 수신빔 각각을 통해 상기 단말로부터 수신되는 RACH 프리앰블 또는 사운딩 참조 신호를 기초로 각 수신빔별 상기 단말로부터 수신되는 수신 신호의 크기를 산출하는
빔 생성 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 추정된 단말의 방향에서 가장 큰 크기를 갖는 수신 신호가 수신되는 수신빔을 생성하는 단계
를 더 포함하는 빔 생성 방법.