KR102357905B1 - 개루프 다중 입출력 기술을 이용해 신호를 송수신하는 방법 및 장치 - Google Patents

개루프 다중 입출력 기술을 이용해 신호를 송수신하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 개시는 LTE와 같은 4G 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 제공될 5G 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 본 발명에 따르면 송신기가 수신기로 신호를 전송하는 방법에 있어서, 송신기는 편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 수신기로 전송하고, 편파 호핑 패턴 정보가 지시하는 호핑 패턴에 따라 수신기로 신호를 전송한다. 수신기는 호핑 패턴에 따라 안테나의 편파를 변경하며 신호를 수신한다.

Description

개루프 다중 입출력 기술을 이용해 신호를 송수신하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING SIGNALS USING OPEN LOOP MIMO SCHEME}
본 발명은 채널 상태 정보 없이 개루프 다중 입출력 (open loop MIMO (multi-input multi-output)) 기술을 이용해 신호를 송수신하는 방법 및 장치에 대한 것이다.
4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 이후의 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및 SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
최근 기존의 통신 서비스 외에도 새롭게 IoT (internet of things) 등 다양한 통신 서비스에 대한 시장의 요구가 커지고 있다. 이러한 시장의 요구에 따라, 기존의 주파수/공간 자원을 필요에 따라 분할하여 주파수/공간 자원을 이용해 여러 통신 서비스를 제공하는 시나리오가 고려되고 있다. 이 때, 한정된 자원인 주파수/공간 자원을 효율적으로 사용하기 위해서는, 상이한 통신 서비스들이 인접한 주파수 자원 상에서 공존하여 서비스 되어야 한다. 그런데 상이한 통신 서비스들이 인접한 주파수 자원 상에서 공존하여 서비스 되는 경우, 상호 간의 간섭 및 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter, ADC)/디지털-아날로그 변환기(digital-analog converter, DAC)의 하드웨어 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이에 대한 해결 방안이 제공되지 않으면, 각 서비스의 시스템의 성능은 모두 크게 저하되게 된다. 특히, 시스템에서 제공하고 있는 커버리지가 서로 다르거나 각 시스템의 기지국이 서로 다른 위치에 존재하는 경우, 이런 문제가 좀 더 심각해 질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 채널 상태 정보를 필요로 하지 않는 개루프(open loop) 전송이 폐루프(closed loop) 전송에 비해 유리하다. 피드백 오버헤드(feedback overhead)가 줄어드므로 관련 회로를 사용하지 않아 전력 소비 및 복잡도가 감소하고, 시그널링(signaling) 오버헤드가 줄어든다는 장점이 있다.
또한 단말의 경우 하나의 RF(radio frequency) 체인을 가지는 편이 유리하다. 현재의 LTE 단말의 경우 2개 이상의 수신 RF 체인을 가지고 있으나, 하나의 RF 체인만을 가질 경우 비용이 30% 가까이 감소할 수 있고, 전력 소비가 줄어들고 베이스밴드(baseband) 관련 복잡도가 줄어든다는 장점이 있다.
또한 MU-MIMO(다수의 유저 다중 입출력, multi-user multi-input multi-output)의 경우 전송률이 향상되고 동시 접속이 가능한 사용자가 증대된다는 장점이 있다.
본 발명은 하나의 RF 체인을 가지는 수신기(일례로 단말이 될 수 있다)에게 송신기가 개루프 MU-MIMO 전송을 효율적으로 수행하는 방법을 제안한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 송신기가 수신기로 신호를 전송하는 방법에 있어서, 편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 수신기로 전송하는 단계; 및 상기 편파 호핑 패턴 정보가 지시하는 호핑 패턴에 따라 상기 수신기로 신호를 전송하는 단계를 포함하며, 상기 신호는 상기 수신기에 의해 디코딩되는 것을 특징으로 한다.
또한 수신기가 송신기로부터 신호를 수신하는 방법에 있어서, 편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 송신기로부터 수신하는 단계; 상기 편파 호핑 패턴 정보가 지시하는 호핑 패턴에 따라 상기 송신기로부터 신호를 수신하는 단계; 및 상기 신호를 디코딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 수신기로 신호를 전송하는 송신기에 있어서, 상기 수신기와 신호를 송수신하는 송수신부; 및
편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 수신기로 전송하고, 상기 편파 호핑 패턴 정보가 지시하는 호핑 패턴에 따라 상기 수신기로 신호를 전송하도록 상기 송수신부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 신호는 상기 수신기에 의해 디코딩되는 것을 특징으로 한다.
또한 송신기로부터 신호를 수신하는 수신기에 있어서, 상기 송신기와 신호를 송수신하는 송수신부; 및 편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 송신기로부터 수신하고, 상기 편파 호핑 패턴 정보가 지시하는 호핑 패턴에 따라 상기 송신기로부터 신호를 수신하도록 상기 송수신부를 제어하고, 상기 신호를 디코딩하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 방법 및 장치에 따르면 기지국과 단말은 본 발명의 실시예에 따른 개루프 MIMO 전송 방법을 이용해 신호를 송수신할 수 있다.
도 1은 현재의 셀룰러 시스템 상에서 구현될 수 있는 개루프 MU-MIMO 전송 방식을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 문제점을 해결하기 위한 기술을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 방법을 수행하기 위한 안테나 선택(antenna selection) 방식을 도시한 도면이다.
도 4는 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명을 수행하기 위한 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 수신기가 편파 스위치만을 활용하는 경우 수신기의 동작을 도시한 블록도이다.
도 7은 송신기 및 수신기가 스위치와 조합기 를 모두 사용하여 임의의 편파 방향의 신호를 송수신 할 수 있는 경우 수신기의 동작을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명을 수행하기 위한 송신기와 수신기간의 제어 시그널링을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명이 셀 엣지(edge)에서의 간섭 제거에 적용되는 예를 도시한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 전송 성능을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명을 수행하기 위한 장치를 도시한 블록도이다.
도 12는 본 발명을 수행할 수 있는 또다른 장치를 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세히 설명한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 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.
또한, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명함에 있어서, OFDM 기반의 무선통신 시스템, 특히 3GPP E-UTRAN 표준을 주된 대상으로 할 것이지만, 본 발명의 주요한 요지는 유사한 기술적 배경 및 채널형태를 가지는 여타의 통신 시스템에도 본 발명의 범위를 크게 벗어나지 아니하는 범위에서 약간의 변형으로 적용 가능하며, 이는 본 발명의 기술분야에서 숙련된 기술적 지식을 가진 자의 판단으로 가능할 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
도 1은 현재의 셀룰러 시스템 상에서 구현될 수 있는 개루프 MU-MIMO 전송 방식을 도시한 도면이다. 도 1에서 송신기는 기지국(base station)이고 수신기는 단말(terminal, mobile station)일 수 있다.
도 1에 따르면, (a)는 싱글 RF 체인(radio frequency chain)를 이용한 SU-MIMO(단일 유저 다중 입출력, single-user multi-input multi-output)의 경우를 도시한 도면이다. 이 경우 수신기는 1개의 RF 체인을 가지고 송신기는 2개의 RF 체인을 가진다. 송신기의 2개의 안테나는 한 시간 슬롯(time slot)에 x1, x2 신호를 채널 h[1]을 거쳐 수신기의 1개의 안테나로 전송할 수 있다. 이 때, 한 시간 슬롯에서 하나의 사용자에게만 서비스를 제공할 수 있으므로, 데이터 전송률이 낮다는 단점이 있다.
(b)는 싱글 RF 체인을 이용한 MU-MIMO(다수의 유저 다중 입출력, multi-user multi-input multi-output)의 경우를 도시한 도면이다. 이 경우 송신기는 2개의 RF 체인을 가지고, 1개의 RF 체인을 가지는 수신기가 2개 존재한다. 송신기의 2개의 안테나는 각 수신기의 안테나로 x1, x2 신호를 전송한다. 이 때 수신기 1은 h[1] 채널을 거친 송신기가 전송한 두 개의 신호를 수신하고, 수신기 2는 h[2] 채널을 거친 송신기가 전송한 두 개의 신호를 수신한다. 이 때, 신호 x1과 x2는 동시에 전송되므로, 수신기 1이 x1을 수신하려고 하고 수신기 2가 x2를 수신하려고 한다면 수신기 1에게는 x2 신호는 간섭으로 작용하고, 수신기 2에게는 x1 신호가 간섭으로 작용하게 된다. 이 경우 간섭의 영향으로 신호의 복호가 어렵다는 문제가 있다.
(c)는 2개의 RF 체인을 이용한 MU-MIMO의 경우를 도시한 도면이다. 이 경우 송신기와 두 개의 수신기는 모두 2개의 RF 체인을 가진다. 송신기의 2개의 안테나는 각 수신기로 신호 x1, x2를 전송하고, 각 수신기는 2개의 RF 체인을 가지고 있으므로 두 개의 스트림(stream)을 동시에 전송 가능하지만, 수신기가 두 개의 RF 체인을 가지고 있을 경우 수신기가 단말이라면, 단말의 비용(cost)가 증가한다는 문제점이 있다.
도 2는 도 1의 문제점을 해결하기 위한 기술을 도시한 도면이다.
도 2에 따르면, 송신기(200)은 2개의 RF 체인을 가지고 있고, 수신기 1(210) 및 수신기 2(211)은 1개의 RF 체인을 가지고 있다고 가정한다. 이 때 송신기에서 수신기 1로 전송되는 신호는 h[1] 채널, 송신기에서 수신기 2로 전송되는 신호는 h[2] 채널을 겪게 된다. 이 때 송신기는 두 개의 수신기에 아래 식 1과 같은 입력 신호(input signal)을 전송한다. u1 [k]과 u2 [k]는 서로 독립적인 코드워드 심볼을 의미하고, k는 1, 2로 각 수신기를 의미한다.
[식 1]
Figure 112015079681517-pat00001
이는 3개의 시간 슬롯 동안 4개의 스트림을 전송하는 것으로, 수신기 1의 채널 상태는 시간 슬롯 1, 2, 3에 각각 h[1](1), h[1](2), h[1](1)으로 변화하고, 수신기 2의 채널 상태는 각각 h[2](1), h[2](2), h[2](2)로 변화한다. 이 때 수신기 1 및 수신기 2가 각 시간 슬롯당 수신하는 신호 y는 아래 식 2와 같다. z는 잡음을 의미한다.
[식 2]
Figure 112015079681517-pat00002
이 때 수신기 1이 수신하는 신호는 아래 식 3과 같다.
[식 3]
Figure 112015079681517-pat00003
이 때 수신기 1의 측면에서, 수신기 2의 신호가 미치는 간섭은 1차원이 되고, 2 자유도(degree of freedom, DOF)를 가지는 원하는 신호는 2개의 독립적인 차원을 가지게 된다. 마찬가지로 수신기 2 역시 2 자유도를 얻게 되므로 모든 수신기를 고려시 4/3 자유도를 얻게 된다. 도 2에서 도시된 바와 같이 미리 정해져 있는 패턴으로 수신기로 복수의 스트림을 전송할 경우, 수신기는 채널 상태 정보의 피드백 없이도 간섭을 용이하게 제거할 수 있다는 장점이 있다.
도 3은 도 2의 방법을 수행하기 위한 안테나 선택(antenna selection) 방식을 도시한 도면이다.
도 3에 따르면, 도 2의 방법을 수행하기 위해서는 시간 슬롯당 송신기와 수신기간의 채널 상태가 달라져야 한다. 송신기와 수신기의 채널을 달리하기 위해, 수신기는 두 개의 안테나(를 비롯한 RF 체인)을 가지고, 시간 슬롯에 따라 사용하는 안테나를 달리할 수 있다. 이는 안테나 스위칭 또는 안테나 선택을 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 2의 방법을 수행하기 위해 수신기 1(210)은 시간 슬롯 1과 3에서는 안테나 1(300)을 사용하고, 시간 슬롯 2에서는 안테나 2(301)을 사용할 수 있다. 수신기 2(211)은 시간 슬롯 1과 2에서는 안테나 1(310)을 사용하고, 시간 슬롯 3에서는 안테나 2(311)을 사용할 수 있다.
그러나 이러한 방법을 사용할 경우 수신기에 두 개의 RF 체인 및 그에 상응하는 안테나가 필요하므로 비용이 상승한다는 문제점이 있다. 또한 추가 안테나 설치를 위한 공간이 필요하며, 라인-오브-사이트(line-of-sight) 성분이 커질수록 채널간의 상관관계(correlation)이 증가해 송수신 성능이 열화되게 된다.
도 4는 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 구성을 도시한 도면이다.
도 4에 따르면, 송신기(400)은 수신기 1(410) 및 수신기 2(420)으로 MU-MIMO 전송을 하며, 각 수신기는 스위치 등을 이용해 수신 안테나의 편파(polarization) 방향을 적절하게 변경해 간섭을 정렬할 수 있다. 이 때, 편파 변화 패턴은 송신기와 수신기 사이에서 MU-MIMO 전송 전에 서로 공유할 수 있으며, 수신기는 감쇠기(attenuator)와 위상 회전기(phase shifter)의 계수를 적절하게 결정하는 방법으로 신호의 전송률을 높일 수 있다. 감쇠기는 저항 등을 이용해 신호의 크기를 감소시키며, 위상 회전기는 전송선로 등의 길이를 조정해 신호의 위상을 변화시키는 장치이다.
이러한 도 4의 방식은 도 3에서 사용된 단일-편파(uni-polarized) 안테나에 대비해 (6-편파 안테나(6-polarized antenna)의 경우) 그 크기를 1/6까지 줄일 수 있으며, 안테나 사이의 간격이 작거나 라인-오브-사이트 값이 크더라도 항상 동일 편파(co polarization)과 교차 편파(cross polarization) 채널은 상이하므로, 각 채널의 상관관계 값이 매우 낮다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명을 수행하기 위한 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 5에 따르면, 송신기는 편파 방향을 임의로 결정할 수 있거나, 고정된 편파 방향을 가지고 있을 수 있다. 송신기가 편파 방향을 결정할 수 있는 경우 송신기는 듀얼 편파 안테나(500, dual polarized antenna) 또는 스위칭 가능한 안테나(510, switchable antenna)를 포함하고 있을 수 있다. 이 때 송신기는 수직 /수평 양극 안테나(vertical/horizontal dipole antenna) 를 스위칭하여 사용할 수 있다.
송신기는 먼저 수신기로부터 편파 관련 정보를 수신한 뒤, 개루프 MU-MIMO에 참여할 사용자 수를 결정하고, 편파 호핑 패턴 (polarization hopping pattern) 정보를 각 단말에 전송한다. 이 때 채널의 교차 편파 분리도(cross-polar discrimination, XPD)가 이미 알려진 경우, 송신기는 수신기가 보유한 편파 방향과 XPD를 고려하여, 송수신 편파 방향을 조인트(joint)하게 최적화할 수 있으며, 송신기가 XPD 를 모르는 경우는 채널 변화가 가장 큰 방향을 선택하여 전송한다.
본 발명을 수행하기 위해 필요한 편파 안테나는 다양한 방법으로 구현될 수 있는데, 크게 직선 편파(Linear polarization) 방식과 원형 편파(Circular polarization) 방식으로 구현될 수 있다. 직선 편파의 경우 듀얼 편파 안테나(Dual-polarized antenna, two orthogonal electric dipoles), 트라이 편파 안테나(Tri-polarized antenna, three orthogonal electric dipoles), 6까지의 편파 안테나(Up to Six polarized antenna, three orthogonal electric dipoles + three orthogonal magnetic dipoles) 등으로 구현할 수 있으며, 안테나의 수가 커질수록 더 높은 전송률을 얻을 수 있으나, 시그널링 오버헤드 및 구현 복잡도가 올라간다는 단점이 있다. 또한 원형 편파의 경우, LHCP(Left-hand circular polarization) 또는 RHCP(Right-hand circular polarization)으로 구현할 수 있다. 마지막으로, 직선 편파와 원형 편파의 조합으로도 구현할 수 있다.
수신기의 경우 수신기가 안테나의 편파를 변화시키기 위한 스위치만 활용하는 경우와, 스위치와 조합기(combiner)를 함께 활용하는 경우를 고려한다. 조합기는 두 개 이상의 신호를 더하거나 빼는 장치이다.
도 6은 수신기가 편파 스위치만을 활용하는 경우 수신기의 동작을 도시한 블록도이다.
도 6에 따르면, 수신기는 송신기로부터 편파 호핑 패턴 정보를 수신(600)한다. 이 단계는 편파 패턴이 미리 정해져 있는 경우 수행되지 않을 수 있다. 수신기는 결정된 편파 패턴에 따른 채널을 측정한다(610). 이 단계는 송신기로부터 신호를 수신하며 함께 수행될 수 있다. 수신기는 편파 패턴을 적용하며 수신기로부터 신호를 수신(620)한다. 상기 신호에는 데이터, 파일럿 신호, 제어 정보 등이 포함되어 있을 수 있다. 수신기는 수신한 신호를 복호화(630)한다. 이 때 수신기는 스위치로 수직/수평 방향으로 편파 채널을 변경할 수 있다. 이러한 방법은 수신기가 다수의 폴라리메트릭 안테나(polarimetric antenna)를 사용하는 경우에도 확장해 적용 가능하다.
감쇠기와 위상 회전기, 조합기는 송신기 및 수신기에 모두 포함될 수 있으며, 필요에 따라 함께 사용되거나 또는 독립적으로 사용될 수 있다. 일례로 복수의 신호를 조합할 경우 신호를 그대로 빼거나 더할 경우 조합기만이 쓰이게 되나, 신호의 크기를 줄이거나 위상을 회전시켜 조합할 경우 감쇠기와 위상 회전기가 사용되게 된다.
도 7은 송신기 및 수신기가 스위치와 조합기를 모두 사용하여 임의의 편파 방향의 신호를 송수신 할 수 있는 경우 수신기의 동작을 도시한 블록도이다.
도 7에 따르면, 수신기는 수직/수평 방향의 편파 채널을 측정(700)한다. 수신기는 측정한 채널 상태정보를 바탕으로 최적의 편파 방향을 결정(710)한다. 최적의 편파 방향은
Figure 112015079681517-pat00004
가 달성되는 경우이다. 수신기는 감쇠기와 위상 회전기의 계수를 결정(720)한다. 계수 결정은 아래의 방법 중 하나를 따른다.
- 이 때 계수는 채널의 크기 및 채널이 변화하는 정도에 의해 결정된다.
- 첫 번째 결정 방법으로, 초기에 측정된 채널을
Figure 112015079681517-pat00005
Figure 112015079681517-pat00006
Figure 112015079681517-pat00007
라고 했을 때, 이를 기반으로 최선의
Figure 112015079681517-pat00008
를 획득할 수 있다.
- 초기에 측정된 채널을 그대로 두지 않고, 두 채널 모두를 변경할 수 있다. 즉
Figure 112015079681517-pat00009
도 원하는 값으로 변경할 수 있다.
- 채널 크기는 바꾸지 않고, 채널의 위상만 변경할 수 있다. 이 때 감쇠기 는 사용하지 않는다.
수신기는 결정된 편파 패턴을 적용하며 송신기로부터 신호를 수신(730)한다. 상기 신호에는 데이터, 파일럿 신호, 제어 정보 등이 포함되어 있을 수 있다. 수신기는 수신한 신호를 복호화(740)한다. 이러한 방법은 수신기가 다수의 폴라리메트릭 안테나(polarimetric antenna)를 사용하는 경우에도 확장해 적용 가능하다.
또한, 송신기(기지국)가 본 발명의 개루프 MU-MIMO 전송 방식으로 신호를 전송할 수신기(단말)을 선택하는 방법은 아래와 같이 전송할 신호의 종류를 고려할 수 있다.
송신기가 하향링크로 긍정 수신 확인/부정 수신 확인 정보(ACK/NACK)를 전송하는 경우에는, 수신기가 상향링크 전송 시, 그에 대한 ACK/NACK을 본 발명의 개루프 MU-MIMO 방식으로 수신하겠다고 기지국에 요청하거나, 시스템 정보 등으로 미리 설정하여 수신기가 상향링크 전송시 그에 대한 ACK/NACK은 항상 본 발명의 개루프 MU-MIMO 방식으로 수신할 수 있다.
송신기가 하향링크로 데이터를 전송하는 경우에는, 송신기는 수신기의 편파 기능 보유 정도에 따라 수신기를 그룹핑(Grouping)하고, 그룹핑에 따른 그룹(Group) 내에서 임의로 본 발명의 개루프 MU-MIMO 방식으로 신호를 전송할 수 있다. 또한 송신기는 채널 품질 지시자(CQI)/커버리지 클래스(Coverage Class) 정도에 따라 그룹핑 할 수 있다.
또한 셀 간 간섭(Inter-cell Interference, ICI) 제어 시, 각 셀의 가장자리(엣지, edge)에 위치한 단말을 페어링(pairing)하여 본 발명의 개루프 MU-MIMO 방식으로 신호를 전송할 수 있다. 이 방법은 도 9에서 보다 자세히 서술한다.
도 8은 본 발명을 수행하기 위한 송신기와 수신기간의 제어 시그널링을 도시한 도면이다.
도 8에 따르면, 송신기(800)는 개루프 MU-MIMO 전송 모드를 설정(s830)한다. 이 때 전송 모드는 편파를 사용한 것일 수 있다. 송신기는 수신기 1(810)과 수신기 2(820)과 동기화(synchronization)를 수행(s840)한다.
도시되어 있지 않으나, 수신기는 송신기로 수신기의 안테나가 지원할 수 있는 편파에 관련된 정보를 전송할 수 있다. 상기 편파 관련 정보는 수평(Horizontal) 성분, 수직(Vertical) 성분, RHCP(Right-hand circular polarization), LHCP(Left-hand circular polarization) 관련 정보 등을 포함할 수 있으며, 이는 송신기가 편파를 이용해 개루프 MU-MIMO 전송을 수행하는데 반드시 필요한 정보이다. 편파 관련 정보에 안테나의 요소(element) 수 및 안테나의 간격(separation) 정보 등이 포함된다면 송수신기는 본 발명에 따른 개루프 MU-MIMO 전송을 수행시 편파 개수 및 종류, 폴라리메트릭(Polarimetric) 안테나의 XPD, 복수개의 폴라리메트릭 안테나를 사용할 수 있다.
역시 도시되어 있지 않으나, 송신기는 수신기로 수신한 편파 관련 정보를 기반으로 몇 개의 수신기를 개루프 MU-MIMO 전송 방식을 이용해 신호를 전송할지 결정하고, 이와 관련된 정보를 개루프 MU-MIMO 모드 통지(open loop MU-MIMO mode notification)이라는 시그널링을 통해 수신기에게 전송할 수 있다. 개루프 MU-MIMO 모드 통지에는 개루프 MU-MIMO 전송 방식으로 몇 개의 수신기에게 서비스를 제공할지, 어떤 수신기에게 서비스를 제공할지 등의 정보가 포함될 수 있다.
이러한 두 단계는 동기화 이후에 수행될 수 있다.
송신기는 개루프 MU-MIMO 통지 이후 각 수신기로 편파 호핑 패턴 정보를 전송(s850)한다. 이 때 송신기는 미리 정의된(predefined) 호핑 패턴의 번호를 수신기에게 통지하거나, 호핑 패턴의 내용을 통지할 수 있으며, 기지국의 편파를 변화할 수 있는 경우 이에 대한 정보도 함께 알려주는 방법 등이 있다. 이후 송신기는 수신기가 각 방향의 편파 채널을 측정할 수 있도록 파일럿 신호를 전송하고, 수신기는 파일럿 신호를 수신하고 편파별 채널을 측정해 (수신기 측의) 채널 상태 정보(channel state information at the receiver)를 획득(s860a, s860b)한다.
송신기는 미리 정해진 패턴에 따라 각 수신기로 개루프 MU-MIMO 전송 방식에 따라 신호를 전송(s870)하고, 각 수신기는 편파 스위칭/조합을 결정(s880a, s880b)하고 이를 이용해 간섭 제거 및 신호 디코딩(s890a, s890b)를 수행한다.
도 9는 본 발명이 셀 엣지(edge)에서의 간섭 제거에 적용되는 예를 도시한 도면이다.
도 9에 따르면, 본 발명의 기술적 구성을 이용하면 셀 엣지나 기기간 통신(device-to-device, D2D) 등 간섭이 크게 존재하는 상황에서, 채널 정보 피드백 없이 간섭을 처리할 수 있다는 장점이 있다. 일례로 기지국 1(900)과 기지국 2(910)가 모두 개루프 MU-MIMO 전송이 가능한 기지국이라면, 기지국 1은 기지국 2로 개루프 MU-MIMO 전송을 수행할 예정이라는 통지를 전송하고 (그 역도 가능하다) 기지국 1과 기지국 2는 동기화를 수행한다. 기지국 1과 기지국 2는 기지국 1이 서비스를 수행하는 셀 1(940)과 기지국 2가 서비스를 수행하는 셀 2(950)의 가장자리에 위치한 단말 1(920)과 단말 2(930)으로 개루프 MU-MIMO 전송을 수행하고, 단말 1과 단말 2는 미리 정해진 호핑 패턴에 따라 편파 스위치/조합을 수행하며 기지국 1과 기지국 2가 전송하는 신호를 수신한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 전송 성능을 도시한 도면이다.
도 10a에 따르면, 수신기(사용자)가 두 개일 경우 라인-오브-사이트 성분이 작은 경우와 큰 경우 본 발명에 따른 전송 성능이 도시되어 있다. 여기서 폐루프의 경우는 수신기가 채널 상태 정보를 아는 경우를 가정하며, 이 경우와 수신기에 두 개의 수신 RF 체인이 존재하는 경우는 제안 기술의 상한(upper bound)이라고 볼 수 있다. 본 발명은 기존의 개루프 방식인 안테나 셀렉션 방식 대비 항상 좋은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히, 안테나 셀렉션 방식의 경우, 라인-오브-사이트 성분이 커질수록, 채널 상관관계가 높아지므로 성능 저하가 심한데, 본 발명에 따르면 라인-오브-사이트 값이 커도, 항상 두 편파 채널이 상이하기 때문에 좋은 성능을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이러한 성능 이득은 도 10b의 수신기가 네 개인 경우에서 확인할 수 있듯이 수신기(사용자)의 수가 늘어날수록 더 크게 나타난다.
도 11은 본 발명을 수행하기 위한 장치를 도시한 블록도이다.
도 11에 따르면, 송신기 또는 수신기는 두 개의 안테나(수평 편파 안테나(1110), 수직 편파 안테나(1100)을 포함하고, 이러한 두 개의 안테나는 조합기/스위치(1120)에 연결되고, 조합기/스위치는 편파 제어부(1130)에 의해 제어된다. 조합기/스위치(1120)는 각각 RF 송신부(1140)과 그에 연결된 베이스밴드 송신부(1160) 및 RF 수신부(1150) 과 그에 연결된 베이스밴드 수신부(1170)에 연결된다.
도 12는 본 발명을 수행할 수 있는 또다른 장치를 도시한 블록도이다.
도 12에 따르면, 송신기(1200)은 제어부(1210)과 송수신부(1220)을 포함할 수 있다. 송수신부는 복수개의 안테나 및 RF 체인을 포함하고, 복수개의 안테나는 편파 방향을 임의로 결정할 수 있거나, 고정된 편파 방향을 가지고 있을 수 있다. 제어부는 수신기(1230)로부터 편파 관련 정보를 수신하고, 수신기로 개루프 MU-MIMO 모드 통지를 전송하고, 수신기로 편파 호핑 패턴 정보를 전송하고, 수신기가 편파 채널 상태를 알 수 있도록 파일럿 신호를 전송하고, 결정된 패턴에 따라 신호를 전송하도록 송수신부를 제어한다.
수신기(1230)은 제어부(1250)과 송수신부(1240)을 포함할 수 있다. 송수신부는 편파 스위칭/조합이 가능한 안테나 및 RF 체인을 포함하고, 편파 채널 변경을 위한 스위치 및 조합기, 감쇠기, 위상 회전기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제어부는 송신기로 편파 관련 정보를 전송하고, 송신기로부터 개루프 MU-MIMO 모드 통지와 편파 호핑 패턴 정보를 수신하고, 송신기가 파일럿 신호를 전송하면 이를 수신하고, 결정된 패턴에 따라 송신기가 전송하는 신호를 수신하도록 송수신부를 제어한다. 또한 제어부는 수신한 파일럿 신호를 기반으로 채널 상태 정보를 획득하고, 결정된 패턴에 따라 안테나를 스위칭하거나 조합하고, 결정된 패턴에 따라 신호를 수신하면 미리 정해진 방법에 따라 간섭을 제거하고 신호를 디코딩한다.
본 발명에 따르면 송신기(기지국)이 수신기(단말)로부터 어떠한 채널 상태 정보 (채널의 크기 및 위상)도 수신하지 않은 상황에서도 MU-MIMO 전송 방식을 이용한 신호 전송이 가능하다. 일례로, 기지국과 단말의 약속을 통해, 항상 가장 낮은 변조 코딩 스킴(modulation and coding scheme, MCS) 로 전송하거나, 상향링크 전송시 사용하였던 MCS 를 그대로 사용할 경우, 기지국은 채널 상태를 전혀 모르는 상황에서도 MU-MIMO 전송 방식으로 신호를 전송 가능하다. 이러한 전송 방식은 상향링크 전송에 대한 긍정 수신 확인/부정 수신 확인(ACK/NACK) 전송이나, 페이징(Paging)/알람(Alarm) 등 낮은 데이터 전송률을 요구하는 어플리케이션을 위한 신호 전송에 적용 가능하다. 또한 본 발명에서는 송신기가 기지국이고, 수신기가 단말이라고 가정하였으나 송신기가 단말이고, 수신기가 기지국이더라도 본 발명의 내용에 따라 신호 전송을 수행할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 실시 예들에서, 모든 단계 및 메시지는 선택적인 수행의 대상이 되거나 생략의 대상이 될 수 있다. 또한 각 실시 예에서 단계들은 반드시 순서대로 일어날 필요는 없으며, 뒤바뀔 수 있다. 메시지 전달도 반드시 순서대로 일어날 필요는 없으며, 뒤바뀔 수 있다. 각 단계 및 메시지는 독립적으로 수행될 수 있다.
상술한 실시 예들에서 예시로 보인 표의 일부 혹은 전체는 본 발명의 실시 예를 구체적으로 보여주어 이해를 돕기 위한 것이다. 따라서 표의 세부 내용은 본 발명에서 제안하는 방법 및 장치의 일부를 표현하는 것이라 볼 수 있다. 즉, 본 명세서의 표의 내용은 통사론적으로 접근되는 것보다 의미론적으로 접근되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (20)

  1. 송신기가 수신기로 신호를 전송하는 방법에 있어서,
    복수의 수신기들로부터, 상기 복수의 수신기들의 각각의 적어도 하나의 안테나의 요소(element)의 개수에 관한 정보, 또는 상기 적어도 하나의 안테나의 간격(seperation)에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 편극 관련 정보를 수신하는 단계;
    상기 복수의 수신기들의 각각으로부터 수신된 상기 편극 관련 정보에 기초하여 상기 복수의 수신기들 중 개루프 MIMO 전송을 수행하는 적어도 하나의 수신기를 식별하는 단계;
    상기 개루프 MIMO 전송에 참여하는 것으로 식별된 각각의 수신기를 지시하는 통지를 전송하는 단계;
    편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 전송하는 단계; 및
    상기 편파 호핑 패턴 정보에 기초하여 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 신호를 전송하는 단계를 포함하며,
    상기 편파 호핑 패턴 정보는 상기 송신기의 적어도 하나의 안테나의 적어도 하나의 편극 방향을 위한 미리 정의된 복수의 호핑 패턴들 중 하나를 지시하는 지시자를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 송신기는 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 파일럿 신호를 전송하며, 상기 파일럿 신호는 상기 신호와 함께 전송되거나 독자적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 신호 전송 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 수신기가 송신기로부터 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    수신기의 적어도 하나의 안테나의 요소의 개수에 관한 정보, 또는 상기 적어도 하나의 안테나의 간격에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 상기 수신기의 편극 관련 정보를 송신기에게 전송하는 단계;
    상기 송신기로부터 상기 수신기의 상기 편극 관련 정보에 기초하여 개루프 MIMO 전송을 수행하는 상기 수신기를 지시하는 통지를 수신하는 단계;
    편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 송신기로부터 수신하는 단계;
    상기 편파 호핑 패턴 정보에 기초하여 상기 송신기로부터 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 신호를 디코딩하는 단계를 포함하고,
    상기 편파 호핑 패턴 정보는 상기 송신기의 적어도 하나의 안테나의 적어도 하나의 편극 방향을 위한 미리 정의된 복수의 호핑 패턴들 중 하나를 지시하는 지시자를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서, 상기 송신기는 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 파일럿 신호를 전송하며, 상기 파일럿 신호는 상기 신호와 함께 전송되거나 독자적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 신호 수신 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 수신기로 신호를 전송하는 송신기에 있어서,
    신호를 송수신하는 송수신부; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    복수의 수신기들로부터, 상기 복수의 수신기들의 각각의 적어도 하나의 안테나의 요소의 개수에 관한 정보, 또는 상기 적어도 하나의 안테나의 간격에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 편극 관련 정보를 수신하고,
    상기 복수의 수신기들의 각각으로부터 수신된 상기 편극 관련 정보에 기초하여 상기 복수의 수신기들 중 개루프 MIMO 전송을 수행하는 적어도 하나의 수신기를 식별하고,
    상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기를 지시하는 통지를 전송하고,
    편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 전송하고,
    상기 편파 호핑 패턴 정보에 기초하여 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 신호를 전송하도록 제어하고,
    상기 편파 호핑 패턴 정보는 상기 송신기의 적어도 하나의 안테나의 적어도 하나의 편극 방향을 위한 미리 정의된 복수의 호핑 패턴들 중 하나를 지시하는 지시자를 포함하는 것을 특징으로 하는 송신기.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서, 상기 송신기는 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 파일럿 신호를 전송하며, 상기 파일럿 신호는 상기 신호와 함께 전송되거나 독자적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 송신기.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 송신기로부터 신호를 수신하는 수신기에 있어서,
    신호를 송수신하는 송수신부; 및
    적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    수신기의 적어도 하나의 안테나의 요소의 개수에 관한 정보, 또는 상기 적어도 하나의 안테나의 간격에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하는 상기 수신기의 편극 관련 정보를 송신기에게 전송하고,
    상기 송신기로부터 상기 수신기의 상기 편극 관련 정보에 기초하여 개루프 MIMO 전송을 수행하는 상기 수신기를 지시하는 통지를 수신하고,
    편파 호핑 패턴(polarization hopping pattern) 정보를 상기 송신기로부터 수신하고,
    상기 편파 호핑 패턴 정보에 기초하여 상기 송신기로부터 신호를 수신하고,
    상기 신호를 디코딩하도록 제어하고,
    상기 편파 호핑 패턴 정보는 상기 송신기의 적어도 하나의 안테나의 적어도 하나의 편극 방향을 위한 미리 정의된 복수의 호핑 패턴들 중 하나를 지시하는 지시자를 포함하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  17. 삭제
  18. 제 16항에 있어서, 상기 송신기는 상기 개루프 MIMO 전송을 수행하는 것으로 식별된 각각의 수신기로 파일럿 신호를 전송하며, 상기 파일럿 신호는 상기 신호와 함께 전송되거나 독자적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 수신기.
  19. 삭제
  20. 삭제
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