KR20080053009A - 빔 포밍 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템에서의 빔 포밍 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 하향링크 송신 빔 포밍을 위해서는 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 적용하고 상향링크 수신 빔 포밍을 위해서는 적응형 빔 포밍 알고리즘을 적용한다. 또한, 반 파장 어레이 안테나를 사용하여 공간적으로 분리된 두 단말에게 동일한 자원을 동시에 할당함으로써 SDMA를 지원한다. 이때, 기지국이 송신 빔 포밍 뿐만 아니라 수신 빔 포밍을 위해서도 CSIT를 이용함으로써, 상향링크 수신 빔 포밍의 구현 시 별도의 CSIR 획득 없이 SDMA를 지원한다. 또한, 고속 이동 단말 또는 저속 이동 단말인지에 따라 밴드 선택 스케줄링을 수행함으로써, MUD 이득을 얻을 수 있으며, 망 진입 전의 단말로부터 망 진입을 위한 패킷을 수신하여 검파 하는 성능을 개선한다.

이러한, 빔 포밍 방법 및 장치는 SDMA 및 MUD 이득을 동시에 얻을 수 있는 빔 포밍 방법 및 장치를 제공하며, 망 진입 전의 단말이 송신한 패킷에 대한 기지국의 검파 성능을 향상시킨다.

빔 포밍, SDMA, OFDM, MUD, 어레이 안테나

Description

빔 포밍 방법 및 그 장치 {Beamforming method and an apparatus}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 수신 Blind 빔 포밍 장치를 도시한 구조도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 하향링크 송신 빔 포밍 방법을 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 망 진입 이후의 기지국의 상향링크 수신 빔 포밍 방법을 도시한 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 수신 Blind 빔 포밍 과정을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 시스템에서 빔 포밍 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 공간 분할 다중 접속(Spatial Division Multiple Access, SDMA), 다중 사용자 다이버시티(Multi-User Diversity, MUD) 이득을 동시에 얻기 위한 빔 포밍 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 방식은 광대역 정보를 여러 개의 협대역 부반송파에 실어서 전송하므로 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI)에 강인한 성능을 보장하고 채널 추정 및 보정이 간단하다. 이러한 이유로 OFDM 전송 방식은 무선 광대역 데이터 서비스를 제공하기 위한 시스템에 많이 활용된다. 특히 OFDM 전송 방식을 사용해 상향 또는 하향링크에서 부반송파를 여러 단말이 공유하여 나누어 사용하는 시스템을 OFDMA 시스템이라고 한다.

이러한 OFDMA 시스템에서는 시스템의 성능 향상과 용량 증대를 위하여 다중 안테나를 이용한 빔 포밍(BeamForming, BF)과 같은 기술을 사용한다.

빔 포밍은 통상적으로 안테나 간격을 일정 간격으로 배치하고, 동일한 신호를 안테나 별로 가중치 벡터(weighting vector)를 곱하여 전송하는 것을 의미한다. 빔 포밍은 빔이 지향하는 방향과 다른 방향에 위치한 이동 단말기에 주는 간섭을 적게 하고, 동시에 동일한 전력으로 원하는 이동 단말기에서의 평균 신호 대 간섭 잡음비(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)를 증가시키는 효과가 있다.

이러한 빔 포밍은 가중치 벡터를 결정하는 알고리즘에 따라 스위치드 빔 포밍(switched BF)와 적응형 빔 포밍(adaptive BF)으로 나뉘는데, 스위치드 빔 포밍 방식은 미리 몇 개의 방향에 대한 가중치 벡터 벡터를 설정하고, 이들을 선택적으로 사용하고, 적응형 빔 포밍 방식은 특정 채널 환경에 가장 적합한 가중치 벡터를 선택하여 이를 순시적으로 적용하는 방법이다.

수신 빔 포밍의 경우 적응형 빔 포밍 방식으로 가중치 벡터를 설정하기 위해서 데이터 패킷 내에 삽입한 파일럿을 이용하므로 가중치 벡터 추정에 어려움이 없으나, 송신 빔 포밍의 경우에는 적응형 빔 포밍 방식으로 가중치 벡터를 설정하기 위해서는 수신측으로부터 송신 채널 정보(Channel Status Information Transmit, CSIT)를 피드백 받아야 하므로 실제 시스템에 적용하기에는 어려움이 있다.

즉, 송신 빔 포밍의 경우 수신 빔 포밍과는 달리 CSIT를 획득하기 위해서는 피드백에 소모되는 대역폭이 작지 않고, 피드백 지연에 의한 측정 결과의 오차가 성능 열화의 원인으로 작용하므로 일반적으로 시스템에서는 송신 BF으로는 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 적용하고, 수신 빔 포밍으로는 적응형 빔 포밍 알고리즘을 채택한다. 또한, 종래의 CSIT 획득은 모두 단말이 망 진입(network entry)을 한 후에 가능하며, 단말의 망 진입 이전에 기지국이 해당 단말에 대한 CSIT를 획득할 방법은 없어, 망 진입 전의 단말이 전송하는 패킷에 대한 검파 성능을 개선할 필요가 있다.

이러한 CSIT의 획득 문제를 제외하더라도, 송신기 측에서 SDMA를 구현할 경우, 적응형 빔 포밍으로 형성된 빔은 다양한 방향으로 전력을 방사하므로 동시에 동일 주파수 자원을 할당 받은 다른 사용자에게 많은 간섭을 발생시킨다. 한편, 수신 빔 포밍의 경우에는 전력 방사가 없으므로 간섭을 고려할 필요가 없어 적응형 빔 포밍 방식을 선택하는 것이 바람직하다.

한편, 어레이 안테나로 입사되는 파를 평면파(plane wave)로 가정할 경우 특정 방향으로 수신 빔 포밍을 수행하면 안테나 간격에 따라 형성되는 빔 패턴이 다 르다. 4배 파장 안테나는 여러 방향으로 수신기에 전력을 전달할 필요가 있을 경우에는 효율적이나, 공간적으로 분리되어 있는 사용자들에게 지향성이 있는 빔을 이용하여 SDMA를 제공할 필요가 있는 경우에는 부적합하다. 이는 전 방향으로 고르게 형성되는 빔들이 각자의 송신 전력을 다중 경로로 서로에게 전달하여 간섭으로 작용하기 때문이다.

반면에 반 파장 간격으로 구성된 어레이 안테나를 이용할 경우 원하는 방향으로 신호를 송신 또는 수신하여 수신 SNR을 개선하여 성능을 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 방향으로 신호를 송신할 경우 공간적으로 분리된 사용자에게 미치는 간섭 양이 적어진다. 또한 원하는 방향으로 신호를 수신할 경우 원하지 않는 사용자 신호의 영향을 감소시킬 수 있으므로 주파수 자원을 동시에 재활용하는 SDMA에 의한 주파수 사용 효율을 증대시킬 수 있다.

한편, OFDM 전송 방식을 사용하는 시스템에서는 CSIT에 포함된 선호 밴드 정보를 이용해 밴드 선택 스케줄링을 통해 다중 사용자 다이버시티(Multi-User Diversity, MUD) 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 선호 밴드는 채널의 시간적 변화에 따라 변하므로 피드백 지연을 고려할 때 고속의 이동 환경에서 적용하기 어렵다. 또한, 고속의 이동 환경에서 전술한 SDMA 이득과 밴드 선택에 의한 MUD 이득을 동시에 얻는 것도 쉽지 않다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 빔 패턴 관점에서 SDMA 및 MUD 이득을 동시에 얻을 수 있는 하향링크 송신 빔 포밍 및 상향링크 수신 빔 포밍 방법 을 제공하고, 망 진입 전의 단말로부터 전송된 망 진입을 위한 패킷에 대한 검파 성능을 향상시키는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 망 진입 이전의 단말이 망 진입을 위하여 전송한 패킷에 대응하여 검파를 수행하는 빔 포밍 장치는,

단말로부터 신호를 수신하는 하나 이상의 수신 안테나; 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 획득하여 출력하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부로부터 출력된 신호에 하나 이상의 가중치 벡터를 순차적으로 적용하여 출력하는 가중치 벡터 적용부; 및 상기 가중치 벡터 적용부로부터 출력된 신호를 상기 가중치 별로 검파 하는 검파부를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 망 진입 이전의 단말이 망 진입을 위하여 전송한 패킷을 검파 하기 위한 기지국의 빔 포밍 방법은,

신호를 수신하여 획득하는 단계; 획득한 신호에 가중치 벡터를 순차적으로 적용하는 단계; 및 상기 가중치 벡터를 적용한 신호를 상기 가중치 벡터 별로 검파 하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따른 주파수 분할 듀플렉스 방식의 무선통신시스템에서의 기지국의 상향링크 수신 빔 포밍 방법은,

단말이 측정한 송신 채널 정보를 수신하는 단계; 상기 송신 채널 정보에 포함된 선호 스위치드 빔 인덱스에 대응하여 상기 단말을 그룹화하는 단계; 상기 선호 스위치드 빔 인덱스에 대응하여 그룹화된 상기 단말에 대응되는 공간 분할 다중 접속을 구현하는 단계; 및 상기 공간 분할 다중 접속 구현 정보에 대응하여 상기 단말로부터 수신된 신호를 적응형 빔 포밍 알고리즘을 통해 획득하는 단계를 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이제 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 빔 포밍 방법 및 그 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

빔 포밍 방법 및 그 장치에 대해 설명하기 이전에 본 발명의 실시 예에 적용되는 안테나 구성에 대하여 살펴보면, 수신 이동 단말은 가급적 넓은 간격으로 구성된 다중 안테나 또는 수신 안테나를 포함하며, 하나의 싱글 송신 안테나를 포함한다. 한편, 기지국은 송 수신 안테나로는 반 파장 어레이 안테나를 사용하며 이에 대해서는 추후 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 수신 Blind 빔 포밍 장치를 도시 한 구조도이다. Blind 빔 포밍 장치는 망 진입 전의 단말이 망 진입을 시도하는 과정에서 랜덤 액세스를 통해 전송하는 패킷을 검파 하기 위한 장치로서, 이는 기지국 시스템에 포함되어 구성된다.

도 1을 참조하면, Blind 빔 포밍 장치는 데이터 수집부(Data acquisition)(201,202,203,204), 가중치 벡터 적용부(Apply weight vector)(301, 302, 303, 304) 및 검파부(detection)(401,402,403,404)을 포함한다.

데이터 수집부)(201,202,203,204)는 각 수신안테나(101, 102, 103, 104)가 수신한 수신신호를 획득하여 저장하고 출력한다.

가중치 벡터 적용부(301, 302, 303, 304)는 데이터 수집부(201,202,203,204), 가 출력한 신호에 특정 방향을 지향하는 가중치 벡터를 각각 순차적으로 적용하여 출력한다.

검파부)(401,402,403,404)는 가중치 벡터 적용부(301, 302, 303, 304)가 출력한 신호를 가중치 벡터 별로 독립적으로 검파 한다.

이제 아래에서는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국이 수행하는 빔 포밍 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

빔 포밍 방법에 대해 설명하기 전에, 다중 사용자 다이버시티(Multi-User Diversity, MUD)이득을 얻기 위한 OFDM 전송 방식의 밴드 선택 스케줄링에 대해 설명한다.

OFDM은 다수의 부반송파로 구성되며 각 부반송파에 작용되는 채널의 영향이 다르다. 그러나 인접한 부반송파에 작용하는 채널의 영향은 유사하므로 이들을 묶 어 밴드를 구성할 수 있다. 이 경우 OFDM 채널은 다수의 밴드로 구분할 수 있고 밴드 별 채널의 영향이 다르다. 다중 사용자 환경에서 특정 밴드에 작용하는 채널의 영향은 사용자 환경에 따라 다르다. 동일 밴드가 어떤 사용자에게는 deep fading 상황이지만 다른 사용자에게는 훌륭한 채널 조건일 수 있다. 그러므로 선호 밴드 정보를 알고 기지국이 밴드 스케줄링을 수행할 경우 MUD 이득을 얻을 수 있다.

한편, 고속 이동 단말의 경우 선호 밴드는 채널의 시간적 변화에 따라 지속적으로 변화하므로 피드백 지연을 고려할 때 밴드 선택 스케줄링을 수행하는 것이 어렵다. 또한, 고속 이동 환경의 경우 선호하는 밴드 및 빔 인덱스가 일치할 확률이 높지 않기 때문에 밴드 선택 스케줄링을 통한 다중 MUD 와 SDMA 이득을 동시에 얻는 것은 어렵다.

이러한 이유로, 고속의 이동 단말과 저속의 이동 단말에게 각각 다른 하향링크 자원 할당 방식을 적용하는데, 이를 표로 나타내면 다음의 표 1과 같다.

전술한 표에서, Localized mode는 밴드 선택 스케줄링을 이용하여 자원할당을 수행하는 모드이고, Distributed mode는 밴드 선택 스케줄링 없이 주파수 다이버시티를 이용하는 부반송파 선택 방법을 적용하는 모드이다.

아래에서는 전술한 표 1을 참조하여 하향링크 송신 빔 포밍 과정에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 하향링크 송신 빔 포밍 방법을 도시한 것으로서, SDMA 및 MUD(Multi-User Diversity) 이득을 얻기 위한 하향링크 송신 빔 포밍 방법을 도시한 것이다.

여기서, 하향링크 송신 빔 포밍의 경우 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 적용하여 빔 포밍을 수행한다. 이를 참조하여 하향링크 송신 빔 포밍을 설명하면 이동 단말에 대한 하향링크 송신 빔 포밍을 수행하기 위해서는 우선, 단말로부터 CSIT를 획득한다(S100). CSIT는 단말의 선호하는 스위치드 빔 인덱스 및 밴드 인덱스 및 채널 품질 지시자(Channel quality indicator, CQI)를 포함하며, 이러한 CSIT를 획득하는 방법으로는 다음과 같은 상향링크 사운딩(Uplink Sounding), 하향링크 프리앰블(Downlink Preamble) 및 빔 포밍이 적용된 하향링크 프리앰블 등이 있다.

상향링크 사운딩은 단말이 기지국으로 할당 받은 상향링크 자원을 이용하여 훈련신호를 전송한다. 기지국은 훈련신호를 이용해 상향링크 CSI를 측정하고, 수신기의 무선 채널(Radio Frequency path, RF path)의 특성 차이를 보정하고 시간 분할 듀플렉스(Time Division Duplex, TDD)인 경우 가역적 채널 특성을 이용하여 하향링크 CSI(이때는 하향링크 CSI가 CSIT가 됨)를 획득한다. 이 방법은 가역적 채널 개념이 유효한 TDD의 경우에만 가능하다.

하향링크 프리앰블을 사용할 경우, 단말이 물리적 송신 안테나 별로 하향링크 채널 측정이 가능한 하향링크 프리앰블을 전송하고, 단말이 이를 이용하여 하향 링크 채널을 측정(단말이 측정한 하향링크 CSI가 기지국에서 CSIT가 됨)하고 이를 기지국에 보고한다.

BF이 적용된 하향링크 프리앰블을 사용할 경우, 기지국이 BF이 적용된 하향링크 프리앰블을 전송하고 단말이 이를 이용하여 하향링크 채널을 측정하여 이를 기지국에 보고한다. 이러한 BF이 적용된 하향링크 프리앰블 방식은 유효 안테나 수가 제한적인 스위치드 빔 포밍 알고리즘에서 유효하게 사용된다. 이 경우에는 물리적 안테나 수가 아닌 만들어진 빔을 유효 안테나 수로 생각할 수 있기 때문이다. 즉, 4개의 물리적 송신안테나로 6개의 빔을 형성할 경우 물리적 안테나 수는 4개 이지만 유효 안테나 수는 6개가 되는 것이다.

전술한 바와 같이 기지국은 단말의 CSIT를 획득하면, 단말이 고속으로 이동하는 고속 단말인지 저속 이동 단말인지 판단하여(S110), 고속 단말일 경우에는 밴드 선택 스케줄링을 수행하지 않는 Distributed mode로 동작한다(S120).

고속 이동 단말이 아닌 경우, 기지국은 CSIT에 포함된 선호 밴드 인덱스를 활용하여 Localized mode로 자원할당을 수행한다(S130).

하향링크 자원할당이 완료되면, 기지국은 단말로부터 피드백된 CSIT에 포함된 선호 스위치드 빔 인덱스를 참고하여 SDMA를 구현하도록 지향성 빔을 생성하여 단말에게 전송한다(S140). 이때, 기지국은 반파장 어레이 안테나를 사용하여 지향성 빔을 단말에게 제공한다. 이와 같이 반파장 어레이를 사용하여 하향링크 송신 빔 포밍을 수행하는 것은, 빔의 폭이 넓어 단말의 고속 이동 환경에서도 큰 성능 저하 없이 적용이 가능하기 때문이다. 이는, 4배 파장 어레이 안테나를 사용하는 경우와 같이 빔의 폭이 좁을 경우 선호 스위치드 빔 인덱스를 매우 자주 갱신해야 하는 것과 달리 반 파장 어레이 안테나의 경우 빔 폭이 넓어 갱신 주기를 크게 하여도 급격한 성능 저하가 없기 때문이다.

한편, 전술한 바와 같이 고속의 이동 환경과 저속의 이동 환경에 대하여 다르게 밴드 선택 스케줄링 수행을 적용하면 큰 성능 저하 없이 저속의 이동 환경에 대하여 MUD 이득을 얻을 수 있다.

이외에도 전술한 스위치드 빔 포밍 방법을 사용하여 하향링크 송신 빔 포밍 과정을 구현할 경우에는 필요한 CSIT 정보의 양 감소, 구현의 간단함 외에도 다중 사용자 환경에서 SDMA를 적용할 경우 간섭을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 반 파장 간격의 어레이 안테나를 사용할 경우 빔의 폭이 넓어 단말의 고속 이동 환경에서도 큰 성능 저하 없이 적용이 가능하다. 즉, 반 파장 어레이 안테나를 사용하는 경우에는 빔 폭이 넓어 갱신 주기를 크게 하여도 급격한 성능 저하가 없는 장점이 있다.

이제 아래에서는 상향링크 수신 빔 포밍 과정에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

하향링크 송신 빔 포밍의 경우 전술한 CSIT를 얻기 위한 문제점들을 무시하면 적응형 빔 포밍 알고리즘이 항상 우수한 특성을 가진다. 그러나 SDMA가 적용될 경우 적응형 빔 포밍 알고리즘을 적용하여 형성된 빔은 다양한 방향으로 전력을 방사하므로 동시에 동일 주파수 자원을 할당 받은 다른 사용자에게 많은 간섭을 일으킨다. 그러므로 송신 빔 포밍의 경우 스위치드 알고리즘을 적용하는 게 일반적이 다. 반면에, 수신 빔 포밍의 경우는 전력 방사가 없으므로 간섭을 고려할 필요가 없어 성능이 우수한 적응형 빔 포밍 방식을 선택한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 망 진입 이후의 기지국의 상향링크 수신 BF 방법을 도시한 흐름도로서, 특히 주파수 분할 듀플렉스(Frequency Division Duplex, FDD) 전송 방식의 무선통신시스템에서의 상향링크 수신 BF 방법을 도시한 것이다.

빔 포밍을 수행하기 위해서는 채널 정보가 필요하다. 전술한 바와 같이 기지국의 수신 빔 포밍의 경우 채널 정보 측정에 문제가 없지만 단말이 항상 CSIR을 기지국이 측정하도록 훈련신호를 전송하는 것이 아니므로, CSIR을 측정할 수 없는 상황이 발생하기도 한다.

한편, 시간 분할 듀플렉스(Time Division Duplex, TDD) 전송 방식의 경우에는 송수신 모두 같은 주파수를 사용하므로 송수신 채널 정보가 동일하다고 판단한다. 그러므로 TDD 전송방식에서는 CSIR을 CSIT와 동일하게 사용하여도 무방하다.

그러나, FDD 전송 방식의 경우 송수신 채널을 동일하게 사용하지 않으므로, CSIT를 CSIR로 사용할 수 없다. 그러나, FDD 시스템에서 전술한 바와 같이 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 송신 BF에 적용하는 경우, CSIT에 선호 스위치드 빔 인덱스가 포함되므로 기지국은 단말이 셀 내에 어느 위치에 존재하는지 알 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 실시 예에서는 기지국이 단말이 측정한 CSIT를 하향링크 수신 빔 포밍 시 사용하며, 아래에서는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 하향링크 수신 빔 포밍 방법에 대하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 단말이 망에 진입하고(S300), 기지국이 단말로부터 하향링크 송신 빔 포밍을 위한 단말이 측정한 CSIT를 수신하고(S310), 기지국은 CSIT에 포함된 스위치드 선호 빔 인덱스를 활용하여 단말의 셀 내의 위치를 파악할 수 있다. 이는 고정 스위치드 빔들이 공간을 분할하도록 설계 되었으므로 서로 다른 선호 스위치드 빔 인덱스는 서로 다른 공간에 위치함을 나타내기 때문이다. 따라서, 2개의 단말이 서로 다른 선호 스위치드 빔 인덱스를 보고할 경우, 이는 이 두 단말이 공간적으로 서로 분리되었음을 나타낸다.

한편, CSIT를 획득한 기지국은 추가적인 상향링크에서의 수신 채널 정보(Channel Status Information Receiver, CSIR)의 획득 없이 채널의 특성 별로 단말 그룹화를 수행한다(S220). 이 단말의 그룹 정보는 이후, 기지국이 공간적으로 서로 분리된 이동 단말에게 동일 무선 자원을 동시에 할당하는 SDMA를 구현하기 위해 사용된다. 이와 같이 CSIT를 상향링크 수신 SDMA에 그대로 적용하는 방식은 FDD, TDD 모든 경우에 대하여 적용이 가능하다.

한편, TDD 시스템의 경우 단말 그룹핑을 수행하면, 해당 단말이 고속 이동 단말인지 저속 이동 단말인지를 판단하여(S230), 고속 이동 단말일 경우에는 전술한 송신 빔 포밍 과정에서와 마찬가지로 Distributed mode로 동작하고(S240), 저속 이동 단말일 경우에는 Localized mode로 동작한다(S250). 또한, 전술한 단말 그룹핑 정보를 활용하여 동일 자원을 이격된 두 단말에게 반복 할당을 수행하여 MUD 이득을 얻을 수 있다.

자원 할당이 끝난 후에는, CSIT를 참고하여 각 엘리먼트 별로 입사된 신호들 을 적응형 빔 포밍 알고리즘을 적용하여 단말로부터의 신호를 수신한다(S260). 이때, 적응형 빔 포밍 방법은 각 수신 안테나 엘리먼트 별로 입사된 신호들을 특정 기준 하에서 결합하여 획득하는 방법을 사용하는데, SDMA 적용 여부에 따라서 적용하는 경우에는 최소 평균 제곱 오류(Minimum Mean Square Error, MMSE)를 기준으로 하고, 적용하지 않는 경우에는 최대 비율 조합(Maximum Ratio Combining, MRC)를 기준으로 한다.

다음의 표 2는 전술한 SDMA 구현여부, 밴드 선택 스케줄링 수행 여부 및 상향링크 수신 빔 포밍 방법을 단말의 이동 속도에 따라서 분류한 것이다.

[표 2]

표 2에 도시된 바에 따르면, 단말의 망 진입 이전에는 Blind 빔 포밍을 적용한다. Blind 빔 포밍 방법에 대해서는 아래에서 자세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 상향링크 수신 Blind 빔 포밍 과정을 도시한 것으로서, 빔 포밍을 수행하는 기지국이 망 진입 전 단말이 망 진입을 시도하는 과정에서 랜덤 액세스를 통해 전송한 패킷을 검파 하는 방법을 도시한 도면이다.

우선, 기지국은 망 진입을 하지 않은 단말이 망 진입 과정에서 패킷을 전송 하도록 충돌이 허용된 상향링크 공유 자원을 할당한다(S300).

이후, 단말이 할당된 상향링크 공유 자원을 이용해 패킷을 전송하면, 수신 안테나를 통해 이를 획득하여 저장한다(S310).

이후, 획득된 신호에 대하여 각 가중치 벡터를 순차적으로 적용하고(S320), 각 가중치 벡터에 의해 순차적으로 신호 처리된 신호를 가중치 별로 독립적으로 검파 한다(S330).

이러한, Blind BF는 기지국이 채널 정보를 가지고 있지 않는 상태에서 수신 빔 포밍을 수행하는 것으로 fixed 빔 포밍(스위치드 빔 포밍)에 해당되며, 정의된 수신 fixed 빔 포밍(스위치드 빔 포밍)의 가중치 벡터를 순차적으로 적용한다. 이때, 가중치 벡터는 전술한 하향링크 송신 빔 포밍 시 적용된 가중치 벡터를 사용할 수 있다.

한편, 검파 과정에서 패킷 전송 방법이 TDMA 방식일 경우에는 동시에 전송 된 신호에 대한 충돌 해결 과정을 수행하여 수신 성능을 개선하고, CDMA 방식일 경우에는 신호간 간섭 전력을 완화하여 검파 수신 확률을 높이는 단계를 수행한다. 이러한 충돌 해결 과정 및 간섭 전력 완화 과정은 주지된 기술로서, 당업자가 용이하게 실시 할 수 있다.

일례로 시간 분할 다중 접속(Time Code Division Multiple Access, TDMA) 방식의 경우 두 사용자가 random access 시에 동일 자원을 이용하여 전송을 시도하더라도 이들이 공간적으로 분리되어 있을 경우 순차적 fixed 빔 포밍 적용으로 인해 모두 detection이 성공적으로 수행될 수가 있다. 또한, 코드 분할 다중 접속(Code Division multiple access, CDMA) 방식의 경우 다수 사용자가 동일 자원을 이용하여 전송을 시도하더라도 상기 Blind 빔 포밍은 간섭을 완화할 수 있으므로 CDMA detection 성공 확률을 개선한다.

전술한 바와 같이 망 진입 전의 단말에게 기지국이 충돌이 허용되는 공통의 자원을 상향링크에 허용하고 단말은 이를 이용하여 랜덤 액세스를 위한 패킷 전송을 시도한다.

이때, 랜덤 액세스가 TDMA 방식으로 전송될 경우 검파 과정에서 충돌 해결 과정이 더 필요하며, 만약 충돌이 발생하더라도 동시 전송 사용자가 공간적으로 분리된 경우에는 충돌이 해결되어 SDMA 효과를 얻을 수 있다. 또한 CDMA 방식으로 전송될 경우 간섭 전력을 완화하여 수신 품질 개선이 가능하며, 더 많은 사용자를 수용할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이 특정 방향을 지향하는 빔을 형성하도록 구성된 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 송신 BF 방식으로 채택하면 이를 지원하는데 필요한 CSIT 정보의 양 감소, 구현의 간단함 외에도 다중 사용자 환경에서 SDMA를 적용할 경우 간섭을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 반 파장 간격의 어레이 안테나를 사용할 경우 빔 폭이 넓어 선호 스위치드 빔 인덱스의 갱신 주기를 크게 하여도 급격한 성능 저하가 없는 장점이 있다. 이외에도 단말의 이동 속도를 고려하여 선택적으로 밴드 선택 스케줄링을 수행하여 다중 사용자 환경에서의 MUD 이득을 얻을 수 있다.

한편, 상향링크 수신 빔 포밍의 경우, SDMA의 구현을 위해 기존에 CSIR을 이용하였던 것을 송신 빔 포밍을 위해 획득한 단말 측정 CSIT를 이용함으로써 별도의 CSIR획득 과정을 수해하지 않아도 된다. 또한, 전송 방식이 TDD인 경우에는 가역적 채널 특성을 이용하여 상향링크 수신 빔 포밍에서도 밴드 선택에 의한 MUD 이득에 의한 성능 향상이 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 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.

본 발명의 실시 예에 따르면, 전술한 바와 같이 하향링크 송신 빔 포밍의 경우, 스위치드 빔 포밍 알고리즘 및 반파장 어레이의 적용, 단말의 이동 속도에 대응하는 밴드 선택 스케줄링의 선택적 수행에 따라서 SDMA, MUD 이득을 동시에 획득하는 것이 가능하다.

또한, 상향링크 수신 빔 포밍의 경우, SDMA의 구현을 위해 기존에 CSIR을 이용하였던 것을 송신 빔 포밍을 위해 획득한 단말 측정 CSIT를 이용함으로써 별도의 CSIR획득 과정을 수행하지 않아도 된다. 또한, 전송 방식이 TDD인 경우에는 가역적 채널 특성을 이용하여 상향링크 수신 빔 포밍에서도 밴드 선택에 의한 MUD 이득에 의한 성능 향상이 가능하다.

또한, 망 진입 이전의 단말이 전송하는 패킷에 대한 전술한 바와 같은 검파 방법은 기지국의 수신 성능을 향상시키고 이로 인한 검파 성능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 망 진입 이전의 단말이 망 진입을 위하여 전송한 패킷에 대응하여 검파를 수행하는 빔 포밍 장치에 있어서,

   단말로부터 신호를 수신하는 하나 이상의 수신 안테나;

   상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 획득하여 출력하는 데이터 수집부;

   상기 데이터 수집부로부터 출력된 신호에 하나 이상의 가중치 벡터를 순차적으로 적용하여 출력하는 가중치 벡터 적용부; 및

   상기 가중치 벡터 적용부로부터 출력된 신호를 상기 가중치 별로 검파 하는 검파부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 데이터 수집부는,

   상기 단말이 망 진입 이전의 단말에게 할당된 충돌이 허용된 공유 자원을 이용해 전송한 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가중치 벡터 적용부는 스위치드 빔 포밍 알고리즘에 대응하는 가중치 벡터를 이용하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 가중치 벡터 적용부는 하향링크 송신 빔 포밍 시 적용하는 가중치 벡터를 사용하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 장치.
5. 망 진입 이전의 단말이 망 진입을 위하여 전송한 패킷을 검파 하기 위한 기지국의 빔 포밍 방법에 있어서,

   신호를 수신하여 획득하는 단계;

   획득한 신호에 가중치 벡터를 순차적으로 적용하는 단계; 및

   상기 가중치 벡터를 적용한 신호를 상기 가중치 벡터 별로 검파 하는 단계

   를 포함하는 빔 포밍 방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 신호를 수신하여 획득하는 단계 이전에,

   망 진입 이전의 단말에게 충돌이 허용된 공유 자원을 할당하는 단계

   를 더 포함하고,

   상기 기지국은 상기 공유 자원을 통해 전송되는 신호에 대하여 검파를 수행하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 검파 하는 단계 이후에,

   동시에 전송된 다른 단말의 신호와의 충돌 해결을 수행하는 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기 검파 하는 단계 이후에,

   동시에 전송된 다른 단말의 신호와의 간섭 전력을 완화하는 단계

   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
9. 주파수 분할 듀플렉스 방식의 무선통신시스템에서의 기지국의 상향링크 수신 빔 포밍 방법에 있어서,

   단말이 측정한 송신 채널 정보를 수신하는 단계;

   상기 송신 채널 정보에 포함된 선호 스위치드 빔 인덱스에 대응하여 상기 단말을 그룹화하는 단계;

   상기 선호 스위치드 빔 인덱스에 대응하여 그룹화된 상기 단말에 대응되는 공간 분할 다중 접속을 구현하는 단계; 및

   상기 공간 분할 다중 접속 구현 정보에 대응하여 상기 단말로부터 수신된 신호를 적응형 빔 포밍 알고리즘을 통해 획득하는 단계

   를 포함하는 빔 포밍 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 공간 분할 다중 접속을 구현하는 단계와 상기 단말로부터 수신된 신호를 적응형 빔 포밍 알고리즘을 통해 획득하는 단계 사이에,

    상기 단말의 이동 속도에 대응하여 상기 선호 밴드 인덱스를 이용한 밴드 선택 스케줄링의 선택적 수행에 따른 상향링크 자원 할당을 수행하는 단계

    를 더 포함하고,

    상기 상향링크 자원 할당 결과에 대응하여 상기 단말로부터 수신된 신호를 획득하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 단말로부터 반 파장 어레이 안테나를 이용하여 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
12. 제 9항에 있어서,

    상기 단말이 측정한 송신 채널 정보는 상기 기지국의 하향링크 송신 빔 포밍 구현을 위해 상기 단말로부터 수신하는 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 선호 스위치드 빔 인덱스는 스위치드 빔 포밍 알고리즘을 적용한 하향링크 송신 빔 포밍 구현에 대응되는 정보인 것을 특징으로 하는 빔 포밍 방법.

Images