KR20100094669A

KR20100094669A - 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력과 빔포밍을 동시에 지원하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100094669A
Application number: KR1020090013750A
Authority: KR
Inventors: 황기환; 변명광; 조성권
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-08-27
Also published as: EP2221990A2; EP2221990B1; CN101814937A; US8280320B2; US20100210227A1; KR101460745B1; EP2221990A3; CN101814937B

Abstract

본 발명은 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력과 빔포밍을 동시에 지원하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기지국의 송신 방법은, 다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 과정과, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림에 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : CDD) 위상 시퀀스를 곱하는 과정과, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다중입력 다중출력(MIMO), 빔포밍(Beamforming), STC(Space-Time Coding), STC BF(Space-Time Coding and Beamforming)

Description

무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력과 빔포밍을 동시에 지원하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SURPPORTING MULTIPLE-INPUT MULTIPLE-OUTPUT AND BEAMFORMING SIMULTANEOUSLY IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력과 빔포밍을 동시에 지원하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 개선된 STC BF(Space-Time Coding and Beamforming) 기법을 사용하여 데이터 스트림을 전송하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시장의 급성장으로 인하여 무선 환경에서 다양한 멀티미디어 서비스가 요구된다. 따라서 최근에는 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 방식의 연구가 진행되고 있다.

무선 통신 방식은 송수신시 사용하는 안테나의 개수에 따라 단일입력 단일출 력(SISO : Single-Input Single-Output), 다중입력 다중출력(MIMO : Multiple-Input Multiple-Output)으로 구분할 수 있다. SISO는 하나의 안테나를 통해 송수신하는 방식이며, MIMO는 다수의 안테나를 통해 송수신하는 방식으로 크게 세가지로 나눌 수 있다. 즉, MIMO는 다수의 안테나로 인해 형성되는 다수의 공간 경로를 이용하여 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 전송 다이버시티(Transmit diversity) 기법(이하, 'STC(Space-Time Coding) 기법'이라 칭함), 다수의 안테나를 통해 동시에 다수의 데이터 신호를 전송하여 다중화 이득을 얻을 수 있는 공간 다중화(Spatial Multiplexing) 기법, 다수의 안테나로 채널에 맞는 빔을 형성하여 전송함으로써 어레이 이득(array gain)을 얻을 수 있는 빔포밍(BF : Beamforming) 기법으로 분류될 수 있다.

상기 빔포밍 기법은 각 단말에게 송신되는 송신신호에 특정한 빔포밍 계수를 곱하여 다중 안테나를 이용하여 송신함으로써, 각 단말의 방향으로 빔이 형성되도록 해주는 기술이다. 이러한 빔포밍 기법을 시스템에 적용하면, 단말의 수신 신호 대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)가 증가하고 무선 채널에 의한 페이딩 영향이 감소하여 시스템의 수신 성능이 향상될 수 있다. 그러나 상기 빔포밍 기법을 적용하여 최적의 성능 향상을 이루기 위해서는 빔포밍 계수와 송신 채널이 부합되어야 하며, 빔포밍 계수와 송신 채널간의 오차가 발생할 시 빔포밍 기법의 적용으로 얻을 수 있는 이득은 급격히 감소한다. 특히, 실제 운용에서 단말의 이동속도가 빠른 경우, 시스템에 빔포밍 기법을 적용하게 되면, 빔포밍 계수와 송신 채널간의 오차가 더욱 증가하게 되고 따라서 시스템 성능 향상을 기대하기 어렵다.

한편, 상기 빔포밍 기법에 다른 기법들, 즉 SISO 방식, STC 기법, 공간 다중화 기법들 중 적어도 하나를 결합하여, 새로운 형태의 빔포밍 기법을 시스템에 적용할 수 있다. 예를 들어 SISO 방식과 빔포밍 기법을 결합한 SISO BF(Single-Input Single-Output and Beamforming) 기법, STC 기법과 빔포밍 기법을 결합한 STC BF(Space-Time Coding and Beamforming) 기법 등을 시스템에 적용할 수도 있다. 이때, 각 기법의 안테나 형상에 따라 빔포밍 계수를 구하는 방식에 차이가 있다.

종래 기술에 따른 STC BF 기법을 적용한 시스템은, 예를 들어 4개의 송신 안테나를 가정하였을 경우 (2+2)의 구조를 가진다. 여기서, 상기 (2+2)의 구조는, 2개의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림을 안테나 1, 2를 통해 전송하고, 두 번째 데이터 스트림을 안테나 3, 4를 통해 전송하는 구조를 의미한다. 상기 STC BF 기법을 적용한 시스템의 구조는 N개의 송신 안테나로 간단히 일반화되지 않는, 즉 (N+N) 구조로 일반화되지 않는 문제점이 있다. 따라서, N개의 송신 안테나로 간단히 일반화될 수 있는 구조의 STC BF 기법의 제안이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 무선 통신 시스템에서 다중입력 다중출력과 빔포밍을 동시에 지원하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 기존 STC BF 기법의 (2+2) 구조를 (N+N) 구조로 일반화하여 개선된 STC BF 기법을 사용하여 데이터 스트림을 전송하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 통신 시스템에서 단말의 이동 속도에 따라 가변적으로 안테나 전송 방법을 선택하고 가변적으로 빔포밍 계수를 적용하여, 이동 채널 환경에서도 성능열화 없는 효율적인 빔포밍 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 기지국의 송신 방법은, 다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 과정과, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림에 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : CDD) 위상 시퀀스를 곱하는 과정과, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 기지국의 송신 장치는, 다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 스케줄러와, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림에 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : CDD) 위상 시퀀스를 곱하는 CDD 위상 시퀀스 곱셈기와, 송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 빔포밍 계수 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 무선 통신 시스템에서 기존 STC BF 기법의 (2+2) 구조를 (N+N) 구조로 일반화하여 개선된 STC BF 기법을 제공함으로써, 예를 들어 2개의 데이터 스트림 각각에 대해 빔포밍을 수행하여 모두 N개의 안테나를 통해 전송하되 2번째 데이터 스트림에는 스트림 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity)를 적용하여 전송함으로써, SISO BF 데이터를 본 발명에서 제안하는 (N+N) 구조의 STC BF 기법으로 전송하여도 SISO BF 기법과 동일 성능을 얻을 수 있는 이점이 있다.

한편, 동일 프레임 내에 SISO 데이터 사용자와 MIMO 데이터 사용자가 동시에 존재하게 되면, SISO 데이터의 전송을 위한 SISO 영역과 MIMO 데이터의 전송을 위한 MIMO 영역을 나누기 위해 필요한 STC 하향링크 존 IE(STC DL Zone IE)가 추가로 사용되며, 그에 따른 MAP 오버헤드가 증가하여 전체 시스템 성능이 열화되는 문제점이 있다. 또한, SISO 영역과 MIMO 영역의 구분은 심볼축으로 이루어지며, 이에 따라 데이터 할당 시 입자성(granularity) 문제가 발생하여 시스템 용량 감소가 추 가적으로 발생하는 문제점이 있다. 이와 같이 동일 프레임 내에 SISO 데이터 사용자와 MIMO 데이터 사용자가 동시에 존재하는 경우, 본 발명에서 제안하는 (N+N) 구조의 STC BF 기법을 사용하면, SISO 데이터를 MIMO 영역을 통해 전송할 수 있으므로, SISO 영역과 MIMO 영역을 나누기 위해 필요한 STC 하향링크 존 IE(STC DL Zone IE)의 사용으로 인한 오버헤드가 발생하지 않으며, 이에 따라 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 무선 통신 시스템에서 단말의 이동 속도에 따라 가변적으로 안테나 전송 방법을 선택하고 가변적으로 빔포밍 계수를 적용함으로써, 이동 채널 환경에서도 성능열화 없는 효율적인 빔포밍을 수행할 수 있는 이점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 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.

이하 본 발명은 무선 통신 시스템에서 STC BF 기법의 (N+N) 구조를 제안하며, 단말의 이동 속도에 따라 가변적인 안테나 전송 방법 선택과 가변적인 빔포밍 계수 적용 방안을 제안한다.

이하 본 발명은 STC 기법과 빔포밍 기법의 결합인 STC BF 기법을 예로 들어 설명할 것이나, MIMO 기법과 빔포밍 기법이 결합된 모든 조합의 기법에 적용 가능함은 물론이다.

이하 본 발명에 따른 설명은 N개의 송신 안테나를 구비하는 기지국과, 상기 N개의 송신 안테나를 통해 2개의 데이터 스트림을 전송하는 것을 예로 들어 설명할 것이나, 2개 이상의 다수 데이터 스트림에 적용 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 장치 구성을 도시한 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 기지국은, 스케줄러(Scheduler)(100), 속도 추정부(104), 채널 추정부(106), 빔포밍 계수 연산부(108), 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : 이하 'CDD'라 칭함) 제어부(110), 부호화기(Encoder)(112-1, 112-2), 변조기(Modulation)(114-1, 114-2), 부반송파 매핑기(116-1, 116-2), CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2, 118-3, 118-4), 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4), 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4), 빔포밍 계수 곱셈기(124-1, 124-2, 124-3, 124-4), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산기(126-1, 126-2, 126-3, 126-4)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 스케줄러(100)는 안테나 전송 방법 선택부(102)를 포함하여 구성된다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 스케줄러(100)는 스케줄링을 통해 현재 프레임에서 전송할 데이터 스트림들(예, 2개의 데이터 스트림)을 결정하고, 상기 결정된 데이터 스트림들을 각각 상기 부호화기(112-1, 112-2)로 제공한다. 여기서, 상기 스케줄링은 상기 채널 추정부(106)로부터 제공되는 채널 추정값을 이용하여 수행할 수 있다. 또한, 상기 스케줄러(100) 내 안테나 전송 방법 선택부(102)는 단말의 수신 환경을 고려하여 상기 결정된 데이터 스트림들에 대한 안테나 전송 방법을 선택한다. 예를 들어, 상기 속도 추정부(104)로부터 제공되는 단말의 속도 값을 제 1 임계치 및 제 2 임계치(여기서, 제 2 임계치 < 제 1 임계치)와 비교하여, 상기 결정된 데이터 스트림들에 대한 안테나 전송 방법을 선택한다. 즉, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치 이상의 고속일 경우 경우, 안테나 전송 방법으로 빔포밍 기법을 적용하지 않은 STC 기법을 선택하고, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치보다는 작지만 제 2 임계치보다는 큰 중속일 경우, 안테나 전송 방법으로 일반적인 STC BF(2+2)기법을 선택하며, 상기 단말의 속도가 제 2 임계치보다도 작은 저속일 경우 본 발명 에서 제안하는 STC BF(4+4)기법을 선택한다. 또한, 상기 안테나 전송 방법 선택부(102)는 상기 선택된 안테나 전송 방법을 상기 빔포밍 계수 연산부(108)로 제공하고, 상기 빔포밍 계수 연산부(108)로부터 빔포밍 계수를 제공받아 상기 빔포밍 계수 곱셈기(124-1, 124-2, 124-3, 124-4)로 제공한다. 또한, 상기 스케줄러(100)는 상기 선택된 안테나 전송 방법에 따라 상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)와 CDD 제어부(110)를 제어한다.

상기 속도 추정부(104)는 단말의 상향링크 신호를 이용하여 단말의 이동 속도를 추정하고, 추정된 단말의 속도 값을 상기 스케줄러(100) 내 안테나 전송 방법 선택부(102)로 제공한다. 여기서, 상기 단말의 이동 속도를 추정하는 방법으로 대표적인 것은, 단말이 주기적으로 보고하는 CQI(Channel Quality Indicator) 정보를 이용하여 LCR(Level Crossing Rate)을 추정하고 이를 바탕으로 속도를 추정하는 것이다.

상기 채널 추정부(106)는 단말이 전송하는 사운딩 신호를 수신하여 상향링크 채널을 추정하고, 채널 추정값을 상기 스케줄러(100)와 빔포밍 계수 연산부(108)로 제공한다.

상기 빔포밍 계수 연산부(108)는 상기 스케줄러(100) 내 안테나 전송 방법 선택부(102)로부터 상기 선택된 안테나 전송 방법을 제공받고, 상기 채널 추정부(106)로부터 채널 추정값을 제공받아, 빔포밍 계수를 연산하고, 상기 연산된 빔포밍 계수를 상기 스케줄러(100)로 제공한다.

상기 CDD 제어부(110)는 상기 스케줄러(100)의 제어에 따라, 상기 선택된 데 이터 스트림들에 STC 기법을 적용하기 위해 상기 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2, 118-3, 118-4)로 CDD 위상 시퀀스를 제공한다.

상기 부호화기(112-1, 112-2)는 입력되는 정보 데이터를 해당 부호율로 부호화하여 부호화 데이터(coded bits 또는 symbols)를 출력한다. 예를 들어, 상기 부호화기(112-1, 112-2)는 길쌈부호기(convolution coder), 터보부호기(turbo coder), LDPC(Low Density Parity Check) 부호기 등으로 구성될 수 있다.

상기 변조기(114-1, 114-2)는 연결되는 부호화기(112-1, 112-2)로부터의 심볼들을 해당 변조방식(변조레벨)에 따라 신호점 사상하여 복소 심볼(complex symbols)들을 출력한다. 예를 들어, 상기 변조방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 신호점(복소 심볼)에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소 심볼에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소 심볼에 사상하는 8PSK(8-ary Phase Shift Keying), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소 심볼에 사상하는 16QAM, 6개의 비트(s=6)를 하나의 복소 심볼에 사상하는 64QAM 등이 있다.

상기 부반송파 매핑기(116-1, 116-2)는 연결되는 변조기(114-1, 114-2)로부터의 출력심볼들을 부반송파에 매핑하여 출력한다. 여기서, 부반송파에 매핑한다는 것은, 데이터 심볼들 각각을 IFFT 연산기(126-1, 126-2, 126-3, 126-4)의 해당 입력(부반송파 위치)으로 제공하는 것을 의미한다.

상기 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2, 118-3, 118-4)는 송신 안테나 개수만큼 존재하며, 상기 CDD 제어부(110)로부터 CDD 위상 시퀀스를 제공받아, 상 기 상기 부반송파 매핑기(116-2)로부터의 출력심볼에 상기 CDD 위상 시퀀스를 곱한 후, 송신 안테나 중 2 개의 안테나에 대응하는 스위치(120-1, 120-2)와 송신 안테나 중 나머지 2개의 안테나에 대응하는 상기 덧셈기(122-3, 122-4)로 각각 제공한다.

상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)는 송신 안테나 개수만큼 존재하며, 그 중 두 개의 스위치(120-1, 120-2)는 상기 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2)에 각각 연결되며, 나머지 두 개의 스위치(120-3, 120-4)는 상기 부반송파 매핑기(116-1)에 연결되어, 상기 연결되는 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2) 혹은 부반송파 매핑기(116-1)로부터의 출력심볼을, 상기 스케줄러(100)의 제어에 따라, 연결되는 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)로 스위칭한다. 즉, 상기 스케줄러(100)가 상기 선택된 데이터 스트림들에 대한 안테나 전송 방법으로 STC BF(2+2) 기법을 선택하였다면, 상기 스케줄러(100)는 상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)를 오프(OFF)하여, 상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)로하여금 연결되는 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2) 혹은 부반송파 매핑기(116-1)로부터의 출력심볼을 연결되는 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)로 스위칭하지 않도록 한다. 또한, 상기 스케줄러(100)가 상기 선택된 데이터 스트림들에 대한 안테나 전송 방법으로 본 발명에서 제안하는 STC BF(4+4) 기법을 선택하였다면, 상기 스케줄러(100)는 상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)를 온(ON)하여, 상기 스위치(120-1, 120-2, 120-3, 120-4)로하여금 연결되는 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-1, 118-2) 혹은 부반송파 매핑기(116-1)로부터의 출력심볼 을 연결되는 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)로 스위칭하도록 한다.

상기 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)는 송신 안테나 개수만큼 존재하며, 그 중 두 개의 덧셈기(122-1, 122-2)는 상기 부반송파 매핑기(116-1) 및 스위치(120-1, 120-2)와 각각 연결되고, 나머지 두 개의 덧셈기(122-3, 122-4)는 상기 스위치(120-3, 120-4) 및 CDD 위상 시퀀스 곱셈기(118-3, 118-4)와 각각 연결되어, 입력되는 하나 이상의 출력심볼을 더한 후, 연결되는 상기 빔포밍 계수 곱셈기(124-1, 124-2, 124-3, 124-4)로 제공한다.

상기 빔포밍 계수 곱셈기(124-1, 124-2, 124-3, 124-4)는 송신 안테나 개수만큼 존재하며, 상기 스케줄러(100)의 제어에 따라, 상기 선택된 데이터 스트림들에 빔포밍 기법을 적용하기 위해, 연결되는 덧셈기(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)로부터의 출력심볼에 빔포밍 계수를 곱하여 연결되는 IFFT 연산기(126-1, 126-2, 126-3, 126-4)로 제공한다.

상기 IFFT 연산기(126-1, 126-2, 126-3, 126-4)는 송신 안테나 개수만큼 존재하며, 연결되는 빔포밍 계수 곱셈기(124-1, 124-2, 124-3, 124-4)로부터의 출력심볼에 IFFT 연산을 수행하여 시간 영역의 샘플 데이터로 변환한다. 이때, 상기 샘플 데이터는 실제 전송 가능하도록 RF 처리되어 연결되는 송신 안테나를 통해 무선채널로 송신된다.

도 2는 일반적인 STC BF 기법의 (2+2) 구조를 도시한 예시도이다.

상기 도 2를 참조하면, 송신 안테나별 스위치가 모두 오프(OFF)되어 있으며, 이에 따라, 2개의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림은 빔포밍을 수행하여 안테나 1, 2를 통해 전송하고, 두 번째 데이터 스트림은 빔포밍을 수행하여 안테나 3, 4를 통해 전송한다. 이때, 상기 안테나 3, 4를 통해 전송되는 두 번째 데이터 스트림에는 CDD를 적용하여, 즉 CDD 위상 시퀀스를 곱하여 전송한다. 여기서, 상기 CDD 위상 시퀀스는 모두 같은 값을 적용한다고 가정한다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 STC BF 기법의 (4+4) 구조를 도시한 예시도이다.

상기 도 3을 참조하면, 송신 안테나별 스위치가 모두 온(ON)되어 있으며, 이에 따라, 2개의 데이터 스트림 각각에 대해 빔포밍을 수행하여 모두 4개의 안테나를 통해 전송한다. 즉, 2개의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림은 빔포밍을 수행하여 안테나 1, 2, 3, 4를 통해 전송하고, 두 번째 데이터 스트림은 빔포밍을 수행하여 안테나 1, 2, 3, 4를 통해 전송한다. 이때, 두 번째 데이터 스트림에는 CDD를 적용하여, 즉 CDD 위상 시퀀스를 곱하여 전송한다. 여기서, 상기 CDD 위상 시퀀스는 모두 같은 값을 적용한다고 가정한다.

한편, 본 발명에서 제안하는 STC BF 기법의 (N+N) 구조를 시스템에 적용하면, 2 심볼 구간의 수신 신호는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

,

는 k번째 심볼 구간의 수신 심볼, n번째 송신 안테나로부터의 채널, n번째 송신 안테나의 빔포밍 계수, k번째 심볼 구간의 송신 심볼, k번째 심볼 구간의 잡음을 각각 나타낸다. 여기서,

는 CDD에 의해 두 번째 데이터 스트림에 곱해지는 CDD 위상 시퀀스에 해당한다.

여기서, 빔포밍 기법으로, 송신 Maximum Ratio Transmission(이하 'MRT'라 칭함)을 가정하면 상기 빔포밍 계수는 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 <수학식 2>를 <수학식 1>에 대입하면, 수신 신호는 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기 수신 신호의 출력 SNR은 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, 상기

은 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise : AWGN) 열잡음을 나타낸다. 이는 SISO BF 기법을 시스템에 적용하였을 경우 얻을 수 있는 출력 SNR과 동일하다. 즉, 채널 추정 성능에 영향이 없다면, SISO N개의 송신 안테나를 가지는 BF 데이터를 본 발명에서 제안하는 STC BF (N+N) 구조를 사용하여 전송하여도 동일한 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 실제 운용에서 단말의 이동 속도가 빠른 경우, 시스템에 빔포밍 기법을 적용하게 되면, 빔포밍 계수와 송신 채널간의 오차가 더욱 증가하게 되고 따라서 빔포밍 적용에 의한 이득이 감소하게 된다. 또한, 단말의 이동 속도가 고속일 경우의 빔포밍 적용은 성능 이득이 없거나 성능 열화가 있을 수 있다.

특히, 4+4 구조나 2+2 구조 등으로 안테나 형상을 일괄적으로 적용시킬 경우, 단말의 수신 환경에 따른 성능 열화는 더 커지게 된다. 단말의 이동 속도를 기준으로 빔포밍 성능을 분석해보면, 저속에서는 4+4 구조가 우수한 성능을 가지는 반면, 중속에서는 2+2 구조가 우수한 성능을 가지며, 고속에서는 빔포밍 성능이 빔포밍을 적용하지 않을 때의 성능에 비해 열화된다. 이처럼 단말의 수신 환경에 관계없이 한가지 방식을 사용할 경우 성능 열화가 있을 수 있다.

따라서, 이하 본 발명에서는 기지국이 단말의 이동 속도를 추정하고, 추정된 이동 속도에 적합한 안테나 전송 방법과 빔포밍 계수를 결정하는 방안에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 빔포밍 계수와 실제 채널이 완벽히 부합하는 이상적인 상황에서 성능이 가장 좋은 안테나 전송 방법은 본 발명에서 제안하는 STC BF(4+4 구조) 기법이다. 상기 STC BF(4+4 구조) 기법은 송신 안테나 별로 데이터 스트림이 동일한 채널을 통과한 것과 같은 형상이므로 각 송신 안테나의 신호가 더해지면서 큰 어레이 이득(array gain)을 얻을 수 있다. 실제 운용에서 STC BF(4+4구조) 기법을 적용하고 성능 이득을 얻기 위해서는 단말의 이동 속도가 저속이며 채널 추정 성능이 차이가 없어야 한다.

다음으로, STC BF(2+2 구조) 기법은 어레이 이득은 크지 않지만 첫 번째 데이터 스트림을 안테나 1, 2를 통해 전송하고, 두 번째 데이터 스트림을 안테나 3, 4를 통해 다르게 전송하므로, 단말의 이동 속도가 일정 속도 이상일 때 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 따라서, 이동 속도가 특정 임계치 이상일 때는 STC BF(2+2) 기법을 적용한다.

마지막으로, 단말의 이동 속도가 고속일 경우는 단말의 채널 추정의 부정확성, 기지국의 프로세싱 지연 등으로 인한 채널 추정 오차가 커지며 더불어 빔포밍 계수의 추정 오차가 커지게 된다. 이런 경우, 빔포밍 기법에 의한 성능 향상을 기대할 수 없다. 따라서, 이동 속도가 특정 임계치 이상의 고속일 때는 빔포밍 기법을 적용하지 않는다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국이 단말의 이동 속도에 따라 가변적으로 안테나 전송 방법을 선택하고 가변적으로 빔포밍 계수를 적용하기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.

상기 도 4를 참조하면, 기지국은 401단계에서 단말이 전송하는 사운딩 신호를 수신하여 상향링크 채널을 추정하고, 이로써 채널 추정 값을 획득한다.

이후, 상기 기지국은 403단계에서 상기 단말의 상향링크 신호를 이용하여 단말의 이동 속도를 추정하고, 이로써 단말의 속도 값을 획득한다.

이후, 상기 기지국은 405단계에서 상기 획득된 단말의 속도 값을 제 1 임계치와 비교하여, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치보다 큰지 여부를 검사한다.

상기 405단계에서, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치보다 클 시, 상기 기지국은 407단계로 진행하여 안테나 전송 방법으로 빔포밍 기법을 적용하지 않은 기법, 예를 들어 STC 기법을 선택한 후, 409단계에서 상기 선택된 안테나 전송 방법으로 데이터 스트림을 전송한다.

반면, 상기 405단계에서, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치보다 작을 시, 상기 기지국은 411단계에서 상기 단말의 속도가 제 2 임계치보다 큰지 여부를 검사한다. 여기서, 상기 제 2 임계치는 상기 제 1 임계치보다 작은 값으로 설정하다.

상기 411단계에서, 상기 단말의 속도가 제 1 임계치보다는 작지만 제 2 임계치보다는 클 시, 상기 기지국은 413단계로 진행하여 안테나 전송 방법으로 STC BF(2+2) 기법을 선택한다. 이후, 상기 기지국은 415단계에서 상기 채널 추정 값을 이용하여 빔포밍 계수를 연산하고, 연산된 빔포밍 계수를 전송할 데이터 스트림에 적용한 후, 상기 409단계로 진행하여 상기 선택된 안테나 전송 방법으로 데이터 스트림을 전송한다.

반면, 상기 411단계에서, 상기 단말의 속도가 제 2 임계치보다도 작을 시, 상기 기지국은 417단계로 진행하여 안테나 전송 방법으로 본 발명에서 제안하는 STC BF(4+4) 기법을 선택한다. 이후, 상기 기지국은 상기 415단계에서 상기 채널 추정 값을 이용하여 빔포밍 계수를 연산하고, 연산된 빔포밍 계수를 전송할 데이터 스트림에 적용한 후, 상기 409단계로 진행하여 상기 선택된 안테나 전송 방법으로 데이터 스트림을 전송한다.

이후, 상기 기지국은 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국의 장치 구성을 도시한 블럭도,

도 2는 일반적인 STC BF 기법의 (2+2) 구조를 도시한 예시도,

도 3은 본 발명에서 제안하는 STC BF 기법의 (4+4) 구조를 도시한 예시도, 및

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국이 단말의 이동 속도에 따라 가변적으로 안테나 전송 방법을 선택하고 가변적으로 빔포밍 계수를 적용하기 위한 방법을 도시한 흐름도.

Claims

기지국의 송신 방법에 있어서,

다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 과정과,

송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림에 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : CDD) 위상 시퀀스를 곱하는 과정과,

송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 매핑 과정은,

상기 다수의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나에 매핑하고, 상기 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나에 매핑하는 과정임을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

단말의 이동 속도를 추정하는 과정과,

상기 추정된 단말의 이동 속도를 제 1 임계치와 비교하는 과정을 더 포함하 며,

상기 추정된 단말의 이동 속도가 제 1 임계치보다 작을 시, 상기 매핑 과정과 전송 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 추정된 단말의 이동 속도가 제 1 임계치보다 클 시, 상기 다수의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나 중 첫 번째와 두 번째 송신 안테나에 매핑하고, 상기 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나 중 세 번째와 네 번째 송신 안테나에 매핑하는 과정과,

송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 추정된 단말의 이동 속도가, 상기 제 1 임계치보다 기준값 이상 큰 값으로 설정된 제 2 임계치보다도 클 시, 상기 빔포밍 계수를 곱하는 과정을 생략하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

단말과의 채널을 추정하는 과정과,

채널 추정 값을 이용하여 상기 빔포밍 계수를 계산하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
기지국의 송신 장치에 있어서,

다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 스케줄러와,

송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림에 순환 지연 다이버시티(Cyclic Delay Diversity : CDD) 위상 시퀀스를 곱하는 CDD 위상 시퀀스 곱셈기와,

송신 안테나별로 해당 송신 안테나에 매핑된 다수의 데이터 스트림에 빔포밍 계수를 곱하여 전송하는 빔포밍 계수 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 스케줄러는,

상기 다수의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나에 매핑하고, 상기 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나에 매핑하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 7 항에 있어서,

단말의 이동 속도를 추정하는 속도 추정부를 더 포함하며,

상기 스케줄러는, 상기 추정된 단말의 이동 속도를 제 1 임계치와 비교하여, 상기 추정된 단말의 이동 속도가 제 1 임계치보다 작을 시, 상기 다수의 데이터 스트림을 다수의 모든 송신 안테나에 각각 매핑하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 스케줄러는,

상기 추정된 단말의 이동 속도가 제 1 임계치보다 클 시, 상기 다수의 데이터 스트림 중 첫 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나 중 첫 번째와 두 번째 송신 안테나에 매핑하고, 상기 다수의 데이터 스트림 중 두 번째 데이터 스트림을 상기 다수의 송신 안테나 중 세 번째와 네 번째 송신 안테나에 매핑하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 스케줄러는, 상기 추정된 단말의 이동 속도가, 상기 제 1 임계치보다 기준값 이상 큰 값으로 설정된 제 2 임계치보다도 클 시, 상기 빔포밍 계수 곱셈기가 동작하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 7 항에 있어서,

단말과의 채널을 추정하는 채널 추정부와,

채널 추정 값을 이용하여 상기 빔포밍 계수를 계산하는 빔포밍 계수 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.