KR20110029073A - 고속으로 이동중인 이동체에게 통신 서비스를 제공하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

고속으로 이동중인 이동체에게 통신 서비스를 제공하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20110029073A
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이욱봉
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김수남
고현수
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엘지전자 주식회사
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Abstract

고정된 경로를 이동하는 고속 이동체를 위한 통신 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템은 각각 소정 거리 만큼 떨어져 위치하는 복수의 안테나를 구비하며 상기 복수의 안테나를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 이동하며 복수의 사용자에 통신 서비스를 제공하며 고속 이동체; 및 상기 고속 이동체의 이동 경로를 따라 상기 이동 경로와 소정 거리 만큼 떨어져 위치하는 복수의 안테나를 구비한 기지국을 포함할 수 있으며, 이때 상기 기지국의 복수의 안테나 각각은 상기 고속 이동체의 이동 경로의 양 측면에 배치될 수 있다.

Description

고속으로 이동중인 이동체에게 통신 서비스를 제공하기 위한 방법 및 장치 {Appraratus and method for providing communication service to high-speed moving object}
본 발명은 무선통신에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속으로 이동중인 이동체에게 통신 서비스를 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
현재 논의되고 있는 4G 셀룰러 통신 시스템은 하나의 기본 프레임을 바탕으로 설계되어 있으며, 주로 저속으로 이동하는 사용자를 타겟팅하여 성능을 최적화할 수 있도록 설계되어 있다. 이러한 시스템은 350km/h의 속도로 고속 이동하는 사용자도 지원할 수 있도록 설계는 되어 있지만, 저속의 사용자의 성능과 비교하면 성능이 많이 떨어지는 것이 사실이다.
이러한 셀룰러 통신 시스템을 고속열차에 그대로 적용한다면, 고속 열차의 속도가 350km/h 인 높은 이동성(high mobility) 때문에, 네트워크와 고속 열차 간의 링크 품질(link quality)은 떨어지며, 충분한 링크 용량도 확보하기 어렵다.
따라서, 향후 고속열차의 속도가 기술의 발전에 의해 500km/h를 넘어간다면 성능 열화는 더욱 심해질 것으로 예상되며 탑승객에 대한 무선 데이터 서비스의 품질은 상당히 떨어질 것이다. 또한 매크로 기지국의 용량(capacity)을 고속열차가 일부 사용하는 시나리오가 되어 셀 내의 다른 사용자들의 데이터 통신을 저해하게 된다.
한편 네트워크와 고속 열차 간의 통신에 무선 통신이 아닌 유선 통신을 이용한 방식이 사용되기도 한다. 예를 들어, 고속 열차가 접촉해 있는 선로를 이용하여 교류 신호를 통해 고속 열차와 네트워크 간의 통신이 수행되기도 하지만 이런 시스템은 선로 자체의 용량이 낮다는 단점이 있고 동시 접속하는 선로의 개수가 2개로 한정적이라는 물리적 제약으로 더 많은 링크를 만들어 내기 어렵다는 단점이 있다.
마찬가지로 파워 라인(power line)을 이용하여 통신을 수행하는 PLC(Power Line Comunication) 방식도 있으나 선로를 이용한 통신 방식과 같은 단점을 가지고 있고, 파워 라인이 없는 열차의 경우 적용할 수 없다는 점이 약점이라고 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 기존의 프레임 구조, 기존 방식의 안테나 배치 및 통신 시스템으로는 고속으로 움직이는 고속 이동체에 대해 링크 용량 및 품질을 보장하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나, 아직까지 이를 해결하기 위한 방안이 전혀 연구되거나 제시된 바가 없다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하기 위한 기지국 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 기지국이 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중에 신호를 수신하기 위한 단말 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중인 단말이 신호를 수신하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하기 위한 기지국 장치는, 상기 이동 경로를 따라 상기 이동 경로 양 측면 또는 일 측면에서 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치하는 복수의 안테나; 상기 복수의 각 안테나가 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹이 상기 중계기의 안테나 각각과 또는 상기 중계기 안테나의 특정 안테나 그룹과 1:1 링크가 되도록 상기 복수의 각 안테나 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹의 송신 전력을 제어하는 프로세서; 및 상기 제어된 송신 전력의 크기로 상기 복수의 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기를 포함할 수 있다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 기지국이 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하는 방법은, 상기 이동 경로를 따라 상기 이동 경로 양 측면 또는 일 측면에서 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 복수의 안테나를 통해 신호를 전송하되, 상기 신호는, 상기 복수의 각 안테나가 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹이 상기 중계기의 안테나 각각과 또는 상기 중계기 안테나의 특정 안테나 그룹과 1:1 링크가 되도록 제어된 송신 전력의 크기를 갖는다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중에 신호를 수신하기 위한 단말 장치는, 상기 단말과 함께 고속으로 이동하고 있는 중계기의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹을 통해 신호를 수신하는 수신기를 포함하되, 상기 수신 신호는 상기 중계기의 제 1 안테나 또는 상기 제 1 안테나 그룹이 사전에 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 기지국의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹과 1:1로 링크되어 수신되도록 전송 전력이 제어된 신호이다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중인 단말이 신호를 수신하는 방법은, 상기 단말과 함께 고속으로 이동하고 있는 중계기의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹을 통해 신호를 수신하는 단계를 포함하되, 상기 수신 신호는 상기 중계기의 제 1 안테나 또는 상기 제 1 안테나 그룹이 사전에 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 기지국의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹과 1:1로 링크되어 수신되도록 전송 전력이 제어 신호이다.
본 발명에 따른 통신 시스템은 상당히 고속으로 이동하는 이동체 내의 사용자들에게 대용량의 데이터 통신을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 통신 시스템은 상당히 고속으로 이동하는 이동체 내의 사용자들의 통신 효율 및 성능을 현저히 개선할 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 통신 시스템의 구성을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면, 그리고,
도 5는 고속 열차의 이동에 따라 논리 안테나 인덱스를 시프트하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. 예를 들어, 이하의 상세한 설명은 이동통신 시스템이 3GPP LTE 시스템인 경우를 가정하여 구체적으로 설명하나, 3GPP LTE의 특유한 사항을 제외하고는 다른 임의의 이동통신 시스템에도 적용 가능하다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
아울러, 이하의 설명에 있어서 단말은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), AMS(Advanced Mobile Station) 등 이동 또는 고정형의 사용자단 기기를 통칭하는 것을 가정한다. 또한, 기지국은 Node B, eNode B, Base Station, AP(Access Point) 등 단말과 통신하는 네트워크 단의 임의의 노드를 통칭하는 것을 가정한다.
이동 통신 시스템에서 단말(User Equipment)은 기지국으로부터 하향링크(Downlink)를 통해 정보를 수신할 수 있으며, 단말은 또한 상향링크(Uplink)를 통해 정보를 전송할 수 있다. 단말이 전송 또는 수신하는 정보로는 데이터 및 다양한 제어 정보가 있으며, 단말이 전송 또는 수신하는 정보의 종류 용도에 따라 다양한 물리 채널이 존재한다.
도 1은 본 발명에 따른 통신 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 통신 시스템은 기지국(100), 중계기(150), 단말(180), 네트워크(미도시)를 포함할 수 있다. 통신 시스템을 간략화하여 나타내기 위해 하나의 기지국(100), 하나의 중계기(200), 하나의 단말(300)을 도시하였지만, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템은 복수의 기지국, 중계기, 단말을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기지국(100)은 송신(Tx) 데이터 프로세서(105), 심볼 변조기(110), 송신기(115), 송수신 안테나(120), 프로세서(125), 메모리(130), 수신기(135), 심볼 복조기(140), 수신 데이터 프로세서(145)를 포함할 수 있다. 그리고, 중계기(150)도 송신(Tx) 데이터 프로세서(155), 심볼 변조기(160), 송신기(165), 송수신 안테나(170), 프로세서(175), 메모리(176), 수신기(177), 심볼 복조기(178), 수신 데이터 프로세서(179)를 포함할 수 있다. 또한, 단말(180)은 송신(Tx) 데이터 프로세서(182), 심볼 변조기(184), 송신기(186), 송수신 안테나(188), 프로세서(190), 메모리(192), 수신기(194), 심볼 복조기(196), 수신 데이터 프로세서(198)를 포함할 수 있다.
안테나(120, 170 및 188)가 각각 기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)에서 하나로 도시되어 있지만, 기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)은 복수 개의 안테나를 구비하고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 시스템을 지원한다. 본 발명에 따른 기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)은 SU-MIMO(Single User-MIMO) MU-MIMO(Multi User-MIMO) 방식 모두를 지원할 수 있다.
하향링크 상에서, 기지국(100)의 송신 데이터 프로세서(105)는 트래픽 데이터를 수신하고, 수신한 트래픽 데이터를 포맷하여 코딩하고, 코딩된 트래픽 데이터를 인터리빙하고 변조하여(또는 심볼 매핑하여), 변조 심볼들("데이터 심볼들") 을 제공한다. 심볼 변조기(110)는 이 데이터 심볼들과 파일럿 심볼들을 수신 및 처리하여, 심볼들의 스트림을 제공한다.
기지국(100)의 심볼 변조기(110)는, 데이터 및 파일럿 심볼들을 다중화하여 이를 송신기(115)로 전송한다. 이때, 각각의 송신 심볼은 데이터 심볼, 파일럿 심볼, 또는 제로의 신호 값일 수도 있다. 각각의 심볼 주기에서, 파일럿 심볼들이 연속적으로 송신될 수도 있다. 파일럿 심볼들은 주파수 분할 다중화(FDM), 직교 주파수 분할 다중화(OFDM), 시분할 다중화(TDM), 또는 코드 분할 다중화(CDM) 심볼일 수 있다.
기지국(100)의 송신기(115)는 심볼들의 스트림을 수신하여 이를 하나 이상의 아날로그 신호들로 변환하고, 또한, 이 아날로그 신호들을 추가적으로 조절하여(예를 들어, 증폭, 필터링, 및 주파수 업컨버팅(upconverting) 하여, 무선 채널을 통한 송신에 적합한 하향링크 신호를 발생시킨다. 이어서, 하향링크 신호는 안테나(120)를 통해 단말로 전송된다.
중계기(150)의 수신 안테나(170)는 기지국(100)으로부터 통해 하향링크 신호를 수신할 수 있다. 중계기(150)의 프로세서(175)는 기지국(100)으로부터 수신한 하향링크 신호를 복조하여 처리한 후, 송신 안테나(170)를 통해 단말(110)로 전송해 줄 수 있다. 또한, 중계기(150)의 수신 안테나(170)는 단말(110)로부터 상향링크 신호를 수신할 수 있다. 중계기(150)의 프로세서(175)는 단말(110)로부터 수신한 상향링크 신호를 복조하여 처리한 후, 기지국(100)으로 전송할 수 있다.
단말(180)에서, 안테나(188)는 기지국(100) 또는 중계기(150)로부터의 하향링크 신호를 수신하여 수신된 신호를 수신기(194)로 제공한다. 수신기(194)는 수신된 신호를 조정 하여(예를 들어, 필터링, 증폭, 및 주파수 다운컨버팅(downconverting))하고, 조정된 신호를 디지털화하여 샘플들을 획득한다. 심볼 복조기(198)는 수신된 파일럿 심볼들을 복조하여 채널 추정을 위해 이를 프로세서(190)로 제공한다.
또한, 심볼 복조기(196)는 프로세서(190)로부터 하향링크에 대한 주파수 응답 추정치를 수신하고, 수신된 데이터 심볼들에 대해 데이터 복조를 수행하여, (송신된 데이터 심볼들의 추정치들인) 데이터 심볼 추정치를 획득하고, 데이터 심볼 추정치들을 수신(Rx) 데이터 프로세서(198)로 제공한다. 수신 데이터 프로세서 (150)는 데이터 심볼 추정치들을 복조(즉, 심볼 디-매핑(demapping)) 하고, 디인터리빙(deinterleaving)하고, 디코딩하여, 전송된 트래픽 데이터를 복구한다.
심볼 복조기(196) 및 수신 데이터 프로세서(198)에 의한 처리는 각각 기지국(100)에서의 심볼 변조기(110) 및 송신 데이터 프로세서(105)에 의한 처리에 대해 상보적이다.
단말(180)은 상향링크 상에서, 송신 데이터 프로세서(182)는 트래픽 데이터를 처리하여, 데이터 심볼들을 제공한다. 심볼 변조기(184)는 데이터 심볼들을 수신하여 파일럿 심볼들과 함께 다중화하여, 변조를 수행하여, 심볼들의 스트림을 송신기(186)로 제공한다. 송신기(186)는 심볼들의 스트림을 수신 및 처리하여, 상향링크 신호를 발생시키고, 이러한 상향링크 신호는 안테나(135)를 통해 기지국(100) 또는 중계기(150)로 전송된다.
기지국(100)에서, 단말(180)로부터 상향링크 신호가 안테나(130)를 통해 를 수신되고, 수신기(190)는 수신한 상향링크 신호를 처리되어 샘플들을 획득한다. 이어서, 심볼 복조기(195)는 이 샘플들을 처리하여, 상향링크에 대해 수신된 파일럿 심볼들 및 데이터 심볼 추정치를 제공한다. 수신 데이터 프로세서(197)는 데이터 심볼 추정치를 처리하여, 단말기(180)로부터 전송된 트래픽 데이터를 복구한다.
기지국(100), 중계기(150), 단말(180) 각각의 프로세서(125, 175, 190)는 각각 기지국(100), 중계기(150), 단말(180)에서의 동작을 지시(예를 들어, 제어, 조정, 관리 등)한다. 각각의 프로세서들(125, 175, 190)은 프로그램 코드들 및 데이터를 저장하는 메모리들(130, 176, 192)과 연결될 수 있다. 메모리(130, 176, 192)는 각각 프로세서(125, 175, 190)에 연결되어 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 및 일반 파일(general files)들을 저장한다.
프로세서(125, 175, 190)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer) 등으로도 호칭될 수 있다. 한편, 프로세서(125, 175, 190)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어를 이용하여 본 발명의 실시예를 구현하는 경우에는, 본 발명을 수행하도록 구성된 ASICs(application specific integrated circuits) 또는 DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays) 등이 프로세서(125, 175, 190)에 구비될 수 있다.
한편, 펌웨어나 소프트웨어를 이용하여 본 발명의 실시예들을 구현하는 경우에는 본 발명의 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등을 포함하도록 펌웨어나 소프트웨어가 구성될 수 있으며, 본 발명을 수행할 수 있도록 구성된 펌웨어 또는 소프트웨어는 프로세서(125, 175, 190) 내에 구비되거나 메모리(130, 176, 192)에 저장되어 프로세서(125, 175, 190)에 의해 구동될 수 있다.
기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)이 무선 통신 시스템(네트워크) 사이의 무선 인터페이스 프로토콜의 레이어들은, 통신 시스템에서 잘 알려진 OSI(open system interconnection) 모델의 하위 3개 레이어를 기초로 제 1 레이어(L1), 제 2 레이어(L2), 및 제 3 레이어(L3)로 분류될 수 있다. 물리 레이어는 상기 제 1 레이어에 속하며, 물리 채널을 통해 정보 전송 서비스를 제공한다. RRC(Radio Resource Control) 레이어는 상기 제 3 레이어에 속하며 단말(180)과 네트워크 사이의 제어 무선 자원들을 제공한다. 기지국(100), 중계기(150) 및 단말(180)은 무선 통신 네트워크와 RRC 레이어를 통해 RRC 메시지들을 교환한다.
고속 열차의 탑승객들이 사용할 수 있는 통신 방법에는 탑승객 개인이 직접 이동 통신망에 접속하는 방법과 고속 열차가 중계기(relay)가 되어 네트워크와 탑승객을 연결시켜 주는 방식이 있을 수 있다. 전자의 방식에 비해 후자의 방식이 핸드오버의 횟수가 줄어들기도 하며 중계기와 탑승객 간의 상대 속도가 없기 때문에 CL-MIMO(Closed Loop-MIMO)와 같은 더욱 향상된 방법으로 더 많은 데이터를 주고 받을 수 있게 할 수 있다. 본 명세서에서는 후자의 방식처럼 고속 열차가 네트워크와 탑승객의 데이터 통신을 연결해 주는 중계기와 같은 가교역할을 함에 있어서 네트워크와 고속열차 간의 링크 용량을 극대화하기 위해 사용될 수 있는 방법에 대해서 제안한다.
이하에서는 본 발명에 따른 통신 시스템에서 고속 이동체(예를 들어, 고속열차)와 네트워크 간의 링크를 무선으로 구축하는 방식을 기술하며, 보다 구체적으로는 다수의 안테나를 이용하여 네트워크 및 고속 이동체 간의 링크 용량(link capacity)를 극대화할 수 있는 방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 통신 시스템에는 네트워크, 상기 네트워크와 연결된 기지국(100)이 있다. 여기서, 기지국(100)은 AP(Access Point), 매크로셀 기지국(Macrocell BS), 펨토셀 기지국(Femtocell BS) 등 다양한 형태의 기지국일 수 있다. 기지국들은 고속 이동체(이하에서는 고속 이동체를 고속 열차로 예를 들어 설명한다)(200) 선로 또는 궤도를 따라 소정 간격을 유지하며 배치될 수 있다. 특정 영역을 커버하는 기지국(100)은 복수의 안테나를 구비할 수 있다. 기지국(100)의 복수의 안테나들은 고속 열차(200)의 선로 양 측면으로 선로를 따라 각각 소정 간격을 유지하며 배치될 수 있다. 기지국(100)과 기지국의 복수의 안테나들은 무선 또는 유선으로 연결될 수 있다. 그리고, 고속 열차(200)의 수신 안테나는 고속 열차의 양 측면에 배치되어 기지국(100)의 안테나(120)와 LOS(Line Of Sight)를 이룰 수 있다. 이러한 기지국(100) 및 고속 열차(200)의 안테나 배치 상황에서는 통신 시스템은 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술을 지원할 수 있다.
최근에 광대역 무선 통신 기술로서 다중 입출력 시스템이 각광받고 있는데 MIMO 시스템은 다수의 안테나를 사용하여 데이터의 통신 효율을 높이는 시스템을 말한다. MIMO 시스템은 동일 데이터 전송 여부에 따라 공간 다중화 기법(Spatial Multiplexing, SM)과 공간 다이버시티(Spatial Diversity, SD) 기법으로 나눌 수 있다. 공간 다중화 기법은 다수의 송신 안테나를 통하여 서로 다른 데이터를 동시에 전송함으로써 시스템의 대역폭을 증가하지 않고서도 고속으로 데이터를 전송할 수 있는 방식을 말하며, 공간 다이버시티 기법은 다수의 송신 안테나에서 동일한 데이터를 전송하여 송신 다이버시티를 얻을 수 있는 방식을 말한다. 이러한 공간 다이버시티 기법의 일 예로 시공간 채널 코딩(Space Time Channel coding)이 있다.
또한, MIMO 기술은 수신측에서 송신측으로의 채널 정보의 피드백 여부에 따라 개루프 방식 및 폐루프 방식으로 구분할 수 있다. 개루프 방식에는 송신단에서 정보를 병렬로 전송하며 수신단에서는 ZF(Zero Forcing), MMSE(Minimum Mean Square Error)방식을 반복 사용하여 신호를 검출하고 송신 안테나 수만큼 정보량을 늘릴 수 있는 블라스트(BLAST) 및 공간 영역을 이용하여 전송 다이버시티와 부호화 이득을 얻을 수 있는 STTC(Space-Time Trellis Code) 방식 등이 있다. 그리고 폐루프 방식에는 TxAA(Transmit Antenna Array) 방식 등이 있다.
도 2와 관련하여 설명한 기지국(100)의 안테나(120) 및 고속 열차(200)의 안테나의 배치는 고속 열차(200) 몸체에 의해 물리적으로 전파(wave)가 차단하기 때문에 송신 안테나 간에 매우 낮은 공동-채널 간섭(Co-Channel Interference, CCI)을 유도하는데 도움을 준다. 즉, 이러한 안테나 배치로 인하여 MIMO 기술 중 하나인 공간 다중화 등급(order)(또는 랭크(rank)) 2를 확보할 수 있다. 고속 열차(200)의 몸체를 이용하여 전파(wave)를 차단할 수 있다면 기지국(100)의 안테나 설치 위치는 선로의 바닥과 고속 열차(200)의 지붕 위가 될 수도 있다. 또한, 이를 확장하여 선로를 기준으로 한 측면에서 송신/수신 안테나를 교차 편파(cross polarization) 형태로 구성하게 된다면 공간 다중화 등급 4까지 확보할 수 있다.
편파 다이버시티(polarization cross)라 함은 CDMA(Code Division Multiple Access)가 아닌 1세대 셀룰러 통신 시스템인 AMPS(Advanced Mobile Phone System), TDMA(Time Division Multiple Access)나 B-WLL(Broadband Wire-less Local Loop)처럼 각 인접 셀 기지국이 서로 다른 주파수를 사용하는 이동통신 방식에서 사용되는 주파수 효율 향상 기술을 말한다. 편파 다이버시티는 한 개의 안테나를 사용하여 두 개의 주파수 신호를 교차 편파시켜서 사용하는 방법으로서, 한 안테나에 두 개의 서로 간섭이 없는 직교 위상을 가지는 두 주파수 신호를 섞어서 사용할 수 있다. 이렇게 함으로써 인접 셀에서도 같은 주파수를 재활용할 수 있어서 링크 용량을 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 고속열차(300)와 같이 차량길이가 충분히 긴 경우, 도 3에서 도시한 바와 같이, 많은 수의 수신 안테나를 설치할 수 있다. 이와 같이, 기지국(100)의 안테나(120)가 분산되어 배치됨에 따라, 기지국(100)의 프로세서(125)는 각 송신 안테나(또는 송신 안테나 그룹)의 전송 전력을 조절하여 하나의 송신 안테나(또는 송신 안테나 그룹)가 고속 열차(300)의 하나의 수신 안테나(또는 수신 안테나 그룹)(310)에만 영향을 줄 수 있도록 할 수 있다. 이러한 경우, 기지국(100)의 송신 안테나(또는 송신 안테나 그룹)의 개수만큼 공간 다중화 등급이 증가하기 때문에, 기지국(100)과 고속 열차(300) 간에 대용량의 링크를 확보할 수 있게 된다.
고속 열차(300)의 하나의 안테나(혹은 하나의 안테나 그룹)(310)와 기지국(100)의 하나의 안테나(혹은 하나의 안테나 그룹)는 1:1로 링크를 형성할 수 있다. 기지국(100)의 송신 안테나 그룹은 하나 이상의 물리적 안테나로 구성될 수 있으며, 이들 송신 안테나 그룹 간에는 동일한 파일럿 구조와 시퀀스를 공유한다. 고속 열차(300)의 수신 안테나 그룹도 하나 이상의 물리적 안테나로 구성될 수 있다. 이때, 고속 열차(300)에는 각 차량 마다 하나의 수신 안테나 그룹을 형성하여 배치할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 통신 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 하나의 기지국(100)이 커버해야 하는 고속 열차(400)의 선로 또는 궤도의 구간이 길다면, 송신 안테나(120)를 선로 또는 궤도를 따라 설치하되, 기지국(100)의 송신 안테나의 논리 인덱스를 반복적으로 구성해 주어 고속 열차(100)가 어느 곳을 지나가더라도 공간 다중화 등급을 유지하도록 할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 하나의 기지국(100)이 4개의 물리 송신 안테나를 선로를 따라 설치하되 논리 안테나 인덱스를 1부터 2까지 순환(circulation)하여 구성할 수 있다. 이렇게 기지국(100)은 4개의 물리 송신 안테나에 대해 2개의 논리 인덱스를 이용하여 구성하여 고속 열차(400)에 공간 다중화 등급 2를 지원할 수 있다. 즉, 고속 열차(400)가 기지국(100)의 안테나(120)가 있는 구간(즉, 기지국(100)의 커버리지 내의 영역)에서는 항상 공간 다중화 등급 2의 데이터 통신 링크를 지원받을 수 있다. 여기서, 공간 다중화 등급 2라고 함은 고속 열차(400)의 수신 안테나(혹은 수신 안테나 그룹)(410)이 기지국(100)의 논리 안테나 인덱스 1 및 2의 안테나들로부터 독립적인 2개의 스트림을 수신할 수 있는 것을 말한다.
다른 방법으로, 기지국(100)은 고속 열차(400)의 위치를 GPS(Global Positioning System) 등을 통해 정확히 아는 경우에는 실제 액티브(active)되는 안테나를 정확하게 지정할 수 있고 그 외 안테나는 실제 전송에 이용하지 않을 수 있다.
도 5는 고속 열차의 이동에 따라 논리 안테나 인덱스를 시프트하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
하나의 기지국(100)이 커버해야 하는 고속 열차(500)의 선로 또는 궤도의 구간이 길다면, 기지국(100)은 물리 안테나 인덱스 1 및 2를 이용하여 독립적인 스트림 2개를 고속 열차(500)로 전송할 수 있다. 즉, 고속 열차(500)는 기지국(100)의 커버리지 영역 내에서는 공간 다중화 등급 2를 지원받을 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 고속 열차(500)가 이동함에 따라, 기지국(100)은 물리 안테나 인덱스 3 및 4를 통해 독립적인 스트림 2개를 고속 열차(500)로 전송할 수 있다. 이와 같이, 고속 열차(500)가 이동하고 있는 상황에서, 물리 안테나에 대해 논리 안테나 인덱스를 1에서 2까지 반복하여 고정되게 구성한다면, 고속 열차(500)의 수신 안테나는 이동에 따라 채널을 측정할 필요가 있으며, 이때 고속 열차(500)의 수신 안테나는 모든 파일럿 패턴에 대한 디코딩 과정이 필요하다.
그러나, 고속 열차(500)의 이동에 따라, 기지국(100)이 논리 안테나 인덱스를 시프트(shift) 해 준다면, 고속 열차(500)의 수신 안테나는 정해진 특정 파일럿 패턴만을 디코딩해도 충분하다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 기지국(100)은 처음에 물리 안테나 1을 논리 안테나 인덱스 1, 물리 안테나 2를 논리 안테나 인덱스 2, 물리 안테나 3을 논리 안테나 인덱스 1, 물리 안테나 4를 논리 안테나 인덱스 2로 반복하여 설정하였다고 가정하자. 이때, 고속 열차(500)가 이동함에 따라, 기지국(100)은 물리 안테나 2의 논리 안테나 인덱스를 2에서 1로 시프트하고, 물리 안테나 3의 논리 안테나 인덱스를 1에서 2로 시프트할 수 있다. 즉, 물리 안테나 2 및 3에 대해 논리 안테나 인덱스가 시프트되었다. 이와 같이, 기지국(100)이 고속 열차(500)의 이동에 따라 논리 안테나 인덱스를 시프트한다면, 고속 열차(500)의 수신 안테나는 사전에 정해진 파일럿 패턴에 대해서만 디코딩하여 신호를 수신할 수 있다.
이상에서, 본 발명은 정해진 궤도 또는 선로를 따라 움직이는 고속 열차의 탑승객을 위해 고속 열차와 네트워크 간의 링크 용량을 극대화할 수 있도록 다수의 안테나를 배치하는 통신 시스템을 제안하였다. 이 방법은 고속도로와 같은 일정 구간 정해진 경로를 따라 이동하는 차량에도 동일하게 적용할 수 있으며 경로 또는 궤도를 따라 기지국 커버리지(예를 들어, 펨토 셀 커버리지)가 형성된다는 특징이 있다. 경로 또는 궤도를 따라 분산 배치되는 안테나를 통해 충분한 공간 다중화 등급을 확보할 수 있으며, 이를 통해 대용량의 데이터 통신이 가능하게 된다. 분산 배치된 안테나의 커버리지가 끝나는 지점부터는 일반 셀의 기지국에 접속하여 차량과 네트워크 간의 통신을 연결하여 나갈 수 있다.
상술한 도 2 내지 도 5와 관련된 내용에서, 고속으로 이동중인 단말은 기지국(100)이 전송한 신호를 고속 열차(200, 300, 400, 500)에서 자신에게 할당된 특정 수신 안테나 또는 특정 수신 안테나 그룹(예를 들어, 고속으로 이동중인 단말이 고속 열차에서 자신에게 해당하는 차량에 위치한 고속 열차의 특정 수신 안테나 또는 특정 수신 안테나 그룹)을 통해 수신할 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들을 제한하는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

Claims (11)

  1. 무선 통신 시스템에서 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하기 위한 기지국 장치에 있어서,
    상기 이동 경로를 따라 상기 이동 경로 양 측면 또는 일 측면에서 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치하는 복수의 안테나;
    상기 복수의 각 안테나가 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹이 상기 중계기의 안테나 각각과 또는 상기 중계기 안테나의 특정 안테나 그룹과 1:1 링크가 되도록 상기 복수의 각 안테나 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹의 송신 전력을 제어하는 프로세서; 및
    상기 제어된 송신 전력의 크기로 상기 복수의 안테나를 통해 신호를 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 최소 공간 다중화 랭크(rank) 2를 지원하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기지국의 복수의 안테나 중에서 동일 장소에 위치한 두 개의 안테나는 교차 편파(cross polarization) 방식을 이용하며, 상기 두 개의 안테나로부터 공간 다중화 랭크(rank) 2를 지원하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기지국의 복수의 안테나에 대한 논리 인덱스는 소정 안테나 개수 단위로 반복적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기지국의 복수 개의 안테나의 논리 인덱스는 상기 중계기의 이동에 기초하여 시프트(shift)되는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기지국의 안테나는 동일한 파일럿 구조 및 시퀀스를 이용하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
  7. 무선 통신 시스템에서 기지국이 중계기를 통해 사전에 설정된 이동 경로를 따라 고속으로 이동 중인 단말로 신호를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 이동 경로를 따라 상기 이동 경로 양 측면 또는 일 측면에서 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 복수의 안테나를 통해 신호를 전송하되,
    상기 신호는, 상기 복수의 각 안테나가 또는 상기 복수의 안테나 중 특정 안테나 그룹이 상기 중계기의 안테나 각각과 또는 상기 중계기 안테나의 특정 안테나 그룹과 1:1 링크가 되도록 제어된 송신 전력의 크기를 갖는 특징으로 하는 기지국의 신호 전송 방법.
  8. 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중에 신호를 수신하기 위한 단말 장치에 있어서,
    상기 단말과 함께 고속으로 이동하고 있는 중계기의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹을 통해 신호를 수신하는 수신기를 포함하되,
    상기 수신 신호는 상기 중계기의 제 1 안테나 또는 상기 제 1 안테나 그룹이 사전에 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 기지국의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹과 1:1로 링크되어 수신되도록 전송 전력이 제어된 신호인 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 기지국의 복수의 안테나를 통해 공간 다중화 랭크(rank) 2를 지원받는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 기지국의 복수의 안테나 중에서 동일 장소에 위치한 두 개의 안테나는 교차 편파(cross polarization) 방식을 이용하며, 상기 두 개의 안테나로부터 공간 다중화 랭크(rank) 2를 지원받는 것을 특징으로 하는 단말 장치.
  11. 무선 통신 시스템에서 고속으로 이동 중인 단말이 신호를 수신하는 방법에 있어서,
    상기 단말과 함께 고속으로 이동하고 있는 중계기의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹을 통해 신호를 수신하는 단계를 포함하되,
    상기 수신 신호는 상기 중계기의 제 1 안테나 또는 상기 제 1 안테나 그룹이 사전에 설정된 이동 경로를 따라 상기 이동 경로와 소정 거리만큼 떨어져 위치한 기지국의 복수의 안테나 중 제 1 안테나 또는 제 1 안테나 그룹과 1:1로 링크되어 수신되도록 전송 전력이 제어된 신호인 것을 특징으로 하는 단말의 신호 수신 방법.
KR1020100083351A 2009-09-14 2010-08-27 고속으로 이동중인 이동체에게 통신 서비스를 제공하기 위한 방법 및 장치 KR20110029073A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102484867B1 (ko) * 2021-10-15 2023-01-09 한국철도기술연구원 특수임무형 무선통신의 그룹 통화를 위한 자동 그룹 설정 방법

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