KR20120072222A - 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에 있어서, 송신측 단말기가 복수의 섹터를 포함하는 제 1 섹터 스위프 프레임을 수신측 단말기에 전송하는 단계; 수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임에 기초하여, 수신측 단말기가 상기 복수의 섹터 각각에 대한 섹터별 수신신호강도와 최대상관값을 포함하는 응답 프레임을 생성하여 상기 송신측 단말기에 전송하는 단계; 및 수신된 상기 응답 프레임에 기초하여, 상기 송신측 단말기가 신호 송신을 위한 섹터 및 그 섹터에 대응하는 송신 빔의 방향을 선택하는 단계를 포함하여 구성되는, 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에 관한 것이다.

Description

무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법{Antenna Beam Forming Method between Wireless Communication Terminals}
본 발명은 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 비교적 단순한 작업을 통해 낮은 전력 소모로 무선 통신 단말기 간에 안테나 빔 형성을 할 수 있는 안테나 빔 형성방법에 관한 것이다.
빔 형성(Beam forming) 기술은 방사 빔 패턴의 조절이 가능한 무선 통신 단말기 간에 통신 품질이 가장 우수한 송신 및 수신 안테나의 조합을 찾는 기술이다. WPAN(wireless personal area network)은 근거리 무선 개인 통신망을 의미하며, 블루투스, 지그비, UWB(초광대역 무선통신) 등 센서 간의 연동, 센서와 게이트웨이 간의 연동을 위한 요소기술을 모두 포함한다. 수십~수백 미터 떨어진 PC, 휴대폰, PDA, 가전 등의 기기를 무선으로 연결하며 전송 속도나 범위에서는 요소기술별로 차이를 보인다. 직진성이 강한 60GHz 표준 주파수 대역을 사용하는 WPAN 시스템에서는 상기 직진성을 이용하여 방사 에너지를 일정 방향으로 집중하면, 전체 전송 거리를 늘릴 수 있다.
빔 형성이 가능한 송수신 단말기는 서로 최적의 안테나 방향을 찾아야 한다. 종래에는 60GHz 표준 주파수 대역을 사용하는 WPAN 시스템은 이를 위해서 방사방향을 섹터 별로 바꿔주는 섹터 스위프(sector sweep) 방식을 사용하거나, 방향을 더 세분하는 세분 스위프(fine sweep) 방식을 사용하였다. 특히, 여기서 섹터 스위프 방식이라 함은 송신측 무선 단말은 송신 안테나의 주 방사 방향을 변경하면서 신호를 내 보내고 이에 대해 수신측 무선 단말은 채널의 상태를 피드백 해 주는 것에 의해 송수신 단말 간에 빔형성을 하는 방식을 의미한다. 도 1은 종래 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에서 사용되는 섹터 스위프 프레임 및 이에 대한 응답 프레임을 도시한 것으로서, 특히 송신측 단말의 안테나의 방사 방향이 4개로 구성되는 섹터 스위프 방식의 예를 보인 것이다.
종래 빔 형성방법에 있어서, 송신측 단말기(10)는 미리 약속된 훈련 신호를 송신 안테나(11)를 통하여 전송하고 수신측 단말기(20)는 이에 대한 SNR(Signal to noise ratio)을 응답함으로써, 송수신단의 빔 형성에 따른 통신 링크의 상대적인 성능을 측정한다. 이러한 방법은 60GHz 표준 주파수 대역의 WPAN 시스템을 규정하고 있는 IEEE 802.15.3c, ECMA-387, IEEE 802.11ad의 규격에서 공통적으로 나타나 있다. 섹터 스위프 방식을 위한 섹터 스위프 프레임(sector sweep frame, F1)의 구성과 응답 프레임(F2)의 예는 도 2에 도시된 바와 같다.
섹터 스위프 프레임(F1)은 네트워크 제어 프레임의 한 종류로서, 안테나의 빔 형성을 위해서 송신측 단말기(10)는 섹터 스위프 프레임(F1)의 복수의 섹터(S1, S2, S3, S4)에 대응하여 복수의 방향(S1, S2, S3, S4)으로 훈련 신호를 방사한다. 그러면, 수신측 단말기(20)는 수신된 섹터 스위프 프레임(F1)에 대하여 섹터별 SNR을 계산하여, 도 2에 도시된 바와 같은 응답 프레임(F2)을 구성하여 송신측 단말기(10)에 전송한다. 그러면, 송신측 단말기(10)는 SNR이 가장 큰 섹터를 선택하여 그 섹터에 대응하는 방사 안테나 방향을 신호 송신을 위한 안테나로서 설정한다.
일반적으로 수신측 단말기(20)는 프리앰블을 이용하여 자동 이득조절, 주파수 및 심볼 동기, 채널 추정 등을 수행한다. 하지만, 빔 형성시에는 상기 섹터별 SNR을 정확하게 측정하기 위해서, 수신측 단말기(20)는 수신된 섹터 스위프 프레임(F1)의 훈련신호 구간(S1~S4)에서도 자동이득조절(AGC:automatic gain control)과 채널 추정 및 보상을 수행하여야만 한다. 하지만, 이 과정에서 종래의 방식에서는 자동이득 조절과 심볼동기에 따른 지연이 발생하여 훈련신호가 길어져야 하고, 심볼동기, 채널 추정 및 보상 등의 단순하지 않은 작업을 수행함에 따라 추가적인 전력소모가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비교적 단순한 작업을 통해서 또한 낮은 전력 소모로 무선 통신 단말기 간에 빔 형성을 할 수 있도록 하는, 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에 있어서, 송신측 단말기가 복수의 섹터를 포함하는 제 1 섹터 스위프 프레임을 수신측 단말기에 전송하는 단계; 수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임에 기초하여, 수신측 단말기가 상기 복수의 섹터 각각에 대한 섹터별 수신신호강도와 최대상관값을 포함하는 응답 프레임을 생성하여 상기 송신측 단말기에 전송하는 단계; 및 수신된 상기 응답 프레임에 기초하여, 상기 송신측 단말기가 신호 송신을 위한 섹터 및 그 섹터에 대응하는 송신 빔의 방향을 선택하는 단계를 포함하여 구성되는, 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 안테나 빔 형성방법은 상기 송신측 단말기가 상기 선택된 송신 빔의 방향을 통해 제 2 섹터 스위프 프레임을 전송하는 단계; 상기 수신측 단말기가 수신 방향이 다른 복수의 수신 빔 방향을 통해 상기 제 2 섹터 스위프 프레임을 수신하는 단계; 및 상기 수신측 단말기가 상기 복수의 수신 빔 방향 각각에 대하여 상기 수신된 제 2 섹터 스위프 프레임에 대한 수신신호강도와 최대상관값을 측정하고, 이에 근거하여 수신 빔 방향을 선택하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 제 1 섹터 스위프 프레임 전송시, 상기 송신측 단말기는 상기 복수의 섹터별 신호를 송신방향이 다른 송신 빔 방향을 통해 각각 전송하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 수신측 단말기는 자동 이득 제어부, 상호 상관기 및 매체 접근 제어부를 포함하되, 상기 자동 이득 제어부는 수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임의 이득을 조절하여 상기 상호 상관기에 제공함과 동시에, 상기 수신된 제 1 섹터 스위프 프레임에 대한 상기 섹터별 수신신호강도를 측정하여 상기 매체 접근 제어부에 제공하고, 상기 상호 상관기는 상기 이득 조절된 제 1 섹터 스위프 프레임에 기초하여 상기 섹터별 최대 상관값을 생성하여 상기 매체 접근 제어부에 제공하며, 상기 매체 접근 제어부는 상기 섹터별 수신신호강도와 최대상관값에 기초하여 상기 응답 프레임을 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 상호 상관기는 수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임의 각 섹터의 훈련신호와 미리 설정된 훈련신호 간의 상관도를 계산하여 그 최대값을 상기 섹터별 최대 상관값으로서 출력하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 신호 송신을 위한 섹터의 선택시, 상기 송신측 단말기는 미리 설정된 일정 레벨 이상의 최대상관값을 갖는 적어도 하나의 섹터 중에서 상기 수신신호강도가 가장 큰 섹터를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 안테나 빔 형성방법은 근거리 무선 개인 통신망(WPAN)에서 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 무선 통신 단말기 간 안테나 빔 형성방법은, 섹터 스위프 프레임의 각 섹터별 훈련신호의 길이를 줄일 수 있고, 비교적 단순한 작업을 통해서 또한 낮은 전력 소모로 송신측 통신 단말과 수신측 단말 간에 빔 형성을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에서 사용되는 섹터 스위프 프레임 및 이에 대한 응답 프레임을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법과 관련하여 송신측 단말기와 수신측 단말기의 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 실시예에서 사용된 제 1 섹터 스위프 프레임과 이에 대한 응답 프레임의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명에 의한 일 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법과 관련하여 송신측 단말기와 수신측 단말기의 구성을 도시한 것이고, 도 4는 본 실시예에서 사용된 제 1 섹터 스위프 프레임과 이에 대한 응답 프레임의 구성을 도시한 것이며, 도 5는 본 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법을 설명한다. 본 실시예 따른 안테나 빔 형성방법은 WPAN 환경, 특히 60GHz 표준 주파수 대역의 WPAN 환경 하에서의 송신측 단말기와 수신측 단말기 간의 안테나 빔 형성에 이용될 수 있다.
먼저, 송신측 단말기(100)가 복수의 섹터를 포함하는 제 1 섹터 스위프 프레임(sector sweep frame, F10)을 수신측 단말기(200)에 전송한다(S101). 즉 송신측 단말기(100)의 제 1 매체 접근제어부(Media Access Controller, 110)가 도 4에 도시된 바와 같이 프리앰블-헤더-복수섹터(S1, S2, S3, S4)의 프레임 구성을 갖는 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)을 무선통신부(120)와 송신측 안테나(150)를 통해 수신측 단말기(200)에 전송한다. 이 때, 제 1 섹터 스위프 프레임(F10) 전송시, 송신측 단말기(100)는 프리앰블과 헤더는 전방향으로 전송하고 상기 복수의 섹터별 신호는 송신방향이 다른 방사 빔을 통해 도 3에 도시된 바와 같이 각각 전송한다. 즉, 섹터(S1)의 훈련신호는 S1방향의 방사 빔을 통해, 섹터(S2)의 훈련신호는 S2방향의 방사 빔을 통해, 섹터(S3)의 훈련신호는 S3방향의 방사 빔을 통해, 섹터(S4)의 훈련신호는 S4방향의 방사 빔을 통해 각각 전송한다. 참고로 여기서는 상기 복수의 섹터의 갯수가 4개인 경우에 대해서 기술하고 있으나, 섹터의 갯수는 시스템의 환경이나 조건에 따라 달라질 수 있다.
이어서, 수신측 단말기(200)가 전방향 수신 빔을 통해서 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)를 수신한다(S102). 그리고, 수신측 단말기(200)는 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)에 기초하여, 상기 복수의 섹터(S1~S4) 각각에 대하여 섹터별 수신신호강도(received signal strength indication, RSSI_S1~RSSI_S4)와 최대상관값(maximum correlation value, MC_S1~MC_S4)을 측정한다(S103).
이를 자세히 살펴 보면, 수신측 단말기(200)의 무선 통신부(210) 내 자동 이득 제어부(automatic gain controller, 220)가 수신된 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)의 이득을 조절하여 상호 상관기(cross-correlator, 230)에 제공함과 동시에, 상기 수신된 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)에 대한 섹터별 수신신호강도(RSSI_S1~RSSI_S4)를 측정하여 제 2 매체 접근 제어부(240)에 제공한다. 참고로, 무선 통신부(210)는 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)의 프리앰블을 이용하여 신호 감지, 이득 조절, 심볼/주파수 동기를 실시한다. 통상적으로 자동 이득 제어부(220)는 프리앰블에서 이득 조절을 수행하고 헤더와 데이터 프레임에서는 고정하지만, 섹터 스위프를 할 경우에는 섹터별로도 이득 조절을 수행한다. 본 실시예에서는 자동 이득 제어부(220)에서 측정된 각 섹터별 신호의 크기를 수신신호강도(RSSI_S1~RSSI_S4)로 정의한다.
상호 상관기(230)는 상기 이득 조절된 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)에 기초하여 섹터별 최대 상관값(MC_S1~MC_S4)을 생성하여 제 2 매체 접근 제어부(240)에 제공한다. 즉, 상호 상관기(230)는 수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임(F10)의 각 섹터(S1~S4)의 훈련신호와 미리 설정된 훈련신호 간의 상관도를 계산하여 그 최대값을 섹터별 최대 상관값(MC_S1~MC_S4)으로서 출력하는데, 이 최대 상관값은 해당 신호가 섹터 스위프를 위한 훈련신호임을 증명하고 자동 이득 제어부(220)의 이득 조절이 클리핑 등의 문제없이 양호하게 이루어졌음을 의미한다.
다음으로, 제 2 매체 접근 제어부(240)는 상기 섹터별 수신신호강도(RSSI_S1~RSSI_S4)와 최대상관값(MC_S1~MC_S4)을 메모리(250)에 저장하고, 이에 기초하여 응답 프레임(F20)을 생성하여 무선 통신부(210)를 통해 송신측 단말기(100)에 전송한다(S104). 응답 프레임(F20)은 도 4에 도시된 바와 같이 프리앰블, 헤더, 및 수신신호강도(RSSI_S1~RSSI_S4)와 최대상관값(MC_S1~MC_S4)을 포함한 섹터를 구비한다.
이어서, 수신된 상기 응답 프레임(F20)에 기초하여, 송신측 단말기(100)는 신호 송신을 위한 섹터 및 그 섹터에 대응하는 송신방향을 갖는 방사 빔을 선택한다(S105). 이 때, 신호 송신을 위한 섹터의 선택시, 송신측 단말기(100), 특히 제 1 매체 접근 제어부(110)는 미리 설정된 일정 레벨 이상의 최대상관값을 갖는 하나 이상의 섹터 중에서 수신신호강도가 가장 큰 섹터를 상기 신호 송신을 위한 섹터로서 선택한다. 즉, 수신신호강도와 최대상관값이 모두 높은 섹터가 전송 품질이 좋은 섹터임을 의미하기 때문에 상대적으로 수신신호강도와 최대상관값이 모두 높은 섹터를 선택하면 된다. 그런데, 최대상관값의 경우에는 수신측 단말기(200)의 자동이득 제어부(220)를 통과한 신호를 이용하여 측정하기 때문에 그 값의 변화폭이 크지 않은 반면, 수신신호강도의 경우에는 섹터(S1~S4)에 따라서 그 변화폭이 비교적 클 수가 있다. 따라서, 본 실시예에서, 제 1 매체 접근 제어부(110)는 미리 설정된 일정 레벨 이상의 최대상관값을 갖는 하나 이상의 섹터 중에서 수신신호강도가 가장 큰 섹터를 상기 신호 송신을 위한 섹터로서 선택한다.
다음으로, 송신측 단말기(100)는 상기 선택된 섹터의 방사 빔을 통해 제 2 섹터 스위프 프레임(미도시)을 수신측 단말기(200)에 전송한다(S106). 제 2 섹터 스위프 프레임은 프리앰블, 헤더, 및 선택된 하나의 (훈련 신호) 섹터를 포함하여 구성된다.
수신측 단말기(200)는 전방향 수신 빔을 통해서 제 2 섹터 스위프 프레임의 프리앰블과 헤더를 수신하고, 훈련 구간에서는 섹터 스위프를 통해 복수의 방향으로부터 프레임을 수신한다. 수신측 단말기(200)는 상기 복수의 수신 섹터 각각에 대하여 수신된 제 2 섹터 스위프 프레임에 대한 수신신호강도와 최대상관값을 각각 측정한다(S107). 즉 자동 이득 제어부(200)는 상기 복수의 수신 섹터 각각에 대하여 수신된 훈련 신호에 대한 수신신호강도를 측정하여 제 2 매체 접근 제어부(240)에 제공하고, 상호 상관기(230)는 복수의 수신 섹터 각각에 대하여 수신된 훈련신호에 대한 최대상관값을 측정하여 제 2 매체 접근 제어부(240)에 제공한다.
다음으로, 수신측 단말기(200), 특히 제 2 매체 접근 제어부(240)는 상기 복수의 수신 섹터 각각에 대한 수신신호 강도와 최대상관값에 근거하여 특정 방향의 수신 섹터를 선택, 즉 수신 빔 방향을 선택한다(S108). 이 때, 신호 수신을 위한 수신 섹터의 선택시 수신측 단말기(200)는 상기 송신측 단말기(100)에서의 특정 섹터의 선택 방식과 유사한 방식을 따르는 바, 수신측 단말기(200)의 제 2 매체 접근 제어부(240)는 미리 설정된 일정 레벨 이상의 최대상관값을 갖는 하나 이상의 수신 섹터 중에서 수신신호강도가 가장 큰 섹터를 수신 안테나의 빔 방향으로 선택한다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 무선 통신 단말기 간 안테나 빔 형성방법은 비교적 간단한 구성 및 신호 처리 작업을 통해서 무선 통신 단말기 간의 빔 형성 작업을 할 수 있기 때문에, 섹터 스위프 프레임의 각 섹터별 훈련신호의 길이를 줄일 수 있고, 비교적 단순한 작업을 통해서 또한 낮은 전력 소모로 송수신 단말 간에 빔 형성을 할 수 있는 효과가 있다.
10, 100 : 송신측 단말기
20, 200 : 수신측 단말기
11, 150 : 송신 안테나
21, 270 : 수신 안테나
110 : 제 1 매체 접근 제어부
120, 210 : 무선 통신부
220 : 자동 이득 제어부
230 : 상호 상관기
240 : 제 2 매체 접근 제어부
250 : 메모리

Claims (1)

  1. 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법에 있어서,
    송신측 단말기가 복수의 섹터를 포함하는 제 1 섹터 스위프 프레임을 수신측 단말기에 전송하는 단계;
    수신된 상기 제 1 섹터 스위프 프레임에 기초하여, 수신측 단말기가 상기 복수의 섹터 각각에 대한 섹터별 수신신호강도와 최대상관값을 포함하는 응답 프레임을 생성하여 상기 송신측 단말기에 전송하는 단계; 및
    수신된 상기 응답 프레임에 기초하여, 상기 송신측 단말기가 신호 송신을 위한 섹터 및 그 섹터에 대응하는 송신 빔의 방향을 선택하는 단계를 포함하여 구성되는, 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법.
KR1020100134057A 2010-12-23 2010-12-23 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법 KR20120072222A (ko)

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KR1020100134057A KR20120072222A (ko) 2010-12-23 2010-12-23 무선 통신 단말기 간의 안테나 빔 형성방법

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