KR20130017567A

KR20130017567A - 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130017567A
Application number: KR1020110080068A
Authority: KR
Inventors: 한슈앙펑; 브루노 클럭스
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-20
Also published as: CN103748850B; WO2013022321A3; KR101839812B1; JP6203719B2; US20130039401A1; WO2013022321A2; EP2742661A4; EP2742661A2; JP2014527754A; US10056957B2; CN103748850A

Abstract

본 발명은 빔 포밍에 관한 것으로, 이동통신 시스템에서 송신기의 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 방법에 있어서 미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 과정과 상기 병렬 심볼 스트림에서 제1 수신기로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행하는 과정과 디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행하는 과정과 IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환하는 과정과 상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 과정과 CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC(Digital-to-Analog Converter) 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환하는 과정과 적어도 하나의 RF(Radio Frequency)의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 상기 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.　

Description

혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MIXED ANALOG AND DIGITAL BEAM FORMING}

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 사용하는 시스템에서, 혼합 빔포밍 사용으로 인한 성능 저하를 방지하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

다중 Gbps (multi-Gbps) 무선 통신 시스템을 설계하기 위해서, 60 GHz 주파수 대역을 사용하고자 하는 노력은 주로 큰 비허가 주파수 대역을 채용하는 것에 의해 주도되고 있고, 이를 이용하면, 비 압축 HD (High Definition) 멀티미디어와 같은 높은 대역폭이 필요한 응용프로그램 지원이 가능하다.

현재의 다중 안테나 무선 통신 시스템은 낮은 반송파 주파수 대역(5 GHz)에서 디지털 빔포밍(DBF:Digital Beam Forming) 구조를 기반으로 한다. 이러한 구조에서, 각각의 안테나는 자신의 AFE (Analog Front End) 체인을 구비하고 있고, 각 AFE 체인은 디지털 기저대역과 아날로그 RF (Radio Frequency) 도메인 사이의 변환을 수행하고, 송신기에서는 DAC (Digital-to-Analog Converter) 및 수신기에서는 ADC (Analog-to-Digital Converter)를 포함한다.

60 GHz 대역에서, 무선 통신 시스템은 8개 이상의 안테나 집합을 가질 수 있지만, 높은 비용과 AFE 에 요구되는 전력 소비가 큰 관계로 디지털 빔 포밍은 실용적으로는 구현이 곤란하다.

그리고, 이를 해결하기 위한 혼합 AS(Antenna Selection)/DBF 방식 역시, 안테나 집합 또는 빔 포밍에 의한 이득이 제공되지 않기 때문에 성능 저하가 큰 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 시스템에서 성능 저하를 방지하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 시스템에서 모든 단말이 하나의 심볼에서 동일한 아날로그 빔포밍 프리코더를 사용 시, 단말 1에 고정된 아날로그 빔 포밍 프리코더에 의한 아날로그 빔포밍의 위상 차이를 단말 1을 제외한 다른 단말에 대해 보상하기 위한 디지털 빔포밍 프리코더를 제공하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 송신기의 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 방법에 있어서 미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 과정과 상기 병렬 심볼 스트림에서 제1 수신기로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행하는 과정과 디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행하는 과정과 IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환하는 과정과 상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 과정과 CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC(Digital-to-Analog Converter) 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환하는 과정과 적어도 하나의 RF(Radio Frequency)의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 상기 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

　상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 수행하는 송신기의 장치에 있어서 미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 직별병렬부와 상기 병렬 심볼 스트림에서 제 1 수신기로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행하는 프리코더와 디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행하는 IFFT부와 IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환하는 병렬직렬부와 상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 CP삽입부와 CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환하는 DAC부와 적어도 하나의 RF(Radio Frequency)의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 상기 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하는 RF 체인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 수신기의 동작 방법에 있어서 송신기가 전송한 기준 신호를 측정하는 과정과 상기 기준 신호의 측정 값을 기반으로 상기 수신기에 대한 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 결정하는 과정과 상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 이동통신 시스템에서 수신기의 장치에 있어서 송신기와 정보를 송수신하는 모뎀과 상기 모뎀을 통해 상기 송신기가 전송한 기준 신호를 측정하고 상기 기준 신호의 측정 값을 기반으로 상기 수신기에 대한 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 결정하고, 상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 시스템에서 모든 단말이 하나의 심볼에서 동일한 아날로그 빔포밍 프리코더를 사용 시, 단말 1에 고정된 아날로그 빔 포밍 프리코더에 의한 아날로그 빔포밍의 위상 차이를 단말 1을 제외한 다른 단말에 대해 보상하는 디지털 빔포밍을 수행함으로써 다른 단말도 최적화된 빔 포밍 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 1 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 2 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 3 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 4 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 5 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 같은 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 작은 경우를 도시한 제 1 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 작은 경우를 도시한 제 2 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 블록 구성을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 블록 구성을 도시한 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 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. 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.

이하 본 발명은 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 방법 및 장치에 대해 설명하기로 한다.

60 GHz 대역에서, 무선 통신 시스템은 8개 이상의 안테나 집합을 가질 수 있지만, 높은 비용과 AFE에 요구되는 전력 소비가 큰 관계로 디지털 빔 포밍은 실용적으로는 구현이 곤란하므로 이를 해결하기 위해, 가용한 안테나 수 보다 적은 AFE 체인을 사용하는 복잡도가 낮은 구조가 제안되어 왔다.

이러한 구조에서는 디지털 빔 포밍에 필요한 경로의 수를 줄이기 위해 SSP (Spatial Signal Processing) 가 아날로그 RF 도메인에서 사용된다. 아날로그 RF 도메인에서 가장 많이 사용되는 SSP 기술은 AS (Antenna Selection) 방식을 기반으로 한다. 상기 AS 방식은 가용한 AFE 체인의 수 보다 작은 수의 안테나가 디지털 빔 포밍을 위해 사용되고 나머지 안테나는 디지털 빔 포밍을 위해 사용되지 않는 것을 나타낸다.

하지만, 혼합 AS/DBF 방식에서는 안테나 집합 또는 빔 포밍에 의한 이득이 제공되지 않기 때문에 성능 저하가 큰 문제점이 있으므로 본 발명은 성능 정하를 방지하는 방법 및 장치를 제공할 것이다 그리고 본 발명은 주파수 선택을 기반으로 하는 주파수 도메인 스케줄링 이득을 얻기 위해 FDMA/OFDMA (Frequency Division Multiple Access/Orthogonal Frequency Division Multiple Access)를 사용하기로 한다.

하기에서, AFE 체인의 수를 n 또는 D 이라고 하고, 총 안테나 수를 N 이라고 하기로 한다. 그리고 다수의 단말이 상기와 같은 구조에 의해 서비스 받는다고 가정한다. 그리고, 본 발명은 단말은 수신기로 기지국은 송신기로 칭할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 1 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 다수의 인코더(100, 102) 및 다수의 변조기(110, 112)는 미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조를 수행한다. 여기서 상기 다수의 변조기(110, 112) 이후에는 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 직렬병렬부(미도시)가 각각 위치할 수 있다.

MIMO 인코더(122)는 상기 각각의 병렬 심볼 스트림에 대한 MIMO 인코딩을 수행하고, 전처리기(124)는 MIMO 인코딩을 수행한 신호에 대해 제1 단말로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 단말로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행한다. 상기 아날로그 빔포밍 프리코더 및 디지털 빔포밍 프리코더는 제어부(170)가 결정한다.

또한, 상기 제어부(170)는 상기 위상 이동기 내의 스위치에 대한 온/오프를 결정하여 특정 안테나 사용을 결정할 수 있고, 특정 안테나를 포함하는 특정 그룹(195, 197)을 결정할 수 있다.

상기 제어부(170)는 적어도 하나의 RF 경로로 전송되고 아날로그 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 빔포밍 프리코더를 DAC가 출력한 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하기 위한 제어 신호를 위상 이동기(180, 192)로 전송할 수 있다, 즉, 상기 위상 이동기(180, 192)는 상기 제어 신호에 따라 아날로그 빔포밍을 수행한다.

또한, 상기 제어부(170)은 상기 위상 이동기(180, 192) 내의 스위치를 온/오프하여 전체 안테나 중 특정 안테나 집합을 선택할 수 있다.

다수의 IFFT부(130, 132)는 디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행한다.

다수의 P/S(병렬직렬부)(140, 142)는 IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환한다.

다수의 CP(150, 152)는 상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입한다.

다수의 DAC (160, 162)는 CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환한다.

상기 도면에서, 각각의 그룹(195, 197)은 D개의 안테나를 가질 수 있다. 또한, 안테나 2 로부터 안테나 D로의 안테나를 통해 신호를 전송하기 위한 데이터 경로는 서로 동일하다.

상기 도면에서 각각이 체인은 송수신모뎀이 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 2 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 도 2의 인코더(200, 202)로부터 위상 이동기 (280, 282) 까지의 동작은 상기 도 1과 동일하다. 다만, 상기 도 2는 제어부(270)의 제어 신호에 의해, i 번째의 AFE 체인이 i 번째의 안테나 집합에 연결되는 경우이다.

이러한 경우는, 안테나 사이의 공간이 상대적으로 큰 관계로 공간 코릴레이션(spatial correlation)이 무시 가능하다. 상기 도 2에서, 단일 사용자의 경우는 모든 종류의 단일 사용자 MIMO 방식 사용이 가능하고, 다중 사용자의 경우는 각각의 RF 체인이 하나의 빔을 형성한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 3 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 도 3의 인코더(300, 302)로부터 위상이동기(380, 382) 까지의 동작은 상기 도 1과 동일하다. 다만, 상기 도 3은 제어부(370)의 제어 신호에 의해, 모든 RF 체인이 하나의 안테나 집합에 연결되는 경우를 도시한 것으로, 상기 도 3은 안테나 집합 1에 연결된 경우를 도시한 것이다.

이 경우, 높은 랭크(High Rank)의 전송이 단일 사용자에게는 지원될 수 있다. 그 이유로는 랭크 1 전송을 위해서는 단일 사용자에게 모든 RF 체인이 할당되어야 하기 때문이다.

도 4은 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 4 도면이다.

상기 도 4을 참조하면, 도 4의 인코더(400, 402)로부터 위상 이동기(480, 482) 까지의 동작은 상기 도 1과 동일하다. 상기 도 4는 제어부(470)의 제어 신호에 의해, 모든 RF 체인이 서로 다른 안테나 집합에 연결되는 경우를 도시한 것으로, 각각의 RF 체인에 대한 아날로그 빔 포밍이 서로 다른 방향으로 설정된다.

이 경우, 높은 랭크(High Rank)의 전송이 단일 사용자에게는 지원되지 않을 수 있다. 그 이유로는 랭크 부족과, 랭크 1 전송을 위해서는 단일 사용자에게 모든 RF 체인이 할당되어야 하기 때문이다. 다중 사용자의 경우에는 각각의 RF 체인이 하나의 사용자를 지원할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 위한 송신기의 블록 구성을 도시한 제 5 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 도 5의 MIMO 인코더(522) 로부터 안테나 (580, 582) 까지의 동작은 상기 도 1과 동일하다.

상기 도 5에서, 각각의 AFE 체인은 안테나의 부분집합에 연결되어 있고, 여기서, 각각의 부 반송파에 대한 주 아날로그 빔 방향 주위의 병합된 신호의 빕 밤향을 조절하기 위해 디지털 빔 포밍이 사용된다.

상기 도 5에서, Nt=D*Nt_s 라고 가정한다. 상기 Nt_s 는 각 안테나 부분 집합에서의 안테나의 수이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 같은 경우를 도시한 도면이다.

상기 도 6을 참조하면, 모든 안테나에 대해 디지털 빔 포밍이 가능하고, 각각의 부 반송파에 대해, 단말은, 기지국이 디지털 빔 포밍을 수행할 수 있도록, 상기 단말이 특정 부 반송파에 대해 스케줄되었다는 것을 알리면서, 채널 정보를 피드백할 수 있다.

디지털 빔 포밍을 이용하면 서로 다른 안테나로부터의 하향링크 채널의 위상 차이를 보상하기 위해 디지털 페이즈 오프셋을 각각의 RF 체인에 대해 IFFT 이전에서 선택하는 것이 가능하다. 상기 도면에서, 단말로 향하는, 안테나 2 및 안테나 3 사이의 아날로그 페이즈 시프트 (analog phase shift)또는 아날로그 페이즈 오프셋, 위상 차는 Δ_x 이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 작은 경우를 도시한 제 1 도면이다.

상기 도 7을 참조하면, 부 반송파 1　(단말 1)에 대해서, 안테나 1 과 안테나 2 사이의 하향채널 위상 차(DL channel phase gap)를 보상하기 위한 제 1 안테나에 대한 아날로그 페이즈 오프셋, 즉, 위상 차는 Δ₁이다. 그리고 상기 Δ₁는 모든 부 반송파에 대해 동일하다.

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도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 RF 체인의 수가 안테나의 수와 작은 경우를 도시한 제 2 도면이다.

상기 도 8을 참조하면, 부 반송파 2에 대해서, 단말 2 가 할당되어 있고, 안테나 1 과 안테나 2 사이의 하향링크 채널 위상 차이는 Ф₁이다.

이 경우, 단말 2가 기지국의 안테나 1 및 안테나 2 로부터 수신하는 신호는

이고, 이는 θ₂와는 다르다.

　이는, 아날로그 빔포밍이 단말　1 에 맞추어져 있는 것을 나타내고, 다른 방향(예　단말 2)에 대해서는 맞추어져 있지않는 것을 나타낸다.

단말 2가 기지국의 안테나 1 및 안테나 2로부터 신호에서 정렬된 θ₂를 얻기 위해서는, 기지국에서 단말 2에 대한 디지털 빔포밍 수행시 IFFT　이전에 신호의 위상 차이, 디지털 페이즈 오프셋을 하기 수식과 같이 보상하는 것이 필요하다.

상기 Ф_1,Δ₁는 단말의 피드백 또는 기 정의된 빔 포밈 방향에 의해 기지국이 알 수 있다. 그리고 A 는 병합 신호의 크기를 나타낸다.

즉,　아날로그 빔　포밍 프리코더는 하나의 사용자　(예, 단말 1) 에 고정되어　있고, 아날로그 빔 포밍시, 다른 사용자(예, 단말 2)에 대해서는 단말 1 과 동일한 아날로그 빔포밍 프리코더를 사용한다.

이는 다른 사용자(예: 단말 2)에 대해서는 아날로그 빔포밍이 최적화되어 있지 않다는 것을 나타내고, 이를 보상하기 위해, 본 발명은 디지털 빔포밍　시,　다른 사용자(예: 단말 2)에 대한 신호 위상(signal phase)을 보상한다. 이를 통해, 다른 사용자도 최적화된 빔 포밍 효과를 얻을 수 있다.

이를 위해, 기지국은 Ф_1,Δ₁를 알아야 하고, 이는 피드백에 의해 기지국이 획득하거나, 빔 포밍 방향에 따라 미리 정해진 값을 기지국이 사용할 수 있다.

본 발명은 기지국이 이러한 위상 차이를 알게 하기 위해 세 가지 방법을 고려한다.

첫 번째로, 기지국은 아날로그 및 디지털 빔 포밍을 위한 프리코더를 미리 설정할 수 있다. 이후, 단말은 하향 링크 빔을 측정하고, 가장 좋은 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 선택한다.

두 번째로, 단말이 상향링크 사운딩 신호를 기지국으로 전송하여, 상기 기지국이 상향링크 채널을 측정할 수 있게 하는 것이다. 상기 상향링크 채널은 TDD (TIme Division Duplex)시스템에서는 하향링크 채널로도 사용된다. 여기서, 상기 기지국은 상기 상향링크 채널을 측정한 후, 상기 기지국은 단말에 가장 적합한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 구성할 수 있다.

세 번째로, 기지국은 하향링크 기준신호를 단말로 전송하고, 단말은 상기 기준 신호를 측정하고, 측정 값을 기반으로 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정하여 상기 기지국으로 피드백한다. 하지만, 이러한 피드백은 오버헤드가 클 수 있다.

본 발명은 상기 세 가지 방법 중, 두 번째 방법, 즉, 단말의 사운딩 신호 전송에 대해 집중할 것이다. 하지만, 다른 두 가지 방법을 사용할 수 있음은 당연하다 할 것이다.

단말 1로 향하는 데이터는 부 반송파 1 상에서, 단말 2로 향하는 데이터는 부 반송파 2상에서 전송된다고 가정한다 그리고 아날로그 빔 포밍의 방향은 단말 1로 향한다고 가정한다 그리고 디지털 빔 포밍 프리코더([d₁,...,d_n]) 및 아날로그 빔 포밍 프리코더([a₁,...,a_N]) 가 기지국에 의해 선택된다. OFDMA 시스템에서 하나의 심볼에 스케줄된 모든 사용자는 동일한 아날로그 빔 포밍 프리코더를 가진다.

하지만, 단말들의 위치는 서로 다르기 때문에, 기지국은 각각의 단말에 대한 디지털 빔 포밍 프리코더는 서로 다르게 선택한다.

기지국의 첫 번째 안테나를 기준으로 정할 때, 나머지 안테나로부터의 신호는 상기 첫 번째 안테나 1에 맞추어 정렬되어 있다 그리고 모든 안테나로부터의 신호는 단말 1이 수신한다.

부 반송파 1 상의 신호를 단말 1이 수신할 때, 단말 1이 수신하는 신호는 N*s*Ch1 라고 가정한다. 여기서, Ch1 는 안테나 1의 하향링크 채널을 나타낸다. N은 전체 안테나의 수를 나타낸다. 그리고, 부 반송파 2 상의 신호를 단말 2 가 수신할 때, 단말 2가 수신하는 신호는 X*s*Ch1 라고 가정한다. 하지만, 상기 X 는 실제로 정확한 값이 아니고, X*s 의 신호 위상도 s와 다르다. 따라서, X 를 구하는 방법이 필요하다.

기지국이 채널 상태를 알고 있기 때문에, 기지국은 각각의 단말에 가장 적합한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정할 수 있다.

기지국은 s 대신에 s/X*norm(X) 를 전송하고, 단말은 s*norm(X)*Ch1 를 수신한다. 다른 단말에 대해서, Ch_1는 안테나 1의 해당 부 반송파 상의 채널을 나타낸다.

추가적으로, 기지국은 s/X*norm(X)*(Ch1)'/norm(Ch1) 를 전송할 수 있고, 단말은 s*norm(X)*norm(Ch1) 를 수신한다. 이는 전송 신호에서 파일롯을 복조할 필요가 없다는 것을 나타낸다.

여기서, X 는 병합된 디지털 및 아날로그 빔 포밍 이득을 나타낸다. 하지만 이 값은 단말 1을 제외한 다른 단말에게, 상기 단말 1과 위치가 서로 다르므로, 실제 값은 아닌 특징이 있다. X 는 단말 1을 제외한 다른 단말들의 단말 1 과의 하향링크 채널 불일치에 기반을 두고 있다.

단말 1에 대해, 디지털 빔포밍 프리코더는 모두 1이 된다. 왜냐하면 아날로그 빔 포밍 프리코더는 이미 하향링크 채널에서 단말 1에 맞추어져 있기 때문이다.

안테나 1을 기준으로 하는 위상 차이를 Δ₁,...,Δ_N- ₁라고 가정하면, 아날로그 빔 포밍 프라코더는 [

]가 된다.

단말 2에 대해, 안테나 1을 기준으로 하는 위상 차이를 Ф₁,...,Ф_N-1라고 가정하면, 아날로그 빔 포밍 프리코더 또한 [

]가 된다.

여기서, n=2, N-4라고 가정한다.

하지만, 이 경우 디지털 빔 포밍 프리코더는 [

]가 된다 그리고 단말 2가 수신하는 신호는 [

] 가 된다.

결과적으로, X=

이 된다.

기지국은 모든 프리코더 및 단말의 채널 상태를 사운딩 신호를 통해 알고 있기 때문에, X 는 기지국이 계산할 수 있고, 기지국은 X를 위상 차이 정렬 시에 사용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 기지국의 동작 과정을 도시한 흐름도이다.

상기 도 9를 참조하면, 기지국은 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정한다(905 단계). 기지국이 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정할 시 하기와 같은 3가지 경우가 존재할 수 있다.

만약, 단말에 대한 상기 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더가 미리 결정되어 있는 경우(910 단계), 상기 기지국은 단말로 하향링크 빔을 전송한다(937 단계).

만약, 단말이 전송한 사운딩 신호를 사용하는 경우(915 단계), 단말이 전송한 사운딩 신호를 수신하고(930 단계), 상기 사운딩 신호 측정 값을 기반으로 사용할 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더 값을 결정한다(935 단계).

만약, 단말의 피드백을 이용하는 경우(920 단계), 단말이 전송한 피드백을 기반으로 단말에 대한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정한다(925 단계).

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 블록 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 10을 참조하면, 상기 단말은 듀플렉서(1001), 수신부(1003), 제어부(1005), 빔 선택부(1007), 송신부(1009) 및 사운딩 신호 생성부(1008)를 포함하여 구성된다.

상기 듀플렉서(1001)는 듀플렉싱 방식에 따라 상기 송신부(1009)로부터 제공받은 송신신호를 안테나를 통해 송신하고, 안테나로부터의 수신신호를 수신부(1003)로 제공한다.

상기 수신부(1003)는 상기 듀플렉서(1001)로부터 제공받은 고주파 신호를 기저대역 신호로 변환하여 복조한다. 예를 들어, 상기 수신부(1003)는 RF처리 블록, 복조블록, 채널복호블록 및 메시지 처리블록 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 RF처리 블록은 상기 듀플렉서(1001)로부터 제공받은 고주파 신호를 기저대역 신호로 변환하여 출력한다. 상기 복조블록은 상기 RF처리 블록으로부터 제공받은 신호에 대한 FFT연산을 통해 각 부반송파에 실린 데이터를 추출한다. 상기 채널복호블럭은 복조기, 디인터리버 및 채널디코더 등으로 구성된다. 상기 메시지 처리블록은 수신 신호에서 제어 정보를 추출하여 상기 제어부(1005)로 제공한다.

상기 제어부(1005)는 상기 단말의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 상기 제어부(1005)는 상기 빔 선택부(1007) 및 사운딩 시호 생성부(1008)을 제어한다.

상기 빔 선택부(1007)는 기지국으로부터 기준 신호를 수신받고, 상기 단말에 가장 적합한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정한다. 이를 위해, 상기 단말은 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더 집합을 미리 저장하고 있을 수 있다. 이후, 상기 빔 선택부(1007)는 결정한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더 또는 이에 해당하는 인덱스를 결정할 수 있다.

상기 사운딩 신호 생성부(1008)는 기지국으로 전송할 사운딩 신호를 생성한다.

상기 송신부(1009)는 상기 기지국으로 전송할 데이터 및 제어 메시지를 부호화 및 고주파 신호로 변환하여 상기 듀플렉서(1001)로 전송한다. 예를 들어, 상기 송신부(1009)는 메시지 생성 블록, 채널부호블록, 변조 블록 및 RF처리 블록 등을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 메시지 생성 블록은 상기 결정한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더 또는 이에 해당하는 인덱스 또는 사운딩 신호를 포함하는 메시지를 생성한다. 상기 채널부호블럭은 변조기, 인터리버 및 채널인코더 등으로 구성된다. 상기 변조블록은 IFFT 연산을 통해 상기 채널부호블록으로부터 제공받은 신호를 각 부반송파에 매핑한다. 상기 RF처리 블록은 상기 변조블록으로부터 제공받은 기저대역 신호를 고주파신호로 변환하여 상기 듀플렉서(1001)로 출력한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 단말의 블록 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 11을 참조하여 Case 1 에 대해 설명하면, 상기 단말은 기준 신호를 측정하는 경우(1105 단계), 상기 기준 신호 측정 값을 기준으로 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정한다(1110 단계). 이후, 결정한 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더 또는 이에 대한 인덱스를 기지국으로 전송한다(1115 단계).

Case 2 에 대해 설명하면, 상기 단말이 기지국이 전송한 하향링크 빔을 수신하면(1120 단계), 상기 기지국으로 사운딩 신호를 전송한다(1125 단계). 이 경우는 TDD 시스템에 관한 것으로, 기지국의 전송 시 사용하는 하향링크 채널과 단말이 전송 시 사용하는 상향링크 채널이 동일한 경우를 나타낸다.

Case 3 에 대해 설명하면, 기지국에서 아날로그 및 디지털 빔 프리코더가 미리 결정되어 있는 경우로, 상기 단말이 기지국이 전송한 하향링크 빔을 측정하고(1130 단계), 상기 단말은 측정한 값을 기반으로 기지국이 사용할 아날로그 및 디지털 빔 포밍 프리코더를 결정한다(1135 단계).

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

Claims

이동통신 시스템에서 송신기의 혼합 아날로그/디지털 빔포밍 방법에 있어서,
미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 과정과,
상기 병렬 심볼 스트림에서 제1 수신기로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행하는 과정과,
디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행하는 과정과,
IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환하는 과정과,
상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 과정과,
CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC(Digital-to-Analog Converter) 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환하는 과정과,
적어도 하나의 RF(Radio Frequency)의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 상기 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 1항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 2항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 과정은,
수신기가 전송한 사운딩 신호를 기반으로 상기 수신기에 최적인 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 2항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 과정은,
송신기가 전송한 기준 신호를 측정한 수신기로부터의 피드백에 따라 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 4항에 있어서,
상기 피드백은,
코드북의 인덱스, 빔포밍 행렬, 빔포밍 프리코더 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 1항에 있어서,
상기 RF 경로는
전체 안테나에 대한 부분 집합의 안테나에 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
　
제 1항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더는
상기 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파를 보상하기 위해 결정된 디지털 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍 프리코더는,
적어도 하나의 RF의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 것을 특징으로 하는 방법.
이동통신 시스템에서 혼합 아날로그/디지털 빔포밍을 수행하는 송신기의 장치에 있어서,
미리 정해진 변조수준에 따라 코딩 및 변조된 변조 심볼을 병렬 심볼 스트림으로 변환하는 직별병렬부와,
상기 병렬 심볼 스트림에서 제 1 수신기로 전송될 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파에 대해 보상하기 위해 결정된 디지털 빔포밍 프리코더를 상기 제 2 부 반송파에 대해 곱하여 디지털 빔포밍을 수행하는 프리코더와,
디지털 빔포밍을 수행한 병렬 심볼 스트림에 대해 시간영역의 심볼을 생성하기 위해, IFFT 연산을 수행하는 IFFT부와,
IFFT 연산을 수행한 시간영역의 심볼을 직렬 시간영역의 심볼로 변환하는 병렬직렬부와,
상기 직렬 시간영역의 심볼에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입하는 CP삽입부와,
CP를 삽입한 심볼에 대해 DAC 변환과정을 수행하여 아날로그 신호로 변환하는 DAC부와
적어도 하나의 RF(Radio Frequency)의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 빔포밍 프리코더를 상기 아날로그 신호에 곱함으로써 아날로그 빔포밍을 수행하는 RF 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
　
제 10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정할 시,
수신기가 전송한 사운딩 신호를 기반으로 상기 수신기에 최적인 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
　
제 10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정할 시,
상기 송신기가 전송한 기준 신호를 측정한 수신기로부터의 피드백에 따라 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔포밍 프리코더를 결정하는것을 특징으로 하는 장치.
　
제 12항에 있어서,
상기 피드백은.
코드북의 인덱스, 빔포밍 행렬, 빔포밍 프리코더 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
　
제 9항에 있어서,
상기 RF 경로는
전체 안테나에 대한 부분 집합의 안테나에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9항에 있어서,
상기 디지털 빔포밍 프리코더는
제 2 수신기로 전송될 제 2 부반송파를 보상하기 위해 결정된 디지털 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 9항에 있어서,
상기 아날로그 빔포밍 프리코더는,
적어도 하나의 RF의 경로로 전송되고 상기 제 1 부반송파에 대해 최적화된 아날로그 페이즈 오프셋에 의해 지시되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,
상기 RF 체인은,
각 안테나와 연결되는 다수 개의 RF 경로들을 포함하며,
각각의 RF 경로는 상기 제어부의 제어 신호에 따라 각 안테나를 통해 송신되는 신호에 대해 아날로그 빔포밍을 수행하는 위상 조절기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,
상기 RF 체인은,
송수신모뎀과 각 안테나를 연결하는 스위치를 포함하여 구성되며,
상기 스위치는, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 송수신 모뎀과 적어도 하나의 안테나를 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 10항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 다수 개의 안테나들 중 적어도 하나의 안테나를 온 시키는 것을 특징으로 하는 장치.
이동통신 시스템에서 수신기의 동작 방법에 있어서,
송신기가 전송한 기준 신호를 측정하는 과정과,
상기 기준 신호의 측정 값을 기반으로 상기 수신기에 대한 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 결정하는 과정과,
상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20항에 있어서,
상기 송신기가 전송한 기준 신호를 수신하는 과정과,
상기 기준 신호에 해당하는 채널을 통해 사운딩 신호를 상기 송신기로 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 20항에 있어서,
상기 피드백은,
코드북의 인덱스, 빔포밍 행렬, 빔포밍 프리코더 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
이동통신 시스템에서 수신기의 장치에 있어서,
송신기와 정보를 송수신하는 모뎀과,
상기 모뎀을 통해, 상기 송신기가 전송한 기준 신호를 측정하고, 상기 기준 신호의 측정 값을 기반으로 상기 수신기에 대한 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 결정하고, 상기 디지털 빔포밍 프리코더 및 아날로그 빔 포밍 프리코더를 나타내는 정보를 상기 송신기로 피드백하는 빔 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23항에 있어서,
상기 기준 신호에 해당하는 채널을 통해 사운딩 신호를 상기 송신기로 전송하는 사운딩 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 23항에 있어서,
상기 피드백은,
코드북의 인덱스, 빔포밍 행렬, 빔포밍 프리코더 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.