KR20140129147A

KR20140129147A - 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍 방법 및 이를 위한 장치

Info

Publication number: KR20140129147A
Application number: KR1020147025327A
Authority: KR
Inventors: 김진민; 김수남; 임빈철; 손혁민; 정재훈
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-11-06
Also published as: US20160013847A1; US20150049824A1; US9362997B2; KR101655924B1; WO2013133645A1; US9184806B2

Abstract

본 발명에서는 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치가 개시된다. 구체적으로, 기지국이 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 초기 단계, 기지국이 단말로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 반복 단계를 포함하고, 반복 단계는 미리 정해진 횟수만큼 반복될 수 있다.

Description

무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍 방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR PERFORMING HIERARCHICAL BEAMFORMING IN WIRELESS ACCESS SYSTEM AND DEVICE THEREFOR}

본 발명은 무선 접속 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게 매시브 다중 입출력(Massive Multi-Input Multi-Output)을 지원하는 무선 접속 시스템에서 빔 포밍을 수행하기 위한 방법 및 이를 지원하는 장치에 관한 것이다.

차세대 무선 접속 시스템의 요구 조건에 따라 송/수신단 사이의 링크 품질(link quality)을 향상시키거나 높은 데이터 전송률을 지원하기 위해서 다중 안테나를 활용한 기법들이 많이 연구되고 있으며, SFBC(space frequency block coding)나 SM(spatial multiplexing), CL-MIMO (Closed-loop MIMO/beamforming), ZFBF(zero-forcing beamforming) 등의 기법들이 LTE 또는 LTE-A 상용 시스템에 적용되고 있다.

일반적으로 이동통신 시스템에서는 물리적 공간과 전력 제공 등의 이유로 사용자 장치(user equipment)보다 기지국에 더 많은 안테나를 설치하는 것을 고려하고, 현재 LTE-A 시스템(릴리즈-10)에서는 최대 8 Tx 시스템까지 지원한다. 다중 안테나를 이용하여 링크 품질을 향상시키는 방법 중 채널 상태 정보(channel state information)를 송신단에서 활용할 수 있는 경우에는 빔 포밍 기법이 가장 우수한 성능을 제공할 수 있다. 빔 포밍 기법은 송신 안테나 개수가 많아지면 많아질수록 송신 전력을 절감하는 이득을 얻거나 더 향상된 링크 품질을 얻을 수 있다. 또한 안테나 개수가 많아질수록 빔을 날카롭게(sharp) 형성할 수 있고 동시에 만들어 낼 수 있는 직교적인 빔(orthogonal beam)도 많아질 수 있다. 즉, 동시에 각자의 데이터를 수신할 수 있는 수신단이 많아진다. 이러한 목적으로 기존의 8 Tx 이상의 대규모의 안테나를 지원하는 시스템, 즉 매시브 다중 입출력(Massive MIMO) 시스템이 고려되고 있다.

본 발명의 목적은 무선 접속 시스템, 바람직하게 매시브 다중 입출력(Massive MIMO) 시스템을 지원하는 무선 접속 시스템에서 단말과 기지국 간 원활하게 빔 포밍을 수행하기 위한 방법 및 이를 위한 장치를 제안한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 양상은, 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 방법에 있어서, 기지국이 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 초기 단계, 기지국이 단말로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 반복 단계를 포함하고, 반복 단계는 미리 정해진 횟수만큼 반복될 수 있다.

본 발명의 다른 양상은, 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 기지국에 있어서, 무선 신호를 송수신하기 위한 RF(Radio Frequency) 유닛 및 프로세서를 포함하고, 프로세서는 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 초기 단계를 수행하고, 단말로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 반복 단계를 수행하도록 설정되고, 반복 단계는 미리 정해진 횟수만큼 반복될 수 있다.

바람직하게, 제 2 빔들의 각도는 하나 이상의 빔의 각도에 따라 결정될 수 있다.

바람직하게, 피드백 정보는 하나 이상의 빔에 대한 신호 세기, CQI(Channel Quality Information), PMI(Precoding Matrix Indication) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 피드백 정보가 PMI 를 포함하는 경우, PMI 는 제 1 빔들 또는 제 2 빔들 모두를 대상으로 결정되거나, 제 1 빔들 또는 제 2 빔들의 신호 세기를 통해 단말이 선택한 하나 이상의 빔들만을 대상으로 결정될 수 있다.

바람직하게, 피드백 정보가 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 포함하는 경우, 제 2 빔들의 각도는 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 고려하여 불균등한 간격으로 결정될 수 있다.

바람직하게, 제 1 빔들 또는 제 2 빔들은 소정의 간격을 가지는 안테나 포트만을 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 그룹핑된 안테나 포트를 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 합쳐져서 생성될 수 있다.

바람직하게, 참조 신호는 CSI-RS(Channel State Information Reference Signal)일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 양상은, 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 방법에 있어서, 단말이 기지국으로부터 계층적 빔 포밍을 위한 단계 크기 및 계층적 빔 포밍을 위한 각 단계에서의 빔의 개수를 포함하는 파라미터를 수신하는 단계, 단말이 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 기지국에 전송하는 초기 단계, 단말이 기지국으로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 기지국에 전송하는 반복 단계를 포함하고, 반복 단계는 단계 크기만큼 반복될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상은, 무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 단말에 있어서, 무선 신호를 송수신하기 위한 RF(Radio Frequency) 유닛 및 프로세서를 포함하고, 프로세서는 기지국으로부터 계층적 빔 포밍을 위한 단계 크기 및 계층적 빔 포밍을 위한 각 단계에서의 빔의 개수를 포함하는 파라미터를 수신하고, 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 기지국에 전송하는 초기 단계를 수행하며, 기지국으로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 기지국에 전송하는 반복 단계를 수행하도록 설정되고, 반복 단계는 단계 크기만큼 반복될 수 있다.

바람직하게, 피드백 정보가 PMI(Precoding Matrix Indication)를 포함하는 경우, PMI 는 제 1 빔들 또는 제 2 빔들 모두를 대상으로 결정되거나 빔의 신호 세기를 이용하여 기지국이 선택한 하나 이상의 빔들만을 대상으로 결정될 수 있다.

바람직하게, 참조 신호는 SRS(Sounding Reference Signal)일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 무선 접속 시스템, 바람직하게는 매시브 다중 입출력(Massive MIMO) 시스템을 지원하는 무선 접속 시스템에서 단말과 기지국 간 원활하게 빔 포밍을 수행할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 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 특징을 설명한다.
도 1 은 3GPP LTE 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 이들을 이용한 일반적인 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 3GPP LTE 에서 무선 프레임의 구조를 나타낸다.
도 3 은 하나의 하향링크 슬롯에 대한 자원 그리드(resource grid)를 예시한 도면이다.
도 4 는 하향링크 서브 프레임의 구조를 나타낸다.
도 5 는 상향링크 서브 프레임의 구조를 나타낸다.
도 6 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, 공용 참조 신호(CRS)가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.
도 7 및 도 8 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, 단말 특정 참조 신호(DM-RS)가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.
도 9 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, CSI-RS 설정 #0 에 따른 CSI-RS 가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.
도 10 은 기존의 빔 포밍(Conventional Beamforming) 동작을 예시하는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 방법을 예시하는 도면이다.
도 12 내지 도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15 는 본 발명에 따른 불균등 양자화(un-equal quantization)를 적용한 빔 각도 적응(beam angle adaptation) 방법을 예시하는 도면이다.
도 16 내지 도 18 은 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 예시한다.
도 19 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.

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.

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.

본 명세서에서 본 발명의 실시예들을 기지국과 단말 간의 데이터 송신 및 수신의 관계를 중심으로 설명한다. 여기서, 기지국은 단말과 직접적으로 통신을 수행하는 네트워크의 종단 노드(terminal node)로서의 의미를 갖는다. 본 문서에서 기지국에 의해 수행되는 것으로 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 기지국의 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수도 있다. 즉, 기지국을 포함하는 다수의 네트워크 노드들(network nodes)로 이루어지는 네트워크에서 단말과의 통신을 위해 수행되는 다양한 동작들은 기지국 또는 기지국 이외의 다른 네트워크 노드들에 의해 수행될 수 있음은 자명하다. '기지국(BS: Base Station)'은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 액세스 포인트(AP: Access Point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 중계기는 Relay Node(RN), Relay Station(RS) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 또한, '단말(Terminal)'은 UE(User Equipment), MS(Mobile Station), MSS(Mobile Subscriber Station), SS(Subscriber Station), AMS(Advanced Mobile Station), WT(Wireless terminal), MTC(Machine-Type Communication) 장치, M2M(Machine-to-Machine) 장치, D2D 장치(Device-to-Device) 장치 등의 용어로 대체될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE 802 시스템, 3GPP 시스템, 3GPP LTE 및 LTE-A(LTE-Advanced)시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들 중 본 발명의 기술적 사상을 명확히 드러내기 위해 설명하지 않은 단계들 또는 부분들은 상기 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다.

이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 접속 시스템에 이용될 수 있다. CDMA 는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000 과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA 는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA 는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA 는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)은 E-UTRA 를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA 를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA 를 채용한다. LTE-A(Advanced)는 3GPP LTE 의 진화이다.

설명을 명확하게 하기 위해, 3GPP LTE/LTE-A 를 위주로 기술하지만 본 발명의 기술적 특징이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명이 적용될 수 있는 3 GPP LTE / LTE -A 시스템의 일반

도 1 은 3GPP LTE 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 이들을 이용한 일반적인 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.

전원이 꺼진 상태에서 다시 전원이 켜지거나, 새로이 셀에 진입한 단말은 S101 단계에서 기지국과 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색 (Initial cell search) 작업을 수행한다. 이를 위해 단말은 기지국으로부터 주동기 채널 (P-SCH: Primary Synchronization Channel) 및 부동기 채널 (S-SCH: Secondary Synchronization Channel)을 수신하여 기지국과 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득한다.

그 후, 단말은 기지국으로부터 물리방송채널 (PBCH: Physical Broadcast Channel) 신호를 수신하여 셀 내 방송 정보를 획득할 수 있다. 한편, 단말은 초기 셀 탐색 단계에서 하향링크 참조 신호 (DL RS: Downlink Reference Signal)를 수신하여 하향링크 채널 상태를 확인할 수 있다.

초기 셀 탐색을 마친 단말은 S102 단계에서 물리하향링크제어채널(PDCCH: Physical Downlink Control Channel) 및 물리하향링크제어채널 정보에 따른 물리하향링크공유 채널 (PDSCH: Physical Downlink Control Channel)을 수신하여 조금 더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다.

이후, 단말은 기지국에 접속을 완료하기 위해 이후 단계 S103 내지 단계 S106 과 같은 임의 접속 과정 (Random Access Procedure)을 수행할 수 있다. 이를 위해 단말은 물리임의접속채널 (PRACH: Physical Random Access Channel)을 통해 프리앰블 (preamble)을 전송하고(S103), 물리하향링크제어채널 및 이에 대응하는 물리하향링크공유 채널을 통해 프리앰블에 대한 응답 메시지를 수신할 수 있다(S104). 경쟁 기반 임의 접속의 경우, 단말은 추가적인 물리임의접속채널 신호의 전송(S105) 및 물리하향링크제어채널 신호 및 이에 대응하는 물리하향링크공유 채널 신호의 수신(S106)과 같은 충돌해결절차 (Contention Resolution Procedure)를 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 절차를 수행한 단말은 이후 일반적인 상/하향링크 신호 전송 절차로서 물리하향링크제어채널 신호 및/또는 물리하향링크공유채널 신호의 수신(S107) 및 물리상향링크공유채널 (PUSCH: Physical Uplink Shared Channel) 신호 및/또는 물리상향링크제어채널 (PUCCH: Physical Uplink Control Channel) 신호의 전송(S108)을 수행할 수 있다.

단말이 기지국으로 전송하는 제어정보를 통칭하여 상향링크 제어정보(UCI: Uplink Control Information)라고 지칭한다. UCI 는 HARQ-ACK/NACK (Hybrid Automatic Repeat and reQuest Acknowledgement/Negative-ACK), SR (Scheduling Request), CQI (Channel Quality Indication), PMI (Precoding Matrix Indication), RI (Rank Indication) 정보 등을 포함한다.

LTE 시스템에서 UCI 는 일반적으로 PUCCH 를 통해 주기적으로 전송되지만, 제어정보와 트래픽 데이터가 동시에 전송되어야 할 경우 PUSCH 를 통해 전송될 수 있다. 또한, 네트워크의 요청/지시에 의해 PUSCH 를 통해 UCI 를 비주기적으로 전송할 수 있다.

도 2 는 3GPP LTE 에서 무선 프레임의 구조를 나타낸다.

셀룰라 OFDM 무선 패킷 통신 시스템에서, 상향링크/하향링크 데이터 패킷 전송은 서브프레임(subframe) 단위로 이루어지며, 한 서브프레임은 다수의 OFDM 심볼을 포함하는 일정 시간 구간으로 정의된다. 3GPP LTE 표준에서는 FDD(Frequency Division Duplex)에 적용 가능한 타입 1 무선 프레임(radio frame) 구조와 TDD(Time Division Duplex)에 적용 가능한 타입 2 의 무선 프레임 구조를 지원한다.

도 2(a)는 타입 1 무선 프레임의 구조를 예시한다. 하향링크 무선 프레임(radio frame)은 10 개의 서브프레임(subframe)으로 구성되고, 하나의 서브프레임은 시간 영역(time domain)에서 2 개의 슬롯(slot)으로 구성된다. 하나의 서브프레임이 전송되는 데 걸리는 시간을 TTI(transmission time interval)라 한다. 예를 들어 하나의 서브프레임의 길이는 1ms 이고, 하나의 슬롯의 길이는 0.5ms 일 수 있다. 하나의 슬롯은 시간 영역에서 복수의 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 심볼을 포함하고, 주파수 영역에서 다수의 자원블록(RB: Resource Block)을 포함한다. 3GPP LTE 는 하향링크에서 OFDMA 를 사용하므로 OFDM 심볼은 하나의 심볼 구간(symbol period)을 표현하기 위한 것이다. OFDM 심볼은 하나의 SC-FDMA 심볼 또는 심볼 구간이라고 할 수 있다. 자원 할당 단위로서의 자원 블록(RB)은, 하나의 슬롯에서 복수의 연속적인 부 반송파(subcarrier)를 포함한다.

하나의 슬롯에 포함되는 OFDM 심볼의 수는 순환 전치(CP: Cyclic Prefix)의 구성(configuration)에 따라 달라질 수 있다. CP 에는 확장 순환 전치(extended CP)와 일반 순환 전치(normal CP)가 있다. 예를 들어, OFDM 심볼이 일반 순환 전치에 의해 구성된 경우, 하나의 슬롯에 포함되는 OFDM 심볼의 수는 7 개일 수 있다. OFDM 심볼이 확장 순환 전치에 의해 구성된 경우, 한 OFDM 심볼의 길이가 늘어나므로, 한 슬롯에 포함되는 OFDM 심볼의 수는 일반 순환 전치인 경우보다 적다. 확장 순환 전치의 경우에, 예를 들어, 하나의 슬롯에 포함되는 OFDM 심볼의 수는 6 개일 수 있다. 단말이 빠른 속도로 이동하는 등의 경우와 같이 채널상태가 불안정한 경우, 심볼간 간섭을 더욱 줄이기 위해 확장 순환 전치가 사용될 수 있다.

일반 순환 전치가 사용되는 경우 하나의 슬롯은 7 개의 OFDM 심볼을 포함하므로, 하나의 서브프레임은 14 개의 OFDM 심볼을 포함한다. 이때, 각 서브프레임의 처음 최대 3 개의 OFDM 심볼은 PDCCH(physical downlink control channel)에 할당되고, 나머지 OFDM 심볼은 PDSCH(physical downlink shared channel)에 할당될 수 있다.

도 2 의 (b)는 타입 2 프레임 구조(frame structure type 2)를 나타낸다. 타입 2 무선 프레임은 2 개의 하프 프레임(half frame)으로 구성되며, 각 하프 프레임은 5 개의 서브프레임과 DwPTS(Downlink Pilot Time Slot), 보호구간(GP: Guard Period), UpPTS(Uplink Pilot Time Slot)로 구성되며, 이 중 1 개의 서브프레임은 2 개의 슬롯으로 구성된다. DwPTS 는 단말에서의 초기 셀 탐색, 동기화 또는 채널 추정에 사용된다. UpPTS 는 기지국에서의 채널 추정과 단말의 상향링크 전송 동기를 맞추는 데 사용된다. 보호구간은 상향링크와 하향링크 사이에 하향링크 신호의 다중경로 지연으로 인해 상향링크에서 생기는 간섭을 제거하기 위한 구간이다.

상술한 무선 프레임의 구조는 하나의 예시에 불과하며, 무선 프레임에 포함되는 서브 프레임의 수 또는 서브 프레임에 포함되는 슬롯의 수, 슬롯에 포함되는 심볼의 수는 다양하게 변경될 수 있다.

도 3 은 하나의 하향링크 슬롯에 대한 자원 그리드(resource grid)를 예시한 도면이다.

도 3 을 참조하면, 하나의 하향링크 슬롯은 시간 영역에서 복수의 OFDM 심볼을 포함한다. 여기서, 하나의 하향링크 슬롯은 7 개의 OFDM 심볼을 포함하고, 하나의 자원 블록은 주파수 영역에서 12 개의 부 반송파를 포함하는 것을 예시적으로 기술하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

자원 그리드 상에서 각 요소(element)를 자원 요소(RE: resource element)하고, 하나의 자원 블록은 12 × 7 개의 자원 요소를 포함한다. 하향링크 슬롯에 포함되는 자원 블록들의 수 N^DL 은 하향링크 전송 대역폭(bandwidth)에 종속한다. 상향링크 슬롯의 구조는 하향링크 슬롯의 구조와 동일할 수 있다.

도 4 는 하향링크 서브 프레임의 구조를 나타낸다.

도 4 를 참조하면, 서브 프레임내의 첫번째 슬롯에서 앞의 최대 3 개의 OFDM 심볼들이 제어 채널들이 할당되는 제어 영역(control region)이고, 나머지 OFDM 심볼들은 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)이 할당되는 데이터 영역(data region)이다. 3GPP LTE 에서 사용되는 하향링크 제어 채널의 일례로 PCFICH(Physical Control Format Indicator Channel), PDCCH(Physical Downlink Control Channel), PHICH(Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel) 등이 있다.

PCFICH 는 서브 프레임의 첫번째 OFDM 심볼에서 전송되고, 서브 프레임 내에 제어 채널들의 전송을 위하여 사용되는 OFDM 심볼들의 수(즉, 제어 영역의 크기)에 관한 정보를 나른다. PHICH 는 상향링크에 대한 응답 채널이고, HARQ(Hybrid Automatic Repeat Request)에 대한 ACK(Acknowledgement)/NACK(Not-Acknowledgement) 신호를 나른다. PDCCH 를 통해 전송되는 제어 정보를 하향링크 제어정보(downlink control information, DCI)라고 한다. 하향링크 제어정보는 상향링크 자원 할당 정보, 하향링크 자원 할당 정보 또는 임의의 단말 그룹에 대한 상향링크 전송(Tx) 파워 제어 명령을 포함한다.

PDCCH 는 DL-SCH(Downlink Shared Channel)의 자원 할당 및 전송 포맷(이를 하향링크 그랜트라고도 한다.), UL-SCH(Uplink Shared Channel)의 자원 할당 정보(이를 상향링크 그랜트라고도 한다.), PCH(Paging Channel)에서의 페이징(paging) 정보, DL-SCH 에서의 시스템 정보, PDSCH 에서 전송되는 랜덤 액세스 응답(random access response)과 같은 상위 레이어(upper-layer) 제어 메시지에 대한 자원 할당, 임의의 단말 그룹 내 개별 단말들에 대한 전송 파워 제어 명령들의 집합, VoIP(Voice over IP)의 활성화 등을 나를 수 있다. 복수의 PDCCH 들은 제어 영역 내에서 전송될 수 있으며, 단말은 복수의 PDCCH 들을 모니터링할 수 있다. PDCCH 는 하나 또는 복수의 연속적인 CCE(control channel elements)의 집합으로 구성된다. CCE 는 무선 채널의 상태에 따른 부호화율(coding rate)을 PDCCH 에 제공하기 위하여 사용되는 논리적 할당 단위이다. CCE 는 복수의 자원 요소 그룹(resource element group)들에 대응된다. PDCCH 의 포맷 및 사용 가능한 PDCCH 의 비트 수는 CCE 들의 수와 CCE 들에 의해 제공되는 부호화율 간의 연관 관계에 따라 결정된다.

기지국은 단말에게 전송하려는 DCI 에 따라 PDCCH 포맷을 결정하고, 제어 정보에 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 붙인다. CRC 에는 PDCCH 의 소유자(owner)나 용도에 따라 고유한 식별자(이를 RNTI(Radio Network Temporary Identifier)라고 한다.)가 마스킹된다. 특정의 단말을 위한 PDCCH 라면 단말의 고유한 식별자, 예를 들어 C-RNTI(Cell-RNTI)가 CRC 에 마스킹될 수 있다. 또는 페이징 메시지를 위한 PDCCH 라면 페이징 지시 식별자, 예를 들어 P-RNTI(Paging-RNTI)가 CRC 에 마스킹될 수 있다. 시스템 정보, 더욱 구체적으로 시스템 정보 블록(system information block, SIB)를 위한 PDCCH 라면 시스템 정보 식별자, SI-RNTI(system information RNTI)가 CRC 에 마스킹될 수 있다. 단말의 랜덤 액세스 프리앰블의 전송에 대한 응답인 랜덤 액세스 응답을 지시하기 위하여, RA-RNTI(random access-RNTI)가 CRC 에 마스킹될 수 있다.

도 5 는 상향링크 서브 프레임의 구조를 나타낸다.

도 5 를 참조하면, 상향링크 서브 프레임은 주파수 영역에서 제어 영역과 데이터 영역으로 나눌 수 있다. 제어 영역에는 상향링크 제어 정보를 나르는 PUCCH(Physical Uplink Control Channel)이 할당된다. 데이터 영역은 사용자 데이터를 나르는 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)이 할당된다. 단일 반송파 특성을 유지하기 위해 하나의 단말은 PUCCH 와 PUSCH 을 동시에 전송하지 않는다. 하나의 단말에 대한 PUCCH 에는 서브 프레임 내에 RB 쌍이 할당된다. RB 쌍에 속하는 RB 들은 2 개의 슬롯들의 각각에서 서로 다른 부 반송파를 차지한다. 이를 PUCCH 에 할당된 RB 쌍은 슬롯 경계(slot boundary)에서 주파수 도약(frequency hopping)된다고 한다.

하향링크 참조 신호 및 하향링크 측정

무선 통신 시스템에서 패킷(혹은 신호)을 전송할 때, 전송되는 패킷은 무선 채널을 통해서 전송되기 때문에 전송과정에서 신호의 왜곡이 발생할 수 있다. 왜곡된 신호를 수신측에서 올바로 수신하기 위해서는 채널 정보를 이용하여 수신 신호에서 왜곡을 보정하여야 한다. 채널 정보를 알아내기 위해서, 송신측과 수신측에서 모두 알고 있는 신호를 전송하여, 이러한 신호가 채널을 통해 수신될 때의 왜곡 정도를 가지고 채널 정보를 알아내는 방법을 주로 사용한다. 이와 같이 송신측과 수신측에서 모두 알고 있는 신호를 파일럿 신호(Pilot Signal) 또는 참조 신호(Reference Signal)라고 한다.

무선 통신 시스템의 송신단 혹은 수신단에서 용량 증대, 통신 성능을 개선하기 위해서 다중안테나를 사용하여 데이터를 송수신하는 경우에는 각 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 채널 상황을 알아야 올바른 신호를 수신할 수 있다. 따라서, 각 송신 안테나 별로 별도의 참조 신호가 존재하여야 한다.

무선 통신 시스템에서 참조 신호는 그 목적에 따라 크게 두 가지로 구분될 수 있다. 참조 신호에는 채널 정보 획득을 위한 목적을 위한 것과 데이터 복조를 위해 사용되는 것이 있다. 전자는 단말이 하향링크로의 채널 정보를 획득할 수 있는데 그 목적이 있으므로, 광대역으로 전송될 필요가 있으며, 특정 서브 프레임에서 하향링크 데이터를 수신하지 않는 단말이라도 그 참조 신호를 수신하고 측정할 수 있어야 한다. 또한 이러한 채널 측정용 참조 신호는 핸드 오버의 측정 등을 위해서도 사용될 수 있다. 후자는 기지국이 하향링크 신호를 전송할 때 해당 자원에 함께 보내는 참조 신호로서, 단말은 해당 참조 신호를 수신함으로써 채널 추정을 할 수 있고, 따라서 데이터를 복조할 수 있게 된다. 이러한 복조용 참조 신호는 데이터가 전송되는 영역에 전송되어야 한다.

3GPP LTE 시스템에서는 하향링크 참조 신호로서 셀 내의 모든 단말이 공유하는 공용 참조 신호(CRS: Common Reference Signal)와 특정 단말만을 위한 전용 참조 신호(DRS: Dedicated Reference Signal)를 정의하고 있다. CRS 는 채널 정보 획득 및 데이터 복조의 두 가지 목적으로 사용되며, 셀 특정 기준신호(cell-specific RS)라고도 한다. 기지국은 광대역에 걸쳐 매 서브 프레임마다 CRS 를 전송한다. 반면, DRS 는 데이터 복조용으로만 사용되며, DRS 는 PDSCH 상의 데이터 복조가 필요한 경우 자원 요소들을 통해 전송될 수 있다. 단말은 상위 계층을 통하여 DRS 의 존재 여부를 수신할 수 있으며, 상응하는 PDSCH 가 매핑되었을 때만 유효하다. DRS 를 단말 특정 참조 신호(UE-specific RS) 또는 복조 참조 신호(DMRS: Demodulation RS)라고 할 수 있다.

수신측(단말)은 CRS 로부터 채널의 상태를 추정하여 CQI(Channel Quality Indicator), PMI(Precoding Matrix Index) 및/또는 RI(Rank Indicator)와 같은 채널 품질과 관련된 지시자를 송신측(기지국)으로 피드백할 수 있다. 또는 CQI/PMI/RI 와 같은 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information)의 피드백과 관련된 참조 신호를 별도로 CSI-RS 로 정의할 수도 있다. 채널 측정 목적의 CSI-RS 는 기존의 CRS 가 채널 측정 등의 목적과 동시에 데이터 복조를 위해 사용되는 것과 달리 채널 측정 위주의 목적을 위해서 설계되었다는 것에 특징이 있다. 이와 같이, CSI-RS 가 채널 상태에 대한 정보를 얻는 목적으로만 전송되므로 기지국은 모든 안테나 포트에 대한 CSI-RS 를 전송한다. 또한, CSI-RS 는 하향링크 채널 정보를 알기 위한 목적으로 전송되므로 DRS 와 달리 전 대역으로 전송된다.

현재 3GPP LTE 시스템에서는 수신단의 채널 정보 없이 운용되는 개루프 MIMO(open-loop MIMO)와 폐루프 MIMO(closed-loop MIMO) 두 가지 송신 방식을 정의하고 있으며, 폐루프 MIMO 에서는 MIMO 안테나의 다중화 이득(multiplexing gain)을 얻기 위해 송수신단은 각각 채널 정보 즉, 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information)를 바탕으로 빔포밍(beamforming)을 수행한다. 기지국은 단말로부터 CSI 를 획득하기 위하여 단말에게 PUCCH(Physical Uplink Control Channel) 또는 PUSCH(Physical Uplink Shared Channel)을 할당하여 하향링크 CSI 를 피드백 하도록 명령한다.

CSI 는 크게 RI(Rank Indicator), PMI(Precoding Matrix Index), CQI(Channel Quality Indication) 세가지 정보로 분류된다.

RI 는 채널의 랭크(rank) 정보를 나타내며, 단말이 동일 주파수 시간 자원을 통해 수신 하는 신호 스트림(혹은 레이어)의 개수를 의미한다. 이 값은 채널의 장기 페이딩(long term fading)에 의해 우세(dominant)하게 결정되므로 PMI, CQI 값 보다 통상 더 긴 주기를 가지고 단말에서 기지국으로 피드백 된다.

PMI 는 채널의 공간 특성을 반영한 값으로 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 등의 측정값(metric)을 기준으로 단말이 선호하는 기지국의 프리코딩 인덱스(precoding index)를 나타낸다. 즉, PMI 는 송신단으로부터의 전송에 이용되는 프리코딩 행렬에 대한 정보이다. 수신단으로부터 피드백되는 프리코딩 행렬은, RI 에 의하여 지시되는 레이어의 개수를 고려하여 결정된다. PMI 는 폐-루프 공간다중화(Spacial Mutiplexing) 및 긴 지연 CDD(large delay CDD) 전송의 경우에 피드백될 수 있다. 개-루프 전송의 경우에는, 송신단이 미리 결정된 규칙에 따라 프리코딩 행렬을 선택할 수 있다. 수신단이 각각의 랭크에 대해서 PMI 를 선택하는 과정은 다음과 같다. 수신단은 각각의 PMI 에 대하여 이전에 처리한 SINR 을 계산하고, 계산된 SINR 을 총합 용량(sum capacity)로 변환하여, 총합 용량에 기초하여 최적의(best) PMI 를 선택할 수 있다. 즉, 수신단이 PMI 를 계산하는 것은 총합 용량에 기초하여 최적의 PMI 를 찾는 과정이라 할 수 있다. 수신단으로부터 PMI 를 피드백 받은 송신단은, 수신단이 추천하는 프리코딩 행렬을 그대로 이용할 수 있고, 이러한 사실을 수신단으로의 데이터 전송 스케줄링 할당 정보에 1 비트의 지시자로서 포함시킬 수 있다. 또는, 송신단은 수신단으로부터 피드백 받은 PMI 가 나타내는 프리코딩 행렬을 그대로 이용하지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 송신단이 수신단으로의 데이터 전송에 이용하는 프리코딩 행렬 정보를 스케줄링 할당 정보에 명시적으로 포함시킬 수 있다.

CQI 는 채널의 세기를 나타내는 값으로 통상 기지국이 PMI 를 이용했을 때 얻을 수 있는 수신 SINR 을 의미한다. 단말은 미리 정해진 변조 방식(modulation scheme) 및 코딩율(code rate)의 조합들로 구성되는 집합에서 특정 조합을 지시하는 CQI 인덱스를 기지국에 보고한다.

이하, 하향링크 참조 신호에 관하여 상세히 설명한다.

도 6 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, 공용 참조 신호(CRS)가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.

도 6 에 도시된 R0 내지 R3 은 각각 안테나 포트 0 내지 3 를 위한 CRS 가 매핑되는 자원 요소를 나타낸다. 즉, Rp 는 안테나 포트 인덱스 p 상에서의 참조 신호 전송이 매핑되는 자원 요소를 나타낸다.

CRS 는 송신측(기지국)의 안테나 구성에 따라 다양한 형태의 CRS 가 정의된다. 3GPP LTE 시스템은 다양한 안테나 구성(Antenna configuration)을 지원하며, 하향링크 신호 송신측(기지국)은 단일 안테나, 2 전송 안테나, 4 전송 안테나 등 3 종류의 안테나 구성을 가진다. 다중 안테나를 지원하는 경우, 어떤 안테나 포트에서 참조 신호를 전송하는 경우, 참조 신호 패턴에 따라 지정된 자원 요소(RE) 위치에 참조 신호를 전송하고, 다른 안테나 포트를 위해 지정된 자원 요소 위치에는 어떠한 신호도 전송하지 않는다.

CRS 를 통한 채널 추정 성능을 높이기 위해 셀 별로 참조 신호의 충돌이 발생하지 않도록 주파수 영역 상의 위치를 시프트(shift)시켜 다르게 할 수 있다. 일례로, 하나의 안테나의 관점에서 살펴보면, 주파수 영역에서 각 참조 신호가 6 부반송파 간격으로 위치할 수 있다. 따라서, 주파수 영역에서 부반송파 단위의 천이를 통해 적어도 5 개의 인접 셀은 주파수 영역에서 서로 다른 위치에 참조 신호를 위치하게 할 수 있다.

또한, 미리 정의된 시퀀스(예, Pseudo-random (PN), m-sequence 등)를 셀 별 하향링크 참조 신호에 곱하여 전송함으로써 수신기에서 인접 셀로부터 수신되는 파일럿 심볼의 신호의 간섭을 감소시켜 채널추정 성능을 향상시킬 수 있다. PN 시퀀스는 하나의 서브프레임내의 OFDM 심볼단위로 적용되며, 셀 ID 와 서브프레임 번호 그리고 OFDM 심볼 위치, 단말기의 ID 에 따라 다른 PN 시퀀스가 적용될 수 있다.

DM-RS 는 데이터 복조를 위한 참조신호이므로, 하향링크 데이터 채널이 할당되는 영역에 위치하며, 하향링크 데이터 채널이 할당되는 영역에서 CRS 가 할당되지 않은 위치에 할당된다. 단말은 상위 계층을 통하여 DM-RS 의 존재 여부, 즉 하향링크 데이터 채널 전송이 CRS 기반으로 전송되는지 DM-RS 기반으로 전송되는지 시그널링 받는다.

도 7 및 도 8 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, 단말 특정 참조 신호(DM-RS)가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.

3GGP LTE 시스템에서는 안테나 포트 p = 5 , p = 7 , p = 8 또는 p = 7,8,...,υ+6 에 대한 DM-RS 를 정의하고 있다. 여기서, υ 는 PDSCH 가 전송되는 레이어의 개수를 의미한다. 서로 다른 안테나 포트에 대한 DM RS 는 상이한 주파수 자원(부반송파) 및/또는 상이한 시간 자원(OFDM 심볼)에 위치하는 것으로 구분될 수 있다. DM-RS 세트(S)는 S = {7,8,11,13} 와 S = {9,10,12,14} 로 구분될 수 있으며, DM-RS 는 특정 안테나 포트 세트(S) 내에 포함된 어느 안테나 포트를 통해서 하나의 단말에 전송될 수 있다. DM-RS 세트 1 에 포함되는 안테나 포트 {7, 8, 11, 13}에 대한 DM-RS 는 동일한 자원 요소에 매핑될 수 있으며, 이들은 직교 코드에 의해 다중화될 수 있다. 또한, DM-RS 세트 2 에 포함되는 안테나 포트 {9, 10, 12, 14}에 대한 DM-RS 는 동일한 자원 요소에 매핑될 수 있으며, 이들은 직교 코드에 의해 다중화될 수 있다. 단말에 전송되는 레이어의 수가 적은 경우(예를 들어, 전송 레이어의 수가 1 내지 2 개인 경우)에는 하나의 세트에 포함되는 안테나 포트에 대한 DRS 패턴이 사용될 수 있으나, 단말에 전송되는 전송 레이어의 수가 많을 경우(예를 들어, 전송 레이어의 수가 3 내지 8 개인 경우)에는 두 개의 세트에 포함되는 안테나 포트에 대한 DM-RS 패턴이 사용될 수 있다.

도 7 에서는 안테나 포트 5 를 통해 전송되는 DM-RS 의 패턴을 예시하고 있으며, 도 8 에서는 안테나 포트 7 내지 10 를 통해 전송되는 DM-RS 의 패턴을 예시하고 있다. 도 7 및 도 8 에서 도시된 R5, R7 내지 R10 은 각각 안테나 포트 5, 7 내지 10 를 위한 DM-RS 가 매핑되는 자원 요소를 나타낸다. 즉, Rp 는 안테나 포트 인덱스 p 상에서의 참조 신호 전송이 매핑되는 자원 요소를 나타낸다.

기존의 안테나 구성을 갖는 시스템 (예를 들어, 4 전송 안테나를 지원하는 LTE 릴리즈 8 시스템)에 비하여 확장된 안테나 구성을 갖는 시스템(예를 들어, 8 전송 안테나를 지원하는 LTE-A 시스템)에서는 채널상태정보(CSI)를 획득하기 위한 새로운 참조신호의 전송이 요구된다. 전술한 CRS 는 안테나 포트 0 내지 3 을 위한 참조신호이기 때문에 확장된 안테나 포트 상의 채널 상태를 획득할 수 있는 새로운 참조신호가 추가적으로 설계될 것이 요구된다.

CSI-RS 는 CRS 와 별도로 PDSCH 에 대한 채널 측정을 목적으로 제안되었으며, CRS 와 달리 CSI-RS 는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭(ICI: inter-cell interference)를 줄이기 위하여 최대 32 가지의 서로 다른 설정(configuration)으로 정의될 수 있다.

CSI-RS 에 대한 설정(configuration)은 셀의 안테나 포트의 개수에 따라 서로 다르며, 인접 셀 간에는 최대한 다른 설정으로 정의되는 CSI-RS 가 송신되도록 구성된다. 또한, CSI-RS 설정(configuration)은 순환 전치의 타입(일반 순환 전치 또는 확장 순환 전치)에 구분되며, 프레임 구조(FS: frame structure) 타입에 따라 FS1 과 FS2 모두에 적용되는 경우와 FS2 만 지원하는 경우로 구분될 수 있다. 또한, CSI-RS 는 CRS 와 달리 최대 8 개의 안테나 포트(p = 15 , p = 15,16 , p = 15,...,18 또는 p = 15,...,22)까지 지원하며, Δf = 15 kHz 에 대해서만 정의된다.

도 9 은 일반 순환 전치를 사용하는 경우, CSI-RS 설정 #0 에 따른 CSI-RS 가 자원 블록 상에 배치되는 패턴을 예시한다.

도 9 를 참조하면, 하향링크 데이터가 전송되는 하나의 자원블록 상에서 CSI-RS 가 전송되는 자원요소의 위치를 나타낸다. 서로 다른 안테나 포트에 대한 CSI-RS 는 상이한 주파수 자원(부반송파) 및/또는 상이한 시간 자원(OFDM 심볼)에 위치하는 것으로 구분될 수 있다. 또한, 동일한 시간-주파수 자원 상에 위치하는 서로 다른 안테나 포트에 대한 CSI-RS 들은 서로 직교 코드(orthogonal code)에 의해서 구분될 수 있다.

도 8 의 예시에서 안테나 포트 15 및 16 에 대한 CSI-RS 들, 안테나 포트 17 및 18 에 대한 CSI-RS 들, 안테나 포트 19 및 20 에 대한 CSI-RS 들, 안테나 포트 21 및 22 에 대한 CSI-RS 들은 각각 동일한 자원 요소에 위치할 수 있으며, 이들은 직교 코드에 의해 다중화될 수 있다.

이하, 다중 CSI-RS 설정에 대하여 살펴본다.

단일의 셀 내에서 다중 CSI-RS 설정이 사용될 수 있다. 즉, 단말이 CSI-RS 를 위한 넌-제로 전송 전력(non-zero transmission power)을 가정하는 하나(또는 0)의 설정과 단말이 제로 전송 전력(zero transmission power)을 가정하는 다수의 설정(또는 0)이 사용될 수 있다.

상위 계층에 의하여 설정된 16 비트 비트맵 'ZeroPowerCSI-RS'에서 1 로 설정된 각 비트에 대하여, 단말은 각각 일반 순환 전치 및 확장 순환 전치에 따른 아래 표 1 및 표 2 의 4 개의 CSI-RS 컬럼(column)에 해당하는 자원 요소에서는 제로 전송 전력(zero transmission power)을 가정한다. 이때, 상위 계층에 의하여 설정된 넌-제로 전송 전력(non-zero transmission power) CSI-RS 자원 요소와 중첩(overlap)되는 자원 요소들은 제외한다. 비트맵의 최상위 비트는 가장 낮은 CSI-RS 설정 인덱스에 해당하고, 그 다음의 비트들은 순차적으로 CSI-RS 설정 인덱스에 해당한다.

CSI-RS 는 각각 일반 순환 전치 및 확장 순환 전치에 따른 아래 표 1 및 표 2 에서 n _s mod 2 를 만족하는 하향링크 슬롯에만 존재할 수 있다.

단말은 다음과 같은 경우 CSI-RS 가 전송되지 않는다고 가정한다.

- 프레임 구조 타입 2 의 경우 스페셜 서브프레임

- CSI-RS 의 전송이 동기 신호, 물리 방송 채널(PBCH) 또는 SystemInformationBlockType1 메시지의 전송과 충돌되는 서브프레임

- 페이징 메시지 전송이 설정된 서브프레임

안테나 포트 세트(S)는 S = {15} , S = {15,16} , S = {17,18} , S = {19,20} 또는 S = {21,22} 로 구분될 수 있으며, 하나의 안테나 포트 세트 내 특정 안테나 포트 상에서 CSI-RS 전송을 위하여 사용되는 자원 요소 (k,l) 는 동일한 슬롯 내에서 다른 안테나 포트를 통한 PDSCH 전송을 위해 사용되지 않으며, 동일한 슬롯 내에서 해당 안테나 포트 세트(S) 내에서 다른 안테나 포트에 대한 CSI-RS 전송을 위해 사용되지 않는다.

표 1 은 일반 순환 전치가 사용되는 경우, CSI-RS 설정에 따른 자원 요소 (k',l') 의 매핑 관계를 예시한다.

[표 1]

표 2 는 확장 순환 전치가 사용되는 경우, CSI-RS 설정에 따른 자원 요소 (k',l') 의 매핑 관계를 예시한다.

[표 2]

CSI-RS 는 매 서브프레임이 아닌 특정 서브프레임에서 전송될 수 있다. 구체적으로, CSI-RS 는 다음 표 3 과 같은 CSI-RS 서브프레임 설정(subframe configuration)을 참조하되, 다음 수학식 1 을 만족하는 서브프레임에서 전송될 수 있다.

[표 3]

표 3 에서 T _CSI _- _RS 는 CSI-RS 가 전송되는 주기, Δ_CSI _- _RS 는 오프셋값, n _f 는 시스템 프레임 넘버, n _s 는 슬롯 넘버를 각각 의미한다. I _CSI _- _RS 는 CSI-RS 별로 개별적으로 설정될 수 있다.

[수학식 1]

또한, 상술한 CSI-RS 는 다음 표 4 과 같은 CSI-RS config 정보 요소로써 단말에게 시그널링될 수 있다.

[표 4]

표 4 에서 'antennaPortsCount-r10'은 CSI-RS 가 전송되는 안테나의 개수가 몇 개인지(1, 2, 4, 8 개 중 선택), 'resourceConfig-r10'는 시간-자원 주파수 상에서 하나의 RB 내에 어떤 RE 에 위치하는지, 'subframeConfig-r10'는 어떤 서브 프레임에서 전송되는지와 더불어 PDSCH EPRE 에 대한 CSI-RS EPRE 값이 전송된다. 추가적으로 기지국이 제로 파워(zero power) CSI-RS 에 대한 정보도 함께 전달해 준다.

CSI-RS 설정에서의 'resourceConfig-r10'은 CSI-RS 가 전송되는 위치를 나타낸다. 이는 0~31 까지의 숫자로서 표현되는 CSI-RS 설정 번호(표 1 또는 표 2 참조)에 따라서, 한 자원 블록 내에서의 정확한 심볼 및 서브 캐리어 위치를 지시한다.

표 5 는 CSI-RS 설정 필드의 설명을 예시한다.

계층적 빔포밍( Hierarchical beamforming )

매시브 MIMO(Massive MIMO: Massive Multi-Input Multi-Output) 시스템은 많은 수의 안테나를 사용하여 빔 이득(beam gain)을 최대화하고 인트라-셀(intra-cell) 간섭과 잡음(noise)의 영향을 제거할 수 있다. 이러한, 매시브 MIMO 시스템에서는 TDD(Time Division Duplex)와 FDD(Frequency Division Duplex)와 같이 듀플렉스(duplex) 방식에 따라 전송 방식이 다를 수 있다.

TDD 시스템은 하향링크와 상향링크가 동일한 주파수 대역을 사용하고 시간으로 구분하는 방식을 의미한다. 따라서 무선채널의 코히런스 시간(coherence time)이 큰 경우 즉, 도플러 효과(Doppler effect)가 적은 경우 하향링크와 상향링크의 무선채널 특성은 동일하다고 가정할 수 있다. 이를 대칭성(reciprocity)라고 할 수 있다. 따라서, 기지국은 상향링크로 송신된 단말들의 참조 신호(RS)를 이용하여 채널 추정을 수행하고 하향링크 전송 시 추정된 채널 정보를 이용하여 하향링크 신호를 전송할 수 있다. 즉, 기지국은 하향링크 채널 정보를 획득하기 위하여 별도의 하향링크 참조 신호를 송신할 필요가 없으므로 자원 오버헤드 관점에서 이득을 얻을 수 있으며, 많은 수의 안테나를 사용하는 매시브 MIMO 에서는 큰 이득으로 작용한다. 또한, 매시브 MIMO 시스템의 주된 목적인 빔 포밍(beamforming) 관점에서 살펴보면, 상술한 바와 같이 TDD 시스템에서는 대칭성(reciprocity)을 이용하여 수신단(예를 들어, 단말)에서 전송한 채널이나 신호를 이용하여 송신단(예를 들어, 기지국)이 빔포밍 벡터(beamforming vector)를 계산할 수 있다. 빔포밍 벡터는 각 안테나에 적용되는 가중치를 벡터로 구성한 것을 의미한다. 예를 들어, 빔 포밍 벡터가 w = [w ₁ w ₂ … w _N]^T 라면 송신신호 S 에 w _k 를 곱하여 k 번째 안테나에서 전송한다. 다만, TDD 의 경우는 왕복 지연 시간(round trip delay)를 고려하여 프레임 구조 상에 하향링크와 상향링크 간 전환되는 시간, 즉 전환 보호 시간(transition guard time)을 위한 갭(gap)이 고려 되어야 한다. 즉, 셀 커버리지가 클수록 전환 보호 시간이 늘어나게 되고 이는 수율(throughput) 저하로 작용하기 때문에 TDD 시스템은 FDD 에 비하여 셀 커버리지에 제약 조건이 따른다. 또한, TDD 시스템은 인접 기지국간의 간섭 영향을 제어하기 위하여 각 기지국간 동일한 하향링크/상향링크 구성(DL/UL configuration)이 고려되어야 하며 기지국 간 상/하향 전송 동기가 이루어져야 하는 제약조건이 존재한다. 이러한 TDD 의 단점으로 인하여 매시브 MIMO 의 듀플렉스 방식을 FDD 에서도 고려할 수 있다.

FDD 시스템은 하향링크와 상향링크가 다른 주파수를 사용하는 방식이다. 따라서, 기지국은 TDD 와 같이 하향링크 전송 시 상향링크로 송신된 단말들의 참조 신호(RS)를 이용하여 추정된 채널정보를 이용할 수 없다. 즉, FDD 시스템에서는 그러한 채널 대칭성의 특성을 이용할 수 없으므로 다른 방법을 모색해야 한다. 따라서, FDD 시스템의 경우, TDD 시스템의 경우와는 달리 기지국이 하향링크에 대한 채널 정보를 획득하기 위해서는 반드시 참조 신호를 전송하고 단말로부터 채널정보를 피드백 받아야 한다. 즉, 송신단(예를 들어, 기지국)의 각 안테나의 채널을 추정할 수 있는 참조 신호나 파일럿을 기지국이 제공하고 수신단(예를 들어, 단말)에서 참조 신호를 이용하여 추정한 채널을 기반으로 채널 상태 정보를 기지국으로 보고한다. 이하 도 10 은 이러한 기존의 빔 포밍(Conventional Beamforming) 동작을 예시한다.

도 10 은 기존의 빔 포밍(Conventional Beamforming) 동작을 예시하는 도면이다.

도 10 을 참조하면, 기존의 빔 포밍(CBF: Conventional BeamForming) 방식이 적용되는 경우, 기지국은 M 개의 빔 패턴(beam pattern)을 단말에 제공하기 위하여 총 M 개의 참조 신호를 전송한다. 도 10 의 예시에서는 M=16 인 경우를 예시한다. 단말은 M 개의 참조 신호에서 #2 의 빔을 기지국에 보고하고, 기지국은 해당 단말에게 하향링크 전송 시 #2 에 해당하는 프리코딩을 수행하여 하향링크 신호를 전송하게 된다.

IEEE 802.16m 이나 LTE/LTE-A 시스템에서는 단말(즉, 수신단)은 기지국(즉, 송신단)의 안테나 개수에 해당하는 코드북에서 적절한 빔포밍 벡터(또는 프리코딩 행렬/벡터)를 선택하여 그 인덱스를 기지국에 보고한다. 이러한 코드북 기반 빔포밍(또는 프리코딩)은 단말에서 기지국으로 보내주는 정보량이 코드북의 크기에 좌우되는데, 일반적으로 6 비트 이하의 코드북 크기를 이용하여도 2,4 또는 8 Tx 시스템에서는 최적 성능 대비 차선적인 성능(suboptimal performance)를 얻을 수 있기 때문에 상용 시스템에서 사용할 수 있는 바람직한 기법이다. 또한, FDD 시스템에서 빔포밍 이득을 얻기 위한 방법으로 코드북 기반 빔포밍 이외에도 채널 행렬이나 해당 공분산 행렬(covariance matrix)를 양자화하여 기지국으로 알려주거나 양자화하지 않은 아날로그 값을 그대로 기지국으로 전송하는 방식들도 제안 되어 왔다.

다만, 매시브 MIMO 에서는 많은 수의 안테나를 고려하므로 참조 신호의 오버헤드 뿐만 아니라 단말이 송신해야 하는 피드백 오버헤드도 고려해야 한다. 만약, FDD 시스템에서 기지국의 안테나 수를 100 개로 가정하고 모든 안테나가 빔포밍(beamforming)을 위하여 각각 사용되는 경우, 기지국이 참조 신호를 전송하기 위하여 사용해야 하는 자원 요소(RE)의 개수는 100 개 이상이 필요하다. 이때, 자원 요소는 시간, 주파수 뿐만 아니라 코드영역에서 사용할 수 있는 자원을 의미한다. 예를 들면, LTE 시스템에서 한 개의 자원 블록(RB) 내에서 CRS를 전송하기 위하여 8 개(단일 안테나의 경우), 16 개(2 개의 안테나의 경우), 24 개(4 개의 안테나의 경우)의 자원 요소를 사용하고 CSI-RS 를 전송하기 위해서는 8 개(8 개의 안테나의 경우)의 자원 요소를 사용한다. 안테나 개수가 증가함에 따라 발생하는 문제점은 참조 신호 오버헤드 뿐만 아니라 단말의 피드백 정보량과 코드북 설계 시 오버헤드로 작용될 수 있다. 예를 들면, 기지국이 전송하는 안테나 개수에 따라 코드북 설계가 각각 이루어져야 하며 이는 기지국으로 하여금 전송 안테나 수에 대한 제약 조건이나 코드북 종류가 매우 많아지게 되는 결과를 야기할 수 있다. 또한, 코드북 기반의 폐쇄 루프 MIMO(closed loop MIMO)를 사용하기 위해서는 안테나 개수가 증가함에 따라 각 안테나 개수에 해당하는 코드북이 표현해야 할 차원(dimension)의 개수가 증가하고 이에 따라 코드북 크기가 비례하여 증가하게 된다. 따라서 단말은 코드북 내에서 적합한 PMI을 계산하기 위하여 많은 연산을 수행해야 하며 코드북 종류 및 크기의 증가로 인하여 피드백 할 정보량도 증가하게 된다.

이와 같은 기존의 기법으로 하향링크에 대한 채널 정보 획득 과정은 많은 수의 안테나를 고려하는 매시브 MIMO 시스템에서는 적합하지 않다. 따라서 FDD 시스템에서 매시브 MIMO 시스템을 사용하기 위한 방안, 즉 FDD 시스템에서 매시브 안테나가 송신단에 설치되는 경우, 전송 빔포밍 이득(Tx beamforming gain)을 충분히 얻으면서 이를 지원하기 위한 시스템 오버헤드와 복잡도를 합리적(reasonable)인 범위에서 유지하기 위한 방법을 제안한다.

본 발명에서는 참조 신호 오버헤드나 피드백 오버헤드를 감소시키기 위하여 랜덤 빔포밍(Random beamforming)이 고려될 수 있다. 랜덤 빔포밍은 빔포밍을 수행할 때 단말로부터 수신 받은 채널정보 없이 개루프(open loop)형태로 혹은 제한된 정보만을 이용하여 여러 개의 빔 패턴(beam pattern)을 랜덤하게 송신하고 이를 통해 단말의 수신 신호 잡음 비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)을 올릴 수 있는 기법을 의미한다. 랜덤 빔포밍에는 다양한 개루프 빔포밍(open loop beamforming) 기술이나 혹은 단말로부터 어떠한 정보를 받아서 빔의 랜덤한 특성을 적응(adaptation)하는 것에 대한 많은 기술들이 포함 될 수 있다. 이하, 본 발명에서 제안하는 기술은 랜덤 빔포밍을 수행할 때 빔의 형태를 계층적(hierarchical)으로 설계하고 단말은 빔 인덱스를 피드백하는 것을 배경으로 한다. 이를 계층적 빔 포밍(HBF: Hierarchical BeamFormaing) 또는 계층적 빔 선택(HBS: Hierarchical Beam Selection)이라고 지칭할 수 있다. 제안하는 기법을 매시브 MIMO 에 적용할 경우, 각 안테나 별로 참조 신호를 전송할 필요가 없으며, 단말은 각 안테나에 대한 채널 정보를 피드백하지 않고 단말이 선호하는 빔 인덱스만을 피드백하면 되므로 참조 신호 및 피드백 오버헤드를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 방법을 예시하는 도면이다.

도 11 을 참조하면, 송신단은 랜덤 빔포밍(Random beamforming)을 수행하여 M 개의 빔을 수신단에 전송한다(S1101). 이때, 송신단은 M 개(M＜=송신단 안테나 개수)의 참조 신호를 이용하여 빔 패턴을 수신단에게 전송할 수 있다. 즉, M 개의 빔은 각각 참조 신호에 대응될 수 있다. 또한, 빔은 각 안테나 포트로 매핑되어 참조 신호의 형태로 전송될 수도 있다.

수신단은 송신단으로부터 전송되는 M 개의 빔들을 측정하여 적어도 한개 이상의 N 개의 빔을 선택한 후 선택한 빔에 대한 정보를 송신단으로 전송한다(S1103). 여기서, 빔에 대한 정보는 선택한 빔의 인덱스(또는 참조 신호 인덱스, 안테나 포트 인덱스), 선택한 빔의 신호 세기(signal strength), 선택한 빔의 채널 상태 정보(예를 들어, CSI, CQI, PMI, RI, RSRP 등), PMI 가 적용되었을 때의 신호 품질 중 적어도 어느 하나의 정보를 포함할 수 있다. S1101 및 S1103 단계를 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 방법의 첫 번째 단계 또는 초기 단계로 지칭할 수 있으며, 첫 번째 단계 또는 초기 단계에서 단말이 피드백하는 정보를 제 1 피드백 정보로 지칭할 수 있다.

이어, 송신단은 수신단으로부터 수신한 첫 번째 단계에서 수신한 N 개의 빔에 대한 정보를 고려하여 M₁ 개의 빔을 수신단에 전송한다(S1105). 여기서, M₁ 개의 빔(예를 들어, 빔 각도 등)은 수신단이 이전 단계(즉, 첫 번째 단계)에서 선택한 N 개의 빔에 의하여 정해질 수 있다. 그리고, 수신단은 송신단으로부터 전송되는 M₁ 개의 빔들을 측정하여 적어도 한 개 이상의 N₁ 개의 빔을 선택한 후 선택한 빔에 대한 정보를 송신단으로 전송한다(S1107). 마찬가지로, 빔에 대한 정보는 선택한 빔의 인덱스(또는 참조 신호 인덱스, 안테나 포트 인덱스), 선택한 빔의 신호 세기(signal strength), 선택한 빔의 채널 상태 정보(예를 들어, CSI, CQI, PMI 등) 중 적어도 어느 하나의 정보를 포함할 수 있다. S1105 및 S1107 단계를 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 방법의 두 번째 단계로 지칭할 수 있다. 또는, 상술한 초기 단계 이후의 각 단계(S1105 단계 내지 S1111 단계)들을 통틀어 반복 단계로 지칭하고, 반복 단계에서 단말이 피드백하는 정보를 제 2 피드백 정보로 지칭할 수 있다.

이후, 각 단계가 반복되면서 송신단은 이전 J-1 번째 단계에서 수신한 빔에 대한 정보를 고려하여 M_(J-1) 개의 빔을 수신단에 전송하며(S1109), 수신단은 송신단으로부터 전송되는 M_(J-1) 개의 빔들을 측정하여 적어도 한 개 이상의 N_(J-1) 개의 빔을 선택한 후 선택한 빔에 대한 정보를 송신단으로 전송한다(S1111). 이때, 각 단계의 반복 횟수를 의미하는 계층적 깊이(hierarchical depth) 또는 단계 크기(step size)는 미리 정해져 있어 기지국과 단말이 서로 알고 있을 수 있으며, 기지국이 상위 계층 시그널링 등을 통해 단말에 알려줄 수도 있다.

앞서 설명한 계층적 빔 포밍 동작을 위한 각 단계들은 주기적으로 수행되도록 설정될 수 있다. 또한, 각 단계 별로 송신단에 의하여 제공되는 빔은 독립적으로 설계될 수 있으며, 각 단계에서 수신단의 동작(behaviour)은 독립적으로 수행될 수 있다.

도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 동작을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 12 는 두 단계에 걸쳐 송신단이 빔들을 수신단에 전송하고 수신단이 각 단계에서 빔을 선택하여 이에 대한 정보를 송신단으로 알려주는 경우를 예시하고 있다. 첫 번째 단계에서 송신단은 M 개의 빔(도 12 에서는 M=4)을 전송하고, 수신단은 M 개의 빔 중에서 하나의 빔에 대한 정보(예를 들어, 빔 인덱스, 신호 세기, 채널 상태 정보(CQI 등) 중 적어도 하나 이상)를 송신단으로 전송할 수 있다. 두 번째 단계에서 송신단은 수신단이 전송한 빔에 대한 정보에 기초하여 M₁ 개(M=M₁ 또는 M≠M₁)의 빔들을 구성하여 수신단에 제공한다. 수신단은 이중 하나의 빔에 대한 정보를 송신단으로 재전송한다. 도 12 에서는 수신단이 기존의 빔 포빙 기법과 마찬가지로 하나의 빔을 선택하여 선택한 빔에 대한 정보를 송신단으로 보고하는 경우를 예시하고 있다. 다만, 수신단이 복수의 빔을 선택하여 선택한 빔에 대한 정보를 송신단으로 보고하거나 각 단계 별로 서로 다른 정보를 송신단으로 보고할 수도 있으며, 이에 관하여 도 13 을 참조하여 설명한다.

도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 동작을 개략적으로 도시한 다른 도면이다.

도 13 을 참조하면, 첫 단계에서 송신단이 M 개의 빔(도 13 에서는 M=4)을 제공하고 수신단은 M 개의 빔 중에서 N₁ 개의 빔(도 13 에서는 N₁=2)에 대한 정보(예를 들어, 빔 인덱스, 신호 세기, 채널 상태 정보(CQI 등) 중 적어도 하나 이상)를 송신단으로 전송한다. 두 번째 단계에서 송신단은 수신단이 전송한 빔에 대한 정보에 기초하여 M₁ 개(M=M₁ 또는 M≠M₁)의 빔들을 제공한다. 수신단은 M₁ 개의 빔들 중 N₂ 개의 빔에 대한 정보(예를 들어, 빔 인덱스 및/또는 PMI)를 송신단으로 전송한다. PMI 는 N₂ Tx 코드북(codebook)에서 선택할 수 있다. 이때 바람직한 N₂ 값은 2 이며, 수신단은 신호 세기가 가장 큰 N₂ 개의 빔을 선택하는 것이 바람직하다. 다만, 도 13 의 예시에서는 두 번째 단계에서 빔에 대한 정보로 PMI 를 전송하는 경우를 설명하였으나, 첫 번째 단계에서 수신단이 전송하는 N₁ 개의 빔에 대한 정보에 PMI 가 포함될 수도 있다. 이 경우 PMI 는 N₁ Tx 코드북(codebook)에서 선택할 수 있다. 또한, 바람직한 N₁ 값은 2 가 될 수 있으며, 수신단은 신호 세기가 가장 큰 N₁ 개의 빔을 선택하는 것이 바람직하다.

만약, 가시선(LOS: Line Of Sight)이 지배적인 환경에서는 수신단이 선택한 N₁ 개의 빔(첫 번째 단계) 또는 N₂ 개의 빔(두 번째 단계)은 연속된 인덱스를 가질 확률이 높다. 이 경우, 수신단이 N₁ 개의 빔(첫 번째 단계) 또는 N₂ 개의 빔(두 번째 단계)에 대한 인덱스를 송신단에 보고할 때, 이 중 하나의 빔 인덱스(예를 들어, N₁ 개 또는 N₂ 개의 빔 인덱스 중 가장 낮거나 가장 높은 인덱스)만을 송신단에 전송할 수도 있다.

이처럼, 계층적 빔 포밍 기법을 사용함으로써 앞서 설명한 기존의 빔 포밍(CBF)과 비교하여 참조 신호의 오버헤드를 최소화할 수 있다. 앞서 도 10 의 예시(M=16 인 경우)에서는 16 개의 빔을 제공하기 위하여 총 16 개의 참조 신호를 사용하여야 했으나, 도 12 또는 도 13 의 예시와 같은 상황에서 도 10 과 동일한 빔 품질을 제공하기 위해서는 첫 번째 단계에서 4 개의 빔을 제공하므로 4 개의 참조 신호를 사용하고, 두 번째 단계에서 단말이 선호하는 빔 내에서 빔을 4 개 전송(첫 번째 단계와 동일한 빔 개수를 사용한다고 가정)하므로 총 8 개의 참조 신호를 사용하게 된다. 즉, 제안하는 기술은 CBF 와 동일한 빔 품질(beam quality)를 제공하면서 M(CBF 에서의 빔 개수)/J(HBF 에서 단계의 크기)만큼의 참조 신호를 사용하여 오버헤드를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 계층적 빔 포밍 기법에서 CBF 와 동일한 참조 신호 오버헤드를 가지는 경우 보다 높은 빔 품질을 제공할 수 있으며, 이하 도 14 를 참조하여 설명한다.

도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamformaing) 동작을 개략적으로 도시한 또 다른 도면이다.

도 13 을 참조하면, 첫 번째 단계에서 16 개(M=16 인 경우)의 참조 신호를 사용하여 16 개의 빔 패턴을 전송하고, 단말이 선호하는 빔에 대하여 두 번째 단계에서 16 개의 빔 패턴을 전송하게 되므로 기존의 CBF 보다 더 적응적인 빔포밍(adaptive beamforming)이 가능하다.

본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법은 하향링크와 상향링크 모두에 적용될 수 있으며, 이하 설명의 편의를 위하여 하향링크와 상향링크를 구분하여 설명한다.

하향링크

본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법을 각 단계 별로 보다 상세히 설명한다. 이하, 기지국의 안테나 개수가 N 개이고, 계층적 깊이(hierarchical depth) 또는 단계 크기(step size)는 J 라고 가정한다.

1) 첫 번째 단계

기지국은 셀 특정(cell-specific)하게 m(m＜=N)개의 참조 신호를 사용하여 m 개의 빔 패턴(beam pattern)을 송신할 수 있다. 예를 들어, 기존의 LTE/LTE-A 시스템에서는 안테나 포트 별로 상이한 참조 신호를 전송하므로, 기지국이 100 개 안테나를 이용하는 경우에는 100 개의 참조 신호가 생성되어야 한다. 다만, 본 발명에 따르면, 빔 패턴 별로 상이한 참조 신호를 전송할 수 있다. 즉, 기지국이 100 개의 안테나를 이용하더라도 100 개 이하의 빔 패턴 개수만큼의 참조 신호를 전송할 수 있다. 결국, 각각의 빔 패턴은 프리코딩 된 참조 신호(예를 들어, CSI-RS)라고 할 수 있으며, 일례로, LTE 시스템에 본 발명을 적용하는 경우 기지국은 균등하게 펼쳐진 방향성을 가지도록 프리코딩 된 m 개의 CSI-RS 를 사용하여 빔 패턴을 단말에 전송할 수 있다.

이때, m 개의 빔 패턴(beam pattern)을 생성하기 위해서 각 참조 신호에 대하여 아래 수학식 2 와 같은 스티어링 벡터(steering vector)가 사용될 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2 를 참조하면, k 는 2π/λ 이며 λ 는 전송 주파수의 파장을 의미하고 d 는 안테나 간의 거리를 의미한다.

는 j 번째 단계에서 m 번째 빔 패턴에 대한 각도를 의미한다. β 는 안테나로 송출되는 신호의 전체 파워를 정규화(normalize)하기 위한 상수 값으로 스티어링 벡터(steering vector)의 요소(element)의 절대값의 합(유클리드 놈(Euclidean norm) 값)의 제곱을 의미한다.

이때, 빔 패턴을 생성하기 위해 사용되는 안테나 수로 인하여 빔 폭(beam width)가 결정된다. 즉, 많은 수의 안테나를 이용할수록 보다 좁은(narrow) 빔 폭을 가지는 빔 패턴을 생성할 수 있다. 따라서, 보다 넓은 빔 폭을 제공하기 위하여 아래 수학식 3 내지 5 와 같은 스티어링 벡터를 이용할 수 있다. 이는 첫 번째 단계는 기지국이 모든 방향에 대하여 균등하게 빔 패턴을 단말에 전송함으로써 단말에 향하는 방향성을 탐색하기 위한 과정이므로, 기지국은 보다 넓은 폭은 가지는 빔 패턴을 이용함으로써 셀 커버리지 내에 속한 모든 단말에 향하는 방향성을 탐색할 수 있다.

[수학식 3]

수학식 3 을 참조하면, 스티어링 벡터에 짝수 번째 안테나들에 0 값을 적용함으로써 해당 안테나들에서는 신호를 전송하지 않으며, 전체 안테나 개수의 절반(N/2)만을 이용하여 빔 패턴을 생성하게 되므로 넓은 빔 폭을 제공할 수 있다. 예를 들어, 앞서 수학식 2 와 비교하면, 생성된 각각의 빔 패턴의 각도는 앞서 수학식 2 에 의하여 생성된 각각의 빔 패턴의 각도와 동일할 수 있으나, 보다 적은 안테나들을 이용하여 빔 패턴을 생성함으로써 각각의 빔 폭이 보다 넓어질 수 있다. 또한, 수학식 3 에서는 전체 안테나 개수의 절반(N/2)을 이용하여 빔 패턴을 생성하는 예를 설명하였으나, 이와 상이한 안테나 개수(예를 들어, 전체 안테나 개수의 1/4, 1/8 등)를 이용하여 빔 패턴을 생성할 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 각 빔 패턴의 각도 별로 동일한 빔 폭을 제공하기 위하여 빔 패턴의 생성에 이용되는 안테나의 간격은 일정할 수 있다. 예를 들어, 전체 안테나 개수의 1/4 에 해당하는 안테나들을 이용하는 경우, 4 개의 간격을 가지는 안테나들이 빔 패턴의 생성에 이용될 수 있다.

혹은, 일정 개수의 안테나를 그룹핑(grouping)하여 아래 수학식 4 와 같이 스티어링 벡터를 구성할 수도 있다.

[수학식 4]

수학식 4 를 참조하면, 동일한 그룹에 속하는 안테나에는 동일한 값이 적용되어 그룹 별로 동일한 신호를 전송함으로써, 결국 전체 안테나 개수만큼 서로 다른 값이 적용되는 경우에 비하여 넓은 빔 폭을 제공할 수 있다. 예를 들어, 앞서 수학식 2 와과 비교하면, 생성된 각각의 빔 패턴의 각도는 앞서 수학식 2 에 의하여 생성된 각각의 빔 패턴의 각도와 동일할 수 있으나, 보다 적은 안테나들을 이용하여 빔 패턴을 생성함으로써 각각의 빔 폭이 보다 넓어질 수 있다. 수학식 4 에서는 하나의 그룹 당 2 개의 안테나가 속하는 예시를 설명하였으나, 하나의 그룹을 구성하는 안테나의 개수(예를 들어, 3 개, 4 개 등)는 이와 상이할 수 있다.

혹은, 일정 개수의 빔 패턴을 묶어서 하나의 참조 신호로 전송할 수도 있다. 두 개의 빔 패턴을 묶을 때의 스티어링 벡터는 아래 수학식 5 와 같다.

[수학식 5]

수학식 5 를 참조하면, 두 개의 서로 다른 각도를 가지는 빔 패턴을 합쳐서 보다 넓은 빔 패턴을 생성하게 되므로, 넓은 빔 폭을 제공할 수 있다. 예를 들어, 30 도의 각도를 가지는 빔 패턴과 60 도의 각도를 가지는 빔 패턴을 합쳐서 하나의 빔 패턴을 생성하므로, 합쳐진 하나의 빔 패턴은 30 도의 각도에서 60 도의 각도까지의 각도를 가지는 빔 패턴 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 앞서 수학식 2 와 비교하면, 생성되는 참조 신호의 개수는 수학식 2 에서 생성되는 참조 신호의 절반이 될 수 있으며, 수학식 5 에 의하여 생성되는 각 빔 패턴들은 수학식 2 에 의하여 생성되는 2 개의 빔 폭에 상응하는 빔 폭을 가질 수 있다.

기지국으로부터 빔 패턴을 수신한 단말은 기지국으로부터 전송된 빔 패턴에서 단말이 선호(prefer)하는 빔의 인덱스를 기지국에 피드백한다. 이때, 단말이 보고하는 빔의 인덱스는 1 개 이상이 될 수 있다. 상술한 바와 같이, 단말이 선호하는 빔의 인덱스를 산출하기 위하여, 단말은 각 빔 패턴을 가지고 있는 참조 신호의 수신 세기(received power)를 이용할 수 있으며, 이는 적은 복잡도로도 구현이 가능하다.

또한, 단말은 빔의 인덱스와 함께 각 인덱스에 해당하는 참조 신호의 신호 세기(signal strength) 혹은 다른 채널 품질 정보(channel quality information) (예를 들어, CSI, CQI, PMI 등)를 보고할 수 있다. 이때, 단말이 복수의 빔 인덱스를 기지국에 보고하면서 이와 함께 각 빔에 대한 신호 세기 혹은 채널 품질 정보를 보고하는 경우, 각 빔에 대하여 보고하는 신호 세기 혹은 채널 품질 정보는 절대 값으로 보고될 수도 있지만, 보고되는 복수의 빔 간에 상대적인 값(예를 들어, 상대적인 차이 값 혹은 상대적인 비율 등)으로 보고될 수도 있다. 예를 들어, 아래 표 1 과 같이 보고되는 복수의 빔 간의 수신 세기(received power)의 상대적인 비율을 테이블로 미리 정하고, 단말은 테이블에서 수신 세기(received power)의 상대적인 비율을 지시하는 비트맵을 기지국에 보고함으로써 피드백하는 정보의 양을 감소시킬 수 있다.

표 6 은 기지국에 보고되는 빔 간의 상대적인 비율과 이에 따른 비트맵을 예시한다.

[표 6]

표 6 을 참조하면, 단말이 기지국에 2 개의 빔 인덱스를 보고하는 경우를 예시하고 있으며, 2 개의 빔 간의 수신 세기(received power)의 상대적 비율들과 이에 대응되는 비트맵을 예시하고 있다. 표 1 은 2 개의 빔 간의 상대적인 값과 이에 따른 비트맵을 예시하고 있으나, 더 많은 개수의 빔 간의 상대적인 값 혹은 더 많은 비트의 개수를 이용하여 테이블로 정할 수도 있다. 또한, 2 개의 빔 간의 상대적인 값이라도 보다 상세하게 (예를 들어, 8 개의 비율) 세분화하는 경우에는 더 많은 비트의 개수가 이용될 수도 있다.

또한, 상술한 바와 같이 단말은 선호하는 빔 인덱스를 기지국에 피드백할 때, 빔 인덱스와 함께 PMI 도 보고할 수 있다. 이때, PMI 는 미리 정해져 기지국과 단말이 알고 있는 코드북(예를 들어, 표 2 참조) 내에 존재하는 프리코딩 행렬을 지시하는 인덱스를 의미한다. 이하, 단말은 2 개의 빔 인덱스를 선택하여 기지국에 피드백하는 것을 가정하여 설명한다.

단말은 아래 수학식 6 을 이용하여 최적의 프리코딩 행렬을 산출하여 이에 대한 PMI 를 기지국에 보고할 수 있다.

[수학식 6]

표 7 은 참조 신호의 개수가 2 개인 경우의 코드북을 예시한다.

[표 7]

수학식 6 및 표 7 을 참조하면,

는 코드북(C = {W ₀,W ₁,W ₂,W ₃})에 존재하는 프리코딩 행렬 중 하나를 의미하고,

는 단말에게 송신된 빔 패턴(A = {a ₁,a ₂,…,a _m})에서 임의의 2 개의 빔 패턴({a _i _-1,a _i})에 대한 채널 행렬((T = Channel response of {a _i _-1,a _i}))을 의미한다.

여기서, 단말은 선호하는 빔 인덱스와 PMI 를 수학식 6 을 이용하여 전체 탐색(full search)한 후 기지국에 빔 인덱스와 PMI 를 보고할 수 있다. 즉, 단말에게 전송된 전체 빔 패턴에서 모든 가능한 임의의 2 개의 빔 패턴에 대한 채널 행렬(

)과 표 7 에서 예시한 코드북에 포함된 프리코딩 벡터 중 임의의 프리코딩 벡터(

)를 수학식 6 에 적용하여 가장 큰 채널 크기 값을 가지는 최적의 빔 인덱스와 프리코딩 행렬(즉, PMI)를 함께 산출할 수 있다.

또는, 단말은 선호하는 빔 인덱스를 기반으로 PMI 만을 아래 수학식 6 을 이용하여 산출(이하, 부분 탐색(partial search)으로 지칭함)할 수 있다. 즉, 단말이 선택한 2 개의 빔 패턴(예를 들어, 가장 수신 세기(received power)가 큰 2 개의 빔 패턴)에 대한 채널 행렬(

)를 수학식 6 에 적용하여 가장 큰 채널 크기 값을 가지는 최적의 프리코딩 행렬(즉, PMI)만을 산출할 수 있다.

이처럼, 단말이 선호하는 빔 인덱스와 함께 PMI 도 기지국에 보고하면, 이어 기지국은 단말로부터 수신한 PMI 에 따른 프리코딩 행렬을 다음 단계에서 전송되는 빔 패턴에 적용한다. 다시 말해, 다음 단계에 적용하는 스티어링 벡터에 단말이 보고한 프리코딩 행렬을 곱하여 다음 단계의 빔 패턴을 생성하여 단말에 전송한다.

2) 두 번째 단계

단말로부터 빔 인덱스를 수신한 기지국은 단말 특정(UE-specific)하게 단말이 피드백한 빔 인덱스를 이용하여 두 번째 m'개의 빔 패턴을 생성한다. 이때, 두 번째 단계에서 생성되는 빔 패턴의 개수는 첫 번째 단계에서 생성한 빔 패턴의 개수와 동일할 수 있으며(m=m'), 상이할 수도 있다(m≠m' 혹은 수학식 5의 경우 m/2≠m').

두 번째 단계에서 생성되는 m'개의 빔 각도(beam angle)는 첫 번째 단계에서 단말이 보고한 빔 인덱스를 이용하여 산출 할 수 있다. 즉, 단말이 첫 번째 단계에서 보고한 빔 인덱스의 방향성을 고려하여 m'개의 특정 방향성을 가지는 빔 패턴을 생성한다. 예를 들어, 단말이 선호하는 각도가

인 경우, 두 번째 단계에서 생성되는 m'개의 빔 각도는

값을 갖는다. 이때, m'개의 빔 패턴(beam pattern)을 생성하기 위해서 각 참조 신호에 대하여 아래 수학식 7 와 같은 스티어링 벡터가 사용될 수 있다.

[수학식 7]

수학식 7 을 참조하면, k 는 2π/λ 이며 λ 는 전송 주파수의 파장을 의미하고 d 는 안테나 간의 거리를 의미한다.

또한, 두 번째 단계에서의 스티어링 벡터는 앞서 첫 번째 단계에서 설명한 다양한 스티어링 벡터가 이용될 수도 있다. 즉, 앞서 수학식 3 내지 5 와 같은 스티어링 벡터를 재사용할 수도 있다. 예를 들어, 수학식 3 를 이용하는 경우 전체 안테나 중에서 일정 간격으로 떨어진 안테나들은 이용하여 빔 패턴을 생성할 수 있으며, 수학식 4 을 이용하는 경우 일정 개수의 안테나들을 그룹으로 묶어서 빔 패턴을 생성할 수 있으며, 수학식 5 를 이용하는 경우 일정 개수의 빔 패턴을 묶어서 하나의 빔 패턴으로 생성할 수도 있다.

만약, 단말이 피드백한 빔 인덱스가 2 개 이상이고, 각 빔에 대한 신호 세기에 대한 절대 정보 혹은 상대 정보를 기지국에게 보고한 경우, 기지국이 두 번째 단계의 빔 패턴을 생성하기 위한 각도 값은 불균등 양자화(un-equal quantization)하여 적응적으로(adaptation) 결정될 수 있다.

도 15 는 본 발명에 따른 불균등 양자화(un-equal quantization)를 적용한 빔 각도 적응(beam angle adaptation) 방법을 예시하는 도면이다.

도 15 에서는 단말이 첫 번째 단계에서 보고한 빔 인덱스가 a2 와 a3 이고, a2 의 빔 각도는

이고, a3 의 빔 각도는

인 경우를 가정하고 있다.

만약, 단말이 빔 인덱스(a2, a3)만을 기지국에 보고하는 경우, 기지국은 균등 양자화(equal/linear quantization)(1510)를 적용하여 두 번째 단계의 빔 패턴을 생성하기 위한 각도 값은 등간격으로 정해질 수 있다. 즉, a2+(a3-a2)/3 인덱스를 가지는 빔의 각도는

으로 정해지고, a2+2(a3-a2)/3 인덱스를 가지는 빔의 각도는

로 정해질 수 있다.

반면, 단말이 빔 인덱스(a2, a3)와 함께 각 빔의 세기를 보고한 경우('a2 빔 세기 ＜ a3 빔 세기'라고 가정), 기지국은 불균등 양자화(unequal/nonlinear quantization)(1520)를 적용하여 두 번째 단계의 빔 패턴을 생성하기 위한 각도 값은 빔 세기를 고려하여 불균등한 간격으로 정해질 수 있다. 즉, 첫 번째 단계에서 빔 세기가 상대적으로 큰 빔의 각도(도 15 에서 a3)와 가까울수록 두 번째 단계의 빔 각도 간격(

)이 조밀하고, 첫 번째 단계에서 빔 세기가 상대적으로 작은 빔의 각도(도 15 에서 a2)와 가까울수록 두 번째 단계의 빔 각도 간격(

)이 넓을 수 있다. 이 경우, 불균등 양자화(1520)를 적용하기 위하여 불균등 양자화(1520)의 기울기의 각도가 균등 양자화(1510)의 기울기의 각도를 기반으로 상대적인 값(예를 들어, 상대적 차이 값, 상대적 비율 등)으로 정해질 수 있으며, 이 경우 불균등 양자화(1520)의 기울기의 각도와 균등 양자화(1510)의 기울기의 상대적인 값은 앞서 첫 번째 단계에서 단말이 보고한 빔(a2 와 a3)의 상대적 세기의 비율(예를 들어, 표 6 참조)을 이용하여 정해질 수 있다. 또한, a2 의 빔 각도(

)의 값을 특정 값(1530)으로 가정하여 불균등 양자화(1520)의 기울기가 정해질 수 있다. 이 경우 특정 값(1530)은 a2 의 빔 각도(

)의 값을 기반으로 상대적인 값(예를 들어, 상대적 차이 값, 상대적 비율 등)으로 정해질 수 있으며, 특정 값(1530)과 a2 의 빔 각도(

)의 값의 상대적인 값은 앞서 첫 번째 단계에서 단말이 보고한 빔(a2 와 a3)의 상대적 세기의 비율(예를 들어, 표 6 참조)을 이용하여 정해질 수 있다.

또한, 비-가시선(Non-LOS: Non Line Of Sight) 환경에서는 단말이 선호하는 빔 인덱스가 앞의 예시와 달리 연속(continuous)하지 않을 수 있다. 이 경우, 기지국은 단말이 보고한 빔 인덱스 별로 각각 빔 패턴을 구성하되, 단말이 보고한 각 빔 인덱스 별로 두 번째 단계의 전체 빔 패턴을 나누어 구성할 수 있다. 예를 들어, 단말이 보고하는 빔 인덱스가

인 경우 기지국은

와 같이 개별적으로 빔 패턴을 구성할 수 있다.

앞서 첫 번째 단계와 마찬가지로 기지국으로부터 빔 패턴을 수신한 단말은 기지국으로부터 전송된 빔 패턴에서 단말이 선호(prefer)하는 빔의 인덱스를 기지국에 피드백한다. 이때, 단말은 빔의 인덱스와 함께 각 인덱스에 해당하는 참조 신호의 신호 세기(signal strength) 혹은 다른 채널 품질 정보(channel quality information) (예를 들어, CSI, CQI, PMI 등)를 보고할 수 있다. 또한, 두 번째 단계에서 단말이 보고하는 빔에 대한 정보의 종류는 첫 번째 단계에서 단말이 기지국에 보고하는 빔에 대한 정보의 종류와 상이할 수도 있다.

3) J 번째 단계

앞서 설명한 각 단계에서의 기지국과 단말의 동작은 이후 동일하게 반복될 수 있다. 즉, J 단계에서 기지국은 J-1 단계에서 단말로부터 보고받은 피드백 정보를 이용하여 빔 패턴을 구성한다.

한편, 기지국은 단말이 피드백하는 동작에 관한 설정 정보(이하, '피드백 설정 정보'라고 지칭함)를 단말에 전송하여 각 단계에서 단말의 피드백 동작을 지시할 수 있다. 이러한 지시의 정보에는 안테나 포트의 선택 개수(혹은 빔의 개수), 안테나 포트(혹은 빔)의 선택 기준, PMI(precoding/preferred matrix index)의 적용 여부, 선택된 안테나 포트(혹은 빔)의 개별 신호 세기, 선택된 안테나 포트(혹은 빔)의 개별 신호 품질(예를 들어, CQI 또는 CSI-RS 기반 RSRP), PMI 가 적용되었을 때의 신호 품질, RI(Rank Indication/Index) 중 적어도 어느 하나가 포함될 수 있다. 이때, 기지국은 계층적 빔 포밍 기법의 첫 번째 단계 이전(예를 들어, 도 11 의 예시에서 S1101 단계 이전)에 모든 단계에 대한 피드백 설정 정보(각 단계에 대한 단말의 피드백 동작을 동일할 수 있으며, 상이할 수 있다.)를 단말에 알려줄 수 있으며, 혹은 각 단계의 이전(예를 들어, 도 11 의 예시에서 S1101, S1105 및 S1109 단계 이전)에 각 단계 별로 피드백 설정 정보를 단말에게 알려줄 수도 있다. 혹은 설정 정보 별로 구분하여 첫 번째 단계 이전과 각 단계의 이전에 단말에게 알려줄 수도 있다.

LTE-A 시스템에 본 발명이 적용하는 경우에 단말이 피드백 해야 하는 정보를 기지국이 설정하는 예시를 살펴보면, 기지국은 적어도 하나 이상의 CSI-RS 설정 정보를 단말에 전송하고, 각 CSI-RS 설정에 따라 단말이 피드백해야 하는 피드백 정보 종류를 지시할 수 있다. 즉, 기지국은 단말이 제 1 의 CSI-RS 설정에 따라 N₁ 개의 안테나 포트(혹은 빔)를 선택하여 해당 안테나 포트 인덱스(혹은 빔 인덱스)와 해당 신호 세기를 피드백하고, 제 2 의 CSI-RS 설정에 따라 N₂ 개의 안테나 포트(혹은 빔)를 선택하여 해당 안테나 포트 인덱스(혹은 빔 인덱스), PMI 와 CQI 를 피드백 하도록 지시할 수 있다. 이 경우, 단말은 N2 전송 코드북(Tx codebook)에서 PMI 를 선택할 수 있다.

랭크(Rank)는 동일 자원에서 동시에 송수신하는 데이터 스트림(data stream)(혹은 이를 레이어(layer)라고 지칭할 수 있다.) 개수를 의미한다. 제안하는 방법에서 다수의 빔 또는 안테나 포트를 선택하는 경우, 해당 빔 또는 안테나 포트들을 이용하여 최소 하나의 스트림부터 선택한 빔 또는 안테나 포트 개수만큼의 스트림을 동시에 송수신할 수 있다. 기지국은 랭크를 고정하여 단말이 주어진 랭크를 가정하여 피드백 정보를 구성하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 랭크를 1 로 고정하도록 지시하면 단말은 다수의 빔 또는 안테나 포트를 선택하더라도 선택한 빔들 혹은 안테나 포트들이 모두 하나의 데이터 스트림을 형성하는 것으로 가정할 수 있다. 또는, 기지국은 랭크를 단말이 결정하여 피드백하도록 지시할 수 있다. 예를 들어, 단말이 2 개의 빔들(또는 안테나 포트들)를 선택하여 그 인덱스를 피드백하고, 2 Tx 코드북에서 PMI 를 선택하여 피드백하는 상황에서, 랭크 1 과 2 에 해당하는 피드백 정보는 2 개의 빔들(또는 안테나 포트들) 인덱스와 PMI 가 포함되지만, 이를 앞서 기술한 LOS 지배적 환경에서의 특징을 고려하면 빔(또는 안테나 포트) 인덱스와 PMI 관련 피드백 정보량을 다음과 같이 줄일 수 있다. 즉, 랭크 1 의 경우, (선택된 1 개의 빔들(또는 안테나 포트들) 중 가장 높은 혹은 가장 낮은 인덱스 + PMI)와 같이 피드백 정보를 구성할 수 있으며, 랭크 2 의 경우, (첫 번째 단계에서 선택된 빔(또는 안테나 포트)의 인덱스 + 두 번째 단계에서 선택된 빔(또는 안테나 포트)의 인덱스)와 같이 피드백 정보를 구성할 수 있다.

또는, 기지국이 지시하는 내용 중 안테나 포트(또는 빔)의 선택 개수는 단말이 선택할 수 있는 안테나 포트(또는 빔)의 최대 개수(=M)으로 대체할 수 있다. 이 경우, 코드북은 Mx1 벡터들로 구성되며, 각 벡터는 1(또는 2)~M 개의 넌-제로 요소(non-zero element)를 가질 수 있다. 예를 들어, 기지국이 최대 3 개의 안테나 포트(또는 빔)를 선택하고 PMI 를 적용하도록 지시했다면, 코드북은 아래 수학식 8 또는 수학식 9 와 같이 구성될 수 있으며, PMI 는 이러한 코드북에서 선택될 수 있다.

[수학식 8]

[수학식 9]

또한, LTE-A 시스템에 본 발명이 적용하는 경우에 단말이 안테나 포트(혹은 빔) 선택 기준을 기지국이 설정하는 예시를 살펴보면, 기지국은 8 Tx CSI-RS 에 대한 설정을 단말에게 알려주고 8 개의 CSI-RS 안테나 포트(또는 빔) 중 1, 2 또는 3 개의 안테나 포트(또는 빔)를 선택하여 피드백 하도록 지시할 수 있다. 단말이 안테나 포트(또는 빔)를 선택할 때 사용하는 기준으로, 신호 품질이 제 1 임계치를 넘는 안테나 포트(또는 빔)만을 선택하거나, 최대 신호 품질에 비하여 상대적 크기가 제 2 임계치를 넘는 안테나 포트(또는 빔)만 선택할 수 있다. 단말은 선택한 안테나 포트(또는 빔)를 피드백할 때 신호 품질에 따라 순차적으로 정렬(sorting)한 결과를 피드백할 수 있다. 이때, PMI 를 적용하도록 기지국이 단말에게 지시를 내렸다면, 2 Tx 와 3 Tx 에 대한 프리코딩 벡터들로 구성된 코드북에서 프리코딩 벡터를 선택하여 그 인덱스를 피드백할 수 있다. 코드북은 단말이 선택할 수 있는 안테나 포트(또는 빔) 개수에 해당하는 차원(dimension)의 벡터들로 구성된다. 즉, 상술한 바와 같이 1, 2 또는 3 개의 안테나 포트(또는 빔)를 선택하도록 기지국이 단말에게 지시했다면 단말은 2x1, 3x1 벡터들로 구성된 코드북에서 하나의 벡터를 선택하고 해당 인덱스를 기지국에 피드백한다. 만약, 2x1 벡터의 개수가 N₂ 이고 3x1 벡터의 개수가 N₃ 라면 인덱스는 ceil(log2(N₂+N₃)) 비트들로 구성된다. 여기서, Ceil(x)는 x 보다 큰 수 중 가장 작은 자연수를 의미한다. 또는 ceil(log2(1+N₂+N₃)) 비트들의 인덱스를 피드백할 수 있는데, 이 경우 인덱스에서 하나의 값은(예를 들어, 0)는 안테나 포트(또는 빔)를 1 개 선택했음을 나타낸다. 코드북은 아래 수학식 8 또는 수학식 9 와 같이 구성될 수 있다. 수학식 10 및 수학식 11 에서 α _k는 상수이다.

[수학식 10]

[수학식 11]

상향링크

상향링크에서는 일반적인 단말을 고려할 경우(적은 수의 안테나를 가지는 단말)에는 단말이 송신한 참조 신호를 이용하여 기지국이 최대비 합성(MRC: Maximum ratio combining)을 수행할 수 있다. 따라서, 하향링크와 달리 FDD 시스템에서 상향링크는 참조 신호 오버헤드나 피드백 오버헤드가 고려될 필요가 없이 운영될 수 있다. 그러나 단말이 차량, 기차 혹은 건물과 같이 많은 수의 안테나를 가질 수 있는 환경이 구성된 경우에는 단말이 송신하는 참조 신호 오버헤드 및 기지국에서 단말의 각 안테나에 대한 채널 추정을 수행해야 하기 때문에 복잡도가 증가하게 된다. 따라서 이러한 경우에는 상향링크에서도 제안한 계층적 빔 포밍 기법을 적용할 수 있다.

상향링크에서 계층적 빔 포밍을 수행하기 위해서는 각 단말의 위치나 채널 상황 혹은 이동성에 따라, 첫 번째 단계부터 단말 특정(UE-specific)하게 계층적 빔 포밍 기법이 운영되어야 한다. 이때, 단말은 옴니-안테나(Omni-antenna)를 가정하면, 하향링크와 달리 셀 섹터(cell sector)의 개념을 가지지 않으므로 첫 번째 단계의 빔을 120 도가 아닌 360 도를 커버할 수 있도록 셀 특정(cell-specific)하게 구성할 수도 있다.

기지국이 상향링크 계층적 빔 포밍 기법을 운영하기 위해서 단말에게 전달할 파라미터를 다음과 같다.

1) 단계 크기(Step size)

2) 빔 패턴의 개수

3) 첫 번째 단계에서의 값 (두 번째 단계 이후의 값)

4) 선호하는 빔 인덱스 및/또는 PMI

앞서 도 11 을 다시 참조 하면, 상향링크 계층적 빔 포밍의 경우 송신단은 단말에 해당될 수 있으며, 수신단은 기지국에 해당될 수 있다. 그리고, 위의 상향링크 계층적 빔 포밍 기법을 위한 파라미터는 각 파라미터 별로 구분하여 첫 번째 단계 이전(예를 들어, 도 11 의 예시에서 S1101 단계 이전)과 각 단계의 이전(예를 들어, 도 11 의 예시에서 S1101, S1105 및 S1109 단계 이전)에 기지국(즉, 수신단)이 단말(즉, 송신단)에 알려줄 수 있다.

기지국은 파라미터를 단말에게 지시하기 위하여 방법 반정적 제어 채널(예를 들어, RRC 시그널링) 혹은 동적 제어 채널(예를 들어, PDCCH)을 이용할 수 있다. 혹은 이러한 파라미터들을 RRC 시그널링과 PDCCH 를 함께 이용하여 단말에 전달할 수도 있다. 즉, 단계 크기와 빔 패턴의 개수는 단말의 하드웨어 성능과 연관이 있으므로 RRC 시그널링으로 지시하고, 순시적으로 변할 수 있는 각도 값(θ)과 빔 인덱스 및 PMI 는 PDCCH 를 통하여 지시할 수 있다. 이때의 PDCCH 의 하향링크 제어 정보(DCI: Downlink Control Information) 포맷은 기존과 상이한 새로운 DCI 포맷으로 구성되어 단말-서치 스페이스(USS: UE-search space)를 통하여 전달 하거나 기존의 DCI 포맷에 이러한 파라미터들을 추가하여 전송할 수도 있다. 단말은 지시 정보가 송신되는 것을 알고 있으므로 USS 를 통하여 송신하게 되면 DCI 포맷을 획득하기 위한 블라인드 디코딩(blind decoding) 횟수를 늘리지 않고 이러한 파라미터를 획득 할 수 있다.

LTE-A 시스템에 본 발명이 적용하는 경우에 단말이 사운딩 참조 신호(SRS: sounding reference signal)를 이용하여 계층적 빔 포밍 동작을 수행하는 예시를 살펴본다. 상향링크에서 계층적 빔 포밍 동작을 수행하기 위해서 단말은 먼저 계층적 빔 포밍을 운용할 수 있는 능력(capability)이 있음을 기지국에 알릴 수 있다. 이어, 기지국은 단말에게 두 가지의 SRS 설정을 지정해 줄 수 있다. 첫 번째 SRS 설정과 두 번째 SRS 설정을 기반으로 단말이 송신하는 SRS 은 M 개의 안테나에 다른 가중치를 적용하여 생성된다. 예를 들어, 첫 번째 SRS 설정에 따라 4 개의 SRS 안테나 포트(또는 빔)를 송신할 때와 두 번째 SRS 설정에 따라 4 개의 SRS 안테나 포트(또는 빔)를 송신할 때 사용하는 안테나 가중치는 각각 Ω = {w ₁,w ₂,w ₃,w ₄} 와 Θ = {v ₁,v ₂,v ₃,v ₄} 가 해당될 수 있다. 여기서, Ω≠Θ 이며, w _k 과 v _k 는 각각 첫 번째와 두 번째 SRS 설정에 따라 송신되는 k 번째 SRS 안테나 포트(또는 빔)에 사용되는 M x 1 크기의 가중치 벡터를 의미한다. 즉, 첫 번째 SRS 설정에 따라 단말이 전송한 SRS 를 수신한 기지국은 이에 대한 측정결과를 단말에게 전달하고 단말은 이 정보를 토대로 두 번째 SRS 설정에 기반한 SRS 안테나 포트(또는 빔)의 가중치를 결정하여 SRS 를 송신한다. 바람직하게, 단말은 첫 번째 SRS 설정에 따라 전송할 SRS 에 사용할 가중치 벡터의 집합 Ω 와 두 번째 SRS 설정에 따라 전송할 SRS 에 사용할 가중치 벡터의 집합 Θ₁,…,Θ_L 을 알고 있을 수 있다. 첫 번째 SRS 설정에 의하여 단말이 전송한 SRS 를 기지국이 측정하여 신호 품질이 가장 좋은 SRS 안테나 포트(또는 빔)가 #p(절대적이거나 상대적인 안테나 포트(또는 빔) 인덱스)라고 단말에게 알려 준다면, 단말은 두 번째 SRS 설정에 따라 전송할 SRS 에 Θ_#p의 가중치 벡터들을 사용한다. 기지국이 첫 번째 SRS 설정 기반 SRS 의 측정 결과를 단말에 알려주는 방법으로는 DCI 를 통해 동적으로 알려주는 것이 바람직하다. 해당 DCI 에는 하나 이상의 SRS 안테나 포트(또는 빔) 인덱스가 포함될 수 있다. 또는 첫 번째 SRS 설정의 안테나 포트(또는 빔)의 개수와 같은 크기의 비트맵을 포함할 수 있다. 이러한 SRS 안테나 포트(또는 빔) 인덱스나 비트맵에서 '1'로 표현된 SRS 안테나 포트(또는 빔)를 기반으로 두 번째 SRS 설정에 의해 송신할 SRS 의 가중치 벡터를 단말이 결정한다.

두 번째 SRS 설정에 따라 송신한 SRS 를 측정하여 기지국은 상향링크에 사용할 안테나 포트(또는 빔) 및/또는 안테나 포트(또는 빔) 사이에 적용할 프리코딩 벡터를 단말에게 알려줄 수 있다. 예를 들어 두 번째 SRS 설정에 따라 단말이 전송한 SRS 안테나 포트(또는 빔) 4 개에 대해 기지국이 측정한 후, PUSCH 스케줄링을 위해 사용되는 DCI 포맷 (예를 들어, DCI 포맷 0 또는 4)에 기지국은 아래 수학식 12 과 같은 코드북에 속한 어느 하나의 프리코딩 벡터 인덱스를 포함시킬 수 있다.

[수학식 12]

이러한 코드북은 기지국과 단말이 모두 알고 있어야 한다. 만약, 코드북에 속한 어느 하나의 프리코딩 벡터 인덱스를 DCI 포맷에 포함하면 안테나 포트(또는 빔) 인덱스에 대한 추가적인 정보가 DCI 포맷에 포함되지 않을 수 있다. 위의 코드북의 예시는 넌-제로인 요소가 1, 2, 4 개인 프리코딩 벡터들로 구성되었다. 이러한 코드북에 속하는 벡터들은 각각 특정한 상수 값이 곱해질 수도 있다.

이하, 기존의 빔 포밍(conventional BF)과 계층적 빔 포밍(HBF)을 비교한 시뮬레이션 결과를 설명한다. 이하 시뮬레이션 결과에서 스위치된 빔 포밍(Switched BF)은 기존의 빔 포밍(conventional BF)를 의미한다. 즉, 상술한 바와 같이 빔 포밍을 위한 단계는 하나의 단계로만 구성되며, 기지국이 총 M 개의 빔 패턴을 생성하면, 단말은 하나의 빔 패턴만 기지국에 보고하고, 기지국은 단말이 보고한 빔 패턴 인덱스에 해당하는 각도를 가지는 빔 패턴을 생성한다. HBF 의 경우 2 단계로 구성되고, 64 개의 안테나를 이용하여 16 개의 빔 패턴을 생성한 경우를 가정한다. 이하, 시뮬레이션 결과에서 세로축은 용량(capacity)을 나타내며, 시간/헤르츠(Hz) 당 전송할 수 있는 비트 수를 의미한다. 가로축은 하며, 높을수록 양호한 상태를 나타낸다. 가로축은 신호 잡음 비(SNR)를 나타낸다.

도 16 은 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법을 적용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프를 예시한다.

도 16 을 참조하면, LOS 환경에서의 시뮬레이션 결과로 HBF 가 CBF 보다 동일한 예상 용량(expected capacity)를 가정할 경우 약 2~8dB 의 성능 이득을 보여준다. 혹은 같은 SNR 환경(-5~20dB)에서 약 0.5~2bit/s/Hz 의 이득을 보여준다.

도 17 은 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법을 적용한 시뮬레이션 다른 결과를 나타내는 그래프를 예시한다.

도 17 을 참조하면, 비-가시선(Non-LOS) 환경에서의 높은 안테나 상관도(안테나 간의 상관도(corr)가 0.9 인 경우를 가정함)를 가정할 경우의 시뮬레이션 결과를 예시한다. 랭크가 2 인 경우에는 HBF 가 CBF 보다 우월한 성능을 보장하지만 랭크가 1 일 경우는 CBF 와 동일한 성능을 보인다. HBF 가 공간 다중화(spatial multiplexing)에서 각 랭크에 대한 빔의 적응(adaptation)이 계층적으로 운영되고, 각 랭크에 대한 빔을 코드북을 이용하여 프리코딩하기 때문에 랭크가 2 인 경우 이러한 성능 이득을 얻을 수 있다.

도 18 은 본 발명에 따른 계층적 빔 포밍 기법을 적용한 시뮬레이션 또 다른 결과를 나타내는 그래프를 예시한다.

도 18 을 참조하면, 비-가시선(Non-LOS) 환경에서의 낮은 안테나 상관도(안테나 간의 상관도(corr)가 0 인 경우를 가정함)를 가정할 경우의 시뮬레이션 결과를 예시한다. 안테나 상관도가 낮은 경우에는 공간 다중화를 수행하기 위한 각 채널의 독립성이 보장 되므로 랭드 2 인 경우가 랭크 1 인 경우보다 성능이 우월하다. 그러나, 안테나 상관도가 낮으므로 빔의 형상이 올바르게 생성되지 않고, 두 번째 단계에서 생성된 빔이 첫 번째 단계에서 생성된 빔과 연관성 혹은 서브셋(subset) 개념이 떨어지는 현상이 발생한다. 따라서 도 18 과 같이 HBF 의 성능이 CBF 보다 열화되는 현상이 발생한다.

본 발명이 적용될 수 있는 장치 일반

도 19 는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.

도 19 를 참조하면, 무선 통신 시스템은 기지국(190)과 기지국(190) 영역 내에 위치한 다수의 단말(200)을 포함한다.

기지국(190)은 프로세서(processor, 191), 메모리(memory, 192) 및 RF 부(radio frequency unit, 193)을 포함한다. 프로세서(191)는 제안된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현한다. 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들은 프로세서(191)에 의해 구현될 수 있다. 메모리(192)는 프로세서(191)와 연결되어, 프로세서(191)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF 부(193)는 프로세서(191)와 연결되어, 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다.

단말(200)은 프로세서(201), 메모리(202) 및 RF 부(203)을 포함한다. 프로세서(201)는 제안된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현한다. 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들은 프로세서(201)에 의해 구현될 수 있다. 메모리(202)는 프로세서(201)와 연결되어, 프로세서(201)를 구동하기 위한 다양한 정보를 저장한다. RF 부(203)는 프로세서(201)와 연결되어, 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다.

메모리(192, 202)는 프로세서(191, 201) 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 잘 알려진 다양한 수단으로 프로세서(191, 201)와 연결될 수 있다. 또한, 기지국(190) 및/또는 단말(200)은 한 개의 안테나(single antenna) 또는 다중 안테나(multiple antenna)를 가질 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리는 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 따른 다양한 실시 방안은 3GPP LTE 시스템에 적용되는 예를 중심으로 설명하였으나, 3GPP LTE 시스템 이외에도 다양한 무선 접속 시스템에 동일하게 적용하는 것이 가능하다.

Claims

무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 방법에 있어서,
기지국이 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 초기 단계;
상기 기지국이 상기 단말로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 단말에 전송하는 반복 단계를 포함하고,
상기 반복 단계는 미리 정해진 횟수만큼 반복되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 빔들의 각도는 상기 하나 이상의 빔의 각도에 따라 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 피드백 정보는 상기 하나 이상의 빔에 대한 신호 세기, CQI(Channel Quality Information), PMI(Precoding Matrix Indication) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 피드백 정보가 상기 PMI 를 포함하는 경우, 상기 PMI 는 상기 제 1 빔들 또는 상기 제 2 빔들 모두를 대상으로 결정되거나, 상기 제 1 빔들 또는 상기 제 2 빔들의 신호 세기를 통해 상기 단말이 선택한 하나 이상의 빔들만을 대상으로 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 피드백 정보가 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 포함하는 경우, 상기 제 2 빔들의 각도는 상기 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 고려하여 불균등한 간격으로 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 빔들 또는 상기 제 2 빔들은 소정의 간격을 가지는 안테나 포트만을 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 그룹핑된 안테나 포트를 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 합쳐져서 생성되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 참조 신호는 CSI-RS(Channel State Information Reference Signal)인, 계층적 빔 포밍 방법.
무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 방법에 있어서,
단말이 기지국으로부터 상기 계층적 빔 포밍을 위한 단계 크기 및 상기 계층적 빔 포밍을 위한 각 단계에서의 빔의 개수를 포함하는 파라미터를 수신하는 단계;
상기 단말이 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 기지국에 전송하는 초기 단계; 및
상기 단말이 상기 기지국으로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 기지국에 전송하는 반복 단계를 포함하고,
상기 반복 단계는 상기 단계 크기만큼 반복되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 빔들의 각도는 상기 하나 이상의 빔의 각도에 따라 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 피드백 정보는 상기 하나 이상의 빔에 대한 신호 세기, CQI(Channel Quality Information), PMI(Precoding Matrix Indication) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 피드백 정보가 PMI(Precoding Matrix Indication)를 포함하는 경우, 상기 PMI 는 상기 제 1 빔들 또는 상기 제 2 빔들 모두를 대상으로 결정되거나 빔의 신호 세기를 이용하여 상기 기지국이 선택한 하나 이상의 빔들만을 대상으로 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 피드백 정보가 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 포함하는 경우, 상기 제 2 빔들의 각도는 상기 복수 개의 빔에 대한 신호 세기를 고려하여 불균등한 간격으로 결정되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 빔들 또는 상기 제 2 빔들은 소정의 간격을 가지는 안테나 포트만을 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 그룹핑된 안테나 포트를 이용하여 생성되거나, 소정의 개수 별로 합쳐져서 생성되는, 계층적 빔 포밍 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 참조 신호는 SRS(Sounding Reference Signal)인, 계층적 빔 포밍 방법.
무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 기지국에 있어서,
무선 신호를 송수신하기 위한 RF(Radio Frequency) 유닛; 및
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 단말에 전송하는 초기 단계를 수행하고, 상기 단말로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 단말에 전송하는 반복 단계를 수행하도록 설정되고,
상기 반복 단계는 미리 정해진 횟수만큼 반복되는, 기지국.
무선 접속 시스템에서 계층적 빔 포밍(Hierarchical beamforming)을 수행하는 단말에 있어서,
무선 신호를 송수신하기 위한 RF(Radio Frequency) 유닛; 및
프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는 기지국으로부터 상기 계층적 빔 포밍을 위한 단계 크기 및 상기 계층적 빔 포밍을 위한 각 단계에서의 빔의 개수를 포함하는 파라미터를 수신하고, 서로 다른 스티어링 벡터(steering vector)가 적용된 복수의 제 1 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 기지국에 전송하는 초기 단계를 수행하며, 상기 기지국으로부터 수신한 하나 이상의 빔의 인덱스를 포함하는 피드백 정보를 고려하여, 서로 다른 스티어링 벡터가 적용된 복수의 제 2 빔들을 각각 대응되는 참조 신호를 통해 상기 기지국에 전송하는 반복 단계를 수행하도록 설정되고,
상기 반복 단계는 상기 단계 크기만큼 반복되는, 단말.