KR20140130198A - 다중 안테나 빔 형성 셀룰러 네트워크의 성능 향상 - Google Patents

다중 안테나 빔 형성 셀룰러 네트워크의 성능 향상 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SDMA 섹터화된 셀룰러 네트워크에서의 신호 강도 가중치들의 향상된 적용을 제공한다. 향상된 신호 강도 가중치 적용은 새로운 코드북 서브세트로부터의 가중치들의 향상된 선택을 통해 또는 더 큰 코드북 서브세트로부터의 가중치들의 선택에 의해 수행된다. 추가 실시예에서, 안테나 빔 인덱스 또는 비트맵을 이용하여 SDMA 섹터화된 셀룰러 네트워크에서 최상의 빔(들)을 선택할 수 있다. 다른 실시예에서는, 업링크 또는 다운링크 송신 패킷 내의 필드 또는 팩터가 어느 지향성 송신 빔이 송신에 가장 적합한지 또는 언제 지향성 송신 빔이 활성화되어야 하는지를 지시할 수 있다.

Description

다중 안테나 빔 형성 셀룰러 네트워크의 성능 향상{IMPROVED PERFORMANCE FOR A MULTIPLE ANTENNA BEAMFORMING CELLULAR NETWORK}
관련 출원 데이터
본 출원은 2008년 4월 29일자로 출원된 특허 가출원 제60/048,716호와 관련되며, 이 선행 출원에 대해 35 U.S.C.§119(e)에 따라 우선권을 주장한다. 이 특허 가출원은 또한 본 특허 출원에 참고 문헌으로 포함된다.
발명의 기술 분야
본 발명은 다수의 송신 안테나를 구비하는 이동 통신 시스템에서 코드북 서브세트의 선택을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
음성 및 고속 데이터 서비스들을 제공하기 위한 이동 무선 운영자들에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이와 동시에 그러한 운영자들은 전체 네트워크 비용을 줄이고, 가입자들에게 그러한 서비스들을 제공하기 위해, 기지국당 더 많은 사용자를 지원하기를 원한다. 결과적으로, 더 높은 데이터 레이트 및 더 높은 용량을 가능하게 하는 무선 시스템들이 필요하다. 무선 서비스들에 이용 가능한 스펙트럼은 제한되어 있으며, 고정된 대역폭 내에서 트래픽을 증가시키고자 하는 이전의 시도들은 시스템 내의 간섭을 증가시켰고, 신호 품질을 저하시켰다.
종래 기술의 전방향 안테나들이 기지국에서 사용될 때 한 가지 문제가 발생하는데, 그 이유는 각각의 사용자의 신호의 송신/수신이 네트워크 상의 동일 셀 장소에 위치하는 다른 사용자들에 대한 간섭의 소스가 되어 전체 시스템 간섭이 제한되게 하기 때문이다. 그러한 전방향 안테나가 도 1(a)에 도시되어 있다. 이러한 전통적인 이동 셀룰러 네트워크 시스템들에서, 기지국은 셀 내의 이동 유닛들의 위치에 관한 정보를 갖지 않으며, 무선 커버리지를 제공하기 위해 셀 내의 전방향으로 신호를 방출한다. 이것은 결과적으로 동일 주파수를 이용하는 인접 셀들, 이른바 공통-채널 셀들에 대한 간섭을 유발하는 것에 더하여, 도달할 이동 유닛들이 존재하지 않을 때 송신 전력을 낭비하게 된다. 또한, 수신시에, 안테나는 잡음 및 간섭을 포함하는 모든 방향으로부터 오는 신호들을 수신한다.
이러한 타입의 간섭을 줄이는 효과적인 방법은 송신기 및 수신기에서 다수의 안테나를 지원하는 다중 입력-다중 출력(MIMO) 기술을 이용하는 것이다. 셀룰러 네트워크 상의 다운링크와 같은 다중 안테나 방송 채널에 대해, 셀을 다수의 섹터로 분할하고, 섹터화된 안테나들을 이용하여 다수의 사용자와 동시에 통신함으로써 다운링크 처리량을 최대화하기 위한 송신/수신 전략들이 개발되어 왔다. 그러한 섹터화된 안테나 기술은 간섭 레벨을 줄이고 시스템 용량을 향상시키는 크게 향상된 솔루션을 제공한다.
섹터화된 안테나 시스템은 통신 세션에 관련된 다수의 수신기(사용자 장비, 셀폰 등)와 동시에 통신하는 중앙 송신기(셀 사이트/타워)에 의해 특성화된다. 이러한 기술에서, 각각의 사용자의 신호는 해당 특정 사용자의 방향으로만 기지국에 의해 송신되고 수신된다. 이것은 시스템이 시스템 내의 전체 간섭을 크게 줄이는 것을 가능하게 한다. 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 섹터 안테나 시스템은 사용자의 위치에 기초하여 상이한 송신/수신 빔들을 시스템 내의 각각의 사용자 또는 셀룰러 네트워크 내의 상이한 방향들을 향해 지향시키는 안테나들의 어레이로 구성된다.
송신 및 수신 양자에서의 기지국의 방사 패턴은 각각의 사용자의 방향으로 최고 이득을 얻도록 해당 사용자에 대해 적응된다. 섹터 안테나 기술을 이용함으로써 그리고 셀 내의 이동 유닛들의 공간 위치를 이용함으로써, 공간 분할 다중 액세스(SDMA)라고 하는 통신 기술들이 성능 향상을 위해 개발되었다. 공간 분할 다중 액세스(SDMA) 기술들은 본질적으로 빔 형성 및/또는 사전 코딩을 통해 동시에 송신하는 다수의 상관없는 공간 파이프를 생성하며, 이를 통해 다중 액세스 무선 통신 시스템들에서 우수한 성능을 제공할 수 있다.
신호들의 송신 및 수신을 직교하여 지향시키는 이러한 방법은 빔 형성이라 하며, 기지국에서의 진보된 신호 처리를 통해 가능하게 된다. 빔 형성에서, 각각의 사용자의 신호는 각각의 안테나로의 그리고 각각의 안테나로부터의 신호의 크기 및 위상을 조정하는 복소수 가중치들과 곱해진다. 이것은 도 2에서 그래픽으로 볼 수 있듯이 섹터 안테나들의 어레이로부터의 출력이 원하는 방향의 송신/수신 빔을 형성하게 하며, 다른 방향들에서의 출력을 최소화한다.
전통적인 다중 사용자 다중 안테나 시스템들에서는 공간적으로 직교하는 빔 형성 송신들에 가중치들을 부과하기 위해 직교 사전 코더를 이용하는 공지 방법들이 존재하지만, 이러한 공지 방법들 및 시스템들은 사전 코딩 동작들에서 최적화되지 않았으며, 따라서 네트워크 상에서의 성능을 최적화할 수 없다. 본 발명은 이러한 문제들을 해결한다. 더욱이, 단일 기지국들에서의 많은 안테나의 설치는 본 발명에 의해 해결되는 많은 과제를 가질 수 있다. 이용 가능한 스펙트럼 대역은 통상적으로 제한되면서, 데이터 레이트의 요구는 계속 증가할 것이므로, 본 발명은 셀룰러 네트워크에서의 사전 코딩을 위한 공지 방법들을 능가하는 이용 가능 스펙트럼의 확장을 또한 지원한다.
시스템 상의 다양한 컴포넌트들은 임의의 특정 네트워크 구성 또는 통신 시스템 상에서 사용되는 명명법에 따라 상이한 명칭들로 지칭될 수 있다. 예를 들어, "사용자 장비"는 케이블 접속 네트워크 상의 PC들은 물론, 인터넷 액세스, 이메일, 메시징 서비스 등과 같은 다양한 특징들 및 기능을 갖는 이동 단말기들("셀폰들")의 다양한 제조들 및 모델들에 의해 경험될 수 있는 바와 같이 무선 접속에 의해 셀룰러 네트워크에 직접 결합되는 다른 타입의 장비도 포함한다.
또한, "수신기" 및 "송신기"라는 단어들은 통신이 어느 방향으로 송신 및 수신되고 있는지에 따라 "액세스 포인트(AP)", "기지국" 및 "사용자"로서 지칭될 수 있다. 예컨대, 다운링크 환경들에서 액세스 포인트(AP) 또는 기지국(eNodeB 또는 eNB)은 송신기이고, 사용자는 수신기인 반면, 업링크 환경들에서는 액세스 포인트(AP) 또는 기지국(eNodeB 또는 eNB)이 수신기이고, 사용자가 송신기이다. 이러한 용어들(송신기 또는 수신기 등)은 제한적으로 정의되는 것을 의도하는 것이 아니라, 네트워크 상에 위치하는 다양한 이동 통신 유닛들 또는 송신 장치들을 포함할 수 있다.
본 발명은 SDMA 섹터화된 셀룰러 네트워크에서의 신호 강도 가중치들의 향상된 적용을 제공한다. 향상된 신호 강도 가중치 적용은 새로운 코드북 서브세트로부터의 가중치들의 향상된 선택을 통해 또는 더 큰 코드북 서브세트로부터의 가중치들의 선택에 의해 수행된다. 추가 실시예에서, 안테나 빔 인덱스 또는 비트맵을 이용하여 SDMA 섹터화된 셀룰러 네트워크에서 최상의 빔(들)을 선택할 수 있다. 다른 실시예에서는, 업링크 또는 다운링크 송신 패킷 내의 필드 또는 팩터가 어느 지향성 송신 빔이 송신에 가장 적합한지 또는 언제 지향성 송신 빔이 활성화되어야 하는지를 지시할 수 있다.
본 발명은 다수의 송신 안테나를 구비하는 이동 통신 시스템에서 코드북 서브세트의 선택을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 목적들 및 특징들은, 동일 번호들이 동일 요소들을 나타내는 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 아래의 상세한 설명 및 첨부된 청구항들로부터 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 전방향 안테나(a) 및 섹터화된 안테나(b)의 도면.
도 2는 원하는 사용자에게로 지향되는 가중된 섹터화된 송신 빔의 도면.
도 3은 사전 코딩을 이용하는 다중 안테나 송신 시스템의 도면.
도 4는 상수 계수에 대한 코드북 서브세트 표.
도 5는 안테나 선택에 대한 코드북 서브세트 표.
도 6은 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 7은 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 8은 본 발명에서 제안되는 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 9는 본 발명에서 제안되는 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 10은 본 발명에서 제안되는 더 큰 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 11은 본 발명에서 제안되는 사전 코딩 코드북 서브세트 표.
도 1(a)에는, 화살표들 125, 115, 135 및 140으로 표시된 다양한 방향으로 균일하게 방사상 외부로 송신하는 전방향 안테나(105)의 전체적인 송신 아키텍처(100)가 도시되어 있다. 커버리지 영역의 둘레는 송신 아키텍처(100)에 대해 영역(120)으로 표시된다. 도 1(b)에 도시된 섹터화된 안테나 아키텍처(140)를 이용하여 향상된 효율이 달성되었다.
아키텍처(140) 내에는 다수의 안테나(145, 147, 148)가 도시되어 있으며, 각각의 안테나는 커버리지 영역(150)에 대한 지향성 송신(175), 커버리지 영역(157)에 대한 송신(190) 및 커버리지 영역(155)에 대한 지향성 송신(180)으로 표시된 셀룰러 네트워크의 상이한 영역을 지향한다. 이와 관련하여, 섹터화된 아키텍처에 의해 시스템 용량을 향상시키는 것이 가능하다.
다양한 송신 신호들을 가중함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 섹터화된 아키텍처(200)에 대해 추가적인 효율들 및 감소된 간섭들이 달성될 수 있다. 섹터화된 안테나 아키텍처(200)에서는 다수의 안테나(215, 220, 227, 230)가 송신들을 지향시킨다(또는 송신들을 수신한다. 안테나 요소(230)와 같은 안테나 요소들의 어레이에 적용되는 한 세트의 가중 인자들로 신호를 스케일링함으로써 지향성 안테나 빔(235)이 형성된다. 원하는 사용자(205)는 커버리지 영역(235)에서 원하는 송신(245)을 수신하는 것으로 도시되어 있으며, 이러한 원하는 송신은 사용자(205)에게 지향되도록 의도된 무겁게 가중된 송신이다. 간섭 사용자(210)는 사용자(210)가 만나는 간섭을 줄이기 위해 덜 가중된 송신 신호들(240)을 갖는 것으로 도시되어 있다.
도 3에는, 데이터 입력(301)이 사용자 선택 컴포넌트(310) 내로 공급되는 사전 코딩 아키텍처(300)가 도시되어 있다. 사용자 선택 컴포넌트(310)는 적절한 데이터를 적절한 데이터 신호 라인(315)을 통해 사전 코딩 컴포넌트(321)로 전송한다. 각각의 사용자(350, 351, 352)에 대한 적절한 데이터는 채널 인코딩된, 인터리빙된, 레이트 매칭된, 스크램블된 그리고/또는 변조된 심벌들로 구성될 수 있다. 사전 코딩 컴포넌트(321)는 다수의 안테나(320, 322 또는 325) 상에서 전송될 신호 강도에 대한 적절한 가중을 제공한다. 목표 사용자(350, 351, 352)에 기초하여, 그러한 목표 사용자 각각에 대한 다수의 안테나의 신호 강도 가중은 원하는 사용자에 대한 데이터 전송의 효율을 높이고 시스템 상의 다른 사용자들에 대한 간섭을 줄이도록 조정될 것이다.
신호 강도에 대한 적절한 가중치들을 제공하기 위해 사전 코딩 컴포넌트(321)에서 사용될 특정 코드들의 선택은 도 4-11에 작성된 여러 표에 도시되어 있다. 도 4에는 상수 계수 2-Tx 코드북이 도시되어 있고, 도 5에는 안테나 선택 2-Tx 코드북이 도시되어 있다. TS 36.211 v8.2.0 표준에 따라 허용되는 코드북이 도 6에 도시되어 있다.
도 4, 5 및 6의 코드북들을 이용하는 코드북 선택에 대한 두 가지 가능한 구성이 존재한다. 일 구성에서, 접속 포인트(기지국/안테나)는 사용자가 위치하는 섹터에서 사용하기 위해 도 4 또는 5에 도시된 2개의 서브세트 중 하나를 선택할 수 있다. 접속 포인트는 도 4 또는 5에 도시된 코드북만을 이용하는 것 등에 의해 동일 섹터 내의 모든 사용자 장비에 대한 서브세트 코드북을 선택한다. 접속 포인트는 사용자 장비의 채널 조건에 대한 소정 지식에 기초하여 사용자 장비에 대한 코드북 서브세트를 선택한다. 채널 조건 정보는 사용자 장비의 위치 정보, 사용자 장비로의 송신들에 대한 에러 레이트, 사용자 장비로의 재송신들의 수, 및 다운링크 송신에 대한 빔 패턴과 유사한 빔 패턴을 사용하는 업링크 수신 빔 형성과 더불어 업링크 사운딩 또는 다른 업링크 송신들에 관한 정보를 포함한다.
제2 구성에서, 사용자 장비는 도 6에서 사용될 적절한 코드북 서브세트를 선택할 수 있으며, 사용자 장비는 2-Tx 2 송신 안테나 시스템에 대한 총 9개의 상이한 코드워드 중에서 선택할 수 있다. 사용자 장비는 어느 코드북 서브세트가 선택되었는지를 암시적으로 또는 명시적으로 지시하는 지시자를 전송한다. 제2 구성에서 서브세트 선택은 도 6에 도시된 코드워드들로부터 선택된 코드워드에 따라 상위 계층 활성화를 통해 지시될 것이며, 서브세트 내의 선택된 코드워드의 인덱스는 정상적인 PMI 피드백 지시자 필드 값을 통해 2 비트를 사용하여 시그널링된다. 이러한 접근 방식을 지원하기 위해, 다운링크 및 업링크 시그널링 양자에 대한 PMI 지시자는 2 비트를 필요로 한다.
대안으로서, 도 7에 도시된 코드북이 위의 도 4 또는 5에 도시된 다양한 코드북을 대체할 수 있다. 전술한 도 4-7의 코드북들을 사용하는 대신에, 본 발명은 도 8 및 9에 도시된 코드북 서브세트들의 사용도 지원하며, 이들 중 어느 것도 위의 구성들에서 사용될 수 있다. 즉, 도 8 및 9의 코드북들은 2개의 구성을 이용하여 선택될 수 있다.
일 구성에서, 접속 포인트(기지국/안테나)는 사용자가 위치하는 섹터에서 사용하기 위해 도 7 및 도 8 또는 9에 도시된 2개의 서브세트 중 하나를 선택할 수 있다. 접속 포인트는 도 8 또는 9에 도시된 코드북만을 이용하는 것 등에 의해 동일 섹터 내의 모든 사용자 장비에 대한 서브세트 코드북을 선택한다. 접속 포인트는 사용자 장비의 채널 조건에 대한 소정의 지식에 기초하여 사용자 장비에 대한 코드북 서브세트를 선택한다. 채널 조건 정보는 사용자 장비의 위치 정보, 사용자 장비로의 송신들에 대한 에러 레이트, 사용자 장비로의 재송신들의 수, 및 다운링크 송신에 대한 빔 패턴과 유사한 빔 패턴을 사용하는 업링크 수신 빔 형성과 더불어 업링크 사운딩 또는 다른 업링크 송신들에 관한 정보를 포함한다.
제2 구성에서, 사용자 장비는 도 8 또는 9에서 사용될 적절한 코드북 서브세트를 선택할 수 있으며, 사용자 장비는 2 송신 안테나(2-Tx) 시스템에 대한 상이한 코드워드들 중에서 선택할 수 있다. 사용자 장비는 어느 코드북 서브세트가 선택되었는지를 암시적으로 또는 명시적으로 지시하는 지시자를 전송한다. 제2 구성에서 서브세트 선택은 도 7, 및 도 8 또는 도 9 중 하나에 도시된 코드워드들로부터 선택된 코드워드에 따라 상위 계층 활성화를 통해 지시될 것이며, 서브세트 내의 선택된 코드워드의 인덱스는 정상적인 PMI 피드백 지시자 필드 값을 통해 2 비트를 사용하여 시그널링된다. 이러한 접근 방식을 지원하기 위해, 다운링크 및 업링크 시그널링 양자에 대한 PMI 지시자는 2 비트를 필요로 한다.
또한, 접속 포인트는 사용자가 위치하는 섹터에서 사용하기 위해 도 10 및 11에 도시된 바와 같은 더 큰 코드북 서브세트 표를 사용할 수도 있다. 접속 포인트는 도 10 또는 11에 도시된 코드북만을 이용하는 것 등에 의해 동일 섹터 내의 모든 사용자 장비에 대한 코드북을 선택한다. 이러한 접근 방식을 지원하기 위하여, 안테나 선택 코드워드들을 갖는 오리지널 코드북이 3 비트를 이용하여 최적화될 것이며, 다운링크 및 업링크 시그널링 양자에 대한 PMI 지시자는 증가된 수의 코드워드들의 적절한 선택을 허가하기 위해 3 비트를 필요로 한다. 이러한 구성에서의 코드북 서브세트의 선택은 무선 자원 구성(RRC) 시그널링을 이용하여 구성될 수도 있으며, 시스템에 의해 설정된 다른 디폴트 코드북 서브세트들 대신에 도 10 또는 11의 코드북들의 사용을 선택할 수 있다. 접속 포인트는 또한 사용자 장비의 채널 조건에 대한 소정의 지식에 기초하여 사용자 장비에 대한 코드북 서브세트를 선택할 수 있다. 채널 조건 정보는 사용자 장비의 위치 정보, 사용자 장비로의 송신들에 대한 에러 레이트, 사용자 장비로의 재송신들의 수, 및 다운링크 송신에 대한 빔 패턴과 유사한 빔 패턴을 사용하는 업링크 수신 빔 형성과 더불어 업링크 사운딩 또는 다른 업링크 송신들에 관한 정보를 포함한다.
또한, 신호 강도 가중치들의 적용은 안테나 빔 지시자를 이용하여 최적화될 수 있다. 이 지시자는 업링크 또는 다운링크 송신 패킷들 내의 필드일 수 있다. 그러한 지시자의 길이(비트들의 수)는 네트워크 위치에서 이용 가능한 안테나들의 수에 의존할 것이다. 2 비트 아키텍처에 대해서는 1 비트 길이로 충분하며, 최대 4개의 안테나를 지정하는 것은 2 비트로 충분하다. 안테나 빔 지시자는 각각의 비트가 사용자 장비와 통신하는 데 사용될 수 있는 이용 가능한 빔들 중 하나를 식별하는 비트 맵에 따라 지정될 수도 있다.
특정 빔 위치에 기초하여, 사용자 장비는 어느 빔이 그 사용자 장비에 대한 최상의 커버리지를 제공할 수 있는지를 지시하는 지시자 비트 값 또는 비트 맵 값을 제공할 것이다. 특정 기간 동안의 그러한 안테나 빔 지시자의 사용은 사용자 장비 이동도에 의존할 것이며, 그러한 지시자는 더 느리게 이동하는 사용자 장비에 대해 더 오래 유효하고, 더 빠르게 이동하는 사용자 장비에 대해 더 짧은 기간 동안 유효할 것이다. 따라서, 안테나 빔 지시자는 변화에 대응하여 주기적으로 갱신되는 것이 필요하다.
안테나 빔 지시자의 사용은 사용자 장비로부터의 사운딩, 랜덤 액세스 또는 다른 타입의 업링크 송신들의 분석과 같은 업링크 송신 조건의 추정을 통해 가능해진다. 액세스 포인트는 SDMA 프로토콜들을 이용하여 사용자 장비에 대한 빔 인덱스를 결정하기 위해 방향 발견 알고리즘을 이용할 수도 있다. CQI 인덱스를 이용하여 선택 정보를 액세스 포인트에 제공할 수 있으며, 액세스 포인트는 또한 사용자 장비에 대한 서빙 빔의 신호 대 간섭 및 잡음 비 및 식별을 분석할 수 있다.
스위칭 빔들 또는 기회적(opportunistic) 빔들(예컨대, OSTMA)을 갖는 시스템들에서, 사용자 장비는 스위치(파워) 온된 빔의 커버리지 영역 내에 있을 때 CQI 인덱스를 제공한다. CQI가 액세스 포인트에 의해 수신된 시간에 기초하여, 빔 인덱스가 암시적으로 결정될 수 있는데, 이는 액세스 포인트가 빔 패턴을 알기 때문이다.
전술한 바와 같은 기술은 폐루프 동작들에서 UE 피드백을 위한 추가 코드북들의 구성을 허가하며, 따라서 더 적절한 코드북이 상이한 안테나 구성들, 예컨대 상관된, 상관되지 않은 또는 교차 분극된 안테나 시스템들을 지원하는 데 사용될 수 있다. 상이한 전개 시나리오들, 예를 들어 상관된, 상관되지 않은 또는 교차 분극된 안테나 시스템들에 유리한 다양한 안테나 구성들의 지원을 허가하기 위해, LTE-Advanced가 폐루프 동작들에서 UE 피드백을 위해 사용될 추가 코드북들을 지원할 수 있다. 역방향(backward) 호환성을 위해, 상위 계층(RRC) 시그널링을 이용하여, UE 능력, 예컨대 Rel-8 UE들 또는 LTE-A UE들, 및 전개 구성, 예를 들어 상관된, 상관되지 않은 또는 교차 분극된 안테나 시스템들에 따라 UE들의 일부 또는 전부에 의한 상이한 코드북의 사용을 편리하게 구성할 수 있다. 코드북이 구성 가능하므로, 전개된 시스템에서 더 큰 용량이 필요할 때, 더 큰 UE 고유 코드북이 구성될 수 있다. 그렇지 않은 경우, UE 복잡성을 최소화하기 위해 더 작은 코드북이 사용될 수 있다.
위의 설명은 본 발명의 특정 실시예와 관련되었지만, 본 발명의 원리들 및 사상으로부터 벗어나지 않고 이 실시예의 변경들이 이루어질 수 있으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 정의된다는 것을 이 분야의 기술자들은 알 것이다.

Claims (1)

  1. 제1항에 따른 장치.
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