KR20150005985A - 지향성 안테나를 사용하는 무선 통신 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

기지국이, 셀에서 이동 단말들에게 파일럿 신호들을 할당하고, 이동 단말들에 의해 송신되는 업링크 파일럿 신호들로부터 CSI를 취득하고, CSI를 사용하여 메시지를 프리코드하며, TDD 프로토콜에 따라 메시지를 송신하는 방법이 제공된다. CSI는 각 이동 단말로부터 수신되는 파일럿 신호를 해당 이동 단말과 관련된 알려진 파일럿 신호와 비교함으로써 취득된다. 알려진 파일럿 신호들은, 인접 셀들이 상호 직교하는 파일럿 신호들의 상호 직교하는 재사용 그룹들을 할당받는 파일럿 신호 재사용 패턴에 따라 각자의 이동 단말들과 관련되고, 주어진 셀 내의 이동 단말들은 해당 셀에 할당된 파일럿 신호들만 송신하는 것으로 제한된다.

Description

지향성 안테나를 사용하는 무선 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF WIRELESS COMMUNICATION USING DIRECTIONAL ANTENNAS}

본 발명은 TDD 송신을 사용하는 무선 통신의 방법 및 시스템에 관한 것이다.

공간 다중화 기술이 무선 네트워크들의 스펙트럼 효율성을 향상시키는데 사용될 수 있다는 점이 오랫동안 알려져 있었다. (스펙트럼 효율성은 주파수 단위당 송신되는 데이터 전송률을 통상적으로 Hz당 bps(bits per second)로 서술한다). 공간 다중화의 통상적 예들에서, 송신 안테나들의 다중 배열은 메시지들의 중첩을 수신 안테나들의 다중 배열에 보낸다. 채널 상태 정보(CSI: Channel State Information), 즉, 각각의 송신-수신 안테나 쌍들 간의 채널 계수들이 알려진 것으로 가정된다. 각각의 채널 계수들 사이에 낮은 상관이 있다고 한다면, CSI는 송신기에 의해, 또는 수신기에 의해, 또는 양자 모두에 의해 사용되어, 송신된 메시지들의 각각에 대한 의사-독립(quasi-independent) 채널을 정의할 수 있다. 결과적으로, 개별 메시지들은 수신 안테나 배열에서 복구될 수 있다.

보다 최근에, 전문가들은 공간 다중화 기술의 확대를 제안하였고, 여기서 다수의 이동성 또는 고정성 사용자 단말(본 명세서에서 "단말들"이라고도 함)이, 본 명세서에서 "서비스 안테나들" 또는 간단하게 "안테나들"이라고 하는 훨씬 많은 수의 기지국 안테나들 등에 의해 동일한 시간-주파수 슬롯들에서 동시에 서빙된다. 특히 서비스 안테나들의 수가 단말의 수보다 훨씬 더 많을 때, 이러한 네트워크들은 "LSAS(Large-Scale Antenna Systems)"이라 할 수 있다.

이론적 연구들은 LSAS 네트워크의 성능이 서비스 안테나들의 수가 증가함에 따라 양호하게 크기조정된다고 예상한다. 특히, 스펙트럼 효율성에서 뿐만 아니라 에너지 효율성에서도 이득이 있다. (에너지 효율성은 전체 송신 전력에 대한 전체 데이터 처리량의 비율을 서술하고, 예를 들어 줄당 비트(bits per Joule)로 측정된다).

이러한 연구중 하나는 T.L. Marzetta, “Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas,” IEEE Trans. on Wireless Communications 9(Nov. 2010) 3590-3600이며, 이하 "Marzetta 2010"이라 한다.

몇몇 접근방식들에서, 기지국들은 TDD(Time Division Duplex) 상호성에 의존하는 절차를 통해 CSI를 얻을 수 있다. 즉, 단말들은 역방향 링크상에서 파일럿 시퀀스들을 보내고, 이들로부터 기지국들이 CSI를 추정할 수 있다. 그러면, 기지국들은 빔 형성을 위해 CSI를 이용할 수 있다. 이 접근방식은 각각의 단말이 한 세트의 상호 직교하는 파일럿 시퀀스들 중 하나를 배정받을 수 있을 때 잘 맞는다.

일반적으로, 모바일들이 주어진 주파수 상에서 및 가능하게는 심지어 모든 주파수들 상에서 모든 파일럿 시퀀스들을 동기 송신하여, 파일럿 시퀀스들의 상호 직교성을 이용하는 것이 유리한 것으로 고려된다.

그러나, 가용 직교 파일럿 시퀀스들의 수는 비교적 적고, 지연 확산에 대한 가간섭성 시간(coherence time)의 비율 보다 클 수 없다. 단일 셀 내에 있는 단말들은 직교 파일럿 시퀀스들을 이용할 수 있지만, 이웃하는 셀들로부터의 단말들은 통상적으로 동일 파일럿 시퀀스들의 적어도 일부를 재사용할 것이 요구될 것이다. 상이한 셀들에서 파일럿 시퀀스들의 이러한 재사용은 파일럿 오염(pilot contamination)이라는 문제를 일으킨다. 파일럿 오염은 기지국이 동일 셀에 위치한 단말들에 대한 메시지 보유 신호(message bearing signal)들 뿐만 아니라, 이웃하는 셀들에 위치한 단말들에 대한 메시지 보유 신호들을 빔 형성하게 한다. 이것이 소위 유도 간섭(directed interference)이다. 유도 간섭은 기지국 안테나들의 수가 커짐에 따라 사라지지 않는다. 실제로, 유도 셀 간 간섭은― 바라는 신호들과 함께― 기지국 안테나들의 수에 비례하여 커진다.

Marzetta 2010에 나타난 바와 같이, 예를 들어, 기지국 안테나들의 수가 LSAS 네트워크에서 커짐에 따라, 파일럿 오염에서 비롯되는 셀 간 간섭은 결국 간섭의 지배적 원인으로 부각될 것이다.

다운링크 신호의 프리코딩을 사용하여, LSAS 네트워크에서 유도 간섭을 완화하는 방법은, "Large-Scale Antenna Method and Apparatus of Wireless Communication with Suppression of Intercell Interference"라는 제목으로 2011년 12월 19일 A.Ashikhmin과 T.Marzetta에 의해 출원되어 그 양수인에게 양도된 공동-계류중인 미국 특허 출원 13/329834호에 개시된다.

그러나, LSAS 네트워크에서 뿐만 아니라 적은 안테나 배열 또는 심지어는 단일 안테나를 각 기지국에서 채택하는 무선 네트워크에서 파일럿 오염에 기인하는 유도 간섭의 문제를 완화할 수 있는 다른 접근방식에 대한 요구가 남아있다.

우리는 이러한 접근방식을 찾았다. 일 실시예에서, 우리는, 기지국이 셀 내의 이동 단말들에 파일럿 신호들을 할당하고, 이동 단말들에 의해 송신된 업링크 파일럿 신호들로부터 CSI를 취득하고, CSI를 사용하여 메시지를 프리코드하여, TDD 프로토콜에 따라 메시지를 송신하는 신규한 방법을 제공한다. CSI는 각 이동 단말로부터 수신되는 파일럿 신호를 해당 이동 단말과 관련된 공지된 파일럿 신호와 비교함으로써 취득된다. 공지된 파일럿 신호들은, 인접 셀들이 상호 직교 파일럿 신호들의 상호 직교 재사용 그룹들을 할당받는 파일럿 신호 재사용 패턴에 따라 각자의 이동 단말들과 관련되고, 주어진 셀 내의 이동 단말들은 해당 셀에 할당된 파일럿 신호만을 송신하는 것으로 제한된다.

도 1은, 파일럿 오염으로 인한 셀 간 간섭을 도시하는, LSAS 네트워크의 일부의 개략도이다.
도 2는, 고속 페이딩 계수들과 저속 페이딩 계수들 사이의 구별을 도시하는, LSAS 네트워크의 일부의 개략도이다.
도 3은, 셀 간 송신 및 수신을 위한 전파 채널을 도시하는, LSAS 네트워크의 일부의 개략도이다.
도 4는, 간섭에 이르는, 셀 간 송신 및 수신을 위한 전파 채널을 도시하는, 도 3의 네트워크 부분의 개략도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시예에 따라 구획화된 LSAS 네트워크의 셀의 개략도이다.
도 6은 각 셀이 6개의 섹터를 갖는 파일럿 신호에 대한 재사용 패턴의 개략도이다.
도 7은 각 셀이 4개의 섹터를 갖는 파일럿 신호에 대한 재사용 패턴의 개략도이다.
도 8은 셀들이 다양한 수의 섹터를 갖는 파일럿 신호에 대한 국부적 구획화된 재사용 패턴의 개략도이다.

이하 논의에서, "메시지"라는 용어는 송신될 일련의 데이터(a body of data)의 전체 또는 임의의 부분을 의미한다. 메시지는 하나 이상 심볼들의 형태로 인코딩될 수 있고, 각각의 심볼은 하나 이상의 이진 비트들의 정보 내용을 갖는다. "모듈"이라는 용어는, 기록된 명령어들을 수행할 수 있는 범용 또는 특수목적 회로와 함께, 임의의 특화된 회로 또는 회로들의 조합, 또는 머신-판독가능 메모리에 기록된 명령어들의 임의의 세트를 의미한다.

하나의 채널 사용 구간 동안 기지국 안테나 배열로부터 송신되는 메시지-전달 신호는 본 명세서에서 "심볼"이라 한다. 각각의 기지국이 송신용 다중 안테나를 가질 수 있고, 각각의 심볼이 다중 OFDM 부반송파들 또는 "톤(tone)들"에 분포될 수 있기 때문에, 심볼은 공간 및 주파수 양자 모두에 분포될 수 있다.

"안테나"라는 용어는 셀과 관련된 기지국 안테나를 지칭한다. 각각의 셀은 최대로 M개의 안테나를 갖는다. "단말"이라는 용어는 모바일 사용자 단말을 지칭한다.

"파일럿 신호" 및 "파일럿 시퀀스"라는 용어를, 달리 언급되지 않는 한, 상호 교환가능하게 사용한다.

예시적인 시나리오에서, 네트워크는 총 L개의 셀을 갖는다. 편의상, 각 셀이 n명의 사용자들을 포함한다고 가정한다. 네트워크에서 사용되는 파일럿 신호들의 총 수는 K≥n이다. 파일럿 신호들은 1,..., K로 넘버링된다. 주어진 셀에서 사용자들은 직교 파일럿 신호들 v_k(k=1,...n)을 송신한다. 우리 형식에서, 파일럿 신호들은 행 벡터들(row vectors)로서 표현된다. 각각의 행 벡터는 복소수 기저대역 신호 값들의 시퀀스 나타낸다. 구현들에 있어서, 이러한 시퀀스는 시간 시퀀스이다. 다른 구현들에 있어서, 이러한 시퀀스는, 예를 들어 시간 및 주파수 양자 모두에 대한 시퀀스일 수 있다. 즉, 이러한 시퀀스의 요소는 시간 및 주파수 빈들(bins)에서 송신될 수 있다. "직교하는(orthogonal)"이란, 2개의 파일럿 신호들 v_r, v_j에 대해, (r≠j이면) 곱 v_rㆍv_j ^*가 제로라는 것을 의미한다. 우리 표기에서, 벡터 v^*는 벡터 v의 켤레 전치(conjugate transpose)이고, "ㆍ"이라는 심볼에 의해 표현되는 연산은 벡터 내적(vector dot product)이다.

본 설명을 위해, 모든 셀들에서 동일 파일럿 신호들이 재사용되고, 이들은 단말들에 할당되어, 각 셀에서, k번째 단말은 파일럿 신호 k를 할당받는 것으로 가정할 것이다. 이후, 우리는 상이한 셀들이 상이한 그룹의 파일럿 신호들을 할당받는 시나리오를 설명할 것이다.

우리 표기에서, 안테나 mi는 셀 i의 m번째 안테나이다. 단말 kl은 셀 l의 k번째 단말이다.

톤 τ에 대해서, 안테나 mi와 단말 kl 사이의 채널 계수는

이고, 여기서 첫번째 곱 항은 고속 페이딩에 대한 채널 계수이고, 두번째 곱 항은 저속 페이딩 계수이다. 이하, 톤 인덱스 τ는 우리 표기에서 회피될 것이다. 따라서, l번째 셀에서 k번째 사용자 단말이 신호 s를 송신하면, i번째 기지국에 의해 M개 안테나들의 배열을 통해 수신되는 대응 신호를 우리는

로 표기하고, 여기서

는 복소수값 채널 벡터이고, 우리 표기에서, h^T는 벡터 h의 전치이다.

고속 페이딩 계수들은 일반적으로 공간과 시간에 대해 빠른 변화를 나타낸다. 특히, 이들은 사용자 단말에 의한 이동의 1/4 파장 정도로 적게 변할 수 있다. 고속 페이딩 계수들은 채널 지연 확산의 역인 주파수 구간에 대해 통상적으로 변한다.

이와 대조적으로, 기하학적 감쇠 및 쉐도우 페이딩의 조합에 일반적으로 기인하는, 저속 페이딩 계수들은 관련 주파수 범위에 대해 대략 일정하고, 공간 및 시간에 대해 느리게 변화한다. 이와 대조적으로, 고속 페이딩은 공간 및 시간에 대해 통상적으로 빠르게 변화한다.

따라서, 예를 들어 파일럿 신호들로부터 계수

를 취득하고, 계수

의 알려진 값들로부터 계수

을 추론함으로써, 이동 단말들이 그들의 파일럿 신호들을 송신할 때마다, 계수

이 유리하게 추정된다. 예를 들어, 계수

을 업데이트하는데 사용되는 것보다 덜 빈번하게 송신되는 특별히 설계된 파일럿 신호들을 사용하여 계수

을 업데이트하기 위한 별도의 절차가 사용될 수 있다.

도 1은 각각의 기지국들(20-23)을 갖는 셀들(10-13)을 포함하는 셀룰러 네트워크의 일부를 도시한다. 복수의 이동 단말이 각각의 셀에 도시되고, 각각 30-33, 40-43, 50-53 및 60-63이라고 표시된다. 도면을 단순화하기 위해, 각각의 기지국들은 단일 안테나만을 갖는 것으로서 취급된다.

순방향 링크 송신에서, 기지국(20)은, 예를 들어, 경로(70) 상에서 단말(30)에 메시지를 송신한다. 단말들(40, 50 및 60)이 단말(30)과 동일한 파일럿 신호를 배정받았다면, 파일럿 오염은 송신된 메시지가 단말들(40, 50, 60)에 대한 경로들(71, 72, 73) 상에서 각각 간섭하도록 야기할 수 있다.

반대로, 역방향 링크 송신에서, 단말(30)은 경로(70) 상에서 기지국(20)에 메시지를 송신한다. (이러한 예시의 목적으로, 경로들(70-73)을 양방향성인 것으로서 취급한다). 파일럿 오염은, 역방향 링크 메시지가 경로(70) 상에서 단말(30)로부터 송신됨에 따라, 기지국(20)에서, 경로들(71-73) 상의 역방향 링크 메시지들이 간섭하도록 야기할 수 있다. 파일럿 오염이 이하에서 보다 상세히 논의된다.

도 2는 셀들(100, 101)을 포함하는 셀룰러 네트워크의 일부를 도시한다. 고속 페이딩 및 저속 페이딩 계수들이 의미하는 바를 예시하기 위해, 도면에, 셀(100)의 기지국 안테나 배열(110), 셀(100)의 이동 단말 k, 및 셀(101)의 이동 단말 k'을 포함시켰다. 도면을 단순화하기 위해, 셀들의 다른 모든 특징들은 생략되었다. 도면에 표시된 바와 같이, 셀(100)은 이러한 예시의 목적으로 셀 i이고, 셀(101)은 셀 l이다. 안테나 배열(110)은 M개의 안테나를 포함하고, 그 중에서 안테나 1 및 안테나 M이 명시적으로 도시된다. 안테나 배열(110)이 편의상 선형 배열로서 도시되기는 하였지만, 안테나들의 지리적 분포가 직선 형상 또는 다른 어떤 특정 형상을 취해야 한다는 어떤 요건도 존재하지 않다는 것을 유의해야 한다. 마찬가지로, 선형 안테나 배열의 규모가 오로지 편의성을 위해 셀의 크기와 필적할만한 것으로 도시되었다. 안테나들 간의 전자기 커플링을 최소화하기 위해 적어도 반파장만큼 안테나들을 공간적으로 떨어지게 하는 것이 일반적으로 유리할 것이라는 점을 제외하고, 안테나 배열의 지리적 규모에 대한 어떤 제한도 없다.

도면으로 돌아가서, 안테나 1로부터 단말 k까지, 안테나 1로부터 단말 k'까지, 안테나 M으로부터 단말 k까지 및 안테나 M으로부터 단말 k'까지의 전파 경로들이 각각 고속 페이딩 계수들

및

로 표시된 것을 알 것이다. 두 개의 저속 페이딩 계수들도 도면에 표시되었다. 이들은 안테나 배열(110)로부터 셀 i의 단말 k 까지의

및 인테나 배열(110)로부터 셀 l의 단말 k'까지의

이다. 배열(110)의 중간 안테나들로부터 각각의 단말들까지의 다른 고속 페이딩 계수들은 도면에서 파선들에 의해서만 표시된다.

예시적인 네트워크는 순방향 링크 및 역방향 링크 신호들 양자 모두에 대해 OFDM 신호 변조를 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명이 OFDM에 제한되는 것은 아니고, Single-Carrier FDMA, 시간 반전 변조 또는 CDMA 변조 등의 다른 변조 기술들을 이용하여 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

기지국 당 안테나들의 수 M은 1 내지 수백 또는 훨씬 더 많은 임의의 값을 취할 수 있다. 그러나, 섹터당 20보다 적은 수의 무지항성 안테나들 또는 20보다 적은 수의 지향성 안테나들은 이하 개시될 신호 평균화 타입의 모든 이익을 실현하기에는 불충분할 수 있다. 반면에, 기지국 당 1000보다 많은 수의 안테나들은, 성능을 최적화하는 것에 대해서는 유리할지 모르지만, 공간 및 비용 제약으로 인해 비실용적일 수 있다.

TDD(Time-Division Duplex) 네트워크에서, 기지국은 자신의 전체 셀에서 사용자 단말들로부터 수신하는 파일럿 신호들로부터 채널 계수들을 추정할 수 있다. 기지국은 추정된 채널 계수들을 사용하여 다운링크 신호들을 사용자 단말들에 송신하기 이전에 그것을 프리코딩할 수 있다. 다중 안테나 배열이 구비된 기지국에서 프리코딩을 위한 한가지 사용은 다운링크 신호들을 빔 형성하기 위한 것으로, 특정 사용자에 대해 예정된 송신에서의 에너지가 바람직하게 그 사용자 쪽으로 향하게 된다.

보다 구체적으로, l번째 기지국은, 자신이 서비스를 제공한 사용자 단말로부터 동시 송신된 파일럿 신호들 v_k(k = 1,...,n)의 합을 수신하고, 이를 파일럿 신호들의 알려진 값들과 비교함으로써 각 사용자들에게 대응 채널 벡터들의 추정치

(k = 1,...n)을 형성하는데 이를 사용한다. 하나의 주어진 셀 내로부터의 파일럿 신호들 v_k(k = 1,...,n)는 상호 직교이기 때문에 서로를 오염시키지 않으므로, 기지국은 자신의 셀 내에서 사용자 단말들에 관하여 바이어스되지 않은(unbiased) 추정치를 획득할 수 있다. 이들이 전체 네트워크 내에서 주어진 시간에 송신된 유일한 파일럿 신호들이라면, 추정치는 다른 셀의 사용자 단말들에 관하여도 바이어스되지 않을 것이다.

l번째 기지국은, 추정치

(k = 1,...n)을 사용하여, 자신이 서비스를 제공하는 n개의 사용자 단말들 모두에게 동시에 프리코딩된 메시지를 송신하여, 단말 r에 어드레스된 메시지가 다른 단말 j에 어드레스된 메시지와 간섭하지 않는다. 이러한 점에서 유용한 한가지 프리코딩 방법은, 예를 들어, T.L. Marzetta, "How much training is required for multiuser MIMO?," Proceedings of Asilomar Conference on Signals , Systems, and Computers, (2006) 359-363 (이하, Marzetta 2006이라 함)에 개시되는 바와 같은, 제로-포싱 프리코딩(zero-forcing precoding)이다. 따라서, 셀 간 간섭이 회피될 수 있다.

통상적인 시나리오에서, 파일럿 신호들은 네트워크의 모든 셀에서 사용자 단말들로부터 동시에 송신된다. 상술된 바와 같이, 상이한 셀들이 상이하고 상호 직교하는 파일럿 신호들의 세트를 사용하는 것이 일반적으로 실현 가능하지 않은 실제 이유가 있다. 결과적으로, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 주어진 셀의 기지국에 의해 취득되는 채널 추정치들은 다른 셀들의 사용자 단말들에 관하여 일반적으로 바이어스될 것이다. 우리는 이러한 바이어스을 "파일럿 오염(pilot contamination)"이라 한다.

예를 들어 Marzetta 2010에 보고되는 바와 같은 사전 작업은, 안테나들의 수 M이 매우 커질 때, 네트워크 성능은 추가 노이즈로 인한 열화에서 상당히 자유롭다는 점을 보여준다. 그러나, 데이터 전송률을 더욱 증가시키는데 하나의 주요한 장애가 남아있다. 이러한 장애는 파일럿 오염에 기인하는 셀 간 간섭이다.

모든 셀들에서 동일 세트의 파일럿 신호들이 재사용되는 예시적인 네트워크를 고려하면 파일럿 오염을 보다 상세히 이해할 수 있어서, 셀 1에서 k번째 사용자 단말이 파일럿 신호 v_k를 사용하면, 이웃하는 셀 2에서 뿐만 아니라 모든 다른 셀에서, 동일 파일럿 신호 v_k를 사용하는 사용자 단말 k이 또한 존재한다.

도 3의 셀 j 및 셀 l을 특히 참조하면, 파일럿 신호 v_k의 재사용은 추정치

및

가 상호 바이어스되도록 한다. 이러한 오염으로 인해, 도 4에 도시된 바와 같이, 기지국 j(즉, 셀 j의 기지국)로부터 셀 j의 단말 k로의 신호는 셀 l의 단말 k에 강한 간섭(400)을 생성한다. 마찬가지로, 기지국 l(즉, 셀 l의 기지국)로부터 셀 l의 단말 k로의 신호는 셀 j의 단말 k에 강한 간섭(400)을 생성한다. 이러한 현상의 상세한 분석은, 예를 들어, Marzetta 2010에서 및 J.Jose 등에서, "Pilot contamination problem in multi-cell TDD systems," Proc . Int. Symp . on Information Theory (2009) 2184-2188 (이하, Jose 2009라 함)에서 찾아볼 수 있다.

상술된 바와 같이, 우리는 j번째 기지국과 l번째 셀의 k번째 단말 사이의 저속 페이딩 계수를

로 표기한다. 우리는 이제 j번째 기지국이 j번째 셀의 k번째 단말에 송신하는 전력을 p_jk로 표기한다.

기지국 안테나들의 수 M이 무한으로 감에 따라, 도 4에 표시된 바와 같이, j번째 기지국은 l번째 셀의 k번째 단말에 간섭

를 생성한다는 점을 Marzetta 2010에서 볼 수 있다. 결과적으로, l번째 셀의 k번째 단말의 신호-대-간섭 비율(SIR: Signal-to-Interference Ratio)는 이하의 수학식과 같고,

여기서, 분모의 합계는 셀 l을 제외한 네트워크의 모든 셀에 대해서 취해진다.

저속 페이딩 계수들의 통상적인 값들 및 동등한 송신 전력들(즉, 모든 l, k에 대해 p_lk = p임)에 대해서, 20MHz의 대역폭을 가정하고, 사용자들의 95%에 대한 SIR_lk는 -29dB보다 클 것이라는 점을 모의실험이 보여준다. 데이터 전송률에 대해서, 이는 사용자들의 95%가 이하의 수학식과 같은 데이터 전송률로 서비스를 받을 수 있다는 점을 의미한다.

셀 간 간섭률이 더욱 감소될 수 있다면, 훨씬 더 큰 데이터 전송률이 제공될 수 있다. 셀 간 간섭을 감소시킬 수 있는 한가지 공지된 방법은 주파수 재사용( frequency reuse )이다. 예를 들어, 3의 재사용 인자를 갖는 주파수 재사용 스킴에서, 가용 주파수 대역은 각각 타입 A, B 및 C의 서브-밴드로 라벨되는(labeled) 3개의 서브-밴드로 파티셔닝된다(partitioned). 셀들 또한 정의된 기하학적 패턴에서 3개의 대응 타입으로 파티셔닝되어, 어느 셀도 동일 타입의 가장 가까운 이웃 셀을 갖지 않는다. 각 셀은 송신을 위해 자신의 타입의 주파수 서브-밴드만을 사용한다. 따라서, 다른 타입의 셀들은 상호 직교 주파수 밴드 상에서 작동될 것이므로, 상호 간섭하지 않을 것이다. 동일 타입의 셀들은 잠재적으로 상호 간섭할 수 있지만, 간섭하는 셀들 사이의 지리학적 구분으로 인해 간섭 에너지가 감쇠될 것이다.

이들이 일부 이점을 갖지만, 주파수 재사용 스킴 또한 상당한 비용이 든다. 즉, 각 기지국이 서브-밴드에서만 송신하는 것이 허용되므로, 데이터 다운로드를 위한 것을 포함하여 다운링크 송신이, 그렇지 않으면 사용가능할 전체 대역폭의 일부만으로 제한된다. 제한된 대역폭의 결과로서, 다운링크 상에서 최대 가능한 데이터 전송률이 유사하게 제한된다.

주파수를 재사용하는 대신에, 또는 이에 추가하여, 파일럿 신호들( pilot signals)을 재사용하는 것이 우리의 신규한 해결책이다. 위와 같이, 셀들은 정의된 지리학적 패턴에서 다양한 타입들로 파티셔닝되어, 어느 셀도 동일 타입의 가장 가까운 이웃 셀을 갖지 않는다; 즉, 인접 셀들이 항상 다른 타입들이다. 파일럿 신호들의 세트도 마찬가지로 파티셔닝되고, 각 셀은 자신의 타입의 파일럿 신호들만을 할당받는다. 이제 파일럿 오염은 동일한 타입의 셀들 사이에서만 발생할 수 있다. 이러한 셀들은 지리학적으로 분리되기 때문에, 파일럿 오염의 양이 감소된다.

이러한 파일럿 재사용( pilot reuse ) 스킴에 대해 한가지 가능한 반대는, 각 셀이 파일럿 신호들의 총 수 중 일부만을 할당받기 때문에, 셀이 지원할 수 있는 사용자 단말의 전체 수가 마찬가지로 감소된다는 점이다.

그 문제점에 대한 해결책은, 각 셀을 4개 이상의 섹터로 세분하고, 지향성 안테나 배열을 사용하여 대응 섹터들 내에서 다운링크 송신 에너지 및 업링크 수신 감도를 집중시키는 것을 필요로 한다. 따라서, 대응 안테나 배열들을 통해, 다운링크 송신들이 선택된 섹터들에 우선적으로 지향되고, 업링크 송신들이 각 섹터로부터 우선적으로 수신된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "안테나 배열(antenna array)"이라는 용어는 편성된 방식으로 함께 작동되는 하나 이상의 안테나들을 의미한다.

상술된 바와 같이 구획화된 셀에서는, 동일 셀 내에서 사용자 단말들의 모집단간 파일럿 신호들을 재사용함으로써, 파일럿 신호들을 아낄 수 있다. 즉, 상이한 섹터들을 차지하는 2개의 사용자 단말들에 의한 동일 파일럿 신호의 사용은, 각 섹터들에 서비스를 제공하는 안테나 어레이들이 섹터들 사이의 혼선의 가능성을 실질적으로 제거하기에 충분히 지향성이면 간섭을 초래하지 않을 것이다. 인접 섹터들에 대해서 이를 달성하는 것이 곤란할지라도, 인접하지 않은 섹터들에 대해서 이를 달성하는 것은 현재 기술의 능력 내의 것이라는 점을 우리는 믿는다.

예를 들어, 도 5는 셀을 각각 60°인 6개의 섹터들(501-506)로 파티셔닝하는 것을 보여준다. 각 섹터는 지향성 안테나들의 배열(510)에 의해 서비스를 받는다. (지향성 "안테나"는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 단일 안테나 또는 안테나들의 지향성 서브-배열일 수 있고, 그 개별 엘리먼트는 지향성이거나 또는 지향성이 아닐 수 있다.) 예시적으로, 우리는 각 섹터에 3개의 지향성 안테나들의 배열을 보여주었다. 일반적으로, 셀에 대한 지향성 안테나들의 총 수는 M이고, 각 섹터에서 지향성 안테나들의 수는 M/6일 것이다.

도 5의 예를 더욱 참조하면, 파일럿 신호들의 풀 세트는 상호 직교하는 6-투플(tuples)(v₁, v₂, v₃, v₄, v₅, v₆)로 이루어진다. 하나의 사용자 단말만이 각 섹터 내에서 주어진 시간에 서비스될 필요가 있다고 단순히 가정하여, 도면에 도시된 바와 같이, 파일럿 신호 v₁을 셀의 3개 섹터에 할당하고, 파일럿 신호 v₂를 나머지 3개 섹터에 할당한다. 도 5에 화살표(520)로 도시된 바와 같이, 안테나 어레이들의 불완전한 지향성으로 인해 인접 섹터들 사이에 일부 상당한 중첩이 가능하다. 그러나, 인접하지 않는 섹터들 사이에는 고도의 격리가 가능하다고 우리는 믿는다. 따라서, 파일럿 v₁ 및 v₂ 사이에 본 예에서 섹터들의 변경은, 2개의 파일럿 신호들만이 전체 셀에 대해 사용된다고 하더라도 셀 내 간섭을 방지할 것이다.

동일 예로 계속하여, 이제 도 6을 참조하면, 네트워크의 셀들을 3개의 각 타입 A, B 및 C로 파티셔닝한 것을 도시한다. 타입 A의 셀들에는 파일럿 신호들 v₁, v₂가 할당되고; 타입 B의 셀들에는 v₃, v₄가 할당되며; 타입 C의 셀들에는 v₅, v₆이 할당된다. 상술된 주파수 재사용 패턴들에서와 같이, 정의된 지리학적 패턴에 파티셔닝이 이루어져, 어느 셀도 가장 가까운 동일 타입의 이웃 셀을 갖지 않는다, 즉, 셀들의 어느 인접 쌍도 동일 타입을 갖지 않는다. 우리는 "파일럿 재사용 그룹(pilot reuse group)"이라는 용어를 특정 타입의 셀들에 할당되는 파일럿 신호들의 세트를 지칭하는데 사용한다.

도 6의 파일럿 신호 할당 패턴에서, 파일럿 신호들은 동일 타입의 셀들 사이에서만 간섭을 초래할 것이라는 점을 볼 수 있다. 이러한 셀들은 상호 지리학적으로 분리되기 때문에, 그 결과인 파일럿 오염이 실질적으로 감소될 것이다.

셀 당 안테나들의 수가 무한으로 가는 경향의 제한에서, 우리의 파일럿 재사용 스킴에서 l번째 셀의 k번째 단말의 SIR은 이하의 수학식과 같다.

여기서, 분모의 합계는 수학식 1과 다르며, 이는, 이제, 잠재적으로 간섭하는 셀들에 대해서만, 즉 l번째 셀과 타입이 동일한(즉, 동일한 파일럿 재사용 클래스에 속하는) 셀들에 대해서만, 취해지기 때문이다.

저속 페이딩 계수의 통상적인 값들에 대해서 및 동등한 송신 전력(즉, 모든 l,k에 대해서 p_lk = p)에 대해서, 사용자들의 95%에 대한 SIR_lk는 -5.8dB 보다 클 것이라는 점을 모의실험이 보여준다. 데이터 전송률에 대해서, 20MHz의 대역폭을 가정하면, 이는 사용자들의 95%가 이하의 수학식과 같은 데이터 전송률로 서비스될 수 있다는 점을 의미한다.

수학식 2와 수학식 4를 비교하면, 우리의 파일럿 재사용 스킴은 종래의 단방향 TDD 시스템에 비해 대략 166배의 데이터 전송률 향상에 이를 수 있다는 점을 알 수 있다.

도 5에서, 우리는 하나의 파일럿 신호만이 각 셀의 각 섹터에 할당되는 단순화된 예를 제공하였다. 당업자라면, 각 섹터에 할당되는 파일럿 신호들이 해당 셀의 인접 섹터에 할당되는 파일럿 신호들에 직교라면, 각 섹터에 다수의 파일럿 신호들이 마찬가지로 할당될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 달리 말하면, 주어진 셀에 할당되는 재사용 그룹은 2개 이상의 상이한 타입의 서브그룹들로 파티셔닝되고, 셀은 2개 이상의 대응 타입의 섹터들로 분할된다. 파일럿 신호들의 각 서브그룹은 자신의 타입의 섹터들에만 할당된다.

도 6의 예에서, 각 셀은 6개의 섹터들로 분할되고, 파일럿 신호들의 상이한 세트들을 사용하는 셀들의 3개 타입들(즉, 재사용 클래스들)이 존재하기 때문에, 네트워크는 재사용 인자가 3이라는 점이 이해될 것이다. 보다 일반적으로, 도 7의 예시적인 바둑판 패턴에 도시된 바와 같이, 셀들은 4개 섹터들(예를 들어, 셀들이 명목상 사각형일 때)등 적은 수로 분할될 수 있고, 재사용 인자는 2 등 낮을 수 있다.

한편, 섹터들의 수는 8 또는 그 이상 등 높을 수 있다. 이러한 관점에서, 주어진 섹터를 차지하는 사용자들의 수가 그 섹터에 할당되는 파일럿 신호들의 수보다 크면, 사용자들은 동일한 파일럿 신호를 직교 타임슬롯들에서 송신함으로써 그것을 공유할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 공유된 파일럿 신호당 사용자들의 수가 매우 많으면, 그 종류의 시분할(timesharing)은 서비스 지연을 길게 할 수 있다. 이러한 문제점은 섹터들의 수를 증가함으로써 완화될 수 있으므로, 섹터당, 사용자들의 수가 적어져서, 공유된 파일럿 신호들에 대한 요구가 적어진다.

셀들을 8개, 10개 또는 그 이상의 섹터들로 분할하는 고 구획화(high sectorization)의 한가지 가능한 단점은, 기지국에 배치되는 안테나들의 총 수가 고정되면, 구획화가 높아질수록, 섹터 당 안테나들의 수가 적어진다는 점이다. 상술된 바와 같이, 기지국 안테나들의 수가 무한으로 갈수록, 파일럿 오염으로부터 발생하는 셀 간 간섭은 다른 소스들로부터의 간섭이 사라지게 되어 지배적이 되고, 이는 저속 페이딩 계수에는 의존하지만 고속 페이딩 계수에는 의존하지 않는 값이 되는 경향이 있다는 점을 Marzetta 2010의 분석이 보여준다. 이들 바람직한 경향은 큰 안테나 배열들에 대한 평균화의 결과이기 때문에, 섹터 당 안테나들의 수가 감소될 수록 간섭 감소에 대한 그들의 이점은 급속하게 약해질 것이라 예상한다.

이러한 트레이오프는 구획화의 정도를 선택할 때 적용되기 때문에, 몇몇 네트워크들을 로컬 구획화로; 즉 네트워크에 대해 변화하는 구획화의 정도로 구성하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 도 8은 셀들이 4개, 6개 또는 8개의 섹터들을 가질 수 있는 가상적인 네트워크를 개략적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 3개의 파일럿 재사용 클래스들이 있고, 이는 각각 파일럿 서브그룹 A 및 B, C 및 D, E 및 F로 구성된다.

일부 셀들은 구획화의 정도가 가변되도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 기지국 안테나들의 구성을 변경하여 달성될 수 있다. 이러한 셀들은, 섹터들의 수를 증가시키는 것으로 인한 성능 이득과 보다 많은 수의 섹터들에 대해 고정된 수의 안테나들을 분할하는 것으로 인한 성능 손실 사이의 트레이드오프를 최적화하는 구획화를 선택할 가능성을 제공한다.

Claims (10)

1. 셀에 서비스를 제공하는 기지국에 의해 수행되는 방법으로서,
   상기 셀 내의 이동 단말들에게 파일럿 신호들을 할당하는 단계;
   이동 단말들에 의해 송신되는 업링크 파일럿 신호들로부터 CSI를 취득하는 단계;
   상기 CSI를 사용하여 메시지들을 프리코딩하는 단계; 및
   TDD 프로토콜에 따라 상기 메시지들을 송신하는 단계를 포함하고,
   상기 CSI는 각 이동 단말로부터 수신되는 상기 파일럿 신호를 해당 이동 단말과 관련된 알려진 파일럿 신호와 비교함으로써 취득되고;
   상기 알려진 파일럿 신호들은, 인접 셀들이 상호 직교하는 파일럿 신호들의 상호 직교하는 재사용 그룹들을 할당받는 파일럿 신호 재사용 패턴에 따라 각자의 이동 단말들과 관련되고, 주어진 셀 내의 이동 단말들은 해당 셀에 할당된 파일럿 신호들만 송신하는 것으로 제한되는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 서비스를 받는 셀은 할당된 재사용 그룹을 갖고;
   적어도 2개의 섹터 타입들이 존재하고, 인접 섹터들은 상이한 타입들을 가져야 하도록, 상기 서비스를 받는 셀은 지정된 타입들의 적어도 4개의 섹터들로 분할되고;
   상기 할당된 재사용 그룹은 상기 각자의 섹터 타입들에 대응하는 2개 이상의 서브그룹들로 파티셔닝되며(partitioned);
   상기 서비스를 받는 셀에서 이동 단말들에게 파일럿 신호들을 할당하는 상기 단계는, 각 타입의 섹터 내의 이동 단말들이 해당 타입의 파일럿 신호들만 송신하도록 수행되는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 서비스를 받는 셀에서 이동 단말들에게 파일럿 신호들을 할당하는 상기 단계는, 각 타입의 섹터 내의 이동 단말들이 해당 타입의 파일럿 신호들만 할당받도록 수행되는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 기지국은 3 이상의 재사용 인자를 가지는 네트워크의 일부이고, 상기 기지국은 파일럿 신호들의 3개의 상호 직교하는 재사용 그룹들 중 하나인 할당된 재사용 그룹을 갖는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 서비스를 받는 셀은 6개의 섹터들로 분할되고;
   각 섹터는 2개 타입들 중 하나에 배정되어, 인접 섹터들이 상이한 타입들로 배정되고;
   상기 할당된 재사용 그룹은 2개의 서브그룹들로 파티셔닝되고, 이들 각각은 상기 2개의 각자의 섹터 타입들 중 하나에 대응하며;
   상기 서비스를 받는 셀에서 이동 단말들에게 파일럿 신호들을 할당하는 상기 단계는, 각 타입의 섹터 내의 이동 단말들이 해당 타입의 파일럿 신호들만 송신하도록 수행되는 방법.
6. 무선 네트워크의 셀에 서비스를 제공하는 기지국 장치로서,
   할당된 재사용 그룹에 속하는 상호 직교하는 파일럿 신호들의 리스트를 유지하도록 동작할 수 있는 디지털 메모리 디바이스 - 상기 할당된 재사용 그룹은, 인접 셀들이 상호 직교하는 파일럿 신호들의 상호 직교하는 재사용 그룹들을 배정받는 파일럿 신호 재사용 패턴에 따라 상기 네트워크의 셀들에 배정되는, 2개 이상의 파일럿 신호 재사용 그룹들 중 하나임 -;
   상기 디지털 메모리 디바이스로부터 상기 할당된 재사용 그룹의 파일럿 신호들을 취득하고, 이들을 상기 이동 단말들에 의해 송신될 수 있는 유일한 파일럿 신호들로서 상기 셀에서 이동 단말들에게 배정하도록 동작할 수 있는 파일럿 모듈;
   상기 이동 단말들로부터 상기 할당된 재사용 그룹의 파일럿 신호들을 수신하고, 각 이동 단말로부터 수신된 파일럿 신호를 해당 이동 단말과 관련된 알려진 파일럿 신호와 비교함으로써, 상기 수신된 파일럿 신호들로부터 CSI를 취득하도록 구성되는 무선 수신기 장치;
   상기 무선 수신기 장치로부터 상기 CSI를 취득하고, 상기 CSI를 사용하여 메시지를 프리코딩하도록 구성되는 신호 처리기; 및
   상기 신호 처리기로부터 상기 프리코딩된 메시지들을 수신하고, TDD 프로토콜에 따라 상기 프리코딩된 메시지들을 송신하도록 구성되는 무선 송신기 장치를 포함하는 기지국 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 기지국 장치는 각각 특정 타입을 갖는 적어도 4개의 섹터들로 분할되는 셀의 상기 섹터들에 서비스를 제공하도록 구성되고;
   상기 파일럿 모듈은, 각 타입의 섹터 내의 이동 단말들이 대응 타입의 파일럿 신호들만을 송신할 수 있다는 제한을 조건으로, 상기 파일럿 신호들을 배정하도록 구성되고;
   적어도 2개의 섹터 타입들이 존재하고;
   인접 섹터들은 상이한 타입들을 가져야 하고;
   상기 할당된 재사용 그룹에서의 상기 파일럿 신호들은 상기 각자의 섹터 타입들에 대응하는 2개 이상의 서브그룹들로 파티셔닝되는 기지국 장치.
8. 기지국에 의해 서비스를 받는 무선 통신 네트워크의 셀에서 이동 단말에 의해 수행되는 방법으로서,
   상기 기지국으로부터 파일럿 신호들의 배정을 수신하는 단계; 및
   배정된 파일럿 신호들을 상기 기지국에 송신하는 단계를 포함하고,
   상기 배정된 파일럿 신호들은, 상호 직교하며, 여기에서 제1 타입, 제2 타입 등으로 명명되는 적어도 2개의 상호 배타적인 타입들로 파티셔닝되는 파일럿 신호들의 그룹으로부터 선택되고,
   상기 셀은, 어느 2개의 인접 섹터들도 동일한 타입을 갖지 않지만, 적어도 2개의 인접하지 않는 섹터들은 동일한 타입을 갖도록, 2개 이상의 섹터 타입들로 파티셔닝되는 적어도 4개의 별개 섹터들을 갖고;
   각 섹터 타입은 대응 파일럿 신호 타입과 관련되며;
   상기 배정된 파일럿 신호들의 송신은, 각 타입의 파일럿 신호들이 동일 타입의 섹터들을 차지하는 이동국들에 의해서만 송신될 수 있다는 제한을 조건으로 수행되는 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 배정된 파일럿 신호들의 송신은, 1개 타입의 파일럿 신호를 송신하고, 그 다음, 동일 셀의 새로운 섹터에 진입한 후, 상이한 타입의 파일럿 신호를 송신하는 것을 포함하는 방법.
10. 셀들로 편성되는 무선 네트워크를 구성하는 방법으로서,
    셀들의 적어도 2개의 재사용 클래스들이 존재하고, 각 셀이 각자의 재사용 클래스를 갖도록, 적어도 2의 재사용 인자를 가지는 재사용 패턴을 정의하는 단계; 및
    적어도 2개의 재사용 그룹들로부터의 파일럿 신호들을 상기 셀들에 할당하는 단계를 포함하고,
    상기 파일럿 신호들은 각 재사용 그룹들 내에서 상호 직교하며 재사용 그룹들 전체에 걸쳐 상호 직교하며, 각 재사용 그룹으로부터의 파일럿 신호들은 대응 재사용 클래스의 셀들에만 할당되고, 상기 파일럿 신호들은 각각의 각자의 셀에서 이동국에 의한 업링크 송신을 위한 것이며;
    상기 할당하는 단계는, 상기 기지국이 자신의 할당받은 파일럿 신호들을 식별하는 정보를 디지털 메모리에 기록하게 하는 메시지를 각 셀의 기지국에 송신하는 단계를 포함하는 방법.

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