KR20150067212A - 밀리미터파 통신을 위한 하이-스루풋 빔포밍 mimo 수신기 및 방법 - Google Patents

밀리미터파 통신을 위한 하이-스루풋 빔포밍 mimo 수신기 및 방법 Download PDF

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Abstract

동기화 모듈 및 채널 추정기를 포함하는, 통신 시스템의 수신기가 제공된다. 상기 동기화 모듈은 수신된 신호에서 검출 메트릭 임계값을 모니터링함으로써 기울기 검출을 사용하여 수신된 신호에서 CP(cyclic prefix)의 단부(end)를 식별하도록 구성된다. 상기 채널 추정기는 보호 대역 부반송파들을 사용하여 복소 잡음 분산을 추정하도록 구성된다.

Description

밀리미터파 통신을 위한 하이-스루풋 빔포밍 MIMO 수신기 및 방법{HIGH-THROUGHPUT BEAMFORMING MIMO RECEIVER FOR MILLIMETER WAVE COMMUNICATION AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 무선 통신, 보다 구체적으로는, 밀리미터파 통신을 위한 하이-스루풋(high-throughput) 빔포밍(beamforming) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 수신기 및 방법에 관한 것이다.
소비자와 기업 사이에서, 스마트 폰(smart phone) 및, 태블릿(tablet), 넷북(netbook) 및 전자책 리더(eBook reader)와 같은 다른 모바일(mobile) 데이터 장치들의 인기가 증가함에 따라 모바일 데이터 트래픽(mobile data traffic)에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 모바일 데이터 트래픽에서의 높은 성장을 충족시키기 위해, 더 큰 용량, 더 높은 스루풋, 더 낮은 대기 시간(latency) 및 더 나은 안정성을 갖는 이동 통신 시스템의 구현이 유용하다.
본 발명은 밀리미터파(millimeter wave) 통신을 위한 하이-스루풋(high-throughput) 빔포밍(beamforming) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 수신기 및 방법을 제공한다.
일 실시 예에서, 통신 시스템의 수신기가 제공된다. 상기 수신기는 동기화 모듈 및 채널 추정기를 포함한다. 상기 동기화 모듈은 수신된 신호에서 검출 메트릭 임계값(detection metric threshold)을 모니터링(monitoring)함으로써, 기울기 검출(slope detection)을 사용하여 수신된 신호에서 순환 전치(cyclic prefix, CP)의 단부(end)를 식별하도록 구성된다. 상기 채널 추정기는 보호 대역(guard band) 부반송파들을 사용하여 복소 잡음 분산(complex noise variance)을 추정하도록 구성된다.
다른 실시 예에서, 통신 시스템의 수신기에서 통신을 위한 빔(beam)을 선택하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 복수의 빔 각각에 대해, 빔에 대응하는 이득(gain)을 결정하기 위해 지정된 개수의 서브프레임(sub-frame)들에 대해 자동 이득 제어(automatic gain control)를 수행하는 단계를 포함한다. 가장 낮은 해당 이득을 갖는 빔이 통신을 위해 선택된다.
또 다른 실시 예에서, 통신 시스템의 수신기에서 빔포밍(beamforming)하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 기지국과 통신하기 위한 넓은 빔(wide beam)에 대한 가장 강한 빔 방향을 검출하는 단계를 포함한다. 슬라이스 식별자(slice-identifier)가 넓은 빔을 식별하는 기지국으로 전송된다. 넓은 빔 내의 좁은 빔(narrow beam)들의 집합이 스캔된다. 가장 강한 빔 방향은 기지국과 통신하기 위한 좁은 빔들 중 하나에 대해 검출된다. 슬라이스 식별자는 좁은 빔을 식별하는 기지국으로 전송된다. 좁은 빔에서 전송되는 데이터가 수신된다.
이하의 상세한 설명을 착수하기 전에, 본 특허 문서 전체에 걸쳐 사용되는 특정 단어 및 구문들의 정의를 명시하는 것이 유리할 수 있다. "포함하다(include)" 및 "포함하다(comprise)"라는 용어들뿐만 아니라 이들의 파생물은 제한 없는 포함을 의미하고; 용어 "또는"은 및/또는을 포함하는 의미이고, "~와 관련된" 및 "이와 관련된"이라는 구문들뿐만 아니라 이들의 파생물은 포함하는, ~내에 포함되는, ~와 상호 연결하는, 포함하는, ~ 내에 포함되는, ~에 또는 ~와 연결하는, ~에 또는 ~와 결합하는, ~와 결합할 수 있는, ~와 협력하는, 인터리브하는, 병치하는, ~에 근접할 수 있는, ~에 또는 ~와 결합되는, 갖는, ~의 특성을 갖는 등을 의미할 수 있고, "제어기"라는 용어는 적어도 하나의 운영에서 제어하는 모든 장치, 시스템 또는 그의 일부를 의미하고, 이러한 장치는 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어, 또는 상기의 적어도 두 개의 조합으로 구현될 수 있다. 모든 특정 제어기와 관련된 기능은, 로컬이던 원격이던, 중앙 집권화되거나 분산될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 특정 단어 및 구문들에 대한 정의는 본 특허 문서 전반에 걸쳐 제공되고, 당업자는 대부분의 경우는 아니지만 많은 경우에 이러한 정의들이 이러한 정의된 단어 및 구문들의 이전의 사용뿐만 아니라 미래의 사용에 적용된다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 실시 예에 따라, 밀리미터파 빔포밍(beamforming) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 수신기를 통해, 높은 스루풋(throughput)을 얻을 수 있으며, 그 결과 무선 통신 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명 및 본 발명의 장점들을 보다 완전히 이해하기 위해, 유사한 참조 번호들은 유사한 부품들을 나타내는, 첨부 도면들을 참조한 다음의 설명으로 참조가 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 네트워크를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 단말(mobile station)을 도시한다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역(millimeter-wave mobile broadband, MMB) 통신 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 MIMO OFDM 시스템의 송신기 및 수신기의 상세도를 도시한다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 기지국의 섹터들을 도시한다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 5a의 섹터들 중 하나를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기의 상세도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 기지국과 단말 간 동기화 채널을 도시한다.
도 8은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 데이터 및 파일럿 신호의 할당을 도시한다.
도 9는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 동기화 모듈의 상세도를 도시한다.
도 10은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 자동 이득 제어(AGC) 및 빔포밍에 대한 아키텍처를 도시한다.
도 11은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 채널 추정 모듈의 상세도를 도시한다.
도 12는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 MIMO 검출 모듈의 상세도를 도시한다.
도 13은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 의한 MIMO 피드백을 도시한다.
도 14는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 동기화를 제공하는 방법을 도시한다.
도 15는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 AGC를 제공하는 방법을 도시한다.
도 16은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 빔포밍을 제공하는 방법을 도시한다.
도 17은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 MIMO 피드백을 제공하는 방법을 도시한다.
후술되는 도 1 내지 도 17 및 본 특허 문서에서 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 사용되는 다양한 실시 예들은 단지 설명을 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 당업자들은 본 발명의 원리들이 모든 적합하게 배치된 무선 네트워크에서 구현될 수 있음을 이해할 것이다.
이동 통신은 현대 역사에서 가장 성공적인 혁신들 중 하나가 되었다. 최근에, 이동 통신 서비스에 대한 가입자 수가 오십억을 초과하였고, 빠르게 성장하고 있다. 동시에, LTE(long term evolution) 및 WiMAX(world interoperability for microwave access) 시스템과 같은 새로운 이동 통신 기술들이 증가하는 수요를 만족시키기 위해 개발되었다. 그러나, 점점 더 많은 사용자들이 이동 통신 시스템들을 이용함에 따라, 더 큰 용량, 더 높은 스루풋(throughput) 및 더 낮은 대기 시간(latency)을 갖는 이동 통신 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다.
통상적으로, 밀리미터파(millimeter waves)는 3 GHz 내지 300 GHz의 주파수를 갖는 전파를 지칭한다. 이들 대역은 고유의 전파 특성을 보인다. 예를 들어, 더 낮은 주파수 대역들에 비해, 이들은 더 높은 전파 손실을 겪고, 더 빈약한 물체를 관통하는 능력을 가지고, 공기 중의 입자(예를 들어, 빗 방울)들로 인해 대기 흡수, 굴절 및 회절에 더 민감하다. 반면에, 그들의 더 짧은 파장 길이로 인해, 더 많은 안테나가 상대적으로 작은 영역에 패킹(packing))될 수 있다. 또한, 이들 대역은 더 낮은 주파수 대역들보다 덜 사용되어왔기 때문에, 이들은 기존의 간섭을 더 적게 가지고, 더 낮은 스펙트럼 비용을 가진다.
60 GHz 대역은 1미터 내에서 10 Gbps 및 10미터 내에서 3 Gbps 까지 매우 높은 데이터율을 제공할 수 있지만, 높은 대기 흡수는 야외 이동 통신에 대한 60 GHz의 사용을 제한한다. 그러나, 더 낮고, 사용되지 않은 28 GHz에서의 대역을 선택함으로써, 도시의 모바일 환경에서 Gbps 데이터율을 달성하는 것이 가능하다. 28 GHz 대역은 60 GHz 및 더 높은 대역들에 비해 더 양호한 전파 특성을 보이고, 널리 사용되는 셀룰러 대역들과 유사한 자유 공간 경로 손실(free space path loss)을 갖는다. 이러한 사실들은 밀리미터파 통신이 차세대 이동 통신(5G)에 대한 강력한 후보가 되는 것을 가능하게 한다.
다음의 설명과 관련하여, LTE 용어 "노드 B(node B)", "향상된 노드 B(enhanced node B)", 및 "eNodeB"는 아래에서 사용되는 "기지국(base station)"에 대한 다른 용어들임이 유의된다. 본 명세서에 기재된 바와 같이 기지국은 기지국 식별자(BSID)로서 알려진 전역 고유 식별자(globally unique identifier)를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, BSID는 MAC ID일 수 있다. 또한, 기지국은, 각각 동기화 채널(synchronization channel)에서 운반될 수 있는 물리적 셀 식별자(physical cell identifier), 또는 프리앰블 시퀀스(preamble sequence)를 갖는, 복수의 셀(예를 들어, 하나의 섹터(sector)는 하나의 셀일 수 있다)을 가질 수 있다. 또한, LTE 용어 "사용자 장치(user equipment)" 또는 "UE"는 아래에서 사용되는 "가입자국(subscriber station)"에 대한 다른 용어이고, 본 명세서에 기재된 바와 같이 "단말(mobile station)"은 "가입자국"과 교체 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적 무선 네트워크(100)를 도시한다. 도시된 실시 예에서, 무선 네트워크(100)는 기지국(BS)(101), 기지국(102) 및 기지국(103)을 포함한다. 기지국(101)은 기지국(102) 및 기지국(103)과 통신한다, 또한, 기지국(101)은 인터넷, 전용 IP(Internet protocol) 네트워크, 또는 다른 데이터 네트워크와 같은 IP 네트워크(130)와 통신한다. 기지국(102)은 RNC(Radio Network Controller, 104)와 통신한다. 특정 실시 예들에서, RNC(104)는 기지국(102)의 일부일 수 있다. 또한, 특정 실시 예들에서, 기지국(101) 및 기지국(103)은 RNC(104)와 통신할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 기지국(101) 및 기지국(103)은 RNC(104)와 유사한 다른 무선 네트워크 제어기를 포함할 수 있으며, 또는 RNC(104)와 유사한 다른 무선 네트워크 제어기와 통신할 수 있다. 기지국(102) 또는 기지국(103)은 무선으로 기지국(101)과 통신하는 대신에, 유선을 사용하여 IP 네트워크(130)와 통신할 수 있다.
기지국(102)은 RNC(104)와 협력하거나, RNC(104)를 통해 기지국(102)의 커버리지 영역(120) 내의 제1 복수의 가입자국들에 네트워크(130)에 대한 무선 광대역 액세스를 제공한다. 상기 제1 복수의 가입자국들은 가입자국(SS)(111), 가입자국(112), 가입자국(113), 가입자국(114), 가입자국(115) 및 가입자국(116)을 포함한다. 가입자국들(111 내지 116)은 휴대 전화, 휴대 PDA(personal digital assistant) 및 모든 단말(MS)과 같은 모든 무선 통신 장치일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 예시적 실시 예에서, 가입자국(111)은 소기업(small business, SB)에 설치될 수 있고, 가입자국(112)은 기업체(enterprise, E)에 설치될 수 있고, 가입자국(113)은 WiFi 핫스팟(hotspot, HS)에 설치될 수 있고, 가입자국(114)은 주택에 설치될 수 있고, 가입자국(115) 및 가입자국(116)은 모바일 장치들일 수 있다.
기지국(103)은 기지국(103)의 커버리지 영역(125) 내의 제2 복수의 가입자국들에, 기지국(101)을 통해, 네트워크(130)에 대한 무선 광대역 액세스를 제공한다. 상기 제2 복수의 가입자국들은 가입자국(115) 및 가입자국(116)을 포함한다. 대안적 실시 예들에서, 기지국들(102 및 103)은 기지국(101)을 통해 간접적으로 연결되기 보다는 광 섬유, DSL(digital subscriber line), 케이블 선이나 T1/E1 선과 같은 유선 광대역 연결에 의해 인터넷에 직접 연결될 수 있다.
다른 실시 예들에서, 기지국(101)은 더 적은 또는 더 많은 기지국들과 통신할 수 있다. 또한, 단지 6 개의 가입자국만이 도 1에 도시되지만, 무선 네트워크(100)는 6 개 이상의 가입자국에 무선 광대역 액세스를 제공할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 가입자국(115) 및 가입자국(116)은 커버리지 영역(120) 및 커버리지 영역(125) 양쪽의 가장자리에 있다는 것이 유의되어야 한다. 가입자국(115) 및 가입자국(116)은 각각 기지국(102) 및 기지국(103) 양쪽과 통신하고, 서로 방해하는 셀 에지(cell-edge) 장치들이라고 말할 수 있다. 예를 들어, 지지국(102)과 가입자국(116) 사이의 통신들은 기지국(103)과 가입자국(115) 사이의 통신들을 방해할 수 있다. 또한, 기지국(103)과 가입자국(115) 사이의 통신들은 기지국(102)과 가입자국(116) 사이의 통신을 방해할 수 있다.
가입자국들(111 내지 116)은 음성, 데이터, 비디오, 화상 원격 회의 및/또는 다른 광대역 서비스에 액세스하기 위해 네트워크(130)에 대한 광대역 액세스를 사용할 수 있다. 예시적 실시 예에서, 하나 이상의 가입자국(111 내지 116)은 WiFi WLAN(wireless local area network)의 액세스 포인트(AP)와 관련될 수 있다. 가입자국(116)은 무선 접속 가능 랩톱 컴퓨터(laptop computer), 개인 정보 단말기(personal data assistant), 노트북(notebook), 핸드헬드 장치(handheld device), 또는 다른 무선 접속 가능 장치를 포함하여 다수의 모바일 장치 중 어느 하나일 수 있다. 가입자국(114)은, 예를 들어, 무선 접속 가능 개인용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 게이트웨이(gateway) 또는 다른 장치일 수 있다.
점선들은 단지 예시 및 설명을 위해 대략적으로 원형으로 도시되는 커버리지 영역들(120 및 125)의 대략적인 범위를 나타낸다. 기지국들과 관련된 커버리지 영역들, 예를 들어, 커버리지 영역들(120 및 125)은 자연 및 인공 장애물들과 관련된 무선 환경에서 기지국 및 유사국들의 구성에 따라, 불규칙한 형태들을 포함하여 다른 형태들을 가질 수 있다는 것을 명확히 이해해야 한다..
또한, 기지국들과 관련된 커버리지 영역들은 시간이 지남에 따라 일정하지 않고, 기지국 및/또는 가입자국들의 변화하는 송신 전력 레벨, 날씨 조건 및 다른 인자들에 따라 동적(확대 또는 수축 또는 변경 형태)일 수 있다. 일 실시 예에서, 기지국들의 커버리지 영역들, 예를 들어, 기지국들(102 및 103)의 커버리지 영역들(120 및 125)의 반경은 기지국들로부터 2 킬로미터 미만에서 약 50 킬로미터까지의 범위에서 연장될 수 있다.
당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 기지국(101, 102 또는 103)과 같은 기지국은 커버리지 영역 내의 복수의 섹터를 지원하기 위해 지향성 안테나들을 사용할 수 있다. 도 1에서, 기지국들(102 및 103)은 각각 커버리지 영역들(120 및 125)의 중심에 대략적으로 도시된다. 다른 실시 예들에서, 지향성 안테나들의 사용은 커버리지 영역의 가장자리 근처, 예를 들어, 콘 형태 또는 배 형태 커버리지 영역의 지점에 기지국을 설치할 수 있다.
도 1은 무선 네트워크(100)의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경이 도 1에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유선 네트워크와 같은 다른 유형의 데이터 네트워크로 무선 네트워크(100)를 대체할 수 있다. 유선 네트워크에서, 네트워크 단말들은 기지국들(101 내지 103) 및 가입자국들(111 내지 116)을 대신할 수 있다. 유선 연결들은 도 1에 도시된 무선 연결들을 대신할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 단말(200)을 도시한다. 특정 실시 예들에서, 무선 단말(200)은 도 1에 도시된 가입자국들(111 내지 116) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다. 도 2에 도시된 무선 단말(200)의 실시 예는 단지 설명을 위한 것이다. 무선 단말(200)의 다른 실시 예들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 사용될 수 있다.
무선 단말(200)은 안테나(205), RF(radio frequency) 송수신기(210), TX(transmit) 처리 회로(processing circuitry) (215), 마이크로폰(microphone, 220), RX(receive) 처리 회로(225) 및 스피커(speaker, 230)를 포함한다. 또한, 단말(200)은 메인 프로세서(main processor, 240), 입출력 인터페이스(input/output (I/O) interface, IF)(245), 키패드(keypad, 250), 디스플레이(display, 255) 및 메모리(memory, 260)를 포함한다.
RF 송수신기(210)는 무선 네트워크(100)의 기지국에 의해 전송되는 입력 RF 신호를 안테나(205)로부터 수신한다. RF 송수신기(210)는 중간 주파수(intermediate frequency, IF) 또는 기저대역 신호를 생성하기 위해 입력 RF 신호를 하향 변환(down-convert)한다. 중간 주파수 또는 기저대역 신호는 기저대역 또는 중간 주파수 신호를 필터링, 디코딩 및/또는 디지털화함으로써 처리된 기저대역 신호를 생성하는 RX 처리 회로(225)로 전송된다. RX 처리 회로(225)는 처리된 기저대역 신호를 스피커(230)(즉, 음성 데이터)로, 또는 추가 처리(예를 들어, 웹 브라우징)를 위해 메인 프로세서(240)로 전송한다.
TX 처리 회로(215)는 마이크로폰(220)으로부터 아날로그 또는 디지털 음성 데이터를 수신하거나, 메인 프로세서(240)로부터 다른 출력 기저대역 데이터(예를 들어, 웹 데이터, 이메일, 대화형 비디오 게임 데이터)를 수신한다. TX 처리 회로(215)는 처리된 기저대역 또는 중간 주파수 신호를 생성하기 위해 출력 기저대역 데이터를 인코딩, 멀티플렉싱 및/또는 디지털화한다. RF 송수신기(210)는 TX 처리 회로(215)로부터 출력 처리된 기저대역 또는 중간 주파수 신호를 수신한다. RF 송수신기(210)는 안테나(205)를 통해 전송되는 RF 신호로 기저대역 또는 중간 주파수 신호를 상향-변환한다.
본 발명의 일부 실시 예에서, 메인 프로세서(240)는 마이크로프로세서(microprocessor) 또는 마이크로컨트롤러(microcontroller)이다. 메모리(260)는 메인 프로세서(240)에 결합된다. 메모리(260)는 모든 컴퓨터 판독 가능한 매체일 수 있다. 예를 들어, 메모리(260)는 마이크로프로세서 또는 다른 컴퓨터 관련 시스템 또는 방법에 의한 사용을 위한 컴퓨터 프로그램, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 데이터를 포함, 저장, 통신, 전달, 또는 전송할 수 있는 전자, 자기, 전자기, 광학, 전기 광학, 전기 기계 및/또는 다른 물리적 장치일 수 있다. 이러한 실시 예들에 따르면, 메모리(260)의 일부는 RAM(random access memory)을 포함하고, 메모리(260)의 다른 일부는 ROM(read-only memory) 역할을 하는 플래시 메모리(flash memory)를 포함한다.
메인 프로세서(240)는 단말(200)의 전체 운영을 제어하기 위해 메모리(260)에 저장된 기본 운영 체계 프로그램(261)을 실행한다. 이러한 하나의 운영에서, 메인 프로세서(240)는 잘 알려진 원리들에 따라, RF 송수신기(210), RX 처리 회로(225) 및 TX 처리 회로(215)에 의해 순방향 채널 신호들의 수신 및 역방향 채널 신호들의 송신을 제어한다.
메인 프로세서(240)는 메모리(260)에 있는 다른 프로세스들 및 프로그램들을 실행할 수 있다. 메인 프로세스(240)는 실행하는 프로세스에 의해 요구되는 바와 같이, 메모리(260) 안으로 또는 밖으로 데이터를 이동시킬 수 있다. 메인 프로세스(240)는 실행하는 프로세스에 의해 요구되는 바와 같이, 메모리(260) 안으로 또는 밖으로 데이터를 이동시킬 수 있다. 또한, 메인 프로세서(240)는 입출력 인터페이스(245)에 결합된다. 입출력 인터페이스(245)는 랩톱 컴퓨터 및 헨드헬드(handheld) 컴퓨터와 같은 다른 장치들에 연결하는 능력을 단말(200)에 제공한다. 입출력 인터페이스(245)는 이들 액세서리와 메인 프로세서(240) 사이의 통신 경로이다.
또한, 메인 프로세서(240)는 키패드(250) 및 디스플레이(255)에 결합된다. 단말(200)의 운영자는 단말(200)에 데이터를 입력하기 위해 키패드(250)를 사용한다. 디스플레이(255)는 웹 사이트들로부터의 텍스트 및/또는 그래픽을 렌더링(rendering)할 수 있는 액정 또는 LED(light emitting diode) 디스플레이일 수 있다. 대안적인 실시 예들은 다른 유형의 디스플레이들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(255)가 터치 스크린 디스플레이(touch-screen display)인 일 실시 예에서, 키패드(250)는 디스플레이(255)를 통해 제공될 수 있다.
도 2는 단말(200)의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경들이 도 2에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유선 또는 무선 네트워크 단말로 단말(200)을 대체할 수 있다. 유선 네트워크 단말은 안테나와 같은, 무선 통신을 위한 구성 요소들을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
도 3은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역(millimeter-wave mobile broadband, MMB) 통신 시스템(300)을 도시한다. 도시된 실시 예에서, 시스템(300)은 기지국(301), 기지국(302) 및 기지국(303)을 포함한다.
기지국(301)은 기지국(303) 및 단말(315 및 316)과 통신하도록 구성된다. 기지국(302)은 단말(317)과 통신하도록 구성된다. 기지국(303)은 패킷 데이터 서버 게이트웨이(310)에 대한 액세스(access)를 제공하는 네트워크(305)와 통신하도록 구성된다. 기지국(301)과 기지국(303)은 둘 다 세 개의 셀(셀 0, 셀 1 및 셀 2)을 포함하며, 각각의 셀은 두 개의 어레이(어레이 0 및 어레이 1)를 포함한다. 기지국(302)은 여섯 개의 셀(셀 0, 셀 1, 셀 2, 셀 3, 셀 4 및 셀 5)을 포함하고, 각각의 셀은 하나의 어레이(어레이 0)를 포함한다.
본 실시 예는 단지 설명을 위한 것이고, 시스템(300)의 다른 실시 예들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 기지국들(301 내지 303)은 각각 모든 다른 적합한 기지국 및/또는 단말과 통신할 수 있다. 또한, 기지국들(301 내지 303)은 각각 도 1에 도시된 기지국들(101 내지 103) 중 어느 하나를 나타낼 수 있고, 단말들(315 내지 317)은 각각 도 1에 도시된 가입자국들(111 내지 116) 및/또는 도 2에 도시된 단말(200) 중 어느 하나를 나타낼 수 있음이 이해될 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 기지국 대 기지국 무선 통신 및 단말 대 단말 무선 통신에 적용될 수 있고, 기지국과 단말 간의 통신에 제한되지 않는다. 본 발명 전반에 걸쳐, 빔들(TX 빔 및 RX 빔 포함)은 다양한 빔 폭, 또는 규칙 또는 불규칙 형태들을 포함하여 다양한 형태를 가질 수 있고, 도면들에 도시된 빔들에 의해 제한되지 않는다.
또한, 시스템(300)은 밀리미터파를 이용한 통신의 맥락에서 설명되지만, 시스템(300)은 밀리미터파와 유사한 특성들을 보이는 3GHz 내지 30GHz의 주파수를 갖는 전파와 같이, 모든 다른 적합한 통신 매체를 사용하여 구현될 수 있다. 또한, 통신 매체는 THz(terahertz) 주파수를 갖는 전자기파 또는 적외선 광, 가시광 또는 다른 광학 매체를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "셀룰러 대역"은 약 수 백 MHz 내지 수 GHz의 주파수들을 지칭하고, 용어 "밀리미터파 대역"은 약 수 GHz 내지 수 백 GHz의 주파수들을 지칭한다. 셀룰러 대역들에서 전파는 적은 전파 손실을 가질 수 있고, 더 양호한 커버리지를 제공할 수 있지만, 또한 상대적으로 큰 안테나들을 사용할 수 있다. 반면에, 밀리미터파 대역들에서 전파는 더 높은 전파 손실을 겪을 수 있지만, 작은 폼 팩터(form factor)에서 높은 이득 안테나 또는 안테나 어레이 설계에 상당히 도움이 될 수 있다.
방대한 양의 스펙트럼이 밀리미터파 대역에서 사용될 수 있다. 밀리미터파 대역은, 예를 들어, (10 미터 내의) 단거리 통신에 사용되어왔다. 그러나, 밀리미터파 대역에서 기존 기술들은 더 넓은 커버리지에서의 상업적 이동 통신을 위한 것은 아니기 때문에, 현재 존재하는 밀리미터파 대역에서의 상업적 셀룰러 시스템은 없다. 아래의 설명을 위해, 3GHz 내지 300GHz 주파수에서 사용되는 모바일 광대역 통신 시스템들은 밀리미터파 모바일 광대역(MMB) 통신 시스템들로 지칭된다.
하나의 시스템 설계 방법은 이동 통신을 위한 기존 기술들을 활용하고, 데이터 통신을 위한 추가 스펙트럼으로서 밀리미터파 채널을 사용하는 것이다. 이러한 유형의 시스템에서, 상이한 단말, 기지국 및 중계국을 포함하여, 통신국들은 셀룰러 대역 및 밀리미터파 대역들 둘 다를 사용하여 통신한다. 셀룰러 대역들은 일반적으로 수 백 MHz 내지 수 GHz의 주파수에 존재한다. 밀리미터파에 비해, 이들 주파수에서의 전파는 적은 전파 손실을 겪고, 장애물을 더 잘 관통할 수 있고, 비가시선(NLOS) 통신 링크 또는, 산소, 비 및 공기 중의 다른 입자들에 의한 흡수와 같은, 다른 장애들에 덜 민감하다. 따라서, 특정 제어 채널 신호들은 이들 셀룰러 무선 주파수들을 통해 전송될 수 있고, 밀리미터파는 높은 데이터율(data rate) 통신을 위해 이용될 수 있다.
다른 시스템 설계 방법은 밀리미터파 모바일 광대역 시스템(300)에 독립형 이동 통신 및 제어/데이터 통신들을 포함하는 것이다. 단말들(315 내지 317)이 밀리미터파 모바일 광대역 시스템(300)의 커버리지 홀(hole)에 있거나, 밀리미터파 모바일 광대역 시스템(300)에서 기지국들(301 내지 303)로부터의 신호 강도가 충분히 강하지 않은 경우와 같은 상황에서, 단말들(315 내지 317)은 4G(generation), 3G 등과 같은 기존의 셀룰러 시스템으로 핸드오버할 수 있다.
어떤 경우, 밀리미터파 모바일 광대역 시스템(300)에서의 통신은 4G, 3G 등과 같은 현재의 셀룰러 시스템들과 공존할 것이다. 또한, 밀리미터파 모바일 광대역 시스템(300)에서 기지국들(301 내지 303)은 작은 셀들이 큰 셀들에 의해 중첩될 수 있는 오버레이 계층적 네트워크 구조(overlay hierarchical network structure)와 함께 상이한 크기를 가질 수 있다.
일부 실시 예에서, 기지국들(301 내지 303)은 하나 또는 복수의 셀을 가질 수 있고, 각각의 셀은 하나의 또는 다중 안테나 어레이를 가질 수 있다. 또한, 셀 내의 각각의 어레이는 어레이 지정 프레임 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 어레이들은 시 분할 복신(time division duplex, TDD) 시스템에서 상이한 상향링크 및 하향링크 비율을 가질 수 있다. 이것은 무선 백홀에 유연성(flexibility)을 제공한다.
복수의 송신/수신(TX/RX) 체인들이 하나의 어레이, 하나의 셀 등에 적용될 수 있다. 셀에서 하나의 또는 다중 안테나 어레이는 동일한 하향링크 제어 채널(예를 들어, 동기화 채널, 물리적 방송 채널 등) 전송을 가질 수 있고, 데이터 채널들과 같은 다른 채널들은 각각의 안테나 어레이에 지정되는 프레임 구조에서 전송될 수 있다.
기지국들(301 내지 303) 및 단말들(315 내지 317)은 각각 빔포밍을 수행하기 위해 안테나 또는 안테나 어레이들을 사용할 수 있다. 안테나 어레이들은 넓은 빔(wide beam) 또는 좁은 빔(narrow beam)과 같이, 상이한 폭을 갖는 빔들을 형성할 수 있다. 하향링크 제어 채널, 방송 신호/메시지 및/또는 방송 데이터나 제어 채널들은 넓은 빔들로 전송될 수 있다. 넓은 빔은 동시에 하나의 넓은 빔을 전송하거나, 동시 또는 순차적으로 좁은 빔들의 스윕(sweep)을 전송하거나, 또는 모든 다른 적합한 방식으로 전송함으로써 제공될 수 있다. 멀티캐스트(multicast) 및/또는 유니캐스트(unicast) 데이터/제어 신호 또는 메시지들은 좁은 빔들로 전송될 수 있다.
또한, 일부 실시 예에서, 각각의 단말(315 내지 317)에 대한 빔들의 폭은 단말들(315 내지 317)의 속도를 기반으로 하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 낮은 이동성의 단말들은 더 좁은 빔을 사용할 수 있고, 높은 이동성의 단말들은 더 넓은 빔 또는 다수의 좁은 빔들을 사용할 수 있다.
일부 실시 예에서, 셀들의 식별자는 동기화 채널에서 운반될 수 있고, 어레이, 빔 등의 식별자들은 암시적 또는 명시적으로 하향링크 제어 채널들에서 운반될 수 있다. 식별자들은 넓은 빔들을 사용하여 전송될 수 있다. 이들 채널을 취득함으로써, 단말들(315 내지 317)은 식별자들을 검출할 수 있다.
도 3에 도시된 실시 예에서, 기지국(301)의 셀 0에서 안테나 어레이들(어레이 0 및 어레이 1) 각각은 넓은 빔 상에 동일한 하향링크 제어 채널들을 전송한다. 그러나, 어레이 0은 어레이 1과는 상이한 프레임 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 어레이 0은 단말(316)과의 상향링크 유니캐스트 통신을 할 수 있지만, 어레이 1은 백홀 네트워크들에 연결되는 유선 백홀을 가질 수 있는, 기지국(303)의 셀 2의 어레이 0과의 하향링크 백홀 통신을 할 수 있다.
도 3은 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템(300)의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경이 도 3에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시스템(300)의 메이크업(makeup) 및 배치는 단지 설명을 위한 것이다. 구성 요소들은 특별한 요구에 따라 다른 적합한 구성에서 추가, 생략, 결합, 세분화, 또는 배치될 수 있다.
도 4는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 MIMO OFDM 시스템에서 기지국과 같은 송신기(400) 및 단말과 같은 수신기(450)의 상세도를 도시한다. 도 4에 도시된 송신기(400) 및 수신기(450)는 단지 설명을 위한 것이다. 송신기 및 수신기는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다.
밀리미터파의 부적합한 전파 특성들을 극복하고, 훨씬 더 높은 효율(공기를 통해 전달된 비트 당 에너지)을 달성하기 위해, 도시된 송신기(400) 및 수신기(450)와 같이, 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 운영하는 송신기 및 수신기들은 그들의 통신에 빔포밍을 사용한다.
도시된 실시 예에서, NT 개의 기저대역 송신기 체인 및 NR 개의 기저대역 수신기 체인을 갖는 MIMO OFDM 시스템에 송신기(400) 및 수신기(450)가 제공된다. 각각의 기저대역 스트림은 반송파 주파수까지 상향 변환되고, k개의 RF 체인(예를 들어, 위상 천이기, 전력 증폭기, 및 안테나)로 분할된다. 정보 비트들은 채널 인코더(channel encoder)들(402)에서 LDPC(low density parity check) 채널 코드로 우선 인코딩된다. 이후 코딩된 비트들은 변조기(404)들에서 Q-ary 변조로 변조된다. 변조 후, 데이터 시퀀스(data sequence)는 NT 개의 데이터 스트림을 생성하기 위해 MIMO 프리코더(406)와 함께 처리된다. 이후 각각의 데이터 스트림은 OFDM 심볼의 부반송파들에 부반송파 맵퍼(subcarrier mappers)들(408)에 의해 매핑된다. 이후 IFFT(inverse fast Fourier transform, 410)는 부반송파 맵퍼들(408)로부터의 OFDM 심볼을 시간 영역으로 변환한다. 일부 실시 예에서, IFFT(410)는 2048-포인트 IFFT일 수 있다. 이후 CP(cyclic prefix) 가산기(412)는 시간 영역 OFDM 심볼의 시간에 CP를 추가한다. 이후, 출력은 디지털-아날로그 컨버터(DAC)(도 4에 도시되지 않음)를 통해 RF 유닛까지 간다. 이후 각각의 데이터 스트림이 k개의 RF 체인에 공급된다. 전체에서, NT개의 스트림을 전송하기 위해 kNT개의 RF 체인이 존재한다. 이들 RF 체인의 위상 천이기는 아날로그 빔들을 형성하기 위해 기저대역에서 빔포밍 프로세서(414)에 의해 제어된다. 이러한 프로세스는 아날로그 빔포밍이라 불린다. 아날로그 빔포밍을 사용함으로써, 필요한 디지털-아날로그 컨버터의 개수가 크게 감소되어, 전력 소비 및 비용을 낮춘다.
수신기(450)에서, kNR개의 RF 체인을 갖는 아날로그 빔포밍이 수신기 아날로그 빔의 방향을 조정하기 위해 사용된다. CP 제거기들(458)은 수신된 신호에서 CP를 제거한다. 이후 각각의 수신기 기저대역 체인에서 FFT(fast Fourier transform, 460)은 주파수 영역으로 데이터를 변환한다. 일부 실시 예에서, FFT(460)는 2048-포인트 FFT일 수 있다. 부반송파 j에 대한 주파수 영역에서의 등가 시스템은 다음과 같다.
Figure pct00001
여기서, Yj는 수신된 기저대역 데이터의 NR X 1 벡터이고, BRX j는 부반송파 j에서 수신기 아날로그 빔포밍에 대응하는 NR X kNR 매트릭스이고, Hj는 부반송파 j의 kNR X kNT 채널 응답 매트릭스이고, BTX j는 부반송파 j에서 송신기 아날로그 빔포밍에 대응하는 kNT X NT 매트릭스이고, Xj는 송신된 기저대역 데이터의 NT X 1 벡터이고, Nj는 제로 평균 및 분산 σ2 N을 갖는 복소수 가산성 백색 가우시안 잡음의 NR X 1 벡터이다. BRX jHjBTX j는 부반송파 j에 대한 NR X NT 등가 채널 매트릭스 HLUMP j에 의해 표현되기 위해 함께 묶일 수 있다. 파일럿들의 도움으로, 이 묶인 채널은 ^HLUMP j로서 채널 추정기(462)에서 추정된다. MIMO 검출기(466)는 LLR(log-likelihood ratio) 값으로서 소프트 정보를 계산하기 위해 부반송파 디맵퍼(subcarrier demapper)들 (464)로부터의 해당 디매핑된 수신 데이터 Yj 및 추정된 채널을 사용한다. 이후 LDPC 채널 디코더(468)는 LLR 값들로부터 정보 비트들을 디코딩한다.
도 5a는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 기지국(500)의 섹터(502)들을 도시한다. 도시된 실시 예에서, 기지국(500)은 각각의 섹터가 약 60°의 영역을 커버하는 여섯 개의 섹터(502)를 제공한다. 그러나, 기지국(500)은 모든 적합한 개수의 섹터(502)들을 제공할 수 있고, 각 섹터(502)는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 모든 적합한 커버리지 영역을 커버할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 도시에서 기지국(500)은 단말(506)을 향하는 섹터(502)들 중 하나 내에서 조정된 좁은 빔(narrow steered beam)(504)을 전송하고 있다. 단말(506)은 조정된 좁은 빔(504)을 수신하기 위해 패치 안테나 어레이(patch antenna array)를 포함할 수 있다.
도 5b는 발명의 일 실시 예에 따른 섹터(550)들 중 하나를 도시한다. 각각의 섹터(550)는 슬라이스(552)라 불리는 서브 섹터들로 분할된다. 도시된 실시 예는 네 개의 슬라이스(552)로 분할된 섹터(550)를 도시하지만, 섹터(550)는 모든 적합한 개수의 슬라이스(552)로 분할될 수 있음이 이해될 것이다. 각각의 슬라이스(552)는 빔에 대응하고, 넓은 빔을 사용하여 전송될 수 있는 방송 채널(broadcast channel, BCH) 및 동기 채널(synchronization channel, SCH)에 의해 설명된다. 마찬가지로, 단말 또한 복수의 슬라이스를 갖는다.
일부 실시 예에서, 기지국(500)은 단말(506)을 프레임 타이머(frame timer)에 동기화시키고, 수신된 신호 전력을 극대화하는 최적의 슬라이스 페어(pair)에 대해 스캔하는 것을 허용하기 위해 각각의 기지국 슬라이스에서 주기적으로 트레이닝 파일럿 및 동기 신호를 전송할 수 있다. 슬라이스 페어링 후, 데이터 전송은 슬라이스 빔(552)들을 사용하여 시작될 수 있다. 반면에, 이하에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 동기화 알고리즘은 페어링된 슬라이스 내에서 송신기 및 수신기 빔을 더 좁히고, 이후 더 양호한 채널 품질을 위해 더 좁은 빔들로 데이터를 전송할 수 있다. 이후 데이터는 더 좁은 슬라이스 빔(552)들에서 전송될 수 있다.
도 6은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템에서, 단말과 같은, 수신기(600)의 상세도를 도시한다. 도 6에 도시된 수신기(600)는 단지 설명을 위한 것이다. 수신기는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다.
수신기(600)는, 기지국과 같은, 송신기(602)로부터 전송되는 데이터를 수신하도록 구성된다. 수신기(600)는 RF 모듈(604), 아날로그-디지털 변환기(ADC) 인터페이스(I/F)(606 및 608), 마이크로 블레이즈 프로세서(microblaze processor, 612)를 포함하는 제어기(610), 자동 이득 제어(automatic gain control, AGC) 모듈(614), 동기화 모듈(synchronization module, 616), 시스템 타이밍 모듈(system timing module, 618), 적응적 피드백 제거(adaptive feedback cancelling, AFC) 모듈(620), 오로라 인터페이스(aurora interface, 622), 복조기(624), LDPC 디코더(626) 및 빔포밍 모듈(628)을 포함한다. 복조기(624)는 CP 제거 모듈(630 및 632), FFT 모듈(634 및 636), MIMO 검출 모듈(638), 채널 추정 모듈(640) 및 오로라 인터페이스(642 및 644)를 포함한다.
일부 실시 예에서, 수신기(600)는 500 MHz 대역폭을 갖는 28 GHz 반송파 주파수에서 운영되고, MIMO 검출 모듈(638)을 위한 소프트 MAP 검출기(soft MAP detector)를 사용하여 BEECube 멀티 FPGA 시스템(BEECube multi-FPGA(field-programmable gate array) system)에서 1.52 Gbps까지 실행하도록 구성될 수 있다. 특별한 실시 예에서, FFT 모듈(634 및 636)은 각각 자이링스 IP 라이브러리(Xilinx IP library)로부터의 FFT 블록을 포함할 수 있다. 이 블록은 2048-포인트 컴플렉스(2048-point complex) FFT까지 지원할 수 있다. 높은 데이터율을 달성하기 위해, 450 MHz에서 파이프라인된(pipelined) 스트리밍 모드가 사용될 수 있다.
특정 실시 예에서, LDPC 채널 디코더(626)는 속도-13/16 672비트인 채널 코드, IEEE 802.11ad 표준에서 채택되는 Quasi-cyclic LDPC 코드를 사용하도록 구성될 수 있다. 계층화된 디코딩 알고리즘이 메모리의 양을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 낮은 복잡성과 함께 높은 스루풋(throughput)을 달성하기 위해, 디코더(626)는 8 비트 LLR 정밀도로 또한 구현될 수 있다. 일부 실시 예에서, 디코더(626)에서의 최대 클록 주파수는 28.8 MHz일 수 있고, 1.61 Gbps 스루풋이 두 개의 LDPC 디코더(626)를 병렬로 사용함으로써 달성될 수 있다.
통합된 시스템 스루풋을 극대화하기 위해, 시스템은 따로 따로 각각의 모듈의 스루풋을 극대화하기 위해 여러 클록 영역(clock domain)들로 분할될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예에서, FFT 모듈(634 및 636)은 450 MHz에서 실행될 수 있고, MIMO 검출 모듈(638)은 380 MHz에서 실행될 수 있고, 채널 추정 모듈(640)은 190 MHz에서 실행될 수 있고, 동기화 모듈(616)은 69 MHz에서 실행될 수 있고, 마이크로 블레이즈 프로세서(612)는 150 MHz에서 실행될 수 있고, LDPC 디코더(626)는 28.8 MHz에서 실행될 수 있다.
상이한 클록 도메인들 간의 빠른 데이터 전송을 가능하게 하기 위해, 이중 버퍼링 기술이 모듈 사이에서 사용될 수 있다. 수신기(600)는 두 개의 FPGA들, 즉, 두 개의 LDPC 디코더(626)를 위한 하나 및 나머지 모듈들을 위한 다른 하나로 분할될 수 있다. 본 실시 예에서, 데이터는 6.6 Gbps GTX 송수신기들을 통해 FPGA들 사이에서 전송될 수 있다. 수신기(600)의 전체 스루풋은 코딩되지 않은 데이터에 대해 최소 1.52 Gbps에 도달할 수 있다. 속도-13/16 LDPC 코드로, 이것은 1.235 Gbps 정보 비트율에 대응한다.
도 6은 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 수신기(600)의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경이 도 6에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수신기(600)의 메이크업 및 배치는 단지 설명을 위한 것이다. 구성 요소들은 특별한 요구들에 따라 모든 다른 적합한 구성에서 추가, 생략, 결합, 세분화, 또는 배치될 수 있다.
도 7은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 기지국과 단말 간의 동기 채널(700)을 도시한다. 도 7에 도시된 동기 채널(700)은 단지 설명을 위한 것이다. 동기 채널은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다.
본 실시 예에서, 10 ms 프레임은 열 개의 서브프레임으로 분할되고, 1 ms로 구성되는 각각의 서브프레임은 여덟 개의 슬롯을 포함한다. 125 μs로 구성되는 각각의 슬롯은 27 개의 OFDM 심볼을 포함한다. 동기화, 빔포밍 및 자동 이득 제어 트레이닝은 서브프레임의 제1 슬롯에 이어, 트랜지션 갭(transition gap), 상향링크 슬롯, 다른 트랜지션 갭 및 여섯 개의 하향링크 슬롯에 제공된다. MIMO 피드백은 상향링크 슬롯에 제공될 수 있다.
도 8은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 통신 시스템에서 데이터 및 파일럿 신호의 할당(800)을 도시한다. 도 8에 도시된 할당(800)은 단지 설명을 위한 것이다. 데이터 및 파일럿 신호는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 할당될 수 있다.
송신기 빔들과 수신기 빔들이 페어링된 후, 파일럿들은 MIMO 채널들을 추정하기 위해 전송된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 송신기에서, 각각의 송신기 체인으로부터의 파일럿들은 우선 주파수 영역에서 인터리브(interleaved)되고 나서, 여섯 개의 사이클마다 특정 부반송파들에서 데이터 스트림에 삽입된다. 이러한 방식은 더 많은 대역폭을 사용하지만, 더 안정한 채널 추정을 달성할 수 있다.
도 9는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 동기화 모듈(900)의 상세도를 도시한다. 도 9에 도시된 동기화 모듈(900)은 단지 설명을 위한 것이다. 동기화 모듈은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 동기화 모듈(900)은 도 6에 도시된 수신기(600)의 동기화 모듈(616)에 대응할 수 있다.
도시된 실시 예에서, 동기화 모듈(900)은 데시메이션 필터(decimation filter, 902), 에너지 추정기(energy estimator, 904), 심볼-하프 상관기(symbol-halves correlator, 906), 동기 채널 검출 트리거(synchronization channel (SCH) detection trigger, 908), 타임 스탬퍼(time stamper, 910), 버퍼(912), 상관 관계 엔진(correlation engine, 914) 및 피크 검색기(peak searcher, 916)를 포함한다. 동기 채널 검출 트리거(908), 타임 스탬퍼(910) 및 피크 검색기(916)는, 도 6에 도시된 수신기(600)의 마이크로 블레이즈 프로세서(612)와 같이, 마이크로 블레이즈 프로세서(918)와 결합된다.
본 실시 예에서, 동기 채널 검출 트리거(908)는 CP의 단부를 식별하기 위해 기울기 검출(slope detection)을 사용하도록 구성된다. 따라서, 동기 채널 검출 트리거(908)는 검출 메트릭 임계값을 모니터링하도록 구성된다. 이러한 검출 메트릭 임계값은 CP의 길이와 동일한 길이 동안 높은, 즉 지정된 임계값 이상을 유지하는 신호를 포함한다. 따라서, 동기 채널 검출 트리거(908)는 CP의 길이에 의해 시간으로 분리된 메트릭 임계값의 두 개의 값(이전 값 및 이후 값)을 비교하도록 구성된다. 이후 값이 이전 값보다 낮아지면, 동기 채널 검출 트리거(908)는 CP의 단부를 식별하도록 구성된다.
CP의 단부의 식별을 기반으로 하여, 동기 채널 검출 트리거(908)는 이하에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 통신을 위한 송신 및 수신 빔 슬라이스가 식별될 수 있도록 동기화가 발생된 타임 스탬퍼(910), 버퍼(912), 및 마이크로 블레이즈 프로세서(918)를 시그널링하도록 구성된다. 또한, 동기화 모듈(900)이 동기화를 검출하면, 동기화 모듈(900)은 도 10을 참조하여 이하에서 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 빔포밍 및 자동 이득 제어에서 사용하기 위해 에너지 추정기(904)에 의해 생성되는 에너지 값을 캡처하도록 구성된다.
따라서, 동기화 모듈(900)은 시스템 대역폭의 약 1/8을 차지하도록 설계되고 반송파 주파수에 중점을 둘 수 있는, 동기 채널에서 시퀀스들을 검출하고 처리하는 것에 의해 슬라이스 식별, 타이밍, 주파수 동기화를 수행한다. 프레임에서 동기 채널의 위치 및 구조는 상기 도 7에서 도시되는 바와 같을 것이다. 본 실시 예에서, 기지국은 모든 서브프레임의 제1 슬롯에 있는 동기 채널 상에서 동기 신호를 전송한다. 해당 슬롯 내부에서, 하나의 동기 채널 OFDM 심볼이 각각의 슬라이스에 대해 전송된다. 또한, 동기 채널 OFDM 심볼은 슬라이스 ID에 관한 정보를 전달한다. 예를 들어, 네 개의 슬라이스가 있다면, 동기 채널은 각각 송신기 슬라이스에 대응하는 Z1, Z2, Z3, 및 Z4에 네 개의 OFDM 심볼을 놓는다. 그러나, 수신기가 동기 신호를 획득하기 전에 송신기 OFDM 심볼 타이밍으로 정렬되지 않기 때문에, 수신기가 i번째 송신기 슬라이스 Zi에서 동기 채널 OFDM 심볼들을 검출하기 시작하는 것은 가능하다. 또한, 단말은 서브프레임(1 ms)마다 수신기 슬라이스를 변경하기 때문에, 단말은 동기 신호를 검출할 수 없을 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 동기 채널에서 제1 심볼은 복사되어 동기 채널의 단부(end)에 추가된다. 이를 수행함으로써, 기지국은 제1 서브프레임에 대한 Z1, Z2, Z3, Z4 및 Z1과 같은 다섯 개의 OFDM 심볼들로 동기 채널을 전송할 수 있다. 다음의 서브프레임들에서, 기지국은 Z2, Z3, Z4, Z1, 및 Z2 등으로 동기 채널을 전송한다.
각각의 동기 채널 OFDM 심볼은 OFDM 심볼의 짝수 부반송파들만 덧붙이는 고유한 ZC(Zadoff-Chu) 시퀀스를 사용하여 구성된다. 결과적으로, 이러한 동기 채널 OFDM 심볼은, 시간 영역에서, 두 개의 동일한 하프(half)를 갖는다. 따라서, 동기 채널 심볼은 다음과 같은 하프-심볼 상관 관계를 사용하여 두 개의 동일한 하프를 갖는 심볼에 대해 무선상 스캔함으로써 검출된다:
Figure pct00002
여기서, ri는 시간 i에서의 수신된 동기 데이터이고, L은, 예를 들어, 256 또는 시스템 대역폭의 1/8일 수 있는 동기 채널 심볼의 길이이고, D는 동기 채널 심볼의 두 개의 하프 간의 상관 관계이고, E는 동기 채널 심볼의 하프의 수신된 전력이다. 기존의 잡음을 견디기 위해, 동기 채널 심볼은 M이 임계값보다 크면 검출되도록 설정될 수 있다. 이후 송신기 슬라이스 ID는 모든 기준 동기 채널 심볼들과 수신된 동기 채널 심볼을 관련시키고, 동기 채널 검출을 확인하기 위해 또한 사용되는 최대 상관 관계를 발견함으로써 결정될 수 있다.
특정 실시 예에서, 상기 예에서, 동기 채널은 시스템 대역폭의 1/8만을 차지하기 때문에, 수신된 신호는 8의 인수(factor)에 의해 우선 다운 샘플링된다. 이것은 다상 아키텍처(polyphase architecture)를 사용함으로써 실현될 수 있는 데시메이션 필터(902)들을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 아키텍처는 8의 인수에 의해 클록 주파수를 감소시킬 수 있다. 이후 약화된 출력은 버퍼(912)로 전송되고, 심볼-하프 상관기(906) 및 에너지 추정기(904)에 또한 공급된다. 후자의 두 개의 블록(904 및 906)은 각각 D 및 E를 계산하기 위해 이동 합 방법(moving-sum method)을 사용한다. D 및 E를 사용하여, 동기 채널 심볼 검출 메트릭 M이 동기 채널 검출 트리거(908)에서 계산된다. 동기 채널 심볼이 이동 합 창(moving-sum window)에 있을 때마다, M은 임계값 이상일 것이다. 동기 채널 심볼에서 CP의 결과로서, M은 최대값에 도달하고 CP의 길이에 대한 해당 값으로 유지될 것이다. 따라서, 동기 채널 검출 트리거(908)에서 기울기 검출 회로는 버퍼(912)에서 상관 관계 엔진(914)까지 CP없이 동기 채널 심볼을 전달하는 트리거 신호를 생성할 수 있다.
상관 관계 엔진(914)은 주파수 영역에서 256-포인트 FFT, 256-포인트 IFFT, 및 기준 동기 채널 심볼을 포함할 수 있다. 상관 관계 엔진(914)은 모든 상관 관계를 계산하고, 이후 피크 검색기(916)가 그의 인덱스와 함께 최대 상관 관계를 발견하기 위해 이들을 비교한다. 이들 두 개의 값은 인터럽트(interrupt)를 사용하여 제어기, 자이링스(Xilinx) 마이크로 블레이즈 프로세서(918)에 전송된다. 동기화 인터럽트 루틴은 데이터 송신에 사용될 송신기 및 수신기 슬라이스를 식별하기 위해 타임 스탬퍼(910)로부터 타임 스탬프에 따라 이 정보를 사용한다. 본 실시 예에서, 다상 아키텍처의 사용으로 인해, 이 모듈의 클록 주파수는 552 MHz ADC 주파수의 1/8, 즉 69 MHz이다.
도 10은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 빔포밍 및 자동 이득 제어를 위한 아키텍처를 도시한다. 도 10에 도시된 아키텍처(1000)는 단지 설명을 위한 것이다. 빔포밍 및 자동 이득 제어를 위한 아키텍처는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 아키텍처(1000)는 마이크로 블레이즈 프로세서(1002), 안테나 어레이(1004), 위상 천이기 어레이(1006) 및 가변 이득 증폭기(VGA)(1008)를 포함한다. 본 실시 예에서, 마이크로 블레이즈 프로세서(1002)는 동기화 모듈(900)과 같은 동기화 모듈로부터 동기화 상태를 수신하도록 구성되는 빔포밍 알고리즘(1010), 에너지 추정기(904)와 같은 에너지 추정기로부터 에너지 추정치를 수신하도록 구성되는 자동 이득 제어 알고리즘(1012) 및 n개의 빔에 대응하는 정보를 저장하도록 구성되는 빔 테이블(1014)을 포함한다. 일부 실시 예에서, 빔포밍 알고림즘(1010)은 빔포밍 모듈(628)에 대응할 수 있고, 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 자동 이득 제어 모듈(614)에 대응할 수 있다.
안테나 어레이(1004)은, 기지국과 같은, 송신기에 의해 전송되는 신호들을 수신하고, 수신된 신호들을 위상 천이기 어레이(1006)에 제공하도록 구성된다. 위상 천이기 어레이(1006)는 마이크로 블레이즈 프로세서(1002)로부터의 특정 빔에 대응하는 빔 테이블(1014)에 저장된 정보 및 안테나 어레이(1004)로부터의 신호들을 수신하도록 구성된다. 빔 정보를 기반으로 하여, 위상 천이기 어레이(1006)는 안테나 어레이(1004)로부터 수신된 신호들에 대해 위상 천이를 적용하고, 가변 이득 증폭기(1008)에 위상 천이된 신호들을 제공하도록 또한 구성된다. 가변 이득 증폭기(1008)는 위상 천이기 어레이(1006)로부터의 위상 천이된 신호들 및 마이크로 블레이즈(1002)로부터의 자동 이득 제어 신호를 수신하도록 구성된다. 자동 이득 제어 신호를 기반으로 하여, 가변 이득 증폭기(1008)는 위상 천이기 어레이(1006)로부터 수신된 위상 천이된 신호들에 대해 가변 이득을 적용하고, 증폭된 위상 천이된 신호를 출력하도록 또한 구성된다.
본 실시 예에서, 지정된 개수의 빔(n)이 전송된다. 동기화 모듈(900)이 빔들 중 하나에 대한 동기화를 검출하면, 도 9를 참조하여 상술한 바와 같이, 동기화 모듈(900)은 에너지 추정기(904)에 의해 생성된 에너지 값을 캡처한다. 해당 에너지 값이 지정된 범위 미만이면, 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 신호를 부스트(boost)하기 위해 가변 이득 증폭기(1008)로 시그널링한다. 에너지 값이 지정된 범위보다 높으면, 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 신호를 감소시키기 위해 가변 이득 증폭기(1008)로 시그널링한다. 이러한 방식으로, 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 고정된 범위에 신호 전력을 고정하도록 구성되고, 이에 의해 기저대역으로 들어오는 평균 전력을 평탄화하고 전력을 조절한다. 이러한 절차는 해당 빔에 대한 가변 이득 증폭기 설정의 결정에 대한 정확성을 증가시키기 위해 복수의 서브프레임에 대해 수행될 수 있다.
이후 상기 절차는 n개의 빔 각각에 대해 반복되고, 각각의 빔에 대한 가변 이득 증폭기 설정은 빔 테이블(1014)에 저장될 수 있다. 각각의 빔이 이러한 방식으로 처리된 후, 빔 테이블(1014)에서 가장 낮은 가변 이득 증폭기 설정을 갖는 빔이 가장 강한 빔으로 선택될 수 있다. 또한, 마이크로 블레이즈 프로세서(1002)는 빔들 사이에서의 바운싱(bouncing)을 방지하기 위해 하나의 빔에서 다른 빔으로 변경하기 전에 특정 횟수 동안 가장 강한 것으로서 동일한 빔을 식별하도록 구성될 수 있다.
특정 실시 예에서, 동기화 모듈(900)의 상태를 기반으로 하여 실행되는 2 단계 빔 페어링 알고리즘이 제공된다. 제1 단계에서, 단말은 우선 동기화 모듈(900)에서 검출된 최대 상관관계를 가지는 슬라이스에 그의 수신기 슬라이스를 기록한다. 이후, 단말은 상향링크에서 기지국에 송신기 슬라이스 ID를 전송한다. 이후, 기지국은 위 단말에 데이터를 전송하기 위해 위 슬라이스를 사용할 것이다. 그러나, 링크의 품질은 유사한 절차에서 해당 선택된 슬라이스 내의 더 좁은 빔들의 집합을 스캔함으로써 제2 단계에서 더 개선될 수 있다. 이후, 데이터는 페어링된 좁은 빔들 상에서 전송된다.
송신기와 수신기가 모두 가장 강한 빔 방향을 발견하기 위해 송신기 및 수신기 빔의 모든 조합을 스캔하는 것은 간단하지만, 이러한 직접적인 검색은 매우 많은 시간이 소요되고 에너지 비효율적이다. 예를 들어, 각 라운드에서, 송신기는 하나의 송신 방향에서 그의 빔을 고정하고, 수신기는 모든 수신 방향을 스캔한다. 전체에서, 이러한 모든 절차는 모든 조합을 스캔하기 위해 q2개의 동기 채널 OFDM 심볼을 사용하고, 여기서 q는 각각의 섹터에서의 좁은 빔들의 개수이다.
본 발명의 2 단계 빔포밍 방법은 이동 통신에 훨씬 더 적합한 빔 페어링을 완료하기 위해 필요한 동기 채널 OFDM 심볼의 개수를 상당히 감소시킨다. 제1 단계에서, 수신기 및 송신기는 α개의 좁은 빔을 각각 커버하는 넓은 빔 슬라이스를 사용한다. 수신기 및 송신기는 q2/α2 개의 OFDM 심볼에서 이러한 넓은 빔에 대해 가장 강한 빔 방향들을 검출할 수 있다. 이후 제2 단계에서, 수신기 및 송신기는 가장 강한 넓은 빔 내부를 스캔하기 위해 좁은 빔 모드로 전환한다. 이를 통해, 좁은 빔에 대한 가장 강한 빔 방향을 발견하기 위해 α2 개의 OFDM 심볼을 선택된다. 전체에서, 이러한 알고리즘은 q2/α+ a2 개의 OFDM 심볼을 사용한다. a가 Vq일 때, 가장 강한 빔 페어를 검출하기 위한 동기 채널 OFDM 심볼의 개수는 이전의 q2보다 훨씬 작은 최소값인 2q이다. 이러한 방식으로, 낮은 빔 페어링 오버헤드와 높은 데이터율을 지원하는 최적의 송신기 및 수신기 빔 페어를 빠르게 선택할 수 있는 빔포밍 알고리즘(1010)이 제공된다.
최적의 빔 페어를 발견한 후, 스캐닝은 여전히 이동성 및 장애물들로 인한 모든 변경을 추적하기 위해 계속된다. 일단 더 양호한 품질의 페어가 발견되면, 단말 및 기지국은 데이터 전송을 위해 기록된 페어를 업데이트할 것이다. 상술한 바와 같이, 최적의 빔 페어에 대한 스캔을 위해, 각각의 빔 페어에 대한 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 입력에서의 신호 전력은 아날로그 디지털 변환기의 동적 범위에서 적당한 값으로 설정된다. 단말 기저대역에서 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 동기화 모듈(900)에서 계산되는 수신된 전력(E)에 따라 RF의 이득을 조정한다.
도 10에 도시된 실시 예에서, 아날로그 빔포밍은 두 개의 블록, 즉 특별하게 설계된 안테나 및 기저대역 제어를 포함한다. 전용 안테나 설계로, 각각의 안테나의 위상은 기저대역으로부터 조정되는 것이 가능하다. 기저대역에서, 모든 위상 천이기(1006)는 중앙 빔포밍 프로세서(1002)에 의해 제어된다. 빔포밍 알고리즘(1010)은 FPGA에서 자이링스(Xilinx) 마이크로 블레이즈 마이크로프로세서(1002) 상의 C 코드에서 구현될 수 있다. 미리 정의된 테이블이 상이한 안테나 위상들을 저장하기 위해 설계된다. 테이블에서 각각의 엔트리는 하나의 아날로그 빔을 형성한다. 이들 빔은 상이한 방향 및 상이한 폭들을 갖는다. 엔트리는, 상술한 바와 같이, 빔포밍 알고리즘(1010) 및 동기화 모듈(900)로부터의 동기화 상태를 기반으로 하여 선택된다. 또한, 자동 이득 제어(1012)는 마이크로프로세서(1002) 상의 C 코드에서 구현될 수 있다. 상술한 바와 같이, 자동 이득 제어 알고리즘(1012)은 수신된 신호 전력을 아날로그-디지털 변환기의 범위에 동조시키기 위해 RF에서 가변 이득 증폭기(1008)를 조정한다.
도 11은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 채널 추정 모듈(1100)의 상세도를 도시한다. 도 11에 도시된 채널 추정 모듈(1100)은 단지 설명을 위한 것이다. 채널 추정 모듈은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 일부 실시 예에서, 채널 추정 모듈(1100)은 도 6에 도시된 수신기(600)의 채널 추정 모듈(640)에 대응할 수 있다.
채널 추정 모듈(1100)은 각각의 수신(RX) 체인에 대한 채널 추정기를 포함한다. PN(pseudonoise) 시퀀스 생성기(1102)는 채널 추정기들과 결합된다. 각각의 채널 추정기는 최소 제곱 채널 추정기(1106), 잡음 분산 추정기(1108), 및 Ntx개의 선형 보간 필터(1110)를 포함하고, 각각의 채널 추정기는 해당 수신 체인에 대한 채널 계수
Figure pct00003
를 생성하도록 구성된다.
도 10을 참조하여 상술한 바와 같이, 송신기 및 수신기 빔을 페어링한 후, 파일럿들이 MIMO 채널들을 추정하기 위해 전송된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 송신기에서, 각각의 송신기 체인으로부터의 파일럿들은 우선 주파수 영역에 인터리브(interleave)되고, 이후 여섯 개의 사이클마다 특정 부반송파들에서 데이터 스트림에 삽입된다. 이러한 방식은 더 많은 대역폭을 사용하지만, 더 안정한 채널 추정을 달성할 수 있다.
수신기에서, 수신된 파일럿을 사용하여, 최소 제곱 채널 추정기(1106)는 최소 제곱 추정기
Figure pct00004
를 사용함으로써 부반송파 j에 대한 채널 매트릭스
Figure pct00005
에서 해당 채널 계수
Figure pct00006
를 추정하며, 여기서, Pmn _j는 송신기 체인 n에서 수신기 체인 m까지의 부반송파 j에 대한 기준 파일럿이고, Ymn _j는 수신된 파일럿이다. 선형 보간 필터(1110)는 이후 파일럿없이 부반송파들의 채널 계수를 계산하기 위해 추정된 채널 계수들을 선형적으로 보간한다. 잡음 분산 추정기(1108)는 보호 대역 부반송파들을 사용하여 복잡한 잡음 편차 σ2 N을 추정한다.
채널 추정 단계 동안, 각각의 수신기 체인은 파일럿들의 하나의 완료된 집합을 수신할 것이다. 따라서, 전체에서 각각의 수신기 체인에 대해 하나, 병렬로 작업하는 Nrx 개의 채널 추정기가 있다. 수신기 체인들은 파일럿들의 동일한 집합을 수신하기 때문에, 하나의 파일럿 생성기가 사용될 수 있다. 채널 추정기들에 의해 추정되는 채널들은 저장되어 MIMO 검출에 사용된다. 파일럿 및 데이터가 상이한 OFDM 심볼들에서 수신된다는 사실을 이용함으로써, 채널 추정기는 클록 주파수를 감소시키기 위해 더 파이프라인화(pipelined) 된다. 채널 추정 모듈(1100)은 MIMO 검출기 클록 주파수의 절반인 190 MHz에서 실행될 수 있다.
도 12는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 대한 MIMO 검출 모듈(1200)의 상세도를 도시한다. 도 12에 도시된 MIMO 검출 모듈(1200)은 단지 설명을 위한 것이다. MIMO 검출 모듈은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 구성될 수 있다. 일부 실시 예에서, MIMO 검출 모듈(1200)은 도 6에 도시된 수신기(600)의 MIMO 검출 모듈(638)에 대응할 수 있다.
도시된 MIMO 검출 모듈(1200)은 공유 계산 단계(1202), 놈(norm) 계산 단계(1204) 및 LLR(log-likelihood ratio) 계산 단계(1206)를 포함하는 3 단계 모듈이다. 일부 실시 예에서, MIMO 검출 모듈(1200)은 소프트 MAP 검출기를 포함할 수 있다. 각각의 부반송파에 대한 추정된 채널 매트릭스
Figure pct00007
및 잡음 분산 σ2 N을 사용하여, APP(a posteriori probability) 검출기는 비트 k의 LLR, L을 계산한다. maxLogAPP 근사를 수행함으로써, LLR 계산은 아래 수학식 3과 같이 감소된다.
Figure pct00008
여기서, xk ,+1은 비트 k가 +1인 심볼들의 집합이고, 여기서, Xk ,-1은 비트 k가 1 인 심볼들의 집합이고, 여기서 C는 공분산 행렬이다.
잡음 신호들이 서로 독립적이라고 가정함으로써, 2X2 MIMO QPSK 수신기에서, 제1 항의 복잡성은 아래의 수학식 4와 같이 감소된다.
Figure pct00009
여기서 R()은 복소수의 실수 부분이고, y*는 y의 컬레(conjugate)이고, hij는 채널 매트릭스의 행 i 및 열 j의 요소이고,
Figure pct00010
는 수신기 체인 i의 잡음 분산이다. 또한, 동일한 단순화가 다른 항,
Figure pct00011
에 대해서도 수행된다.
도시된 MIMO 검출 모듈(1200)은 높은 데이터율 및 낮은 복잡성을 위해 3 단계로 설계된다. Re() 및 Im()는 도 12에서, 실수 부분 및 허수 부분을 각각 나타낸다. 복잡성을 감소시키기 위해, 제1 단계(1202)는 x1 및 x2에 대한 모든 공유 항들을 계산하도록 구성된다. 제2 단계(1204)는 병렬로 x1 및 x2의 상이한 조합들의 2-놈 값들을 계산하도록 구성된다. 2X2 MIMO 및 QPSK 시스템에서, 16개의 항이 계산된다. 제3 단계(1206)는 이들 16개의 계산된 2-놈들로부터 최소값을 검색함으로써 LLR들을 계산하도록 구성된다. 이러한 높은 파이프라인 아키텍처는 FPGA의 최대 한도에 가까운 380 MHz까지 실행하는 설계를 지원한다. MIMO 검출 모듈(1200)의 본 실시 예의 스루풋은 최대 1.52 Gbps이다.
도 13은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 의한 MIMO 피드백(1300)을 도시한다. 도 13에 도시된 MIMO 피드백(1300)은 단지 설명을 위한 것이다. MIMO 피드백은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 수신기에 의해 제공될 수 있다.
특정 실시 예에서, MIMO 피드백은 빔 id 만의 피드백, 빔 id 및 MIMO 프리코더 피드백, 또는 빔 id 및 MIMO 가정 채널 상호(assuming channel reciprocity) 피드백을 통해 제공될 수 있다. 빔 id 만의 피드백의 경우, 동기화 및 빔포밍 슬롯 및 상향링크 슬롯은 파일럿 또는 데이터 심볼을 포함할 필요가 없다. 대신, 주어진 빔 구간에서 PSCH(primary synchronization channel) 시퀀스의 존재가 충분하다. 본 실시 예에서, 단말은 시간의 지정된 기간(예를 들어, 7 ms) 동안 PSCH에 대해 스캔하고, 최적의 빔(예를 들어, 7 ms 중 최적의 1 ms)을 선택할 수 있다.
빔 id 및 MIMO 프리코더 피드백의 경우, 단말은 각각의 요소에 대한 네 개의 비트와 함께, 양자화된 2X2 프리코딩 매트릭스를 피드백할 수 있다. 빔 id 및 MIMO 가정 채널 상호 피드백의 경우, 단말은 상향링크 슬롯에서 파일럿들을 전송할 수 있다. 기지국은 이후 상향링크에서 수신된 파일럿으로부터 상향링크 채널을 추정할 수 있다.
도 14는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 동기화를 제공하는 방법(1400)을 도시한다. 도 14에 도시된 방법은 단지 설명을 위한 것이다. 동기화는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 수신기에 제공될 수 있다.
처음에, 데시메이션 필터(902)는 8의 인수에 의해 수신된 신호를 다운 샘플링한다(1402 단계). 데시메이션 필터(902)는 데시메이팅된 출력을 버퍼(912), 심볼-하프 상관기(906) 및 에너지 추정기(904)로 전송한다(1404 단계). 심볼-하프 상관기(906)는 동기 채널 심볼의 두 개의 하프 간의 상관 관계(즉, D)를 계산하고, 에너지 추정기(904)는 동기 채널 심볼의 하프의 수신된 전력(즉, E)을 계산한다(1406 단계).
동기 채널 검출 트리거(908)는 D 및 E를 사용하여 동기 채널 심볼 검출 메트릭(M)을 계산한다(1408 단계). 동기 채널 검출 트리거(908)는 M을 임계값과 비교한다(1410 단계). M이 임계값을 초과하면(1410 단계), M이 CP의 길이 동안 유지할 최대값에 도달했기 때문에, 동기 채널 심볼은 이동 합 창(moving-sum window)에 있고, 동기 채널 검출 트리거(908)는 M의 값을 계속 모니터링할 것이다(1410 단계).
M이 임계값 미만으로 떨어지면(1410 단계), 동기 채널 검출 트리거(908)는 CP의 단부를 식별하고, 버퍼(912)에서 상관 관계 엔진(914)까지 CP없이 동기 채널 심볼을 전달하는 트리거 신호를 생성한다(1412 단계).
상관 관계 엔진(914)은 상관 관계들을 계산하고(1414 단계), 피크 검색기(916)는 그 인덱스(index)와 함께 최대 상관 관계를 발견하기 위해 상관 관계들을 비교한다(1416 단계). 피크 검색기(916)는 이들 두 개의 값을 마이크로 블레이즈 프로세서(918)에 전송한다(1418 단계). 타임 스탬퍼(910)는 CP의 단부에 대응하는 타임 스탬프를 마이크로 블레이즈 프로세서(918)로 전송한다(1420 단계). 마이크로 블레이즈 프로세서(918)의 동기화 인터럽트 루틴은 데이터 전송을 위해 사용될 송신기 및 수신기 슬라이스를 식별하기 위해, 타임 스탬퍼(910)로부터 수신된 타임 스탬프에 따라, 피크 검색기(916)로부터 수신된 두 개의 값을 사용한다(1422 단계).
도 15는 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 자동 이득 제어를 제공하는 방법(1500)을 도시한다. 도 15에 도시된 방법은 단지 설명을 위한 것이다. 자동 이득 제어는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 수신기에 제공될 수 있다.
처음에, 자동 이득 제어 모듈(1012)은 지정된 빔에 대한 동기화 모듈(900)의 에너지 추정기(904)로부터 에너지 추정치를 수신한다(1502 단계). 에너지 추정치가 미리 정의된 범위보다 크면(1504 단계), 자동 이득 제어 모듈(1012)은 이득을 감소시키기 위해 가변 이득 증폭기(1008)로 시그널링한다(1506 단계). 에너지 추정치가 미리 정의된 범위보다 낮으면(1508 단계), 자동 이득 제어 모듈(1012)은 이득을 증가시키기 위해 가변 이득 증폭기(1008)로 시그널링한다(1510 단계).
자동 이득 제어 모듈(1012)은 이후 후속 서브프레임에 선택된 빔에 대한 트레이닝을 계속할지 여부를 결정한다(1512 단계). 자동 이득 제어 모듈(1012)이 트레이닝이 선택된 빔에 대한 추가 서브프레임들에 대해 계속 이루어져야 하는지를 결정하면(예를 들어, 특정 개수의 서브프레임이 해당 빔에 대한 트레이닝을 위해 이미 사용되었다면)(1512 단계), 자동 이득 제어 모듈(1012)은 가변 이득 증폭기 설정에 대해 이루어지는 모든 조정을 포함하는 다음의 서브프레임에서 해당 빔에 대한 다른 에너지 추정치를 수신한다(1502 단계).
일단 어떠한 추가 서브프레임들도 빔에 대한 트레이닝에 사용되기 위해 남아있지 않으면(1512 단계), 자동 이득 제어 모듈(1012)은 빔 테이블에 해당 빔에 대한 최종 가변 이득 증폭기의 이득 설정을 저장한다(1514 단계). 이후 자동 이득 제어 모듈(1012)은 트레이닝을 위해 선택될 추가적인 빔들이 남아있는지 여부를 결정한다(1516 단계). 그렇다면, 자동 이득 제어 모듈(1012)은 트레이닝을 위한 다음의 빔을 선택하고(1518 단계), 다음의 빔에 대한 제1 에너지 추정치를 수신한다(1502 단계). 일단 자동 이득 제어 트레이닝이 각각의 빔에 대해 완료되면(1516 단계), 자동 이득 제어 모듈(1012)은 통신을 위한 빔으로서 가장 낮은 가변 이득 증폭기의 이득 설정을 갖는 빔을 선택한다(1520 단계).
도 15는 수신기에 자동 이득 제어를 제공하는 방법의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경이 도 15에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 단부에 오는 대신에, 방법(1500)은 자동 이득 제어 모듈(1012)이 빔들에 대한 에너지 추정치들을 계속해서 모니터링하고, 빔 테이블(1014)에 이들 빔에 대한 업데이트된 가변 이득 증폭기의 이득 설정을 저장하도록 반복을 계속할 수 있다.
도 16은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템에서, 단말과 같은, 수신기에 빔포밍을 제공하는 방법(1600)을 도시한다. 도 16에 도시된 방법은 단지 설명을 위한 것이다. 빔포밍은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 수신기에 제공될 수 있다.
처음에, 단말은 기지국과 통신하기 위한 넓은 빔에 대해 가장 강한 빔 방향을 검출한다(1602 단계). 이후 단말은 넓은 빔 슬라이스를 식별하는 상향링크에서 기지국에 송신기 슬라이스 ID를 전송한다(1604 단계). 이후 단말은 해당 선택된 슬라이스 내에서 더 좁은 빔들의 집합을 스캔하여, 좁은 빔에 대한 가장 강한 빔 방향을 검출하기 위해 좁은 빔 모드로 전환한다(1606 단계). 이후 단말은 좁은 빔 슬라이스를 식별하는 상향링크에서 기지국에 슬라이스 ID를 전송한다(1608 단계). 이후 단말은 페어링된 좁은 빔 상에서 전송되는 데이터를 수신한다(1610 단계).
도 16은 수신기에 빔포밍을 제공하는 방법의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경들이 도 16에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 단부에 오는 대신에, 방법(1600)은 단말이 가장 강한 빔 페어에 대해 계속해서 모니터링하도록 계속 반복할 수 있다.
도 17은 발명의 일 실시 예에 따른 밀리미터파 모바일 광대역 시스템의 수신기에 MIMO 피드백을 제공하는 방법(1700)을 도시한다. 도 17에 도시된 방법은 단지 설명을 위한 것이다. MIMO 피드백은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 모든 다른 적합한 방식으로 수신기에 제공될 수 있다.
처음에, 수신기는 빔 id 만의 피드백, 빔 id 및 MIMO 프리코더 피드백, 또는 빔 id 및 MIMO 가정 채널 상호 피드백을 제공할지 여부를 결정할 수 있다(1702 단계). 빔 id 만의 피드백의 경우(1702 단계), 수신기는 지정된 기간(예를 들어, 7 ms) 동안 PSCH에 대해 스캔하고, 해당 시간 기간 동안의 최적의 빔(예를 들어, 7 ms 중 최적의 1 ms)을 선택한다(1706 단계). 이때 수신기는 동기화와 빔포밍 슬롯, 또는 상향링크 슬롯에 파일럿 또는 데이터 심볼을 포함하지 않는다(1708 단계). 대신, 수신기는 주어진 빔 기간에 PSCH 시퀀스를 포함한다(1710 단계).
빔 id 및 MIMO 프리코더 피드백의 경우(1702 단계), 수신기는 각각의 요소에 대한 네 개의 비트와 함께, 양자화된 2X2 프리코딩 매트릭스를 피드백한다(1712 단계). 빔 id 및 MIMO 가정 채널 상호 피드백의 경우(1702 단계), 수신기는 상향링크 슬롯에 파일럿들을 전송한다(1714 단계). 기지국은 이때 상향링크 슬롯에 수신된 파일럿으로부터 상향링크 채널을 추정할 수 있다.
도 17은 수신기에 동기화를 제공하는 방법의 일 예를 도시하지만, 다양한 변경들이 도 17에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수신기는 복수의 MIMO 피드백 방법 중 어느 것을 구현할지 결정하는 대신에 특정 유형의 MIMO 피드백에 대해 구성될 수 있다.
발명의 범위에서 벗어나지 않고 수정, 추가 또는 생략들이 본 명세서에 기재된 시스템, 장치 및 방법들에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시스템 및 장치들의 구성 요소들은 통합되거나 분리될 수 있다. 또한, 시스템 및 장치들의 운영은 더 많은, 더 적은, 또는 다른 구성 요소들에 의해 수행될 수 있다. 방법들은 더 많은, 더 적은, 또는 다른 단계들을 포함할 수 있다. 또한, 단계들은 모든 적합한 순서에서 조합 및/또는 수행될 수 있다.
일 예시적 실시 예로 본 발명을 설명했지만, 다양한 변경 예 및 수정 예들이 당업자에게 제안될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구 범위의 범위 내 속하는 것으로 이러한 변경 예 및 수정 예들을 포함하도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 통신 시스템에서 수신기에 있어서,
    수신된 신호에서 검출 메트릭 임계값(detection metric threshold)을 모니터링(monitoring)함으로써, 기울기 검출(slope detection)을 사용하여 상기 수신된 신호에서 CP(cyclic prefix)의 단부(end)를 식별하는 동기화 모듈; 및
    보호 대역 부반송파들을 사용하여 복소 잡음 분산(complex noise variance)을 추정하는 채널 추정기를 포함하는 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기화 모듈은, 상기 검출 메트릭 임계값의 제 1 값과 상기 검출 메트릭 임계값의 제 2 값을 비교하고, 상기 제 2 값이 상기 제 1 값보다 낮아지면, 상기 CP의 단부를 식별하는 동기 채널 검출 트리거(trigger)를 포함하고,
    상기 제 1 값 및 상기 제 2 값은 상기 CP의 길이에 의해 시간으로 분리되는 수신기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동기화 모듈은, 상기 수신된 신호에 대응하는 에너지 값을 추정하는 에너지 추정기를 포함하고,
    상기 동기화 모듈은, 상기 동기화 모듈이 상기 CP의 단부를 식별하면, 빔포밍(beamforming) 및 자동 이득 제어(automatic gain control)에서의 사용을 위해 상기 에너지 추정기에 의해 생성되는 상기 에너지 값을 캡처하는 수신기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신된 신호는, 동기 채널 서브프레임(sub-frame)을 포함하고,
    상기 동기 채널 서브프레임의 제 1 심볼(symbol)은 상기 동기 채널 서브프레임의 마지막 심볼에서 중복되고,
    상기 동기화 모듈은, 하프-심볼 상관 관계(half-symbol correlation)를 사용하여 두 개의 동일한 하프들로 심볼을 위한 무선상의 스캔을 통해, 동기 채널 심볼을 검출하는 심볼-하프 상관기를 포함하는 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 동기화 모듈은, 상관 관계 엔진(correlation engine) 및 피크 검색기(peak searcher)를 포함하고,
    상기 동기화 모듈은, 상기 동기 채널 심볼이 검출되면 상기 상관 관계 엔진으로 상기 CP없이 상기 동기 채널 심볼을 전달하는 트리거 신호를 생성하고,
    상기 상관 관계 엔진은, 상기 동기 채널 심볼에 대한 상관 관계들을 계산하고,
    상기 피크 검색기는, 상기 상관 관계들 중 최대 상관 관계를 식별하고,
    상기 최대 상관 관계에 기초하여, 데이터 전송에 사용될 송신기 및 수신기 슬라이스가 식별되는 수신기.
  6. 통신 시스템의 수신기에서 통신을 위한 빔을 선택하는 방법에 있어서,
    다수의 빔들 각각에 대해, 빔에 대응하는 이득을 결정하기 위해 지정된 개수의 서브프레임들에 대한 자동 이득 제어를 수행하는 과정과,
    통신을 위해 가장 낮은 해당 이득을 갖는 상기 빔을 선택하는 과정을 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다수의 빔들 각각에 대해, 상기 빔에 대응하는 상기 이득을 저장하는 과정과,
    상기 지정된 개수의 서브프레임들에 대해 상기 다수의 빔들 각각에 대한 자동 이득 제어 사이클들을 반복적으로 수행하는 과정을 더 포함하고,
    상기 빔을 선택하는 과정은, 상기 빔이 지정된 개수의 자동 이득 제어 사이클들에 대해 상기 가장 낮은 해당 이득을 가지면 상기 빔을 선택하는 과정을 포함하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 자동 이득 제어를 수행하는 과정은,
    상기 빔에 대한 에너지 추정치를 수신하는 과정과,
    상기 에너지 추정치가 미리 정의된 범위를 초과하면, 상기 빔에 대한 상기 이득을 감소시키고, 상기 에너지 추정치가 상기 미리 정의된 범위에 포함되면, 상기 빔에 대한 상기 이득을 증가시키는 과정을 포함하는 방법.
  9. 통신 시스템의 수신기에서 빔포밍(beamforming)을 위한 방법에 있어서,
    기지국과 통신하기 위한 넓은 빔(wide beam)에 대한 가장 강한 빔 방향을 검출하는 과정과,
    상기 넓은 빔을 식별하는 상기 기지국에 슬라이스 식별자를 전송하는 과정과,
    상기 넓은 빔 내에서 좁은 빔(narrow beam)들의 집합을 스캔하는 과정과,
    상기 기지국과 통신하기 위한 상기 좁은 빔들 중 하나에 대한 가장 강한 빔 방향을 검출하는 과정과,
    상기 좁은 빔을 식별하는 상기 기지국에 슬라이스 식별자를 전송하는 과정과,
    상기 좁은 빔에서 전송된 데이터를 수신하는 과정을 포함하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    파일럿(pilot) 및 데이터 심볼(data symbol)들없이 빔 식별자들을 피드백하는 과정을 더 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    지정된 빔 구간에 PSCH(primary synchronization channel) 시퀀스를 포함하는 과정과,
    빔을 선택하기 위해 지정된 시간 동안 상기 PSCH를 스캔하는 과정과,
    기울기 검출(slope detection)을 사용하여 상기 수신된 데이터에서 CP(cyclic prefix)의 단부(end)를 식별하는 과정을 더 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신된 데이터에 대응하는 에너지 값을 추정하는 과정과,
    상기 CP의 상기 단부가 식별되면, 빔포밍 및 자동 이득 제어에서의 사용을 위해 상기 에너지 값을 캡처하는 과정을 더 포함하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    다수의 빔들 각각에 대해, 상기 빔에 대응하는 이득을 결정하기 위해 지정된 개수의 서브프레임들에 대해 자동 이득 제어를 수행하는 과정과,
    가장 강한 빔 방향으로서 상기 가장 낮은 해당 이득을 갖는 상기 빔에 대한 상기 빔 방향을 검출하는 과정을 더 포함하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 자동 이득 제어를 수행하는 과정은,
    상기 빔에 대한 에너지 추정치를 수신하는 과정과,
    상기 에너지 추정치가 미리 정의된 범위를 초과하면, 상기 빔에 대한 상기 이득을 감소시키고, 상기 에너지 추정치가 미리 정의된 범위에 포함되면, 상기 빔에 대한 상기 이득을 증가시키는 과정을 포함하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    보호 대역 부반송파들을 사용하여 복소 잡음 분산을 추정하는 과정을 더 포함하는 방법.
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