KR20150086803A - 3차원 안테나 어레이 장치 및 빔포밍 방법 - Google Patents

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Abstract

제1 제어 채널을 방송하는 단계, 통신 노드와 다른 제1 통신 노드로부터, 제1 제어 채널을 바탕으로 결정된, 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식에 관한 제1 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 이용하여 상기 제1 통신 노드로 전송할 트래픽 채널을 빔포밍 하는 단계를 통해 빔포밍을 수행하는 3차원 안테나 어레이 장치 및 빔포밍 방법이 제공된다.

Description

3차원 안테나 어레이 장치 및 빔포밍 방법 {Method of beamforming and 3D antenna array}
본 발명은 무선 통신을 수행하는 통신 노드에 포함된 3차원 안테나 어레이 장치 및 통신 노드의 빔포밍 방법에 관한 것이다.
이동통신망 및 무선 근거리 통신망에서 통신 링크의 전송률 및 품질 향상을 위하여 다중 안테나(multi input multi output antenna, MIMO antenna) 및 안테나의 피드백 정보를 이용한 폐루프 공간 다중화(Closed-loop spatial multiplexing, CL-SM) 방식이나 폐루프 빔형성(Closed-loop beamforming, CL-BF) 방식이 적용되고 있다. CL-SM은 다중 안테나를 이용하여 하나 이상의 데이터 스트림을 병렬로 전송하는 방식이다. CL-BF는 다중 안테나를 이용하여 신호 품질을 향상시킬 수 있는 빔을 형성한 후 전송하는 방식이다. 이때, 수신 노드가 통신 링크의 채널 상태를 측정하여 송신 노드의 각 다중 안테나에 대한 적절한 가중치를 계산하고, 계산된 가중치를 송신 노드에 피드백하는 점과, 송신 노드가 피드백 정보를 바탕으로 각 다중 안테나에서 전송하는 신호에 가중치를 곱하는 프리코딩 기법으로 데이터를 전송하는 점에서 두 방식은 동일하다.
종래의 빔형성 전송 방식은 무선 통신망에서 데이터를 전송하기 위한 트래픽 채널 또는 패킷에 적용되었다. 이때, 각 통신 노드가 무선 링크를 형성하고 데이터를 주고 받기 위해서는 제어 정보를 상호간에 주고 받는 과정이 필요하다. 그리고, 통신 커버리지는 제어 채널 또는 제어 패킷의 통신 가능 범위에 따라 정해질 수 있다. 따라서, 트래픽 채널뿐만 아니라 제어 채널을 위한 빔형성 송수신 방식도 필요하다.
또한, 종래 무선 통신망은 위치가 고정된 기지국(base station, BS)과 이동 단말 사이의 통신을 가정하고 있고, 기지국은 특정한 수평 방향으로 신호를 방사하는 1차원 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 또 다른 기지국은 수평방향 및 수직방향의 빔을 형성하기 위해서 수평/수직 방향의 2차원 평면 안테나 어레이를 포함할 수 있다. 하지만, 기지국과 이동 단말의 구분 없이 모든 통신 객체가 이동하는 무선 통신망에서는 모든 통신 노드가 수평 및 수직 방향으로 통신 가능한 안테나 어레이를 포함하고 있어야 하고, 이때 적합한 빔형성 송수신 방식이 개발될 필요가 있다.
하지만, 수평 및 수직 구분 없는 3차원 안테나 어레이를 사용하여 정밀한 빔을 형성하기 위해서는 1차원 또는 2차원 안테나 어레이에 포함된 안테나 수보다 많은 수의 안테나를 사용해야 한다. 이 경우, 송수신 통신 노드는 다수의 송수신 안테나 사이의 채널 측정, 빔형성 가중치 계산, 가중치 피드백을 수행해야 하는데, 이때, 제어정보 오버헤드 및 송수신 복잡도가 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는, 통신 커버리지를 확장하고, 제어 및 피드백 정보의 오버헤드 및 송수신 복잡도를 감소시킬 수 있는 3차원 안테나 어레이 장치 및 빔포밍 방법을 제공한다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 3차원 안테나 어레이를 이용한 통신 노드의 빔포밍 방법이 제공된다. 상기 빔포밍 방법은, 제1 제어 채널을 방송하는 단계, 통신 노드와 다른 제1 통신 노드로부터, 제1 제어 채널을 바탕으로 결정된, 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식에 관한 제1 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 이용하여 제1 통신 노드로 전송할 트래픽 채널을 빔포밍 하는 단계를 포함한다.
상기 빔포밍 방법에서 3차원 안테나 어레이는, 복수의 요소 안테나와 복수의 안테나 그룹을 포함하고, 복수의 안테나 그룹은, 각각 복수의 요소 안테나 중 일부 요소 안테나를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 방법에서 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은, g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유할 수 있다.
상기 빔포밍 방법에서 제1 제어 채널을 방송하는 단계는, 복수의 안테나 그룹이 집중 빔을 각각 형성하여 순차적으로 제어 채널을 방송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 방법에서 제1 제어 채널은, 제1 안테나 그룹에 포함된 수평 요소 안테나 및 수직 요소 안테나의 제1 기준 신호를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 방법에서 제1 피드백 정보를 수신하는 단계는, 제1 통신 노드로부터 접속 채널을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 방법은, 제1 통신 노드로부터 제1 통신 노드의 제2 제어 채널을 수신하는 단계, 제2 제어 채널을 바탕으로 제1 통신 노드의 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식을 결정하는 단계, 그리고 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식에 관한 제2 피드백 정보가 포함된 제3 제어 채널을 방송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 방법은, 제1 통신 노드로부터, 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식을 이용하여 빔포밍된 제1 통신 노드의 트래픽 채널을 수신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 3차원 안테나 어레이를 이용한 통신 노드의 다른 빔포밍 방법이 제공된다. 상기 다른 빔포밍 방법은, 통신 노드와 다른 제1 통신 노드로부터, 제1 제어 채널을 수신하는 단계, 제1 제어 채널을 바탕으로 제1 통신 노드의 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 결정하는 단계, 제1 통신 노드로, 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식에 관한 제1 피드백 정보가 포함된 접속 채널을 전송하는 단계, 그리고 제1 통신 노드로부터, 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 이용하여 빔포밍된 제1 통신 노드의 트래픽 채널을 수신하는 단계를 포함한다.
상기 다른 빔포밍 방법은, 제2 제어 채널을 방송하는 단계, 제1 통신 노드로부터, 제2 제어 채널을 바탕으로 결정된 통신 노드에 대한 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식에 관한 제2 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식을 이용하여 제1 통신 노드로 전송할 제1 트래픽 채널을 빔포밍 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법에서 3차원 안테나 어레이는, 복수의 요소 안테나와 복수의 안테나 그룹을 포함하고, 복수의 안테나 그룹은, 각각 복수의 요소 안테나 중 일부 요소 안테나를 포함할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법에서 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은, g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법에서 제2 제어 채널을 방송하는 단계는, 복수의 안테나 그룹이 집중 빔을 각각 형성하여 순차적으로 제어 채널을 방송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법은, 채널 상태가 변하거나 통신 노드 또는 제1 통신 노드가 이동한 경우, 제1 통신 노드가 방송한 제3 제어 채널을 수신하는 단계, 그리고 제3 제어 채널을 바탕으로 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 제3 안테나 그룹 및 제3 프리코딩 방식으로 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법은, 제1 통신 노드로, 제3 안테나 그룹 및 제3 프리코딩 방식에 관한 제3 피드백 정보가 포함된 제4 제어 채널을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 빔포밍 방법은, 제1 통신 노드로, 제3 안테나 그룹 및 제3 프리코딩 방식에 관한 제3 피드백 정보가 포함된 제2 트래픽 채널을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 3차원 안테나 어레이 장치가 제공된다. 상기 3차원 안테나 어레이 장치는, 수평 방향으로 빔을 형성하는 복수 개의 수평 요소 안테나, 수직 방향으로 빔을 형성하는 복수 개의 수직 요소 안테나, 그리고 복수 개의 수평 요소 안테나 중 일부의 수평 요소 안테나와, 복수 개의 수직 요소 안테나 중 일부의 수직 요소 안테나를 각각 포함하는 복수의 안테나 그룹을 포함하며, 무선 통신을 수행하는 통신 노드에 포함된다.
상기 3차원 안테나 어레이 장치에서 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은, g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유할 수 있다.
상기 3차원 안테나 어레이 장치는, 복수의 안테나 그룹이 각각 집중 빔을 형성하여 순차적으로 통신 노드의 제어 채널을 방송할 수 있다.
상기 3차원 안테나 어레이 장치는, 상기 통신 노드와 통신 링크를 형성한 다른 통신 노드로부터, 복수의 안테나 그룹 중 집중 빔을 형성하는 안테나 그룹 및 집중 빔을 형성하는 프리코딩 방식에 관한 피드백 정보를 수신하고, 피드백 정보를 바탕으로 집중 빔을 형성하여 통신 노드의 트래픽 채널을 다른 통신 노드로 전송할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 한 실시 예에 따르면, 3차원 안테나 어레이를 사용하여 제어 채널 및 트래픽 채널의 전송에 빔포밍을 적용함으로써, 통신 링크를 끊김 없이 유지하고, 통신 커버리지의 확장하며, 향상된 전송률 및 품질을 제공할 수 있다. 또한, 제어 및 피드백 정보의 오버헤드 및 송수신 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 이동통신 시스템에서 기지국-단말 사이의 빔형성 기법을 나타낸 도면이다.
도 2는 모든 통신 노드가 이동하는 네트워크에서의 빔형성 기법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이의 안테나 그룹에서 형성한 빔을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 프리코딩 방식이 적용된 제어 채널 빔을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시 예에 따른 피드백에 따른 프리코딩 방식이 적용된 트래픽 채널의 빔을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 노드에서 빔을 송수신 하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 노드에서 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은, 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), UE(user equipment) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 기지국(base station, BS)은 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어나 마이크로 프로세서 등의 하드웨어 또는 소프트웨어 및 하드웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 이동통신 시스템에서 기지국-단말 사이의 빔형성 기법을 나타낸 도면이다.
통상, 기지국은 하나의 셀을 3개의 섹터(Cell A, Cell B, Cell C)로 나누고, 각 섹터마다 1차원 수평 안테나 어레이를 사용하여 하나의 셀 커버리지를 형성한다. 기지국은 하나의 셀에 사용되는 안테나의 기준 신호를 주기적으로 전송한다. 단말은 각 안테나 별 기준 신호를 수신하여 기지국의 송신 안테나와 단말의 수신 안테나 사이의 채널 정보를 획득한다. 단말은 획득한 채널 정보를 바탕으로 기지국 송신 안테나에 대한 프리코딩 정보 및 채널 품질 정보로 구성되는 채널 상태 정보(channel state information, CSI)를 기지국에 피드백한다. 기지국은 피드백된 채널 상태 정보를 바탕으로 단말에 트래픽 채널 또는 패킷을 전송하는데, 1차원 수평 안테나 어레이에 안테나별 프리코딩을 적용하여 수평 방향의 송신 빔을 형성할 수 있다.
도 2는 모든 통신 노드가 이동하는 네트워크에서의 빔형성 기법을 나타낸 도면이다.
무선 메쉬망 또는 무선 애드혹 망에서 각 통신 노드는 수형 및 수직 방향으로 이동하고, 스스로 회전할 수 있다. 또한, 각 통신 노드는 타 통신 노드와 무선 링크 형성을 위해 각 노드의 이동 및 채널 상태 변화를 고려하여 수평 및 수직 방향으로 형성된 빔을 조절할 수 있다. 이와 같이 각 통신 노드가 이동하고 그에 따른 채널 상태가 실시간으로 변화하는 네트워크에서 3차원 안테나 어레이가 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이(300)는 수평 방향으로 빔을 형성하는 M개의 수평 요소 안테나 및 수직 방향으로 빔을 형성하는 N개의 수직 요소 안테나를 포함한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이(300)는 M×N개의 요소 안테나를 포함하고 있다. 3차원 안테나 어레이(300)에 포함된 수평 요소 안테나 및 수직 요소 안테나는 적응형 빔포밍을 위하여 개별적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 수평 요소 안테나는 수평의 전방향(360도)으로 빔을 형성하기 위하여 원형으로 배치될 수 있다. 수직 요소 안테나는 수직 방향으로 빔을 형성하기 위하여 수평 요소 안테나에 대하여 곡면으로 배치될 수 있다. 또한, 수직 위 방향의 빔 형성을 위하여 3차원 안테나 어레이(300)의 상부에 요소 안테나가 집중적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이(300)는, 피드백 정보 전송을 위한 오버헤드 및 채널 정보 측정 및 프리코딩 방식 결정의 복잡도를 감소시키기 위해서 3차원 안테나 어레이(300)를 안테나 그룹(Antenna Set, AS)(310)으로 그룹핑하여 기준 신호를 방송한다. 이때, 3차원 안테나 어레이(300)는 G개의 안테나 그룹(310)을 포함하고, 각 안테나 그룹(310)은 m개의 수평 요소 안테나 및 n개의 수직 요소 안테나를 포함한다. 즉, 안테나 그룹(310)은 m×n 개의 요소 안테나를 포함한다.
그리고, CL-BF를 적용하기 위해서 각 안테나별 기준 신호 및 프리코딩 정보가 필요하다. 이에 따라 각 통신 노드는 다수의 안테나에 대한 기준 신호를 각각 전송해야 한다. 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이(300)도 m×n 개 그룹의 기준 신호를 주기적으로 방송한다. 이후, 각 통신 노드는 송신된 m×n 개의 기준 신호에 대한 채널 정보를 측정하고 이를 기반으로 m×n 개 안테나 그룹(310)의 프리코딩 방식을 결정한 후, 송신 노드로 피드백 한다.
한편, 모든 방향으로 빔을 조밀하게 형성하기 위해 각 3차원 안테나에서 형성하는 빔은 부분적으로 중복될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이(300)에서 서로 인접하는 안테나 그룹(310)이 형성하는 빔은 부분적으로 겹쳐질 수 있다. 또한, 안테나 그룹(310) 중 수평 방향의 첫 번째 그룹과 마지막 그룹이 형성하는 빔은 각 그룹이 원형 순환하므로 부분적으로 겹쳐질 수 있다.
예를 들어, 특정 안테나 그룹 g에 포함된 요소 안테나는 안테나 그룹 g에 근접한 다른 안테나 그룹(예를 들어, 안테나 그룹 g-1)에도 포함될 수 있다. 도 4에서 각 안테나 그룹은 미리 정해진 개수의 요소 안테나를 서로 공유하고 있다(빗금 부분). 따라서, 안테나 그룹의 개수에 관한 아래 수학식 1이 성립할 수 있다.
Figure pat00001
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 안테나 어레이의 안테나 그룹에서 형성한 빔을 나타낸 도면이다.
각 통신 노드는 주변의 통신 노드와 무선 통신망을 형성하기 위하여 제어 채널 또는 제어 패킷을 통해 제어 정보를 주기적으로 방송한다. 이때, 제어 채널은 방송되기 때문에 프리코딩 되지 않은 상태(즉, 빔포밍이 적용되지 않은 상태)로 전송되고, 그렇게 전송된 제어 채널은 주변의 모든 통신 노드에서 수신될 수 있다. 하지만, 프리코딩 되지 않은 제어 채널은 통신 가능한 거리가 제한적이므로 통신 노드 사이의 실질적 통신 커버리지는 제어 채널의 수신 거리로 제한될 수 있다.
본 발명에서는 실질적 통신 커버리지를 확장하고, 제어 채널의 품질을 향상시킬 수 있도록 제어 채널을 프리코딩하여 그룹빔으로 전송한다. 즉, 미리 결정된 수평 및 수직 방향으로의 빔형성을 위해, 안테나 그룹(310) 및 프리코딩 방식을 결정한다. 그리고, 결정된 안테나 그룹(310) 및 프리코딩 방식의 조합을 통해 제어 채널을 전송한다.
본 발명에서 각 빔에 의해 전송되는 제어 채널은 제어 정보 및 안테나 그룹(310)에 속한 각 요소 안테나의 기준 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 3차원 안테나 어레이(300)가 m×n 개의 안테나 그룹(310)을 포함하는 경우, 각 안테나 그룹(310)에서 전송하는 빔(g)은 다음과 같다.
- 각 제어 채널은 안테나 그룹 g에서 빔으로 전송한다.
- 각 제어 채널에는 안테나 그룹 g마다 미리 결정된 프리코딩 방식이 적용된다.
- 각 제어 채널의 빔은 안테나 그룹 g에 포함된 요소 안테나에 대한 기준 신호를 포함한다.
- 각 제어 채널의 빔은 통신 노드 및 통신망의 제어를 위한 제어 정보를 포함한다.
도 5는 본 발명의 한 실시 예에 따른 프리코딩 방식이 적용된 제어 채널 빔을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 각 안테나 그룹에서 전송되는 제어 채널 빔의 커버리지를 더 확장하기 위해 L개의 미리 결정된 프리코딩 방식을 통해 형성된 L개의 집중 빔이 순차적으로 전송될 수 있다. 이 경우 L개의 프리코딩 방식은 더 좁고 더 긴 집중 빔을 생성하기 위한 것이다. 즉, 집중 빔은 안테나 그룹이 본래 전송하던 빔보다 더 집중되어 있으므로, 안테나 그룹은 동일한 안테나 이득과 전송 전력을 사용하여 커버리지를 더욱 넓게 확장할 수 있다. 안테나 그룹의 커버리지에 제어 채널을 골고루 전송할 수 있도록, 각 안테나 그룹은 L개의 프리코딩에 의해 생성된 집중 빔을 순차적으로 전송할 수 있다.
한편, 수신 노드는 송신 노드로부터 3차원 안테나의 안테나 기준 신호를 수신하여 트래픽 빔 형성을 위한 프리코딩 방식을 결정하고, 결정된 프리코딩 방식에 관한 피드백 정보를 송신 노드로 전송할 수 있다. 송신 노드는 수신 노드로부터 수신한 피드백 정보를 통해 트래픽 빔을 형성할 수 있다. 따라서, 수신 노드가 기준 신호를 통해 송신 노드의 트래픽 빔을 위한 프리코딩 방식을 결정하기 위해, 송신 노드의 안테나 기준 신호는 프리코딩 되지 않거나, 또는 수신 노드가 이미 알고 있는 방식으로 프리코딩 되어야 한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 제어 채널에 포함된 안테나의 기준 신호에는 집중 빔을 위한 순차적 프리코딩 방식은 적용되지 않는다. 또는 안테나의 기준 신호에 대해 집중 빔을 위한 프리코딩 방식이 적용되는 경우, 집중 빔에 의해 전송된 제어 채널은 적용된 집중 빔 프리코딩 방식에 대한 정보를 포함한다.
도 6은 본 발명의 한 실시 예에 따른 피드백에 따른 프리코딩 방식이 적용된 트래픽 채널의 빔을 나타낸 도면이다.
송신 노드 주변의 수신 노드는 송신 노드가 전송한 적어도 하나의 그룹 빔 또는 집중 빔을 통해 제어 채널을 수신할 수 있다. 수신 노드는 수신된 제어 채널로부터 각 요소 안테나 별 기준 신호를 측정함으로써, 송신 노드가 수신 노드로의 데이터 전송에 사용할 송신 노드의 안테나 그룹(송신 안테나 그룹), 프리코딩 방식을 결정할 수 있다. 즉, 수신 노드가 결정한 송신 안테나 그룹과 프리코딩 방식은 송신 노드가 수신 노드에게 트래픽 채널을 전송할 때 사용하기 위한 것이다. 수신 노드가 결정한 송신 안테나 그룹은 제어 채널의 전송에 사용된 안테나 그룹 및 요소 안테나와 다를 수 있고, 수신 노드에서 결정한 프리코딩 방식도 제어 채널의 전송에 사용된 프리코딩 방식과 다를 수 있다.
또한, 수신 노드는 트래픽 채널을 위한 프리코딩 방식 선정 및 트래픽 채널을 수신할 때의 채널 추정에 대한 계산량을 감소시키기 위해 수신 노드에 포함된 모든 안테나 그룹 중에서 특정 송신 노드와의 무선 통신에 사용할 안테나 그룹(수신 안테나 그룹)을 결정한다. 이때 수신 안테나 그룹은 송신 노드로부터 수신한 기준 신호의 수신 세기에 따라 결정될 수 있다.
초기 접속의 경우, 수신 노드는 송신 노드의 제어 채널을 수신하고, 송신 노드로 초기 접속 정보를 전송한다. 이때, 수신 노드는 송신 노드가 수신 노드에게 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹(송신 안테나 그룹) 및 프리코딩 방식에 관한 정보를 접속 정보와 함께 초기 접속 채널을 통하여 송신 노드로 전송한다. 이때, 수신 노드는 수신한 송신 노드의 제어 채널을 통해 송신 노드로 초기 접속 정보를 전송할 때 사용할 수신 노드의 안테나 그룹을 결정한다. 수신 노드는 제어 채널을 수신할 때 사용한 수신 안테나 그룹과 동일한 안테나 그룹을 사용하여 초기 접속 정보 등을 전송할 수 있다.
이후, 송신 노드는 전달된 송신 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 트래픽 채널에 적용함으로써 빔을 형성할 수 있고, 형성된 빔을 수신 노드에게 전송한다. 이때, 트래픽 채널은 트래픽 데이터를 전송할 때 사용될 수 있다. 또한, 트래픽 채널은 수신 노드의 채널 추정 및 수신 빔형성을 위한 파일럿 신호를 포함한다. 이때 파일럿 신호는 트래픽 채널과 동일한 방식으로 프리코딩 된다.
각 노드가 전송한 제어 채널 및 기준 신호는 다른 노드에서 수신되고, 제어 채널 및 기준 신호를 수신한 노드는 최신 제어 정보를 추출하고 채널 상태를 측정할 수 있다. 초기 접속 후, 수신 노드는 송신 노드의 최신 제어 채널을 수신하여 현재의 채널 상태 및 노드 이동 상황에 적합한 송신 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신한다. 이후, 수신 노드가 제어 채널 또는 트래픽 채널을 통하여 갱신된 송신 안테나 그룹(310) 및 프리코딩 방식을 송신 노드에게 알림으로써, 송신 노드는 송신 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신할 수 있다. 또한, 수신 노드는 기준 신호의 세기에 따라 송신 노드가 전송한 신호를 수신할 때 사용할 자신의 수신 안테나 그룹을 결정한다. 이후, 수신 노드는 결정한 수신 안테나 그룹을 이용하여 트래픽 채널을 수신하고, 수신한 트래픽 채널에 포함된 파일럿 신호를 바탕으로 채널을 추정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 노드에서 빔을 송수신 하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시 예에서, 네트워크에 포함된 모든 노드는 주기적으로 제어 채널 및 기준 신호를 방송한다.
도 7을 참조하면, 노드 A(710)는 G개의 안테나 그룹을 통해 제어 채널을 방송한다(S701). 이때, 노드 A(710)의 각 안테나 그룹은 제어 채널을 동시에 방송할 수도 있고, 특정 순서에 따라 순차적으로 제어 채널을 방송할 수도 있다. 제어 채널은 미리 결정된 안테나 그룹(x)과 그 안테나 그룹에 해당하는 빔포밍 프리코딩 방식(p)에 따라 형성된 빔을 통해 방송되고, 안테나 그룹에 속한 각 요소 안테나의 기준 신호를 포함한다.
노드 B(720)는 수신된 빔으로부터 제어 채널을 수신할 수 있다. 그리고, 노드 B(720)는 수신한 기준 신호를 통해 노드 A(710)가 자신에게 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹 x' 및 프리코딩 방식 p'을 결정한다(S702). 또한 노드 B(720)는 수신한 제어 채널을 통해 노드 A(710)와의 무선 통신에서 사용할 안테나 그룹 y를 결정할 수 있다. 이때, 노드 B(720)는 연산 복잡도를 감소시킬 수 있도록 안테나 그룹 y를 결정한다(S703).
노드 B(720)는 노드 A(710)로 초기 접속을 시도할 때, 접속 채널을 통하여 노드 A(710)로 접속 정보를 전송하고 노드 B(720)에서 결정한 안테나 그룹 x' 및 프리코딩 방식 p'에 관한 피드백 정보를 노드 A(710)로 전달 한다(S704). 이때, 노드 B(720)는 안테나 그룹 y를 사용하여 접속 채널을 전송한다. 그리고, 안테나 그룹 y에 속한 요소 안테나의 기준 신호가 접속 채널에 포함될 수 있다.
노드 A(710)는 수신한 접속 채널을 통하여 피드백 정보(안테나 그룹 x' 및 프리코딩 방식 p')를 알 수 있다. 그리고, 노드 A(710)는 노드 B(720)의 기준 신호를 통해 노드 B(720)가 자신에게 데이터를 전송할 때 사용할 프리코딩 방식 q를 결정할 수 있다.
이후, 노드 A(710)는 안테나 그룹 x' 및 프리코딩 방식 p'를 사용하여 트래픽 채널을 빔포밍 한다(S705). 이때, 노드 A(710)는 노드 B(720)에게 프리코딩 방식 q를 트래픽 채널을 통해 피드백 할 수 있다(S706).
노드 B(720)는 프리코딩 방식 x'에 의해 프리코딩 된 파일럿 신호에 대해 수신 빔포밍을 수행함으로써 데이터를 수신한다. 이때, 노드 B(720)는 안테나 그룹 y를 이용하여 데이터를 수신한다.
한편, 노드 B(720)도 기준 신호가 포함된 자신의 제어 채널을 주기적으로 방송한다(S707). 이때 노드 B(720)는, 노드 A(710)가 트래픽 채널을 자신에게 전송할 때 사용할 프리코딩 방식 p'에 대한 정보를 제어 채널에 포함시켜 방송할 수 있다. 그리고, 노드 B(720)는 안테나 그룹 y 및 주변의 안테나 그룹인 y-1과 y+1을 이용하여 제어 채널을 방송할 수 있다.
그리고 노드 A(710)는 노드 B(720)에 포함된 요소 안테나의 기준 신호를 통해 노드 B(720)가 자신에게 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹 y'과, 프리코딩 방식 q'를 결정한다(S708). 그리고, 노드 A(710)는 결정된 안테나 그룹 y' 및 프리코딩 방식 q'를 노드 B(720)로 피드백한다(S709).
노드 A(710)는 안테나 그룹 x'와, 주변의 안테나 그룹인 x'-1 및 x'+1을 이용하여 노드 B(720)로 피드백 정보를 전송한다. 이때, 노드 A(710)는 피드백 정보를 전송할 때 주기적으로 방송되는 제어 채널에 포함시킬 수 있다.
노드 B(720)는 노드 A(710)의 제어 채널을 수신하고, 데이터를 포함한 트래픽 채널에 빔포밍을 적용할 때, 피드백 된 안테나 그룹 y'과, 프리코딩 방식 q'를 이용한다(S710). 이후, 노드 A(710)는 프리코딩 방식 q'에 의해 프리코딩 된 파일럿 신호에 대해 수신 빔포밍을 수행함으로써 데이터를 수신한다(S711). 이때, 노드 A(710)는 안테나 그룹 x'를 이용하여 데이터를 수신한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 노드에서 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
각 노드는 이동 또는 채널 변화에 따라 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신할 필요가 있다. 각 노드는 자신과 무선 링크가 형성된 다른 노드로부터 제어 채널 및 기준 신호를 수신하여 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 갱신하고, 다른 노드로 갱신 결과를 피드백 한다.
도 8을 참조하면, 노드 A(810)가 안테나 그룹 z, 주변의 그룹 z-1 및 z+1을 이용하여 제어 채널을 전송한다(S801, S802). 노드 B(820)는 노드 A(810)가 전송한 제어 채널을 수신하고, 요소 안테나별 기준 신호를 통해 앞으로 노드 A(810)가 자신에게 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹 z'과, 프리코딩 방식 r'를 결정할 수 있다(S803).
노드 B(820)는 안테나 그룹 y', 주변의 그룹 y'-1 및 y'+1을 이용하여 제어 채널을 전송하는데, 이때 제어 채널에 피드백 정보를 포함시킨다(S804). 또는 노드 B(820)는 노드 A(810)로 트래픽 채널을 전송할 때 피드백 정보를 포함시킬 수도 있다. 이때 노드 B(820)의 안테나 그룹 y'는 노드 A(810)에게 데이터를 전송하는데 사용한 가장 최근의 안테나 그룹이다. 그리고, 이때 피드백 정보에는 노드 A(810)가 노드 B(820)에게 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹 z'과, 프리코딩 방식 r'에 관한 정보가 포함된다. 이후, 노드 A(810)는 트래픽 채널에 빔포밍을 적용할 때, 갱신된 안테나 그룹 z'과, 프리코딩 방식 r'를 사용한다(S805).
즉, 노드 A(810)는 노드 B(820)의 제어 채널 또는 트래픽 채널로 수신된 피드백 정보를 통해 노드 B(820)로 데이터를 전송할 때 사용할 안테나 그룹 및 프리코딩 방식을 알 수 있다. 이후, 노드 B(820)는 갱신된 안테나 그룹 z'과, 프리코딩 방식 r'로 빔포밍된 트래픽 채널을 노드 A(810)로부터 수신할 수 있다(S806).
도 8과 같은 방법을 통해 각 노드는 노드의 이동과 채널 변화에 따른 환경 변화에 적절하게 대처할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 3차원 안테나 어레이를 사용하여 제어 채널 및 트래픽 채널의 전송에 빔포밍을 적용함으로써, 통신 링크를 끊김 없이 유지하고, 통신 커버리지의 확장하며, 향상된 전송률 및 품질을 제공할 수 있다. 또한, 제어 및 피드백 정보의 오버헤드 및 송수신 복잡도를 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 3차원 안테나 어레이를 이용한 통신 노드의 빔포밍 방법으로서,
    제1 제어 채널을 방송하는 단계,
    상기 통신 노드와 다른 제1 통신 노드로부터, 상기 제1 제어 채널을 바탕으로 결정된, 상기 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식에 관한 제1 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고
    상기 제1 안테나 그룹 및 상기 제1 프리코딩 방식을 이용하여 상기 제1 통신 노드로 전송할 트래픽 채널을 빔포밍 하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 3차원 안테나 어레이는,
    복수의 요소 안테나와 복수의 안테나 그룹을 포함하고,
    상기 복수의 안테나 그룹은,
    각각 상기 복수의 요소 안테나 중 일부 요소 안테나를 포함하는 빔포밍 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은, 상기 g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, 상기 g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유하는 빔포밍 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 제어 채널을 방송하는 단계는,
    상기 복수의 안테나 그룹이 집중 빔을 각각 형성하여 순차적으로 상기 제어 채널을 방송하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 제어 채널은,
    상기 제1 안테나 그룹에 포함된 수평 요소 안테나 및 수직 요소 안테나의 제1 기준 신호를 포함하는 빔포밍 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 피드백 정보를 수신하는 단계는,
    상기 제1 통신 노드로부터 접속 채널을 수신하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 통신 노드로부터 상기 제1 통신 노드의 제2 제어 채널을 수신하는 단계,
    상기 제2 제어 채널을 바탕으로 상기 제1 통신 노드의 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식을 결정하는 단계, 그리고
    상기 제2 안테나 그룹 및 상기 제2 프리코딩 방식에 관한 제2 피드백 정보가 포함된 제3 제어 채널을 방송하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 통신 노드로부터, 상기 제2 안테나 그룹 및 상기 제2 프리코딩 방식을 이용하여 빔포밍된 상기 제1 통신 노드의 트래픽 채널을 수신하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  9. 3차원 안테나 어레이를 이용한 통신 노드의 빔포밍 방법으로서,
    상기 통신 노드와 다른 제1 통신 노드로부터, 제1 제어 채널을 수신하는 단계,
    상기 제1 제어 채널을 바탕으로 상기 제1 통신 노드의 3차원 안테나 어레이에 포함된 복수의 안테나 그룹 중 제1 안테나 그룹 및 제1 프리코딩 방식을 결정하는 단계,
    상기 제1 통신 노드로, 상기 제1 안테나 그룹 및 상기 제1 프리코딩 방식에 관한 제1 피드백 정보가 포함된 접속 채널을 전송하는 단계, 그리고
    상기 제1 통신 노드로부터, 상기 제1 안테나 그룹 및 상기 제1 프리코딩 방식을 이용하여 빔포밍된 상기 제1 통신 노드의 트래픽 채널을 수신하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  10. 제9항에서,
    제2 제어 채널을 방송하는 단계,
    상기 제1 통신 노드로부터, 상기 제2 제어 채널을 바탕으로 결정된 상기 통신 노드에 대한 제2 안테나 그룹 및 제2 프리코딩 방식에 관한 제2 피드백 정보를 수신하는 단계, 그리고
    상기 제2 안테나 그룹 및 상기 제2 프리코딩 방식을 이용하여 상기 제1 통신 노드로 전송할 제1 트래픽 채널을 빔포밍 하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  11. 제9항에서,
    상기 3차원 안테나 어레이는,
    복수의 요소 안테나와 복수의 안테나 그룹을 포함하고,
    상기 복수의 안테나 그룹은,
    각각 상기 복수의 요소 안테나 중 일부 요소 안테나를 포함하는 빔포밍 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은, 상기 g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, 상기 g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유하는 빔포밍 방법.
  13. 제10항에서,
    상기 제2 제어 채널을 방송하는 단계는,
    상기 복수의 안테나 그룹이 집중 빔을 각각 형성하여 순차적으로 상기 제어 채널을 방송하는 단계
    를 포함하는 빔포밍 방법.
  14. 제9항에서,
    채널 상태가 변하거나 상기 통신 노드 또는 상기 제1 통신 노드가 이동한 경우, 상기 제1 통신 노드가 방송한 제3 제어 채널을 수신하는 단계, 그리고
    상기 제3 제어 채널을 바탕으로 상기 제1 안테나 그룹 및 상기 제1 프리코딩 방식을 제3 안테나 그룹 및 제3 프리코딩 방식으로 갱신하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 통신 노드로, 상기 제3 안테나 그룹 및 상기 제3 프리코딩 방식에 관한 제3 피드백 정보가 포함된 제4 제어 채널을 전송하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  16. 제14항에서,
    상기 제1 통신 노드로, 상기 제3 안테나 그룹 및 상기 제3 프리코딩 방식에 관한 제3 피드백 정보가 포함된 제2 트래픽 채널을 전송하는 단계
    를 더 포함하는 빔포밍 방법.
  17. 3차원 안테나 어레이 장치로서,
    수평 방향으로 빔을 형성하는 복수 개의 수평 요소 안테나,
    수직 방향으로 빔을 형성하는 복수 개의 수직 요소 안테나, 그리고
    상기 복수 개의 수평 요소 안테나 중 일부의 수평 요소 안테나와, 상기 복수 개의 수직 요소 안테나 중 일부의 수직 요소 안테나를 각각 포함하는 복수의 안테나 그룹
    을 포함하며,
    무선 통신을 수행하는 통신 노드에 포함되는 3차원 안테나 어레이 장치.
  18. 제17항에서,
    상기 복수의 안테나 그룹 중 g번째 안테나 그룹은,
    상기 g번째 안테나 그룹의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 m개의 요소 안테나를 공유하고, 상기 g번째 안테나 그룹의 왼쪽 또는 오른쪽에 위치한 이웃 안테나 그룹과 n개의 요소 안테나를 공유하는 3차원 안테나 어레이 장치.
  19. 제17항에서,
    상기 복수의 안테나 그룹이 각각 집중 빔을 형성하여 순차적으로 상기 통신 노드의 제어 채널을 방송하는 3차원 안테나 어레이 장치.
  20. 제17항에서,
    상기 통신 노드와 통신 링크를 형성한 다른 통신 노드로부터, 상기 복수의 안테나 그룹 중 집중 빔을 형성하는 안테나 그룹 및 상기 집중 빔을 형성하는 프리코딩 방식에 관한 피드백 정보를 수신하고, 상기 피드백 정보를 바탕으로 상기 집중 빔을 형성하여 상기 통신 노드의 트래픽 채널을 상기 다른 통신 노드로 전송하는 3차원 안테나 어레이 장치.
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