KR20160039571A - 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 출원에서는 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 위하여 단말이 기지국으로 속도 정보를 보고하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 상기 방법은, 상기 기지국으로부터 미리 정의된 신호를 수신하는 단계; 상기 미리 정의된 신호에 기반하여, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 이동 속도 정보를 상기 기지국으로 보고하는 단계를 포함하고, 상기 미리 정의된 신호는 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)를 산출하기 위한 것을 특징으로 한다.

Description

무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR MEASURING MOBILITY OF UE FOR MULTI-ANTENNA BEAMFORMING IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명이 적용될 수 있는 무선 통신 시스템의 일례로서 3GPP LTE (3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution; 이하 "LTE"라 함) 통신 시스템에 대해 개략적으로 설명한다.
도 1은 무선 통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면이다. E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System) 시스템은 기존 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)에서 진화한 시스템으로서, 현재 3GPP에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. 일반적으로 E-UMTS는 LTE(Long Term Evolution) 시스템이라고 할 수도 있다. UMTS 및 E-UMTS의 기술 규격(technical specification)의 상세한 내용은 각각 "3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network"의 Release 7과 Release 8을 참조할 수 있다.
도 1을 참조하면, E-UMTS는 단말(User Equipment; UE)과 기지국(eNode B; eNB, 네트워크(E-UTRAN)의 종단에 위치하여 외부 네트워크와 연결되는 접속 게이트웨이(Access Gateway; AG)를 포함한다. 기지국은 브로드캐스트 서비스, 멀티캐스트 서비스 및/또는 유니캐스트 서비스를 위해 다중 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있다.
한 기지국에는 하나 이상의 셀이 존재한다. 셀은 1.25, 2.5, 5, 10, 15, 20Mhz 등의 대역폭 중 하나로 설정돼 여러 단말에게 하향 또는 상향 전송 서비스를 제공한다. 서로 다른 셀은 서로 다른 대역폭을 제공하도록 설정될 수 있다. 기지국은 다수의 단말에 대한 데이터 송수신을 제어한다. 하향링크(Downlink; DL) 데이터에 대해 기지국은 하향링크 스케줄링 정보를 전송하여 해당 단말에게 데이터가 전송될 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, HARQ(Hybrid Automatic Repeat and reQuest) 관련 정보 등을 알려준다. 또한, 상향링크(Uplink; UL) 데이터에 대해 기지국은 상향링크 스케줄링 정보를 해당 단말에게 전송하여 해당 단말이 사용할 수 있는 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, HARQ 관련 정보 등을 알려준다. 기지국간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 핵심망(Core Network; CN)은 AG와 단말의 사용자 등록 등을 위한 네트워크 노드 등으로 구성될 수 있다. AG는 복수의 셀들로 구성되는 TA(Tracking Area) 단위로 단말의 이동성을 관리한다.
무선 통신 기술은 WCDMA를 기반으로 LTE까지 개발되어 왔지만, 사용자와 사업자의 요구와 기대는 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 다른 무선 접속 기술이 계속 개발되고 있으므로 향후 경쟁력을 가지기 위해서는 새로운 기술 진화가 요구된다. 비트당 비용 감소, 서비스 가용성 증대, 융통성 있는 주파수 밴드의 사용, 단순구조와 개방형 인터페이스, 단말의 적절한 파워 소모 등이 요구된다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로 이하에서는 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 양상인 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 위하여 단말이 기지국으로 속도 정보를 보고하는 방법은, 상기 기지국으로부터 미리 정의된 신호를 수신하는 단계; 상기 미리 정의된 신호에 기반하여, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 이동 속도 정보를 상기 기지국으로 보고하는 단계를 포함하고, 상기 미리 정의된 신호는 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)를 산출하기 위한 것을 한다.
여기서, 상기 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계는 상기 단말의 절대 이동 속도(v)와 상기 단말의 상하방향 이동속도(vz)를 측정하는 단계; 및 상기 절대 이동 속도(v), 상기 상하방향 이동속도(vz) 및 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)에 기반하여, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 기지국과 상기 단말 간 높이 차와 상기 기지국과 상기 단말 간의 거리의 비율이 임계 값 이상인 경우, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)는 단말의 상하방향 이동속도(vz)와 동일한 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는 상기 미리 정의된 신호의 도플러 변화량에 기반하여 결정되거나, 상기 미리 정의된 신호의 상기 단말로의 도달 시간 변화량에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 적어도 하나의 이동 속도 정보는 상기 기지국에 의하여 상기 단말을 위한 빔 폭을 조절하기 위하여 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 양상인 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 위하여 기지국이 단말로부터 속도 정보를 수신하는 방법은, 상기 단말로 미리 정의된 신호를 송신하는 단계; 및 상기 단말로부터, 상기 미리 정의된 신호에 기반하여 산출된, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 미리 정의된 신호는 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)를 산출하기 위한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 방법이 상기 적어도 하나의 이동 속도 정보에 기반하여, 상기 단말을 위한 빔 폭을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성, 즉 속도를 효율적으로 측정하여 기지국으로 보고할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 무선 통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 LTE 시스템에서 사용되는 무선 프레임의 구조를 예시하는 도면.
도 3은 일반적인 다중 안테나(MIMO) 통신 시스템의 구성도.
도 4 및 도 5는 4개의 안테나를 이용한 하향링크 전송을 지원하는 LTE 시스템에서의 하향링크 참조 신호의 구조를 도시하는 도면이다.
도 6은 현재 3GPP 표준문서에서 정의하고 있는 하향링크 DM-RS 할당 예를 도시한다.
도 7은 현재 3GPP 표준문서에서 정의된 하향링크 CSI-RS 설정 중 일반 CP인 경우의 CSI-RS 설정 #0을 예시한다.
도 8은 안테나 틸팅 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 기존 안테나 시스템과 능동 안테나 시스템을 비교하는 도면이다.
도 10 은 능동 안테나 시스템에 기반하여, 단말 특정 빔을 형성한 예를 도시한다.
도 11 은 능동 안테나 시스템 기반의 2 차원 빔 전송 시나리오를 도시한다.
도 12 는 기존 프리코딩 방식과 PD 빔포밍 기법의 특징을 비교하는 도면이다.
도 13은 기존 프리코딩 방식과 적응적 빔폭 조절이 적용된 PD 빔포밍을 비교하는 도면이다.
도 14 는 본 발명의 실시예에 따라 단말과 기지국의 위치를 기준으로 측정 영역을 정의한 예이다.
도 15 는 본 발명의 실시예에 따라 기지국이 수평 빔포밍을 수행하는 경우의 실시예를 도시한다.
도 16 은 본 발명의 실시예에 따라 기지국이 수직 빔포밍을 수행하는 경우의 실시예를 도시한다.
도 17 은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적 특징들이 3GPP 시스템에 적용된 예들이다.
본 명세서는 LTE 시스템 및 LTE-A 시스템을 사용하여 본 발명의 실시예를 설명하지만, 이는 예시로서 본 발명의 실시예는 상기 정의에 해당되는 어떤 통신 시스템에도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서는 FDD 방식을 기준으로 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 이는 예시로서 본 발명의 실시예는 H-FDD 방식 또는 TDD 방식에도 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
또한, 본 명세서는 기지국의 명칭은 RRH(remote radio head), eNB, TP(transmission point), RP(reception point), 중계기(relay) 등을 포함하는 포괄적인 용어로 사용될 수 있다.
도 2는 LTE 시스템에서 사용되는 무선 프레임의 구조를 예시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 무선 프레임(radio frame)은 10ms(327200×Ts)의 길이를 가지며 10개의 균등한 크기의 서브프레임(subframe)으로 구성되어 있다. 각각의 서브프레임은 1ms의 길이를 가지며 2개의 슬롯(slot)으로 구성되어 있다. 각각의 슬롯은 0.5ms(15360×Ts)의 길이를 가진다. 여기에서, Ts 는 샘플링 시간을 나타내고, Ts=1/(15kHz×2048)=3.2552×10-8(약 33ns)로 표시된다. 슬롯은 시간 영역에서 복수의 OFDM 심볼을 포함하고, 주파수 영역에서 복수의 자원블록(Resource Block; RB)을 포함한다. LTE 시스템에서 하나의 자원블록은 12개의 부반송파×7(6)개의 0FDM 심볼을 포함한다. 데이터가 전송되는 단위시간인 TTI(Transmission Time Interval)는 하나 이상의 서브프레임 단위로 정해질 수 있다. 상술한 무선 프레임의 구조는 예시에 불과하고, 무선 프레임에 포함되는 서브프레임의 수 또는 서브프레임에 포함되는 슬롯의 수, 슬롯에 포함되는 0FDM 심볼의 수는 다양하게 변경될 수 있다.
이하 MIM0 시스템에 대하여 설명한다. MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)는 복수개의 송신안테나와 복수개의 수신안테나를 사용하는 방법으로서, 이 방법에 의해 데이터의 송수신 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 무선 통신 시스템의 송신단 혹은 수신단에서 복수개의 안테나를 사용함으로써 용량을 증대시키고 성능을 향상 시킬 수 있다. 이하 본 문헌에서 MIM0를 '다중 안테나'라 지칭할 수 있다.
다중 안테나 기술에서는, 하나의 전체 메시지를 수신하기 위해 단일 안테나 경로에 의존하지 않는다. 그 대신 다중 안테나 기술에서는 여러 안테나에서 수신된 데이터 조각(fragment)을 한데 모아 병합함으로써 데이터를 완성한다. 다중 안테나 기술을 사용하면, 특정된 크기의 셀 영역 내에서 데이터 전송 속도를 향상시키거나, 또는 특정 데이터 전송 속도를 보장하면서 시스템 커버리지(coverage)를 증가시킬 수 있다. 또한, 이 기술은 이동통신 단말과 중계기 등에 폭넓게 사용할 수 있다. 다중 안테나 기술에 의하면, 단일 안테나를 사용하던 종래 기술에 의한 이동 통신에서의 전송량 한계를 극복할 수 있다.
일반적인 다중 안테나(MIM0) 통신 시스템의 구성도가 도 3에 도시되어 있다. 송신단에는 송신 안테나가 NT개 설치되어 있고, 수신단에서는 수신 안테나가 NR개가 설치되어 있다. 이렇게 송신단 및 수신단에서 모두 복수개의 안테나를 사용하는 경우에는, 송신단 또는 수신단 중 어느 하나에만 복수개의 안테나를 사용하는 경우보다 이론적인 채널 전송 용량이 증가한다. 채널 전송 용량의 증가는 안테나의 수에 비례한다. 따라서, 전송 레이트가 향상되고, 주파수 효율이 향상된다 하나의 안테나를 이용하는 경우의 최대 전송 레이트를 Ro라고 한다면, 다중 안테나를 사용할 때의 전송 레이트는, 이론적으로, 아래 수학식 1과 같이 최대 전송 레이트 Ro에 레이트 증가율 Ri를 곱한 만큼 증가할 수 있다. 여기서 Ri는 NT와 NR 중 작은 값이다.
Figure pct00001
예를 들어, 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 이용하는 MIM0 통신 시스템에서는, 단일 안테나 시스템에 비해 이론상 4배의 전송 레이트를 획득할 수 있다. 이와 같은 다중 안테나 시스템의 이론적 용량 증가가 90 년대 중반에 증명된 이후, 실질적으로 데이터 전송률을 향상시키기 위한 다양한 기술들이 현재까지 활발히 연구되고 있으며, 이들 중 몇몇 기술들은 이미 3 세대 이동 통신과 차세대 무선랜 등의 다양한 무선 통신의 표준에 반영되고 있다.
현재까지의 다중안테나 관련 연구 동향을 살펴보면 다양한 채널 환경 및 다중접속 환경에서의 다중안테나 통신 용량 계산 등과 관련된 정보 이론 측면 연구, 다중안테나 시스템의 무선 채널 측정 및 모형 도출 연구, 그리고 전송 신뢰도 향상 및 전송률 향상을 위한 시공간 신호 처리 기술 연구 등 다양한 관점에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
다중 안테나 시스템에 있어서의 통신 방법을 보다 구체적인 방법으로 설명하기 위해 이를 수학적으로 모델링 하는 경우 다음과 같이 나타낼 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 NT개의 송신 안테나와 NR개의 수신 안테나가 존재하는 것을 가정한다. 먼저, 송신 신호에 대해 살펴보면, NT개의 송신 안테나가 있는 경우 최대 전송 가능한 정보는 NT개이므로, 전송 정보를 하기의 수학식 2와 같은 벡터로 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
한편, 각각의 전송 정보
Figure pct00003
에 있어 전송 전력을 다르게 할 수 있으며, 이때 각각의 전송 전력을
Figure pct00004
라 하면, 전송 전력이 조정된 전송 정보를 벡터로 나타내면 하기의 수학식 3과 같다.
Figure pct00005
또한,
Figure pct00006
를 전송 전력의 대각행렬 P 를 이용하여 나타내면 하기의 수학식 4와 같다.
Figure pct00007
한편, 전송전력이 조정된 정보 벡터
Figure pct00008
에 가중치 행렬 W가 적용되어 실제 전송되는 NT 개의 송신신호(transmitted signal)
Figure pct00009
가 구성되는 경우를 고려해 보자. 여기서, 가중치 행렬은 전송 정보를 전송 채널 상황 등에 따라 각 안테나에 적절히 분배해 주는 역할을 수행한다. 이와 같은 전송신호
Figure pct00010
는 벡터
Figure pct00011
를 이용하여 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서 W ij 는 i 번째 송신안테나와 j 번째 정보 간의 가중치를 의미한다. W는 가중치 행렬(Weight Matrix) 또는 프리코딩 행렬(Precoding Matrix)이라고 불린다.
Figure pct00012
일반적으로, 채널 행렬의 랭크의 물리적인 의미는, 주어진 채널에서 서로 다른 정보를 보낼 수 있는 최대 수라고 할 수 있다. 따라서 채널 행렬의 랭크(rank)는 서로 독립인(independent) 행(row) 또는 열(column)의 개수 중에서 최소 개수로 정의되므로, 행렬의 랭크는 행(row) 또는 열(column)의 개수보다 클 수 없게 된다. 수식적으로 예를 들면, 채널 행렬 H의 랭크(rank(H))는 수학식 6과 같이 제한된다.
Figure pct00013
또한, 다중 안테나 기술을 사용해서 보내는 서로 다른 정보 각각을 '전송 스트림(Stream)' 또는 간단하게 '스트림' 으로 정의하기로 하자. 이와 같은 '스트림' 은 '레이어 (Layer)' 로 지칭될 수 있다. 그러면 전송 스트림의 개수는 당연히 서로 다른 정보를 보낼 수 있는 최대 수인 채널의 랭크 보다는 클 수 없게 된다. 따라서, 채널 행렬이 H는 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00014
여기서 "# of streams"는 스트림의 수를 나타낸다. 한편, 여기서 한 개의 스트림은 한 개 이상의 안테나를 통해서 전송될 수 있음에 주의해야 한다.
한 개 이상의 스트림을 여러 개의 안테나에 대응시키는 여러 가지 방법이 존재할 수 있다. 이 방법을 다중 안테나 기술의 종류에 따라 다음과 같이 설명할 수 있다. 한 개의 스트림이 여러 안테나를 거쳐 전송되는 경우는 공간 다이버시티 방식으로 볼 수 있고, 여러 스트림이 여러 안테나를 거쳐 전송되는 경우는 공간 멀티플렉싱 방식으로 볼 수 있다. 물론 그 중간인 공간 다이버시티와 공간 멀티플렉싱의 혼합(Hybrid)된 형태도 가능하다.
한편, 차세대 이동통신 시스템의 표준인 LTE-A 시스템에서는 데이터 전송률 향상을 위해 기존 표준에서는 지원되지 않았던 CoMP(Coordinated Multi Point) 전송 방식을 지원할 것으로 예상된다. 여기서, CoMP 전송 방식은 음영 지역에 있는 단말 및 기지국(셀 또는 섹터) 간의 통신성능을 향상시키기 위해 2 개 이상의 기지국 혹은 셀이 서로 협력하여 단말과 통신하기 위한 전송 방식을 말한다.
CoMP 전송 방식은 데이터 공유를 통한 협력적 MIM0 형태의 조인트 프로세싱(CoMP-Joint Processing, CoMP-JP) 및 협력 스케줄링/빔포밍(CoMP-Coordinated Scheduling/beamforming, CoMP-CS/CB) 방식으로 구분할 수 있다.
하향링크의 경우 조인트 프로세싱(CoMP-JP) 방식에서, 단말은 CoMP 전송 방식을 수행하는 각 기지국으로부터 데이터를 순간적으로 동시에 수신할 수 있으며, 각 기지국으로부터의 수신한 신호를 결합하여 수신 성능을 향상시킬 수 있다(Joint Transmission; JT). 또한, CoMP 전송 방식을 수행하는 기지국들 중 하나가 특정 시점에 상기 단말로 데이터를 전송하는 방법도 고려할 수 있다 (DPS; Dynamic Point Selection).
이와 달리, 협력 스케줄링/빔포밍 방식(CoMP-CS/CB)에서, 단말은 빔포밍을 통해 데이터를 순간적으로 하나의 기지국, 즉 서빙 기지국을 통해서 수신할 수 있다.
상향링크의 경우 조인트 프로세싱(CoMP-JP) 방식에서, 각 기지국은 단말로부터 PUSCH 신호를 동시에 수신할 수 있다 (Joint Reception; JR). 이와 달리, 협력 스케줄링/빔포밍 방식(CoMP-CS/CB)에서, 하나의 기지국만이 PUSCH 를 수신하는데 이때 협력 스케줄링/빔포밍 방식을 사용하기로 하는 결정은 협력 셀(혹은 기지국)들에 의해 결정된다.
이하에서는, 채널 상태 정보 (channel state information; CSI) 보고에 관하여 설명한다. 현재 LTE 표준에서는 채널 정보 없이 운용되는 개루프(open-loop) MIM0 와 채널 정보에 기반하여 운용되는 폐루프(closed-loop) MIM0 두 가지 송신 방식이 존재한다. 특히, 폐루프 MIM0 에서는 MIM0 안테나의 다중화 이득(multiplexing gain)을 얻기 위해 기지국 및 단말 각각은 채널 상태 정보를 바탕으로 빔포밍을 수행할 수 있다. 기지국은 채널 상태 정보를 단말로부터 얻기 위해, 단말에게 참조 신호를 전송하고, 이에 기반하여 측정한 채널 상태 정보를 PUCCH(Physical Uplink Control CHannel) 또는 PUSCH(Physical Uplink Shared CHannel)를 통하여 피드백 하도록 명령한다.
CSI 는 RI(Rank Indicator), PMI(Precoding Matrix Index), CQI(Channel Quality Indication) 세가지 정보로 크게 분류된다. 우선, RI 는 상술한 바와 같이 채널의 랭크 정보를 나타내며, 단말이 동일 주파수-시간 자원을 통해 수신할 수 있는 스트림의 개수를 의미한다. 또한, RI 는 채널의 롱텀 페이딩(long term fading)에 의해 결정되므로 PMI, CQI 값 보다 통상 더 긴 주기로 기지국으로 피드백 된다.
두 번째로, PMI 는 채널의 공간 특성을 반영한 값으로 SINR 등의 메트릭(metric)을 기준으로 단말이 선호하는 기지국의 프리코딩 행렬 인덱스를 나타낸다. 마지막으로, CQI 는 채널의 세기를 나타내는 값으로 통상 기지국이 PMI 를 이용했을 때 얻을 수 있는 수신 SINR 을 의미한다.
이하에서는, 참조 신호에 관하여 보다 상세히 설명한다.
일반적으로 채널 측정을 위하여 데이터와 함께 송신측과 수신측 모두가 이미 알고 있는 참조 신호가 송신측에서 수신측으로 전송된다. 이러한 참조 신호는 채널 측정뿐만 아니라 변조 기법을 알려주어 복조 과정이 수행되도록 하는 역할을 수행한다. 참조 신호는 기지국과 특정 단말을 위한 전용 참조 신호(dedicated RS; DRS), 즉 단말 특정 참조 신호와 셀 내 모든 단말을 위한 셀 특정 참조 신호인 공통 참조 신호(common RS 또는 Cell specific RS; CRS)로 구분된다. 또한, 셀 특정 참조 신호는 단말에서 CQI/PMI/RI 를 측정하여 기지국으로 보고하기 위한 참조 신호를 포함하며, 이를 CSI-RS(Channel State Information-RS)라고 지칭한다.
도 4 및 도 5 는 4 개의 안테나를 이용한 하향링크 전송을 지원하는 LTE 시스템에서의 참조 신호의 구조를 도시하는 도면이다. 특히 도 4 은 일반(normal) 순환 전치(Cyclic Prefix)인 경우를 도시하며, 도 5 는 확장(extended) 순환 전치인 경우를 도시한다.
도 4 및 도 5 를 참조하면, 격자에 기재된 0 내지 3 은 안테나 포트 0 내지 3 각각에 대응하여 채널 측정과 데이터 복조를 위하여 송신되는 셀 특정 참조 신호인 CRS(Common Reference Signal)를 의미하며, 상기 셀 특정 참조 신호인 CRS 는 데이터 정보 영역뿐만 아니라 제어 정보 영역 전반에 걸쳐 단말로 전송될 수 있다.
또한, 격자에 기재된 'D' 는 단말 특정 RS 인 하향링크 DM-RS(Demodulation-RS)를 의미하고, DM-RS 는 데이터 영역 즉, PDSCH (Physical Downlink Shard CHannel)를 통하여 단일 안테나 포트 전송을 지원한다. 단말은 상위 계층을 통하여 상기 단말 특정 RS 인 DM-RS 의 존재 여부를 시그널링 받는다. 도 4 및 도 5 는 안테나 포트 5 에 대응하는 DM-RS 를 예시하며, 3GPP 표준문서 36.211 에서는 안테나 포트 7 내지 14, 즉 총 8 개의 안테나 포트에 대한 DM-RS 역시 정의하고 있다.
도 6 은 현재 3GPP 표준문서에서 정의하고 있는 하향링크 DM-RS 할당 예를 도시한다.
도 6 을 참조하면, DM-RS 그룹 1 에는 안테나 포트 {7, 8, 11, 13}에 해당하는 DM-RS 가 안테나 포트 별 시퀀스를 이용하여 맵핑되며, DM-RS 그룹 2 에는 안테나 포트 {9, 10, 12, 14}에 해당하는 DM-RS 가 마찬가지로 안테나 포트 별 시퀀스를 이용하여 맵핑된다.
한편, 상술한 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(inter-cell interference; ICI)를 줄이기 위하여 최대 32 가지의 서로 다른 자원 설정(configuration)으로 정의될 수 있다.
CSI-RS (자원) 설정은 안테나 포트 개수에 따라 서로 다르며, 인접 셀 간에는 최대한 다른 (자원) 설정으로 정의되는 CSI-RS 가 송신되도록 구성된다. CSI-RS 는 CRS 와 달리 최대 8 개의 안테나 포트까지 지원하며, 3GPP 표준문서에서는 안테나 포트 15 내지 22 까지 총 8 개의 안테나 포트를 CSI-RS 를 위한 안테나 포트로 할당한다. 아래 표 1 및 표 2 는 3GPP 표준문서에서 정의하고 있는 CSI-RS 설정을 나타내며, 특히, 표 1 은 일반(Normal CP)인 경우를, 표 2 는 일반(Extended CP)인 경우를 나타낸다.
Figure pct00015
Figure pct00016
표 1 및 표 2 에서, (k',l') 는 RE 인덱스를 나타내며, k' 는 부반송파 인덱스를, l' 는 OFDM 심볼 인덱스를 나타낸다. 도 7 은 현재 3GPP 표준문서에서 정의된 CSI-RS 설정 중 일반 CP 인 경우의 CSI-RS 설정 #0 을 예시한다.
또한, CSI-RS 서브프레임 설정이 정의될 수 있으며, 이는 서브프레임 단위로 표현되는 주기(T CSI-RS)와 서브프레임 오프셋(Δ CSI-RS)으로 구성된다. 아래 표 3 은, 3GPP 표준문서에서 정의하고 있는 CSI-RS 서브프레임 설정을 나타낸다.
Figure pct00017
이하, 안테나 포트 간 QCL (Quasi Co-Location)에 관하여 설명한다.
안테나 포트 간 QCL 되어 있다는 것은, 단말이 하나의 안테나 포트로부터 수신하는 신호(혹은 해당 안테나 포트에 대응하는 무선 채널)의 광범위 특성들(large-scale properties)이 다른 하나의 안테나 포트로부터 수신하는 신호(혹은 해당 안테나 포트에 대응하는 무선 채널)의 광범위 특성들과 모두 또는 일부가 동일하다고 가정할 수 있다는 것을 의미한다. 여기서, 상기 광범위 특성들은 주파수 오프셋과 관련된 도플러 확산 (Doppler spread), 도플러 시프트 (Doppler shift), 타이밍 오프셋과 관련된 평균 지연 (average delay), 지연 확산 (delay spread) 등을 포함하고, 나아가 평균 이득(average gain) 또한 포함할 수 있다.
위 정의에 의하면, 단말은 QCL 되지 않은 안테나 포트, 즉 NQCL(Non Quasi co-Located)된 안테나 포트들 간에는 광범위 특성들이 동일하다고 가정할 수 없다. 이 경우 단말은 안테나 포트 별로 주파수 오프셋 및 타이밍 오프셋 등을 획득하기 위한 트랙킹(tracking) 절차를 독립적으로 수행하여야 한다.
반면에, QCL 되어 있는 안테나 포트들 간에는 단말이 아래와 같은 동작을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
1) 단말이 특정 안테나 포트에 대응하는 무선 채널에 대한 전력-지연 프로파일(power-delay profile), 지연 확산 및 도플러 스펙트럼 (Doppler spectrum)와 도플러 확산 추정 결과를, 다른 안테나 포트에 대응하는 무선 채널에 대한 채널 추정 시 사용되는 위너 필터(Wiener filter) 파라미터 등에 동일하게 적용할 수 있다.
2) 또한, 단말은 상기 특정 안테나 포트에 대한 시간 동기 및 주파수 동기를 획득한 후, 동일한 동기를 다른 안테나 포트에 대하여도 적용할 수 있다.
3) 마지막으로, 평균 이득에 관하여도 단말은 QCL 되어 있는 안테나 포트들 각각에 대한 RSRP (Reference Signal Received Power) 측정값을 평균치로 계산할 수 있다.
예를 들어, 단말이 PDCCH (Physical Downlink Control CHannel)를 통해 DM-RS 기반 하향링크 데이터 채널 스케줄링 정보를 수신하면, 단말은 상기 스케줄링 정보에서 지시하는 DM-RS 시퀀스를 통하여 PDSCH 에 대한 채널 추정을 수행한 후, 데이터 복조를 수행하는 경우로 가정한다.
이와 같은 경우, 단말이 하향링크 데이터 채널 복조를 위한 DM-RS 안테나 포트가 서빙 셀의 CRS 안테나 포트와 QCL 되어 있다면, 단말은 해당 DM-RS 안테나 포트를 통한 채널 추정 시 자신의 CRS 안테나 포트로부터 추정했던 무선 채널의 광범위 특성들(large-scale properties)을 그대로 적용하여 DM-RS 기반 하향링크 데이터 채널 수신 성능을 향상시킬 수가 있다.
마찬가지로, 단말이 하향링크 데이터 채널 복조를 위한 DM-RS 안테나 포트가 서빙 셀의 CSI-RS 안테나 포트와 QCL 되어 있다면, 단말은 해당 DM-RS 안테나 포트를 통한 채널 추정 시 서빙 셀의 CSI-RS 안테나 포트로부터 추정했던 무선 채널의 광범위 특성들(large-scale properties)을 그대로 적용하여 DM-RS 기반 하향링크 데이터 채널 수신 성능을 향상시킬 수가 있다.
한편, LTE 시스템에서는 CoMP 모드로 하향링크 신호를 송신할 시, 기지국이 상위 계층 신호를 통하여 QCL 타입 A 와 QCL 타입 B 중 하나를 단말에게 설정하도록 정의하고 있다.
여기서, QCL 타입 A 는 CRS, DM-RS 및 CSI-RS 의 안테나 포트가 평균 이득을 제외한 나머지 광범위 특성들이 QCL 되어 있다고 가정하는 것으로, 동일 노드(point)에서 물리 채널 및 신호들이 전송되고 있음을 의미한다. 반면에, QCL 타입 B 는 DPS, JT 등의 CoMP 전송이 가능하도록 단말당 최대 4 개까지의 QCL 모드를 상위 계층 메시지를 통해 설정하고, 이 중 어떤 QCL 모드로 하향링크 신호를 수신해야하는지 동적으로 DCI (downlink control information)를 통해 설정하도록 정의되어 있다.
QCL 타입 B 가 설정된 경우의 DPS 전송에 관하여, 보다 구체적으로 설명한다.
우선, N1 개의 안테나 포트들로 구성된 노드 #1 는 CSI-RS 자원(resource) #1 를 전송하고, N2 개의 안테나 포트들로 구성된 노드 #2 는 CSI-RS 자원(resource) #2 를 전송하는 것으로 가정한다. 이 경우, CSI-RS 자원 #1 을 QCL 모드 파라미터 세트 #1 에 포함시키고, CSI-RS 자원 #2 를 QCL 모드 파라미터 세트 #2 에 포함시킨다. 나아가, 기지국은 노드 #1 과 노드 #2 의 공통 커버리지 내에 존재하는 단말에게 상위 계층 신호로 파라미터 세트 #1 과 파라미터 세트 #2를 설정한다.
이후, 기지국이 해당 단말에게 노드 #1 을 통해 데이터(즉, PDSCH) 전송 시 DCI 를 이용하여 파라미터 세트 #1 을 설정하고, 노드 #2 를 통해 데이터 전송시 파라미터 세트 #2 를 설정하는 방식으로 DPS 를 수행할 수 있다. 단말 입장에서는 DCI 를 통해 파라미터 세트 #1 을 설정 받으면 CSI-RS 자원 #1 과 DM-RS 가 QCL 되어 있다고 가정하고, 파라미터 세트 #2 를 설정 받으면 CSI-RS 자원 #2 과 DM-RS 가 QCL 되어 있다고 가정할 수 있다.
이하, 능동 안테나 시스템 (Active Antenna System; AAS) 및 3 차원 빔포밍에 관하여 설명한다.
기존 셀룰러 시스템에서 기지국은 기계적 틸팅(mechanical tilting) 혹은 전기적 틸팅(electrical tilting)을 이용하여 셀 간 간섭을 줄이고, 셀 내 단말들의 쓰루풋, 예를 들어 SINR (Signal to Interference plus Noise ratio)의 향상시키는 방안을 사용해 왔다. 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 8 은 안테나 틸팅 방식을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 도 12 의 (a)는 안테나 틸팅이 적용되지 않은 안테나 구조를 도시하고, 도 12 의 (b)는 기계적 틸팅이 적용된 안테나 구조를 도시하며, 도 12 의 (c)는 기계적 틸팅과 전기적 틸팅 모두 적용된 안테나 구조를 도시한다.
도 8 의 (a)와 도 8 의 (b)를 비교하면, 기계적 틸팅의 경우 도 8 의 (b)와 같이 초기 설치 시 빔 방향이 고정되어 버리는 단점이 있다. 나아가, 전기적 틸팅의 경우 도 8 의 (c)와 같이 내부 위상 천이(phase shift) 모듈을 이용하여 틸팅 각(tilting angle)을 변경할 수 있지만, 사실상 셀 고정적 틸팅으로 인하여 매우 제약적인 수직 빔포밍(수직 빔포밍)만 가능한 단점이 있다.
도 9 는 기존 안테나 시스템과 능동 안테나 시스템(Active Antenna System; AAS)을 비교하는 도면이다. 특히, 도 9 의 (a)는 기존 안테나 시스템을 도시하고, 도 9 의 (b)는 능동 안테나 시스템을 도시한다.
도 9 를 참조하면, 능동 안테나 시스템은 기존 안테나 시스템과 달리 복수의 안테나 모듈 각각이 전력 증폭기를 비롯한 RF 모듈, 즉 능동(active) 소자를 포함하고 있어, 안테나 모듈 각각에 대한 전력 및 위상 조절이 가능한 특징이 있는 시스템이다.
일반적으로 고려하던 MIMO 안테나 구조는 ULA(uniform linear array)와 같이 선형적인, 즉 1 차원 어레이의 안테나를 고려하였다. 이러한 1 차원 어레이 구조에서는 빔포밍으로 생성 가능한 빔이 2 차원 평면 내에 존재하게 된다. 이는 기존 기지국의 수동 안테나 시스템(Passive Antenna System; PAS) 기반 MIMO 구조에도 적용된다. PAS 기반 기지국에도 수직 안테나들 및 수평 안테나들이 존재하지만, 수직 안테나들은 하나의 RF 모듈에 묶여있어 수직방향으로 빔포밍이 불가능하며, 상술한 기계적 틸팅 만이 적용 가능하다.
그러나, 기지국의 안테나 구조가 능동 안테나 시스템으로 진화하면서 수직 방향의 안테나들에도 독립적인 RF 모듈이 구현되었으며, 이에 따라 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 빔포밍이 가능하게 되었다. 이를 엘리베이션 빔포밍(elevation beamforming)이라고 지칭한다.
엘리베이션 빔포밍에 따르면, 생성 가능한 빔들은 수직 및 수평방향으로 3 차원 공간에 표현될 수 있으므로, 이를 3 차원 빔포밍이라 지칭할 수도 있다. 즉, 3 차원 빔포밍은 1 차원 어레이의 안테나 구조에서 평면형태의 2 차원 어레이의 안테나 구조로 진화하며 가능해 진 것이다. 여기서, 3 차원 빔포밍은 안테나 어레이가 꼭 평면(planar) 형상인 경우에만 가능한 것은 아니고, 링(ring) 형태의 3 차원 형태의 어레이 구조에서도 3 차원 빔포밍이 가능하다. 3 차원 빔포밍의 특징은 기존 1 차원 어레이의 안테나 구조가 아닌 다양한 형태의 안테나 배치로 인해 MIMO 프로세스가 3 차원 공간 상에서 이루어 진다는 것이다.
도 10 은 능동 안테나 시스템에 기반하여, 단말 특정 빔을 형성한 예를 도시한다. 도 10 을 참조하면, 3 차원 빔포밍으로 인하여 단말이 기지국 좌우로 움직일 경우뿐만 아니라 전후로 움직이는 경우까지 빔포밍이 가능하므로, 단말 특정 빔 형성에 보다 높은 자유도가 제공됨을 알 수 있다.
나아가, 능동 안테나 기반의 2 차원 어레이의 안테나 구조를 이용한 전송 환경으로는 실외 기지국에서 실외 단말에게 전송하는 환경뿐만 아니라, 실외 기지국이 실내 단말에 대하여 전송하는 환경 (O2I, Outdoor to Indoor) 및 실내 기지국이 실내 단말에 전송하는 환경 (Indoor hotspot) 등을 고려할 수 있다.
도 11 는 능동 안테나 시스템 기반의 2 차원 빔 전송 시나리오를 도시한다.
도 11 를 참조하면, 셀 내 다양한 다수의 건물들이 존재하는 실제 셀 환경을 가정하게 될 경우, 기지국은 단말 특정 수평 빔 조향 뿐만 아니라 건물 높이에 따른 다양한 단말 높이를 고려한 수직 빔 조향 능력까지 고려해야 할 필요가 있다. 이와 같은 셀 환경을 고려할 경우, 기존 무선 채널 환경과는 많이 다른 채널 특성, 예를 들어 높이 차이에 따른 음영/경로 손실 변화, 페이딩 특성 변화 등을 반영할 필요가 있다.
다시 말해, 3 차원 빔포밍은, 기존에 선형적인 1 차원 어레이의 안테나 구조에 기반하여 수평 방향으로만 이루어지던 수평 빔포밍이 진화된 것으로, 평면 배열(planar array) 등의 다차원 어레이의 안테나 구조를 기반으로 엘리베이션 빔포밍 혹은 수직 빔포밍까지 확장 및 결합된 형태로 이루어 지는 MIMO 프로세싱 기법을 지칭한다.
3D 빔포밍, 특히 단말 특정 3D 빔포밍은 단말의 수평적, 수직적 위치와 3 차원 공간상의 스케터링(scattering) 환경에 의해 전송 성능을 최적화할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 단말 특정 3D 빔포밍은 폐루프 프리코딩 방식으로 이를 원활히 수행하기 위해서는 기지국과 단말 간의 정확한 채널 상태 정보(CSI)를 요구한다. 늘어난 기지국 안테나 수와 차원(dimension)에 의해 MIM0 전송 방식에 따른 성능 최저치와 최대치간의 차이가 더 심해지므로, 채널 추정 오류, 피드백 오류 및 채널 애이징(aging) 등의 기지국 CSI 추정 오류 요인에 의한 성능 민감도가 더 높아지기 때문이다. 기지국의 CSI 추정 오류가 심하지 않은 경우에는 채널 코딩 등의 효과로 정상적인 전송이 될 수도 있지만, 그 CSI 추정 오류가 심한 경우 패킷 수신 오류가 발생하여 패킷 재전송이 일어나는 등 극심한 성능 저하가 발생할 수 있다.
예를 들어, 기지국과 수평 방향으로 빠르게 이동중인 단말에게 3D 빔포밍을 수행하는 것은 패킷 재전송 확률이 높다. 기존에는 이러한 단말에게 개루프 프리코딩방식을 사용하였으나, 수평 방향으로 빠르게 이동중인 단말은 수직 방향으로는 정적인(static) 채널을 겪으므로 수직 빔포밍을 수행하는 것이 유리하다. 반대로, 수직 방향으로 빠르게 이동중인 단말 혹은 수직 방향으로 스케터링이 심한 환경에 있는 단말에게는 수평 빔포밍을 수행하는 것이 유리하다. 또한, 좁고 높은 빌딩 내에 위치한 단말에게는 3D 빔포밍을 수행하되 기지국이 수평 빔포밍 방향을 특정 방향으로 고정할 수 있다. 즉, 해당 단말에게는 수직 빔포밍만을 위해 피드백 정보를 구성하도록 유도하여 피드백 오버헤드를 줄일 수 있다.
이러한 측면에서 3D 빔포밍 환경에서 사용자 환경에 맞춰 2D 빔포밍, 즉 수직 빔포밍 또는 수평 빔포밍 중 하나를 수행할 수 있는 PD 빔포밍(partial dimensional beamforming)이 제안되었다. PD 빔포밍은, 2 차원 배열의 송신 안테나 포트를 가진 기지국이 수직 프리코더와 수평 프리코더 중 어느 하나에 폐루프 프리코딩을 수행하고, 나머지에는 시스템에서 규정한 프리코딩 방식(Default precoding), 기지국 혹은 네트워크에서 미리 지정한 프리코딩 방식(Reference precoding) 및 기지국이 무작위로 정한 프리코딩 방식(Random precoding) 중 하나를 적용하는 것을 특징으로 한다.
도 12는 기존 프리코딩 방식과 PD 빔포밍 기법의 특징을 비교하는 도면이다. 특히, 도 12의 좌측 도면은 기존 프리코딩 방식을 예시하고, 우측 도면은 PD 빔포밍 기법을 예시힌다.
도 12를 참조하면, 생성되는 빔의 영역은 수평 방향 및 수직 방향 중 한방향으로만 협폭의 빔이 형성된다. 따라서, 특정 방향으로 움직이는 단말에게 일정 수준의 빔 이득을 부여하는 것이 가능하다.
도 13은 기존 프리코딩 방식과 적응적 빔폭 조절이 적용된 PD 빔포밍을 비교하는 도면이다.
PD 빔포밍에 적응적 빔 폭 조절 방식을 적용한다면, 도 13 과 같이, 빔포밍 방식이 표현될 수 있다. 즉, 단말이 수직 혹은 수평 방향으로 움직일 경우, 도플러가 적은 방향, 즉 단말이 움직임에 직교하는 방향으로는 폐루프 빔포밍을 수행하고, 도플러가 일정 수준 존재하는 방향으로는 단말의 속도에 따라 전송에 참여하는 안테나 수를 조절하여 빔 폭을 조절한다.
이와 같이, 단말의 수직 방향과 수평 방향의 속도를 정확히 안다면 수직 방향과 수평 방향으로 적용할 빔폭을 적응적으로 변화시킬 수 있으므로, PD 빔포밍을 원활히 적용하기 위해서는 단말이 수직 방향과 수평 방향으로 얼마나 빠르게 움직이는 지 파악하는 것이 중요하다. 빔 폭을 적응적으로 변화시키기 위하여는 전송 안테나 수 변경, 안테나 별 전송 전력 할당, 위상 변화 등을 활용할 수 있다.
단말이 수직 방향과 수평 방향으로의 속도를 측정하기 위하여, 도 14 와 같이 영역을 결정할 필요가 있다. 도 14 는 본 발명의 실시예에 따라 단말과 기지국의 위치를 기준으로 측정 영역(domain)을 정의한 예이다.
도 14 를 참조하면, 단말의 위치 기준으로 엘레베이션(elevation) 방향 또는 중력 방향을 z 축으로 표현하고, 기지국과 단말의 위치를 직선으로 이었을 때 해당 방향을 수평면 또는 지면에 투영(projection)시킨 축을 y 축(즉, y 축은 z 축과 수직)으로 표현하며, 그리고 z 축, y 축과 서로 수직인 수평면의 나머지 축을 x 축이라 표현한다. 또한, 기지국과 단말의 위치를 직선으로 연장한 선과 수직인 y-z 평면상의 축을 w 축이라고 표현한다. 또한, 단말이 바라본 기지국의 방향을 b 방향이라 표현한다. 즉, b 축과 w 축은 수직한다.
도 15 는 본 발명의 실시예에 따라 기지국이 수평 빔포밍을 수행하는 경우의 실시예를 도시하고, 도 16 은 본 발명의 실시예에 따라 기지국이 수직 빔포밍을 수행하는 경우의 실시예를 도시한다.
도 15 와 같이, 기지국이 수평 방향으로 빔포밍을 수행하게 되면 이 빔은 단말 기준으로 x 축을 따라 움직인다고 볼 수 있다. 또한 도 16 과 같이 기지국이 수직 방향으로 빔포밍을 수행하게 되면 이 빔은 단말 기준으로 w 축을 따라 움직인다고 볼 수 있다. 따라서 기지국은 단말이 x 축으로 어느 속도로 움직이는지와 w 축으로 어느 속도로 움직이는 지를 알면 수직 방향과 수평 방향으로의 전송 기법을 결정할 수 있다. 예를 들어, 각각 폐루프 또는 개루프 MIM0 적용 여부, 혹은 각각의 빔 폭과 같이 MIM0 프리코더를 구성하기 위한 파라미터를 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 단말이 기지국과의 상대적인 위치에 따른 수직 빔포밍 방향으로의 속도와 수평 빔포밍 방향으로의 속도를 측정하여 기지국에게 각각 피드백하는 것을 제안한다. 상기 기지국에 보고하는 속도 정보는 절대 속도 정보, 가속도 정보, 도플러 정보 중 적어도 하나를 포함한다.
구체적으로, 수직 빔포밍 방향으로의 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향으로의 이동 속도(vx)는 단말의 절대 이동 속도(v), 단말의 기지국 방향으로의 이동 속도(vb)와 단말의 상하방향 이동속도(vz)를 측정하여 산출할 수 있다. w 축과 b 축, 그리고 z 축은 동일 평면 내에 있으므로, w 축의 성분(vw)은 b 축과 z 축의 값을 통해 측정할 수 있다. 상기 단말의 절대 이동 속도(v)와 상하방향 이동속도(vz)는 단말 내의 각종 센서 (중력 센서, 가속도 센서, 기울기 센서 등)을 통하여 획득 가능하다.
그러나, 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는 기지국의 위치를 알아야 하므로 단말의 센서만으로는 획득하기 어렵다. 따라서, 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는 기지국 전송 신호의 도플러 정도를 파악하여 측정하는 것이 바람직하다. 도플러로 인한 주파수 변화량은 아래 수학식 8 과 같이 수신기의 송신기로의 상대 속도(Δv)에 의해 결정된다. 아래 수학식 8 에서 c 는 전자기파의 속도를 나타내고, f0는 전송 신호의 주파수를 나타낸다.
Figure pct00018
따라서, 수학식 8과 같이 주파수의 변화량을 측정하면 이는 단말이 b축으로 얼마의 속도로 움직이고 있는 지를 알 수 있으므로, vb를 측정할 수 있다.
추가적으로, 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는 단위 시간 동안 기지국 전송 신호의 도달 시간 변화량을 파악하여 측정할 수도 있다. 구체적으로, 속도는 단위 시간 동안 위치의 변화량이므로, 기지국 방향 (b축)으로 위치가 변화한다면 기지국과 단말 사이의 거리가 변화하므로 기지국에서 송신된 신호가 단말에게 전달되는 시간 역시 변화한다. 결국 신호 도달 시간의 차이를 측정하면 vb를 측정할 수 있다.
상기 도달 시간 변화량은 신호 동기화 과정을 통해 측정할 수 있다. 일반적으로 단말은 끊임없이 기지국의 신호와 동기화를 수행하므로, 이러한 동기화 과정에서 동기화 타이밍의 변화를 통해 지연시간 변화를 추정할 수 있다. 또는, 기지국에서 주기적으로 전송하거나, 정해진 시간 간격만큼 떨어진 둘 이상의 RE에서 전송하는 특정 신호를 기준으로 기지국 전송 주기와 단말 수신 주기의 차이를 통해 도달 시간 변화량을 추정할 수 있다. 예를 들어, 1msec주기로 전송되는 신호를 0.95msec만에 수신하였다면 0.05msec만큼 전달 시간이 빨라졌으므로 그만큼 기지국에 가까워졌음을 의미한다. LTE시스템의 경우, 기 정의된 신호인 CRS, CSI-RS, PSS, SSS, PRS, UE-specific RS 등이 상기 목적으로 사용될 수 있다. 혹은, 상기 목적을 위한 새로운 신호가 정의될 수 있다.
상기 방식을 이용하여, vb와 vz를 측정한다면, 결과적으로 vw를 추정할 수 있다.
단말은 자신의 이동 속도(v)를 측정하여 해당 3차원 속도 벡터를 b-z-w-y가 모두 모여 있는 평면에 수직인 성분(perpendicular component)인 수평 빔포밍 방향으로의 이동 속도(vx) 성분을 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어, 벡터 v 는 서로 수식인 b축-w축-x축 성분 값들로 표현 가능하므로 다음 수학식 9와 같은 관계식이 성립한다.
Figure pct00019
위 수학식 9를 이용하면, v, vb 및 vw 로부터 vx를 구할 수 있다.
한편, 기지국과 단말의 높이 차에 비해 기지국과 단말의 거리가 매우 먼 경우 w축은 z축과 거의 일치하게 된다. 따라서 이 경우는 단말의 상하로의 움직임이 엘리베이션 빔포밍 각도를 좌우하게 된다. 반면, 기지국과 단말의 높이 차에 비해 기지국과 단말의 거리가 매우 가까운 경우 w축은 y축과 거의 일치하게 된다. 즉, 이러한 경우 단말의 상하로의 움직임 보다는 기지국과 멀어지고 가까워지는 움직임에 따라 엘리베이션 빔포밍의 각도 변화가 이루어 진다.
따라서, 기지국과 단말의 높이 차에 비해 기지국과 단말의 거리가 멀다고 판단되는 경우, 수직 빔포밍 방향으로의 이동 속도(vw)는 단말의 상하방향 이동속도(vz)를 측정하여 구하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 기지국과 단말의 높이 차에 비해 기지국과 단말의 거리가 가깝다고 판단되는 경우, 수직 빔포밍 방향으로의 이동 속도(vw)는 단위 시간당 단말과 기지국과의 거리변화 (vy)를 측정하여 구하는 것이 바람직하다.
상기 단위 시간당 단말과 기지국과의 거리 변화는 기지국과 단말의 수평면 상의 위치(x-y평면)를 알 때, 단말의 상대적 위치 변화량을 통해 알 수 있다. 단말의 위치는 GPS 정보 등을 이용해 획득할 수 있다. 물론, 기지국의 위치는 기지국이 단말에게 알려줄 수 있다.
본 발명은 하향링크를 기준으로 설명하였으나 이는 제한되는 것은 아니다. 즉, 상향링크에서는 기지국이 단말로, 단말이 기지국으로 역할이 바뀌어 본 제안이 적용될 수 있다. 또한, 단말 간 직접 통신에서도 본 발명의 기지국이 단말인 형태로 적용되어 본 제안이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 피드백 정보를 광대역 시스템에서 적용한다면 특정 주파수 영역(예를 들어, subband, sub-carrier, resource block 등)으로 구분하여 각 주파수 영역에 대해 별개의 피드백 정보 집합을 피드백할 수 있다. 혹은 단말이 선택하거나 기지국이 지정한 특정 주파수 영역에 대해서만 피드백 정보가 전송될 수 있다. 상기 주파수 영역은 주파수 연속적인 하나 이상의 영역으로 구성되거나 주파수 불연속적인 영역으로 구성될 수 있다.
도 17 은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.
도 17 을 참조하면, 통신 장치(1700)는 프로세서(1710), 메모리(1720), RF 모듈(1730), 디스플레이 모듈(1740) 및 사용자 인터페이스 모듈(1750)을 포함한다.
통신 장치(1700)는 설명의 편의를 위해 도시된 것으로서 일부 모듈은 생략될 수 있다. 또한, 통신 장치(1700)는 필요한 모듈을 더 포함할 수 있다. 또한, 통신 장치(1700)에서 일부 모듈은 보다 세분화된 모듈로 구분될 수 있다.
프로세서(1710)는 도면을 참조하여 예시한 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 프로세서(1710)의 자세한 동작은 도 1 내지 도 16에 기재된 내용을 참조할 수 있다.
메모리(1720)는 프로세서(1710)에 연결되며 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 프로그램 코드, 데이터 등을 저장한다. RF 모듈(1730)은 프로세서(1710)에 연결되며 기저대역 신호를 무선 신호를 변환하거나 무선신호를 기저대역 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, RF 모듈(1730)은 아날로그 변환, 증폭, 필터링 및 주파수 상향 변환 또는 이들의 역과정을 수행한다. 디스플레이 모듈(1740)은 프로세서(1710)에 연결되며 다양한 정보를 디스플레이한다. 디스플레이 모듈(1740)은 이로 제한되는 것은 아니지만 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode)와 같은 잘 알려진 요소를 사용할 수 있다. 사용자 인터페이스 모듈(1750)은 프로세서(1710)와 연결되며 키패드, 터치 스크린 등과 같은 잘 알려진 사용자 인터페이스의 조합으로 구성될 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 문서에서 기지국에 의해 수행된다고 설명된 특정 동작은 경우에 따라서는 그 상위 노드(upper node)에 의해 수행될 수 있다. 즉, 기지국을 포함하는 복수의 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. 기지국은 고정국(fixed station), Node B, eNode B(eNB), 억세스 포인트(access point) 등의 용어에 의해 대체될 수 있다.
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 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 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.
상술한 바와 같은 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 빔포밍을 위하여 단말의 이동성 측정 방법 및 이를 위한 장치는 3GPP LTE 시스템에 적용되는 예를 중심으로 설명하였으나, 3GPP LTE 시스템 이외에도 다양한 무선 통신 시스템에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (12)

  1. 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 위하여 단말이 기지국으로 속도 정보를 보고하는 방법에 있어서,
    상기 기지국으로부터 미리 정의된 신호를 수신하는 단계;
    상기 미리 정의된 신호에 기반하여, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 이동 속도 정보를 상기 기지국으로 보고하는 단계를 포함하고,
    상기 미리 정의된 신호는,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)를 산출하기 위한 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계는,
    상기 단말의 절대 이동 속도(v)와 상기 단말의 상하방향 이동속도(vz)를 측정하는 단계; 및
    상기 절대 이동 속도(v), 상기 상하방향 이동속도(vz) 및 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)에 기반하여, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는,
    상기 미리 정의된 신호의 도플러 변화량에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는,
    상기 미리 정의된 신호의 상기 단말로의 도달 시간 변화량에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 기지국과 상기 단말 간 높이 차와 상기 기지국과 상기 단말 간의 거리의 비율이 임계 값 이상인 경우, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)는 단말의 상하방향 이동속도(vz)와 동일한 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이동 속도 정보는,
    상기 기지국에 의하여 상기 단말을 위한 빔 폭을 조절하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 보고 방법.
  7. 무선 통신 시스템에서 다중 안테나 기반 빔포밍을 위하여 기지국이 단말로부터 속도 정보를 수신하는 방법에 있어서,
    상기 단말로 미리 정의된 신호를 송신하는 단계; 및
    상기 단말로부터, 상기 미리 정의된 신호에 기반하여 산출된, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)와 수평 빔포밍 방향 이동 속도(vx) 중 적어도 하나의 이동 속도 정보를 수신하는 단계를 포함하고,
    상기 미리 정의된 신호는,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)를 산출하기 위한 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이동 속도 정보는,
    상기 단말에 의하여, 상기 단말의 절대 이동 속도(v), 상기 단말의 상하방향 이동속도(vz) 및 상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는,
    상기 미리 정의된 신호의 도플러 변화량에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 단말의 기지국 방향으로의 속도(vb)는,
    상기 미리 정의된 신호의 상기 단말로의 도달 시간 변화량에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 기지국과 상기 단말 간 높이 차와 상기 기지국과 상기 단말 간의 거리의 비율이 임계 값 이상인 경우, 상기 단말의 수직 빔포밍 방향 이동 속도(vw)는 단말의 상하방향 이동속도(vz)와 동일한 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이동 속도 정보에 기반하여, 상기 단말을 위한 빔 폭을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    속도 정보 수신 방법.
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