KR20170090661A - 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20170090661A KR1020160011292A KR20160011292A KR20170090661A KR 20170090661 A KR20170090661 A KR 20170090661A KR 1020160011292 A KR1020160011292 A KR 1020160011292A KR 20160011292 A KR20160011292 A KR 20160011292A KR 20170090661 A KR20170090661 A KR 20170090661A
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고성원
박종근
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Abstract

본 발명은 아날로그 빔 포밍 기술, 디지털 빔 포밍 기술, 그리고 MIMO 기술을 혼용하여 보다 효율적이고 경제적인 빔 포밍 동작을 수행할 수 있는 새로운 방식의 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템에 관한 것으로,
이는 K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계; 상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계; 및 상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템{System and method for beam foaming in fifth generation mobile communications}
본 발명은 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 효율적이고 경제적인 빔 포밍 동작을 수행할 수 있도록 하는 새로운 방식의 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템에 관한 것이다.
5세대 이동통신 시스템은 4세대 LTE 시스템의 용량 대비 1000배의 용량 증대를 목표로 한다. 이를 달성하기 위해 많은 수의 소형셀을 활용하는 heterogeneous network 기술이 차세대 이동통신 기술로 각광받고 있다.
5세대 이동통신 시스템에서는 고정형 기지국과 이동형 기지국이 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상되는데, 이러한 기지국을 모두 유선으로 연결하는 것은 비용 측면에서 합리적이지 않고, 이동형 기지국을 지원하기 위해서는 유선으로 백홀 링크를 지원하는 것보다 효율적인 무선 백홀망 시스템의 구축이 필요하다.
무선 백홀망은 도1에서와 같이 무선 백홀 스위치와 고정 및 이동 액세스 포인트로 구성이 된다. 무선 백홀 스위치는 수천 개∼수만 개의 안테나 엘리먼트를 통해서 다수의 빔을 지원할 수 있도록 구성된다. 또한 고정 및 이동 액세스 포인트는 수백 개의 안테나 엘리먼트로 구성되어 수신 빔포밍과 송신 빔포밍 기능을 지원한다.
도2는 5세대 이동통신 시스템의 무선 백홀 스위치에서 이동 액세스 포인트를 서비스하는 시나리오를 설명하기 위한 도면이다.
실외에서 차량 등은 이동 액세스 포인트가 될 수 있으며, 무선 백홀 스위치로부터 수신 빔포밍을 통해서 대용량 서비스를 받을 수 있다. 실외 환경에서 가로등과 같은 고정 액세스 포인트가 무선 백홀 스위치와 연결될 수 있으며, 실내 환경의 경우 가전 등과 같은 고정 액세스 포인트가 무선 백홀 스위치와 연결될 수 있다.
하나의 무선 백홀 스위치는 지상으로부터 수십∼수백m의 높이에 위치하며 수십 km2 이상의 영역을 커버하고, 커버리지 내의 고정 및 이동 액세스 포인트에 대용량의 무선 백홀 링크를 지원한다. UE(User Equipment)는 기존 유선 기지국에 추가로 고정 및 이동 액세스 포인트로부터 대용량의 이동 통신 서비스를 받을 수 있다.
도3은 5세대 이동통신 서비스를 지원하는 무선 백홀 스위치의 구조를 나타낸 도면이다. 도3을 참고하면 무선 백홀 스위치가 가로 200 개, 세로 200 개의 안테나를 활용하여 40,000개의 안테나를 이용하는 경우, 가로 0.5도, 세로 0.5 도의 세밀 빔을 형성할 수 있으며, 120도 섹터내에서의 빔 개수는 약 1,200개가 되며, 빔 한 개의 용량은 2Gbps가 된다.
무선 백홀 스위치의 커버리지가 100 km2이고, 40,000 개의 안테나를 사용해서 10,000 개의 빔을 형성한다고 가정하면, 한 개의 빔은 약 10,000 m2를 커버한다고 볼 수 있으며 이는 가로 100 m, 세로 100m 영역에 해당된다.
이와 같은 무선 백홀 스위치는 크게 다음의 세 가지 방식으로 빔 포밍 동작을 수행할 수 있다.
먼저, 아날로그 빔 포밍 기술은 아날로그 빔만을 활용하여 빔포머를 구성하는 것으로, 위상천이기 및 감쇠기를 사용하여 각 안테나 신호의 위상 및 크기를 조절하고, 각 안테나 소자의 위상 조절을 통해 빔 방향을 조절하고, 각 안테나 소자 세기 조절을 통해 빔 형태를 조절할 수 있도록 한다. 다만 이는 생성 빔 개수만큼 전력 감쇠기(power attenuator)와 위성 천이기(phase shifter)가 필요하여 많은 빔을 형성할 시에 복잡도 및 비용 증가하는 단점과, 채널의 공간적 특성만을 이용하므로 채널의 주파수 특성을 고려할 수 없어 주파수 선택성 채널 페이딩에 대처하기 힘든 단점을 가진다.
디지털 빔포밍 기술은 디지털 빔만을 활용하여 빔포머를 구성하는 것으로, 모뎀에서 발생한 신호를 디지털 단에서의 처리를 거쳐 각 안테나로 전송하도록 한다. 다만, 각 안테나 바로 전 단에 DAC, Mixer, Oscillator 등으로 이루어진 RF 체인(Chain)이 필요하므로 많은 안테나 개수를 필요로 하는 환경에서 복잡도 및 비용 증가하는 단점을 가진다.
JSDM (Joint Spatial Division and Multiplexing) 기술은 채널의 통계적 특성을 활용한 두 단계 하이브리드 빔 포밍 기술이다. 그러나 이는 디지털 빔포밍만을 활용한 기술로, 여전히 디지털 빔포밍만의 문제를 답습하며, 유저의 채널 정보를 활용하여 프리 빔 포밍(prebeamforming)과 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 프리코딩(precoding)을 진행하기 때문에, 안테나 개수가 많아지고 유저가 많아지게 될 경우 복잡도 문제가 발생한다.
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 아날로그 빔 포밍 기술, 디지털 빔 포밍 기술, 그리고 MIMO 기술을 혼용하여 보다 효율적이고 경제적인 빔 포밍 동작을 수행할 수 있는 새로운 방식의 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 K(K는 자연수)개 안테나 어레이를 I(I는 2 이상의 자연수)개 세트 구비하는 안테나 장치에 기반한 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법은, K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계; 상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계; 및 상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계를 포함한다.
상기 M개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계는 상기 K개의 안테나 어레이 각각을 통해 동일한 M개의 아날로그 그룹빔을 K개 만듦으로써, 상기 M개의 아날로그 그룹빔 각각은 동일한 아날로그 그룹 빔이 K개 겹쳐진 상태가 되며, 이에 따라 상기 아날로그 그룹빔 각각의 DoF가 K가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 M개의 아날로그 그룹빔은 안테나 전체 방사 영역을 커버하며, 빔간 간섭이 제거된 것을 특징으로 한다.
상기 K개 이하의 디지털 세밀빔은 액세스 포인트간 간섭이 제거된 것을 특징으로 한다.
상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계는 상기 아날로그 그룹빔 내에서의 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔을 활용하여 최대 K 개의 액세스 포인트를 지원할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계는 동일한 성능과 구조를 가진 K 개 안테나 어레이 세트를 I개 활용하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다fms 실시 형태에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치는 K(K는 자연수)개의 안테나 어레이를 2개 셋트 이상 구비하는 안테나 장치; 상기 K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 그룹빔 형성부; 상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 세밀빔 형성부; 및 상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I(I는 2 이상의 자연수)개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 멀티 스트림 형성부를 포함할 수 있다.
상기 안테나 어레이 각각은 N(N은 자연수)개의 안테나 소자, 상기 안테나 소자 각각의 전단에 M개씩 할당되는 N×M개의 안테나 특성 조정부, 상기 안테나 특성 조정부의 전단에 안테나 그룹 각각에 대응되도록 위치되는 M개의 RF 체인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 그룹빔 형성부는 상기 K개의 안테나 어레이 각각을 통해 동일한 M개의 아날로그 그룹빔을 K개 만듦으로써, 상기 M개의 아날로그 그룹빔 각각은 동일한 아날로그 그룹 빔이 K개 겹쳐진 상태가 되며, 이에 따라 상기 아날로그 그룹빔 각각의 DoF가 K가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 M개의 아날로그 그룹빔은 안테나 전체 방사 영역을 커버하며, 빔간 간섭이 제거된 것을 특징으로 한다.
상기 K개 이하의 디지털 세밀빔은 액세스 포인트간 간섭이 제거된 것을 특징으로 한다.
상기 세밀빔 형성부는 상기 아날로그 그룹빔 내에서의 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔을 활용하여 최대 K 개의 액세스 포인트를 지원할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 멀티 스트림 형성부는 동일한 성능과 구조를 가진 K 개 안테나 어레이 세트를 I개 활용하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 장치는 아날로그 빔 포밍 기술, 디지털 빔 포밍 기술, 그리고 MIMO 기술을 혼용하여 3단계 빔 포밍 동작을 수행하도록 한다.
이에 사이드로브가 제어된 그룹빔(아날로그빔)을 통해 그룹빔 간 간섭을 첫번째 빔포머에서 1차적으로 제거할 수 있도록 함으로써, 시스템 전체 복잡도를 그룹빔 내 복잡도로 감소시켜 줄 수 있도록 한다. 이에 JSDM의 채널 추정 복잡도 문제를 간단히 해결할 수 있도록 한다. 또한, 그룹빔 안에서 액세스 포인트간 간섭을 세밀빔(디지털빔)을 통해 제어(채널 통계 값 활용)할 수 있도록 하며, 아날로그빔과 디지털빔을 혼용함으로써 보다 신호 간 간섭이 제거될 수 있도록 하며, 이에 따라 보다 향상된 신호 특성을 가지는 송수신할 수 있도록 해준다.
그리고 무선 백홀 스위치가 넓은 영역을 커버하므로, 이동통신 용량 수요에 따라 자원(주파수, 시간, 용량 등)을 빔자원을 통해 배분하여 유연한 자원 운용이 가능하도록 해준다.
또한, 아날로그 빔과 부연 디지털 빔을 혼용함으로써 필요로 하는 RF 체인 및 감쇄기(power attenuator), 위상 천이기(phase shifter)의 개수를 줄여 시스템의 복잡도 낮추고, 이의 구현 비용도 절감될 수 있도록 해준다.
도1은 5세대 이동통신을 지원하는 무선 백홀망 구조를 도시한 도면이다.
도2는 5세대 이동통신 시스템의 무선 백홀 스위치에서 이동 액세스 포인트를 서비스하는 시나리오를 설명하기 위한 도면이다.
도3은 5세대 이동통신 서비스를 지원하는 무선 백홀 스위치의 구조를 나타낸 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초광역 무선 백홀망의 다단 빔 포밍 방법을 도시한 도면이다.
도5 내지 도8는 본 발명의 일 실시예에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법에 대해 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 시스템을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B"를 의미한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법을 도시한 도면이다.
도4를 참고하면, 본 발명의 다단 빔 포밍 방법은 K(K은 자연수)개 안테나 어레이 셋트를 I(I는 2이상의 자연수)개 구비하는 안테나 구조하에서 수행되며, K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계(S1), 상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계(S2), 상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계(S3)로 구성되는 3 단계 빔포밍 동작 수행하도록 한다.
이하, 도5 내지 도8을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용되는 안테나 장치는 도5에서와 같이, K개의 안테나 어레이(서브 어레이)를 I개 구비할 수 있으며, 각각의 안테나 어레이는 2차원 매트릭스 형태로 배치되는 N개의 안테나 소자(Ant1~AntN)로 구성된 사각 배열 안테나 등으로 구현될 수 있도록 한다.
참고로, 무선 백홀 스위치 안테나를 전부 사용하여 1 개의 빔을 통해 1 개의 작은 셀을 형성할 경우에는 1 개의 스트림을 고정/이동 액세스 포인트에 지원할 수 있게 된다. 그러나 무선 백홀 스위치 안테나의 일부인 서브 어레이를 여러 개 사용할 경우에는 각 서브 어레이의 빔 폭은 증가하지만 여러 개의 빔을 겹쳐 1 개의 셀을 형성함으로써 여러 개의 스트림을 고정/이동 액세스 포인트에 지원 가능하며, RF 체인(Chain)은 지원 스트림 수 만큼 구비하면 된다.
따라서 본 발명에서는 K개의 안테나 어레이 구조를 기반으로 아날로그 빔 포밍 동작을 수행하여 여러 개의 스트림을 고정/이동 액세스 포인트에 지원할 수 있는 아날로그 그룹빔(그룹셀) 형성할 수 있도록 하고, 각 안테나 어레이가 안테나 소자 개수 만큼 구비해야 하던 RF 체인(Chain) 개수가 지원 스트림 개수만큼 감소될 수 있도록 한다.
이에 도6에서와 같이 단계S1의 그룹빔 형성 단계에서는, K개의 안테나 어레이에 구비된 N개의 안테나 소자를 활용하여 안테나 전체 방사 영역을 M개로 균등 분할하는 M개의 아날로그 그룹빔을 만들도록 한다. 그 결과, M개의 아날로그 그룹빔은 안테나 전체 방사 영역을 커버하며, 빔 간 간섭(사이드로브)이 제거된 특성을 가질 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 K개의 안테나 어레이 모두가 동일한 M개의 아날로그 그룹빔을 만들도록 함으로써, 각각의 아날로그 그룹빔은 K개의 아날로그 빔이 겹쳐진 상태가 되며, 이에 따라 K의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가질 수 있도록 한다.
안테나 어레이 구조를 통해 형성한 그룹빔(그룹셀)은 하나의 그룹빔에 몇 개의 아날로그 빔이 겹쳐있는지에 따라 DoF(Degree of Freedom)가 결정되며, 아날로그 그룹빔의 DoF에 따라 하나의 그룹빔내에서 형성할 수 있는 디지털 세밀빔(세밀셀)의 최대 개수가 결정된다. 그리고 디지털 세밀빔(세밀셀)의 최대 형성 개수, 즉 DoF 만큼의 액세스 포인트를 지원할 수 있게 된다. 물론, 이러한 세밀빔은 경우에 따라 아날로그 방식을 통해서도 형성 가능할 것이다.
이에 도7에서와 같이 단계 S2의 디지털 세밀 빔 형성 단계에서는, 그룹빔의 K 의 DoF를 활용하여, 디지털 빔 포밍 방식으로 아날로그 그룹빔내에서 액세스 포인트 간의 간섭을 최소화시키는 K 개 이하의 디지털 세밀빔(세밀셀)을 형성하도록 한다. 즉, 본 발명에서는 빔간 간섭(사이드로브)이 제어된 그룹빔내에서 또 다른 디지털 세밀빔을 형성할 수 있도록 함으로써, 디지털 세밀빔 형성시의 복잡도가 획기적으로 낮아 질 수 있도록 한다.
그리고 나서 도8에서와 같이 단계 S3의 멀티 스트림 형성 단계에서는, K 개 안테나 어레이 세트와 동일한 성능과 구조를 가진 K 개 안테나 어레이 세트를 2개 이상 구비함으로써, 디지털 세밀빔내 DoF가 2 이상이 되도록 하고, 각 세밀빔에 있어서 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 모뎀을 활용하여 2 개 이상의 다수 스트림을 액세스 포인트에 지원할 수 있도록 한다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 시스템을 도시한 도면이다.
도9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다단 빔 포밍 시스템은 K개의 안테나 어레이 셋트(110~1I0)를 I개 이상 구비하는 안테나 장치(100), J(J은 자연수)개의 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 모뎀(201~20J), 및 빔 포밍 수행부(300) 등을 포함하도록 한다.
본 발명에서는 K개의 안테나 어레이 셋트(110~1I0)를 2개 이상 구비하며, 안테나 어레이 셋트 각각(예를 들어, 110)은 다시 N개의 안테나 소자(Ant1~AntN)를 구비하는 안테나 어레이(111) 이외에, 각 안테나 소자(Ant1~AntN)의 전단에 M개씩 할당되며, 위상 천이기(phase shifter), 파워 어테뉴에이터(power attenuator), 및 프론트엔드 모듈(Front end module) 등으로 이루어진 N×M개의 안테나 특성 조정부(T11~TNM), 상기 안테나 특성 조정부의 전단에 안테나 그룹 각각에 대응되도록 위치되며, DAC(Digital Analog Converter), 믹서, 오실레이터 등으로 이루어진 M개의 RF 체인(Chain)(F11~F1M) 등을 더 포함할 수 있다.
그리고 본 발명의 빔 포밍 수행부(300)는 빔간 간섭이 제어된 그룹빔(그룹셀)을 형성하여 초광역의 영역을 분할하고, 복잡도를 낮추는 역할을 하는 그룹빔 형성부(310), 유효 채널의 통계적인 값을 바탕으로 그룹 내 액세스 포인트간 간섭을 제어한 디지털 세밀빔(세밀셀)을 형성하고, 액세스 포인트에 유동적인 무선 백홀 용량을 지원하는 역할을 하는 세밀빔 형성부(320) 및 그룹빔 형성부(310) 및 세밀빔 형성부(320)의 빔 포밍 동작을 통해 MIMO 신호처리가 용이해진 이득을 활용하여 MIMO 프리 코딩을 수행하는 역할을 하는 멀티 스트림 형성부(330) 등을 포함하여, 3단계에 걸친 빔 포밍 동작을 수행하도록 한다.
즉, 그룹빔 형성부(310)는 아날로그 빔 포밍 기술을 통해 K개의 안테나 어레이(111~11K)를 활용해 K개의 자유도를 갖는 그룹빔을 K×M개 형성한다. 그리고 최대 K×M의 랭크(rank)를 갖는 정보를 세밀빔 형성부(320)로 전달한다.
그러면 세밀빔 형성부(320)는 최대 K×M의 랭크(rank)를 갖는 정보, 즉 RF 정보가 수신되면, 이를 J개의 액세스 포인트로 정보를 분배하도록 한다. 즉, M번째 그룹빔에 있어서 K의 DoF를 활용하여 그룹빔내 액세스 포인트간 간섭을 제어하고, K×M의 랭크(rank)를 갖는 정보를 디지털 처리를 통해 액세스 포인트 개수의 랭크(rank)로 낮추어 각 액세스 포인트(AP1~APJ)에 해당하는 모뎀(201~20J)으로 전달하도록 한다.
예를 들어, 본 발명의 시스템이 400개의 안테나 소자로 구현되는 안테나 어레이를 100개 구비하며, 안테나 어레이 각각에 구비되는 RF 체인이 40개이라고 가정하면, 그룹빔 형성부(310)는 40개의 그룹빔을, 세밀빔 형성부(320)는 그룹빔당 25개의 세밀빔을 형성하여, 총 1,000개의 세밀빔을 형성할 수 있게 된다.
마지막으로 멀티 스트림 형성부(330)는 동일한 구조 및 성능을 가지는 K개의 안테나 어레이 셋트(110~1I0)를 I개 구비하고 있음을 고려하여, 세밀빔 내 DoF를 I개로 설정하고, 각 세밀빔에 있어서 MIMO 모뎀(201~20J)을 활용하여 I개 이상의 다수 스트림을 액세스 포인트에 지원하도록 한다.
즉, J 번째 AP(J 번째 모뎀)에 있어서 I 의 자유도를 활용하여 I x I MIMO 전송하도록 한다. 예를 들어, K 개 안테나 어레이 세트가 4 세트 있는 구조라면, 한 AP에 최대 4 x 4 MIMO 멀티 스트림 전송 가능해질 것이다. 이때의 MIMO 모뎀(201~20J)은 공지된 기술에 따른 상용 모뎀을 활용을 통해 구현 가능하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 구조를 가지는 시스템을 통해 신호를 송수신하는 이동 액세스 포인트는 다음의 수학식으로 표현되는 수신 신호를 수신할 수 있게 된다.
Figure pat00001
이때, s는 송신신호, n은 잡음(Noise), y는 수신 신호, B는 그룹빔의 매트릭스, HB는 유효 채널 매트릭스, V는 채널 통계값 공분산(covariance) 매트릭스 기반 디지털 세밀빔포머, W는 HBV 매트릭스를 기반으로 디자인된 멀티 스트림을 지원하기 위한 MIMO 프리코딩(precoding)이다.
예를 들어, 무선 백홀 스위치의 송신 안테나가 10개, 가용 스트림 수가 4개, 그룹빔이 2개인 경우, 수신 신호는 다음과 같이 정리될 수 있다.
H는 4 x 10 매트리스, B는 10 x 4 매트리스, 그리고 HB는 4 x 4 유효 채널 매트리스이고, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00002
그룹빔 당 DoF가 2이므로, 블록 대각선화(block diagonalized)된 유효 채널로부터 effective channel 로부터 V를 구할 수 있다. 그리고 V는 채널 통계값 공분산(covariance) 매트릭스 기반 디지털 세밀빔포머, W는 HBV 매트릭스를 기반으로 디자인된 멀티 스트림을 지원하기 위한 MIMO 프리코딩(precoding)일 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법 및 시스템은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치, 하드 디스크, 플래시 드라이브 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

Claims (13)

  1. K(K는 자연수)개 안테나 어레이를 I(I는 2 이상의 자연수)개 세트 구비하는 안테나 장치에 기반한 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법에 있어서,
    K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계;
    상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계; 및
    상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계를 포함하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 M개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 단계는
    상기 K개의 안테나 어레이 각각을 통해 동일한 M개의 아날로그 그룹빔을 K개 만듦으로써, 상기 M개의 아날로그 그룹빔 각각은 동일한 아날로그 그룹 빔이 K개 겹쳐진 상태가 되며, 이에 따라 상기 아날로그 그룹빔 각각의 DoF가 K가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 M개의 아날로그 그룹빔은
    안테나 전체 방사 영역을 커버하며, 빔간 간섭이 제거된 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔은
    액세스 포인트간 간섭이 제거된 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 단계는
    상기 아날로그 그룹빔 내에서의 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔을 활용하여 최대 K 개의 액세스 포인트를 지원할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 단계는
    동일한 성능과 구조를 가진 K 개 안테나 어레이 세트를 I개 활용하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원할 수 있는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 방법.
  7. K(K는 자연수)개의 안테나 어레이를 2개 셋트 이상 구비하는 안테나 장치;
    상기 K개의 안테나 어레이를 기반으로 K 의 DoF(Degree of Freedom; 자유도)를 가지는 M(M은 자연수)개의 아날로그 그룹빔을 형성하는 그룹빔 형성부;
    상기 아날로그 그룹빔 각각의 K 의 DoF를 활용하여 상기 아날로그 그룹빔내에서 K개 이하의 디지털 세밀빔을 형성하는 세밀빔 형성부; 및
    상기 디지털 세밀빔 각각을 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 처리하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I(I는 2 이상의 자연수)개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원하는 멀티 스트림 형성부를 포함하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 안테나 어레이 각각은
    N(N은 자연수)개의 안테나 소자, 상기 안테나 소자 각각의 전단에 M개씩 할당되는 N×M개의 안테나 특성 조정부, 상기 안테나 특성 조정부의 전단에 안테나 그룹 각각에 대응되도록 위치되는 M개의 RF 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 그룹빔 형성부는
    상기 K개의 안테나 어레이 각각을 통해 동일한 M개의 아날로그 그룹빔을 K개 만듦으로써, 상기 M개의 아날로그 그룹빔 각각은 동일한 아날로그 그룹 빔이 K개 겹쳐진 상태가 되며, 이에 따라 상기 아날로그 그룹빔 각각의 DoF가 K가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 M개의 아날로그 그룹빔은
    안테나 전체 방사 영역을 커버하며, 빔간 간섭이 제거된 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔은
    액세스 포인트간 간섭이 제거된 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 세밀빔 형성부는
    상기 아날로그 그룹빔 내에서의 상기 K개 이하의 디지털 세밀빔을 활용하여 최대 K 개의 액세스 포인트를 지원할 수 있는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 멀티 스트림 형성부는
    동일한 성능과 구조를 가진 K 개 안테나 어레이 세트를 I개 활용하여 상기 디지털 세밀빔내에서 I개의 스트림을 생성하여 액세스 포인트에 지원할 수 있는 것을 특징으로 하는 5세대 이동통신용 빔 포밍 장치.
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