KR20170129377A - 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법 - Google Patents

이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색하는 빔 탐색부를 포함한다.

Description

이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법{Apparatus and method for beam-forming communication in mobile wireless backhaul network}
본 발명은 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법에 관한 것이다.
KTX 고속철, 기차, 지하철 등과 같은 고속 이동체 내에는 기지국과 탐승객의 단말 사이에서 이동무선백홀 역할을 하는 이동 단말이 배치되며, 해당 이동 단말은 이동무선백홀 네트워크를 통해 기지국의 데이터를 수신하여 고속 이동체 내부의 탑승객 단말들에게 Wi-Fi나 펨토 셀(femto cell) 등의 기술로 인터넷 서비스를 제공한다.
현재 셀룰러 이동통신을 포함한 대부분의 무선통신시스템이 성능향상을 위해 빔포밍(beamforming) 기술을 도입하고 있다. 하지만 고속 이동체를 위한 이동무선백홀 시스템의 경우 이동 단말이 고속으로 이동하기 때문에 빔포밍이 이동 단말의 이동속도를 따라가지 못할 경우 수신 신호의 크기가 크게 감쇄되기 때문에, 고속 이동체 내의 이동 단말과 기지국이 빔포밍 기술을 이용하여 통신하기 위해서는 기지국과 이동 단말에서의 빔포밍 수행속도가 극도로 빨라져야 한다.
특히, 넓은 주파수 대역의 활용이 가능한 SHF/EHF 등의 높은 주파수 대역은 전파경로 손실과 대기 감쇄 등으로 일반 셀룰러 주파수 대역보다 샤프(sharp)한 빔포밍이 필요하며, 이런 빔이 고속의 이동체를 속도를 따라가지 못할 경우 성능 감쇄는 크게 증대될 수 있다.
국내 공개특허공보 제2009-0116079호
본 발명의 목적은, 고속이동체를 위한 이동무선백홀 네트워크의 특징을 적절히 활용하여 고속의 이동속도에 적응할 수 있는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 기지국에 구비된 장치로서, 미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색하는 빔 탐색부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 안테나부는, 제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하고, 각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 넓게 설정하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 좁게 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 안테나부는, 제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 설정부는, 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지를 설정하고, 빔 탐색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 설정부는, 빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기 위치 탐색부는, TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하는 것을 특징으로 한다.
상기 위치 탐색부는, 기지국과 이동 단말 간 하향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리에 대한 2bit 거리 인덱스를 상기 이동 단말로 송신하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는, 고속으로 이동하는 고속 이동체 내의 이동 단말에 구비된 장치로서, 미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 수신하는 안테나부, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부, 및 상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 기지국의 빔을 탐색하는 빔 탐색부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔 설정부는, 빔 탐색 그룹 중 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기 위치 탐색부는, TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하며, 상향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향에 대한 정보를 상향링크 제어 채널을 통해 상기 기지국으로 송신하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 단계, 상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 안테나의 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 상기 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 단계, 및 상기 설정된 빔 설정값에 기초하여 빔 탐색을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고속 이동체 내의 이동 단말을 위한 이동무선백홀 네트워크에서 네트워크의 특징을 적절히 이용하여 기지국과 고속 이동체 내의 이동 단말이 효율적이고 신속하게 빔포밍을 수행하도록 함으로써 고속으로 이동하는 고속 이동체 내의 이동 단말에 고성능의 빔포밍 기술 기반 이동무선백홀 서비스를 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치가 적용된 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 적용되는 안테나 타입을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나의 빔 설정 동작을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 적용되는 안테나 타입을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나의 빔 설정 동작을 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치의 거리에 따른 빔 특성 변화를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치의 속도에 따른 빔 특성 변화를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치가 적용된 시스템의 동작을 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치가 적용된 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 통신 시스템은 이동 단말(20) 및 기지국(30)을 포함할 수 있다.
이동 단말(20)은 고속으로 이동하는 무선 중계 장치로서, 고속철, 기차 및 지하철과 같은 고속 이동체(10)에 설치되어 기지국(30)과 통신하며 기지국(30)으로부터의 이동무선백홀 데이터를 고속 이동체(10) 내부의 사용자 단말들에 서비스하는 역할을 한다.
기지국(30)은 이동 단말(20)과 이동무선백홀 네트워크를 통해 신호를 송수신하며, 이동 단말(20)에 의해 요청된 데이터를 이동무선백홀 네트워크를 통해 이동 단말(20)로 제공할 수 있다.
기지국(30)은 복수 개 구비될 수 있으며, 고속 이동체(10)의 철로 주변에 복수 개의 기지국(30)이 각각 일정한 거리 단위로 배치될 수 있다. 이때, 고속 이동체(10)는 철로를 따라 정해진 일 방향으로만 이동한다. 따라서, 하나의 고속 이동체(10)에는 고속 이동체(10)의 이동방향과 반대 방향에 위치한 제1 기지국(D-RU#m)과 신호를 송수신하는 제1 이동 단말(T-RU#1)이 고속 이동체(10)의 후방에 설치될 수 있으며, 고속 이동체(10)의 이동방향에 위치한 제2 기지국(D-RU#m+1)과 신호를 송수신하는 제2 이동 단말(T-RU#2)이 고속 이동체(10)의 전방에 설치될 수 있다.
따라서, 고속 이동체(10)가 제1 기지국 및 제2 기지국 사이의 구간을 통과하는 경우, 제1 이동 단말은 제1 기지국과 신호를 송수신할 수 있으며, 제2 이동 단말은 제2 기지국과 신호를 송수신할 수 있다.
도 1에서, 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말 사이의 거리는 dTRU, 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말의 높이는 hTRU, 이동 단말과 기지국 간 수평 거리는 dDRU_track, 각 기지국 사이의 거리는 dDRU이고, 이동 단말의 진행 방향은 x축으로 정의할 수 있다.
물론, 실시 형태에 따라 고속 이동체(10)의 중간 위치에도 하나 이상의 이동 단말(20)이 설치될 수 있음은 당연한 것이다. 다만, 본 발명의 실시예에서는 고속 이동체(10)의 전방 및 후방에 각각 제1 이동 단말 및 제2 이동 단말이 설치된 구조를 기준으로 설명하고자 한다.
여기서, 고속 이동체(10)는 고속으로 이동함에 따라 고속 이동체(10)에 설치된 이동 단말(20) 또한 고속으로 이동한다. 따라서, 이동 단말(20)과 기지국(30)은 이동무선백홀 링크의 성능을 높이기 위해 빔 포밍 기술을 이용하여 통신을 수행한다.
본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치는 기지국(30) 및/또는 이동 단말(20) 내에 구비되어 고속 이동체(10)의 거리, 속도 및 이동방향 등에 따라 빔 포밍 특성을 제어하여 빔의 커버리지를 조절하도록 한다. 이로써, 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치는 고속 이동체(10)의 속도에 대응하여 기지국(30)과 이동 단말(20) 간의 신호 송수신 특성을 향상시키도록 한다.
이에, 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치에 대한 세부 구성은 도 2의 실시예를 참조하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치(100)는 이동 단말 및/또는 기지국 각각의 내부 제어 유닛들과 일체로 형성될 수 있으며, 별도의 장치로 구현되어 별도의 연결 수단에 의해 이동 단말 및/또는 기지국 각각에 연결될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치(100)는 제어부(110), 안테나부(120), 통신부(130), 저장부(140), 위치 탐색부(150), 빔 설정부(160) 및 빔 탐색부(170)를 포함할 수 있다. 여기서, 제어부(110)는 본 발명에 따른 빔 포밍 통신 장치(100)의 각 부간에 전달되는 신호를 처리할 수 있다.
안테나부(120)는 미리 정해진 특성에 따라 빔을 방사하여 신호를 송신 및/또는 수신하는 역할을 한다. 이때, 안테나부(120)의 빔 방사 구조는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다. 통신부(130)는 이동 단말 또는 기지국과의 통신 인터페이스를 지원하며, 안테나부(120)를 통해 신호를 송수신하는 역할을 한다.
여기서, 안테나부(120)는 두 가지 타입으로 구현 가능하다. 일 예로서, 안테나부(120)는 도 3과 같이 제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현될 수 있다. 이때, 안테나부(120)의 빔 폭 및 빔의 커버리지는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다.
빔 설정부(160)는 위상 배열 안테나의 안테나 엘리먼트들을 그룹핑 한다. 이때, 빔 설정부(160)는 거리에 따라 그룹에 속하는 안테나 엘리먼트들의 개수를 다르게 구성하여 해당 그룹에 속한 안테나 엘리먼트들을 통해 빔폭 및 빔의 커버리지를 조절할 수 있다. 여기서, 안테나 엘리먼트를 그룹핑 시에 선택되는 안테나 엘리먼트들의 개수는 이동 단말과 기지국 간 거리에 따라 달라질 수 있다.
제1 타입의 위성 배열 안테나는 송신에 사용되는 안테나 엘리먼트의 수가 많을수록 빔 폭을 좁게 형성할 수 있다. 따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국간 거리가 먼 경우, 많은 수의 안테나 엘리먼트들을 포함하도록 그룹핑하여 해당 그룹의 안테나 엘리먼트들에 의해 좁고 긴 형태의 빔이 형성되도록 할 수 있다.
한편, 제1 타입의 위성 배열 안테나는 송신에 사용되는 안테나 엘리먼트의 수가 적을수록 빔 폭을 넓게 형성할 수 있다. 따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국간 거리가 가까운 경우, 적은 수의 안테나 엘리먼트들을 포함하도록 그룹핑하여 해당 그룹의 안테나 엘리먼트들에 의해 넓고 짧은 형태의 빔이 형성되도록 할 수 있다.
제1 타입의 위성 배열 안테나 구조에서 거리(d)에 따라 안테나 엘리먼트들을 그룹핑하는 동작에 대한 실시예는 도 4를 참조하도록 한다.
도 4를 참조하면, 거리(d)가 'd > a2 > a1' 인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 1)의 빔 개수가 'a2 > d > a1'인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 2)의 빔 개수 보다 많은 것을 확인할 수 있으며, 거리(d)가 'a2 > d > a1' 인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 2)의 빔 개수가 'a2 > a1 > d'인 경우에 그룹핑 된 그룹(Group 3)의 빔 개수 보다 많은 것을 확인할 수 있다.
이때, 빔 설정부(160)는 그룹에 속한 안테나 엘리먼트들의 위상(phase)을 조절하는 것으로써 빔의 방향을 제어하여 이동 단말 또는 기지국과 통신을 수행하는 것이 가능하게 된다.
다른 예로서, 안테나부(120)는 도 5와 같이 제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현될 수도 있다. 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조는 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 혼 안테나로 구성될 수 있다.
마찬가지로, 안테나부(120)의 빔 폭 및 빔의 커버리지는 빔 설정부(160)에 의해 조절될 수 있다.
이때, 빔 설정부(160)는 혼 안테나 구조에서 하나 또는 복수 개의 혼 안테나를 조합하여 빔의 커버리지를 조절할 수 있다. 다시 말해, 빔 설정부(160)는 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조에서 복수 개의 혼 안테나를 그룹핑한다. 이때, 빔 설정부(160)는 그룹에 속한 혼 안테나의 개수에 따라 빔의 커버리지를 조절할 수 있다.
또한, 빔 설정부(160)는 제2 타입의 복수 혼 안테나 구조에서 그룹에 속한 혼 안테나의 위치를 조절함으로써 빔의 방향을 제어할 수 있다.
제2 타입의 복수 혼 안테나 구조의 혼 안테나들을 그룹핑하는 동작에 대한 구체적인 실시예는 도 6을 참조하도록 한다.
도 6을 참조하면, 빔의 커버리지에 따라 그룹1, 그룹2, 그룹 3와 같이 서로 다른 개수의 혼 안테나를 선택하여 그룹핑을 수행하고, 이때 선택된 혼 안테나의 위치를 조절하는 것으로써 빔 방향을 제어하는 것이 가능하게 된다.
위치 탐색부(150)는 이동 단말 또는 기지국의 위치를 탐색하여 이동 단말과 기지국 간 거리를 확인하도록 한다. 이때, 고속 이동체에 의해 이동 단말이 고속으로 이동하기 때문에, 위치 탐색부(150)는 Time delay of arrival(TDoA) 신호를 이용하여 위치를 탐색한다.
일 예로, 기지국의 경우, 위치 탐색부(150)는 이동 단말이 주기적으로 송신하는 TDoA 신호를 이용하여 이동 단말과 기지국 간 거리를 파악할 수 있다. 이때, 위치 탐색부(150)는 파악된 이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱스를 하향링크 제어 채널을 이용해 이동 단말로 송신하여 하향링크 제어 채널의 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱스는 아래 [표 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
다시 말해, 이동 단말과 기지국 간 거리가 0m 이상이고 80m 미만인 경우 2bit 거리 인덱스는 0 에 해당하는 '00'이 될 수 있다. 또한, 이동 단말과 기지국 간 거리가 80m 이상이고 200m 미만인 경우 2bit 거리 인덱스는 1 에 해당하는 '01'이 될 수 있다. 또한, 이동 단말과 기지국 간 거리가 200m 이상이고 400m 미만인 경우 2bit 거리 인덱스는 2에 해당하는 '10'이 될 수 있으며, 400m 이상에서 셀의 최대 커버리지 사이인 경우 2bit 거리 인덱스는 3에 해당하는 '11'이 될 수 있다.
따라서, 위치 탐색부(150)는 이동 단말과 기지국 간 거리에 해당하는 2bit 거리 인덱스를 [표 1]로부터 추출하여 하항링크 제어 채널을 통해 이동 단말로 송신할 수 있다.
또한, 기지국의 위치 탐색부(150)는 이동 단말과 기지국 간 거리 정보를 이용하여 이동 단말의 속도 및 이동방향을 예측할 수 있다.
한편, 기지국의 위치 탐색부(150)는 TDoA 신호로부터 이동 단말의 위치 파악이 용이하지 않은 경우, 상향링크 제어 채널을 통해 이동 단말로부터 이동 단말과 기지국 간 거리 정보, 이동 단말의 속도 및 이동방향에 대한 정보를 수신할 수도 있다.
다른 예로, 이동 단말의 경우, 위치 탐색부(150)는 기지국이 주기적으로 송신하는 TDoA 신호를 이용하여 이동 단말과 기지국 간 거리를 파악할 수 있다. 이때, 위치 탐색부(150)는 파악된 이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 거리 정보를 상향링크 제어 채널을 이용해 기지국으로 송신할 수 있다.
물론, 위치 탐색부(150)는 하향링크 제어 채널을 통해 이동 단말과 기지국 간 거리 정보에 대한 2bit 거리 인덱스를 수신한 경우에는 파악된 거리 정보를 별도로 송신하지 않도록 한다.
이동 단말의 경우, 위치 탐색부(150)는 이동 단말의 속도 및 이동방향에 대한 정보를 알 수 있기 때문에 속도 및 이동방향을 예측하기 위한 별도의 계산 과정은 생략하도록 한다.
이동 단말과 기지국 간 상대속도가 변화함에 따라 채널 코히런스 시간(coherence time)이 변화하고, 이동 단말과 기지국 간 거리가 변화함에 따라 기지국의 송신 빔에 대한 AoD(Angle of Departure)와 이동 단말의 수신 빔에 대한 AoA(Angle of Arrival)의 변화속도가 달라진다. 거리 및 속도에 따른 AoD와 AoA의 변화속도는 도 7 내지 도 10의 그래프를 통해 확인할 수 있다.
따라서, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 거리, 상대 속도 및 이동 방향 등에 기초하여 빔 특성을 설정하도록 한다.
먼저, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 거리에 따라 앞서 설명한 바와 같이 안테나부(120)의 빔 폭을 설정할 수 있다. 또한, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대 속도 및 이동 방향에 기초하여 빔 탐색 범위를 결정하도록 한다.
빔 설정부(160)는 빔 탐색 시에 Ntotal,i 개의 빔 탐색 그룹 중 Nsub,i 개의 빔 탐색 그룹을 선택하도록 한다. 이때, 빔 설정부(160)는 이동 단말 또는 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹 위주로 선택할 수 있다.
여기서, Nsub,i는 아래 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
[수학식 1]에서, i는 0 이상의 정수, N(+) sub,i는 이동 단말 혹은 기지국이 송신 또는 수신 빔 포밍을 수행하고자 하는 경우 상대적인 이동방향과 동일 방향의 빔 탐색 그룹의 개수를 의미하며, N(-) sub,i는 이동 단말 혹은 기지국이 송신 또는 수신 빔 포밍을 수행하고자 하는 경우 상대적인 이동방향과 반대 방향의 빔 탐색 그룹의 개수를 의미한다. 이때, N(+) sub,i는 N(-) sub,i는 보다 큰 것으로 한다.
이와 같이, 빔 설정부(160)는 탐색 빔을 선택함에 있어서, 이동 단말 또는 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔을 더 많이 선택함으로써 빔 탐색 시의 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 빔 설정부(160)는 이동 단말과 기지국 간 거리 및 상대속도에 따라 빔 탐색 주기를 설정할 수 있다. 이때, 빔 설정부(160)는 이동 단말 및 기지국 간 상대속도가 빨라질 수록 빔 탐색 주기를 짧게 설정할 수 있다. 이동 단말과 기지국 간 거리 및 상대속도에 따른 빔 설정 값은 아래 [표 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
[표 2]에서, 제1 타입의 위상 조절 안테나의 경우, 빔 폭은 Wbeam,1 > Wbeam,0
Figure pat00005
Wbeam,2 > Wbeam,3 이고, 빔 탐색 그룹의 총 개수는 Ntotal,1 > Ntotal,0
Figure pat00006
Ntotal,2 > Ntotal,3 이 될 수 있다.
한편, 제2 타입의 복수 혼 안테나의 경우, 혼 안테나의 그룹 개수는 Wbeam,1 > Wbeam,0
Figure pat00007
Wbeam,2 > Wbeam,3 이고, 혼 안테나 그룹 세트의 총 개수는 Ntotal,1 > Ntotal,0
Figure pat00008
Ntotal,2 > Ntotal,3 이 될 수 있다.
또한, 빔 탐색 주기는 T1,M-1 < T0,M-1
Figure pat00009
T2,M-1 < T3,M-1 이 될 수 있다. 만일, 이동 단말의 속도(Vy)가 Vi,0 < Vi,1 < … < Vi,M-1 (여기서, i = 0, 1, 2, 3) 인 경우, 이동 단말의 속도(Vy)가 빨라질 수록 빔 탐색 주기도 Ti,0 < Ti,1 < … < Ti,M-1 와 같이 점점 빠르게 설정할 수 있다.
빔 탐색부(170)는 빔 설정부(160)에 의해 설정된 빔 폭, 빔 탐색 그룹 및 빔 탐색 주기게 근거하여 안테나부(120)를 통해 빔 탐색을 수행하도록 한다.
일 예로, 기지국의 빔 탐색 동작은 도 11의 실시예를 참조하여 설명하도록 한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 고속 이동체가 제1 위치(P1)를 통과하는 경우 기지국 D-RU #m(30)과 이동 단말 T-RU #1(20) 간 거리가 가까워 거리 인덱스 '01'에 해당하면, 기지국 D-RU #m(30)의 빔 포밍 통신 장치는 빔 폭을 Wbeam,1 로 설정하여 빔 폭이 넓고 짧게 형성되도록 하고, Ntotal,1 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_total,1} 중 이동 단말 T-RU #1(20) 방향으로 Nsub,1 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_sub,1}를 선택하여 이동 단말 T-RU #1(20)에 대한 빔 탐색을 수행하도록 한다.
한편, 고속 이동체가 제1 위치(P1)에서 전방으로 위치 이동하여 제2 위치(P2)를 통과하는 경우 기지국 D-RU #m(30)과 이동 단말 T-RU #1(20') 간 거리가 멀어져 거리 인덱스 '11'에 해당하면, 기지국 D-RU #m(30)의 빔 포밍 통신 장치는 빔 폭을 Wbeam,3 으로 설정하여 빔 폭이 좁고 길게 형성되도록 하고, Ntotal,3 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_total,3} 중 이동 단말 T-RU #1(20') 방향으로 Nsub,3 개의 빔 탐색 그룹 {B0, B2, … , BN_sub,3}를 선택하여 이동 단말 T-RU #1(20')에 대한 빔 탐색을 수행하도록 한다.
저장부(140)는 장치(100)가 동작하는데 필요한 데이터와 프로그램 등을 저장한다.
일 예로, 저장부(140)는 장치(100)의 동작을 위한 빔 설정값 및 그룹핑 된 빔 탐색 그룹 정보가 저장될 수 있으며, 이동 단말 및 기지국 간 상대 위치 정보가 저장될 수 있다.
또한, 저장부(140)는 안테나부(120)의 빔을 조절하는 알고리즘, 설정된 값에 따라 빔 탐색을 수행하는 알고리즘을 포함할 수도 있다.
여기서, 저장부(140)는 플래시 메모리 타입(Flash Memory Type), 하드 디스크 타입(Hard Disk Type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(Multimedia Card Micro Type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크, 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), PROM(Programmable Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 장치의 동작 흐름을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 12는 본 발명에 따른 이동무선백홀 빔 포밍 통신 방법에 대한 동작 흐름을 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 TDoA 신호를 이용하여 이동 단말 및 기지국 간 거리를 확인하고(S110), 'S110' 과정에서 확인된 이동 단말 및 기지국 간 거리 정보에 기초하여 이동 단말의 속도 및 이동방향을 예측하도록 한다(S120). 여기서, 기지국의 위치가 고정되어 기지국의 속도는 0 이므로, 이동 단말 및 기지국 간 상대속도는 이동 단말의 속도로 이해될 수 있다.
이후, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말 및 기지국 간 거리 및 이동 단말의 속도에 따라 빔 특성을 설정하도록 한다(S130, S140).
일 예로, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말 및 기지국 간 거리 및 이동 방향에 따라 빔 폭, 방향 및 빔 탐색 그룹을 설정할 수 있으며, 이동 단말의 거리 및 속도에 따라 빔 탐색 주기를 설정할 수 있다. 또한, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 이동 단말의 속도에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수를 설정할 수 있다.
이동 단말과 기지국 간 거리, 속도 및 이동방향 등에 따라 빔 특성의 설정이 완료되면, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 'S130' 및 'S140' 과정에서 설정된 값에 기초하여 빔 탐색을 수행하도록 한다(S150).
'S150' 과정에서 빔이 탐색되면, 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치는 탐색된 빔에 기초하여 통신 서비스를 제공하도록 한다(S160).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 고속 이동체 20: 이동 단말
30: 기지국 100: 이동무선백홀 빔 포밍 통신 장치
110: 제어부 120: 안테나부
130: 통신부 140: 저장부
150: 위치 탐색부 160: 빔 설정부
170: 빔 탐색부

Claims (19)

  1. 기지국에 구비된 장치로서,
    미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 고속 이동체 내의 이동 단말에 송신하는 안테나부;
    기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부;
    상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부; 및
    상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 이동 단말의 빔을 탐색하는 빔 탐색부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나부는,
    제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 빔 설정부는,
    기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하고, 각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 빔 설정부는,
    기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 넓게 설정하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 좁게 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나부는,
    제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 설정부는,
    기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지를 설정하고, 빔 탐색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔 설정부는,
    빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 탐색부는,
    TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 탐색부는,
    기지국과 이동 단말 간 하향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리에 대한 2bit 거리 인덱스를 상기 이동 단말로 송신하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  10. 고속으로 이동하는 고속 이동체 내의 이동 단말에 구비된 장치로서,
    미리 정해진 빔 특성에 따라 빔을 방사하여 기지국의 신호를 수신하는 안테나부;
    기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 위치 탐색부;
    상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 빔 설정부; 및
    상기 빔 설정부에 의해 설정된 빔 설정값에 기초하여 상기 기지국의 빔을 탐색하는 빔 탐색부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 빔 설정부는,
    빔 탐색 그룹 중 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 기지국의 상대적인 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 위치 탐색부는,
    TDoA(Time delay of arrival) 신호를 이용하여 기지국 및 이동 단말 간 거리를 탐색하며, 상향링크 제어 채널을 이용해 상기 기지국 및 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향에 대한 정보를 상향링크 제어 채널을 통해 상기 기지국으로 송신하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  13. 기지국과 이동 단말 간 거리, 속도 및 이동방향을 파악하는 단계;
    상기 파악된 기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 안테나의 하나 이상의 빔을 그룹핑하고, 상기 파악된 속도 및 이동방향에 따라 빔 탐색을 수행할 빔 탐색 그룹의 개수 및 빔 탐색 주기를 설정하는 단계; 및
    상기 설정된 빔 설정값에 기초하여 빔 탐색을 수행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 안테나는,
    제1 타입의 위상 배열 안테나(phased-array antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 설정하는 단계는,
    기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 위상 배열 안테나 구조의 안테나 엘리먼트의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 설정하는 단계; 및
    각 안테나 엘리먼트의 위상을 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 방향을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 설정하는 단계는,
    기지국과 이동 단말 간 거리가 가까울수록 안테나 엘리먼트를 많이 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 넓게 설정하고, 기지국과 이동 단말 간 거리가 멀수록 안테나 엘리먼트를 적게 선택하여 빔 탐색 그룹의 빔 폭을 좁게 설정하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 안테나는,
    제2 타입의 복수 혼 안테나(multiple horn antenna) 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 설정하는 단계는,
    기지국과 이동 단말 간 거리에 따라 혼 안테나의 수를 조절하여 빔 탐색 그룹의 빔 커버리지를 설정하는 단계; 및
    빔 탐색 그룹 내 혼 안테나의 위치를 조절하여 빔 방향을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 설정하는 단계는,
    빔 탐색 그룹 중 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향 및 반대 방향의 빔 탐색 그룹을 선택하되, 상기 이동 단말의 이동 방향과 동일한 방향의 빔 탐색 그룹을 더 선택하는 것을 특징으로 하는 이동무선백홀 네트워크의 빔 포밍 통신 방법.
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