KR20180065554A - 무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍(beamforming) 방식을 결정하는 방법은 통신 장치의 송수신기에서 무선 채널 환경을 분석하는 단계, RSSI 값 및 SNR 값을 획득하는 단계, 상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 RF 빔포밍 방식 또는 하이브리드 빔포밍 방식 중 한가지 방식을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 빔포밍을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치{METHOD OF PERFORMING A HYBRID BEAMFORMING IN A WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 무선 통신 시스템에서 서로 다른 빔포밍 기법들이 결합된 가변형 빔포밍(beamforming)을 수행하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 활용되는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)는 다중의 송신 안테나들 및/또는 다중의 수신안테나들을 사용하여 채널 용량을 증가시키고 송수신 효율을 향상시키는 기법이다. MIMO는 다중 안테나라 지칭될 수 있다.

MIMO 환경에서 데이터는 반드시 단일 안테나 경로로 전송되지 않을 수도 있다. 예컨대, MIMO 환경에서, 수신기는 다수의 수신 안테나들로부터 각각 수신된 데이터 조각(fragment)들을 병합하여 데이터를 재구성할 수 있다.

단일 안테나 환경과 MIMO 환경을 비교 할 때, MIMO 환경에서는 셀 영역 크기는 유지되면서 데이터 전송 속도가 향상되거나, 또는 데이터 전송 속도가 유지되면서 커버리지(coverage)가 증가될 수 있다.

MIMO 환경에서의 빔포밍 기법이 기지국, 단말 또는 중계기 등에 폭넓게 사용되고 있다. 빔 포밍 기법은 가중치벡터/행렬(또는 프리코딩 벡터/행렬)이 베이스 밴드에서 사용되는지 아니면 RF 밴드에서 사용되는지에 따라서 디지털 빔포밍 기법과 아날로그 빔포밍 기법으로 분류될 수 있으며, 그 중 디지털 빔포밍 기법이 3G, 4G 이동통신시스템의 프리코딩 절차에 적용되어 있다. 예컨대, 현재 이동통신시스템에서 단말은 폐루프 기반의 디지털 빔포밍을 위하여 기지국에 프리코딩 행렬 인덱스(PMI: precoding Matrix Index)를 피드백하고, 기지국은 PMI에 기반하여 빔포밍을 수행한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 무선 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 포함한 서로 다른 빔포밍 기법들을 가변형 스위치 등을 사용하여 상황에 따라 효율적으로 선택 적용하는 방법 및 이를 수행하는 장치 제공하는데 있다.

본 발명의 기술적 과제는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예들로부터 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법은, 통신 장치의 송수신기에서 무선 채널 환경을 분석하는 단계, RSSI 값 및 SNR 값을 획득하는 단계 및 상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 RF 빔포밍 방식 또는 하이브리드 빔포밍 방식 중 한가지 방식을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법은, 상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 RF 빔포밍 방식을 선택하는 경우, 1개의 RF 경로에 상기 통신 장치의 모든 안테나를 연결하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법은, 상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 하이브리드 빔포밍 방식을 선택하는 경우, 각각의 RF 경로에 상기 통신 장치의 안테나를 일정하게 분할하여 연결하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법에서 상기 스위칭 동작은 온 버퍼(ON buffer) 및 오프 버퍼(OFF buffer)를 통해 수행되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법에서 통신 장치는 RF 안테나 어레이, RF 빔포밍 송수신 회로, RF 수신 신호 결합기, RF 송신 신호 분배기, RF to BB(Baseband) 변환기, BB 디지털 빔포밍 송수신 회로 및 모뎀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔포밍 방식을 결정하는 방법에서 통신 장치는 복수 개의 RF 수신 신호 결합기 및 RF 송신 신호 분배기와 복수 개의 RF to BB 변환기를 빔포밍 방식에 따라 선택적으로 연결하는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 원하는 빔포밍 이득에 따라서 디지털 빔과 아날로그 빔이 최적화 될 수 있으며, 아날로그 빔과 디지털 빔이 결합된 하이브리드 빔포밍이 효율적으로 수행될 수 있다.

본 발명의 효과는 이에 한정되지 않으며, 다른 기술적 효과들이 본 발명의 실시예들로부터 유추될 수 있다.

도 1은 일반적인 MIMO 환경을 도시한다.
도 2는 매시브 MIMO 환경을 도시한다.
도 3은 아날로그 빔포밍 기법을 예시하는 도면이다.
도 4는 디지털 빔포밍 기법을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍을 수행하는 송신단의 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 4개 RF 체인으로 구성된 16 ULA 안테나 구조를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 바운드 벡터와 빔 스티어링 벡터의 빔 패턴을 도시한다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 빔 천이에 따른 최종 안테나 어레이 응답 벡터의 빔 패턴을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 아날로그 빔포밍의 유효 범위에 따른 디지털 빔의 동작 범위를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 유효 범위의 중첩에 의한 PMI의 중첩을 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 빔의 해상도 변경을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 방법을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국과 단말을 도시한 도면이다.
도 15 내지 도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 빔 포밍을 수행하는 통신부 구성을 설명하기 위한 도면들이다.

이하, 본 발명과 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 기지국의 명칭은 RRH(remote radio head), eNB, TP(transmission point), RP(reception point), 중계기(relay) 등을 포함하는 포괄적인 용어로 사용될 수 있다. 또한, 반송파 병합이 적용되는 경우에는, 본원 발명에서 설명하는 기지국의 동작은 콤포넌트 캐리어(CC) 또는 셀에 대해서 적용될 수도 있다. 빔포밍은 프리코딩 개념을 포괄 하고, 빔포밍을 위한 가중치 벡터/행렬은 프리코딩 벡터/행렬의 개념을 포괄한다.

도 1을 참조하여 일반적인 MIMO(multi-input-multi-ouput) 환경을 살펴본다.

송신단에는 송신 안테나가 N_T개 설치되어 있고, 수신단에서는 수신 안테나가 N_R개가 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 전송레이트를 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 N_T와 N_R 중 작은 값이다.

[수학식 1]

예를 들어, 4개의 송신 안테나와 4개의 수신 안테나를 이용하는 MIMO 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 통신용량 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 1에 도시된 바와 같이 N_T개의 송신 안테나와 N_R개의 수신 안테나가 존재하는 것을 가정한다. 먼저, 송신 신호에 대해 살펴보면, N_T개의 송신 안테나가 있는 경우 최대 전송 가능한 정보는 N_T개이므로, 전송 정보를 하기의 수학식 2와 같은 벡터로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

한편, 각각의 전송 정보

에 있어 전송 전력을 다르게 할 수 있으며, 이때 각각의 전송 전력을

라 하면, 전송 전력이 조정된 전송 정보를 벡터로 나타내면 하기의 수학식 3과 같다.

[수학식 3]

또한,

를 전송 전력의 대각행렬 P를 이용하여 나타내면 하기의 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

한편, 전송전력이 조정된 정보 벡터

에 가중치 행렬 W가 적용되어 실제 전송되는 N_T개의 송신신호(transmitted signal)

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

는 벡터 X 를 이용하여 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 여기서 W_ij는 i번째 송신 안테나와 j번째 정보 간의 가중치를 의미한다. W는 가중치 행렬(Weight Matrix) 또는 프리코딩 행렬(Precoding Matrix)이라고 불린다.

[수학식 5]

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 개수중에서 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.

[수학식 6]

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.

[수학식 7]

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(하이브리드)된 형태도 가능하다.

일반적인 MIMO 환경에 최대 송수신 안테나는 8개로 가정한다. 그러나, 매시브 MIMO로 진화하면서 안테나의 개수는 수십 또는 수백 개 이상으로 증가할 수 있다.

도 2는 대규모 MIMO 환경의 일 실시예를 도시한다. 특히, 도 2는 기지국 또는 단말이 능동 안테나 시스템 기반의 3D 빔 형성이 가능한 다수의 송/수신 안테나를 갖고 있는 시스템을 도식화한 것이다.

도 2를 참조하면, 송신 안테나 관점에서 3-차원 빔 패턴을 활용할 경우, 빔의 수평 방향뿐만 아니라 수직 방향으로의 준-정적 또는 동적인 빔 형성을 수행할 수 있으며, 수직 방향의 섹터 형성 등의 응용을 고려할 수 있다.

또한 수신 안테나 관점에서는, 대규모 수신 안테나를 활용하여 수신 빔을 형성할 때, 안테나 배열 이득(antenna array gain)에 따른 신호 전력 상승 효과를 기대할 수 있다. 따라서 상향링크의 경우, 기지국이 다수의 안테나를 통해 단말로부터 전송되는 신호를 수신할 수 있으며 이때 단말은 간섭 영향을 줄이기 위해 대규모 수신 안테나의 이득을 고려하여 자신의 송신 전력을 매우 낮게 설정할 수 있는 장점이 있다.

도 3은 아날로그 빔포밍 기법을 예시하는 도면이다. 아날로그 빔포밍 기법은 초기 다중 안테나 구조에 적용된 대표적인 빔포밍 기법이다. 디지털 신호 처리가 완료된 이후 아날로그 신호를 다수의 경로들로 분기하여 분기된 각 경로들 마다 위상 천이(phase-shift; PS)와 전력 증폭(Power amplifier; PA) 설정을 통해서 빔포밍을 수행한다.

도 3을 참조하면, 단일 디지털 신호로부터 출력된 아날로그 신호를 각 안테나에 연결된 전력 증폭기와 위상 천이기가 프로세싱함으로써 아날로그 빔포밍이 수행된다. 아날로그 단에서 위상 천이기와 전력 증폭기는 복소 가중치(complex weight)를 아날로그 신호에 적용한다. 도 1에서 RF(Radio Frequency) 체인(chain)은 단일 디지털 신호가 아날로그 신호로 변환되는 처리 블록을 의미한다.

그러나 아날로그 빔포밍 기법은 위상 천이기와 전력 증폭기의 소자의 특성에 따라 빔의 정확도가 결정되는데, 위상 천이기와 전력 증폭기 소자를 제어하는 측면에서는 협대역 전송에 적합하다. 아날로그 빔포밍 기법에서는 다중 스트림 전송을 구현하는 경우 하드웨어 구조의 복잡성이 크게 증가하기 때문에 다중화 이득을 통해서 전송률을 향상시키기 어렵고, 직교 자원할당 기반으로 사용자별로 빔포밍을 수행하기 어렵다.

도 4는 디지털 빔포밍 기법을 예시하는 도면이다. 디지털 빔포밍 기법에서는 베이스밴드(Baseband) 프로세스를이용하여 디지털 단에서 빔포밍이 수행된다. 따라서, 아날로그 빔포밍 기법과 달리 디지털 빔포밍 기법은 MIMO 환경에서 다이버시티와 다중화 이득을 최대화하는데 적합하다.

도 4를 참조하면, 가중치 행렬(또는 프리코딩 행렬)의 적용, 예컨대 프리코딩을 베이스밴드 프로세스에서 수행된다. 디지털 빔포밍의 경우, 도 1의 아날로그 빔포밍과 달리 RF 체인이 전력 증폭기를 포함한다. 이는 빔포밍을 위한 복소의 가중치가 송신 데이터에 직접 적용되기 때문이다.

또한, 디지털 빔포밍 기법에 따를 때 사용자별 상이한 빔이 형성 가능한데, 예컨대 다중 사용자에 대한 빔들이 동시에 형성될 수 있다. 직교 자원이 할당된 사용자별로 독립적인 디지털 빔포밍이 가능하므로 스케줄링이 상대적으로 자유롭고, 시스템 목적에 따른 전송단의 운용이 용이하다. 또한, 광대역 전송 환경에서 MIMOOFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing)과 기술이 적용되면, 부반송파(subcarrier) 별로 독립적인 빔이 형성될 수 있다. 이와 같이 디지털 빔포밍 기법에서는 시스템 용량과 빔 이득이 향상되기 때문에 각 사용자에 대한 전송률이 극대화 될 수 있다.

매시브 MIMO 환경에서 디지털 빔포밍 기술을 적용하기 위해서는, 베이스밴드 프로세서가 수백 개의 안테나에 대한 프리코딩 처리를 모두 수행해야 하므로 디지털 신호 처리 복잡도가 매우 커진다. 또한, 안테나 수만큼의 RF 체인이 필요하므로 하드웨어 구현 복잡도가 매우 커진다. 특히 FDD(Frequency Division Duplex) 시스템의 경우 전체의 안테나들에 대한 거대한 MIMO 채널에 대한 피드백 정보가 필요하므로, 레퍼런스 신호(또는 파일럿 신호) 전송 및 그에 대한 피드백 오버헤드가 매우 커지는 단점 있다.

매시브 MIMO 환경에서 아날로그 빔포밍 기술이 적용된다면, 송신단의 하드웨어 복잡도는 상대적으로 낮은 반면, 다수 안테나를 이용한 성능 증가 정도가 미미하고, 자원 할당의 유연성이 떨어진다. 특히, 광대역 전송 시에는 주파수 별로 빔을 제어하기가 매우 어렵다.

표 1은 아날로그 빔포밍 기법과 디지털 빔포밍 기법의 성능 이득과 복잡도 관계를 나타낸다.

[표 1]

본 발명의 일 실시예에 따른 매시브 MIMO 환경에서는, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍 기법 중 한 개만을 선택적으로 적용하는 대신, 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍 구조가 융합된 하이브리드 빔포밍이 적용될 수 있다. 송신단의 하드웨어 구현 복잡도를 낮추고, 매시브 MIMO를 이용한 빔포밍 이득을 최대로 얻을 수 있는 하이브리드 타입의 송신단 구조 설계가 필요하게 된다.

도 5는 하이브리드 빔포밍의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 하이브리드 빔포밍에 따르면 1차적으로 디지털 빔 포밍 기법이 적용된 기저대역의 디지털 신호가 RF 대역의 아날로그 신호로 변환되고, 아날로그 신호에 2차적으로 아날로그 빔포밍 기법이 적용된다. 따라서, 하이브리드 빔포밍 기법을 위해서는 송신단이 디지털 빔포밍 기법과 아날로그 기법을 모두 지원할 수 있어야 한다.

하이브리드 빔포밍을 위해서 고려되어야 할 사항들은 다음과 같다.

아날로그와 디지털 빔포밍이 동시에 최적화되는 어렵다. 기본적으로 디지털 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 사용자별 독립적인 빔포밍 기법 적용이 가능하다. 반면, 아날로그 빔포밍은 동일한 시간-주파수 자원을 가지고 사용자들에 공통적인 빔포밍 기법이 적용되야 하는 제약이 있다. 이러한 아날로그 빔포밍의 제약은 하이브리드 빔포밍에서 지원 가능한 랭크 수, 빔 제어 유연성, 빔포밍 분해능을 최적화하는데 어려움을 야기한다.

동일한 시간-주파수 자원에서 특정 방향으로만 빔을 형성하는 아날로그 빔포밍 기법은 동시에 모든 단말 방향으로의 다수 빔들의 형성이 어렵다. 따라서, 셀 내 모든 영역에 분포할 수 있는 모든 단말들에게 상/하향 제어 채널, 참조 신호, 동기 신호 등을 동시에 전송하지 못하는 문제점이 있다.

아날로그/디지털 빔에 대한 채널 추정을 수행할 경우, 디지털 빔 포밍 기법에서는 기존의 직교 파일럿 할당 방식이 그대로 이용될 수 있다. 하지만, 아날로그 빔 포밍 기법에서는 빔 후보(candidate) 수만큼의 소정의 시간 간격(time-duration)이 요구된다. 아날로그 빔의 채널 추정에 소요되는 시간 지연이 상대적으로 크다. 디지털 빔과 아날로그 빔을 동시에 추정할 경우 복잡도가 크게 증가한다.

디지털 빔포밍 기법이 다중 사용자/스트림을 위한 빔포밍이 자유로운 반면, 아날로그 빔포밍 기법은 전체 전송 대역에 대해 동일한 가중치 벡터/행렬에 의한 빔포밍이 수행되므로 사용자별 또는 스트림별 독립적인 빔포밍이 어렵다. 특히 직교 주파수 자원 할당을 통한 FDMA(예: 0FDMA) 지원이 어렵기 때문에, 주파수 자원의 최적화가 어렵다.

이하에서는 이상의 특성들을 고려하여 하이브리드 빔포밍을 위한 피드백 방법들을 살펴본다. 아날로그 또는 디지털 빔포밍 기법 중 어느 하나의 기법만을 사용하던 기존의 이동통신시스템에서는 폐루프 기반의 빔포밍(또는 프리코딩)이 수행되기 용이하였다. 예컨대, 단말은 기지국이 전송하는 참조 신호를 수신하여, PMI(precoding matrix index), RI(Rank Indicator), CQI(Channel Quality Indicator)를 결정한다. 단말은 PMI, CQI 및/또는 RI를 포함하는 CSI(Channel State Information)을 기지국에 피드백한다. 기지국은 단말이 전송한 PMI 사용하여 빔포밍을 수행하거나 또는, 단말이 전송한 PMI에 구속되지 않고 다른 PMI를 사용하여 빔포밍을 수행한다.

이와 같은 기존의 방식을 하이브리드 빔포밍에 그대로 적용할 경우, 단말은 아날로그 빔포밍을 위한 PMI와 디지털 빔포밍을 위한 PMI를 각각 측정 및 보고해야한다. 따라서, 측정 및 보고에 대한 오버헤드가 두 배로 증가한다. 뿐만 아니라, 아날로그 빔포밍을 위한 PMI와 디지털 빔포밍을 위한 PMI가 서로 다른 값을 나타내는 경우도 문제가 된다. 예컨대, 아날로그 빔포밍을 위한 최적의 PMI가 0도 방향을 나타내고, 디지털 빔포밍을 위한 최적의 PMI가 30도 방향을 나타낸다고 가정할 때, 아날로그 빔과 디지털 빔의 방향이 다르므로 하이브리드 빔포밍의 이득이 현저하게 낮게 나타날 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 아날로그 빔에 대한 측정에 기반하여 디지털 빔포밍을 위한 PMI가 결정될 수 있다. 예컨대, 단말은 아날로그 빔에 대한 측정 결과만을 기지국에 피드백하고 디지털 빔포밍을 위한 PMI를 피드백하지 않을 수도 있다. 다른 예시로, 단말은 아날로그 빔에 대한 측정 결과를 이용하여 디지털 빔포밍을 위한 PMI를 결정할 수 있다. 아날로그 빔의 측정 결과와 디지털 빔포밍을 위한 PMI가 기지국으로 피드백될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 송신단의 구조를 예시한다. 본 실시예에서는 RF 체인 별로

개의 독립적인 안테나를 구비하는 것으로 가정하나, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, RF 체인 마다 구비된 안테나의 개수가 서로 다르게 구성될 수도 있다.

본 실시예에서, 전체 안테나 수(N_t), RF 체인의 수(N_RF) 및 RF 체인별 안테나 수(

) 사이에는

의 관계가 있다. 각 RF 체인 별로 위상 천이기 및 전력 증폭기를 통과한 신호가 독립적으로 송신 안테나로 보내지므로, 시스템 모델은 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 8]

k 는 부반송파 인덱스이다. 부반송파 인덱스 k 는 0부터 N_FFT-1의 값을 갖는다. N_FFT 는 시스템이 지원하는 최대 FFT (Fast Fourier Transform) 사이즈로서, 전체 부반송파 개수는 FFT 사이즈내로 제한될 수 있다.

y_k는 부반송파 k 에서 크기가 N_r X 1인 수신 신호 벡터, H_k는 부반송파 k 에서 크기가 N_r X N_t인 채널 행렬을 의미한다. F^RF는 전체 부반송파에서 N_t X N_t 크기인 RF 프리코더(아날로그 빔포밍을 위한 가중치 행렬)를 의미하는데, RF 프리코더(아날로그 빔포밍)는 전체 부반송파에 대하여 동일하게 적용될 수 있다.

는 부반송파 k 에서 N_RF X N_S 크기의 베이스밴드 프리코더(디지털 빔포밍을 위한 가중치 행렬)을 의미하는데, 베이스밴드 프리코더(디지털 빔포밍)는 부반송파 별로 개별적으로 설정될 수 있다. S_k 는 부반송파 k 에서 크기가 N_S X 1 인 송신 신호 벡터를, Z_k는 부반송파 k 에서 크기가 N_r X 1인 잡음 신호 벡터를 나타낸다.

N_RF는 전체 RF 체인의 개수를 지시하고, N_t는 송신단 전체 안테나 수를,

는 RF 체인 별로 구비된 송신 안테나 수를 의미한다. N_r은 수신단 전체 안테나 수를 지시하고, N_s는 송신 데이터 스트림 수를 지시한다.

수학식 8의 각 텀(term)을 상세화하면 수학식 9와 같다.

[수학식9]

RF 체인 이후 위상 천이기와 전력 증폭기에 의해 수행되는 아날로그 빔포밍의 N_t X N_RF 크기 프리코딩 행렬 F^RF는 아래 수학식 10과 같다.

[수학식 10]

또한, 프리코딩 행렬 F^RF 내에서 RF 체인 i에 속하는 t개의 안테나들 각각에 대한 가중치를 나타내는 벡터는 수학식 11과 같이 정의된다.

[수학식 11]

본 발명의 하이브리드 빔 포밍 기법은 예컨대, 1차원 어레이, 2차원 어레이, 환형 어레이 등 다양한 형태의 안테나에 기초하여 수행될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여 ULA(Uniform linear array) 안테나에 기초하여 하이브리드 빔포밍의 빔 방사 패턴을 살펴본다. ULA 안테나가 예시되나, 본 발명의 권리범위는 ULA 안테나에 한정되지 않는다. ULA 안테나에는 다수의 안테나 소자들이 등 간격 d의 거리로 선형으로 배치되어 있다.

ULA 안테나의 어레이 응답 벡터(array response vector)는 아래 수학식 12와 같다.

[수학식 12]

수학식 12에서 λ는 파장(wave-length)을, d 는 안테나간 거리를 나타낸다. 하이브리드 빔포머의 안테나 방사 패턴을 나타내기 위해 편의 상 RF 체인의 수 N_RF는 4이고, 각 RF 체인별 아날로그 안테나 수

는 4로 가정한다.

도 7은 4개 RF 체인으로 구성된 16 ULA 안테나 구조를 도시한다. 특히, 도 7에서 총 송신 안테나 수 N_t는 16이고, d = λ/2 이 된다. 도 7의 실시예에서 아날로그 빔포밍을 위한 프리코딩 행렬은 수학식 13과 같이 정의된다.

[수학식 13]

보어사이트(Boresight), 즉 안테나로부터 방사되는 전파의 메인 로브(lobe) 중심 방향으로 빔을 형성하기 위하여 빔의 스티어링 각도는 0°로 설정한다. 따라서, 아날로그 프리코딩 행렬의 가중치 벡터들의 엘리먼트들의 값은 모두 1이 된다. 이때 디지털 빔포밍 단에서 적용할 임의의 랭크 1인 가중치 벡터를 아래 수학식 14와 같이 정의한다. 설명의 편의를 위하여 랭크 1을 가정하였고, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

[수학식 14]

보어사이트(θ = 0°)에서 수학식 14의 디지털 빔포밍이 적용된 전체 안테나 어레이 응답 벡터(antenna array response vector)는 수학식 15와 같이 표현할 수 있다. 이때 안테나 간 거리 d는 λ/2로 가정한다.

[수학식 15]

수학식 15는 수학식 16과 같이 정리된다.

[수학식 16]

수학식 16에서 s 는 수학식 17과 같이 표현되며, 빔 바운드 벡터(Beam bound vector) 라고 명칭하기로 한다. 또한, 수학식 16에서 t는 수학식 18과 같이 표현되고, 빔 이득 및 스티어링 벡터(Beam gain and steering vector) 또는 빔 스티어링 벡터(Beam gain and steering vector)라고 명칭하기로 한다.

[수학식 17]

[수학식 18]

빔 바운드 벡터 s 는, 하이브리드 빔포밍에서 아날로그 빔의 패턴을 나타낸다. 빔 스티어링 벡터 t는 하이브리드 빔포밍에서의 하이브리드 빔의 이득 값과 디지털 빔의 패턴을 나타낸다.

빔 바운드 벡터 s는 하이브리드 빔포밍 기법에 의해서 하이브리드 빔이 유효하게 형성될 수 있는 범위 및 경계를 결정한다. 따라서, 아날로그 빔 포밍의 범위뿐 아니라 디지털 빔 포밍의 범위도 빔 바운드 벡터 내로 제한된다. 예컨대, 빔 바운드 벡터의 범위를 넘어서는 아날로그 빔이 유효하게 형성될 수 없기 때문에, 빔 바운드 벡터의 범위를 넘어서는 하이브리드 빔포밍이 수행될 수 없다. 결국, 디지털 빔 포밍도 빔 바운드 벡터의 범위 내에서 수행되어야 하이브리드 빔 포밍이 수행될 수 있다.

도 8은 소정의 평면에서 빔 바운드 벡터와 빔 스티어링 벡터에 의한 아날로그 빔과 디지털 빔의 패턴을 2차원으로 도시한다. 아날로그 빔과 디지털 빔은 3차원 패턴으로 도시될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 수평 방향 단면으로 도시되었음을 당업자라면 이해할 수 있다. 도 8에서 N_t=16,N_t ^RF=4,N_RF=4 인 것으로 가정하며, 빔 바운드 벡터의 빔 패턴은 굵은 실선으로, 빔 스티어링 벡터의 빔 패턴은 가는 실선으로 표시하였다. 빔 바운드 벡터의 메인 로브의 보어 사이트가 0도(또는 180도)이다.

각 빔의 패턴은 빔 스티어링 각(메인 로브의 보어사이트)에서 최대 이득을 나타내고, 빔 스티어링 각을 이탈함에 따라서 빔 이득이 감소한다. 빔 이득은 도 8의 원 중심으로부터의 거리로 표현된다. 빔의 스티어링 각은 0도를 기준으로 반시계 방향으로 증가하는 것으로 표현된다.

빔 스티어링 벡터는 0, 30, 90, 150, 180, 210, 270 또는 330도에서 빔을 형성할 수 있다. 빔 바운드 벡터와 빔 스티어링 벡터의 빔 패턴이 교차하는 영역에서 하이브리드 빔 포밍이 수행될 수 있다. 예컨대, 스티어링 각이 0(또는 180)일 때, 빔 바운드 벡터에 의한 이득과 빔 스티어링 벡터에 의한 이득이 모두 최대로 나타나므로, 스티어링 각이 0(또는 180)인 지점에서 하이브리드 빔포밍이 수행되기 적절하다. 반면, 스티어링 각이 30도 일때 빔 바운드 벡터의 이득이 0이므로, 스티어링 각 30에 대해서는 하이브리드 빔포밍이 수행될 수 없다.

도 9는 아날로그 빔의 스티어링 각이 0, 30, 60도로 쉬프트할 때 안테나 어레이 응답을 도시한다. 도 8에서도 N_t=16,N_t ^RF=4,N_RF=4 라고 가정하였고, 디지털

을 적용한 결과가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9에서 설명된 바와 같이 유효 빔의 범위가 빔 바운드 벡터 s 에 제약된다.

전술한 바와 같이 아날로그 빔포밍에 의해서 형성되는 아날로그 빔의 범위는 빔 바운드 벡터 s에 제약된다. 수학식 17에서는 하나의 RF 체인에 4개의 아날로그 안테나들이 존재한다고 가정하였는데, 하나의 RF 체인에 N_t ^RF개의 안테나가 연결되는 경우 빔 바운드 벡터 수학식는 19와 같이 표현된다.

[수학식 19]

수학식 19를 참조하면, 빔 바운드 벡터는 하나의 RF 체인에 연결된 안테나 수에 따라서 결정된다. 예컨대, RF 체인이 4개이고 각 RF 체인 별로 4개의 아날로그 안테나들이 연결되어 있다면, 전체 안테나는 도 7과 같은 ULA 구조를 갖는다.

빔 바운드 벡터를 분석함으로써, 고정된 아날로그 빔의 보어 사이트(bore-sight)를 중심으로 형성된 전체 하이브리드 빔의 경계가 대략적으로 판단될 수 있다. 예컨대, 전체의 안테나들을 사용하면 도 9와 같은 최종적인 빔 바운드 벡터의 형태가 파악될 수 있다. 아날로그 빔의 보어 사이트(또는 방향)를 결정하는 아날로그 빔포밍의 가중치(F^RF)가 주어지면, 아날로그 빔 포밍이 유효하게 수행될 수 있는 유효 범위가 예측될 수 있다. 유효 범위란 아날로그 빔포밍을 통해서 얻고자 하는 이득이 획득될 수 있는 범위이다. 예컨대, 잘못된 방향으로 아날로그 빔포밍이 수행되면 아날로그 빔포밍의 이득이 매우 낮게 나타날 것이고, 이 경우 아날로그 빔포밍을 수행하는 것이 무의미할 수 있다. 아날로그 빔포밍을 통해서 얻고자 하는 최소 이득은 시스템 설계에 따라서 변경될 수 있는데, 이를 파라미터 α로 표현된다. 유효 범위와 파라미터 α의 관계는 수학식 20과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 20]

수학식 20에서, 안테나 파장 길이(λ)와 안테나간 거리(d), RF chain 별 안테나 수

를 알고 있기 때문에 설계 파라미터 α를 조정하여 유효 범위를 파악할 수 있다.

한편, 최종적으로 형성되는 하이브리드 빔은 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍이 결합된 결과이므로, 디지털 빔포밍 역시 아날로그 빔포밍의 유효 범위 내에서 수행되어야 한다. 아날로그 빔포밍의 유효 범위를 기초로 디지털 빔포밍의 동작 범위와 PMI가 결정될 수 있다.

보다 구체적으로, 하이브리드 빔포밍에서 아날로그 빔포밍으로부터 3dB beamwidth 이상의 이득(예컨대, 보어사이트에서 이득의 1/2)을 얻고자 하는 경우, 파라미터 α=0.886 로 설정된다. 유효 범위는 수학식 21과 같다.

[수학식 21]

이고,

, RF chain별 안테나 수를 4라고 가정하면 3dB beamwidth

는 0.866 x (2/3) x (180/π) ≒ 33.8 °로 계산된다.

이에 기초한 디지털 빔포밍의 동작 범위는 수학식 22과 같이 표현된다.

[수학식 22]

PMI는 수학식 22에서의 Φ를 고려하여 결정된다. 상술된 바와 같이 Φ는 디지털 빔포밍의 스티어링 각을 의미한다. 이를 통해서 빔 스티어링 벡터 t의 PMI v가 결정될 수 있다. 즉, 수학식 23의 구성이 결정된다.

[수학식 23]

도 10은 아날로그 빔포밍이 0°, ±60°에 수행되는 경우, 3dB beamwidth를 고려한 디지털 빔의 동작 범위를 도시한다. 표 2는 파라미터 α와 빔 바운드 벡터의 유효 범위의 상관 관계를 나타낸다.

[표 2]

기지국은 통신 환경에 맞추어 파라미터 α을 변경할 수 있다. 예를 들어 사용자들이 밀집한 환경에서는 파라미터 α을 낮게 설정하여, 단말에서의 빔 이득이 최대가 되는 PMI를 선택한다. 반대로 단말들이 보다 넓게 분포하는 환경에서는 파라미터 α을 증가시켜 빔 이득이 감소하더라도 넓은 범위가 커버될 수 있도록 PMI의 선택 범위를 증가시킨다.

한편, 상술된 실시예에 따르면 RF 체인 별로 포함된 아날로그 안테나의 개수N_t ^RF가 동일하다고 가정하였으나, 이는 설명의 편의를 위함이고 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 RF 체인에는 n개의 안테나들이 포함되고, 제2 RF 체인에는 k(where n≠k)개의 안테나들이 포함될 수 있다. 이와 같이 RF 체인에 포함된 안테나 개수가 RF 체인 별로 상이한 경우에, 수학식 20에 기초하여 산출된 아날로그 빔의 유효 범위 ΔΦ는 각 RF 체인들마다 상이하다. 예컨대, 파라미터 α가 0.866인 경우 제1 RF 체인에 대하여

에 기초하여 제1 유효 범위가 산출되고, 제2 RF 체인에 대하여

에 기초하여 제2 유효 범위가 산출된다.

이 경우 제1 유효 범위와 제2 유효 범위 값이 다르기 때문에, 기지국에서는 전체 RF 체인들에 대하여 공통적으로 적용될 최종적인 아날로그 빔의 유효 범위를 결정할 수 있다. 예컨대, RF 체인들 별로 산출된 유효 범위들이 서로 상이하다면, 기지국은 산출된 유효 범위들 중에서 최소인 유효 범위를 최종적인 유효 범위로 결정할 수 있다. 다른 실시예에서, 기지국은 산출된 유효 범위들 중에서 최대인 유효 범위를 최종적인 유효 범위로 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에서 기지국은 산출된 유효 범위들의 평균하여 최종적인 유효 범위를 결정할 수 있다.

또 다른 실시예에서 기지국은 산출된 유효 범위들에 대하여 소정의 가중치들을 적용된 선형 함수를 통해서 최종적인 유효 범위를 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에서는 기준이 되는 RF 체인이 미리 설정되고, 기지국은 기준이 되는 RF 체인에 대하여 설정된 유효 범위를 최종적인 유효 범위로 결정할 수 있다. 상술된 예시들 외에도 다양한 유효 범위의 결정 방법들이 사용될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있다.

전술한 바와 같이 파라미터 α에 따라서 유효 범위가 조절되는 경우, 디지털 빔포밍을 위한 PMI도 함께 조절되어야 한다. 디지털 빔이 유효 범위에 위치하도록 코드북이 설계되고, 해당 코드북 내에서 PMI가 선택되어야 한다. 표 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코드북을 예시한다.

[표 3]

한편, 아날로그 빔포밍이 수행될 수 있는 스티어링 각은 제한적인데, 이를 스티어링 각이 세밀한 정도를 아날로그 빔포밍의 해상도(resolution)라고 표현한다. 예컨대, case1: {0,30, 60..}과 같이 30도 단위로 빔포밍이 가능한 경우는, case2: {0,5,10..}과 같이 5도 단위로 빔포밍이 가능한 경우보다 해상도가 낮다. 아날로그 빔포밍의 최대 해상도는 아날로그 소자의 기계적 성능에 의해 결정된다. 즉 아날로그 빔포밍을 수행하는 위상 천이기(Phase-shifter)의 분해능에 한계가 있기 때문에, 아날로그 빔포밍에서는 디지털 빔포밍과 같은 세밀한 단위로의 빔포밍은 어렵다. 따라서 안테나 설계시에 지원 가능한 아날로그 빔포밍의 최대 해상도가 미리 결정된다.

아날로그 빔포밍의 해상도가 변경되지 않는다고 가정할 때, 파라미터 α에 따라서 유효 범위들이 서로 중첩될 수 있다. 예컨대, 스티어링 각이 0도인 제1 아날로그 빔의 유효 범위가 약 -16.5 내지 +16.5도이고, 스티어링각이 30도인 제2 아날로그 빔의 유효 범위가 약 13.5 내지 +46.5도라고 가정한다. 이 때, 13.5 내지 16.5도는 제1 아날로그 빔의 유효 범위와 제2 아날로그 빔의 유효 범위에 모두 속한다.

따라서, 이와 같이 유효 범위가 중첩됨에 따라서, 제1 아날로그 빔에 대응하는 제1 디지털 빔의 PMI가 제2 아날로그 빔에 대응하는 제2 디지털 빔의 PMI가 동일할 수 있다. 예컨대, 코드북 내에서 일부 PMI가 중복될 수 있다.

도 11은 PMI가 중첩되는 경우를 도시한다. 도 11과 같이 유효 범위들이 중첩되는 경우, 파라미터 α에 의해 유효범위를 재조정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 중첩 지역에 위치한 단말은 다른 단말을 위한 빔포밍에 의해 간섭을 겪을 수 있기 때문이다.

유효 범위가 L1에서 L2로 변경됨에 따라서 표 3의 코드북에서 각 빔 바운드 벡터 마다 1개의 PMI가 다른 빔 바운드 벡터의 PMI와 중첩하였다면, 표 3의 코드북은 표 4와 같이 재조정된다. 예컨대, 유효 범위가 L2일 때 보어사이트=0과 보어 사이트=30 에서 PL이 중복적으로 사용되지 않도록 코드북을 변경한다.

[표 4]

본 발명의 일 실시예에 따르면, 아날로그 빔의 유효 범위에 따라서 디지털 빔의 해상도가 결정될 수 있다. 예컨대, 유효 범위가 증가하는 경우 선택 가능한 디지털 빔들 간의 간격도 증가하고, 유효 범위가 감소하는 경우 선택 가능한 디지털 빔들 간의 간격도 감소할 수 있다. 유효 범위가 변경되더라도 선택 가능한 PMI 개수는 일정하게 유지될 수 있다.

즉 제1 아날로그 빔(e.g., 보어사이트=0)의 제1 유효 범위에서 형성될 수 있는 디지털 빔의 개수가 Ni라면 유효범위가 변경되더라도 Ni는 그대로 유지될 수 있다. 예를 들어 도 12에서는 유효 범위가 감소하는데, 유효 범위 내에서 형성 가능한 디지털 빔의 개수 3은 변함없이 유지된다. 다만, 디지털 빔 간의 간격이 변경된다. 디지털 빔의 해상도 변경에 해당한다.

이와 같이, 디지털 빔의 간격이 변화됨에 따라서, 디지털 빔의 스티어링 각(보어사이트)이 변경된다. 따라서 간격이 변화된 디지털 빔을 위한 PMI가 새롭게 정의되어야 한다.

기지국에는 해상도가 서로 상이한 PMI 세트들(e.g, 코드북) 사전에 설정될 수 있다. 기지국은 유효 범위 또는 파라미터 α에 기초하여 PMI 세트를 이용할 것인지를 결정할 수 있다.

또 다른 실시예에서 기지국은 하나의 코드북을 재사용할 수도 있다. 예컨대, 유효 범위 또는 파라미터 α에 따라서 코드북의 PMI를 수정할 수 있다.

표 5를 참조하면, 하나의 빔 바운드 벡터 내에서 각각의 유효 범위 별로 해상도가 다른 다수의 PMI 세트들이 정의된다. 유효 범위가 L1일 때와 유효 범위가 L2일 때 사용가능한 PMI는 각각 L개로 같지만,

이다.

다시 말해,

에 기초하여 형성된 디지털 빔은

에 기초하여 형성된 디지털 빔과는 다른 방향으로 위치할 수 있다.

[표 5]

기지국은 유효 범위에 따라 빔 바운드 벡터에 의한 아날로그 빔의 해상도를 조절할 수 있다. 아날로그 빔포밍의 최대 해상도는 위상 천이기(phase-shifter)의 성능에 의해 결정된다.

예를 들어 파라미터 α를 α = α1 으로 설정 할 경우 유효 범위가 30°이고, α = α2 으로 설정할 경우 유효범위가 20°라고 가정한다. 유효 범위가 30°에서 20°으로 변경되면, 아날로그 빔의 빔포밍 해상도를 다시 재조정해야 한다. 유효 범위가 20°일 때, 아날로그 빔포머(F^RF)의 스티어링 각을 0°, ±30°, ±60°로 설정하면 각 빔 단위마다 10°의 공백이 생겨난다. 예컨대, 제1 아날로그 빔과 제2 아날로그 빔의 보어 사이트 차이는 30°인데, 제1 아날로그 빔과 제2 아날로그 빔의 유효범위는 각각 20°라면, 제1 아날로그 빔과 제2 아날로그 빔 사이에 위치한 10°구간에는 제1 아날로그 빔과 제2 아날로그 빔 모두에 속하지 않는 음영이 발생된다. 따라서 아날로그 빔포머(F^RF)의 스티어링 각이 0°, ±30°, ±60°에서 F^RF= 0°, ±20°, ±40°, ±60°으로 재조정되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 아날로그 빔이 유효하게 전송 가능한 범위를 고려하여 디지털 빔포밍 프리코더가 설계된다. 하이브리드 빔포머는 기본적으로 아날로그 빔 형성과 디지털 빔 형성이 결합되어 동작하게 된다. 이때 아날로그 빔과 RF 체인과의 관계를 통해 디지털 PMI의 적용 범위가 결정되고 설계될 수 있다. RF 체인 별로 연결된 아날로그 안테나들의 개수에 따라 아날로그 빔이 추정되고, 그에 따라 디지털 빔포밍 PMI가 설계된다. 이를 통해 하이브리드 빔포밍이 효율적으로 수행될 수 있으며, 빔 제어의 복잡도를 낮출 수 있다.

한편, 이상의 실시예들의 적용 범위는 반드시 하이브리드 빔 포밍에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 아날로그 빔포밍 단이 디지털 빔포밍 단으로 대체되는 형태에서도 본 실시예들이 적용될 수 있다. 안테나 서브 그룹핑(sub-grouping)을 통해 각 안테나 서브 그룹별로 디지털 빔포밍이 순차적, 직렬적으로 수행될 수 있다. 이와 같이 계층적(hierarchical) 구조를 갖는 디지털 빔포밍 기법에서도 본 실시예들이 적용될 수 있다.

이상에서 설명의 편의를 위하여 하향링크 기준으로 기술하였으나, 이에 한정되지 않는다. 본 실시예들은 다양한 형태의 송신기와 수신기 조합에 적용될 수 있다. 예를 들어, 단말이 기지국으로 전송하는 상향링크 전송 시나리오, 단말간 신호 전송(D2D, V2V, etc.) 시나리오, 혹은 기지국 간 신호 전송(Relay, Wireless Backhaul, etc.) 시나리오에서도 적용될 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 빔포밍 방법을 도시한 도면이다. 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략한다.

기지국은 먼저 제1 참조 신호의 설정 정보를 단말에 전송한다(S1305). 제1 참조 신호의 설정 정보는 RRC 시그널링을 통해서 전송되거나 또는 시스템 정보를 통해서 브로드캐스팅될 수 있다. 제1 참조 신호의 설정 정보는 예컨대, 제1 참조 신호가 전송되는 주기 또는 주파수, 맵핑될 자원 엘리먼트에 관한 정보를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

기지국은 아날로그 빔포밍을 통해서 제1 참조 신호를 전송한다(S1310). 기지국은 다양한 방향에 대하여 아날로그 빔들을 형성할 수 있다. 예컨대, 30도 단위로 12개의 방향에 대하여 12개의 아날로그 빔들을 형성할 수 있다. 다수의 아날로그 빔들은 시간에 따라서 순차적으로 형성될 수 있다.

단말은 제1 아날로그 빔을 통해서 제1 참조 신호를 수신한다. 다수의 아날로그 빔들을 통해서 제1 참조 신호가 전송되더라도, 단말이 모든 아날로그 빔들로부터 제1 참조 신호를 수신할 수 있는 것은 아니다. 단말은 자신이 위치한 방향으로 형성되는 적어도 하나의 아날로그 빔을 통해서 제1 참조 신호를 수신한다.

단말은 제1 아날로그 빔에 대한 정보를 전송한다(S1320). 예컨대, 단말은 제1 참조 신호를 수신한 타이밍이나 서브프레임, 제1 아날로그 빔의 인덱스, 제1 아날로그 빔의 방향, 제1 아날로그 빔의 이득에 대한 정보 중 적어도 하나를 기지국에 전송할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 제1 아날로그 빔 이외에 제2 아날로그 빔을 통해서도 제1 참조 신호가 수신될 수 있는데, 이 경우 단말은 이득이 제일 높은 어느 하나의 빔에 대해서만 정보를 기지국으로 전송하는 것이 바람직하다.

제1 아날로그 빔에 대한 정보를 통해서 후술하는 하이브리드 빔포밍의 방향이 결정될 수 있다. 예컨대, 제1 아날로그 빔의 보어사이트가 30도 인 경우, 하이브리드 빔포밍에서의 아날로그 빔포밍도 30도 방향으로 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 하이브리드 빔포밍에서의 디지털 빔포밍은 30도± (유효 범위/2)에서 수행되는 것이 바람직하다.

기지국은 제1 아날로그 빔의 유효 범위를 결정한다(S1325). 기지국은 제1 아날로그 빔을 통해 획득되어야 하는 최소 이득(G_min)을 설정한다. 기지국은 제1 아날로그 빔을 통한 전송의 이득이 상기 설정된 최소 이득 이상으로 나타나는 각도들의 범위를 결정한다. 예컨대, 유효 범위는 수학식 20에 기초하여 결정될 수 있다.

기지국은 유효 범위에 따라서 아날로그 빔의 해상도를 변경한다(S1330). 예컨대, 기지국은 제1 아날로그 빔을 스티어링하기 위한 제1 단위 각 및 결정된 유효 범위에 기초하여, 제1 아날로그 빔과 제1 단위 각만큼 스티어된(steered) 제2 아날로그 빔 사이에 아날로그 빔포밍의 음영이 존재하는지 여부를 판단한다. 기지국은 아날로그 빔포밍의 음영이 존재한다고 판단되면, 제1 단위 각을 제2 단위 각으로 변경한다.

기지국은 제1 아날로그 빔의 유효 범위에 기초하여 디지털 빔포밍의 PMI를 결정한다(S1325).

기지국은 코드북으로부터 제1 PMI(precoding matrix index) 세트를 선택한다. 기지국은 제1 PMI 세트에서 적어도 하나의 PMI를 선택한다. 제1 PMI 세트는 제1 아날로그 빔의 보어 사이트(bore-sight) 각도 및 제1 유효 범위 중 적어도 하나에 기초하여 선택된 것일 수 있다. 예컨대, 코드북은 표 5에서 설명된 바와 같이, 제1 PMI 세트가 맵핑된 제1 유효 범위, 제1 유효 범위를 포함하는 다수의 유효 범위들이 맵핑된 제1 보어 사이트 각도 및 제1 보어 사이트 각도를 포함하는 다수의 보어 사이트 각도들을 포함할 수 있다.

기지국은 제1 아날로그 빔의 보어 사이트(bore-sight) 각에 대응하는 제1 PMI(precoding matrix index) 세트와 제1 아날로그 빔의 보어 사이트(bore-sight) 각에 인접한 소정의 각도에 대응하는 제2 PMI 세트의 적어도 일부가 중첩되는지 여부를 판단할 수 있다. 만약 적어도 일부가 중첩되는 경우, 기지국은 표 4와 같이 제1 PMI 세트로부터 상기 중첩되는 일부를 제외하고 적어도 하나의 PMI를 선택할 수 있다.

유효 범위가 변경됨에 따라서 디지털 빔포밍의 해상도(resolution)도 변경될 수 있다. 예컨대, 제1 유효 범위에 대응하는 제1 PMI(preconding matrix index) 세트 및 제2 유효 범위에 대응하는 제2 PMI 세트를 포함하는 표 5와 같은 코드북에서 기지국은 유효 범위에 기초하여 적어도 하나의 PMI를 선택한다. 이 때 제1 PMI 세트에 포함된 제1 PMI들의 개수와 상기 제2 PMI 세트에 포함된 제2 PMI들의 개수가 동일할 수 있다. 또한 제1 PMI들에 의해 생성되는 디지털 빔들 간의 간격은 제2 PMI들에 의해 생성되는 디지털 빔들 간의 간격과는 상이할 수 있다.

기지국은 하이브리드 빔포밍을 통해서 하향링크 데이터를 전송한다(S1330). 예컨대, 기지국은 유효 범위 및 PMI 에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 계층적으로 결합된 하이브리드 빔포밍을 수행한다.

도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말과 기지국의 구조를 도시한 도면이다. 도 14의 기지국(10) 및 단말(20)은 전술한 방법들을 수행할 수 있으며, 중복되는 내용은 설명을 생략한다.

기지국(10)은, 수신기(11), 송신기(12), 프로세서(13), 메모리(14) 및 복수개의 안테나(15)를 포함할 수 있다. 복수개의 안테나(15)는 MIMO 송수신을 지원하는 기지국을 의미한다. 수신기(11)은 단말로부터의 상향링크 상의 각종 신호, 데이터 및 정보를 수신할 수 있다. 송신기(12)은 단말로의 하향링크 상의 각종 신호, 데이터 및 정보를 전송할 수 있다. 프로세서(13)는 기지국(10) 전반의 동작을 제어할 수 있다.

기지국(10)의 프로세서(13)는 그 외에도 기지국(10)가 수신한 정보, 외부로 전송할 정보 등을 연산 처리하는 기능을 수행하며, 메모리(14)는 연산 처리된 정보 등을 소정시간 동안 저장할 수 있으며, 버퍼(미도시) 등의 구성 요소로 대체될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 프로세서(13)는 하이브리드(hybrid) 빔포밍 중 아날로그 빔포밍의 이득에 기초하여 아날로그 빔의 유효 범위를 결정한다. 프로세서(13)는 아날로그 빔의 유효 범위에 기초하여 하이브리드 빔포밍 중 디지털 빔포밍을 위한 프리코딩 행렬을 결정한다. 프로세서(13)는 유효 범위 및 프리코딩 행렬에 기초하여 디지털 빔포밍 및 아날로그 빔포밍이 결합된 하이브리드 빔포밍을 수행한다. 송신기(12)는 하이브리드 빔포밍을 통해서 단말에 하향링크 데이터를 전송한다.

단말(20)은, 수신기(21), 송신기(22), 프로세서(23), 메모리(24) 및 복수개의 안테나(25)를 포함할 수 있다. 복수개의 안테나(25)는 MIMO 송수신을 지원하는 단말을 의미한다. 수신기(21)은 기지국으로부터의 하향링크 상의 각종 신호, 데이터 및 정보를 수신할 수 있다. 송신기(22)는 기지국으로의 상향링크 상의 각종 신호, 데이터 및 정보를 전송할 수 있다. 프로세서(23)는 단말(20) 전반의 동작을 제어할 수 있다.

단말(20)의 프로세서(23)는 그 외에도 단말(20)가 수신한 정보, 외부로 전송할 정보 등을 연산 처리하는 기능을 수행하며, 메모리(24)는 연산 처리된 정보 등을 소정시간 동안 저장할 수 있으며, 버퍼(미도시) 등의 구성요소로 대체될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신기(21)는 아날로그 빔포밍을 통해서 상이한 방향들로 형성되는 다수의 아날로그 빔들 중 제1 아날로그 빔을 통해서 제1 참조 신호를 수신한. 수신기(21)는 아날로그 빔포밍 및 디지털 빔 포밍이 결합된 하이브리드 빔포밍을 통해서 하향링크 데이터를 수신한다. 송신기(22)는 1 참조 신호가 수신된 제1 아날로그 빔에 대한 정보를 기지국에 전송한다. 디지털 빔포밍을 위한 프리코딩 행렬은, 제1 아날로그 빔의 유효 범위에 기초하여 결정된 것일 수 있다.

도 15 내지 도 24는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 빔 포밍을 수행하는 통신부 구성을 설명하기 위한 도면들이다.

도 15는 일반적인 RF 빔포밍을 수행하는 통신부 블록도(1500)이고, 도 16은 일반적인 하이브리드(Hybrid) 빔포밍 MIMO(Multiple Input Multiple Output)를 수행하는 통신부 블록도(1600)이다.

4G 통신의 경우에는 데이터 통신의 고속화를 위하여 MIMO 또는 CA(Carrier Aggregation) 등의 기술을 이용할 수 있다. MIMO의 경우, 동일한 RF 채널 주파수로 동작하는 RFIC 송수신기와 안테나 개수에 비례해서 데이터의 전송속도가 빨라질 수 있다. CA의 경우, 다른 RF 채널 주파수로 동작하는 RFIC 송수신기의 총합 대역폭에 비례해서 데이터 전송 속도가 빨라질 수 있다.

5G mm(밀리미터)파 통신의 경우, 유닛 트랜지스터(Unit Transistor)의 출력 신호 전력이 적고 공기 중 감쇄가 크기 때문에 일반적으로 빔포밍 송수신 구조를 사용할 수 있다.

사용자가 원하는 RF 채널 신호는 높은 안테나 이득으로 송수신하고, 간섭 신호는 작은 안테나 이득으로 수신하는 단순한 RF 송수신구조로서 도 15에 도시된 일반적인 RF 빔포밍을 수행하는 통신부 블록도(1500)이다.

반면, 보다 빠른 통신 속도를 위해서는 복수의 송수신 구조를 가진 도 16의 하이브리드 빔포밍 MIMO를 수행하는 통신부 블록도(1600)를 적용할 수 있다. 여기서, 빔포밍의 자유도를 높이기 위해 RF 빔포밍과 BB 빔포밍 둘 다 포함하는 하이브리드 빔포밍을 주로 이용할 수 있다.

도 17은 N_RF개의 송수신기를 가지고, 각 송수신기별 N_ant개의 안테나 어레이를 갖는 하이브리드 빔포밍 MIMO를 수행하는 통신부의 블록도이다.

도 17은 5G에서 통신 고속화를 위해 사용될 수 있는 하이브리드 빔포밍 MIMO를 수행할 수 있는 통신부의 블록도이다.

통신 속도는 샤논-하틀리 이론(Shannon-Hartley Theorem)에 의해 근사식으로 나타낼 수 있다.

C ? N_RF * BW * log₂(SNR)

여기서, C는 통신속도, N_RF는 RFIC 송수신기/안테나 개수, BW는 통신 대역폭, SNR은 신호대 잡음비를 의미할 수 있다.

통신속도(C)는 통신 대역폭(BW)와 MIMO 송수신 N_RF에 비례할 수 있다. log₂(SNR)의 SNR은 안테나 어레이 개수 N_ant 에 따라 Rx 경우, 1개 안테나보다 최대 10*log10(N_ant)만큼 SNR이 증가하고, Tx 경우, 1개 안테나보다 최대 20*log10(N_ant)만큼 SNR이 증가할 수 있다.

5G 통신 밀리미터파 통신의 문제점 중 하나는 통신거리가 종래 통신 방식보다 짧다는 것이다. 유닛 트랜지스터의 출력 신호 전력이 적고 공기 중 감쇄가 크기 때문에 일반적으로 빔포밍 송수신 구조를 사용할 수 있다. 빔포밍 회로/안테나 개수 N_ant를 키우면 통신 거리가 늘어나지만, 빔포밍 회로/안테나 공간이 매우 커지는 단점이 있다.

이하 도면들에서는 위 문제점을 개선하기 위해 주어진 총 안테나 개수 N_ant x N_ant 를 RF 빔포밍 또는 Hybrid 빔포밍 MIMO 구조에 사용할 수 있는 가변형 빔포밍 구조를 제안한다.

도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)의 블록도이다.

가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)는 RF 안테나 어레이(1810), 복수 개의 RF 빔포밍 송수신 회로(1820), 복수 개의 RF 수신 신호 결합기 및 RF 송신 신호 분배기(1830), 복수 개의 RF 수신 신호 결합기 및 RF 송신 신호 분배기와 복수 개의 스위치(1840), 복수 개의 RF TO BB 변환기(1850), BB 디지털 빔포밍 송수신 회로(1860) 및 모뎀(1870)을 포함할 수 있다.

도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)는 N_RF개의 송수신기를 가지고, 각 송수신기별 N_ant개의 안테나 어레이를 가지고 다양한 형태의 RF 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍 MIMO로 변경이 가능한 구조를 가지고 있다.

가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)의 복수 개의 RF 빔포밍 송수신 회로(1820)는 필터링, 위상변위 및 증폭/감쇄 기능을 수행할 수 있다.

가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)의 스위치(1840)는 복수개의 RF 수신 신호 결합기 및 RF 송신 신호 분배기와 복수 개의 RF to BB 변환기를 임의적으로 연결할 수 있고, 임의 연결의 조합도 사용자 선택에 의해 가능함은 자명하다.

가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)의 모뎀(1870)은 BB 신호 변복조, RF 빔포밍 / BB 디지털 빔포밍 컨트롤, MIMO, RF 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍/MIMO의 빔포밍 구조 결정을 담당할 수 있다.

다양한 형태의 RF 빔포밍 또는 하이브리드 빔포밍/MIMO으로 변경이 가능한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)의 동작 방식은 통신 시스템 및 채널 환경에 맞는 최적의 통신 효용성을 가질 수 있기 때문에 다양한 통신 표준화에 적용될 수 있다. 특히, 고속 데이터 통신이 필요한 wifi 11ad, ay, ac 등과 5G 통신에 적용할 수 있을 것이다. 나아가, 빔포밍 방식을 선택할 때 사용하지 않는 블록은 전원을 오프(off)하여 소비 전력도 감소시킬 수 있다.

예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이 제1 스위치 동작을 수행하는 경우, 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)는 RF 빔포밍을 수행할 수 있다. 빔포밍 이론에 의하면 N_ant개의 안테나를 빔포밍 할 경우, Rx 경우 1개 안테나보다 최대 10*log10(N_ant)만큼 수신 전력이 증가한하고 Tx 경우, 1개 안테나보다 최대 EIRP(유효복사전력)가 20*log10(N_ant)만큼 증가할 수 있다.

1개의 RF path(RF to BB)에 연결되었던 안테나 어레이는 N_ant에서 2*N_ant 로 2배 증가할 수 있다. 이 때 Rx 경우, 안테나 어레이 개수가 2배로 증가하여 안테나 입력 신호가 2배 증가하여 수신 감도가 3dB 개선되고, 수신거리가 40%증가하며, Rx 경우, 안테나 어레이 개수가 2배로 증가하여 최대 EIRP가 4배 증가하여, 송신 거리가 2배 증가할 수 있다.

또한 다른 일 예로서, 도 20에 도시된 바와 같이 제2 스위치 동작을 수행하는 경우, 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)는 하이브리드 빔포밍/MIMO를 수행할 수 있다. 통신속도(C)는 통신 대역폭(BW)와 MIMO 송수신N_RF에 비례하기 때문에 N_RF =2이므로 RF 빔포밍 경우보다, 데이터 전송 속도가 2배 증가할 수 있다.

도 21은 본 발명의 제2 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(2100)을 도시한 도면이다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(2100)는 하이브리드 빔포밍 4x4 MIMO, 4개의 RF 송수신기가 각각 N_ant의 안테나 어레이 연결을 수행할 수 있다. 또한, 하이브리드 빔포밍 2x2 MIMO, 2개 RF 송수신기는 각각 2*N_ant의 안테나 어레이 연결을 수행하고, 사용하지 않는 2개 RF 송수신기와 관련 BB 블록은 전원을 오프하여 전력 소모를 감소시킬 수 있다. RF 빔포밍 SISO, 1개의 RF 송수신기에 4*N_ant의 안테나 어레이 연결을 수행하고, 사용하지 않는 3개의 RF 송수신기와 관련된 BB 블록은 전원을 오프하여 전력 소모를 감소시킬 수도 있다.

도 22는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)가 빔포밍 방식을 결정하는 방법을 도시한 플로우 차트(flow chart)이다.

우선, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)는 송수신기에서 무선 채널 환경을 분석할 수 있다(S2210). 상기 분석을 통해 RSSI, SNR, BER 등 기준 값들을 비교할 할 수 있다(S2220). 상기 비교 결과, 무선 채널 환경 변수 값들이 기준 값들과 비교하여 low level로 판단되면 제1 스위치 동작을 수행하여 RF 빔포밍 형태의 송수신기 구조로 동작할 수 있다(S2230). 반면, 상기 비교 결과, 무선 채널 환경 변수 값들이 기준 값들과 비교하여 high level로 판단되면 제2 스위치 동작을 수행하여 하이브리드 빔포밍/MIMO 형태의 송수신기 구조로 동작할 수 있다(S2240). 그리고 나서 결정된 송수신기 구조에 따라 데이터 통신을 수행하고(S2250), 스케줄링을 할 수 있다(S2260).

보다 더 자세하게 설명하면, 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(1800)를 포함하는 단말이 기지국과 통신할 때 송신부(기지국 또는 단말) 또는 수신부(기지국 또는 단말)에서 상대방에게 무신 호출 신호를 보내 통신 요청을 알린다(제1 통신 단계). 송신부와 수신부간에 파일롯 신호의 통신을 통해 빔포밍을 한다. 빔포밍은 송신기에서 송신 안테나 어레이의 빔의 방향을 고정 또는 스캔하면서 송신 신호를 송신하고, 수신기에서 수신 안테나 어레이의 빔의 방향을 고정 또는 스캔하면서 그 송신 신호를 수신하면서 RSSI(received signal strength indication)나 SNR (signal to noise ratio)이 최대가 되도록 최종 통신 빔 방향을 잡는 것이다. RSSI는 원하는 RF 채널의 대역폭 내의 총 신호 세기이다. Analog or digital baseband filter 출력에서 이 신호 세기를 측정할 수 있다. RSSI 측정 프로세서는 간단하지만 이 신호 내에 포함되어 있는 Noise 신호의 세기와 실제 Signal 신호의 세기를 구분할 수는 없다. RSSI가 일정 기준 이상이면 채널에 유의미한 신호가 있다 또는 최저 전송률의 통신이 가능하다는 것을 빠르게 파악할 때 유용하다. 송수신 빔포밍 방향을 빠르게 파악해야 할때 RSSI를 기준으로 할 수 있다. RSSI가 높은 방향으로 송수신 RF 빔포밍 방향을 먼저 세팅한다. SNR은 baseband에서 digital demodulation을 통해 EVM (error vector magnitude)을 측정하여 실제 signal 세기와 noise 세기의 비를 나타낸 값이다. 이 SNR은 C ≒ N_RF*BW*log₂(SNR)에서 알 수 있듯이 데이터 전송 속도의 결정 요소가 된다. RF 빔포밍이 앞서 세팅된 상황에서 SNR이 최고가 되도록 디지털 빔포밍 방향을 세팅한다. 파일롯 신호는 정해진 값의 신호이다. 송수신에서 알고 있는 값이다. 수신부에서 멀티 패스 등의 실제 무선 채널을 통해 받은 파일롯신호를 알고 있는 값으로 변환하면서 채널 보상 행열을 먼저 구하고, 이 보상 행열을 통해 계산된 최종 파일롯 신호의 EVM으로 부터 SNR을 구한다. RSSI나 SNR을 계산할때, 송수신 구조와 데이터 모듈레이션 차수를 결정하는 기준을 확보하기 위해 시스템 운영의 안정성, 효율성등을 고려하여 적당한 기본 송수신 구조(SISO, 2x2MIMO, 4x4MIMO 등)와 기본 모듈레이션차수(16QAM, 64QAM, 256 QAM 등)를 먼저 정해서 할 수 있다. 예를 들면, Tx 경우 데이터 전송 속도보다는 통신 거리 및 소모 전력을 고려하여 SISO(single input single output)를 기본 모드로 진행하고 Rx 경우 데이터 전송 속도가 중요하니, 최소 MIMO인 2x2 MIMO를 기본 모드로 빔포밍 할 수 있다(제2 통신 단계).

송신부와 수신부간에 실제 데이터 통신을 한다. 데이터 통신을 통해 획득한 SNR과 기본 모드를 바탕으로 그대로 송수신 데이터 통신을 할 수 있다. 또는 시스템에서 요구하는 빔포밍 구조 및 모듈레이션 모드로 변경하여 제2 통신 단계를 진행한 다음 실제 데이터 통신을 한다(제3 통신 단계).

데이터 통신 중간에 무선 통신 채널 환경이 변할 수 있기 때문에 데이터 통신에서 임의 시간 간격과 기간 동안 제2 통신 단계와 제3 통신 단계를 수행하면서 실제 데이터 통신을 한다(제4 통신 단계).

도 23 및 도 24는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(2300)을 도시한 도면들이다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가변형 빔포밍을 수행하는 통신부(2300)는 온/오프(ON/OFF) 버퍼를 이용하여 가변형 빔포밍 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 23의 경우 1개의 RF path(RF to BB)에 연결되었던 안테나 어레이는 N_ant 에서 2*N_ant 로 2배 증가하게 된다. Rx 경우, 안테나 어레이 개수가 2배로 증가하여 안테나 입력 신호가 2배 증가하여 수신 감도가 3dB 개선되고, 수신거리가 40%증가하며, Tx 경우, 안테나 어레이 개수가 2배로 증가하여 최대 EIRP가 4배 증가하여, 송신 거리가 2배 증가할 수 있다. 도 24의 경우 버퍼를 통해 하이브리드 빔포밍/MIMO 동작을 수행할 수 있다.

도 23 및 도 24와 같이 안테나 연결 경로 선택을 스위치가 아닌 버퍼(buffer)를 통해 수행하면, 스위치 사용에 비해 고주파 신호 손실을 줄일 수 있는 기술적 효과가 있다. 대신 소량의 버퍼 소모 전력이 발생할 수 있다. 버퍼는 온 일 때 적은 이득으로 신호를 통과시키고, 오프일 때 하이 임피던스(High Impedance)를 융지하여 신호를 통과시키지 않고 차단할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 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, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 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.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 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. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (6)

1. 빔포밍(beamforming) 방식을 결정하는 방법에 있어서,
   통신 장치의 송수신기에서 무선 채널 환경을 분석하는 단계;
   RSSI 값 및 SNR 값을 획득하는 단계; 및
   상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 RF 빔포밍 방식 또는 하이브리드 빔포밍 방식 중 한가지 방식을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 RF 빔포밍 방식을 선택하는 경우,
   1개의 RF 경로에 상기 통신 장치의 모든 안테나를 연결하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 획득한 RSSI 값 및 SNR 값에 따라 하이브리드 빔포밍 방식을 선택하는 경우,
   각각의 RF 경로에 상기 통신 장치의 안테나를 일정하게 분할하여 연결하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
4. 제2항 및 제3항에 있어서,
   상기 스위칭 동작은 온 버퍼(ON buffer) 및 오프 버퍼(OFF buffer)를 통해 수행되는, 방법.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 통신 장치는 RF 안테나 어레이, RF 빔포밍 송수신 회로, RF 수신 신호 결합기, RF 송신 신호 분배기, RF to BB(Baseband) 변환기, BB 디지털 빔포밍 송수신 회로 및 모뎀을 포함하는, 방법.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 통신 장치는 복수 개의 RF 수신 신호 결합기 및 RF 송신 신호 분배기와 복수 개의 RF to BB 변환기를 빔포밍 방식에 따라 선택적으로 연결하는 스위치를 더 포함하는, 방법.
   

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